Radiofrekvenskrets med passivt ultrahögfrekvent transponderchip för radiofrekvensidentifiering

Denna uppsats föreslår en högpresterande passiv ultrahögfrekvent (UHF) radiofrekvensidentifiering (RFID) transponderchip radiofrekvenskrets som uppfyller ISO / IEC18000-6B-standarden. Radiofrekvenskretsen har inga externa komponenter förutom antennen och tar emot energi från det radiofrekventa elektromagnetiska fältet genom en Schottky-diodlikriktare.

Nätverkstekniker elektroniska entusiaster • Källa: Site finishing • Författare: Anonym • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Läs 0 gånger

0 Förord

　　Radiofrekvensidentifiering (RFID) är en automatisk identifieringsteknik som uppstod på 1990-talet. RFID-teknik har en rad fördelar som streckkodteknologi inte har, och den har ett brett utbud av applikationer. Det kan användas på andra generationens medborgar-ID-kort, stadskort, finansiella transaktioner, hantering av försörjningskedjan, elektroniska publikationsavgifter (ETC), åtkomstkontroll, bagagehantering på flygplatsen, kollektivtrafik, containeridentifiering, boskapshantering etc. Därför är det är mycket viktigt för att behärska tekniken för tillverkning av RFID-chips. För närvarande ställer den ständigt ökande applikationsefterfrågan högre krav på RFID-chips, som kräver större kapacitet, lägre kostnad, mindre volym och högre datahastighet. Enligt denna situation föreslår den här artikeln en passiv UHF UHF RFID-transponderchipradiofrekvenskrets för långa avstånd.

Vanliga arbetsfrekvenser för RFID inkluderar lågfrekvens 125kHz, 134.2kHz, högfrekvens 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, mikrovågsugn 2.45GHz, 5.8GHz, etc. Eftersom lågfrekventa 125kHz, 134.2kHz, högfrekventa 13.56MHz-systemet använder spolar som antenner och använder induktorer Arbetsavståndet är relativt kort, vanligtvis inte mer än 1.2 m, och bandbredden är begränsad till flera kilohertz i Europa och andra regioner. UHF (860 ~ 93Uh1Hz) och mikrovågsugn (2.45 GHz, 5.8 GHz) kan dock ge längre arbetsavstånd, högre datahastighet och mindre antennstorlek, så det har blivit ett hett forskningsfält för RFID.

　　 RF-kretschipet som föreslås i detta dokument tejps ut med hjälp av Chartered 0.35μm 2P4M CM0S-processen som stöder Schottky-dioder och elektriskt raderbart programmerbart skrivminne (EEPROM). Schottky-dioder har lägre seriemotstånd och framspänning och kan ge högre omvandlingseffektivitet vid omvandling av den mottagna RF-insignalenergin till en likströmsförsörjning, vilket minskar strömförbrukningen. När den effektiva isotropa utstrålade effekten (EIRP) är 4W (36dBm) och antennförstärkningen är 0dB, fungerar radiofrekvenskretschipet vid 915MHz, läsavståndet är större än 3m och arbetsströmmen är mindre än 8μA.

　　1 RF-kretsstruktur

　　 Figur 1 är UHF RF1D-transponderchipsystemdiagrammet, som huvudsakligen inkluderar radiofrekvenskretsar, logiska styrkretsar och EEPROM. Bland dem kan radiofrekvenskretsdelen delas in i följande huvudkretsmoduler: lokaloscillator- och klockgenereringskrets, återställningskrets för start, spänningsreferenskälla, matchande nätverk och backcatter-krets, likriktare, spänningsregulator och amplitudmodulering (AM ) Demodulator etc. Det finns inga externa komponenter förutom antennen, och antenndelen antar en dipolstruktur och matchas med likriktarens ingångsimpedans genom ett matchande nätverk, som den enda energikällan för hela chipet. Motsvarande modell visas i figur 2. Den verkliga delen av impedansen hos en dipolantenn består av två delar, Rra och Rloss, där Rra är dipolantennens strålningsimpedans, som är inneboende i dipolantennen, i allmänhet 73Ω, vilket representerar antennens förmåga att utstråla elektromagnetiska vågor till utsidan; Ross Det ohmiska motståndet hos metallen som används för att göra antennen genererar vanligtvis bara värme. Den imaginära delen X av antennimpedansen är i allmänhet positiv. Detta beror på att antennen i allmänhet är induktiv mot utsidan. Storleken på den ekvivalenta induktansen beror vanligtvis på antennens topologiska struktur och substratmaterialet. Likriktaren omvandlar den kopplade RF-insignaleffekten till den likspänning som krävs av chipet. Spänningsregulatorn stabiliserar likspänningen vid en viss nivå och begränsar amplituden på likspänningen för att skydda chipet från nedbrytning på grund av överdriven spänning. AM-demodulatorn används för att extrahera motsvarande datasignal från den mottagna bärarsignalen. Backscatter-kretsen använder en variabel kondensator för att ändra impedansen hos radiofrekvenskretsen och därmed sända transponderdata till RFID-förhöraren eller kortläsaren. Startåterställningskretsen används för att generera en återställningssignal för hela chipet. Till skillnad från 13.56 MHz högfrekventa (HF) transponder kan 915 MHz UHF-transponder inte få en lokal klocka från bärfrekvensen utan kan bara tillhandahålla en klocka för den digitala logikkretsdelen genom en inbyggd lågeffekt lokal oscillator. Alla dessa kretsmoduler kommer att beskrivas i detalj nedan en efter en.

Figur 1 Systemdiagram för UHF RF1D-transponderchip

2 Motsvarande elektrisk modell av transponderantenn

2 Kretsdesign och analys

　　2.1 Likriktare och regulatorkrets

　　 I detta dokument används en Dickson laddningspump bestående av Schottky-dioder som likriktarkrets. Kretsens schematiska diagram visas i Figur 3. Detta beror på att Schottky-dioder har lägre seriemotstånd och övergångskapacitans och kan ge högre omvandlingseffektivitet när de mottagna RF-insignalenergin omvandlas till en likströmsförsörjning, vilket minskar strömförbrukningen. Alla Schottky-dioder är sammankopplade med poly-poly kondensatorer. Den vertikala kondensatorn laddas och lagras i den negativa halva cykeln av ingångsspänningen Vin, och den horisontella kondensatorn laddas och lagras i den positiva halva cykeln av Vin, varigenom genereras DC hög spänning, den resulterande spänningen är:

　　VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)

　　 Vp, RF är amplituden för ingångsradiofrekvenssignalen, Vf, D är framspänningen för Schottky-dioden, och n är antalet laddpumpsteg som används.

Figur 4 Kretsschema för spänningsregulator

2.2 Matchande nätverk och backcatter-krets

　　 Till skillnad från 13.56 MHz HF-transponder använder UHF-bandets RFID-transponder en dipolantenn. Figur 5 är ett SPICE (simuleringsprogram med integrerad kretsvikt) ekvivalent kretsschema för transpondern och antennen. I denna ekvivalenta SPICE-kretsmodell är den mottagna RF-bärarsignalen Vs, antennens impedans är Zs = Rs + jXL, vilket kan betraktas som det interna motståndet hos spänningskällan Vs och motsvarande ingångsimpedans hos transponderchipet. är ZL = RL-jXL. Därför, när ZL = Zs *, matchas impedansen och kraftöverföringen är maximal. När det gäller impedansmatchning, från transponderns perspektiv med antenn, bör den erhållna impedansen vara Z = 2RL, så vi får förhållandet mellan mottagningseffekten Pre och spänningssvingningen VS som sida:

Sedan är spänningsvingningen Vin-ingång till båda ändarna av chipet:

För att uppnå impedansmatchning måste kretsen också utföra impedansomvandling i matchande nätverk, så att antennens inre motstånd och ingångsimpedansen hos radiofrekvenskretsdelen kan uppnå konjugatmatchning, så vi använder en L-typ matchande nätverk. På grund av den höga kostnaden för chipintegrerade induktorer och låg noggrannhet använder vi antennens induktans som en matchande induktor för att integrera matchningskondensatorn i chipet. Efter beräkning är ingångsimpedansen för radiofrekvenskretsen ungefär (105-j406) Ω.

