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1、一种适用于无源RFID的低静态电流LDO稳压器设计 摘要:给出了一种适用于无源RFID的低静态电流密度LDO稳压器电路设计,主要提出了一种新的基准电压源电路和一种利用输出电压为基准电压源电路供电的方式,使得该LDO稳压器具有低静态电流,输出电压稳定的优点。基于CSMC0.5um模型库对其进行了仿真,初始电压在3.4-9V的变化范围内,该电路输出电压仅变化0.535mV,电路自身的静态电流仅为5.79uA。 下载论文网关键词:RFID;电流密度;LDODesign of a Low Quiescent Current LDO Voltage Regulator for RFID CHEN Di-
2、ping1 ,GAO Xue-jie1, ZENG Jian-ping1,CHEN Yi-xing2(1 Department of Physics and Microelectronics,Hunan University,Changsha 410082,China2 Luhu Microelectronics Technology Co., Ltd. Hunan, Changsha 410082,China)Abstract: The design of a Low Quiescent Current density LDO Voltage Regulator for RFID is pr
3、oposed. The main task is to propose a new voltage reference circuit and a new way of using output voltage to provide power to it. The result is the LDO has the advantage of low quiescent current and stable output. The circuit is simulated in CSMC 0.5um model.With the changes of the initial voltage i
4、n the scope of 3.4-9V, The output voltage of the circuit has only changed 0.535mV, And its own quiescent current is only about 5.79uA.Key words:RFID; Current density; LDORFID(Radio Frequency Identification,又称电子标签)1是一种非接触式自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象电子标签并获取相关数据,可工作于各种恶劣环境,识别高速运动物体并同时识别多个标签,操作快捷方便,因而有广泛的应用。
5、RFID可分为有源和无源电子标签2,其中无源电子标签自身不带电源,工作时需要从读写器周围的电磁场获得能量。无源供电技术是无源电子标签芯片的关键技术之一,它先将接收到的信号经过整流,从中获取初级整流工作电压,该初始工作电压经过后级的稳压电路产生稳定电压。本文给出了一种适用于无源13.56MHz RFID标签芯片的 LDO(1ow dropout)线性稳压器电路的设计,利用MOS管迁移率µP,µn和VBe随温度的变化关系,设计了一种新的基准电压源电路,并提出一种利用输出电压为基准电压源电路供电的方式,使得输出电压受初始电压影响很小。该稳压器具有较宽的输入电压范围(3.4-9
6、V),超低的静态电流(5.79uA)和电压调整率(0.099mV/V)。1一种低静态电流LDO稳压电路设计1.1基准电压源设计为了减小模拟电路和数字电路之间相互影响,标签芯片中稳压电路会分别为模拟电路和数字电路提供独立的供电电源。对于工作电压为3.3V的数字工艺库,要求数字电路供电电源在3.03.6 V范围内变化,否则数字电路可能工作不正常;考虑到工艺角的偏差和温度的变化,初级整流电压的大范围变化因素3,为了保证数字电路供电电源在所指定的范围内,目前一般采用的是LDO结构。 如图145所示为LDO的一般结构,该结构由基准参考电压产生模块、误差放大器模块、分压网络、传输元件这四部分组成。而基准电
7、路是LDO线性稳压器的核心模块,是影响稳压器精度的最主要因素6。目前常见的基准电压源采用的是带隙基准电压源,如图23所示为常见的带隙基准电压源的电路结构,带隙基准源具有电压输出稳定的特点,但该结构自身的静态电流不能降的太低,基于进一步降低静态电流的目的,本文设计的一种基准电压源如图3所示: 图中MP0,MP1,MP4,R0,MN0,MN1构成与电源无关的电流源电路,基准电压源 计算如下:(1)而MN2,MN3的栅源电压 分别表示为:(2)(3)其中MN3的W/L比较大,I为流过MP0,MP1中的电流,通过镜像,假设流过MN2,和MN3电流也为I,且电流I可表示为7:(4)将(2),(3),(4
8、)式带入(1)中可得:(5)将(5)式对T求导可得 (6)由于迁移率1m2, ,因此由式(6)可知,右式第一项具有负温度系数(典型值为-2mV/),第二项具有正温度系数,在一定温度下,通过调节MN2管的W/L值,可以使第二项与第一项的正负温度系数在常温下(可取为25)相抵消,使得Vref的温度系数为0即 ,从而产生对温度不敏感的基准电压源。相对于带隙基准电压源电路,本文所设计的电压源电路具有结构简单,很低的静态电流消耗的优点,Spectre模拟仿真结果表明,图3所示的基准电压源电路的输出稳定且静态电流仅为1.95A。1.2整体电路设计整体电路如图4所示,整个电路采用的是无锡上华CSMC0.5
