CN113259292B - 一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别技术领域，具体是指一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，所述解调电路包括信号输入模块和包络解调模块两部分，信号输入模块用于采样外部指令信号，并以调幅波形式通过双端输入至包络解调模块，包络解调模块包括共模信号提取模块和数字输出模块两部分，共模信号提取模块用于从信号输入模块输入的调制信号中提取出双端输入的差分信号的包络分量的共模电压作为包络信号，数字输出模块用于将提取出的共模信号转换成为代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。本发明采用差分输入结构对天线端进行采样，差分对管的跨导Gm可以足够大，所以该结构有较高的灵敏度和很好的适应性。

Description

一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体是指一种采用差分输入的方式，获取差分信号的共模电压作为包络信号进行解调的解调电路。

背景技术

射频识别（RFID）标签是物联网应用系统架构中最为基础的一个核心技术构件，在物流管理、资产安全和追踪管理、出入权限管理、食品安全溯源等领域起到了追踪、溯源、和大数据收集等方面的作用。射频识别标签主要的通讯方式分为主动应答和被动应答两种方式。主动应答方式，也称TTF（Tag Talks First）方式，是射频识别标签启动之后进入循环反复发送自身的ID以及数据信号的方式；被动应答方式，也称RTF方式（Reader TalksFirst），是射频识别标签在的得到读写器设备的可执行指令之后做出相应的操作，并将读写器设备所需要的反馈数据发送回读写器设备的一次性操作方式。

射频识别标签与读写器设备之间的通讯，可以通过磁场耦合的方式，也可以通过电磁波射频通讯的方式。比如以ISO11784/11785国际标准为规范的134.25KHz低频射频识别技术，和以ISO14443-A/B为技术标准的13.56MHz高频射频识别技术，和以高频射频识别技术为基础衍生而来的近场通讯（NFC）技术，都属于磁场耦合通讯的范畴，其应用特征是读写器设备的线圈和射频识别标签的线圈近距离直接的磁场耦合来传递能量和信息，电磁学传输物理特性可以由法拉第磁力线理论所解释。在以ISO18000-6C为代表的860MHz~940MHz超高频频段，是以电磁波射频通讯技术为基础的远距离射频识别技术，其应用特征是靠读写设备发出的电磁场球面波在射频识别标签频率范围内产生的谐振而获取能量和信息，电磁学传输物理特性可以由麦克斯韦尔方程组更好的描述和解释。

以磁场耦合为通讯方式为例，射频识别标签与读写器设备分别各自有一个由电感和电容器件构成的谐振电路，当这两个谐振电路的谐振频率设计成一致时，两者之间的耦合效率达到最大，能量传输的效率也最大。当上述交流磁场转变成直流电的能量转换过程是射频识别标签芯片唯一的能量来源时，该射频识别标签即称为无源射频识别标签（Passive RFID），也称为无电池射频识别标签（Battery-less RFID），顾名思义，就是不用电池的射频识别标签。无源射频识别标签对射频识别标签芯片的电路设计提出了较高的技术要求，需要以超低的功耗和低电源电压的方式完成应答和高级读写指令操作。通常，有源（带电池供电）的射频识别标签的通讯距离比无源的长，但是，无源射频识别标签可以做到极低的物料成本，并且省去了更换电池的维护费用，所以，无源射频识别标签在物联网的基础应用中获得了更加广泛的应用，同时，无源射频识别识别标签的通讯距离一直是工业界不同标签生产厂家、不同芯片制造商之间所关注的竞争要点。

图1给出了一个典型的射频识别标签的系统架构框图。其中，由电感/天线和谐振电容组成的谐振电路与读写器设备发射的射频场能量达到同频率的谐振，耦合交变磁场到电感线圈中，进而转变为交流电流；交流电流经过整流电路和限幅电路的共同作用产生了幅度适合的直流电压；直流电压在耦合的能量由少变多的过程中逼近并超过了上电复位模块监控的电压值，从而触发上电复位信号，启动了数字逻辑控制系统。自从交变射频场一开始耦合进来的时候，时钟恢复产生电路从电感线圈上的交变电流中获得了与射频场能量相同频率的时钟信号，供给到数字逻辑控制系统作为同步时钟；也是与此同时，具有自启动功能的带隙基准模块完成自启动后稳定输出一个带隙基准电压值，作为参考供后面的稳压电源模块产生较为精确的直流电源电压；直流电源给系统中的其他功能模块供电，比如解调器模块，用以解析自读写器设备发出的指令信息，时钟恢复/产生模块，用以从周围射频场能量中提取时钟方波信号，读取放大器模块，用以读取非挥发性存储器单元中的数据，写入擦除模块，用以对非挥发性内存单元进行数据擦除和数据写入等操作，数字逻辑控制/状态机模块，用以射频识别标签的状态转换控制和其他芯片模式选择设置等，非挥发性存储单元阵列模块，用以存储芯片所需要的各种设置数据和用户数据，地址译码模块，用以按地址译码后选择内存存储页面，掉电控制模块，用以控制系统的掉电过程。

