半有源UHF RFID温度标签关键技术研究与设计

摘要

射频识别(Radio-Frequency Identification, RFID)是一种基于射频电磁场方式传送数据的无线非接触式自动识别和追踪的技术,广泛应用在多个领域,并一直在飞速发展。本论文介绍了一款基于ISO18000-4标准,适用于2.45GHz ISM波段无线通信协议的半有源温度传感器标签。该芯片主要由射频前端、数字基带控制单元、温度传感器、EEPROM存储阵列和电源管理等模块组成,其中射频前端负责调制和解调基频信号,电源管理模块为整个芯片提供所需要的电源电压以及控制唤醒电路和电池的启动,数字基带控制单元用于处理解调之后以及调制之前的数据信息,温度传感器负责温度的采集,EEPROM存储器用于存储与温度、数据校准和其他一些比较重要的信息。
　　本文主要对半有源温度传感器标签中的温度传感器和 EEPROM存储器进行了深入的研究和分析,其中温度传感器基于双极晶体管的温度特性实现了简单的PTAT电流源,并进行了单点校准,可以实现很好的一阶温度系数。为了延长半有源标签内电池的寿命以及工作范围,低功耗是在设计过程中性能优化的重要标准,因而温度传感器中的模数转换器选择了逐次逼近型模数转换器。另外基于标签内小数量存储的特点,EEPROM存储器的容量设计为1K,由于其是标签功耗的最大贡献者之一,因此重点优化设计了此模块。
　　温度传感器模块和EEPROM存储器的设计采用了SMIC018um e-EEPROM工艺,而射频前端模块采用了UMC018um CMOS工艺进行设计。所有模块的设计均在Cadence环境中实现,包括电路设计、功能仿真、版图设计、物理验证、寄生参数提取以及后仿真验证,在设计过程中也重点考虑了ESD保护、天线效应、闩锁效应以及噪声隔离等对电路的影响。通过分析测试结果,可以得出该设计实现了-50℃~50℃范围内1℃的的测量精度,达到了预期目标。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2现状与发展前景

1.3面临的挑战

1.4论文组织结构

第二章 UHF RFID半有源温度标签系统分析

2.1温度传感器设计分析

2.2模数转换器设计分析

2.3 EEPROM存储器设计分析

第三章 温度传感器设计

3.1温度传感器设计原理

3.2温度传感器工作流程

3.3 PTAT电压产生电路

3.4温度传感器校准方法

第四章 逐次逼近模数转换器

4.1关键性能指标

4.2系统架构

4.3系统设计

第五章 EEPROM存储器设计

5.1工作原理及总体结构

5.2电荷泵系统

5.3灵敏放大器

5.4稳压电路

5.5电平转换电路

第六章 仿真验证以及版图设计要点

6.1温度传感器仿真验证

6.2 EEPROM仿真验证

6.3版图设计要点

第七章 总结与展望

7.1本文总结

7.2后续研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