基于ISO14443A协议的RFID芯片模拟前端设计

　　引言

　　RFID(射频识别)被广泛地应用在人们的日常生活中，如门禁、市民卡、机场、物流等领域。RFID芯片的需求量与日俱增，给低功耗、小面积的芯片设计带来了挑战。低功耗、小面积、低成本的RFID芯片在激烈的市场竞争中更有优势。本文给出的RFID芯片设计，从整个系统上对数字部分电路的功耗作了优化，并且对模拟电路部分作了一些改进，减小了芯片功耗和面积，从而降低了成本。该RFID芯片于2010年6月在SMIC 0.18 μm工艺下流片，工作情况良好。

　　1 RFID系统结构

　　图1为RFID系统结构框图。整个RFID系统包括读卡器、RFID芯片和耦合线圈。卡与读卡器通信过程中的能量和数据通过线圈耦合，当二者无数据交互时，读卡器向空间中发送13.56 MHz的正弦载波信号。卡靠近读卡器时，片外线圈会耦合空间中的磁场为RFID芯片提供能量，使模拟前端和其他部分上电，准备交互。RFID芯片接收到的数据是100%的幅度调制，采用改进型的曼彻斯特编码。RFID发送到读卡器的数据也采用幅度调制。

　　2 模拟前端结构

　　图2为模拟前端的结构框图，L为片外电感，C为片内电容，LC谐振在13.56 MHz。RFID读卡器通过线圈发送能量和数据，LC谐振回路接收读卡器发出的信号，并通过模拟前端电路提取出电源和数据，提供给整个芯片，以使卡与读卡器进行交互。

　　当RFID靠近读卡器时，整流器产生的电源电压被LC谐振电路提高，当电压提高的一定值时，限幅器工作，使电源电压被箝位并稳定在设定的值上，给其他模拟模块和数字部分供电。上电复位电路(POR)工作，给出复位信号，使数字部分复位。读卡器发出的数据是载波为13.56

　　MHz数据率为106 kb/s的100%幅度调制信号，通过解调器解调提供给数字部分处理。RFID通过调制器向读卡器发出载波为13.56 MHz数据率为847 kb/s的幅度调制信号。

　　3 模拟前端电路设计

　　3.1 电源产生

　　图3为电源产生电路，由整流器和限幅器组成。当卡与读卡器无数据交互时，读卡器向空间中发射13.56MHz的正弦交变电磁场。图3中L为片外电感，C为片内电容，LC匹配的谐振频率为13.56 MHz，C1为稳压储能电容。当卡由远及近靠近读卡器时，LC发生谐振，RF1和RF2上的电压被谐振电路抬高，整流器开始工作，将正弦交变电压转化为直流电压VDD。当空间中电磁场强度很弱时，VDD电压值较低，不能给芯片供电。随着卡靠近读卡器，LC耦合得到的能量变强，VDD升高到芯片工作所需要的额定电压，芯片开始工作。但是，若卡继续靠近读卡器，VDD会继续上升，上升到超过MOS的击穿电压时芯片内的器件会被烧坏而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD稳定在芯片工作的额定电压，这里设定的是2V。