CN103891046A - 通信电路 - Google Patents

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Abstract

RFIC(11)包括IO端子(11P)。同样，控制IC(12)包括IO端子(12P)。可变电容元件(14)包括控制端子(14P)。该可变电容元件(14)包括根据控制电压来确定电容值的电容元件、以及对输入控制端子的电压进行分压来产生所述控制电压的电阻分压电路。RFIC(11)或控制IC(12)经由信号线(15A、15B)向可变电容元件(14)提供控制数据。可变电容元件(14)与天线线圈(13)一同构成LC并联谐振电路即天线电路，将天线电路的谐振频率定义为规定频率。

Description

通信电路
技术领域
本发明涉及经由电磁场信号与对方侧设备进行通信的RFID(RadioFrequency Identification：无线射频识别)系统、近距离无线通信(NFC：Near Field Communication：近场通信)系统所使用的通信电路。
背景技术
NFC是利用13MHz频带的近距离无线通信标准的一种，有望搭载到以移动通信终端为代表的各种终端中。通常，在利用NFC的移动通信终端中，NFC用的RFIC内置在终端主体内，该NFC用的RFIC与同样内置在终端主体内的NFC用的天线线圈相连接。另外，上述天线线圈连接有电容元件，以使得在通信频率下发生谐振，由该电容元件和天线线圈构成天线电路。并且，由该天线电路和NFC用RFIC等构成无线通信模块(以下称为“NFC模块”)。
虽然NFC模块的通信频率是预先决定的，但根据其使用条件、制造偏差会导致要匹配的天线电路的谐振频率稍有不同。例如在读写器模式和卡片模式下，作为天线电路的谐振电路的电路结构会发生改变。因此，为了在任一模式下都维持规定的谐振频率，需要根据模式来调整上述谐振电路。另外，NFC模块的搭载环境也会导致使用条件发生变化。例如根据NFC模块的附近是否存在金属等，天线电路的谐振频率会发生变化。
在NFC模块的天线的频带足够宽的情况下，不需要根据上述使用条件的不同进行微调，但伴随着近年来终端的小型化，难以确保足够的天线尺寸，若天线尺寸变小，则无法获得天线带宽。因此，需要进行调整，使谐振频率达到最优值。
作为谐振频率的调整方法，已知利用能根据施加电压来改变电容值的可变电容元件来构成天线电路的电容器的技术(参照专利文献1)。另外，专利文献2示出通过选择性地连接多个电容器来切换整体的电容值的电路。
图10是专利文献2所示的通信电路的示例。这里，非接触IC部47由非接触IC芯片、具有电容器Cin、并联电容器C1～C3、开关SW1～SW3的天线并联电容器部、以及天线L1构成。电容器Cin与并联电容器C1～C3所具有的电容量为固定值。SW1～SW1是对并联电容器C1～C3的连接的通/断进行切换的电路。在将非接触IC部47安装于移动电话1之后，搭载非易失性存储器的控制器IC62与非接触IC部47相连接。控制器IC62对非接触IC部47的开关SW1～SW3进行控制，从而切换开关SW1～SW3的通/断。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009-290644号公报
专利文献2：日本专利特开2010-147743号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在具备可变电容二极管、切换电路的情况下，需要设置用于另外搭载这些有源元件的空间，除此以外，由于存在有源元件，因此容易产生失真，可能会导致谐振频率发生变化。另外，需要输入输出用于调整天线电路的谐振频率的信号、数据的端子及传输这些信号、数据的线路。另外，为了切换多个电容器，并以微小的步长调整电容值，需要多个电容器以及切换用开关。因此，存在电路结构复杂化、IC的尺寸也变大的问题。
本发明的目的在于，提供一种通信电路，该通信电路无需增加输入输出信号、数据的端子及传输这些信号、数据的线路，并且无需增加电容元件的元件数，就能调整天线电路的电容值，从而消除了电路结构的复杂化。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的通信电路的结构如下。
