经过几年的迅速发展，非接触式智能卡（IC卡）逐渐深入到社会生活的各个方面，在小额电子消费、公共交通、公共安全等方面的应用日益展开，可以预计在未来几年之内，随着非接触卡成本的降低和人们接受程度的提高，非接触卡的应用必然扩展到占市场份额最大的物流标签领域，因此非接触式智能标签的设计开发日益受到重视。
和目前进入较大规模应用的其它用途非接触卡类产品相比，对非接触式电子标签产品的特殊要求主要集中在低成本、远距离、高适用性（防冲突、抗干扰并不干扰其它设备）这几个方面，所以我们可以定义电子智能标签是一种具有灵活的封装形式，而广泛适用于工业和商业环境以及多种用途、能够装载物品有效信息（而不是1比特）并具备防冲突功能的一种远距离（1米左右）低成本（因而能够大规模应用的）非接触式IC卡产品。
上海贝岭公司本着“为客户创造价值”的先进经营理念，针对非接触智能标签的未来的广阔市场，适时而作，开发出具有国内先进水平的智能电子标签产品 BL75R02。BL75R02是一款远距离读写电子标签芯片，主要适用于航空包裹和行李识别、邮件分选、商品流通控制以及电子防盗等领域。该芯片工作频率为13.56 MHz，配合适当的天线其有效作用距离可达70cm ，具备防冲突功能，读写器能同时处理多个芯片。芯片E2PROM容量为512比特，可分页读写，具有64位唯一序列号和特殊功能标识位（用于页锁定、应用识别等），具有至少400比特容量供用户使用。
设计指标
· 工作频率： 13.56MHz
· 读写距离： 可达70cm
· 上行速率： 26.5Kbit/s
· 帧校验方式 16位CRC校验
· 具备防冲突功能
· 支持应用类型识别（AFI）
· 特有快速读写模式
· 独有抗波动技术保证在快速移动时仍能正确读写
· 512位EEPROM
· 数据保持时间 >= 10年
· 读写次数达 >= 10万次
· 唯一序列号
· 数据可分页锁定，一旦被锁定无法修改
系统原理框图
上述智能电子标签的特殊应用要求，决定了在设计时必须在以下几个方面采用特殊技术：
1、低电压损耗的全波整流技术
2、10 ％调幅信号的解调和限幅电路的合理设计
3、电源的低功耗处理
4、支持EEPROM读写的高压产生、控制电路的低功耗设计（包括低电压工作的电荷泵，数字化频率自动调整，高压转换，EEPROM读写限流等电路的设计）
5、负载调制电路的设计
6、超低功耗数字电路的设计
7、可测性设计DFT
本文将对其中的几个问题进行探讨。
低电压损耗的全波整流技术
工作距离是非接触式智能标签最重要的一个指标。非接触卡不同于其它电路的最基本特征是自身不带电源，工作所需能量全部由天线通过射频场耦合获得，在一定发射强度下，芯片能获得所需电源的最远距离基本决定了智能电子标签的最大工作距离。设计一个电压损失小和转换效率高的整流（电源产生）电路，使芯片在较远的距离（或低的发射功率下）仍能获得可靠的供电，对提高智能标签的读写距离、可靠性等关键指标至关重要。
目前非接触卡芯片电源的产生普遍采用桥式全波整流，但在具体整流电路的实现上则根据各厂家工艺和设计的不同，有很大的差别。使用分离器件构成桥式整流电路时，只要将4个PN结二极管连成如下形式即可：
但在一般的CMOS集成电路工艺中，考虑到寄生晶体管的作用，N阱内PN结是不能正向使用的，所以一些厂家专门为此开发了特殊工艺，将横向结构的肖特基二极管直接制作在场氧上来解决上述问题。但对一般厂家或Fabless公司而言，要专门为整流电路而开发一种特殊的工艺是不经济的，而且能否和现有CMOS 工艺兼容也是一个很大的问题；另一方面PN结二极管作整流管的一个固有缺陷是PN结的正向导通压降会造成输入电压的损失，在信号较弱时会直接影响到电路能否工作，所以逐渐发展起各种半波或全波MOS管整流结构，这种结构上的创新和改进在目前也还在不断完善之中。
实践中，我们尝试了多种不同的电路结构并对它们的整流效果进行了认真的比较，最终完成一种具有零电压损失和较高转换效率的整流电路。
总的来说，CMOS工艺基础上设计整流电路既有明显的优势，如便于实现电压的无损失传输（高电平用P管，低电平用N管）和负载调制，也有潜在的危险如特定条件下会发生包括闩锁效应在内的各种大电流漏电导致功能失效等（不合理的结构和布图甚至在正常条件下也会产生闩锁效应）。
产生闩锁效应或漏电的根本原因在于由于天线两端La和Lb在整流回路中的位置比较特殊，最高电位VDD+Vds和最低电位－Vds都交替出现在La和Lb上（Vds为MOS的电压传输导通压降），而N阱工艺中要保证整个电路稳定工作，N管衬底必须接到最低电位上，N阱按常规做法也要接到最高电位上。但事实上，VDD和 GND在整个电路中处于中间电位，这样就出现了MOS器件源漏电位低于GND或高于VDD的状态，容易使寄生PNPN导通，诱发闩锁效应或其它大电流状态使电路失效，在大的发射功率和近距离的情况下，情况会更严重。
半波整流虽在一定程度上可以减小电路设计的难度，但它极低的转换效率导致距离远时难于获得足够的供电，所以我们这里主要选取有代表性的几种CMOS全波整流电路加以讨论。
易于想到的一种结构是利用Vab的极性切换来控制正负半周的电流通路，用4个NMOS实现全波整流。电路原理图如下：
以上电路在实现时需要注意两个问题：寄生管漏电和电压损耗。如前所述，由于天线端子电位VLa或VLb电位低于GND可能导致横向NPN管导通，将供电源（天线）短路造成无法提供电源。分析表明，M2、M4导通压降的大小是决定是否漏电的关键，图中Vla和VLb交叉控制，使Vds尽量远小于0.7V，从而防止寄生PNPN中PN结的导通。在设计时合理选择M2、M4的W/L，使回路电流达到50mA时，Vds小于0.4伏，并在layout时注意保护环的使用，就能有效束缚漏电及闩锁效应问题。
电压损耗主要是由于M1、M3的开启电压造成的，由于衬底偏置效应以及寄生电容的影响，M1和M3上仍然存在较大的电压损耗，实际测试表明这个电压值在1.3伏左右。
实践中，我们又提出了一种新的CMOS 整流结构来减小电压损耗，该结构充分利用NMOS和PMOS管的特点，在降低电压损耗和提高工作效率方面收到了良好的效果。电路原理图如下图所示。
这种电路结构，引入了PMOS管M1、M2替代原来作二极管接法的NMOS管，同样的原理，应用交叉控制降低导通压降。由于PMOS管要制作在N阱，需要提供阱电位，所以多了M5、M6一路整流电路产生阱电位。需要注意的是由于PMOS管的引入，且都是面积较大的管子，所以在版图的设计中要合理布局并加保护环加以保护。
RF限幅稳压和解调
尽管从理论上讲，非接触卡只要获得足够的电源电压就能够工作，但实际的情况是随着作用距离指标的加大，要解调出读卡设备发出的幅度调制命令信号会变得十分困难，解调电路的设计必须对功耗、增益、抗干扰、消除抖动干扰等指标进行合理的折中，如果单纯追求某项指标而忽略其它方面，不管是导致灵敏度降低或还是误码率提高还是其它方面，由于显而易见的木桶效应，都会直接导致智能电子标签的有效工作距离降低。这一点突出表现在射频信号的限幅电路和解调电路的设计上：一方面限幅稳压电路会使输入信号平稳、减弱，另一方面解调电路又要求信号不衰减。实际设计中，可以遵循以下思路在两者之间取得较好的平衡，保证智能标签的距离指标：
电源的设计，考虑到数字部分大多数在较低频率下工作，而模拟部分对电源电压的稳定性要求不高，可以对数字部分和模拟电路分开供电。提供给EEPROM和RF的模拟电源只要采用简单的PN结二极管串联限幅和电容滤波，因而其电源电压会随工作距离的不同在一定范围内浮动（1.8~6V），减少对信号的衰减。数字部分通过LDO稳压在1.8伏，从而供给数字部分的能量可以依据电路动作的需要进行调整。这样既保证了模拟和数字部分的正常工作，又收到了降低功耗的效果，减小功耗波动对解调电路的影响。
决定解调电路可靠性的关键在于限幅电路，可采用的解调电路有多种形式，如耦合放大电路、积分电路或多路移位动态比较电路等，这几种电路只要合理地设计好滤波、积分等时间常数，对稳定的调幅信号都可以起到很好的解调效果，问题是如何消除限幅电路的影响。限幅电路一方面要对过大的输入信号进行限幅处理，一方面又要保留有效信号不被过分衰减或阻塞，所以设计限幅电路时需要考虑以下三种反馈控制，如下图所示：
1、解调信号反馈到限幅电路中进行迟滞比较，一旦检测到信号波动（下降沿）后，应维持限幅电路的工作状态不变，也就是要暂时抑制限幅电路的进一步动作，避免限幅电路对信号造成衰减，引起误解码。
