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1

摘要

本論文討論使用於無線射頻辨識系統(RFID)之標籤晶片系統的電路設計和

晶片製作，初步設計標籤晶片的基本功能，設計流程包含數位軟體及功能的模

擬、基本邏輯閘及類比電路的設計與晶片電路的佈局考量。

論文的第一部份是序論、射頻辨識系統的規劃、辨識系統的規格介紹及制

定，而第二部份是標籤晶片設計、晶片量測、結論。

電路的初步設計功能為:使用電容作頻率緩衝的Schmitt trigger Clock、

CRC-16的錯誤偵測編碼、Manchester編碼及使用單一電路做到整流、振盪及調

變的功能，最後完成晶片的實作。

2

Abstract This thesis is about the circuit design of the Tag part in the Radio Frequency

Identification (RFID) system and the basic function of Tag. The design procedures include the simulation of digital software and functions; the next is the design of the basic logic gates and analog circuits and the last one is the considerations for IC layout.

The first part of the thesis includes the introduction, the planning of the RFID

system, the formation and formulation of the specification of RFID system, and the second part focuses on chip design, measurement, and the conclusion of the thesis.

The preliminary designed functions of the circuit is: being the Schmitt trigger

Clock using the capacitance to be a frequency buffer, being the error detective code of CRC-16, being the Manchester code and making rectification, oscillation, and modulation through single circuit. Finally, this IC design is complete.

3

致謝

想起剛開始求學的徬徨、辛苦和苦悶，到現在的自信、毅力和求知的喜悅，

經過研究所兩年的努力，終於成功的達到人生的一個旅程碑，最感謝的是指導教

授田慶誠博士的循循善誘，從修專題開始的”你說呢?”、”有那麼難嗎?”，到

研究所的”靠你自己!”、”分析問題”、”解決問題”和”以問題來回答你的

問題”，這種認真、用心和熱忱”教”和 ”學”的態度，是我一輩子的所遵循

與學習的典範，老師，謝謝您!!!

感謝王志湖老師的教導，畢業學長江俊杰的啟蒙，工研院的刑博士和學長:

佳柏、峰哥、宗育、士慶、良昌、仲加、幼林、鈺民、建榮、超文、祐徵的指導，

和同學:學敏、柏成、嘉豪、明志、宗憲、黃新、昭陽大哥、佳清、光慶的陪伴，

學弟:繼中、偉廷、子彬、怡誠、、、等的討論，兩年的時光，謝謝你們大家的

愛護，一起成長。

張家銓謹識中華民國九十三年七月新竹風城

4

目錄

摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

Abstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2

致謝⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

目錄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

第一章序論

1-1 研究動機

圖1-1 .條碼卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

圖1-2 .磁粉卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

圖1-3 .磁條卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

圖1-4 .晶片卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 16

圖1-5 .RFID卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17

1-2 研究目標

1-3 研究流程

圖1-6. 研究流程圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20

第二章射頻辨識系統規劃

2-1 射頻辨識系統介紹

2-1.1 何謂RFID

圖2-1.RFID卡片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21

5

2-1.2 RFID系統的組成

圖2-2. 典型的RFID系統應用圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 22

圖2-3. RFID系統之 Tag端電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖2-4. 讀卡機⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 24

圖2-5. RFID系統之 Reader端電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 26

2-1.3 RFID 的優缺點

2-2 射頻辨識系統基本原理介紹

2-2.1 射頻辨識系統的工作原理

2-2.1.1 射頻辨識系統的通訊及傳能的感應方式

圖2-6. 磁場感應耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28

圖2-7. 後向散射耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 29

2-3 射頻辨識系統的分類和應用

2-3.1 RFID 的分類

表1.主被動式標籤晶片分別⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30

2-3.2 RFID 的應用

2-3.2.1 低階應用

圖2-8. 條碼的應用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32

圖2-9. 圖書館防盜偵測⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33

2-3.2.2 中階應用

6

圖2-10.人員出入門禁管理系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34

圖2-11.人員辨識、考勤系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35

2-3.3.3 高階應用

圖2-12.壓力感測器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36

2-4 RFID的應用結論

第三章辨識系統規格介紹及制定

3-1 工作頻段規範的探討

表2 .RFID的操作頻率分類⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 39

3-2 錯誤偵測編碼的探討

圖3-1.CRC的運算流程圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 43

3-2.1 CRC運算步驟

圖3-2.CRC-CCITT的線性回授位移暫存器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖3-3.接收端CRC碼的偵測過程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47

3-3 資料傳輸編碼的探討

圖3-4. 單極性編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48

圖3-5. 不回歸零編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49

圖3-6. 反向不歸零編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50

圖3-7. 歸零的編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖3-8. 脈波寬度調變編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52

7

圖3-9. 脈波位置調變編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 52

圖3-10. 曼徹斯特編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 53

圖3-11. 差動式曼徹斯特編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 54

3-4 資料傳輸調變的探討

圖3-12. 以ASK傳送數位訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖3-13. 100%的ASK調變⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56

圖3-14. 50%的ASK調變⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 56

圖3-15. 以FSK傳送數位訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57

圖3-16. 以PSK傳送數位訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58

3-5 時脈產生電路及振盪電路的探討

3-5.1 類比、射頻振盪電路

圖3-17. LC Tank Oscillator…………………………………..59

圖3-18. Cross-Couple Pair Oscillator…………………………60

圖3-19. Voltage-controlled Oscillator………………………..61

圖3-20. Colpitts Oscillator…………………………………...62

圖3-21. Hartley Oscillator……………………………………63

圖3-22. Pierce Oscillator……………………………………..63

圖3-23. Clapp Oscillator………………………………………64

圖3-24. Phase-Shift Oscillator………………………………..65

8

3-5.2 數位時脈振盪電路

圖3-25. Crystal Oscillator……………………………………..65

圖3-26. Astable Multivibrator…………………………………66

圖3-27. Ring Oscillator………………………………………..67

圖3-28. 555-Timer Oscillator………………………………….67

圖3-29. Bistable Oscillator…………………………………….68

圖3-30. Schmitt trigger Oscillator……………………………..69

第四章標籤晶片設計

4-1 概論

圖4-1.射頻辨識系統標籤電路設計⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70

4-2 PWM編碼設計電路與模擬

4-2.1 PWM編碼

4-2.2 資料框架

4-2.3 電路功能介紹

圖4-2.PWM編碼的標籤晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 72

4-2.4 振盪時脈電路設計和模擬

圖4-3. 不穩態多諧振盪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 73

圖4-4.樞密特觸發電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 74

圖4-5. 樞密特觸發電路輸出入轉移曲線及兩個轉態電壓⋯ 74

9

圖4-6. 樞密特觸發電路的振盪時脈波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 75

4-2.5 數位編碼電路設計和軟體模擬

圖4-7 . 標籤晶片電路中的PWM編碼電路設計⋯⋯⋯⋯⋯76

表3 . 除3電路狀態變遷激勵表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 77

表4 . 卡諾圖化簡A⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 77

表5 . 卡諾圖化簡B⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 77

圖4-8.除3計數電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 78

圖4-9.除3計數電路模擬結果(一)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 78

圖4-10.除3計數電路模擬結果(二)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 78

圖4-11.除64計數電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 79

圖4-12.除64計數電路模擬結果(一)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80

圖4-13.除64計數電路模擬結果(二)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80

圖4-14. 資料選擇電路(一)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 81

圖4-15. 資料選擇電路(二)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 82

表6 . PWM資料編碼電路(一)的真值表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 83

圖4-16. PWM資料編碼電路(一)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 84

圖4-17. PWM資料編碼電路模擬結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 84

圖4-18.PWM編碼電路設計標籤晶片電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 85

圖4-19. PWM編碼電路模擬結果(一)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 86

10

圖4-20. PWM編碼電路模擬結果(二)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 86

4-2.6 數位編碼電路之FPGA硬體驗證

圖4-21.ALTERA的 FPGA實驗板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 87

圖4-22.使用示波器觀察資料的傳送週期⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 87

圖4-23.使用示波器觀察PWM編碼輸出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 88

4-3 以Manchester編碼設計電路與模擬

4-3.1 標籤電路的功能設計及介紹

圖4-24. Manchester編碼的 RFID標籤晶片方塊圖⋯⋯⋯⋯ 89

4-3.2 晶片設計及軟體模擬

4-3.2.1 振盪時脈電路之設計和模擬

表7 .預計規格表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 91

圖4-25. 樞密特觸發反相器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 92

圖4-26 .振盪時脈訊號波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 93

表8 .電路在製程上的偏移考量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯93

圖4-27.振盪電路的佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯94

4-3.2.2 數位編碼電路設計和模擬

圖4-28.除2計數電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯95

圖4-29.除2計數電路模擬結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯95

圖4-30.ADS模擬除2計數電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 96

11

圖4-31.除2計數電路佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 96

圖4-32.非同步方式的除64計數電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 97

圖4-33.ADS所組成的除64計數器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 97

圖4-34.ADS所模擬的結果且符合設計需求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 98

圖4-35. 除64計數器佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯98

圖4-36.資料選擇電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯99

圖4-37.ADS所組成的資料選擇電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯99

圖4-38.ADS所模擬的結果且符合設計需求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯100

圖4-39.資料選擇電路佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯100

圖4-40.CRC錯誤偵測邏輯電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯104

圖4-41.CRC錯誤偵測邏輯電路模擬結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯104

圖4-42.CRC錯誤偵測邏輯電路模擬結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯105

圖4-43. 在ADS模擬 CRC錯誤偵測編碼電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 105

圖4-44. ADS所模擬錯誤偵測編碼電路的結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯106

圖4-45. CRC錯誤偵測編碼電路佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯106

圖4-46. 2對1多工器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 107

圖4-47.以ADS模擬2對1多工器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯107

圖4-48.以ADS模擬2對1多工器的結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯108

圖4-49. 2對1多工器的佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 108

12

圖4-50. Manchester編碼電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 109

圖4-51. Manchester編碼時序原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 109

圖4-52. Manchester編碼電路模擬結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 110

圖4-53. ADS實現Manchester編碼電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 110

圖4-54. Manchester編碼電路模擬傳送週期⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 111

圖4-55. Manchester編碼電路模擬資料編碼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 111

圖4-56. Manchester編碼電路佈局圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 112

4-3.2.3 整體RFID電路實現

圖4-57.Manchester編碼的全部數位電路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 112

圖4-58.Manchester編碼的全部數位電路模擬結果⋯⋯⋯⋯ 113

圖4-59.ADS實現Manchester編碼的全部數位電路⋯⋯⋯ 113

圖4-60.晶片佈局的接腳圖…………………………………… 114

圖4-61 .整體電路佈局圖………………………………………115


圖4-62.以ALTERA的 FPGA實驗板作硬體驗證⋯⋯⋯⋯⋯116

圖4-63.整體電路的數位訊號週期⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 116

圖4-64.Manchester的數位編碼訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 117

第五章晶片量測

5-1 晶片量測(On Wafer Measurement)

13

圖5-1.晶片佈局輸出入接腳圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 118

5-2 電路板量測(PCB Measurement)

5-2.1 類比訊號量測

5-2.1.1 整流電路的量測

圖5-2. 標籤卡片中整流電路的量測⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯119

5-2.1.2 調變電路的量測

圖5-3. 標籤卡片中調變電路的量測⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯120

5-2.2 數位訊號量測

第六章結論

參考文獻

附錄

14

第一章緒論

1-1 研究動機

近年來，無線通訊從無線電話到無線區域網路(wireless LANs)和3G手機；

從超寬頻(UWB)到軟體無線廣播，無線連接正改變著人們的商業模式和生活。現

在正是無線技術發展過程中最具創新精神，亦是無線通訊技術大幅躍升的時代。

隨著短距離無線數據傳輸技術的成熟，功能簡單、攜帶方便的嵌入式無線產品得

到廣泛應用。

但是現在的電子識別產品中較普遍使用的電子磁卡中，如：電話卡、信用卡、

門禁卡、IC健保卡、出入証、、、等，卡中所儲存的資料、數據相當有限而且作

業方式也造成使用上的不便，甚至在長期使用下會因為磨損造成資料的誤判。所

以市場在這樣的需求下研發出一種 ”非接觸式感應”的識別卡，在理想的使用

情況下識別卡不必與讀卡機接觸，讀卡機就能讀寫識別卡中所儲存的數據資料。

圖1-1 .條碼卡片

圖1-1 條碼卡片利用卡片上的一維條碼做編號且有一定的編碼原則，讀取

15

時，則透過讀卡機掃描此一維條碼後，再判別資料，優點是成本便宜，但缺點是

經常使用會造成條碼的損壞，增加辨識困難。

圖1-2 .磁粉卡片

圖1-2 磁粉卡片使用於影印機，優點是成本便宜，但缺點是卡中的資料量少。

圖1-3 .磁條卡片

圖1-3 磁條卡片普遍使用於金融界，如金融卡、信用卡、現金卡、、等，卡

片中有其一定的編碼及加密原則，易遭有心人的破解、複製及盜刷，優點是成本

便宜但缺點是不安全、儲存資料量少、不能靠近磁性物質以免被消磁而不能使用

及經常使用易損毀磁條。

16

圖1-4 .晶片卡片

圖1-4 晶片卡片內含晶片，而信號可經由晶片的打線和金屬墊來與讀卡機傳

遞，優點是安全性較高，使用較安全的編碼、加密系統，可儲存的資料也較多，

但缺點是經常接觸使用，機械電氣觸點產生的靜電擊穿、機械磨損、易受污染和

潮濕環境影響等問題，金屬墊可能損壞，同時也因使用晶片所以成本高一點，目

前，金融界紛紛推出晶片卡。

目前美國協會及麻省理工學院(MIT)的Auto-ID中心就公佈RFID系統的相關

標準，且國外廠商也已經積極推動各種射頻標籤的相關應用。如：全球最五大商

貿集團德國的METRO Group在所開的超市中，預計將要全部裝設了 RFID 晶片

技術，採用 RFID技術於產品識別、反偷竊、即時清點庫存、產品有效期限的控

制和商場客戶會員卡，METRO Group把這間商場作為實驗點，研究與 RFID技

術相關其背後所隱藏的利益和潛力。

在全球最大的量販店WAL-MART的部分據點反覆測試中在消費者從貨架

17

上拿下商品的同時，賣場的電腦已通知生產商可以準備在晚上賣場休息時補貨。

賣場電腦透過裝置在購物車上的感應器，紀錄消費者購買的商品數量和總價，當

消費者的推車離開賣場的那一刻，只要把信用卡插進購物車的讀卡機中，就可以

完成所有手續，不用再一一把車中商品取出掃瞄結帳。

圖1-5 .RFID卡片

圖1-5 RFID卡片目前普遍應用於公司的人員識別、出入管理，優點是非接

觸、不易損壞、安全性高、使用方便及儲存的資料量大，但缺點是目前的製造成

本太高。

本論文參考國外大廠的相關產品規格進行功能和電路設計並以 CMOS製程

實現 RFID系統中的 Tag Chip，預計目標為縮小晶片面積、降低製造及材料成本、

增加系統功能、研發不同頻段的應用。

18

1-2 研究目標

本論文 RFID系統的研究計畫目標一共包含三大重點，分別是電路積集度、

系統的穩定度和資料的可靠度。這三大部份探討如下：

電路積集度：準備挑戰將射頻調變電路、RF發射電路、微波整流電路三者

結合成同一個電路，使 Tag前端類比電路部份所佔晶片面積更

加縮小以降低生產成本，提升 Tag晶片的競爭力。

系統穩定度：在 Tag電源儲存電容充放電時，電源電壓的不穩定可能會造成

時脈電路的時脈頻率飄移、射頻振盪器的載波頻率飄移，進而

使數位編碼及運算電路產生錯誤。因此如何設計較不隨直流偏

壓改變頻率的時脈產生器及射頻振盪器並大幅提高 Tag的穩

定度將更是個大問題。

資料準確性：如何解決識別的準確性，是個重要的問題，因為傳送空間中會

受到其他系統所發射鄰近通道電磁波或雜訊的干擾，為了維持

信號的完整性(Data integrity)在傳送資料中加入錯誤辨識碼，如

Cyclic Redundancy Check(CRC) bits，在接收信號時，辨識該筆

資料是否發生錯誤。

19

1-3 研究流程

本論文研究 RFID系統 Tag端的整合應用，因此在研究流程上是以成品的各

種效能和使用的頻段作為研究的考量重點。

研究流程的第一步：收集並研讀國內外廠商如：TI、Philip、Microchip、

Sino-Matrix、HOLTEK、EM Microelectronic、MOTOROLA、KABA、OTI、SONY、

ATMEL、PANASONIC在市面上販售 RFID相關產品的資料及標準和國內相關的

碩博士論文並訂出系統Tag端所需的功能。

第二步：分析RFID系統工作的原理，決定 Tag端所需功能的電路方塊圖並

制訂出本論文晶片的各項電路規格及訊號框的組成。

第三步：使用ALTERA公司的數位模擬軟體來進行設計及模擬 Tag中的數

位編碼電路功能並使用 ALTERA公司的 FPGA板來驗證數位編碼電路的功能。

第四步：使用 Agilent公司的 ADS軟體將數位編碼電路及射頻電路進行設計

CMOS元件所組成的電路，調整元件的尺寸並模擬完整 Tag端的電路功能。

第五步：使用Cadence軟體進行晶片電路的佈局和透過 CIC中心下線晶片，

並使用 Protel PCB製作電路板進行驗證 RFID晶片的各項功能。

20

研究流程如下圖表示：

圖1-6. 研究流程圖

分析RFID系統工作原理

並訂出本論文Chip的各

項電路規格。

研讀RFID相關產品資料

及標準並訂出系統所需

功能。

使用ALTERA數位模擬軟

體來進行設計數位編碼

電路的功能。

使用ADS軟體將數位編

碼電路&類比電路進行

CMOS元件的電路模擬。

使用Cadence軟體進行

晶片電路的佈局和透過

CIC中心來下線晶片。

使用ALTERA的FPGA板來

確認數位編碼電路的功

能。

使用PCB製作電路板

進行驗證RFID晶片的

各項功能。

21

第二章射頻辨識系統規劃

非接觸式的射頻辨識卡，是近年所發展的新技術，成功的解決電源問題和非

接觸使用，為電子應用領域的一大突破。

2-1 射頻辨識系統介紹

2-1.1 何謂RFID:

RFID是Radio Frequency Identification －「無線射頻身份識別系統」，

如圖2-1所示：主要由讀卡機(Reader)和標籤卡片(Tag)這兩方面所組成的，簡單

來說，就是此系統利用射頻(RF)訊號以無線方式傳送及接收數據資料，同時也利

用此射頻訊號來做無線傳輸能量，以提供Tag端卡片中所有電路運作的電源。

因此在理想的使用情況下識別卡不需與讀卡機接觸即可使讀卡機能讀、寫識

別卡中所儲存的數據資料，進行資料的傳輸、識別和交換。目前非接觸式感應的

識別卡，在名稱上並沒有統一的名詞，如：RFID 標籤(RFID Tag)、非接觸ID 標

籤(Contactless ID Tag)、RFID 詢答器(RFID Transponder)、、、等。

圖2-1 .RFID讀卡機和標籤卡片

22

2-1.2 RFID系統的組成:

圖2-2 為典型的RFID系統其主要由兩部份組成，第一：客戶使用端所持有的

RFID標籤(TAG)卡片，第二：可固定式或可攜帶式的系統管理端的讀卡機，針對

RFID系統應用進行分析、比較。

圖2-2. 典型的RFID系統應用圖

首先:

(1).RFID 標籤(TAG)卡片:

a).天線(Antenna):接收、感應、讀取由讀卡機傳送的信號和能量，並把所要求的

數據資料再經天線回傳給讀卡機。

b).AC/DC 的整流、濾波、穩壓電路:把讀卡機傳送的射頻訊號轉換成DC電源，

並經足夠大的電容儲存電源能量，再由穩壓電路提供IC穩定的電源。

Reader 端電路 Tag端電路

<FPGA> Transmitter電路 /Receiver電路

8051電路

調變/整流電路

數位編碼電路

時脈產生電路

Mem

ory

PC

23

c).解調變電路(Demod):由讀卡機傳送的信號把載波頻率移除，以取出真正的調

變訊號。

d).調變電路(Mod):由數位編碼電路或微處理器所送出編碼後的資訊，再經由調

變電路將資料調變後傳至天線送回讀卡機。

e).編解碼電路(Codec)：由讀卡機傳送的信號經由解調變電路再進行解碼動作取

出數據資料，可將記憶體中所存放的數據資料進行編碼動作。

f).記憶體(Memory):為系統運作及讀取、存放識別資料的裝置，通常使用

EEPROM、SRAM、ROM等個別存放不同的資料型態。

g).微處理器(uP):把讀卡機所傳送的信號進行解碼動作，並依照要求回送資料給

讀卡機，如果為有加密的RFID系統，則必需設計做加解密動作的電路。

h).時脈產生電路(Clock Generator)：在Tag Chip內建時脈產生電路，產生數位電

路所需的標準參考時脈訊號。

圖2-3 所示Tag的基本架構大致如此，但隨著不同的應用環境和系統功能會

有不同Tag端的架構，如：應用於門禁出入管理的Tag，基於安全性考量功能會比

應用於取代商品條碼的Tag還要多，相對的Tag上的電路架構就會比較複雜。

24

Ac

Antenna

圖2-3. RFID系統之 Tag端電路

(2).讀卡機(Reader):

圖2-4 .讀卡機

AC to DC 整流濾波 & 穩壓電路

解調變 (Demod)

調變 (Mod)

編解碼電

路(Codec)

微處理器 (uP)

Mem

ory CLK電路

25

a).天線:用來發送無線信號(包括Clock、Data、Energy)給所有使用端的Tag卡

片，並且接收從Tag端所傳送回的無線訊號。

b).調變電路(Mod):把所要傳送給RFID Tag端的數位編碼信號作調變後再將這

個調變信號傳送給射頻電路的功率放大器或天線的驅動放大器經由天線輻射

出去。

c).解調變電路(Demod): 把從Tag端傳送的微弱射頻信號解調變回原本的數位

編碼信號，再傳至微處理器作資料的處理。

d).RFID主系統的時脈產生器(Clock Generator):負責產生 RFID系統所有數位邏

輯電路的標準工作時脈。

e).鎖相迴路+電壓控制盪器 (PLL+VCO): 電壓控制盪器負責產生射頻調變訊

號所需要的載波訊號並且經由鎖相迴路維持固定頻率的載波信號。

f).微處理器(uP):負責控制所有數位編解碼資料的處理及協調讀卡機內主要電

路的運作，也把傳送和接收所得的資料傳回給電腦，若應用於有加密的RFID系

統就必需做加解密電路的動作。

g).記憶體(Memory):做為 RFID系統運作及存放所有識別的資料。

h).RS-232界面(Interface):負責連接微處理器(up)電路和電腦(pc)之間的連線。

26

Antenna

RS-232

圖2-5. RFID系統之 Reader端電路

2-1.3 RFID 的優缺點:

優點:

1. 現在，Tag 晶片只需外接天線作為發射及接收使用，其餘所有元件皆己晶片

化，可有效降低面積及成本。

2. 使用無線、非接觸方式傳輸資料及能量，Tag 晶片可不必使用電池。

3. 標籤晶片安全性高。

4. 使用於各種不同的場合及應用需求，可研發製造成各種包裝類型。

5. 採用非接觸式讀取卡片，可不用和讀卡機直接接觸、不用刷卡所以不怕接觸

點髒污及磨損，造成資料誤判，可放置於口袋、皮包內，不必取出就能直接辨

資料庫電腦

(DataBase)

微處理器

(uP)

記憶體

(Memory)

鎖相迴路

&

電壓控制盪器

(PLL/VCO)

時脈產生器

調變電

路

解調變

電路

27

識，增加使用上的便利性。

6. Tag 晶片資料可由讀卡機更改，用完可回收再利用。

7.使用壽命長。

8.利用積體電路及無線電來儲存和傳遞辨識資料，具有耐環境、可重複讀寫、非

接觸式、資料記錄豐富、可同時讀取範圍內多個RFID的Tag等特性。

9.設計良好的RFID能適應各種不良的環境。

缺點:

1. 在RFID的 Tag卡片中晶片的成本佔絕對的比率，所以需朝向多功能、小面

積方面進行研發。

2-2 射頻辨識系統基本原理介紹

2-2.1 射頻辨識系統的工作原理:

完整的RFID 系統，由讀卡機(Reader)與標籤(TAG)及應用程式(Software)

和資料庫電腦系統(DataBase)四個部份組成，其動作原理為：由Reader發射特定

頻率之無線電波能量給TAG，用以驅動TAG電路並將內部之ID Code 送出，此時

Reader依序接收解讀此ID Code，送至應用程式資料庫系統。

28

2-2.1.1 射頻辨識系統的通訊及傳能的感應方式:

以RFID 讀卡機及電子標籤之間的通訊及傳能感應方式大致可分成，感應耦

合(Inductive Coupling) 及後向散射耦合(Backscatter Coupling)兩種，一般低頻操

作的RFID-Tag 大都採用第一種式：

Magn. Field(H)

Energy

Data Frame

圖2-6. 磁場感應耦合

圖2-6 磁場感應耦合方式為利用負載調變將雙方的天線視為變壓器，當傳送

資料時，變壓器一側產生電流變化，另一側也會造成同樣的電流變化。利用此效

應，讀卡機傳送數位資料，可改變電流的大小使天線發射出強度不一的磁場

(H)，標籤晶片同樣利用天線感應磁場的變化，接收數據資料。

因為使用磁場感應變化，目前普遍使用135KHz和13.56MHz頻段的最大缺點

為傳輸距離不夠長，限制讀卡機和標籤晶片之間的傳輸距離，使標籤晶片不能有

效被讀取。

TX/RX

Reader

Tag Chip

29

較高頻操作的Tag大多採第二種方式圖2-7 後向散射耦合方式其利用數位資

料改變天線及Tag端調變電路的輸出阻抗，使讀卡機所接收的電磁波，為全反射

的大振福訊號及部份匹配的小振幅訊號，送至讀卡機使其判斷出所傳送的資料。

Antenna

Electromagnetic Waves

Data Frame

圖2-7. 後向散射耦合

2-3 射頻辨識系統的分類和應用

2-3.1 RFID 的分類：隨著資訊產業與相關技術的發展，RFID的應用環境逐漸

成熟，記憶晶片大小、資料容量、讀寫技術與傳輸速度均大幅提昇。

(1)供給能量的方式: 表1 所示主動式和被動式標籤晶片分別

(1-1) 主動式標籤晶片:應用的標籤晶片卡片如果加裝電池稱為主動

型，其優點是讀卡機的讀取距離可以比較遠且讀取速度較快，但

Pin

Pr

Rload

Tag Chip

Reader

TX/RX

up

30

缺點是需要電池，所以標籤晶片卡片有使用年限，且製造卡片的

成本較高。

(1-2) 被動式標籤晶片:沒有加裝電池的標籤卡片稱為被動型，其電源

由讀卡機所發射的能量取得，並且依照頻率的不同有不同的感應

方式。

Type Energy

主動式(Active) 電池(Battery)

被動式(Passive) 低頻率標籤:磁場感應耦合(H)

高頻率標籤:後向散射耦合(EM)

表1 .主被動式標籤晶片分別

(2)資料存取的方式:

(2-1)唯讀(Reader - Only):標籤卡片在製造過程中已被程式化並且不能

被更改資料，在使用時只是讀取標籤卡片中固定的資料，如果應用

於基本辨別要求或工業方面的物品追蹤管理，此為成本較便宜的選

擇。

(2-2)可讀寫(Reader - Write):晶片內含EEPROM，允許記憶體(Memory)

的記憶內容被使用者作寫入的動作。因此，使用者可藉由讀卡機

31

(Reader)傳送指令來改變標籤卡片中記憶體的內容，所以讀卡機也

是一個寫卡機(Writer)。而可重複讀寫的技術被應用在：智能卡、

預付卡、道路收費等應用。

2-3.2 RFID 的應用：

RFID的使用頻率決定傳輸距離和可能從事的應用︰以國內RFID 的應用來

說，如:動物晶片、台北市目前所使用的悠游卡、包裹及行李的感應式電子標簽、

生產線自動化、停車場管制、產品防偽功能，甚至可應用在賽跑選手的計時方面，

完全看使用者的需求，總結這些林林總總的應用大致可分為三大類應用：低階應

用、中階應用、高階應用。

2-3.2.1 低階應用

條碼(Barcode)自從一九七三年使用至今，儘管經過一維條碼、二維條碼，

甚至是研發出立體形式的產品條碼，來強化所附屬的功能，但是根據估計，在最

快幾年內全球條碼的編碼原則就會使用殆盡，而如果沒有功能更好的辨別系統出

現，則全球繁忙的物流、零售和靠條碼管理生產的工廠，都將陷入混亂之中。所

以 RFID在此應用的功能:

(A)取代商品條碼:

所謂的「商品條碼」就是商品的身份證統一編號，將商品的代號數碼，以寬

32

窄不一且固定長度的平行線條符號取代(如圖2-8為中華大學圖書館藏書條碼)，

方便能夠讓裝有掃描條碼的讀卡器來識別，並經由電腦內部的解碼，將「線條符

號的號碼」轉碼為「數字號碼」，判別商品的種類，即可知道商品的價目。同時

在使用時它要求正面接觸待出售的識別物品，且必須進行一次一個的手工掃描識

別。

另一方面，目前使用的RFID系統則不需人工去識別標籤，讀卡機可從射頻

標籤中讀出商品的相關資料。甚至可以每秒讀取數十至數百個標籤，這比傳統掃

描方式要快超過數倍以上並且可有效的處理物料管理。

圖2-8 . 條碼的應用

(B)降低成本並增加功能，RFID才可能取代條碼:

由於RFID標籤最大的低階應用目標、業界最大的希望是取代條碼，但是要

被RFID標籤所取代，其挑戰度相當高，因為和大多數的電子產品相同，晶片的

成本佔最大的比例，所以縮小晶粒面積將可有效降低製造和材料成本。

33

目前三大RFID聯盟預計在近幾年中希望能夠讓標籤成本降到5美分左右。

而就成本來看，製造商將可開始在倉庫裡的每個箱子和貨架上加入 RFID標籤。

而先進的配銷商與零售商可把 RFID運用在全新與創新的庫存系統與供應鏈應用

上。

以威名百貨為例，估計未來每個商品的外表包裝上都會有 RFID的標籤，貨

架上也會裝有感應器，產品只要一離開貨架進入購物車，產品上的標籤就會主動

告訴貨架它已離開，而貨架就會把訊息傳回賣場電腦，則賣場可以在第一時間明

白產品去向，並且安排補貨，同時也可以防止偷竊，消費者購物時只要準備好信

用卡，在離開賣場前賣場就會透過在購物車和賣場內的感應器，即可計算出所有

商品價格和數量(圖2-9為圖書館防盜偵測系統)。

圖2-9 . 圖書館防盜偵測

34

2-3.2.2 中階應用

在中階應用的RFID系統中，大部分皆需要使用有記憶體(EEPROM、

SRAM、、等)的RFID，使其應用層面能夠更加寬廣。

(A)可應用於門禁管理:

圖2-10 個人身份的辨識卡，目前已普遍使用在各公司、住戶大樓的門禁管

理，可有效的管制人員的進出區域，如某些極重要區域只准某些特定人士可以進

出，而其餘不相干的人員皆無權限可自由進出此區域，為一種很好的管制方式。

圖2-10 . 人員出入門禁管理系統

(B)當作航空行李標籤識別可簡化流程並加強安全性

在行李的標籤上引進RFID替代現行的條碼，不僅有利於航空公司行李運輸

的管理，更可進一步確保安全的管制。RFID 除可記錄旅客詳細的個人資料飛行

起點、轉機點和目的地，也可附加行李重量、報到時間等資訊，航空公司可透過

閱讀器掌握每一件行李的動態，並可在突發狀況，針對特定的行李進行緊急的處

35

置。

(C)人員辨識及上下班打卡、考勤系統

RFID目前普遍使用於人員辨識及上下班的考勤系統(圖2-11)，相對以前的

打卡系統或刷卡系統，好處是不需接觸即可，也不需擔心經常使用而導致卡片的

污損、毀壞。

圖2-11 . 人員辨識、考勤系統

2-3.3.3 高階應用

在此應用中，除了RFID系統外需要其他設備來搭配使用，使RFID的功能擴

充至最大。

(A)汽車輪胎氣壓監測系統晶片:

美國國家公路交通安全局頒布的一項聯邦法令，要求汽車需要裝配輪胎壓力

36

監測系統( Tire pressure monitoring system, TPMS )，讓駕駛者能夠即時得知輪胎的

壓力有無異狀，防止傷殘事故和死亡事故。

近十幾年來，微波通訊的日益發展，使得胎壓監測系統的廠商紛紛研發無線

胎壓計，如:全球行動電話大廠Motorola，利用本身具有的無線傳輸技術，發展

出一套即時監控胎壓系統，此系統在駕駛座前端有一個無線接收模組，四個輪胎

上各有一組包含胎壓計及發射模組的遠端感測發射模組，其包含接收天線、壓力

感測器(圖2-12)、溫度感測器、超高頻發射器、中央控制單元、及電池。接收模

組端包含超高頻接收器及後段訊號處理用的微控制器，進而可以即時、及時的發

現胎壓狀況，保持行車安全。

圖2-12 .壓力感測器

無線胎壓監測系統( Wireless tire pressure monitoring system )即是目前所有

非接觸式胎壓監測系統廠商所須達成的目標。

(B)有效降低汽車失竊率:

應用在汽車晶片防盜器上，RFID也可以發揮身份辨識的效果，進而達到降

37

低愛車的失竊率。

(C)系統應用導向:

降低RFID標籤成本是必要的，但不是唯一的成功因素。必須從系統著手，

提供最佳的應用層面、解決方式，使系統整體效益可以讓營運成本的降低，並且

可增加保全等附加功能。那麼即使RFID標籤價格稍貴，只要研發或引進整體的

系統，那麼所得的效益還是極為可觀的，更可以帶動更多用戶端的使用意願。

2-4 RFID的應用結論:

RFID不光只有設計讀卡機及 Tag，其相關的應用軟體和應用服務的商機是

十分的巨大的，所以目前國內相關公司需投入，如:Tag 的設計、讀卡機設計及

RFID相關的應用軟體之開發工作。

RFID已經被視為近年來一個具有爆發性成長潛力的新科技應用，但現階段

有三大問題尚待克服分別是”技術的突破”、”成本的降低”和”國際標準的制

定與推行”。而目前麻省理工學院的 Auto ID Center所研發 RFID是以 EPC

（Electron Product Code）為識別的核心，EPC是 RFID Tag的資料編碼，其資料

結構分為：標頭(Header)、EPC管理者（Manufacturer）、產品(Product)、序號(Series

Number)四大區段，其中公司管理碼及產品碼均可和現行的 EAN條碼系統結合，

減少及避免資料重新編碼的工作。

38

EPC目標應用範圍非常廣拓，從大小商品、包裝、紙箱、棧板或貨櫃等物流

容器、載具均可使用，而在產業方面更是橫跨各個產業領域，例如：高科技業、

醫療保健業、運輸物流業、政府機構、、等。至於在無線電頻率管理部份，目前

EPC採取開放的策略，任何頻率均可採用 EPC成為個體資料的全球獨一編碼。

39

第三章 RFID系統規格介紹及制定

RFID的使用頻率決定傳輸距離和可能從事的相關應用，如:低頻率的

RFID，讀卡機要在10公分以內才可以讀到，高頻率的讀卡機則可在30公分至1

公尺內，而對超高頻率（UHF）的標籤則可在10至20尺的有效範圍之間。

3-1 工作頻段規範的探討：

Frequency

Range

Use

Band

Reader

Range

Reader

Speed

RF

Coupling

System

Cost

Power

Consum.

