基于ISO14443A協議的RFID模擬前端設計

　　引言

　　實現基于ISO14443A協議的13.56 MHz RFID芯片的設計，并在SMIC 0.18 μm工藝下流片，芯片測試結果良好。RFID芯片模擬前端部分在AC—DC電源產生部分采用了新的結構，不需要引入LDO就可以產生穩定的電源。在數據接收部分采用了新結構，可以抵御工藝偏差引起的器件參數的變化。在數據發送部分，從系統上作了優化，使模擬部分的電路變得簡單可靠。整個模擬部分的電流小于100μA。

　　1 RFID系統結構

　　圖1為RFID系統結構框圖。整個RFID系統包括讀卡器、RFID芯片和耦合線圈。卡與讀卡器通信過程中的能量和數據通過線圈耦合，當二者無數據交互時，讀卡器向空間中發送13.56 MHz的正弦載波信號。卡靠近讀卡器時，片外線圈會耦合空間中的磁場為RFID芯片提供能量，使模擬前端和其他部分上電，準備交互。RFID芯片接收到的數據是100%的幅度調制，采用改進型的曼徹斯特編碼。RFID發送到讀卡器的數據也采用幅度調制。

　　2 模擬前端結構

　　圖2為模擬前端的結構框圖，L為片外電感，C為片內電容，LC諧振在13.56 MHz。RFID讀卡器通過線圈發送能量和數據，LC諧振回路接收讀卡器發出的信號，并通過模擬前端電路提取出電源和數據，提供給整個芯片，以使卡與讀卡器進行交互。

　　當RFID靠近讀卡器時，整流器產生的電源電壓被LC諧振電路提高，當電壓提高的一定值時，限幅器工作，使電源電壓被箝位并穩定在設定的值上，給其他模擬模塊和數字部分供電。上電復位電路(POR)工作，給出復位信號，使數字部分復位。讀卡器發出的數據是載波為13.56MHz數據率為106 kb/s的100%幅度調制信號，通過解調器解調提供給數字部分處理。RFID通過調制器向讀卡器發出載波為13.56 MHz數據率為847 kb/s的幅度調制信號。

　　3 模擬前端電路設計

　　3.1 電源產生

　　圖3為電源產生電路，由整流器和限幅器組成。當卡與讀卡器無數據交互時，讀卡器向空間中發射13.56MHz的正弦交變電磁場。圖3中L為片外電感，C為片內電容，LC匹配的諧振頻率為13.56 MHz，C1為穩壓儲能電容。當卡由遠及近靠近讀卡器時，LC發生諧振，RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高，整流器開始工作，將正弦交變電壓轉化為直流電壓VDD。當空間中電磁場強度很弱時，VDD電壓值較低，不能給芯片供電。隨著卡靠近讀卡器，LC耦合得到的能量變強，VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓，芯片開始工作。但是，若卡繼續靠近讀卡器，VDD會繼續上升，上升到超過MOS的擊穿電壓時芯片內的器件會被燒壞而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD穩定在芯片工作的額定電壓，這里設定的是2V。

　　限幅器的設計需要滿足兩點要求：第一，可精確調節;第二，高增益。正常情況下讀卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器泄放掉。隨著卡靠近讀卡器，RF1和RF2的電壓升高，VDD和Vdect跟隨RF1、RF2上升，當：

　　VDD≈V_dect=3Vthp+VREF (1)

　　此時，M61、M62、M63組成的支路導通，M51的尺寸遠大于M52的尺寸，二者構成的反相器翻轉閾值為V_dect—Vthp，當M61所在支路導通時，M51和M52構成的反相器翻轉，X輸出高電壓，使M7打開，RF1和RF2通過M31、M32泄流，從而電壓VDD被箝位穩定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的靈敏度提高，當VDD恰好達到式(1)時，限幅器就開始泄流穩壓，使VDD不隨讀卡器能量的變化而變化，以及不隨負載的變化而變化。高增益的限幅器可以看作理想的穩壓二極管。由式(1)可知，只需調節VREF即可得到精確的想要的VDD，例如Vthp=0.4 V，需要VDD=2 V，只需設定VREF=0.8 V即可。此處設計的限幅器可以看作電壓可精確調節的理想穩壓二極管。