Análise de projeto de circuito de etiquetas RFID passivas UHF

Devido à sua alta frequência operacional, longa distância de leitura e gravação, sem fonte de alimentação externa e baixo custo de fabricação, as etiquetas RFID passivas UHF se tornaram uma das principais direções da pesquisa RFID e podem se tornar produtos convencionais no campo RFID em um futuro próximo.

Uma Etiqueta RFID passiva UHF completa consiste em antena e chip de etiqueta. Entre eles, o chip de etiqueta geralmente inclui as seguintes partes do circuito: circuito de recuperação de energia, circuito de estabilização de tensão de alimentação, circuito de modulação de retrodispersão, circuito de demodulação, circuito de extração/geração de clock, circuito de geração de sinal de partida, circuito de geração de fonte de referência, unidade de controle, memória. A energia necessária para o chip de etiqueta RFID passiva funcionar é inteiramente derivada da energia da onda eletromagnética gerada pelo leitor de cartão. Portanto, o circuito de recuperação de energia precisa converter o sinal UHF induzido pela antena da etiqueta na tensão CC necessária para o chip funcionar. fornecer energia.

Como o ambiente eletromagnético no qual as etiquetas RFID estão localizadas é muito complexo, a potência do sinal de entrada pode variar centenas ou até milhares de vezes. Portanto, para que o chip funcione normalmente em diferentes intensidades de campo, um circuito de estabilização de tensão de alimentação confiável deve ser projetado. . O circuito de modulação e demodulação é o circuito-chave para a comunicação entre a etiqueta e o leitor de cartão. Atualmente, a maioria das etiquetas RFID UHF usa modulação ASK. A unidade de controle de uma etiqueta RFID é um circuito digital que processa instruções. Para permitir que o circuito digital seja reiniciado corretamente após a etiqueta entrar no campo do leitor de cartão, em resposta às instruções do leitor de cartão, um circuito confiável de geração de sinal de inicialização deve ser projetado para fornecer um sinal de reinicialização para a unidade digital.

circuito de recuperação de energia

O circuito de recuperação de energia converte o sinal UHF recebido pela antena da etiqueta RFID em uma tensão CC por meio de retificação e reforço para fornecer energia para o chip funcionar. Existem muitas configurações de circuito possíveis para circuitos de recuperação de energia. Conforme mostrado na figura, há vários circuitos de recuperação de energia comumente usados atualmente.

Nestes circuitos de recuperação de energia, não há uma estrutura de circuito ideal, e cada circuito tem suas próprias vantagens e desvantagens. Sob diferentes condições de carga, diferentes condições de tensão de entrada, diferentes requisitos de tensão de saída e condições de processo disponíveis, diferentes circuitos precisam ser selecionados para atingir o desempenho ideal. O circuito dobrador de tensão de diodo multiestágio mostrado na Figura 2(a) geralmente usa diodos de barreira Schottky. Ele tem as vantagens de alta eficiência de duplicação de tensão e pequena amplitude de sinal de entrada, e é amplamente utilizado. No entanto, o processo CMOS comum da fundição geral não fornece diodos de barreira Schottky, o que trará problemas ao projetista na seleção do processo. A Figura 2(b) substitui o diodo Schottky por um tubo PMOS conectado na forma de um diodo, o que evita requisitos especiais no processo. O circuito de duplicação de tensão com esta estrutura precisa de uma amplitude de sinal de entrada maior e tem melhor eficiência de duplicação de tensão quando a tensão de saída é maior. A Figura 2(c) é um circuito retificador de onda completa de diodo tradicional. Comparado com o circuito duplicador de tensão Dickson, o efeito do duplicador de tensão é melhor, mas mais elementos de diodo são introduzidos, e a eficiência de conversão de energia é geralmente um pouco menor do que o circuito duplicador de tensão Dickson. Além disso, como seu terminal de entrada de antena é separado do aterramento do chip, é uma estrutura totalmente simétrica com capacitor bloqueando DC quando visto do terminal de entrada da antena para o chip, o que evita a influência mútua entre o aterramento do chip e a antena, e é adequado para uso com antenas simétricas (como antena de polo par) conectadas. A Figura 2(d) é a solução de tubo CMOS do circuito de retificação de onda completa proposto por muitas literaturas. No caso de tecnologia limitada, melhor eficiência de conversão de energia pode ser obtida, e os requisitos para a amplitude do sinal de entrada são relativamente baixos.

Na aplicação de etiquetas RFID UHF passivas gerais, devido a considerações de custo, espera-se que o circuito do chip seja adequado para a fabricação de tecnologia CMOS comum. O requisito de leitura e escrita de longa distância apresenta requisitos mais elevados sobre a eficiência de conversão de energia do circuito de recuperação de energia. Por esta razão, muitos projetistas usam a tecnologia CMOS padrão para realizar diodos de barreira Schottky, de modo que a estrutura do circuito duplicador de tensão Dickson de múltiplos estágios pode ser convenientemente usada para melhorar o desempenho da conversão de energia. A Figura 3 é um diagrama esquemático da estrutura de um diodo Schottky fabricado por um processo CMOS comum. No projeto, os diodos Schottky podem ser produzidos sem alterar o pretapas do processo e regras de geração de máscara, e só precisa fazer algumas modificações no layout.

O layout de vários diodos Schottky projetados sob o processo CMOS UMC 0,18um. Suas curvas de teste de característica CC são mostradas na Figura 5. Pode ser visto a partir dos resultados do teste das características CC que o diodo Schottky fabricado pelo processo CMOS padrão tem características típicas de diodo, e a tensão de ativação é de apenas cerca de 0,2 V, o que é muito adequado para etiquetas RFID.

Circuito regulador de energia

Quando a amplitude do sinal de entrada é alta, o circuito de estabilização de tensão da fonte de alimentação deve ser capaz de garantir que a tensão de alimentação CC de saída não exceda a tensão máxima que o chip pode suportar; ao mesmo tempo, quando o sinal de entrada é pequeno, a energia consumida pelo circuito de estabilização de tensão deve ser a menor possível. Para reduzir o consumo total de energia do chip.

Do ponto de vista do princípio da regulação de tensão, a estrutura do circuito de regulação de tensão pode ser dividida em dois tipos: um circuito de regulação de tensão paralelo e um circuito de regulação de tensão em série.

No chip da etiqueta RFID, é necessário um capacitor de armazenamento de energia com um grande valor de capacitância para armazenar carga suficiente para que a etiqueta receba o sinal de modulação, e a energia de entrada ainda pode estar no momento em que a energia de entrada é pequena (como o momento em que não há portadora na modulação OOK). , para manter a tensão de alimentação do chip. Se a energia de entrada for muito alta e a tensão de alimentação subir para um determinado nível, o sensor de tensão no circuito de estabilização de tensão controlará a fonte de vazamento para liberar o excesso de carga no capacitor de armazenamento de energia, de modo a atingir o propósito de estabilização de tensão. A Figura 7 é um dos circuitos reguladores de tensão paralelos. Três diodos conectados em série D1, D2, D3 e resistor R1 formam um sensor de tensão para controlar a tensão do gate do sangrador M1. Quando a tensão da fonte de alimentação excede a soma das tensões de ativação dos três diodos, a tensão do gate de M1 aumenta, M1 é ligado e começa a descarregar o capacitor de armazenamento de energia C1.

O princípio de outro tipo de circuito estabilizador de tensão é usar um esquema de estabilização de tensão em série. Seu diagrama esquemático é mostrado na Figura 8. A fonte de tensão de referência é projetada como uma fonte de referência independente da tensão de alimentação. A tensão da fonte de alimentação de saída é dividida pelo resistor e comparada com a tensão de referência, e a diferença é amplificada pelo amplificador operacional para controlar o potencial do gate do tubo M1, de modo que a tensão de saída e a fonte de referência basicamente mantenham o mesmo estado estável.

Este circuito regulador de tensão em série pode gerar uma tensão de alimentação mais precisa, mas como o tubo M1 é conectado em série entre a fonte de alimentação não regulada e a fonte de alimentação regulada, quando a corrente de carga é grande, a queda de tensão no tubo M1 causará uma tensão maior. perda de potência. Portanto, essa estrutura de circuito é geralmente aplicada a circuitos de tag com menor consumo de energia.

Circuito de modulação e demodulação

a. Circuito de demodulação

Para reduzir a área do chip e o consumo de energia, a maioria das tags RFID passivas atualmente adota a modulação ASK. Para o circuito de demodulação ASK do chip da tag, o método de demodulação comumente usado é o método de detecção de envelope, conforme mostrado na FIG. 9.

O circuito duplicador de tensão da parte de detecção de envelope e da parte de recuperação de energia é basicamente o mesmo, mas não é necessário fornecer uma grande corrente de carga. Uma fonte de corrente de fuga é conectada em paralelo no estágio final do circuito de detecção de envelope. Quando o sinal de entrada é modulado, a energia de entrada diminui e a fonte de fuga reduz a tensão de saída do envelope, para que o circuito comparador subsequente possa julgar o sinal de modulação. Devido à grande variação de energia do sinal RF de entrada, a corrente da fonte de vazamento deve ser ajustada dinamicamente para se adaptar às mudanças de diferentes intensidades de campo no campo próximo e no campo distante. Por exemplo, se a corrente da fonte de alimentação de vazamento for pequena, ela pode atender às necessidades do comparador quando a intensidade do campo for fraca, mas quando a etiqueta estiver no campo próximo com intensidade de campo forte, a corrente de vazamento não será suficiente para fazer o sinal detectado. Se houver uma grande mudança de amplitude, o comparador pós-estágio não poderá funcionar normalmente. Para resolver esse problema, a estrutura da fonte de vazamento conforme mostrada na Fig. 10 pode ser adotada.

Quando a portadora de entrada não é modulada, o potencial de porta do tubo sangrador M1 é o mesmo que o potencial de dreno, formando um tubo NMOS conectado a diodo, que prende a saída do envelope perto da tensão limite de M1.A potência consumida em M1 é balanceada; quando a portadora de entrada é modulada, a energia de entrada do chip diminui, e neste momento devido à ação do circuito de atraso R1 e C1, o potencial de gate de M1 permanece no nível original, e M1 vaza. A corrente liberada permanece inalterada, o que faz a amplitude do sinal de saída do envelope diminuir rapidamente; similarmente, após a portadora ser restaurada, o atraso de R1 e C1 faz a saída do envelope retornar rapidamente ao alto nível original. Usando esta estrutura de circuito, e escolhendo o tamanho de R1, C1 e M1 razoavelmente, as necessidades de demodulação sob diferentes intensidades de campo podem ser atendidas. Há também muitas opções para o circuito comparador conectado atrás da saída do envelope, e as mais comumente usadas são o comparador de histerese e o amplificador operacional.

b. Circuito de modulação

As etiquetas RFID UHF passivas geralmente adotam o método de modulação de retrodispersão, ou seja, alterando a impedância de entrada do chip para alterar o coeficiente de reflexão entre o chip e a antena, de modo a atingir o propósito da modulação. Geralmente, a impedância da antena e a impedância de entrada do chip são projetadas para que fiquem próximas da correspondência de potência quando não são moduladas, e o coeficiente de reflexão é aumentado quando são moduladas. O método de retrodispersão comumente usado é conectar um capacitor com um interruptor em paralelo entre as duas extremidades de entrada da antena, conforme mostrado na Figura 11, o sinal de modulação determina se o capacitor está conectado à extremidade de entrada do chip controlando o interruptor, alterando assim a impedância de entrada do chip.

circuito de geração de sinal de partida

A função do circuito de geração de sinal de reinicialização de partida de energia na etiqueta RFID é fornecer um sinal de reinicialização para o trabalho de partida do circuito digital após a recuperação de energia ser concluída. Seu projeto deve considerar os seguintes problemas: Se a tensão da fonte de alimentação aumentar por muito tempo, a amplitude de alto nível do sinal de reinicialização será baixa, o que não pode atender às necessidades de reinicialização do circuito digital; o circuito de geração de sinal de partida é mais sensível a flutuações de energia, é possível causar mau funcionamento; o consumo de energia estática deve ser o mais baixo possível.

Normalmente, após a etiqueta RFID passiva entrar no campo, o tempo para a tensão da fonte de alimentação aumentar é incerto e pode ser muito longo. Isso requer que o projeto do circuito de geração de sinal de partida gere o sinal de partida no momento relacionado à tensão da fonte de alimentação. A Figura 12 mostra um circuito comum de geração de sinal de partida.

Seu princípio básico é usar o ramo composto pelo resistor R0 e o transistor NMOS M1 para gerar uma tensão relativamente fixa Va. Quando a tensão de alimentação vdd excede a tensão limite do transistor NMOS, a tensão de Va permanece basicamente inalterada. À medida que vdd continua a aumentar, quando a tensão de alimentação atinge Va+|Vtp|, o transistor PMOS M0 é ligado para fazer Vb aumentar e, antes disso, Vb estava em um nível baixo porque M0 foi cortado. O principal problema com este circuito é a presença de dissipação de energia estática. E como a tensão limite do transistor MOS varia muito com o processo sob o processo CMOS, ele é facilmente afetado pelo desvio do processo. Portanto, usar um diodo de junção pn para gerar a tensão de inicialização reduzirá muito a incerteza do processo, conforme mostrado na FIG. 13.

Quando VDD sobe para a tensão de ativação dos dois diodos de junção pn, o gate do transistor PMOS M0 é igual à tensão da fonte de alimentação, e o transistor PMOS é desligado. Neste momento, a tensão no capacitor C1 está em um nível baixo. Quando VDD sobe acima da tensão limite de dois diodos, M0 começa a conduzir, enquanto a tensão do gate de M1 permanece inalterada, a corrente que flui através de M1 permanece inalterada, e a tensão no capacitor C1 aumenta gradualmente. Quando sobe para a fase reversa Após o dispositivo inverter, um sinal de partida é gerado. Portanto, o tempo para este circuito gerar o sinal de partida depende se a tensão da fonte de alimentação atinge a tensão limite dos dois diodos, que tem alta estabilidade, e evita o sinal de partida prematuro do circuito de partida geral quando a tensão da fonte de alimentação sobe muito lentamente. O problema.

Se a tensão da fonte de alimentação aumentar muito rápido, a capacitância do gate do resistor R1 e M0 constitui um circuito de atraso passa-baixo, o que tornará a tensão do gate de M0 incapaz de acompanhar rapidamente a mudança da tensão da fonte de alimentação e permanecerá em um nível baixo. Neste momento, M0 carregará o capacitor C1, fazendo com que o circuito não funcione corretamente. Para resolver este problema, um capacitor C5 é introduzido. Se a tensão da fonte de alimentação aumentar rapidamente, o efeito de acoplamento do capacitor C5 pode manter o potencial do gate de M0 consistente com a tensão da fonte de alimentação, evitando ta ocorrência dos problemas acima mencionados.

O problema do consumo de energia estática ainda existe neste circuito, e o impacto do consumo de energia estática pode ser reduzido aumentando o valor da resistência e selecionando o tamanho do tubo MOS razoavelmente. Para resolver completamente o problema do consumo de energia estática, é necessário projetar um circuito de controle de feedback adicional para desligar esta parte do circuito após o sinal de início ser gerado. No entanto, atenção especial precisa ser dada à instabilidade causada pela introdução do feedback.

A dificuldade de design dos chips UHF RFID passivos gira em torno de como aumentar a distância de leitura e gravação do chip e reduzir o custo de fabricação da etiqueta. Portanto, melhorar a eficiência do circuito de recuperação de energia, reduzir o consumo de energia do chip geral e trabalhar de forma confiável ainda são os principais desafios no design de chips de etiqueta RFID.