射頻識別閱讀器中信道選擇濾波器的設計*

李 斌,田應洪,張 勇,張潤曦,賴宗聲

1.華東師范大學微電子電路與系統(tǒng)研究所,上海 200062;2.華東師范大學納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心,上海 200062

LI Bin,TIAN Yinghong,ZHANGYong,ZHANGRunxi,LAIZongsheng*

1.Institute of Microelectronics Circuit＆System,East China Normal University,Shanghai 200062,China;2.Engineering Research Center for Nanophotonics＆Advanced Instrument,Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai 200062,China

射頻識別(RFID)技術在當今無線通信領域應用十分廣泛。相對于 LF(120～135 kHz)波段和 HF(13.56 MHz)波段,UHF波段的 RFID技術能夠在m級距離上提供數(shù)百 kbit/s的數(shù)據(jù)通信,因而備受關注[1]。目前成功商業(yè)應用的 UHF射頻識別系統(tǒng)閱讀器往往采用分立元件構造[2],共同的缺點是體積大、功耗大。隨著 CMOS工藝技術的發(fā)展進步,如果能夠提供基于 CMOS工藝的單片閱讀器將極大的降低成本,應用前景也將更為廣闊;而且單片集成的閱讀器方案也符合當前多應用[3]便攜式終端的發(fā)展趨勢,為未來多應用整合提供可能。

本文設計的信道選擇濾波器用于 UHF RFID閱讀器接收機模擬基帶部分,接收機采用 I/Q兩支路正交的零中頻結構,圖 1是接收機模擬基帶結構圖。根據(jù) EPCglobal C1G2協(xié)議要求,UHF RFID閱讀器接收的最高數(shù)據(jù)速率達到 640 kbit/s,最大信號帶寬不超過 1.28 MHz;對于 40 kbit/s的最低速率,其信號帶寬小于 250 kHz,于是,接收基帶信道選擇濾波器的帶寬為 0.3～1.3 MHz范圍內可調[4]。

圖 1 信道選擇濾波器用于RFID模擬基帶

另外,根據(jù) transmission mask的要求,相鄰兩信道的功率差為 40 d B。在本信道最小信號條件下,仍要保證本信道與相鄰信道同時保持通信,這就要求信道選擇濾波器能夠克服臨道比本道高 40 dB的干擾,于是在設計的時候要求信道選擇濾波器在兩倍頻處有大于 45 dB的抑制。

根據(jù) UHF RFID接收機結構的特點,在多讀寫器環(huán)境中,接收機將面臨幅度較大的干擾信號,這就要求濾波器有能力處理大幅度的輸入信號,即對其線性度要求較高。為了得到更高的線性度與更好的噪聲特性,設計采用運算放大器 -RC結構濾波器模式。通過仿真,決定采用六階 Chebyshev低通濾波器結構來實現(xiàn)信道選擇濾波器的設計。

文章首先給出了六階 Chebyshev低通濾波器設計過程;然后給出 Chebyshev低通濾波器的版圖以及濾波器和運放的仿真結果;最后做出結論。

1 六階 Chebyshev低通濾波器設計

1.1 二階 Chebyshev低通濾波節(jié)

圖 2給出了其二階低通濾波節(jié)(Biquad)結構,其傳遞函數(shù)為：

盡管帶內的平坦特性不如 Butterworth近似[5],但它具有更快的幅度衰減特點[6]。

圖 2 二階Chebyshev低通濾波節(jié)

從圖 2可以看到,濾波器中的運算放大器接成了緩沖器形式,是典型的雙端輸入、單端輸出的運算放大器。由于緩沖器的兩個輸入端均懸空,當輸入信號為差分形式時,無法構成全差分緩沖器[7]。通常的解決方法是用兩個單端輸出的運算放大器去實現(xiàn)一個全差分結構的緩沖器,即一個運放作為正輸入端,另一個運放作為負輸入端,這就造成了器件數(shù)量的加倍,輸入端的匹配也很難達到,所形成的全差分緩沖器的性能并不理想。如何形成全差分的緩沖器,在運放的設計過程中需要著重考慮。

1.2 運放的設計

運算放大器是運算放大器 -RC濾波器的核心部件。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求,運算放大器開環(huán)增益在 70 d B以上,增益帶寬積大于 65 MHz,相位裕度取在 65°～70°左右,SR值應取大于 12 V/μs。上文中提出緩沖器輸入端懸空的問題,采用全平衡差動放大器 FBDDA(Fully Balanced Differential Difference Amplifier)可以方便的解決。

圖 3給出了 FBDDA的示意圖及按照負反饋方式構成的全差分緩沖器結構。FBDDA的輸入輸出關系可以表示為：

Ao為理想狀態(tài)下運放的開環(huán)增益。當采用負反饋時可以得到如下的關系：

以上關系僅當 Ao→∞時才可以成立,所以在設計運放時開環(huán)增益越大越好。

圖 3 FBDDA與全差分緩沖器

圖 4所示為 FBDDA。圖 4(a)是一種兩級結構的運算放大器,是 FBDDA的核心電路,圖 4(b)與圖4(c)所示電路分別用來穩(wěn)定運算放大器第一級輸出與第二級輸出的共模電平。運算放大器的第一級放大器由兩個差分對構成,使得電路具有四個輸入端。為了獲得良好的噪聲系數(shù),電路的輸入管為PMOS管 (M9、M10、M11、M12),負載管為 NMOS管(M15、M16)。運算放大器的第二級為共源級結構,輸入管采用 NMOS管(M14、M17),負載管采用 PMOS管(M6、M18)。電路采用米勒補償電容(Cc)和調零電阻(Rc)以保證運放的閉環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過計算可以得到全平衡差動電路的小信號增益如下式所示：

圖4 全差分差動放大器電路

其中 gm和 ro分別表示 MOS管的跨導和輸出電阻。為了提高運放的增益,可以增大 gm和 ro。經(jīng)過計算放大器的等效輸入熱噪聲可表示為：

其中 K為波耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K),T為開爾文溫度。從上式可以看出,要減小整個運放的噪聲,輸入管應使用較大寬長比的 PMOS管,負載管應使用較小寬長比的 NMOS管。一般的共模反饋電路在設計時都是放在第二級的輸出端,用來穩(wěn)定運放的輸出電壓[8]。本文為了滿足在所有工藝角中運算放大器的性能,在運放的第一級也添加了共模反饋電路,用來穩(wěn)定第一級的輸出電平。本文設計的兩種不同結構的共模反饋電路如圖 4(b)、4(c)所示。

1.3 六階 Chebyshev低通濾波器設計

圖 5給出了采用 FBDDA構造的二階 Chebyshev低通濾波器結構,圖 6給出了 FBDDA構造的六階級聯(lián) Chebyshev低通濾波器結構 (C2和 C3、C6和 C7、C10和 C11間接參考電平 1.6 V)。

圖 5 全差分二階低通切比雪夫濾波器

圖 6 全差分六階切比雪夫濾波器

為了實現(xiàn)截止頻率的切換并防止由電阻電容誤差引起的頻偏,使用 MOS開關控制接入電路中電阻的大小,電容為固定的 3pf。在電路中通過譯碼器利用數(shù)字信號控制開關的通斷,實現(xiàn)了截止頻率在300 kHz～1.3 MHz中可調,表 1為經(jīng)過優(yōu)化后信道選擇濾波器的電阻取值方案。

2 版圖設計與仿真結果

本文的六階 Chebyshev低通濾波器采用 IBM 0.18μm工藝進行設計,仿真。圖 7是對濾波器的版圖,面積1 600μm×400μm。

圖 7 六階Chebyshev低通濾波器版圖

圖 8為截止頻率設為 900 kHz時濾波器的交流、噪聲及群時延特性。從圖 8(a)中可以看到,濾波器的 -3 d B帶寬在 900 kHz左右,帶內增益穩(wěn)定在 0 dB,在 1.8 MHz頻率處具有大于 49 dB的幅度衰減,滿足信道選擇濾波器的設計指標;從圖 8(b)可以看出,濾波器在整個通帶內的群時延在 1μs左右,變化量不超過 0.5μs;在圖 8(c)中,10 kHz頻率處的輸入噪聲電壓為 44 nV/Hz,1 MHz頻率處的輸入噪聲電壓為 80 nV/Hz,通帶內等效噪聲系數(shù)為 42 dB,滿足了 UHF RFID閱讀器系統(tǒng)的要求。

圖8 信道選擇濾波器的特性

圖 9是全平衡差動放大器開環(huán)情況的幅頻、相頻特性。從仿真的結果可以看出運放的增益為71 dB,GBW為 96 MHz,外接 2 pF電容負載時的相位裕度為 72.7°,可以滿足閉環(huán)穩(wěn)定工作的條件,不會出現(xiàn)振蕩的情況。圖 10是全平衡差動放大器的噪聲特性,可以計算得到等效噪聲系數(shù)約為 16 dB。

圖 9 FBDDA開環(huán)幅頻、相頻特性

圖 10 FBDDA噪聲特性

表 2總結了 Chebyshev信道選擇低通濾波器在27℃、TT條件下相關性能的仿真結果。對其它工藝角及溫度的仿真結果也均達到系統(tǒng)的要求。

表2 信道選擇濾波器的相關性能仿真結果

3 結論

本文介紹了一種用在 UHFRFID模擬基帶中的信道選擇濾波器,詳細描述了它的工作原理和電路結構,給出了具體的設計過程,獲得了比較理想的噪聲特性和線性度。

[1] Lee Jei-yong,Choi Jae-hong,Lee K H,et al.A UHF Mobile RFID Reader IC with Self-Leakage Canceller[C]//IEEE Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC)Symposium.Korea,2007,273-276.

[2]Advanced Universal Reader Architecture(AURA)[EB/OL].At：http：//www.skyetek.com.

[3]Gustafsson M,Parssinen A,Bjorksten P,et al.ALow Noise Figure 1.2-V CMOSGPSReceiver Integrated asa Part of a Multimode Receiver[J].IEEE J Solid-State Circuits,2007,42(7)：1492-1500.

[4]Couch L W.Digital and Analog Communication Systems[M].Fifth Edition,Prentice Hall,1999.

[5] 馬德群.射頻系統(tǒng)內低中頻濾波器的設計和研究[D].復旦大學博士論文,2004.

[6]Su K.Analog Filters[M].Second Edition,Kluwer,2002.

[7]Alzaher H,Ismail M.A CMOSFully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications.IEEE Transactions on Circuits and Systems-PartⅡ：Analog and Digital Signal Processing,48(6)June,2001.