复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（硕士士学位论文）超高频射频识别读写器接收机载波消除射频前端的研究与设计.pdf_大学文库

目录 I 目录摘要......................................................................................................................................... III Abstract .................................................................................................................................. IV 第一章引言........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ................................................................................................................. 1 1.2 UHF RFID 读写器的研究进展 ............................................................................. 2 1.2.1 UHF RFID 系统的协议及频率规范 ......................................................... 2 1.2.2 UHF RFID 读写器的研究现状及技术难点 ............................................. 3 1.3 论文的主要工作及组织结构 ................................................................................. 6 第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 ..................................... 8 2.1 UHF RFID 系统分析及读写器接收机系统指标 ................................................. 8 2.1.1 UHF RFID 系统协议分析 ......................................................................... 8 2.1.2 UHF RFID 系统信道分析 ....................................................................... 10 2.1.3 UHF RFID 读写器接收机系统指标 ........................................................ 11 2.2 UHF RFID 读写器接收机系统架构 ................................................................... 13 2.2.1 UHF RFID 读写器接收机前端载波泄漏分析 ....................................... 13 2.2.2 UHF RFID 读写器接收机系统架构 ....................................................... 15 2.3 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 ................................... 16 2.3.1 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 ....................... 16 2.3.2 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统指标 ....................... 17 第三章载波消除低噪声放大器的设计与实现 ................................................................ 21 3.1 LNA 的原理及应用 ............................................................................................. 21 3.2 载波消除 LNA 的设计与实现 ............................................................................ 22 3.2.1 载波消除 LNA 的设计难点 .................................................................... 22 3.2.2 载波消除 LNA 的电路结构 .................................................................... 23 3.2.3 带中心抽头的差分叠层电感的设计 ....................................................... 24 3.2.4 载波消除 LNA 性能分析 ........................................................................ 28 3.3 载波消除 LNA 的测试考虑和版图后仿 ............................................................ 31 3.3.1 测试考虑 ................................................................................................... 31 3.3.2 版图设计 ................................................................................................... 32 3.3.3 版图后仿 ................................................................................................... 33

目录 II 第四章正交下变频混频器的设计与实现 ........................................................................ 35 4.1 Gilbert 混频器的性能分析 .................................................................................. 35 4.1.1 Gilbert 混频器结构 .................................................................................. 35 4.1.2 Gilbert 混频器性能分析 .......................................................................... 36 4.1.3 Gilbert 混频器设计准则 .......................................................................... 43 4.2 正交下变频混频器的设计 ................................................................................... 43 4.2.1 正交下变频共用跨导级的性能分析 ....................................................... 43 4.2.2 MGTR 技术提高混频器线性度的原理分析与电路实现 ...................... 50 4.2.3 寄生垂直 NPN BJT 在混频器中的应用 ................................................. 52 4.2.4 正交下变频混频器的设计及优化 ........................................................... 54 4.2.5 版图设计 ................................................................................................... 57 4.3 正交下变频混频器的测试与分析 ....................................................................... 58 4.3.1 PCB 设计 .................................................................................................. 58 4.3.2 芯片测试与分析 ....................................................................................... 61 第五章载波消除检测电路的设计与射频前端的系统仿真 ............................................ 65 5.1 亚阈值 MOS 管峰值检测器 ................................................................................ 65 5.1.1 工作原理 ................................................................................................... 65 5.1.2 电路设计 ................................................................................................... 67 5.1.3 版图后仿 ................................................................................................... 68 5.2 低失调比较器 ....................................................................................................... 70 5.2.1 性能指标及电路结构 ............................................................................... 70 5.2.2 比较器电路设计 ....................................................................................... 71 5.2.3 非交叠时钟发生器设计 ........................................................................... 75 5.2.4 版图设计及后仿 ....................................................................................... 77 5.3 射频前端的系统仿真 ........................................................................................... 80 第六章总结与展望 ............................................................................................................ 83 6.1 总结 ....................................................................................................................... 83 6.2 展望 ....................................................................................................................... 84 附录 A 标签天线散射能量与入射能量的比值 ............................................................... 85 参考文献 ................................................................................................................................ 86 致谢......................................................................................................................................... 89

