原创 富士通无线标签FRAM技术

富士通在正于美国举行的ISSCC 2006上发表了配备FRAM的无源型UHF频带无线标签系统的技术详情（演讲序号：17.2）。虽然FRAM已经应用于使用13.56MHz频带的无线标签中，但UHF频带还存在若干问题没有解决。此次通过采用面向无线标签的新技术解决了这些问题，比如采用“电流检测”方式、通过电流值来读取信号。

通过电流检测确保直线性

　　与作为非挥发性内存广泛使用的EEPROM相比，FRAM的特点是：数据写入时的电压低、写入速度快。因此利用13.56频带的无线标签大多使用FRAM。据富士通称，目前“已经供货3亿个FRAM”。不过，要在通信距离大大延长的UHF无线标签上使用FRAM，就需要解决几个问题。分别是（1）过近距离的通信不畅；（2）如果用CMOS技术加工标签中的整流电路的话，转换效率就会过低、无法确保足够的通信距离。

　　（1）的原因是使用FRAM的无线标签用的IC的耐压低。耐压低的话，为防止标签接收到较大电信号，就需要保护电路。这样，就很难保证相对于接收电信号的电源电压的直线性和动态范围（图1）。一般情况下，电子电路中传送的“0”、“1”的信息都通过“电压检测”这一基于电压高低的方式来识别。当无线标签的接收电压太大时，也就是说通信距离太小时，相对于电力的变化幅度而言，电压的变化幅度也非常之小，从而导致信号无法识别。

图1：电压的直线性较低，难以进行近距离通信。

图2：电压保持一定，以电流强弱来检测信号。

　　对于这一问题，富士通的解决办法是：强化保护电路、保持电源电压几乎不变，然后通过信号识别来检测电流（图2）。电流检测就是电流的强弱分别代表“0”和“1”，以此来交换信息。“在无线标签上采用目前世界上尚无先例”（富士通）。如果电压保持一定的话，电流对电力的变化就会表现出较好的直线性和较大的动态范围。

　　这样做的优点是：不仅近距离通信容易实现，而且通信时的振幅调制中，振幅的高低差也可以控制在较小的范围。如果振幅高低差比较小的话，在数据传输速度一样的情况下，电波所占的频带宽度就会小一些。

通过CMOS实现低阀值整流电路

　　（2）中的CMOS技术引起的整流电路效率低的问题，富士通在2005年2月ISSCC上东芝发表的“阀值消除”技术的基础上加以解决。无线标签用IC的整流电路的作用是：不浪费接收电波的电力，并使用于从无线标签到读写器的信号传输。因此，如果整流电路的转换效率降低的话，无线标签的通信距离也将缩短。

　　此次富士通将本来面向有源无线标签开发的阀值消除技术用到了没有电源的无源无线标签上。为了实现很小的电力也能工作，开发出了将寄生容量等减至最小的电路结构。“东芝只使用了nMOS二极管，而我们还使用了pMOS”（富士通系统LSI开发研究所泛在研究中心主任研究员桝井升一）。

　　这样，在保持低阀值的同时，使用0.35μm规格的CMOS技术加工出了整流电路。整流电路的转换效率方面，4m距离通信时高达36.6％。此次试制的无线标签在写入时，通信距离可达4.3m。“使CMOS技术的使用成为可能，而且制造成本也大大降低了”（桝井升一）。

　　原来的UHF无线标签方面，高于阀值过高而无法在整流电路中使用CMOS技术，一直采用的是使用肖特基二极管的电荷泵。但基于该技术的整流电路的转换效率太低，只有10％左右，而且由于电路形成方面需要使用特殊工艺技术，所以在微细化以及制造成本降低方面均存在问题。在2005年的ISSCC上，东芝曾宣布开发成功了使用nMOS二极管代替肖特基二极管的整流电路、转换效率达到16.6％。