Analisis desain sirkuit tag RFID pasif UHF

Karena frekuensi operasinya yang tinggi, jarak baca-tulis yang jauh, tidak ada catu daya eksternal, dan biaya produksi yang rendah, tag RFID pasif UHF telah menjadi salah satu arah utama penelitian RFID dan mungkin menjadi produk utama di bidang RFID dalam waktu dekat. .

Tag RFID pasif UHF lengkap terdiri dari antena dan chip tag. Diantaranya, chip tag umumnya mencakup bagian-bagian rangkaian berikut: rangkaian pemulihan daya, rangkaian stabilisasi tegangan catu daya, rangkaian modulasi hamburan balik, rangkaian demodulasi, rangkaian ekstraksi / pembangkit jam, rangkaian pembangkit sinyal awal, rangkaian pembangkit sumber referensi, unit kendali , Penyimpanan. Energi yang dibutuhkan agar chip tag RFID pasif dapat bekerja seluruhnya berasal dari energi gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh pembaca kartu. Oleh karena itu, rangkaian pemulihan daya perlu mengubah sinyal UHF yang diinduksi oleh antena tag menjadi tegangan DC yang diperlukan agar chip dapat bekerja. menyediakan energi.

Karena lingkungan elektromagnetik di mana tag RFID berada sangat kompleks, kekuatan sinyal input dapat bervariasi ratusan atau bahkan ribuan kali lipat. Oleh karena itu, agar chip dapat bekerja secara normal dalam kekuatan medan yang berbeda, rangkaian stabilisasi tegangan catu daya yang andal harus dirancang. . Rangkaian modulasi dan demodulasi merupakan rangkaian kunci untuk komunikasi antara tag dan pembaca kartu. Saat ini, sebagian besar tag RFID UHF menggunakan modulasi ASK. Unit kontrol tag RFID adalah sirkuit digital yang memproses instruksi. Agar sirkuit digital dapat direset dengan benar setelah tag memasuki bidang pembaca kartu, sebagai respons terhadap instruksi pembaca kartu, sirkuit pembangkit sinyal startup yang andal harus dirancang untuk memberikan sinyal reset untuk unit digital.

sirkuit pemulihan daya

Rangkaian pemulihan daya mengubah sinyal UHF yang diterima oleh antena tag RFID menjadi tegangan DC melalui penyearah dan penguatan untuk menyediakan energi agar chip dapat bekerja. Ada banyak kemungkinan konfigurasi rangkaian untuk rangkaian pemulihan daya. Seperti yang ditunjukkan pada gambar adalah beberapa rangkaian pemulihan daya yang umum digunakan saat ini.

Pada rangkaian pemulihan daya ini, tidak ada struktur rangkaian yang optimal, dan setiap rangkaian memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Di bawah kondisi beban yang berbeda, kondisi tegangan masukan yang berbeda, persyaratan tegangan keluaran yang berbeda, dan kondisi proses yang tersedia, rangkaian yang berbeda perlu dipilih untuk mencapai kinerja optimal. Rangkaian pengganda tegangan dioda multi-tahap yang ditunjukkan pada Gambar 2(a) umumnya menggunakan dioda penghalang Schottky. Ini memiliki keunggulan efisiensi penggandaan tegangan tinggi dan amplitudo sinyal masukan kecil, dan banyak digunakan. Namun, proses CMOS umum pada pengecoran umum tidak menyediakan dioda penghalang Schottky, yang akan menyulitkan perancang dalam pemilihan proses. Gambar 2(b) menggantikan dioda Schottky dengan tabung PMOS yang dihubungkan dalam bentuk dioda, sehingga menghindari persyaratan khusus pada proses tersebut. Rangkaian penggandaan tegangan dengan struktur ini memerlukan amplitudo sinyal masukan yang lebih tinggi, dan memiliki efisiensi penggandaan tegangan yang lebih baik ketika tegangan keluaran lebih tinggi. Gambar 2(c) adalah rangkaian penyearah gelombang penuh dioda tradisional. Dibandingkan dengan rangkaian pengganda tegangan Dickson, efek pengganda tegangan lebih baik, tetapi lebih banyak elemen dioda yang dimasukkan, dan efisiensi konversi daya umumnya sedikit lebih rendah daripada rangkaian pengganda tegangan Dickson. Selain itu, karena terminal masukan antenanya terpisah dari ground chip, strukturnya sepenuhnya simetris dengan kapasitor pemblokiran DC bila dilihat dari terminal input antena ke chip, yang menghindari pengaruh timbal balik antara ground chip dan antena, dan cocok untuk digunakan dengan antena simetris (seperti antena tiang genap) yang terhubung. Gambar 2(d) adalah solusi tabung CMOS dari rangkaian penyearah gelombang penuh yang diusulkan oleh banyak literatur. Dalam hal teknologi terbatas, efisiensi konversi daya yang lebih baik dapat diperoleh, dan persyaratan amplitudo sinyal masukan relatif rendah.