高级指令模式下的下行通讯灵敏度是射频识别标签产品最重要的性能指标之一。在134.25KHz低频频段的ISO11784/11785,ISO 14223协议、13.56MHz高频频段的ISO14443-A/B协议、以及860MHz~940MHz的超高频频段的ISO18000-6C协议规定的读写器设备下发指令采取ASK (Amplitude Shift Keying)的调制方式，下发信息是以载波幅度的高低变化来传递的，比如，数字信息“0”是以未调制的载波幅度代表，即满幅振荡幅度；数字信息“1”是以调制的载波幅度代表，即不到满幅的振荡幅度。当读卡器设备采取ASK调制方式中更简单的OOK(On-Off Keying)调制方式时，读卡器设备可以进行开启发射和关断发射的简单操作来达到非调制和调制信息的目的，此时，射频识别标签上电感天线感应而产生的振荡波形因为阻尼现象而呈现自然缓慢的衰减趋势。射频识别标签端的解调电路必须将这个衰减的载波包络解析出来以得到下发指令的内容。

如图2所示，在信号幅度的维度上，调幅波的调制深度定义为：D=（a-b）/（a+b）；而在时间维度上，调制时间Tm在时间轴上的宽度，往往用若干个时钟脉冲周期数来表示，比如图中Tm=8*Tclk，其中Tclk为时钟信号，也即载波的周期。

解调电路是射频识别标签芯片中进行关键性的模拟信号处理的电路，其主要目的是将幅度调制信息从射频场能量中解析出来，以数字方波的形式输入到数字逻辑控制模块中，以完成从读写设备到射频识别标签的下行指令传输过程。解析出的包络呈现波峰和波谷的形式，其中波峰对应于读卡器设备的有场，波谷，即空隙，在空隙对应的时间段，读卡器设备往往关断场能量的发射,即采取前述OOK调制方式。解调电路解析出波峰和波谷信息的操作被称为包络解调。

从输入信号强度的角度分析下行通讯灵敏度，分为弱场和强场两种极限情形。输入信号幅度非常低，对应于射频识别标签距离读写器设备较远的应用场景；输入信号幅度非常高，对应于射频识别标签距离读写器设备很近的应用场景。很显然，高灵敏度的下行通讯要求读写器所下发的高级指令都能够正确地被射频识别标签辨识、解析并成功执行。反之，性能欠佳的解调电路无法兼顾极远和极近两种应用场景，从而产生了所谓的通讯“盲区”。

下行通讯灵敏度还体现在解调电路可以操作的调制深度范围上。深度调制时，调制深度往往大于90%，对于传统的解调电路来说是能够轻易解调出幅度信息的。但是，过于深度的调制也会造成无源射频识别标签芯片的能量收集困难，在远距离的附加条件下，因为调幅波波谷对应的时间段能量收集较为不易，造成芯片整体获取能量的水平降低而限制了其性能和可以采取的操作。另一方面，调制深度较浅时（典型的较浅的调制深度往往只有10%左右），解调电路往往不易区分输入调幅波的波峰和波谷信号，造成解调失败，也即下行通讯的失败。

下行通讯的性能直接地影响了射频识别标签更高级的应用，比如在面对众多标签同时出现在射频场环境中，读写设备通过高级指令模式进行防冲撞算法而分别辨识多个标签的应用场景，需要反复不断地发送算法所需要的下行指令才能完成。典型的应用是符合ISO18000-6C915MHz的超高频射频识别标签的盘点（Inventory）操作。其中盘点的效率，即每秒钟内可以辨识的不同射频识别标签数目与解调性能直接相关。

在包络解调中，RFID电路都必须对天线两端的调幅波信号进行处理才能获得所需要的信息。现有技术的调幅波解调过程大都采取某种整流与低通滤波结合的信号处理方式，从载波与幅度调制信号中得到一个与调幅波包络信号极为相近的低频信号，再与一个参考电平进行比较，由比较器输出代表幅度调制信号的数字方波信号，在模拟信号处理方法上，这是一个单端输入的信号处理架构。

