導讀: 富士通在正于美國舉行的ISSCC 2006上發(fā)表了配備FRAM的無源型UHF頻帶無線標簽系統(tǒng)的技術(shù)詳情(演講序號:17.2)。雖然FRAM已經(jīng)應用于使用13.56MHz頻帶的無線標簽中,但UHF頻帶還存在若干問題沒有解決。此次通過采用面向無線標簽的新技術(shù)解決了這些問題,比如采用“電流檢測”方式、通過電流值來讀取信號。
富士通在正于美國舉行的ISSCC 2006上發(fā)表了配備FRAM的無源型UHF頻帶無線標簽系統(tǒng)的技術(shù)詳情(演講序號:17.2)。雖然FRAM已經(jīng)應用于使用13.56MHz頻帶的無線標簽中,但UHF頻帶還存在若干問題沒有解決。此次通過采用面向無線標簽的新技術(shù)解決了這些問題,比如采用“電流檢測”方式、通過電流值來讀取信號。
通過電流檢測確保直線性
與作為非揮發(fā)性內(nèi)存廣泛使用的EEPROM相比,F(xiàn)RAM的特點是:數(shù)據(jù)寫入時的電壓低、寫入速度快。因此利用13.56頻帶的無線標簽大多使用FRAM。據(jù)富士通稱,目前“已經(jīng)供貨3億個FRAM”。不過,要在通信距離大大延長的UHF無線標簽上使用FRAM,就需要解決幾個問題。分別是(1)過近距離的通信不暢;(2)如果用CMOS技術(shù)加工標簽中的整流電路的話,轉(zhuǎn)換效率就會過低、無法確保足夠的通信距離。
(1)的原因是使用FRAM的無線標簽用的IC的耐壓低。耐壓低的話,為防止標簽接收到較大電信號,就需要保護電路。這樣,就很難保證相對于接收電信號的電源電壓的直線性和動態(tài)范圍(圖1)。一般情況下,電子電路中傳送的“0”、“1”的信息都通過“電壓檢測”這一基于電壓高低的方式來識別。當無線標簽的接收電壓太大時,也就是說通信距離太小時,相對于電力的變化幅度而言,電壓的變化幅度也非常之小,從而導致信號無法識別。
圖1:電壓的直線性較低,難以進行近距離通信。
圖2:電壓保持一定,以電流強弱來檢測信號。
對于這一問題,富士通的解決辦法是:強化保護電路、保持電源電壓幾乎不變,然后通過信號識別來檢測電流(圖2)。電流檢測就是電流的強弱分別代表“0”和“1”,以此來交換信息?!霸跓o線標簽上采用目前世界上尚無先例”(富士通)。如果電壓保持一定的話,電流對電力的變化就會表現(xiàn)出較好的直線性和較大的動態(tài)范圍。
這樣做的優(yōu)點是:不僅近距離通信容易實現(xiàn),而且通信時的振幅調(diào)制中,振幅的高低差也可以控制在較小的范圍。如果振幅高低差比較小的話,在數(shù)據(jù)傳輸速度一樣的情況下,電波所占的頻帶寬度就會小一些。
通過CMOS實現(xiàn)低閥值整流電路
?。?)中的CMOS技術(shù)引起的整流電路效率低的問題,富士通在2005年2月ISSCC上東芝發(fā)表的“閥值消除”技術(shù)的基礎(chǔ)上加以解決。無線標簽用IC的整流電路的作用是:不浪費接收電波的電力,并使用于從無線標簽到讀寫器的信號傳輸。因此,如果整流電路的轉(zhuǎn)換效率降低的話,無線標簽的通信距離也將縮短。
此次富士通將本來面向有源無線標簽開發(fā)的閥值消除技術(shù)用到了沒有電源的無源無線標簽上。為了實現(xiàn)很小的電力也能工作,開發(fā)出了將寄生容量等減至最小的電路結(jié)構(gòu)?!皷|芝只使用了nMOS二極管,而我們還使用了pMOS”(富士通系統(tǒng)LSI開發(fā)研究所泛在研究中心主任研究員桝井升一)。
這樣,在保持低閥值的同時,使用0.35μm規(guī)格的CMOS技術(shù)加工出了整流電路。整流電路的轉(zhuǎn)換效率方面,4m距離通信時高達36.6%。此次試制的無線標簽在寫入時,通信距離可達4.3m。“使CMOS技術(shù)的使用成為可能,而且制造成本也大大降低了”(桝井升一)。
原來的UHF無線標簽方面,高于閥值過高而無法在整流電路中使用CMOS技術(shù),一直采用的是使用肖特基二極管的電荷泵。但基于該技術(shù)的整流電路的轉(zhuǎn)換效率太低,只有10%左右,而且由于電路形成方面需要使用特殊工藝技術(shù),所以在微細化以及制造成本降低方面均存在問題。在2005年的ISSCC上,東芝曾宣布開發(fā)成功了使用nMOS二極管代替肖特基二極管的整流電路、轉(zhuǎn)換效率達到16.6%。