Analyse des Schaltungsdesigns passiver UHF-RFID-Tags

Aufgrund ihrer hohen Betriebsfrequenz, des großen Lese-/Schreibabstands, der fehlenden externen Stromversorgung und der niedrigen Herstellungskosten sind passive UHF-RFID-Tags zu einer der Schlüsselrichtungen der RFID-Forschung geworden und könnten in naher Zukunft zu Mainstream-Produkten im RFID-Bereich werden .

Ein komplettes passives UHF-RFID-Tag besteht aus Antenne und Tag-Chip. Unter diesen umfasst der Tag-Chip im Allgemeinen die folgenden Teile der Schaltung: Stromwiederherstellungsschaltung, Schaltung zur Stabilisierung der Versorgungsspannung, Rückstreumodulationsschaltung, Demodulationsschaltung, Taktextraktions-/-erzeugungsschaltung, Startsignal-Erzeugungsschaltung, Referenzquellen-Erzeugungsschaltung, Steuereinheit , Erinnerung. Die für die Funktion des passiven RFID-Tag-Chips erforderliche Energie wird vollständig aus der Energie der vom Kartenleser erzeugten elektromagnetischen Welle gewonnen. Daher muss die Energierückgewinnungsschaltung das von der Tag-Antenne induzierte UHF-Signal in die Gleichspannung umwandeln, die für den Betrieb des Chips erforderlich ist. Energie liefern.

Da die elektromagnetische Umgebung, in der sich RFID-Tags befinden, sehr komplex ist, kann die Leistung des Eingangssignals hunderte oder sogar tausende Male variieren. Damit der Chip bei unterschiedlichen Feldstärken normal funktioniert, muss daher eine zuverlässige Schaltung zur Stabilisierung der Versorgungsspannung entwickelt werden. . Der Modulations- und Demodulationsschaltkreis ist der Schlüsselschaltkreis für die Kommunikation zwischen dem Tag und dem Kartenleser. Derzeit verwenden die meisten UHF-RFID-Tags die ASK-Modulation. Die Steuereinheit eines RFID-Tags ist ein digitaler Schaltkreis, der Anweisungen verarbeitet. Damit die digitale Schaltung korrekt zurückgesetzt werden kann, nachdem das Tag in das Feld des Kartenlesers gelangt ist, muss als Reaktion auf die Anweisungen des Kartenlesers eine zuverlässige Startsignal-Erzeugungsschaltung entwickelt werden, die ein Rücksetzsignal für die digitale Einheit bereitstellt.

Stromrückgewinnungsschaltung

Der Stromrückgewinnungsschaltkreis wandelt das von der RFID-Tag-Antenne empfangene UHF-Signal durch Gleichrichtung und Verstärkung in eine Gleichspannung um, um Energie für den Betrieb des Chips bereitzustellen. Es gibt viele mögliche Schaltungskonfigurationen für Energierückgewinnungsschaltungen. Wie in der Abbildung dargestellt, sind mehrere Stromrückgewinnungsschaltungen dargestellt, die derzeit häufig verwendet werden.

