[实用新型]一种RFID EEPROM 电荷泵

说明书

技术领域

本实用新型涉及EEPROM领域，尤其涉及一种应用于RFID集成电路中的一种EEPROM电荷泵。

背景技术

无线射频识别（Radio Frequency Identification ，缩写RFID）系统通常包含RFID阅读器和一组RFID标签。RFID阅读器和标签通过无线方式完成通信，用于传输ID和数据，这些数据通常都存储在RFID芯片中的内嵌EEPROM上。RFID标签通常都是无源的，通过从RFID阅读器中发送的射频场获取所需的能量。由于RFID标签可获取的能量有限，且随着与RFID阅读器的距离增加而减小，所以尽量降低RFID标签的功耗就变得很重要，特别是对于UHF RFID系统就更是如此。通常RFID标签工作在-20dBm甚至更低的功率下，工作电压通常为1V。

RFID标签通常采用EEPROM存储ID和数据，在EEPROM中，是通过给浮栅施为16V高压信号从而强制注入电荷而实现数据位的存储。电荷是通过量子穿隧效应转移到浮栅上的，当高压信号消失后，电荷仍会保留。这就使得晶体管处于“ON”状态，相反，当浮栅上没有电荷存在时处于“OFF”状态。

电荷泵通常是先给电容充电直至供电电平，然后交换电容两个终端，以使得在充电过程中处于接地电势的电容底端经过转换后处于供电电压电势，这样就使得另外一端处于两倍于供电电压电平。电容中的电荷然后可以转移到下一个电容，并重复上述过程。通过这样一系列的处理，就可以获得比输入电压高得多的电压信号。“迪克森”电荷泵是一种典型电荷泵结构，如图1所示，为分立元件实现方式，二极管1用来防止电荷通过反向漏电，一个双相时钟输出端2提供双向时钟信号用来交换电容用以通过低压端5的低压Vin产生高压端4的高压Vout。这种方案的主要缺点是电压转移效果受到二极管前向电压的限制。

图2为一种迪克森电荷泵用于集成电路的结构原理图，采用晶体管2连接成二极管的方式替代了原有二极管1的方式，和分立元件方式一样采用了双相时钟用于驱动电荷泵，其双相时钟信号如图3所示，该电路和分立元件一样，由于受到NMOS晶体管门限电压V_th的限制，电压转移效率并不十分理想。另外一个问题通常称为“衬底效应”，即CMOS晶体管的V_th电压信号随着源极和漏极之间的电压增加而增加。每增加一级，电荷泵的效率就比上一级更低。这种效应在升压的级数越多时就越明显。

图4为一种克服“衬底效应”的电荷泵电路，每个晶体管6的栅极电压通过额外的晶体管实现“自举”，自举晶体管增加了施加到主晶体管的电压，这时就需要一种非叠合四相时钟电路，其信号波形图如图5所示。即使采用了这种方式的自举电路，也很难从低于1.8V的电压信号产生编程所需的16V高压。因此，现在绝大部分RFID标签都只能实现读写的非对称操作，这是因为读操作通常需要1V左右的电压信号，而写则需要较高的电压，通常约1.5V。这就造成了读写操作距离的不对称，写距离通常只有读取距离的一半。

在静态情况下，在输出电压已经达到最大值并进入稳态后，电荷泵的消耗电流主要取决于负载值。电荷泵的输出阻抗，比如电流供电能力，主要取决于电荷泵的驱动时钟的频率。除尝试提高电荷泵的效率外，在改善电荷泵静态电流消耗方面并没有太多的改进余地。

然而，在电荷泵的初始充电阶段，消耗电流要比静态下高很多。初始的电流消耗是无源RFID标签芯片需要考虑的重点。无源RFID标签芯片从阅读器发射的电磁波中获取能量，入射信号电平可能非常低，通常需要使用射频电荷泵用来产生足够高的工作电压。电荷泵一般有很多级，导致输出电阻很高。此外，标签天线通常都调谐在高Q状态以匹配电荷泵的输入级。所有上述这些因素都会限制RFID输入级的提供较大电流的能力。此外，增加一个较大容量的解耦电容也会带来许多问题，如体积和成本增加等。所以，最大可能的降低EEPROM电荷泵的初始电流大小就变得极为重要，这也成为限制标签灵敏度和读取距离的最关键因素。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于RFID标签芯片的EEPROM电荷泵，在降低所需的供电电压的同时，最大限度降低峰值电流的消耗，从而提高标签芯片的灵敏度和读写距离。