Radiofrekvens krets med lavt strømforbruk passiv ultrahøyfrekvent radiofrekvensidentifikasjon transponderbrikke
Denne artikkelen foreslår en høy ytelse passiv ultrahøyfrekvent (UHF) radiofrekvensidentifikasjon (RFID) transponderbrikke radiofrekvenskrets som oppfyller ISO / IEC18000-6B-standarden. Radiofrekvenskretsen har ingen eksterne komponenter bortsett fra antennen, og mottar energi fra det radiofrekvente elektromagnetiske feltet gjennom en Schottky-diode likeretter.
Nettverksingeniører elektroniske entusiaster • Kilde: Etterbehandling av nettstedet • Forfatter: Anonym • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Les 0 ganger
Radiofrekvens krets med lavt strømforbruk passiv ultrahøyfrekvent radiofrekvensidentifikasjon transponderbrikke
Denne artikkelen foreslår en høy ytelse passiv ultrahøyfrekvent (UHF) radiofrekvensidentifikasjon (RFID) transponderbrikke radiofrekvenskrets som oppfyller ISO / IEC18000-6B-standarden. Radiofrekvenskretsen har ingen eksterne komponenter bortsett fra antennen, og mottar energi fra det radiofrekvente elektromagnetiske feltet gjennom en Schottky-diode likeretter.
0 Forord
Radiofrekvensidentifikasjon (RFID) er en automatisk identifikasjonsteknologi som dukket opp på 1990-tallet. RFID-teknologi har en rekke fordeler som strekkodeteknologi ikke har, og den har et bredt spekter av applikasjoner. Det kan brukes på andre generasjons statsborger-ID-kort, bykort, finansielle transaksjoner, forsyningskjedestyring, elektroniske publikasjonsgebyrer (ETC), adgangskontroll, flyplassbagasjehåndtering, offentlig transport, containeridentifikasjon, husdyradministrasjon osv. Derfor er det er veldig viktig for å mestre teknologien for produksjon av RFID-brikker. For tiden stiller den stadig økende applikasjonsbehovet høyere krav til RFID-brikker, som krever større kapasitet, lavere kostnad, mindre volum og høyere datahastighet. I henhold til denne situasjonen foreslår denne artikkelen en langdistanse, passiv UHF UHF RFID transponderbrikke radiofrekvenskrets.
Vanlige arbeidsfrekvenser for RFID inkluderer lavfrekvens 125kHz, 134.2kHz, høyfrekvens 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, mikrobølgeovn 2.45GHz, 5.8GHz, etc. Fordi lavfrekvente 125kHz, 134.2kHz, høyfrekvente 13.56MHz-system bruker spoler som antenner og bruker induktorer Arbeidsavstanden er relativt kort, vanligvis ikke mer enn 1.2 m, og båndbredden er begrenset til flere kilohertz i Europa og andre regioner. UHF (860 ~ 93Uh1Hz) og mikrobølgeovn (2.45 GHz, 5.8 GHz) kan imidlertid gi lengre arbeidsavstand, høyere datahastighet og mindre antennestørrelse, så det har blitt et varmt forskningsfelt for RFID.
RF-kretsbrikken som er foreslått i denne artikkelen, er teipet ut ved hjelp av Chartered 0.35μm 2P4M CM0S-prosessen som støtter Schottky-dioder og elektrisk slettbart programmerbart skrivebeskyttet minne (EEPROM). Schottky-dioder har lavere seriemotstand og fremoverspenning, og kan gi høyere konverteringseffektivitet når de konverterer mottatt RF-inngangssignalenergi til en DC-strømforsyning, og reduserer dermed strømforbruket. Når den effektive isotropiske utstrålte effekten (EIRP) er 4W (36dBm) og antenneforsterkningen er 0dB, fungerer radiofrekvenskretsbrikken ved 915MHz, leseavstanden er større enn 3m, og arbeidsstrømmen er mindre enn 8μA.
