引言

　　射頻識(shí)別系統(tǒng)包括閱讀器和電子標(biāo)簽兩個(gè)部分。美國(guó)Auto-ID中心的900MHz Class 0 RFID標(biāo)簽協(xié)議定義了一種適用于電子產(chǎn)品編碼(EPC)的超高頻標(biāo)簽的技術(shù)細(xì)節(jié)。電子標(biāo)簽主要包括以下三個(gè)部分：模擬射頻接口、數(shù)字控制模塊和EEPROM模塊。其中模擬和射頻模塊包括天線接口、整流電路、振蕩器、電源穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路、反射調(diào)制電路。標(biāo)簽中的振蕩器模塊主要為反射調(diào)制信號(hào)提供一個(gè)較為準(zhǔn)確的時(shí)鐘，用以精確地控制副載波的頻率以及提供整個(gè)標(biāo)簽數(shù)字電路的工作時(shí)鐘。振蕩器的設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)電子標(biāo)簽的性能。

　　本文介紹了電子標(biāo)簽中的頻率校準(zhǔn)原理、振蕩器的模塊劃分和頻率綜合原理，設(shè)計(jì)了低電壓低功耗振蕩器。

　　頻率校準(zhǔn)原理

　　除了天線以外，電子標(biāo)簽芯片沒(méi)有外接元件，沒(méi)有外接晶振用來(lái)校準(zhǔn)片內(nèi)頻率。由閱讀器到標(biāo)簽的編碼傳輸特點(diǎn)可知，閱讀器也不能給電子標(biāo)簽提供實(shí)時(shí)的參考頻率源。因此采用如下的方法來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)：標(biāo)簽上的振蕩器處于自由振蕩狀態(tài)，三分頻后盡量接近2.2MHz。閱讀器在和標(biāo)簽進(jìn)行通信之前，先發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)標(biāo)簽上的時(shí)鐘，如圖1所示。時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)一共是8個(gè)周期，每個(gè)周期的寬度為116μs。

圖1　閱讀器到標(biāo)簽的時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)

　　時(shí)鐘校準(zhǔn)過(guò)程如下：當(dāng)標(biāo)簽剛上電時(shí)，標(biāo)簽上的振蕩器處于初始狀態(tài)，假定振蕩器的自由振蕩頻率偏差范圍為±50%，逐次逼近寄存器用于控制振蕩器的振蕩頻率，初值設(shè)定為“10000000”(S7S6S5S4S3S2S1S0)，左邊第一位是MSB，右邊第一位為L(zhǎng)SB，處于調(diào)整范圍的中間。在每個(gè)校正脈沖結(jié)束的下降沿，讀取計(jì)數(shù)器中的值，如果值為256，說(shuō)明振蕩器頻率在要求的范圍內(nèi)，寄存器中S7保持原有的值，振蕩器保持自由振蕩頻率；如果計(jì)數(shù)器大于256，則寄存器中的值設(shè)定為“01111111”；如果計(jì)數(shù)器中的值小于256，則寄存器的值設(shè)定為“10000000”。當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)來(lái)到后，如果計(jì)數(shù)器中的值小于或等于256，則S6等于“1”，如果計(jì)數(shù)器中的值大于256，則S6等于“0”。以后的時(shí)鐘校準(zhǔn)依此類(lèi)推。當(dāng)最后一個(gè)時(shí)鐘校準(zhǔn)脈沖結(jié)束后，在理想情況下，振蕩器輸出的頻率精度可以達(dá)到±0.391%(即±50%/27)。在不同環(huán)境以及各種噪聲的影響下，標(biāo)簽振蕩頻率最壞情況下的偏差不能超過(guò)±2.5%。

　　振蕩器必須提供兩種頻率：2.2MHz(用以反射數(shù)據(jù)“0”以及做時(shí)鐘校正)和3.3MHz(用以反射數(shù)據(jù)“1”)。因此片內(nèi)振蕩器的輸出頻率為616MHz，二分頻之后為3.3MHz，三分頻之后為2.2MHz，另外，6.6MHz的時(shí)鐘還可以給標(biāo)簽內(nèi)部的EEPROM電荷泵提供時(shí)鐘。其中，反射調(diào)制的時(shí)鐘占空比為約50%。

　　根據(jù)以上的分析，本文提出了電子標(biāo)簽內(nèi)振蕩器模塊和頻率綜合原理，如圖2所示。圖2(a)中振蕩器模塊分為時(shí)鐘校準(zhǔn)使能模塊(calibrationstart)、計(jì)數(shù)器(counter)、逐次逼近計(jì)數(shù)器(SAR)、振蕩器模塊(OSC)、頻率選擇模塊(frequencyse2lect)和后向散射模塊(backscatter)。圖2(b)是頻率綜合的示意圖。當(dāng)?shù)玫叫?zhǔn)后的6.6MHz時(shí)鐘后，二分頻得到3.3MHz的時(shí)鐘，而為了得到占空比為2.2MHz的時(shí)鐘，先由6.6MHz的時(shí)鐘得到兩個(gè)占空比為1/3的時(shí)鐘，把這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算后，占空比為50%。

　　振蕩器的分析和設(shè)計(jì)

　　整個(gè)振蕩器功耗是標(biāo)簽內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器的主要部分，因此本文的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)一種低電壓低功耗的振蕩器。文獻(xiàn)提出了一種頻率穩(wěn)定的CMOS環(huán)形振蕩器，它采用了級(jí)聯(lián)倒相器的結(jié)構(gòu)，并且在MOS管的源串聯(lián)大阻抗元件，使電阻和電容的乘積約為常數(shù)，用這種辦法降低振蕩頻率的電源依賴(lài)性但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電路不適合低電壓的工作，輸出頻率隨工藝的變化較大，頻率校準(zhǔn)困難。根據(jù)上述要求，本文提出了通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電流的方法來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率的低電壓低功耗振蕩器，克服了以上的困難，得到了較好的性能，如圖3所示。

圖2　振蕩器模塊和頻率綜合 (a)振蕩器電路框圖； (b)標(biāo)簽內(nèi)頻率綜合



圖3　振蕩器電路圖

　　圖3是振蕩器的詳細(xì)電路圖，可以分為以下幾個(gè)模塊：基準(zhǔn)電流源產(chǎn)生電路，用于調(diào)節(jié)偏置電流的開(kāi)關(guān)電流源陣列，以及環(huán)形振蕩器和弛豫振蕩器?；鶞?zhǔn)電流源產(chǎn)生的偏置電流為

其中K為M2和M1的比例。由(1)式可知，偏置電路的電流值與電源電壓值無(wú)關(guān)，并且具有較好的電源抑制比和溫度系數(shù)，非常適合在低電壓和電壓波動(dòng)比較大的環(huán)境中應(yīng)用。圖4中M5是啟動(dòng)電路，當(dāng)偏置電路正常工作的時(shí)候，M5處于截止?fàn)顟B(tài)。Rs是可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)電路的功耗，典型值為10kΩ。在溫度特性方面，輸出電流隨溫度的變化約為10-3。

圖4　振蕩器的環(huán)路模型

　　調(diào)節(jié)電流的開(kāi)關(guān)電流源陣列用于產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流[5，6]。選取電流分割比例為2，因此晶體管Mb的寬長(zhǎng)比是晶體管Ma的兩倍。由于最小的電流值比較小并基于晶體管匹配方面的考慮，晶體管Mb的寬和長(zhǎng)分別為4和2μm。數(shù)字信號(hào)的開(kāi)關(guān)則對(duì)每個(gè)權(quán)電流選通，選通的權(quán)電流相加后就是振蕩器的偏置電流。這種權(quán)電流分隔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是面積很小，精度較高，避免了過(guò)多晶體管導(dǎo)致的寄生電容過(guò)高等不利因素，大大節(jié)省了芯片面積。振蕩器采用環(huán)形振蕩器和弛豫振蕩器兩種方案。其中環(huán)形振蕩器的輸出頻率為

　　弛豫振蕩器的輸出頻率為

　　其中Vsw是振蕩器的振蕩幅度；CL是環(huán)形振蕩器每一級(jí)的電容負(fù)載；Cc是弛豫振蕩器的充放電電容；Ic是偏置電流。從(2)和(3)式可以看出，當(dāng)電容CL和Cc不變，兩種振蕩器的振蕩幅度也不變時(shí)，振蕩器的輸出頻率也不變。當(dāng)電源電壓降低時(shí)，偏置電流和振蕩擺幅都降低，使得振蕩器的輸出頻率相對(duì)穩(wěn)定。

　　利用以上的參數(shù)，參考相關(guān)的鎖相環(huán)理論[7]，建立了環(huán)路模型，如圖4所示。其中RegVal是SAR改變?nèi)≈档拈撝?，Comp是比較模塊，SAR是逐次逼近寄存器，Conv是數(shù)字控制字到偏置電流的變換，Ibias是用于控制振蕩器頻率的偏置電流，Kcco是振蕩器的電流控制增益。計(jì)數(shù)器對(duì)N分頻以后的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后和RegVal進(jìn)行比較。當(dāng)每一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)周期到來(lái)時(shí)，振蕩器的輸出頻率為

　　其中　寄存器的值為

　　對(duì)環(huán)路進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到逐次逼近寄存器值隨校準(zhǔn)周期的變化情況，如圖5所示。其中CaseA是振蕩器初始頻率較小的情況，CaseB是振蕩器初始頻率較高的情況。

圖5　振蕩器數(shù)字控制字的仿真結(jié)果

　　當(dāng)振蕩器處于初始振蕩狀態(tài)時(shí)，由于工藝、溫度、電源電壓、負(fù)載等引起振蕩器初始輸出頻率的最大偏差為

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)電流偏差為1%，電源電壓偏差為20%，負(fù)載電容偏差為40%時(shí)，環(huán)形振蕩器的輸出頻率偏差為±39%，而由于振蕩器的增益較小，弛豫振蕩器輸出頻率的偏差為±38%。兩者都在±50%的范圍以?xún)?nèi)，經(jīng)過(guò)調(diào)整，能夠保證最后輸出頻率的精度。

