射頻識別(RFID)市場出現強勁增長，2004年其銷售額高達17億美元，2008年預計將達到59億美元。這種激增的需求受到來自下一代RFID系統的帶動，下一代系統將會提供非視距的可讀性、改進的安全性，并可以重新配置產品信息。這些應用包括了庫存跟蹤、處方用藥跟蹤和認證、汽車安全鑰匙，以及安全設施的門禁控制等。在很多以前的出版物中可以找到有關RFID應用與發展良機的細節。這些功能將可能通過EPC-Global Class 1 Gen 2(即歐洲和國際上的ISO-18006標準)協議所定義的超高頻(UHF)系統來實現。這些功能還將利用最新的CMOS工藝節點通過標簽/閱讀器的技術創新來實現，例如射頻/模擬以及混合信號集成電路(IC)設計。許多新的IC要求取決于EPCGlobal Class 1 Gen 2協議，以及無源-反向散射UHF RFID標簽電路中的幾個關鍵射頻模塊的設計與仿真?？梢圆捎梅抡婀ぞ邅硌芯吭趲讉€最差系統級工作條件下的關鍵IC的性能度量。

工作在125或134kHz低頻(LF)或者13.56MHz高頻(HF)范圍內的電感回路無源RFID系統，其工作距離僅限于大約1m的范圍。UHF RFID系統工作在860~960MHz以及2.4GHz的工業科學醫療(ISM)頻段。其具有更長的工作距離，對無源標簽而言典型工作范圍為 3~10m。標簽從閱讀器的射頻信號接收信息和工作能量。如果標簽在閱讀器的范圍內，就會在標簽的天線上感應出交變的射頻電壓。該電壓經過整流后為標簽提供直流(DC)電源電壓。通過調制天線端口的阻抗來實現標簽對閱讀器的響應。這樣一來，標簽將信號反向散射給閱讀器。

閱讀器通過位速率范圍在26.7至128kbps之間的雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)或者反相幅移鍵控(PR-ASK) 調制來實現對射頻載波的調制，將信息發送給一個或多個標簽。采用脈沖間隔編碼(PIE)格式來實現調制。此時，數據通過對載波在不同的時間間隔進行脈沖編碼來表示0或1b，并將其發送給標簽。通過頻帶分配和數據協議的標準化，EPC-Global最先通過統一世界范圍內的不同系統來降低整體成本。這一行動將采用相對廉價的CMOS技術來抵消設計新的復雜IC所產生的高昂費用。

采用更新的工藝節點預計將減少芯片面積的20%。由于涉及到數量，降低系統成本的努力主要集中在無源標簽的單位成本。其目標是將成本降低一個數量級，減少到每個標簽僅幾美分。

無源標簽的調制不同于一般的射頻通信方案，這是因為閱讀器的信號還為標簽供電。在無源反向散射系統中，距離是通過標簽可以獲得的輻射功率由前向鏈路(閱讀器到標簽)來決定的。新式的Gen-2標簽的設計目標是將閱讀距離最大化，并同時實現與該協議的兼容。距離方程(公式1)決定了理論距離，此時標簽將接收到足夠的電源來對閱讀器做出響應。

其中，EIRP=有效各向同性輻射功率、Ptag=標簽天線輸出所要求的功率、Gtag=標簽天線增益、λ=射頻載波的自由空間波長。

關閉閱讀器電源減少了標簽所獲得的電源。由于該調制方案中信號在大部分時間處于其最大值，因此具有極大優勢。然而這種調制效率極低。這導致相對寬的信道或低的數據速率。

每個EPC Class 1 Gen 2指標，閱讀器傳輸的功率高達4W EIRP。在950MHz的載波頻率下，信道損耗在3m距離處是36.9dB。那么，標簽天線的功率是-0.88dBm。

在這一少量的可用功率和低直流功率轉換效率(整流器效率平均約為20%)下，CMOS標簽電路一般工作在僅幾微安電流的一伏特電壓下。由于無源RFID標簽必須具有低成本并節省功耗，將標簽設計為采用相對簡單的幅度調制(AM)技術來實現從閱讀器接收信號。UHF RFID標簽模擬前端包括了幾個內部模擬子模塊。該模擬前端實現了DC電源、接收信號檢測/解調制和發送調制等全部的模擬處理。圖1中的模塊圖表示了典型 UHF RFID標簽的模擬前端以及數字狀態機。

整流器通過天線將接收到的射頻能量轉換為DC電源，為所有的其他模塊供電。接下來是作為電壓調節器的穩壓器，其限制并調整了由整流器產生的電壓。復位子模塊提供了復位信號，來表明經過整流的電壓已經達到了可靠的和規定的水平。就其本身而言，包絡檢測器檢測并解調制閱讀器的數據信號，還產生數字解調信號。環路振蕩器產生用于數字狀態機的時鐘。調制器通過改變天線端口的負載阻抗將調制信號調制到標簽天線。所有模擬前端電路通過Ansoft的Nexxim電路仿真器采用Cadence Virtuoso設計環境以及TSMC 0.18μm標準CMOS工藝庫進行仿真。

為了將足夠低的輸入電壓轉換達到可能滿足CMOS電路工作的電壓，圖2中的整流器模塊采用具有倍增級聯單元的級聯Dickson電壓倍增電路。該設計基于采用二極管連接、最小柵長PMOS晶體管的四級電荷泵作為整流器。這些PMOS晶體管的襯底端被連接到柵和漏端(反向偏置)，以此來減少有效的閾值電壓。通過采用 Nexxim的諧波平衡仿真進行優化，來獲得該晶體管的尺寸和金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的值。整流器的輸出直接提供給電壓調節器。

通過在穩壓器電路之后采用電壓限幅器來實現電壓調節。該限幅器電路確保了電壓調節器的輸入電壓水平低于3.3V晶體管的擊穿電壓。該電壓調節器包括了啟動和自偏置電路、帶隙參考電路以及電壓調節器。該穩壓器的輸出電壓水平被設為1.25V，這將是數字電路以及其他模擬電路的電源電壓。仿真表明穩壓器的靜態電流消耗小于200nA。當電荷泵電路產生的電源電壓足夠高時，復位信號變為“低”狀態來初始化數字電路的狀態機。為了避免錯誤觸發，復位電路提供了必要的遲滯特性。

解調器和環路振蕩器

解調器是由快速電荷泵、峰值檢測器和比較器組成。快速電荷泵檢測經過ASK調制的射頻信號的包絡。此后，包絡由峰值檢測器作進一步的處理后來獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測器是由二極管連接的 MOSFET和電容形成的。然后，包絡信號及其緩慢變化的部分相比較來產生數字格式的解調信號。該比較器如圖3中所示，其被設計為軌到軌共模輸入范圍滿足寬的標簽工作范圍。其遲滯輸入—輸出特性還使得其可以工作在噪聲環境下。環路振蕩器是按照Sundaresan等人報導的方式進行設計的。作為標簽IC的時鐘產生器，該設計提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對工藝和溫度的變化都不敏感。