CN101329742A - 半导体集成电路、包含半导体集成电路的卡及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供将安装在卡上的半导体集成电路，即使在到读出器/写入器的通信距离较长时，该半导体集成电路也可靠地工作。半导体集成电路具有整流电路、开关电容器、开关电容器驱动电路、解调器以及内部电路。开关电容器使用经整流输出电压执行对多个电容器的串联充电以及从多个电容器的并联放电。在将提供电源电压时的电流驱动性能设置为高状态时，这样即使是长通信距离，也能够可靠地执行在卡中的接收操作。将来自卡的传送信号数据提供到开关电容器电流驱动性能增加禁止电路，以及将提供开关电容器中的电源电压时的电流驱动性能改变为低。依据天线中的磁场改变，通过一装置检测该改变。

Description

半导体集成电路、包含半导体集成电路的卡及其操作方法
对相关申请的交叉引用
将2007年6月20日提交的申请号为2007-162213的日本专利申请公开的内容，包括说明书、附图和摘要，通过对其的整体引用合并于此。
技术领域
本发明涉及半导体集成电路、包含该半导体集成电路的卡，以及该半导体集成电路的操作方法。更特别地，本发明涉及一种即使在通信距离长的时候也对使半导体集成电路可靠地操作有效的技术。
背景技术
在诸如自动检票系统(automatic ticket gate system)、电子货币(electronic money)、物资流通管理(physical distribution management)的多种领域中，正在普及和使用不具备电源的IC卡。通过借助于IC卡的天线线圈从被称为读卡器/写卡器的读出器/写入器接收RF信号，以及通过借助于整流电路整流该RF信号，来向该IC卡提供功率。将该IC卡称为RFID卡，理由在于向该IC卡提供了RF信号并且将唯一标识(ID)信息存储在内置的非易失性存储器中。
非专利文献1描述了贴在商品上的RFID CMOS标签IC。该标签IC包括CMOS全波整流电路、带隙参考电压电路、升压电路、过流保护电路、接收解调器、传送调制器、时钟生成电压控制振荡器、传送/接收控制逻辑以及非易失性存储器。CMOS全波整流电路从由读出器/写入器发出的UHF载波生成内部电源电压VDD，并且该升压电路向作为非易失性存储器的铁电RAM提供操作电源电压。
非专利文献1
Hiroyuki Nakamoto等，“A Passive UHF RF Identification CMOSTag IC Using Ferroelectric RAM in 0.35-μm Technology”，IEEE Journalof Solid-State Circuits，Vol.42，No.1，2007年1月，第101至109页。
发明内容
在本发明之前，本发明的发明人已经在从事对将安装在RFID卡上的RF安全微控制器的开发。
图1是示出了一种RFID卡的图，在RFID上安装了由此处本申请的发明人在本发明之前开发的RF安全微控制器的IC芯片。从读卡器/写卡器向图1的RFID卡提供在ISM(工业-科学-医疗，Industry-Science-Medical)频带中的13.56MHz的RF信号。该RFID卡具有用于接收13.56MHz的RF信号的天线线圈ANT。将天线线圈ANT的一端LA以及另一端LB耦合到RF安全微控制器的IC芯片IC中的全波整流电路的输入。
该IC芯片IC包括全波整流电路D1、D2、D3和D4，负载调制器Ld_Mod、分路(shunt)调节器Sh_Reg、中央处理单元CPU以及非易失性存储单元NVMU。该IC芯片IC也包括平滑电容器C1、过电压保护二极管D7到D12，二极管D5和D6、ASK解调器ASK_Demod以及时钟生成器Clk_Gen。
将天线线圈ANT的一端LA耦合到全波整流电路中的整流器件D1的阳极以及整流器件D3的阴极。将该天线线圈ANT的另一端LB耦合到全波整流电路中的整流器件D2的阳极以及整流器件D4的阴极。将该全波整流电路中的整流器件D3和D4的阳极耦合到地电压。将来自整流器件D1和D2的阴极的经整流的输出电压用作该IC芯片IC中的内部电路的操作电源电压。为减少由读卡器/写卡器和RFID卡之间距离的改变而引起的操作电源电压的波动，布置了分路调节器Sh_Reg。该分路调节器Sh_Reg包括电阻器R1、R2和R3，误差放大器EA，以及控制晶体管Qn1。将在被传递到分压电阻R2和R3的连接节点的操作电源电压中的波动提供到误差放大器EA的非反向输入端，并将参考电压Vref提供到误差放大器EA的反向输入端。将误差放大器EA的输出电压提供到控制晶体管Qn1的控制栅极输入端。当在分压电阻器R2和R3的连接节点的检测电压变为高于参考电压Vref时，误差放大器EA的输出电压升高。由控制晶体管Qn1中的漏电流引起的电阻器R1中的电压降增加，且在分压电阻器R2和R3的连接节点的检测电压减少。通过负反馈控制，能够将分路调节器Sh_Reg的输出电压维持在几乎稳定的电压。
将在天线线圈ANT的两端LA和LB的相反极性的RF信号电压提供到时钟生成器Clk_Gen，并将从该时钟生成器Clk_Gen生成的时钟信号提供到中央处理单元CPU。经由二极管D5和D6将在天线线圈ANT的两端LA和LB的相反极性的RF信号电压提供到ASK解调器ASK_Demod。可通过ASK解调器ASK_Demod解调从读卡器/写卡器到RFID卡的ASK调制信号。ASK是“幅移键控(AmplitudeShift Keying)”的缩写。通过幅度调制和解调实现传送/接收。由负载调制器Ld_Mod执行从RFID卡中的中央处理单元CPU到读卡器/写卡器的传送。负载调制器Ld_Mod包括作为负载开关器件的晶体管Qn2和用于电流限制的电阻器R4。响应于从RFID卡到读卡器/写卡器的传送信号，作为负载开关器件的晶体管Qn2中的电流改变。将在负载开关器件Qn2中电流的改变经由全波整流电路D1、D2、D3和D4传送到天线线圈ANT。可由读卡器/写卡器依据天线线圈ANT的磁场改变来检测天线线圈ANT的电流的改变。
