rfid电路

1. RFID电子标签电路组成及原理

一个完整超高频无源RFID标签由天线和标签芯片两部分组成，其中，标签芯片一般包括以下几部分电路：
- 电源恢复电路
- 电源稳压电路
- 反向散射调制电路
- 解调电路
- 时钟恢复/产生电路
- 启动信号产生电路
- 参考源产生电路
- 控制单元
- 存储器
电源恢复电路

电源恢复电路将RFID标签天线所接收到的超高频信号通过整流、升压等方式转换为直流电压，为芯片工作提供能量。
电源恢复电路具有多种可行的电路结构。如图2所示是目前常用的几种电源恢复电路[3][4]。
在这些电源恢复电路中，并不存在最理想的电路结构，每种电路都有各自的优点及缺陷[3]。在不同的负载情况、不同的输入电压情况、不同的输出电压要求以及可用的工艺条件下，需要选择不同的电路以使其达到最优的性能。图2(a)所示的多级二极管倍压电路，一般采用肖特基势垒二极管。它具有倍压效率高、输入信号幅度小的优点，应用十分广泛[5]。但是，一般代工厂的普通CMOS工艺不提供肖特基势垒二极管，在工艺的选择上会给设计者带来麻烦。图2(b)是用接成二极管形式的PMOS管来代替肖特基二极管，避免了工艺上的特殊要求。这种结构的倍压电路需要有较高的输入信号幅度，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倍压电路相比，倍压效果更好，但引入了更多的二极管元件，功率转换效率一般略低于Dickson倍压电路。另外，由于它的天线输入端与芯片地分离，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相互影响，适合于与对称天线（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管解决方案[4]。在工艺受限的情况下，可以获得较好的功率转换效率，并且对输入信号幅度的要求也相对较低[3]。 在一般的无源UHF RFID标签的应用中，出于成本的考虑，希望芯片电路适合于普通CMOS工艺的制造。而远距离读写的要求对电源恢复电路的功率转换效率提出了较高的要求。为此，很多设计者采用标准CMOS工艺来实现肖特基势垒二极管[6]，从而可以方便地采用多级Dickson倍压电路结构来提高电源转换的性能[3]。图3所示是普通CMOS工艺制造的肖特基二极管结构示意图。在设计中，不需要更改工艺步骤和掩膜板生成规则，只需在版图上作一些修改，就可以制作出肖特基二极管。
图4所示是在UMC 0.18um CMOS工艺下设计的几种肖特基二极管的版图。它们的直流特性测试曲线如图5所示。从直流特性的测试结果上可以看到，标准CMOS工艺制造的肖特基二极管具有典型的二极管特性，并且开启电压只有0.2V左右，非常适合应用于RFID标签。

3 电源稳压电路

在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能保证输出的直流电源电压不超过芯片所能承受的最高电压；同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量的小，以减小芯片的总功耗。
从稳压原理上看，稳压电路结构可以分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种。并联式稳压电路的基本原理如图6所示。
在RFID标签芯片中，需要有一个较大电容值的储能电容存储足够的电荷以供标签在接收调制信号时，仍可在输入能量较小的时刻（例如OOK调制中无载波发出的时刻），维持芯片的电源电压。如果输入能量过高，电源电压升高到一定程度，稳压电路中电压感应器将控制泄流源将储能电容上的多余电荷释放掉，以此达到稳压的目的。图7是其中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，控制泄流管M1的栅极电压。当电源电压超过三个二极管开启电压之和后，M1栅极电压升高，M1导通，开始对储能电容C1放电。
另外一类稳压电路的原理则是采用串联式的稳压方案。它的原理图如图8所示。基准电压源是被设计成一个与电源电压无关的参考源。输出电源电压经电阻分压后与基准电压相比较，通过运算放大器放大其差值来控制M1管的栅极电位，使得输出电压与参考源基本保持相同的稳定状态。
这种串联型稳压电路可以输出较为准确的电源电压，但是由于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管上的压降会造成较高的功耗损失。因此，这种电路结构一般应用于功耗较小的标签电路中。

4 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，目前大部分无源RFID标签均采用了ASK调制。对于标签芯片的ASK解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式，如图9所示[1]。
包络检波部分与电源恢复部分的倍压电路基本相同，但是不必提供大的负载电流。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降低，从而使得后面的比较器电路判断出调制信号。由于输入射频信号的能量变化范围较大，泄流源的电流大小必须能够动态的进行调整，以适应近场、远场不同场强的变化。例如，如果泄流电源的电流较小，在场强较弱时，可以满足比较器的需要，但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产生较大的幅度变化，后级比较器无法正常工作。
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，形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，此时输入功率与在M1上消耗的功率相平衡；当输入载波受调制后，芯片输入能量减小，而此时由于延时电路R1、C1的作用，M1的栅极电位仍然保持在原有电平上，M1上泄放的电流仍保持不变，这就使得包络输出信号幅度迅速减小；同样，在载波恢复后，R1和C1的延时使得包络输出可以迅速回复到原有高电平。采用这种电路结构，并通过合理选择R1、C1的大小以及M1的尺寸，即可满足在不同场强下解调的需要。
包络输出后面所接的比较器电路也有多种可以选择的方案，常用的有迟滞比较器、运算放大器等。也可以简化为用反相器来实现。

B．调制电路
无源UHF RFID标签一般采用反向散射的调制方法，即通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。一般设计天线阻抗与芯片输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配，而在调制时，使其反射系数增加。常用的反向散射方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，调制信号通过控制开关的开启，决定了电容是否接入芯片输入端，从而改变了芯片的输入阻抗。 5 启动信号产生电路

电源启动复位信号产生电路在RFID标签中的作用是在电源恢复完成后，为数字电路的启动工作提供复位信号。它的设计必须要考虑以下几点问题[7]：
- 如果电源电压上升时间过长，会使得复位信号的高电平幅度较低，达不到数字电路复位的需要；
- 启动信号产生电路对电源的波动比较敏感，有可能因此产生误动作；
- 静态功耗必须尽可能的低。
通常，无源RFID标签进入场区后，电源电压上升的时间并不确定，有可能很长。这就要求设计的启动信号产生电路产生启动信号的时刻与电源电压相关。图12所示是一种常见的启动信号产生电路[8]。
它的基本原理是利用电阻R0和NMOS管M1组成的支路产生一个相对固定的电压Va，当电源电压vdd超过NMOS管的阈值电压后，Va电压基本保持不变。随着vdd的继续升高，当电源电压达到Va＋|Vtp|时，PMOS管M0导通使得Vb升高，而此前由于M0截止，Vb一直处于低电平。
这种电路的主要问题是存在着静态功耗。并且由于CMOS工艺下MOS管的阈值电压随工艺的变化比较大，容易受工艺偏差的影响。因此，利用pn结二极管作启动电压的产生会大大减小工艺的不确定性，如图13所示。
当VDD上升到两个pn结二极管的开启电压之前，PMOS管M0栅极与电源电压相等，PMOS管关断，此时电容C1上的电压为低电平。当VDD 上升到超过两个二极管阈值电压后，M0开始导通，而M1栅极电压保持不变，流过M1的电流保持不变，电容C1上电压逐渐升高，当其升高到反相器发生翻转后，就产生了启动信号。因此，这种电路产生启动信号的时间取决于电源电压是否达到两个二极管的阈值电压，具有较高的稳定性，避免了一般启动电路在电源电压上升过慢时，会导致开启信号出现过早的问题。
如果电源电压上升的时间过快，电阻R1和M0的栅电容构成了低通延时电路，会使得M0的栅极电压不能迅速跟上电源电压的变化，仍然维持在低电平上，这时M0就会对电容C1充电，导致电路不能正确工作。为解决这一问题，引入电容C5。如果电源电压上升速度很快，电容C5的耦合作用能够使得M0的栅极电位保持与电源电压一致，避免了上述问题的发生。
该电路仍然存在的静态功耗的问题，可以通过增大电阻值，合理选择MOS管尺寸来降低静态功耗的影响。要想完全解决静态功耗的问题则需要设计额外的反馈控制电路，在启动信号产生后关断这部分电路。但是，需要特别注意引入反馈后产生的不稳定态的问题[7]。

2. RFID工作原理

射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
射频的话，一虚好般是微波，1-100GHz，适用于短距离识别通信。
RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。
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RFID的工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信耐誉大息（即Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（昌竖即Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

3. RFID的组成结构包括哪些

标签、阅读器、天线。
标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，高容量电子标签有用户可写入的存储空间，附着在物体上标识目标对象；
阅读器：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
天线：在标签和读取器间传递射频信号。
RFID射频识别是一种非接液世触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID电子标签是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。”
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
RFID(射频识别)系统由两部分组成：读/写单闹型肢元和电子收发器。阅读器通过天线发出电磁脉冲，收发器接收这些脉冲并发送已存储的信息到阅读器作为响应。实际上，这就是对存储器的数据进行非接触读、写或删除处理。
从技术上来说，“智能标签”包含了包括具有RFID射频部分和一个超薄天线环路的RFID芯片的RFID电路，这个天线与一个塑料薄片一起嵌入到标签内。通常，在这个标签上还粘一个纸标签，在纸标签上可以清晰地印上一些重要信息。当前的智能租没标签一般为信用卡大小，对于小的货物还有4.5×4.5cm尺寸的标签，也有CD和DVD上用的直径为4.7厘米的圆形标签。
与像条形码或磁条等其他ID技术相比较而言，收发器技术的优势在于阅读器和收发器之间的无线链接：读/写单元不需要与收发器之间的可视接触，因此可以完全集成到产品里面。这意味着收发器适合于恶劣的环境，收发器对潮湿、肮脏和机械影响不敏感。因此，收发器系统具有非常高的读可靠性、快速数据获取，最后一点也是重要的一点就是节省劳力和纸张。

4. RFID读写器的工作原理

RFID的工作孙竖原理是：

标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag，无源标签或被动标签）。

或者主动发送某一频率的信号（即Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有会员卡、公交卡、动物管理、食品药品防伪溯源、停车场及高速收费、门禁考勤、电力设备资产巡检、生产线自动化、物料管理等。

(4)rfid电路扩展阅读：

射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类，即无源RFID，有源RFID，与半有源RFID。

1、无源RFID。

在三类RFID产品中，无源RFID出现时间最早，最成熟，其应用也最为广泛。在无源RFID中，电子标签通过接受射频识别阅读器传输来的微波信号，以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，从而完成此次信息交换。

2、有源RFID。

有源RFID兴起的时间不长，但已在各个领域，尤其是在高速公路电子不停车收费系统中发挥则搏大着不可或缺的作用。有源RFID通过外接电源供电，主动向射频识别阅读器发送信号。

3、半有源RFID。

无源银肢RFID自身不供电，但有效识别距离太短。有源RFID识别距离足够长，但需外接电源，体积较大。而半有源RFID就是为这一矛盾而妥协的产物。半有源RFID又叫做低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。