摘要摘要本文基于EPC Global Class-1Gen-2协议对UHF RFID读写器接收机进行了研究，提出了载波消除射频前端的系统架构，并在SMC0.18umRF1P6M标准CMOS工艺下实现了完整的射频和载波消除检测链路。论文首先分析了UHF RFID系统协议接收链路的数据特征和系统信道，计算出了读写器接收机的性能指标：然后对读写器接收机前端特有的载波泄漏进行了定量分析，给出了接收机的系统架构：接着提出了载波消除射频前端的系统架构，并进行了系统分析和计算，为各模块制定了设计目标。其次，设计了带载波消除功能的低噪声放大器。分析了载波消除LNA的设计难点并给出了解决方案，接着为射频电路的版图设计提供了一些设计规则。同时讨论了带中心抽头的差分电感的设计、仿真、建模及拟合。再次，对Gilbert混频器进行了详细的性能分析，为基于Gilbert单元的有源混频器的设计提供了准则。分析了正交下变频混频器共用跨导级结构较传统结构的性能优势，并讨论了多栅晶体管(MGTR)技术提高混频器的线性度和寄生垂直NPN Bipolar 管降低混频器闪烁噪声的原理及电路实现。最后给出了详细的混频器的测试和结果分析。论文还设计了载波消除检测电路的各模块。先介绍了亚阈值MOS管峰值检测器的工作原理，并进行了电路实现。其次利用自较零技术、预放大器和锁存器级联结构实现了低失调比较器，并对非交叠时钟发生器进行了讨论与设计。最后，论文对载波消除射频前端链路存在5dBm载波泄漏的情况下进行了系统仿真。仿真结果表明，射频前端具有1ldB的双边带噪声系数、5.3dBm的IP3和40dBm的 IP2,可以达到-80dBm的灵敏度和较好的抗邻道干扰能力，达到和超过了系统指标，能有效地解决载波泄漏问题，实现高性能的单芯片读写器。关键词：射频识别超高频读写器单芯片标准CMOS工艺载波泄漏低噪声放大器正交混频器峰值检测器低失调比较器中图分类号：TN492 Ⅲ

摘要 III 摘要本文基于 EPC Global Class-1 Gen-2 协议对 UHF RFID 读写器接收机进行了研究，提出了载波消除射频前端的系统架构，并在 SMIC 0.18um RF 1P6M 标准 CMOS 工艺下实现了完整的射频和载波消除检测链路。论文首先分析了 UHF RFID 系统协议接收链路的数据特征和系统信道，计算出了读写器接收机的性能指标；然后对读写器接收机前端特有的载波泄漏进行了定量分析，给出了接收机的系统架构；接着提出了载波消除射频前端的系统架构，并进行了系统分析和计算，为各模块制定了设计目标。其次，设计了带载波消除功能的低噪声放大器。分析了载波消除 LNA 的设计难点并给出了解决方案，接着为射频电路的版图设计提供了一些设计规则。同时讨论了带中心抽头的差分电感的设计、仿真、建模及拟合。再次，对 Gilbert 混频器进行了详细的性能分析，为基于 Gilbert 单元的有源混频器的设计提供了准则。分析了正交下变频混频器共用跨导级结构较传统结构的性能优势，并讨论了多栅晶体管（MGTR）技术提高混频器的线性度和寄生垂直 NPN Bipolar 管降低混频器闪烁噪声的原理及电路实现。最后给出了详细的混频器的测试和结果分析。论文还设计了载波消除检测电路的各模块。先介绍了亚阈值 MOS 管峰值检测器的工作原理，并进行了电路实现。其次利用自较零技术、预放大器和锁存器级联结构实现了低失调比较器，并对非交叠时钟发生器进行了讨论与设计。最后，论文对载波消除射频前端链路存在5dBm载波泄漏的情况下进行了系统仿真。仿真结果表明，射频前端具有11dB的双边带噪声系数、5.3dBm的 IIP3 和40dBm 的 IIP2，可以达到−80dBm 的灵敏度和较好的抗邻道干扰能力，达到和超过了系统指标，能有效地解决载波泄漏问题，实现高性能的单芯片读写器。关键词：射频识别超高频读写器单芯片标准 CMOS 工艺载波泄漏低噪声放大器正交混频器峰值检测器低失调比较器中图分类号：TN492

