Progettazione del circuito RF del chip transponder RFID UHF passivo

L'identificazione a radiofrequenza (radio frequency idenlificaTInn, RFID) è una tecnologia di identificazione automatica emersa negli anni '90. La tecnologia RFID ha molti vantaggi che la tecnologia dei codici a barre non ha e ha una vasta gamma di applicazioni, che possono essere utilizzate nella cittadinanza di seconda generazione*, nella city card, nelle transazioni finanziarie, nella gestione della supply chain, ETC, nel controllo degli accessi, nella gestione dei bagagli negli aeroporti, nei trasporti pubblici, nell'identificazione dei container, nella gestione del bestiame, ecc. Pertanto, diventa molto importante padroneggiare la tecnologia di produzione dei chip RFID. Attualmente, le crescenti richieste delle applicazioni hanno posto requisiti più elevati per i chip RFID, che richiedono una maggiore capacità, costi inferiori, dimensioni più piccole e una maggiore velocità di trasmissione dati. In base a questa situazione, questo documento propone un circuito RF con chip transponder RFID UHF passivo a lunga distanza e bassa potenza.

Le frequenze operative comuni di RFID includono bassa frequenza 125kHz, 134,2kHz, alta frequenza 13,56MHz, ultra-alta frequenza 860-930MHz, microonde 2,45GHz, 5,8GHz, ecc. Poiché la bassa frequenza 125kHz, 134,2kHz, il sistema ad alta frequenza 13,56MHz utilizza la bobina come antenna e adotta il metodo di accoppiamento induttivo, la distanza di lavoro è relativamente breve, generalmente non più di 1,2m, e la larghezza di banda è limitata a diversi kilohertz in Europa e in altre regioni. Ma UHF (860～93Uh1Hz) e microonde (2,45GHz, 5,8GHz) possono fornire una distanza di lavoro maggiore, una velocità di trasmissione dati più elevata e dimensioni dell'antenna più piccole, quindi è diventato un campo di ricerca caldo di RFID.

Il chip del circuito RF proposto in questo documento è tape-out utilizzando il processo Chartered 0,35μm 2P4M CMOS che supporta diodi Schottky e memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM). I diodi Schottky hanno una bassa resistenza in serie e tensione diretta e possono fornire un'elevata efficienza di conversione quando convertono l'energia del segnale di ingresso RF ricevuto in alimentazione CC, riducendo così il consumo di energia. Quando la potenza isotropica irradiata effettiva (EIRP) è 4 W (36 dBm) e il guadagno dell'antenna è 0 dB, il chip del circuito RF funziona a 915 MHz, la distanza di lettura è maggiore di 3 m e la corrente di funzionamento è inferiore a 8 μA.

1 Struttura del circuito RF

Il chip transponder UHF RF1D, che comprende principalmente un circuito a radiofrequenza, un circuito di controllo logico e una EEPROM. Tra questi, la parte del circuito a radiofrequenza può essere suddivisa nei seguenti moduli di circuito principali: oscillatore locale e circuito di generazione dell'orologio, circuito di ripristino all'accensione, sorgente di riferimento di tensione, rete di adattamento e circuito di retrodiffusione, raddrizzatore, regolatore di tensione e demodulatore a modulazione di ampiezza (AM), ecc. Non ci sono componenti esterni ad eccezione dell'antenna. La parte dell'antenna adotta una struttura dipolo ed è abbinata all'impedenza di ingresso del raddrizzatore tramite una rete di adattamento come unica fonte di energia per l'intero chip. Il suo modello equivalente è mostrato nella Figura 2. La parte reale dell'impedenza dell'antenna dipolo è composta da Rra e Rloss, dove Rra è l'impedenza di radiazione dell'antenna dipolo, che è inerente all'antenna dipolo, generalmente 73Ω, che rappresenta la capacità dell'antenna di irradiare onde elettromagnetiche; Rloss La resistenza ohmica causata dal metallo utilizzato per realizzare l'antenna generalmente genera solo calore. La parte immaginaria X dell'impedenza dell'antenna è generalmente positiva, perché l'antenna è generalmente induttiva verso l'esterno e la dimensione di questa induttanza equivalente generalmente dipende dalla topologia dell'antenna e dal materiale del substrato. Il raddrizzatore converte la potenza del segnale di ingresso RF accoppiato nella tensione CC richiesta dal chip. Il regolatore di tensione stabilizza la tensione CC a un certo livello e limita l'entità della tensione CC per proteggere il chip da guasti dovuti a tensione eccessiva. Il demodulatore AM viene utilizzato per estrarre il segnale dati corrispondente dal segnale portante ricevuto. Il circuito di retrodiffusione trasmette i dati del transponder all'interrogatore RFID o al lettore di schede modificando l'impedenza del circuito RF tramite capacità variabile. Il circuito di reset all'accensione viene utilizzato per generare il segnale di reset dell'intero chip. A differenza del transponder ad alta frequenza (HF) da 13,56 MHz, il transponder UHF da 915 MHz non può ottenere un clock locale dividendo la frequenza dalla portante, ma può solo fornire un clock per la parte del circuito logico digitale tramite un oscillatore locale a bassa potenza integrato. Tutti questi blocchi di circuito verranno spiegati in dettaglio uno per uno di seguito.

2 Progettazione e analisi del circuito

2.1 Circuiti raddrizzatori e regolatori di tensione

In questo documento, la pompa di carica Dickson composta da diodi Schottky viene utilizzata come circuito raddrizzatore. Lo schema elettrico del circuito è mostrato nella Figura 3. Questo perché i diodi Schottky hanno una bassa serieresistenza e capacità di giunzione, che possono fornire un'elevata efficienza di conversione quando convertono l'energia del segnale di ingresso RF ricevuto in alimentazione CC, riducendo così il consumo di energia. Tutti i diodi Schottky sono collegati tra loro da condensatori poly-poly. I condensatori verticali caricano e immagazzinano energia durante il semiciclo negativo della tensione di ingresso Vin, mentre i condensatori laterali caricano e immagazzinano energia durante il semiciclo positivo di Vin per generare CC. Alta tensione, la tensione risultante è:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Dove Vp, RF è l'ampiezza del segnale di radiofrequenza di ingresso, Vf, D è la tensione diretta del diodo Schottky, n è il numero di stadi della pompa di carica utilizzata.

Stabilizzare l'uscita di tensione CC dal raddrizzatore a un certo livello e fornire una tensione di lavoro stabile per l'intero chip del transponder per garantire che l'ampiezza della tensione CC non cambi a causa della posizione fisica del chip del transponder ed evitare possibili urti del chip. usura, in modo da proteggere il chip del transponder. Il circuito adotta una struttura Cascnde auto-polarizzata. Il motivo per cui è stata scelta questa struttura di circuito è che la struttura Cascnde ha l'effetto di isolamento del tubo di gate comune, che le conferisce una buona capacità di sopprimere le fluttuazioni di potenza, migliorando così il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR). Per garantire la stabilità di base delle due correnti di diramazione. Il rapporto di area di Q1 e Q2 è 1:8. Inoltre, a differenza dei transponder RFID HF generali, abbiamo adottato una sorgente di riferimento di tensione a bassa potenza con un circuito di avviamento a bassa tensione nella progettazione per ridurre il consumo energetico complessivo del chip.