CN102647209B - 近场通信设备 - Google Patents

Abstract

近场通信(NFC)设备可能需要在低功率下工作，从而处理更易受到噪声破坏的小信号。描述了一种具有天线10的NFC设备100，所述天线10适于从另一NFC设备接收信号。当天线接收到信号时，产生输入电压。将可变电阻元件12串联连接在天线10与放大器14之间，所述可变电阻元件12适于随着输入电压的增大来增大输入电阻。通过当输入电压增大时增大输入电阻，减小了从线圈汲取的电流。这使设备的总功耗较低，同时保持了可靠的性能，因为越高的输入信号电平越不易受到由可变电阻元件12和放大器14产生的噪声的破坏。

Description

近场通信设备

技术领域

本发明涉及近场通信(NFC)设备。本发明还涉及无钥匙进入设备、应答器、RFID标签和助听器。

背景技术

已知的是近场通信(NFC)设备可以被用于典型地在1.5米范围内的短距离上的无线通信。在WO2007/072361A2中描述了NFC系统的示例。公开了具有天线电路的发射机和接收机，天线电路包括线圈和与线圈相连的单极子(monopole)或偶极子(dipole)。天线电路捕获由发射机传送的具有波长的信号。线圈捕获信号，并且产生具有与波长相对应的频率的电流。线圈被定尺寸为使得电流在每个时间点均匀地分布在线圈内。

可以将NFC设备用作多种系统中的部件，所述多种系统例如不限于无钥匙进入(keyless entry)设备。便携式NFC应答器设备具有被放置在固定应答器附近的包括线圈或电感器的天线。固定NFC应答器控制锁，并且典型地由干线电源供电。两个应答器中的天线在两个设备之间发送和接收信息。此外，如果设备的总功耗可以保持足够小，从固定应答器发送至便携式应答器的功率还可以被用于向便携式设备提供所有的供电需求。备选地，便携式应答器可以具有小电池，尽管典型地这是不期望的。因为需要将功耗保持尽可能的低，所以电压和电流小；如果环境嘈杂，这可能导致发送期间信息丢失，而这是不期望的，原因在于无钥匙进入系统需要可靠地操作。因而需要开发一种可以以低功耗情可靠地操作的改进的NFC通信设备。

发明内容

在所附的权利要求中限定了本发明的各个方面。第一方面，提供了一种近场通信设备，所述近场通信设备包括：天线，所述天线被配置为接收由另一近场通信设备发送的信号，并根据所述信号产生输入电压；放大器；可变电阻元件，所述可变电阻元件被布置为串联连接在天线与放大器的输入之间；以及控制器，所述控制器与可变电阻元件耦合；其中所述近场通信设备可操作用于：响应于输入电压的增大来增大可变电阻元件的电阻，以及响应于输入电压的减小来减小可变电阻元件的电阻。可变电阻元件可以其电阻值可以连续改变或选自多个离散值的元件。

在小输入电压下，例如在小于1伏特的输入电压下，可变电阻可以处于相对小的值，典型地小于5kOhm。在低电压下，主要的(dominant)噪声源是放大器以及电阻器的热噪声。然而，通过具有相对低的电阻值，可以减少输入噪声，代价是功耗增大。通过在输入电压增大时增大电阻，减少了设备的总功耗同时保持了可靠的性能，这是因为，越高的输入信号电平越不易受到由可变电阻元件、可变分路电阻器和放大器产生的噪声的破坏(corruption)。

在实施例中，近场通信设备还包括耦合在放大器的输入与接地之间的可变分路电阻；其中，可变分路电阻被配置为从天线接收输入电压并将电流分路至地，近场通信设备还可操作用于：响应于输入电压的增大来减小可变分路电阻的电阻，以及响应于输入电压的减小来增大可变分路电阻的电阻。

因此，分路电阻和可变电阻元件可以充当输入电压的分压器。随着输入电压的增大，可以调整分路电阻与可变电阻的比率，以稳定来自放大器的输出电压。

在另一实施例中，近场通信设备包括第一电阻器、与控制器相连的开关和被布置为与开关串联的第二电阻器；其中，开关和第二电阻器被布置为与第一电阻器并联，开关可操作用于根据输入电压的值和控制输入来将第二电阻器耦合在第一节点和第二节点之间。

在另一实施例中，开关包括场效应晶体管，控制器与场效应晶体管的栅极耦合。

在实施例中，场效应晶体管是NMOS器件，控制器被配置为产生栅极控制电压，其中NMOS器件被配置为：当输入电压小于或等于栅极控制电压的值与NMOS器件的阈值电压之间的差值时，将第二电阻器与第一电阻器并联耦合。

与输入电压耦合的NMOS晶体管的结构简化了控制机制，所以在NMOS器件的控制端子或栅极处，仅需要恒定的参考电压。

在实施例中，控制器包括数字逻辑门，其中数字逻辑门的输出与可变电阻元件的控制端子耦合。

在另一实施例中，可变分路电阻包括分路晶体管，所述分路晶体管具有与天线耦合的控制端子。晶体管可以被配置为压控晶体管，以根据输入电压来改变电阻。优选地，晶体管可以是NMOS场效应晶体管。

在其它实施例中，天线包括线圈。

优选地，NFC设备可以构成无钥匙进入组件的一部分。因为可以改变分路电阻器和可变电阻的电阻，所以可能能够根据从NFC发射机接收到的功率来可靠地操作该组件，因此设备可以是无源的，不需要内部电源。

在其它实施例中，NFC设备可以构成应答器、RFID标签或助听器的一部分。

附图说明

现在仅作为示例，详细地描述由附图示出的本发明实施例，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例的NFC设备。

图2示出了根据本发明另一实施例的NFC设备。

图3示出了根据图2的实施例的电阻随输入电压变化的曲线图。

图4示出了根据本发明另一实施例的NFC设备。

应该注意的是附图是示意性的，并且不是按照比例绘制的。在附图中，为了清楚简便起见，以扩大或缩小的尺寸示出了这些附图中的部件的相对尺寸和比例。在修改的和不同的实施例中，相同的参考标记一用于表示相应或类似的特征。

具体实施方式

图1示出了NFC设备100的实施例。天线10与可变电阻元件12的第一节点相连。可变电阻元件12的另一端与输入放大器14相连。可以由控制器18来控制可变电阻元件。

将可变分路电阻器16连接在放大器14的输入与接地之间。术语接地可以表示当设备在工作时与接地、虚接地或0伏特相连的节点。可变分路电阻器16的控制输入与天线10相连。

在实施中，天线从另外的NFC设备接收的信号可以在可变电阻元件12的第一节点上产生输入电压。可变电阻元件12的电阻可以在输入电压在阈值以下时的第一电阻值与输入电压大于阈值时的更高的第二电阻值之间改变。可变分路电阻器16的电阻可以随着输入电压的增大而减小。

在其它实施例中，可以将天线10经由另外的电路与可变电阻元件12相连，所述另外的电路可以是整流器。在一些实施例中，可以将可变电阻元件经由其它电路元件与放大器14的输入相连。

图2示出了NFC设备200的另一实施例。天线10包括第一电容器30，所述第一电容器30被布置为与第二电容器32串联。线圈或电感器28与第一电容器30和第二电容器32并联连接。整流器24的第一节点与第一电容器30和第二电容器32相连。整流器24的第二节点与可变电阻元件12的第一节点和滤波器36的输入相连。可变电阻元件12包括第一电阻路径20，所述第一电阻路径20具有电阻RH。可变电阻元件12包括第二电阻路径，所述第二电阻路径具有NMOS场效应晶体管26和电阻RL的串联连接。FET26的控制输入与控制器18相连。控制器18包括逻辑门34。逻辑门34的输出与NMOS晶体管26的栅极相连。将分路晶体管42连接在放大器14的输入与接地之间。可以将分路晶体管42实现为NMOS晶体管。分路晶体管42的栅极可以与滤波器36的输出相连。

在使用中，当逻辑门34的输出是逻辑低时，晶体管26截止并且可变电阻元件12的值由第一电阻路径的值RH来确定。当逻辑门34的输出是高时，如果驱动NMOS晶体管26栅极的逻辑门具有输出高值Vgate，并且NMOS晶体管具有阈值电压Vt，那么对于小于Vgate-Vt的输入电压值，可变电阻元件12的值等于并联电阻的组合，即RH与RL并联。对于大于Vgate-Vt的输入电压值，NMOS晶体管26变为(Vgate-Vt)/RL的恒定电流吸收器(current sink)，并且因为作为电流吸收器的晶体管的输出电阻远大于RH，所以电阻的值接近于RH。在不改变逻辑门34的输出的情况下，可变电阻元件12的电阻可以随着输入电压的改变而改变。

分路晶体管42随着输入电压的增大而更猛烈地导通(turn onharder)。这可以将放大器14的输入拉动至更接近接地，使得输入电压的大部分出现在可变电阻元件12的两端。因此，分路晶体管42充当可变分路电阻。

在其它实施例中，可以将分路晶体管的栅极经由至少一个增益电路与天线耦合，所述增益电路被调谐到由天线接收的信号的载波频率。

图3示出了通过图2的NMOS FET晶体管26的电流对输入电压的变化的曲线图300。Y轴示出了电流的变化，X轴示出了输入电压的变化。随着输入电压增大至值Vgate-Vt(部分301所示)，电流线性增大；斜坡(gradient)的斜率等于(RH+RL)/(RH*RL)。当输入电压增大至Vgate-Vt以上时(部分302所示)，NMOS晶体管26工作在饱和区，从而充当恒定电流吸收器。电流继续增大，但是因为NMOS晶体管26的输出电阻在饱和区中较高，所以现在电压对电流的变化的斜率是1/RH。为了参考，曲线图300还示出了曲线310，所述曲线310是通过原点的斜率为1/RH的直线。部分302与310平行。在另外的实施例中，RL可以在3kOhm至5kOhm的范围内，RH可以在150kOhm至250kOhm的范围内。

图4示出了NFC设备400的另一实施例。天线10与整流器24的第一节点相连，整流器24的第一节点连接至第一天线10。整流器24的第二节点与可变电阻元件12的第一节点和滤波器36的输入相连。可变电阻元件12包括具有电阻RH的第一电阻路径20。可变电阻元件12包括第二电阻路径22，所述第二电路路径22具有NMOS场效应晶体管26与电阻RL的串联连接。可变电阻元件12包括第三电阻路径，所述第三电阻路径具有另一NMOS场效应晶体管40与电阻RL2的串联连接。控制器18的第一输出与NMOS晶体管26的栅极相连。控制器18的第二输出与另一NMOS晶体管40的栅极相连。将分路晶体管42连接在放大器42的输入与接地之间。可以将分路晶体管42实现为NMOS晶体管。分路晶体管42的栅极可以与滤波器16的输出相连。

在使用中，当控制器18的第一输出是逻辑低时，晶体管26截止并且可变电阻元件12的值由第一电阻路径的值RH来确定。当控制器18的第一输出是逻辑高时，NMOS晶体管26的栅极具有电压值Vgate，并且NMOS晶体管26具有阈值电压Vt。对于小于Vgate-Vt的输入电压值，可变电阻元件12的值等于并联电阻组合，即，RH与RL并联。对于大于Vgate-Vt的输入电压值，NMOS晶体管26变为(Vgate-Vt)/RL的恒定电流吸收器，并且因为作为电流吸收器的晶体管的输出电阻远大于RH，所以电阻的值接近于RH。可变电阻元件12的电阻可以在不改变电压值Vgate的情况下随着输入电压的改变而改变。

类似地，当控制器18的第二输出是逻辑高时，NMOS晶体管26的栅极具有电压值Vgate，另一NMOS晶体管40具有阈值电压Vt。对于小于Vgate-Vt的输入电压值，可变电阻元件12的值等于并联电阻组合，即，RH与RL2并联。

如果控制器对NMOS晶体管26和另一NMOS晶体管40均施加逻辑高，则NMOS晶体管26和另一NMOS晶体管40的栅极处的电压是值Vgate。对于小于Vgate-Vt的输入电压值，可变电阻元件12的值等于并联电阻的组合，即，RH、RL、RL2并联。对于大于Vgate-Vt的输入电压值，NMOS晶体管26变为(Vgate-Vt)/RL的恒定电流吸收器，NMOS晶体管26变为(Vgate-Vt)/RL2的恒定电流吸收器，并且因为作为电流吸收器的晶体管的输出电阻远大于RH，所以电阻的值接近于RH。可变电阻元件12的电阻可以在不改变电压值Vgate的情况下随着输入电压的改变而改变。

分路晶体管42随着输入电压的增大而更猛烈地导通。这可以将放大器14的输入拉至更接近于接地，使得输入电压的大部分出现在可变电阻元件12的两端。因此，分路晶体管42充当可变分路电阻。

在另外的实施例中，RL可以在3kOhm至5kOhm的范围内，RL2可以在50至75kOhm的范围内，RH可以在150kOhm至250kOhm的范围内。

在其它实施例中，可变电阻元件可以具有两个串联的电阻器和与电阻器之一并联的晶体管，所述晶体管可控以旁通该电阻器。另外的实施例可以将控制器替换成与NMOS晶体管26和/或NMOS晶体管40的栅极相耦合的固定电压。