在超低功耗为主要性能指标的RFID射频识别标签芯片应用场景中，现有技术面临诸多的问题。

首先，整流电路中所需要的单向导通器件，比如二极管器件，或者将栅极与漏极短接而形成二极管形式的MOS晶体管器件，都具有内在的导通阈值电压，比如典型的0.4V~0.6V左右的导通电压，对于915MHz超高频RFID只有的200mV~300mV幅度的输入信号来说，整流器件所要的导通电压构成了解调电路不能有效工作的一个死区（Forbidden Zone）。

再者，RFID的输入信号幅度具有非常宽泛的范围，与读写设备的发射功率有关，与RFID射频识别标签到读写设备的距离有关，也与RFID射频识别标签芯片自身因为过压保护而采取的限幅措施有关，所以上述信号处理原理中参考电平的选取往往很难兼顾各种不同的应用场景；比如在总体RFID射频识别芯片获取能量水平很低的时候，设置过高的参考电平可能会比包络信号本身的波峰电压数值还要高，或者，在能量水平过高的条件下，设置过低的参考电平也可能会比包络信号的波谷电压数值还要低，无论哪种情形的发生都会导致解调失败。

其次，调幅波调制深度的大小不一，使得参考电平的选取更增加了一个方面的限制。参考电平是在电路中设定的一个介于波峰电平和波谷电平之间的稳定电压，以用来判定输入波形处于波峰还是波谷的状态，从而达到解调的目的。在实际的工业生产和行业应用的流程中，当读写设备距射频识别标签的距离较远时，或者在批量生产的工业环境中为了降低读写设备信号干扰而主动降低读写设备的发射功率，导致射频识别标签天线端接收到的下发指令信息处于较弱的信号功率水平，此时，读写设备下发的调幅波调制深度非常的浅，调制深度D<10%,即调幅波中分别代表数据“0”和“1”的波峰幅度和波谷幅度非常接近，于是射频识别标签的解调电路往往很难解析出正确的下发指令从而导致高级指令下的通讯失败。在此之外，读卡器近距离强场的应用情景下，也会因为标签Q值可能过高的原因，导致调制深度仍然很低，D<10%，此时波峰和波谷空隙的幅度的绝对值大大增加，但是它们之间的幅度差值很小，射频识别标签的解调电路对这种情况也会很难解析出正确的下发指令。

RFID射频识别标签芯片具有面积小的特点，其无源操作的特性决定了其既没有非常稳定的电源，也没有非常稳定的地线。所以上述单端输入的信号处理架构，使得调幅波解调的灵敏度极大的受限于不稳定的地线上的各种噪声和电流扰动，在RFID通讯性能上无法达到最优。

RFID射频识别技术在各自不同的应用领域形成了各种不同的国际通讯标准，比如低频134.25KHz的ISO11784/11785和ISO14223标准，高频13.56MHz的ISO 14443 Type A/B标准，以及超高频860MHz~940MHz的ISO18000-6C标准等。上述诸多的协议规范了各种不同的通讯数据率，所以调幅波解调的信号处理架构中低通滤波器的结构往往很难在一个较为宽广的数据率范围内工作，即如果滤波器的截止频率过低则会导致忽略掉脉宽持续时间较短的包络信号，过高的话则会在解析出的信号里面包含过多的杂波分量，甚至导致误解调，所以固定频率的低通滤波架构在高性能的调幅波解调电路中是一个限制性的因素。另一方面，读卡器设备的实施方式不同造成了断场空隙的宽度有一定的容差范围，即调制时间的空隙长度Tm的变化范围可以从2*Tclk变化到20*Tclk；虽然包络信号的频率分量往往与载波相比在频谱上有足够大的间距从而滤波技术得以应用在包络解调上，但是断场空隙时间长度的容差范围过大也会导致滤波截至频率无法准确确定；包络解调的效果往往不是容纳了过多的载波信号分量，就是造成包络信号的上升沿和下降沿的电平转换的瞬态时间过长，从而导致违反脉宽调制协议。

应用实践表明，过度灵敏的解调电路也会产生负面的影响。在读卡器设备和射频识别标签都处于高Q值的情形下，过度灵敏的解调电路也会将未调制的场强度起伏解析成波峰-波谷空隙信号，从而造成通讯失败。

以上兼顾多种应用需求的设计要求往往具有十分巨大的挑战性，换言之，电路也会变得十分复杂而难以做到最优化的设计，在最终成形的产品上也体现出射频识别标签芯片的下行通讯性能不佳。

现有技术有各种针对解调电路的自适应调节技术用来解决此处所阐述的问题，对于无源射频识别标签来说，其功耗根本性地决定了通讯距离，同时，电路复杂度所造成的芯片尺寸成本决定了该产品的商业价值和竞争性。

