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射频识别标签芯片关键技术的研究与实现

作　者: 刘冬生
导　师: 邹雪城
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 射频识别标签芯片射频模拟前端整流电路能量转换效率嵌入式EEPROM 低功耗交互认证
分类号: TP391.44
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。近些年,射频识别技术以快速增长趋势在供应链、门禁、公交系统、行李跟踪等领域应用。不同的领域,对射频识别系统的要求也不一样。随着射频识别技术的逐步应用,对其更低成本和更长识别距离的需求越来越迫切。射频识别标签主要分为无源标签和有源标签两种类型,无源标签的能量来自读写器发射的射频能量,有源标签的能量来自其内置电源。无源标签具有低成本、几乎无使用寿命限制等优点。本论文系统地论述了无源标签芯片的设计与实现。首先,分别论述了基于电感耦合和电磁波反向散射两种不同工作原理的射频识别系统的能量和数据传输数学模型,以支撑射频识别标签芯片的设计和验证。其次,分别对无源射频识别标签芯片中的高转换效率的射频能量获取、低功耗低成本嵌入式EEPROM、安全认证等核心关键技术进行研究与设计。射频识别系统对标签的识别距离与整流电路的能量转换效率成正比,本论文对MOS栅交叉连接整流器和电荷泵倍压器两种整流电路结构进行研究,实现的NMOS栅交叉连接整流电路的能量转换效率为34.46%,并给出提高电荷泵倍压器的能量转换效率和标签天线上最大可用功率的利用率的优化设计方法。基于SMIC 0.35μm 2P3M嵌入式EEPROM工艺实现了一款2K-bit的EEPROM存储器。该存储器能够在宽电压范围工作:2.5V-5V,典型值3.3V。通过增加控制管的方法改善了静态功耗,采用缓变的倾斜时钟的方法有效地降低了电荷泵升压电路升压时的瞬态功耗,所提出的基于电压检测方式的灵敏放大器大大降低了EEPROM的读功耗。此外,对页单元译码配置和电源分配电路结构的优化设计有效地降低了芯片的面积。典型情况下,读电流仅为40μA,擦写峰值电流为250μA,静态工作电流为20μA,其Core尺寸0.4mm2。利用单向散列(Hash)函数来构建安全的消息认证码的方法,提出一种基于通用Hash函数的轻量级RFID安全交互认证协议,并采用多重Hash函数的Toeplitz方法产生64位认证码,给出兼容ISO/IEC 15693标准的RFID安全协议指令,采用所提出的安全认证协议后的标签芯片仅需增加1604个标准单元的成本和130μW的功耗。在论文的最后实现了一款高频射频识别标签芯片,并提出了一种符合ISO/IEC 15693标准的射频识别标签芯片的电感耦合系统验证模型。验证结果显示:所设计的高频标签芯片能够工作在标准定义的最小磁场Hmin(150 mA/m)和最大磁场Hmax(5 A/m)之间。标签芯片的面积为1.5×1.5mm2。

射频识别标签芯片关键技术的研究与实现

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