技术
2.3.3 双频标签芯片的电源整合及电压调节电路
经过超高频整流电路和低频整流电路输出的两个电源VDU和VDL需要整合成一个电源为芯片供电，并且由于整流电路提供的输出电压随环境因素变化，它还不能满足为后续电路供电的要求，因此还需要一个电压调节电路，提供一个较为稳定的电压，作为整个芯片电路的工作电压。
电源整合及电压调节电路如图5所示。Pmos晶体管MP3作为电源整合开关，当它截止时，由VDU为芯片供电，当它导通时，把VDL连接到VDU，由VDL为芯片供电。为了防止MP3露电，需要把MP3的衬底连接VDU和VDL两者中电压较高的一个，因此MP1和MP2作为MP3的衬底电压选择开关，当MP1导通MP2截止时，选择VDU作为MP3的衬底电压，反之则选择VDL作为MP3的衬底电压。反相器inv1、MN1、MN2、MP4、MP5作为电平转换电路，对输入信号LF_flag进行电平转换。当超高频端被激活而低频端没有被激活时，LF_flag为低电平，节点V1为高电平，V2为低电平，MP1导通，MP2和MP3截止，由VDU为芯片供电；当超高频端没有被激活而低频端被激活时，LF_flag为高电平，节点V1为低电平，V2为高电平，MP1截止，MP2和MP3导通，由VDL为芯片供电；当超高频端和低频端同时被激活时，LF_flag为高电平，节点V1为低电平，V2为高电平，MP1截止，MP2和MP3导通，此时VDU和VDL同时为芯片供电，由于芯片设计成低频工作优先，因此此时的芯片工作在低频优先工作状态。通过开关管MP3使VDU和VDL断开，避免了低频端的整流电源与超高频端的整流电流直接连接在一起，有效地避免了因为低频端口的低频天线产生的干扰信号通过电源线流窜到超高频端而导致超高频端灵敏度下降的问题。
经过电源整合后的电源电压还有很大的波动，为了防止电压太高而损坏芯片，需要增加一个起电压保护作用的泄流电路[6]，当电压超过设定电压时就泄放掉部分电荷，使电源电压降。
图5中，基准电压源、运算放大器AMP1、PMOS晶体管MP6、R1和R2、电容CL构成电压调节电路，其工作原理详见文献[7-8]。基准电压源是一个与电源电压无关的参考源。输出电源VDD电压经电阻R1和R2分压后与基准电压相比较，通过运算放大器AMP1放大其差值来控制MP6晶体管的栅极电压，使得输出电压VDD与基准电压源的输出电压保持相对稳定的状态。
3 芯片测试结果
本文提出的双频RFID电子标签芯片电路基于某代工厂 0.18 μm的标准CMOS工艺设计并流片。芯片的电源整合及电压调节电路的仿真结果如图6所示，在500 μs之前电路由超高频端供电，此时VDU供电电压为2.2 V，VDD输出电压为1.18 V，LF_flag为低电平，VDL为低电压，虽然VDL上有很大的干扰信号，但由于此时图5中MP3晶体管处于截止状态，VDL与VDU断开，VDL上的干扰信号对VDU没有产生影响；在500 μs之后VDL电压为2.7 V，LF_flag为高电平，此时由低频端供电或者由低频端和超高端同时供电，VDU的电压取两个输入电压的较高者。不管是由低频端供电还是由超高频端供电，VDD输出稳定的电压为整个芯片电路供电。
芯片的版图如图7所示，版图面积为750×1 020 μm2，芯片设有4个PAD,分别是UHF的两个射频PAD和LF端的两个射频PAD。为了降低两个频段相互干扰，把两个频段的射频电路分开，图中左边为低频射频电路，右边为超高频射频电路和电源管理电路。中间的上部是存储器，中间的下部是数字逻辑电路。
图8是由封装后的芯片制成的双频标签测试样品，UHF端连接半波偶极子天线，工作频率为920~960 MHz；LF端连接低频电感线圈天线，工作频率为134.2 kHz。UHF端的灵敏度为-16 dBm，低频端的读标签距离为10 cm。标签在两个频段的灵敏度和识读距离与业界的同类标签相近似。
4 结语
本文提出的双频RFID电子标签芯片系统方案和电路结构，解决了多频段电子标签集成在一个芯片上相互冲突的问题，并且设计和流片了集成超高频和低频的双频电子标签芯片，通过测试验证了芯片的各项功能和性能与业界的同类标签相近。
参考文献
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