如图3所示，现有技术专利申请CN107633189A中公开了一个基于二极管检波电路和滤波电路为基础的解调技术。当输入信号经过二极管18和19分成两路之后，分别通过两个滤波电路获得不同频率分量的波形以供后续处理。该结构作为传统技术的应用，因为二极管阈值的作用，对输入信号幅度较低的情况较难进行检波操作，而且单端信号输入不易于排除地线不稳定的干扰因素，比较难于获得一个高性能的包络解调。

发明内容

本申请针对在无源射频识别标签芯片电路中解调电路的设计需要兼顾多种应用场景的挑战，提出了一个创新性的掉电控制电路和解决方案，本方案使得读写设备到射频识别标签的下行通讯模式中命令解调的灵敏度大大增加，有效的降低了解调电路本身的设计难度。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，包括信号输入模块和包络解调模块两部分，

所述信号输入模块用于采样外部指令信号，并以调幅波形式通过双端输入至所述包络解调模块；

所述包络解调模块包括共模信号提取模块和数字输出模块两部分，所述共模信号提取模块用于从所述信号输入模块输入的调制信号中提取出双端输入的差分信号的包络分量的共模电压作为包络信号，所述数字输出模块用于将提取出的共模信号转换成为代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。

实现本发明目的的技术方案还进一步的包括，所述共模信号提取模块包括第一限流电阻R1，第一N型MOS管NM1，第二N型MOS管NM2，频率选择电容C2和第一电流源I1，所述数字输出模块包括反相器INV1，

所述第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的栅极分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极均通过第一限流电阻R1连接至整流输出电源，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极相连，并连接至数字输出模块，即反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端作为所述解调电路的输出端，频率选择电容C2一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极，另一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，并通过第一电流源I1接地，

由差分对管的电路特性可知，在小信号工作状态下，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的共同源极连接点A就是输入差分信号的共模信号部分，再加上频率选择电容C2的滤波作用，该共模信号可以近似取做输入调幅波信号的包络，再经过后级逻辑电路的整形，即可以得到代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。

实现本发明目的的技术方案还进一步的包括，所述频率选择电容C2为电压控制的变容二极管器件，控制电压为由不同的开关接入进来的、在变容二极管的控制电压所允许的范围内离散的几个电压点，而开关信号和包络信号的数据率对应关系存储于RFID射频识别芯片内部的非挥发性存储单元中，使得固定结构的包络解调电路可以适用于多种下行通讯数据率的要求。

采用上述结构的本发明，其有益效果包括：

1、本发明采用差分输入结构对天线端进行采样，差分对管的跨导Gm可以足够大，以至于天线两端的输入谐振电压的幅度理论上可以做到非常的小，仍然可以解调出包络信号，所以该结构有较高的灵敏度；

2、本发明差分对管的电源部分采取了未经过稳压电源稳压的整流输出电源，使得本技术结构在微弱信号输入条件和强信号输入条件下均可适用，也就是在RFID射频识别标签处于极远端的弱场条件和近距离的强场条件下，该结构有着很好的适应性，对于前述调幅波调制深度D<10%的解调困难的情况，因为差分信号处理的采用，本发明都完全可以处理；

3、本发明中可调整的偏置电压对变容二极管的控制机制的采用，使得本技术适用于RFID射频识别标签技术标准中诸多的传输数据率的要求而无需改动电路结构，本结构还根本性地消除了外接参考电压作为辅助包络解调和峰值检测的需求，进一步地扩大了本技术在各种场景的适用性，同时，本电路结构可以由纳安 (10^-9)级的偏置电流源提供直流偏置，能够很好地满足无源射频识别标签超低功耗的应用需求；

4、本发明总体上提高了射频识别标签的解调能力，具体表现在解调电路的适用范围大大扩展了，降低了解调电路模块的设计难度和生产制造成本，提升了射频识别标签芯片产品的竞争性。

附图说明

图1为无源射频识别标签芯片体系结构框图；

图2为无源射频识别标签调幅波波形图；

图3为现有检波技术为基础的解调电路结构图；

图4为本发明电路结构框图；

图5为本发明共模信号提取模块实施例一电路结构图；

图6为本发明共模信号提取模块实施例二电路结构图；

图7为本发明共模信号提取模块实施例三电路结构图；

图8为本发明信号调节模块电路结构框图；

图9为本发明信号调节模块实施例一结构图；

图10为本发明信号调节模块实施例二结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明所述一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，包括信号输入模块和包络解调模块两部分，

所述信号输入模块用于采样外部指令信号，并以调幅波形式通过双端输入至所述包络解调模块；

所述包络解调模块包括共模信号提取模块和数字输出模块两部分，所述共模信号提取模块用于从所述信号输入模块输入的调制信号中提取出双端输入的差分信号的包络分量的共模电压作为包络信号，所述数字输出模块用于将提取出的共模信号转换成为代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。

本发明所述的信号输入模块可分为有线采样或无线采样，有线采样方式包括但不限于管脚输出单元的采样或探针采样，无线采样方式为采样谐振电路天线端的电压信号。通过管脚输出单元采样的方式常见于识别标签芯片跳过空中接口而与主系统有线连接的应用中，调幅波信号由主系统通过芯片管脚以接触式传输到达芯片解调电路；探针采样的方式往往被用于批量晶圆在测试机台上进行自动化测试的应用中，也是不通过RFID空中接口的一种链接方式，此时，测试机台的探针与芯片管脚接触，测试机台发送的测试指令通过探针到达芯片解调电路。

当采样方式为无线采样时，信号输入模块采样谐振电路天线端的电压信号，对无源射频识别标签天线端耦合的读卡器下发的指令信号进行采样，所述谐振电路包括并联连接的谐振电感L1和谐振电容C1，谐振电路的天线两端分别输入至包络解调模块，作为所述信号输入模块的输出端。

图5为本发明共模信号提取模块实施例一电路结构图，本实施例中，信号输入模块采用无线采样的方式，共模信号提取模块采用由一对N型MOS管构成差分对管，从所述信号输入模块双端输入的差分信号的共模电压中解调出包络信号的结构。

所述共模信号提取模块包括第一限流电阻R1，第一N型MOS管NM1，第二N型MOS管NM2，频率选择电容C2和第一电流源I1，所述数字输出模块包括反相器INV1，

所述第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的栅极分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极均通过第一限流电阻R1连接至整流输出电源，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极相连，并连接至数字输出模块，即反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端作为所述解调电路的输出端，频率选择电容C2一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极，另一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，并通过第一电流源I1接地。

本实施例中，差分输入对管的两个输入端分别接至RFID射频识别芯片谐振回路的两端，第一电流源I1与第一限流电阻R1分别为差分输入对管的偏置电流和负载。根据谐振回路的特性，两个输入端的电压极性是严格的反相，故而差分对管始终工作在输入平衡的状态中。假设暂时忽略电路中频率选择电容C2的作用，由差分对管的电路特性可知，在小信号工作状态下，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的共同源极连接点A就是输入差分信号的共模信号部分，即：

V_A=（V_IN1 + V_IN2）/2 – V_thNM1,NM2

其中，V_IN1，2分别为两个输入差分信号电压，V_thNM1,NM2为差分对管NM1和NM2的导通阈值电压，在此基础上，进一步考虑到频率选择电容C2的作用，只有满足由C2设定的频率选择条件的信号分量,即包络信号，得以到达节点A，其他频率分量的信号，比如载波信号，在取共模运算和频率选择的双重作用下被该结构过滤掉。上述方程表达式可以进一步写成：

V_A =（V_{IN1_Env}+ V_{IN2_Env}）/ 2 – V_thM1,M2

其中，V_{IN1_Env}和V_{IN2_Env}分别为输入信号V_IN1和V_IN2的包络分量。显然，该节点A的信号即可以近似取做输入调幅波信号的包络，再经过后级逻辑电路的整形，即可以得到代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。而且由于是差分输入，差分对管的跨导Gm可以足够大，以至于天线两端的输入谐振电压的幅度理论上可以做到非常的小，仍然可以解调出包络信号，所以该结构有较高的灵敏度。当天线两端的输入谐振电压很高时，差分对管在大信号模式下工作，两个N型MOS管NM1和NM2的作用相当于正半周和负半周期间内的单向导通整流器件，电荷得以在正负两个半周被搬移到节点A，与传统包络解调电路中的整流器件作用一致。

本发明采用差分输入结构对天线端进行采样，差分对管的跨导Gm可以足够大，以至于天线两端的输入谐振电压的幅度理论上可以做到非常的小，仍然可以解调出包络信号，所以该结构有较高的灵敏度。并且，由于本发明差分对管的电源部分采取了未经过稳压电源稳压的整流输出电源，使得本技术结构在微弱信号输入条件和强信号输入条件下均可适用，也就是在RFID射频识别标签处于极远端的弱场条件和近距离的强场条件下，该结构有着很好的适应性，对于前述调幅波调制深度D<10%的解调困难的情况，因为差分信号处理的采用，本发明都完全可以处理。

图6为本发明共模信号提取模块实施例二电路结构图，本实施例中，信号输入模块采用无线采样的方式，而共模信号提取模块采用由一对P型MOS管构成差分对管，从所述信号输入模块双端输入的差分信号的共模电压中解调出包络信号的结构，

