Радиочестотна верига с ниска консумация на енергия пасивен свръхчестотен радиочестотен идентификационен чип за идентификация
Тази статия предлага високоефективна пасивна свръхвисокочестотна (UHF) радиочестотна идентификация (RFID) с радиочестотна верига с ниска мощност, която отговаря на стандарта ISO / IEC18000-6B. Радиочестотната верига няма външни компоненти, освен антената, и получава енергия от радиочестотното електромагнитно поле чрез диоден токоизправител на Шотки.
Електронни ентусиасти на мрежови инженери • Източник: Довършване на сайта • Автор: Анонимен • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Прочетено 0 пъти
Радиочестотна верига с ниска консумация на енергия пасивен свръхчестотен радиочестотен идентификационен чип за идентификация
Тази статия предлага високоефективна пасивна свръхвисокочестотна (UHF) радиочестотна идентификация (RFID) с радиочестотна верига с ниска мощност, която отговаря на стандарта ISO / IEC18000-6B. Радиочестотната верига няма външни компоненти, освен антената, и получава енергия от радиочестотното електромагнитно поле чрез диоден токоизправител на Шотки.
Предговор на 0
Радиочестотната идентификация (RFID) е технология за автоматична идентификация, която се появи през 1990-те години. RFID технологията има различни предимства, които технологията за баркод няма, и има широк спектър от приложения. Може да се прилага за граждански лични карти от второ поколение, градска карта, финансови транзакции, управление на веригата за доставки, такси за електронно публикуване (ETC), контрол на достъпа, управление на багажа на летището, обществен транспорт, идентификация на контейнери, управление на добитъка и др. Затова е много важно да се усвои технологията за производство на RFID чипове. Понастоящем нарастващото търсене на приложения поставя по-високи изисквания към RFID чиповете, които изискват по-голям капацитет, по-ниска цена, по-малък обем и по-висока скорост на предаване на данни. Съгласно тази ситуация, тази статия предлага радиочестотна верига за чип с голяма мощност на пасивни UHF UHF RFID транспондери.
Общите работни честоти на RFID включват нискочестотни 125kHz, 134.2kHz, високочестотни 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, микровълнови 2.45GHz, 5.8GHz и др. Тъй като нискочестотната 125kHz, 134.2kHz, високочестотна 13.56MHz система използва намотки като антени и използва индуктори Работното разстояние е сравнително малко, обикновено не повече от 1.2 м, а честотната лента е ограничена до няколко килогерца в Европа и други региони. Въпреки това, UHF (860 ~ 93Uh1Hz) и микровълновата печка (2.45 GHz, 5.8 GHz) могат да осигурят по-голямо работно разстояние, по-висока скорост на предаване на данни и по-малък размер на антената, така че това се превърна в горещо изследователско поле на RFID.
Предлаганият в тази статия чип на RF схемата е залепен с помощта на процеса Chartered 0.35μm 2P4M CM0S, който поддържа диоди на Schottky и електрически изтриваема програмируема памет само за четене (EEPROM). Диодите на Шотки имат по-ниско серийно съпротивление и напрежение напред и могат да осигурят по-висока ефективност на преобразуване при преобразуване на получената енергия от входния RF сигнал в захранване с постоянен ток, като по този начин намаляват консумацията на енергия. Когато ефективната изотропна излъчена мощност (EIRP) е 4W (36dBm) и усилването на антената е 0dB, чипът на радиочестотната верига работи на 915MHz, разстоянието на четене е по-голямо от 3m и работният ток е по-малък от 8μA.
1 RF схема на веригата
Фигура 1 е схемата на UHF RF1D транспондерен чип, която включва основно радиочестотни вериги, логически схеми за управление и EEPROM. Сред тях частта от радиочестотната верига може да бъде разделена на следните основни модули на веригата: верига за генериране на локален осцилатор и тактова честота, верига за нулиране при включване, референтен източник на напрежение, съвпадаща мрежа и обратна разсейваща верига, токоизправител, регулатор на напрежението и амплитудна модулация ) Демодулатор и др. Няма външни компоненти, освен антената, а антенната част приема диполна структура и е съчетана с входния импеданс на токоизправителя през съвпадаща мрежа, като единствен енергиен източник за целия чип. Еквивалентният модел е показан на фигура 2. Реалната част на импеданса на диполна антена се състои от две части, Rra и Rloss, където Rra е радиационният импеданс на диполната антена, който е присъщ на диполната антена, обикновено 73Ω, което представлява способността на антената да излъчва електромагнитни вълни навън; Rloss Омичното съпротивление на метала, използван за направата на антената, обикновено генерира само топлина. Въображаемата част X на импеданса на антената обикновено е положителна. Това е така, защото антената обикновено е индуктивна отвън. Размерът на еквивалентната индуктивност обикновено зависи от топологичната структура на антената и материала на основата. Изправителят преобразува мощността на свързания RF входен сигнал в постояннотоково напрежение, необходимо на чипа. Регулаторът на напрежението стабилизира постояннотоковото напрежение на определено ниво и ограничава амплитудата на постояннотоковото напрежение, за да предпази чипа от повреда поради прекомерно напрежение. AM демодулаторът се използва за извличане на съответния сигнал за данни от приетия носещ сигнал. Схемата за обратно разсейване използва променлив кондензатор, за да промени импеданса на радиочестотната верига, като по този начин изпраща данните на транспондера към RFID питателя или четеца на карти. Схемата за нулиране при включване се използва за генериране на сигнал за нулиране за целия чип. За разлика от 13.56MHz високочестотния (HF) транспондер, 915MHz UHF транспондерът не може да получи локален часовник от носещата честота, но може да осигури часовник само за частта на цифровата логическа схема чрез вграден локален осцилатор с ниска мощност. Всички тези модулни схеми ще бъдат описани подробно по-долу един по един.
Фигура 1 Диаграма на UHF RF1D транспондерен чип
2 Еквивалентен електрически модел на транспондерна антена
2 Проектиране и анализ на веригата
2.1 Верига на токоизправител и регулатор
В тази статия се използва зарядна помпа на Диксън, съставена от диоди на Шотки като токоизправителна верига. Схематичната схема на схемата е показана на фигура 3. Това е така, защото диодите на Шотки имат по-ниско серийно съпротивление и капацитет на кръстовището и могат да осигурят по-висока ефективност на преобразуване при преобразуване на получената енергия на входния RF сигнал в захранване с постоянен ток, като по този начин намаляват консумацията на енергия. Всички диоди на Шотки са свързани заедно с поли-поли кондензатори. Вертикалният кондензатор се зарежда и съхранява в отрицателния полуцикъл на входното напрежение Vin, а хоризонталният кондензатор се зарежда и съхранява в положителния полуцикъл на Vin, като по този начин генерира DC високо напрежение, полученото напрежение е:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF са амплитудата на входния радиочестотен сигнал, Vf, D са напрежението напред на диода на Шотки и n е броят на използваните етапи на зарядната помпа.
Фигура 4 Схема на регулатора на напрежението
2.2 Съответстваща мрежа и верига за обратно разсейване
За разлика от 13.56 MHz HF транспондер, RFID транспондерът на UHF лентата използва диполна антена. Фигура 5 е еквивалентна схема на SPICE (симулационна програма с акцент върху интегралната схема) на транспондера и антената. В този еквивалентен модел на верига SPICE, полученият RF носещ сигнал е Vs, импедансът на антената е Zs = Rs + jXL, което може да се разглежда като вътрешно съпротивление на източника на напрежение Vs и еквивалентен входен импеданс на транспондерния чип е ZL = RL-jXL. Следователно, когато ZL = Zs *, импедансът е съчетан и мощността е максимална. В случай на съвпадение на импеданса, от гледна точка на транспондера с антена, полученият импеданс трябва да бъде Z = 2RL, така че получаваме връзката между приемащата мощност Pre и люлеенето на напрежението VS като страна:
Тогава наклона на напрежението Vin вход към двата края на чипа е:
За да се постигне съвпадение на импеданса, веригата също трябва да извърши трансформация на импеданс в съвпадащата мрежа, така че вътрешното съпротивление на антената и входният импеданс на частта от радиочестотната верига да могат да постигнат конюгирано съвпадение, затова използваме L-тип съвпадаща мрежа. Поради високата цена на чип-интегрираните индуктори и ниската точност, ние използваме индуктивността на антената като съвпадащ индуктор, за да интегрираме съответстващия кондензатор в чипа. След изчисление, входният импеданс на радиочестотната верига е около (105-j406) Ω.
Фигура 5 Схема на еквивалентна SPICE схема на транспондер и антена
Фигура 6 е схематична диаграма на веригата за обратно разсейване. Схемата за обратно разсейване използва променлив кондензатор, за да промени импеданса на радиочестотната верига, като по този начин изпраща данните на транспондера към RFID питателя или четеца на карти. Променливият капацитет се реализира от MOS варактор. В стандартния CMOS процес можем да използваме променлив капацитет с контролирано напрежение от портата на MOS тръбата до субстрата и да използваме портата на MOS варактора като единия край на кондензатора и края на източника Свържете се с източващия терминал като другия край на кондензатора.
2.3 AM верига за демодулатор
Схемата на AM демодулатора се използва за възстановяване на получения модулиран носител в цифров сигнал за обработка на основната лента. Демодулационната схема се състои от верига за откриване на обвивка, филтърна верига и компаратор (както е показано на фигура 7). Сравнителят използва Hysteresis comparator, за да намали степента на битова грешка. Детекторът на обвивка използва същата схема като токоизправителя за извличане на сигнала на обвивката. Нискочестотният филтър се използва за елиминиране на шумови сигнали и пулсации на захранването. Накрая, сигналът на обвивката се възстановява до цифров сигнал на изхода на компаратора чрез компаратора за хистерезис.
Фигура 7 Схематична диаграма на AM демодулатора
2.4 Схема за нулиране при включване
Схемата за нулиране при включване има две основни функции. Единият е, когато транспондерът влезе в ефективната зона на запитващия или четеца на карти и захранващото напрежение е достигнало нормалния работен потенциал, той ще генерира сигнал за нулиране за целия чип; второто е, когато захранващото напрежение спадне внезапно. Когато веригата се нулира, това може да предотврати неизправността на логическата верига. Фигура 8 е схема на схемата за нулиране при включване, времето за закъснение при нулиране при включване на веригата е 10μs. Когато времето продължи да се увеличава от нула и надвишава напрежението на изтегляне 2.4V, първо се включват P тръбата MP1 и N тръбата MN1, което прави потенциалите на точки A и B постепенно да се повишават от 0 с нарастването на Yu, след обратна фаза Напреженията на затвора на транзисторите MP2 и MN2 се променят линейно с нарастването на VDD, така че в началото MN2 се включва и MP2 се изключва, така че напрежението в точка C винаги е 0 (ефективно нулиране) . Когато VDD достигне по-висок потенциал, потенциалът в точка А също се покачва до определено ниво едновременно, което прави тръбата MN2 отсечена. По това време MP2 тръбата е включена и потенциалът в точка C се повишава бързо. След няколко нива на буфери се получава подчинен. Логически изходен сигнал за преход от 0 до 1, така че веригата да започне да работи нормално. Каскадирането на следващите етапи на буфери и капацитивни натоварвания е да се получи забавяне във времето от около 10μs, т.е. когато VDD е по-високо от 2.4V и поддържа 10μs, сигналът за нулиране завършва скока, така че да се реализира стабилната работа на веригата. Резултатите от симулацията са както е показано на Фигура 9.
Фигура 8 Схема на схемата за нулиране при включване
Фигура 9 Резултати от симулацията на веригата за нулиране при включване
2.5 Локален генератор и схема за генериране на часовник
За разлика от 13.56MHz HF транспондера, 915MHz UHF транспондерът не може да получи локален часовник от носещата честота, но може да осигури часовник само за частта на цифровата логическа схема чрез вграден локален осцилатор с ниска мощност. Тактовата честота може да приеме грешка от ± 30% и точността на тактовата честота не е висока, така че относително проста структура на осцилатора може да се използва за намаляване на консумацията на енергия на чипа. След анализ решихме да използваме пръстеновиден осцилатор, съставен от нечетни номера, напълно диференциални инвертори, които не само могат добре да потиснат промяната на общото напрежение, но също така могат да получат добри характеристики за потискане на захранването. Фигура 10 е схематична диаграма на схемата за генериране на локален осцилатор и часовник. След симулационен тест, като се вземат предвид пълните условия на температурата, захранващото напрежение и промените в ъгъла на процеса, изходната честота на веригата е около 250kHz, а нейната грешка на вариацията гарантира, че точността на битрейт на данните е по-малка от 15% от VDD. Производителността не оказва влияние и изискванията за проектиране на системата са по-добре изпълнени. Фигура 11 показва тактовия сигнал, получен чрез симулация.
Фигура 10 Схематична диаграма на генератора на генератора и часовника
Фигура 11 Сигнал на часовника, получен чрез симулация
3 Резултати от теста и анализ
Чипът на радиочестотната верига приема Chartered 0.35μm 2P4M CMOS процес, който поддържа диод на Schottky и EEPROM за извеждане. Площта на чипа на основната схема без I / O подложки (PAD) е 300μm × 720μm. С изключение на двата PAD, използвани за свързване към външни антени, останалите PAD се използват за тестване на функцията на чипа. Фигура 12 е диаграмата на формата на вълната, получена след като чипът на радиочестотната верига е свързан към външната антена и четецът на карти е тестван за комуникация. Тестът се извършва с помощта на четец на карти THM6BC1-915 UHF RFID на Beijing Tsinghua Tongfang Microelectronics Co., Ltd., който отговаря на стандарта ISO / IEC 18000-6B. Фигура 12 (а) е формата на вълната VDD, получена от веригата на токоизправителя и регулатора на напрежението след приемане на радиочестотния сигнал, предаван от четеца на карти. Средната стойност е 3.3V и има само пулсации по-малки от 20mV, което е напълно удовлетворено Изискванията за проектния индекс са изпълнени. Фигура 12 (b) показва цифровия сигнал, изпратен от четеца на карти, получен чрез демодулация на RF чип веригата. След тестване, когато EIRP е 4W (36dBm) и усилването на антената е OdB, чипът на радиочестотната верига работи на 915MHz, разстоянието на четене е по-голямо от 3m и работният ток е по-малък от 8μA.
Фигура 12 Тестова диаграма на формата на вълната на чипа на RF веригата
4 Заключение
Тази статия предлага високоефективна и нискомощна пасивна UHF RFID транспондерна радиочестотна верига, която отговаря на стандарта ISO / IEC 18000-6B. Радиочестотната верига работи на 915MHz и няма външни компоненти, различни от антената. Той използва диоди на Шотки. Изправителят получава енергия от радиочестотното електромагнитно поле. Чартираният 0.35μm 2P4M CMQS процес, който поддържа диоди на Schottky и EEPROM, се използва за лента, а основната му площ е 300μm × 720μm. RFID радиочестотната верига включва няколко основни модула като локален осцилатор, верига за генериране на часовник, схема за нулиране, съвпадаща мрежа и схема за обратно разсейване, токоизправител, регулатор на напрежението и AM демодулатор. Този текст проектира и оптимизира всяка схема на модула, проектира радиочестотна верига с ниска консумация на енергия, която отговаря на стандартното изискване. Тестът е извършен с четец на карти THM6BC1-915Y2 UHF RFID, който отговаря на стандарта ISO / IEC 18000-6B. Резултатите от теста показват, че разстоянието за отчитане е по-голямо от 3 m и резултатът отговаря на изискванията за индекс на пасивната UHF RFID система за транспондер.
Нашата друг продукт:
