Mạch tần số vô tuyến tiêu thụ điện năng thấp chip phát đáp tần số vô tuyến nhận dạng tần số cao thụ động
Bài báo này đề xuất mạch tần số vô tuyến điện tử thụ động tần số siêu cao (UHF) thụ động công suất thấp (RFID) chip tần số vô tuyến đáp ứng tiêu chuẩn ISO / IEC18000-6B. Mạch tần số vô tuyến không có các thành phần bên ngoài ngoại trừ ăng ten, và nhận năng lượng từ trường điện từ tần số vô tuyến thông qua bộ chỉnh lưu điốt Schottky.
Kỹ sư mạng đam mê điện tử • Nguồn: Hoàn thiện trang web • Tác giả: Anonymous • 2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11:14 • 648 Đã đọc 0 lần
Mạch tần số vô tuyến tiêu thụ điện năng thấp chip phát đáp tần số vô tuyến nhận dạng tần số cao thụ động
Bài báo này đề xuất mạch tần số vô tuyến điện tử thụ động tần số siêu cao (UHF) thụ động công suất thấp (RFID) chip tần số vô tuyến đáp ứng tiêu chuẩn ISO / IEC18000-6B. Mạch tần số vô tuyến không có các thành phần bên ngoài ngoại trừ ăng ten, và nhận năng lượng từ trường điện từ tần số vô tuyến thông qua bộ chỉnh lưu điốt Schottky.
Lời nói đầu 0
Nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) là một công nghệ nhận dạng tự động xuất hiện vào những năm 1990. Công nghệ RFID có nhiều ưu điểm mà công nghệ mã vạch không có, và nó có rất nhiều ứng dụng. Nó có thể được áp dụng cho thẻ căn cước công dân thế hệ thứ hai, thẻ thành phố, giao dịch tài chính, quản lý chuỗi cung ứng, phí xuất bản điện tử (ETC), kiểm soát ra vào, quản lý hành lý tại sân bay, giao thông công cộng, nhận dạng container, quản lý gia súc, v.v. Do đó, nó là rất quan trọng để làm chủ công nghệ sản xuất chip RFID. Hiện tại, nhu cầu ứng dụng ngày càng tăng đặt ra yêu cầu cao hơn đối với chip RFID, đòi hỏi dung lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, khối lượng nhỏ hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Theo tình huống này, bài báo này đề xuất một mạch tần số vô tuyến chip phát đáp tần số vô tuyến UHF UHF RFID thụ động khoảng cách xa, công suất thấp.
Các tần số làm việc phổ biến của RFID bao gồm tần số thấp 125kHz, 134.2kHz, tần số cao 13.56MHz, UHF 860 ～ 930MHz, vi sóng 2.45GHz, 5.8GHz, v.v. Vì hệ thống tần số thấp 125kHz, 134.2kHz, tần số cao 13.56MHz sử dụng cuộn dây làm ăng-ten và sử dụng cuộn cảm Khoảng cách làm việc tương đối ngắn, thường không quá 1.2m và băng thông bị giới hạn ở vài kilohertz ở Châu Âu và các khu vực khác. Tuy nhiên, UHF (860 ~ 93Uh1Hz) và vi sóng (2.45GHz, 5.8GHz) có thể cung cấp khoảng cách làm việc dài hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn và kích thước ăng-ten nhỏ hơn, vì vậy nó đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu nóng của RFID.
Chip mạch RF được đề xuất trong bài báo này được dán bằng quy trình Chartered 0.35μm 2P4M CM0S hỗ trợ điốt Schottky và bộ nhớ chỉ đọc lập trình có thể xóa bằng điện (EEPROM). Điốt Schottky có điện trở nối tiếp và điện áp chuyển tiếp thấp hơn, đồng thời có thể mang lại hiệu suất chuyển đổi cao hơn khi chuyển đổi năng lượng tín hiệu đầu vào RF nhận được thành nguồn điện một chiều, do đó giảm tiêu thụ điện năng. Khi công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) là 4W (36dBm) và độ lợi của anten là 0dB, chip mạch tần số vô tuyến làm việc ở tần số 915MHz, khoảng cách đọc lớn hơn 3m và dòng điện làm việc nhỏ hơn 8μA.
