Alacsony energiafogyasztású passzív ultrahagy frekvenciájú rádiófrekvenciás azonosító transzponder chip rádiófrekvenciás áramköre
Ez a cikk nagy teljesítményű, alacsony teljesítményű passzív ultramagas frekvenciájú (UHF) rádiófrekvenciás azonosító (RFID) transzponder chip rádiófrekvenciás áramkört javasol, amely megfelel az ISO / IEC18000-6B szabványnak. A rádiófrekvenciás áramkörnek az antennán kívül nincsenek külső komponensei, és a rádiófrekvenciás elektromágneses mezőből energiát kap egy Schottky-dióda-egyenirányítón keresztül.
Hálózati mérnök elektronikus rajongók • Forrás: Webhely befejezése • Szerző: Névtelen • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Olvasott 0 alkalommal
Alacsony energiafogyasztású passzív ultrahagy frekvenciájú rádiófrekvenciás azonosító transzponder chip rádiófrekvenciás áramköre
Ez a cikk nagy teljesítményű, alacsony teljesítményű passzív ultramagas frekvenciájú (UHF) rádiófrekvenciás azonosító (RFID) transzponder chip rádiófrekvenciás áramkört javasol, amely megfelel az ISO / IEC18000-6B szabványnak. A rádiófrekvenciás áramkörnek az antennán kívül nincsenek külső komponensei, és a rádiófrekvenciás elektromágneses mezőből energiát kap egy Schottky-dióda-egyenirányítón keresztül.
0 előszó
A rádiófrekvenciás azonosítás (RFID) egy automatikus azonosítási technológia, amely az 1990-es években jelent meg. Az RFID-technológiának számos előnye van, amelyek a vonalkód-technológiának nincsenek, és sokféle alkalmazási lehetőséggel rendelkezik. Alkalmazható második generációs állampolgársági igazolványokra, városi kártyákra, pénzügyi tranzakciókra, ellátási lánc menedzsmentre, elektronikus közzétételi díjakra (ETC), belépés-ellenőrzésre, repülőtéri poggyászkezelésre, tömegközlekedésre, konténer-azonosításra, állatállomány-kezelésre stb. nagyon fontos az RFID-chipek gyártásának technológiájának elsajátítása. Jelenleg az egyre növekvő alkalmazásigény magasabb követelményeket támaszt az RFID-chipekkel szemben, amelyek nagyobb kapacitást, alacsonyabb költségeket, kisebb mennyiséget és nagyobb adatátviteli sebességet igényelnek. E helyzetnek megfelelően ez a cikk nagy távolságú, kis teljesítményű passzív UHF UHF RFID transzponder chip rádiófrekvenciás áramkört javasol.
Az RFID általános működési frekvenciái: alacsony frekvencia 125 kHz, 134.2 kHz, nagy frekvencia 13.56 MHz, UHF 860–930 MHz, mikrohullámú 2.45 GHz, 5.8 GHz stb. Mivel az alacsony frekvenciájú 125 kHz, 134.2 kHz, nagy frekvenciájú 13.56 MHz rendszer tekercseket használ antennaként és induktivitásokat használ A munkatávolság viszonylag rövid, általában legfeljebb 1.2 m, és a sávszélesség Európában és más régiókban több kilohertzre korlátozódik. Az UHF (860 ~ 93Uh1Hz) és a mikrohullámú sütő (2.45 GHz, 5.8 GHz) azonban hosszabb munkatávolságot, nagyobb adatsebességet és kisebb antennaméretet tud biztosítani, így az RFID forró kutatási területe lett.
Az ebben a cikkben javasolt RF áramköri lapot a Chartered 0.35μm 2P4M CM0S eljárással ragasztják fel, amely támogatja a Schottky diódákat és az elektromosan törölhető, programozható, csak olvasható memóriát (EEPROM). A Schottky diódák alacsonyabb soros ellenállással és előremeneti feszültséggel rendelkeznek, és magasabb konverziós hatékonyságot tudnak biztosítani, amikor a vett RF bemenőjel energiáját egyenárammá alakítják, ezáltal csökkentve az energiafelhasználást. Amikor a tényleges izotróp sugárzott teljesítmény (EIRP) 4W (36dBm) és az antennaerősítés 0dB, a rádiófrekvenciás áramköri chip 915MHz-en működik, az olvasási távolság nagyobb, mint 3m, és a működési áram kisebb, mint 8μA.
