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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungserhaltungskreis für einen Halbduplextransponder.
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Halbduplextransponder (HDX-Transponder) werden in ”passiven” RFID-Transpondern ohne autonome Stromzufuhr verwendet. Stattdessen verwenden sie die mit einer Antenne empfangene RF-Energie und einen LC-Schwingkreis von einem Sender während eines Abfrageintervalls durch Gleichrichtung des empfangenen RF-Signals und Ladung eines Speicherkondensators mit dem gleichgerichteten Signal. Das Ende des Abfrageintervalls wird durch einen End-of-Burst-(EOB-)Detektor detektiert. Auf das Abfrageintervall folgt ein Antwortintervall, während dessen die Sendung einer Antwort durch den Sender erwartet wird, z. B. eines Kennungscodes oder anderer Daten. Der Speicherkondensator liefert die Energie für den Betrieb des Senders des Transponders während des Antwortintervalls. Da sowohl während des Abfrage- als auch während des Antwortintervalls dieselbe Antenne und derselbe LC-Schwingkreis verwendet werden, und da die Schwingungsamplitude des LC-Schwingkreises mit der Zeit abnimmt, sobald kein RF-Signal mehr von dem Abfragesender empfangen wird, gibt es einen Bedarf zur Aufrechterhaltung der Schwingung durch Anfachung des LC-Schwingkreises. Die Energie für eine solche Anfachung ist aus dem Speicherkondensator verfügbar.
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In einer herkömmlichen Lösung (
US 6,806,738 B2 ,
EP 1 233 371 B1 ) werden aufwändige Schaltungen zur Detektion des negativen Spitzenwertes des Schwingungssignals und zur Injektion von Energie aus einer niederohmigen Quelle in den LC-Schwingkreis lediglich für eine kurze Zeit nach der Detektion des negativen Spitzenwertes bereitgestellt. Analog zu einem akustischen Schwingungssystem wird dies ”Plucking” genannt.
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Der ”Plucking”-Ansatz hat sich als wirkungsvoll erwiesen, aber er ist kompliziert und benötigt viele analoge Schaltungen, die in CMOS-Technologie schwer zu implementieren sind. Ebenso wird das Schwingungssignal durch die plötzliche Energieinjektion während eines kurzen Bruchteils der Schwingungsdauer verzerrt, und man bemerkt eine Frequenzverschiebung.
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Aus der
DE 690 04 999 T2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die einen Resonanzkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator, umfasst. Ein Kondensator wird über eine Diode mit einer gleichgerichteten Spannung geladen. Der Kondensator wird nach Beendigung der Trägerschwingung mit dem Resonanzkreis verbunden, wodurch dem Resonanzkreis Energie zugeführt wird. Allerdings wird hier nur kurzzeitig Energie zugeführt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schwingungserhaltungskreis für den Halbduplextransponder bereitzustellen, der weniger kompliziert aufgebaut ist und eine geringe Anzahl von analogen Schaltungskomponenten benötigt, sowie weniger Verzerrungen aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung folgt einem anderen Ansatz. An Stelle der Injektion von Energie in den Schwingkreis während lediglich eines kurzen Bruchteils der Schwingungsdauer und während des Spitzenwerts des Schwingungssignals (d. h. an Stelle von ”Plucking”) besteht das erfindungsgemäße Konzept darin, dem Schwingkreis während eines großen Bruchteils der Schwingungsdauer Energie gleichmäßig während einer kompletten Halbperiode zuzuführen, aber aus einer Stromquelle mit einer hohen internen Impedanz.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Schwingungserhaltungskreis für einen Halbduplextransponder bereit, der einen LC-Schwingkreis, einen Speicherkondensator und einen zur Ladung des Speicherkondensators mit einem gleichgerichteten Schwingungssignal verbundenen Gleichrichter aufweist. Der Schwingungserhaltungskreis umfasst einen End-of-Burst-Detektor, der ein End-of-Burst-Signal bereitstellt, wenn die Amplitude des Schwingungssignals unter einen vorbestimmten Schwellwert gesunken ist. Der Schaltkreis umfasst ferner einen Taktregenerator, der ein von dem Schwingungssignal abgeleitetes Taktsignal bereitstellt. Ein durch das Taktsignal bei Vorliegen des End-of-Burst-Signals gesteuertes Schaltmittel verbindet den Speicherkondensator mit dem IC-Schwingkreis über zumindest einen Strombegrenzungswiderstand während eines Teils der Periode des Taktsignals derart, dass dem LC-Schwingkreis Energie zugeführt wird. Auf diese Weise wird das Schwingungssignal aufrechterhalten und behält eine konstante Amplitude bei. Des Weiteren wird das Signal nicht verzerrt und es gibt keine Frequenzverschiebung, da die Energie dem IC-Schwingkreis über einen längeren Zeitraum gleichmäßig zugeführt wird.
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Die Frequenz des Taktsignals ist identisch mit der Frequenz des Schwingungssignals. Dies bedeutet, dass der Speicherkondensator während jeder zweiten Halbperiode des Taktsignals mit dem LC-Schwingkreis verbunden ist, wodurch die Amplitude auf einem konstanten Pegel gehalten wird.
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Vorzugsweise ist der Schaltkreis als integrierter CMOS-Schaltkreis implementiert. Mit dieser Technologie unterliegen die Widerstandswerte der Widerstandselemente jedoch erheblichen Prozessvariationen. Um sich dieses Problems anzunehmen, umfasst der Schaltkreis ebenso eine Mehrzahl von Strombegrenzungswiderständen, die jeweils einem entsprechenden Schalter in dem Schaltmittel zugeordnet sind. Das Schaltmittel kann ebenfalls so konfiguriert sein, dass es vorbestimmte Strombegrenzungswiderstände selektiv parallel schaltet. Mit dieser Konfiguration kann der erfindungsgemäße Schaltkreis auf diverse Anwendungsanforderungen bezüglich des Qualitätsfaktors des Schwingkreises reagieren.
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Vorzugsweise umfasst der Schaltkreis ferner einen nichtflüchtigen Konfigurationsspeicher, der die Konfiguration des Schaltmittels speichert. Der Konfigurationsspeicher kann programmierbar und so programmiert sein, dass er diejenigen der Strombegrenzungswiderstände parallel schaltet, die sich bei Parallelschaltung einem vorbestimmten Zielwiderstandswert annähern. Auf diese Weise können jegliche Herstellungstoleranzen in den Strombegrenzungswiderständen aufgehoben werden, und man kann trotz der verwendeten CMOS-Technologie einen gewünschten Strombegrenzungswiderstandswert erreichen.
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Jeder Schalter in dem Schaltmittel kann durch den Ausgang einer zugehörigen UND-Schaltung gesteuert werden. Dann sollte jede UND-Schaltung einen ersten Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Konfigurationsspeichers verbunden ist, und einen zweiten Eingang, an den das Taktsignal angelegt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild einer integrierten Halbduplex-Transponderschaltung mit einem Schwingungserhaltungskreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines regenerierten Taktsignals, das eine von einem Taktregenerator in dem Schwingungserhaltungskreis gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte negative Halbwelle darstellt; und
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3 eine Darstellung des Stroms, der in einem Strombegrenzungswiderstand in dem Schwingungserhaltungskreis gemäß der vorliegenden Erfindung fließt.
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Ein Halbduplex-(HDX-)Transponder 10 enthält eine integrierte Schaltung 11 und einen Schwingkreis mit einer Induktivität LR, die parallel mit einem ersten externen Kondensator CR geschaltet ist. Ein zweiter externer Kondensator CL ist in Reihe zwischen die Induktivität und Masse geschaltet. Dieser Transponder ist im Fachgebiet wohl bekannt und wird in RFID-Transpondern häufig eingesetzt, wobei der parallele LC-Schaltkreis so betrieben werden kann, dass er während eines Abfrageintervalls Abfragesignale empfangen und während eines folgenden Antwortintervalls Antwortsignale senden kann. Der zweite Kondensator CL ist ein Speicherkondensator. Wenn der Transponder ein Abfragesignal empfängt, wird dieses von einer internen Diode D1 der integrierten Schaltung 11 gleichgerichtet, und dies verursacht das Laden des Kondensators CL. Der Kondensator CL speichert dann Energie, die von dem LC-Schwingkreis für die Erzeugung eines Antwortsignals verwendet werden kann.
