Analýza návrhu obvodů UHF pasivních RFID tagů

Díky vysoké provozní frekvenci, dlouhé vzdálenosti čtení a zápisu, žádnému externímu napájení a nízkým výrobním nákladům se pasivní RFID štítky UHF staly jedním z klíčových směrů výzkumu RFID a mohou se v blízké budoucnosti stát běžnými produkty v oblasti RFID.

Kompletní UHF pasivní RFID štítek se skládá z antény a štítkového čipu. Mezi nimi čip tagu obecně zahrnuje následující části obvodu: obvod obnovy napájení, obvod stabilizace napájecího napětí, modul modulace zpětného rozptylu, demodulační obvod, obvod extrakce/generování hodin, obvod generování startovacího signálu, obvod generování referenčního zdroje, řídicí jednotka, paměť. Energie potřebná pro fungování pasivního čipu RFID tagu je zcela odvozena z energie elektromagnetické vlny generované čtečkou karet. Obvod obnovy napájení proto potřebuje převést UHF signál indukovaný štítkovou anténou na stejnosměrné napětí potřebné pro fungování čipu. poskytnout energii.

Vzhledem k tomu, že elektromagnetické prostředí, ve kterém se RFID štítky nacházejí, je velmi složité, výkon vstupního signálu se může měnit stokrát nebo dokonce tisíckrát. Proto, aby čip normálně fungoval v různých intenzitách pole, musí být navržen spolehlivý obvod stabilizace napájecího napětí. . Modulační a demodulační obvod je klíčovým obvodem pro komunikaci mezi štítkem a čtečkou karet. V současnosti většina UHF RFID tagů používá modulaci ASK. Řídicí jednotka RFID tagu je digitální obvod, který zpracovává instrukce. Aby se umožnilo správné resetování digitálního obvodu poté, co štítek vstoupí do pole čtečky karet, v reakci na pokyny čtečky karet musí být navržen spolehlivý obvod pro generování spouštěcího signálu, který poskytne signál resetování pro digitální jednotku.

obvod obnovy napájení

Obvod obnovy energie převádí UHF signál přijatý anténou RFID tagu na stejnosměrné napětí prostřednictvím usměrnění a zesílení, aby poskytl energii pro fungování čipu. Existuje mnoho možných konfigurací obvodů pro obvody obnovy napájení. Jak je znázorněno na obrázku, je několik v současnosti běžně používaných obvodů pro obnovu energie.

V těchto obvodech obnovy energie neexistuje optimální struktura obvodu a každý obvod má své výhody a nevýhody. Při různých podmínkách zatížení, různých podmínkách vstupního napětí, různých požadavcích na výstupní napětí a dostupných procesních podmínkách je pro dosažení optimálního výkonu potřeba vybrat různé obvody. Vícestupňový obvod zdvojovače napětí diody znázorněný na obrázku 2(a) obecně používá Schottkyho bariérové diody. Má výhody vysoké účinnosti zdvojnásobení napětí a malé amplitudy vstupního signálu a je široce používán. Běžný proces CMOS obecné slévárny však neposkytuje Schottkyho bariérové diody, což bude přinášet problémy konstruktérovi při výběru procesu. Obrázek 2(b) nahrazuje Schottkyho diodu trubicí PMOS zapojenou ve formě diody, což eliminuje zvláštní požadavky na proces. Obvod zdvojení napětí s touto strukturou potřebuje vyšší amplitudu vstupního signálu a má lepší účinnost zdvojení napětí, když je výstupní napětí vyšší. Obrázek 2(c) je tradiční obvod diodového celovlnného usměrňovače. Ve srovnání s obvodem zdvojovače napětí Dickson je efekt zdvojovače napětí lepší, ale je zavedeno více diodových prvků a účinnost přeměny energie je obecně o něco nižší než u obvodu zdvojovače napětí Dickson. Navíc, protože jeho anténní vstupní svorka je oddělena od země čipu, jedná se o plně symetrickou konstrukci s kondenzátorem blokujícím stejnosměrný proud při pohledu ze vstupní svorky antény na čip, což zabraňuje vzájemnému ovlivňování mezi zemí čipu a anténou a je vhodné pro použití s připojenými symetrickými anténami (např. Obrázek 2(d) je řešení elektronky CMOS celovlnného usměrňovacího obvodu navrženého v mnoha literaturách. V případě omezené technologie lze dosáhnout lepší účinnosti přeměny energie a požadavky na amplitudu vstupního signálu jsou relativně nízké.

Při použití obecných pasivních UHF RFID tagů se z důvodu nákladů předpokládá, že obvod čipu je vhodný pro výrobu běžné technologie CMOS. Požadavek čtení a zápisu na velkou vzdálenost klade vyšší požadavky na účinnost přeměny energie obvodu obnovy energie. Z tohoto důvodu mnoho konstruktérů používá standardní technologii CMOS k realizaci Schottkyho bariérových diod, takže vícestupňová obvodová struktura Dicksonova zdvojovače napětí může být pohodlně použita ke zlepšení výkonu přeměny energie. Obrázek 3 je schematický diagram struktury Schottkyho diody vyrobené běžným procesem CMOS. V provedení lze Schottkyho diody vyrábět bez změny process kroky a pravidla pro generování masek, a stačí provést některé úpravy v rozložení.

Rozložení několika Schottkyho diod navržených procesem UMC 0,18um CMOS. Jejich testovací křivky stejnosměrných charakteristik jsou na obrázku 5. Z výsledků testu stejnosměrných charakteristik je vidět, že Schottkyho dioda vyrobená standardním procesem CMOS má typické diodové charakteristiky a spínací napětí je pouze asi 0,2 V, což je pro RFID tagy velmi vhodné.

Obvod regulátoru výkonu

Když je amplituda vstupního signálu vysoká, obvod stabilizace napájecího napětí musí být schopen zajistit, že výstupní stejnosměrné napájecí napětí nepřekročí maximální napětí, které čip vydrží; zároveň, když je vstupní signál malý, výkon spotřebovaný obvodem stabilizace napětí by měl být co nejmenší. Chcete-li snížit celkovou spotřebu energie čipu.

Z hlediska principu regulace napětí lze strukturu obvodu regulace napětí rozdělit na dva typy: paralelní obvod regulace napětí a sériový obvod regulace napětí.

V čipu štítku RFID musí být kondenzátor pro ukládání energie s velkou hodnotou kapacity pro uložení dostatečného množství náboje, aby štítek mohl přijímat modulační signál, a vstupní energie může být stále v okamžiku, kdy je vstupní energie malá (například v okamžiku, kdy v modulaci OOK není žádný nosič). , pro udržení napájecího napětí čipu. Pokud je vstupní energie příliš vysoká a napájecí napětí stoupne na určitou úroveň, napěťový senzor v obvodu stabilizace napětí bude řídit zdroj úniku, aby uvolnil přebytečný náboj na kondenzátoru akumulace energie, aby se dosáhlo účelu stabilizace napětí. Obrázek 7 je jeden z paralelních obvodů regulátoru napětí. Tři sériově zapojené diody D1, D2, D3 a rezistor R1 tvoří napěťový senzor pro řízení napětí hradla svodu M1. Když napájecí napětí překročí součet spínacích napětí tří diod, napětí hradla M1 vzroste, M1 se zapne a začne vybíjet akumulační kondenzátor C1.

Principem jiného typu obvodu stabilizace napětí je použití schématu stabilizace sériového napětí. Jeho schematické schéma je na obrázku 8. Zdroj referenčního napětí je navržen jako referenční zdroj nezávislý na napájecím napětí. Výstupní napájecí napětí je děleno rezistorem a porovnáváno s referenčním napětím a rozdíl je zesílen operačním zesilovačem pro řízení hradlového potenciálu elektronky M1, takže výstupní napětí a referenční zdroj si v podstatě udržují stejný stabilní stav.

Tento obvod sériového regulátoru napětí může vydávat přesnější napájecí napětí, ale protože je trubice M1 zapojena do série mezi neregulovaný napájecí zdroj a regulovaný napájecí zdroj, když je zatěžovací proud velký, pokles napětí na trubici M1 způsobí vyšší napětí. ztráta výkonu. Proto je tato obvodová struktura obecně aplikována na obvody štítků s menší spotřebou energie.

Modulační a demodulační obvod

A. Demodulační obvod

Z důvodu zmenšení plochy čipu a spotřeby energie většina pasivních RFID tagů v současnosti využívá modulaci ASK. Pro demodulační obvod ASK čipu štítku je běžně používanou demodulační metodou metoda detekce obálky, jak je znázorněno na OBR. 9.

Obvod zdvojovače napětí části detekce obálky a části obnovy energie je v zásadě stejný, ale není nutné poskytovat velký zatěžovací proud. Zdroj svodového proudu je zapojen paralelně v konečné fázi obvodu detekce obálky. Když je vstupní signál modulován, vstupní energie klesá a zdroj úniku snižuje výstupní napětí obálky, takže následný komparační obvod může posoudit modulační signál. Vzhledem k velkému rozsahu kolísání energie vstupního RF signálu musí být proud svodového zdroje dynamicky upravován, aby se přizpůsobil změnám různých intenzit pole v blízkém a vzdáleném poli. Například, pokud je proud svodového napájecího zdroje malý, může vyhovět potřebám komparátoru, když je intenzita pole slabá, ale když je tag v blízkém poli se silnou intenzitou pole, svodový proud nebude stačit k vytvoření detekovaného signálu. Pokud dojde k velké změně amplitudy, komparátor za stupněm nemůže normálně fungovat. K vyřešení tohoto problému lze použít strukturu zdroje úniku, jak je znázorněno na obr. 10.

Když není vstupní nosič modulován, je hradlový potenciál odvzdušňovací trubice M1 stejný jako odtokový potenciál a tvoří diodu připojenou NMOS trubici, která svírá výstup obálky blízko prahového napětí M1. The výkon spotřebovaný na M1 je vyrovnaný; když je vstupní nosná modulována, vstupní energie čipu klesá a v tomto okamžiku působením zpožďovacího obvodu R1 a C1 zůstává hradlový potenciál M1 na původní úrovni a M1 uniká Uvolňovaný proud zůstává nezměněn, což způsobuje, že amplituda výstupního signálu obálky rychle klesá; podobně, po obnovení nosné, zpoždění R1 a C1 způsobí, že se výstup obálky rychle vrátí na původní vysokou úroveň. Použitím této struktury obvodu a přiměřeným výběrem velikosti R1, C1 a M1 lze uspokojit potřeby demodulace při různých intenzitách pole. Existuje také mnoho možností pro obvod komparátoru zapojený za výstup obálky a běžně používanými jsou komparátor hystereze a operační zesilovač.

b. Modulační obvod

Pasivní RFID štítky UHF obecně využívají metodu modulace zpětného rozptylu, to znamená změnou vstupní impedance čipu, aby se změnil koeficient odrazu mezi čipem a anténou, aby se dosáhlo účelu modulace. Obecně platí, že impedance antény a vstupní impedance čipu jsou navrženy tak, aby se blížily výkonové shodě, když není modulován, a koeficient odrazu se zvyšuje, když je modulován. Běžně používaná metoda zpětného rozptylu spočívá v zapojení kondenzátoru s přepínačem paralelně mezi dva vstupní konce antény, jak je znázorněno na obrázku 11, modulační signál určuje, zda je kondenzátor připojen ke vstupnímu konci čipu ovládáním přepínače, čímž se mění vstupní impedance čipu.

obvod generování startovacího signálu

Funkcí obvodu pro generování resetovacího signálu startu v RFID tagu je poskytnout resetovací signál pro zahájení práce digitálního obvodu po dokončení obnovy napájení. Jeho návrh musí vzít v úvahu následující problémy: Pokud napájecí napětí narůstá příliš dlouho, bude vysoká amplituda resetovacího signálu nízká, což nemůže splnit potřeby resetování digitálního obvodu; obvod generování spouštěcího signálu je citlivější na kolísání výkonu, je možné způsobit poruchu; statická spotřeba energie musí být co nejnižší.

Obvykle po vstupu pasivního RFID tagu do pole je čas pro zvýšení napájecího napětí nejistý a může být velmi dlouhý. To vyžaduje návrh obvodu generování spouštěcího signálu tak, aby generoval spouštěcí signál v okamžiku souvisejícím s napájecím napětím. Obrázek 12 ukazuje běžný obvod generování spouštěcího signálu.

Jeho základním principem je použití větve složené z rezistoru R0 a NMOS tranzistoru M1 ke generování relativně pevného napětí Va. Když napájecí napětí vdd překročí prahové napětí NMOS tranzistoru, zůstane napětí Va v podstatě nezměněno. Jak vdd stále roste, když napájecí napětí dosáhne Va+|Vtp|, PMOS tranzistor M0 se zapne, aby Vb vzrostl, a předtím bylo Vb na nízké úrovni, protože M0 je odříznuto. Hlavním problémem tohoto obvodu je přítomnost ztráty statického výkonu. A protože prahové napětí tranzistoru MOS se velmi mění s procesem v rámci procesu CMOS, je snadno ovlivněno odchylkou procesu. Proto použití pn přechodové diody pro generování spouštěcího napětí značně sníží nejistotu procesu, jak je znázorněno na OBR. 13.

Když VDD stoupne na spínací napětí dvou přechodových diod pn, hradlo tranzistoru PMOS M0 se rovná napájecímu napětí a tranzistor PMOS se vypne. V tomto okamžiku je napětí na kondenzátoru C1 na nízké úrovni. Když VDD stoupne nad prahové napětí dvou diod, M0 začne vést, zatímco hradlové napětí M1 zůstává nezměněno, proud protékající M1 zůstává nezměněn a napětí na kondenzátoru C1 se postupně zvyšuje. Když stoupá do reverzní fáze Po překlopení zařízení je generován startovací signál. Proto doba, za kterou tento obvod vygeneruje spouštěcí signál, závisí na tom, zda napájecí napětí dosáhne prahového napětí dvou diod, které má vysokou stabilitu, a zabrání předčasnému spouštěcímu signálu obecného spouštěcího obvodu, když napájecí napětí stoupá příliš pomalu. Problém.

Pokud napětí napájecího zdroje stoupá příliš rychle, kapacita hradla rezistoru R1 a M0 tvoří zpožďovací obvod dolní propusti, který způsobí, že napětí hradla M0 nebude moci rychle držet krok se změnou napájecího napětí a zůstane na nízké úrovni. V tomto okamžiku M0 nabije kondenzátor C1, což způsobí, že obvod nebude fungovat správně. K vyřešení tohoto problému je zaveden kondenzátor C5. Pokud napájecí napětí rychle vzroste, vazební efekt kondenzátoru C5 může udržet potenciál hradla M0 konzistentní s napětím napájecího zdroje, čímž se zabrání tvýskyt výše uvedených problémů.

Problém statické spotřeby energie v tomto obvodu stále existuje a dopad statické spotřeby energie lze snížit zvýšením hodnoty odporu a rozumným výběrem velikosti MOS elektronky. Pro úplné vyřešení problému se statickou spotřebou energie je nutné navrhnout přídavný zpětnovazební řídicí obvod pro vypnutí této části obvodu po vygenerování startovacího signálu. Zvláštní pozornost je však třeba věnovat nestabilitě způsobené zavedením zpětné vazby.

Obtížnost návrhu pasivních UHF RFID čipů se točí kolem toho, jak zvýšit čtecí a zapisovací vzdálenost čipu a snížit výrobní náklady štítku. Proto zlepšení účinnosti obvodu obnovy energie, snížení spotřeby energie celého čipu a spolehlivé fungování jsou stále hlavními výzvami při navrhování čipů RFID tagů.