Thiết kế mạch RF chip phát đáp RFID UHF thụ động

Nhận dạng tần số vô tuyến (tần số vô tuyến idenlificaTINn, RFID) là một công nghệ nhận dạng tự động xuất hiện vào những năm 1990. Công nghệ RFID có nhiều ưu điểm mà công nghệ mã vạch không có và có nhiều ứng dụng, có thể được sử dụng trong quyền công dân thế hệ thứ hai*, thẻ thành phố, giao dịch tài chính, quản lý chuỗi cung ứng, ETC, Kiểm soát truy cập, sân bay Quản lý hành lý, giao thông công cộng, nhận dạng container, quản lý chăn nuôi, v.v. Do đó, việc làm chủ công nghệ sản xuất chip RFID trở nên rất quan trọng. Hiện nay, nhu cầu ứng dụng ngày càng tăng đã đặt ra yêu cầu cao hơn đối với chip RFID, đòi hỏi dung lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, kích thước nhỏ hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Theo tình huống này, bài báo này đề xuất một mạch RF chip phát đáp UHF RFID thụ động ở khoảng cách xa, công suất thấp.

Các tần số hoạt động phổ biến của RFID bao gồm tần số thấp 125kHz, 134,2kHz, tần số cao 13,56 MHz, tần số siêu cao 860-930 MHz, vi sóng 2,45GHz, 5,8GHz, v.v. Do tần số thấp 125kHz, 134,2kHz nên hệ thống tần số cao 13,56 MHz sử dụng cuộn dây làm ăng-ten và áp dụng phương pháp ghép cảm ứng, khoảng cách làm việc tương đối ngắn, thường không quá 1,2m và băng thông bị giới hạn ở vài kilohertz ở Châu Âu và các khu vực khác. Nhưng UHF (860～93Uh1Hz) và vi sóng (2,45GHz, 5,8GHz) có thể cung cấp khoảng cách làm việc dài hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn và kích thước ăng-ten nhỏ hơn, vì vậy nó đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu nóng của RFID.

Chip mạch RF được đề xuất trong bài viết này được loại bỏ bằng cách sử dụng quy trình Chartered 0,35μm 2P4M CMOS hỗ trợ điốt Schottky và Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình có thể xóa bằng điện (EEPROM). Điốt Schottky có điện trở nối tiếp và điện áp chuyển tiếp thấp, đồng thời có thể mang lại hiệu suất chuyển đổi cao khi chuyển đổi năng lượng tín hiệu đầu vào RF nhận được thành nguồn điện DC, do đó giảm mức tiêu thụ điện năng. Khi công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) là 4W (36dBm) và mức tăng ăng-ten là 0dB, chip mạch RF hoạt động ở tần số 915 MHz, khoảng cách đọc lớn hơn 3m và dòng điện hoạt động nhỏ hơn 8μA.

