Projeto de circuito RF do chip transponder RFID UHF passivo

A identificação por radiofrequência (radio frequency idenlificaTInn, RFID) é uma tecnologia de identificação automática que surgiu na década de 1990. A tecnologia RFID tem muitas vantagens que a tecnologia de código de barras não tem, e tem uma ampla gama de aplicações, que podem ser usadas em cidadania de segunda geração*, cartão de cidade, transações financeiras, gerenciamento da cadeia de suprimentos, ETC, Controle de acesso, aeroportos, gerenciamento de bagagem, transporte público, identificação de contêineres, gerenciamento de gado, etc. Portanto, torna-se muito importante dominar a tecnologia de fabricação de chips RFID. Atualmente, as crescentes demandas de aplicação apresentam requisitos mais altos para chips RFID, exigindo maior capacidade, menor custo, menor tamanho e maior taxa de dados. De acordo com essa situação, este artigo propõe um circuito RF de chip transponder RFID UHF passivo de longa distância e baixa potência.

As frequências operacionais comuns de RFID incluem baixa frequência de 125 kHz, 134,2 kHz, alta frequência de 13,56 MHz, ultra-alta frequência de 860-930 MHz, micro-ondas de 2,45 GHz, 5,8 GHz, etc. Como o sistema de baixa frequência de 125 kHz, 134,2 kHz e alta frequência de 13,56 MHz usa a bobina como antena e adota o método de acoplamento indutivo, a distância de trabalho é relativamente curta, geralmente não mais do que 1,2 m, e a largura de banda é limitada a vários quilohertz na Europa e outras regiões. Mas UHF (860 ～ 93 Uh1Hz) e micro-ondas (2,45 GHz, 5,8 GHz) podem fornecer maior distância de trabalho, maior taxa de dados e menor tamanho de antena, por isso se tornou um campo de pesquisa quente de RFID.

O chip de circuito RF proposto neste artigo é tape-out usando o processo Chartered 0,35μm 2P4M CMOS suportando diodos Schottky e memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM). Os diodos Schottky têm baixa resistência em série e tensão direta, e podem fornecer alta eficiência de conversão ao converter energia do sinal de entrada RF recebido em fonte de alimentação CC, reduzindo assim o consumo de energia. Quando a potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP) é de 4 W (36 dBm) e o ganho da antena é de 0 dB, o chip de circuito RF opera a 915 MHz, a distância de leitura é maior que 3 m e a corrente operacional é menor que 8 μA.

1 Estrutura do circuito RF

O chip transponder UHF RF1D, que inclui principalmente um circuito de radiofrequência, um circuito de controle lógico e uma EEPROM. Entre eles, a parte do circuito de radiofrequência pode ser dividida nos seguintes módulos de circuito principais: oscilador local e circuito de geração de clock, circuito de reinicialização de energia, fonte de referência de tensão, rede de correspondência e circuito de retrodispersão, retificador, regulador de tensão e demodulador de modulação de amplitude (AM), etc. Não há componentes externos, exceto a antena. A parte da antena adota uma estrutura dipolo e é combinada com a impedância de entrada do retificador por meio de uma rede de correspondência como a única fonte de energia para todo o chip. Seu modelo equivalente é mostrado na Figura 2. A parte real da impedância da antena dipolo consiste em Rra e Rloss, onde Rra é a impedância de radiação da antena dipolo, que é inerente à antena dipolo, geralmente 73Ω, que representa a capacidade da antena de irradiar ondas eletromagnéticas; Rloss A resistência ôhmica provocada pelo metal usado para fazer a antena geralmente gera apenas calor. A parte imaginária X da impedância da antena é geralmente positiva, porque a antena é geralmente indutiva para o exterior, e o tamanho dessa indutância equivalente geralmente depende da topologia da antena e do material do substrato. O retificador converte a potência do sinal de entrada RF acoplado na tensão CC exigida pelo chip. O regulador de tensão estabiliza a tensão CC em um determinado nível e limita a magnitude da tensão CC para proteger o chip de quebra devido à tensão excessiva. O demodulador AM é usado para extrair o sinal de dados correspondente do sinal portador recebido. O circuito de retrodispersão transmite os dados do transponder para o interrogador RFID ou leitor de cartão alterando a impedância do circuito RF por meio de capacitância variável. O circuito de reinicialização de energia é usado para gerar o sinal de reinicialização de todo o chip. Ao contrário do transponder de alta frequência (HF) de 13,56 MHz, o transponder UHF de 915 MHz não pode obter um relógio local dividindo a frequência da portadora, mas pode fornecer apenas um relógio para a parte do circuito lógico digital por meio de um oscilador local de baixa potência integrado. Todos esses blocos de circuito serão explicados em detalhes, um por um, abaixo.

2 Projeto e análise de circuitos

2.1 Circuitos retificadores e reguladores de tensão

Neste artigo, a bomba de carga Dickson composta de diodos Schottky é usada como circuito retificador. O diagrama esquemático do circuito é mostrado na Figura 3. Isso ocorre porque os diodos Schottky têm baixa corrente em sérieresistência e capacitância de junção, que podem fornecer alta eficiência de conversão ao converter energia do sinal de entrada RF recebido em fonte de alimentação CC, reduzindo assim o consumo de energia. Todos os diodos Schottky são conectados por capacitores poli-poli. Os capacitores verticais carregam e armazenam energia durante o meio ciclo negAtivo da tensão de entrada Vin, enquanto os capacitores laterais carregam e armazenam energia durante o meio ciclo positivo de Vin para gerar CC. Alta tensão, a tensão resultante é:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Onde Vp, RF é a amplitude do sinal de radiofrequência de entrada, Vf, D é a tensão direta do diodo Schottky, n é o número de estágios da bomba de carga usada.

Estabilize a saída de tensão CC pelo retificador em um determinado nível e forneça uma tensão de trabalho estável para todo o chip do transponder para garantir que a amplitude da tensão CC não mude devido à posição física do chip do transponder e evite possíveis choques no chip. desgaste, de modo a proteger o chip do transponder. O circuito adota uma estrutura Cascnde autopolarizada. O motivo da escolha desta estrutura de circuito é que a estrutura Cascnde tem o efeito de isolamento do tubo de porta comum, o que a torna uma boa capacidade de suprimir flutuações de energia, melhorando assim a taxa de rejeição da fonte de alimentação (PSRR). Para garantir a estabilidade básica das duas correntes de ramificação. A taxa de área de Q1 e Q2 é 1:8. Além disso, ao contrário dos transponders RFID HF gerais, adotamos uma fonte de referência de tensão de baixa potência com um circuito de inicialização de baixa tensão no projeto para reduzir o consumo geral de energia do chip.