9~135KHz Low 10~13cm Low Inductive coupling

Low 10~30uW

6.78MHz ISM 10~100cm Low Inductive coupling

Low 10~30uW

13.56MHz ISM 10~100cm Medium Inductive coupling

Medium 10~30uW

27.125MHz ISM 10~80cm Medium Inductive coupling

Medium 10~30uW

433.92MHz ISM

(UHF)

2~20m High Backscatter coupling

High 10~30uW

869MHz UHF 2~20m High Backscatter coupling

High 10~30uW

915MHz UHF 2~20m High Backscatter coupling

High 10~30uW

2.45GHz ISM

(MW)

2~20m High Backscatter coupling

High 10~30uW

5.8GHz ISM 2~20m High Backscatter coupling

High 10~30uW

表2 .RFID的操作頻率分類

40

表2為目前RFID規劃使用的頻率但較普遍有6種，分別是135KHz以下、

13.56MHz、433.92MHz、860M~930MHz（UHF）、2.45GHz以及5.8GHz，而

不同頻率有不同的優缺點及應用範圍。

9~135KHz的頻段:使用磁場耦合方式傳輸能量，其傳輸距離較短大約10公分

左右，所以通訊速度、讀取及寫入較慢。此頻段在大多數的國家是屬於開放的，

不涉及法規的開放和執照申請的問題，所以目前有較多的應用，主要可使用在寵

物晶片、鑰匙、門禁管制、人員識別和防盜追蹤。

13.56MHz的頻段:使用磁場耦合方式傳輸能量，其天線的長度適中、卡片薄

型化的效果好、能量的耦合好，使用時最佳的傳輸距離約為1公尺以下，而頻段

屬於 ISM(Industrial、Scientific、Medical)頻段免申請使用執照，代表性的應用為

會員卡、識別證、建築物出入管理、悠遊卡等等。

860M~930MHz (UHF)頻段:RFID標籤使用電磁波感應後向耦合的方式傳輸

能量及資料，傳輸距離約為5公尺，故可大幅提昇現階段的應用層次，其通訊品

質良好，更適合餘供應鏈的貨品物流及管理，但因為各國的頻率劃分、頻率法規

不一致的問題，使的目前現有的使用系統頻率的衝突問題已經是不可避免，所以

41

在統整應用上需要注意，否則一但跨國、跨區的應用必然會出現識別及管理上的

問題。

3-2 錯誤偵測編碼的探討：

所有的通訊系統中，數據在傳輸時易受到外來的干擾而發生錯誤，因此由通

訊設備所接收的資料必須再通過一層查核，在確定所接收的資料與傳送端所發出

的原始數據完全相同時，該資料才可做進一步的利用，否則錯誤的部份必須重

傳，但如何檢查所接收資料的正確性呢?

傳統上比較常採用的方式是一種稱為 Checksum 的方法，這是一個數值，它

的算法是取區塊內所有位元組總合的最低的一、兩個位元組，每個區塊皆有自己

的 Checksum，此種方式所能偵測到的錯誤機會並不高就今日數據的傳輸量來

看，Checksum 的檢查方式顯然已不足以應付。

另一方法是循環冗餘檢查碼 (Cyclic Redundancy Check Code) ，簡稱 CRC

碼，它是由待傳輸的資料所計算出的碼，所不同的是，CRC的計算方式可避免

上述 Checksum 所遭遇的問題，在整個框架中任意一個位元的值在傳送過程中如

果經過雜訊的干擾，則在接收端接收的資料再經由同一種 CRC的計算方式，即

可判斷出整筆資料在傳送過程中是否有出錯，簡單說，CRC 碼只要有任一位元

42

產生錯誤，就可偵測到，而 Checksum 則沒有。

CRC 的計算方式是將待傳輸的區塊視為一堆連續位元所構成的一整個數

值，並將此數值除以一特定的除數，通常以二進位表示，此除數又稱為二進位多

項式(Generation Polynomial)，除數值位元數目依照所要得到的 CRC 位元數目

而定，目前較常使用的 CRC位元數目有 8、16 或 32，一般縮寫為 CRC-8、

CRC-16、CRC-32、CRC-CCITT，通常，CRC 碼越長，則傳輸過程中所傳輸的

數據已發生雜訊的干擾卻產生誤判的機率也就越低，不過傳送較長的 CRC 碼的

時間相對的比較長，傳送資料的效率相對的較不好。

根據理論統計，CRC-16 可完全偵測資料區塊內單一或兩個位元的錯誤、奇

數個位元的錯誤、連續 16 個位元或少於此數的錯誤，而超過 17 個連續位元的

錯誤偵測率則有 99.9969% ，其它位元長度的錯誤偵測率則可達 99.9984% ，而

對於一般的 Checksum，傳送中有兩個位元同時出錯，或連續九位元或更多的錯

誤則不被偵測到而導致資料錯誤。

理論上，在計算 CRC 時非常簡單，只要一個除法運算即可，資料經由 CRC

運算之後的餘數即是 CRC 值，再經由多工器的切換，將Data和 CRC值串接為

一整個傳送框架傳輸出去。

43

Data Data Data+CRC

CRC

圖3-1 .CRC的運算流程圖

3-2.1 CRC運算步驟

分成4個步驟(1)、(2)、(3)、(4) :

(1) 將待運算的資料d(x)轉換成二進位多項式，再乘上 CRC多項式的最高位元

形成 m(x)。

d(x) = 0011001010110010

m(x) = 0011001010110010,0000000000000000

(2) 再將此算式除以CRC的 g(x)衍生多項式 (Generation Polynomial)就可以得一

餘數 p(x)。

以 CRC-CCITT為例 :

g(x) = 151216 +++ XXX

g(x) = 10001000000100001

CRC- Polynomial

MUX

44

d(x) m(x)

g(x) 0011000110101110

10001000000100001 0011001010110010,0000000000000000

10001000000100001

010000101101100010

10001000000100001

000011011010000110000

10001000000100001

010100100000100010

10001000000100001

0010110000000001100

10001000000100001

0011100000010110100

10001000000100001

011010000100101010

10001000000100001

010110001000010110

10001000000100001

p(x) 001110010001101110

45

(3) 將此餘數p(x)加在 m(x)之後，就可得包含資料的訊框檢查序列 T(x)即可傳

送。

T(x) = m(x) + p(x)

T(x) = 0011001010110010 + 01110010001101110

數位邏輯:

CRC的運算程序可以使用 XOR邏輯閘和位移暫存器所組成的除法電路來

描述和實現，而位移暫存器是一連串的一位元儲存元件，每一個暫存器都有輸入

和輸出，其輸出表示暫存器目前所儲存的值，並且利用時脈時序的瞬間，輸入值

就會暫存入位移暫存器，而全部的暫存器受時脈時序的控制作同步的運作，使資

料順著全部的暫存器移一個位元。

圖3-2 .CRC-CCITT的線性回授位移暫存器

這是 CRC-CCITT的線性回授位移暫存器，輸入的資料經此電路運算之後，可得

CRC碼的餘數，下面是運算過程中暫存器所儲存的值:

46

Data series input Step Register Contents Output

0100110101001100 0 0000,0000,0000,0000 -

010011010100110 1 0000 0000 0000 0000 0

01001101010011 2 0000 0000 0000 0000 0

0100110101001 3 1000 0100 0000 1000 1

010011010100 4 1100 0110 0000 1100 1

01001101010 5 0110 0011 0000 0110 0

0100110101 6 0011 0001 1000 0011 0

010011010 7 0001 1000 1100 0001 1

01001101 8 1000 1000 0110 1000 0

0100110 9 1100 0000 0011 1100 1

010011 10 0110 0000 0001 1110 0

01001 11 1011 0100 0000 0111 1

0100 12 0101 1010 0000 0011 1

010 13 1010 1001 0000 1001 0

01 14 1101 0000 1000 1100 0

0 15 1110 1100 0100 1110 1

- 16 0111 0110 0010 0111 0

餘數=> p(x)

47

(4) 接收時，此訊框檢查序列 T(x)再經由同一 CRC多項式運算，即可判斷是否

整除? 如果傳送中沒有發生位元錯誤，則必整除。

Data+CRC (餘數為特定值)

(餘數不為特定值)

圖3-3 .接收端CRC碼的偵測過程

衍生多項式的數值將影響到所產生的 CRC 值，根據理論計算，當衍生多

項式的數值恰為某些特定值時，所產生的 CRC 值最 "亂"，換句話說，它偵測

資料受雜訊干擾的能力越高。

事實上，利用錯誤更正碼(Error correcting codes)，將要傳送的資料進行編碼，

並在接收端更正通道雜訊所造成的資料錯誤。不同的錯誤更正碼有不同的錯誤更

正能力。各式的檢查碼也不僅應用在網路通訊上，和數據的存取、儲存、傳輸等

類似的範圍也會用到。

3-3 資料傳輸編碼的探討：

在類比系統中，雜訊訊號可能造成電路動作異常或不穩定。數位系統的二進

CRC- Polynomial

Data

Error

48

位編碼天生具有對雜訊較高的免疫，每一種調變編碼機制都依不同無線傳輸環境

而不同。編碼的目的在於：第一增加效率、第二是為了容易辨認錯誤，同時，信

號的發送方和接受方需要保持同步，就是說，接受方必須能夠判定信號的開始和

終止，還必須知道一個信號框架的長度，以下就介紹幾種基本的編碼原則、應用

及優缺點。

(A) 單極性編碼---Unipolar Encoding

圖3-4 單極性編碼是最簡單、基本的一種數字信號的編碼方式，通過在介

質上發送電壓來進行動作。單極性指的是電壓只有一種極性。因此，二進制的兩

個狀態只有一個狀態進行編碼，通常是位元”1”，是以正電壓表示。而另一個

狀態位元”0”，則由0電壓或是不動作來表示。

0 1 1 0 0 1 0 1

圖 3-4 . 單極性編碼

單極性編碼存在兩個問題：直流成份和同步問題，

49

(一)直流份量的問題：由於單極性編碼信號的平均振幅不等於0，所以存在一個

直流份量，那麼訊號在接收時，則造成電路需要做額外的處理。

(二)同步的問題：當數據中有一長串連續的0或1時，信號是沒有變化的，信號

持續產生並不改變時，接收端就無法知道每個位元的開始和終止，只能依賴

時間的結束，如果收發兩端電路的時脈頻率有差異，則接收端就會多讀一個

位元或少讀一個位元。

(B) 不回歸零編碼---Non Return to Zero Encoder (NRZ)

圖3-5 不回歸零的編碼方式，以兩個電壓值代表0或1，數位電路會有兩個

判別電壓，在某個電壓值(Vt1)以上代表數位1，反之，某個電壓值(Vt2)以下代表

數位0。

0 1 1 0 0 1 0 1

Vt1 Vt2

圖3-5 . 不回歸零編碼

缺點是，如果原先是1的數據信號電壓值，落在比1的判別電壓小又比0的判

別電壓高造成不是”1”不是”0”的狀況，結果會造成錯誤的碼比率大幅提升，

而且採用NRZ的編碼方式，當遇到連續的”0”或連續的”1”時，而系統中同步

50

時脈出問題時亦會造成資料誤判。

(C) 反向不歸零編碼---Non Return to Zero Invert (NRZI)

圖3-6 不歸零就反向的編碼方式，就不需要同步的時脈信號就能產生同步的

資料存取。而NRZI的編碼規則是，當資料位元為“1”時不轉換，為“0”時再

作轉換，也可資料位元為“0”時不轉換，為“1”時再作轉換。

0 1 1 0 0 1 0 1

轉換轉換轉換轉換

圖3-6 . 反向不歸零編碼

缺點是若重複相同的 “1” 信號一直進入時，資料就會造成長時間無法轉

換，逐漸的累積，而導致“塞車”的狀況，這會使得讀取的時序就發生嚴重的判

別錯誤。所以，解決辦法是在NRZI編碼之間，還需執行所謂的位元填塞

(Bit-stuffing)的工作，如果原始的串列資料中含有連續6個“1”位元，就需要執

行位元填塞，就在其後填塞一個“0”位元，增加資料的判別度。

51

(D) 歸零編碼--- Return to Zero Modulation (RZ)

圖3-7歸零的編碼方式，使用三個基準電壓：正電壓、負電壓和零，信號變

化發生在位元的中間。所以在每個位元的中間，信號將歸零，正電壓到零的變化

代表位元”1”，而負電壓到零代表位元”0”。每個位元中間的變化可用於同步

處理。

0 1 1 0 0 1 0 1

圖3-7 . 歸零的編碼

(E) PWM Coding (Pulse Width Modulation)

圖3-8 脈波寬度調變的編碼是一種介於數位和類比之間的調變，可以處理

數位和類比資料的傳輸。此脈波寬度調變訊號的振幅是固定的，但是脈波的寬度

會隨著輸入的訊號而改變，如應用在數位資料上，資料為”1”時，為一種脈波

的寬度，而資料為”0”時，是另一種脈波寬度。

52

0 1 1 0 0 1 0 1

圖3-8 . 脈波寬度調變編碼

(F) PPM Coding (Pulse Pause Modulation)

圖3-9 脈波位置調變的編碼，是利用在一個位元的時間中，有相同的脈波

寬度和脈波振幅，但是出現在不同的位置，來代表位元資料的”0”或”1”，例

如:脈波出現在位元的前面 ( t1 )，則代表位元”0”；如果出現在位元的中間

( t4 )，則代表位元”1”。在光纖通訊中，脈波位置調變是一種經常採用的調變

方法。

0 1 1 0 0 1 0 1

t1 t2 t3 t4 t5 圖3-9 . 脈波位置調變編碼

53

(G) 曼撤斯特編碼(Manchester Coding)

圖3-10 曼撤斯特編碼(Manchester)在一位元時間內，位元的中間都有電位

變化。利用位元中間變化的情況來表示 1 或 0，電壓由正電位變負電位代

表”0”，反之則代表” 1“，此特性的主要目的是讓資料傳送端與接收端在資

料傳送及接收時達到同步的效果。一般可應用在: Ethernet 及Token-Bus 網路。

0 1 1 0 0 1 0 1

圖3-10 . 曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼最大的優點是，無論編碼怎樣變化，脈波中每發生一次的變

化，不是在開始位置就是在中間位置。也就是說，發送端在發送曼徹斯特編碼的

時候，同時也把同步信號（每位的中間時刻）告訴接收端，這對接收端先提取同

步信號，然後再檢測數字信號，是非常有利的。

(H) 差動式曼徹斯特編碼(Differential Manchester Coding)

圖3-11 差動式曼徹斯特編碼其在每一位元時間內，位元的中間都有電位變

54

化(不論由 high→low 或 low→high)。但利用位元的起始變化來代表 1 或

0 ，其變化情形如下：

0 ：位元的起始有變化(high → low或low → high)