1 cấu trúc mạch RF

Chip phát đáp UHF RF1D, chủ yếu bao gồm mạch tần số vô tuyến, mạch điều khiển logic và EEPROM. Trong số đó, phần mạch tần số vô tuyến có thể được chia thành các mô-đun mạch chính sau: mạch tạo dao động cục bộ và tạo đồng hồ, mạch đặt lại bật nguồn, nguồn tham chiếu điện áp, mạng phù hợp và mạch tán xạ ngược, bộ chỉnh lưu, bộ điều chỉnh điện áp và điều chế biên độ ( AM ) bộ giải điều chế, v.v. Không có thành phần bên ngoài nào ngoại trừ ăng-ten. Phần ăng-ten sử dụng cấu trúc lưỡng cực và được kết hợp với trở kháng đầu vào của bộ chỉnh lưu thông qua mạng kết hợp làm nguồn năng lượng duy nhất cho toàn bộ chip. Mô hình tương đương của nó được thể hiện trong Hình 2. Phần thực của trở kháng của ăng ten lưỡng cực bao gồm Rra và Rloss, trong đó Rra là trở kháng bức xạ của ăng ten lưỡng cực, vốn có của ăng ten lưỡng cực, thường là 73Ω, đại diện cho khả năng phát sóng điện từ của ăng-ten; Rloss Điện trở ohm do kim loại dùng để chế tạo ăng-ten mang lại thường chỉ tạo ra nhiệt. Phần ảo X của trở kháng ăng-ten nói chung là dương, vì ăng-ten thường có cảm ứng với bên ngoài và kích thước của độ tự cảm tương đương này thường phụ thuộc vào cấu trúc liên kết của ăng-ten và vật liệu của chất nền. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn điện của tín hiệu đầu vào RF được ghép nối thành điện áp DC mà chip yêu cầu. Bộ điều chỉnh điện áp sẽ ổn định điện áp DC ở một mức nhất định và giới hạn cường độ của điện áp DC để bảo vệ chip khỏi bị hỏng do điện áp quá cao. Bộ giải điều chế AM được sử dụng để trích xuất tín hiệu dữ liệu tương ứng từ tín hiệu sóng mang nhận được. Mạch tán xạ ngược truyền dữ liệu bộ phát đáp đến bộ dò tín hiệu RFID hoặc đầu đọc thẻ bằng cách thay đổi trở kháng của mạch RF thông qua điện dung thay đổi. Mạch đặt lại bật nguồn được sử dụng để tạo tín hiệu đặt lại của toàn bộ chip. Không giống như bộ phát đáp tần số cao (HF) 13,56 MHz, bộ phát đáp UHF 915 MHz không thể thu được đồng hồ cục bộ bằng cách chia tần số từ sóng mang mà chỉ có thể cung cấp đồng hồ cho phần mạch logic Kỹ thuật số thông qua bộ dao động cục bộ công suất thấp tích hợp . Tất cả các khối mạch này sẽ được giải thích chi tiết từng khối một bên dưới.

2 Thiết kế và phân tích mạch

2.1 Mạch chỉnh lưu và ổn áp

Trong bài báo này, bơm tích điện Dickson gồm điốt Schottky được sử dụng làm mạch chỉnh lưu. Sơ đồ nguyên lý của mạch điện được hiển thị trong Hình 3. Điều này là do điốt Schottky có chuỗi điện áp thấpđiện trở và điện dung tiếp giáp, có thể mang lại hiệu suất chuyển đổi cao khi chuyển đổi năng lượng tín hiệu đầu vào RF nhận được thành nguồn điện DC, từ đó giảm mức tiêu thụ điện năng. Tất cả các điốt Schottky được kết nối với nhau bằng tụ điện poly-poly. Các tụ điện dọc tích điện và lưu trữ năng lượng trong nửa chu kỳ âm của điện áp đầu vào Vin, trong khi các tụ điện bên tích điện và lưu trữ năng lượng trong nửa chu kỳ dương Vin để tạo ra điện áp DC. Điện áp cao, điện áp thu được là:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Trong đó Vp, RF là biên độ của tín hiệu tần số vô tuyến đầu vào, Vf, D là điện áp chuyển tiếp của diode Schottky, n là số tầng của bơm sạc được sử dụng.

Ổn định đầu ra điện áp DC bằng bộ chỉnh lưu ở một mức nhất định và cung cấp điện áp làm việc ổn định cho toàn bộ chip phát đáp để đảm bảo biên độ điện áp DC sẽ không thay đổi do vị trí vật lý của chip phát đáp và tránh những cú sốc chip có thể xảy ra. mòn, để bảo vệ chip phát đáp. Mạch sử dụng cấu trúc Cascnde tự phân cực. Sở dĩ chọn cấu trúc mạch này là vì cấu trúc Cascnde có tác dụng cách ly của ống cổng chung nên có khả năng triệt tiêu dao động điện tốt, từ đó cải thiện tỷ lệ loại bỏ nguồn điện (PSRR). Để đảm bảo sự ổn định cơ bản của dòng điện hai nhánh. Tỷ lệ diện tích của Q1 và Q2 là 1:8. Ngoài ra, không giống như các bộ tiếp sóng HF RFID thông thường, chúng tôi đã sử dụng nguồn tham chiếu điện áp công suất thấp với mạch khởi động điện áp thấp trong thiết kế để giảm mức tiêu thụ điện năng tổng thể của chip.