Abstract Abstract Based on EPC Global Class-1 Gen-2 protocol,this thesis investigates the receivers of UHF RFID readers and proposes a system architecture of the carrier-leakage cancellation RF front-end.The entire RF front-end and detection link is designed and implemented in SMIC 0.18um RF 1P6M standard CMOS process. According to the analysis of the signal characteristics for return link and the channel of UHF RFID systems,the system specification for receiver is calculated.The carrier-leakage special to UHF RFID readers is analyzed in quantity and the system architecture for receiver is proposed.Then the carrier-leakage RF front-end system is presented and system analysis and calculation are done to settle the module specifications. In the design of carrier-leakage cancellation LNA (Low Noise Amplifier),the design challenges are analyzed and the solutions proposed.Some design rules for RF layout design are summarized.Besides,the design,simulation,modeling and fitting of differential inductor with centre tap are also discussed here. The performance of Gilbert mixers are analyzed in detail,with a concluded guideline for the design of active mixers.The performance of quadrature mixers with shared gm stage is analyzed,and the MGTR(Multiple Gated Transistor)configuration which improves the mixer's linearity and the parasitic vertical NPN Bipolar transistors which reduce the mixer's flicker noise are discussed.The testing setup and results analysis are then given in detail. The carrier-leakage cancellation detection link is also designed.The principle of sub-threshold MOS peak detector is stated and the circuit is implemented.The low offset comparator with auto-zeroing is designed in cascaded configuration of preamplifier and latch to gain high speed.Non-overlapping clock generator is also discussed and designed. Finally,the proposed RF front-end is simulated with 5dBm carrier leakage.The results show a DSB NF of 11dB,an IIP3 of 5.3dBm and an IIP2 of 40dBm,which demonstrates a sensitivity of -80dBm and good anti-interference capacity.The results exceed the system specification and indicate its effectivity in solving the carrier-leakage problem and implementing high performance single chip readers. Key Words:Radio Frequency Identification;Ultra High Frequency;Reader;Single Chip; Standard CMOS Process;Carrier-Leakage;Low Noise Amplifier;Quadrature Mixer;Peak Detector;Low-Offset Comparator IV

Abstract IV Abstract Based on EPC Global Class-1 Gen-2 protocol, this thesis investigates the receivers of UHF RFID readers and proposes a system architecture of the carrier-leakage cancellation RF front-end. The entire RF front-end and detection link is designed and implemented in SMIC 0.18um RF 1P6M standard CMOS process. According to the analysis of the signal characteristics for return link and the channel of UHF RFID systems, the system specification for receiver is calculated. The carrier-leakage special to UHF RFID readers is analyzed in quantity and the system architecture for receiver is proposed. Then the carrier-leakage RF front-end system is presented and system analysis and calculation are done to settle the module specifications. In the design of carrier-leakage cancellation LNA (Low Noise Amplifier), the design challenges are analyzed and the solutions proposed. Some design rules for RF layout design are summarized. Besides, the design, simulation, modeling and fitting of differential inductor with centre tap are also discussed here. The performance of Gilbert mixers are analyzed in detail, with a concluded guideline for the design of active mixers. The performance of quadrature mixers with shared gm stage is analyzed, and the MGTR (Multiple Gated Transistor) configuration which improves the mixer’s linearity and the parasitic vertical NPN Bipolar transistors which reduce the mixer’s flicker noise are discussed. The testing setup and results analysis are then given in detail. The carrier-leakage cancellation detection link is also designed. The principle of sub-threshold MOS peak detector is stated and the circuit is implemented. The low offset comparator with auto-zeroing is designed in cascaded configuration of preamplifier and latch to gain high speed. Non-overlapping clock generator is also discussed and designed. Finally, the proposed RF front-end is simulated with 5dBm carrier leakage. The results show a DSB NF of 11dB , an IIP3 of 5.3dBm and an IIP2 of 40dBm , which demonstrates a sensitivity of −80dBm and good anti-interference capacity. The results exceed the system specification and indicate its effectivity in solving the carrier-leakage problem and implementing high performance single chip readers. Key Words: Radio Frequency Identification; Ultra High Frequency; Reader; Single Chip; Standard CMOS Process; Carrier-Leakage; Low Noise Amplifier; Quadrature Mixer; Peak Detector; Low-Offset Comparator

