Phân tích thiết kế mạch của thẻ RFID thụ động UHF

Do tần số hoạt động cao, khoảng cách đọc-ghi dài, không cần nguồn điện bên ngoài và chi phí sản xuất thấp, Thẻ RFID thụ động UHF đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu chính về RFID và có thể trở thành sản phẩm chủ đạo trong lĩnh vực RFID trong tương lai gần. .

Một thẻ RFID thụ động UHF hoàn chỉnh bao gồm ăng-ten và chip thẻ. Trong số đó, chip thẻ thường bao gồm các phần sau của mạch: mạch phục hồi nguồn, mạch ổn định điện áp nguồn, mạch điều chế tán xạ ngược, mạch giải điều chế, mạch trích xuất/tạo xung nhịp, mạch tạo tín hiệu khởi động, mạch tạo nguồn tham chiếu, bộ điều khiển , ký ức. Năng lượng cần thiết để chip thẻ RFID thụ động hoạt động hoàn toàn được lấy từ năng lượng của sóng điện từ do đầu đọc thẻ tạo ra. Do đó, mạch thu hồi nguồn cần chuyển đổi tín hiệu UHF do ăng-ten thẻ tạo ra thành điện áp DC cần thiết để chip hoạt động. cung cấp năng lượng.

Do môi trường điện từ nơi đặt thẻ RFID rất phức tạp nên công suất của tín hiệu đầu vào có thể thay đổi hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lần. Do đó, để chip hoạt động bình thường ở các cường độ trường khác nhau, phải thiết kế mạch ổn định điện áp nguồn điện đáng tin cậy. . Mạch điều chế và giải điều chế là mạch chính cho giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc thẻ. Hiện nay, hầu hết các thẻ UHF RFID đều sử dụng điều chế ASK. Bộ điều khiển của thẻ RFID là một mạch Kỹ thuật số xử lý các hướng dẫn. Để cho phép mạch kỹ thuật số đặt lại chính xác sau khi thẻ đi vào trường của đầu đọc thẻ, theo hướng dẫn của đầu đọc thẻ, mạch tạo tín hiệu khởi động đáng tin cậy phải được thiết kế để cung cấp tín hiệu đặt lại cho Thiết bị kỹ thuật số.

mạch phục hồi nguồn

Mạch phục hồi nguồn chuyển đổi tín hiệu UHF mà ăng-ten thẻ RFID nhận được thành điện áp DC thông qua quá trình chỉnh lưu và tăng cường để cung cấp năng lượng cho chip hoạt động. Có nhiều cấu hình mạch có thể có cho mạch phục hồi nguồn. Như thể hiện trên hình là một số mạch phục hồi nguồn thường được sử dụng hiện nay.

Trong các mạch thu hồi điện này không có cấu trúc mạch tối ưu và mỗi mạch đều có ưu nhược điểm riêng. Trong các điều kiện tải khác nhau, điều kiện điện áp đầu vào khác nhau, yêu cầu điện áp đầu ra khác nhau và các điều kiện xử lý sẵn có, các mạch khác nhau cần được chọn để đạt được hiệu suất tối ưu. Mạch nhân đôi điện áp diode nhiều giai đoạn được hiển thị trong Hình 2 (a) thường sử dụng điốt rào cản Schottky. Nó có ưu điểm là hiệu suất tăng gấp đôi điện áp cao và biên độ tín hiệu đầu vào nhỏ và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, quy trình CMOS thông thường của xưởng đúc nói chung không cung cấp điốt rào cản Schottky, điều này sẽ gây rắc rối cho người thiết kế trong việc lựa chọn quy trình. Hình 2(b) thay thế diode Schottky bằng ống PMOS được kết nối dưới dạng diode, giúp tránh được các yêu cầu đặc biệt trong quy trình. Mạch nhân đôi điện áp có cấu trúc này cần biên độ tín hiệu đầu vào cao hơn và có hiệu suất nhân đôi điện áp tốt hơn khi điện áp đầu ra cao hơn. Hình 2(c) là mạch chỉnh lưu toàn sóng đi-ốt truyền thống. So với mạch nhân đôi điện áp Dickson, hiệu ứng nhân đôi điện áp tốt hơn, nhưng đưa vào nhiều phần tử diode hơn và hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhìn chung thấp hơn một chút so với mạch nhân đôi điện áp Dickson. Ngoài ra, do đầu vào ăng-ten của nó được tách biệt khỏi mặt đất chip nên nó có cấu trúc đối xứng hoàn toàn với tụ điện chặn DC khi nhìn từ đầu vào ăng-ten đến chip, giúp tránh ảnh hưởng lẫn nhau giữa mặt đất chip và ăng-ten, và phù hợp để sử dụng với các ăng-ten đối xứng (chẳng hạn như ăng-ten cực chẵn) được kết nối. Hình 2(d) là giải pháp ống CMOS của mạch chỉnh lưu toàn sóng được nhiều Tài liệu đề xuất. Trong trường hợp công nghệ hạn chế, có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt hơn và yêu cầu về biên độ tín hiệu đầu vào tương đối thấp.