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Die integrierte Schaltung 11 weist Eingangsanschlüsse RF, VCL und GND auf. Das RF-Signal von dem LC-Schwingkreis schwingt in Bezug auf den VCL-Pegel. Die Diode D1 und eine Begrenzerschaltung 15 sind zwischen die GND-Schiene und die RF-Spannungsschiene geschaltet. Die RF-Spannungsschiene ist ebenfalls mit dem Eingang eines End-of-Burst-(EOB-)Detektors 12 und einem Eingang eines Taktregenerators 13 verbunden. Der Ausgang des EOB-Detektors 12 ist mit einem anderen Eingang des Taktregenerators 13 verbunden. Der Taktregenerator 13 kann so betrieben werden, dass er einen Rechteckimpuls mit einer maximalen Amplitude gleich VCL erzeugen kann. Der Ausgang des Taktregenerators 13 ist mit einem Eingang jeder Schaltung eines Arrays von UND-Schaltungen (UND1...UNDx) verbunden. Ein Ausgang eines Konfigurationsspeichers 14 ist mit einem anderen Eingang jeder Schaltung eines Arrays von UND-Schaltungen (UND1...UNDx) verbunden. Die Ausgänge jeder der UND-Schaltungen (UND1..UNDx) sind mit dem Gate eines entsprechenden Transistors in einem Array von Transistoren (T1...Tx) verbunden. Die Transistoren (T1...Tx) sind jeweils mit einem entsprechenden Strombegrenzungswiderstand R1 bis Rx verbunden und deren Sourcen sind mit GND verbunden. Die Strombegrenzungswiderstände R1 bis Rx verbinden die Transistoren an deren Drains mit der RF-Schiene. Die Anzahl der Widerstände in dem Array hängt von den Herstellungstoleranzen der Widerstände ab. Die Anzahl von in dem Array (T1...Tx) benötigten Transistoren und die Anzahl der UND-Schaltungen in dem Array (UND1...UNDx) sollten dann gleich der Anzahl von Widerständen in der Schaltung 11 sein. Die UND-Schaltungen, die Transistoren und die Widerstände bilden ein Schaltmittel, das es gestattet, dass der Speicherkondensator CL mit dem LC-Schwingkreis verbunden wird, wenn der LC-Schwingkreis Energie zur Aufrechterhaltung des RF-Schwingungssignals benötigt.
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Das elektromagnetische Feld einer Abfrageeinheit (nicht gezeigt), die mit einer Frequenz zwischen ca. 120 und 140 kHz sendet, facht den zwischen den RF- und den VCL-Anschluss der integrierten Schaltung 11 geschalteten parallelen Schwingkreis an. Die RF-Schwingung wird durch die interne, zwischen RF und GND geschaltete Diode D1 gleichgerichtet und lädt den Speicherkondensator CL während der negativen Halbwelle der Schwingung auf eine Spannung VCL. Die Amplitude der Schwingung bei RF wird durch die Begrenzerschaltung 15 begrenzt, um die Schaltung 11 vor Überspannung zu schützen.
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Wenn die Abfrageeinheit ausschaltet und somit mit der Sendung eines RF-Signals aufhört, fällt die RF-Schwingungsamplitude des LC-Schwingkreises ab. Dies wird von dem End-of-Burst-(EOB-)Detektor 12 detektiert. Der EOB-Detektor 12 sendet dann ein Signal an einen der Eingänge des Taktregenerators 13. Das andere Eingangssignal des Taktregenerators ist das RF-Signal von dem IC-Schwingkreis. Wenn sowohl das Signal von dem EOB-Detektor 12 als auch das RF-Signal an den Eingängen des Taktregenerators 13 empfangen werden, so bewirkt dies, dass der Taktregenerator 13 ein Taktsignal NHCLK, das eigentlich von dem Schwingungssignal des LC-Schwingkreises abgeleitet ist, erzeugt. Das Taktsignal NHCLK ist genau während der negativen Halbwelle des RF-Signals hoch. In 2 sind sowohl das RF-Signal als auch das Taktsignal NHCLK in Abhängigkeit von der Zeit graphisch dargestellt.
