CN105574455B - 一种用于磁场耦合通讯的调制电路 - Google Patents

一种用于磁场耦合通讯的调制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于磁场耦合通讯的调制电路，包括：主设备电路和从设备电路，所述主设备电路的主线圈和从设备电路的次级线圈通过磁场耦合；所述从设备电路还包括：浮地产生电路和谐振电容可调电路，所述浮地产生电路产生的浮地端GND与从所述设备电路的地级相连接，所述浮地产生电路的第一端口连接次级线圈电感的LA端口，所述浮地产生电路的第二端口连接次级线圈电感的LB端口；所述谐振电容可调电路以次级线圈的端口LA、LB作为输入输出端口，所述谐振电容可调电路的地级与所述浮地端GND相连接；所述谐振电容可调电路包括开关和可调电容，可调电容与开关串联后两端分别连接所述浮地端GND和次级线圈的端口LA或者LB，编码Code控制所述开关的通断。

Description

一种用于磁场耦合通讯的调制电路
技术领域
本发明涉及射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术领域，尤其涉及一种用于磁场耦合通讯的调制电路。
背景技术
随着射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术的发展，RFID标签技术、非接触智能卡技术的日益成熟，也越来越广泛的应用于人们的日常生活中。随着技术的进一步发展，RFID标签芯片成本越来越低、非接触智能卡的本身功耗也趋向于越来越低，逐渐适应于移动互联网、物联网领域，并推进移动互联网、物联网领域技术的进一步发展。
射频识别系统一般主要由射频电子标签(从设备)和阅读器(主设备)组成。对于磁场耦合式的电子标签，由于是无源工作(即没有外加电源供电)，因此其工作时所需的能量全部由交变的磁场中耦合获得。为了获取这种能量，电子标签的谐振电路的谐振频率应该接近阅读器磁场变化的载波频率。
在RFID标签芯片的设计中，主要分为模拟前端电路和数字电路两部分，数字电路主要完成逻辑操作，实现芯片安全和功能等方面的工作；模拟前端电路，由于其RFID标签(大多无源标签)对功耗、面积及性能的要求比较苛刻，工作环境比较复杂，所以给模拟IC设计人员提出了不小的挑战。其中一个挑战就是当多个芯片进入同一个交变磁场时，在某一个时间内，多个芯片又同时操作，此时会造成很大的功耗消耗，使得有些电子标签不能被后续识别或者不能与阅读器相互间通讯。
通常磁场耦合无线通讯采用负载调制的方法进行从设备到主设备的数据(或者信息)传送。负载调制的方法包括负载电阻调制和负载电容调制。
负载电阻调制的原理如图1所示，其中，主设备的线圈L0和从设备的线圈L1通过磁场耦合，从设备的负载Rload并联一个负载调制电阻Rmod，该电阻按数据流的时钟接通和断开，开关S的通断由二进制数据编码控制。通过负载调制电阻是否接入次级线圈的谐振电路(由L1和C2构成谐振电路)，从而改变次级线圈的负载，再通过磁场耦合影响到主设备的负载，于是实现了负载调制的作用。
负载电容调制的原理如图2所示，其与负载电阻调制的区别在于将负载调制电阻Rmod换成了负载调制电容Cmod。通过负载调制电容Cmod的导通与否来改变次级谐振电路的谐振频率，次级谐振电路的谐振频率不同使得主设备感应到的从设备的负载大小不同，从而完成基于负载调制技术的通讯。
目前采用的主要是基于负载电阻调制的方法，这种方法从原理到电路实现非常直观也易于实现，并且已广泛应用于RFID或者非接触智能卡领域的产品中。但是，基于负载电容调制的方法和电路实现却几乎没有出现相关的产品。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种用于磁场耦合通讯的调制电路。
为实现上述发明目的，本发明实施例采用以下方式来实现：
本发明实施例提供了一种用于磁场耦合通讯的调制电路，所述电路包括：主设备电路和从设备电路，所述主设备电路的主线圈和从设备电路的次级线圈通过磁场耦合；
