패시브 UHF RFID 트랜스폰더 칩 RF 회로 설계

무선 주파수 식별(Radio Frequency IdenlificaTInn, RFID)은 1990년대에 등장한 자동 식별 기술입니다. RFID 기술은 바코드 기술에 없는 많은 장점을 가지고 있으며, 2세대 시민권*, 시티카드, 금융거래, 공급망 관리, ETC, 출입통제, 공항 수하물 관리, 대중교통, 컨테이너 식별, 가축관리 등이 있습니다. 따라서 RFID 칩 제조 기술을 습득하는 것이 매우 중요해집니다. 현재 애플리케이션 수요가 증가함에 따라 RFID 칩에 대한 요구 사항이 높아지고 더 큰 용량, 더 낮은 비용, 더 작은 크기 및 더 높은 데이터 속도가 요구됩니다. 이러한 상황에 맞춰 본 논문에서는 장거리, 저전력 패시브 UHF RFID 트랜스폰더 칩 RF 회로를 제안한다.

RFID의 일반적인 동작 주파수에는 저주파 125kHz, 134.2kHz, 고주파 13.56MHz, 초고주파 860-930MHz, 마이크로파 2.45GHz, 5.8GHz 등이 있습니다. 왜냐하면 저주파 125kHz, 134.2kHz, 고주파 13.56MHz 시스템이기 때문입니다. 코일을 안테나로 사용하고 유도 결합 방식을 채택하며 작동 거리는 일반적으로 1.2m 이하로 상대적으로 짧고 유럽 및 기타 지역에서는 대역폭이 수 킬로헤르츠로 제한됩니다. 그러나 UHF(860~93Uh1Hz)와 마이크로파(2.45GHz, 5.8GHz)는 더 긴 작동 거리, 더 높은 데이터 속도 및 더 작은 안테나 크기를 제공할 수 있어 RFID의 뜨거운 연구 분야가 되었습니다.

본 논문에서 제안하는 RF 회로 칩은 쇼트키 다이오드와 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)을 지원하는 Chartered 0.35μm 2P4M CMOS 프로세스를 사용하여 테이프아웃됩니다. 쇼트키 다이오드는 직렬 저항과 순방향 전압이 낮고, 수신된 RF 입력 신호 에너지를 DC 전원으로 변환할 때 높은 변환 효율을 제공하여 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 유효 등방성 복사 전력(EIRP)이 4W(36dBm)이고 안테나 이득이 0dB일 때 RF 회로 칩은 915MHz에서 작동하고 판독 거리는 3m 이상이고 작동 전류는 8μA 미만입니다.

1 RF 회로 구조

주로 무선 주파수 회로, 논리 제어 회로 및 EEPROM을 포함하는 UHF RF1D 트랜스폰더 칩. 그 중 무선 주파수 회로 부분은 국부 발진기 및 클록 생성 회로, 파워 온 리셋 회로, 전압 기준 소스, 정합 네트워크 및 후방 산란 회로, 정류기, 전압 조정기 및 진폭 변조(AM)와 같은 주요 회로 모듈로 나눌 수 있습니다. ) 복조기 등 안테나를 제외한 외부 구성 요소는 없습니다. 안테나 부분은 다이폴 구조를 채택하고 칩 전체의 유일한 에너지원으로 매칭 네트워크를 통해 정류기의 입력 임피던스와 매칭됩니다. 그 등가 모델은 그림 2에 나와 있습니다. 다이폴 안테나 임피던스의 실수 부분은 Rra와 Rloss로 구성됩니다. 여기서 Rra는 다이폴 안테나에 고유한 방사 임피던스로 일반적으로 73Ω을 나타냅니다. 전자기파를 방사하는 안테나의 능력; Rloss 안테나를 만드는 데 사용되는 금속에 의해 발생하는 저항 저항은 일반적으로 열만 발생시킵니다. 안테나 임피던스의 가상 부분 X는 일반적으로 양수입니다. 왜냐하면 안테나는 일반적으로 외부에 유도성이 있고 이 등가 인덕턴스의 크기는 일반적으로 안테나의 토폴로지와 기판의 재료에 따라 달라지기 때문입니다. 정류기는 결합된 RF 입력 신호의 전력을 칩에 필요한 DC 전압으로 변환합니다. 전압 조정기는 DC 전압을 일정 수준으로 안정화하고 DC 전압의 크기를 제한하여 과도한 전압으로 인해 칩이 파손되는 것을 방지합니다. AM 복조기는 수신된 반송파 신호에서 해당 데이터 신호를 추출하는 데 사용됩니다. 후방 산란 회로는 가변 정전 용량을 통해 RF 회로의 임피던스를 변경하여 트랜스폰더 데이터를 RFID 질문기 또는 카드 판독기로 전송합니다. 파워온 리셋 회로는 칩 전체의 리셋 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 915MHz UHF 트랜스폰더는 13.56MHz 고주파(HF) 트랜스폰더와 달리 반송파에서 주파수를 나누어 로컬 클럭을 얻을 수 없고, 내장된 저전력 로컬 발진기를 통해 디지털 논리회로 부분에만 클럭을 제공할 수 있다. . 이러한 모든 회로 블록은 아래에서 하나씩 자세히 설명됩니다.

2 회로 설계 및 분석

2.1 정류기 및 전압 조정기 회로

본 논문에서는 쇼트키 다이오드로 구성된 딕슨 차지펌프를 정류회로로 사용하였다. 회로의 개략도는 그림 3에 나와 있습니다. 이는 쇼트키 다이오드의 시리즈가 낮기 때문입니다.저항과 접합 커패시턴스는 수신된 RF 입력 신호 에너지를 DC 전원으로 변환할 때 높은 변환 효율을 제공하여 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 모든 쇼트키 다이오드는 폴리폴리 커패시터로 서로 연결됩니다. 수직 커패시터는 입력 전압 Vin의 음의 반주기 동안 에너지를 충전하고 저장하는 반면, 측면 커패시터는 Vin의 양의 반주기 동안 에너지를 충전하고 저장하여 DC를 생성합니다. 고전압, 결과 전압은 다음과 같습니다.

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

여기서 Vp, RF는 입력 무선 주파수 신호의 진폭, Vf, D는 쇼트키 다이오드의 순방향 전압, n은 사용된 차지 펌프의 스테이지 수입니다.

정류기에 의한 DC 전압 출력을 특정 수준으로 안정화하고 전체 트랜스폰더 칩에 안정적인 작동 전압을 제공하여 트랜스폰더 칩의 물리적 위치로 인해 DC 전압 진폭이 변경되지 않도록 하고 칩 충격 가능성을 방지합니다. 트랜스폰더 칩을 보호하기 위해 착용하십시오. 회로는 자기 바이어스 Cascnde 구조를 채택합니다. 이 회로 구조를 선택한 이유는 Cascnde 구조가 Common Gate Tube의 Isolation 효과를 가지고 있어 전력 변동을 억제하는 능력이 뛰어나 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)을 향상시키기 때문입니다. 두 분기 전류의 기본 안정성을 보장합니다. Q1과 Q2의 면적비는 1:8이다. 또한 일반적인 HF RFID 트랜스폰더와 달리 칩의 전체 전력 소모를 줄이기 위해 저전압 시동 회로를 갖춘 저전력 전압 레퍼런스 소스를 설계에 채택했습니다.