UHF pasif RFID etiketlerinin devre tasarımı analizi

Yüksek çalışma frekansı, uzun okuma-yazma mesafesi, harici güç kaynağı olmaması ve düşük üretim maliyeti nedeniyle, UHF pasif RFID etiketleri RFID araştırmalarının temel yönlerinden biri haline gelmiştir ve yakın gelecekte RFID alanında ana akım ürünler haline gelebilir.

Tam bir UHF pasif RFID etiketi anten ve etiket çipinden oluşur. Bunlar arasında, etiket çipi genellikle devrenin şu kısımlarını içerir: güç geri kazanım devresi, güç kaynağı voltaj sabitleme devresi, geri saçılma modülasyon devresi, demodülasyon devresi, saat çıkarma/üretme devresi, başlatma sinyali üretme devresi, referans kaynağı üretme devresi, kontrol ünitesi, bellek. Pasif RFID etiket çipinin çalışması için gereken enerji tamamen kart okuyucunun ürettiği elektromanyetik dalganın enerjisinden elde edilir. Bu nedenle, güç geri kazanım devresinin etiket anteni tarafından oluşturulan UHF sinyalini çipin çalışması için gereken DC voltajına dönüştürmesi gerekir. enerji sağlamak.

RFID etiketlerinin bulunduğu elektromanyetik ortam çok karmaşık olduğundan, giriş sinyalinin gücü yüzlerce hatta binlerce kez değişebilir. Bu nedenle, çipin farklı alan güçlerinde normal şekilde çalışması için güvenilir bir güç kaynağı voltaj sabitleme devresi tasarlanmalıdır. Modülasyon ve demodülasyon devresi, etiket ile kart okuyucu arasındaki iletişim için anahtar devredir. Şu anda, çoğu UHF RFID etiketi ASK modülasyonunu kullanır. Bir RFID etiketinin kontrol ünitesi, talimatları işleyen bir dijital devredir. Etiket kart okuyucunun alanına girdikten sonra dijital devrenin doğru şekilde sıfırlanmasını sağlamak için, kart okuyucunun talimatlarına yanıt olarak, dijital ünite için bir sıfırlama sinyali sağlamak üzere güvenilir bir başlatma sinyali oluşturma devresi tasarlanmalıdır.

güç kurtarma devresi

Güç kurtarma devresi, RFID etiket anteni tarafından alınan UHF sinyalini, çipin çalışması için enerji sağlamak üzere düzeltme ve yükseltme yoluyla bir DC voltajına dönüştürür. Güç kurtarma devreleri için birçok olası devre yapılandırması vardır. Şekilde gösterildiği gibi, şu anda yaygın olarak kullanılan birkaç güç kurtarma devresi bulunmaktadır.

Bu güç geri kazanım devrelerinde, optimum bir devre yapısı yoktur ve her devrenin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Farklı yük koşulları, farklı giriş voltajı koşulları, farklı çıkış voltajı gereksinimleri ve mevcut işlem koşulları altında, optimum performansı elde etmek için farklı devrelerin seçilmesi gerekir. Şekil 2(a)'da gösterilen çok aşamalı diyot voltaj iki katına çıkarma devresi genellikle Schottky bariyer diyotları kullanır. Yüksek voltaj iki katına çıkarma verimliliği ve küçük giriş sinyali genliği avantajlarına sahiptir ve yaygın olarak kullanılır. Ancak, genel dökümhanenin ortak CMOS işlemi, tasarımcıya işlem seçiminde sorun çıkaracak olan Schottky bariyer diyotları sağlamaz. Şekil 2(b), Schottky diyotunu, işlemde özel gereksinimleri ortadan kaldıran bir diyot biçiminde bağlanmış bir PMOS tüpüyle değiştirir. Bu yapıya sahip voltaj iki katına çıkarma devresi daha yüksek bir giriş sinyali genliğine ihtiyaç duyar ve çıkış voltajı daha yüksek olduğunda daha iyi voltaj iki katına çıkarma verimliliğine sahiptir. Şekil 2(c), geleneksel bir diyot tam dalga doğrultucu devresidir. Dickson voltaj iki katına çıkarma devresiyle karşılaştırıldığında, voltaj iki katına çıkarma etkisi daha iyidir, ancak daha fazla diyot elemanı eklenir ve güç dönüştürme verimliliği genellikle Dickson voltaj iki katına çıkarma devresinden biraz daha düşüktür. Ayrıca, anten giriş terminali çip toprağından ayrıldığı için, anten giriş terminalinden çipe bakıldığında DC'yi bloke eden kapasitöre sahip tamamen simetrik bir yapıdır, bu da çip toprağı ile anten arasındaki karşılıklı etkiyi önler ve simetrik antenler (çift kutuplu anten gibi) bağlandığında kullanıma uygundur. Şekil 2(d), birçok literatür tarafından önerilen tam dalga doğrultma devresinin CMOS tüp çözümüdür. Sınırlı teknoloji durumunda, daha iyi güç dönüştürme verimliliği elde edilebilir ve giriş sinyali genliği için gereksinimler nispeten düşüktür.

