Pasif UHF RFID transponder çip RF devre tasarımı

Radyo frekansı tanımlama (radyo frekansı tanımlama, RFID) 1990'larda ortaya çıkan otomatik bir tanımlama teknolojisidir. RFID teknolojisi, barkod teknolojisinin sahip olmadığı birçok avantaja sahiptir ve ikinci nesil vatandaşlık*, şehir kartı, finansal işlemler, tedarik zinciri yönetimi, ETC, erişim kontrolü, havaalanları Bagaj yönetimi, toplu taşıma, konteyner tanımlama, hayvancılık yönetimi vb. alanlarda kullanılabilen geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Bu nedenle, RFID çiplerinin üretim teknolojisine hakim olmak çok önemli hale gelmektedir. Günümüzde, artan uygulama talepleri, daha büyük kapasite, daha düşük maliyet, daha küçük boyut ve daha yüksek veri hızı gerektiren RFID çipleri için daha yüksek gereksinimleri ortaya koymuştur. Bu duruma göre, bu makale uzun mesafeli, düşük güçlü pasif UHF RFID transponder çip RF devresi önermektedir.

RFID'nin yaygın çalışma frekansları arasında düşük frekans 125kHz, 134.2kHz, yüksek frekans 13.56MHz, ultra yüksek frekans 860-930MHz, mikrodalga 2.45GHz, 5.8GHz vb. bulunur. Düşük frekans 125kHz, 134.2kHz, yüksek frekans 13.56MHz sistemi bobini anten olarak kullandığı ve endüktif kuplaj yöntemini benimsediği için çalışma mesafesi nispeten kısadır, genellikle 1.2m'den fazla değildir ve bant genişliği Avrupa ve diğer bölgelerde birkaç kilohertz ile sınırlıdır. Ancak UHF (860～93Uh1Hz) ve mikrodalga (2.45GHz, 5.8GHz) daha uzun çalışma mesafesi, daha yüksek veri hızı ve daha küçük anten boyutu sağlayabilir, bu nedenle RFID'nin sıcak bir araştırma alanı haline gelmiştir.

Bu makalede önerilen RF devre çipi, Schottky diyotları ve Elektriksel Olarak Silinebilir Programlanabilir Salt Okunur Belleği (EEPROM) destekleyen Chartered 0.35μm 2P4M CMOS işlemini kullanan bant çıkışıdır. Schottky diyotları düşük seri dirence ve ileri voltaja sahiptir ve alınan RF giriş sinyali enerjisini DC güç kaynağına dönüştürürken yüksek dönüşüm verimliliği sağlayabilir ve böylece güç tüketimini azaltabilir. Etkili izotropik yayılan güç (EIRP) 4W (36dBm) ve anten kazancı 0dB olduğunda, RF devre çipi 915MHz'de çalışır, okuma mesafesi 3m'den fazla ve çalışma akımı 8μA'dan azdır.

