超高频无源RFID 标签(UHF Passive RFIDTag)是指作业频率 在300M~3GHz 之间的超高频频段内，无外接电源供电的RFID 标签。这种超高频无源RFID 标签因为其作业频率高，可读写间隔长，无需外部电 源，制作本钱低，现在成为了RFID 研讨的要点方向之一，有或许成为在不久的将来RFID 范畴的主流产品。
关于 UHF 频段RFID 标签的研讨，国际上许多研讨单位现已取得了一些超卓的效果。例如，Atmel 公司在JSSC 上宣布了最小RF 输入功率可低至 16.7μW的UHF 无源RFID 标签。这篇文章因为其超低的输入功率，现已成为RFID 标签规划的一篇经典文章，被屡次引证。在 2005 年，JSSC 宣布了瑞士联邦技能研讨院规划的一款最小输入功率仅为2.7μW，读写间隔可达12m 的2.45G RFID 标签芯片。在超 小、超薄的RFID 标签规划上，日本日立公司在2006年ISSCC 会议上提出了面积仅为0.15mm×0.15mm，芯片厚度仅为.5μm 的 RFID 标签芯片。国内涵RFID 标签范畴的研讨，现在与国外顶尖的科研效果还有不小的间隔，需求国内科研作业者加倍的尽力。
如图1 所示，一个完好超高频无源RFID 标签由天线和标签芯片两部分组成，其间，标签芯片一般包含以下几部分电路：电源康复电路、电源稳压电路、反向散射调制电路、解调电路、时钟提取/发生电路、发动信号发生电路、参阅源发生电路、操控单元、存储器。
无源RFID 标签芯片作业时所需求的能量彻底来源于读卡器发生的电磁波的能量，因而，电源康复电路需求将标签天线感应出的超高频信号转化为芯片作业需求的直流电压，为芯片供给能量。
本文第2 部分将介绍电源康复电路的规划。因为RFID 标签所在的电磁环境是十分复杂的，输入信号的功率能够改动几百乃至几千倍，因而，为了芯片在大 小不同的场强中均能够正常作业，有必要规划牢靠的电源稳压电路。本文第3部分将对电源稳压电路的规划进行阐明。调制与解调电路是标签与读卡器进行通讯的要害 电路，现在绝大部分的UHF RFID 标签选用的是ASK调制，本文在第4 部分对调制与解调进行介绍。RFID 标签的操控单元是处理指令的数字电 路。为使标签在进入读卡器场区后，能够正确复位，以呼应读卡器的指令，有必要规划牢靠的发动信号发生电路，用来供给数字单元的复位信号。本文在第 5 部分将评论发动信号发生电路的规划。
电源康复电路
电源康复电路将RFID 标签天线所接纳到的超高频信号经过整流、升压等办法转化为直流电压，为芯片作业供给能量。电源康复电路具有多种可行的电路结构。如图2 所示是现在常用的几种电源康复电路。
在这些电源康复电路中，并不存在最理想的电路结构，每种电路都有各自的长处及缺点。在不同的负载状况、不同的输入电压状况、不同的输出电压要求 以及可用的工艺条件下，需求挑选不同的电路以使其到达最优的功能。图2(a)所示的多级二极管倍压电路，一般选用肖特基势垒二极管。它具有倍压功率高、输 入信号起伏小的长处，使用十分广泛。可是，一般代工厂的一般CMOS 工艺不供给肖特基势垒二极管，在工艺的挑选上会给规划者带来费事。图2(b)是用接 成二极管办法的PMOS 管来替代肖特基二极管，避免了工艺上的特殊要求。这种结构的倍压电路需求有较高的输入信号起伏，在输出电压较高时具有较好倍压效 率。图2(c)是传统的二极管全波整流电路。与Dickson 倍压电路比较，倍压效果更好，但引进了更多的二极管元件，功率转化功率一般略低于 Dickson 倍压电路。别的，因为它的天线输入端与芯片地别离，从天线输入端向芯片看去，是一个电容隔直的全对称结构，避免了芯片地与天线的彼此影 响，合适于与对称天线(例如偶极子天线)相接。图2(d)是许多文献提出的全波整流电路的CMOS 管处理计划。在工艺受限的状况下，能够获得较好的功率 转化功率，而且对输入信号起伏的要求也相对较低。
在一般的无源UHF RFID 标签的使用中，出于本钱的考虑，期望芯片电路合适 于一般CMOS工艺的制作。而远间隔读写的要求对电源康复电路的功率转化功率提出了较高的要求。为此，许多规划者选用规范CMOS 工艺来完成肖特基势垒 二极管，然后能够方便地选用多级Dickson倍压电路结构来进步电源转化的功能。图3 所示是一般CMOS 工艺制作的肖特基二极管结构示意图。在规划 中，不需求更改工艺过程和掩膜板生成规矩，只需在地图上作一些修正，就能够制作出肖特基二极管。
图4 所示是在UMC 0.18um CMOS 工艺下规划的几种肖特基二极管的地图。它们的直流特性测验曲线如图5 所示。从直流特 性的测验成果上能够看到，规范CMOS 工艺制作的肖特基二极管具有典型的二极管特性，而且敞开电压只要0.2V 左右，十分合适使用于RFID 标 签。
电源稳压电路
在输入信号起伏较高时，电源稳压电路有必要能确保输出的直流电源电压不超越芯片所能接受的最高电压;一起，在输入信号较小时，稳压电路所耗费的功率要尽量的小，以减小芯片的总功耗。
从稳压原理上看，稳压电路结构能够分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种。并联式稳压电路的根本原理如图6 所示。
在RFID 标签芯片中，需求有一个较大电容值的储能电容存储满意的电荷以供标签在接纳调制信号时，仍可在输入能量较小的时刻(例如OOK调制 中无载波宣布的时刻)，坚持芯片的电源电压。假如输入能量过高，电源电压升高到必定程度，稳压电路中电压感应器将操控泄流源将储能电容上的剩余电荷开释 掉，以此到达稳压的意图。图7 是其间一种并联型稳压电路。三个串联的二极管D1、D2、D3 与电阻R1 组成电压感应器，操控泄流管M1 的栅极电 压。当电源电压超越三个二极管敞开电压之和后，M1 栅极电压升高，M1 导通，开端对储能电容C1 放电。
别的一类稳压电路的原理则是选用串联式的稳压计划。它的原理图如图8 所示。参阅电压源是被规划成一个与电源电压无关的参阅源。输出电源电压经 电阻分压后与参阅电压比较较，经过运算扩大器扩大其差值来操控M1 管的栅极电位，使得输出电压与参阅源根本坚持相同的安稳状况。
这种串联型稳压电路能够输出较为精确的电源电压，可是因为M1 管串联在未稳压电源与稳压电源之间，在负载电流较大时，M1 管上的压降会构成较高的功耗丢失。因而，这种电路结构一般使用于功耗较小的标签电路中。
调制与解调电路
a.解调电路
出于减小芯片面积和功耗的考虑，现在大部分无源RFID 标签均选用了ASK 调制。关于标签芯片的ASK 解调电路，常用的解调办法是包络检波的办法，如图9 所示。
包络检波部分与电源康复部分的倍压电路根本相同，可是不用供给大的负载电流。在包络检波电路的末级并联一个泄电流源。当输入信号被调制 时，输入能量减小，泄流源将包络输出电压下降，然后使得后边的比较器电路判别出调制信号。因为输入射频信号的能量改动规模较大，泄流源的电流巨细有必要能够 动态的进行调整，以习惯近场、远场不同场强的改动。例如，假如泄流电源的电流较小，在场强较弱时，能够满意比较器的需求，可是当标签处于场强很强的近场 时，泄放的电流将不足以使得检波后的信号发生较大的起伏改动，后级比较器无法正常作业。为处理这个问题，能够选用如图10 所示的泄流源结构。
在输入载波未受调制时，泄流管M1 的栅极电位与漏极电位相同，构成一个二极管接法的NMOS管，将包络输出钳位在M1 的阈值电压附 近，此刻输入功率与在M1 上耗费的功率相平衡;当输入载波受调制后，芯片输入能量减小，而此刻因为延时电路R1、C1 的效果，M1 的栅极电位依然保 持在原有电平上，M1 上泄放的电流仍坚持不变，这就使得包络输出信号起伏敏捷减小;相同，在载波康复后，R1 和C1 的延时使得包络输出能够敏捷回复 到原有高电平。选用这种电路结构，并经过合理挑选R1、C1 的巨细以及M1的尺度，即可满意在不同场强下解调的需求。包络输出后边所接的比较器电路也有 多种能够挑选的计划，常用的有迟滞比较器、运算扩大器等。也能够简化为用反相器来完成。
b.调制电路
无源 UHF RFID 标签一般选用反向散射的调制办法，即经过改动芯片输入阻抗来改动芯片与天线间的反射系数，然后到达调制的意图。一般规划天线阻抗与芯片 输入阻抗使其在未调制时挨近功率匹配，而在调制时，使其反射系数添加。常用的反向散射办法是在天线的两个输入端间并联一个接有开关的电容，如图11 所 示，调制信号经过操控开关的敞开，决议了电容是否接入芯片输入端，然后改动了芯片的输入阻抗。
发动信号发生电路
电源发动复位信号发生电路在RFID 标签中的效果是在电 源康复完成后，为数字电路的发动作业供给复位信号。它的规划有必要要考虑以下几点问题：假如电源电压上升时刻过长，会使得复位信号的高电平起伏较低，达不到 数字电路复位的需求;发动信号发生电路对电源的动摇比较灵敏，有或许因而发生误动作;静态功耗有必要尽或许的低。
一般，无源RFID 标签进入场区后，电源电压上升的时刻并不确认，有或许很长。这就要求规划的发动信号发生电路发生发动信号的时刻与电源电压相关。图12 所示是一种常见的发动信号发生电路。
它的根本原理是使用电阻R0 和NMOS 管M1组成的支路发生一个相对固定的电压Va，当电源电压vdd 超越NMOS 管的阈值电 压后，Va 电压根本坚持不变。跟着vdd 的持续升高，当电源电压到达Va+|Vtp|时，PMOS 管M0 导通使得Vb升高，而此前因为M0 截 止，Vb 一向处于低电平。这种电路的首要问题是存在着静态功耗。而且因为CMOS 工艺下MOS 管的阈值电压随工艺的改动比较大，简单受工艺误差的影 响。因而，使用pn 结二极管作发动电压的发生会大大减小工艺的不确认性，如图13 所示。
当VDD 上升到两个pn 结二极管的敞开电压之前，PMOS 管M0 栅极与电源电压持平，PMOS 管关断，此刻电容C1 上的电压为低电 平。当VDD 上升到超越两个二极管阈值电压后，M0 开端导通，而M1 栅极电压坚持不变，流过M1 的电流坚持不变，电容C1 上电压逐步升高，当其 升高到反相器发生翻转后，就发生了发动信号。因而，这种电路发生发动信号的时刻取决于电源电压是否到达两个二极管的阈值电压，具有较高的安稳性，避免了一 般发动电路在电源电压上升过慢时，会导致敞开信号呈现过早的问题。
假如电源电压上升的时刻过快，电阻R1 和M0 的栅 电容构成了低通延时电路，会使得M0 的栅极电压不能敏捷跟上电源电压的改动，依然坚持在低电平上，这时M0 就会对电容C1 充电，导致电路不能正确工 作。为处理这一问题，引进电容C5。假如电源电压上升速度很快，电容C5 的耦合效果能够使得M0 的栅极电位坚持与电源电压共同，避免了上述问题的发 生。
该电路依然存在的静态功耗的问题，能够经过增大电阻值，合理挑选MOS 管尺度来下降静态功耗的影响。要想彻底处理静态功耗的问题则需求规划额定的反应操控电路，在发动信号发生后关断这部分电路。可是，需求特别注意引进反应后发生的不安稳态的问题。
定论
本文所介绍的一些RFID 标签的首要电路，大部分现现已过了流片的验证。图14 是咱们所规划的一款RFID 标签芯片。芯片面积 0.7mm×1.0mm，在36dBm EIRP 下，可在6 米处读出标签卡号。图15 是2.45GHz 带有片上天线规划的RFID 标签。在 42dBm EIRP 下，该芯片可在40cm处发生呼应。
无源UHF RFID 芯片的规划难点是围绕着怎么进步芯片的读写间隔、下降标签的制作本钱打开的。因而，进步电源康复电路的功率，下降全体芯片的功耗，而且作业牢靠依然是RFID 标签芯片规划首要的应战。
