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超高频RFID阅读器接收机射频前端电路的研究与设计

作　者: 谷江
导　师: 毛陆虹
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 射频识别阅读器接收机混频器晶体振荡器频率综合器
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 4次
引　用: 0次
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内容摘要

现在自动识别技术在制造、物流、销售及服务行业变得不可缺少。条形码标签在过去的几十年里使识别系统发生了重大的革命，但是由于其存储空间小，不可再编程，而且识别过程中必须可视等问题，需要新的技术来改善这些问题。近场电感耦合RFID系统发展成熟，但是读取速率慢，识别范围距离有限。为了能够实现更远的读取距离（10m以上）、更快的读取速率（640kbps以上），工作于860-960MHz超高频范围的无源RFID标签得到了迅速发展，尤其是在供应链管理方面[1][2]。本文主要介绍了单芯片RFID阅读器接收机的结构，以及关键模块的设计，包括混频器、晶体振荡器和频率综合器。本文完成的工作如下：设计了一款900MHz零中频正交下变频混频器，该混频器采用共跨导级正交结构，并利用电流注入技术减小噪声，在UMC0.18μm CMOS工艺下流片实现，总面积为1mm×1.1mm。最终芯片测试结果为：混频器在1.8V电压下消耗电流3.7mA，带宽范围880MHz到940MHz，增益16.42dB，三阶截点为4.625dBm，在100kHz处噪声系数为15.2dB。芯片能够达到阅读器的性能要求。通过使用石英晶体作为参考可以获得很高的频率精度（100ppm以下），所以设计了一个晶体振荡器作为频率综合器的参考频率。本文选择了Pierce结构的振荡器并进行了分析。通过电路阻抗轨迹圆的方式详细分析了线性模型，并考虑到损耗的影响，在无损耗的条件下推导了基本振荡情况和牵引频率、临界跨导等公式。由于电路非线性的问题会对振幅和频率稳定性造成影响，本文也进行了分析。晶体振荡器使用自动幅度控制环路降低功耗，保证晶体的稳定，并降低非线性对频率的影响。振荡器建立时间为1.2ms，在100kHz和1MHz处，输出相位噪声分别为148dBc/Hz和149dBc/Hz。设计了应用于RFID阅读器的小数N频率综合器，为了获得更大的频率输出范围，压控振荡器采用了开关电容阵列和自动频率控制技术，VCO的输出范围从880Mz到1.02GHz，增益为30MHz/V。使用4位3阶single-loop ΣΔ调制器减小相位噪声，并且频率精度达到了200Hz。建立时间不超过100μs，版图面积为1.5mm×1.6mm。在100kHz和1MHz处，PLL的输出相位噪声分别为93dBc/Hz和123dBc/Hz。

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