一种用于无源RFID的新型低压低功耗振荡器

陈迪平　杨翠灵　董刚　秦鹏举　曾健平

摘   要：采用中芯国际180 nm混合信号工艺，设计了一种新型低压低功耗环形振荡器.基于反馈理论，采用放大器完成从电源电压到环振工作电压的降压稳压转换，实现环振工作电压稳定性优化，同时降低其功耗;环振输出经幅度变换电路，实现高摆幅振荡信号输出;振荡器工作频率电流受控，抑制了电源噪声，降低了电源电压波动对输出频率的影响.结果表明，1 V电源电压下，输出频率2.737 MHz，功耗约0.8 μW，1 MHz频点处相位噪声-108.7 dB;0.9～2.1 V电压范围内，输出频率波动小于0.23%，适于无源芯片设计.

关键词：振荡器;射频识别;低电压;低功耗

中图分类号：TN495                          文献标志码：A

A Novel Low-voltage Low-power Oscillator Used for Passive RFID

CHEN Diping1，YANG Cuiling1，DONG Gang1，QIN Pengju2，ZENG Jianping1

（1. College of Physics and Microelectronics Science，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Hunan Runtronic Microelectronics Co Ltd，Changsha 410000，China ）

Abstract：A novel low-voltage low-power ring oscillator was designed，which was implemented by an SMIC's 180 nm mixed signal processing technology. Based on the feedback theory，the regulation and conversion from supply voltage to operating voltage of ring oscillators was completed by employing an amplifier，generating superior operating voltage stability as well as lower consumption. Furthermore，a high output swing was obtained with an amplitude conversion circuit. The operating frequency of the oscillator was controlled by current，resulting in the reduced effect of oscillating signal on the supply voltage VDD and the depressed supply noise. The results demonstrate that the output frequency is 2.737 MHz，the consumption is 0.8 μW with a 1 V supply，and the phase noise at the phase point is -108.7 dB at 1 MHz offset. Meanwhile，the output frequency fluctuations are kept within 0.23% when the supply voltage varies between 0.9 V and 2.1 V，which is reasonable in passive chip design.

Key words：oscillator;radio frequency identification（RFID）;low-voltage;low-power

射頻识别（Radio Frequency Identification，RFID）是近年来备受关注的一种新兴技术，其利用无线电波快速精准地识别相关信息，广泛用于支付系统、物流、人员跟踪等领域[1-3].受限于应用场合，低电压、低功耗、宽电源电压范围、低成本等要求对射频识别系统显得尤为重要，特别在无源RFID电子标签领域.

无源RFID电子标签是一种微型装置，工作于无任何能量储存的情况下，通过对阅读器信号转换获取工作电压，整个芯片的功率只有几微瓦或者更低，因此，高效的功耗分配对于电子标签的性能评估至关重要[4-5].RFID电子标签主要分为3部分：天

线部分、模拟前端和基带处理单元[6].天线部分完成射频信号的接收与发送;模拟前端由整流电路、时钟产生电路、反射调制电路以及解调电路等组成;基带处理单元控制数据编码/解码和内存/传感器等的访问.振荡器产生的信号用于精确控制副载波频率，同时给数字电路提供工作时钟，故振荡器性能优劣直接影响整个射频识别系统的性能.

折衷功耗、面积以及成本，本文采用基于反馈理论的电源电压变换的新型环形振荡器结构，完成了一种适用于无源RFID电子标签的高稳定低压低功耗振荡器的设计，其正常工作电源电压范围为0.9～2.1 V，输出频率波动小于0.23%;1 V电源电压下，输出频率2.737 MHz，功耗约0.8 μW.

1   无源RFID标签振荡器设计要点

1.1   普通振荡器分析

常见的振荡器主要有晶体振荡器、RC振荡器和环形振荡器.相较而言，晶体振荡器精度高、工作稳定、振荡频率单一、体积大、功耗高，难以集成于单芯片内;RC振荡器结构简单、启动时间短、频率易调、振荡频率稳定性差，受电源电压、工艺偏差以及环境温度的影响较大;环形振荡器具有振荡频率范围大，与纯数字CMOS工艺兼容性好、稳定度高等优点，但对电源噪声较敏感[7].