Bei diesen Stromrückgewinnungsschaltungen gibt es keine optimale Schaltungsstruktur und jede Schaltung hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Unter unterschiedlichen Lastbedingungen, unterschiedlichen Eingangsspannungsbedingungen, unterschiedlichen Ausgangsspannungsanforderungen und verfügbaren Prozessbedingungen müssen unterschiedliche Schaltkreise ausgewählt werden, um eine optimale Leistung zu erzielen. Die in Abbildung 2(a) dargestellte mehrstufige Diodenspannungsverdopplerschaltung verwendet im Allgemeinen Schottky-Dioden. Es bietet die Vorteile einer hohen Spannungsverdopplungseffizienz und einer kleinen Eingangssignalamplitude und ist weit verbreitet. Der übliche CMOS-Prozess der allgemeinen Gießerei stellt jedoch keine Schottky-Barrieredioden bereit, was dem Entwickler Probleme bei der Auswahl des Prozesses bereiten wird. Abbildung 2(b) ersetzt die Schottky-Diode durch eine PMOS-Röhre in Form einer Diode, wodurch besondere Anforderungen an den Prozess vermieden werden. Die Spannungsverdopplungsschaltung mit dieser Struktur benötigt eine höhere Eingangssignalamplitude und weist eine bessere Spannungsverdopplungseffizienz auf, wenn die Ausgangsspannung höher ist. Abbildung 2(c) ist eine herkömmliche Dioden-Vollweggleichrichterschaltung. Im Vergleich zur Dickson-Spannungsverdopplerschaltung ist der Spannungsverdopplereffekt besser, es werden jedoch mehr Diodenelemente eingeführt, und die Leistungsumwandlungseffizienz ist im Allgemeinen etwas niedriger als bei der Dickson-Spannungsverdopplerschaltung. Da sein Antenneneingangsanschluss von der Chip-Masse getrennt ist, handelt es sich außerdem um eine vollständig symmetrische Struktur mit einem Kondensator, der den Gleichstrom vom Antenneneingangsanschluss zum Chip aus betrachtet, wodurch eine gegenseitige Beeinflussung zwischen der Chip-Masse und der Antenne vermieden wird eignet sich für den Einsatz mit angeschlossenen symmetrischen Antennen (z. B. Flachpolantennen). Abbildung 2(d) ist die CMOS-Röhrenlösung der in vielen Literaturstellen vorgeschlagenen Vollweg-Gleichrichterschaltung. Bei begrenzter Technologie kann eine bessere Leistungsumwandlungseffizienz erreicht werden und die Anforderungen an die Eingangssignalamplitude sind relativ gering.

Bei der Anwendung allgemeiner passiver UHF-RFID-Tags besteht aus Kostengründen die Hoffnung, dass die Chipschaltung für die Herstellung gewöhnlicher CMOS-Technologie geeignet ist. Die Anforderung des Lesens und Schreibens über große Entfernungen stellt höhere Anforderungen an die Leistungsumwandlungseffizienz der Leistungsrückgewinnungsschaltung. Aus diesem Grund verwenden viele Entwickler die Standard-CMOS-Technologie zur Realisierung von Schottky-Barrierendioden, sodass die mehrstufige Dickson-Spannungsverdoppler-Schaltungsstruktur bequem zur Verbesserung der Leistung der Leistungsumwandlung verwendet werden kann. Abbildung 3 ist ein schematisches Diagramm der Struktur einer Schottky-Diode, die mit einem herkömmlichen CMOS-Prozess hergestellt wurde. Im Design können Schottky-Dioden ohne Änderung des PR hergestellt werdenProzessschritte und Maskengenerierungsregeln und müssen nur einige Änderungen am Layout vornehmen.

Das Layout mehrerer Schottky-Dioden, die im UMC 0,18-um-CMOS-Prozess entwickelt wurden. Ihre DC-Kennlinien-Testkurven sind in Abbildung 5 dargestellt. Aus den Testergebnissen der DC-Eigenschaften ist ersichtlich, dass die im Standard-CMOS-Prozess hergestellte Schottky-Diode typische Diodeneigenschaften aufweist und die Einschaltspannung nur etwa 0,2 V beträgt. das sich sehr gut für RFID-Tags eignet.

Leistungsreglerschaltung

Wenn die Eingangssignalamplitude hoch ist, muss die Spannungsstabilisierungsschaltung der Stromversorgung sicherstellen können, dass die Ausgangs-Gleichstromversorgungsspannung die maximale Spannung, der der Chip standhalten kann, nicht überschreitet. Gleichzeitig sollte bei kleinem Eingangssignal der von der Spannungsstabilisierungsschaltung verbrauchte Strom so gering wie möglich sein. Um den Gesamtstromverbrauch des Chips zu reduzieren.

Unter dem Gesichtspunkt des Prinzips der Spannungsregelung kann der Aufbau des Spannungsregelkreises in zwei Typen unterteilt werden: einen parallelen Spannungsregelkreis und einen seriellen Spannungsregelkreis.

Im RFID-Tag-Chip muss ein Energiespeicherkondensator mit einem großen Kapazitätswert vorhanden sein, um genügend Ladung zu Speichern, damit das Tag das Modulationssignal empfangen kann, und die Eingangsenergie kann auch dann noch vorhanden sein, wenn die Eingangsenergie klein ist (z als der Moment, in dem es keinen Träger in der OOK-Modulation gibt). , um die Versorgungsspannung des Chips aufrechtzuerhalten. Wenn die Eingangsenergie zu hoch ist und die Versorgungsspannung auf ein bestimmtes Niveau ansteigt, steuert der Spannungssensor in der Spannungsstabilisierungsschaltung die Leckagequelle, um die überschüssige Ladung auf dem Energiespeicherkondensator abzugeben und so den Zweck der Spannung zu erreichen Stabilisierung. Abbildung 7 zeigt eine der parallelen Spannungsreglerschaltungen. Drei in Reihe geschaltete Dioden D1, D2, D3 und der Widerstand R1 bilden einen Spannungssensor zur Steuerung der Gate-Spannung des Bleeders M1. Wenn die Versorgungsspannung die Summe der Einschaltspannungen der drei Dioden überschreitet, steigt die Gate-Spannung von M1, M1 wird eingeschaltet und beginnt, den Energiespeicherkondensator C1 zu entladen.

Das Prinzip einer anderen Art von Spannungsstabilisierungsschaltung besteht darin, ein Reihenspannungsstabilisierungsschema zu verwenden. Ihr schematisches Diagramm ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Referenzspannungsquelle ist als von der Versorgungsspannung unabhängige Referenzquelle ausgelegt. Die Ausgangsspannung der Stromversorgung wird durch den Widerstand geteilt und mit der Referenzspannung verglichen, und die Differenz wird durch den Operationsverstärker verstärkt, um das Gate-Potential der M1-Röhre zu steuern, sodass die Ausgangsspannung und die Referenzquelle im Wesentlichen stabil bleiben Zustand.

Diese Reihenspannungsreglerschaltung kann eine genauere Versorgungsspannung ausgeben, aber da die M1-Röhre in Reihe zwischen der ungeregelten Stromversorgung und der geregelten Stromversorgung geschaltet ist, kommt es bei großem Laststrom zu einem Spannungsabfall an der M1-Röhre eine höhere Spannung. Leistungsverlust. Daher wird diese Schaltungsstruktur im Allgemeinen auf Tag-Schaltungen mit geringerem Stromverbrauch angewendet.

Modulations- und Demodulationsschaltung

A. Demodulationsschaltung

Um die Chipfläche und den Stromverbrauch zu reduzieren, verwenden die meisten passiven RFID-Tags derzeit die ASK-Modulation. Für die ASK-Demodulationsschaltung des Tag-Chips ist die üblicherweise verwendete Demodulationsmethode die Hüllkurvenerkennungsmethode, wie in Abbildung 1 dargestellt. 9 .

Die Spannungsverdopplerschaltung des Hüllkurvenerkennungsteils und des Energierückgewinnungsteils ist grundsätzlich gleich, es ist jedoch nicht erforderlich, einen großen Laststrom bereitzustellen. An der Endstufe der Hüllkurvenerkennungsschaltung ist eine Leckstromquelle parallel geschaltet. Wenn das Eingangssignal moduliert wird, nimmt die Eingangsenergie ab und die Leckquelle verringert die Hüllkurvenausgangsspannung, sodass die nachfolgende Komparatorschaltung das Modulationssignal beurteilen kann. Aufgrund des großen Energieschwankungsbereichs des Eingangs-HF-Signals muss der Strom der Leckquelle dynamisch angepasst werden, um sich an die Änderungen unterschiedlicher Feldstärken im Nah- und Fernfeld anzupassen. Wenn beispielsweise der Strom der Leckstromversorgung gering ist, kann er die Anforderungen des Komparators erfüllen, wenn die Feldstärke schwach ist. Wenn sich das Etikett jedoch im Nahfeld mit starker Feldstärke befindet, reicht der Leckstrom nicht aus um das erkannte Signal zu erzeugen. Bei einer großen Amplitudenänderung kann der Nachstufenkomparator nicht normal arbeiten. Um dieses Problem zu lösen, kann die in Abb. 10 gezeigte Leckquellenstruktur übernommen werden.

Wenn der Eingangsträger nicht moduliert ist, ist das Gate-Potential der Entladeröhre M1 das gleiche wie das Drain-Potenzial und bildet eine diodengeschaltete NMOS-Röhre, die den Hüllkurvenausgang nahe der Schwellenspannung von M1 klemmt. ThDie an M1 verbrauchte Leistung ist ausgeglichen; Wenn der Eingangsträger moduliert wird, nimmt die Eingangsenergie des Chips ab, und zu diesem Zeitpunkt bleibt das Gate-Potential von M1 aufgrund der Wirkung der Verzögerungsschaltungen R1 und C1 auf dem ursprünglichen Niveau, und M1 leckt. Der freigesetzte Strom bleibt unverändert , wodurch die Amplitude des Hüllkurvenausgangssignals schnell abnimmt; In ähnlicher Weise führt die Verzögerung von R1 und C1 nach der Wiederherstellung des Trägers dazu, dass die Hüllkurvenausgabe schnell auf den ursprünglichen hohen Pegel zurückkehrt. Mit dieser Schaltungsstruktur und durch sinnvolle Wahl der Größe von R1, C1 und M1 können die Demodulationsanforderungen bei unterschiedlichen Feldstärken erfüllt werden. Es gibt auch viele Optionen für die Komparatorschaltung, die hinter dem Hüllkurvenausgang angeschlossen ist. Die am häufigsten verwendeten sind Hysteresekomparator und Operationsverstärker.

B. Modulationsschaltung

Passive UHF-RFID-Tags verwenden im Allgemeinen die Rückstreumodulationsmethode, d. h. durch Ändern der Eingangsimpedanz des Chips wird der Reflexionskoeffizient zwischen Chip und Antenne geändert, um den Zweck der Modulation zu erreichen. Im Allgemeinen sind die Impedanz der Antenne und die Eingangsimpedanz des Chips so ausgelegt, dass sie bei Nichtmodulation nahe an der Leistungsanpassung liegt und bei Modulation der Reflexionskoeffizient erhöht wird. Die häufig verwendete Rückstreumethode besteht darin, einen Kondensator mit einem Schalter parallel zwischen den beiden Eingangsenden der Antenne zu schalten, wie in Abbildung 11 dargestellt. Das Modulationssignal bestimmt durch Steuerung des Schalters, ob der Kondensator mit dem Eingangsende des Chips verbunden ist , wodurch sich die Eingangsimpedanz des Chips ändert.

Startsignal-Erzeugungsschaltung

Die Funktion der Stromstart-Resetsignal-Erzeugungsschaltung im RFID-Tag besteht darin, ein Reset-Signal für die Startarbeit der digitalen Schaltung bereitzustellen, nachdem die Stromwiederherstellung abgeschlossen ist. Bei seinem Design müssen die folgenden Aspekte berücksichtigt werden: Wenn die Versorgungsspannung zu lange ansteigt, ist die Hochpegelamplitude des Rücksetzsignals niedrig, was den Anforderungen des Zurücksetzens digitaler Schaltkreise nicht gerecht werden kann. Da die Schaltung zur Erzeugung des Startsignals empfindlicher auf Leistungsschwankungen reagiert, kann es zu Fehlfunktionen kommen. Der statische Stromverbrauch muss möglichst gering sein.

Normalerweise ist die Zeit bis zum Anstieg der Versorgungsspannung ungewiss und kann sehr lang sein, nachdem das passive RFID-Tag ins Feld gelangt ist. Dies erfordert die Gestaltung der Startsignal-Erzeugungsschaltung, um das Startsignal in dem Moment zu erzeugen, der sich auf die Versorgungsspannung bezieht. Abbildung 12 zeigt eine übliche Schaltung zur Erzeugung eines Startsignals.

Sein Grundprinzip besteht darin, den aus Widerstand R0 und NMOS-Transistor M1 bestehenden Zweig zu verwenden, um eine relativ feste Spannung Va zu erzeugen. Wenn die Versorgungsspannung vdd die Schwellenspannung des NMOS-Transistors überschreitet, bleibt die Spannung von Va im Wesentlichen unverändert. Während vdd weiter ansteigt und die Versorgungsspannung Va+|Vtp| erreicht, wird der PMOS-Transistor M0 eingeschaltet, um Vb ansteigen zu lassen. Zuvor befand sich Vb auf einem niedrigen Pegel, da M0 abgeschaltet ist. Das Hauptproblem bei dieser Schaltung ist die statische Verlustleistung. Und da die Schwellenspannung des MOS-Transistors je nach Prozess im CMOS-Prozess stark variiert, wird sie leicht durch Prozessabweichungen beeinflusst. Daher wird die Verwendung einer pn-Übergangsdiode zur Erzeugung der Startspannung die Unsicherheit des Prozesses erheblich reduzieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. 13 .

Wenn VDD auf die Einschaltspannung der beiden pn-Übergangsdioden ansteigt, ist das Gate des PMOS-Transistors M0 gleich der Versorgungsspannung und der PMOS-Transistor wird ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung am Kondensator C1 auf einem niedrigen Pegel. Wenn VDD über die Schwellenspannung von zwei Dioden ansteigt, beginnt M0 zu leiten, während die Gate-Spannung von M1 unverändert bleibt, der durch M1 fließende Strom unverändert bleibt und die Spannung am Kondensator C1 allmählich ansteigt. Wenn es in die Umkehrphase übergeht, wird nach dem Umkippen des Geräts ein Startsignal erzeugt. Daher hängt die Zeit, die diese Schaltung zum Erzeugen des Startsignals benötigt, davon ab, ob die Versorgungsspannung die Schwellenspannung der beiden Dioden erreicht, was eine hohe Stabilität aufweist und das vorzeitige Startsignal der allgemeinen Startschaltung vermeidet, wenn die Versorgungsspannung ansteigt zu langsam. Das Problem.

Wenn die Versorgungsspannung zu schnell ansteigt, bilden die Gate-Kapazitäten von Widerstand R1 und M0 eine Tiefpass-Verzögerungsschaltung, wodurch die Gate-Spannung von M0 nicht in der Lage ist, schnell mit der Änderung der Versorgungsspannung Schritt zu halten und bei a zu bleiben niedriges Niveau. Zu diesem Zeitpunkt lädt M0 den Kondensator C1 auf, was dazu führt, dass die Schaltung nicht richtig funktioniert. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Kondensator C5 eingeführt. Wenn die Versorgungsspannung schnell ansteigt, kann der Kopplungseffekt des Kondensators C5 das Gate-Potential von M0 mit der Versorgungsspannung im Einklang halten und so T vermeidenDas Auftreten der oben genannten Probleme.

Das Problem des statischen Stromverbrauchs besteht in dieser Schaltung immer noch, und die Auswirkungen des statischen Stromverbrauchs können durch Erhöhen des Widerstandswerts und angemessene Auswahl der Größe der MOS-Röhre verringert werden. Um das Problem des statischen Stromverbrauchs vollständig zu lösen, muss eine zusätzliche Rückkopplungssteuerschaltung entworfen werden, um diesen Teil der Schaltung nach der Erzeugung des Startsignals abzuschalten. Besonderes Augenmerk muss jedoch auf die Instabilität gelegt werden, die durch die Einführung von Feedback entsteht.

Die Designschwierigkeit passiver UHF-RFID-Chips besteht darin, den Lese- und Schreibabstand des Chips zu erhöhen und die Herstellungskosten des Tags zu senken. Daher sind die Verbesserung der Effizienz der Stromrückgewinnungsschaltung, die Reduzierung des Stromverbrauchs des gesamten Chips und ein zuverlässiger Betrieb nach wie vor die größten Herausforderungen beim Design von RFID-Tag-Chips.