一种适用于低频RFID标签的ASK解调电路

孔令荣

(深圳市远望谷信息技术股份有限公司　深圳　518057)

一种适用于低频RFID标签的ASK解调电路

孔令荣

(深圳市远望谷信息技术股份有限公司深圳518057)

摘要提出一种适用于低频RFID标签的ASK包络检波解调电路,包括包络检波电路、低通滤波器、参考电压产生电路、比较器四个部分,其中低通滤波器使用有源器件代替无源电阻和电容,降低版图面积,并且参考电压产生电路采用阈值补偿二极管代替普通二极管和MOS二极管,消除了二极管的导通阈值电压损失。经测试,该电路能适应载波调制深度的动态范围很大,并且有较强的抗干扰能力,能满足低频RFID电子标签接收信号调制深度变化的要求。

关键词低频; RFID; ASK解调器; 包络检波; 阈值补偿二极管

Class NumberTN492

1引言

低频RFID标签采用电感耦合识别方式[1],依靠电感线圈的磁耦合实现与标签读写器之间的通信。解调电路是标签芯片射频前端的关键电路,它能接收标签读写器发出的指令,解调电路的好坏对标签性能的影响至关重要。由于低频RFID标签天线的电感值相对于UHF和HF频段的RFID标签天线要大得多,在其前端的LC谐振回路中储存有大量的能量,这些能量对于标签接收的信号有很大的影响,它可以使标签接收的信号饱和,此时即使标签读写器发出的指令是100% ASK调制,但在标签天线上接收信号的调制深度却很小。低频标签天线上接收信号的调制深度有很大的变化范围,通常的RFID标签的ASK解调电路很难适用于低频RFID标签芯片。本文提出一种改进的ASK包络检波解调电路具有低功耗、大动态范围的特点,能适应低频RFID标签调制深度的变化。

2传统的RFID标签芯片解调电路

ASK包络检波解调不需要提取载波信号,实现相对简单,被广泛应用于RFID标签芯片。目前发表的有关ASK包络检波解调的文献提到几种解调器的结构[2～7],文献[2～3]不能满足大动态范围和低调制深度的要求,文献[4～5]参考电压通过将包络信号进行低通滤波得到,低通滤波器由二极管和电容构成,但当包络信号的高低电平小于二极管的导通阈值电压时不能正确解调。文献[6]是对文献[4]的一种改进电路,采用超阈值二极管的方法,降低了二极管的阈值电压,但电路结构复杂。文献[7]中对包络信号进行边沿检测并耦合参考电压上接入比较器的一个输入端,比较器的另一输入端接参考电压,该电路需要在滤波器和比较器之间插入耦合电容和参考电压,增加了解调电路的面积和难度。

图1是文献[4]的解调电路,本文基于图1的电路结构和原理进行改进,得到的ASK包络检波解调电路具有低功耗、大动态范围的特点。

图1　文献[4]的解调电路

3本文提出的ASK解调电路

图2是本文提出的基于图1的电路原理进行改进的ASK包络检波解调电路,包括包络检波电路、低通滤波器、参考电压产生电路、迟滞比较器四个部分。从天线接收的射频调制信号通过包络检波电路和低通滤波器后得到包络信号Vp,然后把包络信号输入到迟滞比较器的同相输入端,把包络信号输入到参考电压产生电路得到一个与包络信号相关并跟随包络信号变化的参考电压Vn,然后把参考电压输入到迟滞比较器的反相输入端。迟滞比较器比较它的两个输入端的电压并输出比较结果,然后经过缓冲器的整形后输出最终得到的解调信号。

图2　本文提出的ASK包络解调电路

3.1包络检波电路

包络检波电路将天线接收的调幅信号解调,得到低频载波调制信号。图2中的MN1和MN2是检波器件。由于低频RFID标签天线上感应电压很高,有几伏到十几伏电压,即使在标签芯片内部有限制电压的拑位电路,输入到芯片内的射频信号的电压也有几伏,可以为芯片提供足够高的工作电压,因此低频RFID标签芯片的解调电路内不需要类似于UHF RFID标签的倍压整流电路来提高射频电压。

3.2低通波器

低通滤波器用于滤除低频载波调制信号中的载波和高频纹波,得到纯净的低频包络信号。图2中的低通滤波电路采用有源MOS器件代替电阻和电容,MP1等效一个电阻R,MN5是MOS电容,它等效一个电容C。MN4为MP1提供负载电流,可以通过Vbias电压调整负载电流的大小,实现对MP1等效电阻的调整。为了滤除载波信号并保留包络信息,等效的电阻和电容值应满足:

(1)其中,F表示载波频率,T表示数字逻辑的信号周期。低频RFID标签芯片,它的载波频率为100kHz～150kHz,相对于高频(13.56MHZ)和超高频(840MHz～960MHz)RFID而言,它所需的RC时间常数远远大于后面两者,如果采用无源电阻和电容,则需要很大的版面积。因此采用有源器件代替无源电阻和电容,可以节省很多版图面积。

3.3参考电压产生电路

由低通滤波器产生的包络信号Vp有较大的动态范围,不能采用固定的电压作为比较器的参考电压,需要一个与包络信号相关并且能跟随包络信号变化的参考电压,要求不仅能够解调出包络信号,还需要对包络信号中的一些干扰具有免疫能力,使解调信号不失真。参考电压产生电路通常的做法是让包络信号经过一时间常数更大的低通滤波器后得到信号的直流分量,然后把该直流分量或直流分量的分压信号通过比较器对包络信号进行解调。如果使用直流分量作为参考电压,比较器的抗干扰能力较差,如果使用直流分量的分压信号可能不能满足调制深度动态范围的要求。