1 RF devre yapısı

Esas olarak bir radyo frekans devresi, bir mantık kontrol devresi ve bir EEPROM içeren UHF RF1D transponder çipi. Bunlar arasında, radyo frekans devre kısmı aşağıdaki ana devre modüllerine ayrılabilir: yerel osilatör ve saat üretim devresi, güç açık sıfırlama devresi, voltaj referans kaynağı, eşleştirme ağı ve geri saçılma devresi, doğrultucu, voltaj regülatörü ve genlik modülasyonu (AM) demodülatörü, vb. Anten dışında harici bileşen yoktur. Anten kısmı bir dipol yapıyı benimser ve tüm çip için tek enerji kaynağı olarak eşleştirme ağı aracılığıyla doğrultucunun giriş empedansıyla eşleştirilir. Eşdeğer modeli Şekil 2'de gösterilmiştir. Dipol anten empedansının gerçek kısmı Rra ve Rloss'dan oluşur, burada Rra dipol antenin radyasyon empedansıdır, bu dipol antene özgüdür, genellikle 73Ω'dur ve antenin elektromanyetik dalgaları yayma yeteneğini temsil eder; Rloss Anteni yapmak için kullanılan metalin getirdiği ohmik direnç genellikle sadece ısı üretir. Anten empedansının sanal kısmı X genellikle pozitiftir, çünkü anten genellikle dışarıya endüktiftir ve bu eşdeğer endüktansın büyüklüğü genellikle antenin topolojisine ve alt tabakanın malzemesine bağlıdır. Doğrultucu, bağlı RF giriş sinyalinin gücünü çipin ihtiyaç duyduğu DC voltajına dönüştürür. Voltaj regülatörü DC voltajını belirli bir seviyede sabitler ve çipi aşırı voltaj nedeniyle bozulmaktan korumak için DC voltajının büyüklüğünü sınırlar. AM demodülatörü, alınan taşıyıcı sinyalden karşılık gelen veri sinyalini çıkarmak için kullanılır. Geri saçılma devresi, RF devresinin empedansını değişken kapasitans yoluyla değiştirerek transponder verilerini RFID sorgulayıcısına veya kart okuyucusuna iletir. Güç açık sıfırlama devresi, tüm çipin sıfırlama sinyalini oluşturmak için kullanılır. 13.56MHz yüksek frekanslı (HF) transponderin aksine, 915MHz UHF transponder, frekansı taşıyıcıdan bölerek yerel bir saat elde edemez, ancak yalnızca dahili düşük güçlü yerel bir osilatör aracılığıyla dijital mantık devresi parçası için bir saat sağlayabilir. Tüm bu devre blokları aşağıda tek tek ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

2 Devre Tasarımı ve Analizi

2.1 Doğrultucu ve Voltaj Regülatörü Devreleri

Bu makalede, doğrultucu devresi olarak Schottky diyotlarından oluşan Dickson şarj pompası kullanılmıştır. Devrenin şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir. Bunun nedeni, Schottky diyotlarının düşük seridirenç ve bağlantı kapasitansı, alınan RF giriş sinyali enerjisini DC güç kaynağına dönüştürürken yüksek dönüşüm verimliliği sağlayabilir ve böylece güç tüketimini azaltabilir. Tüm Schottky diyotları poli-poli kapasitörlerle birbirine bağlanır. Dikey kapasitörler giriş voltajı Vin'in negatif yarım döngüsü sırasında enerjiyi şarj eder ve depolar, yan kapasitörler ise DC üretmek için Vin'in pozitif yarım döngüsü sırasında enerjiyi şarj eder ve depolar. Yüksek voltaj, ortaya çıkan voltaj şudur:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Burada Vp, RF giriş radyo frekansı sinyalinin genliğidir, Vf, D Schottky diyotunun ileri voltajıdır, n kullanılan şarj pompasının aşama sayısıdır.

Doğrultucu tarafından DC voltaj çıkışını belirli bir seviyede sabitleyin ve transponder çipinin fiziksel pozisyonu nedeniyle DC voltaj genliğinin değişmemesini sağlamak ve olası çip şoklarını önlemek için tüm transponder çipi için sabit bir çalışma voltajı sağlayın. aşınma, böylece transponder çipini koruyun. Devre, kendi kendini önyargılı bir Cascnde yapısı benimser. Bu devre yapısını seçmemizin nedeni, Cascnde yapısının ortak kapı tüpünün izolasyon etkisine sahip olması ve bu sayede güç dalgalanmalarını bastırma konusunda iyi bir yeteneğe sahip olması ve böylece güç kaynağı reddetme oranını (PSRR) iyileştirmesidir. İki dal akımının temel kararlılığını sağlamak için. Q1 ve Q2'nin alan oranı 1:8'dir. Ayrıca, genel HF RFID transponderlerinin aksine, çipin genel güç tüketimini azaltmak için tasarımda düşük voltajlı bir başlatma devresine sahip düşük güçlü bir voltaj referans kaynağı benimsedik.