CN101253518A - 包含不抑制初级电荷泵的天线阻抗调制开关的无源非接触集成电路 - Google Patents

包含不抑制初级电荷泵的天线阻抗调制开关的无源非接触集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调制天线电路(ACT，W1，W2)阻抗的方法，其中该天线电路为至少包含第一泵级(D1，D2，C1，C2)和最后泵级(D5，D6，C5，C6)的电荷泵提供泵信号(S1，S2)，电荷泵的最后泵级提供持续电压(Vcc)。根据本发明，第一泵级(D1，D2，C1，C2)的输出端通过开关(SW1)短路，最后泵级继续产生电荷并提供持续电压(Vcc)。具体应用于RFID无源收发机。

Description

包含不抑制初级电荷泵的天线阻抗调制开关的无源非接触集成电路
本发明涉及非接触集成电路，尤其涉及由天线电路提供的信号供电的无源型非接触集成电路。
非接触集成电路或者无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)集成电路有多方面的应用，象电子标签和非接触芯片卡的制造，比如电子钱夹、访问控制卡、交通卡等。
本发明更具体地涉及超高频(Ultra High Frequency，UHF)非接触集成电路，在振荡频率为几百赫兹、通常范围从800MHz到100GHz的超高频电场存在下运作。
图1示意性地表示超高频型非接触集成电路IC1。电路IC1包含天线电路ACT、初级电荷泵PMP、调制电路MCT和解调电路DCT，它们共同组成了非接触通讯接口。集成电路还包含控制单元CTU和非易失性存储器MEM。存储器可以例如是电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)，其能使集成电路记忆事务数据和/或标识数据。控制器CTU通过执行在存储器中读写的命令控制对存储器的访问。
天线电路ACT包含两个形成偶极的导体W1、W2。当存在如图中所示的由阅读器RD1发射的电场E时，在导体W1、W2上出现天线信号S1、S2。这些天线信号S1、S2是低振幅、只有几十伏特并且反相的交流信号。
初级电荷泵PMP被作为泵信号的信号S1、S2所驱动，并提供持续电压Vcc。电压Vcc典型约为1伏特到几伏特，如1.8V，如果集成电路是完全无源的(即没有自主供电，如电池)，它确保集成电路的供电。
电路MCT从控制单元CTU接收将经由天线电路发送的数据DTx，并且根据这些数据调制天线电路ACT的阻抗。最后，电路MCT向电荷泵PMP施加一个包含编码形式的数据DTx的调制信号Sm(DTx)。信号Sm(DTx)默认情况下有一个无效值，比如0，而在调制期间，有一个有效值，比如1，其具有短路电荷泵的作用。
当信号Sm(DTx)无效时，天线电路ACT吸收所有的由阅读器RD1发射的和由天线电路ACT摄取的入射功率Pi，天线电路的阻抗适合这个目的。当信号Sm(DTx)为1时，电荷泵的短路导致天线电路阻抗的调制，并且因而引起其反射系数的调制。然后天线电路失谐并发送功率Pr的反射波。反射波被阅读器RD1接收，并且在它自己的天线电路中被调制信号的出现所补偿为，其中该调制信号为信号Sm(DTx)的映像。阅读器通过自适应滤波器从其天线电路中提取调制信号，并且在解调和解码后推断出数据DTx。这种数据无源传输的技术通常称为“后向散射(backscattering)”。
图2表示电荷泵PMP的标准结构，并且表示出了由信号Sm(DTx)控制并用于使电荷泵短路的调制开关SW1。
电荷泵PMP包含三个串联的泵级。每个泵级包含两个二极管和两个电容器，后者连接至天线电路的导体W1、W2以接收信号S1、S2。调制开关SW1安排成与电荷泵的最后级输出端并联。当Sm(DTx)＝1时，开关闭合(导电)，Sm(DTx)＝0时，开关断开(不导电)。
当开关闭合时，电荷泵的输出端短路并且不再产生电压Vcc。为了避免全部断开供应电压Vcc，在电荷泵的输出端增加一个保持电容Ch。电容器Ch通过反向安装的隔离二极管Di连接到电荷泵的输出端。因而，当开关SW1使电荷泵的输出短路时，二极管Di自身阻隔并且电容器Ch独自使电压Vcc保持在临界阈值以上，电压Vcc在该临界阈值以下时，集成电路停止运行。
同时，由反向器IG1提供的信号/Sm(DTx)驱动的辅助开关SW2被安排成与二极管Di并联连接。当开关SW1断开时，开关SW2闭合并且二极管Di短路。因此，电容器Ch以电压Vcc充电而不使二极管Di终端上的电压流失。
这种调制天线电路ACT阻抗的方法，尽管对于通过后向散射发送数据来说很重要，但是存在完全中和了由电荷泵产生持续电压Vcc的缺陷。因而，尽管提供了保持电容器Ch，但是当集成电路发送数据时，电压Vcc也会迅速下降。当关注能量接收时，数据发射周期就是临界周期，它限定了与阅读器RD1的最大通讯距离。
因此，本发明目的在于提供一种允许对超高频天线电路阻抗调制而不完全抑制初级电荷泵产生持续电压的方法。
本发明目的是通过以下方法达到，该方法用于调制向至少包含第一泵级和最后泵级的电荷泵提供泵信号的天线电路阻抗，电荷泵的最后泵级提供持续电压，包含将短路应用于电荷泵的步骤，其中，为了使最后泵级能继续产生电荷并且提供持续的电压，短路被应用于第一泵级的输出端。
根据一实施例，电荷泵至少包含一个第一泵级和最后泵级间的中间泵级，其中，为了使中间泵级能继续产生电荷，电荷泵的短路被应用于第一泵级的输出端。
根据一实施例，短路被应用于第一泵级的输出电容器。
根据一实施例，本方法应用于电荷泵，其中，每个泵级包含输入二极管和输入电容器，输出二极管和输出电容器，输入二极管的负极连接至输出二极管的正极和输入电容器的第一端，输入电容器的第二端接收第一天线信号作为第一泵信号，输出二极管的负极连接至输出电容器的第一端，输出电容器的第二端接收第二天线信号作为第二泵信号。
根据一实施例，短路通过一个具有低固有串联电阻并且不包含任何附加串联阻抗的调制开关得以应用。
本发明还涉及包含天线电路、由天线电路提供的泵信号驱动的电荷泵、以及至少一个用于调制天线电路阻抗的开关的非接触集成电路，其中上述电荷泵至少包含第一泵级和最后泵级，最后泵级提供持续电压，上述开关安排成当其在导电状态时使电荷泵短路，其中，为了使电荷泵的最后泵级继续产生电荷以及提供持续电压，调制开关被安排成用于使电荷泵第一泵级的输出端短路。
根据一实施例，电荷泵至少包含一个在第一泵级和最后泵级之间的中间泵级，当调制开关使电荷泵的第一泵级的输出端短路时中间泵级能继续产生电荷。
根据一实施例，调制开关被安排用于使电荷泵第一泵级的输出电容器短路。
根据一实施例，每个泵级包含输入二极管和输入电容器、输出二极管和输出电容器，输入二极管的负极连接于输出二极管的正极和输入电容器的第一端，输入电容器的第二端接收第一天线信号作为第一泵信号，输出二极管的负极连接于输出电容器的第一端，输出电容器的第二端接收第二天线信号作为第二泵信号。
根据一实施例，集成电路由电荷泵的最后泵级提供的持续电压供电。
根据一实施例，调制开关具有低固有串联内阻并且不包含任何附加串联阻抗，以将全部短路应用于电荷泵第一泵级的输出端。
本发明还涉及 电子便携物，其包含便携支持物和固定在便携支持物上或者集成在便携支持物内的根据本发明的集成电路。
本发明的上述其它目的、优点和特征将由以下对实施本发明方法的实例的说明、结合但不限于以下附图进行详细介绍：
图1示意性地表示非接触集成电路的结构；
图2表示用于调制与电荷泵连接的天线电路阻抗的初级电荷泵及其标准装置；
图3表示根据本发明的用于调制与电荷泵连接的天线电路阻抗的初级电荷泵及其标准装置；
图4表示当永久短路应用于各电荷泵时，图2的电荷泵提供的电压以及图3的电荷泵提供的电压的图示；以及
图5表示当间歇短路应用于各电荷泵时，图2的电荷泵提供的电压以及图3的电荷泵提供的电压的图示。
参照图2，本发明是基于以下认知，即由开关SW1应用到电荷泵PMP的输出端、即电荷泵最后级的输出端的用于调制天线电路ACT阻抗的短路，在关注天线电路的反射系数时，可以被应用在电荷泵的其它泵级而以最小的量获得等同的效果。