本文的参考电压产生电路基于图1的参考电压电路原理,采用阈值补偿二极管[8]代替普通二极管和MOS二极管,消除普通二极管和MOS二极管的阈值电压,使二极管的导通电压很低,以致产生的参考电压比包络信号的高电压略低一点,并且跟随包络信号。通过这种方法,可以增加包络信号的动态范围,使解调器能解调出包络幅值很小的包络信号,克服文献[4]当包络信号的包络幅值小于二极管的导通阈值电压时不能正确解调的问题。

图2中,MP2为阈值补偿二极管,MP3为MP2提供偏置电压。

图3　阈值补偿二极管的原理

阈值补偿二极管技术原理如图3所示,图3(a)中MOS二极管漏-源两端的电压为

(2)

其中Id为流过MOS二极管的电流。

图3(b)中对二极管连接的MOS管引入连接在栅极和漏极之间的偏置电压源Vbias,栅-源电压为

VGS=VDS+Vbias

(3)

MOS管的漏-源两端的电压为

(4)

当Vbias=Vth,由式(4)可以得到

(5)

与式(2)对比,可见原来的阈值电压Vth被外加在栅-漏偏置电压Vbias抵消了。

经过阈值补偿后的MOS管类似于一个正向导通阈值电压很低的理想二极管。改变Vbias的大小可以调整MOS管的阈值补偿量,从而调整二极管的正向导通阈值电压。

图4是阈值补偿二极管与MOS二极管I-V特征的对比,由图可见,阈值补偿二极管产生100μA电流时二极管的电压为236mV,而MOS二极管两端的电压为706mV,使用阈值补偿二极管的导通电压明显降低。

图4　阈值补偿二极管与MOS二极管I-V特征的对比图

3.4迟滞比较器电路

比较器是解调电路最重要的模块,低功耗比较器性能的优劣是解调电路成功的关键。本文选择具有良好的噪声抑制性能以及高动态范围的迟滞比较器,该比较器其结构如图5所示,工作原理详见文献[9]。

图5　迟滞比较器电路图

比较器的输出信号并不是规则的方波信号,因此,在比较器后需要加缓冲器整形电路。经过缓冲器后,最终得到规则的方波型ASK解调信号。

4电路测试结果

本文提出的ASK包络检波解调电路基于TSMC 0.18μm的工艺进行设计和仿真。

图6　接收信号调制深度

图6是低频RFID标签天线接收信号调制深度的对比,其中,图6(a)为低频RFID读写器天线发射的100% ASK调制波形,图6(b)和6(c)为RFID标签天线上接收信号的波形,图6(b)为标签芯片能量不饱和的状态,接收信号的调制深度为100%;图6(c)为标签能量饱和的状态,接收信号的调制深度很小,大约只有10%。由图6可知,低频RFID标签天线上接收信号的调制深度可以从百分之几到百分之百变化,有很大的动态范围,它要求低频标签的解调电路必需要适应较大的输入信号动态范围。

图7是解调电路的Spectre仿真结果。图7(a)为低频RFID读写器发送载波频率为134.2kHz数据速率为5.5kbps的100% ASK调制信号[10]经低频RFID标签天线接收得到的输入信号,它的调制深度很小,只有10%左右。图7(b)为接收信号经过包络检波和低通滤波器后,得到解包络信号Vp能很好地滤除载波信号和其它的高频干扰,然后通过阈值补偿二极管后得到基准电压Vn,Vn比Vp低84.3mV。相对于文献[4]用肖特基二极管使Vn比Vp大约低200mV的结果有很大的改进。用阈值补偿技术消除了MOS二极管的阈值电压,使MOS二极管导通电压降低。最后经过迟滞比较器后得到解调信号Dem_out。理论上,解包络信号Vp的包络幅值大于84.3mV的信号都能被解调出来,相比文献[4]要求解包络信号Vp的包络幅值大于200mV,其动态范围要大得多。图7(c)是最后经过迟滞比较器和缓冲器后得到解调信号Dem_out,能较好地解调出读写器发出的指令。

图7　解调电路仿真结果

通过仿真,解调电路的功耗电流为0.213μA,其中MN4、MN6的漏极电流以及比较器的功耗电流分别为80nA、5nA、128nA。解调电路的功耗电流比文献[4]略小一点。

图8　解调电路的版图

图8是本文提出的解调电路基于TSMC 0.18μm工艺的版图,面积为121μm×38μm。Mn1和Mn2会产生较大的噪声,需要隔离,因此把它们放置在左上角,远离其它电路。Vp和Vn是灵敏信号,需要进行抗干扰处理,并且连线要尽量缩短。

本文提出的ASK包络检波解调电路应用于LF RFID电子标签芯片中,基于TSMC 0.18μm的工艺进行MPW流片和测试,测试结果为该芯片的功能和性能达到设计要求,解调电路能正确解调出标签读写器发送的指令,读写距离达到10cm。

5结语

本文提出的ASK包络检波解调电路有较大的调制深度动态范围,具有较强的抗干扰能力,并且功耗很低,能适应低频RFID电子标签芯片对解调电路的较高要求。

参 考 文 献

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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

基金项目:国家863计划项目,防伪防转换标签材料和近场坑电磁干扰材料技术(编号:2103AA030802)资助。

作者简介:孔令荣,男,硕士,工程师,研究方向:射频前端、模拟及数模混合集成电路设计。

中图分类号TN492

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.040