所述从设备电路还包括：浮地产生电路和负载电容调制电路，
所述浮地产生电路产生的浮地端GND与从所述设备电路的地级相连接，所述浮地产生电路的第一端口连接次级线圈电感的LA端口，所述浮地产生电路的第二端口连接次级线圈电感的LB端口；
所述负载电容调制电路以次级线圈的端口LA、LB作为输入输出端口，所述负载电容调制电路的地级与所述浮地端GND相连接；所述负载电容调制电路包括开关和可调电容，可调电容与开关串联后两端分别连接所述浮地端GND和次级线圈的端口LA或者LB，二进制编码信号输入端控制所述开关的通断。
上述方案中，所述浮地产生电路包括两个四端口的N型金属氧化物半导体NMOS晶体管，两个NMOS晶体管的衬底和源极都接所述浮地端GND，漏极接LA的NMOS晶体管的栅极接LB，漏极接LB的NMOS晶体管的栅极接LA；所述两个NMOS晶体管形成交叉耦合结构。
上述方案中，当LA端口的电压大于LB端口的电压时，LB端口与浮地端GND导通；反之，当LB端口的电压大于LA端口的电压时，LA端口与浮地端GND导通。
上述方案中，所述开关为四端口的NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的衬底和源极与浮地端GND相连接，所述NMOS晶体管的栅极与二进制编码信号输入端相连接，所述NMOS晶体管的漏极与可调电容相连接。
上述方案中，所述负载电容调制电路还包括等效电阻Ric，所述等效电阻Ric连接在所述次级线圈电感的两端LA和LB。
上述方案中，所述二进制编码信号输入端通过数字编码信号的高低电平控制所述开关的通断。
上述方案中，基于负载电容调制的次级线圈的谐振频率大于或者小于其中，fc表示主设备电路发送的载波频率，L1表示次级线圈的电感，Ric表示等效电阻。
本发明实施例提供的一种用于磁场耦合通讯的调制电路，实现了磁场耦合无线通讯中基于负载电容调制的方法和电路。在以磁场耦合为主的无线通讯技术中，主设备通过主线圈发出恒定频率的交变磁场，与从设备的次级线圈相互感应；两者相互耦合并感应对方的磁场变化，从对方磁场变化中感应出对方发送的信号，从而完成两者通讯；次级线圈可以根据需要发送信号的不同通过调整其谐振电容的大小，从而完成调相的作用，使得主线圈能感应到这种变化并实现信息的接收。
附图说明
图1为相关技术中负载电阻调制的原理示意图；
图2为相关技术中负载电容调制的原理示意图；
图3为本发明实施例中磁场耦合通讯系统的原理图；
图4为发明实施例中浮地产生电路的原理图；
图5为发明实施例中负载电容调制电路的原理图；
图6为发明实施例中可调电容电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
参见图3～6，图3～6一起给出了本发明实施例详细的电路原理图。
图3为磁场耦合通讯系统的原理图，它是整个磁场耦合通讯系统的基础，包括了主设备(阅读器等)的主线圈、从设备(RFID标签等)的次级线圈，两个线圈通过磁场耦合。
图4所示的102为浮地产生电路，其产生的浮地GND与芯片内部电路的“地”相连接；它是线圈与从设备芯片(RFID芯片等)集成的基础，正因为有了这部分电路，才使得耦合线圈的浮地与芯片内部电路的最低电平实现了一致，使得芯片内部的高低电平电压和线圈上产生的电压可以相比较，也使得线圈和芯片成为了统一的电路，可以运用电路理论进行分析和设计。
图5所示的104为谐振电容可调电路，它是整个负载电容调制的核心。电路里面包括了：浮地GND与芯片内部电路的“地”相连接，要发送的数据经过编码形成Code0、Code1的二进制编码(该编码由芯片(该芯片可以是RFID芯片也可以是智能卡芯片)电路本身提供)，利用这些编码控制开关(sw0、sw1)的导通与否，从而控制电容C0或者C1是否引入到LC谐振电路。同时芯片内部电路的等效电阻Ric也连接在线圈电感的两端(LA、LB)。芯片内部电路的等效电阻对负载电容调制的效果影响较大，如果等效电阻太大，负载电容调制在谐振与失谐这两种状态下对主线圈的负载影响较小，不易于主设备(阅读器)的解调；如果等效电阻太小，负载电容调制在谐振与失谐这两种状态下，要求失谐频率与谐振频率的差距很大，使得电路设计方面需要付出的代价较大。