1 ：位元的起始沒有變化。

應用在: Token-Ring網路

0 1 1 0 0 1 0 1

變化變化變化變化

圖3-11 . 差動式曼徹斯特編碼

3-4 資料傳輸調變的探討：

無線通訊研究的主要目標是探討無線通道特性、適時地調整數據傳送速率、

調變編碼方式及訊號的處理，以提升訊息傳送率，目前由於數據準確率要求日益

提高，數位訊號必須用調變技術加以包裝來消除電路上或背景的雜訊，以類比的

55

形式在傳遞介質中傳遞，常見的數位調變方式有 ASK(Amplitude Shift Keying)、

FSK(Frequency Shift Keying)、PSK(Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase

Shift Keying)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)...等技術，不經過調變的

訊號我們稱為基頻訊號，在傳遞介質中傳遞的距離很短，不適合用來傳遞。

不管使用何種數位調變型式，最終的選擇是依性能、成本、頻寬等相關因素

而定。在此簡單介紹可應用在射頻辨識系統(RFID)的基本三種數位調變方式：

(A) ASK(Amplitude Shift Keying) :

在數位通訊上是利用數位資料來改變載波振幅的大小(圖3-12)，進而達到傳

送資料，如資料為”1”則傳送A振幅的載波，而資料為”0”則傳送B振幅的載波。

ASK : S(t)= )2cos( tfA cπ : 資料為”1”

)2cos( tfB cπ : 資料為”0”

其中: )2cos( tfA cπ 、 )2cos( tfB cπ 是相同頻率、不同振幅的載波訊號

“0” “1” “0” “1” “1” “1”

圖3-12 . 以ASK傳送數位訊號

56

圖3-13 若其中傳送資料”0”則 B 振幅為0，是不傳送載波，另稱為OOK(On-Off

Keying)，也是100%的ASK調變。

2 4 6 80 10

-2

-1

0

1

-3

2

time, usec

VO

UT

2,

V

圖3-13 .100%的ASK調變

ASK調變是利用振幅大小來作資料的傳輸，所以一般的ASK調變是可以使用不同

調變程度作為調變的指標，圖3-14 .為50%的ASK調變。

2 4 6 80 10

-2

-1

0

1

-3

2

time, usec

VO

UT

2,

V

圖3-14 .50%的ASK調變

57

(B) FSK(Frequency Shift Keying) :

圖3-15 FSK(Frequency Shift Keying)由FM調變技術而來，所不同的，FM傳送

類比訊號而FSK傳送數位訊號，調變方式是把數位資料調變成不同頻率，再發射

出去達到資料傳輸的效果，其抗雜訊能力比ASK好，錯誤率較低。

一般來說，FSK信號之間的頻率差異愈大，因為信號的相關性較低，所以傳

輸及接收的效果愈好，但所需佔用的頻寬也是相對的增加，此為FSK最大缺點。

FSK : S(t) = )2cos( 1tfA π :資料為”1”

)2cos( 2tfA π :資料為”0”

其中: )2cos( 1tfA π 、 )2cos( 2tfA π 是不同頻率、相同振幅的載波訊號

“0” “1” “0” “1” “1” “1”

圖3-15 . 以FSK傳送數位訊號

58

(C) PSK(Phase Shift Keying) :

在通訊中，除了改變振幅和改變頻率之外，還可以改變相位，調變方式是傳

輸的訊號其振幅和頻率均相同，而是相位的不同。所以可利用觀察相位是否有變

化來代表二進位值(Bit”0” ,Bit”1”)。

PSK : S(t) = )2cos( tfA cπ :資料為”1”

)2cos( θπ +tfA c :資料為”0”

其中: )2cos( tfA cπ 、 )2cos( θπ +tfA c 是相同頻率、相同振幅的載波訊號

“0” “1” “0” “1” “1” “1”

圖3-16 . 以PSK傳送數位訊號

圖3-16 一般使用PSK調變改變θ為 )(1800 π ，相同振幅、頻率的載波但相位卻是

反向，而此2進制位元又稱為BPSK(Binary Phase-shift Keying)。

59

3-5 時脈產生電路及振盪電路的探討：

目前的振盪電路依據使用目的及輸出波形的不同(正弦波、方波)大致上可分

為兩種：(1)類比及射頻(RF)所需的振盪電路 (2)數位所需的時脈振盪電路，以

下分別探討：

3-5.1 類比、射頻振盪電路：

(a) LC Tank Oscillator：

許多高頻LC Tank Oscillator都是藉由電晶體(BJT、FET)作為增益放

大電路並以 L、C元件組成串、並聯回授的頻率選擇元件組成(圖3-17)，

在電路輸出方面，電路的振盪頻率決定於 L、C Tank的諧振頻率，且由於

L、C Tank的濾波作用可使輸出的電壓訊號近似一個正弦波。

LLS

CCS

CCP

LLP

圖3-17 . LC Tank Oscillator

60

(b) Cross-Couple Pair Oscillator：

圖 3-18 Cross-Couple Pair Oscillator又可稱為 Negative Gm Oscillator，

因為振盪器的 LC Tank中”L”會產生寄生”R”衰減振盪的特性，在每一個振

盪週期中，LC Tank轉換的能量會在寄生”R”上以熱的形式損失掉，而

振盪的振幅就會逐漸衰減，所以此時就需要有一個電路來提供負電導加以

抵消寄生的”R”，使振盪電路持續的振盪，在射頻或微波電路中是比較

常見的振盪電路。

VCC

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_NMOSMOSFET4

MM9_NMOSMOSFET5

MM9_NMOSMOSFET2

PortP2

PortP1

CC1

RINDL1

RR1

MM9_PMOSMOSFET1

MM9_PMOSMOSFET3

圖3-18 . Cross-Couple Pair Oscillator

61

(c) Voltage-controlled Oscillator：

圖3-19 Voltage-controlled Oscillator(電壓控制振盪器) 普遍的應用

於許多的通訊系統中(GPS、GSM、GPRS、Bluetooth、WLAN、等等)，

其利用控制輸入電壓或電流的改變進而可以調整振盪器的振盪頻率，目

前大部份使用可變電容二極體(Varactors)改變兩端偏壓就會改變二極體

空乏區的寬度，使二極體的接面電容改變，就可以改變 LC Tank的諧振

頻率最後達到電壓控制振盪頻率。

VTune

VCC

PortP3

PortP2

PortP1

MM9_NMOSMOSFET2

TSMC_CM018RF_JUNCAPD1

TSMC_CM018RF_JUNCAPD2

CC1

RINDL1

MM9_NMOSMOSFET5

MM9_NMOSMOSFET4

RR1

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_PMOSMOSFET1

MM9_PMOSMOSFET3

圖3-19 . Voltage-controlled Oscillator

62

(d) Colpitts Oscillator：

圖 3-20 Colpitts Oscillator(考畢子振盪器)是高頻較常見的振盪器主要

由一個電晶體提供反相放大器的增益和兩個電容、一個電感組成 LC

Tank回授電路，利用電容抽頭的分壓形成回授訊號產生振盪，另外也

可以藉由調整電感值來調整振盪頻率。

VCC

CCoupling_C2

LL1

BJT_NPNBJT1

CCoupling_C

PortP1

LRFC

RRB2

RRB1

CC2

CC1

圖3-20 . Colpitts Oscillator

(e) Hartley Oscillator：

圖 3-21 Hartley Oscillator(哈特萊振盪器)是由一個電晶體提供反相放

大器的增益和一個電容、兩個電感組成 LC Tank回授電路，也可利用在

電感 L的中間抽頭上形成反相180度，最後整體電路為正回授持續的使

電路產生振盪。

63

VCC

VCC

CCTune

PortP1

CCoupling_C

CCoupling_C2

RRB1

RRB2

LRFC

LL1

BJT_NPNBJT1

圖3-21 . Hartley Oscillator

(f) Pierce Oscillator：

圖 3-22 Pierce Oscillator(皮爾斯晶體振盪器)是Colpitts Oscillator的改

進形式，利用 Crystal來取代電感 L，所以只需很少的元件就能組成一個

頻率穩定度很好的振盪器，而 Crystal決定電路的振盪頻率。

VCC

XTAL1X1

CC2

CC1

LRFC

CCoupling_C2

BJT_NPNBJT1

CCoupling_C

PortP1

RRB2

RRB1

圖3-22 . Pierce Oscillator

64

(g) Clapp Oscillator：

圖 3-23 Clapp Oscillator(克萊柏振盪器)也是Colpitts Oscillator的改進

形式，這個電路的設計目的，主要是在降低主動元件輸出端的寄生電容效

應進而增進振盪頻率的穩定性，此電路的振盪頻率決定於電感 L及三個串

接組合的電容。

VCC

BJT_NPNBJT1

CCoupling_C

PortP1

LRFC

RRB2

RRB1

CC3

LL1

CC2

CC1

圖3-23 . Clapp Oscillator

(h) Phase-Shift Oscillator：

圖 3-24 Phase-Shift Oscillator(相移振盪器)的基本架構是由一個負增

益放大器和一個三階 R、C梯形回授網路所構成，振盪原理是負增益放大

器提供可以滿足振盪迴路增益條件的值並有反相180度的相位移，而三階

R、C梯形回授網路是提供在某一頻率下180度的相位移，因此全體電路

在該頻率有0度或360度的相位移下產生持續的振盪。

65

VCC

CCoupling Port

P1

RR3

CC3

RR2

CC2

RR4

BJT_NPNBJT1C

C1RR1

圖3-24 . Phase-Shift Oscillator

3-5.2 數位時脈振盪電路：

(a) Crystal Oscillator：

圖 3-25 Crystal Oscillator(晶體振盪器)是由反相器、阻尼電阻、Crystal

及電容組成，電路原理是由反相器提供180度的相移及增益放大，兩個電

容和 Crystal組成 π型電路同樣的提供180度的相移，所以整個電路具有

360度的相移，滿足振盪器的相位需求，產生振盪輸出。在此 Crystal

有極穩定的共振特性和非常高的Q值，使得振盪器具有非常精準且穩定

的頻率。

VCC

PortP1

CC1

CC2

XTAL1X

RR1

MM9_NMOSMOSFET2

MM9_PMOSMOSFET

圖3-25 . Crystal Oscillator

66

(b) Astable Multivibrator：

圖3-26 Astable Multivibrator(不穩態多諧振盪器)，由兩個反相器(可

由 NOT、NOR or NAND)及外部連接R、C所組成的。主要是利用 R、C

之間的充放電達到反相器的轉換電壓進而轉態再對 R、C充放電，週而復

始形成方波產生器。藉由改變不同的電容值和電阻值就可以改變振盪頻

率。

VCC VCC

PortP1

RR1

CC1

MM9_PMOSMOSFET4

MM9_NMOSMOSFET3

MM9_PMOSMOSFET

MM9_NMOSMOSFET2

圖3-26 . Astable Multivibrator

(c) Ring Oscillator：

經常在數位電路中會使用如圖3-27 Ring Oscillator(環型振盪器)，由

在迴圈中連接奇數個(3、5、7、9 ⋯)反相器所構成的。Ring Oscillator主

要利用反相器的傳播延遲(tp)，造成反相器依序的改變相位並週而復始的

產生振盪時脈。一般來說，奇數 N個反相器的 Ring Oscillator，它的振盪

週期為 2*N*tp，則振盪頻率為 1/(2*N*tp)。

67

VCC VCC VCC

PortP1MM9_NMOS

MOSFET2

MM9_PMOSMOSFET

MM9_NMOSMOSFET5

MM9_PMOSMOSFET6

MM9_NMOSMOSFET3

MM9_PMOSMOSFET4

圖3-27 . Ring Oscillator

(d) 555-Timer Oscillator：

圖3-28 555-Timer是一顆用途廣泛的計時器 IC，電路由比較器、SR正

反器、作為開關的電晶體及電阻所組成的電阻性分壓器所共同組成。利用

555-Timer IC搭配外接的 R、C構成一個不穩態多諧振盪器，可藉由改變

不同的電阻值或調整電容值就可以改變振盪頻率。

QB

S

R Q

VCC

OpAmpAMP2

RR3

CC

RRB

RRA R

R1

OpAmpAMP1

HYBCOMB1SR_D-FF

RR4

BJT_NPNBJT1

PortP1

RR2

圖3-28 . 555-Timer Oscillator

68

(e) Bistable Oscillator：

圖 3-29 Bistable Oscillator(雙穩態多諧振盪器)有兩個穩定狀態，電

路可以無限期的停留在任何一個穩定狀態，只有經由適當的觸發才會移

往另一個穩定狀態。

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0 3.5

0

1

2

3

-1

4

VIN

VO

UT

圖3-29 . Bistable Oscillator

(f) Schmitt trigger Oscillator：

圖3-30 Schmitt trigger Inverter(樞密特觸發反相器)是比較典型的雙

穩態多諧電路，可搭配外部連接 R、C組成振盪器，主要原理是利用 R、

C充放電觸發電路的兩個觸發點(VTH、VTL)再對R、C充放電，相同

的，可藉由改變不同的 C值和調整 R值就可以改變振盪頻率。

69

VN VCC

VOUT

VCC

VP

VCC

VCC

VCC

CC1

RR1

PortP1

MM9_NMOSMOSFET8

MM9_PMOSMOSFET5

MM9_NMOSMOSFET7

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_PMOSMOSFET4

MM9_PMOSMOSFET3

圖3-30 . Schmitt trigger Oscillator

70

第四章標籤晶片設計

4-1概論

圖4-1為射頻辨識系統標籤電路方塊圖，本論文針對射頻辨識系統不同的需

求、應用，如取代條碼及高階系統應用，分別設計不同功能的標籤電路。

圖4-1 . 射頻辨識系統標籤電路設計

以兩種編碼方式實現射頻辨識系統標籤電路：

4-2. PWM編碼電路設計 RFID Tag，並以 FPGA方式實現、驗證。

4-3. 設計Manchester編碼電路，並以 TSMC 0.25um CMOS(1P5M)製程來實

現完整的 RFID Tag。

RF Modulation & Transmitter & Rectifier Circuit

VDD

Schmitt Trigger Oscillator

Digital Encoder & CRC Error Detection Circuit

Power on Reset

Parallel Input Data

71

4-2 PWM編碼電路設計與模擬

4-2.1 PWM編碼

每個資料位元(0,1)是以3個clk來進行編碼動作，此 PWM的資料編碼電路

的編碼形式:

Bit: 0 =>1 1 0 Bit: 1 =>1 0 0

如果待傳資料位元為”0”，則編碼電路編碼為: 1 1 0。


4-2.2 資料框架

設計 PWM編碼的 RFID電路，設計的資料框架(Data Frame):

在電路設計中，資料的封包組成是1位元的Header作為辨識封包的起始、

15位元的資料本體之後再加上16bits的 CRC錯誤偵測編碼位元，所以總共傳送

32bits，而封包之間為停止 32bits的時間進行電源充電，再傳送 32bits的資料封

包、、、直至讀卡機完成標籤電路的辨識為止。

傳送資料(Data)週期 : 32 Bits 停止傳送資料&充電週期: 32Bits ~~~

72

4-2.3 電路功能介紹

VCC

資料輸入

圖4-2 .以PWM編碼的標籤晶片

如圖4-2. 所示此標籤晶片電路，當天線接收能量後經由整流及濾波電路提

供電路操作所需的電源，時脈電路即產生時脈訊號送至除3計數電路，除3電路

的輸出訊號再送至除64電路以產生資料選擇電路所需的位址訊號，使資料選擇

電路將並入的資料轉為串出的序列資料，最後進行 PWM編碼。

整個電路的設計分成三部份:

第一部份:振盪時脈電路的設計:產生並提供所有數位電路的標準時脈。

第二部份:數位編碼電路的設計:將晶片內部所儲存的並聯資料，透過電路轉

為串聯資料，並經由 PWM編碼電路編碼。

第三部份:類比的整流及調變電路的設計，此部份負責將讀卡機傳送的電磁

時脈

電路除 3電路

除 64電路

資料

選擇

電路

PWM編碼

電路

整流

調變

73

場能量，整流為晶片所需的直流電源，另一調變電路是將編碼後的

資料作調變，再透過天線輻射出去。

4-2.4 振盪時脈電路設計和模擬：

振盪時脈電路之設計可採取兩種架構：

(一)不穩態多諧振盪器(Astable Multivibrator):

由兩個反相器(可由NOT、NOR or NAND)及外部連接R、C所組成的。

VCC

VCC VCC VCC

VCC VCC

DiodeDIODE

PortOsc_out

PortReset

MM9_PMOSMOSFET7

MM9_PMOSMOSFET8

MM9_NMOSMOSFET9

MM9_NMOSMOSFET10

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_PMOSMOSFET5

RR1

CC1

MM9_PMOSMOSFET4

MM9_NMOSMOSFET3

MM9_PMOSMOSFET

MM9_NMOSMOSFET2

圖4-3 . 不穩態多諧振盪器

圖4-3 振盪電路主要是利用R、C之間的充放電達到反相器的轉換電壓進而

轉態再對 R、C充放電，週而復始形成方波產生器。可藉由改變電容值和調整電

阻值就可改變振盪頻率。

(二)樞密特觸發反相器 (Schmitt trigger Inverter)

74

VN VCC

VOUT

VCC

VP

VCC

VCC

VCC

CC1

RR1

PortP1

MM9_NMOSMOSFET8

MM9_PMOSMOSFET5

MM9_NMOSMOSFET7

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_PMOSMOSFET4

MM9_PMOSMOSFET3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0 3.5

0

1

2

3

-1

4

VIN

VO

UT

VOUT VIN

圖4-4 . 樞密特觸發電路

圖4-4是比較典型的雙穩態多諧電路，可搭配外部連接R、C組成振盪器。

如圖4-5所示主要原理利用R、C充放電觸發電路的兩個觸發點(VTH、VTL)使

輸出端產生電位”0”及”VDD”的方波並重複對VIN端的R、C充放電如圖4-6

所示。

VTL VTH

圖4-5 . 樞密特觸發電路的輸出入轉移曲線及兩個轉態電壓

75

相同的，可藉由改變不同的 C值和 R值就可以改變振盪頻率。

340 345 350 355 360 365 370 375335 380

0

1

2

3

-1

4

time, usec

VIN

, V

VO

UT

, V

圖4-6 . 樞密特觸發電路的振盪時脈波形

4-2.5 數位編碼電路設計和軟體模擬：

(A)PWM數位資料編碼電路：

圖4-7 整體數位電路: 進行設計除3計數電路、除64計數電路、資料選擇

電路、PWM編碼電路並整合為 PWM編碼的標籤晶片電路，再進行數位電路的

整體模擬。

76

位址輸出

資

料

輸

入

位址輸入

圖4-7 . 標籤晶片電路中的PWM編碼電路設計

(B)除3計數電路：

因為使用脈波寬度調變(PWM)的編碼方式其每個位元是使用三個Clock 來

編碼，所以此電路功能為:

(一)送二位元的三態訊號至編碼電路產生PWM編碼

(二)除3的時脈作為除64電路的輸入時脈，以產生資料選擇用的位址，因此構

成每個位元使用三個 Clock 編碼。

77

以下介紹除3計數電路的設計流程:

(1)除3電路狀態變遷激勵表:

計數值現在狀態(A,B) 下次狀態(A,B)

0 0 0 0 1

1 0 1 1 0

2 1 0 0 0

表3 . 除3電路狀態變遷激勵表

(2)卡諾圖化簡:

A B 0 1

0 0 1

1 0 X

表4 . 卡諾圖化簡A

(3)卡諾圖化簡A再以布林代數表示: A= B

A B 0 1

0 1 0

1 0 X

表5 . 卡諾圖化簡B

卡諾圖化簡B再以布林代數表示: B= A * B = A + B

78

(4)最後以數位邏輯閘及正反器完成圖4-8的除3計數電路:

圖4-8 .除3計數電路

圖4-9 .除3計數電路模擬結果(一)

所以由圖4-9可知，當除3計數電路經過3個CLK之後，計數電路就計數3，一

直週而復始計數下去。

圖4-10 .除3計數電路模擬結果(二)

除3計數電路的Ab(OUT)輸出頻率為原時脈頻率的1/3，最後連接至除64計數

79

電路作為輸入 CLK使用。

(C)除64計數電路：

圖4-11的除64計數電路採用非同步型式(D型正反器的時脈觸發端不是由同

一個 CLK所控制的，所以缺點是需要注意電路的時序問題，但優點是如果為除

2的n次方電路，使用此型式電路會非常節省面積)，因為D型正反器配合一個

反向器就可以組成一個除2計數電路，如果之後再接上一個除2計數電路，就形

成除4計數電路，依此類推，最後為所需的除64計數電路。


同時此電路的 CLK訊號是由除3計數電路Ab腳位提供，而除64計數電路的D

型正反器是正緣觸發元件，所以只要除3計數電路的輸出訊號為正緣，D型正反

器就會觸發、計數。

/2 /4 /8 /16 /32 /64

80

圖4-12 .除64計數電路模擬結果(一)

由圖4-12可知除3計數電路計數3次，除64計數電路就計數一次。

圖4-13 .除64計數電路模擬結果(二)

而圖4-13 除64計數電路計數至3F (64) 就重新00開始計數。

(D)資料選擇電路：

圖4-14的資料選擇電路功能是依序的將並聯輸入的資料轉為串聯輸出的資

料，且送至編碼電路進行資料編碼。

81

圖4-14 . 資料選擇電路(一)

圖4-14電路是由31個6輸入接腳的NAND閘所組成。圖4-15所示是利用

1個等待輸入的資料及除64電路的5個計數位址訊號接至NAND-6閘的輸入端，

計數位址由00001變至11111。透過 NAND閘的電路特性(輸入有0為1，全1

為0)，由位址所指定的NAND閘的輸出就為輸入的資料所決定，其餘 NAND閘

輸出皆為1，而所有NAND-6閘的輸出再接至 NAND閘輸出，並且隨著向上計

數的增加，就可以依序的將並聯輸入的資料轉為串聯輸出的資料，但此時圖4-14

的輸出為資料的反向狀態。

82

圖4-15 . 資料選擇電路(二)

(E)PWM資料編碼電路(一)：

每個資料位元(0,1)是以3個clk來進行編碼動作，而此 PWM的資料編碼電

路預計進行的編碼形式:

Bit: 0 =>1 1 0 Bit: 1 =>1 0 0



資料選擇電路輸出串聯資料(Series Data)給PWM資料編碼電路，而以3個clk

來進行編碼動作是透過除3計數電路的計數訊號(A,B)來完成的，如表6所示。

83

(1) PWM資料編碼電路真值表:

SeriesDatain A B Dataout

0 0 0

0 0 1

0 1 0

1

1

0

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1

0

0

表6 . PWM資料編碼電路(一)的真值表

(2) 卡諾圖化簡:

將真值表的資料轉為卡諾圖化簡，再以布林代數式表示之。

Din AB 0 0 0 1 1 1 1 0

0 1 1 X 0

1 1 0 X 0

(3) 布林代數式:

所以，Dataout = A * B + Din * A = A * B + Din * A

= A * B * Din * A

(4) 電路: 化簡之後，還需考量到整個資料的傳送週期，所以加上從除64計數

84

電路的計數訊號當作 clear的訊號，在資料傳送32bits之後，停止傳送32bits，電

路如圖 4-16所示。

圖4-16 . PWM資料編碼電路(一)

除64計數電路的do5訊號接至 PWM資料編碼電路的 clear訊號，當：

do5 :0 =>編碼電路輸出資料。

do5 :1 =>停止輸出資料，標籤晶片進行電能充電。

圖4-17 . PWM資料編碼電路模擬結果

由圖4-17中，data_verify是資料位元，data_out為編碼電路輸出，可以得知編碼

電路編碼正確(0=>110，1=>100)。

85

(F)PWM數位資料編碼完整電路：

圖4-18 .以PWM編碼電路設計之標籤晶片電路

圖4-18 除3計數電路、除64計數電路、資料選擇電路、PWM編碼電路整合為

一個完整 PWM編碼電路，電路的整體模擬結果如下:

86

圖4-19 . PWM編碼電路模擬結果(一)

所有子電路(除3計數電路、除64計數電路、資料選擇電路、PWM編碼電路)

的模擬時序、功能正確，結果如圖4-19所示。

圖4-20 . PWM編碼電路模擬結果(二)

圖4-20 為整體數位編碼電路的傳送週期達到預期結果(傳送32bits位元、停止

32bits位元、再傳送32bits位元、、、)。

4-2.6 數位編碼電路之FPGA硬體驗證：

軟體模擬驗證之後，將模擬結果下載至使用 ALTERA的晶片及 FPGA板作

87

硬體驗證。選擇適當的 ALTERA晶片型號，再佈置晶片的訊號接腳。

圖4-21 .ALTERA的 FPGA實驗板

圖4-22 .使用示波器觀察資料的傳送週期

圖4-22所示其傳送週期長度符合設計需求。

圖4-23 PWM編碼輸出，第1位元為0傳送資料寬度為1 1 0，而第2、3、4

位元資料為1則傳送資料寬度為1 0 0，整體編碼電路驗證輸出結果正確。

88

圖4-23 . 使用示波器觀察PWM編碼輸出

4-3 Manchester編碼設計電路與模擬

在本章節介紹:

4-3.1 標籤電路的特色及功能設計介紹

4-3.2 晶片設計及軟體模擬

4-3.2.1 振盪時脈電路之設計和模擬

4-3.2.2 數位編碼電路之設計和模擬

4-3.2.3 整體RFID電路實現


4-3.1 標籤電路的特色及功能設計介紹:

89

如圖4-24所示，由Reader端天線所發射出的電磁波能量，經由 Tag端天線感

應接收，被整流電路和濾波電容整流為 VDD的直流電壓，並提供給 Tag端所有

電路使用，而 CLK電路獲得 VDD後，開始振盪出時脈方波，經由除64計數電

路所得的計數值當作位址訊號供給資料選擇電路作資料的並入串出動作，串聯的

輸入資料一方面送至多工器電路，另一方面送至 CRC錯誤偵測編碼電路作 CRC

的餘數運算。而2對1多工器電路負責將CRC錯誤偵測編碼電路所得的餘數加

至串聯資料之後形成一個”Frame” ，再經由Manchester編碼電路作數位訊號的

編碼，最後送至 ASK/OOK調變電路調變至射頻發射回 Reader端。

VCC

Antenna

Cs

圖4-24 .Manchester編碼的 RFID標籤晶片方塊圖

此晶片強調兩項重點設計:

CLK除 64

資料

選擇

電路

CRC編碼電路

MUX Manchester編碼

POR電路整流

電路

ASK調變

電路

90

(1)振盪時脈電路的設計:使用Schmitt Trigger 外接 R、C組成 CLK電路供

給數位編碼電路標準的時脈，但是因為 Tag IC的整流電壓會隨時變動，相對的

會造成振盪時脈電路的振盪頻率產生偏移，進而影響 Reader端解碼的困難。為

加強 Schmitt Trigger CLK 的穩定性，改良此電路只要加上一個小電路對振盪電

路充放電進行補償及緩衝就可得到一個很穩定的時脈電路，進而增加 RFID系統

的穩定性。

(2)調變及整流電路的設計:為節省晶片面積，晶片設計將調變電路及整流電

路整合為一個電路，同時做到整流、振盪、調變三個功能。

(3)回送信號的設計方式: 在RFID系統中的感應方式有低頻率的磁場耦合

及高頻率的後向式散射兩種。

(a)在此晶片中，只需改變外接天線的共振頻率，即可構成完整的振盪電

路，以輻射形式回送信號。

(b)可改變外接天線及負載架構，即可構成後向式散射(反射)方式回送信

號。

(c)回送信號可涵蓋一般RFID所使用的頻率範圍，是一個全頻段的應用

的 Tag IC。

預計規格列表：

91

Item Value Type Passive Clock Building In Clock Frequency 600KHz Carrier Frequency 915MHz/13.56MHz VDD 3.3V Error Dect CRC-16 Encoder Manchester Modulation ASK

表7 .預計規格表

4-3.2 晶片設計及軟體模擬:

詳細描述此晶片所包含的電路方塊，分為兩部份(類比電路、數位

電路)並逐一介紹子電路功能:

4-3.2.1 振盪時脈電路之設計和模擬：

(A)設計考量:

評估對應用於 RFID系統所需的振盪時脈電路，列出4項時脈電路所要考

量的因素：

(1) 在Tag電源儲存電容作充放電時，電源電壓的不穩定可能會造成時脈電

路的 clock frequency drift。

(2) 嚴重影響Tag的穩定度: 因為時脈電路的clock frequency drift會造成數

位編解碼電路及運算電路產生錯誤。

(3) 因為成本的考量，對於Tag Chip的面積要減至最小，所以振盪時脈電路

92

要盡量減少大面積元件的使用。

(4) 設計一個較不隨直流電壓改變頻率的時脈產生器。

(5) 振盪時脈電路預計提供600KHz的時脈方波訊號並送給後級電路作為

Clock，達到 kbps的資料傳輸速率。

(B)電路原理:

圖4-25.樞密特觸發反相器(Schmitt trigger Inverter)是比較典型的雙穩

態多諧電路，可以搭配外部連接 R、C組成振盪器，主要原理是利用 R、C

充放電來觸發電路中疊接 NMOS、PMOS所不同的輸入開啟電壓而形成的兩

個輸入觸發點(VTH、VTL)，輸出電壓轉態後再對R、C進行充放電，所以

可以藉由改變不同的 C值和調整 R值就可以改變振盪器的振盪頻率。

VN VCC

VOUT

VCC

VP

VCC

VCC

VCC

CC1

RR1

PortP1

MM9_NMOSMOSFET8

MM9_PMOSMOSFET5

MM9_NMOSMOSFET7

MM9_NMOSMOSFET6

MM9_PMOSMOSFET4

MM9_PMOSMOSFET3

圖4-25. 樞密特觸發反相器

93

(C)振盪時脈電路設計步驟:

(a)調整電晶體的尺寸，使其遲滯曲線的兩個轉態點隨著VDD而等比例

的下降。

(b)加上R、C使其振盪並可得振盪時脈，如圖4-26所示。

(C)最後加上小電路，可使振盪頻率穩定。

340 345 350 355 360 365 370 375335 380

0

1

2

3

-1

4

time, usec

VIN

, V

VO

UT

, V

圖4-26 .振盪時脈訊號波形

比較電路在製程上的偏移考量:

TT FF SS FS SF Resister (BEST)

600KHz (---)

607.1KHz (1.18%)

592.9KHz (1.18%)

578.6KHz (3.565)

621.4KHz (3.56%)

Resister (Typical)

600KHz (---)

607.1KHz (1.18%)

592.9KHz (1.18%)

578.6KHz (3.565)

621.4KHz (3.56%)

Resister (Worst)

600KHz (---)

607.1KHz (1.18%)

592.9KHz (1.18%)

578.6KHz (3.565)

621.4KHz (3.56%)

表8 . 電路在製程上的偏移考量

94

由表8可知製程參數的變化對電路的頻率影響並不大，仍在可以接受的範圍內。

圖4-27 .振盪電路的佈局圖

4-3.2.2 數位編碼電路之設計和模擬：

在此介紹此晶片所具備的數位功能，包含除2計數電路、除64計數電路、

資料選擇電路、CRC錯誤偵測電路、2對1多工器、Manchester編碼電路，逐一

介紹。

(A)除2計數電路：

晶片中的振盪時脈電路輸出的 CLK經由圖4-28的除2計數電路進行除2動

作，為什麼需要除2動作? 因為Manchester編碼電路的需要，根據Manchester

95

編碼的特徵，是在位元的中間進行資料的轉態，其後除2電路的輸出，傳至除

64計數電路。


電路的動作，是剛開始 CLEAR訊號為低態(“LOW”)觸使正反器輸出(Q)

為”LOW”再經由反向器致使輸入端(D)為”High”，而當 CLK訊號輸入 D-型正反

器的時脈觸發端，因為是上升緣觸發，所以當時脈訊號上升緣時，輸出(Q)讀入

輸入(D)的訊號為”High”而”High”再經由反向器轉為”Low”送至輸入(D)，如此週

而復始，最後可得除 2計數電路。

圖4-29 .除2計數電路模擬結果

96

圖4-29 CLKFAST訊號是時脈電路產生的時脈訊號，而 CLK是經由除2計數電

路產生的輸出結果，電路動作無誤。

CLK2B

CL K2-4

VCC

VCC

VCC

VCC

CL K2-3

VCC

VCC

CLK2

CLK2-2

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

CLK2-1

VCC

VCC

c lea r

VCCVCC

VCC

VCC VCC VCC VCC

VCC

CLK2B

TSM C_CM 025RF_NM OSNM OS488

Width=3 u mLength=0 .35 umTy pe=3.3 V_nom

TSM C_CM 0 25RF_PM OSPM OS692

Width=18 u mLength=0.3 5 umTy pe=3.3V_ nom






Wid th=3 umLen gth=0.35 umTy p e=3.3V_nom

TSM C_CM 025RF_ PM OSPM OS689

Width =18 umLeng th=0.35 umTy pe =3.3V_nom


Width=3 umL ength=0.35 u mTy pe=3.3V_no m

TSM C_CM 025RF_PM OSPM OS690






TSM C_CM 02 5RF_NM OSNM OS484

Width=3 umLength=0.35 umTy pe=3.3V_ nom

TSM C_CM 025 RF_PM OSPM OS688



Width =24 umLength=0.35 umTy pe=3.3V_nom

TSM C_CM 025RF_ NM OSNM OS483



Width=12 umLength=0.35 umTy pe=3.3V_ nom


Width=2 umLength=0.3 5 umTy pe=3.3V_ nom

CLKFAST



CLKFAST

TSM C_CM 025 RF_PM OSPM OS568


CLKFAST



CLKFASTTSM C_ CM 025RF_NM OSNM OS3 66

Width=1 umLength =0.35 umTy pe=3.3V_nom


Width=1 umLength=0.3 5 umTy pe=3.3V_nom

TSM C_ CM 025RF_NM OSNM OS3 68

Width=1 umLength =0.35 umTy pe=3 .3V_nom




Width=1 umLength=0.35 umTy pe=3.3V_n om


Width=6 umLength=0.35 umTy pe=3.3V_n om



TSM C_ CM 025RF_PM OSPM OS5 71

Width=6 umLength =0.35 umTy pe=3 .3V_nom


Width=6 umLength=0.3 5 umTy pe=3.3V_nom





圖4-30 .以ADS模擬除2計數電路

圖4-30以ADS組成除 2計數電路，而需要驅動下一級的電路，所以採用多

級並尺寸逐級增大的反向器當緩衝驅動電路。

圖4-31 .除2計數電路佈局圖

97

(B) 除64計數電路：

圖4-32除64計數電路採用非同步方式組成，而藉由除2計數電路進行串接

可得除2、除4、除8、除16、除32、除64，此電路為提供資料選擇電路時

序訊號及多工器切換 Data及 CRC餘數的訊號和調變發射的控制訊號，所以設計

並選擇此計數電路。

“除2” “除4” “除8” “除16” “除32” “除64”

