Pasivní UHF RFID transpondérový čip RF obvod

Radiofrekvenční identifikace (radio frequency idenlificaTInn, RFID) je technologie automatické identifikace, která se objevila v 90. letech minulého století. Technologie RFID má mnoho výhod, které technologie čárových kódů nemá, a má širokou škálu aplikací, které lze použít v občanství druhé generace*, městských kartách, finančních transakcích, řízení dodavatelského řetězce, ETC, řízení přístupu, letištích Správa zavazadel, veřejná doprava, identifikace kontejnerů, správa hospodářských zvířat atd. Proto se stává velmi důležité ovládat technologii výroby RFID čipů. V současné době zvyšující se požadavky aplikací kladou vyšší požadavky na čipy RFID, které vyžadují větší kapacitu, nižší náklady, menší velikost a vyšší rychlost přenosu dat. V souladu s touto situací tento článek navrhuje RF obvod s pasivním UHF RFID transpondérovým čipem s nízkou spotřebou na dlouhé vzdálenosti.

Běžné provozní frekvence RFID zahrnují nízké frekvence 125 kHz, 134,2 kHz, vysoké frekvence 13,56 MHz, ultravysoké frekvence 860-930 MHz, mikrovlnné 2,45 GHz, 5,8 GHz atd. Protože nízké frekvence 125 kHz, 134,2 kHz používají anténu 3, tak vysokofrekvenční systémy 3 a spol. metoda indukční vazby, pracovní vzdálenost je relativně krátká, obecně ne více než 1,2 m, a šířka pásma je omezena na několik kilohertzů v Evropě a dalších regionech. Ale UHF (860-93Uh1Hz) a mikrovlny (2,45GHz, 5,8GHz) mohou poskytnout delší pracovní vzdálenost, vyšší přenosovou rychlost a menší velikost antény, takže se staly horkou oblastí výzkumu RFID.

RF obvodový čip navržený v tomto článku je páskový s využitím procesu Chartered 0,35μm 2P4M CMOS podporujícího Schottkyho diody a elektricky vymazatelnou programovatelnou paměť pouze pro čtení (EEPROM). Schottkyho diody mají nízký sériový odpor a dopředné napětí a mohou poskytovat vysokou účinnost konverze při převádění energie přijatého vstupního RF signálu na stejnosměrný zdroj, čímž snižují spotřebu energie. Když je efektivní izotropní vyzařovaný výkon (EIRP) 4W (36dBm) a zisk antény je 0dB, čip RF obvodu pracuje na frekvenci 915MHz, čtecí vzdálenost je větší než 3m a provozní proud je menší než 8μA.

1 Struktura RF obvodu

Transpondérový čip UHF RF1D, který obsahuje především vysokofrekvenční obvod, logický řídicí obvod a EEPROM. Mezi nimi lze část radiofrekvenčního obvodu rozdělit na následující moduly hlavního obvodu: lokální oscilátor a obvod generování hodin, obvod resetování při zapnutí, zdroj referenčního napětí, obvod přizpůsobení sítě a zpětného rozptylu, usměrňovač, regulátor napětí a demodulátor amplitudové modulace (AM) atd. Kromě antény zde nejsou žádné externí komponenty. Anténní část má dipólovou strukturu a je přizpůsobena vstupní impedanci usměrňovače prostřednictvím odpovídající sítě jako jediného zdroje energie pro celý čip. Její ekvivalentní model je na obrázku 2. Reálnou část impedance dipólové antény tvoří Rra a Rloss, kde Rra je impedance záření dipólové antény, která je vlastní dipólové anténě, obecně 73Ω, což představuje schopnost antény vyzařovat elektromagnetické vlny; Rloss Ohmický odpor způsobený kovem použitým k výrobě antény obecně pouze generuje teplo. Pomyslná část X impedance antény je obecně kladná, protože anténa je obecně induktivní směrem ven a velikost této ekvivalentní indukčnosti obecně závisí na topologii antény a materiálu substrátu. Usměrňovač převádí výkon vázaného RF vstupního signálu na stejnosměrné napětí požadované čipem. Regulátor napětí stabilizuje stejnosměrné napětí na určité úrovni a omezuje velikost stejnosměrného napětí, aby chránil čip před poruchou v důsledku nadměrného napětí. AM demodulátor se používá k extrakci odpovídajícího datového signálu z přijímaného nosného signálu. Obvod zpětného rozptylu přenáší data transpondéru do RFID dotazovače nebo čtečky karet změnou impedance RF obvodu prostřednictvím proměnné kapacity. Resetovací obvod při zapnutí se používá ke generování resetovacího signálu celého čipu. Na rozdíl od 13,56MHz vysokofrekvenčního (HF) transpondéru, 915MHz UHF transpondér nemůže získat místní hodiny dělením frekvence z nosné, ale může pouze poskytovat hodiny pro část digitálního logického obvodu prostřednictvím vestavěného lokálního oscilátoru s nízkým výkonem. Všechny tyto bloky obvodů budou podrobně vysvětleny jeden po druhém níže.

2 Návrh a analýza obvodů

2.1 Obvody usměrňovače a regulátoru napětí

V tomto článku je jako obvod usměrňovače použito Dicksonovo nábojové čerpadlo složené ze Schottkyho diod. Schéma zapojení je na obrázku 3. Je to proto, že Schottkyho diody mají nízké sérieodpor a přechodová kapacita, která může poskytnout vysokou účinnost konverze při přeměně energie přijatého vstupního RF signálu na stejnosměrné napájení, čímž se sníží spotřeba energie. Všechny Schottkyho diody jsou spojeny dohromady poly-poly kondenzátory. Vertikální kondenzátory se nabíjejí a ukládají energii během záporné poloviny cyklu vstupního napětí Vin, zatímco boční kondenzátory se nabíjejí a ukládají energii během kladné poloviny cyklu Vin pro generování stejnosměrného proudu. Vysoké napětí, výsledné napětí je:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Kde Vp, RF je amplituda vstupního radiofrekvenčního signálu, Vf, D je propustné napětí Schottkyho diody, n je počet stupňů použitého nabíjecího čerpadla.

Stabilizujte výstup stejnosměrného napětí usměrňovačem na určitou úroveň a zajistěte stabilní pracovní napětí pro celý čip transpondéru, abyste zajistili, že se amplituda stejnosměrného napětí nezmění v důsledku fyzické polohy čipu odpovídače, a zabráníte možným otřesům čipu. opotřebení, aby byl čip transpondéru chráněn. Obvod využívá samoobslužnou Cascndeovu strukturu. Důvodem pro volbu této obvodové struktury je to, že struktura Cascnde má izolační účinek společné hradlové elektronky, díky čemuž má dobrou schopnost potlačovat kolísání výkonu, čímž se zlepšuje poměr odmítnutí napájení (PSRR). Pro zajištění základní stability proudů dvou větví. Poměr ploch Q1 a Q2 je 1:8. Navíc, na rozdíl od obecných HF RFID transpondérů, jsme v návrhu přijali nízkonapěťový referenční zdroj s nízkonapěťovým spouštěcím obvodem, abychom snížili celkovou spotřebu energie čipu.