การออกแบบวงจร RF ชิปช่องสัญญาณ UHF RFID แบบพาสซีฟ

การระบุความถี่วิทยุ (การระบุความถี่วิทยุ, RFID) เป็นเทคโนโลยีการระบุอัตโนมัติที่เกิดขึ้นในทศวรรษ 1990 เทคโนโลยี RFID มีข้อดีหลายประการที่เทคโนโลยีบาร์โค้ดไม่มี และมีการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการเป็นพลเมืองรุ่นที่สอง* บัตรเมือง ธุรกรรมทางการเงิน การจัดการห่วงโซ่อุปทาน ETC การควบคุมการเข้าถึง สนามบิน การจัดการสัมภาระ การขนส่งสาธารณะ การระบุตู้คอนเทนเนอร์ การจัดการปศุสัตว์ ฯลฯ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญมากที่จะต้องเชี่ยวชาญเทคโนโลยีการผลิตชิป RFID ในปัจจุบัน ความต้องการใช้งานที่เพิ่มขึ้นทำให้ความต้องการชิป RFID สูงขึ้น โดยต้องการความจุที่มากขึ้น ต้นทุนที่ต่ำกว่า ขนาดที่เล็กลง และอัตราข้อมูลที่สูงขึ้น ตามสถานการณ์นี้ บทความนี้เสนอวงจร RF ชิปรับส่งสัญญาณ UHF RFID พาสซีฟระยะไกลที่ใช้พลังงานต่ำ

ความถี่ปฏิบัติการทั่วไปของ RFID ได้แก่ ความถี่ต่ำ 125kHz, 134.2kHz, ความถี่สูง 13.56MHz, ความถี่สูงพิเศษ 860-930MHz, ไมโครเวฟ 2.45GHz, 5.8GHz เป็นต้น เนื่องจากความถี่ต่ำ 125kHz, 134.2kHz ระบบความถี่สูง 13.56MHz ใช้ขดลวดเป็นเสาอากาศ และใช้วิธีการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ ระยะการทำงานค่อนข้างสั้น โดยทั่วไปไม่เกิน 1.2 เมตร และแบนด์วิดท์ถูกจำกัดไว้ที่หลายกิโลเฮิร์ตซ์ในยุโรปและภูมิภาคอื่นๆ แต่ UHF (860~93Uh1Hz) และไมโครเวฟ (2.45GHz, 5.8GHz) สามารถให้ระยะการทำงานที่ยาวขึ้น อัตราข้อมูลที่สูงขึ้น และขนาดเสาอากาศที่เล็กลง ดังนั้นจึงกลายเป็นสาขาการวิจัยที่ร้อนแรงของ RFID

ชิปวงจร RF ที่เสนอในบทความนี้เป็นแบบเทปออกโดยใช้กระบวนการ Chartered 0.35μm 2P4M CMOS ที่รองรับไดโอด Schottky และหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ตั้งโปรแกรมได้แบบลบได้ด้วยระบบไฟฟ้า (EEPROM) ไดโอดชอตกีมีความต้านทานอนุกรมต่ำและแรงดันไปข้างหน้า และสามารถให้ประสิทธิภาพการแปลงสูงเมื่อแปลงพลังงานสัญญาณอินพุต RF ที่ได้รับเป็นแหล่งจ่ายไฟ DC ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงาน เมื่อกำลังแผ่รังสีไอโซโทรปิกที่มีประสิทธิภาพ (EIRP) คือ 4W (36dBm) และอัตราขยายของเสาอากาศเป็น 0dB ชิปวงจร RF จะทำงานที่ 915MHz ระยะการอ่านมากกว่า 3 ม. และกระแสไฟในการทำงานน้อยกว่า 8μA

