Analiza e dizajnit të qarkut të etiketave RFID pasive UHF

Për shkak të frekuencës së lartë të funksionimit, distancës së gjatë të leximit-shkrimit, mungesës së furnizimit me energji të jashtme dhe kostos së ulët të prodhimit, etiketat RFID pasive UHF janë bërë një nga drejtimet kryesore të kërkimit RFID dhe mund të bëhen produkte kryesore në fushën RFID në e ardhmja e afërt.

Një etiketë e plotë pasive RFID UHF përbëhet nga antena dhe çipi i etiketës. Midis tyre, çipi i etiketës përfshin përgjithësisht pjesët e mëposhtme të qarkut: qarkun e rikuperimit të energjisë, qarkun e stabilizimit të tensionit të furnizimit me energji, qarkun e modulimit të shpërndarjes së prapme, qarkun e demodulimit, qarkun e nxjerrjes/gjenerimit të orës, qarkun e gjenerimit të sinjalit të nisjes, qarkun gjenerues të burimit të referencës, njësinë e kontrollit , kujtesa. Energjia e nevojshme për funksionimin e çipit pasiv të etiketës RFID rrjedh tërësisht nga energjia e valës elektromagnetike të gjeneruar nga lexuesi i kartave. Prandaj, qarku i rikuperimit të energjisë duhet të konvertojë sinjalin UHF të induktuar nga antena e etiketës në tensionin DC të kërkuar për funksionimin e çipit. sigurojnë energji.

Meqenëse mjedisi elektromagnetik në të cilin ndodhen etiketat RFID është shumë kompleks, fuqia e sinjalit të hyrjes mund të ndryshojë qindra apo edhe mijëra herë. Prandaj, në mënyrë që çipi të funksionojë normalisht në fuqi të ndryshme të fushës, duhet të projektohet një qark i besueshëm i stabilizimit të tensionit të furnizimit me energji elektrike. . Qarku i modulimit dhe demodulimit është qarku kyç për komunikimin ndërMjet etiketës dhe lexuesit të kartave. Aktualisht, shumica e etiketave UHF RFID përdorin modulimin ASK. Njësia e kontrollit të një etikete RFID është një qark dixhital që përpunon instruksionet. Për të mundësuar rivendosjen e saktë të qarkut dixhital pasi etiketa të hyjë në fushën e lexuesit të kartave, në përgjigje të udhëzimeve të lexuesit të kartave, duhet të projektohet një qark i besueshëm i gjenerimit të sinjalit të nisjes për të siguruar një sinjal rivendosjeje për njësinë dixhitale.

qarku i rikuperimit të energjisë

Qarku i rikuperimit të energjisë konverton sinjalin UHF të marrë nga antena etiketës RFID në një tension DC përmes korrigjimi dhe rritja për të siguruar energji për funksionimin e çipit. Ka shumë konfigurime të mundshme të qarkut për qarqet e rikuperimit të energjisë. Siç tregohet në figurë, aktualisht përdoren zakonisht disa qarqe të rikuperimit të energjisë.

