Analiza projektu obwodu pasywnych tagów RFID UHF

Ze względu na wysoką częstotliwość roboczą, dużą odległość odczytu i zapisu, brak zewnętrznego zasilania i niskie koszty produkcji, pasywne znaczniki RFID UHF stały się jednym z kluczowych kierunków badań RFID i mogą stać się głównymi produktami w dziedzinie RFID w niedalekiej przyszłości.

Kompletny pasywny Znacznik RFID UHF składa się z anteny i układu znacznika. Spośród nich układ znacznika zazwyczaj obejmuje następujące części obwodu: obwód odzyskiwania mocy, obwód stabilizacji napięcia zasilania, obwód modulacji rozproszenia wstecznego, obwód demodulacji, obwód ekstrakcji/generowania zegara, obwód generowania sygnału początkowego, obwód generowania źródła odniesienia, jednostka sterująca, pamięć. Energia wymagana do działania pasywnego znacznika RFID pochodzi w całości z energii fali elektromagnetycznej generowanej przez czytnik kart. Dlatego obwód odzyskiwania mocy musi przekształcić sygnał UHF indukowany przez antenę znacznika na napięcie stałe wymagane do działania układu. dostarczać energię.

Ponieważ środowisko elektromagnetyczne, w którym znajdują się znaczniki RFID, jest bardzo złożone, moc sygnału wejściowego może się zmieniać setki, a nawet tysiące razy. Dlatego, aby układ mógł normalnie pracować w różnych natężeniach pola, należy zaprojektować niezawodny obwód stabilizacji napięcia zasilania. . Obwód modulacji i demodulacji jest kluczowym obwodem do komunikacji między znacznikiem a czytnikiem kart. Obecnie większość znaczników RFID UHF wykorzystuje modulację ASK. Jednostka sterująca znacznika RFID to obwód cyfrowy, który przetwarza instrukcje. Aby umożliwić prawidłowe zresetowanie obwodu cyfrowego po wejściu znacznika w pole czytnika kart, w odpowiedzi na instrukcje czytnika kart, należy zaprojektować niezawodny obwód generowania sygnału startowego, który zapewni sygnał resetu dla jednostki cyfrowej.

obwód odzyskiwania mocy

obwód odzyskiwania mocy przekształca sygnał UHF odebrany przez antenę znacznika RFID na napięcie stałe poprzez prostowanie i wzmacnianie, aby zapewnić energię do pracy układu. Istnieje wiele możliwych konfiguracji obwodów dla obwodów odzyskiwania mocy. Jak pokazano na rysunku, jest kilka obwodów odzyskiwania mocy powszechnie stosowanych obecnie.

W tych obwodach odzyskiwania mocy nie ma optymalnej struktury obwodu, a każdy obwód ma swoje zalety i wady. W różnych warunkach obciążenia, różnych warunkach napięcia wejściowego, różnych wymaganiach napięcia wyjściowego i dostępnych warunkach procesu, należy wybrać różne obwody, aby uzyskać optymalną wydajność. Wielostopniowy obwód podwajacza napięcia diody pokazany na rysunku 2(a) generalnie wykorzystuje diody barierowe Schottky'ego. Ma zalety wysokiej wydajności podwajania napięcia i małej amplitudy sygnału wejściowego i jest szeroko stosowany. Jednak powszechny proces CMOS ogólnej odlewni nie zapewnia diod barierowych Schottky'ego, co może przysporzyć projektantowi problemów przy wyborze procesu. Rysunek 2(b) zastępuje diodę Schottky'ego lampą PMOS połączoną w formie diody, co pozwala uniknąć specjalnych wymagań dotyczących procesu. Obwód podwajania napięcia z tą strukturą wymaga wyższej amplitudy sygnału wejściowego i ma lepszą wydajność podwajania napięcia, gdy napięcie wyjściowe jest wyższe. Rysunek 2(c) przedstawia tradycyjny obwód prostownika pełnookresowego diody. W porównaniu z obwodem podwajacza napięcia Dicksona, efekt podwajacza napięcia jest lepszy, ale wprowadza się więcej elementów diodowych, a wydajność konwersji mocy jest ogólnie nieco niższa niż w obwodzie podwajacza napięcia Dicksona. Ponadto, ponieważ zacisk wejściowy anteny jest oddzielony od masy układu scalonego, jest to w pełni symetryczna struktura z kondensatorem blokującym prąd stały, patrząc od zacisku wejściowego anteny do układu scalonego, co zapobiega wzajemnemu wpływowi między masą układu scalonego a anteną i nadaje się do stosowania z podłączonymi antenami symetrycznymi (takimi jak antena o parzystych biegunach). Rysunek 2(d) przedstawia rozwiązanie obwodu prostowania pełnookresowego z lampą CMOS proponowane przez wiele publikacji. W przypadku ograniczonej technologii można uzyskać lepszą wydajność konwersji mocy, a wymagania dotyczące amplitudy sygnału wejściowego są stosunkowo niskie.