圖4-32 .非同步方式的除64計數電路

圖4-33 .ADS模擬的除64計數器

clear

clear

VCCVCC

VCCVCC

VCC

VCC

VCCVCC

D2

D5

D2B

D2B

D5B

D5B

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCCVCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

clear clear

VCC

VCCVCCVCC

VCC

VCC

VCC

D1

VCC

D1B

D4

D1B

D4B

D4B

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCCVCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCCVCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

clear

clear

VCC

VCCVCC

VCC

VCC VCC

VCC VCC

D0D3

D0BD3B

D0B D3B

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

TSM C_CM 025RF_PM O S

PM O S561

W idt h=12 umLengt h=0. 35 um

Type=3. 3V_nom

TSM C_CM 025RF_NM O SNM O S359

W idt h=2 um

Lengt h=0. 35 umType=3. 3V_nom

TSM C_CM 025RF_PM O SPM O S560

W idt h=12 um


TSM C_CM 025RF_NM O S

NM O S358


Type=3. 3V_nom


PM O S559


Type=3. 3V_nom


NM O S357


Type=3. 3V_nom


W idt h=12 um



W idt h=2 um



PM O S563


Type=3. 3V_nom


W idt h=2 um



W idt h=12 um



NM O S360


Type=3. 3V_nom


W idt h=3 um



PM O S683


Type=3. 3V_nom


W idt h=6 um



PM O S682


Type=3. 3V_nom


PM O S680


Type=3. 3V_nom


W idt h=6 um



PM O S681


Type=3. 3V_nom


W idt h=3 um



NM O S475


Type=3. 3V_nom


PM O S679


Type=3. 3V_nom


NM O S474


Type=3. 3V_nom


PM O S678


Type=3. 3V_nom


NM O S473


Type=3. 3V_nom


PM O S677


Type=3. 3V_nom


NM O S472


Type=3. 3V_nom


PM O S676


Type=3. 3V_nom


NM O S471


Type=3. 3V_nom


W idt h=18 um



NM O S470


Type=3. 3V_nom


W idt h=36 um



W idt h=36 um



NM O S469


Type=3. 3V_nom


W idt h=18 um



NM O S468


Type=3. 3V_nom


PM O S231


Type=3. 3V_nom


PM O S407


Type=3. 3V_nom


W idt h=20 um



W idt h=20 um



PM O S401


Type=3. 3V_nom


PM O S399


Type=3. 3V_nom


PM O S400


Type=3. 3V_nom


PM O S402


Type=3. 3V_nom


PM O S404


Type=3. 3V_nomTSM C_CM 025RF_PM O S

PM O S406


Type=3. 3V_nom


W idt h=40 um



PM O S232


Type=3. 3V_nom

CLK2B


W idt h=6 um


CLK2B


W idt h=1 um


CLK2BTSM C_CM 025RF_NM O S

NM O S185


Type=3. 3V_nom

CLK2B


W idt h=6 um



PM O S480


Type=3. 3V_nom


PM O S479


Type=3. 3V_nom


PM O S478


Type=3. 3V_nom


PM O S477


Type=3. 3V_nomTSM C_CM 025RF_PM O S

PM O S475


Type=3. 3V_nom


PM O S474


Type=3. 3V_nom


PM O S473


Type=3. 3V_nom


PM O S472


Type=3. 3V_nom


PM O S470


Type=3. 3V_nom


PM O S469


Type=3. 3V_nom


PM O S468


Type=3. 3V_nom


PM O S467


Type=3. 3V_nom


PM O S465


Type=3. 3V_nom


PM O S464


Type=3. 3V_nom


PM O S463


Type=3. 3V_nom


PM O S462


Type=3. 3V_nom


PM O S460


Type=3. 3V_nom


PM O S459


Type=3. 3V_nom


PM O S458


Type=3. 3V_nom


PM O S457


Type=3. 3V_nom


PM O S455


Type=3. 3V_nom


PM O S454


Type=3. 3V_nom


PM O S453


Type=3. 3V_nom


PM O S452


Type=3. 3V_nom

D1B


W idt h=6 um


D4B


W idt h=6 um


D4B


W idt h=1 um


D4BTSM C_CM 025RF_NM O S

NM O S147


Type=3. 3V_nom

D4B


W idt h=6 um



NM O S148


Type=3. 3V_nom


NM O S149


Type=3. 3V_nom


NM O S150


Type=3. 3V_nom


NM O S151


Type=3. 3V_nom

D3B


PM O S191


Type=3. 3V_nom

D3B


W idt h=1 um


D3BTSM C_CM 025RF_NM O SNM O S154

W idt h=1 um


D3B


W idt h=6 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um


D2B


W idt h=6 um


D2B


W idt h=1 um



NM O S161


Type=3. 3V_nom

D2B


W idt h=6 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



NM O S168


Type=3. 3V_nom


NM O S169


Type=3. 3V_nom


NM O S170


Type=3. 3V_nom


NM O S171


Type=3. 3V_nom


NM O S172


Type=3. 3V_nom

D1B


W idt h=1 um


D1B


W idt h=6 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um


D0B


W idt h=6 um


D0BTSM C_CM 025RF_NM O SNM O S179

W idt h=1 um


D0B


W idt h=1 um


D0B


PM O S226


Type=3. 3V_nom


W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um



W idt h=1 um


除 2

除 4

除 8

除 16

除 32

除 64

98

圖4-34所示ADS模擬除64計數電路並模擬計數輸出結果。

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D1

, V

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D2

, V

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D3

, V

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D4

, V

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D5

, V

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

D0

, V

圖4-34 . ADS所模擬的結果且符合設計需求

圖4-35 . 除64計數器佈局圖

除 2

除 4

除 8 除 64

除 32

除 16

99

(C) 資料選擇電路：

圖4-36所示資料選擇電路的最大功能就是可以將並聯輸入的資料轉為一般

數位電路所需處理的串聯資料，依序的將資料逐一輸出。

圖4-36 .資料選擇電路

圖4-37所示ADS模擬資料選擇電路並模擬輸出結果。

圖4-37 . ADS所組成的資料選擇電路

NA ND 1

V CC

V C C

D A 1 2 D A 1 3DA 1 4

V C C

V C C

V CC

V CC

V CC

V CC

NA ND 3

DA 0 9 D A 1 0D A 1 1

V C C

V C C

V C C

V C C

V CC

V CC

V CC

V CC

DA 0 6

D A 0 7

D A 0 8

NA ND 2

D a t a _ s e lO U TD A T A I N

V C C

V C C

V CC

V CC

V CC

V C C

V C C

V C C

V CC

V C C

V C C

V C C

V C C

V CC

V C C

DA 0 3D A 0 4

DA 0 5

V CC

V CC

V C C

V C C

V C C

V C C

DI N0 1DI N0 2

D 3 B

D 3 B

D2 BD2 B

D1D1

D 0 BD 0

D A 0 1 D A 0 2

V CC

V CC

V CC

V CC

D A 0 2

T S M C_ CM 0 2 5 RF _ P M O SP M O S 6 8 6

W id t h = 1 2 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o m

DA 0 4

T S M C _ C M 0 2 5 RF _ P M O SP M O S 6 8 4


DA 0 3

T S M C_ CM 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 8 5


DA 0 4

T S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 4 8 0

W id t h = 2 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o m

DA 0 3

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 8 1


DA 0 2T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 8 2


DA 0 1



D A 0 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 7 5 8


DI N 0 1V _ D CS RC 2 9V d c = 3 . 3 V

DI N0 2V _ DCS R C2 8V d c = 3 . 3 V

D I N 0 3RR 2 9R = 1 0 O h m

DI N0 4RR 3 0R = 1 0 O h m

D I N 0 5V _ D CS RC 3 0V d c = 3 . 3 V

DI N 0 6RR 3 2R = 1 0 O h m

D I N 0 7V _ D CS RC 3 1V d c = 3 . 3 V

DI N 0 8RR 3 1R = 1 0 O h m

D I N0 9V _ DCS R C3 4V d c = 3 . 3 V

D I N 1 0V _ D CS RC 3 3V d c = 3 . 3 V

DI N1 1RR3 6R= 1 0 O h m

D I N 1 2RR3 5R= 1 0 O h m

DI N 1 3V _ D CS RC 3 2V d c = 3 . 3 V

DI N1 4RR 4 5R = 1 0 O h m

T S M C _ CM 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 4 6 2


T S M C _ CM 0 2 5 RF _ P M O SP M O S 6 6 6




T S M C_ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 6 5






T S M C_ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 5 9










T S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SNM O S 3 7 1








T S M C _ C M 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 3 7 3

W id t h = 1 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mN A N D3


W id t h = 2 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mN A N D2



NA N D1T S M C _ C M 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 3 7 7


N A N D1



N A N D2 T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 5 8 0


N A N D3 T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 5 8 1


DA 1 4

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SN M O S 3 7 8


D A 1 4



DA 1 3T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 7 9


D A 1 3



DA 1 2

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 8 0


D A 1 2





D A 1 1





DA 1 0



DA 0 9



D A 0 9



DA 0 8T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SN M O S 3 8 4


DA 0 8





D A 0 7





D A 0 6





DA 0 5



D 3T S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SNM O S 3 9 3


D3





D2





D1



D 0



D 0



D I N 1 4



DI N1 4



D I N 1 3



DI N1 3





D 3





D2





D1



D 0 BT S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SNM O S 4 0 2


D 0 B



D3T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 4 0 3


D3





D 2



D1 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 4 0 5


D 1 B





D0



DI N1 2



D I N 1 2



D I N 1 1



DI N1 1





D3





D2





D1 B





D 0 B





D 3





D2 B



D 1



D1





D 0



D I N 1 0



DI N1 0



DI N0 9



D I N 0 9





D3





D 2 B



D1



D 1





D0 B



D3T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 2 3


D3



D2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 2 4


D 2 B



D1 B



D1 B





D0



DI N0 8



DI N0 8



DI N0 7



DI N0 7



D3



D3



D2 BT S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 4 3 0


D2 B





D1 B





D 0 B



D 3 B



D 3 B



D 2T S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 3 4


D 2





D 1





D0



D I N 0 6



D I N 0 6



D I N 0 5



D I N 0 5



D 3 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 3 9


D 3 B



D 2



D 2





D 1



D 0 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ NM O SNM O S 4 4 2


D0 B





D 3 B





D 2





D 1 B





D0



D I N 0 4



DI N0 4


W id t h = 1 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mD I N 0 3



DI N0 3



D 3 BT S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 4 4 9


D3 B



D 2T S M C_ CM 0 2 5 RF _ N M O SN M O S 4 5 0


D2





D1 B





D 0 B























100

設計輸入的資料訊號為:0011001010110010

圖4-38 . ADS模擬的結果且符合設計需求

圖4-39 . 資料選擇電路佈局圖

119 139 159 17999 199

0

1

2

3

-1

4

time, usec

DA

TA

IN,

V

0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0

101

(D) CRC錯誤偵測電路：

在此晶片設計中採用CRC-16= 121516 +++ XXX =11000000000000101

數學運算步驟:

(1)將待運算的資料d(x)轉換成二進位多項式，再乘上CRC多項式的最高

位元形成m(x)。

(2)再將此算式除以CRC的g(x)衍生多項式 (Generation Polynomial)

就可以得一餘數p(x)。

(3)將此餘數p(x)加上m(x)，就可得包含資料的訊框檢查序列T(x)即可

傳送。

(4)接收時，此訊框檢查序列T(x)再經由同一CRC多項式運算，即可判斷

是否整除? 如果傳送中沒有發生位元錯誤，則必整除。

步驟: (1)(2)

d(x) m(x)

g(x) 10001100100011

11000000000000101 0011001010110010,0000000000000000

11000000000000 101

00001010110010 1010000

102

1100000000 0000101

0110110010 10101010

110000000 00000101

000110010 10101111000

110000 00000000101

000010 101011111010000

11 000000000000101

01 1010111110101010

1 1000000000000101

0 0010111110101111

p(x)

運算至此，可得所要CRC的運算餘數結果{P(x)}，再將二進位的餘數訊號加

至二進位的資料訊號之後，即為電路所需的完整傳送訊號，再送至編碼電路進行

資料的編碼。

步驟: (3)(4)

10001100100011

11000000000000101 0011001010110010,0010111110101111 T(x)

11000000000000 101

g(x) 00001010110010 1000111

103

1100000000 0000101

0110110010 10000101

110000000 00000101

000110010 10000000101

110000 00000000101

000010 100000000000111

11 000000000000101

01 1000000000000101

1 1000000000000101

0 (整除)

此完整傳送訊號經由再一次相同的 CRC多項式數學運算，如果最後運算結

果是整除(餘數為0)的情況，則此晶片電路在資料傳輸過程中，任何一個位元沒

有發生錯誤，相反的，如果不為整除，那麼在資料傳輸過程中一定有發生資料的

錯誤。

圖4-40所示以邏輯電路組成CRC錯誤偵測邏輯電路。

104

圖4-40 . CRC錯誤偵測邏輯電路

圖4-41 . CRC錯誤偵測邏輯電路模擬結果

圖4-41.所示的DATA_CHECK是輸入的資料: 0011001010110010，經由 CRC

錯誤偵測電路運算結果

如圖4-42.所示可得運算的餘數結果: 0010111110101111。

105

圖4-42 . CRC錯誤偵測邏輯電路模擬結果

圖4-43 .在ADS中設計各種邏輯元件、正反器組成 CRC錯誤偵測編碼電路:

圖4-43 . 在ADS模擬 CRC錯誤偵測編碼電路

ADS所模擬完的結果符合數學所推導計算:

如圖4-44所示，CRC的運算結果為0010111110101111

C H E C K _ C R C

c le a r

V C CV C C

V C C

C R C _ O U T

V C C

X 1 6 D

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

c le a r

c le a r c le a r

V C CV C C

c le a r c le a r

V C C

V C C V C CV C C V C C

X 1 5 Q

V C C V C C

V C C V C C

V C C V C C

X 1 5 Q BV C C V C C

X 1 4 D

X 1 5 D

V C C

X 1 2 D

X 1 3 D

V C C

V C C

V C C V C C

X 1 6 D

V C C V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

X 1 D X 1 D B

V C CV C CX 1 1 D

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

c le a r c le a r

c le a r c le a r


c le a r c le a r


V C C V C C

V C C V C CV C C V C CV C C V C C

X 1 0 DX 1 1 D

V C C V C C

X 8 D

X 9 D

V C C V C C

X 6 D

X 7 D

V C C V C C

V C C V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

X 5 D

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

c le a r c le a r

c le a rc le a r


X 1 D

V C CV C C

V C CV C C

C R C _ O U T

X 1 D B

V C C V C C

C R C _ O U T B

V C C V C C

X 4 D X 5 D

V C C

V C C

X 2 D X 2 Q

V C C

V C C

X 3 D

V C C V C C

D 4 B

V C C V C C

D A T A I N

X 2 Q BV C CX 1 D V C C

D A T A I N BV C CV C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

CC 5C = 1 0 p F

RR 1 9R = 1 M

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 0

W id t h = 3 u m

L e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o m

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 6

W id t h = 0 . 5 u m


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 2 9


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 2 5

W id t h = 0 . 5 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o m

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 9 4


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 9 3






T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 9 2




T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 9 1


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 9


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 9 0


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 8 9






T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 8 8




T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 8 7





W id t h = 3 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u m

T y p e = 3 . 3 V _ n o m





T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 0 . 5 u m




T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 2 4


C L K 2 - 4

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 1 3 2


C L K 2 - 4T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 0 5

W id t h = 1 u m


C L K 2 - 4



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 4


W id t h = 6 u m


C L K 2 - 4

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 1 4 6




C L K 2 - 4



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 4


W id t h = 6 u m


C L K 2 - 4



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 4



C L K 2 - 4T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 9 3


C L K 2 - 4

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 1 1 5


C L K 2 - 4



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


N M O S 1 0 0


C L K 2 - 4



C L K 2 - 4

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 1 2 3


C L K 2 - 3



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 3T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 8 8

W id t h = 1 u m


C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 1 u m


C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 8 3


C L K 2 - 3



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 3





C L K 2 - 3

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 9 1


C L K 2 - 2




N M O S 5 7


C L K 2 - 2


W id t h = 1 u m


C L K 2 - 2



C L K 2 - 2




N M O S 6 4


C L K 2 - 2


W id t h = 1 u m


C L K 2 - 2



C L K 2 - 2



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


N M O S 4 5


C L K 2 - 2



C L K 2 - 2

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 1


C L K 2 - 2



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


N M O S 5 2


C L K 2 - 2



C L K 2 - 2

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 9


C L K 2 - 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 3 6



W id t h = 1 u m


C L K 2 - 1



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 1


W id t h = 6 u m


C L K 2 - 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 0


C L K 2 - 1



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 1 u m


C L K 2 - 1


W id t h = 6 u m


C L K 2 - 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 1 8




C L K 2 - 1



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 1


W id t h = 6 u m


C L K 2 - 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 6


C L K 2 - 1T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 6


C L K 2 - 1



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

C L K 2 - 1

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 5

W id t h = 6 u m


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 1 1




T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 1 5


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 1 7



W id t h = 2 0 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u m

T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m















T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 3 9


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 4 1






T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 4 0 u m



W id t h = 4 0 u m







W id t h = 4 0 u m



W id t h = 4 0 u m




T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 4 0 u m



W id t h = 4 0 u m







W id t h = 4 0 u m




T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 5 0


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 9


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 8


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 7


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 6


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 5


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 4


T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 5 4 3




































































T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


















W id t h = 1 u m




T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 1 u m


X 1 5 Q B


W id t h = 1 u m


X 1 5 Q


W id t h = 1 u m


X 1 D B


W id t h = 1 u m


X 1 D


W id t h = 1 u m


X 1 5 Q B


W id t h = 6 u m


X 1 5 Q


W id t h = 6 u m


X 1 D


W id t h = 6 u m


X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 4 9



W id t h = 6 u m



W id t h = 1 u m






X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 3 0


X 1 DT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 2 9


X 2 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 7


X 2 QT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 8


X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 3 4


X 1 D

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 3 3


X 2 QT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 3 2


X 2 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 1

W id t h = 6 u m


C R C _ O U T B



C R C _ O U T



D A T A I N BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 2 1


D A T A I NT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 2 0


C R C _ O U T BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 2 2


C R C _ O U T

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 2 3


D A T A I N



D A T A I N BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 5

W id t h = 6 u m












T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



















W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m




T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o m


W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m



W id t h = 1 u m






















T y p e = 3 . 3 V _ n o m



T y p e = 3 . 3 V _ n o mT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 0

W id t h = 1 2 u m


106

圖4-44 . ADS所模擬錯誤偵測編碼電路的結果

圖4-45 . CRC錯誤偵測編碼電路佈局圖

(E) 2對1多工器：

利用圖4-46的二對一多工器來進行Data和 CRC的切換來達到上述 CRC錯

320 340 360 380 400300 420

0

1

2

3

-1

4

time, usec

CH

EC

K_

CR

C,

V

0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1

107

誤偵測編碼電路中所產生包含資料的訊框檢查序列 T(x)。

圖4-46 .2對1多工器

電路原理:以CONTROL訊號控制 DATA和 CRC的切換，所以，以布林代數表

示之: DATAOUT = CONTROL*DATA * CONTROL*CRC

= CONTROL*DATA + CONTROL*CRC

圖4-47 .以ADS模擬2對1多工器

M UX

CRC_OUT

D4B

DATAIN

VCC VCC

VCC

VCCVCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCCVCC

CC6C=10 pF

RR49R=1M Ohm


Wid th=6 umLength=0.35 um

Ty pe=3.3V_nom


Wid th=1 umLength=0 .35 um

Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom


Width=18 umLength=0 .35 um

Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom


Wid th=6 umLength=0 .35 umTy pe=3.3V_nom


Wid th=6 umLength=0 .35 umTy pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom

TSM C_CM 025RF_NM OS

NM OS325

Wid th=1 um

Length=0.35 umTy pe=3.3V_nom


NM OS326

Wid th=1 um



NM OS327

Wid th=1 um



NM OS328

Wid th=1 um




Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom



Ty pe=3.3V_nom

TSM C_CM 025RF_PM OS

PM OS389

Wid th=6 um

Length=0 .35 umTy pe=3.3V_nom

108

圖4-48 .以ADS模擬2對1多工器的結果

如圖4-48.所示，ADS模擬的結果且符合設計需求(先傳送資料位元再傳送CRC

錯誤偵測編碼)。

圖4-49 . 2對1多工器的佈局圖

(F) Manchester資料編碼電路：

經由2對1多工器所輸出的框架(Header +Data +CRC)，送至Manchester編

420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620400 640

0

1

2

3

-1

4

time, usec

MU

X,

V

00 11 00101 0 11001 0001011111 0 1 0 1111

Data CRC

109

碼電路進行資料的編碼動作。

圖4-50. Manchester編碼的電路原理是利用XNOR閘來進行 clk_2和 data_in

兩個輸入的動作，而 D-型正反器是藉由 clk_1來觸發輸入端，將輸入訊號送至輸

出端，功能是避免數位的雜訊干擾，

圖4-50 . Manchester編碼電路

Manchester編碼時序原理:

“0” “1” “0” “ 0” “1” “1” “1”

data_in

clk_2

out

圖4-51 . Manchester編碼時序原理

110

由圖4-50，如此可得Manchester編碼電路，而圖4-52.由DATA_OUT可知電路

模擬結果得到所需的電路功能。

圖4-52 . Manchester編碼電路模擬結果

圖4-53 .ADS所組成的Manchester編碼電路:

圖4-53 .ADS實現Manchester編碼電路

D5B

VCC

VCC

VCC

CLKFAST CLKFASTB

VCC

VCC

VCC

M UX

M a nc he s te r_OUT

M UXB

VCC

VCC

CLK2B

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

CK

VCCVCC

VCC

VCC

VCCVCC

VCCVCC

TSM C_ CM 02 5RF_ PM OS_RFPM OS_ RF5

nr=1 6l r=0 .24 umTy pe =p m os _rfw1 0 TSM C_CM 02 5RF_ PM OS_RF

PM OS_RF6

nr=16l r=0 .2 4 umTy pe =p m o s _ rfw10

TSM C_ CM 02 5RF_ PM OSPM OS1 62

Wid th=6 u mLe ng th =0 .35 u mTy pe =3 .3 V_ no m

TSM C_CM 02 5RF_ NM OSNM OS8

Wi d th =1 u mLe ng th=0 .35 umTy pe =3 .3V_n om

TSM C_ CM 0 25 RF_PM OSPM OS1 81

Wid th=6 umL en g th =0 .3 5 u mTy p e=3 .3 V_ no m

TSM C_CM 02 5RF_ NM OSNM OS14 5

Wid th =1 u mLe ng th=0 .35 umTy pe =3 .3V_n om



TSM C_CM 02 5RF_ NM OSNM OS14 4

Wid th =1 u mLe ng th=0 .35 umTy pe =3 .3V_n om

TSM C_CM 0 25 RF_NM OSNM OS7

Wid th =1 umL en g th=0 .3 5 u mTy p e=3 .3V_ no m


Wid th=6 u mLe ng th =0 .35 umTy pe =3 .3 V_n om

TSM C_CM 025 RF_NM OSNM OS14 3


TSM C_ CM 0 25 RF_NM OSNM OS1 42


TSM C_CM 025 RF_NM OSNM OS14 1




CLKFASTB

TSM C_CM 0 25 RF_PM OSPM OS17 0


CLKFASTBTSM C_ CM 02 5RF_ NM OSNM OS1 36

Wid th=1 u mLe ng th =0 .35 u mTy pe =3 .3 V_ no m

CL KFASTB

TSM C_CM 0 25 RF_NM OSNM OS13 5

Wid th =1 umL en g th=0 .3 5 umTy p e=3 .3V_n om

CL KFASTB

TSM C_ CM 0 25 RF_PM OSPM OS9










M UX



M UXB



M UX

TSM C_CM 0 25 RF_PM OSPM OS17 3

Wid th =6 umL en g th=0 .3 5 umTy p e=3 .3V_n om

M UXBTSM C_CM 02 5RF_PM OSPM OS17 2


CLK2BTSM C_ CM 02 5RF_ PM OSPM OS1 71


CL K2 B



CKTSM C_CM 02 5RF_PM OSPM OS16 9


CK



111

ADS所模擬的結果且符合設計需求:

(1)如圖4-54.傳送封包週期: 傳送32Bits、停止32Bits、、、週而復始。

(2)圖4-55. Manchester編碼電路的資料輸出，編碼正確。

100 200 300 400 500 600 7000 800

0

1

2

3

-1

4

time, usec

Ma

nch

est

er_

OU

T,

V

圖4-54 . Manchester編碼電路模擬傳送週期

450 500 550 600400 650

0

1

2

3

-1

4

time, usec

Manch

est

er_

OU

T, V

D4B

, V

圖4-55 . Manchester編碼電路模擬資料編碼

112

圖4-56 . Manchester編碼電路佈局圖

4-3.2.3 整體RFID電路實現:

前述完各個子電路後，現將所有電路整合進行模擬。

(A)RFID數位電路整體模擬:

圖4-57 .以Manchester編碼的全部數位電路

113

由下圖4-58可知，經由Maxplus2數位模擬軟體所作模擬是符合所求的。

圖4-58 .以Manchester編碼的全部數位電路模擬結果

(B) RFID整體數位 CMOS電路設計:

C H E C K _ C R C

D A T A I N

M U X

C L K F A S T

c le a r

V C CV C C

V C C

C R C _ O U T

V C C

X 1 6 D

V C CV C C

V C CV C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

c le a r

c le a r c le a r

V C CV C Cc le a r c le a r

V C C


X 1 5 Q

V C C V C C

V C C V C C

V C C V C C

X 1 5 Q BV C C V C C

X 1 4 D

X 1 5 D

V C C

X 1 2 D

X 1 3 D

V C CV C C

V C C V C C

X 1 6 D

V C C V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

X 1 D X 1 D BV C CV C CX 1 1 D

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C V C C

V C CV C CV C C V C CV C C

c le a r c le a r

c le a r c le a r

V C C V C CV C C V C Cc le a r c le a r


V C C V C C

V C C V C CV C C V C C V C C V C C

X 1 0 D X 1 1 D

V C C V C C

X 8 D

X 9 D

V C C V C C

X 6 D

X 7 D

V C C V C C

V C C V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

X 5 D

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

c le a r c le a r

c le a rc le a r


X 1 D

V C CV C C V C CV C C

C R C _ O U T

X 1 D B

V C C V C C

C R C _ O U T B

V C C V C C

X 4 D X 5 D

V C C

V C C

X 2 D X 2 Q

V C CV C C

X 3 D

V C C V C C

D 4 B

V C C V C C

D A T A I NX 2 Q B

V C CX 1 D V C C

D A T A I N BV C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

C R C _ O U T

D 4 B

D A T A I N

N A N D 1

V C C

V C C

T X

V 1 V 2

V C C

V C C

V C C

V P o w q e r _ O N _ R e s e t

M a n c h e s t e r _ O U T B

c le a r

V I N

V N V C C

V O U T

V C C V C C V C C

V C C

V PV C C

V C C

D 5 B

V C C

V C C

V C C

D A 1 2 D A 1 3D A 1 4

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C

N A N D 3

D A 0 9 D A 1 0D A 1 1

V C C

V C CV C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C

D A 0 6D A 0 7

D A 0 8

N A N D 2

D a t a _ s e lO U TV C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C

D A 0 3D A 0 4 D A 0 5

V C C

V C C

V C C

V C CV C C

V C C

D I N 0 1D I N 0 2

D 3 BD 3 B

D 2 BD 2 B

D 1D 1

D 0 BD 0

D A 0 1 D A 0 2

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C V C C

V C CV C C V C C

V C CV C C

V C C

V C C

c le a rc le a r

V C CV C CV C CV C C

V C C

V C C V C C

V C C

V C C V C C

D 2 D 5D 2 BD 2 B

D 5 BD 5 B

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

C L K 2 B

c le a rc le a r

V C CV C C

C L K F A S T

V C C V C C

C L K F A S T BV C C V C C

V C CV C C

V C C

D 1

V C C

D 1 B

D 4

D 1 B

D 4 BV C CD 4 B

V C C

V C C

V C C

V C C

V 2

V C CV C C

M U XV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

M a n c h e s t e r _ O U T

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C CM U X B

V C C

V C CV C C

V 1

V C CV C C

M a n c h e s t e r _ O U Tc le a r

C L K 2 B

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

c le a r

C KV C CV C C

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C CV C CV C C V C CV C CV C C V C C

V C C

V C C V C C

D 0D 3

D 0 BD 3 B

D 0 B D 3 B

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

V C CV C C

C L K 2 - 4

V C C

V C C

V C CV C C

C L K 2 - 3

V C CV C C

C L K 2C L K 2 - 2

V C C

V C CV C C

V C CV C C

V C C

V C CV C C C L K 2 - 1

V C CV C C

V C CV C C

V C C B

V C C

V C C V C C A V C C C

V C C

c le a r

c le a r

V C CV C C

V C C

V C C V C C V C C V C C

V C C

C L K 2 B

CC 6C = 1 0 p F

RR 4 9R = 1 M O h m

CC 5C = 1 0 p F

RR 1 9R = 1 M

CC 3C = 1 0 p F

RR 4 7R = 1 M O h m

CC 4C = 1 0 p F

RR 4 8R = 1 M O h m





















































C L K 2 - 4





C L K 2 - 4



C L K 2 - 4



C L K 2 - 4





C L K 2 - 4



C L K 2 - 4



C L K 2 - 4



C L K 2 - 4





C L K 2 - 4



C L K 2 - 4





C L K 2 - 4



C L K 2 - 4



C L K 2 - 3





C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3





C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3





C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3



C L K 2 - 3





C L K 2 - 3



C L K 2 - 2





C L K 2 - 2



C L K 2 - 2



C L K 2 - 2





C L K 2 - 2



C L K 2 - 2



C L K 2 - 2





C L K 2 - 2



C L K 2 - 2



C L K 2 - 2





C L K 2 - 2



C L K 2 - 2



C L K 2 - 1





C L K 2 - 1



C L K 2 - 1



C L K 2 - 1



C L K 2 - 1





C L K 2 - 1



C L K 2 - 1





C L K 2 - 1



C L K 2 - 1



C L K 2 - 1



C L K 2 - 1T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 6


C L K 2 - 1



C L K 2 - 1



























































































































































































X 1 5 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 2 0


X 1 5 QT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 1 9


X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 1 7


X 1 DT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 1 8


X 1 5 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 5 2


X 1 5 Q



X 1 DT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 5 0


X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 4 9










X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 0


X 1 DT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 9


X 2 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 7


X 2 QT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 8


X 1 D BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 4


X 1 DT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 3


X 2 QT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 2


X 2 Q BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 3 1


C R C _ O U T BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 8


C R C _ O U TT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 9


D A T A I N BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 1


D A T A I NT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 2 0


C R C _ O U T BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 2


C R C _ O U TT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 3


D A T A I NT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 4


D A T A I N BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 2 5


























































































































V _ D CS R C 3 5V d c = 3 . 3 V

D A 0 2



D A 0 4



D A 0 3



D A 0 4T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 4 8 0






D A 0 1



D A 0 1



D I N 0 1V _ D CS R C 2 9V d c = 3 . 3 V

D I N 0 2V _ D CS R C 2 8V d c = 3 . 3 V

D I N 0 3RR 2 9R = 1 0 O h m

D I N 0 4RR 3 0R = 1 0 O h m

D I N 0 5V _ D CS R C 3 0V d c = 3 . 3 V

D I N 0 6RR 3 2R = 1 0 O h m

D I N 0 7V _ D CS R C 3 1V d c = 3 . 3 V

D I N 0 8RR 3 1R = 1 0 O h m

D I N 0 9V _ D CS R C 3 4V d c = 3 . 3 V

D I N 1 0V _ D CS R C 3 3V d c = 3 . 3 V

D I N 1 1RR 3 6R = 1 0 O h m

D I N 1 2RR 3 5R = 1 0 O h m

D I N 1 3V _ D CS R C 3 2V d c = 3 . 3 V

D I N 1 4RR 4 5R = 1 0 O h m

I _ P r o b eI _ P r o b e 1 6

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S _ R FP M O S _ R F 1

n r = 1 6lr = 0 . 2 4 u mT y p e = p m o s _ r f w 1 0



T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S _ R FN M O S _ R F 1

n r = 8lr = 0 . 2 4 u mT y p e = n m o s _ r f w 1 0

LL 1R = 2L = 2 u H


n r = 3 2lr = 0 . 3 5 u mT y p e = n m o s _ r f w 1 0


n r = 3 2lr = 0 . 3 5 u mT y p e = n m o s _ r f w 1 0

CC 1C = 6 8 p F


n r = 8lr = 0 . 2 4 u mT y p e = n m o s _ r f w 1 0

V C CT S M C _ C M 0 2 5 R F _ R E SR 1

R = 1 6 0 0 O h mle n g t h = 1 2 8 9 . 6 u mw id t h = 4 u mT y p e = r p p o 1 wR

R 2 1R = 5 O h m

M u t u a lM u t u a l1

I n d u c t o r 2 = " L 2 "I n d u c t o r 1 = " L 1 "M =K = 0 . 9

LL 2R =L = 2 u H

I _ P r o b eI _ P r o b e 2

V t S in eS R C 8

P h a s e = 0D a m p in g = 0D e la y = 0 n s e cF r e q = 1 3 . 5 6 M H zA m p lit u d e = 4 VV d c = 0 V

CC 2C = 0 . 0 5 u F

RR 4 2R = 2 5 0 k O h m

RR 4 4R = 3 0 0 k O h m

RR 4 3R = 3 0 0 k O h m

T S M C _ C M 0 2 5 R F _ M I M C A PM I M C A P 9 1

C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u mT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O S

N M O S 5 4 9













C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u m


C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u m

I _ P r o b eI _ N 3

I _ P r o b eI _ P 3

V C CI _ P r o b eI _ P r o b e 1 5


C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u m


C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u m


C s = 6 2 5 f Flt = 2 5 u m














n r = 1 6lr = 0 . 2 4 u mT y p e = p m o s _ r f w 1 0 T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S _ R F

P M O S _ R F 6


T r a nT r a n 1

M a x T im e S t e p = 5 . 0 n s e cS t o p T im e = 0 . 8 m s e c

T R A N S I E N T

















































C L K F A S T B



C L K F A S T BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 3 6


C L K F A S T B



C L K F A S T B











M U XT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 3 9


M U X BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 3 8


M U XT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 7 3


M U X BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 7 2


C L K 2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 7 1


C L K 2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 3 7


C KT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 1 6 9


C KT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 3 4














































































































C L K 2 B



C L K 2 B



C L K 2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 8 5


C L K 2 B










W id t h = 6 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O S

P M O S 4 7 5








































D 1 B



D 4 B



D 4 B



D 4 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 1 4 7


D 4 B











D 3 B



D 3 B





D 3 B











D 2 B



D 2 B





D 2 B





















D 1 B



D 1 B











D 0 B





D 0 B



D 0 B










































W id t h = 1 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mN A N D 3


W id t h = 2 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mN A N D 2



N A N D 1T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 7 7


N A N D 1T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 5 7 9








D A 1 4





D A 1 3





D A 1 2





D A 1 1





D A 1 0





D A 0 9





D A 0 8





D A 0 7





D A 0 6





D A 0 5



D 3 T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 9 3


D 3



D 2T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 9 4


D 2T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 5 9 8




D 1





D 0



D I N 1 4T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 9 7


D I N 1 4





D I N 1 3T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 0 2




D 3





D 2





D 1



D 0 B T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 4 0 2


D 0 B





D 3





D 2





D 1 B





D 0









D I N 1 1





D 3





D 2T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 1 4




D 1 B





D 0 B





D 3





D 2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 1 8




D 1





D 0





D I N 1 0





D I N 0 9





D 3





D 2 BT S M C _ C M 0 2 5 R F _ P M O SP M O S 6 2 4




D 1





D 0 B





D 3





D 2 B





D 1 B





D 0



D I N 0 8







D I N 0 7





D 3



D 2 B T S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 4 3 0


D 2 B





D 1 B





D 0 B





D 3 B





D 2





D 1





D 0





D I N 0 6









D 3 B





D 2





D 1





D 0 B





D 3 B





D 2





D 1 B





D 0



D I N 0 4



D I N 0 4


W id t h = 1 u mL e n g t h = 0 . 3 5 u mT y p e = 3 . 3 V _ n o mD I N 0 3



D I N 0 3





D 3 B





D 2





D 1 B





D 0 B





















































































C L K F A S T



C L K F A S T



C L K F A S T



C L K F A S TT S M C _ C M 0 2 5 R F _ N M O SN M O S 3 6 6






















T S M C _ C M 0 2 5 R F _ P R O C E S ST S M C _ C M 0 2 5 R F _ P R O C E S SR e s is t a n c e = T y p ic a lC o r n e r C a s e = T T

S i - S u b s t r a t e

T S M C R F C M O S 0 . 2 5 u m

圖4-59 .以ADS實現Manchester編碼的全部數位電路

114

圖4-59為CMOS整體的電路:由調整電晶體的尺寸、組成基本數位邏輯元

件、組成各個子電路到組成整體晶片電路，經由上述子電路整合為晶片電路的功

能及時序模擬，而由之前章節所介紹的子電路其模擬結果也符合預期要求。

(C)整體電路佈局:

CKT name : 被動式射頻辨識系統標籤晶片設計 Technology : 0.25um 1P5M CMOS Package : 18 S/B (包裝種類) Chip Size : 1.08 * 0.88 mm2 (晶片面積；mm2) Transistor/Gate Count : 2C / 2R / 686 MOS (電晶體/邏輯閘數) Power Dissipation : 54.8mW (功率消耗；mW) Max. Frequency : 600KHz (最高工作頻率，KHz)

DC G DC DC G DC

G

CLK

Dataout

DC

G CRC MUX G Encoder

圖4-60. 晶片佈局的接腳圖

L1

L2

R

115

“振盪時脈電路” “CRC錯誤偵測電路” “調變&整流電路”

“除2”

“資料”

“除64”

“MUX”

“編碼電路”

圖4-61 .整體電路佈局圖

4-3.3 數位編碼電路之FPGA硬體驗證：

相同的，數位軟體模擬驗證之後，再將模擬結果下載至使用 ALTERA的晶

片及 FPGA板作硬體驗證。選擇適當 ALTERA晶片型號，佈置晶片的訊號接腳，

使用示波器觀察輸出訊號是否符合需求。

116

圖4-62 .以ALTERA的 FPGA實驗板作硬體驗證

圖4-63所示整體電路的傳送週期(傳送32Bits、停止32bits)符合需求:

圖4-63 .整體電路的數位訊號週期

117

圖4-64 .Manchester的數位編碼訊號

圖4-64 所示整體電路的Manchester編碼訊號符合目標，編碼正確。

118

第五章晶片測試

目的: 是量測所設計的晶片功能及驗證電路相關的時序。

5-1 晶片量測(On Wafer Measurement)

此量測形式只能測試數位功能是否正確，並不能測試類比的調變及整流電路

功能，量測儀器為數位示波器，量測時，輸入直流電壓供給”VDD”使用，再使用

示波器觀察各個輸出接腳訊號，檢查訊號是否正常。

DC G DC DC G DC

G

CLK

Dataout

DC

G CRC MUX G Encoder

圖5-1 .晶片佈局輸出入接腳圖

在此也考量數位示波器的輸入阻抗(1MΩ//10pF)，並加至電路模擬，其模擬

結果符合要求。

L1

L2

R

119

5-2 電路板量測(PCB Measurement)

此晶片較適合PCB量測，經由PCB的方式可以測試晶片上的所有電路功能。

5-2.1 類比訊號量測

5-2.1.1 整流電路的量測

第一:依據晶片的包裝腳位，設計出標籤卡片的電路板。

第二:需要先設計出發射電路的讀卡機，並模擬所傳送給標籤晶片的訊

號，所以製作方式可以如下

(一)先設計出讀卡機發射功能的電路，並以積體電路、調變電路及

電路板方式組成、實現，即可量測使用。

(二)可使用訊號產生器，配合漆包線所繞成的天線，模擬是持續發

射訊號及能量給標籤電路，進行測試。

圖5-2 . 標籤卡片中整流電路的量測

120

5-2.1.2 調變電路的量測


第二:需要設計出接收電路的讀卡機，接收標籤卡片所發射的調變訊號，

並進行解調，以積體電路及電路板方式組成，即可量測使用。

圖5-3 . 標籤卡片中調變電路的量測

5-2.2 數位訊號量測


第二:當標籤卡片電路有直流電壓，供給晶片電路使用，所以即可使用示波

器觀察各個輸出訊號。

121

第六章結論

目前，所設計的標籤晶片電路只是初步的電路設計，太多方面尚未完成，況

且 RFID的測試必須達到100%的正確性，才能完全不須人工的檢視，並且也必須

能長期維持穩定的辨識效能，所以有下列仍需努力的方向:

(1)天線(Antenna):

在標籤晶片(Tag)端除了在低頻率電路的天線設計考量之外，還需要高頻率

的天線設計，及各種應用、包裝的場合來進行測試工作，如何才能達到較有效率

的傳輸效果，並思考最終要如何設計將天線嵌入晶片中，達到降低成本的需求。

(2)記憶體(Memory):

因為設計的晶片中尚未包含記憶體，所以需更進一步的增加記憶體功能，

如:EEPROM、、、等，使標籤晶片能儲存更多的資料，更接近商業化功能。

(3)安全(Security):

資料的安全性又分為兩大部份，一部份是標籤資訊是否容易被偽造、干擾

性的破壞或人為的疏失造成不良影響，另一部份是對消費者隱私的保護，所以

要如何確保標籤晶片(Tag)的資料在無形中不被其他的讀取端電路所截取，所

以需要安全上的考量並作軟硬體的各種加解密。

(4)防碰撞(Anticollision):

就是說能夠在眾多具有RFID標籤的商品通過系統時收集、儲存，與分析

資料。所以要如何讓讀卡機分別出各個標籤晶片並快速的讀取，而使用軟硬體

122

或其他的方式來進行標籤晶片之間的防碰撞。

(5)讀取端(Reader):

製作讀取端(Reader)的射頻解調變電路(Demod)、數位解碼電路

(Decoder)、8051微處理器電路(up)並測試整個無線射頻辨識系統的完整性，

再將其電路作完整模擬後，盡量使其單晶片化。

(6)應用(Application):

測試並增加無線射頻辨識系統的標籤晶片端各種應用如: 將標籤晶片

(Tag)配合類比數位轉換器(ADC)及各式的感測器(Sensor)如:溫度、壓力，作

為無線射頻辨識系統的中、高階應用，並更進一步的將其單晶片化、商品化。

(7)功率消耗(Power Consumpation):

盡量降低標籤晶片的功率消耗，使被動式的標籤晶片設計能更有效的運

作。

123

參考文獻

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Fundamentals and Applications”,JOHN WILEY & SON, New York, 1999.

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for High-Performance Identification Systems” IEEE J. of Solid-State

Circuits，,VOL. 30, NO. 3, MARCH 1995.

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for Radio Frequency Identification System” Electrical Engineering

Department Yuan-Ze Institute of Technology Taoyuan,Taiwan,R.O.C.

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Mc Graw Hill.

[6]王志湖,“數位邏輯,Contemporary Digital Logic Using the Computer

Aided Design,Design Entry Schematic VHDL AHDL ABEL-HDL”滄海書局.

[7]Irving S.Reed and Xuemin Chen,“ ERROR-CONTROL CODING FOR DATA

NETWORKS ”.

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[9]王進賢，VLSI電路設計.1999年8月.

[10]唐經洲 and 王立洋,VLSI設計概論/實習 1999年2月.

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[11]邱建榮,中華大學電機工程研究所碩士論文 -無線射頻系統之十六位元詢答

機晶片設計 2003年7月.

[12]楊承翰，元智大學電機工程研究所碩士論文 “以0.35um CMOS積體電路技

術設計13.56MHz 無線射頻身份辨識系統讀卡機”2002年7月.

125

附錄

條碼系統:

條碼(BarCode)的最早使用是經由美國超級市場公會所推廣，其目的是為了

在百貨公司或超級市場上多應用科技以節省大量人力物力的資源和成本，並在

1973年正式使用，取名為”統一商品條碼”（Universal Product Code簡稱

UPC)，適用於美、加等北美洲地區，這也是UPC碼的由來，由於UPC在美加地

區有廣泛的使用，所以歐洲也引進條碼的觀念及技術，並訂定了”歐洲商品條

碼”(European Article Number簡稱 EAN)是由歐洲的12個工業國家共同推

廣，在1977年簽署草約，成立EAN協會，從此條碼觀念就隨之散佈到其他地區，

條碼系統因此開始步入國際化領域中。

(一)條碼的組成:

條碼是一種利用不同粗細的直線及直線之間的空間, 表示的一系列數或

字。不同的條碼格式標準有不同限制。使用條碼可以快捷、方便及準確地輸入數

據。條碼因國家，區域及使用目的需求均有不同的編碼方式，但基本上不外乎由

四個部份所組成：

首先說明 UPC及 EAN碼每一字元的編碼原則:

126

start Data Check stop

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

起始碼（start code）：一個條碼的起頭，以便條碼讀取器判別開始。

資料碼（data code）：條碼的主要部份，又因使用不同，編碼方式也不同。

檢查碼（check code）：又稱查核碼，用計算公式算出，以確保資料正確性。

終止碼（end code）：一個條碼的結束，以便條碼讀取器判別結束。

條碼透過光學閱讀器掃瞄後，經過解碼器之轉換即可將線條轉換為數字。

(二)條碼的分類:

目前大致上可分為兩類(一維條碼、二維條碼)

一維條碼:

目前世界上大約有200種以上的一維條碼，而每種一維條碼都有屬於自己的

一套編碼規則，其大致上規定每個字母是藉由線條(Bar)及空白(Space)的排列所

組成的。特徵為密度底、容量小、不儲存資料，主要用於對物品的標識，多數場

合須依賴資料庫及通訊網路的存在。

127

下面列出現有且已普遍使用的:

(1) CODE 39 (standard)、CODE 39 (full ASCII)

(2) NW7 (Codabar)

(3) Interleaved 2 of 5、Industrial 2 of 5

(4) EAN8、EAN8 + 2 digits、EAN8 + 5 digits

(5) EAN13、EAN13 + 2 digits、EAN13 + 5 digits

(6) UPC-E、UPC-E + 2 digits、UPC-E + 5 digits

(7) UPC-A、UPC-A + 2 digits、UPC-A + 5 digits

(8) Code93、Code128

(9) EAN128

(10)專門用於書刊管理的ISBN、ISSN碼

二維條碼:

二維條碼就是具有高密度、大容量、抗磨損，可以攜帶資料，主要用於對

物品的描述，可不依賴資料庫及通訊網路的存在而單獨應用的資訊媒質。它主

要用於：表單應用、保密應用、追蹤應用、證照應用、盤點應用、備援應用。

下列是目前有使用的:

(1) PDF417 (2) Data Matrix (3) QR code (4) MaxiCode

128

(三) 比較一維、二維條碼的優缺點:

一維條碼偏重於「標識」商品，而二維條碼則偏重於「描述」商品。二維條

碼有抗磨性，而一維條碼稍有磨損即會影響條碼閱讀效果，所以比較不適用用於

工廠型的行業。一維條碼與二維條碼的差異可以從資料容量與密度、錯誤偵測能

力及錯誤糾正能力、主要用途、資料庫依賴性、識讀設備等專案看出來。由於一

般的條碼都帶有旨在防止誤讀的校驗碼，所以即使因為汙穢和殘缺、破損而誤

讀，誤讀的資料也不會輸入到電腦中。

由於在物流上，用來追蹤及檢核貨品的條碼，雖然可以達到收集資訊、掌控

貨品動態的目的，但是條碼有先天上的限制，包括：提供的資訊量有限、須近距

離讀取、易受污損而無法讀取、且必須逐一掃讀進而造成作業瓶頸與大量人力的

浪費，以致條碼無法因應更細緻、更迅速的物流資訊要求。

電子產品編碼系統:

自動ID中心（Auto-ID Center）是由廠商與其客戶為了推動 RFID的採用而

設立的一個公會組織，該組織正在建立一種名為 EPC（電子產品碼，Electronic

Product Code）的標準，EPC和條碼之間有多項主要差異。首先，EPC的作用是

為該系統每一品項提供獨一無二的編號。對照下，條碼只辨認一組的產品。比方

說，所有相同種類的產品上面都印有相同的條碼，但如果是採用”EPC”系統，

129

則每一樣產品都會擁有獨一無二的產品編號。而零售商和消費品公司認為，獨一

無二的產品編碼有助於降低失竊和仿冒，且能提昇庫存的管理效率。EPC的另一

大特色，是採用96位元規格。

目前美國市面上所見的12碼條碼，是1970年代的產物，而零售業現在面臨

沒有新的組合條碼可使用的困境。預定需前後升級到14碼的條碼，但，那只是

一時的辦法。條碼就快消耗待盡，EPC提供根治問題的治本之道，提供了充裕的

空間而Wal-Mart與Target等大型的零售商正在進行的試驗，是要以UHF的 RFID

技術來取代現有的條碼系統，減少人力的支出及消耗，並增加自動化追蹤系統，

EPC技術可望取代條碼，成為商品的獨特身份證，同時它所能攜帶的資訊也將比

條碼還要豐富，不過「成本」問題還是採用RFID的重要障礙。

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