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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen RFID-Transponder. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen RFID-Transponder mit Backscatter-Modulation.
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RIFD-Transponder-Schaltkreise werden gerne in vielen verschiedenen Anwendungen verwendet und ihre Größe wird immer geringer, da sie häufig für die Objekterkennung („tagging”) und für „elektronische Identifikationssysteme” verwendet werden. Die Antennenspannung eines RFID-Transponders muss begrenzt sein, um Beschädigungen auf Grund von elektrischer Überbeanspruchung zu vermeiden. Der Schwellwerk für die Begrenzung wird durch die Leistungsfähigkeit der in dem Transponder verwendeten integrierten Schaltung bestimmt. Für den Transponderaufbau werden moderne Tief-Submikrometer-Prozesse („deep sub micron processes”) mit einer Mindest-Gate-Länge von z. B. 130 nm oder weniger benötigt, um mehr Funktionalität wie größere Speicher und höhere digitale Gate-Dichten zu integrieren. Ein Nachteil dieser Tief-Submikrometer-Prozesse besteht darin, dass die Spannungsbeständigkeit der in derartigen Prozessen verwendeten Komponenten drastisch verringert wird. Eine Folge der verringerten Leistungsfähigkeit bezüglich der Versorgungsspannung in aktuellen Technologien ist, dass die Antennenspannung auf 3 V oder niedriger begrenzt werden muss, was einen verringerten Betriebsspannungsbereich für das gesamte analoge Eingangsteil („front end”) und die digitalen Schaltungen nach sich zieht. Auf Grund des Spannungsabfalls der Gleich richterschaltkreise in derartigen Transpondern gibt es eine weitere Verringerung der Versorgungsspannung des analogen Eingangsteils. Der Gleichrichter erzeugt die Versorgungsspannung des gesamten Transponders durch Gleichrichten der Antennenspannung. Gemeinsam mit dem verringerten Begrenzerschwellwert von 3 V führt der Spannungsabfall über dem Gleichrichter zu einer Versorgungsspannung von lediglich circa 2,5 V, während frühere Bauarten mit einem Begrenzerschwellwert von 7 V bei einem Mindestabstand zwischen dem Transponder und der Lese/Schreibeinheit mit 6 V arbeiten konnten.
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In früheren Transponderbauarten wurde die Aufwärts-Backscatter-Modulation erreicht, indem eine Widerstandslast parallel mit der Antenne geschaltet wurde, und für starke Felder wurde der Antennenbegrenzerschwellwert zusätzlich verringert. Dieses Verfahren der Backscatter-Modulation ist jedoch für aktuelle Transponderbauarten nicht möglich, da es, obwohl es für die früher verwendeten hohen Antennen- und Versorgungsspannungsbereiche akzeptabel war, zu der Antennenspannung tendenziell zusätzliche Spannungsabfälle induziert und die Versorgungsspannung jenseits der begrenzten Bereiche aktueller RFID-Transpondern ziehen kann.
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Dies gilt auch für den in
DE 699 33 405 T2 offenbarten RFID-Transponder, der zwar noch einen herkömmlichen Regler zwischen einer für die Backscatter-Modulation verwendeten Spannung und der internen Versorgungspannung vorsieht. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Dämpfung aufgrund der Backscatter-Modulation die Versorgungsspannung beeinträchtigt und so den Versorgungsspannungsbereich, sowie die Reichweite des Transponders nachteilig beeinflusst.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen RFID-Transponder bereitzustellen, in dem eine genaue Modulation der Backscatter-Last erreicht werden kann.
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Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen RFID-Transponder bereit, der eine Antenne und eine Modulationsschaltung zur Backscatter-Modulation an einem mit der Antenne verbundenen lokalen Spannungsabgriff enthält, so dass eine Spannung der Antenne innerhalb eines vorbestimmten Bereichs aufrechterhalten bleibt. Die Modulationsschaltung enthält einen ersten mit der Antenne gekoppelten Gleichrichter zum Gleichreichten einer Spannung von der Antenne und zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für den RFID-Transponder und einen zweiten mit der Antenne gekoppelten Gleichrichter zum Gleichrichten einer Spannung von der Antenne und zum Bereitstellen einer Spannung an einem lokalen Spannungsabgriff (Vlocal).
