Circuito de radiofrecuencia de chip transpondedor de identificación de radiofrecuencia pasiva de frecuencia ultra alta de bajo consumo

Este documento propone un circuito de radiofrecuencia de chip transpondedor de identificación por radiofrecuencia (RFID) pasivo de baja potencia y alto rendimiento que cumple con la norma ISO / IEC18000-6B. El circuito de radiofrecuencia no tiene componentes externos excepto la antena, y recibe energía del campo electromagnético de radiofrecuencia a través de un rectificador de diodo Schottky.

Ingeniero de redes entusiastas de la electrónica • Fuente: Acabado del sitio • Autor: Anónimo • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Leído 0 veces

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　　La identificación por radiofrecuencia (RFID) es una tecnología de identificación automática que surgió en la década de 1990. La tecnología RFID tiene una variedad de ventajas que la tecnología de códigos de barras no tiene y tiene una amplia gama de aplicaciones. Se puede aplicar a tarjetas de identificación ciudadana de segunda generación, tarjeta de ciudad, transacciones financieras, gestión de la cadena de suministro, tarifas de publicación electrónica (ETC), control de acceso, gestión de equipaje del aeropuerto, transporte público, identificación de contenedores, gestión de ganado, etc. Es muy importante dominar la tecnología de fabricación de chips RFID. En la actualidad, la demanda de aplicaciones cada vez mayor plantea requisitos más altos en chips RFID, que requieren mayor capacidad, menor costo, menor volumen y mayor velocidad de datos. De acuerdo con esta situación, este artículo propone un circuito de radiofrecuencia de chip transpondedor UHF UHF RFID pasivo de larga distancia y baja potencia.

Las frecuencias de trabajo comunes de RFID incluyen baja frecuencia 125kHz, 134.2kHz, alta frecuencia 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, microondas 2.45GHz, 5.8GHz, etc. Porque el sistema de baja frecuencia 125kHz, 134.2kHz, alta frecuencia 13.56MHz usa bobinas como antenas y utiliza inductores. La distancia de trabajo es relativamente corta, generalmente no más de 1.2 m, y el ancho de banda está limitado a varios kilohercios en Europa y otras regiones. Sin embargo, UHF (860 ~ 93Uh1Hz) y microondas (2.45 GHz, 5.8 GHz) pueden proporcionar una mayor distancia de trabajo, una mayor velocidad de datos y un tamaño de antena más pequeño, por lo que se ha convertido en un campo de investigación candente de RFID.

　　 El chip de circuito de RF propuesto en este documento se graba utilizando el proceso Chartered 0.35μm 2P4M CM0S que admite diodos Schottky y memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM). Los diodos Schottky tienen menor resistencia en serie y voltaje directo, y pueden proporcionar una mayor eficiencia de conversión al convertir la energía de la señal de entrada de RF recibida en una fuente de alimentación de CC, lo que reduce el consumo de energía. Cuando la potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) es de 4 W (36 dBm) y la ganancia de la antena es de 0 dB, el chip del circuito de radiofrecuencia funciona a 915 MHz, la distancia de lectura es superior a 3 my la corriente de trabajo es inferior a 8 μA.

