0 引言

    近年來物聯(lián)網(wǎng)是人們普遍關(guān)注的一項新技術(shù)，射頻識別技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個關(guān)鍵技術(shù)，得到迅速的發(fā)展。目前在實際應(yīng)用中的電子標(biāo)簽大多基于單頻段的RFID技術(shù)，不能滿足遠近系統(tǒng)精準(zhǔn)化的管理以及其他業(yè)務(wù)需求^[1]。有些公司提出把兩個單頻的電子標(biāo)簽復(fù)合在一起組成一個雙頻的電子標(biāo)簽，雖然在一定程度上滿足了業(yè)務(wù)需求，但兩個單頻的標(biāo)簽相互獨立，使用起來不方便。本文提出一種集成的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片，可以把兩個或多個頻段的電子標(biāo)簽集成在一顆芯片里，使兩個頻段共用芯片的電源、中央控制邏輯電路和存儲器，實現(xiàn)兩個頻段的相互協(xié)調(diào)工作，避免兩個頻段同時工作產(chǎn)生電源沖突和讀寫存儲器的沖突問題。

1 現(xiàn)有的雙頻RFID標(biāo)簽解決方案

    針對現(xiàn)有的單頻段RFID電子標(biāo)簽不能同時滿足遠近距離、高速識別、高穿透力的應(yīng)用需求，行業(yè)提出一種復(fù)合的雙頻RFID電子標(biāo)簽，如圖1所示，復(fù)合的電子標(biāo)簽包括兩個部分：第一頻段的電子標(biāo)簽和第二頻段的電子標(biāo)簽，兩個頻段的標(biāo)簽相互獨立，它們有各自的芯片和天線，它們組合在一起封裝在一個裝配體（標(biāo)簽外殼）中形成一個雙頻段電子標(biāo)簽^[2]。雖然兩個頻段的標(biāo)簽相互獨立，但在實際應(yīng)用中它們的數(shù)據(jù)需要相互關(guān)聯(lián)或共享，就需要在兩個標(biāo)簽芯片中寫入相同的數(shù)據(jù)，比如TID和UID數(shù)據(jù)，即相同的數(shù)據(jù)需要寫兩遍。

2 本文提出的雙頻RFID標(biāo)簽芯片

2.1 本文提出的雙頻標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案

    圖2是本文提出的無源雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案。包括第一頻段的射頻前端電路模塊和第二頻段的射頻前端電路模塊、狀態(tài)檢測電路模塊、中央控制邏輯電路模塊、電源電路模塊、存儲器電路等。兩個射頻模塊分別處理兩個頻段射頻信號的接收、解調(diào)和發(fā)送。電源模塊把兩個射頻模塊接收的電能轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電源，為芯片的各模塊供電。狀態(tài)檢測模塊檢測兩個頻段射頻端口的激活狀態(tài)，識別出哪個頻段被激活，并把該頻段的激活狀態(tài)信息傳遞給中央控制邏輯電路模塊。中央控制邏輯電路模塊根據(jù)相關(guān)的RFID通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解析兩個射頻前端接收的指令并響應(yīng)指令、讀寫存儲器以及返回相關(guān)的數(shù)據(jù)，并依據(jù)兩個射頻端口的激活狀態(tài)指示信號確定兩個頻段讀寫存儲器的優(yōu)先次序。兩個頻段共用電源、存儲器、中央控制邏輯電路，可以使兩個頻段相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的共享，避免兩個頻段同時工作時出現(xiàn)電源電壓相互沖突問題和兩個頻段同時讀寫存儲器的沖突問題。

2.2 本文設(shè)計的LF+UHF雙頻標(biāo)簽芯片

    依據(jù)圖2所述的系統(tǒng)方案，本文設(shè)計了一款集成低頻段（LF）和超高頻段(UHF)的無源雙頻RFID標(biāo)簽芯片電路。低頻段遵守ISO 11784和ISO 11785協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，超高頻段遵守ISO 18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。芯片有低頻端口和超高頻端口，分別接低頻標(biāo)簽天線和超高頻標(biāo)簽天線，接收低頻和超高頻射頻信號。兩個射頻端口可單獨連接低頻或超高頻天線制成低頻或超高頻單頻段電子標(biāo)簽，也可以同時連接一個低頻天線和一個超高頻天線制成雙頻電子標(biāo)簽。當(dāng)該芯片制成雙頻電子標(biāo)簽時，在低頻和超高頻同時激活時，低頻工作優(yōu)先，芯片會自動切換到低頻工作模式；在只有一種低頻或超高頻單獨激活時，該電子標(biāo)簽芯片自動選擇相對應(yīng)頻段的工作模式。