然而，在调查各种领域中包括RF安全微控制器的IC芯片的RFID卡的应用的阶段中，揭示出下列问题。
问题之一是由于在读卡器/写卡器和RFID卡之间的距离增加，从RFID卡的天线线圈中取得的电流急剧下降。表1示出了在用等效电源(Equalization power supply)表示天线线圈ANT的情况下，读卡器/写卡器和RFID卡之间距离D的改变引起的电压V、输出电阻R和输出最大电流I的改变。
表1
  D[mm]   V[V] R[kΩ]   I[mA]
  0   11   0.2   55.0
  6   18   0.4   45.0
  10   21   0.4   52.5
  20   31   0.6   51.7
  25   37   0.7   52.9
  30   43   1   43.0
  40   58   1.8   32.2
  50   69   3.1   22.3
  60   74   4.8   15.4
  70   72   6.3   11.4
  80   63   7.5   8.4
  90   53   8.3   6.4
  100   43   8.5   5.1
  110   35   8.8   4.0
  120   29   9.1   3.2
  130   24   9.2   2.6
从表1中理解到，当距离D超过100mm(10cm)时，输出最大电流I的值减少到5.1mA或更少。因此，由于距离D的增加，从天线线圈中取得的电流急剧下降。特别地，在自动检票系统、电子货币以及类似的应用中，在短时间内大量的用户将他们的RFID卡放置得接近于读卡器/写卡器，以便读/写数据。因此希望即使在读卡器/写卡器和RFID卡之间的距离超过100mm时，该RFID也能可靠地操作。
图1的RFID卡具有另一个问题，响应于向读卡器/写卡器传送信号由作为负载开关器件的晶体管Qn2中的电流改变而引起的天线线圈ANT的磁场的改变被分路调节器Sh-Reg降低。特别地，由于由作为负载开关器件的晶体管Qn2中的电流增加所引起的来自全波整流电路中的整流器件D1和D2的阴极的经整流输出电压的下降，所以在分路调节器Sh_Reg的分压电阻器R2和R3之间的连接节点的检测电压下降。继而，误差放大器EA的输出电压下降，且控制晶体管Qn1的漏电流也下降。因此，在作为负载开关器件的晶体管Qn2中，来自全波整流电路中的整流器件D1和D2的阴极的电流以及分路调节器Sh_Reg的控制晶体管Qn1的漏电流之和变得几乎恒定。结果，问题发生，使得天线线圈ANT的电流的改变减少，依据天线线圈ANT中的磁场改变的读卡器/写卡器的检测信号降低，并且在读出器/写入器中出现读出错误。
本发明的发明人依据在本发明之前的如前所述调查而完成了本发明。本发明的一个目的是提供将安装在卡上的半导体集成电路，即使通信距离变长时，该半导体集成电路也能可靠地操作。本发明的另一个目的是提供将安装在卡上的能够降低读出器/写入器中的读出错误差的半导体集成电路。
本发明的上面的目的和其他目的以及新颖的特征将从对说明书和附图的描述中变得显而易见。
下面，将主要描述在本申请中公开的本发明的代表性实施方式。
本发明的代表性半导体集成电路具有整流电路、开关电容器、开关电容器驱动电路、解调器以及内部电路。该开关电容器使用由整流电路提供的经整流的输出电压执行对多个电容器的串联充电(seriescharging)，并执行从该多个电容器的并联放电(parallel discharging)。将在向解调器和内部电路提供电源电压时的开关电容器的电流驱动性能设置为高状态(参看图2)。
在下面简要地描述了由该申请中公开的本发明的代表性实施方式所获得的效果。本发明能够提供将被安装在卡上的半导体集成电路，即使通信距离变长，该半导体集成电路也能可靠地操作。
附图说明
图1是示出了一种RFID卡的图示，在该RFID卡上，安装了由该发明人在此处的本发明之前开发的RF安全微控制器的IC芯片。
图2是示出了根据本发明一个实施方式将被安装在RFID卡上的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示。
图3是示出了根据本发明另一实施方式包括具有CMOS配置的开关电容器的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示。
图4是IC芯片中各部分的波形的图示，用于解释对在图3中描绘的RF安全微控制器的IC芯片的操作。
图5是示出了在图2中描绘的RF安全微控制器的IC芯片的ASK解调器的配置的图示。
图6是示出了除图5中描绘的ASK解调器的功能之外实现了更低功耗以及能够防止由噪声引起的误操作的ASK解调器的配置的图示。
图7是示出了用于解释对图6中描绘的ASK解调器的操作的波形的图示。
图8是示出了根据本发明另一实施方式使用半波整流电路的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示。
具体实施方式
代表性实施方式
首先，将描述在此申请中公开的本发明的代表性实施方式的概要。在对该代表性实施方式的概要的描述中，在圆括号内的附图引用标号仅描绘元件的概念。
[1]作为本发明代表性实施方式的半导体集成电路(IC)具有整流电路(D1到D4)、开关电容器(SC1和SC2)、开关电容器驱动电路(SC_DR1和SC_DR2)、解调器(ASK_Demod)以及内部电路(CPU和NVMU)。
来自读出器/写入器的RF接收信号被提供到整流电路。
来自整流电路的经整流的输出电压(Vout)被提供到开关电容器。
开关电容器驱动电路响应于RF接收信号而生成开关控制信号(Ckt1、Ckb1、Ckt2或Ckb2)，以由该开关控制信号驱动该开关电容器。
该解调器解调包括在RF接收信号中的经调制的信号，并向该内部电路提供所生成的解调信号。
响应于来自开关电容器驱动电路的该开关控制信号，通过使用自该整流电路提供的经整流的输出电压而执行对多个电容器(C11、C12；C21、C22)的串联充电，以及执行从该多个电容器的并联放电。结果，将在向该解调器和该内部电路提供电源电压(Vdd)时的开关电容器的电流驱动性能设置为高状态(参看图2)。
在该实施方式中，在向该解调器和该内部电路提供电源电压时，能够提供从该多个电容器的并联放电的大驱动电流。因此，即使当由于到该读出器/写入器的通信距离增加而发生来自该RFID卡的天线线圈的电流下降时，也能够向该解调器和该内部电路提供从多个电容器的并联放电而获得的大驱动电流。结果，即使当通信距离增加时，该解调器也能够执行可靠的解调操作，并且该内部电路能够可靠地处理从该解调器提供的该解调信号。
在本发明的优选实施方式中，该半导体集成电路进一步包括开关电容器电流驱动性能增加禁止电路(SC_dis1和SC_dis2)。
该内部电路生成传送信号数据(TxData)并向该开关电容器电流驱动性能增加禁止电路提供该传送信号数据。
响应于该传送信号数据，该开关电容器电流驱动性能增加禁止电路控制提供该开关电容器的电源电压时该电流驱动性能使其低于该高状态。
在优选的实施方式中，在响应于该传送信号数据而提供电源电压时的电流驱动性能中的波动是在该整流电路的有效负载中的波动。依据在该RFID卡的天线线圈的磁场的改变，由该读出器/写入器可靠地检测该整流电路的有效负载中的波动。因而，能够减少在该读出器/写入器中的读出错误。
在更优选实施方式的半导体集成电路中，该开关电容器包括第一和第二开关电容器(SC1和SC2)，用于交替地并行执行电容器充电和电容器放电。
在更优选的实施方式中，通过该并行执行，能够降低在提供到该解调器和该内部电路的电源电压中的纹波分量。
在进一步更优选的实施方式的半导体集成电路中，该整流电路是全波整流电路(D1到D4)，向其提供来自读出器/写入器的相反极性的一对RF接收信号。
在作为具体实施方式的该半导体集成电路中，该解调器包括低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、解码器(Decoder)和输出逻辑锁存器(OLL)。将来自该全波整流电路的经整流的输出电压提供给在该解调器中的低通滤波器的输入。将该低通滤波器的输出信号提供给该高通滤波器的输入。该解码器输出指示在该低通滤波器中输出电阻器(R6)两端的电压之间的大小关系的鉴别输出信号(Q，/Q)。响应于来自该解码器的鉴别输出信号，该输出逻辑锁存器生成经解调的输出信号(Dout)(参看图6和图7)。
[2]作为来自本发明的另一种视角的代表性实施方式的卡包括：天线(ANT)，向该天线提供有来自读出器/写入器的RF接收信号，且该天线向读出器/写入器传送RF传送信号；以及半导体集成电路(IC)。
该半导体集成电路包括整流电路(D1到D4)、开关电容器(SC1和SC2)、开关电容器驱动电路(SC_DR1和SC_DR2)、解调器(ASK_Demod)和内部电路(CPU和NVMU)。
来自该天线的该RF接收信号被提供给该整流电路。
来自该整流电路的经整流的输出电压(Vout)被提供给该开关电容器。
该开关电容器驱动电路响应于该RF接收信号生成开关控制信号(Ckt1、Ckb1、Ckt2或Ckb2)，以由该开关控制信号驱动该开关电容器。
该解调器解调包括在该RF接收信号中的经调制的信号，并向该内部电路提供该所生成的解调信号。
该开关电容器响应于来自该开关电容器驱动电路的该开关控制信号，使用自该整流电路提供的经整流的输出电压来执行对多个电容器(C11、C12；C21、C22)的串联充电，以及执行从该多个电容器的并联放电。通过该执行，将向该解调器以及该内部电路提供电源电压(Vdd)时该开关电容器的电流驱动性能设置为高状态(参看图2)。
[3]作为进一步根据本发明另一方面的代表性实施方式，一种操作半导体集成电路的方法包括准备半导体集成电路(IC)和天线(ANT)的准备步骤。
该天线从读出器/写入器接收RF接收信号，并向该读出器/写入器传送RF传送信号。
该半导体集成电路包括整流电路(D1到D4)、开关电容器(SC1和SC2)、开关电容器驱动电路(SC_DR1和SC_DR2)、解调器(ASK_Demod)和内部电路(CPU和NVMU)。
可以将来自该天线的该RF接收信号提供给该整流电路。
可以将来自该整流电路的经整流的输出电压(Vout)提供给该开关电容器。
该开关电容器驱动电路响应于在该天线中的RF接收信号生成开关控制信号(Ckt1、Ckb1、Ckt2、Ckb2)，并且能够由该开关控制信号驱动该开关电容器。
该解调器能够向该内部电路提供由解调包括在该RF接收信号中的经调制的信号而生成的调制信号。
操作该半导体集成电路的该方法包括耦合该半导体集成电路和该天线的耦合步骤。
响应于对在天线中的RF接收信号响应而来自该开关电容器驱动电路的该开关控制信号，该开关电容器使用自该整流电路提供的经整流的输出电压执行对多个电容器(C11、C12；C21、C22)的串联充电，以及执行从该多个电容器的并联放电。通过该执行，将在向该解调器以及该内部电路提供电源电压(Vdd)时的该开关电容器的电流驱动性能设置为高状态。
根据本发明的优选实施方式的操作半导体集成电路的该方法包括改变步骤，用于通过使该开关电容响应于由内部电路生成的传送信号数据(TxData)，将在提供该开关电容器的电源电压时的该电流驱动性能改变为低于该高状态。
对实施方式的描述
将更详细地描述实施方式。
RF安全微控制器的IC芯片的配置
图2是示出了根据本发明的实施方式将被安装在RFID卡上的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示。从读卡器/写卡器向在图2中的该RFID卡提供在ISM频带中的13.56MHz的RF信号。该RFID卡具有用于接收13.56MHz的RF信号的天线线圈ANT。将该天线线圈ANT的一端LA和另一端LB耦合到该RF安全微控制器的IC芯片IC中的全波整流电路的输入。
图2中的该IC芯片IC包括全波整流电路D1、D2、D3和D4、第一开关电容器SC1、第二开关电容器SC2、中央处理单元CPU以及非易失性存储单元NVMU。该中央处理单元CPU能够将该RFID卡的唯一标识信息和用户的密码加密，以及向该非易失性存储单元NVMU写入数据。该中央处理单元CPU能够将被写入到该非易失性存储单元NVMU中的被加密的数据解密，并将其用于电子结算等。该IC芯片IC包括第一开关电容器驱动电路SC_DR1、第二开关电容驱动电路SC_DR2、第一开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis2。该IC芯片IC进一步包括平滑电容器C1、过压保护二极管D7、D8、D9、D10、D11和D12、二极管D5和D6以及ASK解调器ASK_Demod。
将来自读卡器/写卡器的13.56MHz的RF接收信号经由该天线线圈ANT提供到该全波整流电路D1、D2、D3和D4。向第一和第二开关电容器SC1和SC2提供来自全波整流电路D1、D2、D3和D4的经整流的输出电压Vout。该第一和第二开关电容器驱动电路SC_DR1和SC_DR2响应于该RF接收信号，生成开关控制信号Ckt1、Ckb1、Ckt2和Ckb2，并在该开关控制信号Ckt1、Ckb1、Ckt2和Ckb2的基础上驱动该第一和第二开关电容器SC1和SC2。该ASK解调器ASK_Demod向在内部电路中的中央处理单元CPU提供ASK解调信号，该ASK解调信号通过解调包括在天线线圈ANT所接收的该RF接收信号中的ASK调制信号而生成。
响应于来自该开关电容器驱动电路SC_DR1和SC_DR2的该开关控制信号Ckt1、Ckb1、Ckt2和Ckb2，该开关电容器SC1和SC2使用来自该全波整流电路D1、D2、D3和D4的经整流的输出电压Vout执行对多个电容器C11、C12、C21和C22的串联充电，以及执行从多个电容器C11、C12、C21和C22的并联放电。因此，在开关电容器SC1和SC2中，在向该ASK解调器ASK_Demod、在该内部电路中的中央处理单元CPU以及该非易失性存储单元NVMU提供电源电压Vdd时的该电流驱动能力被设置为高。
由IC芯片对向读卡器/写卡器的传送的操作
该RF安全微控制器的IC芯片进一步包括第一和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2。该内部电路中的中央处理单元CPU生成传送信号数据TxData，并将该传送信号数据TxData经由反相器INV0提供到开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2。响应于该传送信号数据TxData，该开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2将在该开关电容器SC1和SC2中提供电源电压Vdd时的该电流驱动能力控制为低于该高状态。在提供该电源电压Vdd时，电流驱动能力中的波动是全波整流电路D1到D4的有效负载中的波动。依据在该RFID卡的天线线圈的磁场的改变，由该读出器/写入器可靠地检测该全波整流电路D1到D4的有效负载中的波动。结果，能够降低在该读卡器/写卡器中的读出错误。
特别地，响应于具有在该天线线圈ANT的一端LA处的极性之一的RF信号，该第一开关电容器驱动电路SC_DR1使该第一开关电容器SC1执行开关操作。响应于在该天线线圈ANT的另一端LB处的另一个极性的RF信号，该第二开关电容器驱动电路SC_DR2使该第二开关电容器SC2执行开关操作。
响应于该中央处理单元CPU的传送信号数据TxData的低电平“0”，该第一和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2通过对该第一和第二开关电容器驱动电路SC_DR1和SC_DR2的控制，而允许该第一和第二开关电容器SC1和SC2的电流驱动性能增加。
响应于该中央处理单元CPU的传送信号数据TxData的高电平“1”，该第一和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2通过对该第一和第二开关电容器驱动电路SC_DR1和SC_DR2的控制，而停止该第一和第二开关电容器SC1和SC2的电流驱动性能增加。
如上所述，响应于来自中央处理单元CPU的传送信号数据TxData，该第一和第二开关电容器SC1和SC2执行来自全波整流电路的整流器件D1和D2的阴极的经整流输出的电流驱动性能增加，以及在另一方面，响应于来自中央处理单元CPU的传送信号数据TxData，停止电流驱动性能增加。因此，通过执行和停止该第一和第二开关电容器SC1和SC2的经整流输出的电流驱动性能增加，该天线线圈ANT的有效负载发生波动。结果，依据该天线线圈ANT的磁场的改变，能够由该读卡器/写卡器检测因开关电容器SC1和SC2的操作改变而引起的该天线线圈ANT的有效负载的波动。以此方式，通过根据该传送信号数据TxData的电平改变而执行和停止该开关电容器SC1和SC2的经整流输出的电流驱动性能增加，能够执行向该读卡器/写卡器的传送的操作。
两个开关电容器的放电的并行执行
响应于在该天线线圈ANT的两端LA和LB的相反极性的RF信号，该第一和第二开关电容器SC1和SC2交替地并行执行利用经整流的电压对该内部电容器的充电，以及通过从该内部电容器放电向该中央处理单元CPU和该非易失性存储单元NVMU提供电源电压Vdd。
响应于来自该中央处理单元CPU的该传送信号数据TxData的低电平“0”，该第一和第二开关电容器SC1和SC2交替地并行执行对该两个内部电容器的串联充电以及并联放电，因此增加该电流驱动性能。响应于来自该中央处理单元CPU的该传送信号数据TxData的高电平“1”，该第一和第二开关电容器SC1和SC2交替地并行执行对仅一个内部电容器的单独充电和从仅一个内部电容器的单独放电，因而停止该电流驱动性能增加。
通过响应于来自该中央处理单元CPU的该传送信号数据TxData的低电平“0”和高电平“1”，增加该第一和第二开关电容器SC1和SC2的电流驱动性能以及停止增加电流驱动性能，该天线线圈ANT的有效负载发生波动。依据该天线线圈ANT的磁场的改变，能够由该读卡器/写卡器检测因开关电容器SC1和SC2的操作改变而引起的该天线线圈ANT的有效负载的波动。
开关电容器的电路配置和电路操作
该第一开关电容器SC1包括电容器C11和C12、充电开关SW11、充电控制开关SW12、放电开关SW13和SW14以及电流驱动性能增加控制开关SW15。该第二开关电容器SC2包括电容器C21和C22、充电开关SW21、充电控制开关SW22、放电开关SW23和SW24以及电流驱动性能增加控制开关SW25。由来自该第一开关电容器驱动电路SC_DR1的互补时钟信号Ckt1和Ckb1驱动该第一开关电容器SC1中的该充电开关SW11和该放电开关SW13。由来自该第一开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1的互补禁止控制时钟信号Ckdisb1和Ckdist1驱动该第一开关电容器SC1中的该充电控制开关SW12、该放电开关SW14以及该电流驱动性能增加控制开关SW15。由来自该第二开关电容器驱动电路SC_DR2的互补时钟信号Ckt2和Ckb2驱动该第二开关电容器SC2中的该充电开关SW21和该放电开关SW23。由来自该第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis2的互补禁止控制时钟信号Ckdisb2和Ckdist2驱动在该第二开关电容器SC2中的该充电控制开关SW22、该放电开关SW24以及该电流驱动性能增加控制开关SW25。
在该传送信号数据TxData处于低电平“0”的情况下，执行从该两个电容器C21和C22的并联放电，同时在该第一和第二开关电容器SC1和SC2中串联地对该两个电容器C11和C12充电。在下一个周期中，执行从两个电容器C11和C12的并联放电，同时串联地对该两个电容器C21和C22充电。
在该传送信号数据TxData处于高水平“1”的情况下，执行从该单一电容器C21的单独放电，同时在该第一和第二开关电容器SC1和SC2中对仅一个电容器C11单独地充电。在下一个周期中，执行从该一个电容器C11的单独放电，同时对仅一个电容器C21单独地充电。根据在该传送信号数据TxData的低电平“0”和高电平“1”之间的改变，在串联充电和并联放电之间的切换或者在单独充电和单独放电之间的切换，通过对该第一和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2的控制来执行。
包括具有CMOS配置的开关电容器的RF安全微控制器
图3是示出了根据本发明另一实施方式的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示，该IC芯片包括具有CMOS配置的开关电容器。特别地，在图2的IC芯片内的第一开关电容器SC1中的开关SW11、SW12、SW13、SW14和SW15由在图3的IC芯片中的PMOS晶体管Qp11、Qp12、Qp13和Qp14以及NMOS晶体管Qn15构成。在图2的IC芯片中的第二开关电容器SC2中的开关SW21、SW22、SW23、SW24和SW25由在图3的IC芯片中的PMOS晶体管Qp21、Qp22、Qp23和Qp24以及NMOS晶体管Qn25构成。从单一输出NMOS晶体管Qn0向该中央处理单元CPU和该非易失性存储单元NVMU提供通过从该第一和第二开关电容器SC1和SC2的放电而获得的电源电压Vdd。
在CMOS开关电容器中的电路操作
图4是示出了IC芯片中各部分的波形的图示，用于解释在图3中描绘出的该RF安全微控制器的IC芯片的操作。图4的左半部示出了在该传送信号数据TxData是低电平“0”的情况下的波形。图4的右半部示出了在该传送信号数据TxData是高电平“1”的情况下的波形。
在如图4的左半部中的该传送信号数据TxData处在低电平“0”的情况下，来自该第一开关电容器驱动电路SC_DR1的该时钟信号Ckt1具有同在该天线线圈ANT的另一端LB处的RF信号几乎相同的相位。来自该第二开关电容器驱动电路SC_DR2的该时钟信号Ckt2具有同在该天线线圈ANT的一端LA处的RF信号几乎相同的相位。在该第一开关电容器驱动电路SC_DR1中，在该两个电容器C11和C12的公共连接节点Nd11处的电压在大约电源电压Vdd和地电压GND之间改变。在上方电容器C11的连接节点Nd12处的电压在2Vdd和1Vdd之间改变，2Vdd是大约2倍电源电压的高度，而1Vdd大约等于电源电压。在下方电容器C12的连接节点Nd13的电压在1Vdd周围变化，1Vdd大约等于电源电压。在该第二开关电容器驱动电路SC_DR2中，在两个电容器C21和C22的公共连接节点Nd21处的电压在大约电源电压Vdd和地电压GND之间变化。在上方电容器C21的连接节点Nd22处的电压在2Vdd和1Vdd之间变化，2Vdd是大约2倍电源电压的高度，1Vdd大约等于电源电压。在下方电容器C22的连接节点Nd23处的电压在1Vdd周围变化，1Vdd大约等于电源电压。
在图4的右半部分中的传送信号数据TxData是处在高电平“1”的情况下，来自第一和第二开关电容器电流驱动性能增加禁止电路SC_dis1和SC_dis2的禁止控制时钟信号Ckdist1和Ckdist2二者被固定在高电平“1”。因此，在第一和第二开关电容器SC1和SC2中将电流驱动性能增加控制开关SW15和SW25二者维持在接通(on)状态，使得在对上方电容器C11和C21充电的期间内，下方电容器C12和C22不会被充电。因此，在第一和第二开关电容器SC1和SC2中，将公共连接节点Nd11和Nd21处的电压维持在地电压GND。在第一和第二开关电容器SC1和SC2中，在连接节点Nd12、Nd13、Nd22和Nd23处的电压在1Vdd周围改变，1Vdd大约等于电源电压。
在图4左半部分中的低电平“0”的传送信号数据TxData的情况下，将上方的电容器C11和C12的连接节点Nd12和Nd22处的高电平电压增加到2Vdd或更高的电平。在图4右半部分中的高电平“1”的传送信号数据TxData的情况下，将在上方电容器C11和C12的连接节点Nd12和Nd22处的高电平电压控制在Vdd的电平。上方电容器C11和C12的连接节点Nd12和Nd22的高电平电压之间的差变为在天线线圈ANT中的有效负载波动。在天线线圈ANT中的有效负载波动引起在全波整流电路中的整流器件D1和D2中阴极的经整流输出电压Vout的波动。因此，依据天线线圈ANT的磁场的改变，通过读卡器/写卡器能够检测由图4上部所示全波整流电路内整流器件D1和D2中的阴极的经整流输出电压Vout的波动所引起的ASK调制Mod。
用于解调从读卡器/写卡器接收的数据的ASK解调器
图5是示出了在图2中描绘的RF安全微控制器的IC芯片中ASK解调器ASK_Demod的配置的图示。IC芯片中的ASK解调器用于解调从读卡器/写卡器接收的数据。如图5所示，经由二极管D5和D6向ASK解调器ASK_Demod提供在天线线圈ANT的两端LA和LB处的相反极性的RF信号电压。通过ASK解调器ASK_Demod能够解调从读卡器/写卡器到RFID卡的经ASK调制的信号。
在图5中示出的ASK解调器ASK_Demod包括低通滤波器LPF、高通滤波器HPF、解码器“Decoder”和输出逻辑锁存器OLL。通过包括电容器C3和C4以及电阻器R5，低通滤波器LPF使在天线线圈ANT的两端LA和LB的RF载波信号分量衰减。由于将低通滤波器LPF用二极管D5和D6耦合到天线线圈ANT，所以经由二极管D5和D6从天线线圈ANT提供对低通滤波器LPF的充电。然而，二极管D5和D6无法使低通滤波器LPF放电。因此，通过恒定电流源I01和I02，允许使低通滤波器LPF放电。由于必须使自读卡器/写卡器提供的ASK调制AC信号分量和操作电压DC分量彼此分离，以便执行高精度ASK解调，所以，将高通滤波器HPF耦合到该低通滤波器LPF。高通滤波器HPF包括电容器C5、电阻器R6以及差分放大器Amp。将来自低通滤波器LPF的ASK调制输入信号提供到电容器C5的一端。将电容器C5的另一端耦合到电阻器R6的一端以及解码器“Decoder”的第一信号输入端Vin1。
将通过衰减RF载波信号分量以及通过低通滤波器LPF和高通滤波器HPF分离DC分量而获得的ASK调制输入信号，提供到解码器“Decoder”的第一信号输入端Vin1。向差分放大器Amp的非反向输入端提供DC参考电压Vref。另一方面，将差分放大器Amp的反向输入端耦合到输出端、电阻器R6的另一端以及解码器“Decoder”的第二信号输入端Vin2。结果，将在差分放大器Amp的反向输入端、输出端、电阻器R6的另一端以及解码器“Decoder”的第二信号输入端Vin2的电压几乎维持在被提供到差分放大器Amp的非反向输入端的DC参考电压Vref的电平。
将在高通滤波器HPF中的电阻器R6的两端获得的ASK调制输入信号施加到解码器“Decoder”中的第一和第二信号输入端Vin1和Vin2，从而生成来自解码器“Decoder”的输出Q和反向输出/Q的幅度改变检测脉冲信号。通过向输出逻辑锁存器OLL的输入提供来自解码器“Decoder”的输出Q和反向输出/Q的幅度改变检测脉冲信号，从输出逻辑锁存器OLL的输出中生成经ASK解调的输出信号Dout。
更优选的ASK解调器
图6是示出了一种ASK解调器的配置的图示，该ASK解调器能够实现比在图5中描绘的ASK解调器更低的功耗，并能够防止由噪声引起的误操作。
通过除去在图5中描绘出的ASK解调器的低通滤波器LPF中的恒定电流源I01和I02以及电容器C3来获得在图6中示出的ASK解调器ASK_Demod中的低通滤波器LPF。在图6中示出的ASK解调器ASK_Demod中的低通滤波器LPF中，不同于图5，没有将电阻器R5的一端耦合到二极管D5和D6的阴极。将图2全波整流电路FWR(D1、D2、D3和D4)中的整流器件D1和D2的阴极的经整流输出电压Vout提供到低通滤波器LPF。因此，在图6中示出的ASK解调器中，能够减少由于在图5中示出的ASK解调器的低通滤波器LPF的恒定电流源I01和I02的恒定电流而造成的功耗。
在图6中示出的ASK解调器ASK_Demod中，生成输出低电平改变禁止信号Dout_L，响应于输出逻辑锁存器OLL的ASK解调输出信号Dout从低电平“0”到高电平“1”的改变，在预定时期，该输出低电平改变禁止信号Dout_L是在低电平“0”。还生成输出高电平改变禁止信号Dout_H，响应于输出逻辑锁存器OLL的ASK解调输出信号Dout从高电平“1”到低电平“0”的改变，在预定时期，该输出高电平改变禁止信号Dout_H是在低电平“0”。将输出低电平改变禁止信号Dout_L施加到输出逻辑锁存器OLL的下侧输入NAND电路L2。另一方面，将输出高电平改变禁止信号Dout_H提供到输出逻辑锁存器OLL的上侧输入NAND电路L1。
在图6的下侧部分，还示出了在高通滤波器HPF中电阻器R6的两端从信号Vin1和Vin2中生成幅度改变检测脉冲信号Q和/Q的解码器“Decoder(解码器)”的电路。将在电阻器R6两端的信号输入端Vin1和Vin2耦合到NMOS晶体管Q31和Q32的栅极。将NMOS晶体管Q30的漏极耦合到NMOS晶体管Q31和Q32的源极，该NMOS晶体管Q30作为恒定电流源并具有被提供了DC偏置电压“偏压”的栅极。将PMOS电流镜晶体管Q41和Q43耦合到NMOS晶体管Q31的漏极，该NMOS晶体管Q31具有耦合有信号输入端Vin1的栅极，以及将NMOS电流镜晶体管Q33和Q34耦合到PMOS晶体管Q43的漏极。将其他PMOS电流镜晶体管Q41、Q46A、Q46B、Q46C和Q46D耦合到NMOS晶体管Q31的漏极，该NMOS晶体管Q31具有耦合有信号输入端Vin1的栅极。将PMOS晶体管Q46A、Q46B、Q46C和Q46D的栅极宽度设置为具有不同的值。由3比特选择信号/Q_SEL[2:0]来控制PMOS晶体管Q47A、Q47B、Q47C和Q47D的导通/截止。将PMOS电流镜晶体管Q42、Q44A、Q44B、Q44C和Q44D耦合到NMOS晶体管Q32的漏极，该NMOS晶体管Q32具有耦合有信号输入端Vin2的栅极。将PMOS晶体管Q44A、Q44B、Q44C和Q44D的栅极宽度设置为不同的值。由3比特选择信号Q_SEL[2:0]来控制PMOS晶体管Q45A、Q45B、Q45C和Q46D的导通/截止。
当信号输入端Vin2的电平变得高于信号输入端Vin1时，通过PMOS电流镜晶体管Q42、Q44A、Q44B、Q44C和Q44D获得的幅度改变检测脉冲信号输出端Q的上拉能力变得高于通过NMOS电流镜晶体管Q33和Q34获得的输出端Q的下拉能力，并且输出端Q改变为高电平。通过3比特选择信号Q_SEL[2:0]能够调节输出端Q的上拉能力。当信号输入端Vin1的电平变得高于信号输入端Vin2的电平时，通过PMOS电流镜晶体管Q41、Q46A、Q46B、Q46C和Q46D获得的幅度改变检测脉冲信号输出端/Q的上拉能力变得高于由NMOS电流镜晶体管Q35和Q36获得的输出端/Q的下拉能力，并且输出端/Q改变为高电平。通过3比特选择信号Q_SEL[2:0]能够调节输出端/Q的上拉能力。
图7是示出了用于解释在图6中描绘的ASK解调器的操作的波形的图示。
如图7所示，在时刻T1以前，在天线线圈ANT的两端LA和LB的RF信号幅度值是大的，而在全波整流电路FWR中的整流器件D1和D2的阴极的经整流输出电压Vout的电平为高。假设在时刻T1和时刻T2之间，通过来自读卡器/写卡器在RFID卡上的ASK调制，天线线圈ANT的两端LA和LB的RF信号幅度值变小，且经整流的输出电压Vout的电平变低。在时刻T1，从高通滤波器HPF的电阻器R6的一端提供到解码器“Decoder”的第一信号输入端Vin1的电压很大程度地下降。另一方面，从电阻器R6的另一端提供到解码器“Decoder”的第二信号输入端Vin2的电压轻微地下降。结果，幅度改变检测脉冲信号输出端Q的上拉能力变为高于输出端Q的下拉能力，输出端Q变为高电平。在T1时刻，以及在T1时刻之前，输出逻辑锁存器OLL的经ASK解调的输出信号Dout维持在低电平“0”，以及输出高电平改变禁止信号Dout_H和输出低电平改变禁止信号Dout_L维持在高电平“1”。当在T1时刻幅度改变检测脉冲信号输出端Q改变到高电平“1”时，输出逻辑锁存器OLL的经ASK解调的输出信号Dout从低电平“0”变为高电平“1”。当在T1时刻经ASK解调的输出信号Dout从低电平“0”变为高电平“1”时，在时刻T1和时刻T2之间的预定时期将输出低电平改变禁止信号Dout_L设置为低电平“0”。在该预定时期，能够防止由于噪声引起的误操作使经ASK解调的输出信号Dout变为低电平。
假设在时刻T2和时刻T3之间，通过从读卡器/写卡器到RFID卡的ASK调制，在天线线圈ANT的两端LA和LB的RF信号幅度值变大，且经整流的输出电压Vout的电平变高。在时刻T2，从高通滤波器HPF的电阻器R6的一端向解码器“Decoder”的第一信号输入端Vin1提供的电压很大程度地增加。在另一方面，从电阻器R6的另一端向解码器“Decoder”的第二信号输入端Vin2提供的电压轻微地增加。结果，幅度改变检测脉冲信号输出端/Q的上拉能力变得高于输出端/Q的下拉能力，并且输出端/Q变为高电平。紧邻于T2时刻之前，输出逻辑锁存器OLL的经ASK解调的输出信号Dout维持在高电平“1”，且输出高电平改变禁止信号Dout_H和输出低电平改变禁止信号Dout_L维持在高电平“1”。当在T2时刻幅度改变检测脉冲信号输出端/Q改变到高电平“1”时，输出逻辑锁存器OLL的经ASK调制的输出信号Dout从高电平“1”变为低电平“0”。当在T2时刻经ASK解调的输出信号Dout从高电平“1”改变为低电平“0”时，将输出高电平改变禁止信号Dout_H设置成在时刻T2和时刻T3之间的预定期间为低电平“0”。在该预定期间，能够防止由于噪声引起的误操作所造成的经ASK解调输出信号Dout变为高电平。如上面所描述，通过在图6中示出的ASK解调器，能够ASK解调从读卡器/写卡器到RFID卡的由ASK调制的经整流输出电压Vout的电平调制Dmod。
尽管已经在实施方式的基础上具体地描述了由发明人实现的此处的本发明，但是显然本发明不限于这些实施方式，并且能够多方面地调整本发明而不脱离其要旨。
例如，在RF安全微控制器中的IC芯片的整流电路不限于全波整流电路，而可以是半波整流电路。
图8是示出了根据本发明另一实施方式使用半波整流电路的RF安全微控制器的IC芯片的配置的图示。
通过仅具有图3的IC芯片中的全波整流电路的整流器件D1，以及除去在图3中的第二开关电容器SC2，来得到在图8中示出的RF安全微控制器的IC芯片。通过第一开关电容器SC1的整流操作，生成了通过仅由第一开关电容器SC1执行的整流操作而提供到中央处理单元CPU和非易失性存储单元NVMU的电源电压Vdd。通过仅由第一开关电容器SC1，在电流驱动性能增加和停止电流驱动性能增加之间切换，来执行将被读卡器/写卡器检测的ASK调制。
该实施方式的RF安全微控制器的IC芯片不仅能够安装在RFID卡上，也能够安装在用于自动检票系统和电子货币结算的蜂窝电话上。在此情况下，不是从卡的天线线圈向IC芯片提供功率，而是从蜂窝电话的传送/接收天线向IC芯片提供功率。

Claims (12)

1.一种半导体集成电路，包括：整流电路；开关电容器；开关电容器驱动电路；解调器；以及内部电路，
其中来自读出器/写入器的RF接收信号被提供到所述整流电路，
其中来自所述整流电路的经整流输出电压被提供到所述开关电容器，
其中所述开关电容器驱动电路响应于所述RF接收信号生成开关控制信号，以通过所述开关控制信号驱动所述开关电容器，
其中所述解调器解调包括在所述RF接收信号中的经调制的信号，并向所述内部电路提供所述所生成的解调信号，以及
其中，通过响应于来自所述开关电容器驱动电路的所述开关控制信号，使用自所述整流电路提供所述经整流输出电压执行对多个电容器的串联充电，以及执行从所述电容器的并联放电，将在向所述解调器和所述内部电路提供电源电压时所述开关电容器的电流驱动性能设置为高状态。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路，进一步包括开关电容器电流驱动性能增加禁止电路，
其中所述内部电路生成传送信号数据并向所述开关电容器电流驱动性能增加禁止电路提供所述传送信号数据，以及
其中，响应于所述传送信号数据，所述开关电容器电流驱动性能增加禁止电路将在提供所述开关电容器的电源电压时的所述电流驱动性能控制为低于所述高状态。
3根据权利要求2所述的半导体集成电路，其中所述开关电容器包括第一和第二开关电容器用于交替地并行执行电容器充电和电容器放电。
4.根据权利要求3所述的半导体集成电路，其中所述整流电路是全波整流电路，所述全波整流电路被提供有来自所述读出器/写入器的一对相反极性的RF接收信号。
5.根据权利要求3所述的半导体集成电路，
其中所述解调器包括低通滤波器、高通滤波器、解码器和输出逻辑锁存器，
其中来自所述全波整流电路的所述经整流输出电压被提供到所述解调器中的所述低通滤波器的输入，
其中所述低通滤波器的输出信号被提供到所述高通滤波器的输入，
其中所述解码器输出指示在所述低通滤波器中输出电阻器的两端的电压之间大小关系的鉴别输出信号，以及
其中响应于来自所述解码器的所述鉴别输出信号，所述输出逻辑锁存器生成经解调的输出信号。
6.一种卡，包括：
天线，所述天线被提供有来自读出器/写入器的RF接收信号，以及所述天线向所述读出器/写入器传送RF传送信号；以及
半导体集成电路，
其中所述半导体集成电路包括整流电路、开关电容器、开关电容器驱动电路、解调器以及内部电路，
其中来自所述天线的所述RF接收信号被提供给所述整流电路，
其中来自所述整流电路的经整流输出电压被提供到所述开关电容器，
其中所述开关电容器驱动电路响应于所述RF接收信号生成开关控制信号，以通过所述开关控制信号驱动所述开关电容器，
其中所述解调器解调包括在所述RF接收信号中的经调制的信号，并向所述内部电路提供所述所生成的解调信号，以及
其中，通过响应于来自所述开关电容器驱动电路的所述开关控制信号，使用自所述整流电路提供的所述经整流的输出电压执行对多个电容器的串联充电，以及执行从所述电容器的并联放电，将在向所述解调器和所述内部电路提供电源电压时所述开关电容器的电流驱动性能设置为高状态。
7根据权利要求6所述的卡，
其中所述半导体集成电路进一步包括开关电容器电流驱动性能增加禁止电路，
其中所述内部电路生成传送信号数据并向所述开关电容器电流驱动性能增加禁止电路提供所述传送信号数据，以及
其中，响应于所述传送信号数据，所述开关电容器电流驱动性能增加禁止电路将在提供所述开关电容器的电源电压时的所述电流驱动性能控制为低于所述高状态。
8.根据权利要求7所述的卡，其中所述开关电容器包括第一和第二开关电容器用于交替地并行执行电容器充电和电容器放电。
9.根据权利要求8所述的卡，其中所述整流电路是全波整流电路，所述全波整流电路被提供有来自所述读出器/写入器的一对相反极性的RF接收信号。
10.根据权利要求8所述的卡，
其中所述解调器包括低通滤波器、高通滤波器、解码器和输出逻辑锁存器，
其中来自所述全波整流电路的所述经整流的输出电压被提供到所述解调器中的所述低通滤波器的输入，
其中所述低通滤波器的输出信号被提供到所述高通滤波器的输入，
其中所述解码器输出指示在所述低通滤波器中输出电阻器的两端的电压之间大小关系的鉴别输出信号，以及
其中响应于来自所述解码器的所述鉴别输出信号，所述输出逻辑锁存器生成经解调的输出信号。
11.一种操作半导体集成电路的方法，其包括准备半导体集成电路和天线的准备步骤，
其中所述天线从读出器/写入器接收RF接收信号，并向所述读出器/写入器传送RF传送信号，
其中所述半导体集成电路包括整流电路、开关电容器、开关电容器驱动电路、解调器以及内部电路，
其中来自所述天线的所述RF接收信号能够被提供到所述整流电路，
其中来自所述整流电路的经整流输出电压能够被提供到所述开关电容器，
其中所述开关电容器驱动电路响应于在所述天线中的所述RF接收信号生成开关控制信号，以及能够通过所述开关控制信号驱动所述开关电容器，
其中所述解调器能够向所述内部电路提供通过解调包括在所述RF接收信号中的经调制的信号而生成的解调信号，
其中所述方法包括耦合所述半导体集成电路和所述天线的耦合步骤，以及
其中，通过响应于对所述天线中的RF接收信号进行响应而来自所述开关电容器驱动电路的所述开关控制信号，使用自所述整流电路提供的所述经整流输出电压执行对多个电容器的串联充电，以及执行从所述电容器的并联放电，将在向所述解调器和所述内部电路提供电源电压时所述开关电容器的电流驱动性能设置为高状态。
12.根据权利要求11所述的操作半导体集成电路的方法，进一步包括将在提供所述开关电容器的所述电源电压时的所述电流驱动性能改变为低于所述高状态的改变步骤。
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