低消費電力パッシブ超高周波無線周波数識別トランスポンダチップの無線周波数回路

このペーパーでは、ISO / IEC18000-6B規格に適合する高性能低電力パッシブ超高周波（UHF）無線周波数識別（RFID）トランスポンダチップ無線周波数回路を提案します。無線周波数回路には、アンテナ以外の外部コンポーネントはなく、ショットキーダイオード整流器を介して無線周波数電磁場からエネルギーを受け取ります。

ネットワークエンジニアの電子愛好家•出典：サイト仕上げ•作成者：匿名•2010 Nian 01 Yue 26 Ri 11：14•648読み取り0回

0はじめに

　　無線周波数識別（RFID）は、1990年代に登場した自動識別技術です。 RFID技術には、バーコード技術にはないさまざまな利点があり、幅広い用途があります。第二世代市民IDカード、シティカード、金融取引、サプライチェーン管理、電子出版料金（ETC）、アクセス制御、空港手荷物管理、公共交通機関、コンテナ識別、家畜管理などに適用できます。 RFIDチップの製造技術を習得することは非常に重要です。現在、増え続けるアプリケーションの需要により、RFIDチップに対する要件が高まっています。これには、より大きな容量、より低いコスト、より小さなボリューム、およびより高いデータレートが必要です。この状況に応じて、この記事では、長距離、低電力のパッシブUHF UHFRFIDトランスポンダチップ無線周波数回路を提案します。

RFIDの一般的な動作周波数には、低周波125kHz、134.2kHz、高周波13.56MHz、UHF 860〜930MHz、マイクロ波2.45GHz、5.8GHzなどがあります。低周波125kHz、134.2kHz、高周波13.56MHzシステムはコイルをアンテナとして使用するためインダクタを使用しており、作動距離は比較的短く、通常1.2m以下であり、帯域幅はヨーロッパやその他の地域では数キロヘルツに制限されています。しかし、UHF（860〜93Uh1Hz）およびマイクロ波（2.45GHz、5.8GHz）は、より長い作動距離、より高いデータレート、およびより小さなアンテナサイズを提供できるため、RFIDのホットな研究分野となっています。

　　この論文で提案されているRF回路チップは、ショットキーダイオードと電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ（EEPROM）をサポートするチャータード0.35μm2P4MCM0Sプロセスを使用してテープアウトされています。ショットキーダイオードは、直列抵抗と順方向電圧が低く、受信したRF入力信号エネルギーをDC電源に変換する際の変換効率を高めることができるため、消費電力を削減できます。有効等方性放射電力（EIRP）が4W（36dBm）で、アンテナゲインが0dBの場合、無線周波数回路チップは915MHzで動作し、読み取り距離は3mを超え、動作電流は8μA未満です。

　　1RF回路構造

　　図1は、UHF RF1Dトランスポンダーチップのシステム図であり、主に無線周波数回路、論理制御回路、およびEEPROMが含まれています。その中で、無線周波数回路部分は、次の主要な回路モジュールに分けることができます：ローカル発振器とクロック生成回路、パワーオンリセット回路、電圧基準源、マッチングネットワークと後方散乱回路、整流器、電圧レギュレータと振幅変調（AM ）復調器等。アンテナ以外の外付け部品はなく、アンテナ部分はダイポール構造を採用し、チップ全体の唯一のエネルギー源として、整合ネットワークを介して整流器の入力インピーダンスと整合させます。同等のモデルを図2に示します。ダイポールアンテナのインピーダンスの実数部は、RraとRlossの73つの部分で構成されます。ここで、Rraは、ダイポールアンテナに固有のダイポールアンテナの放射インピーダンスであり、通常は13.56Ωです。これは、アンテナが電磁波を外部に放射する能力を表します。 Rlossアンテナの製造に使用される金属のオーム抵抗は、通常、熱を発生させるだけです。アンテナインピーダンスの虚数部Xは一般に正です。これは、アンテナが一般的に外部に誘導されるためです。等価インダクタンスの大きさは、一般にアンテナと基板材料のトポロジー構造に依存します。整流器は、結合されたRF入力信号電力をチップに必要なDC電圧に変換します。電圧レギュレータは、DC電圧を特定のレベルに安定させ、DC電圧の振幅を制限して、過剰な電圧による故障からチップを保護します。 AM復調器は、受信した搬送波信号から対応するデータ信号を抽出するために使用されます。後方散乱回路は、可変コンデンサを使用して無線周波数回路のインピーダンスを変更し、それによってトランスポンダデータをRFID質問機またはカードリーダーに送信します。パワーオンリセット回路は、チップ全体のリセット信号を生成するために使用されます。 915MHz高周波（HF）トランスポンダとは異なり、XNUMXMHz UHFトランスポンダは、搬送周波数からローカルクロックを取得できませんが、内蔵の低電力局部発振器を介してデジタル論理回路部分にクロックを提供することしかできません。これらすべての回路モジュールについて、以下でXNUMXつずつ詳しく説明します。

