Passives UHF-RFID-Transponderchip-HF-Schaltungsdesign

Die Radiofrequenzidentifikation (Radio Frequency idenlificaTInn, RFID) ist eine automatische Identifikationstechnologie, die in den 1990er Jahren entstand. Die RFID-Technologie bietet viele Vorteile, die die Barcode-Technologie nicht bietet, und verfügt über ein breites Anwendungsspektrum, das in den Bereichen Staatsbürgerschaft der zweiten Generation*, Stadtkarten, Finanztransaktionen, Lieferkettenmanagement, ETC, Zugangskontrolle, Gepäckmanagement an Flughäfen usw. eingesetzt werden kann. öffentliche Verkehrsmittel, Containeridentifizierung, Viehhaltung usw. Daher ist es sehr wichtig, die Technologie zur Herstellung von RFID-Chips zu beherrschen. Derzeit haben die steigenden Anwendungsanforderungen zu höheren Anforderungen an RFID-Chips geführt, die eine größere Kapazität, geringere Kosten, eine kleinere Größe und eine höhere Datenrate erfordern. Entsprechend dieser Situation wird in diesem Artikel eine passive HF-Schaltung für UHF-RFID-Transponderchips mit geringem Stromverbrauch für große Entfernungen vorgeschlagen.

Zu den üblichen Betriebsfrequenzen von RFID gehören Niederfrequenz 125 kHz, 134,2 kHz, Hochfrequenz 13,56 MHz, Ultrahochfrequenz 860-930 MHz, Mikrowelle 2,45 GHz, 5,8 GHz usw. Da die Niederfrequenz 125 kHz, 134,2 kHz und die Hochfrequenz 13,56 MHz beträgt Verwendet die Spule als Antenne und verwendet die Methode der induktiven Kopplung. Der Arbeitsabstand ist relativ kurz, im Allgemeinen nicht mehr als 1,2 m, und die Bandbreite ist in Europa und anderen Regionen auf mehrere Kilohertz begrenzt. Aber UHF (860–93Uh1Hz) und Mikrowelle (2,45 GHz, 5,8 GHz) können einen größeren Arbeitsabstand, eine höhere Datenrate und eine kleinere Antennengröße bieten, sodass es sich zu einem heißen Forschungsgebiet von RFID entwickelt hat.

Der in diesem Dokument vorgeschlagene HF-Schaltungschip ist ein Tape-Out-Chip mit einem Chartered 0,35 μm 2P4M CMOS-Prozess, der Schottky-Dioden und einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM) unterstützt. Schottky-Dioden haben einen niedrigen Serienwiderstand und eine niedrige Durchlassspannung und können eine hohe Umwandlungseffizienz bei der Umwandlung empfangener HF-Eingangssignalenergie in Gleichstromversorgung bieten, wodurch der Stromverbrauch reduziert wird. Wenn die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) 4 W (36 dBm) und der Antennengewinn 0 dB beträgt, arbeitet der HF-Schaltungschip mit 915 MHz, der Leseabstand ist größer als 3 m und der Betriebsstrom beträgt weniger als 8 μA.

1 HF-Schaltungsstruktur

Der UHF-RF1D-Transponderchip, der hauptsächlich eine Hochfrequenzschaltung, eine Logiksteuerschaltung und ein EEPROM umfasst. Unter diesen kann der Hochfrequenzschaltungsteil in die folgenden Hauptschaltungsmodule unterteilt werden: Lokaloszillator- und Takterzeugungsschaltung, Einschalt-Reset-Schaltung, Spannungsreferenzquelle, Anpassungsnetzwerk und Rückstreuschaltung, Gleichrichter, Spannungsregler und Amplitudenmodulation ( AM ) Demodulator usw. Es gibt keine externen Komponenten außer der Antenne. Der Antennenteil nimmt eine Dipolstruktur an und wird über ein Anpassungsnetzwerk als einzige Energiequelle für den gesamten Chip an die Eingangsimpedanz des Gleichrichters angepasst. Das entsprechende Modell ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Realteil der Impedanz der Dipolantenne besteht aus Rra und Rloss, wobei Rra die Strahlungsimpedanz der Dipolantenne ist, die der Dipolantenne innewohnt und im Allgemeinen 73 Ω beträgt Fähigkeit der Antenne, elektromagnetische Wellen auszustrahlen; RVerlust Der ohmsche Widerstand des Metalls, aus dem die Antenne besteht, erzeugt im Allgemeinen nur Wärme. Der Imaginärteil X der Antennenimpedanz ist im Allgemeinen positiv, da die Antenne im Allgemeinen nach außen induktiv ist und die Größe dieser Ersatzinduktivität im Allgemeinen von der Topologie der Antenne und dem Material des Substrats abhängt. Der Gleichrichter wandelt die Leistung des eingekoppelten HF-Eingangssignals in die vom Chip benötigte Gleichspannung um. Der Spannungsregler stabilisiert die Gleichspannung auf einem bestimmten Niveau und begrenzt die Höhe der Gleichspannung, um den Chip vor einem Ausfall aufgrund zu hoher Spannung zu schützen. Der AM-Demodulator dient dazu, aus dem empfangenen Trägersignal das entsprechende Datensignal zu extrahieren. Die Rückstreuschaltung überträgt die Transponderdaten an den RFID-Interrogator oder Kartenleser, indem sie die Impedanz der HF-Schaltung durch variable Kapazität ändert. Die Power-On-Reset-Schaltung wird verwendet, um das Reset-Signal des gesamten Chips zu erzeugen. Im Gegensatz zum 13,56-MHz-Hochfrequenztransponder (HF) kann der 915-MHz-UHF-Transponder keinen lokalen Takt durch Teilen der Frequenz vom Träger erhalten, sondern kann nur über einen integrierten lokalen Oszillator mit geringem Stromverbrauch einen Takt für den digitalen Logikschaltungsteil bereitstellen . Alle diese Schaltungsblöcke werden im Folgenden einzeln erläutert.

2 Schaltungsentwurf und -analyse

2.1 Gleichrichter- und Spannungsreglerschaltungen

In dieser Arbeit wird die aus Schottky-Dioden bestehende Dickson-Ladungspumpe als Gleichrichterschaltung verwendet. Das schematische Diagramm der Schaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. Dies liegt daran, dass Schottky-Dioden eine niedrige Reihenschaltung habenWiderstand und Sperrschichtkapazität, die eine hohe Umwandlungseffizienz bei der Umwandlung empfangener HF-Eingangssignalenergie in Gleichstromversorgung bieten und dadurch den Stromverbrauch reduzieren können. Alle Schottky-Dioden sind durch Poly-Poly-Kondensatoren miteinander verbunden. Die vertikalen Kondensatoren laden und Speichern Energie während des negativen Halbzyklus der Eingangsspannung Vin, während die seitlichen Kondensatoren während des positiven Halbzyklus von Vin Energie laden und speichern, um Gleichstrom zu erzeugen. Hochspannung, die resultierende Spannung beträgt:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Dabei ist Vp, RF die Amplitude des eingegebenen Hochfrequenzsignals, Vf, D die Durchlassspannung der Schottky-Diode und n die Anzahl der Stufen der verwendeten Ladungspumpe.

Stabilisieren Sie die vom Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung auf einem bestimmten Niveau und stellen Sie eine stabile Arbeitsspannung für den gesamten Transponderchip bereit, um sicherzustellen, dass sich die Gleichspannungsamplitude aufgrund der physischen Position des Transponderchips nicht ändert, und vermeiden Sie mögliche Erschütterungen des Chips. Verschleiß, um den Transponderchip zu schützen. Die Schaltung verwendet eine selbstvorgespannte Cascnde-Struktur. Der Grund für die Wahl dieser Schaltungsstruktur liegt darin, dass die Cascnde-Struktur über den Isolationseffekt der Common-Gate-Röhre verfügt, was ihr eine gute Fähigkeit verleiht, Leistungsschwankungen zu unterdrücken und dadurch das Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) zu verbessern. Um die Grundstabilität der beiden Zweigströme sicherzustellen. Das Flächenverhältnis von Q1 und Q2 beträgt 1:8. Darüber hinaus haben wir im Gegensatz zu allgemeinen HF-RFID-Transpondern eine Niederspannungs-Referenzquelle mit einer Niederspannungs-Startschaltung in das Design übernommen, um den Gesamtstromverbrauch des Chips zu reduzieren.