تحليل تصميم الدوائر لعلامات RFID السلبية UHF

ns دون تغيير، مما يجعل سعة إشارة خرج المغلف تنخفض بسرعة؛ وبالمثل، بعد استعادة الناقل، يؤدي تأخير R1 وC1 إلى عودة إخراج المغلف بسرعة إلى المستوى العالي الأصلي. باستخدام بنية الدائرة هذه، وباختيار حجم R1 وC1 وM1 بشكل معقول، يمكن تلبية احتياجات إزالة التشكيل تحت شدات مجال مختلفة. هناك أيضًا العديد من الخيارات لدائرة المقارنة المتصلة خلف مخرج المغلف، والخيارات الشائعة الاستخدام هي مقارنة التباطؤ ومضخم التشغيل.

ب. دائرة التعديل

تعتمد علامات UHF RFID السلبية عمومًا طريقة تعديل التشتت الخلفي، أي عن طريق تغيير مقاومة الإدخال للرقاقة لتغيير معامل الانعكاس بين الشريحة والهوائي، وذلك لتحقيق غرض التعديل. بشكل عام، تم تصميم مقاومة الهوائي ومقاومة دخل الشريحة بحيث تكون قريبة من تطابق الطاقة عندما لا يتم تشكيلها، ويتم زيادة معامل الانعكاس عندما يتم تشكيلها. تتمثل طريقة التشتت الخلفي شائعة الاستخدام في توصيل مكثف بمفتاح على التوازي بين طرفي دخل الهوائي، كما هو موضح في الشكل 11، تحدد إشارة التعديل ما إذا كان المكثف متصلاً بطرف دخل الشريحة عن طريق التحكم في المفتاح ، وبالتالي تغيير مقاومة الإدخال للرقاقة.

بدء دائرة توليد الإشارة

تتمثل وظيفة دائرة توليد إشارة إعادة ضبط بدء تشغيل الطاقة في علامة RFID في توفير إشارة إعادة ضبط لبدء عمل الدائرة الرقمية بعد اكتمال استعادة الطاقة. يجب أن يأخذ تصميمه في الاعتبار المشكلات التالية: إذا ارتفع جهد مصدر الطاقة لفترة طويلة جدًا، فستكون السعة العالية لإشارة إعادة الضبط منخفضة، مما لا يمكنه تلبية احتياجات إعادة ضبط الدائرة الرقمية؛ تكون دائرة توليد إشارة بدء التشغيل أكثر حساسية لتقلبات الطاقة، ومن الممكن أن تتسبب في حدوث خلل؛ يجب أن يكون استهلاك الطاقة الثابتة عند أدنى مستوى ممكن.

عادةً، بعد دخول علامة RFID السلبية إلى الحقل، يكون وقت ارتفاع جهد مصدر الطاقة غير مؤكد وقد يكون طويلًا جدًا. وهذا يتطلب تصميم دائرة توليد إشارة بدء التشغيل لتوليد إشارة بدء التشغيل في الوقت الحالي المتعلقة بجهد مصدر الطاقة. يوضح الشكل 12 دائرة مشتركة لتوليد إشارة بدء التشغيل.

مبدأها الأساسي هو استخدام الفرع المكون من المقاوم R0 وترانزستور NMOS M1 لتوليد جهد ثابت نسبيًا Va. عندما يتجاوز جهد مصدر الطاقة vdd جهد العتبة لترانزستور NMOS، يظل جهد Va بدون تغيير بشكل أساسي. مع استمرار ارتفاع vdd، عندما يصل جهد مصدر الطاقة إلى Va+|Vtp|، يتم تشغيل ترانزستور PMOS M0 لجعل Vb يرتفع، وقبل ذلك، كان Vb عند مستوى منخفض لأن M0 مقطوع. المشكلة الرئيسية في هذه الدائرة هي وجود تبديد للطاقة الساكنة. ونظرًا لأن جهد عتبة ترانزستور MOS يختلف بشكل كبير مع العملية ضمن عملية CMOS، فإنه يتأثر بسهولة بانحراف العملية. ولذلك، فإن استخدام صمام ثنائي وصلة pn لتوليد جهد بدء التشغيل سوف يقلل بشكل كبير من عدم اليقين في العملية، كما هو موضح في الشكل. 13 .