　　測(cè)試結(jié)果和分析

　　電路在Chartered0135μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流片，測(cè)試結(jié)果如圖6和7所示。圖6(a)是環(huán)形振蕩器時(shí)域上的輸出波形，當(dāng)逐次逼近寄存器的值為“10001100”，電源電壓為2V左右時(shí)，環(huán)形振蕩器的輸出頻率在6.6MHz附近。為了得到輸出頻率的偏差，采用了從頻域上估算的方法，如圖6(b)所示，對(duì)輸出波形進(jìn)行頻譜分析，然后測(cè)量基頻的漂移，由信號(hào)與系統(tǒng)的理論可知，基頻主峰的漂移可以認(rèn)為是輸出頻率的偏差。對(duì)5100個(gè)主峰進(jìn)行采樣后分析，可以看出頻率偏差基本符合高斯分布，最大峰峰值的偏差為220.0kHz，標(biāo)準(zhǔn)方差為42.28kHz，主峰值的數(shù)學(xué)期望為6.49MHz，因此頻率偏差為±1.69%。

圖6　環(huán)形振蕩器的輸出頻率測(cè)試結(jié)果 (a)時(shí)域測(cè)試結(jié)果； (b)頻域測(cè)試結(jié)果

　　圖7(a)是數(shù)字控制字和振蕩器輸出頻率的關(guān)系。兩種振蕩器的分段線性度較好，在MSB進(jìn)行切換的時(shí)候，即二進(jìn)制權(quán)電流源的MSB位電流和其余幾位的權(quán)電流之和之間有一些偏差，這是在芯片制造過(guò)程中的工藝偏差和晶體管的二階效應(yīng)造成的。

　　圖7(b)是環(huán)形振蕩器輸出頻率和電源電壓的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)電源電壓在1～2.2V之間時(shí)，振蕩器輸出頻率的變化較小，表明振蕩器適合低電壓的工作場(chǎng)合，當(dāng)標(biāo)簽的整流電壓出現(xiàn)較大的偏差時(shí)，輸出頻率變化很小，可以很快調(diào)節(jié)回來(lái)。從圖中可以看出，振蕩器的振蕩曲線和偏置電路的工作曲線是一致的。當(dāng)電源電壓小于1V時(shí)，偏置電路不能正常工作，當(dāng)電源電壓高于2.2V時(shí)，偏置電路中的啟動(dòng)電路M5開(kāi)始導(dǎo)通，引起偏置電流增長(zhǎng)較快，從而使得振蕩器的輸出頻率也增長(zhǎng)很快。當(dāng)電源電壓在兩者之間時(shí)，偏置電路輸出電流很穩(wěn)定，基本不隨著電源電壓的變化而變化，從而振蕩器的輸出頻率也基本不變。

圖7　振蕩器的部分測(cè)試結(jié)果

　　(a)兩種振蕩器數(shù)字控制和輸出頻率的關(guān)系；
　　(b)環(huán)形振蕩器輸出頻率、偏置電流和電源電壓的關(guān)系

　　測(cè)試工作中還做了環(huán)形振蕩器和弛豫振蕩器的比較。環(huán)形振蕩器比弛豫振蕩器更有優(yōu)勢(shì)，環(huán)形振蕩器的最低工作電壓約為1.2V，而弛豫振蕩器的最低工作電壓為1.5V左右。如圖7(a)所示，環(huán)形振蕩器的輸出頻率范圍更寬，輸出頻率最高為17MHz，弛豫振蕩器的最高輸出頻率約為8MHz。在功耗方面，環(huán)形振蕩器消耗的平均電流約為6.5μA@2V電源電壓，而弛豫振蕩器由于采用了雙端變單端等電路，消耗的平均電流約為13.6μA@2V電源電壓。

　　由于條件的限制，這里僅給出了環(huán)振的溫度仿真結(jié)果，如圖8所示。仿真結(jié)果表明振蕩器能在-20～100℃的溫度范圍內(nèi)工作，得到的輸出頻率溫度敏感度約為617kHz/℃。由溫度引起的頻率偏差能夠由數(shù)字校準(zhǔn)很快校準(zhǔn)回來(lái)。

　　圖9是芯片的照片，不包括Pad時(shí)，振蕩器的面積約為240μm×175μm。

圖8　環(huán)形振蕩器的溫度特性仿真結(jié)果



圖9　芯片照片

　　結(jié)論

　　本文提出了一種適合于射頻識(shí)別標(biāo)簽應(yīng)用的低電壓低功耗振蕩器的設(shè)計(jì)方法，分析并設(shè)計(jì)了兩種低電壓低功耗的振蕩器，并且通過(guò)了流片驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明振蕩器能夠符合協(xié)議的要求。