CN101964065A - 一种用于近场通信的射频接口集成电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于近场通信的射频接口集成电路，涉及近场通信技术领域。本发明包括：用于在有源状态发送磁场的读写器发送电路；由外接器件构成的天线匹配网络；外接的发送/接收天线；用于在无源状态接收磁场的RFID电源电路。与载波同频率的时钟信号PCD_CLK和要发送的数据信号PCD_TXD连接到读写器发送电路的输入端，读写器发送电路的输出端、天线匹配网络、发送/接收天线和RFID电源电路依次相互连接，RFID电源电路输出内部电源VDD_PICC。同现有技术相比，本发明能有效的避免发送电路和接收电路的相互影响，保证近场通信射频接口电路在无源状态和有源状态下都能有效工作。
Description
技术领域
本发明涉及近场通信(Near Field Communication，NFC)技术领域，特别是用于近场通信的射频接口集成电路。
背景技术
近场通信技术源于RFID(射频识别)技术，由Sony、Philips和Nokia提出，它使得两个电子设备可以直接进行短程的通讯，工作在13.56MHz频段。NFC设备有三种典型的工作模式：读写器模式、卡仿真模式和点对点模式。在读写器模式下，NFC设备作为常规RFID读写器读取或写入外部RFID芯片，NFC设备发出磁场，通过调制磁场幅度发送数据，并接收由外部RFID通过调制发送的数据。在卡仿真模式下，NFC设备可以工作在无源模式下，不发出任何磁场，通过解调其他读取器发出的磁场接收数据，并通过调制发送数据。在点对点模式下，NFC设备必须与另一个NFC设备相配，每个NFC设备将其自身交替处于接收数据的无源状态(不发出场)和发送数据的有源状态(发出场)。
无论工作在何种模式，对于NFC设备的射频接口电路而言，只有两种状态：发出磁场的有源状态(读写器状态)和不发磁场的无源状态(RFID状态)。由于有源状态下磁场的发送和无源状态下磁场的接收是通过共用的外接天线实现的，因此，发送电路和接收电路之间会相互影响，无法保证射频接口电路在无源状态和有源状态下都能正确有效的工作。如何避免上述干扰在现有技术中，未见有相关内容的报道。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于近场通信的射频接口集成电路。它能有效的避免发送电路和接收电路的相互影响，保证近场通信射频接口电路在无源状态和有源状态下都能有效工作。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种用于近场通信的射频接口集成电路，其结构特点是，该电路包括：
用于在有源状态发送磁场的读写器发送电路；
由外接器件构成的天线匹配网络；
外接的发送/接收天线；
用于在无源状态接收磁场的RFID电源电路。
与载波同频率的时钟信号PCD_CLK和要发送的数据信号PCD_TXD连接到读写器发送电路的输入端，读写器发送电路的输出端、天线匹配网络、发送/接收天线和RFID电源电路依次相互连接，RFID电源电路输出内部电源VDD_PICC。
在上述射频接口集成电路中，所述读写器发送电路采用两路结构和参数完全相同的电路发送载波，两路发送电路的载波频率输入端相位差180度。
在上述射频接口集成电路中，所述读写器发送电路包括多个MOS管和电阻。时钟信号PCD_CLK分别与NMOS管M12和PMOS管M13的栅极相连并经过反相器INV1与NMOS管M15和PMOS管M16的栅极相连。NMOS管M12的漏极和PMOS管M13的漏极相连成为输出端TXRFA，NMOS管M15的漏极和PMOS管M16的漏极相连成为输出端TXRFB。数据信号PCD_TXD分别与NMOS管M11和NMOS管M14的栅极相连，NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极相连，NMOS管M15的源极与NMOS管M14的漏极相连，NMOS管M11的源极和NMOS管M14的源极接地。NMOS管M11的源极和漏极之间连接电阻R1，NMOS管M14的的源极和漏极之间连接电阻R2。
在上述射频接口集成电路中，所述天线匹配网络输入端与读写器发送电路的输出端TXRFA、TXRFB连接，天线匹配网络输出端与发送/接收天线两端VA、VB连接。天线匹配网络采用对称的电路结构，内部没有对地的直流通路。
