孔令榮

(深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司　深圳　518057)

一種適用于低頻RFID標簽的ASK解調(diào)電路

孔令榮

(深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司深圳518057)

摘要提出一種適用于低頻RFID標簽的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路,包括包絡(luò)檢波電路、低通濾波器、參考電壓產(chǎn)生電路、比較器四個部分,其中低通濾波器使用有源器件代替無源電阻和電容,降低版圖面積,并且參考電壓產(chǎn)生電路采用閾值補償二極管代替普通二極管和MOS二極管,消除了二極管的導(dǎo)通閾值電壓損失。經(jīng)測試,該電路能適應(yīng)載波調(diào)制深度的動態(tài)范圍很大,并且有較強的抗干擾能力,能滿足低頻RFID電子標簽接收信號調(diào)制深度變化的要求。

關(guān)鍵詞低頻; RFID; ASK解調(diào)器; 包絡(luò)檢波; 閾值補償二極管

Class NumberTN492

1引言

低頻RFID標簽采用電感耦合識別方式[1],依靠電感線圈的磁耦合實現(xiàn)與標簽讀寫器之間的通信。解調(diào)電路是標簽芯片射頻前端的關(guān)鍵電路,它能接收標簽讀寫器發(fā)出的指令,解調(diào)電路的好壞對標簽性能的影響至關(guān)重要。由于低頻RFID標簽天線的電感值相對于UHF和HF頻段的RFID標簽天線要大得多,在其前端的LC諧振回路中儲存有大量的能量,這些能量對于標簽接收的信號有很大的影響,它可以使標簽接收的信號飽和,此時即使標簽讀寫器發(fā)出的指令是100% ASK調(diào)制,但在標簽天線上接收信號的調(diào)制深度卻很小。低頻標簽天線上接收信號的調(diào)制深度有很大的變化范圍,通常的RFID標簽的ASK解調(diào)電路很難適用于低頻RFID標簽芯片。本文提出一種改進的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路具有低功耗、大動態(tài)范圍的特點,能適應(yīng)低頻RFID標簽調(diào)制深度的變化。

2傳統(tǒng)的RFID標簽芯片解調(diào)電路

ASK包絡(luò)檢波解調(diào)不需要提取載波信號,實現(xiàn)相對簡單,被廣泛應(yīng)用于RFID標簽芯片。目前發(fā)表的有關(guān)ASK包絡(luò)檢波解調(diào)的文獻提到幾種解調(diào)器的結(jié)構(gòu)[2～7],文獻[2～3]不能滿足大動態(tài)范圍和低調(diào)制深度的要求,文獻[4～5]參考電壓通過將包絡(luò)信號進行低通濾波得到,低通濾波器由二極管和電容構(gòu)成,但當包絡(luò)信號的高低電平小于二極管的導(dǎo)通閾值電壓時不能正確解調(diào)。文獻[6]是對文獻[4]的一種改進電路,采用超閾值二極管的方法,降低了二極管的閾值電壓,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻[7]中對包絡(luò)信號進行邊沿檢測并耦合參考電壓上接入比較器的一個輸入端,比較器的另一輸入端接參考電壓,該電路需要在濾波器和比較器之間插入耦合電容和參考電壓,增加了解調(diào)電路的面積和難度。

圖1是文獻[4]的解調(diào)電路,本文基于圖1的電路結(jié)構(gòu)和原理進行改進,得到的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路具有低功耗、大動態(tài)范圍的特點。

圖1　文獻[4]的解調(diào)電路

3本文提出的ASK解調(diào)電路

圖2是本文提出的基于圖1的電路原理進行改進的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路,包括包絡(luò)檢波電路、低通濾波器、參考電壓產(chǎn)生電路、遲滯比較器四個部分。從天線接收的射頻調(diào)制信號通過包絡(luò)檢波電路和低通濾波器后得到包絡(luò)信號Vp,然后把包絡(luò)信號輸入到遲滯比較器的同相輸入端,把包絡(luò)信號輸入到參考電壓產(chǎn)生電路得到一個與包絡(luò)信號相關(guān)并跟隨包絡(luò)信號變化的參考電壓Vn,然后把參考電壓輸入到遲滯比較器的反相輸入端。遲滯比較器比較它的兩個輸入端的電壓并輸出比較結(jié)果,然后經(jīng)過緩沖器的整形后輸出最終得到的解調(diào)信號。

圖2　本文提出的ASK包絡(luò)解調(diào)電路

3.1包絡(luò)檢波電路

包絡(luò)檢波電路將天線接收的調(diào)幅信號解調(diào),得到低頻載波調(diào)制信號。圖2中的MN1和MN2是檢波器件。由于低頻RFID標簽天線上感應(yīng)電壓很高,有幾伏到十幾伏電壓,即使在標簽芯片內(nèi)部有限制電壓的拑位電路,輸入到芯片內(nèi)的射頻信號的電壓也有幾伏,可以為芯片提供足夠高的工作電壓,因此低頻RFID標簽芯片的解調(diào)電路內(nèi)不需要類似于UHF RFID標簽的倍壓整流電路來提高射頻電壓。

