Vysokofrekvenční obvod s nízkou spotřebou energie pasivní ultravysokofrekvenční vysokofrekvenční identifikační čip transpondéru
Tento článek navrhuje vysoce výkonný nízkoenergetický pasivní ultravysokofrekvenční (UHF) vysokofrekvenční identifikační (RFID) čipový vysokofrekvenční obvod čipu, který splňuje standard ISO / IEC18000-6B. Vysokofrekvenční obvod nemá žádné externí součásti kromě antény a přijímá energii z vysokofrekvenčního elektromagnetického pole přes Schottkyho diodový usměrňovač.
Elektroničtí nadšenci síťového inženýra • Zdroj: Dokončování stránek • Autor: Anonymous • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Číst 0krát
Vysokofrekvenční obvod s nízkou spotřebou energie pasivní ultravysokofrekvenční vysokofrekvenční identifikační čip transpondéru
Tento článek navrhuje vysoce výkonný nízkoenergetický pasivní ultravysokofrekvenční (UHF) vysokofrekvenční identifikační (RFID) čipový vysokofrekvenční obvod čipu, který splňuje standard ISO / IEC18000-6B. Vysokofrekvenční obvod nemá žádné externí součásti kromě antény a přijímá energii z vysokofrekvenčního elektromagnetického pole přes Schottkyho diodový usměrňovač.
Předmluva 0
Radiofrekvenční identifikace (RFID) je technologie automatické identifikace, která se objevila v 1990. letech. Technologie RFID má řadu výhod, které technologie čárových kódů nemá, a má širokou škálu aplikací. Lze jej použít na občanské průkazy druhé generace, městské karty, finanční transakce, správu dodavatelského řetězce, poplatky za elektronické publikace (ETC), kontrolu přístupu, správu zavazadel na letišti, veřejnou dopravu, identifikaci kontejneru, správu hospodářských zvířat atd. je velmi důležité zvládnout technologii výroby RFID čipů. V současné době neustále rostoucí poptávka po aplikacích klade vyšší požadavky na RFID čipy, které vyžadují větší kapacitu, nižší náklady, menší objem a vyšší rychlost přenosu dat. Podle této situace tento článek navrhuje vysokofrekvenční obvod čipu pasivního UHF UHF RFID čipu na dálku s nízkým výkonem.
Běžné pracovní frekvence RFID zahrnují nízkofrekvenční 125kHz, 134.2kHz, vysokofrekvenční 13.56MHz, UHF 860～ 930MHz, mikrovlnné 2.45GHz, 5.8GHz atd. Protože nízkofrekvenční 125kHz, 134.2kHz, vysokofrekvenční 13.56MHz systém používá jako antény cívky a používá induktory Pracovní vzdálenost je relativně krátká, obvykle ne více než 1.2 m, a šířka pásma je omezena na několik kilohertzů v Evropě a dalších regionech. UHF (860 ~ 93Uh1Hz) a mikrovlnná trouba (2.45GHz, 5.8GHz) však mohou poskytovat delší pracovní vzdálenost, vyšší rychlost přenosu dat a menší velikost antény, takže se stala horkým výzkumným polem RFID.
Čip vysokofrekvenčního obvodu navržený v tomto článku je vylepen pomocí procesu Chartered 0.35 μm 2P4M CM0S, který podporuje Schottkyho diody a elektricky vymazatelnou programovatelnou paměť pouze pro čtení (EEPROM). Schottkyho diody mají nižší sériový odpor a dopředné napětí a mohou poskytovat vyšší účinnost konverze při převodu přijaté energie vstupního RF signálu na stejnosměrný napájecí zdroj, čímž snižují spotřebu energie. Když je efektivní izotropní vyzářený výkon (EIRP) 4 W (36 dBm) a zisk antény 0 dB, vysokofrekvenční obvodový čip pracuje na 915 MHz, čtecí vzdálenost je větší než 3 ma pracovní proud je menší než 8 μA.