由此可见，能够实现的负载电容调制电路设计的核心包括：浮地产生电路模块102、谐振电容可调的负载电容调制电路模块104和可调电容电路模块105。为使本发明实施例实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面重点就这部分电路做实现说明。
浮地产生电路模块102的实现方式参见图4给出的示意图。其中，102具有两个四端口的NMOS晶体管103，两个NMOS晶体管103的衬底和源极都接浮地端GND，漏极接LA的NMOS晶体管的栅极接LB，漏极接LB的NMOS晶体管的栅极接LA，整个形成了交叉耦合结构。在评估交变磁场能提供的可能的最大能量的基础上，决定NMOS晶体管的尺寸，使得浮地产生电路不要消耗太多的功耗。
谐振电容可调的负载电容调制电路模块104的实现方式参见图5给出的示意图。该电路包括了谐振线圈的两个端口LA、LB作为输入输出端，要发送的数据经过编码形成的二进制编码Code0、Code1作为输入信号(也可以是单个编码，也可以是三个或者更多个编码，在本发明实施例中以两个编码为例)。该电路包含开关和电容等元件(器件)、集成芯片的等效电阻Ric等。电路的连接方式为：集成芯片电路的地与浮地GND相连接，可调电容与开关串联后两端分别连接浮地GND和谐振线圈的端口LA(或者LB)，编码Code控制开关的通断。
104模块中的开关电路可以采用如图6所示模块中的4端口NMOS器件105来实现，该NMOS的衬底和源极与浮地GND相连接，栅极接二进制编码信号输入端(Code)，漏极与可调电容相连接。
通常，主设备发送的载波频率fc是固定频率，当从设备谐振电路的谐振频率等于或者接近fc时，次级线圈的负载被线圈耦合至主线圈，从而次级线圈能从主线圈获得充分的能量。但是，当次级线圈的谐振频率fT偏离fc频率有偏差时，此时次级线圈能从主线圈获得能量与次级线圈谐振电路的品质因数Q值相关。Q值越小，即便次级线圈的谐振频率fT偏离fc有偏差也可能会获得充分的能量。要想在次级线圈的谐振频率fT偏离fc时，次级线圈依然能够获得较充分的能量，应该满足以下的关系：
Q＝Ric/2πfTL1 (2)
或
满足公式(1)、(2)和(3)的情况下，次级线圈能够获得较充分的能量，可以认为此时负载电容调制处于谐振状态。
当次级线圈的谐振频率fT远离fc偏差较大时，次级线圈不能获取较大的能量，此时次级线圈的谐振频率应该满足：
或
满足公式(1)、(4)的情况下，次级线圈只能获取很小的能量，可以认为此时负载电容调制处于失谐状态。
如公式(1)所表达的那样，通过二进制编码调整次级线圈的谐振频率从而实现负载电容调制。
还需要进一步说明的是，本发明实施例用于磁场耦合通讯的调制电路，主要针对高频无源RFID标签、无源非接触智能卡等进场通讯中数据发送。磁场耦合时，主线圈(L0)发送频率fc的载波频率，次级线圈(L1)两个端口(LA、LB)会产生交替的高低电压；当次级线圈(L1)及谐振电路与标签芯片(智能卡芯片)集成时，标签芯片(或者智能卡芯片)具有等效的负载电阻Ric。为了实现负载电容调制，需要产生的浮地端与芯片内部的电路地相连接，次级线圈的谐振频率需要随着负载电容调制发生变化。次级线圈电感与谐振电容并联形成谐振电路，决定了谐振频率。通过改变谐振电容的大小就可以改变谐振频率，从而改变主线圈的负载；当谐振频率接近主线圈载波频率时，主线圈等效负载大，当谐振频率远离载波频率时，主线圈等效负载小。
次级线圈磁场耦合系统(即图3中的101)中，次级线圈会输出LA、LB两个端口，线圈的等效电感L1和等效的谐振电容C2一起构成了谐振电路。
浮地产生电路(即图4中的102)中，当LA、LB电压高低交变时，产生的浮地端是LA、LB的最低电压，使得能够与芯片内部电路的最低电压相连接，也使得通过芯片内部信号能够控制开关改变谐振电容。并且该浮地端GND与芯片内部的地(最低电压节点)相连接。
图4中的103模块是利用NMOS晶体管NM1和NM2实现浮地产生电路的一种方法。这种方法采用了交叉耦合的连接方式，当LA端口电压大于LB的电压时，LB端与浮地端GND导通；反之，当LB端口电压大于LA的电压时，LA端与浮地端GND导通。
图5中的104模块是谐振电容可调的调制电路，该电路由开关sw、电容C以及次级线圈的两个输出LA、LB构成。当要发送的数据经过编码后形成二进制编码Code0、Code1等数字编码，在不同的编码下，不同的开关sw0、sw1被打开或者关闭，使得LA、LB两端的等效谐振电容发生变化，从而完成数据的发送。
图5中的105模块是谐振电容可调的调制电路，其电路原理是由一个开关sw和电容C串联，一端接次级线圈的端口，另一端接浮地端GND。105模块的一种实现方式可以参见图6，这个电路是由一个NMOS晶体管作为等效开关，其衬底接浮地端GND、栅极接数字编码信号；通过数字编码信号的高低电平控制该晶体管的导通或者关闭。
图5中的106模块是集成了线圈的集成电路芯片的等效电阻Ric。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，所述电路包括：主设备电路和从设备电路，所述主设备电路的主线圈和从设备电路的次级线圈通过磁场耦合；
所述从设备电路还包括：浮地产生电路和负载电容调制电路，
所述浮地产生电路产生的浮地端GND与从所述设备电路的地级相连接，所述浮地产生电路的第一端口连接次级线圈电感的LA端口，所述浮地产生电路的第二端口连接次级线圈电感的LB端口；
所述负载电容调制电路以次级线圈的端口LA、LB作为输入输出端口，所述负载电容调制电路的地级与所述浮地端GND相连接；所述负载电容调制电路包括开关和可调电容，可调电容与开关串联后两端分别连接所述浮地端GND和次级线圈的端口LA或者LB，二进制编码信号输入端控制所述开关的通断。
2.根据权利要求1所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，所述浮地产生电路包括两个四端口的N型金属氧化物半导体NMOS晶体管，两个NMOS晶体管的衬底和源极都接所述浮地端GND，漏极接LA的NMOS晶体管的栅极接LB，漏极接LB的NMOS晶体管的栅极接LA；所述两个NMOS晶体管形成交叉耦合结构。
3.根据权利要求2所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，当LA端口的电压大于LB端口的电压时，LB端口与浮地端GND导通；反之，当LB端口的电压大于LA端口的电压时，LA端口与浮地端GND导通。
4.根据权利要求1、2或3所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，所述开关为四端口的NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的衬底和源极与浮地端GND相连接，所述NMOS晶体管的栅极与二进制编码信号输入端相连接，所述NMOS晶体管的漏极与可调电容相连接。
5.根据权利要求1、2或3所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，所述负载电容调制电路还包括等效电阻Ric，所述等效电阻Ric连接在所述次级线圈电感的两端LA和LB。
6.根据权利要求1、2或3所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，所述二进制编码信号输入端通过数字编码信号的高低电平控制所述开关的通断。
7.根据权利要求1、2或3所述用于磁场耦合通讯的调制电路，其特征在于，基于负载电容调制的次级线圈的谐振频率大于或者小于其中，fc表示主设备电路发送的载波频率，L1表示次级线圈的电感，Ric表示等效电阻。
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