Diseño de circuito RF con chip transpondedor RFID UHF pasivo

La identificación por radiofrecuencia (radiofrecuencia idenlificaTInn, RFID) es una tecnología de identificación automática que surgió en la década de 1990. La tecnología RFID tiene muchas ventajas que la tecnología de códigos de barras no tiene y tiene una amplia gama de aplicaciones, que se pueden utilizar en ciudadanía de segunda generación*, tarjetas urbanas, transacciones financieras, gestión de la cadena de suministro, ETC, control de acceso, gestión de equipaje en aeropuertos, transporte público, identificación de contenedores, gestión de ganado, etc. Por tanto, resulta muy importante dominar la tecnología de fabricación de chips RFID. En la actualidad, las crecientes demandas de aplicaciones han planteado requisitos más altos para los chips RFID, que requieren mayor capacidad, menor costo, menor tamaño y mayor velocidad de datos. De acuerdo con esta situación, este artículo propone un circuito RF de chip transpondedor RFID UHF pasivo de baja potencia y larga distancia.

Las frecuencias operativas comunes de RFID incluyen baja frecuencia de 125 kHz, 134,2 kHz, alta frecuencia de 13,56 MHz, frecuencia ultraalta de 860-930 MHz, microondas de 2,45 GHz, 5,8 GHz, etc. Debido a que la baja frecuencia de 125 kHz, 134,2 kHz, el sistema de alta frecuencia de 13,56 MHz utiliza la bobina como antena y adopta el método de acoplamiento inductivo, la distancia de trabajo es relativamente corta, generalmente no más de 1,2 m, y el ancho de banda está limitado a varios kilohercios en Europa y otras regiones. Pero UHF (860～93Uh1Hz) y microondas (2,45GHz, 5,8GHz) pueden proporcionar una distancia de trabajo más larga, una mayor velocidad de datos y un tamaño de antena más pequeño, por lo que se ha convertido en un campo de investigación candente de RFID.

El chip de circuito de RF propuesto en este documento se graba mediante un proceso CMOS Chartered de 0,35 μm 2P4M que admite diodos Schottky y memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM). Los diodos Schottky tienen baja resistencia en serie y voltaje directo, y pueden proporcionar una alta eficiencia de conversión al convertir la energía de la señal de entrada de RF recibida en una fuente de alimentación de CC, reduciendo así el consumo de energía. Cuando la potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) es de 4 W (36 dBm) y la ganancia de la antena es de 0 dB, el chip del circuito de RF funciona a 915 MHz, la distancia de lectura es superior a 3 m y la corriente de funcionamiento es inferior a 8 μA.

1 estructura de circuito RF

El chip transpondedor UHF RF1D, que incluye principalmente un circuito de radiofrecuencia, un circuito de control lógico y una EEPROM. Entre ellos, la parte del circuito de radiofrecuencia se puede dividir en los siguientes módulos de circuito principales: oscilador local y circuito de generación de reloj, circuito de reinicio de encendido, fuente de referencia de voltaje, red de adaptación y circuito de retrodispersión, rectificador, regulador de voltaje y modulación de amplitud (AM). ) demodulador, etc. No hay componentes externos excepto la antena. La parte de la antena adopta una estructura dipolo y se combina con la impedancia de entrada del rectificador a través de una red coincidente como única fuente de energía para todo el chip. Su modelo equivalente se muestra en la Figura 2. La parte real de la impedancia de la antena dipolo consta de Rra y Rloss, donde Rra es la impedancia de radiación de la antena dipolo, que es inherente a la antena dipolo, generalmente 73Ω, que representa la capacidad de la antena para irradiar ondas electromagnéticas; Rloss La resistencia óhmica provocada por el metal utilizado para fabricar la antena generalmente solo genera calor. La parte imaginaria X de la impedancia de la antena es generalmente positiva, porque la antena generalmente es inductiva hacia el exterior y el tamaño de esta inductancia equivalente generalmente depende de la topología de la antena y del material del sustrato. El rectificador convierte la potencia de la señal de entrada de RF acoplada en el voltaje de CC requerido por el chip. El regulador de voltaje estabiliza el voltaje de CC a un cierto nivel y limita la magnitud del voltaje de CC para proteger el chip contra fallas debido a un voltaje excesivo. El demodulador AM se utiliza para extraer la señal de datos correspondiente de la señal portadora recibida. El circuito de retrodispersión transmite los datos del transpondedor al interrogador RFID o al lector de tarjetas cambiando la impedancia del circuito de RF mediante capacitancia variable. El circuito de reinicio de encendido se utiliza para generar la señal de reinicio de todo el chip. A diferencia del transpondedor de alta frecuencia (HF) de 13,56 MHz, el transpondedor UHF de 915 MHz no puede obtener un reloj local dividiendo la frecuencia de la portadora, sino que solo puede proporcionar un reloj para la parte del circuito lógico digital a través de un oscilador local de baja potencia incorporado. . Todos estos bloques de circuitos se explicarán en detalle uno por uno a continuación.

2 Diseño y análisis de circuitos

2.1 Circuitos rectificadores y reguladores de voltaje

En este artículo, se utiliza como circuito rectificador la bomba de carga Dickson compuesta de diodos Schottky. El diagrama esquemático del circuito se muestra en la Figura 3. Esto se debe a que los diodos Schottky tienen una resistencia en serie y una capacitancia de unión bajas, lo que puede proporcionar una alta eficiencia de conversión al convertir la energía de la señal de entrada de RF recibida en una fuente de alimentación de CC, reduciendo así el consumo de energía. Todos los diodos Schottky son

Están conectados entre sí mediante condensadores de poli-poli. Los capacitores verticales cargan y almacenan energía durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada Vin, mientras que los capacitores laterales cargan y almacenan energía durante el semiciclo positivo de Vin para generar CC. Alto voltaje, el voltaje resultante es:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Donde Vp, RF es la amplitud de la señal de radiofrecuencia de entrada, Vf, D es el voltaje directo del diodo Schottky, n es el número de etapas de la bomba de carga utilizada.

Estabilice la salida de voltaje de CC del rectificador a un cierto nivel y proporcione un voltaje de funcionamiento estable para todo el chip transpondedor para garantizar que la amplitud del voltaje de CC no cambie debido a la posición física del chip transpondedor y evite posibles golpes del chip. desgaste, para proteger el chip transpondedor. El circuito adopta una estructura Cascande auto-sesgada. La razón para elegir esta estructura de circuito es que la estructura Cascande tiene el efecto de aislamiento del tubo de compuerta común, lo que le da una buena capacidad para suprimir las fluctuaciones de energía, mejorando así la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR). Para garantizar la estabilidad básica de las dos corrientes derivadas. La relación de área de Q1 y Q2 es 1:8. Además, a diferencia de los transpondedores RFID HF generales, hemos adoptado una fuente de referencia de voltaje de baja potencia con un circuito de arranque de baja tensión en el diseño para reducir el consumo total de energía del chip.