无源RFID标签工作距离范围大，整个芯片的工作电压均源于对射频信号的整流和放大，波动较大，因此，低电压、低功耗和宽电源范围是无源RFID标签设计的主要考虑点.环振因兼容纯数字CMOS工艺，成本低，最适于此类应用，其延迟单元一般由单端或差分反相器构成[8-9]，功耗（Ptot）主要分为反相器的静态功耗（PS）和动态功耗（PD）：

Ptot = PS + PD = IleakVDD + NCLVDD2 f（1）

式中：Ileak为反相器漏电流;VDD为电源电压;N为反相器级数;f为振荡频率;CL为反相器输出端电容.环振的功耗主要由动态功耗（PD）组成：

式中：k为PMOS管与NMOS管沟道宽度之比;KPP =μpCox;KPN = μnCox为工艺参数.据式（2）在保证振荡器正常工作的前提下，减小环振工作电压对于降低功耗而言至关重要.对于静态功耗（PS），可通过适当偏置，降低整体电流;增大管子长度L有助于降低漏电流，此举亦有益于降低动态功耗.

1.2   弱反型工作区分析

工作于弱反型区的MOS管工作电流远小于强反型区电流，电路性能有所限制，然而，此举能很好地节省功耗开支，缓解电源电压不足的压力.工作于弱反型区的RFID标签能够很好地兼顾性能、电源电压及功耗等要求[10].弱反型区晶体管漏极电流与栅源电压的近似关系为[6]：

式中：VT = KT/q为温度电压;n = （1 + Cdep /Cox）;Cox為栅氧化层单位面积电容;Cdep为单位面积沟道耗尽层电容;μ为载流子表面迁移率;VTH为阈值电压.同时文献[6]给出了弱反型系数IC，以判别晶体管的工作区域：

式中：I0 = 2nμCoxV2T是一个由工艺所决定的电流值.当 IC > 10时，晶体管工作于强反型区;IC = 1时介于弱反型区和强反型区的过渡区;IC < 0.1时工作于弱反型区.通过适当偏置，可确定晶体管工作

区域.

2   所提环形振荡器设计

EPC—C1G2标准规定了RFID芯片的最低时钟频率为1.92 MHz.振荡器频率过高，会导致芯片的功耗增加，降低电子标签的读写距离;频率过低会影响RFID标签对阅读器指令的读取及译码，另一方面，时钟频率太低会影响信息的识别速度.根据EPC标准，RFID芯片数据是采用Miller调制副载波或FM0基带编码的编码方案，数据传输速率为40～640 kbit/s，芯片工作频率偏移小于10%[6，11].折衷功耗、速度、性能等的影响，本文振荡器工作频率选为2.56 MHz（即数据最高传输速率的4倍）.

2.1   整体设计

据式（2），本文采用反馈结构的放大器实现宽工作电压范围的降压稳压器功能，为环形振荡器提供稳定的工作电压，同时降低环振功耗.根据放大器的“虚短”特性，以及MOS管工作于恒流偏置下，其漏源电压VDS和过驱动电压VOV相对恒定的特点，本文完成了一种宽工作电压范围、高稳定的新型低电压、低功耗振荡器设计，其结构如图1所示.

放大器A和调整管M1、电阻R构成负反馈环路;放大器A和调整管M2、环振单元构成正反馈环路.通过调整调整管尺寸，可控制反馈强度.对于环路响应：负反馈强于正反馈。整体表现为负反馈，以将放大器两输入端电压钳位于一个稳定值.系统稳定后，放大器A的输入端电压趋于一致，滤波电容C用以稳定环振工作电压Vosc，以提高环振输出频率稳定度.振荡器模块采用由三级反相器构成的环形振荡器，其振荡频率为1/（6 TD ），TD为单级反相器的延迟时间：

环振输出幅度为Vosc的振荡信号，经振幅变换电路，可输出频率稳定的高摆幅振荡信号Vout.本文在采用新型低功耗结构的基础上，各模块电路均采用低功耗优化，以达到低功耗的设计目的.

2.2   模块设计

为满足低压低功耗的设计要求，放大器设计采用折叠式共源共栅结构，如图2所示.M4、M5栅极挂接到M6、M7的栅极，以增大输出摆幅.为减小偏置电路引入的功耗，M6、M7采用自偏置设计，放大器电压增益：

AV = gm1，2·（（rds5+rds7+gm7rds5rds7（1+η7））‖rbias2，o）

≈gm1，2·rbias2，o （6）

式中： rds为晶体管小信号输出电阻;rbias2，o为恒流源输出电阻;η7 = gmb7/gm7;gmb7为衬底跨导.在适当的偏置下，电路工作稳定后，放大器两差分输入端电压趋于一致，约为：

rOSC = VN = Vp = VDS + VOV + VTHN     （7）

典型值：VDS约为200 mV，弱反型下过驱动电压VOV约-100 mV，VTHN约500 mV，该结构可实现从电源电压VDD到环振工作电压VOSC（约600 mV）的降压稳压转换功能.据式（4），偏置电流：

振荡器模块采用由三级单端反相器构成的环形振荡器，其环路增益为：

式中：A0为单级反相器的低频增益;ω0为单级反相器的-3 dB带宽.为了确保环振振荡，在满足Barkhausen准则的前提下，考虑到温度以及工艺偏差等的影响，反相器的低频电压增益取理论值的2～3倍.

振幅幅度变换电路偏置电路采用如图3所示的结构，工作于放大区的MOS管：

偏置电流ID恒定的情况下，通过调整管子的宽长比可调整其过驱动电压，设置合适的偏置点.为达到低功耗设计目的，电路工作于弱反型区，采用大比例的倒比管予以实现.

图4所示为本文所提振荡器整体电路图.启动电路完成启动后自动脱离，以使启动电路引入的功耗最小化;放大器正相输入端电压配合电阻R1，产生整体电路的参考偏置电流：

VDD所引起的Vosc波动，一部分由电容C1滤除，另一部分经放大，通过调整管M16后，形成强烈的负反馈，以维持Vosc稳定不变;缓冲器M30和M31增强振荡器输出，确保振荡信号无失真地耦合到振幅变换电路，M29采用本征晶体管予以实现，为晶体管M30源极节点提供一个快速充电电流，同时限制晶体管M30和M31输出端的信号幅度，使功耗最小化.

2.3   芯片实现

图5所示为本文振荡器版图.整体版图采用轴对称布局，器件之间采用局部插指匹配及四方交叉匹配，以保证较好的噪声及干扰屏蔽，减小振荡信号对静态电路的影响，避免系统不稳定.采用紧凑布局实现环形振荡模块，以减小寄生电容及工艺偏差所引起的频率偏移.在各模块电路周围加入衬底接触环，实现模块与模块间的隔离，以提高频谱纯度、降低寄生功耗.

3   实验结果及分析

本文利用Cadence Spectre工具，基于SMIC 180 nm 混合信号工艺，对所提结构进行了后仿真验证及功能测试.图6所示为相位噪声后仿真曲线，文中所提振荡器1 MHz频点处的相位噪声为-108.7 dBc.图7所示为利用Tektronix 5 Series Mixed Signal示波器所测得的该振荡器在1 V典型工作电压下的输出波形，其振荡频率为2.737 MHz，考虑到寄生效应影响，与预期设计值差别不大，符合设计要求.

如圖8所示，以1 V典型工作电压点为参考，本文振荡器在0.9～2.1 V工作电压下，输出频率波动低于0.23%;该结构在1 V电源电压情况下，功耗约0.8 μW.本文所提结构同文献所提振荡器性能对比如表1所示.相较而言，本文所提新型振荡器具备工作电压低、输出频率随电源电压波动小、功耗较低等优点，符合应用需求.

4   结   论

本文在对现有低压低功耗环形振荡器分析与总结的基础上，针对工作电压与功耗指标进行优化分析，提出了一种宽电源电压范围的新型高稳定低压低功耗环形振荡器.结果表明，所提振荡器在电源电压低至1 V时，输出频率2.737 MHz，功耗约0.8 μW;以1 V电源电压下的输出频率为参考，电源电压在0.9 ～ 2.1 V变化范围内，输出频率波动不超过0.23%.综上，该振荡器在低电压、低功耗等指标方面表现良好，在宽电源范围内输出频率稳定性高，符合无源RFID电子标签振荡器设计要求.

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