1 RF áramkör felépítése
Az 1. ábra az UHF RF1D transzponder chip rendszerének diagramja, amely főleg rádiófrekvenciás áramköröket, logikai vezérlő áramköröket és EEPROM-ot tartalmaz. Közülük a rádiófrekvenciás áramkör része a következő fő áramkör-modulokra osztható: helyi oszcillátor és óra generáló áramkör, bekapcsolási visszaállító áramkör, feszültség-referencia-forrás, illeszkedő hálózat és visszaszórási áramkör, egyenirányító, feszültség-szabályozó és amplitúdó-moduláció (AM) ) Demodulátor stb. Az antennán kívül nincsenek külső alkatrészek, és az antenna része egy dipólus szerkezetet alkalmaz, és az egyenirányító bemeneti impedanciájához illeszkedik egy megfelelő hálózaton keresztül, mint az egyetlen chip energiaforrásaként. Az ezzel egyenértékű modellt a 2. ábra mutatja. A dipólantenna impedanciájának valós része két részből áll, Rra és Rloss, ahol Rra a dipólantenna sugárzási impedanciája, amely a dipólantennára jellemző, általában 73Ω, amely az antenna azon képességét képviseli, hogy elektromágneses hullámokat sugározzon kifelé; Rloss Az antenna gyártásához használt fém ohmos ellenállása általában csak hőt termel. Az antenna impedanciájának képzeletbeli X része általában pozitív. Az antenna ugyanis kívülről induktív. Az ekvivalens induktivitás nagysága általában az antenna és a hordozóanyag topológiai felépítésétől függ. Az egyenirányító a kapcsolt RF bemeneti jel teljesítményét a chip által megkövetelt egyenfeszültséggé alakítja. A feszültségszabályozó stabilizálja az egyenfeszültséget egy bizonyos szinten, és korlátozza az egyenfeszültség amplitúdóját, hogy megvédje a chipet a túlzott feszültség miatti meghibásodástól. Az AM demodulátort használjuk a megfelelő adatjel kivonására a vett vivőjelből. A visszaszórási áramkör változó kondenzátorral változtatja meg a rádiófrekvenciás áramkör impedanciáját, ezáltal elküldi a transzponder adatait az RFID lekérdezőnek vagy a kártyaolvasónak. A bekapcsolási visszaállítási áramkört a teljes chipre vonatkozó visszaállítási jel előállítására használják. A 13.56 MHz-es nagyfrekvenciás (HF) transzponderrel ellentétben a 915 MHz-es UHF-transzponder nem képes helyi órát szerezni a vivőfrekvenciáról, hanem csak egy beépített kis teljesítményű helyi oszcillátoron keresztül képes órát biztosítani a digitális logikai áramkör részéhez. Ezeket az áramköri modulokat az alábbiakban részletesen, egyenként ismertetjük.
1. ábra UHF RF1D transzponder chip rendszer diagram
2 A transzponderantenna egyenértékű elektromos modellje
2 Áramkör tervezés és elemzés
2.1 Egyenirányító és szabályozó áramkör
Ebben a cikkben egy Schottky diódákból álló Dickson töltőszivattyút használnak egyenirányító áramkörként. Az áramkör vázlatos diagramját a 3. ábra mutatja. Ennek oka, hogy a Schottky-diódák alacsonyabb soros ellenállással és csatlakozási kapacitással rendelkeznek, és magasabb konverziós hatékonyságot tudnak biztosítani, amikor a vett RF bemeneti jelenergiát egyenárammá alakítják, ezáltal csökkentve az energiafogyasztást. Az összes Schottky diódát poli-poli kondenzátorok kötik össze. A függőleges kondenzátort a Vin bemeneti feszültség negatív félciklusában töltik fel és tárolják, a vízszintes kondenzátort pedig feltöltik és eltárolják a Vin pozitív félciklusában, ezáltal egyenáramú nagyfeszültséget generálva a kapott feszültség:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF a bemenő rádiófrekvenciás jel amplitúdója, Vf, D a Schottky-dióda előremenő feszültsége, és n az alkalmazott töltőszivattyú fokozatok száma.
4. ábra A feszültségszabályozó kapcsolási rajza
2.2 A hálózat és a visszaszórási áramkör egyeztetése
A 13.56 MHz-es HF transzponderrel ellentétben az UHF sávú RFID transzponder dipól antennát használ. Az 5. ábra egy SPICE (szimulációs program integrált áramkör hangsúlyozással) egyenértékű kapcsolási rajz a transzponderről és az antennáról. Ebben az egyenértékű SPICE áramköri modellben a vett RF vivőjel Vs, az antenna impedanciája Zs = Rs + jXL, ami a Vs feszültségforrás belső ellenállásának tekinthető, és a transzponder chip egyenértékű bemeneti impedanciájának. jelentése ZL = RL-jXL. Ezért amikor ZL = Zs *, az impedancia megegyezik és az erőátvitel maximális. Impedanciaillesztés esetén az antennával ellátott transzponder szempontjából a kapott impedanciának Z = 2RL-nek kell lennie, így kapjuk a kapcsolatot a Pre vevő teljesítmény és a VS feszültségingadozás között:
Ekkor a feszültségingadozás Vin bemenet a chip mindkét végén:
Az impedanciaillesztés elérése érdekében az áramkörnek impedancia transzformációt is el kell végeznie a megfelelő hálózaton, hogy az antenna belső ellenállása és a rádiófrekvenciás áramköri rész bemeneti impedanciája konjugált illesztést érhessen el, ezért L típusú illeszkedő hálózat. A chipbe integrált induktorok magas költsége és alacsony pontossága miatt az antenna induktivitását illesztő induktorként használjuk a megfelelő kondenzátor integrálásához a chipbe. Számítás után a rádiófrekvenciás áramkör bemeneti impedanciája körülbelül (105-j406) Ω.
