UHF RFID标签芯片稳压电路设计文献综述

 2022-09-23 04:09

  1. 文献综述(或调研报告):

RFID是一种新型的自动识别技术。随着科技的发展,该技术日益成熟,已广泛地应用在日常生活的各个方面,对物流、交通管理等行业产生了重大影响。RFID系统组成包括:阅读器、标签芯片以及数据管理系统。在RFID产业链中,目前国内研究最成熟的是低频系统,已形成产业化应用。随着物联网的兴起,超高频RFID系统由于自身存储容量大,阅读距离远的优点受到了更多关注。国外已有成熟的超高频产品推出,而国内尚处于起步阶段,因此这方面的研究很有意义。对于无源的RFID标签芯片,电源恢复电路是芯片的核心模块。它由整流电路与基准稳压电路组成,其性能直接决定着芯片的阅读距离和稳定性。本课题研究了整流基准稳压电路的常用电路结构,详细分析了工作原理和应用环境,提出了本文的设计结构。针对UHF RFID的应用要求,本文设计实现的基准稳压电路线性调整率小于19mV/V,电流驱动能力强,负载瞬态响应良好,达到指标要求。

传统的低压差线性稳压电路的基准核心模块大多采用带隙结构,利用双极型晶体管的基射结电压的负温度系数,以及热力学电压的正温度系数,通过加权相抵,形成零温度系数的电压。由于高精度和高稳定性,带隙结构的基准电压源广泛地应用于各种电路中,但输出基准电压高,功耗大。随着CMOS工艺和低电压低功耗电路的发展,带隙结构已不能满足应用要求。针对RFID标签芯片低功耗的设计要求,本设计采用了一种新型的基准核心电路,利用CMOS管的亚阈值特性实现零温度系数的输出基准电压。该电路可以避免使用CMOS工艺中的寄生PNP管,同时具有输出电压低,功耗小的优点,并且能与数字工艺相兼容。

为此设计了一种双电压输出稳压电路,对其他电路模块供电,有效降低了功耗。稳压电路的主要功能是为模拟射频前端及数字部分工作提供稳定的电源电压。它由基准电压源产生电路、差分放大器、调整管和反馈网络构成。双电压输出整流电路的高输出电压为稳压基准源电路提供电源,低输出电压为分压电路提供电源,使稳压电路双输出电压分别为1.0V和1.8V,产生原理相同。其中,稳压电路的差分放大器将镜像电流电路产生的基准电压与输出电压进行比较,产生的输出信号作为输出级NMOS晶体管M1的栅极控制电压,形成一个负反馈环路,通过M2和M3的电压调节,最终使输出电压与基准源参考电压相同。采用二极管连接的PMOS管作为分压电阻,有效减小了芯片面积。

设计的核心电路为基准源电路。基本的基准源电路工作原理为利用两个亚阈值MODFET栅源电压之差,产生一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流源,亚阈值MOSFET源电压具有负的温度系数,将PTAT电流经适当加权后与MOSFET栅源电压求和,得到一个零温度系数的基准电压。

在传统电路结构的基础上进行改进,其中,MS1~MS3三个晶体管组成启动电路;晶体管M6~M9以及M13~M15构成PTAT基准电流源产生电路。电路的主要作用是产生一个独立于电源电压且与绝对温度成正比的电流。其中,M6~M9工作在饱和区;同时,合理选取M13和M14的尺寸,使它们工作在亚阈值区。晶体管M15等同于一个电阻,因此应使其工作在深线性区。恰当选择MOS管的长度和宽度,可以使输出为一个与温度无关的基准源电压。在基准源电路的基础上,增加启动电路、高增益反馈回路,提高电路的电源抑制比。启动电路的目的是使电流基准电路摆脱零电流状态,并且尽快进入正常工作状态,同时减小电流基准延时。高增益反馈回路通过对M6~M7漏极电压的调节,保证两个PMOS管的漏极电位相同,进而保证产生相同的基准电流,输出端P1与晶体管M6~M7,M10~M13构成反馈回路,提高稳压电路的电源抑制比。

近些年来,RFID技术发展迅速,已广泛地应用在社会生活各个方面,国内对此的投入和关注也逐渐增大。目前,国对对阅读器的研究相对成熟,从低频段、高频段到超高频段均有产品面世。由于国内IC行业发展的制约,标签芯片的研究相对落后,目前只有低频段的标签投入量产使用。而在国外,UHF频段的标签由于容量大、读写距离远已得到大量地应用,国内对UHF标签芯片研究刻不容缓。

总结工作如下:1. 了解和学习了RFID技术的历史、发展以及国内外的研究现状;

2.了解和学习了RFID发展,分析了主流的行业标准,研究了RFID系统组成,基本工作原理及模块结构。

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