芯片的低頻段和超高頻段共用存儲器，有相同的TID號，相同的數(shù)據(jù)只需寫一次即可，并且存儲用戶區(qū)的數(shù)據(jù)共享。

2.3 電源管理模塊

    在本文提出的雙頻RFID標(biāo)簽芯片方案中，解決兩個頻段同時工作時產(chǎn)生電源沖突和讀寫存儲器沖突問題的關(guān)鍵在于電源管理模塊。使用統(tǒng)一的電源供電和狀態(tài)檢測，使各種沖突問題迎刃而解。因此下面重點闡述雙頻RFID標(biāo)簽芯片的電源管理電路，對于單個頻段的射頻前端電路，在很多文獻中都有詳細描述，本文不再贅述。

    雙頻RFID標(biāo)簽芯片中，兩個頻段既可以單獨工作，也可以同時工作，因此芯片既可以由低頻端口的磁場供電，也可以由超高頻端口的電磁場供電，并且兩邊的供電壓都有較大的變化范圍。芯片電源管理電路的功能就是管理低頻和超高頻的供電電源，使它們對系統(tǒng)供電時不產(chǎn)生沖突。當(dāng)標(biāo)簽處于低頻磁場中，LF狀態(tài)檢測電路檢測低頻段的電壓，當(dāng)其達到設(shè)定的電壓閾值時就輸出低頻激活狀態(tài)信號，使數(shù)字電路切換到低頻工作模式，實現(xiàn)低頻工作優(yōu)先，解決兩個頻段同時讀存儲器的沖突問題。

2.3.1 UHF端的整流電路

    超高頻端的電源恢復(fù)電路采用電荷泵整流電路，如圖3所示。將從天線接收下來的UHF射頻信號恢復(fù)出直流電源VDU，為芯片的后續(xù)電路提供原始的電源。圖3中采用Dickson倍壓電路結(jié)構(gòu)^[3-4]，MOS管采用二極管接法。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如式(1)：

    式(1)中的N為倍壓電路的級數(shù)，V_th為MOS管的閾值電壓。電源轉(zhuǎn)換效率公式如式(2)：

    式(2)中I_in為輸入端的射頻信號瞬態(tài)電流，V_in為輸入端的射頻信號瞬態(tài)電壓，I_out為輸出端的直流電流，V_out為輸出端的直流電壓。

    式(1)中可以看出，隨著N的增大，輸出電壓會不斷增大，但在實際中由于MOS管存在寄生效應(yīng)和襯底效應(yīng)，電源的轉(zhuǎn)換效率隨著級數(shù)的增加會不斷降低，同時轉(zhuǎn)換效率與MOS管的寬度也存在一定的關(guān)系，所以需要在輸出電壓以及電源效率轉(zhuǎn)換間進行折中。通過對電路的優(yōu)化，最后采用6級倍壓結(jié)構(gòu)。

2.3.2 LF端的整流電路

    圖4是低頻端的整流電路，采用NMOS柵交叉連接全波橋式整流電路^[5]，把低頻射頻信號變成直流電源VDL，為芯片的后續(xù)電路提供原始的電源。此電路有一對二極管連接的NMOS管，電路從天線到負載電容有閾值電壓V_th的壓降，因此NMOS管應(yīng)選用低閾值的MOS管。

2.3.3 雙頻標(biāo)簽芯片的電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路

    經(jīng)過超高頻整流電路和低頻整流電路輸出的兩個電源VDU和VDL需要整合成一個電源為芯片供電，并且由于整流電路提供的輸出電壓隨環(huán)境因素變化，它還不能滿足為后續(xù)電路供電的要求，因此還需要一個電壓調(diào)節(jié)電路，提供一個較為穩(wěn)定的電壓，作為整個芯片電路的工作電壓。