5. ábra A transzponder és az antenna SPICE egyenértékű kapcsolási rajza
A 6. ábra a visszaszórási áramkör sematikus rajza. A visszaszórási áramkör változó kondenzátorral változtatja meg a rádiófrekvenciás áramkör impedanciáját, ezáltal elküldi a transzponder adatait az RFID lekérdezőnek vagy a kártyaolvasónak. A változó kapacitást a MOS varactor valósítja meg. A szokásos CMOS folyamatban használhatjuk a feszültségvezérelt változó kapacitást az MOS cső kapujától az aljzatig, és a MOS varactor kapuját használhatjuk a kondenzátor egyik és a forrásvég Csatlakozás a lefolyó terminálhoz a kondenzátor másik vége.
2.3 AM demodulátor áramkör
Az AM demodulátor áramkört arra használjuk, hogy a vett modulált vivőt digitális jelgé állítsuk vissza az alapsávos feldolgozáshoz. A demodulációs áramkör burkoló detektáló áramkörből, szűrő áramkörből és összehasonlítóból áll (a 7. ábrán látható módon). Az összehasonlító a hiszterézis-komparátorral csökkenti a bit hibaarányt. A borítékdetektor ugyanazt az áramkört használja, mint az egyenirányító a borítékjel kivonására. Az aluláteresztő szűrőt a zajjelek és az áramellátás hullámainak kiküszöbölésére használják. Végül a borítékjelet a hiszterézis-összehasonlítón keresztül az összehasonlító kimenetén digitális jelre állítják vissza.
7. ábra: AM demodulátor vázlatos diagram
2.4 Bekapcsolási visszaállítási áramkör
A bekapcsolási visszaállítás áramkörnek két fő funkciója van. Az egyik az, amikor a transzponder belép a lekérdező vagy a kártyaolvasó tényleges területére, és az áramellátás feszültsége eléri a normál működési potenciált, akkor a teljes chipre nullázójelet generál; a második az, amikor a tápfeszültség hirtelen csökken. Az áramkör visszaállításakor megakadályozhatja a logikai áramkör hibás működését. A 8. ábra egy bekapcsolási visszaállítási kapcsolási rajz, az áramkör bekapcsolási visszaállítási késleltetési ideje 10μs. Amikor az idő folyamatosan növekszik nulláról, és meghaladja a 2.4 V felhúzási feszültséget, először az MP1 P csövet és az N MN1 csövet kapcsolják be, így az A és B pont potenciálja fokozatosan 0-ról nő Yu növekedésével, fordított fázis után Az MP2 és az MN2 tranzisztor kapufeszültségei lineárisan változnak a VDD emelkedésével, így az elején az MN2 be van kapcsolva és az MP2 ki van kapcsolva, így a C pont feszültsége mindig 0 (tényleges visszaállítás) . Amikor a VDD nagyobb potenciált ér el, az A pontban lévő potenciál egyidejűleg egy bizonyos szintre is emelkedik, és az MN2 csövet levágja. Ekkor az MP2 cső be van kapcsolva, és a C pontban lévő potenciál gyorsan növekszik. Több szintű puffer után egy rabszolga áll rendelkezésre. Logikai 0–1 átmeneti jel kimenet, így az áramkör normálisan működik. A pufferek és a kapacitív terhelések következő szakaszainak lépcsőzetes elérése körülbelül 10μs idő késleltetést eredményez, vagyis amikor a VDD nagyobb, mint 2.4 V és 10 μs-t tart, a visszaállító jel befejezi az ugrást, hogy megvalósítsa a az áramkör. A szimulációs eredmények a következők: A 9. ábra mutatja.
8. ábra Bekapcsolási visszaállítási áramkör vázlatos rajza
9. ábra Bekapcsolási visszaállítási áramkör szimulációs eredményei
2.5 Helyi oszcillátor és óra generáló áramkör
A 13.56 MHz-es HF-transzponderrel ellentétben a 915 MHz-es UHF-transzponder nem képes helyi órát szerezni a vivőfrekvenciáról, hanem csak egy beépített kis teljesítményű helyi oszcillátoron keresztül képes órát biztosítani a digitális logikai áramkör részéhez. Az órajel-frekvencia ± 30% -os hibát képes elfogadni, és az órajel-frekvencia pontossága nem magas, ezért egy viszonylag egyszerű oszcillátorszerkezet használható a chip energiafogyasztásának csökkentésére. Elemzés után úgy döntöttünk, hogy páratlan számú, teljesen differenciál inverterekből álló gyűrűs oszcillátort alkalmazunk, amely nemcsak jól elnyomhatja a közös módú feszültség változását, hanem jó tápellátási csillapítási jellemzőket is elérhet. A 10. ábra a helyi oszcillátor és az órajel-generáló áramkör sematikus rajza. A szimulációs teszt után, figyelembe véve a hőmérséklet, a tápfeszültség és a folyamat szögváltozásának teljes körülményeit, az áramkör kimeneti frekvenciája körülbelül 250 kHz, és annak variációs hibája biztosítja, hogy az adatok bitsebességének pontossága kevesebb, mint a VDD 15% -a. A teljesítménynek nincs hatása, és a rendszer tervezési követelményei jobban teljesülnek. A 11. ábra a szimulációval kapott órajelet mutatja.
10. ábra A lokális oszcillátor és az órajel-generáló áramkör sematikus rajza
11. ábra Szimulációval kapott órajel
3 A teszt eredményei és elemzése
A rádiófrekvenciás áramköri chip Chartered 0.35μm 2P4M CMOS folyamatot fogad el, amely támogatja a Schottky diódát és az EEPROM-ot szalagként. Az áramkör chip területe I / O párnák (PAD) nélkül 300μm × 720μm. A külső antennákhoz való csatlakozáshoz használt két PAD kivételével a fennmaradó PAD-okat chipfunkciók tesztelésére használják. A 12. ábra a hullámalak diagram, amelyet azután kapunk, hogy a rádiófrekvenciás áramköri chip csatlakoztatva van a külső antennához, és a kártyaolvasó kommunikációját teszteltük. A tesztet a pekingi Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. THM6BC1-915 UHF RFID kártyaolvasójával hajtják végre, amely megfelel az ISO / IEC 18000-6B szabványnak. A 12. (a) ábra a VDD hullámforma, amelyet az egyenirányító és a feszültségszabályozó áramkör kapott a kártyaolvasó által továbbított rádiófrekvenciás jel vétele után. Az átlagos érték 3.3 V, és csak 20 mV-nál kisebb hullámosság van, ami jól teljesül. A tervezési index követelményei teljesülnek. A 12. (b) ábra a kártyaolvasó által küldött digitális jelet mutatja, amelyet az RF áramkör chip demodulációjával kapunk. Tesztelés után, amikor az EIRP 4W (36dBm) és az antennaerősítés OdB, a rádiófrekvenciás áramköri chip 915MHz-en működik, az olvasási távolság nagyobb, mint 3m, és a működési áram kisebb, mint 8μA.
12. ábra Az RF áramkör chip hullámalak diagramja
Következtetés 4
Ez a cikk nagy teljesítményű és kis teljesítményű passzív UHF RFID transzponder chip rádiófrekvenciás áramkört javasol, amely megfelel az ISO / IEC 18000-6B szabványnak. A rádiófrekvenciás áramkör 915MHz-en működik, és az antennán kívül nincs más külső alkatrésze. Schottky diódákat használ. Az egyenirányító energiát a rádiófrekvenciás elektromágneses mezőből kap. A bérelt 0.35μm 2P4M CMQS folyamat, amely támogatja a Schottky diódákat és az EEPROM-ot használják szalagra, és magterülete 300μm × 720μm. Az RFID rádiófrekvenciás áramkör számos fő modult tartalmaz, mint például a helyi oszcillátort, az órajel-generáló áramkört, a visszaállító áramkört, a megfelelő hálózatot és a visszaszórási áramkört, az egyenirányítót, a feszültségszabályozót és az AM demodulátort. Ez a szöveg megtervezi és optimalizálja az egyes modul áramköröket, megtervezi az alacsony energiafogyasztású rádiófrekvenciás áramkört, amely megfelel a szabvány követelményeinek. A tesztet THM6BC1-915Y2 UHF RFID kártyaolvasóval végeztük, amely megfelel az ISO / IEC 18000-6B szabványnak. A teszt eredményei azt mutatják, hogy az olvasási távolság nagyobb, mint 3 m, és az eredmény kielégíti a passzív UHF RFID transzponder rendszer index követelményeit.
Másik termék:
