Пассивный чип-транспондер UHF RFID, проектирование радиочастотной схемы

Радиочастотная идентификация (radio frequency idenlificaTInn, RFID) — это технология автоматической идентификации, которая появилась в 1990-х годах. Технология RFID имеет много преимуществ, которых нет у технологии штрихкодов, и имеет широкий спектр применения, которые могут использоваться в гражданстве второго поколения*, городских картах, финансовых транзакциях, управлении цепочками поставок, ETC, контроле доступа, управлении багажом в аэропортах, общественном транспорте, идентификации контейнеров, управлении скотом и т. д. Поэтому становится очень важным освоить технологию производства чипов RFID. В настоящее время растущие требования к приложениям выдвигают более высокие требования к чипам RFID, требуя большей емкости, меньшей стоимости, меньшего размера и более высокой скорости передачи данных. В соответствии с этой ситуацией в данной статье предлагается маломощная пассивная микросхема RFID-транспондера UHF с большим радиусом действия.

Обычные рабочие частоты RFID включают низкие частоты 125 кГц, 134,2 кГц, высокие частоты 13,56 МГц, сверхвысокие частоты 860–930 МГц, микроволны 2,45 ГГц, 5,8 ГГц и т. д. Поскольку в системах с низкими частотами 125 кГц, 134,2 кГц и высокой частотой 13,56 МГц в качестве антенны используется катушка и применяется метод индуктивной связи, рабочее расстояние относительно короткое, обычно не более 1,2 м, а полоса пропускания ограничена несколькими килогерцами в Европе и других регионах. Но УВЧ (860～93Uh1Hz) и СВЧ (2,45 ГГц, 5,8 ГГц) могут обеспечить большее рабочее расстояние, более высокую скорость передачи данных и меньший размер антенны, поэтому это стало горячей областью исследований RFID.

Предложенная в этой статье микросхема радиочастотной схемы изготовлена ​​с использованием процесса Chartered 0,35 мкм 2P4M CMOS, поддерживающего диоды Шоттки и электрически стираемую программируемую постоянную память (EEPROM). Диоды Шоттки имеют низкое последовательное сопротивление и прямое напряжение и могут обеспечить высокую эффективность преобразования при преобразовании энергии полученного входного радиочастотного сигнала в источник постоянного тока, тем самым снижая потребление энергии. Когда эффективная изотропно излучаемая мощность (EIRP) составляет 4 Вт (36 дБм), а усиление антенны составляет 0 дБ, микросхема радиочастотной схемы работает на частоте 915 МГц, расстояние считывания составляет более 3 м, а рабочий ток составляет менее 8 мкА.

1 Структура радиочастотной схемы

Микросхема транспондера UHF RF1D, которая в основном включает в себя радиочастотную схему, логическую схему управления и EEPROM. Среди них часть радиочастотной схемы можно разделить на следующие основные модули схемы: локальный генератор и схема генерации тактовых импульсов, схема сброса при включении питания, источник опорного напряжения, согласующая сеть и схема обратного рассеяния, выпрямитель, регулятор напряжения и демодулятор амплитудной модуляции (AM) и т. д. Нет никаких внешних компонентов, кроме антенны. Антенная часть принимает дипольную структуру и согласуется с входным импедансом выпрямителя через согласующую сеть в качестве единственного источника энергии для всей микросхемы. Ее эквивалентная модель показана на рисунке 2. Действительная часть импеданса дипольной антенны состоит из Rra и Rloss, где Rra — это импеданс излучения дипольной антенны, который присущ дипольной антенне, обычно 73 Ом, что представляет собой способность антенны излучать электромагнитные волны; Rloss Омическое сопротивление, вызванное металлом, используемым для изготовления антенны, обычно генерирует только тепло. Мнимая часть X импеданса антенны, как правило, положительна, поскольку антенна, как правило, индуктивна к внешней стороне, а размер этой эквивалентной индуктивности, как правило, зависит от топологии антенны и материала подложки. Выпрямитель преобразует мощность связанного входного радиочастотного сигнала в постоянное напряжение, необходимое для микросхемы. Регулятор напряжения стабилизирует постоянное напряжение на определенном уровне и ограничивает величину постоянного напряжения, чтобы защитить микросхему от пробоя из-за чрезмерного напряжения. Демодулятор AM используется для извлечения соответствующего сигнала данных из полученного несущего сигнала. Схема обратного рассеяния передает данные транспондера на RFID-считыватель или считыватель карт путем изменения импеданса радиочастотной цепи через переменную емкость. Схема сброса при включении питания используется для генерации сигнала сброса всего чипа. В отличие от высокочастотного (HF) транспондера 13,56 МГц, UHF транспондер 915 МГц не может получить локальные часы путем деления частоты от несущей, а может только обеспечить часы для части цифровой логической схемы через встроенный маломощный локальный генератор. Все эти блоки схемы будут подробно объяснены ниже один за другим.

2 Проектирование и анализ схемы

2.1 Схемы выпрямителя и регулятора напряжения

В этой статье зарядовый насос Диксона, состоящий из диодов Шоттки, используется в качестве схемы выпрямителя. Принципиальная схема цепи показана на рисунке 3. Это объясняется тем, что диоды Шоттки имеют низкое последовательное сопротивление и емкость перехода, что может обеспечить высокую эффективность преобразования при преобразовании приемного сигнала.iver энергия входного радиочастотного сигнала в источник постоянного тока, тем самым снижая потребление энергии. Все диоды Шоттки соединены вместе поли-поли конденсаторами. Вертикальные конденсаторы заряжаются и накапливают энергию во время отрицательного полупериода входного напряжения Vin, в то время как боковые конденсаторы заряжаются и накапливают энергию во время положительного полупериода Vin для генерации постоянного тока. Высокое напряжение, результирующее напряжение равно:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Где Vp, RF - амплитуда входного радиочастотного сигнала, Vf, D - прямое напряжение диода Шоттки, n - количество используемых каскадов зарядового насоса.

Стабилизируйте выходное напряжение постоянного тока выпрямителем на определенном уровне и обеспечивайте стабильное рабочее напряжение для всего чипа транспондера, чтобы гарантировать, что амплитуда постоянного напряжения не изменится из-за физического положения чипа транспондера, и избежать возможных ударов чипа. износ, чтобы защитить чип транспондера. Схема использует самосмещенную каскадную структуру. Причина выбора этой структуры схемы заключается в том, что каскадная структура имеет эффект изоляции общей затворной трубки, что позволяет ей хорошо подавлять колебания мощности, тем самым улучшая коэффициент подавления питания (PSRR). Для обеспечения базовой стабильности двух ветвей тока. Соотношение площадей Q1 и Q2 составляет 1:8. Кроме того, в отличие от обычных транспондеров HF RFID, мы использовали маломощный опорный источник напряжения с низковольтной пусковой схемой в конструкции, чтобы снизить общее энергопотребление чипа.