    電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路如圖5所示。Pmos晶體管MP3作為電源整合開關(guān)，當(dāng)它截止時，由VDU為芯片供電，當(dāng)它導(dǎo)通時，把VDL連接到VDU，由VDL為芯片供電。為了防止MP3露電，需要把MP3的襯底連接VDU和VDL兩者中電壓較高的一個，因此MP1和MP2作為MP3的襯底電壓選擇開關(guān)，當(dāng)MP1導(dǎo)通MP2截止時，選擇VDU作為MP3的襯底電壓，反之則選擇VDL作為MP3的襯底電壓。反相器inv1、MN1、MN2、MP4、MP5作為電平轉(zhuǎn)換電路，對輸入信號LF_flag進行電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)超高頻端被激活而低頻端沒有被激活時，LF_flag為低電平，節(jié)點V1為高電平，V2為低電平，MP1導(dǎo)通，MP2和MP3截止，由VDU為芯片供電；當(dāng)超高頻端沒有被激活而低頻端被激活時，LF_flag為高電平，節(jié)點V1為低電平，V2為高電平，MP1截止，MP2和MP3導(dǎo)通，由VDL為芯片供電；當(dāng)超高頻端和低頻端同時被激活時，LF_flag為高電平，節(jié)點V1為低電平，V2為高電平，MP1截止，MP2和MP3導(dǎo)通，此時VDU和VDL同時為芯片供電，由于芯片設(shè)計成低頻工作優(yōu)先，因此此時的芯片工作在低頻優(yōu)先工作狀態(tài)。通過開關(guān)管MP3使VDU和VDL斷開，避免了低頻端的整流電源與超高頻端的整流電流直接連接在一起，有效地避免了因為低頻端口的低頻天線產(chǎn)生的干擾信號通過電源線流竄到超高頻端而導(dǎo)致超高頻端靈敏度下降的問題。

    經(jīng)過電源整合后的電源電壓還有很大的波動，為了防止電壓太高而損壞芯片，需要增加一個起電壓保護作用的泄流電路^[6]，當(dāng)電壓超過設(shè)定電壓時就泄放掉部分電荷，使電源電壓降。

    圖5中，基準(zhǔn)電壓源、運算放大器AMP1、PMOS晶體管MP6、R1和R2、電容CL構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)電路，其工作原理詳見文獻[7-8]?；鶞?zhǔn)電壓源是一個與電源電壓無關(guān)的參考源。輸出電源VDD電壓經(jīng)電阻R1和R2分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較，通過運算放大器AMP1放大其差值來控制MP6晶體管的柵極電壓，使得輸出電壓VDD與基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 芯片測試結(jié)果

    本文提出的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片電路基于某代工廠 0.18 μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計并流片。芯片的電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路的仿真結(jié)果如圖6所示，在500 μs之前電路由超高頻端供電，此時VDU供電電壓為2.2 V，VDD輸出電壓為1.18 V，LF_flag為低電平，VDL為低電壓，雖然VDL上有很大的干擾信號，但由于此時圖5中MP3晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，VDL與VDU斷開，VDL上的干擾信號對VDU沒有產(chǎn)生影響；在500 μs之后VDL電壓為2.7 V，LF_flag為高電平，此時由低頻端供電或者由低頻端和超高端同時供電，VDU的電壓取兩個輸入電壓的較高者。不管是由低頻端供電還是由超高頻端供電，VDD輸出穩(wěn)定的電壓為整個芯片電路供電。

    芯片的版圖如圖7所示，版圖面積為750×1 020 μm²，芯片設(shè)有4個PAD,分別是UHF的兩個射頻PAD和LF端的兩個射頻PAD。為了降低兩個頻段相互干擾，把兩個頻段的射頻電路分開，圖中左邊為低頻射頻電路，右邊為超高頻射頻電路和電源管理電路。中間的上部是存儲器，中間的下部是數(shù)字邏輯電路。

    圖8是由封裝后的芯片制成的雙頻標(biāo)簽測試樣品，UHF端連接半波偶極子天線，工作頻率為920~960 MHz；LF端連接低頻電感線圈天線，工作頻率為134.2 kHz。UHF端的靈敏度為-16 dBm，低頻端的讀標(biāo)簽距離為10 cm。標(biāo)簽在兩個頻段的靈敏度和識讀距離與業(yè)界的同類標(biāo)簽相近似。

4 結(jié)語

    本文提出的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案和電路結(jié)構(gòu)，解決了多頻段電子標(biāo)簽集成在一個芯片上相互沖突的問題，并且設(shè)計和流片了集成超高頻和低頻的雙頻電子標(biāo)簽芯片，通過測試驗證了芯片的各項功能和性能與業(yè)界的同類標(biāo)簽相近。

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作者信息：

孔令榮

（深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳518057）