UHF RFID模擬基帶中的信道選擇濾波器設計

射頻識別( RFID)技術在當今無線通信領域應用十分廣泛。相對于LF( 120~ 135 kH z)波段和HF( 13. 56MH z) 波段， UHF波段的RFID技術能夠在m 級距離上提供數百kb it/s的數據通信， 因而備受關注。目前成功商業應用的UHF 射頻識別系統閱讀器往往采用分立元件構造， 共同的缺點是體積大、功耗大。隨著CMOS工藝技術的發展進步， 如果能夠提供基于CMOS工藝的單片閱讀器將極大的降低成本， 應用前景也將更為廣闊; 而且單片集成的閱讀器方案也符合當前多應用便攜式終端的發展趨勢， 為未來多應用整合提供可能。

　　本文設計的信道選擇濾波器用于UHF RFID閱讀器接收機模擬基帶部分， 接收機采用I/Q 兩支路正交的零中頻結構， 圖1是接收機模擬基帶結構圖。

　　根據EPC global C1G2協議要求， UHF RF ID閱讀器接收的最高數據速率達到640 kb it/s， 最大信號帶寬不超過1. 28MH z; 對于40 kbit/s的最低速率， 其信號帶寬小于250 kH z， 于是， 接收基帶信道選擇濾波器的帶寬為0. 3~ 1. 3MH z范圍內可調。

　　圖1 信道選擇濾波器用于RFID模擬基帶

　　另外， 根據transmissiON mask的要求， 相鄰兩信道的功率差為40 dB。在本信道最小信號條件下，仍要保證本信道與相鄰信道同時保持通信， 這就要求信道選擇濾波器能夠克服臨道比本道高40 dB的干擾， 于是在設計的時候要求信道選擇濾波器在兩倍頻處有大于45 dB的抑制。

　　根據UHF RFID接收機結構的特點， 在多讀寫器環境中， 接收機將面臨幅度較大的干擾信號， 這就要求濾波器有能力處理大幅度的輸入信號， 即對其線性度要求較高。為了得到更高的線性度與更好的噪聲特性， 設計采用運算放大器- RC 結構濾波器模式。通過仿真， 決定采用六階Chebyshev低通濾波器結構來實現信道選擇濾波器的設計。

　　文章首先給出了六階Chebyshev低通濾波器設計過程; 然后給出Chebyshev低通濾波器的版圖以及濾波器和運放的仿真結果; 最后做出結論。

　　1 六階Chebyshev低通濾波器設計

　　1. 1 二階Chebyshev低通濾波節

　　圖2給出了其二階低通濾波節(B iquad)結構，其傳遞函數為：

　　盡管帶內的平坦特性不如Butterworth近似，但它具有更快的幅度衰減特點。

　　圖2 二階Chebyshev低通濾波節

　　從圖2可以看到， 濾波器中的運算放大器接成了緩沖器形式， 是典型的雙端輸入、單端輸出的運算放大器。由于緩沖器的兩個輸入端均懸空， 當輸入信號為差分形式時， 無法構成全差分緩沖器[ 7 ]。通常的解決方法是用兩個單端輸出的運算放大器去實現一個全差分結構的緩沖器， 即一個運放作為正輸入端， 另一個運放作為負輸入端， 這就造成了器件數量的加倍， 輸入端的匹配也很難達到， 所形成的全差分緩沖器的性能并不理想。如何形成全差分的緩沖器， 在運放的設計過程中需要著重考慮。

　　1. 2 運放的設計

　　運算放大器是運算放大器- RC 濾波器的核心部件。根據系統的設計要求， 運算放大器開環增益在70 dB以上， 增益帶寬積大于65 MH z， 相位裕度取在65b~ 70b左右， SR值應取大于12 V /L s。上文中提出緩沖器輸入端懸空的問題， 采用全平衡差動放大器FBDDA( Fu lly BalancedD ifferentia lDifferenceAmplifier)可以方便的解決。

　　圖3給出了FBDDA的示意圖及按照負反饋方式構成的全差分緩沖器結構。FBDDA的輸入輸出關系可以表示為：

　　Ao 為理想狀態下運放的開環增益。當采用負反饋時可以得到如下的關系：

　　以上關系僅當Aoy ] 時才可以成立， 所以在設計運放時開環增益越大越好。

　　圖3 FBDDA 與全差分緩沖器