Në këto qarqe të rikuperimit të energjisë, nuk ka strukturë optimale të qarkut dhe çdo qark ka avantazhet dhe disavantazhet e veta. Në kushte të ndryshme ngarkese, kushte të ndryshme të tensionit të hyrjes, kërkesa të ndryshme të tensionit në dalje dhe kushte të disponueshme të procesit, qarqe të ndryshme duhet të zgjidhen për të arritur performancën optimale. Qarku i dyfishimit të tensionit të diodës me shumë faza të paraqitur në Figurën 2(a) në përgjithësi përdor diodat penguese Schottky. Ka avantazhet e efikasitetit të dyfishimit të tensionit të lartë dhe amplitudës së vogël të sinjalit të hyrjes, dhe përdoret gjerësisht. Sidoqoftë, procesi i zakonshëm CMOS i shkritores së përgjithshme nuk ofron dioda penguese Schottky, të cilat do t'i sjellin telashe projektuesit në zgjedhjen e procesit. Figura 2(b) zëvendëson diodën Schottky me një tub PMOS të lidhur në formën e një diode, e cila shmang kërkesat e veçanta në proces. Qarku i dyfishimit të tensionit me këtë strukturë ka nevojë për një amplitudë më të lartë të sinjalit hyrës dhe ka efikasitet më të mirë të dyfishimit të tensionit kur tensioni i daljes është më i lartë. Figura 2(c) është një qark tradicional ndreqës me valë të plotë të diodës. Krahasuar me qarkun e dyfishimit të tensionit Dickson, efekti i dyfishimit të tensionit është më i mirë, por futen më shumë elementë diodë dhe efikasiteti i konvertimit të energjisë është përgjithësisht pak më i ulët se qarku i dyfishimit të tensionit Dickson. Përveç kësaj, për shkak se terminali i tij i hyrjes së antenës është i ndarë nga toka e çipit, është një strukturë plotësisht simetrike me kondensator që bllokon DC kur shikohet nga terminali i hyrjes së antenës në çip, gjë që shmang ndikimin e ndërsjellë midis tokës së çipit dhe antenës, dhe është i përshtatshëm për përdorim me antena simetrike (të tilla si antena me shtylla) të lidhura. Figura 2(d) është zgjidhja e tubit CMOS e qarkut të korrigjimit me valë të plotë të propozuar nga shumë literaturë. Në rastin e teknologjisë së kufizuar, mund të arrihet një efikasitet më i mirë i konvertimit të energjisë dhe kërkesat për amplituda e sinjalit të hyrjes janë relativisht të ulëta.

Në aplikimin e etiketave të përgjithshme pasive UHF RFID, për shkak të konsideratave të kostos, ajo Shpresohet që qarku i çipit të jetë i përshtatshëm për prodhimin e teknologjisë së zakonshme CMOS. Kërkesa për leximin dhe shkrimin në distanca të gjata shtron kërkesa më të larta për efikasitetin e konvertimit të fuqisë së qarkut të rikuperimit të energjisë. Për këtë arsye, shumë projektues përdorin teknologjinë standarde CMOS për të realizuar diodat penguese Schottky, në mënyrë që struktura e qarkut të dyfishimit të tensionit me shumë faza Dickson të mund të përdoret me lehtësi për të përmirësuar performancën e konvertimit të energjisë. Figura 3 është një diagram skematik i strukturës së një diode Schottky të prodhuar nga një proces i zakonshëm CMOS. Në dizajn, diodat Schottky mund të prodhohen pa ndryshuar hapat e procesit dhe rregullat e gjenerimit të maskave, dhe duhet vetëm to bëni disa modifikime në paraqitje.

Paraqitja e disa diodave Schottky të krijuara sipas procesit UMC 0.18um CMOS. Lakoret e tyre të provës karakteristike DC janë paraqitur në Figurën 5. Nga rezultatet e testimit të karakteristikave DC mund të shihet se dioda Schottky e prodhuar nga procesi standard CMOS ka karakteristika tipike të diodës dhe tensioni i ndezjes është vetëm rreth 0.2V. i cili është shumë i përshtatshëm për etiketat RFID.

Qarku i rregullatorit të energjisë

Kur sinjali i hyrjes hyn. amplituda është e lartë, qarku i stabilizimit të tensionit të furnizimit me energji duhet të jetë në gjendje të sigurojë që voltazhi i furnizimit me energji DC në dalje të mos e kalojë tensionin maksimal që mund të përballojë çipi; në të njëjtën kohë, kur sinjali i hyrjes është i vogël, fuqia e konsumuar nga qarku i stabilizimit të tensionit duhet të jetë sa më i vogël. Për të reduktuar konsumin total të energjisë së çipit.

Nga pikëpamja e parimit të rregullimit të tensionit, struktura e qarkut të rregullimit të tensionit mund të ndahet në dy lloje: një qark rregullues paralel të tensionit dhe një qarku i rregullimit të tensionit në seri.

Në çipin e etiketës RFID, duhet të ketë një kondensator të ruajtjes së energjisë me një vlerë të madhe kapaciteti për të ruajtur ngarkesën e mjaftueshme që etiketa të marrë sinjalin e modulimit, dhe energjia hyrëse mund të jetë ende në momentin kur energjia hyrëse është e vogël (si p.sh. momenti kur nuk ka bartës në modulimin OOK). , për të ruajtur tensionin e furnizimit me energji të çipit. Nëse energjia hyrëse është shumë e lartë dhe tensioni i furnizimit me energji rritet në një nivel të caktuar, sensori i tensionit në qarkun stabilizues të tensionit do të kontrollojë burimin e rrjedhjes për të çliruar ngarkesën e tepërt në kondensatorin e ruajtjes së energjisë, në mënyrë që të arrihet qëllimi i tensionit stabilizimi. Figura 7 është një nga qarqet e rregullatorit paralel të tensionit. Tre diodat e lidhura me seri D1, D2, D3 dhe rezistenca R1 formojnë një sensor tensioni për të kontrolluar tensionin e portës së gjakderësit M1. Kur voltazhi i furnizimit me energji tejkalon shumën e tensioneve të ndezjes të tre diodave, tensioni i portës së M1 rritet, M1 ndizet dhe fillon të shkarkojë kondensatorin e ruajtjes së energjisë C1.

Parimi i parimit. i një lloji tjetër qarku stabilizues të tensionit është përdorimi i një skeme serike stabilizuese të tensionit. Diagrami i tij skematik është paraqitur në figurën 8. Burimi i tensionit të referencës është projektuar si një burim referimi i pavarur nga tensioni i furnizimit. Tensioni i furnizimit me energji në dalje ndahet me rezistencën dhe krahasohet me tensionin e referencës, dhe diferenca përforcohet nga amplifikuesi operacional për të kontrolluar potencialin e portës së tubit M1, në mënyrë që tensioni i daljes dhe burimi i referencës në thelb të ruajnë të njëjtën qëndrueshmëri. gjendje.

Ky qark rregullator i tensionit të serisë mund të nxjerrë një tension më të saktë të furnizimit me energji elektrike, por për shkak se tubi M1 është i lidhur në seri midis furnizimi me energji i parregulluar dhe furnizimi me energji i rregulluar, kur rryma e ngarkesës është e madhe, rënia e tensionit në tubin M1 do të shkaktojë një tension më të lartë. humbje fuqie. Prandaj, kjo strukturë qarku përgjithësisht zbatohet për qarqet etiketash me më pak konsum të energjisë.

Qarku i modulimit dhe demodulimit

a. Qarku i demodulimit

Për hir të reduktimit të zonës së çipit dhe konsumit të energjisë, shumica e etiketave pasive RFID aktualisht miratojnë modulimin ASK. Për qarkun e demodulimit ASK të çipit të etiketës, metoda e demodulimit e përdorur zakonisht është metoda e zbulimit të zarfit, siç tregohet në FIG. 9 .

Qarku i dyfishimit të tensionit të pjesës së zbulimit të mbështjellësit dhe pjesës së rikuperimit të fuqisë është në thelb i njëjtë, por nuk është e nevojshme të sigurohet një rrymë e madhe e ngarkesës. Një burim i rrymës rrjedhëse lidhet paralelisht në fazën përfundimtare të qarkut të zbulimit të zarfit. Kur sinjali i hyrjes modulohet, energjia hyrëse zvogëlohet dhe burimi i rrjedhjes zvogëlon tensionin e daljes së mbështjellësit, në mënyrë që qarku i mëpasshëm krahasues të mund të gjykojë sinjalin e modulimit. Për shkak të diapazonit të madh të ndryshimit të energjisë të sinjalit RF të hyrjes, rryma e burimit të rrjedhjes duhet të rregullohet në mënyrë dinamike për t'u përshtatur me ndryshimet e fuqive të ndryshme të fushës në fushën e afërt dhe atë të largët. Për shembull, nëse rryma e furnizimit me energji të rrjedhjes është e vogël, ajo mund të plotësojë nevojat e krahasuesit kur forca e fushës është e dobët, por kur etiketa është në fushën e afërt me forcë të fortë fushe, rryma e rrjedhjes nuk do të jetë e mjaftueshme. për të bërë sinjalin e zbuluar Nëse ka një ndryshim të madh të amplitudës, krahasuesi pas fazës nuk mund të funksionojë normalisht. Për të zgjidhur këtë problem, mund të përdoret struktura e burimit të rrjedhjes siç tregohet në Fig. 10.

Kur transportuesi i hyrjes nuk është i moduluar, potenciali i portës së tubit të rrjedhjes M1 është i njëjtë me potencialin e shkarkimit. duke formuar një tub NMOS të lidhur me diodë, i cili shtrëngon daljen e mbështjellësit pranë tensionit të pragut të M1. Fuqia e konsumuar në M1 është e balancuar; kur bartësi i hyrjes modulohet, energjia hyrëse e çipit zvogëlohet, dhe në këtë kohë për shkak të veprimit të tai vonon qarkun R1 dhe C1, potenciali i portës së M1 mbetet në nivelin fillestar dhe M1 rrjedh. Rryma e lëshuar mbetet e pandryshuar, gjë që bën që amplituda e sinjalit dalës të mbështjelljes të ulet me shpejtësi; në mënyrë të ngjashme, pasi transportuesi është restauruar, vonesa e R1 dhe C1 bën që prodhimi i zarfit të kthehet shpejt në nivelin e lartë origjinal. Duke përdorur këtë strukturë qarku dhe duke zgjedhur në mënyrë të arsyeshme madhësinë e R1, C1 dhe M1, mund të plotësohen nevojat e demodulimit nën forca të ndryshme të fushës. Ekzistojnë gjithashtu shumë opsione për qarkun e krahasuesit të lidhur pas daljes së zarfit dhe ato që përdoren zakonisht janë krahasuesi i histerezës dhe amplifikuesi operacional.

b. Qarku i modulimit

Etiketat pasive UHF RFID në përgjithësi përdorin metodën e modulimit të shpërndarjes së pasme, domethënë duke ndryshuar impedancën hyrëse të çipit për të ndryshuar koeficientin e reflektimit midis çipit dhe antenës, në mënyrë që të arrihet qëllimi i modulimi. Në përgjithësi, impedanca e antenës dhe impedanca hyrëse e çipit janë projektuar në mënyrë që të jetë afër përputhjes së fuqisë kur nuk është e moduluar, dhe koeficienti i reflektimit rritet kur modulohet. Metoda e zakonshme e shpërndarjes së pasme është të lidhni një kondensator me një çelës paralelisht midis dy skajeve hyrëse të antenës, siç tregohet në figurën 11, sinjali i modulimit përcakton nëse kondensatori është i lidhur me fundin hyrës të çipit duke kontrolluar çelësin. , duke ndryshuar kështu impedancën hyrëse të çipit.

nisni qarkun e gjenerimit të sinjalit

Funksioni i qarku i gjenerimit të sinjalit të rivendosjes së fillimit të energjisë në etiketën RFID duhet të sigurojë një sinjal rivendosjeje për fillimin e punës së qarkut dixhital pasi të përfundojë rikuperimi i energjisë. Dizajni i tij duhet të marrë parasysh çështjet e mëposhtme: Nëse tensioni i furnizimit me energji rritet për një kohë të gjatë, amplituda e nivelit të lartë të sinjalit të rivendosjes do të jetë e ulët, gjë që nuk mund të plotësojë nevojat e rivendosjes së qarkut dixhital; qarku i gjenerimit të sinjalit të fillimit është më i ndjeshëm ndaj luhatjeve të energjisë, është e mundur të shkaktojë mosfunksionim; konsumi i energjisë statike duhet të jetë sa më i ulët që të jetë e mundur.

Zakonisht, pasi Etiketa RFID pasive të hyjë në fushë, koha për rritjen e tensionit të furnizimit me energji elektrike është e pasigurt dhe mund të jetë shumë e gjatë. Kjo kërkon projektimin e qarkut të gjenerimit të sinjalit të nisjes për të gjeneruar sinjalin e nisjes në momentin që lidhet me tensionin e furnizimit me energji elektrike. Figura 12 tregon një qark të zakonshëm të gjenerimit të sinjalit të nisjes.

Parimi i tij themelor është përdorimi i degës së përbërë nga rezistenca R0 dhe transistori NMOS M1 për të gjeneruar një tension relativisht fiks Va. Kur tensioni i furnizimit me energji vdd tejkalon pragun tensioni i transistorit NMOS, tensioni i Va mbetet në thelb i pandryshuar. Ndërsa vdd vazhdon të rritet, kur voltazhi i furnizimit me energji arrin Va+|Vtp|, tranzistori PMOS M0 ndizet për të bërë Vb të rritet, dhe para kësaj, Vb ka qenë në një nivel të ulët sepse M0 është ndërprerë. Problemi kryesor me këtë qark është prania e shpërndarjes statike të fuqisë. Dhe për shkak se voltazhi i pragut të transistorit MOS ndryshon shumë me procesin nën procesin CMOS, ai ndikohet lehtësisht nga devijimi i procesit. Prandaj, përdorimi i një diode bashkimi pn për të gjeneruar tensionin e fillimit do të zvogëlojë shumë pasigurinë e procesit, siç tregohet në Fig. 13 .

Kur VDD rritet në tensionin e ndezjes së dy diodave të bashkimit pn, porta e tranzitorit PMOS M0 është e barabartë me tensionin e furnizimit me energji elektrike dhe transistori PMOS fiket. Në këtë kohë, voltazhi në kondensatorin C1 është në një nivel të ulët. Kur VDD ngrihet mbi tensionin e pragut të dy diodave, M0 fillon të përçojë, ndërsa tensioni i portës së M1 mbetet i pandryshuar, rryma që rrjedh nëpër M1 mbetet e pandryshuar dhe tensioni në kondensatorin C1 rritet gradualisht. Kur ngrihet në fazën e kundërt Pasi pajisja rrokulliset, gjenerohet një sinjal nisjeje. Prandaj, koha që ky qark të gjenerojë sinjalin e fillimit varet nga fakti nëse tensioni i furnizimit me energji arrin tensionin e pragut të dy diodave, i cili ka qëndrueshmëri të lartë dhe shmang sinjalin e fillimit të parakohshëm të qarkut të përgjithshëm të fillimit kur tensioni i furnizimit me energji rritet. shumë ngadalë. Problemi.

Nëse tensioni i furnizimit me energji rritet shumë shpejt, kapaciteti i portës së rezistencës R1 dhe M0 përbën një qark vonesë të kalimit të ulët, i cili do të bëjë që tensioni i portës M0 të mos jetë në gjendje të vazhdojë shpejt me ndryshimi i tensionit të furnizimit me energji elektrike dhe mbetet në nivel të ulët. Në këtë kohë M0 do të ngarkojë kondensatorin C1, duke bërë që qarku të mos funksionojë siç duhet. Për të zgjidhur këtë problem, është futur një kondensator C5. Nëse tensioni i furnizimit me energji rritet shpejt, efekti i bashkimit të kondensatorit C5 mund të mbajë potencialin e portës M0 në përputhje me tensionin e furnizimit me energji elektrike, duke shmangur shfaqjen e problemeve të lartpërmendura.

Problemi i statikës. Konsumi i energjisë ende ekziston në këtë qark dhe ndikimi i konsumit statik të energjisë mund të reduktohet duke rritur vlerën e rezistencësdhe zgjedhjen e madhësisë së tubit MOS në mënyrë të arsyeshme. Për të zgjidhur plotësisht problemin e konsumit statik të energjisë, është e nevojshme të hartohet një qark shtesë kontrolli reagimi për të fikur këtë pjesë të qarkut pasi të gjenerohet sinjali i fillimit. Megjithatë, vëmendje e veçantë duhet t'i kushtohet paqëndrueshmërisë së shkaktuar nga futja e reagimeve.

Vështirësia e projektimit të çipave pasivë UHF RFID sillet rreth mënyrës se si të rritet distanca e leximit dhe shkrimit të çipit dhe të zvogëlohet prodhimi kostoja e etiketës. Prandaj, përmirësimi i efikasitetit të qarkut të rikuperimit të energjisë, ulja e konsumit të energjisë së çipit të përgjithshëm dhe puna e besueshme janë ende sfidat kryesore në hartimin e çipave të etiketës RFID.