(1)本发明的通信电路的特征在于，包括：RFIC，该RFIC在基带信号与高频信号之间进行调制解调；控制IC，该控制IC输入输出包含通信数据的数据，以对所述RFIC进行控制；天线线圈；以及可变电容元件，该可变电容元件使包含所述天线线圈的天线电路的谐振频率发生变化，
所述RFIC的IO端子与所述控制IC的IO端子通过信号线相连接，所述可变电容元件的控制端子与所述信号线的至少一部分相连接。
利用该结构，无需增加输入输出信号、数据的端子及传输这些信号、数据的线路，且无需增加电容元件的元件数，就能调整可变电容元件的电容值，因此，能消除电路结构的复杂化。
(2)优选为所述可变电容元件包括根据控制电压来确定电容值的电容元件、以及对输入所述控制端子的电压进行分压来产生所述控制电压的电阻分压电路。
利用该结构，无需增加电容元件的元件数，就能调整天线电路的电容值，从而能消除电路结构的复杂化。
(3)优选为所述电阻分压电路包括第一端分别与所述控制端子相连接的多个电阻，还包括对这些电阻的第二端进行公共连接并输出所述控制电压的公共线路，所述多个电阻的电阻值以如下方式进行定义，即：以这些电阻值中的最低的电阻值为基准，并与该基准的比率为2的幂次方。
利用该结构，能以相对较少线路数(比特数)的数据传输线，来使控制数据的值与对可变电容元件的控制电压成为线性关系，能容易地以固定的分辨率来进行多级的设定。
(4)优选为包括外部IO端子，该外部IO端子与所述信号线相连接，且在该外部IO端子与外部电路之间进行信号的输入输出。
利用该结构，从外部电路也能对可变电容元件进行控制。
(5)优选为所述可变电容元件及所述RFIC由单一的单片IC构成为一体。
利用该结构，能减少元器件数量，数据传输线的走线也变得非常简单，能力图实现通信电路的小型轻量化。
(6)优选为所述RFIC包括动作模式切换单元，该动作模式切换单元在该RFIC的电源接通时，基于从所述控制IC的IO端子输出的信号，来对所述RFIC的动作模式进行切换。
利用该结构，能兼用控制IC为控制RFIC而使用的IO端口与输出用于对可变电容元件进行电容值控制的控制数据的输出端口，从而能有效利用较少的IO端口。
(7)优选为所述RFIC或所述控制IC包括在电源接通时对所述可变电容元件的电容设定模式进行判定的单元，所述RFIC及所述控制IC均包括向所述IO端子输出对所述可变电容元件进行控制的控制数据的单元。
利用该结构，RFIC和控制IC都能向可变电容元件提供控制数据，从而能实现高性能的通信电路。
发明效果
根据本发明，能构成一种通信电路，该通信电路无需增加输入输出信号、数据的端子及传输这些信号、数据的线路，并且无需增加电容元件的元件数，就能调整天线电路的电容值，从而消除了电路结构的复杂化。
附图说明
图1是实施方式1的通信电路101的电路图。
图2是构成在RFIC11与天线线圈13之间的电路的细节图。
图3是将可变电容元件14的简要结构与其所连接的电路一起进行表示的图。
图4是可变电容元件14内部的整体电路图。
图5是表示图4所示的端口P21～P25的5比特值与电阻分压比之间的关系的图。
图6是实施方式2的通信电路102的电路图。
图7是实施方式2的其它通信电路103的电路图。
图8是实施方式3的通信电路所包括的RFIC的处理内容的流程图。
图9(A)是表示RFIC的处理内容的流程图。图9(B)是表示控制IC的处理内容的流程图。
图10是专利文献2所示的通信电路的电路图。
具体实施方式
《实施方式1》
图1是实施方式1的通信电路101的电路图。该通信电路101为所述NFC模块的一个示例。通信电路101包括RFIC11、控制IC12、天线线圈13、以及可变电容元件14。RFIC11包括GPIO(General Purpose Input/Output：通用输入/输出)的IO端子11P。同样，控制IC12包括GPIO的IO端子12P。
RFIC11进行基带信号与高频信号之间的调制解调。控制IC12也可称为主IC。该控制IC对RFIC11进行控制，对包含通信数据的数据进行输入输出。
可变电容元件14包括控制端子14P。该可变电容元件14包括根据控制电压(偏置电压)来确定电容值的电容元件、以及对输入控制端子的电压进行分压来产生所述控制电压的电阻分压电路。
RFIC11的两个RX端子(接收信号端子)与可变电容元件14及天线线圈13的并联电路相连接。
