RFID(射頻識別)被廣泛地應用在人們的日常生活中，如門禁、市民卡、機場、物流等領域。RFID芯片的需求量與日俱增，給低功耗、小面積的芯片設計帶來了挑戰。低功耗、小面積、低成本的RFID芯片在激烈的市場競爭中更有優勢。本文給出的RFID芯片設計，從整個系統上對數字部分電路的功耗作了優化，并且對模擬電路部分作了一些改進，減小了芯片功耗和面積，從而降低了成本。該RFID芯片于2010年6月在SMIC 0．18 μm工藝下流片，工作情況良好。
1 RFID系統結構
圖1為RFID系統結構框圖。整個RFID系統包括讀卡器、RFID芯片和耦合線圈。卡與讀卡器通信過程中的能量和數據通過線圈耦合，當二者無數據交互時，讀卡器向空間中發送13．56 MHz的正弦載波信號。卡靠近讀卡器時，片外線圈會耦合空間中的磁場為RFID芯片提供能量，使模擬前端和其他部分上電，準備交互。RFID芯片接收到的數據是100％的幅度調制，采用改進型的曼徹斯特編碼。RFID發送到讀卡器的數據也采用幅度調制。
2 模擬前端結構
圖2為模擬前端的結構框圖，L為片外電感，C為片內電容，LC諧振在13．56 MHz。RFID讀卡器通過線圈發送能量和數據，LC諧振回路接收讀卡器發出的信號，并通過模擬前端電路提取出電源和數據，提供給整個芯片，以使卡與讀卡器進行交互。
當RFID靠近讀卡器時，整流器產生的電源電壓被LC諧振電路提高，當電壓提高的一定值時，限幅器工作，使電源電壓被箝位并穩定在設定的值上，給其他模擬模塊和數字部分供電。上電復位電路(POR)工作，給出復位信號，使數字部分復位。讀卡器發出的數據是載波為13．56
MHz數據率為106 kb／s的100％幅度調制信號，通過解調器解調提供給數字部分處理。RFID通過調制器向讀卡器發出載波為13．56 MHz數據率為847 kb／s的幅度調制信號。
3 模擬前端電路設計
3．1 電源產生
圖3為電源產生電路，由整流器和限幅器組成。當卡與讀卡器無數據交互時，讀卡器向空間中發射13．56MHz的正弦交變電磁場。圖3中L為片外電感，C為片內電容，LC匹配的諧振頻率為13．56 MHz，C1為穩壓儲能電容。當卡由遠及近靠近讀卡器時，LC發生諧振，RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高，整流器開始工作，將正弦交變電壓轉化為直流電壓VDD。當空間中電磁場強度很弱時，VDD電壓值較低，不能給芯片供電。隨著卡靠近讀卡器，LC耦合得到的能量變強，VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓，芯片開始工作。但是，若卡繼續靠近讀卡器，VDD會繼續上升，上升到超過MOS的擊穿電壓時芯片內的器件會被燒壞而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD穩定在芯片工作的額定電壓，這里設定的是2V。
限幅器的設計需要滿足兩點要求：第一，可精確調節；第二，高增益。正常情況下讀卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器泄放掉。隨著卡靠近讀卡器，RF1和RF2的電壓升高，VDD和Vdect跟隨RF1、RF2上升，當：
VDD≈V_dect=3VthpVREF (1)
