UHF passiv RFID etiketlərinin dövrə dizayn təhlili

Yüksək işləmə tezliyi, uzun oxumaq-yazma məsafəsi, xarici enerji təchizatı olmaması və aşağı istehsal dəyəri sayəsində UHF passiv RFID etiketləri RFID tədqiqatının əsas istiqamətlərindən birinə çevrildi və yaxın gələcəkdə RFID sahəsində əsas məhsullara çevrilə bilər.

Tam UHF passiv RFID etiketi antena və etiket çipindən ibarətdir. Onların arasında etiket çipi ümumiyyətlə dövrənin aşağıdakı hissələrini ehtiva edir: enerji bərpa sxemi, enerji təchizatı gərginliyinin sabitləşdirilməsi sxemi, geri səpilmə modulyasiya sxemi, demodulyasiya sxemi, saat çıxarılması / yaradan dövrə, başlanğıc siqnal yaradan dövrə, istinad mənbəyi yaradan dövrə, idarəetmə bloku, yaddaş. Passiv RFID etiket çipinin işləməsi üçün tələb olunan enerji tamamilə kart oxuyucusu tərəfindən yaradılan elektromaqnit dalğasının enerjisindən əldə edilir. Buna görə də, enerji bərpa sxemi etiket antenası tərəfindən induksiya olunan UHF siqnalını çipin işləməsi üçün lazım olan DC gərginliyinə çevirməlidir. enerji ilə təmin etmək.

RFID etiketlərinin yerləşdiyi elektromaqnit mühiti çox mürəkkəb olduğundan, giriş siqnalının gücü yüzlərlə və hətta minlərlə dəfə dəyişə bilər. Buna görə də, çipin müxtəlif sahə güclərində normal işləməsi üçün etibarlı enerji təchizatı gərginliyini sabitləşdirmə sxemi tərtib edilməlidir. . Modulyasiya və demodulyasiya sxemi etiket və kart oxuyucusu arasında əlaqə üçün əsas dövrədir. Hazırda əksər UHF RFID teqləri ASK modulyasiyasından istifadə edir. RFID etiketinin idarəetmə bloku təlimatları emal edən rəqəmsal dövrədir. Kart oxuyucunun göstərişlərinə cavab olaraq, etiket kart oxuyucunun sahəsinə daxil olduqdan sonra rəqəmsal sxemin düzgün sıfırlanmasını təmin etmək üçün rəqəmsal blok üçün sıfırlama siqnalını təmin etmək üçün etibarlı başlanğıc siqnalının yaradılması sxemi tərtib edilməlidir.

enerji bərpa dövrəsi

Güc bərpa sxemi RFID etiket antenası tərəfindən qəbul edilən UHF siqnalını çipin işləməsi üçün enerji təmin etmək üçün düzəliş və gücləndirmə yolu ilə DC gərginliyinə çevirir. Güc bərpa sxemləri üçün bir çox mümkün dövrə konfiqurasiyası var. Şəkildə göstərildiyi kimi, hal-hazırda tez-tez istifadə olunan bir neçə enerji bərpa sxemi var.

Bu enerji bərpa sxemlərində optimal dövrə quruluşu yoxdur və hər bir dövrənin öz üstünlükləri və mənfi cəhətləri var. Fərqli yük şəraitində, müxtəlif giriş gərginliyi şəraitində, fərqli çıxış gərginliyi tələblərində və mövcud proses şərtlərində, optimal performansa nail olmaq üçün müxtəlif sxemlərin seçilməsi lazımdır. Şəkil 2(a)-da göstərilən çox mərhələli diod gərginlikli ikiqat dövrə ümumiyyətlə Schottky maneə diodlarından istifadə edir. Yüksək gərginlikli ikiqat səmərəliliyin və kiçik giriş siqnalının amplitüdünün üstünlüklərinə malikdir və geniş istifadə olunur. Bununla belə, ümumi tökmə zavodunun ümumi CMOS prosesi Schottky maneə diodlarını təmin etmir, bu da prosesin seçilməsində dizaynerə problem gətirəcək. Şəkil 2(b) Schottky diodunu diod şəklində birləşdirilmiş PMOS borusu ilə əvəz edir ki, bu da prosesə xüsusi tələblərin qarşısını alır. Bu quruluşa malik olan gərginliyin ikiqat artırma dövrəsi daha yüksək giriş siqnalının amplitudasına ehtiyac duyur və çıxış gərginliyi daha yüksək olduqda daha yaxşı gərginliyin ikiqat artırılması səmərəliliyinə malikdir. Şəkil 2(c) ənənəvi diodlu tam dalğalı düzəldici dövrədir. Dickson gərginlik dublyor sxemi ilə müqayisədə, gərginlik dublyor effekti daha yaxşıdır, lakin daha çox diod elementləri təqdim olunur və gücün çevrilməsinin səmərəliliyi ümumiyyətlə Dickson gərginlikli ikiqat sxemindən bir qədər aşağıdır. Bundan əlavə, onun antenna giriş terminalı çip zəminindən ayrıldığı üçün, antenanın giriş terminalından çipə baxdıqda DC-ni bloklayan kondansatör ilə tam simmetrik bir quruluşdur ki, bu da çip zəmini və antena arasında qarşılıqlı təsirdən qaçır və simmetrik antenalarla (məsələn, qoşulmuş dirək antenası kimi) istifadə üçün əlverişlidir. Şəkil 2(d) bir çox ədəbiyyat tərəfindən təklif olunan tam dalğalı rektifikasiya sxeminin CMOS boru həllidir. Məhdud texnologiya vəziyyətində daha yaxşı gücə çevrilmə səmərəliliyi əldə edilə bilər və giriş siqnalının amplitudası üçün tələblər nisbətən aşağıdır.

Ümumi passiv UHF RFID teqlərinin tətbiqində, qiymət mülahizələrinə görə, çip dövrəsinin adi CMOS texnologiyasının istehsalı üçün uyğun olacağına ümid edilir. Uzaq məsafədən oxuma və yazma tələbi enerji bərpa dövrəsinin enerjiyə çevrilmə səmərəliliyinə daha yüksək tələblər qoyur. Bu səbəbdən, bir çox dizayner Schottky maneə diodlarını həyata keçirmək üçün standart CMOS texnologiyasından istifadə edir, belə ki, çox mərhələli Dickson gərginlikli ikiqat dövrə strukturu enerji çevrilməsinin performansını yaxşılaşdırmaq üçün rahat şəkildə istifadə edilə bilər. Şəkil 3 ümumi CMOS prosesi ilə istehsal edilən Schottky diodunun strukturunun sxematik diaqramıdır. Dizaynda Schottky diodları pr dəyişdirilmədən istehsal edilə biləraddımları və maska yaratma qaydalarını öyrənin və yalnız layoutda bəzi dəyişikliklər etmək lazımdır.

UMC 0.18um CMOS prosesi altında hazırlanmış bir neçə Schottky diodunun sxemi. Onların DC xarakteristikası test əyriləri Şəkil 5-də göstərilmişdir. DC xüsusiyyətlərinin sınaq nəticələrindən görünə bilər ki, standart CMOS prosesi ilə istehsal edilən Schottky diodunun tipik diod xüsusiyyətləri var və işə salınma gərginliyi yalnız təxminən 0,2V-dir ki, bu da RFID etiketləri üçün çox uyğundur.

Güc tənzimləyicisi dövrəsi

Giriş siqnalının amplitudası yüksək olduqda, enerji təchizatı gərginliyinin sabitləşdirilməsi sxemi çıxış DC enerji təchizatı gərginliyinin çipin dözə biləcəyi maksimum gərginliyi keçməməsini təmin etməlidir; eyni zamanda, giriş siqnalı kiçik olduqda, gərginliyin sabitləşməsi dövrəsinin istehlak etdiyi güc mümkün qədər az olmalıdır. Çipin ümumi enerji istehlakını azaltmaq üçün.

Gərginliyin tənzimlənməsi prinsipi nöqteyi-nəzərindən gərginliyin tənzimləmə dövrəsinin strukturunu iki növə bölmək olar: paralel gərginlik tənzimləmə dövrəsi və ardıcıl gərginlik tənzimləmə sxemi.

RFID etiket çipində, etiketin modulyasiya siqnalını qəbul etməsi üçün kifayət qədər yük saxlamaq üçün böyük bir tutum dəyəri olan bir enerji saxlama kondensatoru olmalıdır və giriş enerjisi hələ də giriş enerjisinin kiçik olduğu anda ola bilər (məsələn, OOK modulyasiyasında daşıyıcının olmadığı an). , çipin enerji təchizatı gərginliyini saxlamaq üçün. Giriş enerjisi çox yüksək olarsa və enerji təchizatı gərginliyi müəyyən bir səviyyəyə qalxarsa, gərginlik sabitləşdirmə dövrəsindəki gərginlik sensoru gərginliyin sabitləşdirilməsi məqsədinə nail olmaq üçün enerji saxlama kondansatöründəki artıq yükü azad etmək üçün sızma mənbəyinə nəzarət edəcəkdir. Şəkil 7 paralel gərginlik tənzimləyicisi sxemlərindən biridir. Üç seriyalı birləşdirilmiş diodlar D1, D2, D3 və rezistor R1, qanaxma M1-in qapı gərginliyini idarə etmək üçün bir gərginlik sensoru təşkil edir. Enerji təchizatı gərginliyi üç diodun işə salınma gərginliklərinin cəmindən artıq olduqda, M1-in qapı gərginliyi yüksəlir, M1 açılır və enerji saxlama kondansatörü C1 boşalmağa başlayır.

Başqa bir növ gərginlik sabitləşdirici dövrə prinsipi ardıcıl gərginlik sabitləşdirmə sxemindən istifadə etməkdir. Onun sxematik diaqramı Şəkil 8-də göstərilmişdir. İstinad gərginlik mənbəyi təchizatı gərginliyindən asılı olmayaraq istinad mənbəyi kimi nəzərdə tutulmuşdur. Çıxış enerji təchizatı gərginliyi rezistorla bölünür və istinad gərginliyi ilə müqayisə edilir və fərq M1 borusunun qapı potensialını idarə etmək üçün əməliyyat gücləndiricisi tərəfindən gücləndirilir, beləliklə çıxış gərginliyi və istinad mənbəyi əsasən eyni sabit vəziyyəti saxlayır.

Bu seriyalı gərginlik tənzimləyicisi sxemi daha dəqiq enerji təchizatı gərginliyi çıxara bilər, lakin M1 borusu tənzimlənməmiş enerji təchizatı ilə tənzimlənən enerji təchizatı arasında ardıcıl bağlandığından, yük cərəyanı böyük olduqda, M1 borusunda gərginliyin düşməsi daha yüksək gərginliyə səbəb olacaqdır. güc itkisi. Buna görə də, bu dövrə quruluşu ümumiyyətlə daha az enerji istehlakı olan etiket sxemlərinə tətbiq olunur.

Modulyasiya və demodulyasiya sxemi

a. Demodulyasiya dövrəsi

Çip sahəsini və enerji istehlakını azaltmaq üçün passiv RFID etiketlərinin əksəriyyəti hazırda ASK modulyasiyasını qəbul edir. Taq çipinin ASK demodulyasiya sxemi üçün, ŞEKİL-də göstərildiyi kimi, ümumi istifadə edilən demodulyasiya üsulu zərf aşkarlama üsuludur. 9 .

Zərf aşkarlama hissəsinin və gücün bərpa hissəsinin gərginlikli ikiqat dövrəsi əsasən eynidır, lakin böyük bir yük cərəyanını təmin etmək lazım deyil. Zərf aşkarlama dövrəsinin son mərhələsində sızma cərəyanı mənbəyi paralel olaraq bağlanır. Giriş siqnalı modulyasiya edildikdə, giriş enerjisi azalır və sızma mənbəyi zərfin çıxış gərginliyini azaldır ki, sonrakı müqayisəli dövrə modulyasiya siqnalını mühakimə edə bilsin. Giriş RF siqnalının enerji dəyişikliyinin geniş diapazonuna görə sızma mənbəyinin cərəyanı yaxın və uzaq sahədə müxtəlif sahə güclərinin dəyişmələrinə uyğunlaşmaq üçün dinamik şəkildə tənzimlənməlidir. Məsələn, sızma enerji təchizatı cərəyanı kiçikdirsə, sahənin gücü zəif olduqda, o, komparatorun ehtiyaclarını ödəyə bilər, lakin etiket güclü sahə gücü ilə yaxın sahədə olduqda, sızma cərəyanı aşkar edilmiş siqnalı etmək üçün kifayət etməyəcək Böyük amplituda dəyişikliyi varsa, post-mərhələ müqayisə cihazı normal işləyə bilməz. Bu problemi həll etmək üçün Şəkil 10-da göstərildiyi kimi sızma mənbəyi strukturu qəbul edilə bilər.