所述共模信号提取模块包括第五电流源I5，第四P型MOS管PM4，第五P型MOS管PM5，频率选择电容C2及第三限流电阻R3，

所述第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的栅极分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极相连，并通过第五电流源I5连接至整流输出电源，所述第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极端同时连接至数字输出模块，漏极端相连并通过所述第三限流电阻R3接地，所述频率选择电容C2一端连接至第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极，另一端连接至第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的漏极。

该实施例的工作原理与实施例一相同，此处不再赘述。

图7为本发明共模信号提取模块实施例三电路结构图，本实施例中，信号输入模块继续采用无线采样的方式，而共模信号提取模块采用由一对二极管构成差分对管，从所述信号输入模块双端输入的差分信号的共模电压中解调出包络信号的结构，

所述共模信号提取模块包括第一二极管D1，第二二极管D2，滤波电容C3和滤波电阻R2，

所述第一二极管D1和第二二极管D2的阳极端分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第一二极管D1和第二二极管D2的阴极端相连，并连接至由滤波电容C3和滤波电阻R2组成的低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端连接至数字输出模块。

上述实施例为本申请的另一种简化差分输入的包络检波技术，图中的滤波电容可以是固定电容，也可以是可变电容。该技术沿用了两个差分对管的源极互相短接的连接特征，即两个二极管的阴极短接在一起，从而不但在输入谐振信号的正负两个半周都可以实现在节点A的整流功能，同时在节点A连接的低通滤波器，如果其截止频率选取合适的话，输入信号的载波高频分量也被过滤掉，只留下低频的包络分量，从而在A点得到的也是输入谐振电路两端电压的包络分量的共模信号,即谐振电路两端信号的平均量。与图5和图6的由直流电流源提供偏置的差分对管的情形不同，此处的两个二极管是纯粹的外部输入电压偏置的，两个外部输入电压分别遵循两个严格反相的正弦波变化时，根据二极管物理器件的伏安特性可知，两个二极管的导通电流也是分别遵循两个严格反相的正弦波的变化规律，此消彼长地变化，而交流分量在节点A因为信号严格反相叠加而抵消，得到的只有同相的共模信号。

上述三个实施例中所述的频率选择电容C2为电压控制的变容二极管器件，控制电压为由不同的开关接入进来的、在变容二极管的控制电压所允许的范围内离散的几个电压点，而开关信号和包络信号的数据率对应关系存储于RFID射频识别芯片内部的非挥发性存储单元中，使得固定结构的包络解调电路可以适用于多种下行通讯数据率的要求。

电路中频率选择电容C2和电流源起到了低通滤波器所固有的滤波电容和电阻的作用（实施例一和实施例二）。其中，频率选择电容C2的实施，是采取了半导体集成工艺中常见的电压控制变容二极管（也叫可变电容）器件，其特点是控制电压分别处于不同的数值时，其对应的电容值会产生一定程度的变化；于是该技术方案带来了解调电路可以适应多种不同数据率的包络解调的优越性。控制电压的设定可以在变容二极管的控制电压所允许的范围内采取离散的几个电压点，由不同的开关接入进来，而开关信号和包络信号的数据率对应关系可以存储在RFID射频识别芯片内部的非挥发性存储单元中。由此，一个固定结构的包络解调电路可以适用于多种下行通讯数据率的要求。

上述可调整的偏置电压对变容二极管的控制机制的采用，使得本技术适用于RFID射频识别标签技术标准中诸多的传输数据率的要求而无需改动电路结构，本结构还根本性地消除了外接参考电压作为辅助包络解调和峰值检测的需求，进一步地扩大了本技术在各种场景的适用性，同时，本电路结构可以由纳安 (10^-9)级的偏置电流源提供直流偏置，能够很好地满足无源射频识别标签超低功耗的应用需求。

作为本发明的另一种实施例，所述共模信号提取模块输出端与数字输出模块的输入端之间连接有信号调节模块，如图8。

图9为本发明信号调节模块实施例一结构图，本实施例中，所述信号调节模块用于将节点A的电压进行整形和摆幅放大，其本质是将节点A的电压与反相器INV1中（隐含的）NMOS晶体管阈值电压进行比较。很显然，经过信号调节模块的摆幅放大之后，反相器INV1输入端的信号幅度已经足够大，很容易与其内部的NMOS晶体管的阈值电压进行区分和比较。与传统的电路结构相比，本技术不需要一个外接的参考电压来做峰值检测的判定。电路中反相器INV1的电源采取稳压后的数字逻辑电源供电，从而产生的逻辑信号具有数字逻辑系统所要求的摆幅而与输入谐振信号幅度无关，也不需要外接参考电压做辅助判定。

所述信号调节模块为连接于电源端与地线之间的第一P型MOS管PM1和第二电流源I2，

所述第一P型MOS管PM1源极连接至稳压电源模块作为所述信号调节模块的电源端，其栅极连接至所述第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，作为信号调节模块的输入端，其漏极端通过第二电流源I2接地，并同时连接至反相器INV1的输入端，所述第一P型MOS管PM1在第二电流源I2的偏置作用下，对A点电压进行整形和摆幅放大，从而将节点A的电压与反相器INV1中的晶体管阈值电压进行区分和比较。

图10为本发明信号调节模块实施例二结构图，所述信号调节模块为连接于电源端与地线之间的差分放大器、第五N型MOS管NM5、第三电流源I3和第四电流源I4，

第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3、第三N型MOS管NM3和第四N型MOS管NM4连接成差分放大器，所述第三N型MOS管NM3的栅极连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，作为所述差分放大器的正输入端，第四N型MOS管NM4的栅极连接至所述第五N型MOS管NM5的源极，作为所述差分放大器的负输入端，第五N型MOS管NM5的栅极连接至第四N型MOS管的漏极，并连接至反相器INV1的输入端，作为所述差分放大器的输出端，第三电流源I3连接至第五N型MOS管NM5的源极端，为其提供偏置电流，第四电流源I4连接至第三N型MOS管NM3和第四N型MOS管NM4的源极，为所述差分放大器提供偏置电流。

上述信号调节模块是一个改进型的实施方案，为了使得包络解调后得到的节点A电压信号消除差分对管（如NM1和NM2或者是PM4和PM5）的阈值电压的影响，A点的电压被接至一个由第三N型MOS管NM3和第四N型MOS管NM4构成的差分输入放大器的一个输入端，差分放大器由第四电流源I4提供直流偏置，第二P型MOS管PM2和第三P型MOS管PM3构成的电流镜作为差分对管的负载。第五N型MOS管NM5的栅极与该差分放大器的负输入端，即第四N型MOS管NM4的漏极相连，形成稳定的负反馈结构。第四N型MOS管NM4的栅极进一步地与第五N型MOS管NM5的源极相连，而第五N型MOS管NM5由第三电流源I3提供直流偏置，于是NM5构成了一个源极跟随器（Source Follower）的用法。该负反馈结构的作用是用第五N型MOS管NM5的阈值电压与差分对管（如NM1和NM2或者是PM4和PM5）的阈值电压进行匹配，从而以反馈的形式迫使该差分放大器的输出电压进一步逼近了天线端IN1和IN2输入电压的包络信号的共模值，而差分对管（如NM1和NM2或者是PM4和PM5）的阈值则被环路反馈补偿掉了,即（差分对管以NM1和NM2为例）：

V_thNM5 =V_thNM1,NM2

V_X=V_A+V_thNM5=(V_{IN1_Env}+ V_{IN2_Env}）/2–V_thNM1,NM2+ V_thNM5=(V_{IN1_Env}+ V_{IN2_Env}）/2

Vx电压经过逻辑反相器的整形之后，输出得到代表调幅波包络的数字方波信号，完成包络解调功能。

本发明解调电路的所述信号输入模块包括有线输入和无线输入两种实施方式，所述共模信号提取模块包括由一对N型MOS管构成差分对管、由一对P型MOS管构成差分对管和由一对二极管构成差分对管三种实施方式，而所述信号调节模块又可以包含无调节模块、调节模块用于将A点的电压进行整形和摆幅放大、以及调节模块用于对差分对管的阈值电压进行补偿三种实施方式。本发明所述解调电路可采用将上述各模块的几种不同实施方式中的任意一种进行组合搭配，从而实现灵活多变的解调电路结构，以适应不同的电路应用需求。本发明总体上提高了射频识别标签的解调能力，具体表现在解调电路的适用范围大大扩展了，降低了解调电路模块的设计难度和生产制造成本，提升了射频识别标签芯片产品的竞争性。

Claims (10)

1.一种差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，包括信号输入模块和包络解调模块两部分，

所述信号输入模块用于采样外部指令信号，并以调幅波形式通过双端输入至所述包络解调模块；

所述包络解调模块包括共模信号提取模块和数字输出模块两部分，所述共模信号提取模块由一对差分输入对管构成，所述一对差分输入对管的漏极相互连接，并连接至负载，所述差分输入对管的源极相互连接，并连接至偏置电流源，所述一对差分输入对管的栅极分别连接至所述信号输入模块的两个输入端，用于从所述信号输入模块输入的调制信号中提取出双端输入的差分信号的包络分量的共模电压作为包络信号，所述数字输出模块用于将提取出的共模信号转换成为代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。

2.根据权利要求1所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述信号输入模块采样外部指令信号分为有线采样或无线采样，有线采样方式包括但不限于管脚输出单元的采样或探针采样，无线采样方式为采样谐振电路天线端的电压信号。

3.根据权利要求2所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述谐振电路包括并联连接的谐振电感L1和谐振电容C1，所述谐振电路的天线两端分别输入至包络解调模块。

4.根据权利要求1所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述共模信号提取模块包括第一限流电阻R1，第一N型MOS管NM1，第二N型MOS管NM2，频率选择电容C2和第一电流源I1，所述数字输出模块包括反相器INV1，

所述第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的栅极分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极均通过第一限流电阻R1连接至整流输出电源，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极相连，并连接至数字输出模块，即反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端作为所述解调电路的输出端，频率选择电容C2一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的漏极，另一端连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，并通过第一电流源I1接地，

由差分对管的电路特性可知，在小信号工作状态下，第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的共同源极连接点A就是输入差分信号的共模信号部分，再加上频率选择电容C2的滤波作用，该共模信号可以近似取做输入调幅波信号的包络，再经过后级逻辑电路的整形，即可以得到代表输入调幅波包络信息的数字方波信号。

5.根据权利要求1所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述共模信号提取模块包括第五电流源I5，第四P型MOS管PM4，第五P型MOS管PM5，频率选择电容C2及第三限流电阻R3，

所述第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的栅极分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极相连，并通过第五电流源I5连接至整流输出电源，所述第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极端同时连接至数字输出模块，漏极端相连并通过所述第三限流电阻R3接地，所述频率选择电容C2一端连接至第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的源极，另一端连接至第四P型MOS管PM4和第五P型MOS管PM5的漏极。

6.根据权利要求1所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述共模信号提取模块包括第一二极管D1，第二二极管D2，滤波电容C3和滤波电阻R2，

所述第一二极管D1和第二二极管D2的阳极端分别连接至谐振电路的天线两端，作为所述共模信号提取模块的第一输入端和第二输入端，第一二极管D1和第二二极管D2的阴极端相连，并连接至由滤波电容C3和滤波电阻R2组成的低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端连接至数字输出模块。

7.根据权利要求4-5中任一项所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述频率选择电容C2为电压控制的变容二极管器件，控制电压为由不同的开关接入进来的、在变容二极管的控制电压所允许的范围内离散的几个电压点，而开关信号和包络信号的数据率对应关系存储于RFID射频识别芯片内部的非挥发性存储单元中，使得固定结构的包络解调电路可以适用于多种下行通讯数据率的要求。

8.根据权利要求4中任一项所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述共模信号提取模块输出端与数字输出模块的输入端之间连接有信号调节模块。

9.根据权利要求8所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述信号调节模块用于对节点A的电压进行整形和摆幅放大，从而将节点A的电压与反相器INV1中的晶体管阈值电压进行比较，并根据比较的结果输出解调信号，其结构为连接于电源端与地线之间的第一P型MOS管PM1和第二电流源I2，

所述第一P型MOS管PM1源极连接至稳压电源模块作为所述信号调节模块的电源端，其栅极连接至所述第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，作为信号调节模块的输入端，其漏极端通过第二电流源I2接地，并同时连接至反相器INV1的输入端，所述第一P型MOS管PM1在第二电流源I2的偏置作用下，对A点电压进行整形和摆幅放大，从而将节点A的电压与反相器INV1中的晶体管阈值电压进行区分和比较。

10.根据权利要求8所述的差分输入的射频识别标签调幅波包络信号解调电路，其特征在于，所述信号调节模块用于通过环路反馈结构对差分对管第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的阈值电压进行补偿，其结构为连接于电源端与地线之间的差分放大器、第五N型MOS管NM5、第三电流源I3和第四电流源I4，

第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3、第三N型MOS管NM3和第四N型MOS管NM4连接成差分放大器，所述第三N型MOS管NM3的栅极连接至第一N型MOS管NM1和第二N型MOS管NM2的源极，作为所述差分放大器的正输入端，第四N型MOS管NM4的栅极连接至所述第五N型MOS管NM5的源极，作为所述差分放大器的负输入端，第五N型MOS管NM5的栅极连接至第四N型MOS管的漏极，并连接至反相器INV1的输入端，作为所述差分放大器的输出端，第三电流源I3连接至第五N型MOS管NM5的源极端，为其提供偏置电流，第四电流源I4连接至第三N型MOS管NM3和第四N型MOS管NM4的源极，为所述差分放大器提供偏置电流。

Images