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Das Taktsignal NHCLK wird dann einem Eingang jeder der UND-Schaltungen (UND1...UNDx) zugeführt. Das Ausgangssignal des Konfigurationsspeichers 14 wird dem anderen Eingang jeder der UND-Schaltungen (UND1...UNDx) zugeführt. Der Konfigurationsspeicher 14 ist ein nichtflüchtiger Speicher, der die Konfiguration des Schaltmittels zur Verbindung des Speicherkondensators CL mit dem LC-Schwingkreis speichert. Der Konfigurationsspeicher 14 umfasst Daten über den Wert des Widerstands, der für die Durchschaltung des Seicherkondensators CL benötigt wird, damit der richtige Stromwert in den IC-Schwingkreis fließen kann. Der Konfigurationsspeicher kann dann die UND-Schaltung(en) in dem Array (UND1...UNDx) aktivieren, wodurch die richtige Kombination aus Widerständen (R1...Rx) geschaltet werden kann.
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In dem Fall, dass der Inhalt des Konfigurationsspeichers 14 die zugehörige UND-Schaltung aktiviert hat, werden die entsprechenden Transistoren in dem Array T1...Tx gleichzeitig durchgeschaltet mit NHCLK = hoch (NHCLK1...NHCLKx). Die aktivierten Transistoren schalten dann die entsprechenden Widerstände (R1...Rx) auf GND, so dass während der negativen Halbwelle des RF-Signals ein Strom fließt. Die Anzahl von in dem Array verwendeten Widerständen und Transistoren hängt von der Widerstandsgenauigkeit ab, die wiederum von dem Gestaltungsprozess der Schaltung 11 abhängt. Ebenso können in Abhängigkeit von unterschiedlichen Qualitätsfaktorspannen des LC-Schwingkreises und von Antennenkopplungsfaktoren mehr Widerstände benötigt werden, um die benötigte Spanne von Strombegrenzungswiderständen zu erreichen.
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Der Stromfluss durch die Widerstände ändert sich in Abhängigkeit von der RF-Wellenform und -Amplitude. Wenn die Spannung den VCL-Pegel überschreitet, ist der Strom hoch und fällt an dem negativen Spitzenwert der Halbwelle auf ein Minimum ab und nimmt dann wieder zu, bis VCL erreicht wird. Eine Darstellung des in einem Strombegrenzungswiderstand fließenden Stroms ist in 3 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass der Strom im Gleichlauf mit der negativen Halbwelle des RF-Schwingungssignals und dem Taktsignal NHCLK ist.
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Hierdurch wird eine konstante Energiezufuhr für den LC-Schwingkreis bereitgestellt, um es ihm zu ermöglichen, der Abfrageeinheit ein RF-Antwortsignal zu senden, das mit der Zeit nicht schlechter wird. Die Verwendung des Schwingungserhaltungskreis ist besonders vorteilhaft in RFID-Transpondern, zum Beispiel in elektronischen Wegfahrsperrensystemen, wo das Antwortsignal eine ausreichende Länge und Dauer haben muss, um der Abfrageeinheit Kennungsinformationen zu senden.
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Es sollte klar sein, dass die integrierte Schaltung 11 des Halbduplextransponders 10 nicht nur die Bauelemente des Schwingungserhaltungskreis umfasst. In einer praktischen Implementierung eines HDX-Transponders enthielte die integrierte Schaltung 11 oder der Chip eine Zentraleinheit (CPU) und zusätzlichen Speicher sowie zusätzliche Steuerschaltungen. Diese zusätzlichen Schaltkreiselemente sind jedoch in dem Fachgebiet wohl bekannt und werden hier nicht beschrieben.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine dynamische Anpassung des Widerstandswerts des Strombegrenzungswiderstands erreicht, um Änderungen des Qualitätsfaktors zu kompensieren, die durch externe Einflüsse verursacht werden können, z. B. durch das Vorhandensein von Metall in der Nähe der Induktivität LR. In dieser Ausführungsform wird die Amplitude des Schwingungssignals mit einem Amplitudenschwellwertdetektor (nicht gezeigt) überwacht. Wenn die Amplitude unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt, insbesondere auf Grund einer Verringerung des Qualitätsfaktors, wird der Schaltanordung ein Steuersignal bereitgestellt, damit diese einen zusätzlichen Begrenzungswiderstand verbindet und so den Widerstandswert der kombinierten Widerstände verringert. Hierdurch wird der höhere Energieverlust in dem Schwingkreis kompensiert.