2、由于作用距离的增大，标签位置的移动对天线两端信号的影响加大，为此可在解调电路中加入抗抖动的反馈参数，由于卡片位置变化引起的抖动相对信号来说频率较低，可通过在限幅电路中加入合适的带通电路将其滤除。
3、芯片上电复位过程中，天线上的信号迅速加大，会产生过冲现象，此时电路状态很不稳定，应停止解调电路的工作，同时以过冲保护电路取代幅度检测电路，克服加入抗抖动电路而引入的对带通电路的影响，快速对天线两端电压进行限幅，从而保护电路。
低压低功耗EEPROM电路的设计：
电子标签芯片存储数据的非挥发存储器主要采用EEPROM，铁电存储器 FeRAM 在低压低功耗及擦写速度等多方面，比EEPROM具有明显优势，但因其工艺的特殊性和成本原因，现在在电子标签芯片中应用还较少，仍以EEPROM为主。
在电子标签芯片中低压低功耗EEPROM电路的设计与RF模块的设计一样重要，一般的EEPROM电路往往功耗较大，不适合在RFID芯片中直接应用，主要有待改进的地方有: 降低电荷泵最低工作电压、电荷泵由线性电源稳压改进为直接调节电荷泵电压输出的变频调压（通过改变电荷泵的频率）、加入限制擦写电流电路、优化高压控制电路等处理来减小功耗，降低RF电路的设计指标，增大最大工作距离。
1、 低工作电压电荷泵
降低 EEPROM工作电压时，遇到的难点之一就是电荷泵在低电压（约2V）输入时，所能产生的高压和电压转换效率会大大下降，甚至不能产生大于14V的擦写电压，如果为了在规范时间内产生14V的高压，而大幅度提高驱动时钟频率，又会引起功耗的加大。所以，设计出电压转换效率高、输入工作电压低的电荷泵电路，可起到增大电子标签擦写距离的关键作用。
在EEPROM电路中，电荷泵电路一般采用DICKSON式电荷泵电路，实际电路用NMOS管替代二极管即可，原理图如下：
由于Vtn在高电压的反向衬底偏置情况下会增大，从而降低电荷泵的最低工作电压，所以，在一定的时钟频率和负载下，提高电荷泵性能最有效的办法是降低Vtn，同时，可通过工艺调整，降低体阈值参数（γ）。
在电路和版图设计中，尽量减小结点寄生电容CS，同时采用低阈值电压和低体阈值参数的MOS管替代二极管。
测试结果：电荷泵的工作电压降至1.2V时, 能在150us时间内，使输出电压升到17V，极大地改善了电荷泵性能。
2、电荷泵的变频调压
电荷泵工作所需时钟一般由片内环形振荡器产生，频率在3～8 MHz,该时钟的频率高低决定了电荷泵升压的速度和效率，时钟频率越高升压越快，效率越高，但功耗也越大。可以从两个方面考察电荷泵功耗对芯片作用距离的影响：一方面是功耗（电流）的峰值，峰值越小意味着瞬态功耗越小，电路的工作越平稳；另一方面是峰值的密度及持续时间，密度及持续时间小意味着损失的能量有足够的间隔进行补充，不致出现掉电的情况。可以通过降低工作电压的方法来降低峰值，通过反馈调整时钟频率的方法来来降低峰值密度。如图所示：
时钟频率的调整是通过如下途径来实现的：通过电压检测电路可以随时监测电荷泵的输出电压，一旦发现输出电压低于某一设定值V-，正的误差信号被反馈至 VCO，促使VCO产生较高频率的时钟，电荷泵的输出电压随之抬高；而当输出电压高于某一设定值V+时，相反的作用会使VCO降低输出信号的频率，电荷泵输出电压开始回落。由于电荷泵的输出电压和其所带EEPROM负载直接相关，所以这种反馈作用有效克服了浮动的模拟电源电压和变化的EEPROM负载的影响，使得高压电源输出功率和EEPROM功耗之间建立起一种动态平衡，最大限度地节省了功耗，保证了电路工作状态的稳定。
远距离智能电子标签芯片的设计涉及到RF通信、RF能量接口、超低功耗逻辑电路、低功耗非挥发存储电路设计等多方面的综合技术，设计的重点是综合优化设计这多方面的电路，使芯片能尽量快地吸收、存储能量，减少电压损耗，减少边频干扰，同时，在各模块间合理分配能量，降低电荷损耗。
本文只是对智能电子标签芯片设计中的部分技术进行了较粗略的分析和探讨，是在芯片设计实践中的一些体会，并通过流片加以实施和验证。也许有些观点值得商榷，愿与大家进一步交流探讨，促进国内远距离智能电子标签芯片设计水平的提高！
