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UHF RFID标签芯片模拟射频前端设计
UHF RFID标签芯片模拟射频前端设计
　　0 引言　　超高频无线识别(RFID)技术具有非接触式、识别速度快、作用距离远、存储容量大、可多卡识别等优点，已广泛应用于生产、零售、交通、物流等行业。 UHF RFID无源标签芯片作为超高频射频识别系统的核心组成部分，近年来一直是国内外研究的热点。研究和设计低功耗、小尺寸、高动态范围的模拟射频前端，可以解决UHF RFID标签芯片的关键技术难题，并推动超高频标签芯片快速发展。　　在此针对ISO18000-6C／B标准，研究和分析了UHF RFID无源标签芯片的系统组成以及模拟射频前端的电路方案。基于Cadence Spectre设计仿真平台和TSMCO．18&m CMOS混合信号工艺，对模拟射频前端的整流电路、稳压电路、ASK调制／解调电路、上电复位电路、时钟产生电路等核心模块进行了设计与仿真，通过MPW 项目流片实现。最后，给出了芯片各模块的测试结果。　　1 标签芯片工作原理与系统结构　　UHF RFID系统主要由后台数据处理计算机、RFID阅读器和电子标签三部分组成。当处在阅读器的电磁场范围内时，无源电子标签通过电磁场耦合获得能量，利用整流电路将交流转变为直流，对内部其他模块进行供电。标签通过ASK解调电路从射频脉冲中解调出指令和数据，并送至基带数字电路模块。基带数字电路根据接收到的指令进行一系列数据操作。标签通过控制天线接口的阻抗，从而改变天线接口的反射系数来对数据信号进行调制。数字电路的系统时钟由本地振荡器产生。 UHF RFID标签芯片系统框图如图1所示。　　系统包括模拟射频前端和数字部分。模拟射频前端主要实现产生、调制／解调、时钟产生、上电复位等功能。数字控制部分控制着标签内部数据的流向，按照接收到的指令，控制标签进行状态转换、存储及返回所需要的内容，包括命令解析、数据编码、数据存储、读／　　写等功能。　　对于UHF RFID无源标签芯片，难点在于如何实现超低功耗的电路设计。由于芯片不带电池，芯片内部各模块工作所需电源完全依靠感应阅读器所发送的电磁波，整流电路将天线获得的射频能量进行转化并存储在储能中的直流能量。例如按照北美标准，阅读器的等效全向辐射功率(EIRP)为36 dBm。在自由空间中，电磁波在5 m距离处衰减约45．5 dB，标签所获得的最大功率不超过100&W，而供芯片内部使用的功率仅为几十&W。为了达到最大的阅读距离，需要在两个方面做出努力：减小模拟和数字部分的功耗；提高整流电路的整流效率。　　2 模拟射频前端各模块电路设计　　2．1 整流电路　　整流电路的功能主要是将天线感应的射频能量转化为供后级各模块使用的直流能量，整流电路的电路结构如图2所示。N级整流电路包含2N只整流二极管和2N只耦合电容，与输出相连的电容为储能电容。天线的两端RFin+和RFin-直接或者通过匹配网络连接到整流电路的输入端，通常RFin-端接地。下标为奇数的电容与下标为偶数的电容分别在输入电压的负半周期和正半周期进行充电、储能，从而产生直流电压，表达式为：　　式中：VDD是整流电路的输出直流电压；VpRF是输入射频信号的幅度；VfD整流二极管的正向电压；N是采用的整流级数。从式(1)中可以看出，整流二极管上消耗的电压越小，输出电压越大，也意味着其尺寸越大，将导致其反向泄露电流增大，从而降低整流效率。因此，设计中需要对各种指标进行折中。根据UHF RFID标签芯片系统需要，所设计的整流电路可以实现高低两个电平输出。
现代电子技术
&&作者：李建 曾辉 王颖 &&
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北京市公安局备案编号： 京ICP备：号直流稳压电源_百度百科
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能为负载提供稳定直流的电子装置。直流稳压电源的大都是交流电源，当交流供电电源的或负载电阻变化时，的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。分&&&&类线性、开关型
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在中占有十分重要的地位。另外，很多初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载直流稳压电源的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着头脑，不知道从哪里入手。其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系，只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。
既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了，首先应该根据电源的输出类型来分类。接下来的分类就要麻烦一些，是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢？其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。
直流稳压电源可以分类两类，包括线性和开关型。线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于工作在工频（50Hz)上，所以重量较大。
该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。[1]与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。[1]
可调直流稳压电源(开关型)开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO(P-P),好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。价位为3元－十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：
（1）AC/DC
该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦－几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源（AC220输入，DC48V或24V输出)也属此类。
（2）DC/DC
在通信系统中也称，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
（3）通信电源
通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源，只是它一般以直流－48V或－24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。
（4）电台电源
电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定，几安几百安均有产品。为防止AC电网断电影响电台工作，而需要有电池组作为备份，所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。
（5）模块电源
随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。
虽然成本较高，但从产品的漫长的应用的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。
（6）特种电源
高电压电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。开关电源的价位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍高，可达11-13元/瓦。1．输出值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。
2．输出的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。
3．直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。
4．对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。
5．对于输出电压值和电流值有精准要求的直流稳压电源，一般要用多圈器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入。
6．要有完善的。直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是指标，反映直流稳压电源的特性，如输入直流稳压电源电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出）、纹波电压及温度系数等。（1）输出电压范围
符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入－输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的值决定。
（2）最大输入－输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。
（3）最小输入－输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。
（4）输出范围
输出电流范围又称为电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标所给出的指标。（1）SV
是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。
（2）电流调整率SI
电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。
（3）纹波抑制比SR
纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条直流稳压电源件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰－峰值与输出纹波电压峰－峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。
（4）温度稳定性K
集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（Tmin≤Ti≤Tmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。（1）最大输入电压
是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。
（2）最大输出电流
是保证安全工作所允许的最大输出电流。数字直流稳压稳流电源内部采用IGBT模块调整模式，具体高效能、高精度、高稳定性等特性，主要应用于科研单位、实验室和电子产线等需要高效电源测试时使用。
直流稳压电源
1、输出显示：输出电压电流LED显示
2、采用19英寸标准化尺寸，可组合放置于各种工作台面及机架；
3、体积小、重量轻、节能高效
4、恒压恒流：输出恒压恒流自动切换，电压电流值连续线性调节；
5、保护功能：过压保护、过流保护、过温保护、欠压保护、过载保护；
6、短路特性：本机工作状态下长时间短路；
7、外接补偿：本机可选外接补偿，可降低因输出回路较长等造成的压降；
8、过压保护值：输出过压佑护值可调，保护后切断输出并锁定，重新开机恢复；
9、通信功能：可选特殊数据接口，与其他设备数据连接控制，或与PLC连接。（选配）
10、外控功能：可选0-5V或4-20mA信号控制电源的输出电压和电流；（选配）
11、定时功能：可选定时开关机功能；（选配）直流稳压电源引可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、、直流电机、充电设备等。（1)可用于各种电子设备老化，如PCB板老化，家电老化，各类IT产品老化，CCFL老化，灯管老化　(2)适用于需要自动定时通、断电，自动记周期数的电子元件的老化、测试　(3)电解电容器老练　(4)电阻器，，马达等测试老练　(5)整机老练；电子元器件性能测试，例行试验。国内直流稳压电源生产厂家众多，比较有代表的著名品牌有: 万瑞达、艾诺、能华、台湾固纬、科泰、艾德克斯、恩泰等。WYJ系列直流稳压电源是高稳定度的稳压稳流自动转换的精密直流电源、输出电压在额定范围内连续可调。输出电流、电压显示分别有数显，液晶显示，指针式。电源形式有单路、双路和三路三种以上。双路输出都可设计串联或并联，输出具有良好的、过载、过压、短路等保护措施，安全性极对可靠。广泛应用于邮电、科研、军事、医院、工厂、学校等。
WYJ直流稳压稳流电源三相整流变压器的设计包括：一、二次绕组的联结方式，二次侧电压的计算，一、二次侧电流的计算，容量的计算与确定，结构形式的选择等环节。其中一、二次绕组的联结方式及二次侧电压的确定是我们重点分析的内容。本文以某一步进电机驱动器的3个直流电源设计为例进行详细介绍，原理图如图1。[2]
步进电机驱动器直流电源设计的原理图
图1　步进电机驱动器直流电源设计的原理图
1、二次侧电压的确定
二次电压不仅与负载电压(即要设计的直流稳压电源电压)和整流电路有关，而且与稳压器件有关。对于要求高的选桥式整流电路，用电容滤波稳压和稳压器稳压，对于要求低的则可以不稳压或用电容稳压。如在图1中，+7V低压驱动，主要是用来锁相，其电流小、电压低，电压波动对驱动电源的工作状态影响不大，不用稳压;+110V用以高压驱动，断续式供电且频率很高，大的电流和电流变化率会产生很高过电压，因此要用电解电容稳压，电阻限流;+12V用于计算机和集成电路的电源，电流小、电压低，但要求电压稳定、纹波系数小，因此用电容和三端稳压器两级稳压。对于不同的稳压手段，二次电压有着不同的确定方法，理论上这3个电压的计算式相同，即U2=Ud/2.34　或UL=Ud/1.35，计算的3个二次电压分别为：5.2V、81.5V和8.9V，但这样计算的结果在实际中不和适，因此，有些量必须用工程估算式来确定，如三相不可逆整流系统一般用公式UL=(0.9～1.0)·Ud估算，如果直流侧用电解电容滤波时、输出平均值会升高，一般用公式UL=Ud/2 1/2 估算;如果直流侧用电容和三端稳压器稳压，为了扩大稳压范围，Ud一般应升高3～6V，再用公式UL=(0.9～1.0)·Ud估算。这样确定的3个二次电压分别为：UL7=0.9×7=6.3V，UL110=110/2 1/2 =78V,UL12=16×0.9=14.4V。
2、一、二次例电流计算及容量确定
二次电流要根据负载电流的大小和整流电路来定，在图1中采用三相桥式整流电路，用式I2=(2/3) 1/2 Id求出3个二次电流有效值分别为：3.26A、6.5A、1.63A，就得到3个二次电压和电流。根据变压器一、二次功率近似相等原则，可求得一次电流I1=1.45A，变压器的容量为S=953VA，按1.5kVA选变压器型号。
3、一、二次例绕组联结方式的确定
三相交压器绕组可以根据需要接成星形或Δ形。三相整流电路一般用于大功率(即负载功率在4kW以上)整流，变压器通常接成Y/Δ、　Δ/Y 2种。Δ/Y接法可使电源线电流有2个阶梯，更接近正弦波，谐波影响小，可控整流电路用得比较多;Y/Δ接法可以提供单相交流电源，减小二次绕组电流，一般用于大功率二极管整流电路;对于小功率三相变压器有时也接成Y/Y型，虽然这种接法会给电网引入谐波.但毕竟其功率小，影响也较小。总之，选的时候既要考虑对电网的影响，又要尽量减小绕组电流，降低绕组绝缘等级。在图1中，7V和12V电流比较小，电压低，选星形接法;110V电流大，电压不是太高，选Δ形接法，可大大降低绕组中电流，减小绕组线径，延长使用寿命;一次绕组的线电压虽然高(380V)，但变压器容量只有2kW，一次电流为1.45A，所以选星形接法，可降低绕组的电压和绕组的绝缘等。三相整流电路通常有三相半波整流电路和三相桥式整流电路，由于三相桥式整流电路输出平均电压高，电压脉动小，品质因数高，因此多使用桥式整流电路。桥臂上二极管型号的选择主要是由它的额定电压和额定电流决定，额定电流和电压则由负载平均电流和电压决定，其计算式为：ID=(1/3) 1/2 ·Id，ID(AV)= ID /1.57，UDn=(1～2) 2 1/2 ·U2，由ID(AV)和UDn查二极管手册就可确定整流管的型号。1、滤波电路及器件选择
整流滤波电路通常有电容、电感和RC等滤波电路。电感滤波是利用电感对脉动电流产生反电动势，阻碍电流变化来实现的，电感越大，滤波效果越好。它一般用于负载电流大、对滤波要求不高的场台。RC滤波电路是电阻和电容连接使用的滤波电路，由于电阻会降低一部分直流电压，直流输出电压会减小，因此只适用于小电流电路。电容滤波是利用电容的充放电作用使整流输出电压变得平稳，而且电压幅值升高，滤波效果好，适于各种整流电路。滤波电容的选择主要是种类和容量、耐压值的确定。常用的整流滤波电容有铝电解、钽电解、涤纶、独石电容等。铝电解电容漏电流大，耐压和工作温度(最高+70℃)较低，但容量大;钽电解电容漏电流小，耐压和工作温度比铝电解电容都高，一般用于要求较高的地方;涤纶电容绝缘电阻大，损耗小，工作温度(最高+55℃)低，容量小，但耐压高;独石电容体积可以做得很小，耐压也可以做得很高，化学性能和热性能比较稳定，但容量小。一般当整流输出电流大时，必须用电解电容滤波稳压;输出电流小时，用一般电容或电解电容滤波都可以，如果对直流输出电压有纹波系数要求或者为了防止高频噪音，用电解电容和小容量无极性电容并联使用效果较好：小容量电容可滤掉脉动直流中的高次谐波，　电解电容滤掉大幅值的低频成分，稳压范围宽、效果好。整流滤波电路对电容器的容量和耐压值要求不是太高，一般根据输出电流大小估算电容器的容量，输出电流大，容量就大;电流小，容量就小。但是，容量太大会降低输出电压值，太小则会导致电压脉动大、不稳定。容量确定可参考表1，耐压值一般取所接电路工作电压的1.5～2倍。
步进电机驱动器直流电源设计的原理图
2、稳压电路及器件选择
稳压电路有分立元件稳压电路和集成稳压电路2种，其中集成稳压电路主要用于低电压小电流的整流电路，具有体积小，电路简单，稳压精度高，使用调试方便等特点。选择时首先要确定系列，是正电源还是负电源，是可调的还是固定的，其次是根据它的额定电压和额定电流选择具体型号;同时，稳压器在接入整流电路时要适当加一些保护元件，如在I/O端接二极管可防止输入端短路，在输入端和地之间接一小电容，可限制输入电压幅值等。
直流电源的设计理论上比较简单，但在具体的工程设计中还需要进一步分析、研究、实践和总结。
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