本发明基于的另一个认知是，如果该短路应用到电荷泵的非最后泵级时，位于短路区域下游的泵级会继续运转。这样，电荷泵的输出端继续提供持续的电压Vcc，尽管该电压因位于短路区域上游的泵级的缺少而衰减。
因此，本发明提供了将阻抗调制短路应用到电荷泵的非最后泵级的输出端、特别是应用到电荷泵第一泵级的输出端，所以短路区域下游的泵级数最多而电压Vcc的衰减最小。
图3表示本发明应用于如图2所示的电荷泵，其结构将在以下详细说明。
电荷泵PMP包含三个串联的泵级。第一泵级包含输入二极管D1、输入电容器C1、输出二极管D2和输出电容器C2。第二泵级包含输入二极管D3、输入电容器C3、输出二极管D4和输出电容器C4。第三以及最后泵级包含输入二极管D5、输入电容器C5、输出二极管D6和输出电容器C6。
在每一泵级，输入二极管D1、D3、D5的负极连接至输入电容器C1、C3、C5的第一端和输出二极管D2、D4、D6的正极，输出二极管D2、D4、D6的负极连接至输出电容器C2、C4、C6的第一端。输入电容器C1、C3、C5的第二端连接在天线导体W1上接收第一天线信号S1。输出电容器C2、C4、C6的第二端连接在天线导体W2上接收第二天线信号S2。
电荷泵的三个泵级级联排列，二极管D2的负极连接至二极管D3的正极，二极管D4的负极连接至二极管D6的正极。在电荷泵的输入端，二极管D1的正极连接至导体W2。在电荷泵的输出端，电容器C6提供电压Vcc。为了使电压Vcc不浮动，导体W2连接到集成电路的地线。
在信号S1，S2各自的半周波，每个偶数级电容器Ci的第二端达到电势V(S2)，电势V(S2)高于由随后的奇数级电容器Ci+1的第二端接收的电势V(S1)，因此电容器Ci通过相应连接的二极管Di将电荷转移到随后的电容器Ci+1，然而上一级的二极管Di-1被阻断。在随后的各半周波，每个奇数级电容器Ci-1的第二端达到电势V(S1)，电势V(S1)高于由随后的偶数级电容器Ci的第二端接收的电势V(S2)，因此电容器Ci-1通过相应连接的二极管Di-1将电荷转移到随后的电容器Ci，然而上一级的二极管Di-2被阻断。
因而，如果Vs是天线信号S1、S2与二极管的阈值电压Vd的电压均方根值的差，则电荷泵每个泵级的电压增加值就等于2Vs-2Vd，即，比如当Vs等于0.5伏、Vd等于0.2伏时，为0.6伏。通过增加三个泵级的电压，最后泵级就可以提供1.8伏的电压。
根据本发明的方法，开关SW1安排在电荷泵第一泵级的输出端，即与电容器C2并联。
开关SW1例如可以是N沟道金属氧化物半导体(N-channel MetalOxideSemiconductor，MOS)晶体管，其漏极端子D连接至电容器C2的第一端(二极管D2的负极)，源极端子S连接至天线电路ACT的导体W1，即集成电路的地线。晶体管NMOS的栅极接收调制信号Sm(DTx)。
当信号Sm(DTx)为0时，开关SW1断开，并且电荷泵三个泵级各自增加的电压累积供给电压Vcc。当Sm(DTx)为1时(Vcc)，开关SW1闭合，并且电荷泵第一泵级的输出端短路。短路的结果还使电荷泵第二泵级的输入端(二极管D3的正极)连接到导体W1。第二泵级的输入端因此接收信号S1。于是电荷泵的第二泵级作为第一泵级运作。换句话说，电荷泵以两个而不是三个泵级运作。
图4表示当电荷泵被开关SW1永久短路时电压Vcc的曲线图。曲线C1表示当开关SW1是根据公知技术安排时，图2所示构造的电压Vcc的变化。曲线C2表示当开关SW1根据本发明安排时，图3所示构造的电压Vcc的变化。当开关SW1打开(SW1＝OFF)时，电压Vcc在两中情形下都达到等于天线电路的额定电源电压Vn的高值。开关SW1闭合(SW1＝ON)后，根据公知技术(曲线C1)的电压Vcc下降并趋于0，因为电容器Ch释放了它所聚集的电荷。根据本发明的电压Vcc(曲线C2)，在这里是由电容器C6提供的，由于电荷泵的第二和第三泵级确保在泵电荷，下降的速度更慢，然后趋于等于额定电压Vn(未考虑天线电路失谐时的理论值)2/3的值，而非0值。如果电荷泵包含四个泵级，该理论值为额定电压的3/4，如果电荷泵包含五个泵级，该理论值为额定电压的4/5....
然而，如图4所示的永久短路不符合调制开关SW1的正常使用，信号Sm(DTx)实际中为输送具有在有效状态1和默认状态0之间短期交替的数据的脉冲信号。
图5A表示当信号Sm(DTx)为如图5B所示的脉冲信号时的电压Vcc的曲线图。曲线C3表示当开关SW1根据公知常识安排时，图2所示构造中电压Vcc的变化。曲线C4表示当开关SW1根据本发明安排时，图3所示构造中电压Vcc的变化。在这两种情形中，每次当Sm(DTx)为1时，电压Vcc下降，每次当信号Sm(DTx)为0时，电压Vcc实质上升高，所以曲线C3、C4具有锯齿形轮廓。然而，根据本发明的电压Vcc(曲线C4)每当脉冲信号Sm(DTx)为1时下降较少，而当脉冲信号Sm(DTx)每次回到0时上升较快。因此，根据本发明的电压Vcc的平均值比根据公知技术的电压Vcc的平均值下降速度慢。
本发明适用于具有由天线信号提供持续电压的初级电荷泵的任何类型的集成电路，如同图1所示的集成电路IC1。该集成电路的具体结构，对于本领域的技术人员来说是公知的，在这里将不做详细描述。具体说，集成电路IC1通过工业技术规范《EPCTM-GEN2》(“Radio-FrequencyIdentity Protocols Class-1 Generation-2-UHF RFID Protocol forCommunications at 860MHz-960MHz”)中的标准教程可以设计出来。
本发明具有多种优点，尤其是在集成电路IC1和阅读器RD1之间具有更长的通讯距离，以及电容Ch、二极管Di和开关SW2的抑制。而且，调制阻抗(信号Sm(DTx)变到1)的周期可以持续更长，以便阅读器RD1可以更好地接收数据DTx。
在集成电路IC1与阅读器RD1通讯期间，阅读器RD1通过调制电场E向集成电路IC1发送数据DTr，比如调幅。该调幅影响天线信号S1、S2，所述信号S1、S2被电路DCT解调，以提取供控制单元CTU接收的数据DTr。
控制单元CTU控制集成电路中的各种元件，监督可能的安全协议的通讯和执行(如检查密码)，并且监督对阅读器RD1(以数据DTr的形式)发出的指令、尤其是在存储器MEM中读写的命令的执行。控制单元还会经由调制电路MCT发送数据DTx形式的对指令的响应。
集成电路IC1可以包含二级电荷泵，在图1中没有表示，用于对擦除和编程存储器MEM提供电压。该二级电荷泵由初级电荷泵提供的电压Vcc供电，并提供升压电压。
根据本发明有关天线电路的阻抗调制的目的，尤其是所需的反射系数，应用到电荷泵的短路可以“全部的”或是“部分的”。当开关SW1具有低串联电阻时，短路是“全部的”，当开关具有不容忽视的串联电阻时(如导电状态下的MOS晶体管的漏极-源极电阻Rdson)，短路是“部分的”。调制过程中，部分短路还可以通过与开关串联加入任何得到所需天线电路阻抗值所需的电阻、电容或感应元件来获得。因此，在本申请中，术语“短路”实际上是指通过可以包含低或高值的简单或复杂的阻抗的链路连接两个点。
最后，尽管本发明最初的目的是无源型非接触集成电路，然而本发明也适用于装有自主电源的集成电路。在此情形下，电荷泵供应的电压Vcc可以作为附加供应电压使用，比如在自主电力供应出现故障的情况下，或者为集成电路的某些部分供电时，或者为自主供电系统再充电。
根据本发明的集成电路使制造任何类型的包含装有或者集成有集成电路的便携支持物的便携电子装置成为可能。

Claims (12)

1.用于调制天线电路(ACT，W1，W2)阻抗的方法，其中该天线电路为至少包含第一泵级(D1，D2，C1，C2)和最后泵级(D5，D6，C5，C6)的电荷泵提供泵信号(S1，S2)，电荷泵的最后泵级提供持续电压(Vcc)，包含将短路应用于电荷泵的步骤，其特征在于，为了使最后泵级能继续产生电荷并且提供持续的电压(Vcc)，短路被应用于第一泵级(D1，D2，C1，C2)的输出端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电荷泵(PMP)至少包含一个第一泵级和最后泵级间的中间泵级(D3，D4，C3，C4)，其中，为了使中间泵级能继续产生电荷，电荷泵的短路被应用于第一泵级(D1，D2，C1，C2)的输出端。
3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，短路被应用于第一泵级的输出电容器(C2)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，应用于电荷泵，其特征在于，每个泵级包含输入二极管(D1，D3，D5)和输入电容器(C1，C3，C5)、输出二极管(D2，D4，D6)和输出电容器(C2，C4，C6)，输入二极管的负极连接至输出二极管的正极和输入电容器的第一端，输入电容器的第二端接收第一天线信号(S1)作为第一泵信号，输出二极管的负极连接至输出电容器的第一端，输出电容器的第二端接收第二天线信号(S2)作为第二泵信号。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，短路通过具有低固有串联电阻并且不包含任何附加串联阻抗的调制开关(SW1)加以应用。
6.非接触集成电路(IC1)，包含：
天线电路(ACT，W1，W2)；
由天线电路提供的泵信号(S1，S2)驱动的电荷泵(PMP)，电荷泵至少包含第一泵级(D1，D2，C1，C2)和最后泵级(D5，D6，C5，C6)，最后泵级提供持续电压(Vcc)；以及
至少一个用于调制天线电路阻抗的开关(SW1)，安排成当其在导电状态时使电荷泵短路；
其特征在于，为了使电荷泵最后泵级继续产生电荷并提供持续电压，调制开关(SW1)被安排成使电荷泵第一泵级(D1，D2，C1，C2)的输出端短路。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，电荷泵(PMP)至少包含一个在第一泵级和最后泵级之间的中间泵级(D3，D4，C3，C4)，当调制开关(SW1)使电荷泵的第一泵级的输出端短路时，中间泵级能继续产生电荷。
8.根据权利要求6和7所述的集成电路，其特征在于，调制开关(SW1)被安排成用于使电荷泵第一泵级的输出电容器(C2)短路。
9.根据权利要求6至8任一项所述的集成电路，其特征在于，每个泵级包含输入二极管(D1，D3，D5)和输入电容器(C1，C3，C5)、输出二极管(D2，D4，D6)和输出电容器(C2，C4，C6)，输入二极管的负极连接至输出二极管的正极和输入电容器的第一端，输入电容器的第二端接收第一天线信号(S1)作为第一泵信号，输出二极管的负极连接至输出电容器的第一端，输出电容器的第二端接收第二天线信号(S2)作为第二泵信号。
10.根据权利要求6至9任一项所述的集成电路，其特征在于，由电荷泵的最后泵级提供的持续电压(Vcc)供电。
11.根据权利要求6至10任一项所述的集成电路，其特征在于，调制开关(SW1)具有低固有串联内阻并且不包含任何附加串联阻抗，以将全部短路应用于电荷泵的第一泵级的输出端。
12.电子便携物，包含便携支持物和安装在或者集成在便携支持物上的根据权利要求6至11任一项所述的集成电路。
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