第一章引言 2 表 1.1 各频段 RFID 系统的工作特性工作频段典型工作频率典型波长能量传递方式典型通信距离低频(LF) 125-134 kHz ～2 千米电感耦合 <10 厘米高频(HF) 13.56 MHz ～20 米 <1 米超高频(UHF) 860-960 MHz ～30 厘米电磁场耦合 1-10 米微波段(Microwave) 2.4-2.45 GHz ～12 厘米 1-3 米 1.2 UHF RFID 读写器的研究进展 1.2.1 UHF RFID 系统的协议及频率规范 UHF RFID 系统主要存在两大标准和协议的制定者：EPC Global 和 ISO（国际标准化组织）。EPC Global 针对电子产品编码(Electronic Product Code, EPC)的 UHF RFID 系统制定了 EPC Global Generation-2 (Gen-2)协议,而 ISO 针对物品管理用 UHF RFID 制定了 ISO/IEC 18000-6 标准[2]（分 A 类和 B 类两种）。2006 年 7 月，ISO 组织经过修改通过 EPC Global Class-1 Generation-2 协议，宣布将其作为 ISO/IEC 18000-6 标准的 C 类[3]。这一标准的合并意味着基于 Gen-2 协议开发的 UHF RFID 系统可以得到全球范围的认可和市场，从而促进无源 UHF RFID 系统的竞争和发展，最终为用户带来更低的成本。 EPC Global 目前定义了五种电子标签，分别为 Class-0 - Class-4[4]。Class-0～Class-2 是无源标签，采用背向散射技术向读写器返回数据。其中 Class-0 是只读标签；Class-1 是读写标签，内含 EEPROM，可多次读写；Class-2 在 Class-1 的基础上扩充了更多功能，如可选存储空间等。Class-3 为半有源标签，通过背向散射或者负载调制技术向读写器返回数据，内部集成的电源可以对标签和传感器供电。Class-4 为有源标签，有电源供电，因此可以对读写器或其他标签发起通信。表 1.2 EPC Global Class-1 Generation-2 主要物理层参数方向通信频率调制方式编码方式数据率 R T ⇒ 860-960 MHz DSB-ASK,SSB-ASK,PR-ASK PIE 26.7kbps-128kbps T R ⇒ 860-960 MHz ASK,PSK FM0 40kbps-640kbps Miller 5kbps-320kbps

第一章引言本文研究的读写器基于EPC Global Class--1 Generation-2协议，工作在860MHz 960MHz,由读写器发起通信，无源标签通过背向散射返回数据，其主要的物理层参数如表1.2所示。 UHF RFID的频率规范不尽相同，全球大致可以分为三大区域：一是美国区域，只要落在902-928MHz的范围内；二是欧洲区域，落在865.6-867.6MHz的范围内：第三是亚太部分，频段的确定较为复杂，有些国家除了开放900MHz的范围外，还增加了860MHz的频段，如新加坡、香港等。中国也于2007年公布了UHF RFID的频率规范，从而在法律上确定了UHF频段在中国用于RFID的合法性和必须满足的频率要求。频率的最终确定将有利于推动UHF RFID的应用，同时国际的UHF RFID产品也将可以合法地进入中国（只要符合频率规范）。表1.3所示是全球主要国家的UHF RFID 频率规范。表1.3全球主要国家的UHF RFID频率规范国家频率功率技术美国、加拿大 902-928MHz 4W eirp FHSS 902-907.5MHz 4W eirp FHSS 巴西 915-928MHz 4W eirp FHSS 澳大利亚 920-926MHz 4W eirp 英国、法国、德国 865.6-867.6MHz 2W erp LBT 印度 865-867MHz 4W erp 日本 952-954MHz 4W eirp 908.5-910MHz 4W eirp LBT 韩国 910-914MHz 4W eirp FHSS 920.25-924.75MHz,840.25-844.75MHz 2W erp FHSS 中国 920-925MHz,840-845MHz 0.5W erp FHSS 1.2.2 UHF RFID读写器的研究现状及技术难点随着深亚微米工艺的不断发展，标签芯片的制造成本不断降低，然而读写器的设计和制造一直停留在分立器件的板级实现上，居高不下的制造成本严重限制了其普及。表1.4列举了国内外部分UHF RFID读写器供应商，目前只有WJ Communications 提供了读写器的单芯片实现方案WJM3000,与现在市场上可以买到的组件相比，它使用的分立元件减少了60%。可以预见，随着RFID的广泛应用，读写器单芯片的实现势在必行，而电路设计经验的积累和电路制造工艺的发展也为其提供了可能