1 cấu trúc mạch RF
Hình 1 là sơ đồ hệ thống chip phát đáp UHF RF1D, chủ yếu bao gồm mạch tần số vô tuyến, mạch điều khiển logic và EEPROM. Trong số đó, phần mạch tần số vô tuyến có thể được chia thành các mô-đun mạch chính sau: mạch tạo dao động cục bộ và mạch tạo xung nhịp, mạch khởi động lại nguồn, nguồn tham chiếu điện áp, mạng kết hợp và mạch tán xạ ngược, bộ chỉnh lưu, bộ điều chỉnh điện áp và điều chế biên độ (AM ) Bộ giải điều chế, v.v. Không có thành phần bên ngoài nào ngoại trừ ăng-ten và phần ăng-ten sử dụng cấu trúc lưỡng cực và được khớp với trở kháng đầu vào của bộ chỉnh lưu thông qua một mạng phù hợp, là nguồn năng lượng duy nhất cho toàn bộ chip. Mô hình tương đương được thể hiện trong Hình 2. Phần thực của trở kháng của anten lưỡng cực bao gồm hai phần, Rra và Rloss, trong đó Rra là trở kháng bức xạ của anten lưỡng cực, vốn có của anten lưỡng cực, thường là 73Ω, thể hiện khả năng bức xạ sóng điện từ của anten ra bên ngoài; Rloss Điện trở ohmic của kim loại được sử dụng để làm ăng-ten thường chỉ tạo ra nhiệt. Phần ảo X của trở kháng anten thường là dương. Điều này là do ăng-ten nói chung là cảm ứng với bên ngoài. Độ lớn của điện cảm tương đương thường phụ thuộc vào cấu trúc tôpô của ăng ten và vật liệu nền. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi công suất tín hiệu đầu vào RF được ghép thành điện áp DC theo yêu cầu của chip. Bộ điều chỉnh điện áp ổn định điện áp DC ở một mức nhất định và giới hạn biên độ của điện áp DC để bảo vệ chip khỏi sự cố do điện áp quá mức. Bộ giải điều chế AM được sử dụng để trích xuất tín hiệu dữ liệu tương ứng từ tín hiệu sóng mang nhận được. Mạch tán xạ ngược sử dụng một tụ điện biến đổi để thay đổi trở kháng của mạch tần số vô tuyến, từ đó gửi dữ liệu bộ phát đáp đến bộ dò hỏi RFID hoặc đầu đọc thẻ. Mạch khởi động lại nguồn được sử dụng để tạo ra tín hiệu đặt lại cho toàn bộ chip. Không giống như bộ phát đáp tần số cao (HF) 13.56MHz, bộ phát đáp 915MHz UHF không thể thu được đồng hồ cục bộ từ tần số sóng mang mà chỉ có thể cung cấp đồng hồ cho phần mạch logic kỹ thuật số thông qua bộ dao động cục bộ công suất thấp được tích hợp sẵn. Tất cả các mô-đun mạch này sẽ được mô tả chi tiết bên dưới từng cái một.
Hình 1 Sơ đồ hệ thống chip phát đáp UHF RF1D
2 Mô hình điện tương đương của anten bộ phát đáp
2 Thiết kế và phân tích mạch
2.1 Mạch chỉnh lưu và điều chỉnh
Trong bài báo này, một máy bơm điện tích Dickson bao gồm các điốt Schottky được sử dụng làm mạch chỉnh lưu. Sơ đồ mạch của mạch được thể hiện trong Hình 3. Điều này là do điốt Schottky có điện trở nối tiếp và điện dung tiếp giáp thấp hơn, đồng thời có thể cung cấp hiệu suất chuyển đổi cao hơn khi chuyển đổi năng lượng tín hiệu đầu vào RF nhận được thành nguồn điện một chiều, do đó giảm tiêu thụ điện năng. Tất cả các điốt Schottky được kết nối với nhau bằng các tụ poly-poly. Tụ điện dọc được tích điện và lưu trữ trong nửa chu kỳ âm của điện áp đầu vào Vin, và tụ điện ngang được tích điện và lưu trữ trong nửa chu kỳ dương Vin, do đó tạo ra Điện áp cao một chiều, điện áp thu được là:
VDD = n · (Vp, RF － Vf, D)
Vp, RF là biên độ của tín hiệu tần số vô tuyến đầu vào, Vf, D là điện áp chuyển tiếp của diode Schottky và n là số giai đoạn bơm tích điện được sử dụng.
