CN114626496A - 一种基于物联网技术的无源rfid芯片及控制方法 - Google Patents

一种基于物联网技术的无源rfid芯片及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于物联网技术的无源RFID芯片及控制方法，包括：依次连接的整流电路、调制电路、解调电路，所述整流电路为单端二级倍压整流器，所述调制电路为振幅键控电路，通过整流电路进行阈值处理，提升了整流器灵敏度和能量转换效率，使用N型MOS管和P型MOS管构成整流管减小反向漏电流，同时在管栅极加入了和源极相位相反的射频信号，增加整流器灵敏度，进一步减小反向漏电流。

Description

一种基于物联网技术的无源RFID芯片及控制方法
技术领域
本发明涉及RFID芯片的设计领域，具体涉及一种基于物联网技术的无源RFID芯片及控制方法。
背景技术
RFID技术是一种非接触式的识别技术，它通过射频信号来完成对物体的识别。RFID是用于物联网底层构建的一种基础性技术，与只能识别一类物体的条形码、二维码等光学识别技术相比，它可以用于识别单个物体，而且它可以透过包装材料直接读取内部芯片的信息，并且支持同时操作多个物体的识别。RFID还可以应用各种加密技术，实现更加安全的信息传送，按照能量的来源划分，RFID分为有源和无源两种；按照使用频率划分，有可分为低频(LF)高频(HF)和超高频(UHF)几种，相对而言，国内的集成电路产业中，UHF RFID的发展还刚刚起步，目前鲜有UHF RFID成品的标签芯片。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，包括：依次连接的整流电路、调制电路、解调电路，所述整流电路为单端二级倍压整流器，所述调制电路为振幅键控电路。
优选的，所述单端二级倍压整流器包括：依次连接的倍压电路和整流电路，所述倍压电路和整流电路的各级整流管分别设置有NMOS二极管与PMOS二极管。
优选的，所述解调电路包括包络检波电路、限压电路、峰值检测电路与迟滞比较器，所述包络检波电路的输入端作为解调电路的输入端，所述包络检波电路的输出端分别于峰值检测电路与迟滞比较器的输入端通过限压电路连接，所述迟滞比较器的输出端作为解调电路的输出端。
进一步的，所述迟滞比较器包括基于N型MOS管差分对与P型MOS管差分对互补输入。
优选的，所述振幅键控电路的输入端设置有无线接收器。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于物联网技术的无源RFID芯片的控制方法，包括：
将天线从阅读器发射的电磁场中接收的射频能量利用无源RFID芯片的整流器转换为芯片正常工作的直流电平；
所述直流电平的电平信号利用解调电路获取信号包络；
获取信号包络后，调制电路反向散射需返回的数字基带信号至阅读器。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
通过整流电路进行阈值处理，提升了整流器灵敏度和能量转换效率，使用N型MOS管和P型MOS管构成整流管减小反向漏电流，同时在管栅极加入了和源极相位相反的射频信号，增加整流器灵敏度，进一步减小反向漏电流，设计低功耗的迟滞比较器，同时采用N型输入和P型输入结合的方式提高了解调器的动态范围。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的设计流程图；
图2是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的控制流程图；
图3是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的RF-DC电荷泵示意图；
图4是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的倍压整流器示意图；
图5是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的倍压电路示意图；
图6是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的整流电路示意图；
图7是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的阈值补偿的整流电路示意图；
图8是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的解调电路示意图；
图9是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的包络检波电路示意图；
图10是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的峰值检测电路示意图；
图11是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的迟滞比较器电路示意图；
图12是本发明提供的一种基于物联网技术的无源RFID芯片的ASK调制电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种基于物联网技术的无源RFID芯片，如图1所示，包括：依次连接的整流电路、调制电路、解调电路，所述整流电路为单端二级倍压整流器，所述调制电路为振幅键控电路。
所述单端二级倍压整流器包括：依次连接的倍压电路和整流电路，所述倍压电路和整流电路的各级整流管分别设置有NMOS二极管与PMOS二极管。
所述解调电路包括包络检波电路、限压电路、峰值检测电路与迟滞比较器，所述包络检波电路的输入端作为解调电路的输入端，所述包络检波电路的输出端分别于峰值检测电路与迟滞比较器的输入端通过限压电路连接，所述迟滞比较器的输出端作为解调电路的输出端，所述迟滞比较器包括基于N型MOS管差分对与P型MOS管差分对互补输入。
所述振幅键控电路的输入端设置有无线接收器。
实施例2：
本发明提供了一种基于物联网技术的无源RFID芯片的控制方法，如图2所示，包括：
将天线从阅读器发射的电磁场中接收的射频能量利用无源RFID芯片的整流器转换为芯片正常工作的直流电平，RFID芯片是无源的，芯片工作所需的能量全部来自于阅读器扫描过程中发送的电磁波。所以，整个识别过程第一步是，RFID阅读器扫描芯片发送电磁波信号，RFID芯片上的整流器，将天线从阅读器发射的电磁场中接收的射频能量转换成芯片工作所需要的直流电平。直流电平信号经过整流电路内部的倍压电路进行了倍压放大，经过阈值补偿电路进行了信号补偿；所述直流电平的电平信号利用解调电路获取信号包络；获取信号包络后，调制电路反向散射需返回的数字基带信号至阅读器，调制器电路将要返回的数字基带信号通过反向散射的方式发送出去，阅读器收到信号，整体识别流程完成。
实施例3：
本发明提供了一种基于物联网技术的无源RFID芯片的实际应用，包括：
射频前端电路主要包括整流器、调制器、解调器三个基本模块。
整流器(RECT)主要负责将天线从阅读器发射的电磁场中接收的射频能量转换成芯片工作所需要的直流电平，能量被存储在储能电容中，同时整流器的输入阻抗决定了标签芯片的输入阻抗，其转换效率极大地影响后级电路能够得到的能量。
解调器(DEMOD)主要负责将天线从阅读器发射电磁场中接收的电磁波信号还原成数字基带能识别的信号，它的解调灵敏度和解调深度的指标极大的影响了标签的识别率；
调制器(MOD)主要负责将要返回的数字基带信号通过反向散射的方式发送出去，调制网络分配了标签接收能量和发射回阅读器的能量，所以调制网络即影响了标签和阅读器之间的通信质量又影响了标签能接收的能量，同时调制网络的阻抗特性影响芯片阻抗，进而影响标签芯片工作带宽；
1)整流器的设计：
标签芯片中整流器负责将天线接收到的射频能量转换成直流能量，由于标签接收信号幅度低，不能直接供给芯片，需要将电平提升，需要倍压电路。本发明，采用RF-DC电荷泵构成的倍压整流器来同时实现倍压和整流，如图3所示，C为电荷泵电压的泵压电容，Cs为每一级节点的寄生电容，CL为输出稳压电容。前n级为倍压电路，通过二极管的单向导通性能，将电压一级级提升，最后一级二极管只做整流，得到前一级的最高电位，Cn为每一级提供电压提升的DC电平。
在RF-DC电荷泵的基础上构建一个简单的单端二级倍压整流器结构如图4所示；倍压整流器可拆分为两部分：倍压电路，如图5所示，整流电路，如图6所示，
当芯片输入射频信号为正半周期时，二极管D1反偏截止，电流经过二极管D2给电容C2充电，电荷保持在电容C2上，产生电压VC＝V out当芯片输入射频信号为负半周期时，电流由地经过二极管D1给电容C1充电，此时，二极管D2截止，电容C1上的电压为VC，输入射频信号变为正半周期后，因为二极管D1截止，电阻很大，即电容C1的放电时间很长，在V C还没有下降之前，下一个充电周期已经到来，所以VC保持不变。下一次周期时，电容C1上的DC电压叠加在输入电压的正半轴给电容C2充电，电容C2上的电压最高可达两倍VC即，Vout可以达到Vin的两倍。
根据以上内容，本发明设计中每一级使用了两个MOS管来构成整流管，如图7所示，每一级整流管都由一个NMOS二极管和一个PMOS二极管构成。
偏置电流流过MOS管构成的二极管，在MOS管漏源端产生需要的电压Va，电流镜良好的电流镜像能力能够保证阈值电压的精确补偿。了能够更好地避免由于工艺误差带来的阈值电压变化的影响，每个整流管的栅极都通过电容引入了射频信号，可以看到对于P型整流管M2和N型整流管M3，栅极上射频信号相位和源极上射频信号相位相反，当整流管处于导通周期时，每个整流管的栅源电压变化将增加为原来的两倍，整流管能够在更低的输入信号下导通。而整流管关闭周期时，每个整流管的栅源电压变化也将增加为原来的两倍，整流管能更好地关闭。如上述分析，本文设计电路提高了整流器灵敏度，同时减小了反向漏电流。
2)解调电路的设计
解调电路从阅读器接收到的已调信号提取出调制信号，并将其转换成数字基带能够识别的数字信号。
本发明设计解调器由包络检波电路、限压电路、峰值检测电路以及迟滞比较器组成，如图8所示。
包络检波电路主要负责从已调载波中提取信号包络。
限压电路主要为了避免在近场下强输入信号改变比较器工作状态，从而出现信号失真，增加误码率，保证芯片能够工作在大的动态范围。
峰值检测电路负责从输入信号包络中提取出其DC幅度，为迟滞比较器提供参考电压，从而使信号能正确解调，主要影响解调电路的输出占空比和动态工作范围。
迟滞比较器将输入信号和参考电压进行对比，从而将模拟输入信号转换成数字基带能够处理的信号，迟滞的使用主要是为了减小噪声的影响，提高了解调电路的信噪比和灵敏度。
具体地：如图9所示，为了提高解调电路的灵敏度，包络检波电路使用了倍压电路。所有电荷传输管都使用了N管，提高倍压后信号包络幅度，C6和C7的作用在于稳定阈值补偿电压。
峰值检测电路，其具体电路，如图10所示，阈值检测电路主要由运放、反馈、电路滤波电路三部分组成。当输入电压Vin很小时，所有尾电流都流过M1管，M2管截止，A点电位为低，M6管截止；当Vin开始升高，M2管逐渐导通，A点电位上升，M6管导通，A点向电容C充电，虽然电容C从M10构成的MOS电阻放电，放电电流很小，放电很慢，Vref保持，Vref随Vin上升而上升，直到Vin达到最大值。当Vin开始减小，Vin将小于Vref，A点电位降低，此时，M6管反偏截止，所以Vref能够保持Vin的最大值不变。这里的MOS管构成电阻的滤波电路的放电常数要大于Vin的周期，使用MOS管极大的降低了RC滤波电路的面积。
下面介绍迟滞比较器的设计：
本发明中迟滞比较器使用了N型MOS管差分对和P型MOS管差分对互补输入，如图11所示，电路可以实现迟滞比较器的输入摆幅达到0到VDD。
图中M5/M6差分耦合对以及M25/M26差分耦合对产生正反馈，由此产生了迟滞。由于两个迟滞比较器原理相同，以下以NMOS差分对输入为例简述迟滞比较器的具体原理：电路中，M21管和M22管差分对尺寸相同，M23管和M24管尺寸相同，M25管和M26管尺寸相同并且是M23管和M24管尺寸的β倍。当Venv比Vref小很多时，M21管导通，M22管截止，尾电流I D32全部流过M21管，并且流过M23管，M25管把β倍的I D23镜像到M22管的漏极上，由于M22管截止，M25管工作在线性区，M22管的漏极电压为VDD。当Venv上升到和Vref相等时，有ID21＝ID22，但是M25管会流出β倍的I D21的电流，因此，M25管仍然工作在线性区，M22管的漏极电位仍然为VDD。只有当Venv大于Vref，并且满足I D21*β＝ID22时,即ID25＝ID22时，这时才达到翻转点。在此基础上稍微增加Venv就可以使ID22大于ID25，从而使M22管的漏极电压发生翻转。另一方面，Venv上升使流过M22管的漏电流大于M25管的漏电流，从而有电流从M24管流过，M26管镜像β倍的ID24，由于ID21＝ID23+ID26，随着ID26增加，ID23电流减小，镜像电流ID25减小，由于ID22＝I ID25+ID24，ID24将增加，从而带来了正反馈。最终导致的结果是，流过M22管的电流全部流过M24管，ID26镜像I D24，导致流过M23管和M25管的电流为0。相似的，当Venv减小时，只有当Venv减小到比Vref小，以至于ID21＝β*ID22时，才会达到另一个翻转点，这就形成了迟滞。
3)调制电路：
RFID芯片中，信号调制的实现是利用反向散射技术，反向散射是依靠改变芯片阻抗来实现反射阅读器发送到标签能量进而信号调制的。
本发明使用NMOS管构成ASK电路，电路如图12所示，本发明中使用双天线输入，在返回信号时，两道信号通路延迟可能导致信号串扰，所以加入天线选择信号，通过判断信号强弱，从而选择接受信号强的通路进行反向散射调制。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，包括：依次连接的整流电路、调制电路、解调电路，所述整流电路为单端二级倍压整流器，所述调制电路为振幅键控电路。
2.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，所述单端二级倍压整流器包括：依次连接的倍压电路和整流电路，所述倍压电路和整流电路的各级整流管分别设置有NMOS二极管与PMOS二极管。
3.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，所述解调电路包括包络检波电路、限压电路、峰值检测电路与迟滞比较器，所述包络检波电路的输入端作为解调电路的输入端，所述包络检波电路的输出端分别于峰值检测电路与迟滞比较器的输入端通过限压电路连接，所述迟滞比较器的输出端作为解调电路的输出端。
4.如权利要求3所述的一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，所述迟滞比较器包括基于N型MOS管差分对与P型MOS管差分对互补输入。
5.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的无源RFID芯片，其特征在于，所述振幅键控电路的输入端设置有无线接收器。
6.一种基于物联网技术的无源RFID芯片的控制方法，其特征在于，包括：
将天线从阅读器发射的电磁场中接收的射频能量利用无源RFID芯片的整流器转换为芯片正常工作的直流电平；
所述直流电平的电平信号利用解调电路获取信号包络；
获取信号包络后，调制电路反向散射需返回的数字基带信号至阅读器。
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