Circuíto de radiofrecuencia de baixo consumo de enerxía chip de transpondedor de identificación de radiofrecuencia de alta frecuencia pasiva
Este artigo propón un circuíto de radiofrecuencia de chip de transpondedor de identificación de radiofrecuencia (RFID) de alta potencia pasiva de baixa potencia (UHF) de alto rendemento que cumpre a norma ISO / IEC18000-6B. O circuíto de radiofrecuencia non ten compoñentes externos excepto a antena e recibe enerxía do campo electromagnético de radiofrecuencia a través dun rectificador de diodos Schottky.
Entusiastas electrónicos de enxeñeiros de rede • Fonte: acabado do sitio • Autor: Anónimo • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Lido 0 veces
Circuíto de radiofrecuencia de baixo consumo de enerxía chip de transpondedor de identificación de radiofrecuencia de alta frecuencia pasiva
Este artigo propón un circuíto de radiofrecuencia de chip de transpondedor de identificación de radiofrecuencia (RFID) de alta potencia pasiva de baixa potencia (UHF) de alto rendemento que cumpre a norma ISO / IEC18000-6B. O circuíto de radiofrecuencia non ten compoñentes externos excepto a antena e recibe enerxía do campo electromagnético de radiofrecuencia a través dun rectificador de diodos Schottky.
0 Prólogo
A identificación por radiofrecuencia (RFID) é unha tecnoloxía de identificación automática xurdida nos anos noventa. A tecnoloxía RFID ten unha variedade de vantaxes que a tecnoloxía de código de barras non ten e ten unha ampla gama de aplicacións. Pódese aplicar a tarxetas de identificación cidadá de segunda xeración, tarxeta de cidade, transaccións financeiras, xestión da cadea de subministración, tarifas de publicación electrónica (ETC), control de acceso, xestión de equipaxes no aeroporto, transporte público, identificación de contedores, xestión de gando, etc. é moi importante dominar a tecnoloxía de fabricación de chips RFID. Na actualidade, a demanda cada vez maior de aplicacións presenta maiores requirimentos nos chips RFID, que requiren maior capacidade, menor custo, menor volume e maior velocidade de datos. Segundo esta situación, este artigo propón un circuíto de radiofrecuencia de chip transpondedor RFID UHF UHF RFID pasivo de longa distancia e baixa potencia.
As frecuencias de traballo comúns de RFID inclúen a baixa frecuencia 125kHz, 134.2kHz, a alta frecuencia 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, microondas 2.45GHz, 5.8GHz, etc. e usa indutores A distancia de traballo é relativamente curta, polo xeral non supera os 125 m, e o ancho de banda está limitado a varios quilohertz en Europa e noutras rexións. Non obstante, UHF (134.2 ~ 13.56Uh1.2Hz) e microondas (860 GHz, 93 GHz) poden proporcionar unha maior distancia de traballo, maior velocidade de datos e un tamaño de antena máis pequeno, polo que se converteu nun campo de investigación en quente de RFID.
O chip de circuíto de RF proposto neste artigo fíxase mediante o proceso Chartered de 0.35 μm 2P4M CM0S que admite diodos Schottky e memoria de só lectura programable (EEPROM) borrable eléctricamente. Os diodos Schottky teñen menor resistencia en serie e tensión directa e poden proporcionar unha maior eficiencia de conversión ao converter a enerxía do sinal de entrada de RF recibida nunha fonte de alimentación de corrente continua, reducindo así o consumo de enerxía. Cando a potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) é de 4 W (36 dBm) e a ganancia da antena é de 0 dB, o chip do circuíto de radiofrecuencia funciona a 915 MHz, a distancia de lectura é superior a 3 m e a corrente de traballo é inferior a 8 μA.
