基于ISO14443A協(xié)議的RFID芯片模擬前端設(shè)計
摘要:實現(xiàn)基于ISO14443A協(xié)議的13.56 MHz RFID芯片的設(shè)計,并在SMIC 0.18 μm工藝下流片,芯片測試結(jié)果良好。RFID芯片模擬前端部分在AC—DC電源產(chǎn)生部分采用了新的結(jié)構(gòu),不需要引入LDO就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電源。在數(shù)據(jù)接收部分采用了新結(jié)構(gòu),可以抵御工藝偏差引起的器件參數(shù)的變化。在數(shù)據(jù)發(fā)送部分,從系統(tǒng)上作了優(yōu)化,使模擬部分的電路變得簡單可靠。整個模擬部分的電流小于100μA。
關(guān)鍵詞:射頻識別;整流器;限幅器;調(diào)制器;解調(diào)器
引言
RFID(射頻識別)被廣泛地應(yīng)用在人們的日常生活中,如門禁、市民卡、機場、物流等領(lǐng)域。RFID芯片的需求量與日俱增,給低功耗、小面積的芯片設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。低功耗、小面積、低成本的RFID芯片在激烈的市場競爭中更有優(yōu)勢。本文給出的RFID芯片設(shè)計,從整個系統(tǒng)上對數(shù)字部分電路的功耗作了優(yōu)化,并且對模擬電路部分作了一些改進,減小了芯片功耗和面積,從而降低了成本。該RFID芯片于2010年6月在SMIC 0.18 μm工藝下流片,工作情況良好。
1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個RFID系統(tǒng)包括讀卡器、RFID芯片和耦合線圈??ㄅc讀卡器通信過程中的能量和數(shù)據(jù)通過線圈耦合,當(dāng)二者無數(shù)據(jù)交互時,讀卡器向空間中發(fā)送13.56 MHz的正弦載波信號。卡靠近讀卡器時,片外線圈會耦合空間中的磁場為RFID芯片提供能量,使模擬前端和其他部分上電,準備交互。RFID芯片接收到的數(shù)據(jù)是100%的幅度調(diào)制,采用改進型的曼徹斯特編碼。RFID發(fā)送到讀卡器的數(shù)據(jù)也采用幅度調(diào)制。
2 模擬前端結(jié)構(gòu)
圖2為模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖,L為片外電感,C為片內(nèi)電容,LC諧振在13.56 MHz。RFID讀卡器通過線圈發(fā)送能量和數(shù)據(jù),LC諧振回路接收讀卡器發(fā)出的信號,并通過模擬前端電路提取出電源和數(shù)據(jù),提供給整個芯片,以使卡與讀卡器進行交互。
當(dāng)RFID靠近讀卡器時,整流器產(chǎn)生的電源電壓被LC諧振電路提高,當(dāng)電壓提高的一定值時,限幅器工作,使電源電壓被箝位并穩(wěn)定在設(shè)定的值上,給其他模擬模塊和數(shù)字部分供電。上電復(fù)位電路(POR)工作,給出復(fù)位信號,使數(shù)字部分復(fù)位。讀卡器發(fā)出的數(shù)據(jù)是載波為13.56
MHz數(shù)據(jù)率為106 kb/s的100%幅度調(diào)制信號,通過解調(diào)器解調(diào)提供給數(shù)字部分處理。RFID通過調(diào)制器向讀卡器發(fā)出載波為13.56 MHz數(shù)據(jù)率為847 kb/s的幅度調(diào)制信號。
3 模擬前端電路設(shè)計
3.1 電源產(chǎn)生
圖3為電源產(chǎn)生電路,由整流器和限幅器組成。當(dāng)卡與讀卡器無數(shù)據(jù)交互時,讀卡器向空間中發(fā)射13.56MHz的正弦交變電磁場。圖3中L為片外電感,C為片內(nèi)電容,LC匹配的諧振頻率為13.56 MHz,C1為穩(wěn)壓儲能電容。當(dāng)卡由遠及近靠近讀卡器時,LC發(fā)生諧振,RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高,整流器開始工作,將正弦交變電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓VDD。當(dāng)空間中電磁場強度很弱時,VDD電壓值較低,不能給芯片供電。隨著卡靠近讀卡器,LC耦合得到的能量變強,VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓,芯片開始工作。但是,若卡繼續(xù)靠近讀卡器,VDD會繼續(xù)上升,上升到超過MOS的擊穿電壓時芯片內(nèi)的器件會被燒壞而失效。所以,需要引入限幅器,使VDD穩(wěn)定在芯片工作的額定電壓,這里設(shè)定的是2V。
限幅器的設(shè)計需要滿足兩點要求:第一,可精確調(diào)節(jié);第二,高增益。正常情況下讀卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量,多余的能量需要限幅器泄放掉。隨著卡靠近讀卡器,RF1和RF2的電壓升高,VDD和Vdect跟隨RF1、RF2上升,當(dāng):
VDD≈V_dect=3Vthp+VREF (1)
此時,M61、M62、M63組成的支路導(dǎo)通,M51的尺寸遠大于M52的尺寸,二者構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn)閾值為V_dect—Vthp,當(dāng)M61所在支路導(dǎo)通時,M51和M52構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn),X輸出高電壓,使M7打開,RF1和RF2通過M31、M32泄流,從而電壓VDD被箝位穩(wěn)定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的靈敏度提高,當(dāng)VDD恰好達到式(1)時,限幅器就開始泄流穩(wěn)壓,使VDD不隨讀卡器能量的變化而變化,以及不隨負載的變化而變化。高增益的限幅器可以看作理想的穩(wěn)壓二極管。由式(1)可知,只需調(diào)節(jié)VREF即可得到精確的想要的VDD,例如Vthp=0.4 V,需要VDD=2 V,只需設(shè)定VREF=0.8 V即可。此處設(shè)計的限幅器可以看作電壓可精確調(diào)節(jié)的理想穩(wěn)壓二極管。
3.2 數(shù)據(jù)接收
圖4為數(shù)據(jù)接收電路,即解調(diào)電路。讀卡器向卡發(fā)送的數(shù)據(jù)是載波為13.56 MHz、數(shù)據(jù)率為106 kb/s的100%的幅度調(diào)制信號,波形可以看作106 kHz的方波與13.56 MHz的正弦波的乘積。數(shù)據(jù)解調(diào)的原理是:當(dāng)RF1電壓為正弦波時(即有效數(shù)據(jù)1部分),電壓信號由D0、I0、C1、C2構(gòu)成的包絡(luò)檢波整形。在A點得到直流電壓為VREF6并帶有一定紋波的電壓信號,紋波的大小由C1、C2、I0的大小決定。選取REF6=0.6 V,VREF3=0.3 V,比較器輸出高電壓。當(dāng)RF1電壓由正弦變?yōu)?(有效數(shù)據(jù)0部分)時,由于A點信號反應(yīng)速度高于放大器帶寬,包絡(luò)檢波的A點電壓迅速降低,使VA<VREF3,比較器輸出低電壓,并且關(guān)閉放大器,使A點電壓穩(wěn)定在0,比較器的輸出保持0,等待下一個數(shù)據(jù)。
由于工藝與溫度的偏差,導(dǎo)致I0、C1、C2的值發(fā)生變化,A點的紋波大小會發(fā)生變化。在RF1為正弦波,也就是數(shù)據(jù)為1的時候,若A點的紋波大于2(VREF6~VREF3),數(shù)據(jù)解調(diào)將發(fā)生錯誤。比較器在有效數(shù)據(jù)為1時應(yīng)輸出高電壓,但是由于A點電壓紋波過大導(dǎo)致比較器輸出在數(shù)據(jù)為1輸出13.56 MHz的方波,解調(diào)失敗??梢酝ㄟ^提高VREF6的值,從而提高A點紋波的容忍度,來解決這個問題。但是若A點電壓過高,使A點反應(yīng)速度低于放大器帶寬,數(shù)據(jù)由1變?yōu)?時,A點不能迅速作出反應(yīng),產(chǎn)生低電壓,所以不能解調(diào)出數(shù)據(jù)0。所以VREF6的值的選取需要適中,最好可以由系統(tǒng)動態(tài)配置。
3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送
圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送電路,即調(diào)制電路??òl(fā)送到讀卡器的是載波為13.56MHz,數(shù)據(jù)率為847kb/s的幅度調(diào)制信號。此電路的原理是采用負載調(diào)制的方法達到協(xié)議要求的幅度調(diào)制的目的。當(dāng)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)線為0,RF1、RF2為13.56MHz的載波。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)線為847 kHz米勒編碼的方波。當(dāng)數(shù)據(jù)為0時,RF1、RF2上的正弦電壓幅值較大。當(dāng)數(shù)據(jù)為1時,M1打開,將RF1、RF2上的電壓拉低,即RF1、RF2上正弦信號的幅值變低,數(shù)據(jù)的變化會導(dǎo)致RF1、RF2上載波幅值變化,從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。
卡向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)上作出了優(yōu)化,使模擬電路的設(shè)計變得簡單可靠。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)1時,由線圈耦合過來的能量大部分由M1釋放,從而導(dǎo)致用于芯片正常工作的能量變少,使芯片不能正常工作,交互失敗。所以,當(dāng)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時,軟件使芯片內(nèi)部嵌入的8051處理器進入休眠模式,降低整個芯片的功耗,從而使芯片安全渡過電源不足的階段。
4 仿真與測試
圖6為仿真結(jié)果,卡與讀卡器的交互分為3個階段:
①二者無數(shù)據(jù)交互,此時卡開始上電或者處理接收到的數(shù)據(jù),此時電源電壓穩(wěn)定;
②接收數(shù)據(jù),線圈發(fā)出的上是100%的幅度調(diào)制信號,DATA_IN為解調(diào)后的數(shù)據(jù);
③發(fā)送數(shù)據(jù),卡產(chǎn)生的DATA_OUT是847 kHz的方波,對線圈上的電壓進行負載調(diào)制,調(diào)制后線圈上的電壓信號是幅度調(diào)制信號,這些信號會被讀卡器耦合并解調(diào)。
在整個交互過程中電源電壓保持穩(wěn)定。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。
結(jié)語
本文討論了RFID芯片模擬前端的實現(xiàn)方法,在電源產(chǎn)生、數(shù)據(jù)收發(fā)方面采用了新技術(shù),并且從整個系統(tǒng)上作了優(yōu)化,簡化了模擬前端的設(shè)計,使整個系統(tǒng)更可靠。該芯片已通過小額支付與門禁系統(tǒng)的實驗室測試,其對惡劣外界干擾的抵御能力需要進一步測試與改進。