射頻辨識系統標籤前端電路之研究

國

立

交

通

大

學

電信工程學系碩士班

碩

士

論

文

射頻辨識系統標籤前端電路之研究

Study of Front End of CMOS RFID Tag Circuit

研 究 生：劉嘉川

指導教授：高曜煌 教授

射頻辨識系統標籤前端電路之研究

Study of Front End of CMOS RFID Tag Circuit

研 究 生：劉嘉川 Student：Chia-Chuan Liu

指導教授：高曜煌 博士 Advisor：Prof. Yao-Huang Kao

國 立 交 通 大 學

電信工程學系碩士班

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Communication Engineering

College of Electrical and Computer Engineering

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master of Science

in Communication Engineering

July 2007

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

射頻辨識系統標籤前端電路之研究

Study of Front End of CMOS RFID Tag Circuit

研 究 生：劉嘉川

Student：Chia-Chuan Liu

指導教授：高曜煌 博士

Advisor：Prof. Yao-Huang Kao

國立交通大學電信工程學系碩士班

摘要

本篇論文旨在利用TSMC 1P6M 0.18um 製程實現 915MHz RFID 標籤前端電路。在 標籤前端電路中成功整合了整流電路、限流電路、穩壓電路、啟動重置電路、解調變電 路、環形振盪電路以及調變電路，提供了高效能整合性的RFID 標籤前端電路。 本論文對於能量轉換與消耗方面特別專注。由於對RFID 系統而言，RF 與 DC 功率 間的轉換與功率消耗是極為重要的，在充電泵電路中透過半導體元件電晶體選擇以及電 路設計情況下在重載情況下仍可提供11%高效率能量轉換，而在功率消耗方面可提供而 在不包括自振盪源情況下，所耗功率約為0.27mW，基於低功耗與高能量轉換效率下，， 在與天線阻抗匹配情況下，以ATMEL ATA5590 數位電路最低工作電壓在 1.3V 情況下， 實測標籤前端電路感應距離可到達4 公尺以上。晶片也提供解調訊號、振盪源、調變電 路以及電源重置電路功能。另外標籤前端電路亦可工作在2.4GHz 以及 5.8GHz。

Study of Front End of RFID Tag Circuit

Student：Chia-Chuan Liu

Advisor：Prof. Yao-Huang Kao

Department of Communication Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

The purpose of this paper is to implement a 915MHz front end circuit of passive tag in RFID applications. The circuit consists of rectifier, limiter, voltage reference, power on reset circuit for logic, demodulator, Ring Oscillator, and modulator. The chip is fabricated by TSMC 1P6M 0.18um process.

For passive tag, power conversion efficiency and power consumptions are especially focused. By using native NMOS in Semiconductor Device and optimized structure, the charge pump circuit can present about 11% power conversion efficiency under heavy load situation. The power consumptions reduced to 0.27mW without ring oscillator takes into account. The measured distance achieves 4 meter(definitions of ATMEL ATA5590)under

matching condition between antennas and the IC chip. Additionally, the proposed circuit also functionally works well at 2.4GHz and 5.8GHz.

誌

謝

一轉眼兩年的時間過去了，此論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授高曜煌 博士，在兩年的研究生活中，無論在電機專業領域或生活上的處事態度，都使我有很大 的收穫。此外，感謝教授、許孟庭教授、吳霖堃教授、孟慶宗副教授撥冗擔任我的口試 委員，對論文內容提供寶貴的建議及指導。 感謝國家晶片系統設計中心(CIC)及台灣積體電路公司(TSMC)，提供晶片下線與製 作的機會，也感謝912 微波精密量測實驗室和 925 天線近場量測實驗室提供儀器量測。 感謝我們909 高頻電路暨光纖通訊實驗室的所有成員：感謝義濱、炯宏學長在專業 領域及工作經驗上與我分享許多寶貴的想法和觀念，也感謝我上一屆的學長勇銚、晏 慶、志雄、佳宏，學長們在我剛進入研究所時，協助我適應新環境，也不厭其煩的回答 我許多問題。在此，也要感謝宏彰、邦郁、乃元在這兩年來與我一起同甘共苦，生活和 課業上都受到你們許多幫忙，我很幸運的能夠認識你們並成為同學，也祝福你們有幸福 的未來。威宇學弟，也謝謝你平時生活的照顧與協助，研究生的生活因你們而多了許多 歡笑與回憶。 最後，更要特別感謝我的家人，有你們在背後毫無保留的付出和默默的支持才使我 可以專心完成學業，真的謝謝你們，僅以此小小的成果與你們分享。在未來的日子裡， 我會更加努力工作，不會讓你們失望。 嘉川 於 Lab. 909, NCTU 2007/7/25