Genel pasif UHF RFID etiketlerinin uygulanmasında, maliyet hususları nedeniyle, çip devresinin sıradan CMOS teknolojisinin üretimi için uygun olması umulmaktadır. Uzun mesafeli okuma ve yazma gereksinimi, güç geri kazanım devresinin güç dönüştürme verimliliği konusunda daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır. Bu nedenle, birçok tasarımcı Schottky bariyer diyotlarını gerçekleştirmek için standart CMOS teknolojisini kullanır, böylece çok aşamalı Dickson voltaj iki katına çıkarma devre yapısı güç dönüşümünün performansını iyileştirmek için rahatlıkla kullanılabilir. Şekil 3, yaygın bir CMOS işlemiyle üretilen bir Schottky diyotunun yapısının şematik diyagramıdır. Tasarımda, Schottky diyotları pr'yi değiştirmeden üretilebilirişlem adımları ve maskeleme oluşturma kuralları ve sadece düzende bazı değişiklikler yapılması gerekir.

UMC 0.18um CMOS işlemi altında tasarlanan birkaç Schottky diyotunun düzeni. DC karakteristik test eğrileri Şekil 5'te gösterilmiştir. DC karakteristiklerinin test sonuçlarından, standart CMOS işlemiyle üretilen Schottky diyotunun tipik diyot özelliklerine sahip olduğu ve açma voltajının yalnızca yaklaşık 0,2 V olduğu görülebilir; bu da RFID etiketleri için çok uygundur.

Güç regülatör devresi

Giriş sinyali genliği yüksek olduğunda, güç kaynağı voltaj sabitleme devresi, çıkış DC güç kaynağı voltajının çipin dayanabileceği maksimum voltajı aşmamasını sağlamalıdır; aynı zamanda, giriş sinyali küçük olduğunda, voltaj sabitleme devresi tarafından tüketilen güç mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Çipin toplam güç tüketimini azaltmak için.

Gerilim düzenleme ilkesi açısından, gerilim düzenleme devresinin yapısı iki türe ayrılabilir: paralel gerilim düzenleme devresi ve seri gerilim düzenleme devresi.

RFID etiket çipinde, etiketin modülasyon sinyalini alması için yeterli yükü depolayacak büyük kapasitans değerine sahip bir enerji depolama kapasitörü olması gerekir ve giriş enerjisi, giriş enerjisinin küçük olduğu anda (örneğin OOK modülasyonunda taşıyıcı olmadığı an) hala olabilir. , çipin güç kaynağı voltajını korumak için. Giriş enerjisi çok yüksekse ve güç kaynağı voltajı belirli bir seviyeye yükselirse, voltaj sabitleme devresindeki voltaj sensörü, enerji depolama kapasitöründeki aşırı yükü serbest bırakmak için sızıntı kaynağını kontrol edecek ve böylece voltaj sabitleme amacına ulaşacaktır. Şekil 7, paralel voltaj regülatör devrelerinden biridir. Üç seri bağlı diyot D1, D2, D3 ve direnç R1, M1 sızdırma cihazının kapı voltajını kontrol etmek için bir voltaj sensörü oluşturur. Güç kaynağı voltajı üç diyotun açma voltajlarının toplamını aştığında, M1'in kapı voltajı yükselir, M1 açılır ve enerji depolama kapasitörü C1'i boşaltmaya başlar.

Başka bir voltaj sabitleme devresinin prensibi, seri voltaj sabitleme şeması kullanmaktır. Şematik diyagramı Şekil 8'de gösterilmiştir. Referans voltaj kaynağı, besleme voltajından bağımsız bir referans kaynağı olarak tasarlanmıştır. Çıkış güç kaynağı voltajı dirençle bölünür ve referans voltajıyla karşılaştırılır ve fark, M1 tüpünün kapı potansiyelini kontrol etmek için operasyonel amplifikatör tarafından yükseltilir, böylece çıkış voltajı ve referans kaynağı temelde aynı kararlı durumu korur.