Trong ứng dụng thẻ RFID UHF thụ động nói chung, do cân nhắc về chi phí, người ta hy vọng rằng mạch chip phù hợp để sản xuất công nghệ CMOS thông thường. Yêu cầu đọc và ghi đường dài đặt ra yêu cầu cao hơn về hiệu suất chuyển đổi nguồn của mạch thu hồi nguồn. Vì lý do này, nhiều nhà thiết kế sử dụng công nghệ CMOS tiêu chuẩn để hiện thực hóa điốt rào cản Schottky, do đó cấu trúc mạch nhân đôi điện áp Dickson nhiều tầng có thể được sử dụng thuận tiện để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hình 3 là sơ đồ cấu trúc của diode Schottky được chế tạo bằng quy trình CMOS thông thường. Trong thiết kế, điốt Schottky có thể được sản xuất mà không cần thay đổi cấu trúc.cần nhiều bước và quy tắc tạo mặt nạ và chỉ cần thực hiện một số sửa đổi về bố cục.

Sơ đồ bố trí một số điốt Schottky được thiết kế theo quy trình UMC 0.18um CMOS. Các đường cong kiểm tra đặc tính DC của chúng được thể hiện trong Hình 5. Từ kết quả kiểm tra các đặc tính DC, có thể thấy rằng diode Schottky được sản xuất theo quy trình CMOS tiêu chuẩn có các đặc tính diode điển hình và điện áp bật chỉ khoảng 0,2V, rất phù hợp với thẻ RFID.

Mạch điều chỉnh nguồn

Khi biên độ tín hiệu đầu vào cao, mạch ổn định điện áp nguồn phải có khả năng đảm bảo rằng điện áp nguồn DC đầu ra không vượt quá điện áp tối đa mà chip có thể chịu được; đồng thời, khi tín hiệu đầu vào nhỏ, công suất tiêu thụ của mạch ổn định điện áp phải càng nhỏ càng tốt. Để giảm tổng mức tiêu thụ điện năng của chip.

Theo quan điểm của nguyên lý điều chỉnh điện áp, cấu trúc của mạch điều chỉnh điện áp có thể được chia thành hai loại: mạch điều chỉnh điện áp song song và mạch điều chỉnh điện áp nối tiếp.

Trong chip thẻ RFID, cần có một tụ điện lưu trữ năng lượng có giá trị điện dung lớn để lưu trữ đủ điện tích cho thẻ nhận tín hiệu điều chế và năng lượng đầu vào vẫn có thể ở thời điểm năng lượng đầu vào nhỏ (chẳng hạn như là thời điểm không có sóng mang trong điều chế OOK). , để duy trì điện áp nguồn của chip. Nếu năng lượng đầu vào quá cao và điện áp nguồn tăng đến một mức nhất định, cảm biến điện áp trong mạch ổn áp sẽ điều khiển nguồn rò rỉ để giải phóng điện tích dư thừa trên tụ điện lưu trữ năng lượng, để đạt được mục đích điện áp ổn định. Hình 7 là một trong những mạch ổn áp song song. Ba điốt nối tiếp D1, D2, D3 và điện trở R1 tạo thành cảm biến điện áp để điều khiển điện áp cổng của bộ xả M1. Khi điện áp nguồn vượt quá tổng điện áp bật của ba điốt, điện áp cổng của M1 tăng lên, M1 được bật và bắt đầu xả tụ điện lưu trữ năng lượng C1.

Nguyên lý của một loại mạch ổn áp khác là sử dụng sơ đồ ổn áp nối tiếp. Sơ đồ của nó được thể hiện trong Hình 8. Nguồn điện áp tham chiếu được thiết kế như một nguồn tham chiếu độc lập với điện áp cung cấp. Điện áp nguồn đầu ra được chia cho điện trở và so sánh với điện áp tham chiếu, đồng thời sự chênh lệch được khuếch đại bởi bộ khuếch đại hoạt động để điều khiển điện thế cổng của ống M1, sao cho điện áp đầu ra và nguồn tham chiếu về cơ bản duy trì ổn định như nhau tình trạng.

Mạch điều chỉnh điện áp nối tiếp này có thể tạo ra điện áp nguồn chính xác hơn, nhưng do ống M1 mắc nối tiếp giữa nguồn điện không điều chỉnh và nguồn điện điều chỉnh nên khi dòng tải lớn, hiện tượng sụt áp trên ống M1 sẽ gây ra hiện tượng sụt áp. một điện áp cao hơn. mất điện. Do đó, cấu trúc mạch này thường được áp dụng cho các mạch gắn thẻ có mức tiêu thụ điện năng ít hơn.

Mạch điều chế và giải điều chế

Một. Mạch giải điều chế

Để giảm diện tích chip và mức tiêu thụ điện năng, hầu hết các thẻ RFID thụ động hiện nay đều áp dụng điều chế ASK. Đối với mạch giải điều chế ASK của chip thẻ, phương pháp giải điều chế thường được sử dụng là phương pháp phát hiện đường bao, như thể hiện trên hình. 9.

Mạch nhân đôi điện áp của phần phát hiện đường bao và phần phục hồi nguồn về cơ bản là giống nhau, nhưng không cần thiết phải cung cấp dòng tải lớn. Nguồn dòng rò được kết nối song song ở giai đoạn cuối của mạch phát hiện đường bao. Khi tín hiệu đầu vào được điều chế, năng lượng đầu vào giảm và nguồn rò rỉ làm giảm điện áp đầu ra đường bao, để mạch so sánh tiếp theo có thể đánh giá tín hiệu điều chế. Do phạm vi biến đổi năng lượng lớn của tín hiệu RF đầu vào, dòng điện của nguồn rò phải được điều chỉnh linh hoạt để thích ứng với sự thay đổi của cường độ trường khác nhau trong trường gần và trường xa. Ví dụ: nếu dòng điện rò rỉ nhỏ, nó có thể đáp ứng nhu cầu của bộ so sánh khi cường độ trường yếu, nhưng khi thẻ ở trường gần với cường độ trường mạnh, dòng rò sẽ không đủ để tạo tín hiệu được phát hiện Nếu có sự thay đổi biên độ lớn, bộ so sánh sau giai đoạn không thể hoạt động bình thường. Để giải quyết vấn đề này, có thể sử dụng cấu trúc nguồn rò rỉ như trong Hình 10.

Khi sóng mang đầu vào không được điều chế, điện thế cổng của ống thoát M1 giống như điện thế thoát, tạo thành ống NMOS kết nối với diode, kẹp đầu ra đường bao gần điện áp ngưỡng của M1. Quần quèđiện năng tiêu thụ trên M1 được cân bằng; khi sóng mang đầu vào được điều chế, năng lượng đầu vào của chip giảm và tại thời điểm này do tác động của mạch trễ R1 và C1, điện thế cổng của M1 vẫn ở mức ban đầu và rò rỉ M1 Dòng điện giải phóng vẫn không thay đổi , làm cho biên độ của tín hiệu đầu ra đường bao giảm nhanh; tương tự, sau khi sóng mang được khôi phục, độ trễ của R1 và C1 khiến đầu ra đường bao nhanh chóng trở về mức cao ban đầu. Sử dụng cấu trúc mạch này và bằng cách chọn kích thước của R1, C1 và M1 một cách hợp lý, có thể đáp ứng nhu cầu giải điều chế dưới các cường độ trường khác nhau. Ngoài ra còn có nhiều tùy chọn cho mạch so sánh được kết nối phía sau đầu ra đường bao và những tùy chọn thường được sử dụng là bộ so sánh trễ và bộ khuếch đại thuật toán.

b. Mạch điều chế

Thẻ RFID UHF thụ động thường áp dụng phương pháp điều chế tán xạ ngược, nghĩa là bằng cách thay đổi trở kháng đầu vào của chip để thay đổi hệ số phản xạ giữa chip và ăng-ten, để đạt được mục đích điều chế. Nói chung, trở kháng của ăng-ten và trở kháng đầu vào của chip được thiết kế sao cho gần với mức công suất khi không được điều chế và hệ số phản xạ được tăng lên khi được điều chế. Phương pháp tán xạ ngược thường được sử dụng là nối song song một tụ điện với một công tắc giữa hai đầu vào của ăng-ten, như trong Hình 11, tín hiệu điều chế xác định xem tụ điện có được kết nối với đầu vào của chip hay không bằng cách điều khiển công tắc , do đó thay đổi trở kháng đầu vào của chip.

mạch tạo tín hiệu khởi động

Chức năng của mạch tạo tín hiệu khởi động lại nguồn trong thẻ RFID là cung cấp tín hiệu đặt lại cho công việc khởi động lại của mạch kỹ thuật số sau khi quá trình phục hồi nguồn hoàn tất. Thiết kế của nó phải xem xét các vấn đề sau: Nếu điện áp nguồn tăng quá lâu, biên độ cao của tín hiệu đặt lại sẽ thấp, không thể đáp ứng nhu cầu đặt lại mạch kỹ thuật số; mạch tạo tín hiệu khởi động nhạy hơn với dao động điện, có thể gây ra trục trặc; mức tiêu thụ điện năng tĩnh phải càng thấp càng tốt.

Thông thường, sau khi thẻ RFID thụ động đi vào hiện trường, thời gian để điện áp nguồn tăng lên là không chắc chắn và có thể rất dài. Điều này đòi hỏi phải thiết kế mạch tạo tín hiệu khởi động để tạo ra tín hiệu khởi động tại thời điểm liên quan đến điện áp nguồn. Hình 12 cho thấy một mạch tạo tín hiệu khởi động chung.

Nguyên lý cơ bản của nó là sử dụng nhánh gồm điện trở R0 và bóng bán dẫn NMOS M1 để tạo ra điện áp Va tương đối cố định. Khi điện áp nguồn vdd vượt quá điện áp ngưỡng của bóng bán dẫn NMOS, điện áp của Va về cơ bản không thay đổi. Khi vdd tiếp tục tăng, khi điện áp nguồn đạt Va+|Vtp| thì Transistor PMOS M0 được bật làm Vb tăng, trước đó Vb đã ở mức thấp do M0 bị cắt. Vấn đề chính với mạch này là sự hiện diện của sự tiêu tán năng lượng tĩnh điện. Và bởi vì điện áp ngưỡng của bóng bán dẫn MOS thay đổi rất nhiều theo quy trình trong quy trình CMOS nên nó dễ bị ảnh hưởng bởi độ lệch quy trình. Do đó, việc sử dụng điốt tiếp giáp pn để tạo ra điện áp khởi động sẽ làm giảm đáng kể độ không đảm bảo của quá trình, như thể hiện trên hình. 13 .

Khi VDD tăng đến điện áp bật của hai điốt tiếp giáp pn, cổng của bóng bán dẫn PMOS M0 bằng với điện áp nguồn và bóng bán dẫn PMOS bị tắt. Lúc này điện áp trên tụ C1 ở mức thấp. Khi VDD tăng lên trên điện áp ngưỡng của hai điốt thì M0 bắt đầu dẫn điện, trong khi điện áp cổng của M1 không đổi, dòng điện chạy qua M1 không đổi và điện áp trên tụ C1 tăng dần. Khi nó chuyển sang pha ngược Sau khi thiết bị lật, tín hiệu khởi động sẽ được tạo ra. Do đó, thời gian để mạch này phát ra tín hiệu khởi động phụ thuộc vào việc điện áp nguồn có đạt đến điện áp ngưỡng của hai điốt hay không, có độ ổn định cao, tránh được tín hiệu khởi động sớm của mạch khởi động chung khi điện áp nguồn tăng cao. quá chậm. Vấn đề.

Nếu điện áp nguồn tăng quá nhanh thì điện dung cổng của điện trở R1 và M0 tạo thành mạch trễ thông thấp, điều này sẽ khiến điện áp cổng M0 không thể nhanh chóng theo kịp sự thay đổi của điện áp nguồn và duy trì ở mức cấp thấp. Lúc này M0 sẽ nạp điện cho tụ C1 khiến mạch hoạt động không chính xác. Để giải quyết vấn đề này người ta đưa ra tụ điện C5. Nếu điện áp nguồn tăng nhanh, tác dụng ghép của tụ C5 có thể giữ cho điện thế cổng của M0 phù hợp với điện áp nguồn, tránh txảy ra các vấn đề nêu trên.

Vấn đề tiêu thụ điện tĩnh vẫn tồn tại trong mạch này và có thể giảm tác động của việc tiêu thụ điện tĩnh bằng cách tăng giá trị điện trở và chọn kích thước của ống MOS một cách hợp lý. Để giải quyết triệt để vấn đề tiêu thụ tĩnh điện, cần thiết kế thêm mạch điều khiển phản hồi để tắt phần mạch này sau khi tạo ra tín hiệu khởi động. Tuy nhiên, cần đặc biệt chú ý đến tính không ổn định do đưa ra phản hồi.

Khó khăn trong thiết kế của chip RFID UHF thụ động xoay quanh việc làm thế nào để tăng khoảng cách đọc và ghi của chip và giảm chi phí sản xuất thẻ. Do đó, việc nâng cao hiệu quả của mạch phục hồi năng lượng, giảm mức tiêu thụ điện năng của toàn bộ chip và hoạt động đáng tin cậy vẫn là những thách thức chính trong việc thiết kế chip thẻ RFID.