目 錄

中文摘要

i

英文摘要

ii

誌謝

iii

目錄

iv

表目錄

vi

圖目錄

vii

第 一 章

緒 論 ...1

1.1 研究動機與目的 ...1 1.1.1 RFID系統與條碼系統比較...2 1.1.2 RFID系統國內外發展現況...3 1.1.3 RFID系統使用頻率...5 1.2 架構探討與選擇 ...8 1.3 電路規格制訂 ...11 1.3.1 系統規格...11 1.3.2 子電路規格...12 1.4 論文組織架構 ...13

第 二 章

915MHz UHF RFID 標 籤 前 端 電 路 架 構 與 模 15

2.1 架構介紹 ...15 2.1.1 充電泵電路...16 2.1.2 啟動重置電路...36

2.1.3 環式振盪電路...38 2.1.4 解調變電路與調變電路...50 2.1.4 模擬結果討論...56 2.2 設計流程 ...27 2.2.1 整流電路...56 2.2.2 穩壓電路...56 2.2.3 啟動重置電路...57 2.2.4 環式振盪電路...57 2.2.4 解調變電路與調變電路...58 2.3 電路模擬功率消耗結果 ...59 2.4 預計規格列表 ...60

第 三 章

晶 片 量 測 與 討 論 ... 61

3.1 915MHz RFID 標籤充電泵晶片量測(T18-95E-No.142) ...61 3.1.1充電泵電路與穩壓電路架構...61 3.1.2 量測環境...64 3.1.3 晶片量測結果與討論...66 3.2 915MHz RFID 標籤前端電路量測(T18-96C) ...73

第 四 章

結 論 ... 79

附 錄

A RFID 系 統 應 用 實 例 ... 81

A.1 系統發展實例與應用...81 A.2 台灣RFID應用計畫...84

附 錄

B 調 變 電 路 討 論 ... 85

參 考 文 獻 ... 89

簡 歷

... 92

表

目 錄

表1.1 射頻辨識系統與條碼辨識系統比較 ...3 表1.2 亞太鄰近國家發展與應用比較 ...4 表1.3 FCC Part 15 對 RFID 其頻率範圍相對應於磁場強度的規範 ...5 表1.4 依頻段區分的 RFID 應用範圍 ...6 表1.5 標準與應用 ...7 表1.6 EPC CLASS 標準與應用...8 表1.7 子電路架構 ...13 表2.1 整流電路電容大小與 MOS diode 尺寸...19

表2.2 傳統 Ladder Rectifier 與 Modified rectifier 比較表...20

表2.3 充電泵十級各級寬長比例與 DC 輸出比較表...27 表2.4 限流電路電晶體尺寸 ...29 表2. 5 穩壓電路電晶體尺寸 ...34 表2.6 啟動重置電路電晶體尺寸 ...37 表2.7 環式振盪電路及除二電路電晶體尺寸 ...40 表2.8 五個 corner 對振盪器輸出頻率影響 ...44 表2.9 環式振盪電路及除二電路電晶體尺寸 ...52 表2.10 子電路功率消耗表 ...59 表2.11 RFID 標籤前端電路規格表...60

圖

目 錄

圖1.1 RFID 系統圖 ...2 圖1.2 RFID 使用頻段 ...5 圖1.3 標籤(transponder)方塊圖...8 圖1.4 能量感應方式 ...9 圖1.5 RFID 標籤前端電路方塊圖 ...10 圖2.1 RFID 標籤系統圖 ...15

圖2.2 Block diagram of this work ...16

圖2.3 charge pump with voltage reference ...17

圖2.4 charge pump with voltage reference 電路方塊圖 ...17

圖2.5 整流電路電路圖 ...18

圖2.6 Bulk 加電壓 forward bias 圖...18

圖2.7 Conventional ladder Schottky-diode rectifier...20

圖2.8 Modified Schottky-diode rectifier ...21

圖2.9 Modified native MOS-diode rectifier and Limiter ...21

圖2.10 充電泵電路圖 ...22 圖2.11 建立電壓時域圖...22 圖2.12 第一正半週 ...23 圖2.13 第一負半週 ...24 圖2.14 第二正半週 ...24 圖2.15 第二正半週 ...25 圖2.16 VD versus CD...26 圖2.17 TT corner ...27