　　1 estructura de circuito de RF

　　 La Figura 1 es el diagrama del sistema de chip del transpondedor UHF RF1D, que incluye principalmente circuitos de radiofrecuencia, circuitos de control lógico y EEPROM. Entre ellos, la parte del circuito de radiofrecuencia se puede dividir en los siguientes módulos del circuito principal: oscilador local y circuito de generación de reloj, circuito de reinicio de encendido, fuente de referencia de voltaje, red de adaptación y circuito de retrodispersión, rectificador, regulador de voltaje y modulación de amplitud (AM ) Demodulador, etc. No hay componentes externos excepto la antena, y la parte de la antena adopta una estructura de dipolo y se empareja con la impedancia de entrada del rectificador a través de una red de adaptación, como la única fuente de energía para todo el chip. El modelo equivalente se muestra en la Figura 2. La parte real de la impedancia de una antena dipolo consta de dos partes, Rra y Rloss, donde Rra es la impedancia de radiación de la antena dipolo, que es inherente a la antena dipolo, generalmente 73Ω, que representa la capacidad de la antena para irradiar ondas electromagnéticas hacia el exterior; Rloss La resistencia óhmica del metal utilizado para hacer la antena generalmente solo genera calor. La parte imaginaria X de la impedancia de la antena es generalmente positiva. Esto se debe a que la antena es generalmente inductiva hacia el exterior. La magnitud de la inductancia equivalente depende generalmente de la estructura topológica de la antena y del material del sustrato. El rectificador convierte la potencia de la señal de entrada de RF acoplada en el voltaje de CC requerido por el chip. El regulador de voltaje estabiliza el voltaje de CC a un cierto nivel y limita la amplitud del voltaje de CC para proteger el chip de averías debido a un voltaje excesivo. El demodulador AM se utiliza para extraer la señal de datos correspondiente de la señal portadora recibida. El circuito de retrodispersión utiliza un condensador variable para cambiar la impedancia del circuito de radiofrecuencia, enviando así los datos del transpondedor al interrogador RFID o lector de tarjetas. El circuito de reinicio de encendido se utiliza para generar una señal de reinicio para todo el chip. A diferencia del transpondedor de alta frecuencia (HF) de 13.56 MHz, el transpondedor de UHF de 915 MHz no puede obtener un reloj local de la frecuencia portadora, sino que solo puede proporcionar un reloj para la parte del circuito lógico digital a través de un oscilador local de baja potencia incorporado. Todos estos módulos de circuitos se describirán en detalle a continuación uno por uno.

Figura 1 Diagrama del sistema de chip del transpondedor UHF RF1D

2 Modelo eléctrico equivalente de antena transpondedor

2 Diseño y análisis de circuitos

　　2.1 Circuito rectificador y regulador

　　 En este artículo, se utiliza una bomba de carga Dickson compuesta de diodos Schottky como circuito rectificador. El diagrama esquemático del circuito se muestra en la Figura 3. Esto se debe a que los diodos Schottky tienen menor resistencia en serie y capacitancia de unión, y pueden proporcionar una mayor eficiencia de conversión al convertir la energía de la señal de entrada de RF recibida en una fuente de alimentación de CC, lo que reduce el consumo de energía. Todos los diodos Schottky están conectados entre sí por condensadores de poli-poli. El capacitor vertical se carga y almacena en el semiciclo negativo del voltaje de entrada Vin, y el capacitor horizontal se carga y almacena en el semiciclo positivo de Vin, generando así CC de alto voltaje, el voltaje resultante es:

　　VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)

　　 Vp, RF son la amplitud de la señal de radiofrecuencia de entrada, Vf, D son el voltaje directo del diodo Schottky yn es el número de etapas de bomba de carga utilizadas.

Figura 4 Diagrama de circuito del regulador de voltaje

2.2 Red coincidente y circuito de retrodispersión

　　 A diferencia del transpondedor HF de 13.56 MHz, el transpondedor RFID de banda UHF utiliza una antena dipolo. La Figura 5 es un diagrama de circuito equivalente SPICE (programa de simulación con énfasis en circuito integrado) del transpondedor y la antena. En este modelo de circuito SPICE equivalente, la señal portadora de RF recibida es Vs, la impedancia de la antena es Zs = Rs + jXL, que se puede considerar como la resistencia interna de la fuente de voltaje Vs y la impedancia de entrada equivalente del chip transpondedor es ZL = RL-jXL. Por tanto, cuando ZL = Zs *, la impedancia coincide y la transmisión de potencia es máxima. En el caso del emparejamiento de impedancia, desde la perspectiva del transpondedor con antena, la impedancia obtenida debe ser Z = 2RL, por lo que obtenemos la relación entre la potencia de recepción Pre y la oscilación de voltaje VS como lado:

Entonces, la entrada de Vin de oscilación de voltaje a ambos extremos del chip es:

Para lograr la adaptación de impedancia, el circuito también debe realizar la transformación de impedancia en la red de adaptación, de modo que la resistencia interna de la antena y la impedancia de entrada de la parte del circuito de radiofrecuencia puedan lograr una adaptación conjugada, por lo que utilizamos un tipo L red coincidente. Debido al alto costo de los inductores integrados en el chip y la baja precisión, utilizamos la inductancia de la antena como un inductor coincidente para integrar el condensador correspondiente en el chip. Después del cálculo, la impedancia de entrada del circuito de radiofrecuencia es de aproximadamente (105-j406) Ω.

