UHF passiivsete RFID-siltide vooluringi disaini analüüs

Tänu oma kõrgele töösagedusele, pikale lugemis- ja kirjutamiskaugusele, välise toiteallika puudumisele ja madalatele tootmiskuludele on UHF-i passiivsetest RFID-sildidest saanud üks RFID-uuringute põhisuundi ning need võivad lähitulevikus saada RFID-valdkonnas tavatoodeteks.

Täielik UHF-i passiivne RFID-silt koosneb antennist ja sildikiibist. Nende hulgas sisaldab sildikiip üldiselt järgmisi vooluringi osi: toite taastamise vooluring, toitepinge stabiliseerimisvooluring, tagasihajumise modulatsiooni vooluring, demodulatsiooni vooluring, kella ekstraheerimise/genereerimise vooluring, käivitussignaali genereerimise vooluring, võrdlusallika genereerimise vooluring, juhtseade, mälu. Passiivse RFID-sildikiibi tööks vajalik energia pärineb täielikult kaardilugeja tekitatud elektromagnetlaine energiast. Seetõttu peab toite taastamise vooluring teisendama sildi antenni poolt indutseeritud UHF-signaali kiibi tööks vajalikuks alalispingeks ja energiat pakkuma.

Kuna elektromagnetiline keskkond, milles RFID-sildid asuvad, on väga keeruline, võib sisendsignaali võimsus varieeruda sadu või isegi tuhandeid kordi. Seega, et kiip töötaks normaalselt erinevates väljatugevustes, tuleb konstrueerida usaldusväärne toitepinge stabiliseerimisahel. Modulatsiooni- ja demodulatsiooniahel on võtmeahel sildi ja kaardilugeja vaheliseks kommunikatsiooniks. Praegu kasutab enamik UHF RFID-silte ASK-modulatsiooni. RFID-sildi juhtseade on digitaalne vooluring, mis töötleb juhiseid. Selleks, et digitaalne vooluring saaks pärast sildi sisenemist kaardilugeja välja kaardilugeja juhiste järgi õigesti lähtestada, tuleb konstrueerida usaldusväärne käivitussignaali genereerimise vooluring, mis annab digitaalseadmele lähtestamissignaali.

toite taastamisahel

Toite taastamisahel teisendab RFID-sildi antenni poolt vastuvõetud UHF-signaali alaldamise ja võimendamise teel alalispingeks, et anda kiibile energiat tööks. Toite taastamisahelate jaoks on palju võimalikke vooluringi konfiguratsioone. Nagu joonisel näidatud, on mitu praegu tavaliselt kasutatavat toite taastamisahelat.

Nendes võimsuse taastamise vooluringides puudub optimaalne vooluringi struktuur ja igal vooluringil on oma eelised ja puudused. Erinevate koormustingimuste, erinevate sisendpinge tingimuste, erinevate väljundpinge nõuete ja saadaolevate protsessitingimuste korral tuleb optimaalse jõudluse saavutamiseks valida erinevad vooluringid. Joonisel 2(a) kujutatud mitmeastmeline dioodpinge kahekordistaja vooluring kasutab üldiselt Schottky tõkkedioode. Selle eelised on kõrge pinge kahekordistamise efektiivsus ja väike sisendsignaali amplituud ning seda kasutatakse laialdaselt. Üldkasutatav CMOS-protsess aga ei paku Schottky tõkkedioode, mis tekitab projekteerijale protsessi valimisel raskusi. Joonisel 2(b) on Schottky diood asendatud dioodi kujul ühendatud PMOS-toruga, mis väldib protsessile esitatavaid erinõudeid. Selle struktuuriga pinge kahekordistamise vooluring vajab suuremat sisendsignaali amplituudi ja sellel on parem pinge kahekordistamise efektiivsus, kui väljundpinge on kõrgem. Joonisel 2(c) on kujutatud traditsiooniline diood-täislaine alaldi vooluring. Võrreldes Dicksoni pingekahekordistaja vooluringiga on pingekahekordistaja efekt parem, kuid selles on rohkem dioodelemente ning võimsusmuundamise efektiivsus on üldiselt veidi madalam kui Dicksoni pingekahekordistaja vooluringil. Lisaks, kuna selle antenni sisendklemm on kiibi maandusest eraldatud, on see antenni sisendklemmist kiibile vaadatuna täielikult sümmeetriline struktuur, millel on kondensaatoriga alalisvoolu blokeerimine, mis väldib kiibi maanduse ja antenni vastastikust mõju ning sobib kasutamiseks sümmeetriliste antennide (näiteks paarisantennide) ühendamisel. Joonis 2(d) on paljudes kirjandustes pakutud täislaine alaldi vooluringi CMOS-toru lahendus. Piiratud tehnoloogia korral on võimalik saavutada parem võimsusmuundamise efektiivsus ja sisendsignaali amplituudi nõuded on suhteliselt madalad. Üldiste passiivsete UHF RFID-siltide rakendamisel loodetakse kulukaalutlustel, et kiibiahel sobib tavalise CMOS-tehnoloogia tootmiseks. Pikamaa lugemise ja kirjutamise nõue seab võimsuse taastamise vooluringi võimsusmuundamise efektiivsusele kõrgemad nõuded. Sel põhjusel kasutavad paljud disainerid Schottky tõkkedioodide realiseerimiseks standardset CMOS-tehnoloogiat, et mitmeastmelise Dicksoni pinge kahekordistaja vooluahela struktuuri saaks mugavalt kasutada võimsusmuundamise jõudluse parandamiseks. Joonis 3 on tavalise CMOS-protsessi abil toodetud Schottky dioodi struktuuri skemaatiline diagramm. Selle konstruktsiooni kohaselt saab Schottky dioode toota ilma printimist muutmata.protsessietapid ja maski genereerimise reeglid ning vaja on teha vaid mõningaid muudatusi paigutuses.

Mitme UMC 0,18 μm CMOS-protsessi abil konstrueeritud Schottky dioodi paigutus. Nende alalisvoolu karakteristikute testikõverad on näidatud joonisel 5. Alalisvoolu karakteristikute testi tulemustest on näha, et standardse CMOS-protsessi abil toodetud Schottky dioodil on tüüpilised dioodi karakteristikud ja sisselülituspinge on vaid umbes 0,2 V, mis sobib väga hästi RFID-siltide jaoks.

Võimsusregulaatori vooluring

Kui sisendsignaali amplituud on kõrge, peab toitepinge stabiliseerimisahel suutma tagada, et väljund-alalisvoolu toitepinge ei ületaks kiibi maksimaalset talutavat pinget; samal ajal, kui sisendsignaal on väike, peaks pinge stabiliseerimisahela tarbitav võimsus olema võimalikult väike. See vähendab kiibi koguenergiatarvet.

Pinge reguleerimise põhimõtte seisukohast saab pinge reguleerimise ahela struktuuri jagada kahte tüüpi: paralleelne pinge reguleerimise ahel ja järjestikku pinge reguleerimise ahel.

RFID-märgise kiibis on vaja suure mahtuvusega energia salvestamise kondensaatorit, et salvestada piisavalt laengut, et märgis saaks vastu võtta modulatsioonisignaali, ja sisendenergia oleks endiselt olemas ka siis, kui sisendenergia on väike (näiteks hetkel, kui OOK-modulatsioonis puudub kandepinge), et säilitada kiibi toitepinge. Kui sisendenergia on liiga kõrge ja toitepinge tõuseb teatud tasemeni, juhib pinge stabiliseerimisahela pingeandur lekkeallikat, et vabastada energia salvestamise kondensaatorilt liigne laeng, saavutades pinge stabiliseerimise eesmärgi. Joonis 7 on üks paralleelsetest pinge regulaatori ahelatest. Kolm järjestikku ühendatud dioodi D1, D2, D3 ja takisti R1 moodustavad pingeanduri, mis juhib väljalaskeava M1 värava pinget. Kui toitepinge ületab kolme dioodi sisselülituspingete summa, tõuseb M1 värava pinge, M1 lülitub sisse ja hakkab energiat salvestavat kondensaatorit C1 tühjendama. Teist tüüpi pinge stabiliseerimisahela põhimõte on kasutada järjestikku pinge stabiliseerimisskeemi. Selle skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 8. Võrdluspinge allikas on konstrueeritud toitepingest sõltumatu võrdlusallikana. Väljundtoitepinge jagatakse takistiga ja võrreldakse võrdluspingega ning vahet võimendab operatsioonvõimendi, et juhtida M1 lambi värava potentsiaali, nii et väljundpinge ja võrdlusallikas säilitavad põhimõtteliselt sama stabiilse oleku. See järjestikku pinge regulaatori ahel suudab väljastada täpsema toitepinge, kuid kuna M1 lamp on ühendatud järjestikku reguleerimata toiteallika ja reguleeritud toiteallika vahele, põhjustab pingelang M1 lambi suure koormusvoolu korral suurema pinge ja võimsuskao. Seetõttu rakendatakse seda vooluahela struktuuri üldiselt väiksema energiatarbega lülitiahelates.