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Es gibt einen Fehlerverstärker zum Vergleichen einer Spannung an dem lokalen Spannungsabgriff mit einer Modulationsspannung, der ein Ausgangssignals erzeugt, das auf der Differenz der Spannung am lokalen Spannungsabgriff und der Modulationsspannung basiert. Es wird ein Schalter bereitgestellt, um die Modulationsspannung zwischen einem ersten Referenzspannungspegel und einem zweiten Referenzspannungspegel gemäß den zu übertragenden Daten umzuschalten. Eine geregelte Last ist an die Antenne gekoppelt, die in Reaktion auf das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers geregelt wird. Im Grunde wird der Antenne hierdurch eine geregelte Last bereitgestellt, die auf Grundlage eines zu übertragenden Datenstroms unter Verwendung von beispielsweise Amplitudenumtastung (ASK) geregelt wird. Der Fehlerverstärker vergleicht die Antennenspannung mit dem Modulationsspannungspegel, der entweder von dem ersten Referenzspannungspegel oder dem zweiten Referenzspannungspegel abgeleitet wird. Die sich ergebende Ausgangsspannung des Verstärkers wird zur Regelung der Spannung an dem lokaler Spannungsabgriff derart verwendet, dass sie der Modulationsspannung entspricht. Um die benötigte Modulationstiefe zu erhalten, können der erste und der zweite Referenzspannungspegel eingestellt werden. Wenn die zweite Referenzspannung größer als der erste Referenzspannungspegel ist und die zweite Referenzspannung über den Schalter mit dem Fehlerverstärker verbunden ist, tritt lediglich eine geringe oder gar keine zusätzliche Dämpfung auf. Wenn der erste Referenzpegel als Modulationsspannung verwendet wird, wird die Antennenspannung durch die geregelte Last so lange heruntergezogen, bis der lokale Spannungsabgriff gleich dem Referenzspannungspegel ist. Folglich kann die Backscatter-Modulationsschaltung mit einem drastisch verringerten Antennnenbegrenzerschwellwert arbeiten, und die Modulationstiefe wird durch eine Spannungsregelschleife geregelt, so dass unabhängig von der Feldstärke eine genaue und konstante Modulationstiefe erreicht wird. Da selbst mit niedrigen Antennen- und Versorgungsspannungen eine genaue Regelung der Antennenspannung erreicht werden kann, kann die Modulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung leicht in einem Tief-Mikrometer-Prozess ausgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann der zweite Referenzspannungspegel der Versorgungsspannungspegel sein. Dann kann der lokale Spannungspegel einen Wert aufweisen, der zu der Versorgungsspannung des Chips passt. Der Gleichrichter ist ein zusätzlicher zweiter, in Bezug auf den für die Gleichrichtung der begrenzten Antennenspannung verwendeten Hauptgleichrichter eher einfacher Gleichrichter zur Bereitstellung einer internen Versorgungsspannung für den Transponder. Deshalb umfasst der Gleichrichter vorzugsweise eine erste und eine zweite Diode, die in einer Durchlassrichtung von der Antenne zu dem lokalen Spannungsabgriff miteinander parallel geschaltet sind. Der Spannungsabfall über jede der Dioden kann dann vorteilhafterweise dem Spannungsabfall entsprechen, dem sich die Versorgungsspannung in dem Hauptgleichrichter unterzieht, so dass die Spannung an dem lokalen Spannungsabgriff praktisch gleich dem Versorgungsspannungspegel ist. Somit muss keine zusätzliche Last an die Antenne gekoppelt werden, wenn der Versorgungsspannungspegel als Modulationsspannung verwendet wird.
