下一代UHFRFID应答器开发设计详细论述

　　应答器设计的成本依赖于几个因素，而不仅仅是硅的成本。事实上，芯片制造工艺的成本(就其复杂性和成熟程度与良率而言)一般可以由电路设计师来控制。根据经验，当裸片面积超过1mm2时，用于供应链应用的RFID的成本开始下降。

　　当RFID应答器从系统的最小范围运动到最大范围时，其功率大致变化三十倍，所以RFID应答器的功率要求可能对设计师提出了一个难于预测的挑战。尽管UHFRFID应答器可以获得的典型功率在一百毫瓦数量级，但该问题并非仅限于功耗。即使是在短距离内，可以对应答器提供足够的功率却可能导致电压过载。应答器还必须工作在从-25℃~+40℃的标称工作范围内，以及从-40℃~+65℃基于EPCGen2标准的扩展温度范围内。

　　成本与功率要求极大地影响了对用于生产RFID应答器IC的工艺选择。正如在先前系列文章中所提到的，肖特基接触在RFID应答器设计中提供了低开启电压、低结电容以及高电流驱动。另外，已经有人致力于采用新的工艺，例如BiCMOS以及蓝宝石硅片(SOS)，其提供了极佳的低功耗性能。但每种方法都有其不利的一面。在CMOS工艺中肖特基接触并非是常规的，而一般需要后处理步骤。其它工艺诸如BiCMOS和SOS对大多数RFID应答器应用而言又太贵了。

　　实现低功耗电路要求的另一个方法是动态阈值电压MOSFET(DTMOS)技术。其可以利用体硅CMOS技术实现廉价生产。其全部优势非常适合于开发下一代UHFRFID应答器，本文将对此作详细论述。本文将首先介绍DTMOS的基本原理。接下来，DTMOS在数字、模拟以及射频领域的实现将被重点说明，这是由于UHFRFID应答器包括了涉及所有这三个领域的电路。最后，将演示满足EPCGen2指标UHFRFID的DTMOS带隙参考电路的芯片实现。

　　DTMOS属于基本上采用互连的阱和栅的MOS晶体管(图1)。对于双阱p衬底CMOS工艺，由于只能单独控制和生产N阱的这一事实，所以只能采用P型DTMOS，这是因为N型DTMOS的P阱具有到P衬底的共同和低欧姆的通路。然而，N型DTMOS可以在具有深N阱特性的工艺中获得。DTMOS的操作类似于弱反型MOS的操作，相似于横向PNP管中的三极管操作。弱反型MOS晶体管的漏电流与横向PNP的集电极电流(都在饱和区)为：

　　其中：F=FBJT=VBE。用于三极管，F=FWIM=[(VGS-VT)&TImes;COX/(COX+CdepleTIon)]用于弱反型MOS晶体管。

　　耗尽层电容的值依赖于耗尽层的宽度，其依次依赖于阱的掺杂特性，以及在硅中源极结附近的电压降。因此，该因素依赖于所采用的阱-源电压和通过阈值调制效应所采用的阱-源电压。

　　DTMOS可以被看作基极上具有额外栅的横向双极PNP管。基于这一观点，DTMOS的漏电流主要取决于通过源—阱结的电压，其在VGS与ID之间产生了理想的指数(类似双极)关系。由于互连栅—阱的存在，在栅和阱之间存在着内建电压FGW。由于电容的分配，电压FGW在栅氧和硅上被再次分配。这意味着硅中的电压降由于FGW作为势垒，降低了电压Fb1，DTMOS的漏电流可以表示为：

　　由这些推导得出的关键结果如下：

　　1.与硅PN结的1.2V相比，DTMOS器件的带隙显然是0.6V;

　　2.DTMOS器件具有理想的指数特性[IDaexp(qVGS/kT)];

　　3.DTMOS器件的横向电流具有exp(qFb1/kT)因子，其比通常的横向PNP要大;

　　4.带隙电压具有明显的温度依赖性。

　　采用0.25umDTMOS工艺生产的初步成功设计工作在77K温度下，使用0.6V电源电压并将衬底连接到固定的正向偏置电压。接下来的试验包括受控栅横向双极晶体管(GCLPNP)以及衬底连接到栅端的硅绝缘体(SOI)MOSFET工艺。第一种工艺用于小型的低功耗模拟应用，而第二种工艺是超低功耗CMOS的典型最佳候选技术。

　　DTMOS技术在其产生的栅—延迟/功耗方面与传统的CMOS技术相比显示出惊人的性能优势。DTMOS还在RF电路中显示出优越性能。在传统的CMOS中，缩小到更小特征尺寸和阈值电压(VTH)的工艺增加了工作速度。然而，VTH的降低也导致了亚阈值MOSFET行为的下降。静态电路中静态电流的增加，将VTH限制为0.4V。DTMOS可能可以克服这些约束，特别是工作在具有陡峭的亚阈值特性的极低VDD和低VTH下。对DTMOS，栅输入电压正向偏置了衬底，根据著名的体效应公式，VTH将降低：