UHFパッシブRFIDタグの回路設計解析

UHF パッシブ RFID タグは、動作周波数が高く、読み書き距離が長く、外部電源が不要で、製造コストが低いため、RFID 研究の重要な方向性の 1 つとなっており、近い将来 RFID 分野で主流の製品になる可能性があります。 。

完全な UHF パッシブ RFID タグは、アンテナとタグ チップで構成されます。 このうち、タグチップには一般に、電力回収回路、電源電圧安定化回路、後方散乱変調回路、復調回路、クロック抽出・生成回路、起動信号生成回路、基準源生成回路、制御部などの回路部分が含まれます。 、 メモリ。 パッシブ RFID タグ チップが動作するために必要なエネルギーはすべて、カード リーダーによって生成される電磁波のエネルギーから得られます。 したがって、電力回収回路は、タグアンテナによって誘導された UHF 信号をチップの動作に必要な DC 電圧に変換する必要があります。 エネルギーを供給します。

RFID タグが配置される電磁環境は非常に複雑であるため、入力信号の電力は数百倍、さらには数千倍も変化する可能性があります。 したがって、チップが異なる電界強度でも正常に動作するには、信頼性の高い電源電圧安定化回路を設計する必要があります。 。 変調および復調回路は、タグとカード リーダー間の通信に重要な回路です。 現在、ほとんどの UHF RFID タグは ASK 変調を使用しています。 RFID タグの制御ユニットは、命令を処理するデジタル回路です。 タグがカードリーダーのフィールドに入った後、カードリーダーの指示に応じてデジタル回路が正しくリセットできるようにするには、デジタルユニットにリセット信号を提供する信頼性の高い起動信号生成回路を設計する必要があります。

電力回収回路

電力回収回路は、RFID タグ アンテナが受信した UHF 信号を整流と昇圧を通じて DC 電圧に変換し、チップが動作するためのエネルギーを提供します。 電力回収回路には多くの回路構成が考えられます。 図に示すように、現在一般的に使用されているいくつかの電力回収回路があります。

これらの電力回収回路には最適な回路構成というものはなく、それぞれの回路に一長一短があります。 異なる負荷条件、異なる入力電圧条件、異なる出力電圧要件、利用可能なプロセス条件の下で、最適なパフォーマンスを達成するには、異なる回路を選択する必要があります。 図 2(a) に示す多段ダイオード倍電圧回路では、一般にショットキー バリア ダイオードが使用されます。 電圧倍加効率が高く、入力信号振幅が小さいという利点があり、広く使用されています。 しかし、一般的なファウンドリの一般的なCMOSプロセスにはショットキーバリアダイオードが存在しないため、設計者はプロセスの選択に悩まされることになる。 図 2(b) では、ショットキー ダイオードを、ダイオードの形で接続された PMOS チューブに置き換えています。これにより、プロセス上の特別な要件が回避されます。 この構造の倍電圧回路は、より大きな入力信号振幅が必要となり、出力電圧が高いほど倍電圧効率が高くなります。 図 2(c) は、従来のダイオード全波整流回路です。 Dickson 倍電圧回路と比較すると、倍電圧効果は優れていますが、より多くのダイオード素子が導入されており、電力変換効率は一般に Dickson 倍電圧回路よりわずかに低くなります。 また、アンテナ入力端子がチップグランドから分離されているため、アンテナ入力端子からチップに向かって直流を阻止するコンデンサを備えた完全対称構造となっており、チップグランドとアンテナの相互影響を回避しています。 接続された対称アンテナ (偶数ポール アンテナなど) での使用に適しています。 図2(d)は、多くの文献で提案されている全波整流回路のCMOSチューブソリューションです。 限られた技術の場合、より優れた電力変換効率が得られ、入力信号振幅の要件は比較的低くなります。

一般的なパッシブ UHF RFID タグのアプリケーションでは、コストを考慮して、チップ回路が通常の CMOS 技術の製造に適していることが望まれます。 長距離の読み取りおよび書き込みの要件により、電力回収回路の電力変換効率に対するより高い要件が求められます。 このため、多くの設計者は標準の CMOS 技術を使用してショットキー バリア ダイオードを実現し、多段ディクソン倍電圧回路構造を電力変換の性能向上に便利に使用できるようにしています。 図3は、一般的なCMOSプロセスで製造されるショットキーダイオードの構造の模式図です。 設計上、ショットキーダイオードはprを変更せずに製造できます。プロセスのステップとマスク生成ルールを変更し、レイアウトにいくつかの変更を加えるだけで済みます。

UMC 0.18um CMOS プロセスで設計された複数のショットキー ダイオードのレイアウト。 それらの DC 特性試験曲線を図 5 に示します。 DC 特性の試験結果から、標準的な CMOS プロセスで製造されたショットキー ダイオードは典型的なダイオード特性を備えており、ターンオン電圧はわずか約 0.2 V であることがわかります。 これはRFIDタグに非常に適しています。

電力調整回路

入力信号の振幅が大きい場合、電源電圧安定化回路は、出力 DC 電源電圧がチップが耐えられる最大電圧を超えないようにする必要があります。 同時に、入力信号が小さい場合、電圧安定化回路で消費される電力はできるだけ小さくする必要があります。 チップの総消費電力を削減します。

電圧調整回路の構成は、電圧調整の原理から並列型電圧調整回路と直列型電圧調整回路の2種類に分けられます。

RFID タグ チップには、タグが変調信号を受信するのに十分な電荷を蓄積するための大きな静電容量値を持つエネルギー蓄積コンデンサが必要です。また、入力エネルギーが小さい瞬間でも入力エネルギーがまだ存在する可能性があります (たとえば、 OOK 変調でキャリアが存在しない瞬間として）。 、チップの電源電圧を維持します。 入力エネルギーが高すぎて電源電圧が一定のレベルに上昇すると、電圧安定化回路の電圧センサーが漏れ源を制御してエネルギー蓄積コンデンサの過剰な電荷を解放し、電圧の目的を達成します。 安定。 図 7 は並列電圧レギュレータ回路の 1 つです。 3 つの直列接続されたダイオード D1、D2、D3 と抵抗 R1 は、ブリーダー M1 のゲート電圧を制御する電圧センサーを形成します。 電源電圧が 3 つのダイオードのターンオン電圧の合計を超えると、M1 のゲート電圧が上昇し、M1 がオンになり、エネルギー蓄積コンデンサ C1 の放電を開始します。

別のタイプの電圧安定化回路の原理は、直列電圧安定化方式を使用することです。 その回路図を図 8 に示します。基準電圧源は、電源電圧に依存しない基準源として設計されています。 出力電源電圧を抵抗で分圧して基準電圧と比較し、その差をオペアンプで増幅してM1管のゲート電位を制御することで、出力電圧と基準電源が基本的に同じ安定した状態に保たれます。 州。

この直列定電圧回路は、より正確な電源電圧を出力することができますが、非安定化電源と安定化電源の間にM1管が直列に接続されているため、負荷電流が大きい場合にはM1管の電圧降下が発生します。 より高い電圧。 電力損失。 したがって、この回路構成は一般に消費電力の少ないタグ回路に適用されます。

変復調回路

ａ． 復調回路

チップ面積と消費電力を削減するために、現在、パッシブ RFID タグのほとんどは ASK 変調を採用しています。 タグチップのＡＳＫ復調回路では、図２に示すように、包絡線検波方式が一般的な復調方式である。 ９．

包絡線検波部と電力回収部の倍電圧回路は基本的に同じですが、大きな負荷電流を流す必要がありません。 包絡線検波回路の最終段には漏れ電流源が並列に接続されています。 入力信号が変調されると、入力エネルギーが減少し、漏れ源によりエンベロープ出力電圧が低下するため、後続のコンパレータ回路が変調信号を判定できるようになります。 入力 RF 信号のエネルギー変動は広範囲に及ぶため、近距離場と遠距離場のさまざまな場強度の変化に適応するには、漏洩源の電流を動的に調整する必要があります。 たとえば、漏れ電源の電流が小さければ、電界強度が弱い場合にはコンパレータのニーズを満たすことができますが、タグが電界強度が強い近傍にある場合、漏れ電流は十分ではありません。 振幅変化が大きいと後段のコンパレータが正常に動作しなくなります。 この問題を解決するために、図10に示すようなリークソース構造を採用することができます。

入力キャリアが変調されていない場合、ブリーダー管 M1 のゲート電位はドレイン電位と同じになり、ダイオード接続された NMOS 管を形成し、エンベロープ出力を M1 のしきい値電圧付近にクランプします。 ThM1 で消費される電力はバランスが取れています。 入力キャリアが変調されるとチップの入力エネルギーが減少し、このとき遅延回路R1とC1の作用によりM1のゲート電位は元のレベルに留まり、M1がリークして放出される電流は変化しません。 、エンベロープ出力信号の振幅が急速に減少します。 同様に、キャリアが復元された後、R1 と C1 の遅延により、エンベロープ出力はすぐに元のハイ レベルに戻ります。 この回路構造を使用し、R1、C1、および M1 のサイズを合理的に選択することにより、さまざまな電界強度下での復調のニーズを満たすことができます。 エンベロープ出力の後ろに接続されるコンパレータ回路にも多くのオプションがあり、一般的に使用されるものはヒステリシス コンパレータとオペアンプです。

b. 変調回路

パッシブUHF RFIDタグは一般に後方散乱変調方式を採用しています。つまり、チップの入力インピーダンスを変更してチップとアンテナ間の反射係数を変更することにより、変調の目的を達成します。 一般に、アンテナのインピーダンスとチップの入力インピーダンスは、無変調時には電力整合に近くなり、変調時には反射係数が大きくなるように設計されています。 一般的に使用される後方散乱方法は、アンテナの 2 つの入力端の間にコンデンサとスイッチを並列に接続することです。図 11 に示すように、変調信号はスイッチを制御することによって、コンデンサがチップの入力端に接続されるかどうかを決定します。 、したがってチップの入力インピーダンスが変化します。

スタート信号発生回路

RFIDタグ内の電源スタートリセット信号発生回路の役割は、電源復旧完了後にデジタル回路の動作を開始するためのリセット信号を与えることです。 その設計では次の問題を考慮する必要があります。電源電圧が長時間上昇すると、リセット信号のハイレベルの振幅が小さくなり、デジタル回路のリセットのニーズを満たすことができなくなります。 起動信号生成回路は電源変動の影響を受けやすく、誤動作を引き起こす可能性があります。 静的消費電力は可能な限り低くする必要があります。

通常、パッシブ RFID タグが現場に入った後、電源電圧が上昇するまでの時間は不確実で、非常に長くなる可能性があります。 このため、電源電圧に応じたタイミングで起動信号を生成する起動信号生成回路の設計が必要となります。 図 12 に一般的な起動信号生成回路を示します。

その基本原理は、抵抗 R0 と NMOS トランジスタ M1 で構成される分岐を使用して、比較的固定された電圧 Va を生成することです。電源電圧 vdd が NMOS トランジスタのしきい値電圧を超えると、Va の電圧は基本的に変化しません。 vddが上昇し続け、電源電圧がVa+|Vtp|に達するとPMOSトランジスタM0がオンしてVbが上昇しますが、それまではM0がカットオフしているためVbはローレベルになっています。 この回路の主な問題は、静的電力損失が存在することです。 また、CMOSプロセスではMOSトランジスタの閾値電圧がプロセスにより大きく変動するため、プロセスばらつきの影響を受けやすい。 したがって、図２に示すように、ｐｎ接合ダイオードを使用して起動電圧を生成すると、プロセスの不確実性が大幅に低減される。 １３．

VDDが2つのpn接合ダイオードのターンオン電圧まで上昇すると、PMOSトランジスタM0のゲートは電源電圧と等しくなり、PMOSトランジスタはオフになります。 このとき、コンデンサＣ１の電圧はローレベルである。 VDD が 2 つのダイオードのしきい値電圧を超えると、M0 が導通し始めますが、M1 のゲート電圧は変化せず、M1 を流れる電流は変化せず、コンデンサ C1 の電圧は徐々に増加します。 逆相に立ち上がる場合 デバイスが反転した後、スタート信号が発生します。 したがって、この回路が起動信号を生成する時間は、電源電圧が2つのダイオードの閾値電圧に達するかどうかに依存し、安定性が高く、電源電圧上昇時の一般的な起動回路の早期起動信号を回避します。 遅すぎる。 問題。

電源電圧の上昇が速すぎると、抵抗 R1 と M0 のゲート容量によって低域遅延回路が構成され、M0 のゲート電圧が電源電圧の変化にすぐに追従できず、一定の電圧のままになります。 レベルが低い。 このとき、M0 がコンデンサ C1 を充電するため、回路が正しく動作しなくなります。 この問題を解決するために、コンデンサ C5 が導入されています。 電源電圧が急速に上昇した場合、コンデンサ C5 のカップリング効果により、M0 のゲート電位を電源電圧と一致させることができ、電圧上昇を回避できます。上記の問題の発生。

この回路には静的消費電力の問題が依然として存在しており、抵抗値を大きくし、MOS チューブのサイズを合理的に選択することで、静的消費電力の影響を軽減できます。 静的消費電力の問題を完全に解決するには、開始信号の生成後に回路のこの部分をシャットダウンする追加のフィードバック制御回路を設計する必要があります。 ただし、フィードバックの導入によって引き起こされる不安定性には特別な注意を払う必要があります。

パッシブ UHF RFID チップの設計の難しさは、チップの読み取りおよび書き込み距離を増やし、タグの製造コストを削減する方法を中心に展開します。 したがって、電力回収回路の効率を向上させ、チップ全体の消費電力を削減し、確実に動作させることが、依然としてRFIDタグチップの設計における主な課題となっています。