1 estrutura do circuíto RF
A figura 1 é o diagrama do sistema de chip de transpondedor UHF RF1D, que inclúe principalmente circuítos de radiofrecuencia, circuítos de control lóxico e EEPROM. Entre eles, a parte do circuíto de radiofrecuencia pódese dividir nos seguintes módulos principais: circuíto de xeración de oscilador e reloxo local, circuíto de restablecemento de enerxía, fonte de referencia de tensión, rede de correspondencia e circuíto de retrodispersión, rectificador, regulador de tensión e modulación de amplitude (AM ) Demodulador, etc. Non hai compoñentes externos, excepto a antena, e a parte da antena adopta unha estrutura dipolar e combínase coa impedancia de entrada do rectificador a través dunha rede coincidente, como única fonte de enerxía para todo o chip. O modelo equivalente móstrase na figura 2. A parte real da impedancia dunha antena dipolar consiste en dúas partes, Rra e Rloss, onde Rra é a impedancia de radiación da antena dipolar, que é inherente á antena dipolar, xeralmente 73Ω, que representa a capacidade da antena para irradiar ondas electromagnéticas cara ao exterior; Rloss A resistencia óhmica do metal usado para fabricar a antena xeralmente só xera calor. A parte imaxinaria X da impedancia da antena é xeralmente positiva. Isto débese a que a antena é xeralmente indutiva cara ao exterior. A magnitude da inductancia equivalente depende xeralmente da estrutura topolóxica da antena e do material do substrato. O rectificador converte a potencia de sinal de entrada RF acoplada na tensión CC requirida polo chip. O regulador de tensión estabiliza a tensión CC a un determinado nivel e limita a amplitude da tensión CC para protexer o chip da avaría debido a unha tensión excesiva. O demodulador AM úsase para extraer o sinal de datos correspondente do sinal portador recibido. O circuíto de retrodispersión usa un condensador variable para cambiar a impedancia do circuíto de radiofrecuencia, enviando así os datos do transpondedor ao interrogador RFID ou ao lector de tarxetas. O circuíto de reset de acendido úsase para xerar un sinal de reset para todo o chip. A diferenza do transpondedor de alta frecuencia (HF) de 13.56 MHz, o transpondedor UHF de 915 MHz non pode obter un reloxo local a partir da frecuencia portadora, pero só pode proporcionar un reloxo para a parte do circuíto lóxico dixital a través dun oscilador local incorporado de baixa potencia. Todos estes módulos de circuítos describiranse detalladamente a continuación un por un.
Figura 1 Diagrama do sistema de chip de transpondedor UHF RF1D
2 Modelo eléctrico equivalente de antena de transpondedor
2 Deseño e análise de circuítos
2.1 Circuíto rectificador e regulador
Neste artigo úsase unha bomba de carga Dickson composta por diodos Schottky como circuíto rectificador. O diagrama esquemático do circuíto móstrase na figura 3. Isto débese a que os diodos Schottky teñen menor resistencia en serie e capacidade de unión e poden proporcionar unha maior eficiencia de conversión ao converter a enerxía do sinal de entrada de RF recibida nunha fonte de alimentación de corrente continua, reducindo así o consumo de enerxía. Todos os diodos Schottky están conectados entre si por condensadores poli-poli. O condensador vertical cárgase e almacénase no medio ciclo negativo da tensión de entrada Vin, e o condensador horizontal cárgase e almacénase no medio ciclo positivo de Vin, xerando así alta tensión CC, a tensión resultante é:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF son a amplitude do sinal de radiofrecuencia de entrada, Vf, D son a tensión directa do diodo Schottky, e n é o número de etapas da bomba de carga empregadas.
Figura 4 Diagrama de circuítos do regulador de tensión
2.2 Rede de correspondencia e circuíto de retrodispersión
A diferenza do transpondedor HF de 13.56 MHz, o transpondedor RFID de banda UHF usa unha antena dipolo. A Figura 5 é un diagrama de circuíto equivalente a SPICE (programa de simulación con énfase no circuíto integrado) do transpondedor e da antena. Neste modelo equivalente de circuíto SPICE, o sinal portador de RF recibido é Vs, a impedancia da antena é Zs = Rs + jXL, que se pode considerar como a resistencia interna da fonte de tensión Vs e a impedancia de entrada equivalente do chip do transpondedor. é ZL = RL-jXL. Polo tanto, cando ZL = Zs *, a impedancia coincide e a transmisión de potencia é máxima. No caso de coincidencia de impedancia, desde a perspectiva do transpondedor con antena, a impedancia obtida debería ser Z = 2RL, polo que obtemos a relación entre a potencia receptora Pre e o balance de tensión VS como lado:
Entón, a entrada de oscilación de tensión Vin aos dous extremos do chip é:
Para conseguir a correspondencia de impedancia, o circuíto tamén necesita realizar unha transformación de impedancia na rede de correspondencia, de xeito que a resistencia interna da antena e a impedancia de entrada da parte do circuíto de radiofrecuencia poden lograr a correspondencia conxugada, polo que empregamos un tipo L rede coincidente. Debido ao alto custo dos indutores integrados no chip e a baixa precisión, usamos a inductancia da antena como indutor coincidente para integrar o condensador coincidente no chip. Despois do cálculo, a impedancia de entrada do circuíto de radiofrecuencia é de aproximadamente (105-j406) Ω.