本文描述了一种具有天线10的近场通信设备100，所述天线10适于从另外的NFC设备接收信号。当天线接收到信号时，产生输入电压。将可变电阻元件12串联连接在天线10与放大器14之间，所述可变电阻元件12适于随着增大输入电压来增大输入电阻。通过增大输入电压时增大电阻，降低设备的总功耗，同时保持了可靠的性能，这是因为越高的输入信号电平越不易受到由可变电阻元件12和放大器14产生的噪声的破坏。

通过阅读本公开，本领域技术人员将清楚其它变型和修改。这种变型和修改可以包括在NFC设备技术中已知的并且可以替代本文已描述特征或与本文已描述的特征一起使用的等效特征和其它特征。

尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，但是应该理解，本发明的公开的范围还包括任何新特征、本文显式或隐式公开的特征的任何新组合、或其任何衍生物，而不论它们所涉及的发明是与任何权利要求中当前要求保护的发明相同，也不论它们是否解决了与本发明解决的技术问题相同的任何或所有技术问题。

可以在单个实施例中以组合的方式提供在分离实施例的上下文中描述的特征。相反，也可以分离地或以任何适当子组合的形式来提供为了简明起见而在单个实施例的上下文中描述的各种特征。

申请人因此给出声明：在本申请或从本申请获得的任何其它申请的进行期间，可以将新权利要求形成为这些特征和/或这些特征的组合。

为了完整起见，还声明：术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一种”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干个装置的功能，以及权利要求中的参考标记不应该解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种近场通信设备，包括：

天线，所述天线被配置为接收由另一近场通信设备发送的信号，并根据所述信号产生输入电压，

放大器，

可变电阻元件，所述可变电阻元件被布置为串联连接在天线与放大器的输入之间，以及

控制器，所述控制器与可变电阻元件耦合；

其中，

所述近场通信设备可操作用于：

响应于输入电压的增大来增大可变电阻元件的电阻，以及

响应于输入电压的减小来减小可变电阻元件的电阻；

其中可变电阻元件包括：

第一路径，由第一电阻器组成，以及

第二路径，包括开关与第二电阻器的串联结构；

所述开关可操作用于根据输入电压的值将第二路径与第一路径并联耦合；

其中开关包括具有阈值电压的NMOS晶体管，控制器与NMOS晶体管的栅极耦合；

其中，

控制器被配置为产生栅极控制电压；

NMOS晶体管被配置为当输入电压小于或等于栅极控制电压与NMOS晶体管的阈值电压之差的值时，将第二路径与第一路径并联耦合；当输入电压大于栅极控制电压与NMOS晶体管的阈值电压之差的值时，所述NMOS晶体管为恒定电流吸收器，所述可变电阻元件的电阻值接近第一路径的电阻值。

2.根据权利要求1的近场通信设备，还包括耦合在放大器的所述输入与接地之间的可变分路电阻；

其中，

可变分路电阻被配置为从天线接收输入电压，并将电流分路至接地，以及

近场通信设备还可操作用于：

响应于输入电压的增大来减小可变分路电阻的电阻，以及

响应于输入电压的减小来增大可变分路电阻的电阻。

3.根据权利要求1或2所述的近场通信设备，包括另一路径，所述另一路径包括另一开关与另一电阻器的串联结构；

其中，

所述另一开关可操作用于根据输入电压的值和控制输入，来将所述另一路径与第一路径并联耦合。

4.根据权利要求3所述的近场通信设备，其中，所述另一开关包括另一NMOS晶体管，所述另一NMOS晶体管具有与控制器的另一输出耦合的栅极，所述控制器包括数字逻辑门，所述数字逻辑门具有与可变电阻元件耦合的输出。

5.根据权利要求2所述的近场通信设备，其中可变分路电阻包括分路晶体管，所述分路晶体管具有与天线耦合的控制端子。

6.根据权利要求5的近场通信设备，其中分路晶体管是场效应晶体管。

7.根据权利要求6的近场通信设备，其中分路晶体管是NMOS场效应晶体管。

8.根据前述权利要求1或2所述的近场通信设备，其中天线包括线圈。

9.一种无钥匙进入设备，包括前述权利要求中任一项的近场通信设备。

10.一种应答器，包括权利要求1至8中任一项的近场通信设备。

11.一种RFID标签，包括权利要求1至8中任一项的近场通信设备。

12.一种助听器，包括权利要求1至8中任一项的近场通信设备。