UHF passiv RFID teglarining elektron dizayni tahlili

Yuqori ish chastotasi, uzoq o'qish va yozish masofasi, tashqi quvvat manbai yo'qligi va ishlab chiqarishning past narxi tuFayli UHF passiv RFID teglari RFID tadqiqotining asosiy yo'nalishlaridan biriga aylandi va yaqin kelajakda RFID sohasida asosiy mahsulotlarga aylanishi mumkin. .

To'liq UHF passiv RFID yorlig'i antenna va teg chipidan iborat. Ular orasida teg chipi odatda kontaktlarning zanglashiga olib keladigan quyidagi qismlarini o'z ichiga oladi: quvvatni tiklash davri, quvvat manbai kuchlanishini barqarorlashtirish davri, orqaga tarqaladigan modulyatsiya davri, demodulyatsiya davri, soatni chiqarish / ishlab chiqarish davri, ishga tushirish signalini ishlab chiqarish davri, mos yozuvlar manbasini ishlab chiqarish davri, boshqaruv bloki , xotira. Passiv RFID teg chipining ishlashi uchun zarur bo'lgan energiya butunlay kartani o'quvchi tomonidan ishlab chiqarilgan elektromagnit to'lqinning energiyasidan olinadi. Shu sababli, quvvatni tiklash davri teg antennasi tomonidan induktsiya qilingan UHF signalini chipning ishlashi uchun zarur bo'lgan doimiy kuchlanishga aylantirishi kerak. energiya bilan ta'minlash.

RFID teglari joylashgan elektromagnit muhit juda murakkab bo'lgani uchun, kirish signalining kuchi yuzlab yoki hatto minglab marta farq qilishi mumkin. Shuning uchun, chipning turli maydon kuchlarida normal ishlashi uchun ishonchli quvvat manbai kuchlanish stabilizatsiyasi sxemasi ishlab chiqilishi kerak. . Modulyatsiya va demodulyatsiya sxemasi teg va kartani o'quvchi o'rtasidagi aloqa uchun kalit sxema hisoblanadi. Hozirgi vaqtda aksariyat UHF RFID teglari ASK modulyatsiyasidan foydalanadi. RFID yorlig'ining boshqaruv bloki ko'rsatmalarni qayta ishlaydigan raqamli sxema. Teg kartani o'quvchi maydoniga kirgandan so'ng raqamli kontaktlarning zanglashiga olib to'g'ri o'rnatilishini ta'minlash uchun kartani o'quvchining ko'rsatmalariga javoban raqamli blokni qayta tiklash signalini ta'minlash uchun ishonchli ishga tushirish signalini ishlab chiqarish sxemasi ishlab chiqilishi kerak.

quvvatni tiklash davri

Quvvatni tiklash davri RFID yorlig'i antennasi tomonidan qabul qilingan UHF signalini chipning ishlashi uchun energiya bilan ta'minlash uchun tuzatish va kuchaytirish orqali doimiy kuchlanishga aylantiradi. Quvvatni qayta tiklash davrlari uchun ko'plab mumkin bo'lgan sxema konfiguratsiyasi mavjud. Rasmda ko'rsatilganidek, hozirgi vaqtda keng tarqalgan bo'lib foydalaniladigan bir nechta quvvatni tiklash sxemalari.

Ushbu quvvatni qayta tiklash davrlarida optimal sxema tuzilishi mavjud emas va har bir sxema o'zining afzalliklari va kamchiliklariga ega. Turli xil yuk sharoitida, turli xil kirish kuchlanish sharoitlarida, turli xil chiqish kuchlanish talablari va mavjud jarayon sharoitlarida, optimal ishlashga erishish uchun turli davrlarni tanlash kerak. Shakl 2 (a) da ko'rsatilgan ko'p bosqichli diodli kuchlanish dublyor sxemasi odatda Schottky to'siqli diyotlardan foydalanadi. U yuqori kuchlanishli ikki baravar samaradorlik va kichik kirish signali amplitudasining afzalliklariga ega va keng qo'llaniladi. Biroq, umumiy quyish zavodining umumiy CMOS jarayoni Schottky to'siq diodlarini ta'minlamaydi, bu jarayonni tanlashda dizaynerga muammo keltiradi. Shakl 2 (b) Schottky diodini diod shaklida ulangan PMOS trubkasi bilan almashtiradi, bu jarayonga maxsus talablardan qochadi. Ushbu tuzilishga ega bo'lgan kuchlanishni ikki baravar oshirish davri yuqoriroq kirish signali amplitudasini talab qiladi va chiqish kuchlanishi yuqori bo'lsa, kuchlanishning ikki baravar ko'payishi samaradorligi yaxshi bo'ladi. Shakl 2 (c) an'anaviy diodli to'liq to'lqinli rektifikator davri. Dikson kuchlanishli dublyor sxemasi bilan solishtirganda, kuchlanish dublyorining ta'siri yaxshiroq, lekin ko'proq diod elementlari kiritiladi va quvvatni o'zgartirish samaradorligi odatda Dickson kuchlanishli dublyor sxemasidan bir oz pastroqdir. Bunga qo'shimcha ravishda, uning antennaga kirish terminali chipdan ajratilganligi sababli, u antennaning kirish terminalidan chipga qaralganda, kondansatör DC to'sib qo'yadigan to'liq nosimmetrik tuzilma bo'lib, bu chip tuproq va antenna o'rtasidagi o'zaro ta'sirni oldini oladi va ulangan simmetrik antennalar (masalan, qutbli antennalar) bilan foydalanish uchun javob beradi. Shakl 2 (d) ko'plab adabiyotlar tomonidan taklif qilingan to'liq to'lqinli rektifikatsiya sxemasining CMOS trubkasi yechimidir. Cheklangan texnologiya bo'lsa, quvvatni yaxshiroq konvertatsiya qilish samaradorligiga erishish mumkin va kirish signali amplitudasi uchun talablar nisbatan past.

Umumiy passiv UHF RFID teglarini qo'llashda, xarajatlarni hisobga olgan holda, chip sxemasi oddiy CMOS texnologiyasini ishlab chiqarish uchun mos keladi deb umid qilinadi. Uzoq masofadan o'qish va yozish talabi quvvatni qayta tiklash pallasida quvvatni konvertatsiya qilish samaradorligiga yuqori talablarni qo'yadi. Shu sababli, ko'plab dizaynerlar Schottky to'siq diodlarini amalga oshirish uchun standart CMOS texnologiyasidan foydalanadilar, shuning uchun ko'p bosqichli Dikson kuchlanishli dublyor sxemasi tuzilishi quvvatni konvertatsiya qilish ishini yaxshilash uchun qulay foydalanish mumkin. Shakl 3 - umumiy CMOS jarayoni tomonidan ishlab chiqarilgan Schottky diodining strukturasining sxematik diagrammasi. Dizaynda Schottky diodlari prni o'zgartirmasdan ishlab chiqarilishi mumkinqadamlar va niqob yaratish qoidalariga rioya qiling va faqat maketga ba'zi o'zgartirishlar kiritishingiz kerak.

UMC 0.18um CMOS jarayoni ostida ishlab chiqilgan bir nechta Schottky diodlarining sxemasi. Ularning DC xarakteristikasi sinov egri chiziqlari 5-rasmda ko'rsatilgan. DC xarakteristikalari sinov natijalaridan ko'rinib turibdiki, standart CMOS jarayoni tomonidan ishlab chiqarilgan Schottky diodasi tipik diod xususiyatlariga ega va yoqish kuchlanishi faqat taxminan 0,2V, RFID teglari uchun juda mos keladi.

Quvvat regulyatorining sxemasi

Kirish signalining amplitudasi yuqori bo'lsa, quvvat manbai kuchlanishini barqarorlashtirish sxemasi chiqish shahar quvvat manbai kuchlanishining chip bardosh bera oladigan maksimal kuchlanishdan oshmasligini ta'minlashi kerak; shu bilan birga, kirish signali kichik bo'lsa, kuchlanishni barqarorlashtirish davri tomonidan iste'mol qilinadigan quvvat imkon qadar kichik bo'lishi kerak. Chipning umumiy quvvat sarfini kamaytirish uchun.

Voltajni tartibga solish printsipi nuqtai nazaridan kuchlanishni tartibga solish sxemasining tuzilishini ikki turga bo'lish mumkin: parallel kuchlanishni tartibga solish davri va ketma-ket kuchlanishni tartibga solish davri.

RFID yorlig'i chipida modulyatsiya signalini qabul qilish uchun teg uchun etarli zaryadni saqlash uchun katta sig'im qiymatiga ega energiya saqlash kondensatori bo'lishi kerak va kirish energiyasi hali ham kirish energiyasi kichik bo'lgan vaqtda bo'lishi mumkin (bunday OOK modulyatsiyasida tashuvchi yo'q payt sifatida). , chipning quvvat manbai kuchlanishini saqlab qolish uchun. Agar kirish energiyasi juda yuqori bo'lsa va quvvat manbai kuchlanishi ma'lum darajaga ko'tarilsa, kuchlanishni barqarorlashtirish pallasida kuchlanish sensori kuchlanish maqsadiga erishish uchun energiya saqlash kondansatkichidagi ortiqcha zaryadni bo'shatish uchun qochqin manbasini boshqaradi. barqarorlashtirish. 7-rasm parallel kuchlanish regulyatori davrlaridan biridir. Uchta ketma-ket ulangan diodlar D1, D2, D3 va rezistor R1 qon to'xtatuvchining M1 eshik kuchlanishini nazorat qilish uchun kuchlanish sensori hosil qiladi. Quvvat manbai kuchlanishi uchta diodning yoqish kuchlanishlari yig'indisidan oshib ketganda, M1 ning eshik kuchlanishi ko'tariladi, M1 yoqiladi va energiyani saqlash kondansatörü C1 zaryadsizlanishi boshlanadi.

Boshqa turdagi kuchlanishni barqarorlashtiruvchi sxemaning printsipi ketma-ket kuchlanishni barqarorlashtirish sxemasidan foydalanishdir. Uning sxematik diagrammasi 8-rasmda ko'rsatilgan. Yo'naltiruvchi kuchlanish manbai ta'minot kuchlanishidan mustaqil mos yozuvlar manbai sifatida yaratilgan. Chiqish quvvat manbai kuchlanishi rezistorga bo'linadi va mos yozuvlar kuchlanishi bilan taqqoslanadi va farq M1 trubasining eshik potentsialini nazorat qilish uchun operatsion kuchaytirgich tomonidan kuchaytiriladi, shuning uchun chiqish voltaji va mos yozuvlar manbai asosan bir xil barqarorlikni saqlab turadi. davlat.

Ushbu seriyali voltaj regulyatori sxemasi aniqroq quvvat manbai kuchlanishini chiqarishi mumkin, lekin M1 trubkasi tartibga solinmagan quvvat manbai va tartibga solinadigan quvvat manbai o'rtasida ketma-ket ulanganligi sababli, yuk oqimi katta bo'lsa, M1 trubkasidagi kuchlanish pasayishiga olib keladi. yuqori kuchlanish. quvvat yo'qotilishi. Shuning uchun, bu sxema tuzilishi odatda kamroq quvvat sarfi bo'lgan tegli davrlarga qo'llaniladi.

Modulyatsiya va demodulyatsiya sxemasi

a. Demodulyatsiya sxemasi

Chip maydonini va quvvat sarfini kamaytirish uchun passiv RFID teglarining aksariyati hozirda ASK modulyatsiyasini qabul qiladi. Teg chipining ASK demodulyatsiya sxemasi uchun tez-tez ishlatiladigan demodulyatsiya usuli shaklda ko'rsatilganidek, konvertni aniqlash usuli hisoblanadi. 9 .

Zarfni aniqlash qismining kuchlanish dublyor davri va quvvatni qayta tiklash qismi asosan bir xil, lekin katta yuk oqimini ta'minlash kerak emas. Qochqinning oqimi manbai konvertni aniqlash sxemasining oxirgi bosqichida parallel ravishda ulanadi. Kirish signali modulyatsiyalanganda, kirish energiyasi pasayadi va oqish manbai konvertning chiqish kuchlanishini pasaytiradi, shuning uchun keyingi taqqoslash davri modulyatsiya signalini hukm qilishi mumkin. Kirish chastotasi signalining energiya o'zgarishining katta diapazoni tufayli, qochqin manbaining oqimi yaqin va uzoq maydondagi turli maydon kuchlarining o'zgarishiga moslashish uchun dinamik ravishda sozlanishi kerak. Misol uchun, agar qochqin quvvat manbai oqimi kichik bo'lsa, u maydon kuchi zaif bo'lsa, u komparatorning ehtiyojlarini qondirishi mumkin, lekin teg kuchli maydon kuchiga ega bo'lgan yaqin maydonda bo'lsa, oqish oqimi etarli bo'lmaydi. aniqlangan signalni amalga oshirish Agar katta amplituda o'zgarish bo'lsa, post-stage comparator normal ishlay olmaydi. Ushbu muammoni hal qilish uchun 10-rasmda ko'rsatilganidek, qochqin manbai tuzilishi qabul qilinishi mumkin.

Kirish tashuvchisi modulyatsiyalanmagan bo'lsa, qon to'kish trubkasi M1 ning eshik potentsiali drenaj potentsiali bilan bir xil bo'lib, diod bilan ulangan NMOS trubkasini hosil qiladi, bu esa konvertning chiqishini M1 chegara kuchlanishiga yaqinlashtiradi. The M1da iste'mol qilinadigan quvvat muvozanatlangan; kirish tashuvchisi modulyatsiyalanganda, chipning kirish energiyasi pasayadi va bu vaqtda R1 va C1 kechikish davrining ta'siri tufayli M1 ning eshik potentsiali asl darajasida qoladi va M1 oqib chiqadi Bo'shatilgan oqim o'zgarishsiz qoladi , bu konvertning chiqish signalining amplitudasini tez kamaytiradi; xuddi shunday, tashuvchi qayta tiklangandan so'ng, R1 va C1 ning kechikishi konvertning chiqishini tezda asl yuqori darajaga qaytaradi. Ushbu sxema tuzilmasidan foydalanib, R1, C1 va M1 o'lchamini oqilona tanlash orqali turli maydon kuchlari ostida demodulyatsiya ehtiyojlarini qondirish mumkin. Bundan tashqari, konvert chiqishi orqasida ulangan komparator sxemasi uchun ko'plab variantlar mavjud va tez-tez ishlatiladiganlar histerezis komparatori va operatsion kuchaytirgichdir.

b. Modulyatsiya sxemasi

Passiv UHF RFID teglari odatda orqaga tarqaladigan modulyatsiya usulini qabul qiladi, ya'ni modulyatsiya maqsadiga erishish uchun chip va antenna o'rtasidagi aks ettirish koeffitsientini o'zgartirish uchun chipning kirish empedansini o'zgartiradi. Odatda, antennaning empedansi va chipning kirish empedansi modulyatsiya qilinmaganda quvvat mosligiga yaqin bo'lishi uchun mo'ljallangan va u modulyatsiyalanganda aks ettirish koeffitsienti ortadi. Tez-tez ishlatiladigan orqaga tarqalish usuli - kondansatkichni antennaning ikkita kirish uchi o'rtasida parallel ravishda kalit bilan ulash, 11-rasmda ko'rsatilganidek, modulyatsiya signali kalitni boshqarish orqali kondansatör chipning kirish uchiga ulangan yoki yo'qligini aniqlaydi. , shunday qilib chipning kirish empedansini o'zgartiradi.

signal ishlab chiqarish sxemasini ishga tushirish

RFID yorlig'idagi quvvatni ishga tushirishni qayta o'rnatish signalini ishlab chiqarish sxemasining vazifasi quvvatni tiklash tugallangandan so'ng raqamli kontaktlarning zanglashiga olib kelishi uchun qayta o'rnatish signalini berishdir. Uning dizayni quyidagi masalalarni ko'rib chiqishi kerak: Agar elektr ta'minoti kuchlanishi juda uzoq vaqt davomida ko'tarilsa, reset signalining yuqori darajadagi amplitudasi past bo'ladi, bu raqamli kontaktlarning zanglashiga olib kelishi ehtiyojlarini qondira olmaydi; ishga tushirish signalini ishlab chiqarish davri quvvat o'zgarishiga nisbatan sezgirroq , noto'g'ri ishlashga olib kelishi mumkin; statik quvvat iste'moli imkon qadar past bo'lishi kerak.

Odatda, passiv RFID yorlig'i maydonga kirgandan so'ng, quvvat manbai kuchlanishining ko'tarilish vaqti noaniq va juda uzoq bo'lishi mumkin. Bu quvvat manbai kuchlanishiga bog'liq bo'lgan vaqtda ishga tushirish signalini yaratish uchun ishga tushirish signalini ishlab chiqarish sxemasini loyihalashni talab qiladi. 12-rasmda umumiy ishga tushirish signalini ishlab chiqarish sxemasi ko'rsatilgan.

Uning asosiy printsipi rezistor R0 va NMOS tranzistori M1 dan tashkil topgan filialni nisbatan qattiq kuchlanish Va hosil qilish uchun ishlatishdan iborat. Elektr ta'minoti kuchlanishi vdd NMOS tranzistorining chegara kuchlanishidan oshib ketganda, Va kuchlanishi asosan o'zgarishsiz qoladi. Vdd o'sishda davom etar ekan, quvvat manbai kuchlanishi Va+|Vtp| ga yetganda, Vb ko'tarilishi uchun PMOS tranzistori M0 yoqiladi va bundan oldin M0 uzilganligi sababli Vb past darajada bo'lgan. Ushbu kontaktlarning zanglashiga olib keladigan asosiy muammo - bu statik quvvat tarqalishining mavjudligi. Va MOS tranzistorining chegara kuchlanishi CMOS jarayoni ostidagi jarayon bilan juda katta farq qilganligi sababli, jarayonning og'ishi unga osonlikcha ta'sir qiladi. Shuning uchun, ishga tushirish kuchlanishini hosil qilish uchun pn ulanish diodidan foydalanish, rasmda ko'rsatilganidek, jarayonning noaniqligini sezilarli darajada kamaytiradi. 13 .

VDD ikkita pn ulanish diodining ochilish kuchlanishiga ko'tarilganda, PMOS tranzistorining M0 eshigi quvvat manbai kuchlanishiga teng bo'ladi va PMOS tranzistori o'chiriladi. Bu vaqtda C1 kondansatkichidagi kuchlanish past darajada. VDD ikkita diodning chegara kuchlanishidan yuqoriga ko'tarilganda, M0 o'tkaza boshlaydi, M1 ning eshik kuchlanishi o'zgarishsiz qoladi, M1 orqali o'tadigan oqim o'zgarishsiz qoladi va C1 kondansatkichidagi kuchlanish asta-sekin o'sib boradi. U teskari fazaga ko'tarilganda Qurilma aylantirilgandan so'ng, ishga tushirish signali hosil bo'ladi. Shuning uchun, ushbu kontaktlarning zanglashiga olib kirish signalini yaratish vaqti, quvvat manbai kuchlanishining yuqori barqarorlikka ega bo'lgan ikkita diodning pol kuchlanishiga etib borishiga bog'liq bo'ladi va quvvat manbai kuchlanishi ko'tarilganda umumiy ishga tushirish pallasida erta ishga tushirish signalidan qochadi. juda sekin. Muammo.

Agar quvvat manbai kuchlanishi juda tez ko'tarilsa, R1 va M0 rezistorlarining eshik sig'imi past o'tkazuvchan kechikish davrini tashkil qiladi, bu esa M0 ning eshik kuchlanishini quvvat manbai kuchlanishining o'zgarishiga tezda moslasha olmasligiga olib keladi. past daraja. Bu vaqtda M0 kondansatör C1 ni zaryad qiladi, bu kontaktlarning zanglashiga olib kelmasligiga olib keladi. Ushbu muammoni hal qilish uchun C5 kondensatori kiritilgan. Elektr ta'minoti zo'riqishida tez ko'tarilsa, C5 kondansatkichning ulanish effekti M0 ning eshik potentsialini quvvat manbai kuchlanishiga mos ravishda ushlab turishi mumkin, bu esa t dan qochadi.u yuqorida aytib o'tilgan muammolarning paydo bo'lishi.

Ushbu sxemada statik quvvat iste'moli muammosi hali ham mavjud va qarshilik qiymatini oshirish va MOS trubasining o'lchamini oqilona tanlash orqali statik quvvat sarfining ta'sirini kamaytirish mumkin. Statik quvvat iste'moli muammosini to'liq hal qilish uchun start signali hosil bo'lgandan keyin kontaktlarning zanglashiga olib keladigan qismini o'chirish uchun qo'shimcha qayta aloqa nazorat qilish sxemasini loyihalash kerak. Biroq, teskari aloqani kiritish natijasida yuzaga kelgan beqarorlikka alohida e'tibor qaratish lozim.

Passiv UHF RFID chiplarining dizayndagi qiyinchiliklari chipning o'qish va yozish masofasini qanday oshirish va tegning ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirishga bog'liq. Shu sababli, quvvatni qayta tiklash sxemasining samaradorligini oshirish, umumiy chipning quvvat sarfini kamaytirish va ishonchli ishlash RFID yorlig'i chiplarini loyihalashda hali ham asosiy muammolardir.