Анализ схемотехнического решения пассивных RFID-меток УВЧ

Благодаря высокой рабочей частоте, большому расстоянию чтения-записи, отсутствию внешнего источника питания и низкой стоимости производства пассивные RFID-метки UHF стали одним из ключевых направлений исследований RFID и могут стать основными продуктами в области RFID в ближайшем будущем.

Полная пассивная RFID-метка UHF состоит из антенны и чипа метки. Среди них чип метки обычно включает в себя следующие части схемы: цепь восстановления питания, цепь стабилизации напряжения питания, цепь модуляции обратного рассеяния, цепь демодуляции, цепь извлечения/генерирования тактовых импульсов, цепь генерации стартового сигнала, цепь генерации опорного источника, блок управления, память. Энергия, необходимая для работы пассивного чипа RFID-метки, полностью выводится из энергии электромагнитной волны, генерируемой считывателем карт. Поэтому цепь восстановления питания должна преобразовывать UHF-сигнал, индуцированный антенной метки, в постоянное напряжение, необходимое для работы чипа. обеспечить энергию.

Поскольку электромагнитная среда, в которой находятся RFID-метки, очень сложна, мощность входного сигнала может меняться в сотни или даже тысячи раз. Поэтому для того, чтобы чип нормально работал в полях разной напряженности, необходимо разработать надежную схему стабилизации напряжения питания. Схема модуляции и демодуляции является ключевой схемой для связи между меткой и считывателем карт. В настоящее время большинство меток UHF RFID используют модуляцию ASK. Блок управления метки RFID представляет собой цифровую схему, которая обрабатывает инструкции. Для того чтобы цифровая схема могла правильно сбрасываться после попадания метки в поле считывателя карт, в ответ на инструкции считывателя карт необходимо разработать надежную схему генерации сигнала запуска, которая будет обеспечивать сигнал сброса для цифрового блока.

Схема восстановления питания

Схема восстановления питания преобразует сигнал UHF, полученный антенной метки RFID, в постоянное напряжение посредством выпрямления и усиления для обеспечения работы чипа энергией. Существует множество возможных конфигураций схем для схем восстановления питания. Как показано на рисунке, в настоящее время обычно используются несколько схем восстановления мощности.

В этих схемах восстановления мощности нет оптимальной структуры схемы, и каждая схема имеет свои преимущества и недостатки. При различных условиях нагрузки, различных условиях входного напряжения, различных требованиях к выходному напряжению и доступных условиях процесса необходимо выбирать различные схемы для достижения оптимальной производительности. Многоступенчатая схема удвоения напряжения диода, показанная на рисунке 2(a), обычно использует диоды с барьером Шоттки. Она имеет преимущества высокой эффективности удвоения напряжения и малой амплитуды входного сигнала и широко используется. Однако обычный процесс КМОП общего литейного производства не обеспечивает диоды с барьером Шоттки, что создаст проблемы для конструктора при выборе процесса. Рисунок 2(b) заменяет диод Шоттки на трубку PMOS, подключенную в виде диода, что позволяет избежать специальных требований к процессу. Схема удвоения напряжения с этой структурой требует более высокой амплитуды входного сигнала и имеет лучшую эффективность удвоения напряжения, когда выходное напряжение выше. Рисунок 2(c) представляет собой традиционную схему диодного двухполупериодного выпрямителя. По сравнению со схемой удвоителя напряжения Диксона, эффект удвоителя напряжения лучше, но введено больше диодных элементов, а эффективность преобразования мощности, как правило, немного ниже, чем у схемы удвоителя напряжения Диксона. Кроме того, поскольку ее входной терминал антенны отделен от заземления чипа, это полностью симметричная структура с конденсатором, блокирующим постоянный ток, если смотреть со стороны входного терминала антенны на чип, что позволяет избежать взаимного влияния между заземлением чипа и антенной и подходит для использования с подключенными симметричными антеннами (например, антенной с четным полюсом). Рисунок 2(d) представляет собой решение на основе КМОП-трубки для схемы двухполупериодного выпрямления, предложенное во многих литературных источниках. В случае ограниченной технологии можно получить лучшую эффективность преобразования мощности, а требования к амплитуде входного сигнала относительно низкие.

При применении общих пассивных UHF RFID-меток, из-за соображений стоимости, есть надежда, что схема чипа подойдет для изготовления обычной технологии КМОП. Требование чтения и записи на большом расстоянии предъявляет более высокие требования к эффективности преобразования мощности схемы восстановления мощности. По этой причине многие разработчики используют стандартную технологию КМОП для реализации барьерных диодов Шоттки, так что многокаскадная структура схемы удвоителя напряжения Диксона может быть удобно использована для улучшения производительности преобразования мощности. На рисунке 3 представлена ​​принципиальная схема структуры диода Шоттки, изготовленного с помощью обычного процесса КМОП. В конструкции диоды Шоттки могут быть изготовлены без изменения этапов процесса и правил генерации маски, и требуется только тo внести некоторые изменения в макет.

