Projekt układu RF pasywnego transpondera RFID UHF

Identyfikacja radiowa (radio frequency identlificaTInn, RFID) to automatyczna technologia identyfikacji, która pojawiła się w latach 90. XX wieku. Technologia RFID ma wiele zalet, których nie ma technologia kodów kreskowych, i ma szeroki zakres zastosowań, które mogą być używane w obywatelstwie drugiej generacji*, kartach miejskich, transakcjach finansowych, zarządzaniu łańcuchem dostaw itp., kontroli dostępu, zarządzaniu bagażem na lotniskach, transporcie publicznym, identyfikacji kontenerów, zarządzaniu zwierzętami gospodarskimi itp. Dlatego też bardzo ważne jest opanowanie technologii produkcji chipów RFID. Obecnie rosnące wymagania dotyczące aPlikacji stawiają wyższe wymagania dla chipów RFID, wymagając większej pojemności, niższych kosztów, mniejszych rozmiarów i wyższej szybkości transmisji danych. Zgodnie z tą sytuacją, niniejszy artykuł proponuje pasywny układ transpondera UHF RFID o niskim poborze mocy i dalekim zasięgu.

Typowe częstotliwości robocze RFID obejmują niską częstotliwość 125 kHz, 134,2 kHz, wysoką częstotliwość 13,56 MHz, ultrawysoką częstotliwość 860-930 MHz, mikrofale 2,45 GHz, 5,8 GHz itd. Ponieważ niska częstotliwość 125 kHz, 134,2 kHz, wysoka częstotliwość 13,56 MHz wykorzystuje cewkę jako antenę i przyjmuje metodę sprzężenia indukcyjnego, odległość robocza jest stosunkowo krótka, zwykle nie większa niż 1,2 m, a szerokość pasma jest ograniczona do kilku kiloherców w Europie i innych regionach. Jednak UHF (860～93Uh1Hz) i mikrofale (2,45 GHz, 5,8 GHz) mogą zapewnić większą odległość roboczą, wyższą szybkość transmisji danych i mniejszy rozmiar anteny, więc stały się gorącym polem badawczym RFID.

Układ scalony RF zaproponowany w tym artykule jest wycięty taśmą przy użyciu procesu Chartered 0,35μm 2P4M CMOS obsługującego diody Schottky'ego i elektrycznie kasowalną programowalną pamięć tylko do odczytu (EEPROM). Diody Schottky'ego mają niską rezystancję szeregową i napięcie przewodzenia, a także mogą zapewnić wysoką wydajność konwersji podczas konwersji otrzymanej energii sygnału wejściowego RF na zasilanie prądem stałym, zmniejszając w ten sposób zużycie energii. Gdy efektywna izotropowa moc promieniowana (EIRP) wynosi 4 W (36 dBm), a zysk anteny wynosi 0 dB, układ scalony RF działa na częstotliwości 915 MHz, odległość odczytu jest większa niż 3 m, a prąd roboczy jest mniejszy niż 8 μA.

1 Struktura obwodu RF

Układ transpondera UHF RF1D, który obejmuje głównie obwód częstotliwości radiowej, obwód sterowania logicznego i pamięć EEPROM. Spośród nich część obwodu częstotliwości radiowej można podzielić na następujące główne moduły obwodu: lokalny oscylator i obwód generowania zegara, obwód resetowania po włączeniu zasilania, źródło napięcia odniesienia, sieć dopasowująca i obwód rozpraszania wstecznego, prostownik, regulator napięcia i demodulator modulacji amplitudy (AM) itp. Nie ma żadnych zewnętrznych komponentów poza anteną. Część anteny przyjmuje strukturę dipolową i jest dopasowana do impedancji wejściowej prostownika za pośrednictwem sieci dopasowującej jako jedynego źródła energii dla całego układu. Jego odpowiednik pokazano na rysunku 2. Rzeczywista część impedancji anteny dipolowej składa się z Rra i Rloss, gdzie Rra jest impedancją promieniowania anteny dipolowej, która jest nieodłączna dla anteny dipolowej, zwykle 73Ω, co reprezentuje zdolność anteny do promieniowania fal elektromagnetycznych; Rloss Rezystancja omowa spowodowana przez metal użyty do wykonania anteny zwykle generuje tylko ciepło. Część urojona X impedancji anteny jest zwykle dodatnia, ponieważ antena jest zwykle indukcyjna na zewnątrz, a rozmiar tej równoważnej indukcyjności zależy zwykle od topologii anteny i materiału podłoża. Prostownik przekształca moc sprzężonego sygnału wejściowego RF na napięcie stałe wymagane przez układ scalony. Regulator napięcia stabilizuje napięcie stałe na pewnym poziomie i ogranicza wielkość napięcia stałego, aby chronić układ scalony przed przebiciem z powodu nadmiernego napięcia. Demodulator AM służy do wyodrębnienia odpowiedniego sygnału danych z odebranego sygnału nośnego. Obwód rozpraszania wstecznego przesyła dane transpondera do interrogatora RFID lub czytnika kart, zmieniając impedancję obwodu RF poprzez zmienną pojemność. Obwód resetu po włączeniu zasilania jest używany do generowania sygnału resetu całego układu. W przeciwieństwie do transpondera o wysokiej częstotliwości (HF) 13,56 MHz, transponder UHF 915 MHz nie może uzyskać lokalnego zegara poprzez podzielenie częstotliwości od nośnej, ale może jedynie zapewnić zegar dla części obwodu logicznego cyfrowego poprzez wbudowany lokalny oscylator o niskiej mocy. Wszystkie te bloki obwodu zostaną szczegółowo wyjaśnione poniżej.

2 Projektowanie i analiza obwodów

2.1 Obwody prostownika i regulatora napięcia

W tym artykule pompa ładunkowa Dickson składająca się z diod Schottky'ego jest używana jako obwód prostownika. Schemat obwodu pokazano na rysunku 3. Wynika to z faktu, że diody Schottky'ego mają niską szeregowośćrezystancja i pojemność złącza, co może zapewnić wysoką wydajność konwersji podczas konwersji otrzymanej energii sygnału wejściowego RF na zasilanie prądem stałym, zmniejszając w ten sposób zużycie energii. Wszystkie diody Schottky'ego są połączone ze sobą za pomocą kondensatorów poli-poli. Kondensatory pionowe ładują i magazynują energię podczas ujemnego półcyklu napięcia wejściowego Vin, podczas gdy kondensatory boczne ładują i magazynują energię podczas dodatniego półcyklu Vin, aby wygenerować prąd stały. Wysokie napięcie, wynikowe napięcie wynosi:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Gdzie Vp, RF jest amplitudą sygnału wejściowego o częstotliwości radiowej, Vf, D jest napięciem przewodzenia diody Schottky'ego, n jest liczbą stopni użytej pompy ładunkowej.

Ustabilizuj napięcie wyjściowe DC przez prostownik na określonym poziomie i zapewnij stabilne napięcie robocze dla całego układu transpondera, aby zapewnić, że amplituda napięcia DC nie zmieni się ze względu na fizyczne położenie układu transpondera i uniknąć możliwych wstrząsów układu. zużycia, aby chronić układ transpondera. Układ przyjmuje samospolaryzowaną strukturę Cascnde. Powodem wyboru tej struktury układu jest to, że struktura Cascnde ma efekt izolacji wspólnej lampy bramkowej, co sprawia, że ma dobrą zdolność do tłumienia wahań mocy, poprawiając w ten sposób współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR). Aby zapewnić podstawową stabilność dwóch prądów gałęziowych. Współczynnik powierzchni Q1 i Q2 wynosi 1:8. Ponadto, w przeciwieństwie do ogólnych transponderów RFID HF, przyjęliśmy źródło napięcia odniesienia o niskiej mocy z obwodem rozruchowym niskiego napięcia w projekcie, aby zmniejszyć całkowite zużycie energii układu.