1 struktura RF obvodu
Obrázek 1 je schéma systému čipu transpondéru UHF RF1D, který zahrnuje zejména vysokofrekvenční obvody, logické řídicí obvody a EEPROM. Mezi nimi lze vysokofrekvenční obvodovou část rozdělit na následující hlavní obvodové moduly: místní obvod oscilátoru a generování hodin, obvod pro reset napájení, zdroj napětí, odpovídající síť a obvod zpětného rozptylu, usměrňovač, regulátor napětí a amplitudová modulace (AM ) Demodulátor atd. Kromě antény neexistují žádné externí komponenty a anténní část má dipólovou strukturu a je přizpůsobena vstupní impedanci usměrňovače prostřednictvím odpovídající sítě jako jediného zdroje energie pro celý čip. Ekvivalentní model je znázorněn na obrázku 2. Skutečná část impedance dipólové antény se skládá ze dvou částí, Rra a Rloss, kde Rra je radiační impedance dipólové antény, která je vlastní dipólové anténě, obvykle 73Ω, což představuje schopnost antény vyzařovat elektromagnetické vlny ven; Rloss Ohmický odpor kovu použitého k výrobě antény obecně generuje pouze teplo. Pomyslná část X impedance antény je obecně kladná. Je to proto, že anténa je obecně navenek indukční. Velikost ekvivalentní indukčnosti obecně závisí na topologické struktuře antény a materiálu substrátu. Usměrňovač převádí spojený výkon RF vstupního signálu na stejnosměrné napětí požadované čipem. Regulátor napětí stabilizuje stejnosměrné napětí na určité úrovni a omezuje amplitudu stejnosměrného napětí, aby chránil čip před poškozením v důsledku nadměrného napětí. AM demodulátor se používá k extrakci odpovídajícího datového signálu z přijatého nosného signálu. Obvod zpětného rozptylu používá proměnný kondenzátor ke změně impedance vysokofrekvenčního obvodu, čímž odesílá data transpondéru do dotazovacího modulu RFID nebo čtečky karet. Okruh resetování po zapnutí se používá ke generování signálu resetování pro celý čip. Na rozdíl od vysokofrekvenčního (HF) transpondéru 13.56MHz nemůže UHF transpondér 915MHz získat místní hodiny z nosné frekvence, ale může poskytnout hodiny pro část digitálního logického obvodu pouze prostřednictvím vestavěného místního oscilátoru s nízkým výkonem. Všechny tyto obvodové moduly budou podrobně popsány níže jeden po druhém.
Obrázek 1 Schéma systému čipu transpondéru čipu UHF RF1D
2 Ekvivalentní elektrický model antény transpondéru
2 Návrh a analýza obvodu
2.1 Obvod usměrňovače a regulátoru
V tomto článku je jako usměrňovací obvod použito nabíjecí čerpadlo Dickson složené ze Schottkyho diod. Schéma obvodu je znázorněno na obrázku 3. Je to proto, že Schottkyho diody mají nižší sériový odpor a spojovací kapacitu a mohou poskytnout vyšší účinnost převodu při převodu přijaté energie vstupního signálu RF na zdroj stejnosměrného proudu, čímž se sníží spotřeba energie. Všechny Schottkyho diody jsou navzájem propojeny poly-poly kondenzátory. Vertikální kondenzátor se nabíjí a ukládá do záporného polovičního cyklu vstupního napětí Vin a vodorovný kondenzátor se nabíjí a ukládá do kladného polovičního cyklu Vin, čímž se generuje stejnosměrné vysoké napětí, výsledné napětí je:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF jsou amplituda vstupního vysokofrekvenčního signálu, Vf, D jsou dopředné napětí Schottkyho diody an je počet použitých stupňů nabíjecího čerpadla.
Obrázek 4 Schéma zapojení regulátoru napětí
2.2 Odpovídající síť a obvod zpětného rozptylu
Na rozdíl od 13.56MHz HF transpondéru používá UHF pásmový RFID transpondér dipólovou anténu. Obrázek 5 je ekvivalentní schéma zapojení SPICE (simulační program s důrazem na integrovaný obvod) transpondéru a antény. V tomto ekvivalentním modelu obvodu SPICE je přijímaný RF nosný signál Vs, impedance antény je Zs = Rs + jXL, což lze považovat za vnitřní odpor zdroje napětí Vs a ekvivalentní vstupní impedanci čipu transpondéru je ZL = RL-jXL. Proto, když ZL = Zs *, je impedance přizpůsobena a přenos výkonu je maximální. V případě přizpůsobení impedance by z pohledu transpondéru s anténou měla být získaná impedance Z = 2RL, takže dostaneme vztah mezi přijímacím výkonem Pre a napěťovým výkyvem VS jako strana:
Pak je napěťový vstup Vin na obou koncích čipu:
Aby se dosáhlo přizpůsobení impedance, obvod také potřebuje provést impedanční transformaci na odpovídající síti, takže vnitřní odpor antény a vstupní impedance části vysokofrekvenčního obvodu mohou dosáhnout konjugovaného přizpůsobení, takže používáme typ L odpovídající síť. Vzhledem k vysokým nákladům na čipové integrované induktory a nízké přesnosti používáme indukčnost antény jako odpovídající induktor pro integraci odpovídajícího kondenzátoru do čipu. Po výpočtu je vstupní impedance vysokofrekvenčního obvodu přibližně (105-j406) Ω.
