Circuito de radiofrequência de chip transponder de identificação de radiofrequência passiva de ultra-alta frequência de baixo consumo de energia
Este artigo propõe um circuito de radiofrequência de chip de transponder de identificação de radiofrequência (UHF) passivo de baixa potência e alta frequência (UHF) de alto desempenho que atende ao padrão ISO / IEC18000-6B. O circuito de radiofrequência não possui componentes externos, exceto a antena, e recebe energia do campo eletromagnético de radiofrequência por meio de um retificador de diodo Schottky.
Entusiastas de eletrônicos de engenheiros de rede • Fonte: Acabamento do site • Autor: Anônimo • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Lido 0 vezes
Circuito de radiofrequência de chip transponder de identificação de radiofrequência passiva de ultra-alta frequência de baixo consumo de energia
Este artigo propõe um circuito de radiofrequência de chip de transponder de identificação de radiofrequência (UHF) passivo de baixa potência e alta frequência (UHF) de alto desempenho que atende ao padrão ISO / IEC18000-6B. O circuito de radiofrequência não possui componentes externos, exceto a antena, e recebe energia do campo eletromagnético de radiofrequência por meio de um retificador de diodo Schottky.
0 Prefácio
A identificação por radiofrequência (RFID) é uma tecnologia de identificação automática que surgiu na década de 1990. A tecnologia RFID tem uma variedade de vantagens que a tecnologia de código de barras não tem e tem uma ampla gama de aplicações. Pode ser aplicado a carteiras de identidade de cidadão de segunda geração, cartão da cidade, transações financeiras, gestão da cadeia de suprimentos, taxas de publicação eletrônica (ETC), controle de acesso, gestão de bagagem em aeroportos, transporte público, identificação de contêineres, gestão de gado, etc. Portanto, é muito importante dominar a tecnologia de fabricação de chips RFID. Atualmente, a demanda cada vez maior de aplicativos apresenta requisitos mais elevados em chips RFID, que requerem maior capacidade, menor custo, menor volume e maior taxa de dados. De acordo com esta situação, este artigo propõe um circuito de radiofrequência de chip transponder UHF UHF RFID passivo de longa distância e baixa potência.
As frequências de trabalho comuns de RFID incluem baixa frequência 125kHz, 134.2kHz, alta frequência 13.56 MHz, UHF 860 ～ 930 MHz, micro-ondas 2.45 GHz, 5.8 GHz, etc. Porque o sistema de baixa frequência 125kHz, 134.2kHz, alta frequência 13.56 MHz usa bobinas como antenas e usa indutores. A distância de trabalho é relativamente curta, geralmente não mais do que 1.2 m, e a largura de banda é limitada a vários quilohertz na Europa e em outras regiões. No entanto, UHF (860 ~ 93Uh1Hz) e microondas (2.45 GHz, 5.8 GHz) podem fornecer maior distância de trabalho, maior taxa de dados e menor tamanho de antena, por isso se tornou um campo de pesquisa quente de RFID.
O chip de circuito RF proposto neste artigo é gravado usando o processo Chartered 0.35μm 2P4M CM0S que suporta diodos Schottky e memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM). Os diodos Schottky têm menor resistência em série e voltagem direta e podem fornecer maior eficiência de conversão ao converter a energia do sinal de entrada de RF recebido em uma fonte de alimentação DC, reduzindo assim o consumo de energia. Quando a potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP) é 4W (36dBm) e o ganho da antena é 0dB, o chip do circuito de radiofrequência funciona a 915MHz, a distância de leitura é maior que 3m e a corrente de trabalho é menor que 8μA.
1 estrutura de circuito RF
A Figura 1 é o diagrama do sistema do chip do transponder UHF RF1D, que inclui principalmente circuitos de radiofrequência, circuitos de controle lógico e EEPROM. Entre eles, a parte do circuito de radiofrequência pode ser dividida nos seguintes módulos de circuito principal: oscilador local e circuito de geração de relógio, circuito de reinicialização, fonte de referência de tensão, rede de correspondência e circuito de retroespalhamento, retificador, regulador de tensão e modulação de amplitude (AM ) Demodulador, etc. Não há componentes externos exceto a antena, e a parte da antena adota uma estrutura dipolo e é combinada com a impedância de entrada do retificador por meio de uma rede compatível, como a única fonte de energia para todo o chip. O modelo equivalente é mostrado na Figura 2. A parte real da impedância de uma antena dipolo consiste em duas partes, Rra e Rloss, onde Rra é a impedância de radiação da antena dipolo, que é inerente à antena dipolo, geralmente 73Ω, que representa a capacidade da antena de irradiar ondas eletromagnéticas para o exterior; Rloss A resistência ôhmica do metal usado para fazer a antena geralmente só gera calor. A parte imaginária X da impedância da antena é geralmente positiva. Isso ocorre porque a antena geralmente é indutiva para o exterior. A magnitude da indutância equivalente geralmente depende da estrutura topológica da antena e do material do substrato. O retificador converte a potência do sinal de entrada RF acoplado na tensão DC exigida pelo chip. O regulador de tensão estabiliza a tensão CC em um determinado nível e limita a amplitude da tensão CC para proteger o chip de quebra devido a tensão excessiva. O desmodulador AM é usado para extrair o sinal de dados correspondente do sinal de portadora recebido. O circuito de retroespalhamento usa um capacitor variável para alterar a impedância do circuito de radiofrequência, enviando assim os dados do transponder para o interrogador RFID ou leitor de cartão. O circuito de reinicialização inicial é usado para gerar um sinal de reinicialização para todo o chip. Ao contrário do transponder de alta frequência (HF) de 13.56 MHz, o transponder de UHF de 915 MHz não pode obter um relógio local da frequência da portadora, mas só pode fornecer um relógio para a parte do circuito lógico digital por meio de um oscilador local de baixa potência embutido. Todos esses módulos de circuito serão descritos em detalhes a seguir, um por um.
Figura 1 Diagrama do sistema de chip do transponder UHF RF1D
2 Modelo elétrico equivalente de antena transponder
2 Projeto e análise de circuito
2.1 Retificador e circuito regulador
Neste artigo, uma bomba de carga Dickson composta de diodos Schottky é usada como circuito retificador. O diagrama esquemático do circuito é mostrado na Figura 3. Isso ocorre porque os diodos Schottky têm menor resistência em série e capacitância de junção e podem fornecer maior eficiência de conversão ao converter a energia do sinal de entrada de RF recebido em uma fonte de alimentação CC, reduzindo assim o consumo de energia. Todos os diodos Schottky são conectados entre si por capacitores polipolíticos. O capacitor vertical é carregado e armazenado no semiciclo negativo da tensão de entrada Vin, e o capacitor horizontal é carregado e armazenado no semiciclo positivo de Vin, gerando assim alta tensão DC, a tensão resultante é:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF são a amplitude do sinal de frequência de rádio de entrada, Vf, D são a tensão direta do diodo Schottky en é o número de estágios da bomba de carga usados.
Figura 4 Diagrama de circuito do regulador de tensão
2.2 Rede de correspondência e circuito de retroespalhamento
Ao contrário do transponder HF de 13.56 MHz, o transponder RFID de banda UHF usa uma antena dipolo. A Figura 5 é um diagrama de circuito equivalente SPICE (programa de simulação com ênfase no circuito integrado) do transponder e da antena. Neste modelo de circuito SPICE equivalente, o sinal portador de RF recebido é Vs, a impedância da antena é Zs = Rs + jXL, que pode ser considerada como a resistência interna da fonte de tensão Vs e a impedância de entrada equivalente do chip do transponder é ZL = RL-jXL. Portanto, quando ZL = Zs *, a impedância é casada e a transmissão de potência é máxima. No caso de casamento de impedância, da perspectiva do transponder com antena, a impedância obtida deve ser Z = 2RL, então temos a relação entre a potência de recepção Pre e a oscilação de tensão VS como lado:
Então, a entrada Vin de oscilação de tensão para ambas as extremidades do chip é:
A fim de obter a correspondência de impedância, o circuito também precisa realizar a transformação de impedância na rede de correspondência, de modo que a resistência interna da antena e a impedância de entrada da parte do circuito de radiofrequência possam atingir a correspondência conjugada, então usamos um tipo L rede correspondente. Devido ao alto custo dos indutores integrados ao chip e à baixa precisão, usamos a indutância da antena como um indutor compatível para integrar o capacitor compatível ao chip. Após o cálculo, a impedância de entrada do circuito de radiofrequência é de cerca de (105-j406) Ω.
Figura 5 Diagrama de circuito equivalente SPICE do transponder e da antena
A Figura 6 é um diagrama esquemático do circuito de retroespalhamento. O circuito de retroespalhamento usa um capacitor variável para alterar a impedância do circuito de radiofrequência, enviando assim os dados do transponder para o interrogador RFID ou leitor de cartão. A capacitância variável é realizada pelo varactor MOS. No processo CMOS padrão, podemos usar a capacitância variável controlada por tensão da porta do tubo MOS para o substrato, e usar a porta do varator MOS como uma extremidade do capacitor e a extremidade da fonte Conecte-se com o terminal de drenagem como o outra extremidade do capacitor.
2.3 circuito demodulador AM
O circuito desmodulador AM é usado para restaurar a portadora modulada recebida em um sinal digital para processamento de banda base. O circuito de demodulação é composto por um circuito de detecção de envelope, um circuito de filtro e um comparador (conforme mostrado na Figura 7). O comparador usa o comparador de histerese para reduzir a taxa de erro de bit. O detector de envelope usa o mesmo circuito do retificador para extrair o sinal de envelope. O filtro passa-baixa é usado para eliminar sinais de ruído e ondulações na fonte de alimentação. Finalmente, o sinal de envelope é restaurado para um sinal digital na saída do comparador por meio do comparador de histerese.
Figura 7 Diagrama esquemático do desmodulador AM
2.4 Circuito de reinicialização de inicialização
O circuito de reinicialização de inicialização tem duas funções principais. Um é quando o transponder entra na área efetiva do interrogador ou leitor de cartão e a tensão da fonte de alimentação atingiu o potencial normal de trabalho, ele irá gerar um sinal de reset para todo o chip; a segunda é quando a tensão da fonte de alimentação cai repentinamente. Quando o circuito é reinicializado, ele pode evitar o mau funcionamento do circuito lógico. A Figura 8 é um diagrama de circuito de reinicialização de inicialização, o tempo de retardo de reinicialização de inicialização do circuito é de 10μs. Quando o tempo continua a aumentar de zero e excede a tensão pull-up 2.4 V, o tubo P MP1 e o tubo N MN1 são ligados primeiro, fazendo com que os potenciais dos pontos A e B aumentem gradualmente de 0 com o aumento de Yu, após a fase reversa As tensões de porta dos transistores MP2 e MN2 mudam linearmente com o aumento do VDD, então, no início, MN2 é ligado e MP2 é desligado, de modo que a tensão no ponto C é sempre 0 (reset efetivo) . Quando o VDD atinge um potencial mais alto, o potencial no ponto A também sobe para um certo nível ao mesmo tempo, fazendo com que o tubo MN2 seja cortado. Neste momento, o tubo MP2 é ligado e o potencial no ponto C aumenta rapidamente. Após vários níveis de buffers, um escravo é obtido. Saída lógica do sinal de transição 0 a 1, para que o circuito comece a funcionar normalmente. O cascateamento das etapas seguintes de buffers e cargas capacitivas visa obter um retardo de tempo de cerca de 10μs, ou seja, quando o VDD for maior que 2.4V e manter 10μs, o sinal de reset completa o salto, de modo a realizar a operação estável de o circuito. Os resultados da simulação são mostrados a seguir na Figura 9.
Figura 8 Diagrama esquemático do circuito de reinicialização
Figura 9 Resultados da simulação do circuito de reinicialização ao ligar
2.5 Oscilador local e circuito de geração de relógio
Ao contrário do transponder HF de 13.56 MHz, o transponder UHF de 915 MHz não pode obter um relógio local da frequência da portadora, mas só pode fornecer um relógio para a parte do circuito lógico digital por meio de um oscilador local de baixa potência embutido. A frequência do relógio pode aceitar um erro de ± 30% e a precisão da frequência do relógio não é alta, portanto, uma estrutura de oscilador relativamente simples pode ser usada para reduzir o consumo de energia do chip. Após a análise, decidimos usar um oscilador em anel composto de inversores totalmente diferenciais de numeração ímpar, que não apenas podem suprimir a mudança de tensão de modo comum, mas também podem obter boas características de supressão de fonte de alimentação. A Figura 10 é um diagrama esquemático do oscilador local e do circuito de geração de relógio. Após o teste de simulação, considerando todas as condições de temperatura, tensão da fonte de alimentação e alterações do ângulo do processo, a frequência de saída do circuito é de cerca de 250 kHz e seu erro de variação garante que a precisão da taxa de bits dos dados seja inferior a 15% do VDD. O desempenho não tem impacto e os requisitos de design do sistema são mais bem atendidos. A Figura 11 mostra o sinal de clock obtido por simulação.
Figura 10 Diagrama esquemático do oscilador local e circuito de geração de relógio
Figura 11 Sinal do relógio obtido por simulação
3 Resultados e análises de teste
O chip de circuito de radiofrequência adota o processo Chartered 0.35μm 2P4M CMOS que suporta diodo Schottky e EEPROM para tapeout. A área do chip do circuito principal sem blocos de E / S (PAD) é 300μm × 720μm. Exceto para os dois PADs usados para conectar a antenas externas, os PADs restantes são usados para teste de funcionamento do chip. A Figura 12 é o diagrama de forma de onda obtido após o chip do circuito de radiofrequência ser conectado à antena externa e o leitor de cartão ser testado para comunicação. O teste é realizado usando o leitor de cartão RFID THM6BC1-915 UHF da Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. que atende o padrão ISO / IEC 18000-6B. A Figura 12 (a) é a forma de onda VDD obtida pelo retificador e circuito regulador de tensão após receber o sinal de radiofrequência transmitido pelo leitor de cartão. O valor médio é 3.3 V, e há apenas uma ondulação menor que 20 mV, o que está bem satisfeito. Os requisitos do índice de projeto foram atendidos. A Figura 12 (b) mostra o sinal digital enviado pelo leitor de cartões obtido pela demodulação do chip do circuito RF. Após o teste, quando o EIRP é 4W (36dBm) e o ganho da antena é OdB, o chip do circuito de radiofrequência funciona a 915MHz, a distância de leitura é maior que 3m e a corrente de trabalho é menor que 8μA.
Figura 12 Diagrama de forma de onda de teste do chip de circuito de RF
Conclusão 4
Este artigo propõe um circuito de radiofrequência de chip transponder RFID UHF passivo de alto desempenho e baixa potência que atende ao padrão ISO / IEC 18000-6B. O circuito de radiofrequência funciona a 915 MHz e não possui componentes externos além da antena. Ele usa diodos Schottky. O retificador recebe energia do campo eletromagnético de radiofrequência. O processo 0.35P2M CMQS fretado de 4μm que suporta diodos Schottky e EEPROM é usado para tapeout, e sua área central é 300μm × 720μm. O circuito de radiofrequência RFID inclui vários módulos principais, como oscilador local, circuito de geração de relógio, circuito de reset, rede de correspondência e circuito de retroespalhamento, retificador, regulador de tensão e demodulador AM. Este texto projeta e otimiza cada circuito do módulo, projeta o circuito de frequência de rádio de baixo consumo de energia que está de acordo com o requisito padrão. O teste foi realizado com um leitor de cartão RFID THM6BC1-915Y2 UHF em conformidade com o padrão ISO / IEC 18000-6B. Os resultados do teste mostram que a distância de leitura é superior a 3m e o resultado satisfaz os requisitos de índice do sistema de transponder UHF RFID passivo.
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