Dalam penerapan tag RFID UHF pasif umum, karena pertimbangan biaya, diharapkan rangkaian chip tersebut cocok untuk pembuatan teknologi CMOS biasa. Persyaratan pembacaan dan penulisan jarak jauh mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi pada efisiensi konversi daya dari rangkaian pemulihan daya. Oleh karena itu, banyak perancang menggunakan teknologi CMOS standar untuk merealisasikan dioda penghalang Schottky, sehingga struktur rangkaian pengganda tegangan Dickson multi-tahap dapat dengan mudah digunakan untuk meningkatkan kinerja konversi daya. Gambar 3 adalah diagram skema struktur dioda Schottky yang diproduksi oleh proses CMOS umum. Dalam desainnya, dioda Schottky dapat diproduksi tanpa mengubah prmelewati langkah-langkah dan aturan pembuatan topeng, dan hanya perlu melakukan beberapa modifikasi pada tata letak.

Tata letak beberapa dioda Schottky dirancang dengan proses CMOS UMC 0,18um. Kurva uji karakteristik DC-nya ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat dari hasil pengujian karakteristik DC bahwa dioda Schottky yang diproduksi dengan proses CMOS standar memiliki karakteristik dioda yang khas, dan tegangan penyalaan hanya sekitar 0,2V, Yang sangat cocok untuk tag RFID.

Rangkaian pengatur daya

Ketika amplitudo sinyal input tinggi, rangkaian stabilisasi tegangan catu daya harus dapat memastikan bahwa tegangan catu daya DC keluaran tidak melebihi tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh chip; pada saat yang sama, ketika sinyal masukan kecil, daya yang dikonsumsi oleh rangkaian stabilisasi tegangan harus sekecil mungkin. Untuk mengurangi total konsumsi daya chip.

Dilihat dari prinsip pengaturan tegangan, struktur rangkaian pengaturan tegangan dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rangkaian pengaturan tegangan paralel dan rangkaian pengaturan tegangan seri.

Pada chip tag RFID, diperlukan kapasitor penyimpan energi dengan nilai kapasitansi yang besar untuk menyimpan muatan yang cukup agar tag dapat menerima sinyal modulasi, dan energi masukan masih dapat berada pada saat energi masukan kecil (seperti sebagai momen ketika tidak ada pembawa dalam modulasi OOK). , untuk menjaga tegangan catu daya chip. Jika energi masukan terlalu tinggi dan tegangan catu daya naik ke tingkat tertentu, sensor tegangan pada rangkaian penstabil tegangan akan mengontrol sumber kebocoran untuk melepaskan kelebihan muatan pada kapasitor penyimpan energi, sehingga mencapai tujuan tegangan. stabilisasi. Gambar 7 merupakan salah satu rangkaian pengatur tegangan paralel. Tiga dioda yang dihubungkan seri D1, D2, D3 dan resistor R1 membentuk sensor tegangan untuk mengontrol tegangan gerbang dari bleeder M1. Ketika tegangan catu daya melebihi jumlah tegangan pengaktifan ketiga dioda, tegangan gerbang M1 naik, M1 dihidupkan, dan mulai melepaskan kapasitor penyimpan energi C1.

Prinsip rangkaian penstabil tegangan jenis lainnya adalah dengan menggunakan skema penstabil tegangan seri. Diagram skematiknya ditunjukkan pada Gambar 8. Sumber tegangan referensi dirancang sebagai sumber referensi yang tidak bergantung pada tegangan suplai. Tegangan keluaran catu daya dibagi dengan resistor dan dibandingkan dengan tegangan referensi, dan selisihnya diperkuat oleh penguat operasional untuk mengontrol potensial gerbang tabung M1, sehingga tegangan keluaran dan sumber referensi pada dasarnya tetap sama. negara.

Rangkaian pengatur tegangan seri ini dapat mengeluarkan tegangan catu daya yang lebih akurat, namun karena tabung M1 dihubungkan secara seri antara catu daya yang tidak diatur dan catu daya yang diatur, maka ketika arus beban besar maka akan menyebabkan jatuh tegangan pada tabung M1. tegangan yang lebih tinggi. kehilangan daya. Oleh karena itu, struktur rangkaian ini umumnya diterapkan pada rangkaian tag dengan konsumsi daya yang lebih sedikit.

Rangkaian modulasi dan demodulasi

A. Sirkuit demodulasi

Demi mengurangi area chip dan konsumsi daya, sebagian besar tag RFID pasif saat ini mengadopsi modulasi ASK. Untuk rangkaian demodulasi ASK pada chip tag, metode demodulasi yang umum digunakan adalah metode deteksi amplop, seperti ditunjukkan pada Gambar. 9.

Rangkaian pengganda tegangan pada bagian deteksi selubung dan bagian pemulihan daya pada dasarnya sama, tetapi tidak perlu menyediakan arus beban yang besar. Sumber arus bocor dihubungkan secara paralel pada tahap akhir rangkaian deteksi selubung. Ketika sinyal masukan dimodulasi, energi masukan berkurang, dan sumber kebocoran mengurangi tegangan keluaran selubung, sehingga rangkaian pembanding selanjutnya dapat menilai sinyal modulasi. Karena banyaknya variasi energi dari sinyal RF masukan, arus sumber kebocoran harus disesuaikan secara dinamis untuk beradaptasi dengan perubahan kekuatan medan yang berbeda di medan dekat dan medan jauh. Misalnya, jika arus catu daya bocor kecil, maka dapat memenuhi kebutuhan komparator ketika kuat medan lemah, tetapi bila tag berada di medan dekat dengan kuat medan kuat, arus bocor tidak akan cukup. untuk membuat sinyal terdeteksi Jika terjadi perubahan amplitudo yang besar, komparator pasca tahap tidak dapat bekerja secara normal. Untuk mengatasi masalah ini, struktur sumber kebocoran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 dapat diadopsi.

Ketika pembawa masukan tidak dimodulasi, potensial gerbang tabung pemeras M1 sama dengan potensial pengurasan, membentuk tabung NMOS yang terhubung dioda, yang menjepit keluaran selubung di dekat tegangan ambang batas M1. The daya yang dikonsumsi pada M1 seimbang; ketika pembawa masukan dimodulasi, energi masukan chip berkurang, dan pada saat ini karena aksi rangkaian penundaan R1 dan C1, potensi gerbang M1 tetap pada tingkat semula, dan kebocoran M1 Arus yang dilepaskan tetap tidak berubah. , yang membuat amplitudo sinyal keluaran amplop berkurang dengan cepat; demikian pula, setelah pembawa dipulihkan, penundaan R1 dan C1 membuat keluaran amplop dengan cepat kembali ke tingkat tinggi semula. Dengan menggunakan struktur sirkuit ini, dan dengan memilih ukuran R1, C1 dan M1 secara wajar, kebutuhan demodulasi pada kekuatan medan yang berbeda dapat dipenuhi. Ada juga banyak pilihan untuk rangkaian komparator yang dihubungkan di belakang output envelope, dan yang umum digunakan adalah komparator histeresis dan penguat operasional.

B. Sirkuit modulasi

Tag RFID UHF pasif umumnya mengadopsi metode modulasi hamburan balik, yaitu dengan mengubah impedansi masukan chip untuk mengubah koefisien refleksi antara chip dan antena, sehingga mencapai tujuan modulasi. Secara umum, impedansi antena dan impedansi masukan chip dirancang sedemikian rupa sehingga mendekati kecocokan daya ketika tidak dimodulasi, dan koefisien refleksi ditingkatkan ketika dimodulasi. Metode hamburan balik yang umum digunakan adalah dengan menghubungkan kapasitor dengan saklar secara paralel antara dua ujung masukan antena, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, sinyal modulasi menentukan apakah kapasitor dihubungkan ke ujung masukan chip dengan mengendalikan saklar , sehingga mengubah impedansi masukan chip.

rangkaian pembangkitan sinyal start

Fungsi rangkaian pembangkit sinyal reset daya pada tag RFID adalah untuk memberikan sinyal reset untuk memulai kerja rangkaian digital setelah pemulihan daya selesai. Desainnya harus mempertimbangkan hal-hal berikut: Jika tegangan catu daya naik terlalu lama, amplitudo sinyal reset tingkat tinggi akan rendah, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan reset sirkuit digital; sirkuit pembangkit sinyal start-up lebih sensitif terhadap fluktuasi daya, dapat menyebabkan kegagalan fungsi; konsumsi daya statis harus serendah mungkin.

Biasanya, setelah tag RFID pasif memasuki lapangan, waktu kenaikan tegangan catu daya tidak pasti dan mungkin sangat lama. Untuk itu diperlukan perancangan rangkaian pembangkit sinyal startup untuk menghasilkan sinyal startup pada saat yang berhubungan dengan tegangan suplai listrik. Gambar 12 menunjukkan rangkaian pembangkitan sinyal startup yang umum.

Prinsip dasarnya adalah menggunakan cabang yang terdiri dari resistor R0 dan transistor NMOS M1 untuk menghasilkan tegangan Va yang relatif tetap. Ketika tegangan catu daya vdd melebihi tegangan ambang transistor NMOS, tegangan Va pada dasarnya tetap tidak berubah. Ketika vdd terus naik, ketika tegangan catu daya mencapai Va+|Vtp|, transistor PMOS M0 dihidupkan sehingga membuat Vb naik, dan sebelumnya Vb berada pada level rendah karena M0 terputus. Masalah utama pada rangkaian ini adalah adanya disipasi daya statis. Dan karena tegangan ambang transistor MOS sangat bervariasi dengan proses di bawah proses CMOS, maka mudah dipengaruhi oleh penyimpangan proses. Oleh karena itu, penggunaan dioda sambungan pn untuk menghasilkan tegangan start-up akan sangat mengurangi ketidakpastian proses, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13.

Ketika VDD naik ke tegangan penyalaan dua dioda sambungan pn, gerbang transistor PMOS M0 sama dengan tegangan catu daya, dan transistor PMOS dimatikan. Pada saat ini, tegangan pada kapasitor C1 berada pada level rendah. Ketika VDD naik melebihi tegangan ambang dua dioda, M0 mulai bekerja, sedangkan tegangan gerbang M1 tetap tidak berubah, arus yang mengalir melalui M1 tetap tidak berubah, dan tegangan pada kapasitor C1 secara bertahap meningkat. Ketika naik ke fase mundur Setelah perangkat terbalik, sinyal start dihasilkan. Oleh karena itu, waktu bagi rangkaian ini untuk menghasilkan sinyal start bergantung pada apakah tegangan catu daya mencapai tegangan ambang batas kedua dioda, yang memiliki stabilitas tinggi, dan menghindari sinyal start prematur dari rangkaian start umum ketika tegangan catu daya naik. terlalu lambat. Masalah.

Jika tegangan catu daya naik terlalu cepat, kapasitansi gerbang resistor R1 dan M0 membentuk rangkaian penundaan low-pass, yang akan membuat tegangan gerbang M0 tidak dapat dengan cepat mengikuti perubahan tegangan catu daya dan tetap pada tingkat yang sama. level rendah. Pada saat ini M0 akan mengisi kapasitor C1 sehingga menyebabkan rangkaian tidak bekerja dengan benar. Untuk mengatasi masalah ini, kapasitor C5 diperkenalkan. Jika tegangan catu daya naik dengan cepat, efek kopling kapasitor C5 dapat menjaga potensial gerbang M0 tetap konsisten dengan tegangan catu daya, menghindari tterjadinya permasalahan-permasalahan tersebut di atas.

Masalah konsumsi daya statis masih ada di rangkaian ini, dan dampak konsumsi daya statis dapat dikurangi dengan meningkatkan nilai resistansi dan memilih ukuran tabung MOS secara wajar. Untuk sepenuhnya menyelesaikan masalah konsumsi daya statis, perlu dirancang rangkaian kontrol umpan balik tambahan untuk mematikan bagian rangkaian ini setelah sinyal start dihasilkan. Namun, perhatian khusus perlu diberikan pada ketidakstabilan yang disebabkan oleh adanya umpan balik.

Kesulitan desain chip RFID UHF pasif berkisar pada bagaimana meningkatkan jarak baca dan tulis chip serta mengurangi biaya produksi tag. Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi rangkaian pemulihan daya, mengurangi konsumsi daya keseluruhan chip, dan bekerja dengan andal masih menjadi tantangan utama dalam desain chip tag RFID.