无源UHF RFID标签芯片前端模块电路的研究与设计

论文摘要

射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）是利用射频信号自动、准确、快捷、方便地获取相关信息的技术，射频识别技术的诸多优点，使得其在自动识别领域中脱颖而出。随着射频技术的快速发展以及应用范围的不断扩大，要求标签的成本不断下降，需要将整个电路模块或者整个系统集成到单个芯片上。目前，工作于超高频电磁波波段，且全集成的无源超高频标签的研究和设计成为国内外一个重要的研究热点，无源超高频标签的工作性能将直接影响射频识别系统的成本及应用范围。在我国，超高频段远距离无源标签的研发及应用正处于起步阶段，因此，对提高射频标签前端电路的性能研究具有特别重要的意义。首先，本文详细论述了超高频射频识别系统的组成及工作原理；其次，对无源超高频射频识别标签芯片的系统架构进行了分析与设计，并对各单元电路功能进行了分析；最后针对无源标签芯片实现中的相关电路进行了研究与设计。具体工作及创新点如下：从无源射频标签的能量供应的角度，分析了应用于超高频射频识别系统的各类整流电路的性能，确定了NMOS二极管型电荷泵作为标签芯片射频前端电路中的N级倍压整流电路，建立了相应的模型并对其进行了分析，为提高整流效率提供理论参考依据；利用低阈值NMOS管设计了AC-DC电荷泵电路，解决了传统肖特基二极管型电荷泵的制备工艺不通用的缺陷。分析了各类稳压限流保护电路结构，提出了一种限流范围更大适用于无源超高频标签的保护电路结构。仿真结果表明：在输入电压变化较大时，输出电压的波动范围较小，从而验证了其限流性能良好。针对无源标签低功耗特点，提出了一种适合于标签芯片模拟前端的电压基准，该电压基准基于MOS亚阈值特性，并且是一种全MOS结构。它利用VT的正温度特性来补偿VTH的负温度特性，从而实现一个零温度系数的输出电压。为了实现较低的功耗，所设计电路中大部分MOS工作在亚阈值区。仿真结果表明：电路的工作电压在0.7V到3.6V之间；在0℃～120℃温度范围之内，电压基准温度系数低至2.97ppm/℃；在1V的电源电压下，电路的静态功耗和输出电压值分别为1.48μW和430.6mV，在无任何滤波电容的情况下，在1KHz频率时，其输出电压的电源抑制比是-61dB。基于Charted0.18-μm CMOS工艺，对所设计电路进行了版图绘制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 RFID射频识别系统
• 1.2.1 RFID射频识别系统构成
• 1.2.2 RFID射频识别系统的技术特点和应用
• 1.2.3 RFID射频识别技术发展历史和研究现状
• 1.3 无源UHF RFID标签芯片前端电路国内外发展动态
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.5.1 AC-DC电荷泵电路的分析与设计
• 1.5.2 稳压电路设计
• 1.5.3 电压基准设计
• 1.6 本文的组织结构
• 第2章 超高频射频识别系统基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 标签分类
• 2.2.1 频率分类
• 2.2.2 供电方式分类
• 2.2.3 耦合方式分类
• 2.3 UHF RFID系统工作原理
• 2.3.1 无源UHF RFID标签的能量供应
• 2.3.2 UHF RFID标签与阅读器之间的通信原理
• 2.3.3 UHF RFID系统的信号调制方式和数据编码
• 2.4 无源UHF RFID标签系统构架及单元电路分析
• 2.4.1 标签天线
• 2.4.2 射频前端
• 2.4.3 模拟前端
• 2.4.4 数字基带及EEPROM
• 2.5 小结
• 第3章 无源UHF RFID标签芯片整流电路及稳压电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 整流升压电路简介
• 3.2.1 整流电路的关键性质及发展现状
• 3.2.2 整流电路的结构与性能
• 3.3 NMOS二极管连接型AC-DC电荷泵设计
• 3.3.1 NMOS二极管连接型AC-DC电荷泵结构
• 3.3.2 NMOS二极管连接型AC-DC电荷泵原理
• 3.3.3 NMOS二极管连接型AC-DC电荷泵仿真
• 3.3.4 版图设计
• 3.4 稳压电路设计
• 3.4.1 稳压电路的分类
• 3.4.2 提出的稳压电路
• 3.4.3 仿真验证结果及分析
• 3.4.4 版图设计
• 3.5 小结
• 第4章 无源UHF RFID标签芯片电压基准设计
• 4.1 引言
• 4.2 电压基准性能参数
• 4.2.1 温度系数
• 4.2.2 功耗
• 4.2.3 电源抑制比
• 4.3 电压基准原理
• 4.3.1 带隙电压基准
• 4.3.2 基于MOS 晶体管阈值电压差的电压基准
• 4.3.3 基于MOS 亚阈值特性的电压基准
• 4.4 提出的低电压低功耗电压基准设计
• 4.4.1 电路原理分析
• 4.4.2 仿真验证
• 4.4.3 仿真结果分析
• 4.4.4 版图设计
• 4.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）