9、工艺库,图中MP0,MP1,MP4,R0,MN0,MN1,MN2,MN3,MN4,R3,C0, PNP0构成基准电压源电路,MP5,MP6,MP7,MP8,MP9,MN5,MN6,MN7,MN8,C1构成误差放大器电路,其中C1用于改善VDD产生电路的动态特性8,MP11,MP12,MP13, MP14,MP15, MP16, MP17,MN9,MN10,MN11,MN12,MN13,C6构成启动电路,R4,R5构成分压网络,MP10为电压调整管9,C5为储能电容,R2、C2构成低通滤波电路。电路的工作原理如下:当初始电压VHD由0开始上升到约2V的时候,由于电容C6的作用,使得MP11,MN
10、10构成的反相器电路输出低电平,MP12,MN11构成的反相器电路输出高电平,于是MP13,MN9导通,因此MP13的漏极电压和输出电压VDD就跟会随着初始电压逐渐上升,当VHD继续上升到一定值时,MP15支路开始有电流流过,这个电流一方面通过MP14的镜像来给基准电压源电路提供启动电流,另一方面通过MN12的镜像来拉低MP11,MP10的栅极电压,当流过MP15中的电流达到一定值时,MP11,MP10的栅极电压将被拉低,于是MP13,MP17的栅极电压跳变为高电平,MN9的栅极电压跳变为低电平,因此基准电压源的启动过程结束,输出稳定的参考电压,同时误差放大器也开始正常工作,将输出电压VDD稳
11、定在3.3V左右。 从图中可以看出,VDD正常输出后为基准电压源电路提供电源,而基准电压源产生的基准参考电压又产生稳定的VDD电压输出,这种结构的优点是消除了当VHD在大的范围内变化时对基准电压源的影响,从而使得输出电压VDD受VHD的影响更小。 2.电路仿真结果 基准电压源及输出电压的仿真结果如图5所示,从图5(a)(b)中的曲线可以看出,当温度从-45变化到85时,基准电压源的输出变化了约12mV,温度系数为101.4 ppm/,在20时温度系数为0,输出电压变化了约45mV.图6为输出电压VDD随初始电压VHD的变化曲线,从图中可以看出当初始电压从3.5V变化到9V时,输出电压从3.29
12、865V变化到3.29918V,图7为负载电流突然变化时,输出电压的瞬态响应,从图中可以看出当负载电流在5µs内从5µA变化到3mA时,输出电压变化约90mV,并且很快恢复稳定输出。图8为负载电流从0变化到3mA时输出电压的变化曲线,本文设计的LDO稳压器性能总结见表1。3.结论 由于LDO结构具有很高的稳压性能以及足够的负载能力,因此该结构经常被用来作为RFID的稳压电路。本文提出了一种适用于无源RFID LDO结构的改进方案,其中重点提出了一种新的基准电压源的设计方案,利用MOS管迁移率µP,µn和VBE随温度的变化关系,产生了随温度变化较小
13、的基准电压源,并又利用输出电压为基准电压源电路供电,基准电压源产生的基准电压又产生稳定的VDD输出电压的闭环原理,使得输出电压受初始电压影响很小。本文设计的LDO电路结构具有较宽的电压输入范围(3.4-9V),低的总静态电流(5.79µA),低的电压调整率(0.099mV/V),大的负载电流(11.5mA),而RFID天线感应到的最大峰值电流约为3mA,标签芯片的数字部分的最大消耗电流约为500A,且除了温度系数低于传统的LDO结构外(传统典型值约为20 ppm/),其它各指标都优于传统LDO结构,特别是在无源RFID比较关心的静态功耗方面更是有很大的优势,因此更适用于RFID的稳
14、压器电路,其版图如图9所示。参考文献:1 FINKENZELLER K德著.射频识别(RFID)技术无线电感应的应答器和非接触 IC卡的原理与应用M.第2版.陈大才(译).北京:电子工业出版社2002.11-40.FINKENZELLER KGermany. Radio Frequency Identification (RFID) technologyRadio-induced transponder and the principle and application of non-contact IC cardM. Version 2.Translator:CHEN Da-cai. Bei
15、jing: publishing house of electronics industry,2002.11-40.2 耿淑琴,郭跃.无源电感耦合式RFID读写器天线的优化设计J.电子器件,2008,31(2):564-567.GENG Shu-qin, GUO Yue. The optimum design of inductively coupled passive RFID reader antennaJ. Chinese Journal of Electron Devices, 2008,31(2):564-567.3 杨秋平. 射频识别标签芯片模拟前端设计及实现D.武汉:华中科技大学图书馆,2006,35-37.YANG Qiu-ping. The design and implementation of analog front-end for RFID chipD.Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Library,2006,35-37.4 孙旭光,张春.超高频无源RFID标签的一些关键电路设计J.中国集成电路,2007,16(1):29-35.