Bu seri voltaj regülatörü devresi daha doğru bir güç kaynağı voltajı üretebilir, ancak M1 tüpü düzenlenmemiş güç kaynağı ile düzenlenmiş güç kaynağı arasında seri olarak bağlandığından, yük akımı büyük olduğunda, M1 tüpündeki voltaj düşüşü daha yüksek bir voltaja neden olur. güç kaybı. Bu nedenle, bu devre yapısı genellikle daha az güç tüketimine sahip etiket devrelerine uygulanır.

Modülasyon ve demodülasyon devresi

a. Demodülasyon devresi

Çip alanını ve güç tüketimini azaltmak için, pasif RFID etiketlerinin çoğu şu anda ASK modülasyonunu benimsiyor. Etiket çipinin ASK demodülasyon devresi için, yaygın olarak kullanılan demodülasyon yöntemi, Şekil 9'da gösterildiği gibi zarf algılama yöntemidir.

Zarf algılama parçasının voltaj iki katına çıkarma devresi ve güç geri kazanım parçası temelde aynıdır, ancak büyük bir yük akımı sağlamak gerekli değildir. Zarf algılama devresinin son aşamasında bir kaçak akım kaynağı paralel olarak bağlanır. Giriş sinyali modüle edildiğinde, giriş enerjisi azalır ve kaçak kaynak zarf çıkış voltajını azaltır, böylece sonraki karşılaştırıcı devre modülasyon sinyalini değerlendirebilir. Giriş RF sinyalinin enerji değişiminin geniş aralığı nedeniyle, kaçak kaynağının akımı yakın alan ve uzak alandaki farklı alan güçlerindeki değişikliklere uyum sağlamak için dinamik olarak ayarlanmalıdır. Örneğin, kaçak güç kaynağının akımı küçükse, alan gücü zayıf olduğunda karşılaştırıcının ihtiyaçlarını karşılayabilir, ancak etiket güçlü alan gücüne sahip yakın alanda olduğunda, kaçak akım algılanan sinyali yapmak için yeterli olmayacaktır. Büyük bir genlik değişimi varsa, son aşama karşılaştırıcısı normal şekilde çalışamaz. Bu sorunu çözmek için, Şekil 10'da gösterilen kaçak kaynak yapısı benimsenebilir.

Giriş taşıyıcısı modüle edilmediğinde, tahliye tüpü M1'in kapı potansiyeli, tahliye potansiyeliyle aynıdır ve zarf çıkışını M1'in eşik voltajına yakın bir yere sıkıştıran diyot bağlantılı bir NMOS tüpü oluşturur.M1'de tüketilen güç dengelenir; giriş taşıyıcısı modüle edildiğinde, çipin giriş enerjisi azalır ve bu sırada gecikme devresi R1 ve C1'in eylemi nedeniyle, M1'in kapı potansiyeli orijinal seviyede kalır ve M1 sızdırır. Salınan akım değişmeden kalır, bu da zarf çıkış sinyalinin genliğinin hızla azalmasına neden olur; benzer şekilde, taşıyıcı geri yüklendikten sonra, R1 ve C1'in gecikmesi zarf çıkışının orijinal yüksek seviyeye hızla dönmesini sağlar. Bu devre yapısını kullanarak ve R1, C1 ve M1'in boyutunu makul bir şekilde seçerek, farklı alan güçleri altında demodülasyon ihtiyaçları karşılanabilir. Zarf çıkışının arkasına bağlanan karşılaştırıcı devre için de birçok seçenek vardır ve yaygın olarak kullanılanlar histerezis karşılaştırıcısı ve operasyonel amplifikatördür.

b. Modülasyon devresi

Pasif UHF RFID etiketleri genellikle geri saçılma modülasyon yöntemini benimser, yani çipin giriş empedansını değiştirerek çip ile anten arasındaki yansıma katsayısını değiştirir, böylece modülasyon amacına ulaşılır. Genellikle antenin empedansı ve çipin giriş empedansı, modüle edilmediğinde güç eşleşmesine yakın olacak şekilde tasarlanır ve modüle edildiğinde yansıma katsayısı artar. Yaygın olarak kullanılan geri saçılma yöntemi, Şekil 11'de gösterildiği gibi, antenin iki giriş ucu arasına paralel olarak bir kondansatör ve bir anahtar bağlamaktır, modülasyon sinyali, anahtarı kontrol ederek kondansatörün çipin giriş ucuna bağlanıp bağlanmadığını belirler, böylece çipin giriş empedansı değişir.

başlatma sinyali üretim devresi

RFID etiketindeki güç başlatma sıfırlama sinyali üretim devresinin işlevi, güç geri kazanımı tamamlandıktan sonra dijital devrenin başlatma çalışması için bir sıfırlama sinyali sağlamaktır. Tasarımı aşağıdaki konuları dikkate almalıdır: Güç kaynağı voltajı çok uzun süre yükselirse, sıfırlama sinyalinin yüksek seviyeli genliği düşük olur ve bu da dijital devre sıfırlamasının ihtiyaçlarını karşılayamaz; başlatma sinyali üretim devresi güç dalgalanmalarına karşı daha hassastır, arızaya neden olabilir; statik güç tüketimi mümkün olduğunca düşük olmalıdır.

Genellikle, pasif RFID etiketi alana girdikten sonra, güç kaynağı voltajının yükselmesi için gereken süre belirsizdir ve çok uzun olabilir. Bu, başlatma sinyali üretim devresinin, güç kaynağı voltajıyla ilgili anda başlatma sinyalini üretecek şekilde tasarlanmasını gerektirir. Şekil 12, yaygın bir başlatma sinyali üretim devresini göstermektedir.

Temel prensibi, direnç R0 ve NMOS transistör M1'den oluşan dalı kullanarak nispeten sabit bir voltaj Va üretmektir. Güç kaynağı voltajı vdd, NMOS transistörünün eşik voltajını aştığında, Va voltajı temelde değişmeden kalır. Vdd yükselmeye devam ettikçe, güç kaynağı voltajı Va+|Vtp| değerine ulaştığında, PMOS transistörü M0, Vb'yi yükseltmek için açılır ve bundan önce, M0 kesildiği için Vb düşük seviyede olmuştur. Bu devredeki temel sorun, statik güç dağılımının varlığıdır. Ve MOS transistörünün eşik voltajı CMOS işlemi altındaki işlemle büyük ölçüde değiştiğinden, işlem sapmasından kolayca etkilenir. Bu nedenle, başlatma voltajını üretmek için bir pn bağlantı diyotu kullanmak, Şekil 13'te gösterildiği gibi, işlemin belirsizliğini büyük ölçüde azaltacaktır.

VDD iki pn bağlantı diyotunun açma voltajına yükseldiğinde, PMOS transistör M0'ın kapısı güç kaynağı voltajına eşit olur ve PMOS transistörü kapanır. Bu sırada, kapasitör C1'deki voltaj düşük seviyededir. VDD iki diyotun eşik voltajının üzerine çıktığında, M0 iletime başlarken, M1'in kapı voltajı değişmeden kalır, M1'den geçen akım değişmeden kalır ve kapasitör C1'deki voltaj kademeli olarak artar. Ters faza yükseldiğinde Cihaz ters döndükten sonra bir başlatma sinyali üretilir. Bu nedenle, bu devrenin başlatma sinyalini üretme süresi, güç kaynağı voltajının iki diyotun eşik voltajına ulaşıp ulaşmadığına bağlıdır, bu yüksek kararlılığa sahiptir ve güç kaynağı voltajı çok yavaş yükseldiğinde genel başlatma devresinin erken başlatma sinyalini önler. Sorun.

Güç kaynağı voltajı çok hızlı yükselirse, direnç R1 ve M0'ın kapı kapasitansı düşük geçişli bir gecikme devresi oluşturur ve bu da M0'ın kapı voltajının güç kaynağı voltajındaki değişime hızla ayak uyduramamasına ve düşük seviyede kalmasına neden olur. Bu sırada M0, kapasitör C1'i şarj ederek devrenin düzgün çalışmamasına neden olur. Bu sorunu çözmek için bir kapasitör C5 tanıtılır. Güç kaynağı voltajı hızlı yükselirse, kapasitör C5'in kuplaj etkisi, M0'ın kapı potansiyelini güç kaynağı voltajıyla tutarlı tutarak tYukarıda belirtilen sorunların ortaya çıkması.

Statik güç tüketimi sorunu bu devrede hala mevcuttur ve statik güç tüketiminin etkisi, direnç değerini artırarak ve MOS tüpünün boyutunu makul bir şekilde seçerek azaltılabilir. Statik güç tüketimi sorununu tamamen çözmek için, başlatma sinyali üretildikten sonra devrenin bu bölümünü kapatmak için ek bir geri besleme kontrol devresi tasarlamak gerekir. Ancak, geri beslemenin getirilmesiyle oluşan kararsızlığa özel dikkat gösterilmesi gerekir.

Pasif UHF RFID çiplerinin tasarım zorluğu, çipin okuma ve yazma mesafesinin nasıl artırılacağı ve etiketin üretim maliyetinin nasıl azaltılacağı etrafında döner. Bu nedenle, güç geri kazanım devresinin verimliliğinin artırılması, genel çipin güç tüketiminin azaltılması ve güvenilir bir şekilde çalışması, RFID etiket çiplerinin tasarımındaki temel zorluklardır.