Passiivisten UHF-RFID-tunnisteiden piirisuunnitteluanalyysi

Korkean toimintataajuutensa, pitkän luku-kirjoitusetäisyyden, ulkoisen virtalähteen puuttumisen ja alhaisten valmistuskustannusten ansiosta passiivisista UHF-RFID-tunnisteista on tullut yksi RFID-tutkimuksen avainsuunnista ja niistä voi lähitulevaisuudessa tulla RFID-alan valtavirtatuotteita. .

Täydellinen UHF-passiivinen RFID-tunniste koostuu antennista ja tag-sirusta. Niiden joukossa tag-siru sisältää yleensä seuraavat piirin osat: tehonpalautuspiiri, virtalähteen jännitteen stabilointipiiri, takaisinsirontamodulaatiopiiri, demodulointipiiri, kellon erotus-/generointipiiri, käynnistyssignaalin generointipiiri, referenssilähteen generointipiiri, ohjausyksikkö , muisti. Passiivisen RFID-tunnistesirun toimimiseen tarvittava energia saadaan kokonaan kortinlukijan tuottaman sähkömagneettisen aallon energiasta. Siksi tehonpalautuspiirin on muutettava tunnisteantennin indusoima UHF-signaali tasajännitteeksi, joka tarvitaan sirun toimimiseen. antaa energiaa.

Koska sähkömagneettinen ympäristö, jossa RFID-tunnisteet sijaitsevat, on erittäin monimutkainen, tulosignaalin teho voi vaihdella satoja tai jopa tuhansia kertoja. Siksi, jotta siru toimisi normaalisti eri kenttävoimakkuuksilla, on suunniteltava luotettava virtalähteen jännitteen stabilointipiiri. . Modulaatio- ja demodulaatiopiiri on avainpiiri tunnisteen ja kortinlukijan välisessä tiedonsiirrossa. Tällä hetkellä useimmat UHF RFID -tunnisteet käyttävät ASK-modulaatiota. RFID-tunnisteen ohjausyksikkö on digitaalinen piiri, joka käsittelee ohjeita. Jotta digitaalinen piiri nollautuisi oikein sen jälkeen, kun tunniste on tullut kortinlukijan kenttään, on kortinlukijan ohjeiden mukaisesti suunniteltava luotettava käynnistyssignaalin generointipiiri, joka tarjoaa nollaussignaalin digitaaliselle yksikölle.

virranpalautuspiiri

Tehonpalautuspiiri muuntaa RFID-tunnisteantennin vastaanottaman UHF-signaalin tasajännitteeksi tasasuuntauksen ja tehostuksen avulla, jotta siru voi toimia. Tehonpalautuspiireille on olemassa monia mahdollisia piirikonfiguraatioita. Kuten kuvasta näkyy, useita tällä hetkellä yleisesti käytettyjä tehonpalautuspiirejä.

Näissä tehonpalautuspiireissä ei ole optimaalista piirirakennetta, ja jokaisella piirillä on omat etunsa ja haittansa. Eri kuormitusolosuhteissa, erilaisissa tulojänniteolosuhteissa, erilaisissa lähtöjännitevaatimuksissa ja käytettävissä olevissa prosessiolosuhteissa eri piirit on valittava optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Kuvassa 2(a) esitetyssä monivaiheisessa diodijännitteen tuplauspiirissä käytetään yleisesti Schottky-sulkudiodeja. Sen etuna on korkean jännitteen kaksinkertaistustehokkuus ja pieni tulosignaalin amplitudi, ja sitä käytetään laajalti. Yleisvalimon yleinen CMOS-prosessi ei kuitenkaan tarjoa Schottky-sulkudiodeja, mikä aiheuttaa ongelmia suunnittelijalle prosessin valinnassa. Kuvassa 2(b) Schottky-diodi korvataan diodiksi kytketyllä PMOS-putkella, mikä välttää prosessin erityisvaatimukset. Tämän rakenteen omaava jännitteen kaksinkertaistuspiiri tarvitsee suuremman tulosignaalin amplitudin, ja sillä on parempi jännitteen kaksinkertaistusteho, kun lähtöjännite on korkeampi. Kuva 2(c) on perinteinen diodi-täysaaltotasasuuntauspiiri. Verrattuna Dickson-jännitteen kaksinkertaistuspiiriin jännitteen kaksinkertaistusteho on parempi, mutta diodielementtejä on enemmän ja tehon muunnostehokkuus on yleensä hieman pienempi kuin Dicksonin jännitteen tuplauspiiri. Lisäksi, koska sen antennin tuloliitin on erotettu sirun maadosta, se on täysin symmetrinen rakenne, jossa kondensaattori estää DC:n antennin tuloliittimestä sirulle katsottuna, mikä estää sirun maan ja antennin keskinäisen vaikutuksen. sopii käytettäväksi symmetristen antennien (kuten parillisen napaantennin) kanssa. Kuva 2(d) on monien kirjallisuuksien ehdottama täysaaltotasasuuntauspiirin CMOS-putkiratkaisu. Rajoitetun tekniikan tapauksessa voidaan saavuttaa parempi tehonmuunnostehokkuus ja vaatimukset tulosignaalin amplitudille ovat suhteellisen alhaiset.

Yleisten passiivisten UHF RFID -tunnisteiden käytössä kustannussyistä sirupiirin toivotaan soveltuvan tavallisen CMOS-tekniikan valmistukseen. Pitkän matkan lukemisen ja kirjoittamisen vaatimus asettaa korkeampia vaatimuksia tehonpalautuspiirin tehonmuunnosteholle. Tästä syystä monet suunnittelijat käyttävät standardia CMOS-Tekniikkaa Schottky-sulkudiodien toteuttamiseen, jotta monivaiheista Dickson-jännitteen tuplauspiirin rakennetta voidaan kätevästi käyttää tehonmuunnosten suorituskyvyn parantamiseen. Kuva 3 on kaaviokuva yleisellä CMOS-prosessilla valmistetun Schottky-diodin rakenteesta. Suunnittelussa Schottky-diodit voidaan valmistaa ilman pr-muutostaocess vaiheet ja maskin luontisäännöt, ja sinun tarvitsee tehdä vain joitain muutoksia asetteluun.

Useiden Schottky-diodien asettelu, jotka on suunniteltu UMC 0,18um CMOS-prosessilla. Niiden DC-ominaiskäyrät on esitetty kuvassa 5. DC-ominaisuuksien testituloksista voidaan nähdä, että vakio-CMOS-prosessilla valmistetulla Schottky-diodilla on tyypilliset diodiominaisuudet, ja käynnistysjännite on vain noin 0,2 V. joka sopii erittäin hyvin RFID-tunnisteille.

Tehonsäätimen piiri

Kun tulosignaalin amplitudi on korkea, virtalähteen jännitteen stabilointipiirin on kyettävä varmistamaan, että ulostulon tasavirtalähdejännite ei ylitä suurinta jännitettä, jonka siru voi kestää; samalla kun tulosignaali on pieni, jännitteen stabilointipiirin kuluttaman tehon tulee olla mahdollisimman pieni. Sirun kokonaisvirrankulutuksen vähentämiseksi.

Jännitteensäätöperiaatteen näkökulmasta jännitteensäätöpiirin rakenne voidaan jakaa kahteen tyyppiin: rinnakkainen jännitteensäätöpiiri ja sarja jännitteensäätöpiiri.

RFID-tunnistesirussa täytyy olla energian varastointikondensaattori, jolla on suuri kapasitanssiarvo, jotta se tallentaa tarpeeksi varausta, jotta tunniste vastaanottaa modulaatiosignaalin, ja syöttöenergia voi silti olla sillä hetkellä, kun syöttöenergia on pieni (esim. hetkenä, jolloin OOK-modulaatiossa ei ole kantoaaltoa). , ylläpitämään sirun virtalähdejännitettä. Jos syöttöenergia on liian korkea ja virransyöttöjännite nousee tietylle tasolle, jännitteen stabilointipiirin jänniteanturi ohjaa vuotolähdettä vapauttaakseen ylimääräisen varauksen energian varastointikondensaattorista jännitteen tarkoituksen saavuttamiseksi. vakauttaminen. Kuva 7 on yksi rinnakkaisista jännitteensäädinpiireistä. Kolme sarjaan kytkettyä diodia D1, D2, D3 ja vastus R1 muodostavat jänniteanturin ohjaamaan bleederin M1 hilajännitettä. Kun tehonsyöttöjännite ylittää kolmen diodin käynnistysjännitteiden summan, M1:n hilajännite nousee, M1 kytkeytyy päälle ja alkaa purkaa energiaa varastoivaa kondensaattoria C1.

Toisen tyyppisen jännitteen stabilointipiirin periaate on käyttää sarjassa olevaa jännitteen stabilointijärjestelmää. Sen kaaviokuva on esitetty kuvassa 8. Referenssijännitelähde on suunniteltu syöttöjännitteestä riippumattomaksi referenssilähteeksi. Lähtöjännite jaetaan vastuksella ja sitä verrataan referenssijännitteeseen, ja eroa vahvistetaan operaatiovahvistimella M1-putken hilapotentiaalin ohjaamiseksi niin, että lähtöjännite ja referenssilähde pysyvät periaatteessa samana vakaana. osavaltio.

Tämä sarjajännitesäädinpiiri voi tuottaa tarkemman virtalähteen jännitteen, mutta koska M1-putki on kytketty sarjaan säätelemättömän virtalähteen ja säädetyn teholähteen välillä, kun kuormitusvirta on suuri, M1-putken jännitehäviö aiheuttaa korkeampi jännite. tehohäviö. Siksi tätä piirirakennetta sovelletaan yleensä merkkipiireihin, joissa on pienempi tehonkulutus.

Modulaatio- ja demodulaatiopiiri

a. Demodulaatiopiiri

Sirualueen ja virrankulutuksen vähentämiseksi useimmat passiiviset RFID-tunnisteet käyttävät tällä hetkellä ASK-modulaatiota. Tunnussirun ASK-demodulointipiirissä yleisesti käytetty demodulointimenetelmä on verhokäyrän ilmaisumenetelmä, kuten kuviossa 1 on esitetty. 9 .

Verhokäyrän tunnistusosan ja tehonpalautusosan jännitteen kaksinkertaistuspiiri on periaatteessa sama, mutta suurta kuormitusvirtaa ei tarvitse tarjota. Vuotovirtalähde on kytketty rinnan verhokäyrän tunnistuspiirin viimeisessä vaiheessa. Kun tulosignaali moduloidaan, tuloenergia pienenee ja vuotolähde vähentää verhokäyrän lähtöjännitettä, jotta seuraava vertailupiiri voi arvioida modulaatiosignaalin. RF-tulosignaalin suuren energiavaihtelualueen vuoksi vuotolähteen virtaa on säädettävä dynaamisesti sopeutumaan eri kenttävoimakkuuksien muutoksiin lähi- ja kaukokentässä. Esimerkiksi jos vuotovirtalähteen virta on pieni, se voi täyttää vertailijan tarpeet, kun kentänvoimakkuus on heikko, mutta kun tunniste on lähikentässä vahvalla kentänvoimakkuudella, vuotovirta ei riitä tehdä havaittu signaali Jos amplitudi muuttuu suureksi, vaiheen jälkeinen komparaattori ei voi toimia normaalisti. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää kuviossa 10 esitettyä vuotolähderakennetta.

Kun tulokantoaaltoa ei moduloida, ilmausputken M1 hilapotentiaali on sama kuin nielupotentiaali muodostaen diodilla kytketyn NMOS-putken, joka puristaa verhokäyrälähdön lähelle M1:n kynnysjännitettä. The M1:n kulutettu teho on tasapainotettu; kun tulokantoaaltoa moduloidaan, sirun tuloenergia pienenee, ja tällä hetkellä viivepiirin R1 ja C1 vaikutuksesta M1:n hilapotentiaali pysyy alkuperäisellä tasolla ja M1 vuotaa Vapautunut virta pysyy muuttumattomana , mikä saa verhokäyrän lähtösignaalin amplitudin pienenemään nopeasti; samoin kantoaallon palauttamisen jälkeen R1:n ja C1:n viive saa verhokäyrän lähdön nopeasti palaamaan alkuperäiselle korkealle tasolle. Tällä piirirakenteella ja valitsemalla R1:n, C1:n ja M1:n koko järkevästi voidaan demodulaatiotarpeet täyttää eri kenttävoimakkuuksilla. Verhokäyrälähdön taakse kytketylle komparaattoripiirille on myös monia vaihtoehtoja, ja yleisimmin käytettyjä ovat hystereesikomparaattori ja operaatiovahvistin.

b. Modulaatiopiiri

Passiiviset UHF RFID -tunnisteet käyttävät yleensä takaisinsirontamodulaatiomenetelmää, toisin sanoen muuttamalla sirun tuloimpedanssia muuttaakseen sirun ja antennin välistä heijastuskerrointa modulaation tarkoituksen saavuttamiseksi. Yleensä antennin impedanssi ja sirun tuloimpedanssi on suunniteltu siten, että se on lähellä tehonsovitusta, kun sitä ei moduloida, ja heijastuskerroin kasvaa, kun sitä moduloidaan. Yleisesti käytetty takaisinsirontamenetelmä on kytkeä kondensaattori kytkimellä rinnakkain antennin kahden tulopään väliin, kuten kuvassa 11, modulaatiosignaali määrittää, onko kondensaattori kytketty sirun tulopäähän kytkintä ohjaamalla. , mikä muuttaa sirun tuloimpedanssia.

käynnistä signaalin generointipiiri

Tehonkäynnistyksen nollaussignaalin generointipiirin tehtävänä RFID-tunnisteessa on antaa palautussignaali digitaalisen piirin käynnistystä varten, kun tehonpalautus on valmis. Sen suunnittelussa on otettava huomioon seuraavat seikat: Jos virtalähteen jännite nousee liian kauan, nollaussignaalin korkean tason amplitudi on alhainen, mikä ei voi vastata digitaalisen piirin nollauksen tarpeita; käynnistyssignaalin generointipiiri on herkempi tehonvaihteluille, se voi aiheuttaa toimintahäiriöitä; staattisen virrankulutuksen tulee olla mahdollisimman pieni.

Yleensä sen jälkeen, kun passiivinen RFID-tunniste tulee kenttään, virtalähteen jännitteen nousuaika on epävarma ja voi olla hyvin pitkä. Tämä edellyttää käynnistyssignaalin generointipiirin suunnittelua, joka tuottaa käynnistyssignaalin sillä hetkellä, joka liittyy tehonsyöttöjännitteeseen. Kuvio 12 esittää yleistä käynnistyssignaalin generointipiiriä.

Sen perusperiaate on käyttää vastuksesta R0 ja NMOS-transistorista M1 muodostuvaa haaraa suhteellisen kiinteän jännitteen Va kehittämiseen. Kun teholähdejännite vdd ylittää NMOS-transistorin kynnysjännitteen, Va jännite pysyy periaatteessa ennallaan. Kun vdd jatkaa nousuaan, kun syöttöjännite saavuttaa Va+|Vtp|, PMOS-transistori M0 kytketään päälle saadakseen Vb:n nousemaan, ja ennen sitä Vb on ollut matalalla tasolla, koska M0 on katkaistu. Tämän piirin suurin ongelma on staattinen tehohäviö. Ja koska MOS-transistorin kynnysjännite vaihtelee suuresti CMOS-prosessin alaisen prosessin mukaan, prosessipoikkeama vaikuttaa siihen helposti. Siksi pn-liitosdiodin käyttäminen käynnistysjännitteen generoimiseen vähentää suuresti prosessin epävarmuutta, kuten kuviossa 1 on esitetty. 13.

Kun VDD nousee kahden pn-liitosdiodin käynnistysjännitteeseen, PMOS-transistorin M0 hila on yhtä suuri kuin tehonsyöttöjännite ja PMOS-transistori kytkeytyy pois päältä. Tällä hetkellä kondensaattorin C1 jännite on matalalla tasolla. Kun VDD nousee kahden diodin kynnysjännitteen yläpuolelle, M0 alkaa johtaa, kun taas M1:n hilajännite pysyy ennallaan, M1:n läpi kulkeva virta pysyy muuttumattomana ja kondensaattorin C1 jännite kasvaa vähitellen. Kun se nousee käänteiseen vaiheeseen Kun laite kääntyy, syntyy käynnistyssignaali. Siksi aika, jonka tämä piiri tuottaa käynnistyssignaalin, riippuu siitä, saavuttaako virtalähdejännite kahden diodin kynnysjännitteen, jolla on korkea stabiilisuus ja vältetään yleisen käynnistyspiirin ennenaikainen käynnistyssignaali, kun virtalähdejännite nousee. liian hitaasti. Ongelma.

Jos syöttöjännite nousee liian nopeasti, vastusten R1 ja M0 hilakapasitanssi muodostaa alipäästöviivepiirin, jolloin M0:n hilajännite ei pysty nopeasti pysymään syöttöjännitteen muutoksen tahdissa ja pysyy matala taso. Tällä hetkellä M0 lataa kondensaattorin C1, jolloin piiri ei toimi oikein. Tämän ongelman ratkaisemiseksi otetaan käyttöön kondensaattori C5. Jos syöttöjännite nousee nopeasti, kondensaattorin C5 kytkentävaikutus voi pitää M0:n hilapotentiaalin yhdenmukaisena tehonsyöttöjännitteen kanssa välttäen tedellä mainittujen ongelmien esiintyminen.

Staattisen virrankulutuksen ongelma on edelleen olemassa tässä piirissä ja staattisen virrankulutuksen vaikutusta voidaan vähentää lisäämällä vastusarvoa ja valitsemalla MOS-putken koko järkevästi. Staattisen virrankulutuksen ongelman ratkaisemiseksi täydellisesti on tarpeen suunnitella ylimääräinen takaisinkytkentäohjauspiiri, joka sammuttaa tämän osan piiristä käynnistyssignaalin synnyttyä. Erityistä huomiota on kuitenkin kiinnitettävä palautteen käyttöönoton aiheuttamaan epävakauteen.

Passiivisten UHF RFID -sirujen suunnitteluvaikeus liittyy siihen, kuinka sirun luku- ja kirjoitusetäisyyttä voidaan lisätä ja tunnisteen valmistuskustannuksia pienentää. Siksi virranpalautuspiirin tehokkuuden parantaminen, koko sirun virrankulutuksen vähentäminen ja luotettava toiminta ovat edelleen tärkeimpiä haasteita RFID-tunnistesirujen suunnittelussa.