一種用于標簽芯片的低壓低功耗參考電源設(shè)計*

熊立志

(深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司　深圳　518057)

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一種用于標簽芯片的低壓低功耗參考電源設(shè)計*

熊立志

(深圳市遠望谷信息技術(shù)股份有限公司深圳518057)

摘要射頻識別(Radio Frequence Identification,RFID)無源電子標簽芯片需要一種能低壓，低功耗，面積小，電源抑制比較高的參考電源。常規(guī)帶隙參考電路不能滿足要求。論文引入一種利用MOS管電子遷移率與閾值互補特性的參考源電路，并引入低壓套筒式共源共柵電流源電路，使得論文所提出的電壓參考源電路具有低壓低功耗，小面積及高電源抑制比的特性。仿真及流片結(jié)果均表明所設(shè)計電路滿足RFID無源標簽芯片的要求。

關(guān)鍵詞參考電源; 低壓低功耗; RFID

A Low Voltage Low Power Voltage Reference Circuit for Tag Chip

XIONG Lizhi

(Invengo Information Technology Co., Ltd., Shenzhen518057)

AbstractRadio Frequency Identification passive tag chip needs a low voltage low power voltage reference circuit with little chip area and high PSRR. The traditional bandgap voltage reference circuit cannot fully fill the requirements. A mutual compensation of mobility and threshold voltage reference circuit is introduced. After equipped with cascade common source common gate current mirror, the proposed voltage source circuit can work in low voltage with low power consumption, little area and high PSRR. Simulation and test show the proposed circuit can fully fill RFID passive tag chip requirements.

Key Wordsvoltage reference, low voltage low power, RFID

Class NumberTP391

1引言

本文介紹一種用于無源UHF RFID標簽芯片的低壓低功耗參考電源電路。與常規(guī)參考源電路的設(shè)計不同，用于無源UHF RFID芯片的參考源電路在設(shè)計上存在一定的應(yīng)用環(huán)境約束。無源UHF RFID芯片工作時不需要外接電源，芯片通過接收發(fā)射機發(fā)射的微波信號來獲取能量。一般情況下UHF RFID標簽工作時離發(fā)射機天線距離相對其他頻段標簽遠，在較遠距離工作時，標簽?zāi)芙邮盏降哪芰糠浅Ｈ酰ǔH為數(shù)微瓦到數(shù)十微瓦。閱讀距離是RFID標簽的一項重要性能指標，閱讀距離需要越遠越好。這一指標在一定程度上也要求芯片的整體功耗越低越好。要降低功耗就需要降低芯片的工作電壓及電流。另外，由于大規(guī)模RFID應(yīng)用對標簽芯片成本非常敏感，因此芯片整體面積受到限制。無源RFID電子標簽芯片電源是通過對天線所接收到的微波進行整流獲得的，電源極為不穩(wěn)定，這是因為超高頻微波信號在傳輸過程中容易出現(xiàn)衰落現(xiàn)象，從而使接收能量時大時小；微波信號包含一定的調(diào)制信息，隨著調(diào)制電平的改變，微波幅度也會呈現(xiàn)時高時低的變化。因此，參考電壓源需要有一定的電源波動抑制能力。參考電壓源是UHF RFID芯片的重要組成單元，本文提出一種能在低壓低功耗，芯片面積限制及電源波動較大的情況下穩(wěn)定工作的參考電源電路。

2常規(guī)帶隙參考源

傳統(tǒng)帶隙參考電路如圖1所示，該帶隙電路存在如下問題： 1) 帶隙參考輸出電壓為1.2V左右[1]，因此最低工作電壓必須大于1.2V。 2) 由于該電路大量使用電阻，在支路電流較小的情況下，必須使用大阻值電阻，大阻值電阻必然消耗較多芯片面積。

圖1　常規(guī)帶隙電路

基于以上問題，常規(guī)帶隙參考電路較難在RFID芯片設(shè)計中獲得應(yīng)用。因此我們需要尋找新的方法來獲取電壓參考。

3閾值與遷移率溫度互補型參考源

可以利用MOS管的電子遷移率及MOS管閾值的溫度互補特性來獲取電壓參考。圖2為常規(guī)電流源電路。

圖2　常規(guī)電流源電路

假設(shè)M3,M4長寬相同，我們可以得到式(1)。

(1)

式(1)中：Cox為單位面積柵氧化物電容。μ為n溝道CMOS管的表面遷移率。R為與M2串聯(lián)電阻值。L1,W1,L2,W2分別為MOS管M1，M2的長和寬。式(1)中μ和R的值會隨溫度的變化而變化，因此電流I1及I2會隨溫度的變化而變化。可以將μ和R隨溫度變化表示為

μ=μ0(T/T0)-m

(2)

R=R0[1+α1(T-T0)+α2(T-T0)2]

(3)

式(2)中：T0,μ0分別為參考溫度及參考溫度下的MOS管的表面遷移率。T0,R0分別為參考溫度及參考溫度下的電阻阻值。m為取值在1.5~2之間的常數(shù)[2~3]。α1,α2分別為電阻的一階及二階溫度系數(shù)。將式(2)、(3)代入式(1)，忽略高階項可以得到：

I1=I2?IT0[1+γ(T-T0)]

(4)

式(4)中：IT0為T0參考溫度下I1,I2的值。

(5)

VTH=VTH0-αVT(T-T0)

(6)

飽和狀態(tài)下MOS管的漏極電流可以表示為[5]

(7)

將式(2)、式(6)代入式(7)可以得到：

(8)

式(8)中：

(9)

αVT是一個正的常數(shù)，范圍在1.5mv/℃~2mv/℃隨溫度的不同，飽和MOS管柵源電壓VGS與漏極電流ID在不同溫度下會呈現(xiàn)不同柵源電壓-漏極電流函數(shù)關(guān)系。

圖3　不同溫度下漏極電流隨柵源電壓的變化

圖3為TSMC 0.18μm工藝1.8V NMOS管不同溫度下漏電流隨柵源電壓的變化，仿真時使用的參數(shù)為W/L為0.22μ/4.4μ。漏源電壓為1V。通過觀察圖3發(fā)現(xiàn)不同溫度下柵源電壓-漏極電流曲線在Z點交匯，Z點被稱為零溫度系數(shù)點[6~9]。在Z點之前和Z點之后，柵漏相連的NMOS管等效電阻表現(xiàn)出不同的溫度特性。在Z點之前為負溫度系數(shù)，在Z點之后為正溫度系數(shù)。

圖4　NMOS管作為負載的電壓參考源

圖4中以M6作為M5負載來產(chǎn)生參考電壓。從式(4)可以看出，通過電流源電路能夠產(chǎn)生隨溫度變化的電流。通過調(diào)整M4、M5的長寬比，可以調(diào)整支路電流。經(jīng)調(diào)整后的電流用表示為

(10)

將式(10)代入式(8),并取溫度T0處的微分可以得到：

(11)

考慮到式(5)可以得到：

(12)

令式(12)為零，即使VGS在T0處不隨溫度的變化而變化，需要滿足的條件為

(13)

從式(13)可以看出，對于給定的工藝，可以通過調(diào)整NMOS管M6及PMOS管M5的長寬來滿足等式成立的條件。

4對電源電壓變化的抑制

一般情況下，RFID芯片內(nèi)部電壓是通過微波信號恢復(fù)的。微波信號在傳輸過程中存在多徑效應(yīng)，導(dǎo)致RFID芯片所接收到的能量時大時小，同時由于下行微波信號中存在調(diào)幅成分，更進一步加劇了接收信號的幅度變化，導(dǎo)致片上電源波動較大。一般情況下，MOS管漏級輸出不僅受柵源電壓控制，同時也受源漏電壓影響。很明顯，圖4的常規(guī)電流源電路受電源電壓影響較大。為了能在低電壓下環(huán)境下工作的同時提高電流源對電源電壓波動的抑制，本文對常規(guī)電流源電路作了一定的修改，如圖5所示。M3,M4,M5與MOS管M8,M9,M10組成套筒式共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)。很明顯，這一改進大大提高了電流鏡的輸出阻抗，減少了MOS管漏極電壓調(diào)制效應(yīng)[10]。由于M8,M9,M10的偏置電壓選擇為略高于M3,M4,M5的偏置電壓，套筒式共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)對額外增加電源電壓的要求不多。

圖5　使用套筒式電流鏡的電壓參考電路

5實驗結(jié)果

圖6為使用本文所述電路(增加了啟動電路)在TSMC 0.18μm混合信號工藝下的版圖及流片結(jié)果。圖7為電壓參考源的仿真結(jié)果。在該款芯片設(shè)計中，該參考源電路的輸出作為LDO的比較電壓，未直接引出，因此不能直接通過樣片測得參考源的參考電壓，但本片的LDO輸出電壓與參考電壓程線性關(guān)系，因此可以通過測量LDO的輸出電壓與仿真值進行對比來間接說明參考電壓隨溫度的變化。仿真與實驗結(jié)果對比如圖8所示。由于模型及測量過程誤差，實際結(jié)果LDO輸出隨溫度變化約30mV，完全滿足RFID芯片電源電壓的要求。圖9為仿真參考電壓隨工作電源電壓的變化，工作電壓從0.9V變到2V，參考電壓僅變化不到10mV，電源抑制比PSRR約為44dB，能滿足實際應(yīng)用的需求。

圖6　TSMC0.18μm工藝版圖及流片結(jié)果

圖7　本文所述電路在TSMC 0.18MS工藝下的仿真結(jié)果

圖8　LDO輸出電壓仿真與實測結(jié)果對比

圖9　仿真參考電壓輸出隨電源電壓的變化

6結(jié)語

本文所述的參考電壓源具有低壓低功耗及較高的電源電壓抑制比，同時電路所占面積較小，非常適合RFID標簽芯片設(shè)計環(huán)境約束。理論分析及實際流片結(jié)果均證明了該電路的正確性。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.037

作者簡介:熊立志,男,博士,研究方向:集成電路設(shè)計,RFID系統(tǒng),射頻電路設(shè)計等。

基金項目:國家863計劃項目“防偽防轉(zhuǎn)移標簽材料和近場抗電磁干擾材料技術(shù)”(編號:2013AA030802)資助。

*收稿日期:2015年8月11日,修回日期:2015年9月17日