超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计(3)

本次设计中我们采用环形振荡器来产生本地时钟[3-4]。此环形振荡器由奇数个CMOS反相器闭环连接构成，这样的环形振荡器具有集成度高和消耗能量少的优点。此外为了增加每级反相器的延迟时间，除最后一级反相器外的反相器输出端和地之间都接有电容。改变反相器的级数、电容数值以及MOS管的尺寸可以调整振荡器的振荡频率到所需的数值[5]。我们设计中采用5级反相器构成环形振荡器，为了提高集成度，我们使用漏极和源极连接到地的N沟道金属氧化物半导体(NMOS)管当作电容，调整MOS管的长度和宽度，最后在ADS中仿真时钟电路得到的仿真结果表明可以作为芯片中所需的1.28 MHz的时钟源。

2.3 电源产生电路

电源产生电路结构框图如图4所示。天线接收到的射频信号经过射频-直流(RF-DC)转换电路转化为不低于VL的直流电压，然后经电压限幅器限幅后得到稳定的直流电压VL(2.8 V)供给除E2PROM外的电路工作；VL和本地时钟信号经过直流-直流(DC- DC)转换电路和电压限幅器转化为直流电压VH(12 V)供E2PROM使用。

(1) RF-DC转换电路

RF-DC转换电路基于电荷泵电路设计，其原理如图5所示，芯片设计时用栅源短接的增强型NMOS管代替图5中的二极管。设RF-DC转换电路所需二极管的最小个数为n1，则所需电容个数也为n1，由于每级电荷泵由2个电容和2个二极管构成，n1必须为偶数。

(2) DC-DC转换电路

DC-DC转换电路也是采用电荷泵原理来设计。由于电子标签解调电路已有本地时钟电路(通常采用CMOS环形振荡器产生幅度为VL /2的时钟信号)，因此用时钟信号代替射频信号对电荷泵充电，并从RF-DC转换电路已产生的直流电压VL开始充电可以显著减少DC-DC转换电路的电路级数。设此电路所需二极管最小个数为n2，则此电路所需二极管最小个数n2为[6]：

其中表示偶数上取整，即先执行上取整，如果上取整后不是偶数则数值加1。

(3) 电压限幅器

标签工作时，由于标签和阅读器距离的变化以及传播环境的不同，标签天线接收到的射频信号的幅度变化可以高达10倍以上，使电源产生电路输出的直流电压产生很大的波动。因此必须对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行限幅。我们采用稳压二极管限幅原理对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行上限幅，即把多个饱和MOS管串联起来充当二极管限幅器。调整MOS管的宽长比以及掺杂浓度来调整限幅值为所需数值。

3、结束语

本文基于ISO/IEC 18000-6C标准，给出了UHF无源电子标签芯片模拟电路的设计，设计结果表明电路具有很高的整流效率，满足了设计要求。下一步的研究将进行标签芯片的版图设计和流片，用实际测试结果来进一步验证设计的有效性。