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电压数据读卡器基于ISO14443A协议的RFID芯片模拟前端设计

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RFID(射频识别)被广泛地应用在人们的日常生活中,如门禁、市民卡、机场、物流等领域。RFID芯片的需求量与日俱增,给低功耗、小面积的芯片设计带来了挑战。低功耗、小面积、低成本的RFID芯片在激烈的市场竞争中更有优势。本文给出的RFID芯片设计,从整个系统上对数字部分电路的功耗作了优化,并且对模拟电路部分作了一些改进,减小了芯片功耗和面积,从而降低了成本。该RFID芯片于2010年6月在SMIC 0.18 μm工艺下流片,工作情况良好。

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。

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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。

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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13.56
MHz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。

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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。
3.2 数据接收
图4为数据接收电路,即解调电路。读卡器向卡发送的数据是载波为13.56 MHz、数据率为106 kb/s的100%的幅度调制信号,波形可以看作106 kHz的方波与13.56 MHz的正弦波的乘积。数据解调的原理是:当RF1电压为正弦波时(即有效数据1部分),电压信号由D0、I0、C1、C2构成的包络检波整形。在A点得到直流电压为VREF6并带有一定纹波的电压信号,纹波的大小由C1、C2、I0的大小决定。选取REF6=0.6 V,VREF3=0.3 V,比较器输出高电压。当RF1电压由正弦变为0(有效数据0部分)时,由于A点信号反应速度高于放大器带宽,包络检波的A点电压迅速降低,使VA<VREF3,比较器输出低电压,并且关闭放大器,使A点电压稳定在0,比较器的输出保持0,等待下一个数据。

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由于工艺与温度的偏差,导致I0、C1、C2的值发生变化,A点的纹波大小会发生变化。在RF1为正弦波,也就是数据为1的时候,若A点的纹波大于2(VREF6~VREF3),数据解调将发生错误。比较器在有效数据为1时应输出高电压,但是由于A点电压纹波过大导致比较器输出在数据为1输出13.56 MHz的方波,解调失败。可以通过提高VREF6的值,从而提高A点纹波的容忍度,来解决这个问题。但是若A点电压过高,使A点反应速度低于放大器带宽,数据由1变为0时,A点不能迅速作出反应,产生低电压,所以不能解调出数据0。所以VREF6的值的选取需要适中,最好可以由系统动态配置。

3.3 数据发送
图5为数据发送电路,即调制电路。卡发送到读卡器的是载波为13.56MHz,数据率为847kb/s的幅度调制信号。此电路的原理是采用负载调制的方法达到协议要求的幅度调制的目的。当不需要发送数据时,数据线为0,RF1、RF2为13.56MHz的载波。需要发送数据时,数据线为847 kHz米勒编码的方波。当数据为0时,RF1、RF2上的正弦电压幅值较大。当数据为1时,M1打开,将RF1、RF2上的电压拉低,即RF1、RF2上正弦信号的幅值变低,数据的变化会导致RF1、RF2上载波幅值变化,从而完成数据的发送。

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卡向读卡器发送数据时,系统上作出了优化,使模拟电路的设计变得简单可靠。当发送数据1时,由线圈耦合过来的能量大部分由M1释放,从而导致用于芯片正常工作的能量变少,使芯片不能正常工作,交互失败。所以,当向外发送数据时,软件使芯片内部嵌入的8051处理器进入休眠模式,降低整个芯片的功耗,从而使芯片安全渡过电源不足的阶段。

4 仿真与测试
图6为仿真结果,卡与读卡器的交互分为3个阶段:
①二者无数据交互,此时卡开始上电或者处理接收到的数据,此时电源电压稳定;
②接收数据,线圈发出的上是100%的幅度调制信号,DATA_IN为解调后的数据;
③发送数据,卡产生的DATA_OUT是847 kHz的方波,对线圈上的电压进行负载调制,调制后线圈上的电压信号是幅度调制信号,这些信号会被读卡器耦合并解调。

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在整个交互过程中电源电压保持稳定。测试结果与仿真结果基本一致。

结语
本文讨论了RFID芯片模拟前端的实现方法,在电源产生、数据收发方面采用了新技术,并且从整个系统上作了优化,简化了模拟前端的设计,使整个系统更可靠。该芯片已通过小额支付与门禁系统的实验室测试,其对恶劣外界干扰的抵御能力需要进一步测试与改进。

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