无源900MHz UHF RFID标签芯片设计

摘要

RFID是用于物联网底层构建的一种基础性技术，条形码、二维码等光学识别技术相比，它可以用于识别单个物体，而且它可以透过包装材料直接读取内部芯片的信息，并且支持同时操作多个物体的识别。整个RFID系统主要由标签、读卡器和天线三大部分组成。每个标签都拥有唯一的电子编码，用于标识所附着的物体的信息；读卡器则是用来读写标签信息的设备，可以是固定式的也可以制成移动式的；天线则用于在标签和读卡器之间射频信号的传输。
　　根据能量来源划分，RFID可以分为有源和无源两种；根据射频信号的频段划分，RFID可以分为低频（LF）高频（HF）和超高频（UHF）几种。无源UHF RFID标签是基于ISO18000-6和EPC Gen2这两个国际标准设计的。
　　国外的Impinj公司和Alien公司在无源UHF RFID标签设计方面处于领先的地位，目前最先进的无源UHF RFID标签可以实现在-18dbm的低能量下进行读操作，其实际操作距离在适合的条件下可达到20米左右。实现低能量下操作的核心问题就是高效的整流器和低功耗芯片设计，根据分析，国外领先的公司整流器效率在40％以上，而整个芯片的功耗则控制在3uW以下。
　　本文主要内容是一种无源UHF RFID的标签芯片设计方案，包括芯片的总体指标和架构组成，各模块的性能指标，实现方法，以及最终产品的测试结果等。通过使用Top-down的设计方法，本文将芯片基本的设计指标逐级分解为每一个模块的设计指标，尤其围绕功耗这个核心参数来进行设计，特别是通过定量分析整流器损耗、整体分配功耗目标、设计具有温度补偿功能的振荡器等方法，实现了芯片面积的最小和功耗的最低，最终达到了整体设计目标，并且通过测试验证了设计指标。

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1 概论

1.1 RFID背景简介

1.2 RFID发展现状

1.3UHF RFID主要特点

1.4UHF RFID技术难点及本芯片优点

1.5 本文的研究内容与章节安排

2UHF RFID芯片的总体架构

2.1UHF RFID的基本原理

2.2UHF RFID的总体架构

2.3UHF RFID的基本参数

2.4 本章小结

3UHF RFID芯片的模块设计

3.1 整流器电路的设计

3.2 反射调制电路的设计

3.3 参考源电路的设计

3.4 时钟产生电路的设计

3.5 解调电路的设计

3.6 上电复位电路的设计

3.7 限压电路的设计

3.8 本章小结

4UHF RFID芯片的设计验证

4.1UHF RFID芯片整体参数及其分解

4.2 整流器电路的仿真和验证

4.3 反射调制电路的仿真和验证

4.4 参考源电路的仿真和验证

4.5 时钟产生电路的仿真和验证

4.6 解调电路的仿真和验证

4.7 上电复位电路的仿真和验证

4.8 限压电路的仿真和验证

4.9 本章小结

5UHF RFID芯片的版图

5.1UHF RFID芯片的版图布局

5.2 整流器、反射调制电路及解调电路的版图

5.3 参考源电路的版图

5.4 时钟产生电路的版图

5.5 复位电路的版图

5.6 本章小结

6UHF RFID芯片的测试

6.1 整流器测试

6.2 偏置电路测试

6.3 时钟产生电路测试

6.4 解调电路测试

6.5 上电复位电路测试

6.6 总电流测试

6.7 温度测试

6.8 本章小结

7 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表和撰写的学术论文