此時，M61、M62、M63組成的支路導通，M51的尺寸遠大于M52的尺寸，二者構成的反相器翻轉閾值為V_dect—Vthp，當M61所在支路導通時，M51和M52構成的反相器翻轉，X輸出高電壓，使M7打開，RF1和RF2通過M31、M32泄流，從而電壓VDD被箝位穩定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的靈敏度提高，當VDD恰好達到式(1)時，限幅器就開始泄流穩壓，使VDD不隨讀卡器能量的變化而變化，以及不隨負載的變化而變化。高增益的限幅器可以看作理想的穩壓二極管。由式(1)可知，只需調節VREF即可得到精確的想要的VDD，例如Vthp=0．4 V，需要VDD=2 V，只需設定VREF=0．8 V即可。此處設計的限幅器可以看作電壓可精確調節的理想穩壓二極管。
3．2 數據接收
圖4為數據接收電路，即解調電路。讀卡器向卡發送的數據是載波為13．56 MHz、數據率為106 kb／s的100％的幅度調制信號，波形可以看作106 kHz的方波與13．56 MHz的正弦波的乘積。數據解調的原理是：當RF1電壓為正弦波時(即有效數據1部分)，電壓信號由D0、I0、C1、C2構成的包絡檢波整形。在A點得到直流電壓為VREF6并帶有一定紋波的電壓信號，紋波的大小由C1、C2、I0的大小決定。選取REF6=0．6 V，VREF3=0．3 V，比較器輸出高電壓。當RF1電壓由正弦變為0(有效數據0部分)時，由于A點信號反應速度高于放大器帶寬，包絡檢波的A點電壓迅速降低，使VA
由于工藝與溫度的偏差，導致I0、C1、C2的值發生變化，A點的紋波大小會發生變化。在RF1為正弦波，也就是數據為1的時候，若A點的紋波大于2(VREF6～VREF3)，數據解調將發生錯誤。比較器在有效數據為1時應輸出高電壓，但是由于A點電壓紋波過大導致比較器輸出在數據為1輸出13．56 MHz的方波，解調失敗。可以通過提高VREF6的值，從而提高A點紋波的容忍度，來解決這個問題。但是若A點電壓過高，使A點反應速度低于放大器帶寬，數據由1變為0時，A點不能迅速作出反應，產生低電壓，所以不能解調出數據0。所以VREF6的值的選取需要適中，最好可以由系統動態配置。
3．3 數據發送
圖5為數據發送電路，即調制電路。卡發送到讀卡器的是載波為13．56MHz，數據率為847kb／s的幅度調制信號。此電路的原理是采用負載調制的方法達到協議要求的幅度調制的目的。當不需要發送數據時，數據線為0，RF1、RF2為13．56MHz的載波。需要發送數據時，數據線為847 kHz米勒編碼的方波。當數據為0時，RF1、RF2上的正弦電壓幅值較大。當數據為1時，M1打開，將RF1、RF2上的電壓拉低，即RF1、RF2上正弦信號的幅值變低，數據的變化會導致RF1、RF2上載波幅值變化，從而完成數據的發送。
卡向讀卡器發送數據時，系統上作出了優化，使模擬電路的設計變得簡單可靠。當發送數據1時，由線圈耦合過來的能量大部分由M1釋放，從而導致用于芯片正常工作的能量變少，使芯片不能正常工作，交互失敗。所以，當向外發送數據時，軟件使芯片內部嵌入的8051處理器進入休眠模式，降低整個芯片的功耗，從而使芯片安全渡過電源不足的階段。
4 仿真與測試
圖6為仿真結果，卡與讀卡器的交互分為3個階段：
①二者無數據交互，此時卡開始上電或者處理接收到的數據，此時電源電壓穩定；
②接收數據，線圈發出的上是100％的幅度調制信號，DATA_IN為解調后的數據；
③發送數據，卡產生的DATA_OUT是847 kHz的方波，對線圈上的電壓進行負載調制，調制后線圈上的電壓信號是幅度調制信號，這些信號會被讀卡器耦合并解調。
在整個交互過程中電源電壓保持穩定。測試結果與仿真結果基本一致。
結語
本文討論了RFID芯片模擬前端的實現方法，在電源產生、數據收發方面采用了新技術，并且從整個系統上作了優化，簡化了模擬前端的設計，使整個系統更可靠。該芯片已通過小額支付與門禁系統的實驗室測試，其對惡劣外界干擾的抵御能力需要進一步測試與改進。