Pasívny UHF RFID transpondérový čip RF obvodový dizajn

Rádiofrekvenčná identifikácia (rádiofrekvenčná idenlificaTInn, RFID) je technológia automatickej identifikácie, ktorá sa objavila v 90. rokoch minulého storočia. Technológia RFID má mnoho výhod, ktoré technológia čiarových kódov nemá, a má širokú škálu aplikácií, ktoré možno použiť v občianstve druhej generácie*, mestskej karte, finančných transakciách, riadení dodávateľského reťazca, ETC, kontrole prístupu, letiskách Správa batožiny, verejná doprava, identifikácia kontajnerov, správa hospodárskych zvierat atď. Preto sa stáva veľmi dôležité ovládať technológiu výroby RFID čipov. V súčasnosti zvyšujúce sa požiadavky na aplikácie kladú vyššie požiadavky na čipy RFID, ktoré vyžadujú väčšiu kapacitu, nižšie náklady, menšiu veľkosť a vyššiu dátovú rýchlosť. Podľa tejto situácie tento dokument navrhuje diaľkový, nízkoenergetický pasívny UHF RFID transpondérový čip RF obvod.

Bežné prevádzkové frekvencie RFID zahŕňajú nízke frekvencie 125 kHz, 134,2 kHz, vysoké frekvencie 13,56 MHz, ultravysoké frekvencie 860-930 MHz, mikrovlnné 2,45 GHz, 5,8 GHz atď. používa cievku ako anténu a prijíma spôsob indukčnej väzby, pracovná vzdialenosť je relatívne krátka, vo všeobecnosti nie väčšia ako 1,2 m, a šírka pásma je obmedzená na niekoľko kilohertzov v Európe a iných regiónoch. Ale UHF (860～93Uh1Hz) a mikrovlnné (2,45 GHz, 5,8 GHz) môžu poskytnúť dlhšiu pracovnú vzdialenosť, vyššiu rýchlosť prenosu dát a menšiu veľkosť antény, takže sa stali horúcou oblasťou výskumu RFID.

Čip RF obvodu navrhovaný v tomto dokumente je páskový pomocou procesu Chartered 0,35 μm 2P4M CMOS s podporou Schottkyho diódy a elektricky vymazateľnej programovateľnej pamäte iba na čítanie (EEPROM). Schottkyho diódy majú nízky sériový odpor a dopredné napätie a môžu poskytnúť vysokú účinnosť konverzie pri premene prijatej energie vstupného RF signálu na jednosmerné napájanie, čím sa znižuje spotreba energie. Keď je efektívny izotropný vyžarovaný výkon (EIRP) 4W (36dBm) a zisk antény je 0dB, čip RF obvodu pracuje na frekvencii 915MHz, čítacia vzdialenosť je väčšia ako 3m a prevádzkový prúd je menší ako 8μA.

1 štruktúra RF obvodu

Transpondérový čip UHF RF1D, ktorý obsahuje hlavne vysokofrekvenčný obvod, logický riadiaci obvod a EEPROM. Medzi nimi možno časť rádiového frekvenčného obvodu rozdeliť na nasledujúce moduly hlavného obvodu: miestny oscilátor a obvod generovania hodín, obvod resetovania pri zapnutí, zdroj referenčného napätia, obvod prispôsobenej siete a spätného rozptylu, usmerňovač, regulátor napätia a amplitúdová modulácia ( AM ) demodulátor atď. Okrem antény neexistujú žiadne externé komponenty. Anténna časť má dipólovú štruktúru a je prispôsobená vstupnej impedancii usmerňovača prostredníctvom zodpovedajúcej siete ako jediného zdroja energie pre celý čip. Jeho ekvivalentný model je znázornený na obrázku 2. Reálna časť impedancie dipólovej antény pozostáva z Rra a Rloss, kde Rra je vyžarovacia impedancia dipólovej antény, ktorá je vlastná dipólovej anténe, všeobecne 73Ω, čo predstavuje schopnosť antény vyžarovať elektromagnetické vlny; Rloss Ohmický odpor spôsobený kovom použitým na výrobu antény vo všeobecnosti vytvára iba teplo. Pomyselná časť X impedancie antény je vo všeobecnosti kladná, pretože anténa je vo všeobecnosti induktívna smerom von a veľkosť tejto ekvivalentnej indukčnosti vo všeobecnosti závisí od topológie antény a materiálu substrátu. Usmerňovač prevádza výkon viazaného RF vstupného signálu na jednosmerné napätie požadované čipom. Regulátor napätia stabilizuje jednosmerné napätie na určitej úrovni a obmedzuje veľkosť jednosmerného napätia, aby chránil čip pred rozpadom v dôsledku nadmerného napätia. AM demodulátor sa používa na extrakciu zodpovedajúceho dátového signálu z prijatého nosného signálu. Obvod spätného rozptylu prenáša dáta transpondéra do RFID dotazovača alebo čítačky kariet zmenou impedancie RF obvodu prostredníctvom variabilnej kapacity. Resetovací obvod pri zapnutí sa používa na generovanie resetovacieho signálu celého čipu. Na rozdiel od 13,56 MHz vysokofrekvenčného (HF) transpondéra, 915 MHz UHF transpondér nemôže získať miestne hodiny delením frekvencie z nosnej frekvencie, ale môže poskytnúť hodiny iba pre časť digitálneho logického obvodu prostredníctvom vstavaného lokálneho oscilátora s nízkym výkonom. . Všetky tieto bloky obvodov budú podrobne vysvetlené jeden po druhom nižšie.

2 Návrh a analýza obvodov

2.1 Obvody usmerňovača a regulátora napätia

V tomto článku je ako obvod usmerňovača použité Dicksonovo nábojové čerpadlo zložené zo Schottkyho diód. Schematický diagram obvodu je znázornený na obrázku 3. Je to spôsobené tým, že Schottkyho diódy majú nízke sérieodpor a spojovacia kapacita, ktorá môže poskytnúť vysokú účinnosť konverzie pri premene energie prijatého vstupného RF signálu na jednosmerné napájanie, čím sa zníži spotreba energie. Všetky Schottkyho diódy sú navzájom spojené poly-poly kondenzátormi. Vertikálne kondenzátory sa nabíjajú a ukladajú energiu počas zápornej polovice cyklu vstupného napätia Vin, zatiaľ čo bočné kondenzátory sa nabíjajú a ukladajú energiu počas kladnej polovice cyklu Vin na generovanie jednosmerného prúdu. Vysoké napätie, výsledné napätie je:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Kde Vp, RF je amplitúda vstupného rádiofrekvenčného signálu, Vf, D je dopredné napätie Schottkyho diódy, n je počet stupňov použitej nabíjacej pumpy.

Stabilizujte výstup jednosmerného napätia usmerňovačom na určitej úrovni a zabezpečte stabilné pracovné napätie pre celý čip transpondéra, aby sa zabezpečilo, že amplitúda jednosmerného napätia sa nezmení v dôsledku fyzickej polohy čipu transpondéra a zabráni sa možným otrasom čipu. opotrebenie, aby sa chránil čip transpondéra. Obvod využíva samoobslužnú štruktúru Cascnde. Dôvodom výberu tejto obvodovej štruktúry je, že štruktúra Cascnde má izolačný efekt spoločnej hradlovej elektrónky, vďaka čomu má dobrú schopnosť potlačiť kolísanie výkonu, čím sa zlepší pomer odmietnutia napájania (PSRR). Na zabezpečenie základnej stability prúdov dvoch vetví. Pomer plôch Q1 a Q2 je 1:8. Navyše, na rozdiel od všeobecných HF RFID transpondérov, sme v návrhu prijali nízkonapäťový referenčný zdroj s nízkonapäťovým štartovacím obvodom, aby sme znížili celkovú spotrebu energie čipu.