Giriş daşıyıcısı modulyasiya edilmədikdə, M1 qanaxma borusunun qapı potensialı drenaj potensialı ilə eynidir və diodla birləşdirilmiş NMOS borusunu meydana gətirir və bu, M1-in eşik gərginliyinə yaxın zərf çıxışını sıxışdırır. The M1-də istehlak olunan güc balanslaşdırılmışdır; giriş daşıyıcısı modulyasiya edildikdə, çipin giriş enerjisi azalır və bu zaman R1 və C1 gecikmə dövrəsinin təsiri ilə M1-in qapı potensialı orijinal səviyyədə qalır və M1 sızır Sərbəst buraxılan cərəyan dəyişməz qalır, bu da zərfin çıxış siqnalının amplitüdünün sürətlə azalmasına səbəb olur; analoji olaraq, daşıyıcı bərpa edildikdən sonra R1 və C1 gecikməsi zərfin çıxışını tez bir zamanda orijinal yüksək səviyyəyə qaytarır. Bu dövrə quruluşundan istifadə edərək və R1, C1 və M1 ölçüsünü əsaslı şəkildə seçməklə, müxtəlif sahə gücləri altında demodulyasiya ehtiyacları qarşılana bilər. Zərf çıxışının arxasında birləşdirilmiş müqayisəli dövrə üçün bir çox variant var və ən çox istifadə olunanlar histerezis müqayisəsi və əməliyyat gücləndiricisidir.

b. Modulyasiya dövrəsi

Passiv UHF RFID etiketləri ümumiyyətlə geri səpilmə modulyasiya metodunu qəbul edir, yəni modulyasiya məqsədinə nail olmaq üçün çipin giriş empedansını dəyişdirərək çip və antena arasındakı əksetmə əmsalını dəyişdirərək. Ümumiyyətlə, antenanın empedansı və çipin giriş empedansı modullaşdırılmadıqda güc uyğunluğuna yaxın olması üçün nəzərdə tutulmuşdur və modulyasiya edildikdə əksetmə əmsalı artır. Tez-tez istifadə olunan geri səpilmə üsulu, Şəkil 11-də göstərildiyi kimi, antenanın iki giriş ucu arasında bir keçid ilə bir kondansatörü birləşdirməkdir, modulyasiya siqnalı keçidi idarə edərək kondansatörün çipin giriş ucuna qoşulub-qoşulmadığını müəyyən edir, beləliklə, çipin giriş empedansı dəyişir.

başlanğıc siqnal yaratma dövrəsi

RFID etiketindəki gücün başlanğıcının sıfırlanması siqnalının yaradılması dövrəsinin funksiyası gücün bərpası başa çatdıqdan sonra rəqəmsal dövrənin işə başlaması üçün sıfırlama siqnalını təmin etməkdir. Onun dizaynı aşağıdakı məsələləri nəzərə almalıdır: Enerji təchizatı gərginliyi çox uzun müddətə yüksələrsə, sıfırlama siqnalının yüksək səviyyəli amplitudası aşağı olacaq, bu da rəqəmsal sxemin sıfırlanması ehtiyaclarını ödəyə bilməz; başlanğıc siqnalının yaradılması dövrəsi güc dalğalanmalarına daha həssasdır , nasazlığa səbəb ola bilər; statik enerji istehlakı mümkün qədər aşağı olmalıdır.

Adətən, passiv RFID etiketi sahəyə daxil olduqdan sonra enerji təchizatı gərginliyinin yüksəlmə vaxtı qeyri-müəyyəndir və çox uzun ola bilər. Bu, enerji təchizatı gərginliyi ilə əlaqəli anda başlanğıc siqnalını yaratmaq üçün başlanğıc siqnalının yaradılması dövrəsinin dizaynını tələb edir. Şəkil 12 ümumi başlanğıc siqnal yaratma dövrəsini göstərir.

Onun əsas prinsipi nisbətən sabit gərginlik Va yaratmaq üçün rezistor R0 və NMOS tranzistoru M1-dən ibarət filialdan istifadə etməkdir. Enerji təchizatı gərginliyi vdd NMOS tranzistorunun eşik gərginliyini aşdıqda, Va gərginliyi əsasən dəyişməz qalır. Vdd yüksəlməyə davam etdikcə, enerji təchizatı gərginliyi Va+|Vtp|-ə çatdıqda, Vb-nin yüksəlməsi üçün PMOS tranzistoru M0 işə salınır və bundan əvvəl M0 kəsildiyi üçün Vb aşağı səviyyədə olmuşdur. Bu dövrə ilə bağlı əsas problem statik enerjinin yayılmasının olmasıdır. Və MOS tranzistorunun həddi gərginliyi CMOS prosesində prosesə görə çox dəyişdiyi üçün, proses sapmasından asanlıqla təsirlənir. Buna görə də, başlanğıc gərginliyini yaratmaq üçün bir pn keçid diodundan istifadə, ŞEKİL-də göstərildiyi kimi, prosesin qeyri-müəyyənliyini xeyli azaldacaqdır. 13.

VDD iki pn keçid diodunun açılma gərginliyinə yüksəldikdə, PMOS tranzistorunun M0 qapısı enerji təchizatı gərginliyinə bərabərdir və PMOS tranzistoru söndürülür. Bu zaman kondansatör C1-də gərginlik aşağı səviyyədədir. VDD iki diodun eşik gərginliyindən yuxarı qalxdıqda, M0 keçirməyə başlayır, M1-in qapı gərginliyi dəyişməz qalır, M1-dən keçən cərəyan dəyişməz qalır və C1 kondansatöründəki gərginlik tədricən artır. Əks fazaya yüksəldikdə Cihaz çevrildikdən sonra başlanğıc siqnalı yaranır. Buna görə də, bu dövrənin başlanğıc siqnalını yaratmaq vaxtı enerji təchizatı gərginliyinin yüksək sabitliyə malik olan iki diodun eşik gərginliyinə çatıb-çatmamasından asılıdır və enerji təchizatı gərginliyi çox yavaş yüksəldikdə ümumi başlanğıc dövrəsinin vaxtından əvvəl başlama siqnalından yayınır. Problem.

Enerji təchizatı gərginliyi çox sürətlə qalxarsa, R1 və M0 rezistorunun qapı tutumu aşağı keçidli gecikmə dövrəsini təşkil edir ki, bu da M0 qapısının gərginliyini enerji təchizatı gərginliyinin dəyişməsi ilə tez ayaqlaşa bilməyəcək və aşağı səviyyədə qalmasına səbəb olacaqdır. Bu zaman M0 kondansatör C1-ni dolduracaq və dövrənin düzgün işləməməsinə səbəb olacaq. Bu problemi həll etmək üçün bir kondansatör C5 təqdim olunur. Enerji təchizatı gərginliyi sürətlə yüksələrsə, C5 kondansatörünün birləşmə effekti M0-un qapı potensialını enerji təchizatı gərginliyinə uyğun saxlaya bilər, t-dən qaçır.yuxarıda qeyd olunan problemlərin baş verməsi.

Bu dövrədə statik enerji istehlakı problemi hələ də mövcuddur və müqavimət dəyərini artırmaq və MOS borusunun ölçüsünü əsaslı şəkildə seçməklə statik enerji istehlakının təsiri azaldıla bilər. Statik enerji istehlakı problemini tamamilə həll etmək üçün başlanğıc siqnalı yarandıqdan sonra dövrənin bu hissəsini bağlamaq üçün əlavə bir əks əlaqə idarəetmə sxeminin layihələndirilməsi lazımdır. Bununla belə, əks əlaqənin tətbiqi nəticəsində yaranan qeyri-sabitliyə xüsusi diqqət yetirilməlidir.

Passiv UHF RFID çiplərinin dizayn çətinliyi çipin oxuma və yazma məsafəsini necə artırmaq və etiketin istehsal xərclərini azaltmaq ətrafında fırlanır. Buna görə də, enerji bərpa dövrəsinin səmərəliliyini artırmaq, ümumi çipin enerji istehlakını azaltmaq və etibarlı işləmək hələ də RFID etiket çiplərinin dizaynında əsas problemlərdir.