Figur 5 SPICE-ekvivalent kretsschema för transponder och antenn

Figur 6 är ett schematiskt diagram över backcatter-kretsen. Backscatter-kretsen använder en variabel kondensator för att ändra impedansen hos radiofrekvenskretsen och därmed sända transponderdata till RFID-förhöraren eller kortläsaren. Den variabla kapacitansen realiseras av MOS varactor. I vanlig CMOS-process kan vi använda den spänningsstyrda variabla kapacitansen från grinden på MOS-röret till substratet och använda grinden till MOS-varaktorn som ena änden av kondensatorn och källänden Anslut till avloppsterminalen som andra änden av kondensatorn.

2.3 AM-demodulatorkrets

AM-demodulatorkretsen används för att återställa den mottagna modulerade bäraren till en digital signal för basbandsbehandling. Demodulationskretsen består av en kuvertdetekteringskrets, en filterkrets och en komparator (som visas i figur 7). Jämföraren använder Hysteresis-komparatorn för att minska bitfelfrekvensen. Kuvertdetektorn använder samma krets som likriktaren för att extrahera kuvertsignalen. Lågpassfiltret används för att eliminera brussignaler och krusningar på strömförsörjningen. Slutligen återställs kuvertsignalen till en digital signal vid utgången från komparatorn genom hystereskomparatorn.

Figur 7 AM demodulator schematiskt diagram

2.4 Startkrets för återställning

Startkretsen har två huvudfunktioner. Den ena är när transpondern kommer in i det effektiva området för frågeställaren eller kortläsaren och strömförsörjningsspänningen har nått den normala arbetspotentialen, kommer den att generera en återställningssignal för hela chipet; den andra är när strömförsörjningsspänningen sjunker plötsligt. När kretsen återställs kan det förhindra att den logiska kretsen fungerar felaktigt. Figur 8 är ett kopplingsschema för återställning vid återstart, kretsens fördröjningstid för återstart är 10 μs. När tiden fortsätter att öka från noll och överskrider uppdragsspänningen 2.4V, slås P-röret MP1 och N-röret MN1 först på, vilket gör att potentialen för punkterna A och B gradvis ökar från 0 med ökningen av Yu, efter omvänd fas Grindspänningarna för MP2- och MN2-transistorerna ändras alla linjärt med ökningen av VDD, så i början slås MN2 på och MP2 stängs av, så att spänningen vid punkt C alltid är 0 (effektiv återställning) . När VDD når en högre potential stiger också potentialen vid punkt A till en viss nivå samtidigt som MN2-röret skärs av. Vid denna tid slås MP2-röret på och potentialen vid punkt C stiger snabbt. Efter flera nivåer av buffertar erhålls en slav. Logik 0 till 1 övergångssignalutgång, så att kretsen börjar fungera normalt. Kaskaden av följande steg i buffertar och kapacitiva belastningar är att erhålla en tidsfördröjning på cirka 10 μs, det vill säga när VDD är högre än 2.4 V och håller 10 μs, avslutar återställningssignalen hoppet för att förverkliga den stabila driften av kretsen. Simuleringsresultaten är följande som visas i figur 9.

Figur 8 Schematiskt återställningskrets för återställningskrets

Figur 9 Resultat för simulering av återställningskrets

2.5 Lokaloscillator och klockgenereringskrets

Till skillnad från 13.56 MHz HF-transponder kan 915 MHz UHF-transponder inte erhålla en lokal klocka från bärfrekvensen utan kan bara tillhandahålla en klocka för den digitala logikkretsdelen genom en inbyggd lågeffekt lokaloscillator. Klockfrekvensen kan acceptera ett fel på ± 30% och klockfrekvensens noggrannhet är inte hög, så en relativt enkel oscillatorstruktur kan användas för att minska chipets strömförbrukning. Efter analys bestämde vi oss för att använda en ringoscillator bestående av udda numrerade helt differentiella växelriktare, som inte bara kan undertrycka förändringen av common-mode spänning utan också kan uppnå goda strömförsörjningsegenskaper. Figur 10 är ett schematiskt diagram av den lokala oscillatorn och klockgenereringskretsen. Efter simuleringstest, med tanke på de fullständiga temperaturförhållandena, strömförsörjningsspänningen och processvinkeländringarna, är utgångsfrekvensen för kretsen cirka 250 kHz, och dess variationfel säkerställer att datahastighetens noggrannhet är mindre än 15% av VDD. Prestandan har ingen inverkan och systemdesignkraven uppfylls bättre. Figur 11 visar klocksignalen erhållen genom simulering.

Figur 10 Schematiskt diagram för lokaloscillator och klockgenereringskrets

Figur 11 Klocksignal erhållen genom simulering

3 Testresultat och analys

　　 Radiofrekvenskretschipet antar Chartered 0.35μm 2P4M CMOS-process som stöder Schottky-diod och EEPROM för bandutmatning. Kärnkretschipområdet utan I / O-kuddar (PAD) är 300 μm × 720 μm. Förutom de två PAD-enheterna som används för att ansluta till externa antenner används de återstående PAD-enheterna för chipfunktionstestning. Figur 12 är det vågformsdiagram som erhålls efter att radiofrekvenskretschipet är anslutet till den externa antennen och kortläsaren testas för kommunikation. Testet utförs med THM6BC1-915 UHF RFID-kortläsare från Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. som uppfyller ISO / IEC 18000-6B-standarden. Figur 12 (a) är VDD-vågformen erhållen av likriktaren och spänningsregulatorns krets efter mottagning av radiofrekvenssignalen som sänds av kortläsaren. Medelvärdet är 3.3V, och det finns bara en krusning mindre än 20mV, vilket är väl tillfredsställt. Designindexkraven är uppfyllda. Figur 12 (b) visar den digitala signalen som sänds av kortläsaren erhållen genom RF-kretschipdemoduleringen. Efter testning, när EIRP är 4W (36dBm) och antennförstärkningen är OdB, fungerar radiofrekvenskretschipet vid 915MHz, läsavståndet är större än 3m och arbetsströmmen är mindre än 8μA.

Figur 12 Test vågformsdiagram för RF-kretschip

4 Slutsats

Denna uppsats föreslår en högpresterande och lågeffektiv passiv UHF RFID-transponderchip radiofrekvenskrets som uppfyller ISO / IEC 18000-6B-standarden. Radiofrekvenskretsen fungerar vid 915 MHz och har inga externa komponenter förutom antennen. Den använder Schottky-dioder. Likriktaren tar emot energi från det radiofrekventa elektromagnetiska fältet. Den chartrade 0.35 μm 2P4M CMQS-processen som stöder Schottky-dioder och EEPROM används för tapeout, och dess kärnområde är 300 μm × 720 μm. RFID-radiofrekvenskretsen innehåller flera huvudmoduler, såsom lokaloscillator, klockgenereringskrets, återställningskrets, matchande nätverk och backcatter-krets, likriktare, spänningsregulator och AM-demodulator. Denna text designar och optimerar varje modulkrets, designar radiofrekvenskretsen med låg effektförbrukning som överensstämmer med standardkravet. Testet utfördes med en THM6BC1-915Y2 UHF RFID-kortläsare som överensstämmer med ISO / IEC 18000-6B-standarden. Testresultaten visar att avläsningsavståndet är större än 3 m, och resultatet uppfyller indexkraven för det passiva UHF RFID-transpondersystemet.