Analisi della progettazione dei circuiti dei tag RFID passivi UHF

Grazie alla sua elevata frequenza operativa, alla lunga distanza di lettura-scrittura, all'assenza di alimentazione esterna e al basso costo di produzione, i tag RFID passivi UHF sono diventati una delle direzioni chiave della ricerca RFID e potrebbero diventare prodotti di largo consumo nel campo RFID nel prossimo futuro.

Un tag RFID passivo UHF completo è costituito da antenna e chip tag. Tra questi, il chip tag generalmente include le seguenti parti del circuito: circuito di recupero dell'alimentazione, circuito di stabilizzazione della tensione di alimentazione, circuito di modulazione di retrodiffusione, circuito di demodulazione, circuito di estrazione/generazione dell'orologio, circuito di generazione del segnale di avvio, circuito di generazione della sorgente di riferimento, unità di controllo, memoria. L'energia richiesta per il funzionamento del chip tag RFID passivo deriva interamente dall'energia dell'onda elettromagnetica generata dal lettore di schede. Pertanto, il circuito di recupero dell'alimentazione deve convertire il segnale UHF indotto dall'antenna tag nella tensione CC richiesta per il funzionamento del chip. fornire energia.

Poiché l'ambiente elettromagnetico in cui si trovano i tag RFID è molto complesso, la potenza del segnale di ingresso può variare centinaia o addirittura migliaia di volte. Pertanto, affinché il chip funzioni normalmente in diverse intensità di campo, è necessario progettare un circuito di stabilizzazione della tensione di alimentazione affidabile. . Il circuito di modulazione e demodulazione è il circuito chiave per la comunicazione tra il tag e il lettore di schede. Attualmente, la maggior parte dei tag RFID UHF utilizza la modulazione ASK. L'unità di controllo di un tag RFID è un circuito digitale che elabora le istruzioni. Per consentire al circuito digitale di ripristinarsi correttamente dopo che il tag entra nel campo del lettore di schede, in risposta alle istruzioni del lettore di schede, è necessario progettare un circuito di generazione del segnale di avvio affidabile per fornire un segnale di ripristino per l'unità digitale.

circuito di recupero dell'alimentazione

Il circuito di recupero dell'alimentazione converte il segnale UHF ricevuto dall'antenna del tag RFID in una tensione CC tramite rettifica e potenziamento per fornire energia al chip per funzionare. Esistono molte possibili configurazioni di circuito per i circuiti di recupero dell'alimentazione. Come mostrato nella figura, sono diversi i circuiti di recupero dell'alimentazione comunemente utilizzati al momento.

In questi circuiti di recupero di potenza, non esiste una struttura di circuito ottimale e ogni circuito ha i suoi vantaggi e svantaggi. In diverse condizioni di carico, diverse condizioni di tensione di ingresso, diversi requisiti di tensione di uscita e condizioni di processo disponibili, è necessario selezionare circuiti diversi per ottenere prestazioni ottimali. Il circuito di raddoppio della tensione a diodo multistadio mostrato nella Figura 2(a) utilizza generalmente diodi a barriera Schottky. Presenta i vantaggi di un'elevata efficienza di raddoppio della tensione e di una piccola ampiezza del segnale di ingresso ed è ampiamente utilizzato. Tuttavia, il comune processo CMOS della fonderia generale non fornisce diodi a barriera Schottky, il che creerà problemi al progettista nella selezione del processo. La Figura 2(b) sostituisce il diodo Schottky con un tubo PMOS collegato sotto forma di diodo, il che evita requisiti speciali sul processo. Il circuito di raddoppio della tensione con questa struttura necessita di un'ampiezza del segnale di ingresso maggiore e ha una migliore efficienza di raddoppio della tensione quando la tensione di uscita è maggiore. La Figura 2(c) è un tradizionale circuito raddrizzatore a onda intera a diodo. Rispetto al circuito raddoppio di tensione Dickson, l'effetto raddoppio di tensione è migliore, ma vengono introdotti più elementi diodo e l'efficienza di conversione di potenza è generalmente leggermente inferiore rispetto al circuito raddoppio di tensione Dickson. Inoltre, poiché il terminale di ingresso dell'antenna è separato dalla massa del chip, è una struttura completamente simmetrica con condensatore che blocca la CC quando vista dal terminale di ingresso dell'antenna al chip, il che evita l'influenza reciproca tra la massa del chip e l'antenna ed è adatta per l'uso con antenne simmetriche (come l'antenna a palo) collegate. La Figura 2(d) è la soluzione a tubo CMOS del circuito di rettifica a onda intera proposta da molte pubblicazioni. Nel caso di tecnologia limitata, è possibile ottenere una migliore efficienza di conversione di potenza e i requisiti per l'ampiezza del segnale di ingresso sono relativamente bassi.

Nell'applicazione di tag RFID UHF passivi generali, a causa di considerazioni sui costi, si spera che il circuito a chip sia adatto per la produzione della normale tecnologia CMOS. Il requisito di lettura e scrittura a lunga distanza pone requisiti più elevati sull'efficienza di conversione di potenza del circuito di recupero di potenza. Per questo motivo, molti progettisti utilizzano la tecnologia CMOS standard per realizzare diodi a barriera Schottky, in modo che la struttura del circuito del raddoppiatore di tensione Dickson multistadio possa essere utilizzata convenientemente per migliorare le prestazioni di conversione di potenza. La Figura 3 è uno schema della struttura di un diodo Schottky prodotto da un comune processo CMOS. Nella progettazione, i diodi Schottky possono essere prodotti senza cambiare il prpassaggi di processo e regole di generazione della maschera, e devono solo apportare alcune modifiche al layout.

Il layout di diversi diodi Schottky progettati con il processo CMOS UMC 0,18um. Le loro curve di prova caratteristiche CC sono mostrate nella Figura 5. Dai risultati dei test delle caratteristiche CC si può vedere che il diodo Schottky prodotto con il processo CMOS standard ha le caratteristiche tipiche del diodo e la tensione di accensione è di soli 0,2 V circa, il che è molto adatto per i tag RFID.

Circuito regolatore di potenza

Quando l'ampiezza del segnale di ingresso è elevata, il circuito di stabilizzazione della tensione di alimentazione deve essere in grado di garantire che la tensione di alimentazione CC di uscita non superi la tensione massima che il chip può sopportare; allo stesso tempo, quando il segnale di ingresso è piccolo, la potenza consumata dal circuito di stabilizzazione della tensione dovrebbe essere la più piccola possibile. Per ridurre il consumo energetico totale del chip.

Dal punto di vista del principio di regolazione della tensione, la struttura del circuito di regolazione della tensione può essere divisa in due tipi: un circuito di regolazione della tensione parallelo e un circuito di regolazione della tensione in serie.

Nel chip del tag RFID, deve esserci un condensatore di accumulo di energia con un valore di capacità elevato per immagazzinare abbastanza carica affinché il tag riceva il segnale di modulazione e l'energia di ingresso può ancora essere nel momento in cui l'energia di ingresso è piccola (come il momento in cui non c'è portante nella modulazione OOK). , per mantenere la tensione di alimentazione del chip. Se l'energia di ingresso è troppo alta e la tensione di alimentazione sale a un certo livello, il sensore di tensione nel circuito di stabilizzazione della tensione controllerà la sorgente di dispersione per rilasciare la carica in eccesso sul condensatore di accumulo di energia, in modo da raggiungere lo scopo della stabilizzazione della tensione. La Figura 7 è uno dei circuiti regolatori di tensione paralleli. Tre diodi collegati in serie D1, D2, D3 e il resistore R1 formano un sensore di tensione per controllare la tensione di gate del bleeder M1. Quando la tensione di alimentazione supera la somma delle tensioni di accensione dei tre diodi, la tensione di gate di M1 aumenta, M1 si accende e inizia a scaricare il condensatore di accumulo di energia C1.

Il principio di un altro tipo di circuito stabilizzatore di tensione è quello di utilizzare uno schema di stabilizzazione della tensione in serie. Il suo diagramma schematico è mostrato nella Figura 8. La sorgente di tensione di riferimento è progettata come sorgente di riferimento indipendente dalla tensione di alimentazione. La tensione di alimentazione in uscita è divisa per il resistore e confrontata con la tensione di riferimento, e la differenza è amplificata dall'amplificatore operazionale per controllare il potenziale di gate del tubo M1, in modo che la tensione di uscita e la sorgente di riferimento mantengano sostanzialmente lo stesso stato stabile.

Questo circuito regolatore di tensione in serie può fornire una tensione di alimentazione più precisa, ma poiché il tubo M1 è collegato in serie tra l'alimentatore non regolato e l'alimentatore regolato, quando la corrente di carico è elevata, la caduta di tensione sul tubo M1 causerà una perdita di potenza di tensione maggiore. Pertanto, questa struttura di circuito è generalmente applicata a circuiti tag con un consumo energetico inferiore.

Circuito di modulazione e demodulazione

a. Circuito di demodulazione

Per ridurre l'area del chip e il consumo energetico, la maggior parte dei tag RFID passivi adotta attualmente la modulazione ASK. Per il circuito di demodulazione ASK del chip tag, il metodo di demodulazione comunemente utilizzato è il metodo di rilevamento dell'inviluppo, come mostrato nella FIG. 9.

Il circuito raddoppiatore di tensione della parte di rilevamento dell'inviluppo e della parte di recupero di potenza è fondamentalmente lo stesso, ma non è necessario fornire una grande corrente di carico. Una sorgente di corrente di dispersione è collegata in parallelo nella fase finale del circuito di rilevamento dell'inviluppo. Quando il segnale di ingresso viene modulato, l'energia di ingresso diminuisce e la sorgente di dispersione riduce la tensione di uscita dell'inviluppo, in modo che il successivo circuito comparatore possa valutare il segnale di modulazione. A causa dell'ampia gamma di variazione di energia del segnale RF in ingresso, la corrente della sorgente di dispersione deve essere regolata dinamicamente per adattarsi alle variazioni di diverse intensità di campo nel campo vicino e nel campo lontano. Ad esempio, se la corrente dell'alimentatore di dispersione è piccola, può soddisfare le esigenze del comparatore quando l'intensità di campo è debole, ma quando il tag si trova nel campo vicino con un'intensità di campo forte, la corrente di dispersione non sarà sufficiente per rendere il segnale rilevato. Se c'è una grande variazione di ampiezza, il comparatore post-stadio non può funzionare normalmente. Per risolvere questo problema, è possibile adottare la struttura della sorgente di dispersione come mostrato nella Fig. 10.

Quando la portante di ingresso non è modulata, il potenziale di gate del tubo di spurgo M1 è lo stesso del potenziale di drain, formando un tubo NMOS collegato a diodo, che blocca l'uscita dell'inviluppo vicino alla tensione di soglia di M1. ThLa potenza consumata su M1 è bilanciata; quando la portante di ingresso è modulata, l'energia di ingresso del chip diminuisce e in questo momento, a causa dell'azione del circuito di ritardo R1 e C1, il potenziale di gate di M1 rimane al livello originale e M1 perde. La corrente rilasciata rimane invariata, il che fa sì che l'ampiezza del segnale di uscita dell'inviluppo diminuisca rapidamente; allo stesso modo, dopo che la portante è stata ripristinata, il ritardo di R1 e C1 fa sì che l'uscita dell'inviluppo ritorni rapidamente al livello alto originale. Utilizzando questa struttura di circuito e scegliendo ragionevolmente le dimensioni di R1, C1 e M1, è possibile soddisfare le esigenze di demodulazione in base a diverse intensità di campo. Esistono anche molte opzioni per il circuito comparatore collegato dietro l'uscita dell'inviluppo e quelle comunemente utilizzate sono il comparatore di isteresi e l'amplificatore operazionale.

b. Circuito di modulazione

I tag RFID UHF passivi adottano generalmente il metodo di modulazione a retrodiffusione, ovvero modificando l'impedenza di ingresso del chip per modificare il coefficiente di riflessione tra il chip e l'antenna, in modo da raggiungere lo scopo della modulazione. Generalmente, l'impedenza dell'antenna e l'impedenza di ingresso del chip sono progettate in modo che siano vicine alla corrispondenza di potenza quando non sono modulate e il coefficiente di riflessione aumenta quando sono modulate. Il metodo di retrodiffusione comunemente utilizzato consiste nel collegare un condensatore con un interruttore in parallelo tra le due estremità di ingresso dell'antenna, come mostrato nella Figura 11, il segnale di modulazione determina se il condensatore è collegato all'estremità di ingresso del chip controllando l'interruttore, modificando così l'impedenza di ingresso del chip.

circuito di generazione del segnale di avvio

La funzione del circuito di generazione del segnale di reset di avvio dell'alimentazione nel tag RFID è quella di fornire un segnale di reset per l'avvio del lavoro del circuito digitale dopo il completamento del ripristino dell'alimentazione. La sua progettazione deve tenere conto dei seguenti problemi: se la tensione di alimentazione aumenta per troppo tempo, l'ampiezza di alto livello del segnale di reset sarà bassa, il che non può soddisfare le esigenze di reset del circuito digitale; il circuito di generazione del segnale di avvio è più sensibile alle fluttuazioni di potenza, è possibile causare malfunzionamenti; il consumo di energia statica deve essere il più basso possibile.

Di solito, dopo che il tag RFID passivo entra nel campo, il tempo di aumento della tensione di alimentazione è incerto e potrebbe essere molto lungo. Ciò richiede la progettazione del circuito di generazione del segnale di avvio per generare il segnale di avvio nel momento correlato alla tensione di alimentazione. La Figura 12 mostra un comune circuito di generazione del segnale di avvio.

Il suo principio di base è quello di utilizzare il ramo composto dal resistore R0 e dal transistor NMOS M1 per generare una tensione relativamente fissa Va. Quando la tensione di alimentazione vdd supera la tensione di soglia del transistor NMOS, la tensione di Va rimane sostanzialmente invariata. Man mano che vdd continua a salire, quando la tensione di alimentazione raggiunge Va+|Vtp|, il transistor PMOS M0 viene acceso per far salire Vb e, prima di allora, Vb era a un livello basso perché M0 è stato interrotto. Il problema principale di questo circuito è la presenza di dissipazione di potenza statica. E poiché la tensione di soglia del transistor MOS varia notevolmente con il processo nel processo CMOS, è facilmente influenzata dalla deviazione del processo. Pertanto, l'utilizzo di un diodo a giunzione pn per generare la tensione di avvio ridurrà notevolmente l'incertezza del processo, come mostrato in FIG. 13.

Quando VDD sale alla tensione di accensione dei due diodi a giunzione pn, il gate del transistor PMOS M0 è uguale alla tensione di alimentazione e il transistor PMOS viene spento. In questo momento, la tensione sul condensatore C1 è a un livello basso. Quando VDD sale oltre la tensione di soglia di due diodi, M0 inizia a condurre, mentre la tensione di gate di M1 rimane invariata, la corrente che scorre attraverso M1 rimane invariata e la tensione sul condensatore C1 aumenta gradualmente. Quando sale alla fase inversa Dopo che il dispositivo si capovolge, viene generato un segnale di avvio. Pertanto, il tempo necessario a questo circuito per generare il segnale di avvio dipende dal fatto che la tensione di alimentazione raggiunga la tensione di soglia dei due diodi, che ha un'elevata stabilità ed evita il segnale di avvio prematuro del circuito di avvio generale quando la tensione di alimentazione aumenta troppo lentamente. Il problema.

Se la tensione di alimentazione aumenta troppo rapidamente, la capacità di gate del resistore R1 e M0 costituisce un circuito di ritardo passa-basso, che renderà la tensione di gate di M0 incapace di tenere rapidamente il passo con la variazione della tensione di alimentazione e rimarrà a un livello basso. A questo punto M0 caricherà il condensatore C1, impedendo al circuito di funzionare correttamente. Per risolvere questo problema, viene introdotto un condensatore C5. Se la tensione di alimentazione aumenta rapidamente, l'effetto di accoppiamento del condensatore C5 può mantenere il potenziale di gate di M0 coerente con la tensione di alimentazione, evitando til verificarsi dei problemi sopra menzionati.

Il problema del consumo di energia statica sussiste ancora in questo circuito e l'impatto del consumo di energia statica può essere ridotto aumentando il valore di resistenza e selezionando ragionevolmente la dimensione del tubo MOS. Per risolvere completamente il problema del consumo di energia statica, è necessario progettare un circuito di controllo del feedback aggiuntivo per spegnere questa parte del circuito dopo che è stato generato il segnale di avvio. Tuttavia, è necessario prestare particolare attenzione all'instabilità causata dall'introduzione del feedback.

La difficoltà di progettazione dei chip RFID UHF passivi ruota attorno a come aumentare la distanza di lettura e scrittura del chip e ridurre i costi di produzione del tag. Pertanto, migliorare l'efficienza del circuito di recupero dell'energia, ridurre il consumo di energia del chip complessivo e lavorare in modo affidabile sono ancora le principali sfide nella progettazione dei chip tag RFID.