1 RF-kretsstruktur
Figur 1 er UHF RF1D-transponderbrikkesystemdiagrammet, som hovedsakelig inkluderer radiofrekvenskretser, logiske kontrollkretser og EEPROM. Blant dem kan radiofrekvenskretsdelen deles inn i følgende hovedkretsmoduler: lokal oscillator og klokkegenereringskrets, tilbakestillingskrets for strøm, referansekilde for spenning, samsvarende nettverk og tilbakespredningskrets, likeretter, spenningsregulator og amplitudemodulasjon (AM ) Demodulator osv. Det er ingen eksterne komponenter bortsett fra antennen, og antennedelen vedtar en dipolstruktur, og blir matchet med inngangsimpedansen til likeretteren gjennom et matchende nettverk, som den eneste energikilden for hele brikken. Den ekvivalente modellen er vist i figur 2. Den virkelige delen av impedansen til en dipolantenne består av to deler, Rra og Rloss, hvor Rra er stråleimpedansen til dipolantennen, som er iboende for dipolantennen, generelt 73Ω, som representerer antennens evne til å utstråle elektromagnetiske bølger til utsiden; Ross Den ohmske motstanden til metallet som brukes til å lage antennen genererer vanligvis bare varme. Den imaginære delen X av antenneimpedansen er generelt positiv. Dette er fordi antennen generelt er induktiv mot utsiden. Størrelsen på den tilsvarende induktansen avhenger vanligvis av antennens topologiske struktur og substratmaterialet. Likrikteren konverterer den koblede RF-inngangssignaleffekten til DC-spenningen som kreves av brikken. Spenningsregulatoren stabiliserer DC-spenningen på et visst nivå og begrenser DC-spenningens amplitude for å beskytte brikken mot sammenbrudd på grunn av overdreven spenning. AM-demodulatoren brukes til å trekke ut det tilsvarende datasignalet fra det mottatte bærersignalet. Backscatter-kretsen bruker en variabel kondensator for å endre impedansen til radiofrekvenskretsen, og derved sende transponderdataene til RFID-spørgeren eller kortleseren. På-tilbakestillingskretsen brukes til å generere et tilbakestillingssignal for hele brikken. I motsetning til 13.56 MHz høyfrekvente (HF) transponder, kan 915 MHz UHF transponder ikke få en lokal klokke fra bærefrekvensen, men kan bare gi en klokke for den digitale logiske kretsdelen gjennom en innebygd laveffekt lokal oscillator. Alle disse kretsmodulene vil bli beskrevet i detalj nedenfor, en etter en.
Figur 1 UHF RF1D transponderbrikkesystemdiagram
2 Tilsvarende elektrisk modell av transponderantenne
2 Kretsdesign og analyse
2.1 likeretter og regulatorkrets
I denne artikkelen brukes en Dickson-ladepumpe sammensatt av Schottky-dioder som likeretterkrets. Skjematisk diagram av kretsen er vist i figur 3. Dette skyldes at Schottky-dioder har lavere seriemotstand og krysskapasitans, og kan gi høyere konverteringseffektivitet når de konverterer mottatt RF-inngangssignalenergi til en DC-strømforsyning, og derved reduserer strømforbruket. Alle Schottky-dioder er koblet sammen av poly-poly kondensatorer. Den vertikale kondensatoren blir ladet og lagret i den negative halvsyklusen til inngangsspenningen Vin, og den horisontale kondensatoren blir ladet og lagret i den positive halvsyklusen til Vin, og genererer derved DC høy spenning, den resulterende spenningen er:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF er amplituden til inngangsradiofrekvenssignalet, Vf, D er fremoverspenningen til Schottky-dioden, og n er antall ladepumpetrinn som brukes.
Figur 4 Kretsskjema for spenningsregulator
2.2 Matchende nettverk og tilbakespredningskrets
I motsetning til 13.56 MHz HF-transponder bruker UHF-båndet RFID-transponder en dipolantenne. Figur 5 er et SPICE (simuleringsprogram med integrert kretsfokus) ekvivalent kretsdiagram over transponderen og antennen. I denne ekvivalente SPICE-kretsmodellen er det mottatte RF-bæresignalet Vs, impedansen til antennen er Zs = Rs + jXL, som kan betraktes som den interne motstanden til spenningskilden Vs, og den tilsvarende inngangsimpedansen til transponderbrikken. er ZL = RL-jXL. Derfor, når ZL = Zs *, blir impedansen matchet og kraftoverføringen er maksimal. I tilfelle av impedanstilpasning, fra transponderens perspektiv med antenne, skal impedansen oppnås være Z = 2RL, så vi får forholdet mellom mottakseffekten Pre og spenningssving VS som side:
Så er spenningssving Vin-inngangen til begge ender av brikken:
For å oppnå impedansmatching, må kretsen også utføre impedanstransformasjon på det matchende nettverket, slik at antennens interne motstand og inngangsimpedansen til radiofrekvenskretsdelen kan oppnå konjugatmatching, så vi bruker en L-type matchende nettverk. På grunn av de høye kostnadene for chipintegrerte induktorer og lav nøyaktighet, bruker vi induktansen til antennen som en matchende induktor for å integrere den matchende kondensatoren i brikken. Etter beregning er inngangsimpedansen til radiofrekvenskretsen omtrent (105-j406) Ω.
