基于ISO14443A协议的RFID模拟前端设计

2011-08-09 14:58:34来源: 互联网 关键字:ISO14443A协议  RFID模拟前端

  引言

  实现基于ISO14443A协议的13.56 MHz RFID芯片的设计,并在SMIC 0.18 μm工艺下流片,芯片测试结果良好。RFID芯片模拟前端部分在AC—DC电源产生部分采用了新的结构,不需要引入LDO就可以产生稳定的电源。在数据接收部分采用了新结构,可以抵御工艺偏差引起的器件参数的变化。在数据发送部分,从系统上作了优化,使模拟部分的电路变得简单可靠。整个模拟部分的电流小于100μA。

  1 RFID系统结构

  图1为RFID系统结构框图。整个RFID系统包括读卡器、RFID芯片和耦合线圈。卡与读卡器通信过程中的能量和数据通过线圈耦合,当二者无数据交互时,读卡器向空间中发送13.56 MHz的正弦载波信号。卡靠近读卡器时,片外线圈会耦合空间中的磁场为RFID芯片提供能量,使模拟前端和其他部分上电,准备交互。RFID芯片接收到的数据是100%的幅度调制,采用改进型的曼彻斯特编码。RFID发送到读卡器的数据也采用幅度调制。

  

RFID系统结构框图

 

  2 模拟前端结构

  图2为模拟前端的结构框图,L为片外电感,C为片内电容,LC谐振在13.56 MHz。RFID读卡器通过线圈发送能量和数据,LC谐振回路接收读卡器发出的信号,并通过模拟前端电路提取出电源和数据,提供给整个芯片,以使卡与读卡器进行交互。

  

模拟前端的结构框图

 

  当RFID靠近读卡器时,整流器产生的电源电压被LC谐振电路提高,当电压提高的一定值时,限幅器工作,使电源电压被箝位并稳定在设定的值上,给其他模拟模块和数字部分供电。上电复位电路(POR)工作,给出复位信号,使数字部分复位。读卡器发出的数据是载波为13.56MHz数据率为106 kb/s的100%幅度调制信号,通过解调器解调提供给数字部分处理。RFID通过调制器向读卡器发出载波为13.56 MHz数据率为847 kb/s的幅度调制信号。

  3 模拟前端电路设计

  3.1 电源产生

  图3为电源产生电路,由整流器和限幅器组成。当卡与读卡器无数据交互时,读卡器向空间中发射13.56MHz的正弦交变电磁场。图3中L为片外电感,C为片内电容,LC匹配的谐振频率为13.56 MHz,C1为稳压储能电容。当卡由远及近靠近读卡器时,LC发生谐振,RF1和RF2上的电压被谐振电路抬高,整流器开始工作,将正弦交变电压转化为直流电压VDD。当空间中电磁场强度很弱时,VDD电压值较低,不能给芯片供电。随着卡靠近读卡器,LC耦合得到的能量变强,VDD升高到芯片工作所需要的额定电压,芯片开始工作。但是,若卡继续靠近读卡器,VDD会继续上升,上升到超过MOS的击穿电压时芯片内的器件会被烧坏而失效。所以,需要引入限幅器,使VDD稳定在芯片工作的额定电压,这里设定的是2V。

  

电源产生电路

 

  限幅器的设计需要满足两点要求:第一,可精确调节;第二,高增益。正常情况下读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。随着卡靠近读卡器,RF1和RF2的电压升高,VDD和Vdect跟随RF1、RF2上升,当:

  VDD≈V_dect=3Vthp+VREF (1)

  此时,M61、M62、M63组成的支路导通,M51的尺寸远大于M52的尺寸,二者构成的反相器翻转阈值为V_dect—Vthp,当M61所在支路导通时,M51和M52构成的反相器翻转,X输出高电压,使M7打开,RF1和RF2通过M31、M32泄流,从而电压VDD被箝位稳定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的灵敏度提高,当VDD恰好达到式(1)时,限幅器就开始泄流稳压,使VDD不随读卡器能量的变化而变化,以及不随负载的变化而变化。高增益的限幅器可以看作理想的稳压二极管。由式(1)可知,只需调节VREF即可得到精确的想要的VDD,例如Vthp=0.4 V,需要VDD=2 V,只需设定VREF=0.8 V即可。此处设计的限幅器可以看作电压可精确调节的理想稳压二极管。

[1] [2]

关键字:ISO14443A协议  RFID模拟前端

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0809/article_6362.html
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