适用于射频识别标签的低功耗存储器电路研究

论文摘要

射频识别技术（RFID:Radio Frequency Idendification）是一种使用射频信号实现无接触信息传递与识别的技术。而作为信息的存储载体,嵌入式非挥发存储器（Embedded Non-Volatile Memory）是RFID标签不可缺少的组成部分。随着RFID技术的普及与深入,物联网、航空业等新兴应用领域对标签中的非挥发性存储器提出了大容量、低功耗、低成本的综合要求。本论文根据这些应用需求,对适用于射频标签的嵌入式非挥发性存储器设计开展了大量的研究,并选择阻变存储器（RRAM）与电可擦写只读存储器（EEPROM）进行了芯片实现。本文首先系统的分析了超高频无源标签系统对存储器电路的性能要求,给出了适用于UHF RFID标签的非挥发性存储器所应具备的基本性能指标。随后本文详细地分析了RRAM与EEPROM的存储机制、单元结构以及应用特点,并与其他嵌入式非挥发性存储器进行了全面的分析比较,系统的分析了RRAM与EEPROM在目前应用背景下各自的优劣势,并针对现存的设计难点给出了相应的解决方案。RRAM存储器方面,本文设计并提出了适用于2T2R（双控制管-双阻性存储单元）存储结构的差分灵敏放大器与带尖峰电流消除功能的稳压环路,在实现低功耗读出的同时消除了电荷泵的启动大电流。同时本文对存储阵列、位线通路、电荷泵、写反馈控制电路等关键模块进行了详细的分析与优化。在此基础上,本文在SMIC 0.13μm标准工艺上设计和实现了世界第一款带64-Kbit RRAM存储器的无源超高频标签,测试结果显示存储器芯片在640 Kb/s数据率下的读功耗为2.2μA,在5 KB/s的写数据率下的写功耗为18.5μA,存储器电路总面积为0.39mm2。EEPROM存储器方面,本文针对大容量EEPROM,设计改进了EEPROM读出电路,在SMIC 0.18μm EEPROM工艺下实现了低电压、低功耗的读出功能。测试显示,改进的读出电路能够在0.7V以下工作,且最低功耗小于21μA。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 射频识别标签简介
• 1.1.2 嵌入式非挥发性存储器简介
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 低成本研究
• 1.2.2 大容量存储器研究
• 1.2.3 低电压与低功耗研究
• 1.3 论文的主要工作和贡献
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 超高频无源标签系统对存储器的性能要求分析
• 2.1 标签通信距离与芯片功耗关系
• 2.2 UHF RFID标签系统对存储器读写速度的要求
• 2.2.1 存储器读速度要求
• 2.2.2 存储器写速度要求
• 2.3 小结
• 第三章 存储单元特性研究与比较
• 3.1 阻变存储单元结构概述
• xO阻变存储器的基本结构'>3.1.1 1T1R Cu_xO阻变存储器的基本结构
• xO阻变存储器的基本特性与操作方式'>3.1.2 1T1R Cu_xO阻变存储器的基本特性与操作方式
• 3.1.3 针对RFID应用优化的2T2R结构存储单元
• 3.1.4 2T2R RRAM优势及设计难点
• 3.2 EEPROM单元结构及操作原理简介
• 3.3 性能比较
• 3.3.1 Logic NVM简介
• 3.3.2 铁电存储器简介
• 3.3.3 性能比较小结
• 3.4 小结
• 第四章 适用于无源超高频标签的RRAM设计
• 4.1 系统架构描述
• 4.2 RRAM存储阵列设计
• 4.3 地址译码电路
• 4.3.1 行译码电路
• 4.3.2 列译码电路
• 4.4 灵敏放大器
• 4.4.1 比较器设计
• 4.4.2 位线寄生分析
• 4.5 高压管理电路
• 4.5.1 高效率DC-DC电荷泵设计
• 4.5.2 带尖峰电流控制的门控时钟稳压环路设计
• 4.6 位线控制电路
• 4.7 实现与测试
• 4.7.1 标签整体测试
• 4.7.2 RRAM存储器测试
• 4.8 小结
• 第五章 低电压、低功耗EEPROM读出电路研究与实现
• 5.1 EEPROM读操作难点分析
• 5.1.1 首bit读错分析
• 5.1.2 低电压读错分析
• 5.2 电路实现
• 5.2.1 阵列划分
• 5.2.2 带预充电功能与修正功能的行译码电路
• 5.2.3 低电压灵敏放大器设计
• 5.3 芯片实现与测试
• 5.3.1 测试结果
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 硕士期间的发表与著作情况
• 一作论文
• 署名论文
• 致谢