RFIC11的IO端子11P与控制IC12的IO端子12P通过信号线15A相连接，可变电容元件14的控制端子14P与信号线15A、15B的至少一部分相连接。在图1所示的示例中，控制端子14P与信号线15A、15B全部相连接。
另外，RFIC11与控制IC12经由数据传输线16相连接。在控制IC12及RFIC11的数据传输线16的端口上例如构成有UART(通用异步收发电路)，经由数据传输线16以串行传输方式或并行传输方式来对数据进行收发。
如后文所示，RFIC11和控制IC12经由数据传输线16进行通信信号的输入输出。控制IC12经由信号线15A进行RFIC11的各种设定等控制。另外，RFIC11或控制IC12经由信号线15A、15B向可变电容元件14提供控制数据。
可变电容元件14与天线线圈13一同构成LC并联谐振电路即天线电路，将天线电路的谐振频率定义为规定频率。天线线圈13与通信对象的天线进行电磁耦合，由此来进行用于近距离通信的收发。
图2是构成在所述RFIC11与天线线圈13之间的电路的细节图。该图2中，还示出了与RFIC11的两个TX端子(发送信号端子)相连接的电路。图2中，电容器C21、C22是RFIC11与天线线圈13的耦合度调整用的元件。另外，电感器L11、L12以及电容器C11、C12、C20构成发送滤波器。例如在通信电路以卡片模式工作的情况下，RFIC11被动工作，因此根据输入到RX端子的信号来生成电源电压，并读取接收信号，在发送时对与TX端子相连接的电路(负载)进行负载调制。另外，例如在通信电路以读写器模式工作的情况下，RFIC11主动工作，因此在发送时断开RX端子并从TX端子发送发送信号，在接收时断开TX端子并从RX端子输入接收信号。由此，根据工作模式，从RFIC11观察天线线圈13一侧所得到的通信电路的阻抗会发生变化。如之后所示那样，根据工作模式来对可变电容元件14进行控制，使得天线电路的谐振频率达到最优(使得从RFIC11观察天线线圈一侧所得到的阻抗匹配)。
此外，天线线圈13的两端与接地之间分别连接有ESD保护元件17A、17B。这些ESD保护元件17A、17B能将从天线线圈13输入的静电放电浪涌释放至接地从而防止向RFIC11施加过电压。
图3是将所述可变电容元件14的简要结构与其所连接的电路一起进行表示的图。如图3所示，可变电容元件14包括控制电压施加电路14R以及可变电容部14C。可变电容部14C根据施加在端口P13-P14之间的电压来确定端口P11-P12之间的电容值。控制电压施加电路14R的第一端与RFIC11的GPIO端口(GPIO0～GPIO4)相连接，第二端由进行公共连接的电阻元件R21～R25构成。该进行公共连接的线路与可变电容部14C的端口P13相连接。
图4是所述可变电容元件14内部的整体电路图。控制电压施加电路14R的结构已在图3中示出。可变电容部14C由电容元件C1～C6和电阻元件R11～R17构成。控制电压施加电路14R的端口P21～P25如图3所示，与RFIC11的IO端子11P相连接。RFIC11将GPIO端口即IO端子11P选择性地设定为高电平(电源电压)或低电平(接地电压)。因此，根据RFIC11的各IO端子的电平，电阻元件R21～R25起到作为电阻分压电路的作用，并向可变电容部14C的端口P13施加根据其分压比和电源电压得到的控制电压。由于可变电容部14C的端口P14接地，因此在可变电容部14C的端口P13-P14之间施加有所述控制电压。该分压的作用在后文详细阐述。
在可变电容部14C中，经由电阻元件R11～R17对电容元件C1～C6的两端施加控制电压。电阻元件R11～R17的电阻值相等。这些RF电阻元件R11～R17对电容元件C1～C6施加控制电压，并抑制施加在端口P11-P12之间的RF信号泄漏到端口P13、P14。电容元件C1～C6是在相对的电极之间夹入强电介质膜而得到的强电介质电容器。强电介质膜的极化量会根据所施加的电场的强度而变化，使得观察到的介电常数会发生变化，因此能够根据控制电压来确定电容值。
图5是表示图4所示的端口P21～P25的5比特的值与电阻分压比之间的关系的图。图4所示的电阻元件R21～R25的电阻值是以如下方式来进行定义的，即：以这些电阻值中最低的电阻值为基准，并与该基准的比率为2的幂次方。例如，将电阻元件R21、R22、R23、R24、R25的电阻值的比率定为1:2:4:8:16。例如，若R21为10kΩ，则R22为20kΩ，R25为160kΩ。