第一章引言 3 本文研究的读写器基于 EPC Global Class-1 Generation-2 协议，工作在 860MHz～ 960MHz，由读写器发起通信，无源标签通过背向散射返回数据，其主要的物理层参数如表 1.2 所示。 UHF RFID 的频率规范不尽相同，全球大致可以分为三大区域：一是美国区域，只要落在 902-928MHz 的范围内；二是欧洲区域，落在 865.6-867.6MHz 的范围内；第三是亚太部分，频段的确定较为复杂，有些国家除了开放 900MHz 的范围外，还增加了 860MHz 的频段，如新加坡、香港等。中国也于 2007 年公布了 UHF RFID 的频率规范，从而在法律上确定了 UHF 频段在中国用于 RFID 的合法性和必须满足的频率要求。频率的最终确定将有利于推动 UHF RFID 的应用，同时国际的 UHF RFID 产品也将可以合法地进入中国（只要符合频率规范）。表 1.3 所示是全球主要国家的 UHF RFID 频率规范[5]。表 1.3 全球主要国家的 UHF RFID 频率规范国家频率功率技术美国、加拿大 902-928MHz 4W eirp FHSS 巴西 902-907.5MHz 4W eirp FHSS 915-928MHz 4W eirp FHSS 澳大利亚 920-926MHz 4W eirp 英国、法国、德国 865.6-867.6MHz 2W erp LBT 印度 865-867MHz 4W erp 日本 952-954MHz 4W eirp 韩国 908.5-910MHz 4W eirp LBT 910-914MHz 4W eirp FHSS 中国 920.25-924.75MHz,840.25-844.75MHz 2W erp FHSS 920-925MHz,840-845MHz 0.5W erp FHSS 1.2.2 UHF RFID 读写器的研究现状及技术难点随着深亚微米工艺的不断发展，标签芯片的制造成本不断降低，然而读写器的设计和制造一直停留在分立器件的板级实现上，居高不下的制造成本严重限制了其普及。表 1.4 列举了国内外部分 UHF RFID 读写器供应商，目前只有 WJ Communications 提供了读写器的单芯片实现方案 WJM 3000，与现在市场上可以买到的组件相比，它使用的分立元件减少了 60％。可以预见，随着 RFID 的广泛应用，读写器单芯片的实现势在必行，而电路设计经验的积累和电路制造工艺的发展也为其提供了可能

第一章引言表1.4 UHF RFID读写器部分供应商实现供应商典型产品工作频率(MHz) 协议方式 ALR-9800 902-928 EPC C1G1,C1G2 分立 Alien ALR-8800 865.6-867.6 EPC CO/C0+/C1 G2 器件 EPC C1G2 MPR-2010AN 902-928 IS018000-B 分立 AWID EPC CO/CO+/C1 G2 器件 MPR-3014 922-928 ISO18000-B IP4 UHF EPC CIGI/C1G2 分立 Intermec EPC G2 IF5 865/915/950 器件 IS018000-6B CSL 4-port 915 IS018000-6C 分立 Impinj CSHL 4-port 符合IS018000-6C IS018000-6C 器件 RFS-2300 902-928 IS018000-6C 瑞福科技分立 RFS-1500 902-928 IS018000-6B/C 器件 WJM 3000 902-928 EPC C1G2 WJ Communications 芯片 WJC 200 860-960 IS018000-6B/C 目前，国内外在UHF RFID读写器接收机的CMOS单芯片集成方面的科学文献不多，主要是其实现中存在着一些不同于GSM、CDMA等收发机系统的技术难点。突出的几点如下： (1)、载波泄漏在UHF RFID系统中，无源标签芯片工作所需的能量以及返回信号的能量均从读写器发射的载波中获得。在R一T阶段，读写器将命令调制在高频载波上，通过天线向外发射，处于有效场区内的标签接收到调制信号后，一方面对调制信号进行整流得到工作电压，为整个芯片提供能量，另一方面对调制信号进行检波、解调，得到命令。在T一R阶段，读写器继续向标签发射未经调制的连续载波，一方面标签可以持续从读写器获得能量，另一方面标签可以根据返回数据调节本身天线的反射系数，从而调制该连续载波，并将调制后的连续载波背向散射回读写器，完成数据的返回。因此，无论是发射还是接收数据，读写器的天线会持续发射很大的载波信号，载波信号通过环行器(Circulator)或定向耦合器(Directional Coupler)泄漏进入接收前端，能量可以达到OdBm以上，远远大于接收信号的能量。又由于标签背向散射的返回机制决定了接收和发送信号为同一载波频率，无法在接收机前端通过射频带通滤波器将泄漏的载波