Figura 5 Diagrama de circuíto equivalente de SPICE de transpondedor e antena
A Figura 6 é un diagrama esquemático do circuíto de retrodispersión. O circuíto de retrodispersión usa un condensador variable para cambiar a impedancia do circuíto de radiofrecuencia, enviando así os datos do transpondedor ao interrogador RFID ou ao lector de tarxetas. A capacidade variable realízaa o varactor MOS. No proceso CMOS estándar, podemos usar a capacidade variable controlada por tensión desde a porta do tubo MOS ata o substrato e usar a porta do varactor MOS como un extremo do condensador e o extremo fonte. Conéctase co terminal de drenaxe como outro extremo do condensador.
Circuíto demodulador de 2.3 AM
O circuíto demodulador AM úsase para restaurar a portadora modulada recibida nun sinal dixital para o procesamento de banda base. O circuíto de demodulación componse dun circuíto de detección de envoltura, un circuíto de filtro e un comparador (como se mostra na figura 7). O comparador usa o comparador de histéresis para reducir a taxa de erro de bits. O detector de envolvente emprega o mesmo circuíto que o rectificador para extraer o sinal da envolvente. O filtro paso baixo úsase para eliminar sinais de ruído e ondulacións na fonte de alimentación. Finalmente, o sinal da envoltura restablécese nun sinal dixital na saída do comparador a través do comparador de histéresis.
Figura 7 Diagrama esquemático do demodulador AM
2.4 Circuíto de reinicio de acendido
O circuíto de reset de acendido ten dúas funcións principais. Un deles é cando o transpondedor entra na área efectiva do interrogador ou lector de tarxetas e a tensión de alimentación alcanzou o potencial de traballo normal, xerará un sinal de restablecemento para todo o chip; o segundo é cando a tensión de alimentación cae de súpeto. Cando se restablece o circuíto, pode evitar que o circuíto lóxico funcione mal. A Figura 8 é un diagrama do circuíto de restablecemento de alimentación, o tempo de atraso de reinicio do circuíto é de 10μs. Cando o tempo segue aumentando de cero e supera a tensión de captación de 2.4 V, o tubo P MP1 e o tubo N MN1 acéndense primeiro, facendo que os potenciais dos puntos A e B aumenten gradualmente de 0 co aumento de Yu, despois da fase inversa As tensións de porta dos transistores MP2 e MN2 cambian linealmente coa subida de VDD, polo que ao principio MN2 está activado e MP2 desactivado, de xeito que a tensión no punto C é sempre 0 (reset efectivo) . Cando a VDD alcanza un maior potencial, o potencial no punto A tamén aumenta a un certo nivel ao mesmo tempo, facendo que o tubo MN2 corte. Neste momento, o tubo MP2 está acendido e o potencial no punto C aumenta rapidamente. Despois de varios niveis de buffers, obtense un escravo. Saída de sinal de transición lóxica de 0 a 1, de xeito que o circuíto comeza a funcionar normalmente. A fervenza das seguintes etapas de buffers e cargas capacitivas é obter un atraso de aproximadamente 10 μs, é dicir, cando o VDD é superior a 2.4 V e mantén 10 μs, o sinal de restablecemento completa o salto, para realizar o funcionamento estable o circuíto. Os resultados da simulación son os que se amosan na Figura 9.
Figura 8 Diagrama esquemático do circuíto de reinicio de acendido
Figura 9 Resultados da simulación do circuíto de restablecemento de acendido
2.5 Circuíto de xeración de oscilador e reloxo local
A diferenza do transpondedor HF de 13.56 MHz, o transpondedor UHF de 915 MHz non pode obter un reloxo local a partir da frecuencia portadora, pero só pode proporcionar un reloxo para a parte do circuíto lóxico dixital a través dun oscilador local incorporado de baixa potencia. A frecuencia do reloxo pode aceptar un erro de ± 30% e a precisión da frecuencia do reloxo non é alta, polo que se pode usar unha estrutura de oscilador relativamente sinxela para reducir o consumo de enerxía do chip. Despois da análise, decidimos usar un oscilador de anel composto por inversores totalmente diferenciais con números impares, que non só poden suprimir ben o cambio de tensión en modo común, senón que tamén poden obter boas características de supresión da fonte de alimentación. A Figura 10 é un diagrama esquemático do oscilador local e do circuíto de xeración de reloxo. Despois da proba de simulación, considerando as condicións completas de temperatura, tensión de alimentación e cambios de ángulo de proceso, a frecuencia de saída do circuíto é de aproximadamente 250 kHz e o seu erro de variación garante que a precisión da taxa de bits dos datos sexa inferior ao 15% de VDD. O rendemento non ten impacto e cúmprense mellor os requisitos de deseño do sistema. A figura 11 mostra o sinal de reloxo obtido por simulación.
Figura 10 Diagrama esquemático do oscilador local e do circuíto de xeración de reloxo
Figura 11 Sinal de reloxo obtido por simulación
3 Resultados e análise de probas
O chip de circuíto de radiofrecuencia adopta o proceso CMOS 0.35P2M de 4μm Chartered que admite o diodo Schottky e a EEPROM para a saída de cinta. A área do chip do circuíto central sen almofadas de E / S (PAD) é de 300μm × 720μm. Agás os dous PAD utilizados para conectarse a antenas externas, os PAD restantes úsanse para probar a función do chip. A figura 12 é o diagrama de forma de onda obtido despois de conectar o chip do circuíto de radiofrecuencia á antena externa e probar a comunicación do lector de tarxetas. A proba realízase usando o lector de tarxetas RFID THM6BC1-915 UHF de Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. que cumpre a norma ISO / IEC 18000-6B. A figura 12 (a) é a forma de onda VDD obtida polo rectificador e o circuíto regulador de tensión despois de recibir o sinal de radiofrecuencia transmitido polo lector de tarxetas. O valor medio é de 3.3 V e só hai unha ondulación inferior a 20 mV, o que está ben satisfeito. Cúmprense os requisitos do índice de deseño. Na figura 12 (b) móstrase o sinal dixital enviado polo lector de tarxetas obtido pola demodulación do chip de circuíto RF. Despois da proba, cando o EIRP é 4W (36dBm) e a ganancia da antena é OdB, o chip do circuíto de radiofrecuencia funciona a 915 MHz, a distancia de lectura é superior a 3 m e a corrente de traballo é inferior a 8 μA.
Figura 12 Diagrama de proba de forma de onda do chip de circuíto RF
4 Conclusión
Este artigo propón un circuíto de radiofrecuencia de chip transpondedor RFID UHF pasivo de alto rendemento e baixa potencia que cumpre o estándar ISO / IEC 18000-6B. O circuíto de radiofrecuencia funciona a 915 MHz e non ten compoñentes externos que non sexan a antena. Usa diodos Schottky. O rectificador recibe enerxía do campo electromagnético de radiofrecuencia. O proceso de 0.35 μm 2P4M CMQS que admite diodos Schottky e EEPROM úsase para saír en cinta e a súa área central é de 300 μm × 720 μm. O circuíto de radiofrecuencia RFID inclúe varios módulos principais como oscilador local, circuíto de xeración de reloxo, circuíto de restablecemento, rede de correspondencia e circuíto de retrodispersión, rectificador, regulador de tensión e demodulador AM. Este texto deseña e optimiza cada circuíto de módulo, deseña o circuíto de radio frecuencia de baixo consumo que se axusta ao requisito estándar. A proba realizouse cun lector de tarxetas RFID UHF THM6BC1-915Y2 que se axusta á norma ISO / IEC 18000-6B. Os resultados da proba mostran que a distancia de lectura é superior a 3 m e o resultado cumpre os requisitos do índice do sistema de transpondedor RFID UHF pasivo.
Noso outro produto:
