Passiv UHF RFID-transponderchip RF-kretsdesign

Radiofrekvensidentifiering (radio frequency idenlificaTInn, RFID) är en automatisk identifieringsTeknik som växte fram på 1990-talet. RFID-tekniken har många fördelar som streckkodsteknologin inte har, och har ett brett utbud av applikationer, som kan användas i andra generationens medborgarskap*, stadskort, finansiella transaktioner, supply chain management, ETC, passerkontroll, flygplatser Bagagehantering, kollektivtrafik, containeridentifiering, boskapshantering etc. Därför blir det mycket viktigt att behärska tekniken för att tillverka RFID-chips. För närvarande har de ökande applikationskraven ställt högre krav på RFID-chips, vilket kräver större kapacitet, lägre kostnad, mindre storlek och högre datahastighet. Enligt denna situation föreslår detta dokument en långdistans, lågeffekts passiv UHF RFID-transponderchip RF-krets.

Vanliga driftsfrekvenser för RFID inkluderar lågfrekventa 125kHz, 134,2kHz, högfrekvens 13,56MHz, ultrahögfrekvens 860-930MHz, mikrovågsugn 2,45GHz, 5,8GHz, etc. Eftersom det lågfrekventa 125kHz systemet 125kHz 125kHz högfrekvent, 5kHz. använder spolen som antenn och använder metoden för induktiv koppling, arbetsavståndet är relativt kort, vanligtvis inte mer än 1,2 m, och bandbredden är begränsad till flera kilohertz i Europa och andra regioner. Men UHF (860~93Uh1Hz) och mikrovågsugn (2,45GHz, 5,8GHz) kan ge längre arbetsavstånd, högre datahastighet och mindre antennstorlek, så det har blivit ett hett forskningsområde för RFID.

RF-kretschippet som föreslås i detta dokument är tape-out med hjälp av Chartered 0,35μm 2P4M CMOS-process som stöder Schottky-dioder och Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM). Schottky-dioder har låg serieresistans och framåtspänning och kan ge hög omvandlingseffektivitet vid omvandling av mottagen RF-insignalsenergi till DC-strömförsörjning, och därigenom minska strömförbrukningen. När den effektiva isotropiska utstrålade effekten (EIRP) är 4W (36dBm) och antennförstärkningen är 0dB, arbetar RF-kretschippet vid 915MHz, läsavståndet är större än 3m och driftsströmmen är mindre än 8μA.

1 RF-kretsstruktur

UHF RF1D-transponderchipset, som huvudsakligen inkluderar en radiofrekvenskrets, en logisk styrkrets och ett EEPROM. Bland dem kan radiofrekvenskretsdelen delas in i följande huvudkretsmoduler: lokaloscillator- och klockgenereringskrets, startåterställningskrets, spänningsreferenskälla, matchande nätverk och backscatter-krets, likriktare, spänningsregulator och amplitudmodulering ( AM ) demodulator, etc. Det finns inga externa komponenter förutom antennen. Antenndelen antar en dipolstruktur och matchas med likriktarens ingångsimpedans genom ett matchande nätverk som den enda energikällan för hela chippet. Dess ekvivalenta modell visas i figur 2. Den verkliga delen av impedansen för dipolantennen består av Rra och Rloss, där Rra är strålningsimpedansen för dipolantennen, som är inneboende i dipolantennen, i allmänhet 73Ω, vilket representerar antennens förmåga att utstråla elektromagnetiska vågor; Rloss Det ohmska motståndet som orsakas av metallen som används för att göra antennen genererar i allmänhet bara värme. Den imaginära delen X av antennimpedansen är generellt positiv, eftersom antennen i allmänhet är induktiv till utsidan, och storleken på denna ekvivalenta induktans beror i allmänhet på antennens topologi och substratets material. Likriktaren omvandlar effekten av den kopplade RF-ingångssignalen till den DC-spänning som krävs av chipet. Spänningsregulatorn stabiliserar DC-spänningen på en viss nivå och begränsar storleken på DC-spänningen för att skydda chippet från haveri på grund av för hög spänning. AM-demodulatorn används för att extrahera motsvarande datasignal från den mottagna bärvågssignalen. Backscatter-kretsen sänder transponderdata till RFID-interrogatorn eller kortläsaren genom att ändra impedansen för RF-kretsen genom variabel kapacitans. Ström-på-återställningskretsen används för att generera återställningssignalen för hela chippet. Till skillnad från 13,56MHz högfrekvenstranspondern (HF) kan 915MHz UHF-transpondern inte erhålla en lokal klocka genom att dela frekvensen från bärvågen, utan kan endast tillhandahålla en klocka för den digitala logikkretsdelen genom en inbyggd lågeffekts lokaloscillator . Alla dessa kretsblock kommer att förklaras i detalj ett efter ett nedan.

2 Kretsdesign och analys

2.1 Likriktare och spänningsregulatorkretsar

I denna artikel används Dicksons laddningspump som består av Schottky-dioder som likriktarkrets. Det schematiska diagrammet för kretsen visas i figur 3. Detta beror på att Schottky-dioder har låg serieresistans och korsningskapacitans, vilket kan ge hög omvandlingseffektivitet vid omvandling av mottagen RF-ingångssignalenergi till DC-strömförsörjning, och därigenom minska strömförbrukningen. Alla Schottky-dioder är sammankopplade med poly-poly kondensatorer. De vertikala kondensatorerna laddar och Lagrar energi under den negativa halvcykeln av inspänningen Vin, medan de laterala kondensatorerna laddar och lagrar energi under den positiva halvcykeln av Vin för att generera DC. Hög spänning, den resulterande spänningen är:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Där Vp, RF är amplituden för den ingående radiofrekvenssignalen, Vf, D är framspänningen för Schottky-dioden, n är antalet steg i laddningspumpen som används.

Stabilisera DC-spänningsutgången från likriktaren på en viss nivå och tillhandahåll en stabil arbetsspänning för hela transponderchippet för att säkerställa att DC-spänningsamplituden inte kommer att förändras på grund av transponderchipets fysiska position och undvika eventuella chipchocker. slitage, för att skydda transponderchippet. Kretsen antar en självförspänd Cascnde-struktur. Anledningen till att välja denna kretsstruktur är att Cascnde-strukturen har isoleringseffekten av det gemensamma grindröret, vilket gör att den har en god förmåga att undertrycka effektfluktuationer och därigenom förbättra strömförsörjningsavvisningsförhållandet (PSRR). För att säkerställa den grundläggande stabiliteten för de två grenströmmarna. Ytförhållandet för Q1 och Q2 är 1:8. Dessutom, till skillnad från vanliga HF RFID-transpondrar, har vi antagit en lågeffektspänningsreferenskälla med en lågspänningsstartkrets i designen för att minska chipets totala strömförbrukning.