在上述射频接口集成电路中，所述天线匹配网络包括多个电容和电感。读写器发送电路的输出端TXRFA依次经电感L1A、电容C3A和电容C1A连接到发送/接收天线的VA端，读写器发送电路的输出端TXRFB依次经电感L1B、电容C3B和电容C1B连接到发送/接收天线的VB端。电容C3A和电容C1A的连接点依次经电容C2A和电容C2B连接到电容C3B和电容C1B的连接点，读写器发送电路的输出端TXRFA和TXRFB之间还依次连接电容C5A和电容C5B，电感L1A和电容C3A的连接点依次经电容C4A和电容C4B连接到电感L1B和电容C3B的连接点。
在上述射频接口集成电路中，所述RFID电源电路采用全波整流电路从发送/接收天线两端VA、VB得到整流电源VREC，整流电源VREC和输出内部电源VDD_PICC之间串联PMOS管构成的模拟开关，并通过逻辑信号PICC_SLEEP控制模拟开关的通断。
在上述射频接口集成电路中，所述RFID电源电路包括多个PMOS管。发送/接收天线的VB端分别连接PMOS管M3的栅极、漏极和PMOS管M1的源极、PMOS管M2的栅极，发送/接收天线的VA端分别连接PMOS管M4的栅极、漏极和PMOS管M2的源极、PMOS管M1的栅极。PMOS管M2的漏极和PMOS管M1的漏极相连接地，PMOS管M4的源极、PMOS管M3的源极相连输出整流电源VREC。整流电源VREC分别连接PMOS管M5的漏极、PMOS管M6A的漏极和PMOS管M6B的栅极，PMOS管M6A源极和PMOS管M6B的漏极相连，信号PICC_SLEEP与PMOS管M5的栅极相连，PMOS管M6A的栅极、PMOS管M6B的源极和PMOS管M5的源极相连并输出内部电源VDD_PICC。
本发明由于采用了上述结构，在内部逻辑控制电路的配合下，在发出磁场的有源状态，RFID电源电路处于低功耗状态，不会对发送电路的效率造成明显影响，而在接收外磁场的无源状态，读写器发送电路也不会对RFID电源电路造成影响。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中读写器发送电路的电路图；
图3为本发明中天线匹配网络的电路图；
图4为本发明中RFID电源电路的电路图；
图5为本发明中有源模式工作时VA端和VB端仿真波形图。
具体实施方式
参看图1至图4，本发明包括：用于在有源状态发送磁场的读写器发送电路、由外接器件构成的天线匹配网络、外接的发送/接收天线和用于在无源状态接收磁场的RFID电源电路。与载波同频率的时钟信号PCD_CLK和要发送的数据信号PCD_TXD连接到读写器发送电路的输入端，读写器发送电路、天线匹配网络和RFID电源电路依次相互连接，RFID电源电路输出内部电源VDD_PICC。读写器发送电路采用两路结构和参数完全相同的电路发送载波，两路发送电路的载波频率输入端相位差180度。天线匹配网络输入端与读写器发送电路的输出端TXRFA、TXRFB连接，天线匹配网络输出端与发送/接收天线两端VA、VB连接，天线匹配网络采用对称的电路结构，内部没有对地的直流通路。RFID电源电路采用全波整流电路从发送/接收天线两端VA、VB得到整流电源VREC，整流电源VREC和输出内部电源VDD_PICC之间串联PMOS管构成的模拟开关，并通过逻辑信号PICC_SLEEP控制模拟开关的通断。
如图2所示，读写器发送电路包括多个MOS管和电阻。时钟信号PCD_CLK分别与NMOS管M12和PMOS管M13的栅极相连并经过反相器INV1与NMOS管M15和PMOS管M16的栅极相连，NMOS管M12的漏极和PMOS管M13的漏极相连成为输出端TXRFA，NMOS管M15的漏极和PMOS管M16的漏极相连成为输出端TXPFB。数据信号PCD_TXD分别与NMOS管M11和NMOS管M14的栅极相连，NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极相连，NMOS管M15的源极与NMOS管M14的漏极相连，NMOS管M11的源极和NMOS管M14的源极接地。NMOS管M11的源极和漏极之间连接电阻R1，NMOS管M14的的源极和漏极之间连接电阻R2。上述读写器发送电路中的NMOS管M12和PMOS管M13以及NMOS管M15和PMOS管M16分别组成两个反相器构成两个支路的载波发射部分，两个反相器的输入端信号相位差180度。与载波同频率的时钟信号PCD_CLK连接到两个反相器的的输入端，两个反相器的输出端TXRFA、TXRFB分别送到天线匹配网络的两个输入端。与载波(13.56MHz)同频率的时钟信号PCD_CLK控制读写器发送电路中NMOS管M11的栅极和NMOS管M14的栅极，实现发出磁场的幅度调制。分别与NMOS管M11和NMOS管M14并联的电阻R1和R2决定了幅度调制的大小，根据实际情况，这两个电阻可以采用外接器件实现，也可以用内部集成电阻实现，这样通过串联电阻实现的磁场调制幅度一般在10％左右。实际上，通过控制载波发射部分的器件参数，用并联的形式也可以很容易地实现10％左右的磁场幅度调制。100％的磁场幅度调制，可以通过关断PCD_CLK信号实现。
本发明中的发送/接收天线需要根据使用环境和系统要求来确定，在发送/接收天线确定以后，就可以根据它的电参数，来确定天线匹配网络中的各个电感和电容参数。
如图3所示，天线匹配网络包括多个电容和电感。读写器发送电路的输出端TXRFA依次经电感L1A、电容C3A和电容C1A连接到发送/接收天线的VA端，读写器发送电路的输出端TXRFB依次经电感L1B、电容C3B和电容C1B连接到发送/接收天线的VB端。电容C3A和电容C1A的连接点依次经电容C2A和电容C2B连接到电容C3B和电容C1B的连接点。读写器发送电路的输出端TXRFA和TXRFB之间还依次连接电容C5A和电容C5B，电感L1A和电容C3A的连接点依次经电容C4A和电容C4B连接到电感L1B和电容C3B的连接点。上述天线匹配网络采用对称的电路结构，需要特别说明的是，天线匹配网络内部没有对地的直流通路，发送/接收天线的VA端、VB端到天线匹配网络的输入端TXRFA、TXRFB也没有直流通路。在天线匹配网络中，电容C4A、C4B、C5A、C5B不是必须的，在某些外接天线参数情况下，可以去掉。电容C2A、C2B也可以合并用一个电容实现。
如图4所示，RFID电源电路包括多个PMOS管。发送/接收天线的VB端分别连接PMOS管M3的栅极、漏极和PMOS管M1的源极、PMOS管M2的栅极，发送/接收天线的VA端分别连接PMOS管M4的栅极、漏极和PMOS管M2的源极、PMOS管M1的栅极。PMOS管M2的漏极和PMOS管M1的漏极相连接地，PMOS管M4的源极、PMOS管M3的源极相连输出整流电源VREC。整流电源VREC分别连接PMOS管M5的漏极、PMOS管M6A的漏极和PMOS管M6B的栅极，PMOS管M6A源极和PMOS管M6B的漏极相连。信号PICC_SLEEP与PMOS管M5的栅极相连，PMOS管M6A的栅极、PMOS管M6B的源极和PMOS管M5的源极相连并输出内部电源VDD_PICC。上述RFID电源电路中，NMOS管M1-M4构成全波整流电路，PMOS管M5是一个模拟开关，模拟开关的通断受PICC_SLEEP信号控制，NMOS管M6A和M6B用于保证NMOS管M5衬底在各种应用中都能连接到高电位一端。
本发明工作时，当近场通信射频接口电路处于发出磁场的有源状态时，读写器发送电路处于正常工作状态，并将载波通过天线匹配网络发送到发送/接收天线两端，以磁场的形式发送出去。此时，逻辑信号PICC_SLEEP输出高电平，RFID电源电路内部的模拟开关M5关断，切断了整流电源VREC和输出内部电源VDD_PICC之间的连接。因此，虽然全波整流电路仍旧处于工作状态，但整流电源VREC上并没有电流消耗，对发送电路的输出功率不会造成明显的影响。发送/接收天线两端VA、VB的仿真波形如图5所示。由于发送电路中的载波频率输入端存在180度的相位差，所以发送/接收天线两端VA、VB也有大约180度的相位差。由于RFID电源电路中全波整流电路的作用，当电压VA＞VB时，VB近似接地，VA随发送电路的输出而变化，同理，当电压VB＞VA时，VA近似接地，VB随发送电路的输出而变化。需要说明的是，在上述的工作情况下，由于天线匹配网络输入端和输出端之间的直流偏置在不断随着载波的变化而变化，可能会对发送电路的输出功率有一定影响。
当近场通信射频接口电路处于不发磁场的无源状态时，读写器发送电路关断，其输出端TXRFA、TXRFB处于高阻状态(给图2所示的读写器发送电路增加简单的控制逻辑就可以实现)。由于发送/接收天线两端VA、VB之间处于比较好的谐振状态，RFID电源电路通过外接天线耦合外部读写器的磁场，并整流得到直流电源VREC，逻辑信号PICC_SLEEP输出低电平，模拟开关M5导通，输出内部电源VDD_PICC获得直流电平，RFID内部电路就处于正常的工作状态。需要特别说明的是，在无源状态下，内部逻辑电路的电源可以由RFID电源电路提供，也可以由接触电源直接提供。