3.2低通波器

低通濾波器用于濾除低頻載波調(diào)制信號中的載波和高頻紋波,得到純凈的低頻包絡(luò)信號。圖2中的低通濾波電路采用有源MOS器件代替電阻和電容,MP1等效一個電阻R,MN5是MOS電容,它等效一個電容C。MN4為MP1提供負載電流,可以通過Vbias電壓調(diào)整負載電流的大小,實現(xiàn)對MP1等效電阻的調(diào)整。為了濾除載波信號并保留包絡(luò)信息,等效的電阻和電容值應(yīng)滿足:

(1)其中,F表示載波頻率,T表示數(shù)字邏輯的信號周期。低頻RFID標簽芯片,它的載波頻率為100kHz～150kHz,相對于高頻(13.56MHZ)和超高頻(840MHz～960MHz)RFID而言,它所需的RC時間常數(shù)遠遠大于后面兩者,如果采用無源電阻和電容,則需要很大的版面積。因此采用有源器件代替無源電阻和電容,可以節(jié)省很多版圖面積。

3.3參考電壓產(chǎn)生電路

由低通濾波器產(chǎn)生的包絡(luò)信號Vp有較大的動態(tài)范圍,不能采用固定的電壓作為比較器的參考電壓,需要一個與包絡(luò)信號相關(guān)并且能跟隨包絡(luò)信號變化的參考電壓,要求不僅能夠解調(diào)出包絡(luò)信號,還需要對包絡(luò)信號中的一些干擾具有免疫能力,使解調(diào)信號不失真。參考電壓產(chǎn)生電路通常的做法是讓包絡(luò)信號經(jīng)過一時間常數(shù)更大的低通濾波器后得到信號的直流分量,然后把該直流分量或直流分量的分壓信號通過比較器對包絡(luò)信號進行解調(diào)。如果使用直流分量作為參考電壓,比較器的抗干擾能力較差,如果使用直流分量的分壓信號可能不能滿足調(diào)制深度動態(tài)范圍的要求。

本文的參考電壓產(chǎn)生電路基于圖1的參考電壓電路原理,采用閾值補償二極管[8]代替普通二極管和MOS二極管,消除普通二極管和MOS二極管的閾值電壓,使二極管的導(dǎo)通電壓很低,以致產(chǎn)生的參考電壓比包絡(luò)信號的高電壓略低一點,并且跟隨包絡(luò)信號。通過這種方法,可以增加包絡(luò)信號的動態(tài)范圍,使解調(diào)器能解調(diào)出包絡(luò)幅值很小的包絡(luò)信號,克服文獻[4]當包絡(luò)信號的包絡(luò)幅值小于二極管的導(dǎo)通閾值電壓時不能正確解調(diào)的問題。

圖2中,MP2為閾值補償二極管,MP3為MP2提供偏置電壓。

圖3　閾值補償二極管的原理

閾值補償二極管技術(shù)原理如圖3所示,圖3(a)中MOS二極管漏-源兩端的電壓為

(2)

其中Id為流過MOS二極管的電流。

圖3(b)中對二極管連接的MOS管引入連接在柵極和漏極之間的偏置電壓源Vbias,柵-源電壓為

VGS=VDS+Vbias

(3)

MOS管的漏-源兩端的電壓為

(4)

當Vbias=Vth,由式(4)可以得到

(5)

與式(2)對比,可見原來的閾值電壓Vth被外加在柵-漏偏置電壓Vbias抵消了。

經(jīng)過閾值補償后的MOS管類似于一個正向?qū)ㄩ撝惦妷汉艿偷睦硐攵O管。改變Vbias的大小可以調(diào)整MOS管的閾值補償量,從而調(diào)整二極管的正向?qū)ㄩ撝惦妷骸?/p>

圖4是閾值補償二極管與MOS二極管I-V特征的對比,由圖可見,閾值補償二極管產(chǎn)生100μA電流時二極管的電壓為236mV,而MOS二極管兩端的電壓為706mV,使用閾值補償二極管的導(dǎo)通電壓明顯降低。

圖4　閾值補償二極管與MOS二極管I-V特征的對比圖

3.4遲滯比較器電路

比較器是解調(diào)電路最重要的模塊,低功耗比較器性能的優(yōu)劣是解調(diào)電路成功的關(guān)鍵。本文選擇具有良好的噪聲抑制性能以及高動態(tài)范圍的遲滯比較器,該比較器其結(jié)構(gòu)如圖5所示,工作原理詳見文獻[9]。

圖5　遲滯比較器電路圖

比較器的輸出信號并不是規(guī)則的方波信號,因此,在比較器后需要加緩沖器整形電路。經(jīng)過緩沖器后,最終得到規(guī)則的方波型ASK解調(diào)信號。

4電路測試結(jié)果

本文提出的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路基于TSMC 0.18μm的工藝進行設(shè)計和仿真。

圖6　接收信號調(diào)制深度

圖6是低頻RFID標簽天線接收信號調(diào)制深度的對比,其中,圖6(a)為低頻RFID讀寫器天線發(fā)射的100% ASK調(diào)制波形,圖6(b)和6(c)為RFID標簽天線上接收信號的波形,圖6(b)為標簽芯片能量不飽和的狀態(tài),接收信號的調(diào)制深度為100%;圖6(c)為標簽?zāi)芰匡柡偷臓顟B(tài),接收信號的調(diào)制深度很小,大約只有10%。由圖6可知,低頻RFID標簽天線上接收信號的調(diào)制深度可以從百分之幾到百分之百變化,有很大的動態(tài)范圍,它要求低頻標簽的解調(diào)電路必需要適應(yīng)較大的輸入信號動態(tài)范圍。

圖7是解調(diào)電路的Spectre仿真結(jié)果。圖7(a)為低頻RFID讀寫器發(fā)送載波頻率為134.2kHz數(shù)據(jù)速率為5.5kbps的100% ASK調(diào)制信號[10]經(jīng)低頻RFID標簽天線接收得到的輸入信號,它的調(diào)制深度很小,只有10%左右。圖7(b)為接收信號經(jīng)過包絡(luò)檢波和低通濾波器后,得到解包絡(luò)信號Vp能很好地濾除載波信號和其它的高頻干擾,然后通過閾值補償二極管后得到基準電壓Vn,Vn比Vp低84.3mV。相對于文獻[4]用肖特基二極管使Vn比Vp大約低200mV的結(jié)果有很大的改進。用閾值補償技術(shù)消除了MOS二極管的閾值電壓,使MOS二極管導(dǎo)通電壓降低。最后經(jīng)過遲滯比較器后得到解調(diào)信號Dem_out。理論上,解包絡(luò)信號Vp的包絡(luò)幅值大于84.3mV的信號都能被解調(diào)出來,相比文獻[4]要求解包絡(luò)信號Vp的包絡(luò)幅值大于200mV,其動態(tài)范圍要大得多。圖7(c)是最后經(jīng)過遲滯比較器和緩沖器后得到解調(diào)信號Dem_out,能較好地解調(diào)出讀寫器發(fā)出的指令。

圖7　解調(diào)電路仿真結(jié)果

通過仿真,解調(diào)電路的功耗電流為0.213μA,其中MN4、MN6的漏極電流以及比較器的功耗電流分別為80nA、5nA、128nA。解調(diào)電路的功耗電流比文獻[4]略小一點。

圖8　解調(diào)電路的版圖

圖8是本文提出的解調(diào)電路基于TSMC 0.18μm工藝的版圖,面積為121μm×38μm。Mn1和Mn2會產(chǎn)生較大的噪聲,需要隔離,因此把它們放置在左上角,遠離其它電路。Vp和Vn是靈敏信號,需要進行抗干擾處理,并且連線要盡量縮短。

本文提出的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路應(yīng)用于LF RFID電子標簽芯片中,基于TSMC 0.18μm的工藝進行MPW流片和測試,測試結(jié)果為該芯片的功能和性能達到設(shè)計要求,解調(diào)電路能正確解調(diào)出標簽讀寫器發(fā)送的指令,讀寫距離達到10cm。

5結(jié)語

本文提出的ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路有較大的調(diào)制深度動態(tài)范圍,具有較強的抗干擾能力,并且功耗很低,能適應(yīng)低頻RFID電子標簽芯片對解調(diào)電路的較高要求。

參 考 文 獻

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An ASK Demodulator for Low-frequency RFID Transponder

KONG Lingrong

(Invengo Information Technology Co., Ltd., Shenzhen518057)

AbstractAn ASK demodulator for low-frequency RFID tag is proposed. It is composed of an envelop detector, a low-pass filter, an average voltage detector and a hysteresis comparator. In order to reduce the layout area, the active MOS devices is used instead of some passive resistors and capacitors in the low-pass filter. A Vthcompensation diode substitutes for the common diode or diode-connect MOS device in the average voltage detector, as a result that the Vthof the diode turning on voltage is eliminated. The test result shows that the demodulator has very big dynamic range of ASK modulation depth and very strong anti-jamming capability, it is competent for the low-frequency RFID transponder.

Key Wordslow-frequency, RFID, ASK demodulator, envelop detector, Vthcompensation diode

收稿日期:2015年12月13日,修回日期:2016年1月23日

基金項目:國家863計劃項目,防偽防轉(zhuǎn)換標簽材料和近場坑電磁干擾材料技術(shù)(編號:2103AA030802)資助。

作者簡介:孔令榮,男,碩士,工程師,研究方向:射頻前端、模擬及數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計。

中圖分類號TN492

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.040