无源UHF RFID标签芯片电源产生电路研究

作     者：车雯心 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余宁梅;邵刚

授予年度：2024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）] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 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：电源系统 高能量转换效率 低功耗 亚阈值基准 LDO 

摘      要：无源超高频射频识别(UHFRFID)是一种非接触的自动识别技术,该技术通过射频信号的空间耦合特性直接读取标签芯片的内部数据,从而实现多个标签信息的高效识别。RFID系统具有低成本、小体积和远距离识别等优势,在物流跟踪和身份识别等领域被广泛应用。RFID技术的发展使得无源标签对读写距离的需求逐渐变高,电源系统作为整个无源标签芯片的能量源,不仅为芯片提供稳定的电源电压,还决定着RFID系统的识别距离与精度,因此标签芯片的电源模块成为当今RFID技术的研究热点之一。 为了实现标签芯片的远距离识别,基于ISO18000-6C协议标准,设计了一款高能量转换效率、低功耗的无源UHF RFID标签芯片的电源系统,该系统包括整流电路、基准电路、稳压电路和限压电路。在整流电路中为实现高能量转换效率,对目前常见的几种整流结构进行能量转换效率对比,并选择能量转换效率最高的桥式栅交叉耦合结构实现倍压整流。针对低功耗的设计需求,采用亚阈值技术实现基准电路设计,并在传统亚阈值电路上进行改进,通过虚二极管连接的偏置结构增加一条负反馈环路,这有效地提高了基准电路的环路增益,同时基准输出具有良好的电源抑制比,可以抑制整流输出端存在的噪声。稳压电路采用LDO结构,其中误差放大器在折叠式共源共栅结构的基础上,部分晶体管采用低阈值晶体管,将其与对应的高阈值晶体管栅极相连,该结构不需要额外的偏置,减小了电路功耗。在整体电源系统的设计中,整流电路通过差分开关管交替打开来降低输出纹波。为防止芯片在近场区工作时出现高压情况,采用了限压电路来防止芯片功能受损。考虑带调制的输入射频信号,通过LDO低压差设计来提高电源系统的掉电裕度。 基于UMC 0.11μm CMOS工艺完成了 UHF RFID标签芯片电源系统的电路设计与版图绘制,并进行后仿真验证。仿真结果表明:整流电路在输入射频幅度为0.58V时,实现了最大为67.7%的能量转换效率。基准电路的静态电流为559nA,稳压电路的静态电流为2.13μA。电源系统可以负载30μA电流,同时可以适应12.5μs无输入的调制信号,电源系统性能良好。