无源双频标签芯片的低功耗数字基带设计

作     者：王搏 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小明

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：高频 超高频 射频识别 无源双频标签 数字基带 低功耗 

摘      要：RFID技术经过多年发展,衍生出了低频、高频、超高频和微波等不同频段的系统。目前,以高频和超高频RFID应用最为广泛,高频RFID系统工作频段为13.56MHz,主要应用于近距离点对点通信,超高频RFID工作频段为900MHz,适用于远距离大容量应用,两者在技术应用上具备很强的互补性。随着RFID技术应用的不断深入,单一频率RFID技术已经无法满足复杂场景下的数据采集和自动识别需求,多种RFID技术需要集成部署,标签也需要将多种协议集成到单一芯片上,满足实际应用中多功能、高集成和低成本的融合化需求。针对以上情况,本文给出了一种无源双频标签芯片,可兼容现有高频和超高频RFID系统。不同于将两种频段的标签芯片直接封装在一起实现的双频标签芯片,本文将所有功能单元全部集成在同一片上,在提高系统集成度的同时,降低了芯片后续的封装成本。此外,通过共享存储区设计,数据可在两种空口协议下读写,避免了同一标签在不同系统下存在应用隔阂,导致数据无法流转的问题,真正实现一签多用。在系统结构上,本文采用ISO/IEC 14443-A协议和ISO/IEC 18000-6C协议分别作为高频和超高频功能标准,整合13.56MHz和900MHz射频模拟前端,给出了无源双频标签芯片整体架构。电路中设计有电源整合模块,可将两个模拟前端的输出电压整合为常开电压,为数字基带和存储单元供电。为保证两个协议功能完整性,本文对存储器进行了划分,并在数字基带内部对各区域读写权限做了限定。在功耗管理上,针对无源标签对功耗敏感的特点,本文设计了一种低功耗超高频数字基带架构,根据功能需要为不同模块提供不同频率时钟,并通过统一的时钟管理单元精确控制各模块开启与关断。设计时采用单周期脉冲时钟、行波计数器、时钟门控等低功耗设计方法,降低电路功耗。本文基于TSMC 180nm工艺设计,工作电压为1V,在典型超高频测试激励下,物理实现后电路功耗为2.4μW。本文完成了芯片的流片、天线整合、样品的功能参数测试和通信系统联合验证。芯片采用COB封装,外接13.56MHz线圈和900MHz天线形成完整标签,通过NFC读写器和商用6C阅读器进行无线功能测试,并用示波器对关键信号波形进行观测。最终测试结果表明本文设计的芯片功能满足两种协议要求,标签可与两种RFID系统正常通信。