第一章引言 4 表 1.4 UHF RFID 读写器部分供应商供应商典型产品工作频率(MHz) 协议实现方式 Alien ALR-9800 902-928 EPC C1G1,C1G2 分立 ALR-8800 865.6-867.6 EPC C0/C0+/C1 G2 器件 AWID MPR-2010AN 902-928 EPC C1G2 ISO 18000-B 分立器件 MPR-3014 922-928 EPC C0/C0+/C1 G2 ISO 18000-B Intermec IP4 UHF EPC C1G1/C1G2 分立 IF5 865/915/950 器件 EPC G2 ISO 18000-6B Impinj CSL 4-port 915 ISO 18000-6C 分立 CSHL 4-port 符合 ISO 18000-6C ISO 18000-6C 器件瑞福科技 RFS-2300 902-928 ISO 18000-6C 分立 RFS-1500 902-928 ISO 18000-6B/C 器件 WJ Communications WJM 3000 902-928 EPC C1G2 芯片 WJC 200 860-960 ISO 18000-6B/C 目前，国内外在 UHF RFID 读写器接收机的 CMOS 单芯片集成方面的科学文献不多，主要是其实现中存在着一些不同于 GSM、CDMA 等收发机系统的技术难点。突出的几点如下：（1）、载波泄漏在 UHF RFID 系统中，无源标签芯片工作所需的能量以及返回信号的能量均从读写器发射的载波中获得。在R T ⇒ 阶段，读写器将命令调制在高频载波上，通过天线向外发射，处于有效场区内的标签接收到调制信号后，一方面对调制信号进行整流得到工作电压，为整个芯片提供能量，另一方面对调制信号进行检波、解调，得到命令。在T R ⇒ 阶段，读写器继续向标签发射未经调制的连续载波，一方面标签可以持续从读写器获得能量，另一方面标签可以根据返回数据调节本身天线的反射系数，从而调制该连续载波，并将调制后的连续载波背向散射回读写器，完成数据的返回。因此，无论是发射还是接收数据，读写器的天线会持续发射很大的载波信号，载波信号通过环行器(Circulator)或定向耦合器(Directional Coupler)泄漏进入接收机前端，能量可以达到0dBm 以上，远远大于接收信号的能量。又由于标签背向散射的返回机制决定了接收和发送信号为同一载波频率，无法在接收机前端通过射频带通滤波器将泄漏的载波

第一章引言信号滤除，使得接收机前端产生减敏(desensitization)和阻塞(blocking),严重影响了接收链路的动态范围。因此，如何在保证一定灵敏度的情况下，抑制载波泄漏对接收机造成的影响，是提高读写器接收性能的关键。 (2)、闪烁噪声由于UHF RFID读写器收发同频，因此大部分读写器采用零中频结构，使得收发两路可以共用一个频率综合器。但是，从EPC Global Class-.1 Generation-2协议中可以看到，接收信号的基带数据率不高，可能只有几十kHz,因此受电路闪烁噪声的影响很大，从而大大恶化了接收机的灵敏度，减小了阅读距离和读取率。如何在CMOS工艺中减小器件闪烁噪声对接受信号的影响，改善信噪比，提高灵敏度，也是UHF RFID 读写器接收机的一个设计难点。 (3)、直流失调直流失调是零中频接收机中的常见问题，主要由于本振信号通过寄生耦合到混频器输入端，与自身“自混频”，在输出端形成一个直流失调电平，破坏了后级电路的直流工作点，影响基带模拟电路的线性度等性能。在UHF RFID接收机中，由于接收信号中本身就混有很大的接收机泄漏过来的载波信号，直流失调问题更加严重，因此，如何避免使用片外滤波电容进行交流耦合，在片上消除下变频后的直流失调也成为设计中的一个难点和关键。 2007年，在ISSCC(International Solid State Circuits Conference)上首次出现了3篇关于单芯片读写器设计的论文，对以上设计难点给出了一些不同的方案。在[6中，I Kipins等人将天线上接收到的射频信号直接送入有源混频器的共栅级跨导管以达到较高的射频前端压缩点，使用BT得到较低的闪烁噪声，同时用采样保持交流耦合电容消除直流失调，在OdBm载波泄漏的情况下可以达到-80dBm左右的灵敏度，但是这一设计用BiCMOS工艺实现，射频前端电路采用了高达5V的电源电压，并且采样保持交流耦合电容仍是片外实现：在[7刀中，Ickjin Kwon等人用CMOS工艺，1.8V的电源电压设计了一个具有较高线性度的接收机，这个设计中不使用低噪声放大器，直接用无源混频器将接收的射频信号下变频，并通过直流反馈回路消除直流失调电平，但由于射频前端无增益，使得整个接收机的噪声系数受基带模拟电路制约，灵敏度性能较差；在[8]中，Aminghasem Safarian等人在LNA中设计了线性和非线性两条通路，线性通路放大射频信号和泄漏载波，非线性通路限幅射频信号和泄漏载波，两路在LNA 输出端相减以消除泄漏载波，得到线性放大的射频信号，此设计采用CMOS工艺和 3.3V电源电压，可以处理很大的载波泄漏，但是射频信号的线性度也受到较大的影响，使得在多读写器情况下的读取率下降。这些工作在不同的技术难点上做了一些创新性的工作，为我们的研究和设计提供了很好的思路和基础。 5

