Anàlisi de disseny de circuits d'etiquetes RFID passives UHF

A causa de la seva alta freqüència de funcionament, llarga distància de lectura-escriptura, sense font d'alimentació externa i baix cost de fabricació, les etiquetes RFID passives UHF s'han convertit en una de les direccions clau de la investigació RFID i poden convertir-se en productes principals en el camp RFID en un futur proper. .

Una Etiqueta RFID passiva UHF completa consta d'antena i xip d'etiqueta. Entre ells, el xip d'etiqueta inclou generalment les següents parts del circuit: circuit de recuperació d'energia, circuit d'estabilització de la tensió d'alimentació, circuit de modulació de retrodispersió, circuit de demodulació, circuit d'extracció/generació de rellotge, circuit de generació de senyal d'arrencada, circuit generador de font de referència, unitat de control , memòria. L'energia necessària perquè funcioni el xip de l'etiqueta RFID passiu es deriva completament de l'energia de l'ona electromagnètica generada pel lector de targetes. Per tant, el circuit de recuperació d'energia ha de convertir el senyal UHF induït per l'antena de l'etiqueta en la tensió de CC necessària perquè el xip funcioni. proporcionar energia.

Com que l'entorn electromagnètic en què es troben les etiquetes RFID és molt complex, la potència del senyal d'entrada pot variar centenars o fins i tot milers de vegades. Per tant, perquè el xip funcioni amb normalitat en diferents intensitats de camp, s'ha de dissenyar un circuit d'estabilització de tensió d'alimentació fiable. . El circuit de modulació i demodulació és el circuit clau per a la comunicació entre l'etiqueta i el lector de targetes. Actualment, la majoria de les etiquetes RFID UHF utilitzen la modulació ASK. La unitat de control d'una etiqueta RFID és un circuit digital que processa instruccions. Per permetre que el circuit digital es restableixi correctament després que l'etiqueta entri al camp del lector de targetes, en resposta a les instruccions del lector de targetes, s'ha de dissenyar un circuit de generació de senyal d'arrencada fiable per proporcionar un senyal de reinici per a la unitat digital.

circuit de recuperació d'energia

El circuit de recuperació d'energia converteix el senyal UHF rebut per l'antena de l'etiqueta RFID en una tensió de CC mitjançant la rectificació i l'augment per proporcionar energia perquè el xip funcioni. Hi ha moltes configuracions de circuits possibles per a circuits de recuperació d'energia. Com es mostra a la figura, hi ha diversos circuits de recuperació d'energia que s'utilitzen habitualment actualment.

En aquests circuits de recuperació d'energia, no hi ha una estructura de circuit òptima, i cada circuit té els seus propis avantatges i desavantatges. Sota diferents condicions de càrrega, diferents condicions de tensió d'entrada, diferents requisits de voltatge de sortida i condicions de procés disponibles, cal seleccionar diferents circuits per aconseguir un rendiment òptim. El circuit duplicador de tensió de díode multietapa que es mostra a la figura 2 (a) utilitza generalment díodes de barrera Schottky. Té els avantatges de l'eficiència de duplicació d'alta tensió i una petita amplitud del senyal d'entrada, i s'utilitza àmpliament. No obstant això, el procés CMOS comú de la foneria general no proporciona díodes de barrera Schottky, cosa que comportarà problemes al dissenyador en la selecció del procés. La figura 2 (b) substitueix el díode Schottky per un tub PMOS connectat en forma de díode, cosa que evita requisits especials en el procés. El circuit de duplicació de tensió amb aquesta estructura necessita una amplitud de senyal d'entrada més alta i té una millor eficiència de duplicació de tensió quan la tensió de sortida és més alta. La figura 2 (c) és un circuit rectificador d'ona completa de díode tradicional. En comparació amb el circuit duplicador de tensió de Dickson, l'efecte duplicador de tensió és millor, però s'introdueixen més elements de díode i l'eficiència de conversió d'energia és generalment lleugerament inferior a la del circuit duplicador de tensió de Dickson. A més, com que el terminal d'entrada de l'antena està separat de la terra del xip, és una estructura totalment simètrica amb un condensador que bloqueja la CC quan es veu des del terminal d'entrada de l'antena al xip, la qual cosa evita la influència mútua entre el terra del xip i l'antena, i és adequat per utilitzar-lo amb antenes simètriques (com ara antenes de pols parells) connectades. La figura 2 (d) és la solució del tub CMOS del circuit de rectificació d'ona completa proposat per moltes literatures. En el cas de la tecnologia limitada, es pot obtenir una millor eficiència de conversió d'energia i els requisits per a l'amplitud del senyal d'entrada són relativament baixos.

En l'aplicació d'etiquetes RFID UHF passives generals, a causa de consideracions de cost, s'espera que el circuit de xip sigui adequat per a la fabricació de tecnologia CMOS ordinària. El requisit de lectura i escriptura a llarga distància planteja requisits més alts sobre l'eficiència de conversió d'energia del circuit de recuperació d'energia. Per aquesta raó, molts dissenyadors utilitzen la tecnologia CMOS estàndard per realitzar díodes de barrera Schottky, de manera que l'estructura del circuit duplicador de tensió Dickson multietapa es pot utilitzar convenientment per millorar el rendiment de la conversió d'energia. La figura 3 és un diagrama esquemàtic de l'estructura d'un díode Schottky fabricat mitjançant un procés CMOS comú. En el disseny, els díodes Schottky es poden produir sense canviar el prpasseu passos i regles de generació de màscares, i només cal fer algunes modificacions al disseny.

La disposició de diversos díodes Schottky dissenyats sota el procés CMOS UMC 0,18um. Les seves corbes de prova característiques de CC es mostren a la figura 5. A partir dels resultats de les proves de les característiques de CC es pot veure que el díode Schottky fabricat pel procés CMOS estàndard té característiques típiques del díode i la tensió d'encesa és només d'uns 0,2 V, que és molt adequat per a etiquetes RFID.

Circuit regulador de potència

Quan l'amplitud del senyal d'entrada és alta, el circuit d'estabilització de la tensió de la font d'alimentació ha de poder garantir que la tensió de la font d'alimentació de CC de sortida no superi la tensió màxima que pot suportar el xip; al mateix temps, quan el senyal d'entrada és petit, la potència consumida pel circuit d'estabilització de tensió hauria de ser tan petita com sigui possible. Per reduir el consum total d'energia del xip.

Des del punt de vista del principi de regulació de la tensió, l'estructura del circuit de regulació de la tensió es pot dividir en dos tipus: un circuit de regulació de la tensió paral·lel i un circuit de regulació de la tensió en sèrie.

Al xip de l'etiqueta RFID, cal que hi hagi un condensador d'emmagatzematge d'energia amb un gran valor de capacitat per emmagatzemar una càrrega suficient perquè l'etiqueta rebi el senyal de modulació, i l'energia d'entrada encara pot ser en el moment en què l'energia d'entrada és petita (com ara com el moment en què no hi ha portadora en la modulació OOK). , per mantenir la tensió d'alimentació del xip. Si l'energia d'entrada és massa alta i la tensió d'alimentació augmenta a un cert nivell, el sensor de tensió del circuit d'estabilització de tensió controlarà la font de fuites per alliberar l'excés de càrrega del condensador d'emmagatzematge d'energia, per tal d'aconseguir el propòsit de la tensió. estabilització. La figura 7 és un dels circuits reguladors de tensió en paral·lel. Tres díodes connectats en sèrie D1, D2, D3 i la resistència R1 formen un sensor de tensió per controlar la tensió de la porta del purgador M1. Quan la tensió d'alimentació supera la suma de les tensions d'encesa dels tres díodes, la tensió de la porta de M1 augmenta, M1 s'encén i comença a descarregar el condensador d'emmagatzematge d'energia C1.

El principi d'un altre tipus de circuit d'estabilització de tensió és utilitzar un esquema d'estabilització de tensió en sèrie. El seu diagrama esquemàtic es mostra a la figura 8. La font de tensió de referència està dissenyada com una font de referència independent de la tensió d'alimentació. La tensió d'alimentació de sortida es divideix per la resistència i es compara amb la tensió de referència, i la diferència s'amplifica amb l'amplificador operacional per controlar el potencial de la porta del tub M1, de manera que la tensió de sortida i la font de referència mantenen bàsicament la mateixa estabilitat. estat.

Aquest circuit regulador de tensió en sèrie pot produir una tensió d'alimentació més precisa, però com que el tub M1 està connectat en sèrie entre la font d'alimentació no regulada i la font d'alimentació regulada, quan el corrent de càrrega és gran, la caiguda de tensió al tub M1 provocarà una tensió més alta. pèrdua de potència. Per tant, aquesta estructura de circuit s'aplica generalment a circuits d'etiquetes amb menys consum d'energia.

Circuit de modulació i demodulació

a. Circuit de demodulació

Per tal de reduir l'àrea del xip i el consum d'energia, la majoria de les etiquetes RFID passives adopten actualment la modulació ASK. Per al circuit de demodulació ASK del xip d'etiquetes, el mètode de demodulació que s'utilitza habitualment és el mètode de detecció d'embolcalls, tal com es mostra a la FIG. 9 .

El circuit duplicador de tensió de la part de detecció de l'embolcall i la part de recuperació d'energia és bàsicament el mateix, però no és necessari proporcionar un gran corrent de càrrega. Una font de corrent de fuga es connecta en paral·lel a l'etapa final del circuit de detecció de l'embolcall. Quan es modula el senyal d'entrada, l'energia d'entrada disminueix i la font de fuites redueix la tensió de sortida de l'embolcall, de manera que el circuit comparador posterior pot jutjar el senyal de modulació. A causa del gran rang de variació d'energia del senyal de RF d'entrada, el corrent de la font de fuga s'ha d'ajustar dinàmicament per adaptar-se als canvis de diferents intensitats de camp en el camp proper i llunyà. Per exemple, si el corrent de la font d'alimentació de fuga és petit, pot satisfer les necessitats del comparador quan la intensitat del camp és feble, però quan l'etiqueta es troba al camp proper amb una forta intensitat de camp, el corrent de fuga no serà suficient. per fer el senyal detectat Si hi ha un gran canvi d'amplitud, el comparador posterior a l'etapa no pot funcionar amb normalitat. Per resoldre aquest problema, es pot adoptar l'estructura de la font de fuites tal com es mostra a la figura 10.

Quan el portador d'entrada no està modulat, el potencial de porta del tub de purga M1 és el mateix que el potencial de drenatge, formant un tub NMOS connectat amb díodes, que subjecta la sortida de l'embolcall prop de la tensió llindar de M1. ThLa potència consumida a M1 està equilibrada; quan es modula el portador d'entrada, l'energia d'entrada del xip disminueix i, en aquest moment, a causa de l'acció del circuit de retard R1 i C1, el potencial de porta de M1 es manté al nivell original i M1 es filtra. El corrent alliberat es manté sense canvis. , la qual cosa fa que l'amplitud del senyal de sortida de l'embolcall disminueixi ràpidament; de la mateixa manera, després de restaurar el portador, el retard de R1 i C1 fa que la sortida de l'embolcall torni ràpidament al nivell alt original. Utilitzant aquesta estructura de circuit i escollint raonablement la mida de R1, C1 i M1, es poden satisfer les necessitats de demodulació amb diferents intensitats de camp. També hi ha moltes opcions per al circuit comparador connectat darrere de la sortida de l'embolcall, i les més utilitzades són el comparador d'histèresi i l'amplificador operacional.

b. Circuit de modulació

Les etiquetes RFID UHF passives generalment adopten el mètode de modulació de retrodispersió, és a dir, canviant la impedància d'entrada del xip per canviar el coeficient de reflexió entre el xip i l'antena, per tal d'aconseguir el propòsit de la modulació. En general, la impedància de l'antena i la impedància d'entrada del xip estan dissenyades de manera que estigui a prop de la potència quan no està modulada, i el coeficient de reflexió augmenta quan es modula. El mètode de retrodispersió utilitzat habitualment és connectar un condensador amb un interruptor en paral·lel entre els dos extrems d'entrada de l'antena, tal com es mostra a la figura 11, el senyal de modulació determina si el condensador està connectat a l'extrem d'entrada del xip controlant l'interruptor. , canviant així la impedància d'entrada del xip.

circuit de generació de senyal d'inici

La funció del circuit de generació de senyal de restabliment d'inici de potència a l'etiqueta RFID és proporcionar un senyal de restabliment per al treball d'inici del circuit digital un cop finalitzada la recuperació d'energia. El seu disseny ha de tenir en compte els problemes següents: si la tensió de la font d'alimentació augmenta durant massa temps, l'amplitud d'alt nivell del senyal de restabliment serà baixa, cosa que no pot satisfer les necessitats de restabliment del circuit digital; el circuit de generació del senyal d'arrencada és més sensible a les fluctuacions de potència, és possible que es produeixi un mal funcionament; el consum d'energia estàtica ha de ser el més baix possible.

Normalment, després que l'etiqueta RFID passiva entri al camp, el temps per augmentar la tensió d'alimentació és incert i pot ser molt llarg. Això requereix el disseny del circuit de generació del senyal d'arrencada per generar el senyal d'arrencada en el moment relacionat amb la tensió d'alimentació. La figura 12 mostra un circuit comú de generació de senyal d'arrencada.

El seu principi bàsic és utilitzar la branca composta per la resistència R0 i el transistor NMOS M1 per generar una tensió relativament fixa Va. Quan la tensió d'alimentació vdd supera la tensió de llindar del transistor NMOS, la tensió de Va es manté bàsicament inalterada. A mesura que vdd continua augmentant, quan la tensió d'alimentació arriba a Va+|Vtp|, el transistor PMOS M0 s'encén per fer que Vb pugi, i abans d'això, Vb ha estat a un nivell baix perquè M0 està tallat. El principal problema d'aquest circuit és la presència de dissipació d'energia estàtica. I com que la tensió llindar del transistor MOS varia molt amb el procés sota el procés CMOS, es veu fàcilment afectada per la desviació del procés. Per tant, utilitzar un díode d'unió pn per generar la tensió d'arrencada reduirà molt la incertesa del procés, tal com es mostra a la FIG. 13 .

Quan VDD augmenta a la tensió d'encesa dels dos díodes d'unió pn, la porta del transistor PMOS M0 és igual a la tensió d'alimentació i el transistor PMOS s'apaga. En aquest moment, la tensió del condensador C1 està a un nivell baix. Quan VDD augmenta per sobre de la tensió llindar de dos díodes, M0 comença a conduir, mentre que la tensió de la porta de M1 es manté sense canvis, el corrent que flueix per M1 es manté sense canvis i la tensió del condensador C1 augmenta gradualment. Quan puja a la fase inversa Després que el dispositiu giri, es genera un senyal d'inici. Per tant, el temps perquè aquest circuit generi el senyal d'inici depèn de si la tensió de la font d'alimentació arriba a la tensió llindar dels dos díodes, que té una alta estabilitat, i evita el senyal d'inici prematur del circuit d'inici general quan la tensió de la font d'alimentació augmenta. massa lentament. El problema.

Si la tensió de la font d'alimentació augmenta massa ràpid, la capacitat de la porta de la resistència R1 i M0 constitueix un circuit de retard de pas baix, que farà que la tensió de la porta de M0 no pugui mantenir-se ràpidament al dia amb el canvi de tensió de la font d'alimentació i es mantingui en un nivell baix. En aquest moment, M0 carregarà el condensador C1, fent que el circuit no funcioni correctament. Per resoldre aquest problema, s'introdueix un condensador C5. Si la tensió de la font d'alimentació augmenta ràpidament, l'efecte d'acoblament del condensador C5 pot mantenir el potencial de porta de M0 coherent amb la tensió d'alimentació, evitant tl'aparició dels problemes esmentats anteriorment.

El problema del consum d'energia estàtica encara existeix en aquest circuit i l'impacte del consum d'energia estàtica es pot reduir augmentant el valor de la resistència i seleccionant raonablement la mida del tub MOS. Per resoldre completament el problema del consum d'energia estàtica, cal dissenyar un circuit de control de retroalimentació addicional per tancar aquesta part del circuit després de generar el senyal d'inici. Tanmateix, cal prestar una atenció especial a la inestabilitat provocada per la introducció del feedback.

La dificultat de disseny dels xips RFID UHF passius gira al voltant de com augmentar la distància de lectura i escriptura del xip i reduir el cost de fabricació de l'etiqueta. Per tant, millorar l'eficiència del circuit de recuperació d'energia, reduir el consum d'energia del xip global i treballar de manera fiable segueixen sent els principals reptes en el disseny de xips d'etiquetes RFID.