Análisis de diseño de circuitos de etiquetas RFID pasivas UHF.

Debido a su alta frecuencia de operación, larga distancia de lectura y escritura, ausencia de fuente de alimentación externa y bajo costo de fabricación, las etiquetas RFID pasivas UHF se han convertido en una de las direcciones clave de la investigación de RFID y pueden convertirse en productos convencionales en el campo de RFID en un futuro próximo. .

Una etiqueta RFID pasiva UHF completa consta de una antena y un chip de etiqueta. Entre ellos, el chip de etiqueta generalmente incluye las siguientes partes del circuito: circuito de recuperación de energía, circuito de estabilización de voltaje de fuente de alimentación, circuito de modulación de retrodispersión, circuito de demodulación, circuito de extracción/generación de reloj, circuito generador de señal de arranque, circuito generador de fuente de referencia, unidad de control. , memoria. La energía necesaria para que funcione el chip de etiqueta RFID pasiva se deriva completamente de la energía de la onda electromagnética generada por el lector de tarjetas. Por lo tanto, el circuito de recuperación de energía necesita convertir la señal UHF inducida por la antena de la etiqueta en el voltaje de CC necesario para que el chip funcione. proporcionar energía.

Dado que el entorno electromagnético en el que se encuentran las etiquetas RFID es muy complejo, la potencia de la señal de entrada puede variar cientos o incluso miles de veces. Por lo tanto, para que el chip funcione normalmente en diferentes intensidades de campo, se debe diseñar un circuito de estabilización de voltaje de fuente de alimentación confiable. . El circuito de modulación y demodulación es el circuito clave para la comunicación entre la etiqueta y el lector de tarjetas. En la actualidad, la mayoría de las etiquetas RFID UHF utilizan modulación ASK. La unidad de control de una etiqueta RFID es un circuito digital que procesa instrucciones. Para permitir que el circuito digital se reinicie correctamente después de que la etiqueta ingresa al campo del lector de tarjetas, en respuesta a las instrucciones del lector de tarjetas, se debe diseñar un circuito de generación de señal de inicio confiable para proporcionar una señal de reinicio para la unidad digital.

circuito de recuperación de energía

El circuito de recuperación de energía convierte la señal UHF recibida por la antena de la etiqueta RFID en un voltaje de CC mediante rectificación y aumento para proporcionar energía para que el chip funcione. Hay muchas configuraciones de circuito posibles para circuitos de recuperación de energía. Como se muestra en la figura, hay varios circuitos de recuperación de energía que se utilizan comúnmente en la actualidad.

En estos circuitos de recuperación de energía, no existe una estructura de circuito óptima y cada circuito tiene sus propias ventajas y desventajas. Bajo diferentes condiciones de carga, diferentes condiciones de voltaje de entrada, diferentes requisitos de voltaje de salida y condiciones de proceso disponibles, es necesario seleccionar diferentes circuitos para lograr un rendimiento óptimo. El circuito duplicador de voltaje de diodo de múltiples etapas que se muestra en la Figura 2 (a) generalmente usa diodos de barrera Schottky. Tiene las ventajas de una eficiencia de duplicación de alto voltaje y una pequeña amplitud de señal de entrada, y es ampliamente utilizado. Sin embargo, el proceso CMOS común de la fundición general no proporciona diodos de barrera Schottky, lo que traerá problemas al diseñador en la selección del proceso. La Figura 2 (b) reemplaza el diodo Schottky con un tubo PMOS conectado en forma de diodo, lo que evita requisitos especiales en el proceso. El circuito de duplicación de voltaje con esta estructura necesita una mayor amplitud de señal de entrada y tiene una mejor eficiencia de duplicación de voltaje cuando el voltaje de salida es mayor. La Figura 2 (c) es un circuito rectificador de onda completa de diodo tradicional. En comparación con el circuito duplicador de voltaje Dickson, el efecto duplicador de voltaje es mejor, pero se introducen más elementos de diodo y la eficiencia de conversión de energía es generalmente ligeramente menor que la del circuito duplicador de voltaje Dickson. Además, debido a que su terminal de entrada de antena está separado de la tierra del chip, es una estructura completamente simétrica con un capacitor que bloquea la CC cuando se ve desde el terminal de entrada de la antena al chip, lo que evita la influencia mutua entre la tierra del chip y la antena, y es adecuado para su uso con antenas simétricas (como antenas de polo uniforme) conectadas. La Figura 2 (d) es la solución de tubo CMOS del circuito de rectificación de onda completa propuesta por muchas publicaciones. En el caso de una tecnología limitada, se puede obtener una mejor eficiencia de conversión de energía y los requisitos para la amplitud de la señal de entrada son relativamente bajos.

En la aplicación de etiquetas RFID UHF pasivas generales, debido a consideraciones de costo, se espera que el circuito de chip sea adecuado para la fabricación de tecnología CMOS ordinaria. El requisito de lectura y escritura a larga distancia plantea requisitos más altos sobre la eficiencia de conversión de energía del circuito de recuperación de energía. Por esta razón, muchos diseñadores utilizan la tecnología CMOS estándar para realizar diodos de barrera Schottky, de modo que la estructura del circuito duplicador de voltaje Dickson de múltiples etapas se pueda utilizar convenientemente para mejorar el rendimiento de la conversión de energía. La Figura 3 es un diagrama esquemático de la estructura de un diodo Schottky fabricado mediante un proceso CMOS común. En el diseño, los diodos Schottky se pueden producir sin cambiar los pasos del proceso ni las reglas de generación de máscaras, y sólo es necesario realizar algunas modificaciones en el diseño.

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El diseño de varios diodos Schottky diseñados bajo el proceso CMOS UMC 0.18um. Sus curvas de prueba características de CC se muestran en la Figura 5. Se puede ver en los resultados de las pruebas de las características de CC que el diodo Schottky fabricado mediante el proceso CMOS estándar tiene características típicas de diodo y el voltaje de encendido es solo de aproximadamente 0,2 V. lo cual es muy adecuado para etiquetas RFID.

Circuito regulador de potencia

Cuando la amplitud de la señal de entrada es alta, el circuito de estabilización del voltaje de la fuente de alimentación debe poder garantizar que el voltaje de la fuente de alimentación de CC de salida no exceda el voltaje máximo que el chip puede soportar; al mismo tiempo, cuando la señal de entrada es pequeña, la potencia consumida por el circuito de estabilización de voltaje debe ser lo más pequeña posible. Para reducir el consumo total de energía del chip.

Desde el punto de vista del principio de regulación de voltaje, la estructura del circuito de regulación de voltaje se puede dividir en dos tipos: un circuito de regulación de voltaje en paralelo y un circuito de regulación de voltaje en serie.

En el chip de la etiqueta RFID, es necesario que haya un condensador de almacenamiento de energía con un valor de capacitancia grande para almacenar suficiente carga para que la etiqueta reciba la señal de modulación, y la energía de entrada aún puede estar en el momento en que la energía de entrada es pequeña (como como el momento en el que no hay portadora en modulación OOK). , para mantener el voltaje de alimentación del chip. Si la energía de entrada es demasiado alta y el voltaje de la fuente de alimentación aumenta a un cierto nivel, el sensor de voltaje en el circuito estabilizador de voltaje controlará la fuente de fuga para liberar el exceso de carga en el capacitor de almacenamiento de energía, para lograr el propósito del voltaje. estabilización. La Figura 7 es uno de los circuitos reguladores de voltaje en paralelo. Tres diodos conectados en serie D1, D2, D3 y la resistencia R1 forman un sensor de voltaje para controlar el voltaje de la compuerta del purgador M1. Cuando el voltaje de la fuente de alimentación excede la suma de los voltajes de encendido de los tres diodos, el voltaje de la puerta de M1 aumenta, M1 se enciende y comienza a descargar el capacitor de almacenamiento de energía C1.

El principio de otro tipo de circuito estabilizador de voltaje es utilizar un esquema de estabilización de voltaje en serie. Su diagrama esquemático se muestra en la Figura 8. La fuente de voltaje de referencia está diseñada como una fuente de referencia independiente del voltaje de suministro. El voltaje de la fuente de alimentación de salida se divide por la resistencia y se compara con el voltaje de referencia, y el amplificador operacional amplifica la diferencia para controlar el potencial de puerta del tubo M1, de modo que el voltaje de salida y la fuente de referencia básicamente mantienen la misma estabilidad. estado.

Este circuito regulador de voltaje en serie puede generar un voltaje de fuente de alimentación más preciso, pero debido a que el tubo M1 está conectado en serie entre la fuente de alimentación no regulada y la fuente de alimentación regulada, cuando la corriente de carga es grande, la caída de voltaje en el tubo M1 causará un voltaje más alto. pérdida de potencia. Por lo tanto, esta estructura de circuito se aplica generalmente a circuitos etiquetados con menor consumo de energía.

Circuito de modulación y demodulación.

a. Circuito de demodulación

Con el fin de reducir el área del chip y el consumo de energía, la mayoría de las etiquetas RFID pasivas adoptan actualmente la modulación ASK. Para el circuito de demodulación ASK del chip de etiqueta, el método de demodulación comúnmente utilizado es el método de detección de envolvente, como se muestra en la FIG. 9 .

El circuito duplicador de voltaje de la parte de detección de envolvente y la parte de recuperación de energía es básicamente el mismo, pero no es necesario proporcionar una gran corriente de carga. Se conecta en paralelo una fuente de corriente de fuga en la etapa final del circuito de detección de envolvente. Cuando se modula la señal de entrada, la energía de entrada disminuye y la fuente de fuga reduce el voltaje de salida de la envolvente, de modo que el circuito comparador posterior puede juzgar la señal de modulación. Debido al amplio rango de variación de energía de la señal de RF de entrada, la corriente de la fuente de fuga debe ajustarse dinámicamente para adaptarse a los cambios de diferentes intensidades de campo en el campo cercano y lejano. Por ejemplo, si la corriente de la fuente de alimentación de fuga es pequeña, puede satisfacer las necesidades del comparador cuando la intensidad del campo es débil, pero cuando la etiqueta está en el campo cercano con una intensidad de campo fuerte, la corriente de fuga no será suficiente. para generar la señal detectada. Si hay un gran cambio de amplitud, el comparador posterior a la etapa no puede funcionar normalmente. Para resolver este problema, se puede adoptar la estructura de fuente de fuga como se muestra en la Fig. 10.

Cuando la portadora de entrada no está modulada, el potencial de compuerta del tubo de purga M1 es el mismo que el potencial de drenaje, formando un tubo NMOS conectado por diodo, que sujeta la salida de la envolvente cerca del voltaje umbral de M1. La potencia consumida en M1 está equilibrada; cuando se modula la portadora de entrada, la energía de entrada del chip disminuye y, en este momento, debido a la acción del circuito de retardo R1 y C1, el potencial de puerta de M1 permanece en el nivel original y M1 pierde la corriente liberada.