عندما يرتفع VDD إلى جهد التشغيل لثنائيات التوصيل pn، تكون بوابة ترانزستور PMOS M0 مساوية لجهد مصدر الطاقة، ويتم إيقاف تشغيل ترانزستور PMOS. في هذا الوقت، يكون الجهد على المكثف C1 عند مستوى منخفض. عندما يرتفع VDD فوق جهد عتبة الثنائيات، يبدأ M0 في التوصيل، في حين يظل جهد البوابة M1 دون تغيير، ويظل التيار المتدفق عبر M1 دون تغيير، ويزداد الجهد على المكثف C1 تدريجيًا. عندما يرتفع إلى المرحلة العكسية بعد أن يقلب الجهاز، يتم إنشاء إشارة البدء. ولذلك، فإن الوقت الذي تستغرقه هذه الدائرة لتوليد إشارة البداية يعتمد على ما إذا كان جهد مصدر الطاقة يصل إلى جهد عتبة الثنائيات، والذي يتمتع بثبات عالي، ويتجنب إشارة البداية المبكرة لدائرة البدء العامة عندما يرتفع جهد مصدر الطاقة بطئ جدا. المشكلة.

إذا ارتفع جهد مصدر الطاقة بسرعة كبيرة، فإن سعة بوابة المقاوم R1 وM0 تشكل دائرة تأخير تمرير منخفض، مما سيجعل جهد البوابة M0 غير قادر على مواكبة التغير في جهد مصدر الطاقة بسرعة ويبقى عند مستوى مستوى منخفض. في هذا الوقت، سوف يقوم M0 بشحن المكثف C1، مما يتسبب في عدم عمل الدائرة بشكل صحيح. لحل هذه المشكلة، يتم تقديم مكثف C5. إذا ارتفع جهد مصدر الطاقة بسرعة، فإن تأثير الاقتران للمكثف C5 يمكن أن يحافظ على إمكانات البوابة M0 متسقة مع جهد مصدر الطاقة، مما يؤدي إلى تجنب حدوث المشكلات المذكورة أعلاه.

لا تزال مشكلة استهلاك الطاقة الساكنة موجودة في هذه الدائرة، ويمكن تقليل تأثير استهلاك الطاقة الساكنة عن طريق زيادة قيمة المقاومة واختيار حجم أنبوب MOS بشكل معقول. لحل مشكلة استهلاك الطاقة الثابتة بشكل كامل، من الضروري تصميم دائرة تحكم إضافية في التغذية الراجعة

لإغلاق هذا الجزء من الدائرة بعد توليد إشارة البدء. ومع ذلك، يجب إيلاء اهتمام خاص لعدم الاستقرار الناجم عن إدخال ردود الفعل.

تدور صعوبة تصميم شرائح UHF RFID السلبية حول كيفية زيادة مسافة القراءة والكتابة للرقاقة وتقليل تكلفة تصنيع العلامة. ولذلك، فإن تحسين كفاءة دائرة استعادة الطاقة، وتقليل استهلاك الطاقة للرقاقة الإجمالية، والعمل بشكل موثوق لا يزال يمثل التحديات الرئيسية في تصميم شرائح علامات RFID.

تتكون علامة RFID السلبية UHF الكاملة من هوائي وشريحة علامة. من بينها، تتضمن شريحة العلامة بشكل عام الأجزاء التالية من الدائرة: دائرة استعادة الطاقة، دائرة تثبيت جهد مصدر الطاقة، دائرة تعديل التشتت الخلفي، دائرة إزالة التشكيل، دائرة استخراج / توليد الساعة، دائرة توليد إشارة البداية، دائرة توليد المصدر المرجعي، وحدة التحكم ، ذاكرة. الطاقة اللازمة لتشغيل شريحة بطاقة RFID السلبية مستمدة بالكامل من طاقة الموجة الكهرومغناطيسية الناتجة عن قارئ البطاقة. لذلك، تحتاج دائرة استعادة الطاقة إلى تحويل إشارة UHF الناتجة عن هوائي العلامة إلى جهد التيار المستمر المطلوب لتشغيل الشريحة. توفير الطاقة.

وبما أن البيئة الكهرومغناطيسية التي توجد بها علامات RFID معقدة للغاية، فإن قوة إشارة الإدخال يمكن أن تختلف مئات أو حتى آلاف المرات. لذلك، لكي تعمل الشريحة بشكل طبيعي في قوى مجال مختلفة، يجب تصميم دائرة تثبيت جهد مصدر طاقة موثوقة. . دائرة التعديل وإزالة التشكيل هي الدائرة الرئيسية للاتصال بين العلامة وقارئ البطاقة. في الوقت الحاضر، تستخدم معظم علامات UHF RFID تعديل ASK. وحدة التحكم في بطاقة RFID عبارة عن دائرة رقمية تعالج التعليمات. من أجل تمكين الدائرة الرقمية من إعادة ضبطها بشكل صحيح بعد دخول العلامة إلى مجال قارئ البطاقة، واستجابة لتعليمات قارئ البطاقة، يجب تصميم دائرة موثوقة لتوليد إشارة بدء التشغيل لتوفير إشارة إعادة ضبط للوحدة الرقمية.

دائرة استعادة الطاقة

تقوم دائرة استعادة الطاقة بتحويل إشارة UHF التي يستقبلها هوائي بطاقة RFID إلى جهد تيار مستمر من خلال التصحيح والتعزيز لتوفير الطاقة لتشغيل الشريحة. هناك العديد من تكوينات الدوائر الممكنة لدوائر استعادة الطاقة. كما هو موضح في الشكل، هناك العديد من دوائر استعادة الطاقة شائعة الاستخدام في الوقت الحاضر.

في دوائر استعادة الطاقة هذه، لا يوجد هيكل دائرة مثالي، ولكل دائرة مزاياها وعيوبها. في ظل ظروف الحمل المختلفة، وظروف جهد الإدخال المختلفة، ومتطلبات جهد الخرج المختلفة وظروف العملية المتاحة، يجب تحديد دوائر مختلفة لتحقيق الأداء الأمثل. تستخدم دائرة مضاعف جهد الصمام الثنائي متعددة المراحل الموضحة في الشكل 2 (أ) بشكل عام صمامات حاجز شوتكي. إنه يتميز بمزايا كفاءة مضاعفة الجهد العالي وسعة إشارة الإدخال الصغيرة، ويستخدم على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن عملية CMOS الشائعة للمسبك العام لا توفر صمامات ثنائية حاجز شوتكي، الأمر الذي سيجلب مشكلة للمصمم في اختيار العملية. الشكل 2 (ب) يستبدل صمام ثنائي شوتكي بأنبوب PMOS متصل على شكل صمام ثنائي، مما يتجنب المتطلبات الخاصة بالعملية. تحتاج دائرة مضاعفة الجهد مع هذا الهيكل إلى سعة إشارة دخل أعلى، ولها كفاءة مضاعفة جهد أفضل عندما يكون جهد الخرج أعلى. الشكل 2 (ج) هو دائرة مقوم الموجة الكاملة التقليدية للديود. بالمقارنة مع دائرة مضاعف الجهد ديكسون، فإن تأثير مضاعف الجهد أفضل، ولكن يتم إدخال المزيد من عناصر الصمام الثنائي، وكفاءة تحويل الطاقة بشكل عام أقل قليلاً من دائرة مضاعف الجهد ديكسون. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن طرف إدخال الهوائي الخاص به منفصل عن أرض الشريحة، فهو عبارة عن هيكل متماثل تمامًا مع مكثف يحجب التيار المستمر عند مشاهدته من طرف إدخال الهوائي إلى الشريحة، مما يتجنب التأثير المتبادل بين أرض الشريحة والهوائي، و مناسب للاستخدام مع الهوائيات المتماثلة (مثل الهوائي القطبي) المتصلة. الشكل 2 (د) هو حل أنبوب CMOS لدائرة تصحيح الموجة الكاملة التي اقترحتها العديد من الأدبيات. في حالة التكنولوجيا المحدودة، يمكن الحصول على كفاءة أفضل لتحويل الطاقة، وتكون متطلبات سعة إشارة الإدخال منخفضة نسبيًا.

في تطبيق علامات UHF RFID العامة السلبية، نظرًا لاعتبارات التكلفة، من المأمول أن تكون دائرة الرقاقة مناسبة لتصنيع تقنية CMOS العادية. تطرح متطلبات القراءة والكتابة لمسافات طويلة متطلبات أعلى على كفاءة تحويل الطاقة لدائرة استعادة الطاقة. لهذا السبب، يستخدم العديد من المصممين تقنية CMOS القياسية لتحقيق صمامات حاجز شوتكي، بحيث يمكن استخدام هيكل دائرة مضاعفة الجهد لديكسون متعدد المراحل بشكل ملائم لتحسين أداء تحويل الطاقة. الشكل 3 عبارة عن رسم تخطيطي لهيكل صمام ثنائي شوتكي تم تصنيعه بواسطة عملية CMOS شائعة. في التصميم، يمكن إنتاج صمامات شوتكي الثنائية دون تغيير خطوات العملية وقواعد إنشاء القناع، وتحتاج فقط إلى إجراء بعض التعديلات على التخطيط.

ت

قام بتصميم العديد من صمامات شوتكي الثنائية المصممة بموجب عملية UMC 0.18um CMOS. يظهر الشكل 5 منحنيات اختبار خصائص التيار المستمر الخاصة بهم. ويمكن ملاحظة من نتائج اختبار خصائص التيار المستمر أن صمام ثنائي شوتكي المصنوع بواسطة عملية CMOS القياسية له خصائص صمام ثنائي نموذجي، وأن جهد التشغيل يبلغ حوالي 0.2 فولت فقط، وهو مناسب جدًا لعلامات RFID.

دائرة منظم الطاقة

عندما تكون سعة إشارة الإدخال عالية، يجب أن تكون دائرة تثبيت جهد مصدر الطاقة قادرة على التأكد من أن جهد مصدر طاقة الإخراج DC لا يتجاوز الحد الأقصى للجهد الذي يمكن أن تتحمله الشريحة؛ وفي الوقت نفسه، عندما تكون إشارة الإدخال صغيرة، يجب أن تكون الطاقة التي تستهلكها دائرة تثبيت الجهد صغيرة قدر الإمكان. لتقليل إجمالي استهلاك الطاقة للرقاقة.

من وجهة نظر مبدأ تنظيم الجهد، يمكن تقسيم هيكل دائرة تنظيم الجهد إلى نوعين: دائرة تنظيم الجهد المتوازي ودائرة تنظيم الجهد المتسلسلة.

في شريحة علامة RFID، يجب أن يكون هناك مكثف لتخزين الطاقة بقيمة سعة كبيرة لتخزين شحنة كافية حتى تتمكن العلامة من استقبال إشارة التعديل، ويمكن أن تظل طاقة الإدخال في الوقت الذي تكون فيه طاقة الإدخال صغيرة (مثل باعتبارها اللحظة التي لا يوجد فيها ناقل في تعديل OOK). ، للحفاظ على جهد إمداد الطاقة للرقاقة. إذا كانت طاقة الإدخال مرتفعة جدًا وارتفع جهد مصدر الطاقة إلى مستوى معين، فسيتحكم مستشعر الجهد في دائرة تثبيت الجهد في مصدر التسرب لتحرير الشحنة الزائدة على مكثف تخزين الطاقة، وذلك لتحقيق غرض الجهد الكهربي الاستقرار. الشكل 7 هو إحدى دوائر تنظيم الجهد المتوازية. تشكل ثلاث سلسلة من الثنائيات المتصلة D1 و D2 و D3 والمقاوم R1 مستشعر جهد للتحكم في جهد بوابة النازف M1. عندما يتجاوز جهد مصدر الطاقة مجموع جهد التشغيل للثنائيات الثلاثة، يرتفع جهد البوابة M1، ويتم تشغيل M1، ويبدأ في تفريغ مكثف تخزين الطاقة C1.

مبدأ نوع آخر من دوائر تثبيت الجهد هو استخدام نظام تثبيت الجهد المتسلسل. يظهر الرسم التخطيطي في الشكل 8. تم تصميم مصدر الجهد المرجعي كمصدر مرجعي مستقل عن جهد الإمداد. يتم تقسيم جهد مصدر طاقة الخرج بواسطة المقاوم ومقارنته بالجهد المرجعي، ويتم تضخيم الفرق بواسطة مضخم التشغيل للتحكم في إمكانات البوابة لأنبوب M1، بحيث يحافظ جهد الخرج والمصدر المرجعي بشكل أساسي على نفس الاستقرار ولاية.

يمكن لدائرة منظم الجهد هذه أن تنتج جهدًا أكثر دقة لإمداد الطاقة، ولكن نظرًا لأن أنبوب M1 متصل في سلسلة بين مصدر الطاقة غير المنظم ومصدر الطاقة المنظم، عندما يكون تيار الحمل كبيرًا، فإن انخفاض الجهد على أنبوب M1 سوف يسبب جهد أعلى. فقدان الطاقة. لذلك، يتم تطبيق بنية الدائرة هذه بشكل عام على الدوائر ذات استهلاك أقل للطاقة.

دائرة التعديل وإزالة التشكيل

أ. دائرة إزالة التشكيل

من أجل تقليل مساحة الرقاقة واستهلاك الطاقة، تعتمد معظم علامات RFID السلبية حاليًا تعديل ASK. بالنسبة لدائرة إزالة التشكيل ASK الخاصة برقاقة العلامة، فإن طريقة إزالة التشكيل شائعة الاستخدام هي طريقة اكتشاف المظروف، كما هو موضح في الشكل. 9 .

إن دائرة مضاعف الجهد لجزء الكشف عن المغلف وجزء استعادة الطاقة هي نفسها في الأساس، ولكن ليس من الضروري توفير تيار حمل كبير. يتم توصيل مصدر تيار التسرب على التوازي في المرحلة النهائية من دائرة كشف المغلف. عندما يتم تعديل إشارة الإدخال، تنخفض طاقة الإدخال، ويقلل مصدر التسرب من جهد إخراج المغلف، بحيث يمكن لدائرة المقارنة اللاحقة الحكم على إشارة التعديل. نظرًا للنطاق الكبير من اختلافات الطاقة في إشارة التردد اللاسلكي المدخلة، يجب تعديل تيار مصدر التسرب ديناميكيًا للتكيف مع التغيرات في شدة المجال المختلفة في المجال القريب والمجال البعيد. على سبيل المثال، إذا كان تيار مصدر طاقة التسرب صغيرًا، فيمكنه تلبية احتياجات المقارنة عندما تكون قوة المجال ضعيفة، ولكن عندما تكون العلامة في المجال القريب بقوة مجال قوية، فلن يكون تيار التسرب كافيًا لإصدار الإشارة المكتشفة، إذا كان هناك تغيير كبير في السعة، فلن تتمكن مقارنة المرحلة اللاحقة من العمل بشكل طبيعي. لحل هذه المشكلة، يمكن اعتماد هيكل مصدر التسرب كما هو موضح في الشكل 10.

عندما لا يتم تعديل حامل الإدخال، تكون إمكانات البوابة لأنبوب النازف M1 هي نفس إمكانات التصريف، مما يشكل أنبوب NMOS متصل بالديود، والذي يثبت خرج المغلف بالقرب من جهد العتبة M1. الطاقة المستهلكة على M1 متوازنة. عندما يتم تعديل حامل الإدخال، تنخفض طاقة إدخال الشريحة، وفي هذا الوقت بسبب عمل دائرة التأخير R1 وC1، تظل إمكانات البوابة M1 عند المستوى الأصلي، ويتسرب M1 من التيار المتحرر