Макет нескольких диодов Шоттки, разработанных по технологии UMC 0.18um CMOS. Их кривые испытаний характеристик постоянного тока показаны на рисунке 5. Из результатов испытаний характеристик постоянного тока видно, что диод Шоттки, изготовленный по стандартной технологии CMOS, имеет типичные диодные характеристики, а напряжение включения составляет всего около 0,2 В, что очень подходит для меток RFID.

Схема регулятора мощности

При высокой амплитуде входного сигнала схема стабилизации напряжения питания должна быть способна гарантировать, что выходное напряжение постоянного тока питания не превысит максимальное напряжение, которое может выдержать микросхема; в то же время при малом входном сигнале мощность, потребляемая схемой стабилизации напряжения, должна быть как можно меньше. Чтобы снизить общую потребляемую мощность чипа.

С точки зрения принципа регулирования напряжения, структуру схемы регулирования напряжения можно разделить на два типа: параллельная схема регулирования напряжения и последовательная схема регулирования напряжения.

В чипе RFID-метки должен быть накопительный конденсатор с большим значением емкости, чтобы хранить достаточно заряда для метки, чтобы принять сигнал модуляции, и входная энергия все еще может быть в тот момент, когда входная энергия мала (например, в тот момент, когда нет несущей в модуляции OOK). , чтобы поддерживать напряжение питания чипа. Если входная энергия слишком высока и напряжение питания повышается до определенного уровня, датчик напряжения в схеме стабилизации напряжения будет управлять источником утечки, чтобы высвободить избыточный заряд на накопительном конденсаторе энергии, чтобы достичь цели стабилизации напряжения. На рисунке 7 представлена ​​одна из схем параллельного регулятора напряжения. Три последовательно соединенных диода D1, D2, D3 и резистор R1 образуют датчик напряжения для управления напряжением затвора нагнетателя M1. Когда напряжение источника питания превышает сумму напряжений включения трех диодов, напряжение затвора M1 повышается, M1 включается и начинает разряжать конденсатор хранения энергии C1.

Принцип другого типа схемы стабилизации напряжения заключается в использовании последовательной схемы стабилизации напряжения. Ее принципиальная схема показана на рисунке 8. Источник опорного напряжения спроектирован как опорный источник, независимый от напряжения питания. Выходное напряжение источника питания делится резистором и сравнивается с опорным напряжением, а разница усиливается операционным усилителем для управления потенциалом затвора трубки M1, так что выходное напряжение и опорный источник в основном поддерживают одинаковое стабильное состояние.

Эта схема последовательного регулятора напряжения может выводить более точное напряжение питания, но поскольку трубка M1 подключена последовательно между нерегулируемым источником питания и регулируемым источником питания, когда ток нагрузки велик, падение напряжения на трубке M1 вызовет более высокое напряжение. потери мощности. Поэтому эта структура схемы обычно применяется к схемам меток с меньшим энергопотреблением.

Схема модуляции и демодуляции

a. Схема демодуляции

Для уменьшения площади чипа и энергопотребления большинство пассивных меток RFID в настоящее время используют модуляцию ASK. Для схемы демодуляции ASK чипа метки обычно используемым методом демодуляции является метод обнаружения огибающей, как показано на РИС. 9.

Схема удвоения напряжения части обнаружения огибающей и части восстановления питания в основном одинакова, но не обязательно обеспечивать большой ток нагрузки. Источник тока утечки подключается параллельно на конечном этапе схемы обнаружения огибающей. Когда входной сигнал модулируется, входная энергия уменьшается, а источник утечки уменьшает выходное напряжение огибающей, так что последующая схема компаратора может судить о сигнале модуляции. Из-за большого диапазона изменения энергии входного радиочастотного сигнала ток источника утечки должен динамически регулироваться для адаптации к изменениям различных напряженностей поля в ближнем и дальнем поле. Например, если ток источника питания утечки мал, он может удовлетворить потребности компаратора, когда напряженность поля слабая, но когда метка находится в ближнем поле с сильной напряженностью поля, тока утечки будет недостаточно, чтобы сделать обнаруженный сигнал. Если есть большое изменение амплитуды, компаратор после каскада не может работать нормально. Для решения этой проблемы можно принять структуру источника утечки, показанную на рис. 10.

Когда входной носитель не модулируется, потенциал затвора трубки сброса M1 такой же, как потенциал стока, образуя трубку NMOS с диодным соединением, которая зажимает выходной сигнал огибающей вблизи порогового напряжения M1. Мощность, потребляемая на M1, сбалансирована; когда входной носитель модулируется, входная энергия чипа уменьшается, и в это время из-за действия тсхема задержки R1 и C1, потенциал затвора M1 остается на исходном уровне, и M1 протекает. Высвобождаемый ток остается неизменным, что заставляет амплитуду выходного сигнала огибающей быстро уменьшаться; аналогично, после восстановления несущей задержка R1 и C1 заставляет выход огибающей быстро возвращаться к исходному высокому уровню. Используя эту структуру схемы и разумно выбирая размер R1, C1 и M1, можно удовлетворить потребности в демодуляции при различных напряженностях поля. Существует также много вариантов для схемы компаратора, подключенной за выходом огибающей, и обычно используемыми являются гистерезисный компаратор и операционный усилитель.