W przypadku stosowania ogólnych pasywnych tagów UHF RFID, ze względu na względy kosztów, oczekuje się, że układ scalony będzie odpowiedni do produkcji zwykłej technologii CMOS. Wymagania dotyczące odczytu i zapisu na duże odległości stawiają wyższe wymagania dotyczące wydajności konwersji mocy obwodu odzyskiwania mocy. Z tego powodu wielu projektantów wykorzystuje standardową technologię CMOS do realizacji diod barierowych Schottky'ego, dzięki czemu struktura wielostopniowego obwodu podwajacza napięcia Dickson może być wygodnie używana do poprawy wydajności konwersji mocy. Rysunek 3 przedstawia schematyczny diagram struktury diody Schottky'ego wytworzonej w powszechnym procesie CMOS. W projekcie diody Schottky'ego można wytwarzać bez zmiany prkroki procesu i reguły generowania maski, a jedynie konieczne jest wprowadzenie pewnych modyfikacji w układzie.

Układ kilku diod Schottky'ego zaprojektowanych w procesie UMC 0,18 um CMOS. Krzywe testowe ich charakterystyk DC pokazano na rysunku 5. Z wyników testów charakterystyk DC można wywnioskować, że dioda Schottky'ego wyprodukowana w standardowym procesie CMOS ma typowe charakterystyki diod, a napięcie włączania wynosi tylko około 0,2 V, co jest bardzo odpowiednie dla tagów RFID.

Obwód regulatora mocy

Gdy amplituda sygnału wejściowego jest wysoka, obwód stabilizacji napięcia zasilania musi być w stanie zapewnić, że napięcie wyjściowe zasilania DC nie przekroczy maksymalnego napięcia, jakie może wytrzymać układ; jednocześnie, gdy sygnał wejściowy jest mały, moc pobierana przez obwód stabilizacji napięcia powinna być jak najmniejsza. Aby zmniejszyć całkowite zużycie energii przez układ.

Z punktu widzenia zasady regulacji napięcia, strukturę obwodu regulacji napięcia można podzielić na dwa typy: równoległy obwód regulacji napięcia i szeregowy obwód regulacji napięcia.

W chipie znacznika RFID musi być kondensator magazynujący energię o dużej wartości pojemności, aby przechowywać ładunek wystarczający do odbioru sygnału modulacji przez znacznik, a energia wejściowa może być nadal w momencie, gdy energia wejściowa jest mała (na przykład w momencie, gdy nie ma nośnika w modulacji OOK). , aby utrzymać napięcie zasilania układu. Jeśli energia wejściowa jest zbyt wysoka, a napięcie zasilania wzrośnie do określonego poziomu, czujnik napięcia w obwodzie stabilizacji napięcia będzie kontrolował źródło upływu, aby uwolnić nadmiar ładunku na kondensatorze magazynującym energię, tak aby osiągnąć cel stabilizacji napięcia. Rysunek 7 przedstawia jeden z równoległych obwodów regulatora napięcia. Trzy szeregowo połączone diody D1, D2, D3 i rezystor R1 tworzą czujnik napięcia, aby kontrolować napięcie bramki upustu M1. Gdy napięcie zasilania przekroczy sumę napięć włączania trzech diod, napięcie bramki M1 wzrasta, M1 jest włączane i zaczyna rozładowywać kondensator magazynujący energię C1.

Zasada innego typu układu stabilizacji napięcia polega na użyciu szeregowego układu stabilizacji napięcia. Jego schemat pokazano na rysunku 8. Źródło napięcia odniesienia jest zaprojektowane jako źródło odniesienia niezależne od napięcia zasilania. Napięcie wyjściowe zasilania jest dzielone przez rezystor i porównywane z napięciem odniesienia, a różnica jest wzmacniana przez wzmacniacz operacyjny w celu kontrolowania potencjału bramki lampy M1, tak aby napięcie wyjściowe i źródło odniesienia zasadniczo utrzymywały ten sam stabilny stan.

