Σχεδιασμός κυκλώματος ραδιοσυχνοτήτων με τσιπ παθητικού UHF RFID

Η αναγνώριση ραδιοσυχνοτήτων (radio frequency idenlificaTInn, RFID) είναι μια τεχνολογία αυτόματης αναγνώρισης που εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1990. Η τεχνολογία RFID έχει πολλά πλεονεκτήματα που δεν έχει η τεχνολογία barcode και έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπηκοότητα δεύτερης γενιάς*, κάρτα πόλης, οικονομικές συναλλαγές, διαχείριση αλυσίδας εφοδιασμού, ETC, έλεγχος πρόσβασης, διαχείριση αποσκευών σε αεροδρόμια, δημόσια μέσα μεταφοράς, αναγνώριση εμπορευματοκιβωτίων, διαχείριση ζώων κ.λπ. Ως εκ τούτου, καθίσταται πολύ σημαντικό να κυριαρχήσουμε στην τεχνολογία κατασκευής τσιπ RFID. Επί του παρόντος, οι αυξανόμενες απαιτήσεις εφαρμογών έχουν δημιουργήσει υψηλότερες απαιτήσεις για τσιπ RFID, απαιτώντας μεγαλύτερη χωρητικότητα, χαμηλότερο κόστος, μικρότερο μέγεθος και υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Σύμφωνα με αυτήν την κατάσταση, αυτό το έγγραφο προτείνει ένα κύκλωμα ραδιοσυχνοτήτων τσιπ τσιπ αναμεταδότη UHF RFID σε μεγάλες αποστάσεις, χαμηλής ισχύος.

Οι συνήθεις συχνότητες λειτουργίας του RFID περιλαμβάνουν χαμηλή συχνότητα 125kHz, 134,2kHz, υψηλή συχνότητα 13,56MHz, υπερυψηλές συχνότητες 860-930MHz, φούρνο μικροκυμάτων 2,45GHz, 5,8GHz, κ.λπ. χρησιμοποιεί το πηνίο ως κεραία και υιοθετεί τη μέθοδο της επαγωγικής σύζευξης, η απόσταση εργασίας είναι σχετικά μικρή, γενικά όχι μεγαλύτερη από 1,2 m και το εύρος ζώνης περιορίζεται σε αρκετά kilohertz στην Ευρώπη και σε άλλες περιοχές. Αλλά το UHF (860~93Uh1Hz) και ο φούρνος μικροκυμάτων (2,45GHz, 5,8GHz) μπορούν να παρέχουν μεγαλύτερη απόσταση εργασίας, υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και μικρότερο μέγεθος κεραίας, επομένως έχει γίνει ένα καυτό ερευνητικό πεδίο της RFID.

Το τσιπ κυκλώματος ραδιοσυχνοτήτων που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο είναι αποκολλημένο με χρήση της διαδικασίας Chartered 0,35μm 2P4M CMOS που υποστηρίζει διόδους Schottky και Ηλεκτρικά διαγραφόμενη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (EEPROM). Οι δίοδοι Schottky έχουν χαμηλή αντίσταση σειράς και τάση προς τα εμπρός και μπορούν να παρέχουν υψηλή απόδοση μετατροπής κατά τη μετατροπή της λαμβανόμενης ενέργειας σήματος εισόδου ραδιοσυχνοτήτων σε τροφοδοτικό DC, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας. Όταν η ενεργή ισοτροπική ακτινοβολούμενη ισχύς (EIRP) είναι 4W (36dBm) και το κέρδος της κεραίας είναι 0dB, το τσιπ κυκλώματος RF λειτουργεί στα 915MHz, η απόσταση ανάγνωσης είναι μεγαλύτερη από 3m και το ρεύμα λειτουργίας είναι μικρότερο από 8μA.

1 Δομή κυκλώματος RF

Το τσιπ αναμεταδότη UHF RF1D, το οποίο περιλαμβάνει κυρίως κύκλωμα ραδιοσυχνοτήτων, κύκλωμα λογικού ελέγχου και EEPROM. Μεταξύ αυτών, το τμήμα του κυκλώματος ραδιοσυχνοτήτων μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες κύριες μονάδες κυκλώματος: τοπικός ταλαντωτής και κύκλωμα παραγωγής ρολογιού, κύκλωμα επαναφοράς ενεργοποίησης, πηγή αναφοράς τάσης, αντίστοιχο δίκτυο και κύκλωμα οπισθοσκέδασης, ανορθωτής, ρυθμιστής τάσης και διαμόρφωση πλάτους ( AM ) αποδιαμορφωτής κλπ. Δεν υπάρχουν εξωτερικά εξαρτήματα εκτός από την κεραία. Το τμήμα της κεραίας υιοθετεί μια διπολική δομή και ταιριάζει με την αντίσταση εισόδου του ανορθωτή μέσω ενός αντίστοιχου δικτύου ως η μόνη πηγή ενέργειας για ολόκληρο το τσιπ. Το ισοδύναμο μοντέλο του φαίνεται στο σχήμα 2. Το πραγματικό μέρος της σύνθετης αντίστασης της διπολικής κεραίας αποτελείται από Rra και Rloss, όπου Rra είναι η αντίσταση ακτινοβολίας της διπολικής κεραίας, η οποία είναι εγγενής στη διπολική κεραία, γενικά 73Ω, που αντιπροσωπεύει το ικανότητα της κεραίας να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Rloss Η ωμική αντίσταση που προκαλείται από το μέταλλο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή της κεραίας γενικά παράγει μόνο θερμότητα. Το φανταστικό τμήμα Χ της σύνθετης αντίστασης της κεραίας είναι γενικά θετικό, επειδή η κεραία είναι γενικά επαγωγική προς τα έξω και το μέγεθος αυτής της ισοδύναμης επαγωγής εξαρτάται γενικά από την τοπολογία της κεραίας και το υλικό του υποστρώματος. Ο ανορθωτής μετατρέπει την ισχύ του συζευγμένου σήματος εισόδου RF στην τάση DC που απαιτείται από το τσιπ. Ο ρυθμιστής τάσης σταθεροποιεί την τάση συνεχούς ρεύματος σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο και περιορίζει το μέγεθος της τάσης συνεχούς ρεύματος για να προστατεύσει το τσιπ από καταστροφή λόγω υπερβολικής τάσης. Ο αποδιαμορφωτής AM χρησιμοποιείται για την εξαγωγή του αντίστοιχου σήματος δεδομένων από το λαμβανόμενο σήμα φορέα. Το κύκλωμα backscatter μεταδίδει τα δεδομένα του αναμεταδότη στον ερωτηματογράφο RFID ή στη συσκευή ανάγνωσης καρτών αλλάζοντας την σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος RF μέσω μεταβλητής χωρητικότητας. Το κύκλωμα επαναφοράς ενεργοποίησης χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του σήματος επαναφοράς ολόκληρου του τσιπ. Σε αντίθεση με τον αναμεταδότη υψηλής συχνότητας (HF) των 13,56 MHz, ο αναμεταδότης UHF των 915 MHz δεν μπορεί να αποκτήσει τοπικό ρολόι διαιρώντας τη συχνότητα από τον φορέα, αλλά μπορεί να παρέχει μόνο ένα ρολόι για το τμήμα ψηφιακού λογικού κυκλώματος μέσω ενός ενσωματωμένου τοπικού ταλαντωτή χαμηλής ισχύος . Όλα αυτά τα μπλοκ κυκλωμάτων θα εξηγηθούν λεπτομερώς ένα προς ένα παρακάτω.

2 Σχεδιασμός και Ανάλυση Κυκλωμάτων

2.1 Κυκλώματα ανορθωτή και ρυθμιστή τάσης

Σε αυτό το άρθρο, η αντλία φόρτισης Dickson που αποτελείται από διόδους Schottky χρησιμοποιείται ως κύκλωμα ανορθωτή. Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος φαίνεται στο σχήμα 3. Αυτό συμβαίνει επειδή οι δίοδοι Schottky έχουν χαμηλή σειράαντίσταση και χωρητικότητα διασταύρωσης, η οποία μπορεί να προσφέρει υψηλή απόδοση μετατροπής κατά τη μετατροπή της λαμβανόμενης ενέργειας σήματος εισόδου RF σε τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας. Όλες οι δίοδοι Schottky συνδέονται μεταξύ τους με πολυ-πολυ πυκνωτές. Οι κάθετοι πυκνωτές φορτίζουν και αποθηκεύουν ενέργεια κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου της τάσης εισόδου Vin, ενώ οι πλευρικοί πυκνωτές φορτίζουν και αποθηκεύουν ενέργεια κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύκλου του Vin για να παράγουν DC. Υψηλή τάση, η τάση που προκύπτει είναι:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Όπου Vp, RF είναι το πλάτος του σήματος ραδιοσυχνότητας εισόδου, Vf, D είναι η μπροστινή τάση της διόδου Schottky, n είναι ο αριθμός των σταδίων της αντλίας φόρτισης που χρησιμοποιείται.

Σταθεροποιήστε την έξοδο τάσης συνεχούς ρεύματος από τον ανορθωτή σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο και παρέχετε μια σταθερή τάση λειτουργίας για ολόκληρο το τσιπ του αναμεταδότη για να διασφαλίσετε ότι το πλάτος της τάσης συνεχούς ρεύματος δεν θα αλλάξει λόγω της φυσικής θέσης του τσιπ αναμεταδότη και να αποφύγετε πιθανά χτυπήματα στο τσιπ. φθορά, έτσι ώστε να προστατεύεται το τσιπ του αναμεταδότη. Το κύκλωμα υιοθετεί μια αυτοπροκατειλημμένη δομή Cascnde. Ο λόγος για την επιλογή αυτής της δομής κυκλώματος είναι ότι η δομή Cascnde έχει το αποτέλεσμα απομόνωσης του κοινού σωλήνα πύλης, γεγονός που το κάνει να έχει καλή ικανότητα να καταστέλλει τις διακυμάνσεις ισχύος, βελτιώνοντας έτσι τον λόγο απόρριψης τροφοδοσίας (PSRR). Για να εξασφαλιστεί η βασική σταθερότητα των δύο ρευμάτων διακλάδωσης. Η αναλογία εμβαδών των Q1 και Q2 είναι 1:8. Επιπλέον, σε αντίθεση με τους γενικούς αναμεταδότες HF RFID, έχουμε υιοθετήσει μια πηγή αναφοράς χαμηλής τάσης με κύκλωμα εκκίνησης χαμηλής τάσης στο σχεδιασμό για τη μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας του τσιπ.