図1 UHF RF1Dトランスポンダチップシステム図

2トランスポンダアンテナの等価電気モデル

2回路設計と分析

　　2.1整流器とレギュレータ回路

　　この論文では、ショットキーダイオードで構成されたディクソンチャージポンプを整流回路として使用します。回路図を図3に示します。これは、ショットキーダイオードの直列抵抗と接合容量が低く、受信したRF入力信号エネルギーをDC電源に変換する際の変換効率が高く、消費電力を削減できるためです。すべてのショットキーダイオードは、ポリポリコンデンサによって相互に接続されています。垂直コンデンサは入力電圧Vinの負の半サイクルで充電および保存され、水平コンデンサはVinの正の半サイクルで充電および保存されるため、DC高電圧が生成されます。結果の電圧は次のようになります。

　　VDD = n・（Vp、RF－Vf、D）

　　 Vp、RFは入力無線周波数信号の振幅、Vf、Dはショットキーダイオードの順方向電圧、nは使用されるチャージポンプステージの数です。

図4電圧レギュレータの回路図

2.2マッチングネットワークと後方散乱回路

　　 13.56MHz HFトランスポンダとは異なり、UHF帯域RFIDトランスポンダはダイポールアンテナを使用します。図5は、トランスポンダとアンテナのSPICE（集積回路を強調したシミュレーションプログラム）の等価回路図です。この等価SPICE回路モデルでは、受信RFキャリア信号はVs、アンテナのインピーダンスはZs = Rs + jXLであり、これは電圧源Vsの内部抵抗、およびトランスポンダチップの等価入力インピーダンスと見なすことができます。 ZL = RL-jXLです。したがって、ZL = Zs *の場合、インピーダンスが一致し、送電が最大になります。インピーダンス整合の場合、アンテナ付きトランスポンダの観点から、得られるインピーダンスはZ = 2RLである必要があるため、受信電力Preと電圧振幅VSの関係を次のように取得します。

次に、チップの両端への電圧振幅Vin入力は次のとおりです。

インピーダンス整合を実現するためには、アンテナの内部抵抗と無線周波数回路部の入力インピーダンスが共役整合を実現できるように、整合ネットワーク上でインピーダンス変換を行う必要があるため、L型を使用します。マッチングネットワーク。チップ集積インダクタのコストが高く、精度が低いため、アンテナのインダクタンスを整合インダクタとして使用して、整合コンデンサをチップに統合します。計算後、無線周波数回路の入力インピーダンスは約（105-j406）Ωです。

図5トランスポンダとアンテナのSPICE等価回路図

図6は、後方散乱回路の概略図です。後方散乱回路は、可変コンデンサを使用して無線周波数回路のインピーダンスを変更し、それによってトランスポンダデータをRFID質問機またはカードリーダーに送信します。可変容量はMOSバラクターで実現しています。標準的なCMOSプロセスでは、MOSチューブのゲートから基板までの電圧制御可変容量を使用でき、MOSバラクタのゲートをコンデンサの一端として使用し、ソース端をドレイン端子に接続してコンデンサの他端。

2.3 AM復調回路

AM復調回路は、受信した変調キャリアをベースバンド処理用のデジタル信号に復元するために使用されます。復調回路は、エンベロープ検出回路、フィルター回路、およびコンパレーターで構成されます（図7を参照）。コンパレータはヒステリシスコンパレータを使用して、ビットエラーレートを低減します。包絡線検波器は、整流器と同じ回路を使用して包絡線信号を抽出します。ローパスフィルタは、電源のノイズ信号とリップルを除去するために使用されます。最後に、エンベロープ信号は、ヒステリシスコンパレータを介してコンパレータの出力でデジタル信号に復元されます。

図7 AM復調器の回路図

2.4パワーオンリセット回路

パワーオンリセット回路には8つの主な機能があります。 10つは、トランスポンダがインテロゲータまたはカードリーダーの有効領域に入り、電源電圧が通常の動作電位に達すると、チップ全体のリセット信号を生成します。 2.4つ目は、電源電圧が急激に低下したときです。回路をリセットすると、論理回路の誤動作を防ぐことができます。図1はパワーオンリセット回路図であり、回路のパワーオンリセット遅延時間は1μsです。時間がゼロから増加し続け、プルアップ電圧0Vを超えると、最初にPチューブMP2とNチューブMN2がオンになり、Yuの増加に伴ってA点とB点の電位が2から徐々に上昇します。逆相後MP2およびMN0トランジスタのゲート電圧はすべてVDDの上昇に比例して変化するため、最初はMN2がオンになり、MP2がオフになり、ポイントCの電圧は常に0になります（実効リセット）。。 VDDがより高い電位に達すると、ポイントAの電位も同時に特定のレベルに上昇し、MN1チューブが切断されます。このとき、MP10チューブがオンになり、C点の電位が急激に上昇します。いくつかのレベルのバッファの後、スレーブが取得されます。回路が正常に動作し始めるように、2.4から10への遷移信号出力を論理化します。バッファと容量性負荷の次のステージのカスケードは、約9μsの時間遅延を取得することです。つまり、VDDがXNUMXVより高くXNUMXμsを維持すると、リセット信号がジャンプを完了し、の安定した動作を実現します。回路。シミュレーション結果は次のとおりです。図XNUMXを参照してください。

図8パワーオンリセット回路の回路図

図9パワーオンリセット回路シミュレーション結果

2.5局部発振器とクロック生成回路

13.56MHz HFトランスポンダとは異なり、915MHz UHFトランスポンダは、キャリア周波数からローカルクロックを取得できませんが、内蔵の低電力局部発振器を介してデジタル論理回路部分にクロックを提供することしかできません。クロック周波数は±30％の誤差を許容でき、クロック周波数の精度は高くないため、比較的単純な発振器構造を使用してチップの消費電力を削減できます。解析の結果、同相電圧の変化を十分に抑制できるだけでなく、電源抑制特性も良好な奇数個の完全差動インバータで構成されたリングオシレータを使用することにしました。図10は、局部発振器とクロック生成回路の概略図です。シミュレーションテスト後、温度、電源電圧、プロセス角度の変化の全条件を考慮すると、回路の出力周波数は約250kHzであり、その変動誤差により、データのビットレート精度がVDDの15％未満になります。パフォーマンスに影響はなく、システム設計要件がより適切に満たされます。図11にシミュレーションで得られたクロック信号を示します。

図10局部発振器とクロック生成回路の概略図

図11シミュレーションで得られたクロック信号

3テスト結果と分析

　　無線周波数回路チップは、テープアウト用のショットキーダイオードとEEPROMをサポートするチャータード0.35μm2P4MCMOSプロセスを採用しています。 I / Oパッド（PAD）なしのコア回路チップ面積は300μm×720μmです。外部アンテナへの接続に使用される12つのPADを除いて、残りのPADはチップ機能テストに使用されます。図6は、無線周波数回路チップを外部アンテナに接続し、カードリーダーの通信をテストした後に得られた波形図です。テストは、ISO / IEC1-915B規格に適合する北京清華同方マイクロエレクトロニクス株式会社のTHM18000BC6-12UHFRFIDカードリーダーを使用して実行されます。図3.3（a）は、カードリーダーから送信された無線周波数信号を受信した後、整流器と電圧レギュレータ回路によって得られたVDD波形です。平均値は20Vで、リップルは12mV未満であり、十分に満たされています。設計指標の要件が満たされています。図4（b）は、RF回路チップの復調によって取得されたカードリーダーによって送信されたデジタル信号を示しています。テスト後、EIRPが36W（915dBm）で、アンテナゲインがOdBの場合、無線周波数回路チップは3MHzで動作し、読み取り距離は8mを超え、動作電流はXNUMXμA未満です。

図12 RF回路チップのテスト波形図

4まとめ

この論文は、ISO / IEC18000-6B規格を満たす高性能で低電力のパッシブUHFRFIDトランスポンダチップ無線周波数回路を提案します。無線周波数回路は915MHzで動作し、アンテナ以外の外付け部品はありません。ショットキーダイオードを使用しています。整流器は、無線周波数の電磁場からエネルギーを受け取ります。テープアウトにはショットキーダイオードとEEPROMをサポートするチャーターされた0.35μm2P4MCMQSプロセスが使用され、そのコア面積は300μm×720μmです。 RFID無線周波数回路には、局部発振器、クロック生成回路、リセット回路、マッチングネットワークと後方散乱回路、整流器、電圧レギュレータ、AM復調器などのいくつかの主要モジュールが含まれています。このテキストは、各モジュール回路を設計および最適化し、標準要件に準拠した低消費電力の無線周波数回路を設計します。テストは、ISO / IEC6-1B規格に準拠したTHM915BC2-18000Y6UHFRFIDカードリーダーを使用して実行されました。テスト結果は、読み取り距離が3mを超えていることを示しており、その結果はパッシブUHFRFIDトランスポンダシステムのインデックス要件を満たしています。