Obrázek 5 SPICE ekvivalentní schéma zapojení transpondéru a antény
Obrázek 6 je schematický diagram obvodu zpětného rozptylu. Obvod zpětného rozptylu používá proměnný kondenzátor ke změně impedance vysokofrekvenčního obvodu, čímž odesílá data transpondéru do dotazovacího modulu RFID nebo čtečky karet. Proměnná kapacita je realizována MOS varaktorem. Ve standardním procesu CMOS můžeme použít napěťově řízenou proměnnou kapacitu od hradla trubice MOS k substrátu a použít hradlo varaktoru MOS jako jeden konec kondenzátoru a zdrojový konec Připojte s odtokovou svorkou jako druhý konec kondenzátoru.
2.3 Obvod demodulátoru AM
AM demodulátorový obvod se používá k obnovení přijaté modulované nosné do digitálního signálu pro zpracování základního pásma. Demodulační obvod se skládá z obvodu detekce obálky, filtračního obvodu a komparátoru (jak je znázorněno na obrázku 7). Komparátor používá ke snížení bitové chybovosti komparátor hystereze. Detektor obálky používá stejný obvod jako usměrňovač k extrakci signálu obálky. Nízkoprůchodový filtr se používá k eliminaci šumových signálů a zvlnění napájecího zdroje. Nakonec se obálkový signál obnoví na digitální signál na výstupu komparátoru přes hysterezní komparátor.
Obrázek 7 Schéma demodulátoru AM
2.4 Obvod resetování po zapnutí
Obvod resetování při zapnutí má dvě hlavní funkce. Jedním z nich je, když transpondér vstoupí do účinné oblasti dotazovače nebo čtečky karet a napájecí napětí dosáhlo normálního pracovního potenciálu, vygeneruje resetovací signál pro celý čip; druhým je, když napájecí napětí náhle poklesne. Když se obvod resetuje, může to zabránit poruše logického obvodu. Obrázek 8 je schéma zapojení při zapnutí, doba zpoždění při zapnutí je 10 μs. Když se čas stále zvyšuje z nuly a překračuje napínací napětí 2.4 V, nejprve se zapnou P trubice MP1 a N trubice MN1, čímž se potenciály bodů A a B postupně zvyšují od 0 s nárůstem Yu, po reverzní fázi Napětí hradla tranzistorů MP2 a MN2 se lineárně mění s nárůstem VDD, takže na začátku se zapne MN2 a MP2 se vypne, takže napětí v bodě C je vždy 0 (efektivní reset) . Když VDD dosáhne vyššího potenciálu, potenciál v bodě A také současně stoupne na určitou úroveň, čímž dojde k odříznutí trubice MN2. V tuto chvíli je trubice MP2 zapnutá a potenciál v bodě C rychle stoupá. Po několika úrovních nárazníků se získá otrok. Logický výstup přechodového signálu 0: 1, takže obvod začne normálně fungovat. Kaskádování následujících stupňů vyrovnávacích pamětí a kapacitních zátěží spočívá v získání časového zpoždění asi 10 μs, tj. Když je VDD vyšší než 2.4 V a udržuje 10 μs, resetovací signál dokončí skok, aby se dosáhlo stabilního provozu obvod. Výsledky simulace jsou následující Na obrázku 9.