Modulatsiooni- ja demodulatsiooniahel

a. Demodulatsiooniahel

Kiibi pindala ja energiatarbimise vähendamiseks kasutab enamik passiivseid RFID-silte praegu ASK-modulatsiooni. Sildikiibi ASK-demodulatsiooniahela puhul on tavaliselt kasutatav demodulatsioonimeetod ümbriku tuvastamise meetod, nagu on näidatud joonisel 9.

Ümbriku tuvastamise osa ja võimsuse taastamise osa pinge kahekordistav ahel on põhimõtteliselt sama, kuid pole vaja tagada suurt koormusvoolu. Ümbriku tuvastamise ahela viimases etapis on lekkevooluallikas ühendatud paralleelselt. Sisendsignaali moduleerimisel väheneb sisendenergia ja lekkeallikas vähendab ümbriku väljundpinget, nii et järgnev võrdlusahel saab hinnata modulatsioonisignaali. Sisend-RF-signaali suure energiavariatsioonivahemiku tõttu tuleb lekkeallika voolu dünaamiliselt reguleerida, et see kohanduks erinevate väljatugevuste muutustega lähi- ja kaugväljas. Näiteks kui lekkeallika vool on väike, suudab see rahuldada võrdlusanduri vajadusi nõrga väljatugevuse korral, kuid kui silt asub tugeva väljatugevusega lähiväljas, ei ole lekkevool piisav tuvastatud signaali tekitamiseks. Suure amplituudimuutuse korral ei saa järelastme võrdlusandur normaalselt töötada. Selle probleemi lahendamiseks saab kasutada joonisel 10 näidatud lekkeallika struktuuri. Kui sisendkandja ei ole moduleeritud, on väljalasketoru M1 paisupotentsiaal sama, mis neelupotentsiaal, moodustades dioodiga ühendatud NMOS-toru, mis kinnitab mähise väljundi M1 lävipinge lähedale.M1 tarbitav energia on tasakaalustatud; sisendkandja moduleerimisel väheneb kiibi sisendenergia ja sel ajal jääb viivitusahelate R1 ja C1 toimel M1 väravapotentsiaal algsele tasemele ning M1 lekib. Vabanev vool jääb muutumatuks, mistõttu mähisjoone väljundsignaali amplituud väheneb kiiresti; sarnaselt, pärast kandesageduse taastumist põhjustab R1 ja C1 viivitus mähisjoone väljundi kiire naasmise algsele kõrgele tasemele. Selle vooluahela struktuuri abil ja R1, C1 ja M1 suuruse mõistliku valikuga saab rahuldada demoduleerimisvajadusi erinevate väljatugevuste korral. Mähisjoone väljundi taha ühendatava võrdlusahela jaoks on palju võimalusi ning kõige sagedamini kasutatavad on hüstereesi võrdlusahel ja operatsioonvõimendi. b. Modulatsiooniahel Passiivsed UHF RFID-sildid kasutavad üldiselt tagasihajumise modulatsioonimeetodit, st kiibi sisendtakistuse muutmisega muudetakse peegeldustegurit kiibi ja antenni vahel, et saavutada modulatsiooni eesmärk. Üldiselt on antenni impedants ja kiibi sisendimpedants konstrueeritud nii, et see oleks moduleerimata olekus võimsusele lähedane ja moduleerimisel peegeldustegur suureneb. Levinud tagasihajumise meetodiks on kondensaatori ühendamine lülitiga paralleelselt antenni kahe sisendotsa vahel, nagu on näidatud joonisel 11. Modulatsioonisignaal määrab lüliti juhtimise abil, kas kondensaator on kiibi sisendotsaga ühendatud, muutes seega kiibi sisendimpedantsi.

