CN1123953C - 调制补偿箝位电路 - Google Patents

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Abstract

射频识别(RFID)单元，包括用于接收远程问答器单元在射频(RF)载波上反射的功率信号的振荡电路(120)。通过依据从存储器读取的数据的函数来改变置于振荡电路两端的电阻性负载(129)，从而把信息从单元传送到问答器。然后由问答器检测反射信号中的相应变化。过压电路(122)与调制电路(117)共同操作，从而即使在过压状态期间也可发射数据，因而避免此状态下的信号屏蔽。

Description

调制补偿箝位电路
技术领域
本发明涉及射频识别装置(“RFID”)，尤其涉及近距离操作的RFID。
背景技术
远程电子识别装置通常由远程放置的转发器(transponder)和问答器(interrogator)单元构成。这种装置的操作范围依据转发器单元的以下构造。例如，在Beigel的4,333,072号美国专利中，远程识别系统由与植入管(implant)电路(转发器)近距离操作的探头(probe)电路构成。当探头电路靠近植入管时植入管电路被上电，从而由植入管中的线圈两端的电感来产生电压。通过改变植入管线圈上的电感性负载并检测探头中的这种变化，从而把来自植入管的信息转移到探头。此操作模式要求探头与植入管靠得很近，因而大大限制了这些装置的操作范围。
其它远程识别系统使用射频信令在问答器和转发器之间提供通信链路。在一类这样的射频识别(RFID)装置中，RF信号包括发射到转发器装置的功率信号。此功率信号对转发器中的电源电容器充电，该电容器起到转发器的电源的作用。转发器的数据发射包括产生和发射射频能量。电源电容器必须具有足够的尺寸为这种发射提供足够的功率。这种转发器允许读取2米数量级的距离。然而，这种转发器在需要小尺寸的应用中是不实际的；例如，通过把该装置植入皮下而进行家畜识别。
在第三类的RFID中，另一种方案组合了以上两个设计的特点。问答器发射包括功率信号的RF信号。由接收到的功率信号在转发器线圈的两端感应出的电压足以操作转发器电路，但不足以产生它自己的无线电信号。与线圈并联耦合的电容器形成一振荡电路，其Q值通过改变振荡电路两端的电阻性负载而变化。振荡电路的这种调谐变化导致问答器可检测到的反射信号的变化。于是，转发器能通过相应地调制电阻性负载并允许问答器检测到反射信号中的变化，从而把其数据简单地传送到问答器。
通常利用过压电路来防止装置产生过压状态。已有技术的方案包括使用齐纳二极管，该二极管的击穿电压处于某一电平，超过这个电平，则电压将危害转发器。此二极管耦合在转发器线圈的引脚之间。线圈两端存在的过压状态引起齐纳二极管导通，继而驱动Vdd接地并有效地断开装置。5,479,172号美国专利揭示了另一个方案，其中把Vdd与基准电压相比并接通分流(shunting)晶体管以使来自整流器的电流分流到地，从而把Vdd限制在基准电压。
当问答器在近距离范围内操作时产生了问题。来自问答器的强信号使转发器内的过压电路导通。因此，流入振荡电路的电流既受到过压电路的操作的影响，也受到经调制的电阻性负载的影响。当转发器尝试通过改变负载电阻(它改变了进入振荡电路的电流)来发射数据时，电流的这种变化将被过压电路的操作所屏蔽。
图3所示的电路是典型的已有技术的转发器，且示出这种屏蔽效应是如何发生的。调制信号依据存储在转发器中的数据改变晶体管R的电导率(电阻)，继而改变振荡电路L/C的调谐。过压电路22包括比较器21和分流器(shunt)23。当过压电路22接通时，不知道电流变化是由过压状态引起的，还是由晶体管R的调制引起的。当调制器接通晶体管R时可能发生的是，可能已流过过压分流器23的电流将改为流过晶体管R。电流流动的整个量值不变，因而振荡电路的Q值没有变化。由于Q(继而调谐)保持不变，所以问答器要检测的反射信号不变，继而没有数据发射。
因此，想要一种可与问答器近距离操作继而表现出范围宽的操作距离的转发器。需要一种不受过压电路的操作的影响的转发器，该过压电路可能因从近距离问答器接收到的强信号而接通。
发明内容
依据本发明，一种射频识别(RFID)单元(tag)包括用于接收由远程问答器单元在射频(RF)载波上所发射的功率信号。通过依据从存储器读取的数据的函数来改变置于振荡电路两端的电阻性负载来把信息从单元传送到问答器。然后，由问答器来检测发射信号的相应变化。
电压箝位电路提供了过压保护。通过依据数据所进行的调制产生箝位电路的触发。箝位器包括结合调制电路操作的分流装置，从而即使在过压状态下也可进行数据发射。
附图概述
图1示出依据本发明的RFID单元的方框图。
图2示出本发明的调制电路。
图3示出已有技术的调制方案。
本发明的较佳实施方式
参考图1，射频识别(RFID)系统100包括问答器单元102和换能器(transducer)单元(tag)104。问答器102包括用于把RF信号发射到单元104的发射线圈103。
单元104包括拾取(pick-up)线圈Lt，该线圈Lt与电容器Ct一起形成振荡电路120。耦合在振荡电路两端的是电压箝位电路122、负载调制电路124和桥式全波整流器126。电压箝位电路122是一种过压保护装置，它限制振荡电路120两端产生的最大电压。在此装置中，线圈Lt两端的电压可增加到相当高的电平，尤其是当负载很低而振荡电路的Q值很高时。这种高压可能引起装置电子电路的故障。当线圈两端的电压接近装置的上限时，箝位电路122接通来增加箝位电路两端的电流，继而把电压减小到更安全的电平。
调制电路124改变振荡电路120两端的负载，继而改变振荡电路的Q值因子。调制电路在控制器134的控制下进行操作，该控制器相应于待传送到问答器102的数据来改变振荡电路120的Q值。改变Q值改变了反射信号。于是，当问答器检测到反射信号中的相应变化时“发射”了数据。
桥式整流器126对小的电源电容器Ct进行充电，以提供了单元所需的电源电压Vdd。电源电压给非易失性存储器132供电，该存储器132包括提供编程电压Vpp的电压泵。除了给换能器104提供内部功率以外，桥式电路126还根据来自问答器102的输入信号向时钟产生器136提供时钟信号。
存储器132是由八个32位的页构成的256位的EEPROM。页0形成24位的数据加上八个写锁定位。页1-7为用户页。写锁定位确定是否可编写相应的32位页。密码保护是可行的。把密码存储在用户页7中。通过控制器134提供对存储器132的读写访问。解调器138对输入的数据信号进行解调并把该数据馈送到控制器134中，然后控制器134把该数据写到存储器132。数据信号包括后接任意数据位序列的一系列命令位。
转到图2，调制电路124包括驱动负载晶体管129的栅极的编码器/调制器117。负载晶体管129的漏极和源极耦合在振荡电路120两端的端子。包括编码器/调制器117的调制信号119的输出脉冲调制负载晶体管129，使该晶体管接通和断开。当负载晶体管129在导通和非导通状态之间交换时，振荡电路120的Q值(即，其调谐)相应地改变。编码器/调制器117可以是各种众所周知的编码方案，包括Manchester(双相)、Miller、差分双相以及经修正的差分双相编码。然后，可通过相移键控或频移键控对经编码的信号进行进一步调制。
依据本发明，电压箝位电路122包括具有位于振荡电路120两端的源-漏连接的分流晶体管123。比较器121的输出驱动分流晶体管123的栅极。
检测器127检测线圈Lt两端的电势差Vc，把它馈送到比较器的第一输入端A。电压选择器125把两个基准电压Vref1和Vref2中的一个电压切入比较器121的第二输入端B中。把调制信号119馈送到选择器125以在Vref1和Vref2之间进行切换。当A输入端上的电压超过B输入端上的电压时，比较器121输出大于分流晶体管123的阈值电压Vt的电压，从而接通分流电阻器。当输入端A上的电压小于B输入端上的电压时，比较器121输出小于Vt的电压，它将使分流晶体管123保持在断开状态。
再参考图2，调制电路124和电压箝位电路122以以下方式共同操作。控制器134读取存储器132并产生代表经由调制器117的数据的1和0的相应脉冲序列119。假设‘1’脉冲接通负载晶体管129，而‘0’脉冲使它断开。则，对于‘1’位，负载晶体管接通，导致负载电流I1(“放出”来自振荡电路120的电流)，并降低其Q值。结果，对于‘0’位，负载晶体管断开，从而消除了振荡电流上的负荷并增大了其Q值。
这是单元在非过压状态期间的典型操作。然而，回想到脉冲119还驱动其输出馈送到比较器121的选择器125。为了讨论的目的，假设‘1’脉冲选择Vref1，而‘0’脉冲选择Vref0，且Vref1大于Vref0。在非过压状态中，线圈电压Vc将小于Vref1和Vref0。因此，比较器121的输出将为负(即，小于分流晶体管123的Vt)，继而分流晶体管将保持不导通。
考虑下一过压状态，其中线圈Lt两端的电势Vc变为等于或大于单元的电压上限Vlim，超过该上限可能对装置产生破坏。
对于过压状态期间每产生一个‘1’位，负载晶体管129就如上所述接通，引起负载电流I1流出振荡器。此外，Vref1被切入比较器121，其输出为(Vc-Vref1)。适当地选择Vc和Vref1将使分流晶体管123在一定程度上接通，以从振荡电流120抽出额外的电流Iref1。如同非过压情况，这样将具有降低Q值的效果。然而，在过压情况下，由于额外的负载电流Iref1，将使Q值低得多。额外的负载电流Iref1的进一步效果是把线圈电压Vc降低到低于Vlim的值，从而减轻过压状态。
对于过压状态期间每产生一个‘0’位，负载晶体管129如同非过压状态的情况保持断开。Vref0被切入比较器121。比较器121的输出为(Vc-Vref0)。适当地选择Vc和Vref0将使分流晶体管123从振荡电路抽出电流Iref0。然而，由于Vref0小于Vref1，所以比较器将以较高的电压驱动分流晶体管123的栅极，从而引起更高的电流Iref0流过分流晶体管。这样，虽然负载晶体管129对于‘0’位断开，但分流晶体管123导通。如此设定Vref0，从而负载电流Iref0自己就足以把线圈电压Vc降低到刚好低于Vlim的值，以减轻过压状态。
假设在‘0’位的情况下，其中负载电流为Iref0，则获得的Q值为Q0；在‘1’位的情况下，其中振荡电路120所经受的总负载电流为IL+Iref1，获得的Q值为Q1。只要Q0和Q1足够分开，则可把‘0’位与‘1’位区分开来。这样，可看出，通过适当地选择Vref1和Vref0，可充分地改变振荡电路的调谐，从而改变单元所反射的信号足以区分‘0’位和‘1’位。同时，可避免过压状态(利用分流电流Iref1、Iref0)，而不屏蔽携带有包含在单元中的数据的信号。

Claims (18)

1.一种用于射频识别系统中的转发器，其特征在于包括：
振荡电路；
连到振荡电路的过压电路，它具有在过压状态期间把电流从振荡电路分流的分流装置；以及
调谐装置，用于依据包含在转发器中的数据来改变振荡电路的调谐，所述调谐装置在操作上与分流装置耦合以依据该数据改变被分流的电流的数量。
2.如权利要求1所述的转发器，其特征在于分流装置包括在第一基准电压和第二基准电压之间进行选择的基准电压选择器以及根据基准电压的选择而偏置的分流晶体管。
3.如权利要求1所述的转发器，其特征在于调谐装置包括用于产生代表包含在转发器中的数据的调制信号的调制装置以及给振荡电路提供可变电阻性负载的负载装置；耦合的调制信号以改变电阻性负载。
4.如权利要求3所述的转发器，其特征在于负载装置为耦合在振荡电路两端的晶体管；耦合晶体管的栅极以接收调制信号。
5.如权利要求1所述的转发器，其特征在于振荡电路包括与一电容器并联耦合的电感器。
6.如权利要求5所述的转发器，其特征在于分流装置包括一晶体管和一比较器；晶体管耦合在振荡电路两端；晶体管的栅极耦合到比较器的输出端，比较器具有耦合到基准电压选择器的第一输入端以及耦合到接收线圈两端的电压的第二输入端。
7.一种射频识别转发器，其特征在于包括：
第一和第二端子；
振荡电路，包括耦合在第一和第二端子两端的线圈以及耦合在第一和第二端子两端的电容器；
存储器阵列；
耦合到存储器阵列的调制装置，用于产生代表包含在存储器阵列中的数据的调制信号；
耦合在第一和第二端子两端的可变电阻性负载，可变电阻性负载耦合到调制装置，用以响应于调制信号在振荡电路两端提供可变电阻；以及
耦合在第一和第二端子两端的过压电路，包括耦合到调制装置以产生响应于调制信号而变化的基准电压的基准电压电路，当电源电压超过基准电压时启动过压电路。
8.如权利要求7所述的转发器，其特征在于过压电路包括一分流晶体管和一比较器，分流晶体管耦合到第一和第二端子两端，分流晶体管的栅极耦合到比较器，比较器耦合到比较电源电压与基准电压。
9.如权利要求8所述的转发器，其特征在于可变电阻性负载为耦合到第一和第二端子两端的负载晶体管，调制信号被耦合到负载晶体管的栅极。
10.如权利要求7所述的转发器，其特征在于还包括耦合到向比较器提供第一基准电压或第二基准电压的选择器，选择器耦合到响应于调制信号提供基准电压。
11.如权利要求10所述的转发器，其特征在于过压电路还包括耦合到第一和第二端子两端的分流晶体管，比较器的输出耦合到晶体管的栅极。
12.如权利要求11所述的转发器，其特征在于可变电阻性负载是耦合在第一和第二端子两端的负载晶体管，调制信号被耦合到负载晶体管的栅极。
13.在射频识别系统的转发器中，一种箝制转发器电源电压的方法，其特征在于包括：
以调制信号调制振荡电路两端的电阻性负载；
当调制信号处于第一调制电平时选择第一电压基准；
当调制信号处于第二调制电平时选择第二电压基准；
把电源电压与选定的基准电压相比较；以及
如果电源电压超过选定的基准电压，则分流到振荡电路两端。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于调制步骤包括读取存储在转发器中的数据并产生代表该数据的调制信号。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于电阻性负载是耦合在振荡电路两端的晶体管，调制步骤包括改变加到晶体管的栅极的偏置电压。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于分流步骤包括通过响应于比较步骤改变加到晶体管的栅极的偏置电压来操作耦合在振荡电路两端的晶体管。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于调制步骤包括改变加到耦合在振荡电路两端的第一晶体管的栅极的第一偏置电压，以改变流过第一晶体管的电流；分流步骤包括改变响应于比较步骤加到第二晶体管的栅极的第二偏置电压；第二晶体管耦合在振荡电路两端。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于调制步骤还包括读取存储在转发器中的数据并改变第一偏置电压来表示该数据。
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