Obrázek 8 Schéma zapojení obvodu resetování po zapnutí
Obrázek 9 Výsledky simulace obvodu zapnutí po zapnutí
2.5 Lokální oscilátor a obvod generování hodin
Na rozdíl od 13.56 MHz HF transpondéru nemůže 915 MHz UHF transpondér získat místní hodiny z nosné frekvence, ale může poskytnout hodiny pro část digitálního logického obvodu pouze prostřednictvím vestavěného místního oscilátoru s nízkým výkonem. Frekvence hodin může přijmout chybu ± 30% a přesnost frekvence hodin není vysoká, takže ke snížení spotřeby energie čipu lze použít relativně jednoduchou strukturu oscilátoru. Po analýze jsme se rozhodli použít kruhový oscilátor složený z lichých plně diferenciálních invertorů, který nejenže dokáže dobře potlačit změnu napětí v běžném režimu, ale také může získat dobré charakteristiky potlačení napájení. Obrázek 10 je schematický diagram místního oscilátoru a obvodu pro generování hodin. Po simulačním testu, s ohledem na úplné podmínky teploty, napětí napájecího zdroje a změny úhlu procesu, je výstupní frekvence obvodu přibližně 250 kHz a jeho chyba variace zajišťuje, že přesnost datového toku dat je menší než 15% VDD. Výkon nemá žádný dopad a požadavky na design systému jsou lépe splněny. Obrázek 11 ukazuje hodinový signál získaný simulací.
Obrázek 10 Schéma místního oscilátoru a obvodu generování hodin
Obrázek 11 Hodinový signál získaný simulací
3 Výsledky a analýza testu
Čip vysokofrekvenčního obvodu využívá proces CMOS Chartered 0.35 μm 2P4M, který podporuje Schottkyho dioda a EEPROM pro pásky. Plocha čipu jádra bez I / O podložek (PAD) je 300 μm × 720 μm. Kromě dvou PAD použitých k připojení k externím anténám se zbývající PAD používají k testování funkce čipu. Obrázek 12 je diagram průběhu získaný po připojení čipu vysokofrekvenčního obvodu k externí anténě a testování čtečky karet na komunikaci. Zkouška se provádí pomocí čtečky RFID karet THM6BC1-915 UHF společnosti Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd., která splňuje normu ISO / IEC 18000-6B. Obrázek 12 (a) je křivka VDD získaná obvodem usměrňovače a regulátoru napětí po přijetí vysokofrekvenčního signálu vysílaného čtečkou karet. Průměrná hodnota je 3.3 V a existuje pouze zvlnění menší než 20 mV, což je dobře splněno. Požadavky na návrhový index jsou splněny. Obrázek 12 (b) ukazuje digitální signál odeslaný čtečkou karet získaný demodulací čipu RF obvodu. Po testování, když je EIRP 4W (36dBm) a zisk antény je OdB, pracuje vysokofrekvenční obvodový čip na 915MHz, čtecí vzdálenost je větší než 3m a pracovní proud je menší než 8μA.
Obrázek 12 Schéma zkušebního průběhu RF obvodu čipu
Závěr 4
Tento článek navrhuje vysoce výkonný a nízkoenergetický pasivní vysokofrekvenční obvod čipu RFID transpondéru UHF, který splňuje normu ISO / IEC 18000-6B. Vysokofrekvenční obvod pracuje na 915MHz a nemá kromě antény žádné jiné externí komponenty. Používá Schottkyho diody. Usměrňovač přijímá energii z vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Pro tapeout se používá autorizovaný proces 0.35 μm 2P4M CMQS, který podporuje Schottkyho diody a EEPROM, a jeho jádro je 300 μm × 720 μm. Vysokofrekvenční obvod RFID obsahuje několik hlavních modulů, jako je lokální oscilátor, obvod generování hodin, resetovací obvod, odpovídající síť a obvod zpětného rozptylu, usměrňovač, regulátor napětí a demodulátor AM. Tento text navrhuje a optimalizuje každý obvod modulu, navrhuje vysokofrekvenční obvod s nízkou spotřebou energie, který odpovídá standardním požadavkům. Test byl proveden pomocí čtečky RFID karet THM6BC1-915Y2 UHF, která odpovídá standardu ISO / IEC 18000-6B. Výsledky zkoušky ukazují, že čtecí vzdálenost je větší než 3 m a výsledek splňuje indexové požadavky pasivního UHF RFID transpondérového systému.
Náš další produkt:
