rfid電路

1. RFID電子標簽電路組成及原理

一個完整超高頻無源RFID標簽由天線和標簽晶元兩部分組成，其中，標簽晶元一般包括以下幾部分電路：
- 電源恢復電路
- 電源穩壓電路
- 反向散射調制電路
- 解調電路
- 時鍾恢復/產生電路
- 啟動信號產生電路
- 參考源產生電路
- 控制單元
- 存儲器
電源恢復電路

電源恢復電路將RFID標簽天線所接收到的超高頻信號通過整流、升壓等方式轉換為直流電壓，為晶元工作提供能量。
電源恢復電路具有多種可行的電路結構。如圖2所示是目前常用的幾種電源恢復電路[3][4]。
在這些電源恢復電路中，並不存在最理想的電路結構，每種電路都有各自的優點及缺陷[3]。在不同的負載情況、不同的輸入電壓情況、不同的輸出電壓要求以及可用的工藝條件下，需要選擇不同的電路以使其達到最優的性能。圖2(a)所示的多級二極體倍壓電路，一般採用肖特基勢壘二極體。它具有倍壓效率高、輸入信號幅度小的優點，應用十分廣泛[5]。但是，一般代工廠的普通CMOS工藝不提供肖特基勢壘二極體，在工藝的選擇上會給設計者帶來麻煩。圖2(b)是用接成二極體形式的PMOS管來代替肖特基二極體，避免了工藝上的特殊要求。這種結構的倍壓電路需要有較高的輸入信號幅度，在輸出電壓較高時具有較好倍壓效率。圖2(c)是傳統的二極體全波整流電路。與Dickson倍壓電路相比，倍壓效果更好，但引入了更多的二極體元件，功率轉換效率一般略低於Dickson倍壓電路。另外，由於它的天線輸入端與晶元地分離，從天線輸入端向晶元看去，是一個電容隔直的全對稱結構，避免了晶元地與天線的相互影響，適合於與對稱天線（例如偶極子天線）相接。圖2(d)是許多文獻提出的全波整流電路的CMOS管解決方案[4]。在工藝受限的情況下，可以獲得較好的功率轉換效率，並且對輸入信號幅度的要求也相對較低[3]。 在一般的無源UHF RFID標簽的應用中，出於成本的考慮，希望晶元電路適合於普通CMOS工藝的製造。而遠距離讀寫的要求對電源恢復電路的功率轉換效率提出了較高的要求。為此，很多設計者採用標准CMOS工藝來實現肖特基勢壘二極體[6]，從而可以方便地採用多級Dickson倍壓電路結構來提高電源轉換的性能[3]。圖3所示是普通CMOS工藝製造的肖特基二極體結構示意圖。在設計中，不需要更改工藝步驟和掩膜板生成規則，只需在版圖上作一些修改，就可以製作出肖特基二極體。
圖4所示是在UMC 0.18um CMOS工藝下設計的幾種肖特基二極體的版圖。它們的直流特性測試曲線如圖5所示。從直流特性的測試結果上可以看到，標准CMOS工藝製造的肖特基二極體具有典型的二極體特性，並且開啟電壓只有0.2V左右，非常適合應用於RFID標簽。

3 電源穩壓電路

在輸入信號幅度較高時，電源穩壓電路必須能保證輸出的直流電源電壓不超過晶元所能承受的最高電壓；同時，在輸入信號較小時，穩壓電路所消耗的功率要盡量的小，以減小晶元的總功耗。
從穩壓原理上看，穩壓電路結構可以分為並聯式穩壓電路和串聯式穩壓電路兩種。並聯式穩壓電路的基本原理如圖6所示。
在RFID標簽晶元中，需要有一個較大電容值的儲能電容存儲足夠的電荷以供標簽在接收調制信號時，仍可在輸入能量較小的時刻（例如OOK調制中無載波發出的時刻），維持晶元的電源電壓。如果輸入能量過高，電源電壓升高到一定程度，穩壓電路中電壓感應器將控制泄流源將儲能電容上的多餘電荷釋放掉，以此達到穩壓的目的。圖7是其中一種並聯型穩壓電路。三個串聯的二極體D1、D2、D3與電阻R1組成電壓感應器，控制泄流管M1的柵極電壓。當電源電壓超過三個二極體開啟電壓之和後，M1柵極電壓升高，M1導通，開始對儲能電容C1放電。
另外一類穩壓電路的原理則是採用串聯式的穩壓方案。它的原理圖如圖8所示。基準電壓源是被設計成一個與電源電壓無關的參考源。輸出電源電壓經電阻分壓後與基準電壓相比較，通過運算放大器放大其差值來控制M1管的柵極電位，使得輸出電壓與參考源基本保持相同的穩定狀態。
這種串聯型穩壓電路可以輸出較為准確的電源電壓，但是由於M1管串聯在未穩壓電源與穩壓電源之間，在負載電流較大時，M1管上的壓降會造成較高的功耗損失。因此，這種電路結構一般應用於功耗較小的標簽電路中。

4 調制與解調電路

A．解調電路
出於減小晶元面積和功耗的考慮，目前大部分無源RFID標簽均採用了ASK調制。對於標簽晶元的ASK解調電路，常用的解調方式是包絡檢波的方式，如圖9所示[1]。
包絡檢波部分與電源恢復部分的倍壓電路基本相同，但是不必提供大的負載電流。在包絡檢波電路的末級並聯一個泄電流源。當輸入信號被調制時，輸入能量減小，泄流源將包絡輸出電壓降低，從而使得後面的比較器電路判斷出調制信號。由於輸入射頻信號的能量變化范圍較大，泄流源的電流大小必須能夠動態的進行調整，以適應近場、遠場不同場強的變化。例如，如果泄流電源的電流較小，在場強較弱時，可以滿足比較器的需要，但是當標簽處於場強很強的近場時，泄放的電流將不足以使得檢波後的信號產生較大的幅度變化，後級比較器無法正常工作。
在輸入載波未受調制時，泄流管M1的柵極電位與漏極電位相同，形成一個二極體接法的NMOS管，將包絡輸出鉗位在M1的閾值電壓附近，此時輸入功率與在M1上消耗的功率相平衡；當輸入載波受調制後，晶元輸入能量減小，而此時由於延時電路R1、C1的作用，M1的柵極電位仍然保持在原有電平上，M1上泄放的電流仍保持不變，這就使得包絡輸出信號幅度迅速減小；同樣，在載波恢復後，R1和C1的延時使得包絡輸出可以迅速回復到原有高電平。採用這種電路結構，並通過合理選擇R1、C1的大小以及M1的尺寸，即可滿足在不同場強下解調的需要。
包絡輸出後面所接的比較器電路也有多種可以選擇的方案，常用的有遲滯比較器、運算放大器等。也可以簡化為用反相器來實現。

B．調制電路
無源UHF RFID標簽一般採用反向散射的調制方法，即通過改變晶元輸入阻抗來改變晶元與天線間的反射系數，從而達到調制的目的。一般設計天線阻抗與晶元輸入阻抗使其在未調制時接近功率匹配，而在調制時，使其反射系數增加。常用的反向散射方法是在天線的兩個輸入端間並聯一個接有開關的電容，如圖11所示，調制信號通過控制開關的開啟，決定了電容是否接入晶元輸入端，從而改變了晶元的輸入阻抗。 5 啟動信號產生電路

電源啟動復位信號產生電路在RFID標簽中的作用是在電源恢復完成後，為數字電路的啟動工作提供復位信號。它的設計必須要考慮以下幾點問題[7]：
- 如果電源電壓上升時間過長，會使得復位信號的高電平幅度較低，達不到數字電路復位的需要；
- 啟動信號產生電路對電源的波動比較敏感，有可能因此產生誤動作；
- 靜態功耗必須盡可能的低。
通常，無源RFID標簽進入場區後，電源電壓上升的時間並不確定，有可能很長。這就要求設計的啟動信號產生電路產生啟動信號的時刻與電源電壓相關。圖12所示是一種常見的啟動信號產生電路[8]。
它的基本原理是利用電阻R0和NMOS管M1組成的支路產生一個相對固定的電壓Va，當電源電壓vdd超過NMOS管的閾值電壓後，Va電壓基本保持不變。隨著vdd的繼續升高，當電源電壓達到Va＋|Vtp|時，PMOS管M0導通使得Vb升高，而此前由於M0截止，Vb一直處於低電平。
這種電路的主要問題是存在著靜態功耗。並且由於CMOS工藝下MOS管的閾值電壓隨工藝的變化比較大，容易受工藝偏差的影響。因此，利用pn結二極體作啟動電壓的產生會大大減小工藝的不確定性，如圖13所示。
當VDD上升到兩個pn結二極體的開啟電壓之前，PMOS管M0柵極與電源電壓相等，PMOS管關斷，此時電容C1上的電壓為低電平。當VDD 上升到超過兩個二極體閾值電壓後，M0開始導通，而M1柵極電壓保持不變，流過M1的電流保持不變，電容C1上電壓逐漸升高，當其升高到反相器發生翻轉後，就產生了啟動信號。因此，這種電路產生啟動信號的時間取決於電源電壓是否達到兩個二極體的閾值電壓，具有較高的穩定性，避免了一般啟動電路在電源電壓上升過慢時，會導致開啟信號出現過早的問題。
如果電源電壓上升的時間過快，電阻R1和M0的柵電容構成了低通延時電路，會使得M0的柵極電壓不能迅速跟上電源電壓的變化，仍然維持在低電平上，這時M0就會對電容C1充電，導致電路不能正確工作。為解決這一問題，引入電容C5。如果電源電壓上升速度很快，電容C5的耦合作用能夠使得M0的柵極電位保持與電源電壓一致，避免了上述問題的發生。
該電路仍然存在的靜態功耗的問題，可以通過增大電阻值，合理選擇MOS管尺寸來降低靜態功耗的影響。要想完全解決靜態功耗的問題則需要設計額外的反饋控制電路，在啟動信號產生後關斷這部分電路。但是，需要特別注意引入反饋後產生的不穩定態的問題[7]。

2. RFID工作原理

射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。
射頻的話，一虛好般是微波，1-100GHz，適用於短距離識別通信。
RFID讀寫器也分移動式的和固定式的，目前RFID技術應用很廣，如：圖書館，門禁系統，食品安全溯源等。
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RFID的工作原理是：標簽進入磁場後，如果接收到閱讀器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元中的產品信耐譽大息（即Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者主動發送某一頻率的信號（昌豎即Active Tag，有源標簽或主動標簽），閱讀器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。

3. RFID的組成結構包括哪些

標簽、閱讀器、天線。
標簽：由耦合元件及晶元組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，高容量電子標簽有用戶可寫入的存儲空間，附著在物體上標識目標對象；
閱讀器：讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；
天線：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
RFID射頻識別是一種非接液世觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作於各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體並可同時識別多個標簽，操作快捷方便。
RFID電子標簽是一種突破性的技術：「第一，可以識別單個的非常具體的物體，而不是像條形碼那樣只能識別一類物體；第二，其採用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時對多個物體進行識讀，而條形碼只能一個一個地讀。此外，儲存的信息量也非常大。」
RFID技術的基本工作原理並不復雜：標簽進入磁場後，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元中的產品信息（PassiveTag，無源標簽或被動標簽），或者主動發送某一頻率的信號（ActiveTag，有源標簽或主動標簽）；解讀器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。
RFID(射頻識別)系統由兩部分組成：讀/寫單鬧型肢元和電子收發器。閱讀器通過天線發出電磁脈沖，收發器接收這些脈沖並發送已存儲的信息到閱讀器作為響應。實際上，這就是對存儲器的數據進行非接觸讀、寫或刪除處理。
從技術上來說，「智能標簽」包含了包括具有RFID射頻部分和一個超薄天線環路的RFID晶元的RFID電路，這個天線與一個塑料薄片一起嵌入到標簽內。通常，在這個標簽上還粘一個紙標簽，在紙標簽上可以清晰地印上一些重要信息。當前的智能租沒標簽一般為信用卡大小，對於小的貨物還有4.5×4.5cm尺寸的標簽，也有CD和DVD上用的直徑為4.7厘米的圓形標簽。
與像條形碼或磁條等其他ID技術相比較而言，收發器技術的優勢在於閱讀器和收發器之間的無線鏈接：讀/寫單元不需要與收發器之間的可視接觸，因此可以完全集成到產品裡面。這意味著收發器適合於惡劣的環境，收發器對潮濕、骯臟和機械影響不敏感。因此，收發器系統具有非常高的讀可靠性、快速數據獲取，最後一點也是重要的一點就是節省勞力和紙張。

4. RFID讀寫器的工作原理

RFID的工作孫豎原理是：

標簽進入磁場後，如果接收到閱讀器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元中的產品信息（即Passive Tag，無源標簽或被動標簽）。

或者主動發送某一頻率的信號（即Active Tag，有源標簽或主動標簽），閱讀器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。

RFID的應用非常廣泛，目前典型應用有會員卡、公交卡、動物管理、食品葯品防偽溯源、停車場及高速收費、門禁考勤、電力設備資產巡檢、生產線自動化、物料管理等。

(4)rfid電路擴展閱讀：

射頻識別技術依據其標簽的供電方式可分為三類，即無源RFID，有源RFID，與半有源RFID。

1、無源RFID。

在三類RFID產品中，無源RFID出現時間最早，最成熟，其應用也最為廣泛。在無源RFID中，電子標簽通過接受射頻識別閱讀器傳輸來的微波信號，以及通過電磁感應線圈獲取能量來對自身短暫供電，從而完成此次信息交換。

2、有源RFID。

有源RFID興起的時間不長，但已在各個領域，尤其是在高速公路電子不停車收費系統中發揮則搏大著不可或缺的作用。有源RFID通過外接電源供電，主動向射頻識別閱讀器發送信號。

3、半有源RFID。

無源銀肢RFID自身不供電，但有效識別距離太短。有源RFID識別距離足夠長，但需外接電源，體積較大。而半有源RFID就是為這一矛盾而妥協的產物。半有源RFID又叫做低頻激活觸發技術。在通常情況下，半有源RFID產品處於休眠狀態，僅對標簽中保持數據的部分進行供電，因此耗電量較小，可維持較長時間。