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4 调制与解调电路
A． 解调电路
出于减小芯片面积和功耗的考虑，目前大部分无源RFID 标签均采用了ASK 调制。对于标签芯片的ASK 解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式，如图9 所示[1]。
图9 ASK 包络检波解调电路
包络检波部分与电源恢复部分的倍压电路基本相同，但是不必提供大的负载电流。在包络检波电路的末级并联一个泄电流源。当输入信号被调制时，输入能量减小，泄流源将包络输出电压降低，从而使得后面的比较器电路判断出调制信号。由于输入射频信号的能量变化范围较大，泄流源的电流大小必须能够动态的进行调整，以适应近场、远场不同场强的变化。例如，如果泄流电源的电流较小，在场强较弱时，可以满足比较器的需要，但是当标签处于场强很强的近场时，泄放的电流将不足以使得检波后的信号产生较大的幅度变化，后级比较器无法正常工作。为解决这个问题，可以采用如图10 所示的泄流源结构。
图10 包络检波电路
在输入载波未受调制时，泄流管M1 的栅极电位与漏极电位相同，形成一个二极管接法的NMOS管，将包络输出钳位在M1 的阈值电压附近，此时输入功率与在M1 上消耗的功率相平衡；当输入载波受调制后，芯片输入能量减小，而此时由于延时电路R1、C1 的作用，M1 的栅极电位仍然保持在原有电平上，M1 上泄放的电流仍保持不变，这就使得包络输出信号幅度迅速减小；同样，在载波恢复后，R1 和C1 的延时使得包络输出可以迅速回复到原有高电平。采用这种电路结构，并通过合理选择R1、C1 的大小以及M1的尺寸，即可满足在不同场强下解调的需要。包络输出后面所接的比较器电路也有多种可以选择的方案，常用的有迟滞比较器、运算放大器等。也可以简化为用反相器来实现。
B．调制电路
无源UHF RFID 标签一般采用反向散射的调制方法，即通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。一般设计天线阻抗与芯片输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配，而在调制时，使其反射系数增加。常用的反向散射方法是在天线的两个输入端间并联一个接有开关的电容，如图11 所示，调制信号通过控制开关的开启，决定了电容是否接入芯片输入端，从而改变了芯片的输入阻抗。
图11 反向散射调制电路
5 启动信号产生电路
电源启动复位信号产生电路在RFID 标签中的作用是在电源恢复完成后，为数字电路的启动工作提供复位信号。它的设计必须要考虑以下几点问题[7]：
- 如果电源电压上升时间过长，会使得复位信号的高电平幅度较低，达不到数字电路复位的需要；
- 启动信号产生电路对电源的波动比较敏感，有可能因此产生误动作；
- 静态功耗必须尽可能的低。
通常，无源RFID 标签进入场区后，电源电压上升的时间并不确定，有可能很长。这就要求设计的启动信号产生电路产生启动信号的时刻
与电源电压相关。图12 所示是一种常见的启动信号产生电路[8]。
图12 启动信号产生电路
它的基本原理是利用电阻R0 和NMOS 管M1组成的支路产生一个相对固定的电压Va，当电源电压vdd 超过NMOS 管的阈值电压后，Va 电压
基本保持不变。随着vdd 的继续升高，当电源电压达到Va＋|Vtp|时，PMOS 管M0 导通使得Vb升高，而此前由于M0 截止，Vb 一直处于低电平。这种电路的主要问题是存在着静态功耗。并且由于CMOS 工艺下MOS 管的阈值电压随工艺的变化比较大，容易受工艺偏差的影响。因此，利用pn 结二极管作启动电压的产生会大大减小工艺的不确定性，如图13 所示。
图13 改进后的启动信号产生电路
当VDD 上升到两个pn 结二极管的开启电压之前，PMOS 管M0 栅极与电源电压相等，PMOS 管关断，此时电容C1 上的电压为低电平。当VDD 上升到超过两个二极管阈值电压后，M0 开始导通，而M1 栅极电压保持不变，流过M1 的电流保持不变，电容C1 上电压逐渐升高，当其升高到反相器发生翻转后，就产生了启动信号。因此，这种电路产生启动信号的时间取决于电源电压是否达到两个二极管的阈值电压，具有较高的稳定性，避免了一般启动电路在电源电压上升过慢时，会导致开启信号出现过早的问题。
如果电源电压上升的时间过快，电阻R1 和M0 的栅电容构成了低通延时电路，会使得M0 的栅极电压不能迅速跟上电源电压的变化，仍然维持在低电平上，这时M0 就会对电容C1 充电，导致电路不能正确工作。为解决这一问题，引入电容C5。如果电源电压上升速度很快，电容C5 的耦合作用能够使得M0 的栅极电位保持与电源电压一致，避免了上述问题的发生。
该电路仍然存在的静态功耗的问题，可以通过增大电阻值，合理选择MOS 管尺寸来降低静态功耗的影响。要想完全解决静态功耗的问题则需要设计额外的反馈控制电路，在启动信号产生后关断这部分电路。但是，需要特别注意引入反馈后产生的不稳定态的问题[7]。
6 结论
本文所介绍的一些RFID 标签的主要电路，大部分已经经过了流片的验证。图14 是我们所设计的一款RFID 标签芯片。芯片面积0.7mm×
1.0mm，在36dBm EIRP 下，可在6 米处读出标签卡号。图15 是2.45GHz 带有片上天线设计的RFID 标签。在42dBm EIRP 下，该芯片可在40cm处产生响应。
无源UHF RFID 芯片的设计难点是围绕着如何提高芯片的读写距离、降低标签的制造成本展开的。因此，提高电源恢复电路的效率，降低整体芯片的功耗，并且工作可靠仍然是RFID 标签芯片设计主要的挑战。
图14 RFID 标签芯片照片
图15 2.45GHz 带片上天线的RFID 标签照片
参考文献
[1] Udo Karthaus. Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16.7uW Minimum RF Input Power.IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 38,NO. 10, OCTOBER 2003
[2] Jari-Pascal Curty. Remotely Powered Addressable UHF RFID Integrated System. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 40, NO. 11,NOVEMBER 2005
[3] Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on Volume 53, Issue 9, Sept. 2005 Page(s):2978 – 2990
[4] Facen, A.; Boni, A.. Power Supply Generation in CMOS Passive UHF RFID Tags. Research in Microelectronics and Electronics 2006, Ph. D. 12-15 June 2006 Page(s):33 – 36
[5] Auto-ID lib. RFID Analog Front End Design Tutorial.
[6] Sankaran, S.; O, K.K.. Schottky diode with cutoff frequency of 400 GHz fabricated in 0.18 um CMOS.Electronics Letters Volume 41, Issue 8, 14 April 2005 Page(s):506 - 508
[7] Yasuda, T.R. A power-on reset pulse generator for low voltage applications. Circuits and Systems, 2001. ISCAS 2001. The 2001 IEEE International Symposium on Volume 4, 6-9 May 2001 Page(s):599 - 601 vol. 4
[8] Choungki SONG. A Power-On-Reset Pulse Generator Referenced by Threshold Voltage without Standby Current.IEICE Trans. Electron., VOL.E87-C, NO.9 September 2004
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