Ten szeregowy obwód regulatora napięcia może wyprowadzać dokładniejsze napięcie zasilania, ale ponieważ lampa M1 jest podłączona szeregowo między nieregulowanym zasilaczem a regulowanym zasilaczem, gdy prąd obciążenia jest duży, spadek napięcia na lampie M1 spowoduje wyższe napięcie. stratę mocy. Dlatego ta struktura obwodu jest ogólnie stosowana w obwodach znaczników o mniejszym zużyciu energii.

Obwód modulacji i demodulacji

a. Obwód demodulacji

W celu zmniejszenia powierzchni układu scalonego i zużycia energii większość pasywnych znaczników RFID obecnie przyjmuje modulację ASK. W przypadku obwodu demodulacji ASK układu scalonego znacznika powszechnie stosowaną metodą demodulacji jest metoda wykrywania obwiedni, jak pokazano na FIG. 9.

Obwód podwajacza napięcia części wykrywania obwiedni i części odzyskiwania mocy jest zasadniczo taki sam, ale nie jest konieczne dostarczanie dużego prądu obciążenia. Źródło prądu upływu jest połączone równolegle w końcowym etapie obwodu wykrywania obwiedni. Gdy sygnał wejściowy jest modulowany, energia wejściowa maleje, a źródło upływu zmniejsza napięcie wyjściowe obwiedni, tak aby kolejny obwód komparatora mógł ocenić sygnał modulacji. Ze względu na duży zakres zmian energii sygnału wejściowego RF, prąd źródła upływu musi być dynamicznie regulowany, aby dostosować się do zmian różnych natężeń pola w polu bliskim i dalekim. Na przykład, jeśli prąd zasilania upływu jest mały, może on spełnić potrzeby komparatora, gdy natężenie pola jest słabe, ale gdy znacznik znajduje się w polu bliskim o silnym natężeniu pola, prąd upływu nie będzie wystarczający, aby wytworzyć wykryty sygnał. Jeśli nastąpi duża zmiana amplitudy, komparator post-stage nie będzie mógł pracować normalnie. Aby rozwiązać ten problem, można przyjąć strukturę źródła upływu, jak pokazano na rys. 10.

Gdy nośna wejściowa nie jest modulowana, potencjał bramki rury upustowej M1 jest taki sam, jak potencjał drenu, tworząc diodowo połączoną rurę NMOS, która zaciska wyjście obwiedni w pobliżu napięcia progowego M1. The moc pobierana przez M1 jest zrównoważona; gdy nośna wejściowa jest modulowana, energia wejściowa układu scalonego maleje, a w tym czasie ze względu na działanie obwodu opóźniającego R1 i C1 potencjał bramki M1 pozostaje na pierwotnym poziomie, a M1 przecieka. Uwolniony prąd pozostaje niezmieniony, co powoduje, że amplituda sygnału wyjściowego obwiedni szybko maleje; podobnie, po przywróceniu nośnej, opóźnienie R1 i C1 powoduje, że wyjście obwiedni szybko powraca do pierwotnego wysokiego poziomu. Korzystając z tej struktury obwodu i wybierając rozsądnie rozmiar R1, C1 i M1, można spełnić potrzeby demodulacji przy różnych natężeniach pola. Istnieje również wiele opcji dla obwodu komparatora podłączonego za wyjściem obwiedni, a powszechnie używanymi są komparator histerezy i wzmacniacz operacyjny.

b. Obwód modulacyjny

Pasywne znaczniki RFID UHF zazwyczaj przyjmują metodę modulacji rozpraszania wstecznego, to znaczy poprzez zmianę impedancji wejściowej układu scalonego w celu zmiany współczynnika odbicia między układem scalonym a anteną, tak aby osiągnąć cel modulacji. Zazwyczaj impedancja anteny i impedancja wejściowa układu scalonego są zaprojektowane tak, aby były zbliżone do dopasowania mocy, gdy nie są modulowane, a współczynnik odbicia jest zwiększany, gdy są modulowane. Powszechnie stosowaną metodą rozpraszania wstecznego jest połączenie kondensatora z przełącznikiem równolegle między dwoma końcami wejściowymi anteny, jak pokazano na rysunku 11, sygnał modulacji określa, czy kondensator jest podłączony do końca wejściowego układu scalonego, poprzez sterowanie przełącznikiem, zmieniając w ten sposób impedancję wejściową układu scalonego.

obwód generowania sygnału startowego

Funkcją obwodu generowania sygnału startowego resetu zasilania w znaczniku RFID jest zapewnienie sygnału resetu do rozpoczęcia pracy obwodu cyfrowego po zakończeniu odzyskiwania zasilania. Jego projekt musi uwzględniać następujące kwestie: Jeśli napięcie zasilania wzrasta przez zbyt długi czas, amplituda wysokiego poziomu sygnału resetu będzie niska, co nie może spełnić potrzeb resetu obwodu cyfrowego; obwód generowania sygnału startowego jest bardziej wrażliwy na wahania mocy, co może spowodować awarię; statyczne zużycie energii musi być jak najniższe.

Zwykle po wejściu pasywnego znacznika RFID w pole czas wzrostu napięcia zasilania jest niepewny i może być bardzo długi. Wymaga to zaprojektowania obwodu generowania sygnału startowego w celu wygenerowania sygnału startowego w momencie związanym z napięciem zasilania. Rysunek 12 przedstawia typowy obwód generowania sygnału startowego.

Podstawową zasadą jest wykorzystanie gałęzi składającej się z rezystora R0 i tranzystora NMOS M1 do generowania względnie stałego napięcia Va. Gdy napięcie zasilania vdd przekracza napięcie progowe tranzystora NMOS, napięcie Va pozostaje zasadniczo niezmienione. Gdy vdd nadal rośnie, gdy napięcie zasilania osiąga Va+|Vtp|, tranzystor PMOS M0 jest włączany, aby spowodować wzrost Vb, a przedtem Vb było na niskim poziomie, ponieważ M0 jest odcinane. Głównym problemem tego obwodu jest obecność statycznego rozpraszania mocy. A ponieważ napięcie progowe tranzystora MOS zmienia się znacznie w zależności od procesu w procesie CMOS, jest ono łatwo podatne na odchylenie procesu. Dlatego użycie diody złącza pn do generowania napięcia rozruchowego znacznie zmniejszy niepewność procesu, jak pokazano na FIG. 13.

Gdy VDD wzrasta do napięcia włączania dwóch diod złącza pn, bramka tranzystora PMOS M0 jest równa napięciu zasilania, a tranzystor PMOS jest wyłączony. W tym momencie napięcie na kondensatorze C1 jest na niskim poziomie. Gdy VDD wzrasta powyżej napięcia progowego dwóch diod, M0 zaczyna przewodzić, podczas gdy napięcie bramki M1 pozostaje niezmienione, prąd płynący przez M1 pozostaje niezmieniony, a napięcie na kondensatorze C1 stopniowo wzrasta. Gdy wzrasta do fazy odwrotnej Po przewróceniu się urządzenia generowany jest sygnał startowy. Dlatego czas, w którym ten obwód generuje sygnał startowy, zależy od tego, czy napięcie zasilania osiągnie napięcie progowe dwóch diod, co ma dużą stabilność i zapobiega przedwczesnemu sygnałowi startowemu ogólnego obwodu startowego, gdy napięcie zasilania wzrasta zbyt wolno. Problem.

Jeśli napięcie zasilania wzrośnie zbyt szybko, pojemność bramki rezystora R1 i M0 stanowi obwód opóźnienia dolnoprzepustowego, który sprawi, że napięcie bramki M0 nie będzie w stanie szybko nadążyć za zmianą napięcia zasilania i pozostanie na niskim poziomie. W tym momencie M0 naładuje kondensator C1, powodując, że obwód nie będzie działał prawidłowo. Aby rozwiązać ten problem, wprowadzono kondensator C5. Jeśli napięcie zasilania wzrośnie szybko, efekt sprzężenia kondensatora C5 może utrzymać potencjał bramki M0 zgodny z napięciem zasilania, unikając tWystępowanie wyżej wymienionych problemów.

Problem statycznego zużycia energii nadal istnieje w tym obwodzie, a wpływ statycznego zużycia energii można zmniejszyć, zwiększając wartość rezystancji i dobierając rozsądnie rozmiar lampy MOS. Aby całkowicie rozwiązać problem statycznego zużycia energii, konieczne jest zaprojektowanie dodatkowego obwodu sterowania sprzężeniem zwrotnym, aby wyłączyć tę część obwodu po wygenerowaniu sygnału startowego. Należy jednak zwrócić szczególną uwagę na niestabilność spowodowaną wprowadzeniem sprzężenia zwrotnego.

Trudność projektowania pasywnych chipów RFID UHF polega na tym, jak zwiększyć odległość odczytu i zapisu chipa oraz zmniejszyć koszty produkcji tagu. Dlatego też zwiększenie wydajności obwodu odzyskiwania energii, zmniejszenie zużycia energii całego chipa i niezawodna praca są nadal głównymi wyzwaniami w projektowaniu chipów tagów RFID.