Figura 5 Diagrama de circuito equivalente de SPICE de transpondedor y antena

La figura 6 es un diagrama esquemático del circuito de retrodispersión. El circuito de retrodispersión utiliza un condensador variable para cambiar la impedancia del circuito de radiofrecuencia, enviando así los datos del transpondedor al interrogador RFID o lector de tarjetas. La capacitancia variable se realiza mediante varactor MOS. En el proceso CMOS estándar, podemos usar la capacitancia variable controlada por voltaje desde la puerta del tubo MOS al sustrato, y usar la puerta del varactor MOS como un extremo del capacitor y el extremo de la fuente Conectar con el terminal de drenaje como el otro extremo del condensador.

Circuito demodulador de 2.3 AM

El circuito demodulador de AM se utiliza para restaurar la portadora modulada recibida en una señal digital para el procesamiento de banda base. El circuito de demodulación está compuesto por un circuito de detección de envolvente, un circuito de filtro y un comparador (como se muestra en la Figura 7). El comparador utiliza el comparador de histéresis para reducir la tasa de errores de bits. El detector de envolvente utiliza el mismo circuito que el rectificador para extraer la señal de envolvente. El filtro de paso bajo se utiliza para eliminar las señales de ruido y las ondulaciones en la fuente de alimentación. Finalmente, la señal de envolvente se restaura a una señal digital en la salida del comparador a través del comparador de histéresis.

Figura 7 Diagrama esquemático del demodulador AM

2.4 Circuito de reinicio de encendido

El circuito de reinicio de encendido tiene dos funciones principales. Una es que cuando el transpondedor ingresa al área efectiva del interrogador o lector de tarjetas y el voltaje de la fuente de alimentación ha alcanzado el potencial de trabajo normal, generará una señal de reinicio para todo el chip; el segundo es cuando el voltaje de la fuente de alimentación cae repentinamente. Cuando se restablece el circuito, puede evitar que el circuito lógico funcione mal. La figura 8 es un diagrama de circuito de reinicio de encendido, el tiempo de retardo de reinicio de encendido del circuito es de 10 μs. Cuando el tiempo continúa aumentando desde cero y excede el voltaje de pull-up 2.4V, el tubo P MP1 y el tubo N MN1 se encienden primero, haciendo que los potenciales de los puntos A y B aumenten gradualmente desde 0 con el aumento de Yu, después de la fase inversa Los voltajes de puerta de los transistores MP2 y MN2 cambian linealmente con el aumento de VDD, por lo que al principio, MN2 se enciende y MP2 se apaga, de modo que el voltaje en el punto C es siempre 0 (reinicio efectivo) . Cuando VDD alcanza un potencial más alto, el potencial en el punto A también se eleva a un cierto nivel al mismo tiempo, haciendo que el tubo MN2 se corte. En este momento, el tubo MP2 se enciende y el potencial en el punto C aumenta rápidamente. Después de varios niveles de búfer, se obtiene un esclavo. Salida de señal de transición lógica 0 a 1, para que el circuito comience a funcionar normalmente. La cascada de las siguientes etapas de búferes y cargas capacitivas es para obtener un retardo de tiempo de aproximadamente 10 μs, es decir, cuando VDD es superior a 2.4 V y mantiene 10 μs, la señal de reinicio completa el salto, para realizar el funcionamiento estable de el circuito. Los resultados de la simulación son los siguientes: se muestran en la Figura 9.

Figura 8 Diagrama esquemático del circuito de reinicio de encendido

Figura 9 Resultados de la simulación del circuito de reinicio de encendido

2.5 Circuito de generación de reloj y oscilador local

A diferencia del transpondedor HF de 13.56MHz, el transpondedor UHF de 915MHz no puede obtener un reloj local de la frecuencia portadora, pero solo puede proporcionar un reloj para la parte del circuito lógico digital a través de un oscilador local de baja potencia incorporado. La frecuencia del reloj puede aceptar un error de ± 30% y la precisión de la frecuencia del reloj no es alta, por lo que se puede utilizar una estructura de oscilador relativamente simple para reducir el consumo de energía del chip. Después del análisis, decidimos utilizar un oscilador de anillo compuesto por inversores totalmente diferenciales de número impar, que no solo pueden suprimir bien el cambio de voltaje en modo común, sino que también pueden obtener buenas características de supresión de la fuente de alimentación. La figura 10 es un diagrama esquemático del oscilador local y el circuito de generación de reloj. Después de la prueba de simulación, considerando las condiciones completas de temperatura, voltaje de la fuente de alimentación y cambios de ángulo de proceso, la frecuencia de salida del circuito es de aproximadamente 250 kHz, y su error de variación asegura que la precisión de la tasa de bits de los datos sea menor al 15% de VDD. El rendimiento no tiene ningún impacto y los requisitos de diseño del sistema se cumplen mejor. La figura 11 muestra la señal de reloj obtenida por simulación.

Figura 10 Diagrama esquemático del circuito de generación de reloj y oscilador local

Figura 11 Señal de reloj obtenida por simulación

3 Resultados de la prueba y análisis

　　 El chip de circuito de radiofrecuencia adopta el proceso Chartered 0.35μm 2P4M CMOS que admite diodo Schottky y EEPROM para tapeout. El área del chip del circuito central sin almohadillas de E / S (PAD) es de 300 μm × 720 μm. A excepción de los dos PAD utilizados para conectarse a antenas externas, los PAD restantes se utilizan para pruebas de funcionamiento de chips. La Figura 12 es el diagrama de forma de onda obtenido después de que el chip del circuito de radiofrecuencia se conecta a la antena externa y se prueba la comunicación del lector de tarjetas. La prueba se lleva a cabo utilizando el lector de tarjetas RFID THM6BC1-915 UHF de Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd. que cumple con el estándar ISO / IEC 18000-6B. La figura 12 (a) es la forma de onda VDD obtenida por el circuito rectificador y regulador de voltaje después de recibir la señal de radiofrecuencia transmitida por el lector de tarjetas. El valor medio es de 3.3 V y solo hay una ondulación inferior a 20 mV, lo que está bien satisfecho. Se cumplen los requisitos del índice de diseño. La figura 12 (b) muestra la señal digital enviada por el lector de tarjetas obtenida por la demodulación del chip del circuito de RF. Después de la prueba, cuando el EIRP es 4W (36dBm) y la ganancia de la antena es OdB, el chip del circuito de radiofrecuencia funciona a 915MHz, la distancia de lectura es mayor a 3m y la corriente de trabajo es menor a 8μA.

Figura 12 Diagrama de forma de onda de prueba del chip de circuito de RF

Conclusión 4

Este documento propone un circuito de radiofrecuencia de chip transpondedor UHF RFID pasivo de alto rendimiento y baja potencia que cumple con la norma ISO / IEC 18000-6B. El circuito de radiofrecuencia funciona a 915MHz y no tiene componentes externos más que la antena. Utiliza diodos Schottky. El rectificador recibe energía del campo electromagnético de radiofrecuencia. El proceso fletado de 0.35 μm 2P4M CMQS que admite diodos Schottky y EEPROM se utiliza para la salida de cinta, y su área central es de 300 μm × 720 μm. El circuito de radiofrecuencia RFID incluye varios módulos principales, como oscilador local, circuito de generación de reloj, circuito de reinicio, red de adaptación y circuito de retrodispersión, rectificador, regulador de voltaje y demodulador de AM. Este texto diseña y optimiza el circuito de cada módulo, diseña el circuito de radiofrecuencia de bajo consumo de energía que cumple con el requisito estándar. La prueba se realizó con un lector de tarjetas RFID UHF THM6BC1-915Y2 que cumple con la norma ISO / IEC 18000-6B. Los resultados de la prueba muestran que la distancia de lectura es superior a 3 m, y el resultado satisface los requisitos de índice del sistema de transpondedor RFID UHF pasivo.