Hình 4 Sơ đồ mạch của bộ điều chỉnh điện áp
2.2 Kết hợp mạng và mạch tán xạ ngược
Không giống như bộ phát đáp HF 13.56MHz, bộ phát đáp RFID băng tần UHF sử dụng một ăng-ten lưỡng cực. Hình 5 là sơ đồ mạch tương đương của SPICE (chương trình simulaTIon với điểm nhấn là mạch tích hợp) của bộ phát đáp và ăng ten. Trong mô hình mạch SPICE tương đương này, tín hiệu sóng mang RF nhận được là Vs, trở kháng của anten là Zs = Rs + jXL, có thể được coi là nội trở của nguồn điện áp Vs và trở kháng đầu vào tương đương của chip phát đáp là ZL = RL-jXL. Do đó, khi ZL = Zs * thì tổng trở phù hợp và công suất truyền tải là cực đại. Trong trường hợp kết hợp trở kháng, từ quan điểm của bộ phát đáp với ăng-ten, trở kháng thu được phải là Z = 2RL, vì vậy chúng tôi nhận được mối quan hệ giữa công suất nhận Pre và điện áp xoay VS như bên:
Khi đó điện áp xoay chiều đầu vào Vin tới hai đầu chip là:
Để đạt được sự kết hợp trở kháng, mạch cũng cần thực hiện biến đổi trở kháng trên mạng kết hợp, để nội trở của ăng ten và trở kháng đầu vào của phần mạch tần số vô tuyến có thể đạt được sự kết hợp liên hợp, vì vậy chúng tôi sử dụng loại L. phù hợp mạng. Do chi phí cao của cuộn cảm tích hợp chip và độ chính xác thấp, chúng tôi sử dụng điện cảm của ăng-ten làm cuộn cảm phù hợp để tích hợp tụ điện phù hợp vào chip. Sau khi tính toán, trở kháng đầu vào của mạch tần số vô tuyến là khoảng (105-j406) Ω.
Hình 5 Sơ đồ mạch tương đương SPICE của bộ phát đáp và anten
Hình 6 là một sơ đồ của mạch tán xạ ngược. Mạch tán xạ ngược sử dụng một tụ điện biến đổi để thay đổi trở kháng của mạch tần số vô tuyến, từ đó gửi dữ liệu bộ phát đáp đến bộ dò hỏi RFID hoặc đầu đọc thẻ. Điện dung thay đổi được thực hiện bởi MOS varactor. Trong quy trình CMOS tiêu chuẩn, chúng ta có thể sử dụng điện dung thay đổi được điều khiển bằng điện áp từ cổng của ống MOS đến chất nền và sử dụng cổng của varactor MOS làm một đầu của tụ điện và đầu nguồn kết nối với đầu cuối cống làm đầu kia của tụ điện.
Mạch giải điều chế 2.3 AM
Mạch giải điều chế AM được sử dụng để khôi phục sóng mang đã được điều chế thành tín hiệu số để xử lý băng tần cơ sở. Mạch giải điều chế bao gồm mạch phát hiện đường bao, mạch lọc và bộ so sánh (như hình 7). Bộ so sánh sử dụng bộ so sánh trễ để giảm tỷ lệ lỗi bit. Bộ dò đường bao sử dụng mạch tương tự như bộ chỉnh lưu để trích xuất tín hiệu đường bao. Bộ lọc thông thấp được sử dụng để loại bỏ tín hiệu nhiễu và gợn sóng trên nguồn điện. Cuối cùng, tín hiệu đường bao được khôi phục thành tín hiệu số ở đầu ra của bộ so sánh thông qua bộ so sánh trễ.
Hình 7 Sơ đồ bộ giải điều chế AM
2.4 Mạch khởi động lại nguồn
Mạch khởi động lại nguồn có hai chức năng chính. Một là khi bộ phát đáp đi vào vùng hiệu dụng của bộ dò tín hiệu hoặc đầu đọc thẻ và điện áp nguồn cung cấp đã đạt đến mức làm việc bình thường, nó sẽ tạo ra tín hiệu thiết lập lại cho toàn bộ chip; hai là khi điện áp nguồn giảm đột ngột. Khi mạch được thiết lập lại, nó có thể ngăn mạch logic hoạt động sai. Hình 8 là sơ đồ mạch khởi động lại nguồn, thời gian trễ khởi động lại nguồn của mạch là 10μs. Khi tiếp tục tăng thời gian từ 2.4 và vượt quá hiệu điện thế kéo lên 1V thì P ống MP1 và N ống MN0 được bật trước, làm cho điện thế của hai điểm A và B tăng dần từ 2 với độ tăng của Yu, sau khi ngược pha Điện áp cổng của các transistor MP2 và MN2 đều thay đổi tuyến tính theo mức tăng của VDD, do đó lúc đầu MN2 được bật và MP0 được tắt, do đó điện áp tại điểm C luôn bằng 2 (đặt lại hiệu dụng) . Khi VDD đạt đến điện thế cao hơn thì đồng thời điện thế tại điểm A cũng tăng lên một mức nhất định làm cho ống MN2 bị cắt đứt. Lúc này, ống MP0 được bật và điện thế tại điểm C tăng nhanh. Sau một số cấp độ của bộ đệm, một nô lệ sẽ nhận được. Đầu ra tín hiệu chuyển tiếp logic 1 sang 10, để mạch bắt đầu hoạt động bình thường. Việc phân tầng các giai đoạn sau của bộ đệm và tải điện dung là để có được độ trễ thời gian khoảng 2.4μs, nghĩa là, khi VDD cao hơn 10V và giữ nguyên 9μs, tín hiệu đặt lại sẽ hoàn thành bước nhảy, để nhận ra hoạt động ổn định của mạch. Kết quả mô phỏng như sau Được trình bày trong Hình XNUMX.
Hình 8 Sơ đồ mạch khởi động lại nguồn
Hình 9 Kết quả mô phỏng mạch khởi động lại nguồn
2.5 Mạch tạo xung và tạo dao động cục bộ
Không giống như bộ phát đáp 13.56MHz HF, bộ phát đáp 915MHz UHF không thể thu được đồng hồ cục bộ từ tần số sóng mang mà chỉ có thể cung cấp đồng hồ cho phần mạch logic kỹ thuật số thông qua bộ dao động cục bộ công suất thấp được tích hợp sẵn. Tần số xung nhịp có thể chấp nhận sai số ± 30%, và độ chính xác của tần số xung nhịp không cao nên có thể sử dụng cấu trúc dao động tương đối đơn giản để giảm tiêu thụ điện năng của chip. Sau khi phân tích, chúng tôi quyết định sử dụng bộ dao động vòng bao gồm các bộ biến tần vi sai hoàn toàn được đánh số lẻ, không chỉ có thể triệt tiêu tốt sự thay đổi của điện áp chế độ chung mà còn có thể có được các đặc tính triệt tiêu nguồn điện tốt. Hình 10 là một sơ đồ của mạch tạo dao động cục bộ và xung nhịp. Sau khi kiểm tra mô phỏng, xem xét các điều kiện đầy đủ về nhiệt độ, điện áp cung cấp điện và thay đổi góc quá trình, tần số đầu ra của mạch là khoảng 250kHz và sai số biến thiên của nó đảm bảo rằng độ chính xác tốc độ bit của dữ liệu nhỏ hơn 15% của VDD. Hiệu suất không có tác động và các yêu cầu thiết kế hệ thống được đáp ứng tốt hơn. Hình 11 cho thấy tín hiệu đồng hồ thu được bằng mô phỏng.
Hình 10 Sơ đồ mạch tạo dao động cục bộ và mạch tạo xung nhịp
Hình 11 Tín hiệu đồng hồ thu được bằng mô phỏng
3 Kết quả thử nghiệm và phân tích
Chip mạch tần số vô tuyến sử dụng quy trình CMOS 0.35μm 2P4M được sạc hỗ trợ diode Schottky và EEPROM cho băng từ. Diện tích chip mạch lõi không có miếng đệm I / O (PAD) là 300μm × 720μm. Ngoại trừ hai PAD được sử dụng để kết nối với ăng-ten bên ngoài, các PAD còn lại được sử dụng để kiểm tra chức năng chip. Hình 12 là sơ đồ dạng sóng thu được sau khi chip mạch tần số vô tuyến được kết nối với ăng ten bên ngoài và đầu đọc thẻ được kiểm tra giao tiếp. Thử nghiệm được thực hiện bằng đầu đọc thẻ RFID THM6BC1-915 UHF của Công ty TNHH Vi điện tử Đồng Phương Bắc Kinh đáp ứng tiêu chuẩn ISO / IEC 18000-6B. Hình 12 (a) là dạng sóng VDD thu được bởi mạch chỉnh lưu và điều áp sau khi nhận được tín hiệu tần số vô tuyến do đầu đọc thẻ truyền đi. Giá trị trung bình là 3.3V và chỉ có độ gợn sóng nhỏ hơn 20mV là đáp ứng tốt Các yêu cầu về chỉ số thiết kế. Hình 12 (b) cho thấy tín hiệu kỹ thuật số được gửi bởi đầu đọc thẻ do bộ giải điều chế chip RF thu được. Sau khi thử nghiệm, khi EIRP là 4W (36dBm) và độ lợi anten là OdB, chip mạch tần số vô tuyến hoạt động ở tần số 915MHz, khoảng cách đọc lớn hơn 3m và dòng điện làm việc nhỏ hơn 8μA.
Hình 12 Sơ đồ dạng sóng thử nghiệm của chip mạch RF
Kết luận 4
Bài báo này đề xuất một mạch tần số vô tuyến chip phát đáp RFID UHF thụ động công suất thấp và hiệu suất cao đáp ứng tiêu chuẩn ISO / IEC 18000-6B. Mạch tần số vô tuyến hoạt động ở tần số 915MHz và không có thành phần bên ngoài nào ngoài ăng-ten. Nó sử dụng điốt Schottky. Bộ chỉnh lưu nhận năng lượng từ trường điện từ tần số vô tuyến. Quy trình CMQS 0.35μm 2P4M được thuê bao hỗ trợ điốt Schottky và EEPROM được sử dụng cho băng từ và diện tích lõi của nó là 300μm × 720μm. Mạch tần số vô tuyến RFID bao gồm một số mô-đun chính như bộ tạo dao động cục bộ, mạch tạo xung nhịp, mạch đặt lại, mạng kết hợp và mạch tán xạ ngược, bộ chỉnh lưu, bộ điều chỉnh điện áp và bộ giải điều chế AM. Văn bản này thiết kế và tối ưu hóa từng mạch mô-đun, thiết kế mạch tần số vô tuyến tiêu thụ điện năng thấp phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn. Thử nghiệm được thực hiện với đầu đọc thẻ RFID THM6BC1-915Y2 UHF phù hợp với tiêu chuẩn ISO / IEC 18000-6B. Kết quả thử nghiệm cho thấy khoảng cách đọc lớn hơn 3m, và kết quả đáp ứng các yêu cầu về chỉ số của hệ thống phát đáp RFID thụ động UHF.
sản phẩm khác của chúng tôi:
