无源超高频RFID标签芯片电源产生电路的设计

作     者：沈永健 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘冬生

授予年度：2015年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 13[艺术学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：超高频RFID 低功耗 电荷泵 亚阈值 LDO 

摘      要：RFID(Radio Frequency Identification)技术,是一种非接触式的自动识别技术,它利用射频信号的电感耦合或者电磁反向散射机制实现对物体的自动识别并获取其数据信息。本论文针对无源超高频RFID标签芯片具体应用需求,对其物理基础、能量链路、系统架构、性能指标和电源产生电路进行了详细的研究。无源超高频RFID标签芯片电源产生电路主要包括以下几个模块:整流电路模块、基准电流源模块、基准电压源模块和稳压电路模块。本文整理了整流电路几种电路结构,并针对Dickson电荷泵倍压整流电路做了详细的原理分析,给出了基于阈值电压补偿技术的电路设计方案。针对低功耗低成本的电路设计需求,采用亚阈值技术实现基准电流源和基准电压源的电路设计。稳压电路采用传统的LDO结构,在满足系统需求的前提下实现了低功耗设计要求。由于当标签芯片工作在近距离时,标签天线接收到的能量很大,给出了过压保护电路设计方案,避免了近距离工作时后级电路被击穿。本文基于UMC 0.18μm Embedded E2PROM 1.8 V/5 V 2P6M LLP工艺,完成了电源产生电路的设计。整流电路采用基于二极管连接的MOS管主从电荷泵结构。在-5.2 dBm的输入功率下,实现了22.69%的能量转换效率。基准电压源电路采用全MOS管电路结构,实现了640 mV的电压输出,温度系数达到16.82 ppm/℃,当输入电压VCC为1.8 V时,功耗低至194 nA。基准电流源采用亚阈值技术进行设计,实现了99.7 nA的电流输出,温度系数为48.45 ppm/℃,当输入电压VCC为1.8 V时,功耗低至431.4 nA。稳压电路输出1.8 V的直流电压,当输入电压VCC为2 V时,功耗为3μA,满足低功耗的设计需求。过压保护电路实现了在12.2 dBm的输入功率下,将电荷泵输出电压钳位在3.3 V,性能良好。