无源UHF RFID标签中模拟/射频前端及存储器低功耗分析与实现

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射频识别(Radio Frequency Identification-RFID)技术是利用空间电磁场进行无接触识别的技术,RFID技术在日常生活中有很多的应用方向,同时它也是实现物联网的重要组成部分。由于无源的超高频射频识别(Ultra high frequencyRFID-UHF RFID)标签具有较远传输距离、很小的体积、较为低廉的成本,因此本课题主要针对无源UHF RFID标签芯片的模拟/射频前端和存储器进行研究。  根据EPC C1G2和ISO/IEC18000-6 Type C协议,规范本文在TSMC0.18um1P4M RF Mix signal工艺下设计了一款UHF RFID射频芯片的模拟/射频前端和与标准工艺兼容的EEPROM存储器。  首先,对射频识别系统数据和能量传输进行分析,提出了低功耗的设计目标。  第二,对UHF RFID系统框架做了介绍,主要组成部分有模拟/射频前端、数字基带、存储器、标签天线。考虑到低功耗的设计需求,优化了标签芯片的系统结构,提出了双电压域供电的方式,其中,模拟/射频前端和数字基带采用1V电压供电,基准电流源和存储器采用1.8V电压供电。  第三,分析模拟/射频前端主要模块工作原理,提出设计难点,并给出低功耗的设计方法。整流电路,采用阈值补偿技术,减少阈值损失和漏电流,增加转换效率。解调电路,采用基于二极管检波的ASK解调方式,利用NMOS管对包络检波波形进行钳位,避免了检波的大幅度变化。调制电路,采用反向散射ASK调制技术。稳压电路,采取串联形式的稳压电路结构,对整流器的输出进行稳压,最终输出1V和1.8V。基准电流源,利用亚阈值区工作的MOS管的小电流特性,产生不随电压变化的稳定基准电流。时钟发生器,在传统的环形振荡器基础上添加校准电路,使输出频率稳定在2.56MHz附近,最大只有9%的偏差,并且校准后最大功耗只有774nW。上电复位电路,避免了静态工作电流的存在,在电源电压上升到840mV时给出上电复位信号,在电源电压下降到640mV时给出掉电信号。整个模拟/射频前端总体功耗为5.1μW。  第四,设计了与标准工艺相兼容的512 bit EEPROM存储器,对存储单元的编写和读取过程做了详细说明,并且对存储单元的存储机制和可靠性做了分析。另外,设计了一版64 bit的测试版EEPROM,经过测试验证其读、写功能正常。并根据测试结果对不同编程电压、隧穿管的尺寸、编程时间做了分析。  最后,讲述了版图绘制规则,给出本文的射频识别标签的布局布线思路,并给出整体芯片版图及测试版EEPROM芯片的版图。UHF RFID射频芯片的面积仅为0.72 mm2,其中包括测试IO。EEPROM测试芯片面积为0.55mm2。
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