例如若端口P21为高电平，端口P22～P25均为低电平，则电阻元件R21构成电阻分压电路的上臂，电阻元件R22～R25的并联电路构成下臂。另外，例如若端口P21、P22为高电平，端口P23、P24、P25为低电平，则电阻元件R21与R22的并联电路构成电阻分压电路的上臂，电阻元件R23～R25的并联电路构成下臂。并且，由于电阻元件R21～R25的电阻值是以如下方式来进行定义的，即：以这些电阻值中最低的电阻值为基准，并与该基准的比率为2的幂次方，因此，上述电阻分压比能根据端口P21～P25的高电平以及低电平的组合而取到2的5次方(＝32)的值。
图5的横轴也可以说是端口P21～P25的5比特的值。另外，纵轴也可以说是相对电源电压的电压比。
《实施方式2》
图6是实施方式2的通信电路102的电路图。该通信电路102为所述NFC模块的一个示例。通信电路102包括RFIC111、控制IC12、天线线圈13、以及可变电容元件114。在该例子中，RFIC111和可变电容元件114构成于单一的RFIC(可变电容元件内置RFIC)110内。该可变电容元件内置RFIC110是通过一系列的半导体工艺在Si基板上形成RFIC111的电路部和可变电容元件114的电路部的单片IC。利用该结构，能减少元器件数量，数据传输线的走线也变得非常简单，能力图实现通信电路的小型轻量化。
另外，通信电路102与实施方式1中图1所表示的结构不同，包括GPIO端子18。该GPIO端子18与信号线15A、15B相连接。因此，从外部电路也能对可变电容元件进行控制。在该GPIO端子18上，例如连接有在其与控制IC12或RFIC111之间进行数据输入输出的RFID用的安全IC。另外，连接有控制IC12所控制的LED等器件。
图7是实施方式2的其它通信电路103的电路图。在该例子中，RFIC111和可变电容元件114构成于单一的可变电容元件内置RFIC110内，且对可变电容元件114串联连接有固定电容元件Cp。该固定电容元件Cp与可变电容元件内置RFIC110的外部相连接。
也可以不将以此方式与天线线圈13并联连接的所有电容作为可变电容元件，而将一部分电容作为可变电容元件。另外，也可以将以此方式与天线线圈13并联连接的电容的一部分设置于RFIC内，而将剩余的其它电容与IC外部相连接。此外，可变电容元件与固定电容元件也可以并联连接。通过将多个电容元件的合成电容与天线线圈13并联连接，从而能对相对于控制电压变化的天线电路的谐振频率(从RFIC观察到的阻抗)变化的特性进行优化。
《实施方式3》
在实施方式3中，示出了在实施方式1、实施方式2所示的通信电路中RFIC(11或111)的处理内容。图8是该处理内容的流程图。若接通电源，则RFIC读取GPIO端口的一个GPIO0的状态，根据其电平来区分处理内容。若GPIO0为高电平，则从控制IC经由数据传输线(参照图1中的数据传输线16)来接收用于设定通信协议的数据，并进行该设定(S1→S2)。之后，将GPIO端口设定为“输出端口”，经由信号线输出对可变电容元件的控制数据(S3)。由此，可变电容元件的电容值成为与该控制数据相对应的值。例如根据通信电路是在卡片模式下工作还是在读写器模式下工作，来对可变电容元件的电容值进行调整。然后，接通高频电路部的电源，进行一系列的通信，之后，断开高频电路部的电源(S4→S5→S6)。
另外，若接通电源时所读取到的GPIO0的状态为低电平，则从控制IC经由数据传输线接收用于写入固件数据，以改写自身(RFIC)的固件(S1→S7)。
如上述示例所示，能兼用控制IC为控制RFIC而使用的IO端口与输出用于对可变电容元件进行电容值控制的控制数据的输出端口，从而能有效利用较少的IO端口。
《实施方式4》
在实施方式4中，示出了在实施方式1、实施方式2所示的通信电路中可变电容元件的控制。
图9(A)是表示RFIC的处理内容的流程图。若接通电源，则RFIC判定自身(RFIC)是否进行可变电容元件的控制，若设定为自身(RFIC)进行控制，则将GPIO端口设定为“输出端口”，经由信号线输出对可变电容元件的控制数据(S11→S12)。然后，接通高频电路部的电源，进行一系列的通信，之后，断开高频电路部的电源(S13→S14→S15)。若未设定自身(RFIC)进行可变电容元件的控制，则直接进行通信(S11→S13→S14→S15)。
图9(B)是表示控制IC的处理内容的流程图。若接通电源，则控制IC判定自身(控制IC)是否进行可变电容元件的控制，若设定为自身(控制IC)进行控制，则将GPIO端口设定为“输出端口”，经由信号线输出对可变电容元件的控制数据(S21→S22)。
可以由RFIC或控制IC的固件来预先决定RFIC或控制IC的哪一个来进行可变电容元件的控制，也可以采用根据模式来进行适当设定的结构。例如，也可以在制造阶段由控制IC来对可变电容元件的电容值进行调整(对制造偏差进行吸收)，并在装配生产点由RFIC根据使用状况来对可变电容元件的电容值进行优化。
这样，RFIC和控制IC都能向可变电容元件提供控制数据。
《其它实施方式》
在如上所述的实施方式中，示出了由RFIC或控制IC的任意一个来向可变电容元件提供控制数据的示例，但也可以由RFIC和控制IC这两者来向可变电容元件提供控制数据。例如，也可以将图1所示的控制IC12的GPIO端口中的GPIO3、GPIO4设为高阻抗，用GPIO0～GPIO2来指定对可变电容元件14的5比特的控制数据的下位3比特，将RFIC11的GPIO端口中的GPIO0～GPIO2设为高阻抗，用GPIO3、GPIO4来指定所述5比特的控制数据的上位2比特。由此，能实现以下控制：由RFIC11来对可变电容元件14的电容值进行粗调，由控制IC12来对可变电容元件14的电容值进行微调。该上位下位的关系也可以相反。
另外，在如上所示的实施方式中，示出了将可变电容元件的电容值设为某个设定值的情况，但也可以采用以下结构：即，扫描天线电路的谐振频率，对通信数据的误差率等进行检测，并基于此来自动对可变电容元件的电容值进行优化。
标号说明
C11、C12、C20  电容器
C21、C22  电容器
Cp  固定电容元件
L11、L12  电感器
P11～P14  端口
P21～P25  端口
R11～R17  电阻
R21～R25  电阻
11  RFIC
11P  IO端子
12  控制IC
12P  IO端子
13  天线线圈
14  可变电容元件
14C  可变电容部
14P  控制端子
14R  控制电压施加电路
15A、15B  信号线
16  数据传输线
17A、17B  ESD保护元件
18  GPIO端子
101～103  通信电路
110  可变电容元件内置RFIC
111  RFIC
114  可变电容元件

Claims (7)

1.一种通信电路，其特征在于，包括：
RFIC，该RFIC在基带信号与高频信号之间进行调制解调；控制IC，该控制IC输入输出包含通信数据的数据，以对所述RFIC进行控制；天线线圈；以及可变电容元件，该可变电容元件使包含所述天线线圈的天线电路的谐振频率发生变化，
所述RFIC的IO端子与所述控制IC的IO端子通过信号线相连接，所述可变电容元件的控制端子与所述信号线的至少一部分相连接。
2.如权利要求1所述的通信电路，其特征在于，
所述可变电容元件包括根据控制电压来确定电容值的电容元件、以及对输入所述控制端子的电压进行分压来产生所述控制电压的电阻分压电路。
3.如权利要求2所述的通信电路，其特征在于，
所述电阻分压电路包括第一端分别与所述控制端子相连接的多个电阻，还包括对这些电阻的第二端进行公共连接并输出所述控制电压的公共线路，所述多个电阻的电阻值以如下方式进行定义，即：以这些电阻值中的最低的电阻值为基准，并与该基准的比率为2的幂次方。
4.如权利要求1至3的任一项所述的通信电路，其特征在于，
包括外部IO端子，该外部IO端子与所述信号线相连接，且在该外部IO端子与外部电路之间进行信号的输入输出。
5.如权利要求1至4的任一项所述的通信电路，其特征在于，
所述可变电容元件及所述RFIC由单一的单片IC构成。
6.如权利要求1至5的任一项所述的通信电路，其特征在于，
所述RFIC包括动作模式切换单元，该动作模式切换单元在该RFIC的电源接通时，基于从所述控制IC的IO端子输出的信号，来对所述RFIC的动作模式进行切换。
7.如权利要求1至6的任一项所述的通信电路，其特征在于，
所述RFIC或所述控制IC包括在电源接通时对所述可变电容元件的电容设定模式进行判定的单元，所述RFIC及所述控制IC均包括向所述IO端子输出对所述可变电容元件进行控制的控制数据的单元。
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