1 โครงสร้างวงจร RF

ชิปช่องสัญญาณ UHF RF1D ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยวงจรความถี่วิทยุ วงจรควบคุมลอจิก และ EEPROM ในหมู่พวกเขาส่วนวงจรความถี่วิทยุสามารถแบ่งออกเป็นโมดูลวงจรหลักดังต่อไปนี้: ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นและวงจรการสร้างนาฬิกา, วงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่อง, แหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า, เครือข่ายที่ตรงกันและวงจรสะท้อนกลับ, วงจรเรียงกระแส, ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและการมอดูเลตแอมพลิจูด (AM ) ดีโมดูเลเตอร์ ฯลฯ ไม่มีส่วนประกอบภายนอกยกเว้นเสาอากาศ ส่วนเสาอากาศใช้โครงสร้างไดโพลและจับคู่กับอิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรเรียงกระแสผ่านเครือข่ายที่ตรงกันเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวสำหรับชิปทั้งหมด แบบจำลองที่เทียบเท่ากันแสดงในรูปที่ 2 ส่วนที่แท้จริงของอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศไดโพลประกอบด้วย Rra และ Rloss โดยที่ Rra คืออิมพีแดนซ์การแผ่รังสีของเสาอากาศไดโพลซึ่งมีอยู่ในเสาอากาศไดโพล โดยทั่วไปคือ 73Ω ซึ่งแสดงถึง ความสามารถของเสาอากาศในการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Rloss ความต้านทานโอห์มมิกที่เกิดจากโลหะที่ใช้ทำเสาอากาศโดยทั่วไปจะสร้างความร้อนเท่านั้น โดยทั่วไปแล้วส่วนจินตภาพ X ของอิมพีแดนซ์เสาอากาศจะเป็นค่าบวก เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วเสาอากาศจะเป็นอุปนัยไปยังภายนอก และขนาดของความเหนี่ยวนำที่เท่ากันนี้โดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของเสาอากาศและวัสดุของซับสเตรต วงจรเรียงกระแสจะแปลงกำลังของสัญญาณอินพุต RF คู่ควบเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ชิปต้องการ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะรักษาแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้คงที่ในระดับหนึ่ง และจำกัดขนาดของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อป้องกันชิปไม่ให้เสียหายเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไป AM demodulator ใช้เพื่อแยกสัญญาณข้อมูลที่เกี่ยวข้องจากสัญญาณพาหะที่ได้รับ วงจรกระจายกลับจะส่งข้อมูลช่องสัญญาณไปยังเครื่องสอบสวน RFID หรือเครื่องอ่านการ์ดโดยการเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของวงจร RF ผ่านความจุแบบแปรผัน วงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่องใช้เพื่อสร้างสัญญาณรีเซ็ตของชิปทั้งหมด ต่างจากทรานสปอนเดอร์ความถี่สูง (HF) 13.56MHz ทรานสปอนเดอร์ UHF 915MHz ไม่สามารถรับนาฬิกาท้องถิ่นโดยการแบ่งความถี่จากคลื่นพาหะ แต่สามารถจัดหานาฬิกาสำหรับส่วนวงจรลอจิกดิจิทัลผ่านออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นพลังงานต่ำในตัวเท่านั้น . บล็อกวงจรทั้งหมดเหล่านี้จะอธิบายโดยละเอียดทีละรายการด้านล่าง

2 การออกแบบและวิเคราะห์วงจร

2.1 วงจรเรียงกระแสและวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ในบทความนี้ จะใช้ปั๊มชาร์จ Dickson ที่ประกอบด้วยไดโอด Schottky เป็นวงจรเรียงกระแส แผนผังของวงจรแสดงในรูปที่ 3 เนื่องจากไดโอดชอตกีมีอนุกรมต่ำความต้านทานและความจุทางแยกซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพการแปลงสูงเมื่อแปลงพลังงานสัญญาณอินพุต RF ที่ได้รับเป็นแหล่งจ่ายไฟ DC ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงาน ไดโอด Schottky ทั้งหมดเชื่อมต่อเข้าด้วยกันด้วยตัวเก็บประจุโพลีโพลี ตัวเก็บประจุแนวตั้งจะชาร์จและกักเก็บพลังงานในช่วงครึ่งรอบด้านลบของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า Vin ในขณะที่ตัวเก็บประจุด้านข้างจะชาร์จและกักเก็บพลังงานในช่วงครึ่งรอบด้านบวกของ Vin เพื่อสร้าง DC ไฟฟ้าแรงสูง แรงดันไฟฟ้าที่ได้คือ:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

โดยที่ Vp, RF คือแอมพลิจูดของสัญญาณความถี่วิทยุอินพุต, Vf, D คือแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด Schottky, n คือจำนวนสเตจของปั๊มประจุที่ใช้

ปรับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต DC ให้คงที่โดยวงจรเรียงกระแสที่ระดับหนึ่ง และจัดให้มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่เสถียรสำหรับชิปทรานสปอนเดอร์ทั้งหมด เพื่อให้แน่ใจว่าแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากตำแหน่งทางกายภาพของชิปทรานสปอนเดอร์ และหลีกเลี่ยงการกระแทกของชิปที่อาจเกิดขึ้นได้ สวมใส่เพื่อปกป้องชิปดาวเทียม วงจรใช้โครงสร้าง Cascnde แบบเอนเอียงในตัวเอง เหตุผลในการเลือกโครงสร้างวงจรนี้คือ โครงสร้าง Cascnde มีผลการแยกตัวของท่อเกตทั่วไป ซึ่งทำให้มีความสามารถในการระงับความผันผวนของพลังงานได้ดี จึงช่วยปรับปรุงอัตราส่วนการปฏิเสธแหล่งจ่ายไฟ (PSRR) เพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพพื้นฐานของกระแสน้ำทั้งสองสาขา อัตราส่วนพื้นที่ของไตรมาสที่ 1 และไตรมาสที่ 2 คือ 1:8 นอกจากนี้ เราไม่เหมือนกับทรานสปอนเดอร์ HF RFID ทั่วไป เราได้ใช้แหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าต่ำพร้อมวงจรสตาร์ทแรงดันต่ำในการออกแบบเพื่อลดการใช้พลังงานโดยรวมของชิป