Passiv UHF RFID-transponderchip RF-kredsløbsdesign

Radiofrekvensidentifikation (radio frequency identificaTInn, RFID) er en automatisk identifikationsteknologi, der opstod i 1990'erne. RFID-teknologien har mange fordele, som stregkodeteknologien ikke har, og har en bred vifte af applikationer, som kan bruges i anden generations statsborgerskab*, bykort, finansielle transaktioner, supply chain management, ETC, Adgangskontrol, lufthavne Bagagehåndtering, offentlig transport, containeridentifikation, husdyrforvaltning osv. Derfor bliver det meget vigtigt at mestre teknologien til fremstilling af RFID-chips. På nuværende tidspunkt har de stigende applikationskrav stillet højere krav til RFID-chips, hvilket kræver større kapacitet, lavere omkostninger, mindre størrelse og højere datahastighed. Ifølge denne situation foreslår dette papir et langdistance, laveffekts passivt UHF RFID-transponderchip RF-kredsløb.

Almindelige driftsfrekvenser for RFID omfatter lavfrekvens 125kHz, 134,2kHz, højfrekvens 13,56MHz, ultrahøjfrekvens 860-930MHz, mikrobølgeovn 2,45GHz, 5,8GHz osv. Fordi lavfrekvente 125kHz højfrekvente 125kHz 125kHz 125kHz systemet. bruger spolen som antenne og anvender metoden til induktiv kobling, arbejdsafstanden er relativt kort, generelt ikke mere end 1,2 m, og båndbredden er begrænset til flere kilohertz i Europa og andre regioner. Men UHF (860～93Uh1Hz) og mikrobølge (2,45GHz, 5,8GHz) kan give længere arbejdsafstand, højere datahastighed og mindre antennestørrelse, så det er blevet et varmt forskningsfelt inden for RFID.

Den RF-kredsløbschip, der foreslås i dette papir, er tape-out ved hjælp af Chartered 0,35μm 2P4M CMOS-proces, der understøtter Schottky-dioder og Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM). Schottky-dioder har lav seriemodstand og fremadspænding og kan give høj konverteringseffektivitet ved konvertering af modtaget RF-indgangssignalenergi til jævnstrømsforsyning og derved reducere strømforbruget. Når den effektive isotropiske udstrålede effekt (EIRP) er 4W (36dBm), og antenneforstærkningen er 0dB, fungerer RF-kredsløbschippen ved 915MHz, læseafstanden er større end 3m, og driftsstrømmen er mindre end 8μA.

1 RF-kredsløbsstruktur

UHF RF1D-transponderchippen, som hovedsageligt omfatter et radiofrekvenskredsløb, et logisk styrekredsløb og en EEPROM. Blandt dem kan radiofrekvenskredsløbsdelen opdeles i følgende hovedkredsløbsmoduler: lokaloscillator- og clockgenereringskredsløb, power-on reset-kredsløb, spændingsreferencekilde, matchende netværk og backscatter-kredsløb, ensretter, spændingsregulator og amplitudemodulation ( AM ) demodulator osv. Der er ingen eksterne komponenter undtagen antennen. Antennedelen antager en dipolstruktur og matches med ensretterens indgangsimpedans gennem et matchende netværk som den eneste energikilde for hele chippen. Dens ækvivalente model er vist i figur 2. Den reelle del af impedansen af dipolantennen består af Rra og Rloss, hvor Rra er strålingsimpedansen af dipolantennen, som er iboende for dipolantennen, generelt 73Ω, som repræsenterer antennens evne til at udstråle elektromagnetiske bølger; Rloss Den ohmske modstand forårsaget af det metal, der bruges til at fremstille antennen, genererer generelt kun varme. Den imaginære del X af antenneimpedansen er generelt positiv, fordi antennen generelt er induktiv til ydersiden, og størrelsen af denne ækvivalente induktans afhænger generelt af antennens topologi og substratets materiale. Ensretteren konverterer effekten af det koblede RF-indgangssignal til den DC-spænding, der kræves af chippen. Spændingsregulatoren stabiliserer DC-spændingen på et vist niveau og begrænser størrelsen af DC-spændingen for at beskytte chippen mod nedbrud på grund af for høj spænding. AM-demodulatoren bruges til at udtrække det tilsvarende datasignal fra det modtagne bæresignal. Backscatter-kredsløbet transmitterer transponderdataene til RFID-interrogatoren eller kortlæseren ved at ændre impedansen af RF-kredsløbet gennem variabel kapacitans. Power-on reset-kredsløbet bruges til at generere nulstillingssignalet for hele chippen. I modsætning til 13,56MHz højfrekvente (HF) transponderen, kan 915MHz UHF transponderen ikke opnå et lokalt ur ved at dividere frekvensen fra bærebølgen, men kan kun levere et ur til den digitale logiske kredsløbsdel gennem en indbygget laveffekt lokal oscillator . Alle disse kredsløbsblokke vil blive forklaret i detaljer en efter en nedenfor.

2 Kredsløbsdesign og -analyse

2.1 Ensretter- og spændingsregulatorkredsløb

I dette papir bruges Dickson-ladepumpen sammensat af Schottky-dioder som ensretterkredsløbet. Det skematiske diagram af kredsløbet er vist i figur 3. Dette skyldes, at Schottky-dioder har lav seriemodstand og junction kapacitans, som kan give høj konverteringseffektivitet ved konvertering af modtaget RF input signal energi til DC strømforsyning og derved reducere strømforbruget. Alle Schottky dioder er forbundet med poly-poly kondensatorer. De lodrette kondensatorer oplader og lagrer energi under den negative halvcyklus af indgangsspændingen Vin, mens de laterale kondensatorer oplader og lagrer energi under den positive halvcyklus af Vin for at generere DC. Højspænding, den resulterende spænding er:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Hvor Vp, RF er amplituden af det indgående radiofrekvenssignal, Vf, D er fremadspændingen af Schottky-dioden, n er antallet af trin i den anvendte ladepumpe.

Stabiliser DC-spændingsudgangen fra ensretteren på et bestemt niveau, og sørg for en stabil arbejdsspænding for hele transponderchippen for at sikre, at DC-spændingsamplituden ikke ændres på grund af transponderchippens fysiske position, og undgå mulige chipchok. slid, for at beskytte transponderchippen. Kredsløbet vedtager en selvforspændt Cascnde-struktur. Grunden til at vælge denne kredsløbsstruktur er, at Cascnde-strukturen har den isolerende effekt af det fælles gaterør, hvilket gør, at den har en god evne til at undertrykke strømudsving og derved forbedre strømforsyningsafvisningsforholdet (PSRR). For at sikre den grundlæggende stabilitet af de to grenstrømme. Arealforholdet mellem Q1 og Q2 er 1:8. Derudover har vi, i modsætning til almindelige HF RFID-transpondere, vedtaget en laveffektspændingsreferencekilde med et lavspændingsopstartskredsløb i designet for at reducere chippens samlede strømforbrug.