一種用于RFID標(biāo)簽帶溫度補(bǔ)償?shù)碾娮蛹夹g(shù)分析

1、一種用于RFID標(biāo)簽帶溫度補(bǔ)償?shù)碾娮蛹夹g(shù)分析0 引 言射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)具有識(shí)讀距離遠(yuǎn)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸開始在供應(yīng)鏈、物流、倉儲(chǔ)管理及物品跟蹤等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用【1】。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻電子標(biāo)簽中的高精度時(shí)鐘電路有著重要意義。傳統(tǒng)的分立元件電路的時(shí)鐘參考是石英晶體振蕩器，它的性能非常穩(wěn)定， 振蕩頻率幾乎不隨電源電壓、溫度和工藝的變化。但是它不能集成在芯片系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致整體成本也隨之增加，一款可集成于芯片內(nèi)部、成本低廉的高性能時(shí)鐘參考電路的挑戰(zhàn)正在于此。常用的片上時(shí)鐘發(fā)生器有環(huán)形振蕩器和張弛振蕩器兩種振蕩結(jié)構(gòu)。環(huán)形振蕩器是由奇數(shù)個(gè)CMOS反相器級(jí)聯(lián)而成的，每級(jí)反相器都帶一個(gè)負(fù)載電

2、容，振蕩周期是電源到電容進(jìn)行充電的上升過程和電容到地進(jìn)行放電的下降過程共同決定【2】。張弛振蕩器較環(huán)形振蕩器雖然在穩(wěn)定性上有所提升【3】，但是他們的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都對(duì)電源電壓有較大的依賴性，且受溫度影響嚴(yán)重，不利于實(shí)現(xiàn)高性能芯片的整體設(shè)計(jì)。本文采用雙電容張弛振蕩結(jié)構(gòu)【4】，較標(biāo)準(zhǔn)的張弛振蕩器有較大改進(jìn)，對(duì)基準(zhǔn)電壓和調(diào)整電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使電路的時(shí)鐘輸出頻率與工作電壓和偏置電流不相關(guān)，從而抑制了電源的波動(dòng)和偏差。1 電路設(shè)計(jì)與原理分析1.1 振蕩器的基本原理本文采用的振蕩器電路的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1的振蕩電路中，兩個(gè)比較器和SR鎖存器形成了整個(gè)電路的振蕩機(jī)制。基準(zhǔn)電壓源不僅能為電容在充放電過程中

3、的電壓比較提供一個(gè)高精度的參考【5】，同時(shí)通過一個(gè)電壓電流轉(zhuǎn)換電路，還能夠?yàn)殡娙萏峁┏浞烹婋娏?。電路的大致工作過程如下：假設(shè)在初始狀態(tài)下， 鎖存器輸出端為高電平，為低電平。反相器B的NMOS導(dǎo)通，電容上的電荷很快完成放電，此時(shí)反相器A的PMOS管導(dǎo)通，流過PMOS管的電流對(duì)進(jìn)行充電。當(dāng)時(shí)，比較器A輸出高電平，通過反相器的緩沖作用，鎖存器端為低電平，端為高電平。接下來的和的過程剛好相反，直至回到起始狀態(tài)完成一次循環(huán)，即一個(gè)周期。則在理想情況下的周期表達(dá)式為【6】： （1）式中：為反相器對(duì)電容的充電電流。由式（1）可以看出，高精度的參考電壓和電容充電電流對(duì)振蕩器的輸出頻率至關(guān)重要。圖1 振蕩器的電

4、路結(jié)構(gòu)1.2 基準(zhǔn)電壓源與溫度關(guān)系很小的電壓和電流基準(zhǔn)被證實(shí)在許多模擬電路中是必不可少的，也是本電路模塊中的重要組成部分，它的精度將直接影響最終的振蕩頻率。在實(shí)際電路中，假設(shè)有相反溫度系數(shù)的兩個(gè)電壓和把它們隨溫度的變化量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，使得，這樣就可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，從而得到如圖2所示的示意圖。圖2 正負(fù)溫度系數(shù)加權(quán)的電壓通過分析可知： （2）雙極型晶體管的BE結(jié)具有負(fù)的溫度系數(shù)，根據(jù)其中為少數(shù)載流子的遷移率，為本征載流子濃度，這些參數(shù)與溫度的關(guān)系可以表示為且可以得出溫度系數(shù)的表達(dá)式： （3）從上式可以看出，與自身有關(guān)，當(dāng)≈750 mV時(shí)，mV/K。要維持輸出電壓的恒定

5、，需要產(chǎn)生一個(gè)PATA電流，使分擔(dān)的電壓改變量彌補(bǔ)晶體管 BE結(jié)電壓的改變量。設(shè)計(jì)出完整的基準(zhǔn)源電路圖，其中電阻使用的電阻，如圖3所示， 可以得到輸出的參考電壓的表達(dá)式，其中為與發(fā)射結(jié)的面積比【7】。 （4）圖3 基準(zhǔn)電壓源電路圖1.3 比較器設(shè)計(jì)由于本文設(shè)計(jì)的比較器是一個(gè)開環(huán)電壓比較系統(tǒng)，所以不必考慮其穩(wěn)定性問題，但是要求其靈敏度高、反應(yīng)速度快、擺率大。如圖4所示。圖4 比較器電路圖其中反應(yīng)速度和輸入信號(hào)差的絕對(duì)值有關(guān)，絕對(duì)值越大，反應(yīng)速度越快，而且還與偏置電壓有關(guān)，較低時(shí)，差分對(duì)管流過的電流較小，后級(jí)輸出響應(yīng)慢，比較器的反應(yīng)速度也就很慢；反之，比較器的速度會(huì)有大幅提升，但是功耗也隨之增加，

6、這里需要在速度和功耗之間進(jìn)行折中。2 仿真結(jié)果分析2.1 基準(zhǔn)源的仿真驗(yàn)證根據(jù)TSMC 0.18 m工藝以及本電路的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)輸出為1 V的參考電壓。室溫條件下時(shí)，實(shí)際的輸出電壓為1.013 7 V。由于在對(duì)本電路的分析中，并沒有考慮電阻受溫度的影響，在實(shí)際仿真過程中，采用的是rphpoly（P型高摻雜多晶硅）電阻，加入了電阻對(duì)輸出電壓的補(bǔ)償，從而更進(jìn)一步提高了參考電壓的精度。如圖5所示，從輸出結(jié)果上看，輸出參考電壓在隨溫度變化（-25100 ）的過程中，出現(xiàn)了一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，峰峰值僅為0.3 mV，計(jì)算出的溫漂系數(shù)也僅為2.49 ppm，已經(jīng)具備相當(dāng)高的精度。圖5 基準(zhǔn)電壓的溫度特性

7、曲線2.2 振蕩器的仿真驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的振蕩器的充放電電流來源于基準(zhǔn)電壓源，從而對(duì)溫度也不敏感，保證了振蕩頻率的穩(wěn)定性。圖6的仿真結(jié)果為振蕩器輸出的波形，鋸齒波則為電容充放電的過程，可以看到鋸齒波之間有一段與鋸齒部分時(shí)間相等的低電平，這段時(shí)間則為電容充放電的過程。由于和的交替作用，所以得到的脈沖波占空比為50%，從圖上也可以看出方波的周期大概為0.5 s，與設(shè)計(jì)的振蕩頻率為1.92 MHz也相吻合。圖7為振蕩器輸出的振蕩頻率隨溫度變化的關(guān)系曲線，在較高和較低溫度時(shí)頻率較中心頻率略低，經(jīng)計(jì)算，其頻率的最大偏差小于0.75%，溫漂系數(shù)為119 ppm。并在此基礎(chǔ)上，完成整體電路圖的版圖，如圖8所示。

8、3 結(jié) 論通過理論分析和最終的仿真結(jié)果表明，振蕩器頻率受溫度的影響占主導(dǎo)因素。在對(duì)電路進(jìn)行多次溫度補(bǔ)償以后，明顯降低了溫漂系數(shù)。事實(shí)發(fā)現(xiàn)，通過反相器的交叉耦合作用，在不降低振蕩器頻率精度的情況下，可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于不需要片外電容，從而便于集成。圖6 振蕩器的輸出波形圖7 振蕩頻率的溫度特性曲線圖8 整體電路版圖參考文獻(xiàn)【1】 劉偉峰.一種用于UHF RFID標(biāo)簽的高穩(wěn)定度時(shí)鐘電路.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：71?76.【2】 胡二虎，汪東旭.一種頻率穩(wěn)定的集成CMOS環(huán)形振蕩器.微電子學(xué)，2003（3）：259?261.【3】 劉斯琳，魏廷存，李丹.一種高頻高精度窗口比較式CMOS振蕩器的設(shè)計(jì).微電子學(xué)，2006（2）：217?219.【4】 徐海峰，王春鍇，邵丙銑.適用于RFID芯片的CMOS振蕩器.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008，25（4）：124?127.【5】 梁珣，黃顯核，樊燕紅，等.一種新的適于集成的模擬溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的設(shè)計(jì).電子器件，2005，28（3）：486?488.【6】 FLYNN M P，LIDHOLM S U. A 1.2 m CMOS c