本发明射频接口电路处于有源状态还是无源状态，在内部逻辑电路的控制下，都可以方便地从一种状态转移到另外一种状态，从而保证了近场通信设备可以灵活地在三种工作模式之间进行切换。
Claims (7)
1.一种用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，该电路包括：
用于在有源状态发送磁场的读写器发送电路；
由外接器件构成的天线匹配网络；
外接的发送/接收天线；
用于在无源状态接收磁场的RFID电源电路；
与载波同频率的时钟信号PCD_CLK和要发送的数据信号PCD_TXD连接到读写器发送电路的输入端，读写器发送电路的输出端、天线匹配网络、发送/接收天线和RFID电源电路依次相互连接，RFID电源电路输出内部电源VDD_PICC。
2.如权利要求1所述的用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，所述读写器发送电路采用两路结构和参数完全相同的电路发送载波，两路发送电路的载波频率输入端相位差180度。
3.如权利要求1或2所述的用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，所述读写器发送电路包括多个MOS管和电阻，时钟信号PCD_CLK分别与NMOS管M12和PMOS管M13的栅极相连并经过反相器INV1与NMOS管M15和PMOS管M16的栅极相连，NMOS管M12的漏极和PMOS管M13的漏极相连成为输出端TXRFA，NMOS管M15的漏极和PMOS管M16的漏极相连成为输出端TXRFB，数据信号PCD_TXD分别与NMOS管M11和NMOS管M14的栅极相连，NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极相连，NMOS管M15的源极与NMOS管M14的漏极相连，NMOS管M11的源极和NMOS管M14的源极接地，NMOS管M11的源极和漏极之间连接电阻R1，NMOS管M14的的源极和漏极之间连接电阻R2。
4.如权利要求1所述的用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，所述天线匹配网络输入端与读写器发送电路的输出端TXRFA、TXRFB连接，天线匹配网络输出端与发送/接收天线两端VA、VB连接，天线匹配网络采用对称的电路结构，内部没有对地的直流通路。
5.如权利要求1或4所述的用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，所述天线匹配网络包括多个电容和电感，读写器发送电路的输出端TXRFA依次经电感L1A、电容C3A和电容C1A连接到发送/接收天线的VA端，读写器发送电路的输出端TXRFB依次经电感L1B、电容C3B和电容C1B连接到发送/接收天线的VB端，电容C3A和电容C1A的连接点依次经电容C2A和电容C2B连接到电容C3B和电容C1B的连接点，读写器发送电路的输出端TXRFA和TXRFB之间还依次连接电容C5A和电容C5B，电感L1A和电容C3A的连接点依次经电容C4A和电容C4B连接到电感L1B和电容C3B的连接点。
6.如权利要求1所述的用于近场通信的射频接口集成电路，其特征在于，所述RFID电源电路采用全波整流电路从发送/接收天线两端VA、VB得到整流电源VREC，整流电源VREC和输出内部电源VDD_PICC之间串联PMOS管构成的模拟开关，并通过逻辑信号PICC_SLEEP控制模拟开关的通断。
7.如权利要求1或6所述的近场通信射频接口集成电路，其特征在于，所述RFID电源电路包括多个PMOS管，发送/接收天线的VB端分别连接PMOS管M3的栅极、漏极和PMOS管M1的源极、PMOS管M2的栅极，发送/接收天线的VA端分别连接PMOS管M4的栅极、漏极和PMOS管M2的源极、PMOS管M1的栅极，PMOS管M2的漏极和PMOS管M1的漏极相连接地，PMOS管M4的源极、PMOS管M3的源极相连输出整流电源VREC，整流电源VREC分别连接PMOS管M5的漏极、PMOS管M6A的漏极和PMOS管M6B的栅极，PMOS管M6A源极和PMOS管M6B的漏极相连，信号PICC_SLEEP与PMOS管M5的栅极相连，PMOS管M6A的栅极、PMOS管M6B的源极和PMOS管M5的源极相连并输出内部电源VDD_PICC。
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