Figur 5 SPICE ekvivalent kretsskjema for transponder og antenne
Figur 6 er et skjematisk diagram av tilbakespredningskretsen. Backscatter-kretsen bruker en variabel kondensator for å endre impedansen til radiofrekvenskretsen, og derved sende transponderdataene til RFID-spørgeren eller kortleseren. Den variable kapasitansen blir realisert av MOS varactor. I vanlig CMOS-prosess kan vi bruke den spenningsstyrte variable kapasitansen fra porten til MOS-røret til underlaget, og bruke porten til MOS-varaktoren som den ene enden av kondensatoren og kildeenden Koble til avløpsterminalen som andre enden av kondensatoren.
2.3 AM demodulator krets
AM-demodulatorkretsen brukes til å gjenopprette den mottatte modulerte bæreren til et digitalt signal for basebåndbehandling. Demodulasjonskretsen består av en konvoluttdeteksjonskrets, en filterkrets og en komparator (som vist i figur 7). Komparatoren bruker Hysteresis-komparator for å redusere bitfeilraten. Konvoluttdetektoren bruker samme krets som likeretteren for å trekke ut konvolutt-signalet. Lavpassfilteret brukes til å eliminere støysignaler og krusninger på strømforsyningen. Til slutt blir konvolutt-signalet gjenopprettet til et digitalt signal ved utgangen fra komparatoren gjennom hysteresekomparatoren.
Figur 7 AM skjematisk demodulator
2.4 Startkrets for tilbakestilling
Strøm på tilbakestillingskretsen har to hovedfunksjoner. Den ene er når transponderen kommer inn i det effektive området til avhøreren eller kortleseren og strømforsyningsspenningen har nådd det normale arbeidspotensialet, vil den generere et tilbakestillingssignal for hele brikken; det andre er når strømforsyningsspenningen faller plutselig. Når kretsen tilbakestilles, kan det forhindre at logikkretsen fungerer som den skal. Figur 8 er et strømdiagram for tilbakestilling av tilbakestilling, og forsinkelsestiden for tilbakestilling av kretsen er 10μs. Når tiden fortsetter å øke fra null og overskrider opptrekksspenningen 2.4V, slås P-røret MP1 og N-røret MN1 først på, noe som gjør at potensialene til punktene A og B gradvis øker fra 0 med økningen av Yu, etter omvendt fase Gate-spenningene til MP2 og MN2 transistorer endres alle lineært med økningen av VDD, så i begynnelsen er MN2 slått på og MP2 er slått av, slik at spenningen ved punkt C alltid er 0 (effektiv tilbakestilling) . Når VDD når et høyere potensial, stiger potensialet ved punkt A også til et visst nivå samtidig, noe som gjør at MN2-røret blir avskåret. På dette tidspunktet slås MP2-røret på og potensialet på punkt C stiger raskt. Etter flere nivåer av buffere oppnås en slave. Logikk 0 til 1 overgangssignalutgang, slik at kretsen begynner å fungere normalt. Kaskaden av de følgende trinnene med buffere og kapasitive belastninger er å oppnå en tidsforsinkelse på ca. 10μs, det vil si når VDD er høyere enn 2.4V og holder 10μs, fullfører tilbakestillingssignalet hoppet for å realisere stabil drift av kretsen. Simuleringsresultatene er som følger vist i figur 9.
Figur 8 Skjematisk diagram for tilbakestilling av kretsløp
Figur 9 Resultater for simulering av tilbakestillingskrets
2.5 Lokal oscillator og klokkegenereringskrets
I motsetning til 13.56 MHz HF-transponder, kan 915 MHz UHF-transponder ikke skaffe en lokal klokke fra bærefrekvensen, men kan bare gi en klokke for den digitale logiske kretsdelen gjennom en innebygd laveffekt lokal oscillator. Klokkefrekvensen kan akseptere en feil på ± 30%, og nøyaktigheten til klokkefrekvensen er ikke høy, så en relativt enkel oscillatorstruktur kan brukes til å redusere strømforbruket til brikken. Etter analyse bestemte vi oss for å bruke en ringoscillator sammensatt av oddetalls fullt differensialomformere, som ikke bare godt kan undertrykke endringen av vanlig modus-spenning, men også kan oppnå gode egenskaper for undertrykkelse av strømforsyningen. Figur 10 er et skjematisk diagram av lokaloscillatoren og klokkegenereringskretsen. Etter simuleringstest, med tanke på de fulle temperaturforholdene, strømforsyningsspenningen og prosessvinkelforandringene, er utgangsfrekvensen til kretsen ca 250 kHz, og dens variasjonsfeil sørger for at bithastighetsnøyaktigheten til dataene er mindre enn 15% av VDD. Ytelsen har ingen innvirkning, og systemdesignkravene blir bedre oppfylt. Figur 11 viser kloksignalet oppnådd ved simulering.
Figur 10 Skjematisk diagram over lokaloscillator og klokkegenereringskrets
Figur 11 Kloksignal oppnådd ved simulering
3 Testresultater og analyse
Radiofrekvenskretsbrikken vedtar Chartered 0.35μm 2P4M CMOS-prosess som støtter Schottky-diode og EEPROM for tapeout. Kjernekretsbrikkeområdet uten I / O-pads (PAD) er 300μm × 720μm. Med unntak av de to PAD-ene som brukes til å koble til eksterne antenner, brukes de resterende PAD-ene til chipfunksjonstesting. Figur 12 er bølgeformdiagrammet oppnådd etter at radiofrekvenskretsbrikken er koblet til den eksterne antennen og kortleseren er testet for kommunikasjon. Testen utføres ved bruk av THM6BC1-915 UHF RFID-kortleser fra Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. som oppfyller ISO / IEC 18000-6B-standarden. Figur 12 (a) er VDD-bølgeformen oppnådd av likeretteren og spenningsregulatorkretsen etter mottak av radiofrekvenssignalet sendt av kortleseren. Gjennomsnittsverdien er 3.3V, og det er bare en ringe mindre enn 20mV, noe som er godt tilfredsstilt. Designindeksens krav er oppfylt. Figur 12 (b) viser det digitale signalet som sendes av kortleseren oppnådd ved RF-kretsbrikkdemodulering. Etter testing, når EIRP er 4W (36dBm) og antenneforsterkningen er OdB, fungerer radiofrekvenskretsbrikken ved 915MHz, leseavstanden er større enn 3m, og arbeidsstrømmen er mindre enn 8μA.
Figur 12 Test kurveformdiagram for RF-kretsbrikke
4 Konklusjon
Denne artikkelen foreslår en høy ytelse og passiv UHF RFID transponderbrikke radiofrekvenskrets som oppfyller ISO / IEC 18000-6B-standarden. Radiofrekvenskretsen fungerer på 915MHz og har ingen andre eksterne komponenter enn antennen. Den bruker Schottky-dioder. Likrikteren mottar energi fra det radiofrekvente elektromagnetiske feltet. Den innleide 0.35μm 2P4M CMQS-prosessen som støtter Schottky-dioder og EEPROM brukes til tapeout, og kjerneområdet er 300μm × 720μm. RFID-radiofrekvenskretsen inkluderer flere hovedmoduler som lokaloscillator, klokkegenereringskrets, tilbakestillingskrets, matchende nettverk og tilbakespredningskrets, likeretter, spenningsregulator og AM-demodulator. Denne teksten designer og optimaliserer hver modulkrets, designer radiofrekvenskretsen med lavt strømforbruk som er i samsvar med standardkravet. Testen ble utført med en THM6BC1-915Y2 UHF RFID-kortleser som er i samsvar med ISO / IEC 18000-6B-standarden. Testresultatene viser at leseavstanden er større enn 3m, og resultatet tilfredsstiller indekskravene til det passive UHF RFID-transpondersystemet.
Vår andre produkt:
