Мікросхема радіочастотного низького енергоспоживання пасивний надвисокочастотний радіочастотний ідентифікаційний чіп транспондера
У цій статті пропонується високопродуктивна пасивна низькопотужна пасивна надвисокочастотна (УВЧ) радіочастотна ідентифікаційна (RFID) мікросхема радіочастотного мікросхеми, що відповідає стандарту ISO / IEC18000-6B. Радіочастотна схема не має зовнішніх компонентів, крім антени, і отримує енергію від радіочастотного електромагнітного поля через діодний випрямляч Шотткі.
Мережеві інженери-електронники • Джерело: Оздоблення сайту • Автор: Анонім • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Прочитано 0 разів
Мікросхема радіочастотного низького енергоспоживання пасивний надвисокочастотний радіочастотний ідентифікаційний чіп транспондера
У цій статті пропонується високопродуктивна пасивна низькопотужна пасивна надвисокочастотна (УВЧ) радіочастотна ідентифікаційна (RFID) мікросхема радіочастотного мікросхеми, що відповідає стандарту ISO / IEC18000-6B. Радіочастотна схема не має зовнішніх компонентів, крім антени, і отримує енергію від радіочастотного електромагнітного поля через діодний випрямляч Шотткі.
Передмова 0
Радіочастотна ідентифікація (RFID) - це технологія автоматичної ідентифікації, що з’явилася в 1990-х роках. Технологія RFID має безліч переваг, яких не має технологія штрих-коду, і вона має широкий спектр застосування. Він може застосовуватися до посвідчень громадянина другого покоління, міських карток, фінансових операцій, управління ланцюгами поставок, плати за електронну публікацію (ETC), контролю доступу, управління багажем в аеропорту, громадського транспорту, ідентифікації контейнерів, управління худобою тощо. дуже важливо освоїти технологію виробництва чіпів RFID. В даний час постійно зростаючий попит на додатки висуває більш високі вимоги до мікросхем RFID, які вимагають більшої ємності, меншої вартості, меншого обсягу та більшої швидкості передачі даних. Відповідно до цієї ситуації в цій статті пропонується радіочастотна мікросхема мікросхеми транспондера УВЧ-УВЧ-діапазону UHF RFID на великі відстані.
Загальні робочі частоти RFID включають низьку частоту 125 кГц, 134.2 кГц, високу частоту 13.56 МГц, UHF 860 ～ 930 МГц, мікрохвильовку 2.45 ГГц, 5.8 ГГц і т. Д. Оскільки низькочастотна система 125 кГц, 134.2 кГц, висока частота 13.56 МГц використовує котушки як антени і використовує індуктори. Робоча відстань порівняно невелика, як правило, не більше 1.2 м, а смуга пропускання обмежена кількома кілогерцами в Європі та інших регіонах. Однак УВЧ (860 ~ 93Uh1Гц) та мікрохвильова піч (2.45 ГГц, 5.8 ГГц) можуть забезпечити більшу робочу відстань, більшу швидкість передачі даних та менший розмір антени, тому це стало гарячим напрямком дослідження RFID.
Схема радіочастотної схеми, запропонована в цій роботі, закріплена скотчем за допомогою Chartered 0.35 мкм 2P4M CM0S, який підтримує діоди Шотткі та електрично стирається програмовану пам'ять, доступну лише для читання (EEPROM). Діоди Шотткі мають нижчий послідовний опір і пряму напругу і можуть забезпечити більш високу ефективність перетворення при перетворенні енергії вхідного ВЧ-сигналу в джерело постійного струму, зменшуючи тим самим споживання енергії. Коли ефективна ізотропна випромінювана потужність (EIRP) дорівнює 4 Вт (36 дБм), а коефіцієнт посилення антени 0 дБ, мікросхема радіочастотної схеми працює на частоті 915 МГц, відстань зчитування перевищує 3 м, а робочий струм менше 8 мкА.
1 структура ВЧ-ланцюга
Малюнок 1 - схема мікросхеми транспондера UHF RF1D, яка в основному включає радіочастотні схеми, схеми логічного управління та EEPROM. Серед них частину радіочастотної схеми можна розділити на такі основні модулі схеми: локальний генератор і схема генерації тактової частоти, схема скидання живлення, опорне джерело напруги, відповідна мережа та схема зворотного розсіювання, випрямляч, регулятор напруги та амплітудна модуляція (AM ) Демодулятор тощо. Зовнішніх компонентів, крім антени, немає, а частина антени приймає дипольну структуру і узгоджується з вхідним імпедансом випрямляча через відповідну мережу як єдине джерело енергії для всього мікросхеми. Еквівалентна модель показана на малюнку 2. Реальна частина імпедансу дипольної антени складається з двох частин, Rra та Rloss, де Rra - імпеданс випромінювання дипольної антени, який властивий дипольній антені, як правило, 73 Ом, що представляє здатність антени випромінювати електромагнітні хвилі назовні; Rloss Омічний опір металу, який використовується для виготовлення антени, загалом генерує лише тепло. Уявна частина X імпедансу антени, як правило, позитивна. Це пояснюється тим, що антена, як правило, індуктивна зовні. Величина еквівалентної індуктивності, як правило, залежить від топологічної структури антени та матеріалу підкладки. Випрямляч перетворює сполучену потужність вхідного радіочастотного сигналу в напругу постійного струму, необхідну мікросхемі. Регулятор напруги стабілізує напругу постійного струму на певному рівні та обмежує амплітуду постійної напруги, щоб захистити мікросхему від пробою через надмірну напругу. Демодулятор АМ використовується для вилучення відповідного сигналу даних з прийнятого несучого сигналу. Схема зворотного розсіювання використовує змінний конденсатор для зміни імпедансу радіочастотної ланцюга, тим самим надсилаючи дані транспондера до запитувача RFID або зчитувача карток. Схема скидання живлення використовується для формування сигналу скидання для всього мікросхеми. На відміну від високочастотного (ВЧ) транспондера 13.56 МГц, УВЧ-транспондер 915 МГц не може отримати локальний тактовий сигнал з несучої частоти, а може забезпечити тактову частоту для частини цифрової логічної схеми лише за допомогою вбудованого малопотужного локального генератора. Усі ці модулі схеми будуть докладно описані нижче по одному.
Рисунок 1 Схема системи мікросхеми транспондера УВЧ RF1D
2 Еквівалентна електрична модель транспондерної антени
2 Схема проектування та аналіз
2.1 Схема випрямляча та регулятора
У цій роботі в якості випрямного ланцюга використовується насос Діксона, що складається з діодів Шотткі. Принципова схема схеми наведена на рисунку 3. Це пояснюється тим, що діоди Шотткі мають менший послідовний опір і ємність з'єднання і можуть забезпечити більш високу ефективність перетворення при перетворенні енергії вхідного ВЧ-сигналу в джерело постійного струму, зменшуючи тим самим споживання енергії. Всі діоди Шотткі з'єднані між собою за допомогою полі-поліконденсаторів. Вертикальний конденсатор заряджається і зберігається в негативному напівперіоді вхідної напруги Vin, а горизонтальний конденсатор заряджається і зберігається в додатному напівперіоді Vin, створюючи тим самим високу напругу постійного струму, результуюча напруга:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF - амплітуда вхідного радіочастотного сигналу, Vf, D - пряма напруга діода Шотткі, n - кількість використовуваних ступенів зарядного насоса.
Рисунок 4 Принципова схема регулятора напруги
2.2 Відповідність мережі та схеми зворотного розсіювання
На відміну від ВЧ-транспондера 13.56 МГц, RFID-діапазон УВЧ-діапазону використовує дипольну антену. Малюнок 5 - це еквівалентна схема SPICE (імітаційна програма з упором інтегральної схеми) транспондера та антени. У цій еквівалентній моделі схеми SPICE отриманий радіочастотний сигнал приймає Vs, імпеданс антени Zs = Rs + jXL, що можна розглядати як внутрішній опір джерела напруги Vs та еквівалентний вхідний опір мікросхеми транспондера дорівнює ZL = RL-jXL. Отже, коли ZL = Zs *, імпеданс відповідає, а потужність передачі максимальна. У разі узгодження імпедансу, з точки зору транспондера з антеною, отриманий імпеданс повинен бути Z = 2RL, отже, ми отримуємо залежність між приймальною потужністю Pre та коливанням напруги VS як стороною:
Тоді коливання напруги Vin на вході на обидва кінці мікросхеми:
Для того, щоб досягти узгодження імпедансу, ланцюг також повинен виконати перетворення імпедансу в мережі узгодження, щоб внутрішній опір антени та вхідний опір частини радіочастотної ланцюга могли досягти спряженого узгодження, тому ми використовуємо L-тип відповідна мережа. Через високу вартість мікросхемних вбудованих котушок індуктивності та низької точності ми використовуємо індуктивність антени як відповідний індуктор для інтеграції відповідного конденсатора в мікросхему. Після розрахунку вхідний опір радіочастотної схеми становить близько (105-j406) Ом.
Рисунок 5 Схема еквівалентного SPICE транспондера та антени
Фіг.6 - принципова схема схеми зворотного розсіювання. Схема зворотного розсіювання використовує змінний конденсатор для зміни імпедансу радіочастотної ланцюга, тим самим надсилаючи дані транспондера до запитувача RFID або зчитувача карток. Змінна ємність реалізується MOS-варактором. У стандартному процесі КМОП ми можемо використовувати змінну ємність, керовану напругою від затвора МОП-трубки до підкладки, і використовувати затвор МАС-варактора як один кінець конденсатора, а кінець джерела. інший кінець конденсатора.
2.3 Схема демодулятора AM
Схема демодулятора AM використовується для відновлення прийнятої модульованої несучої в цифровий сигнал для обробки базової смуги. Схема демодуляції складається із схеми виявлення огинаючої, схеми фільтра та компаратора (як показано на малюнку 7). Компаратор використовує компаратор Hysteresis, щоб зменшити частоту помилок в бітах. Детектор огинаючої використовує ту ж схему, що і випрямляч, для вилучення сигналу огинаючої. Фільтр низьких частот використовується для усунення шумових сигналів і пульсацій на блоці живлення. Нарешті, сигнал конверта відновлюється до цифрового сигналу на виході компаратора через гістерезисний компаратор.
Рисунок 7 Принципова схема демодулятора AM
2.4 Схема скидання живлення
Схема скидання живлення має дві основні функції. Один - коли транспондер потрапляє в ефективну зону запитувача або зчитувача карток і напруга живлення досягає нормального робочого потенціалу, він генерує сигнал скидання для всього мікросхеми; друге - коли раптом падає напруга джерела живлення. Коли схема скидається, це може запобігти несправності логічної схеми. На рисунку 8 представлена схема схеми скидання живлення, час затримки скидання живлення ланцюга становить 10 мкс. Коли час продовжує зростати з нуля і перевищує напругу підтягування 2.4 В, спочатку включаються Р-трубка MP1 і N-трубка MN1, завдяки чому потенціали точок A і B поступово піднімаються з 0 зі збільшенням Yu, після зворотної фази Напруги на затворі транзисторів MP2 і MN2 змінюються лінійно з підвищенням VDD, тому на початку MN2 вмикається, а MP2 вимикається, так що напруга в точці C завжди дорівнює 0 (ефективне скидання) . Коли VDD досягає вищого потенціалу, потенціал у точці А також одночасно підвищується до певного рівня, в результаті чого трубка MN2 відрізається. В цей час трубка MP2 включається, і потенціал у точці C швидко зростає. Після декількох рівнів буферів отримується ведений. Логічний вихідний сигнал переходу від 0 до 1, завдяки чому схема починає нормально працювати. Каскадування наступних етапів буферів та ємнісних навантажень полягає в отриманні затримки часу приблизно 10 мкс, тобто коли VDD перевищує 2.4 В і утримує 10 мкс, сигнал скидання завершує стрибок, щоб реалізувати стабільну роботу ланцюга. Результати моделювання наведені на малюнку 9.
Рисунок 8 Принципова схема схеми скидання живлення
Рисунок 9 Результати моделювання схеми скидання живлення
2.5 Локальний генератор і схема генерації тактової частоти
На відміну від ВЧ-транспондера 13.56 МГц, УВЧ-транспондер 915 МГц не може отримати локальний тактовий сигнал від несучої частоти, а може забезпечити тактову частоту для частини цифрової логічної схеми лише за допомогою вбудованого малопотужного локального генератора. Тактова частота може приймати похибку ± 30%, а точність тактової частоти не висока, тому для зменшення енергоспоживання мікросхеми може бути використана відносно проста структура генератора. Після аналізу ми вирішили використати кільцевий генератор, що складається з повністю недиференційованих повністю диференціальних інверторів, які не тільки можуть добре придушити зміну загальнорежимної напруги, але і можуть отримати хороші характеристики придушення живлення. Фіг.10 - принципова схема локального генератора та схеми генерації тактової частоти. Після імітаційного випробування, враховуючи повні умови зміни температури, напруги джерела живлення та кута процесу, вихідна частота схеми становить близько 250 кГц, а її похибка варіації гарантує, що точність передачі даних менше 15% від VDD. Продуктивність не впливає, а вимоги до конструкції системи краще відповідають. На малюнку 11 показаний тактовий сигнал, отриманий в результаті моделювання.
Рисунок 10 Принципова схема генератора та схеми генерації тактової частоти
Рисунок 11 Сигнал годинника, отриманий моделюванням
3 Результати випробувань та аналіз
Мікросхема радіочастотної схеми приймає Chartered 0.35 мкм 2P4M CMOS-процес, який підтримує діод Шотткі та EEPROM для виведення. Площа мікросхеми сердечника без колодки вводу-виводу (PAD) становить 300 мкм × 720 мкм. За винятком двох PAD, які використовуються для підключення до зовнішніх антен, решта PAD використовуються для тестування функції мікросхеми. Фіг.12 - це діаграма сигналу, отримана після підключення мікросхеми радіочастотної схеми до зовнішньої антени і тестування пристрою зчитування карток на зв'язок. Випробування проводиться за допомогою пристрою зчитування карток RFH UHF THM6BC1-915 компанії Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd., що відповідає стандарту ISO / IEC 18000-6B. Рисунок 12 (а) - це форма сигналу VDD, отримана схемою випрямляча та регулятора напруги після прийому радіочастотного сигналу, що передається пристроєм зчитування карток. Середнє значення становить 3.3 В, і є лише пульсація менше 20 мВ, що цілком задоволено. Вимоги до проектного індексу виконані. На малюнку 12 (b) показаний цифровий сигнал, що надсилається пристроєм зчитування карт, отриманим в результаті демодуляції мікросхеми ВЧ-схеми. Після тестування, коли EIRP становить 4 Вт (36 дБм), а коефіцієнт підсилення антени - OdB, мікросхема радіочастотної схеми працює на частоті 915 МГц, відстань зчитування перевищує 3 м, а робочий струм менше 8 мкА.
Рисунок 12 Тестова діаграма сигналу мікросхеми ВЧ-ланцюга
Висновок 4
У цій роботі пропонується високоефективна та низькопотужна пасивна УВЧ-частота RFID-транспондерного мікросхеми, яка відповідає стандарту ISO / IEC 18000-6B. Схема радіочастот працює на частоті 915 МГц і не має зовнішніх компонентів, крім антени. Тут використовуються діоди Шотткі. Випрямляч отримує енергію від радіочастотного електромагнітного поля. Для витяжки використовується зафрахтований процес CMQS 0.35 мкм 2P4M, який підтримує діоди Шотткі та EEPROM, а площа його ядра становить 300 мкм × 720 мкм. Радіочастотна схема RFID включає декілька основних модулів, таких як гетеродин, схема генерації тактової частоти, схема скидання, відповідна мережа та схема зворотного розсіювання, випрямляч, регулятор напруги та демодулятор AM. Цей текст розробляє та оптимізує кожну схему модуля, розробляє схему радіочастот з низьким енергоспоживанням, що відповідає стандартним вимогам. Тест проводили за допомогою пристрою зчитування карток RFM UHF THM6BC1-915Y2, який відповідає стандарту ISO / IEC 18000-6B. Результати випробувань показують, що відстань зчитування перевищує 3 м, і результат задовольняє вимогам щодо індексу пасивної УВЧ-системи RFID-транспондера.
Наш інший продукт:
