Circuitontwerpanalyse van UHF-passieve RFID-tags

Vanwege de hoge werkfrequentie, lange lees-schrijfafstand, geen externe voeding en lage productiekosten zijn UHF passieve RFID-tags een van de belangrijkste richtingen van RFID-onderzoek geworden en kunnen ze in de nabije toekomst mainstreamproducten worden op het gebied van RFID.

Een complete UHF passieve RFID-tag bestaat uit een antenne en een tagchip. De tagchip bevat over het algemeen de volgende onderdelen van het circuit: stroomherstelcircuit, voedingsspanningsstabilisatiecircuit, backscattermodulatiecircuit, demodulatiecircuit, klokextractie-/generatiecircuit, startsignaalgeneratiecircuit, referentiebrongeneratiecircuit, besturingseenheid, geheugen. De energie die nodig is om de passieve RFID-tagchip te laten werken, wordt volledig afgeleid van de energie van de elektromagnetische golf die door de kaartlezer wordt gegenereerd. Daarom moet het stroomherstelcircuit het UHF-signaal dat door de tagantenne wordt geïnduceerd, omzetten in de DC-spanning die nodig is om de chip te laten werken. energie leveren.

Omdat de elektromagnetische omgeving waarin RFID-tags zich bevinden zeer complex is, kan het vermogen van het ingangssignaal honderden of zelfs duizenden keren variëren. Om de chip normaal te laten werken in verschillende veldsterktes, moet er een betrouwbaar voedingsspanningsstabilisatiecircuit worden ontworpen. Het modulatie- en demodulatiecircuit is het belangrijkste circuit voor de communicatie tussen de tag en de kaartlezer. Momenteel gebruiken de meeste UHF RFID-tags ASK-modulatie. De besturingseenheid van een RFID-tag is een digitaal circuit dat instructies verwerkt. Om het digitale circuit correct te laten resetten nadat de tag het veld van de kaartlezer is binnengegaan, moet er een betrouwbaar opstartsignaalgeneratiecircuit worden ontworpen om een resetsignaal te leveren voor de digitale eenheid.

voedingsherstelcircuit

Het voedingsherstelcircuit zet het UHF-signaal dat door de RFID-tagantenne wordt ontvangen om in een DC-spanning door middel van gelijkrichting en versterking om de chip van energie te voorzien om te werken. Er zijn veel mogelijke circuitconfiguraties voor voedingsherstelcircuits. Zoals weergegeven in de afbeelding zijn er verschillende voedingsherstelcircuits die momenteel veel worden gebruikt.

In deze stroomherstelcircuits is er geen optimale circuitstructuur en heeft elk circuit zijn eigen voor- en nadelen. Onder verschillende belastingsomstandigheden, verschillende ingangsspanningsomstandigheden, verschillende uitgangsspanningsvereisten en beschikbare procesomstandigheden moeten verschillende circuits worden geselecteerd om optimale prestaties te bereiken. Het meertraps diodespanningsverdubbelingscircuit dat is weergegeven in Afbeelding 2(a) gebruikt over het algemeen Schottky-barrièrediodes. Het heeft de voordelen van een hoge spanningsverdubbelingsefficiëntie en een kleine ingangssignaalamplitude en wordt veel gebruikt. Het gebruikelijke CMOS-proces van de algemene gieterij biedt echter geen Schottky-barrièrediodes, wat de ontwerper problemen zal opleveren bij de selectie van het proces. Afbeelding 2(b) vervangt de Schottky-diode door een PMOS-buis die is aangesloten in de vorm van een diode, waardoor speciale vereisten aan het proces worden vermeden. Het spanningsverdubbelingscircuit met deze structuur heeft een hogere ingangssignaalamplitude nodig en heeft een betere spanningsverdubbelingsefficiëntie wanneer de uitgangsspanning hoger is. Afbeelding 2(c) is een traditioneel diode-volledige-golfgelijkrichtercircuit. Vergeleken met het Dickson-spanningsverdubbelingscircuit is het spanningsverdubbelingseffect beter, maar er worden meer diode-elementen geïntroduceerd en de vermogensomzettingsefficiëntie is over het algemeen iets lager dan bij het Dickson-spanningsverdubbelingscircuit. Bovendien is het, omdat de antenne-ingangsaansluiting is gescheiden van de chipaarde, een volledig symmetrische structuur met een condensator die DC blokkeert wanneer bekeken vanaf de antenne-ingangsaansluiting naar de chip, wat de wederzijdse invloed tussen de chipaarde en de antenne vermijdt en geschikt is voor gebruik met symmetrische antennes (zoals zelfs paalantennes) die zijn aangesloten. Afbeelding 2(d) is de CMOS-buisoplossing van het full-wave rectificatiecircuit dat in veel literatuur wordt voorgesteld. In het geval van beperkte technologie kan een betere vermogensomzettingsefficiëntie worden verkregen en zijn de vereisten voor de ingangssignaalamplitude relatief laag.

Bij de toepassing van algemene passieve UHF RFID-tags wordt, vanwege kostenoverwegingen, gehoopt dat het chipcircuit geschikt is voor de productie van gewone CMOS-technologie. De vereiste van lezen en schrijven op lange afstand stelt hogere eisen aan de vermogensomzettingsefficiëntie van het vermogensherstelcircuit. Om deze reden gebruiken veel ontwerpers standaard CMOS-technologie om Schottky-barrièrediodes te realiseren, zodat de structuur van het meertraps Dickson-spanningsverdubbelingscircuit handig kan worden gebruikt om de prestaties van vermogensconversie te verbeteren. Afbeelding 3 is een schematisch diagram van de structuur van een Schottky-diode die is vervaardigd met een algemeen CMOS-proces. In het ontwerp kunnen Schottky-dioden worden geproduceerd zonder de process-stappen en regels voor het genereren van maskers, en hoeven alleen enkele wijzigingen in de lay-out aan te brengen.

De lay-out van verschillende Schottky-diodes ontworpen onder het UMC 0,18um CMOS-proces. Hun DC-karakteristieke testcurven worden weergegeven in Afbeelding 5. Uit de testresultaten van de DC-karakteristieken blijkt dat de Schottky-diode die is vervaardigd met het standaard CMOS-proces typische diodekarakteristieken heeft en dat de inschakelspanning slechts ongeveer 0,2 V bedraagt, wat zeer geschikt is voor RFID-tags.

Vermogensregelaarcircuit

Wanneer de amplitude van het ingangssignaal hoog is, moet het voedingsspanningsstabilisatiecircuit ervoor kunnen zorgen dat de uitgangsspanning van de DC-voeding de maximale spanning die de chip kan weerstaan, niet overschrijdt; tegelijkertijd moet het door het spanningsstabilisatiecircuit verbruikte vermogen zo laag mogelijk zijn wanneer het ingangssignaal klein is. Om het totale stroomverbruik van de chip te verminderen.

Vanuit het oogpunt van het principe van spanningsregeling kan de structuur van het spanningsregelingscircuit worden onderverdeeld in twee typen: een parallel spanningsregelingscircuit en een serie spanningsregelingscircuit.

In de RFID-tagchip moet er een energieopslagcondensator zijn met een grote capaciteitswaarde om voldoende lading op te slaan zodat de tag het modulatiesignaal kan ontvangen, en de invoerenergie kan nog steeds aanwezig zijn op het moment dat de invoerenergie klein is (zoals het moment dat er geen drager is in OOK-modulatie). , om de voedingsspanning van de chip te handhaven. Als de invoerenergie te hoog is en de voedingsspanning stijgt tot een bepaald niveau, zal de spanningssensor in het spanningsstabilisatiecircuit de lekbron regelen om de overtollige lading op de energieopslagcondensator vrij te geven, om zo het doel van spanningsstabilisatie te bereiken. Afbeelding 7 is een van de parallelle spanningsregelaarcircuits. Drie in serie geschakelde diodes D1, D2, D3 en weerstand R1 vormen een spanningssensor om de gatespanning van de bleeder M1 te regelen. Wanneer de voedingsspanning de som van de inschakelspanningen van de drie diodes overschrijdt, stijgt de gatespanning van M1, wordt M1 ingeschakeld en begint de energieopslagcondensator C1 te ontladen.

Het principe van een ander type spanningsstabilisatiecircuit is het gebruik van een seriespanningsstabilisatieschema. Het schema is weergegeven in Afbeelding 8. De referentiespanningsbron is ontworpen als een referentiebron die onafhankelijk is van de voedingsspanning. De uitgangsspanning van de voedingsspanning wordt gedeeld door de weerstand en vergeleken met de referentiespanning, en het verschil wordt versterkt door de operationele versterker om het gatepotentiaal van de M1-buis te regelen, zodat de uitgangsspanning en de referentiebron in principe dezelfde stabiele toestand behouden.

Dit seriespanningsregelaarcircuit kan een nauwkeurigere voedingsspanning afgeven, maar omdat de M1-buis in serie is geschakeld tussen de ongereguleerde voeding en de gereguleerde voeding, zal de spanningsval op de M1-buis een hogere spanning veroorzaken wanneer de belastingstroom groot is. vermogensverlies. Daarom wordt deze circuitstructuur over het algemeen toegepast op tagcircuits met een lager stroomverbruik.

Modulatie- en demodulatiecircuit

a. Demodulatiecircuit

Om het chipoppervlak en het stroomverbruik te verkleinen, maken de meeste passieve RFID-tags momenteel gebruik van ASK-modulatie. Voor het ASK-demodulatiecircuit van de tagchip is de algemeen gebruikte demodulatiemethode de envelopdetectiemethode, zoals weergegeven in FIG. 9.

Het spanningsverdubbelingscircuit van het envelopdetectiedeel en het vermogenshersteldeel zijn in principe hetzelfde, maar het is niet nodig om een grote belastingstroom te leveren. Een lekstroombron is parallel aangesloten in de laatste fase van het envelopdetectiecircuit. Wanneer het ingangssignaal wordt gemoduleerd, neemt de ingangsenergie af en verlaagt de lekstroombron de envelopuitgangsspanning, zodat het daaropvolgende comparatorcircuit het modulatiesignaal kan beoordelen. Vanwege het grote bereik van energievariatie van het RF-ingangssignaal moet de stroom van de lekbron dynamisch worden aangepast om zich aan te passen aan de veranderingen van verschillende veldsterktes in het nabije veld en verre veld. Als de stroom van de lekstroomvoorziening bijvoorbeeld klein is, kan deze voldoen aan de behoeften van de comparator wanneer de veldsterkte zwak is, maar wanneer de tag zich in het nabije veld bevindt met een sterke veldsterkte, zal de lekstroom niet voldoende zijn om het gedetecteerde signaal te maken. Als er een grote amplitudeverandering is, kan de post-stage comparator niet normaal werken. Om dit probleem op te lossen, kan de lekbronstructuur zoals weergegeven in Fig. 10 worden aangenomen.

Wanneer de ingangsdrager niet wordt gemoduleerd, is het gatepotentiaal van de bleederbuis M1 hetzelfde als het drainpotentiaal, waardoor een diode-aangesloten NMOS-buis wordt gevormd, die de envelopuitgang nabij de drempelspanning van M1 klemt. ThHet vermogen dat op M1 wordt verbruikt, is in evenwicht; wanneer de invoerdrager wordt gemoduleerd, neemt de invoerenergie van de chip af en op dit moment blijft het gatepotentieel van M1 op het oorspronkelijke niveau vanwege de werking van het vertragingscircuit R1 en C1 en lekt M1. De vrijgegeven stroom blijft ongewijzigd, waardoor de amplitude van het envelopuitgangssignaal snel afneemt; op dezelfde manier zorgt de vertraging van R1 en C1 ervoor dat de envelopuitgang snel terugkeert naar het oorspronkelijke hoge niveau nadat de drager is hersteld. Met behulp van deze circuitstructuur en door de grootte van R1, C1 en M1 redelijk te kiezen, kunnen de demodulatiebehoeften onder verschillende veldsterktes worden vervuld. Er zijn ook veel opties voor het comparatorcircuit dat achter de envelopuitgang is aangesloten en de meest gebruikte zijn hysteresiscomparator en operationele versterker.

b. Modulatiecircuit

Passieve UHF RFID-tags maken over het algemeen gebruik van de backscattering-modulatiemethode, dat wil zeggen door de ingangsimpedantie van de chip te veranderen om de reflectiecoëfficiënt tussen de chip en de antenne te veranderen, om zo het doel van modulatie te bereiken. Over het algemeen zijn de impedantie van de antenne en de ingangsimpedantie van de chip zo ontworpen dat deze dicht bij de vermogensmatch ligt wanneer deze niet wordt gemoduleerd, en de reflectiecoëfficiënt wordt verhoogd wanneer deze wel wordt gemoduleerd. De algemeen gebruikte backscattering-methode is om een condensator met een schakelaar parallel tussen de twee ingangsuiteinden van de antenne te verbinden, zoals weergegeven in Afbeelding 11, het modulatiesignaal bepaalt of de condensator is verbonden met het ingangsuiteinde van de chip door de schakelaar te regelen, waardoor de ingangsimpedantie van de chip wordt gewijzigd.

startsignaalgeneratiecircuit

De functie van het start-resetsignaalgeneratiecircuit in de RFID-tag is om een resetsignaal te leveren voor het starten van het digitale circuit nadat het herstel van de voeding is voltooid. Het ontwerp moet rekening houden met de volgende kwesties: Als de voedingsspanning te lang stijgt, zal de hoge amplitude van het resetsignaal laag zijn, wat niet kan voldoen aan de behoeften van het resetten van het digitale circuit; het startsignaalgeneratiecircuit is gevoeliger voor stroomschommelingen, het is mogelijk om storingen te veroorzaken; het statische stroomverbruik moet zo laag mogelijk zijn.

Meestal is de tijd voor het stijgen van de voedingsspanning onzeker en kan deze erg lang zijn nadat de passieve RFID-tag het veld betreedt. Dit vereist dat het ontwerp van het startsignaalgeneratiecircuit het startsignaal genereert op het moment dat dit gerelateerd is aan de voedingsspanning. Afbeelding 12 toont een veelvoorkomend startsignaalgeneratiecircuit.

Het basisprincipe is om de tak bestaande uit weerstand R0 en NMOS-transistor M1 te gebruiken om een relatief vaste spanning Va te genereren. Wanneer de voedingsspanning vdd de drempelspanning van de NMOS-transistor overschrijdt, blijft de spanning van Va in principe ongewijzigd. Naarmate vdd blijft stijgen, wordt de PMOS-transistor M0 ingeschakeld om Vb te laten stijgen wanneer de voedingsspanning Va+|Vtp| bereikt, en daarvoor was Vb op een laag niveau omdat M0 is afgesneden. Het grootste probleem met dit circuit is de aanwezigheid van statische vermogensdissipatie. En omdat de drempelspanning van de MOS-transistor sterk varieert met het proces onder het CMOS-proces, wordt deze gemakkelijk beïnvloed door de procesafwijking. Daarom zal het gebruik van een pn-junctiediode om de opstartspanning te genereren de onzekerheid van het proces aanzienlijk verminderen, zoals weergegeven in FIG. 13.

Wanneer VDD stijgt tot de inschakelspanning van de twee pn-overgangsdiodes, is de gate van de PMOS-transistor M0 gelijk aan de voedingsspanning en wordt de PMOS-transistor uitgeschakeld. Op dit moment is de spanning op de condensator C1 laag. Wanneer VDD stijgt boven de drempelspanning van twee diodes, begint M0 te geleiden, terwijl de gatespanning van M1 ongewijzigd blijft, de stroom die door M1 stroomt ongewijzigd blijft en de spanning op condensator C1 geleidelijk toeneemt. Wanneer deze stijgt tot de omgekeerde fase Nadat het apparaat omslaat, wordt een startsignaal gegenereerd. Daarom is de tijd die dit circuit nodig heeft om het startsignaal te genereren afhankelijk van of de voedingsspanning de drempelspanning van de twee diodes bereikt, die een hoge stabiliteit heeft en het voortijdige startsignaal van het algemene startcircuit vermijdt wanneer de voedingsspanning te langzaam stijgt. Het probleem.

Als de voedingsspanning te snel stijgt, vormt de gatecapaciteit van weerstand R1 en M0 een low-pass delay circuit, waardoor de gatespanning van M0 niet snel de verandering van de voedingsspanning kan bijhouden en op een laag niveau blijft. Op dit moment zal M0 de condensator C1 opladen, waardoor het circuit niet goed werkt. Om dit probleem op te lossen, wordt een condensator C5 geïntroduceerd. Als de voedingsspanning snel stijgt, kan het koppelingseffect van de condensator C5 het gatepotentiaal van M0 consistent houden met de voedingsspanning, waardoor thet optreden van de hierboven genoemde problemen.

Het probleem van statisch stroomverbruik bestaat nog steeds in dit circuit, en de impact van statisch stroomverbruik kan worden verminderd door de weerstandswaarde te verhogen en de grootte van de MOS-buis redelijk te selecteren. Om het probleem van statisch stroomverbruik volledig op te lossen, is het noodzakelijk om een extra feedbackregelcircuit te ontwerpen om dit deel van het circuit uit te schakelen nadat het startsignaal is gegenereerd. Er moet echter speciale aandacht worden besteed aan de instabiliteit die wordt veroorzaakt door de introductie van feedback.

De ontwerpmoeilijkheid van passieve UHF RFID-chips draait om hoe de lees- en schrijfafstand van de chip kan worden vergroot en de productiekosten van de tag kunnen worden verlaagd. Daarom zijn het verbeteren van de efficiëntie van het stroomherstelcircuit, het verminderen van het stroomverbruik van de algehele chip en het betrouwbaar werken nog steeds de belangrijkste uitdagingen bij het ontwerp van RFID-tagchips.