第一章引言 5 信号滤除，使得接收机前端产生减敏(desensitization)和阻塞(blocking)，严重影响了接收链路的动态范围。因此，如何在保证一定灵敏度的情况下，抑制载波泄漏对接收机造成的影响，是提高读写器接收性能的关键。（2）、闪烁噪声由于 UHF RFID 读写器收发同频，因此大部分读写器采用零中频结构，使得收发两路可以共用一个频率综合器。但是，从 EPC Global Class-1 Generation-2 协议中可以看到，接收信号的基带数据率不高，可能只有几十 kHz，因此受电路闪烁噪声的影响很大，从而大大恶化了接收机的灵敏度，减小了阅读距离和读取率。如何在 CMOS 工艺中减小器件闪烁噪声对接受信号的影响，改善信噪比，提高灵敏度，也是 UHF RFID 读写器接收机的一个设计难点。（3）、直流失调直流失调是零中频接收机中的常见问题，主要由于本振信号通过寄生耦合到混频器输入端，与自身“自混频”，在输出端形成一个直流失调电平，破坏了后级电路的直流工作点，影响基带模拟电路的线性度等性能。在 UHF RFID 接收机中，由于接收信号中本身就混有很大的接收机泄漏过来的载波信号，直流失调问题更加严重，因此，如何避免使用片外滤波电容进行交流耦合，在片上消除下变频后的直流失调也成为设计中的一个难点和关键。 2007 年，在 ISSCC(International Solid State Circuits Conference)上首次出现了 3 篇关于单芯片读写器设计的论文，对以上设计难点给出了一些不同的方案。在[6]中，I. Kipins 等人将天线上接收到的射频信号直接送入有源混频器的共栅级跨导管以达到较高的射频前端压缩点，使用 BJT 得到较低的闪烁噪声，同时用采样保持交流耦合电容消除直流失调，在 0dBm 载波泄漏的情况下可以达到-80dBm 左右的灵敏度，但是这一设计用 BiCMOS 工艺实现，射频前端电路采用了高达 5V 的电源电压，并且采样保持交流耦合电容仍是片外实现；在[7]中，Ickjin Kwon 等人用 CMOS 工艺，1.8V 的电源电压设计了一个具有较高线性度的接收机，这个设计中不使用低噪声放大器，直接用无源混频器将接收的射频信号下变频，并通过直流反馈回路消除直流失调电平，但由于射频前端无增益，使得整个接收机的噪声系数受基带模拟电路制约，灵敏度性能较差；在[8]中，Aminghasem Safarian 等人在 LNA 中设计了线性和非线性两条通路，线性通路放大射频信号和泄漏载波，非线性通路限幅射频信号和泄漏载波，两路在 LNA 输出端相减以消除泄漏载波，得到线性放大的射频信号，此设计采用 CMOS 工艺和 3.3V 电源电压，可以处理很大的载波泄漏，但是射频信号的线性度也受到较大的影响，使得在多读写器情况下的读取率下降。这些工作在不同的技术难点上做了一些创新性的工作，为我们的研究和设计提供了很好的思路和基础