超高频射频识别标签芯片的射频/模拟前端及微功耗EEPROM设计实现

摘要

国际电信联盟于2005年提出了―物联网‖这一概念,自此,物联网迅速获得世界各国的广泛认同,并被提升至国家经济和科技发展的战略高度。而 RFID由于其基础性作用以及能为物体提供物联网入口的基本能力,成为了物联网各项核心技术的最关键点之一。在 RFID的各种分类中,由于 UHF频段的无源 RFID标签具有可远距离读写等优点,其又成为研究的重点。
　　本文即以此为背景,在对低功耗设计技术归纳总结的基础上,针对工作于无源状态、UHF频段的 RFID标签芯片的相关设计技术进行了研究,相应研究成果最终转化为完整的无源 UHF RFID标签芯片,并成功测试验证。研究内容包括:
　　首先,提出了一种亚阈值 UHF RFID射频/模拟前端电路。该射频/模拟前端电路通过全局能量管理的方式从系统架构层次实现了芯片功耗优化;同时,本文提出了射频/模拟前端子电路的完整解决方案,并着重研究了基准电路和时钟电路,其中:提出的一种亚阈值基准电路折中解决了其功耗、精度和芯片面积问题,并通过―虚拟二极管‖技术解决了衬底偏置效应引起的精度偏差;提出的时钟校准方案有效控制了时钟校准测试成本,实现了时钟频率实时、实地校准。基于以上设计技术的射频/模拟前端其工作电流为3.6μA,满足无源 UHF RFID应用需求。
　　其次,微功耗存储器已经成为 RFID走向实际应用的最严重制约因素之一,而国内外的研究相对很少。基于此,本文从工艺成本以及工艺成熟度考虑,采用EEPROM作为 RFID的存储器,并针对其低功耗和可靠性设计技术进行了相应的研究。其中:从 EEPROM数据检测机理出发,提出了一种新的预充电——自适应数据检测机制,该机制切断了从电源到地的直流通路,因此有效降低了 EEPROM的读功耗。同时,为提高 EEPROM的抗数据误读能力,通过全局时序控制和反馈两种机制,使读电路获得了工艺参数自适应能力,提高了读电路的可靠性;本文还提出了一种低上电峰值电流时分高压电荷泵电路,该电荷泵通过合理时序控制,实现了电荷泵 pipeline上电,在几乎不增加功耗和芯片成本开销,不损失泵浦效率和驱动能力的情况下,有效降低了电荷泵上电阶段高峰值电流。基于以上设计技术的 EEPROM作为一个单独的 IP进行流片测试,测试结果显示,其读、写电流分别为1.18μA和33μA。该微功耗 EEPROM IP的测试成功,对解决便携式应用通用存储器的设计难题具有同样重要的现实意义。
　　最后,采用以上设计技术的射频/模拟前端和 EEPROM与所开发的数字基带构成了一款完整的无源 UHF RFID标签芯片。该标签芯片最终流片并通过商用阅读器测试成功,其读距离>6m,写距离不低于1.8m。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 论文主要内容以及创新点

1.4 论文的组织结构

第二章 UHF RFID 物理基础及低功耗设计方法

2.1 UHF RFID 系统描述及物理参数分析

2.2 低功耗设计方法研究及亚阈值理论基础

2.3 小结

第三章 亚阈值 RFID 标签射频/模拟前端研究

3.1 RFID 标签芯片系统架构设计研究

3.2 亚阈值 RFID 射频/模拟前端研究

3.3 射频/模拟前端实现及测试验证

3.4 小结

第四章 微功耗、低峰值电流 EEPROM 研究

4.1 EEPROM 物理理论基础

4.2 EEPROM 系统架构以及设计难点

4.3 读电路微功耗设计技术

4.4 高压电荷泵微功耗设计技术

4.5 EEPROM IP 实现以及测试

4.6 小结

第五章 RFID 标签实现以及测试验证

5.1 UHF RFID 标签实现

5.2 测试平台

5.3 测试结果

5.4 小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果