Analýza návrhu obvodov UHF pasívnych RFID tagov

Vďaka vysokej prevádzkovej frekvencii, dlhej vzdialenosti čítania a zápisu, žiadnemu externému zdroju napájania a nízkym výrobným nákladom sa pasívne RFID štítky UHF stali jedným z kľúčových smerov výskumu RFID a v blízkej budúcnosti sa môžu stať hlavnými produktmi v oblasti RFID. .

Kompletný UHF pasívny RFID štítok pozostáva z antény a štítkového čipu. Medzi nimi čip štítku vo všeobecnosti zahŕňa nasledujúce časti obvodu: obvod obnovy napájania, obvod stabilizácie napätia napájacieho zdroja, modul modulácie spätného rozptylu, demodulačný obvod, obvod extrakcie/generovania hodín, obvod generovania štartovacieho signálu, obvod generovania referenčného zdroja, riadiaca jednotka , pamäť. Energia potrebná na fungovanie pasívneho čipu RFID tagu je úplne odvodená od energie elektromagnetickej vlny generovanej čítačkou kariet. Preto obvod obnovy energie potrebuje previesť signál UHF indukovaný anténou štítku na jednosmerné napätie potrebné na fungovanie čipu. dodať energiu.

Keďže elektromagnetické prostredie, v ktorom sa RFID štítky nachádzajú, je veľmi zložité, výkon vstupného signálu sa môže meniť stokrát alebo dokonca tisíckrát. Preto, aby čip fungoval normálne v rôznych intenzitách poľa, musí byť navrhnutý spoľahlivý obvod stabilizácie napájacieho napätia. . Modulačný a demodulačný obvod je kľúčovým obvodom pre komunikáciu medzi štítkom a čítačkou kariet. V súčasnosti väčšina UHF RFID štítkov používa moduláciu ASK. Riadiaca jednotka RFID tagu je digitálny obvod, ktorý spracováva inštrukcie. Aby sa umožnilo správne resetovanie digitálneho obvodu po vstupe štítku do poľa čítačky kariet, v reakcii na pokyny čítačky kariet musí byť navrhnutý spoľahlivý obvod generovania spúšťacieho signálu, ktorý poskytne signál resetovania pre digitálnu jednotku.

obvod obnovy energie

Obvod obnovy energie prevádza signál UHF prijatý anténou štítku RFID na jednosmerné napätie prostredníctvom usmerňovania a zosilnenia, aby čipu poskytol energiu na prácu. Existuje mnoho možných konfigurácií obvodov pre obvody obnovy napájania. Ako je znázornené na obrázku, v súčasnosti sa bežne používa niekoľko obvodov na obnovu energie.

V týchto obvodoch obnovy energie neexistuje optimálna štruktúra obvodu a každý obvod má svoje výhody a nevýhody. Pri rôznych podmienkach zaťaženia, rôznych podmienkach vstupného napätia, rôznych požiadavkách na výstupné napätie a dostupných procesných podmienkach je potrebné zvoliť rôzne obvody, aby sa dosiahol optimálny výkon. Viacstupňový obvod zdvojovača napätia diódy znázornený na obrázku 2(a) vo všeobecnosti používa Schottkyho bariérové diódy. Má výhody vysokej účinnosti zdvojnásobenia napätia a malej amplitúdy vstupného signálu a je široko používaný. Bežný proces CMOS všeobecnej zlievarne však neposkytuje Schottkyho bariérové diódy, čo spôsobí konštruktérovi problémy pri výbere procesu. Obrázok 2(b) nahrádza Schottkyho diódu PMOS trubicou pripojenou vo forme diódy, čo eliminuje špeciálne požiadavky na proces. Obvod zdvojenia napätia s touto štruktúrou potrebuje vyššiu amplitúdu vstupného signálu a má lepšiu účinnosť zdvojnásobenia napätia, keď je výstupné napätie vyššie. Obrázok 2(c) je tradičný obvod diódového celovlnného usmerňovača. V porovnaní s obvodom zdvojovača napätia Dickson je efekt zdvojovača napätia lepší, ale zaviedlo sa viac diódových prvkov a účinnosť premeny energie je vo všeobecnosti o niečo nižšia ako obvod zdvojovača napätia Dickson. Navyše, pretože jeho anténny vstupný terminál je oddelený od zeme čipu, ide o plne symetrickú štruktúru s kondenzátorom blokujúcim jednosmerný prúd pri pohľade z anténneho vstupného terminálu na čip, čo zabraňuje vzájomnému ovplyvňovaniu medzi uzemnením čipu a anténou a je vhodný na použitie s pripojenými symetrickými anténami (ako je párová anténa). Obrázok 2(d) je riešenie elektrónky CMOS celovlnného usmerňovacieho obvodu navrhovaného v mnohých literatúrach. V prípade obmedzenej technológie možno dosiahnuť lepšiu účinnosť premeny energie a požiadavky na amplitúdu vstupného signálu sú relatívne nízke.

Pri aplikácii všeobecných pasívnych UHF RFID tagov sa z dôvodu nákladových úvah predpokladá, že obvod čipu je vhodný na výrobu bežnej technológie CMOS. Požiadavka čítania a zápisu na veľké vzdialenosti kladie vyššie požiadavky na účinnosť premeny energie obvodu obnovy energie. Z tohto dôvodu mnohí dizajnéri používajú štandardnú technológiu CMOS na realizáciu Schottkyho bariérových diód, takže viacstupňová obvodová štruktúra Dicksonovho zdvojovača napätia môže byť pohodlne použitá na zlepšenie výkonu premeny energie. Obrázok 3 je schematický diagram štruktúry Schottkyho diódy vyrobenej bežným procesom CMOS. V prevedení je možné Schottkyho diódy vyrábať bez zmeny prpostupné kroky a pravidlá generovania masiek a je potrebné vykonať iba niektoré úpravy v rozložení.

Rozloženie niekoľkých Schottkyho diód navrhnutých procesom UMC 0,18um CMOS. Ich testovacie krivky jednosmerných charakteristík sú znázornené na obrázku 5. Z výsledkov testov jednosmerných charakteristík je možné vidieť, že Schottkyho dióda vyrobená štandardným procesom CMOS má typické diódové charakteristiky a zapínacie napätie je len asi 0,2 V, čo je veľmi vhodné pre RFID tagy.

Obvod regulátora výkonu

Keď je amplitúda vstupného signálu vysoká, obvod stabilizácie napájacieho napätia musí byť schopný zabezpečiť, aby výstupné jednosmerné napájacie napätie neprekročilo maximálne napätie, ktoré čip vydrží; zároveň, keď je vstupný signál malý, výkon spotrebovaný obvodom stabilizácie napätia by mal byť čo najmenší. Na zníženie celkovej spotreby energie čipu.

Z hľadiska princípu regulácie napätia možno štruktúru obvodu regulácie napätia rozdeliť na dva typy: paralelný obvod regulácie napätia a sériový obvod regulácie napätia.

V čipe štítku RFID musí byť kondenzátor na uchovávanie energie s veľkou hodnotou kapacity na uloženie dostatočného náboja na štítok na prijatie modulačného signálu a vstupná energia môže byť stále v okamihu, keď je vstupná energia malá (ako napr. ako moment, keď v modulácii OOK nie je žiadny nosič). , aby sa udržalo napájacie napätie čipu. Ak je vstupná energia príliš vysoká a napätie napájacieho zdroja stúpne na určitú úroveň, napäťový snímač v obvode stabilizácie napätia bude ovládať zdroj úniku, aby uvoľnil nadmerný náboj na kondenzátore akumulácie energie, aby sa dosiahol účel napätia. stabilizácia. Obrázok 7 je jeden z paralelných obvodov regulátora napätia. Tri sériovo zapojené diódy D1, D2, D3 a rezistor R1 tvoria napäťový snímač na riadenie napätia hradla zvodu M1. Keď napájacie napätie presiahne súčet zapínacích napätí troch diód, hradlové napätie M1 stúpne, M1 sa zapne a začne vybíjať akumulačný kondenzátor C1.

Princípom iného typu obvodu stabilizácie napätia je použitie schémy stabilizácie sériového napätia. Jeho schematický diagram je na obrázku 8. Zdroj referenčného napätia je navrhnutý ako referenčný zdroj nezávislý od napájacieho napätia. Výstupné napájacie napätie je rozdelené rezistorom a porovnávané s referenčným napätím a rozdiel je zosilnený operačným zosilňovačom na riadenie potenciálu brány elektrónky M1, takže výstupné napätie a referenčný zdroj si v podstate zachovávajú rovnakú stabilitu. štátu.

Tento obvod sériového regulátora napätia môže vydávať presnejšie napájacie napätie, ale pretože elektrónka M1 je zapojená do série medzi neregulovaný napájací zdroj a regulovaný napájací zdroj, keď je zaťažovací prúd veľký, pokles napätia na elektrónke M1 spôsobí vyššie napätie. strata výkonu. Preto sa táto štruktúra obvodu všeobecne používa na obvody štítkov s menšou spotrebou energie.

Modulačný a demodulačný obvod

a. Demodulačný obvod

V záujme zníženia plochy čipu a spotreby energie väčšina pasívnych RFID tagov v súčasnosti využíva moduláciu ASK. Pre demodulačný obvod ASK čipu je bežne používaná demodulačná metóda metóda detekcie obálky, ako je znázornené na obr. 9.

Obvod zdvojovača napätia časti detekcie obálky a časti obnovy energie je v podstate rovnaký, ale nie je potrebné poskytovať veľký zaťažovací prúd. Zdroj zvodového prúdu je zapojený paralelne v záverečnej fáze obvodu detekcie obálky. Keď je vstupný signál modulovaný, vstupná energia klesá a zdroj úniku znižuje výstupné napätie obálky, takže nasledujúci komparačný obvod môže posúdiť modulačný signál. Kvôli veľkému rozsahu energetických variácií vstupného RF signálu musí byť prúd zdroja úniku dynamicky nastavený tak, aby sa prispôsobil zmenám rôznych intenzít poľa v blízkom poli a vzdialenom poli. Napríklad, ak je prúd zvodového napájacieho zdroja malý, môže uspokojiť potreby komparátora, keď je intenzita poľa slabá, ale keď je štítok v blízkom poli so silnou intenzitou poľa, zvodový prúd nebude stačiť. na vytvorenie detekovaného signálu Ak dôjde k veľkej zmene amplitúdy, komparátor za krokom nemôže normálne fungovať. Na vyriešenie tohto problému sa môže použiť štruktúra zdroja úniku, ako je znázornená na obr.

Keď vstupný nosič nie je modulovaný, potenciál brány odvzdušňovacej trubice M1 je rovnaký ako potenciál odtoku, čím sa vytvorí dióda pripojená k NMOS trubici, ktorá upína výstup obálky blízko prahového napätia M1. The výkon spotrebovaný na M1 je vyvážený; keď je vstupný nosič modulovaný, vstupná energia čipu klesá a v tomto čase v dôsledku pôsobenia oneskorovacieho obvodu R1 a C1 zostáva hradlový potenciál M1 na pôvodnej úrovni a M1 uniká Uvoľňovaný prúd zostáva nezmenený , čo spôsobuje, že amplitúda výstupného signálu obálky rýchlo klesá; podobne po obnovení nosiča oneskorenie R1 a C1 spôsobí, že sa výstup obálky rýchlo vráti na pôvodnú vysokú úroveň. Použitím tejto štruktúry obvodu a primeraným výberom veľkosti R1, C1 a M1 je možné splniť potreby demodulácie pri rôznych intenzitách poľa. Existuje tiež veľa možností pre komparátor zapojený za výstupom obálky a bežne používanými sú hysterézny komparátor a operačný zosilňovač.

b. Modulačný obvod

Pasívne štítky UHF RFID vo všeobecnosti využívajú metódu modulácie spätného rozptylu, to znamená zmenou vstupnej impedancie čipu, aby sa zmenil koeficient odrazu medzi čipom a anténou, aby sa dosiahol účel modulácie. Vo všeobecnosti je impedancia antény a vstupná impedancia čipu navrhnutá tak, aby bola blízko k výkonovej zhode, keď nie je modulovaná, a koeficient odrazu sa zvyšuje, keď je modulovaná. Bežne používaná metóda spätného rozptylu je pripojenie kondenzátora s prepínačom paralelne medzi dva vstupné konce antény, ako je znázornené na obrázku 11, modulačný signál určuje, či je kondenzátor pripojený k vstupnému koncu čipu ovládaním prepínača. , čím sa mení vstupná impedancia čipu.

obvod generovania štartovacieho signálu

Funkciou obvodu generovania signálu resetovania štartu napájania v RFID štítku je poskytnúť resetovací signál pre spustenie práce digitálneho obvodu po dokončení obnovy napájania. Jeho návrh musí brať do úvahy nasledujúce problémy: Ak napätie napájacieho zdroja stúpa príliš dlho, vysoká amplitúda resetovacieho signálu bude nízka, čo nemôže uspokojiť potreby resetovania digitálneho obvodu; obvod generovania štartovacieho signálu je citlivejší na kolísanie výkonu, je možné spôsobiť poruchu; statická spotreba energie musí byť čo najnižšia.

Zvyčajne po vstupe pasívneho RFID tagu do poľa je čas na zvýšenie napájacieho napätia neistý a môže byť veľmi dlhý. To si vyžaduje návrh obvodu generovania štartovacieho signálu na generovanie štartovacieho signálu v momente, ktorý súvisí s napájacím napätím. Obrázok 12 zobrazuje spoločný obvod generovania štartovacieho signálu.

Jeho základným princípom je použitie vetvy zloženej z odporu R0 a NMOS tranzistora M1 na generovanie relatívne pevného napätia Va. Keď napájacie napätie vdd prekročí prahové napätie NMOS tranzistora, napätie Va zostáva v podstate nezmenené. Keď vdd stále rastie, keď napájacie napätie dosiahne Va+|Vtp|, PMOS tranzistor M0 sa zapne, aby sa zvýšil Vb, a predtým bolo Vb na nízkej úrovni, pretože M0 je odrezaný. Hlavným problémom tohto obvodu je prítomnosť straty statickej energie. A pretože prahové napätie tranzistora MOS sa značne mení s procesom v rámci procesu CMOS, je ľahko ovplyvnené odchýlkou procesu. Preto použitie pn spojovacej diódy na generovanie štartovacieho napätia značne zníži neistotu procesu, ako je znázornené na obr. 13.

Keď VDD stúpne na zapínacie napätie dvoch pn spojovacích diód, hradlo PMOS tranzistora M0 sa rovná napájaciemu napätiu a PMOS tranzistor sa vypne. V tomto čase je napätie na kondenzátore C1 na nízkej úrovni. Keď VDD stúpne nad prahové napätie dvoch diód, M0 začne viesť, zatiaľ čo hradlové napätie M1 zostáva nezmenené, prúd pretekajúci cez M1 zostáva nezmenený a napätie na kondenzátore C1 sa postupne zvyšuje. Keď sa dostane do reverznej fázy Po preklopení zariadenia sa generuje štartovací signál. Preto čas, kedy tento obvod vygeneruje štartovací signál, závisí od toho, či napájacie napätie dosiahne prahové napätie dvoch diód, ktoré má vysokú stabilitu a zabráni predčasnému štartovaciemu signálu všeobecného štartovacieho obvodu, keď napätie napájacieho zdroja stúpne. príliš pomaly. Problém.

Ak napätie napájacieho zdroja stúpne príliš rýchlo, hradlová kapacita rezistora R1 a M0 tvorí dolnopriepustný oneskorovací obvod, ktorý spôsobí, že napätie hradla M0 nebude schopné rýchlo držať krok so zmenou napätia napájacieho zdroja a zostane na nízka úroveň. V tomto čase M0 nabije kondenzátor C1, čo spôsobí, že obvod nebude správne fungovať. Na vyriešenie tohto problému je zavedený kondenzátor C5. Ak napätie napájacieho zdroja rýchlo stúpa, väzbový efekt kondenzátora C5 môže udržiavať potenciál brány M0 konzistentný s napätím napájacieho zdroja, čím sa zabráni tvýskyt vyššie uvedených problémov.

Problém statickej spotreby energie v tomto obvode stále existuje a vplyv statickej spotreby energie možno znížiť zvýšením hodnoty odporu a primeraným výberom veľkosti MOS trubice. Na úplné vyriešenie problému statickej spotreby energie je potrebné navrhnúť dodatočný spätnoväzbový riadiaci obvod na vypnutie tejto časti obvodu po vygenerovaní štartovacieho signálu. Osobitnú pozornosť však treba venovať nestabilite spôsobenej zavedením spätnej väzby.

Konštrukčná obtiažnosť pasívnych UHF RFID čipov sa točí okolo toho, ako zvýšiť vzdialenosť čítania a zápisu čipu a znížiť výrobné náklady na štítok. Preto sú hlavnými výzvami pri navrhovaní čipov RFID čipov zlepšenie účinnosti obvodu obnovy energie, zníženie spotreby energie celého čipu a spoľahlivé fungovanie.