Käivitussignaali genereerimise ahel

RFID-sildi toite käivitamise lähtestussignaali genereerimise ahel annab lähtestussignaali digitaalahela käivitamiseks pärast toite taastumist. Selle konstruktsioonis tuleb arvestada järgmiste probleemidega: kui toitepinge tõuseb liiga kaua, on lähtestussignaali kõrge amplituud madal, mis ei suuda rahuldada digitaalahela lähtestamise vajadusi; käivitussignaali genereerimise ahel on toite kõikumiste suhtes tundlikum, mis võib põhjustada rikkeid; Staatiline energiatarve peab olema võimalikult väike.

Tavaliselt on pärast passiivse RFID-märgise sisenemist väljale toitepinge tõusuaeg ebakindel ja võib olla väga pikk. See nõuab käivitussignaali genereerimise vooluringi projekteerimist nii, et see genereeriks käivitussignaali toitepingega seotud hetkel. Joonis 12 näitab tavalist käivitussignaali genereerimise vooluringi.

Selle põhiprintsiip on kasutada takistist R0 ja NMOS-transistorist M1 koosnevat haru suhteliselt fikseeritud pinge Va genereerimiseks. Kui toitepinge vdd ületab NMOS-transistori lävipinge, jääb Va pinge põhimõtteliselt muutumatuks. Kui vdd jätkab tõusu ja toitepinge jõuab Va+|Vtp|-ni, lülitatakse PMOS-transistor M0 sisse, et Vb tõuseks, ja enne seda oli Vb madal, kuna M0 on välja lülitatud. Selle vooluringi peamine probleem on staatilise võimsuse hajumine. Ja kuna MOS-transistori lävipinge varieerub CMOS-protsessi käigus oluliselt, mõjutab protsessi kõrvalekalle seda kergesti. Seetõttu vähendab pn-siirde dioodi kasutamine käivituspinge genereerimiseks oluliselt protsessi ebakindlust, nagu on näidatud joonisel 13.

Kui VDD tõuseb kahe pn-siirde dioodi sisselülituspingeni, on PMOS-transistori M0 värav võrdne toitepingega ja PMOS-transistor lülitub välja. Sel ajal on kondensaatori C1 pinge madal. Kui VDD tõuseb üle kahe dioodi lävipinge, hakkab M0 juhtima, samal ajal kui M1 värav jääb muutumatuks, läbi M1 voolav vool jääb muutumatuks ja kondensaatori C1 pinge suureneb järk-järgult. Kui see tõuseb pöördfaasi, genereeritakse pärast seadme ümberlülitumist käivitussignaal. Seega sõltub selle vooluringi käivitussignaali genereerimise aeg sellest, kas toitepinge jõuab kahe dioodi lävipingeni, millel on kõrge stabiilsus ja mis väldib üldise käivitusahela enneaegset käivitussignaali, kui toitepinge tõuseb liiga aeglaselt. Probleem.

Kui toitepinge tõuseb liiga kiiresti, moodustavad takisti R1 ja M0 värava mahtuvus madalpääsviivitusahela, mis muudab M0 värava pinge võimetuks toitepinge muutustega kiiresti sammu pidama ja jääb madalale tasemele. Sel ajal laeb M0 kondensaatorit C1, mis põhjustab vooluringi talitlushäireid. Selle probleemi lahendamiseks on sisse viidud kondensaator C5. Kui toitepinge tõuseb kiiresti, saab kondensaatori C5 sidestusefekt hoida M0 värava potentsiaali toitepingega kooskõlas, vältides tülalmainitud probleemide esinemine.

Staatilise energiatarbimise probleem on selles vooluringis endiselt olemas ja staatilise energiatarbimise mõju saab vähendada takistuse väärtuse suurendamise ja MOS-toru suuruse mõistliku valiku abil. Staatilise energiatarbimise probleemi täielikuks lahendamiseks on vaja konstrueerida täiendav tagasiside juhtimisahel, mis lülitab selle vooluringi osa välja pärast käivitussignaali genereerimist. Siiski tuleb pöörata erilist tähelepanu tagasiside sisseviimisest tingitud ebastabiilsusele.

Passiivsete UHF RFID-kiipide disaini raskus seisneb selles, kuidas suurendada kiibi lugemis- ja kirjutamiskaugust ning vähendada sildi tootmiskulusid. Seetõttu on RFID-siltide kiipide disaini peamised väljakutsed endiselt energiataasteahela efektiivsuse parandamine, kogu kiibi energiatarbimise vähendamine ja töökindluse tagamine.