б. Схема модуляции

Пассивные UHF RFID-метки обычно используют метод модуляции обратного рассеяния, то есть путем изменения входного сопротивления чипа для изменения коэффициента отражения между чипом и антенной, чтобы достичь цели модуляции. Как правило, импеданс антенны и входной импеданс чипа проектируются таким образом, чтобы он был близок к соответствию мощности, когда он не модулирован, а коэффициент отражения увеличивается, когда он модулирован. Обычно используемый метод обратного рассеяния заключается в подключении конденсатора с переключателем параллельно между двумя входными концами антенны, как показано на рисунке 11, сигнал модуляции определяет, подключен ли конденсатор к входному концу чипа, управляя переключателем, тем самым изменяя входной импеданс чипа.

Схема генерации сигнала запуска

Функция схемы генерации сигнала сброса запуска питания в метке RFID заключается в обеспечении сигнала сброса для начала работы цифровой схемы после завершения восстановления питания. Ее конструкция должна учитывать следующие проблемы: Если напряжение питания повышается слишком долго, амплитуда высокого уровня сигнала сброса будет низкой, что не может удовлетворить потребности сброса цифровой схемы; схема генерации сигнала запуска более чувствительна к колебаниям мощности, это может вызвать неисправность; статическое энергопотребление должно быть как можно ниже.

Обычно после попадания пассивной RFID-метки в поле время повышения напряжения питания неопределенно и может быть очень длительным. Это требует разработки схемы генерации сигнала запуска для генерации сигнала запуска в момент, связанный с напряжением питания. На рисунке 12 показана общая схема генерации сигнала запуска.

Ее основной принцип заключается в использовании ветви, состоящей из резистора R0 и NMOS-транзистора M1, для генерации относительно фиксированного напряжения Va. Когда напряжение питания vdd превышает пороговое напряжение NMOS-транзистора, напряжение Va остается в основном неизменным. По мере того как vdd продолжает расти, когда напряжение питания достигает Va+|Vtp|, PMOS-транзистор M0 включается, чтобы поднять Vb, а до этого Vb было на низком уровне, поскольку M0 отключен. Основная проблема этой схемы заключается в наличии статического рассеивания мощности. И поскольку пороговое напряжение транзистора MOS сильно меняется в зависимости от процесса в процессе CMOS, оно легко подвержено влиянию отклонения процесса. Поэтому использование диода pn-перехода для генерации пускового напряжения значительно снизит неопределенность процесса, как показано на ФИГ. 13.

Когда VDD повышается до напряжения включения двух диодов pn-перехода, затвор транзистора PMOS M0 равен напряжению источника питания, и транзистор PMOS выключается. В это время напряжение на конденсаторе C1 находится на низком уровне. Когда VDD повышается выше порогового напряжения двух диодов, M0 начинает проводить, в то время как напряжение затвора M1 остается неизменным, ток, протекающий через M1, остается неизменным, а напряжение на конденсаторе C1 постепенно увеличивается. Когда оно повышается до обратной фазы После переключения устройства генерируется сигнал запуска. Следовательно, время для этой схемы для генерации сигнала запуска зависит от того, достигает ли напряжение источника питания порогового напряжения двух диодов, что имеет высокую стабильность и позволяет избежать преждевременного сигнала запуска общей схемы запуска, когда напряжение источника питания растет слишком медленно. Проблема.

Если напряжение источника питания растет слишком быстро, емкость затвора резистора R1 и M0 представляет собой схему задержки нижних частот, которая не позволит напряжению затвора M0 быстро поспевать за изменением напряжения источника питания и оставаться на низком уровне. В это время M0 будет заряжать конденсатор C1, заставляя схему работать неправильно. Для решения этой проблемы вводится конденсатор C5. Если напряжение источника питания растет быстро, эффект связи конденсатора C5 может поддерживать потенциал затвора M0 в соответствии с напряжением источника питания, избегая возникновения вышеупомянутых проблем.

Проблема статического потребления мощности все еще существует в этой схеме, и влияние статического потребления мощности можно уменьшить, увеличив значение сопротивленияи разумный выбор размера МОП-трубки. Чтобы полностью решить проблему статического энергопотребления, необходимо разработать дополнительную схему управления с обратной связью для отключения этой части схемы после генерации стартового сигнала. Однако особое внимание следует уделить нестабильности, вызванной введением обратной связи.

Сложность проектирования пассивных UHF RFID-чипов заключается в том, как увеличить расстояние считывания и записи чипа и снизить стоимость производства метки. Поэтому повышение эффективности схемы восстановления питания, снижение энергопотребления всего чипа и надежная работа по-прежнему являются основными проблемами при проектировании чипов RFID-меток.