圖2.18 SS corner...28

圖2.19 FF corner...28

圖2.20 限流電路 MOS diode size 對 Limiter Out(DC)影響 ...29

圖2.21 限流電路 MOS diode size 對 Vo(DC)影響 ...30

圖2.22 RF Input Power 為 13dBm 時流經限流電路電流 ...30

圖2.23 TSMC Model 中源級至汲級電壓與 Id 關係圖...31

圖2.24 Modified native MOS-diode charge pump and Limiter ...33

圖2.25 穩壓電路等效圖 ...34

圖2.26 Limiter Out(DC)輸出 versus RF input power...35

圖2.27 Vo(DC)輸出 versus RF input power...36

圖2.28 啟動重置(Power On Reset)電路...37

圖2.29 Por signal 時間變化圖 ...38

圖2.30 環形震盪電路 ...39

圖2.31 主僕式除頻器方塊圖 ...40

圖2.32 除二電路 ...40

圖2.33 TT Output Oscillation frequency ...41

圖2.34 FF Output Oscillation frequency ...42

圖2.35 SS Output Oscillation frequency ...42

圖2.36 SF Output Oscillation frequency ...43

圖2.37 FS Output Oscillation frequency ...43

圖2.38 設計電容偏移 10%(-) ...44

圖2.39 設計電容偏移 10%(+) ...45

圖2. 40 Input power 為-2dBM 時 Output Oscillation frequency...46

圖2.41 Input power 為-1dBM 時 Output Oscillation frequency...47

圖2.42 Input power 為 0dBM 時 Output Oscillation frequency ...47

圖2.44 Input power 為 2dBM 時 Output Oscillation frequency ...48

圖2.45 Input power 為 3dBM 時 Output Oscillation frequency ...48

圖2.46 Input power 為 4dBM 時 Output Oscillation frequency ...49

圖2.47 Input power 為 5dBM 時 Output Oscillation frequency ...49

圖2.48 Input power versus Output frequency...50

圖2.49 Demodulator ...51

圖2.50 Demodulator 電路方塊圖 ...51

圖2.51 Input power 為 7dBm 的 data slicer 輸出...53

圖2.52 Input power 為-4dBm 的 data slicer 輸出...53

圖2.53 調變電路 ...54

圖2.54 調變電路模擬系統 ...55

圖2.55 利用 backscatter 調變電路產生 ASK 訊號 ...55

圖3.1 RFID 標籤晶片前端電路方塊圖 ...62

圖3.2 charge pump with voltage reference ...62

圖3.3 佈局圖 ...63

圖3.4 實際晶片圖 ...64

圖3.5 On Wafer 平台 ...65

圖3.6 Agilent Technologies E8247C Signal Generator...65

圖3.7 Agilent Technologies 8510C...66

圖3.8 Limiter Out (DC) versus RF input power...67

圖3.9 Vo (DC) versus RF input power...68

圖3.10 重載情況下的能量轉換效率量測 ...69

圖3.11 標籤前端電路輸出直流 Vo 上升時間 ...70

圖3. 12 標籤前端電路輸出直流 Vo 下降時間 ...70

圖3.13 頻率對於標籤前端電路 Limiter Out 影響 ...71

圖3.15 RFID 標籤系統圖 ...73 圖3.16 佈局圖 ...74 圖3.17 解調變電路示波器波形量測結果 ...75 圖3.18 環式振盪器輸出 ...75 圖3.19 RF Input Power 為-6dBm 時輸入阻抗...76 圖3.20 RF Input Power 為 0 dBm 時輸入阻抗 ...77 圖3.21 RF Input Power 為 10 dBm 時輸入阻抗 ...78 圖B.1 天線等效電路...85

圖B.2 利用 Switch 所調變 modulated backscatter model...86

圖B.3 利用 Switch 所調變的實部調變(real modulation)...87

圖B.4 利用 Switch 所調變的電容調變(Capacitive modulation)...87