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Die geregelte Last kann einen ersten, zwischen einen ersten Antennenanschluss und Masse geschalteten Transistor und einen zweiten, zwischen einen zweiten Antennenanschluss und Masse geschalteten Transistor umfassen. Gate-Anschlüsse des ersten und des zweiten Transistors sind dann mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden, so dass sie so betrieben werden können, dass sie von dem Verstärker ein Ausgangssignal empfangen. Das Verstärkerausgangssignal (die Differenz zwischen der Spannung an dem lokalen Spannungsabgriff und der Modulationsspannung) steuert dann die Transistoren so, dass sie der Antenne eine Last bereitstellen, so dass die Spannung an dem lokalen Spannungsabgriff gesenkt wird, bis sie gleich der Referenzspannung ist. Wenn der Versorgungsspannungspegel als Modulationsspannung verwendet wird, können die Transistoren im Grunde blind bleiben, so dass kein zusätzlicher Strom von der Antenne gezogen wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Backscatter-Modulation in einem RFID-Transponder bereit. Mit einem ersten Gleichrichter wird durch Gleichrichten eines mit einer Antenne des RFID-Transponders empfangen Signals eine Versorgungsspannung für den RFID-Transponder bereitgestellt. Mit einem zweiten Gleichrichter wird durch Gleichrichten des mit der Antenne des RFID-Transponders empfangen Signals ein gleichgerichteter Spannungspegel an einem lokalen Spannungsabgriff bereitgestellt. An dem lokalen Spannungsabgriff wird der gleichgerichtete Spannungspegel der Antenne überwacht, und es wird eine Differenz zwischen dem gleichgerichteten Spannungspegel und einem Modulationsspannungspegel bestimmt. Dann wird der Modulationsspannungspegel gemäß den zu übertragenden Daten zwischen einem ersten Referenzspannungspegel und einem zweiten Referenzspannungspegel variiert. Schließlich wird eine mit der Antenne gekoppelte Last derart geregelt, dass die Last auf Grundlage der bestimmten Differenz zwischen dem Modulationsspannungspegel und der gleichgerichteten Antennenspannung so lange erhöht oder verringert wird, bis der gleichgerichtete Spannungspegel gleich dem Modulationsspannungspegel ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung erreicht eine Regelung der Spannung an der Antenne und moduliert somit die Rückstreuung an der Antenne. Das Verfahren der Backscatter-Modulation gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einem drastisch verringerten Antennenbegrenzerschwellwert arbeiten und regelt die Modulationstiefe durch eine Spannungsregelschleife, so dass unabhängig von der Feldstärke eine genaue und konstante Modulationstiefe erreicht wird. Die Modulationstiefe kann durch Einstellung der Referenzspannungspegel eingestellt werden. Eine genaue Regelung der Antennenspannung kann selbst mit niedrigen Antennen- und Versorgungsspannungen erreicht werden, was den Vorteil bietet, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung leicht in einem Tief-Submikrometer-Prozess verwendet werden kann. Wenn einer der Referenzspannungspegel die interne Versorgungsspannung ist, kann die geregelte Last im Grunde abgeschaltet werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen Graphen der Höhe der Transponderspitzenspannung als eine Funktion des Abstands des Transponders von einer Lese/Schreibeinheit für einen RFID-Transponder;
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2 ein schematisches Schaubild eines RFID-Transponders; und
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3 ein vereinfachtes Schaltbild der Aufwärtsstufe eines RFID-Transponders gemäß der Erfindung.
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1 ist ein Graph der Höhe der Transponderspitzenspannung als eine Funktion des Abstands des Transponders von einer Lese/Schreibeinheit für einen RFID-Transponder. In 1 ist der Absolutwert (Höhe) der Spitzenspannung von RFID-Transpondern als eine Funktion des Abstands des Transponders (Antenne) von der Lese/Schreib-(RAM-)Einheit gezeigt, wobei die bestimmten Abstände X1 und X2 für frühere bzw. aktuelle Transponder angegeben sind. Aktuelle Vorrichtungen können zum Beispiel Spannungen bis zu 3 V aushalten, während frühere für integrierte Schaltungen verwendete Bauarten 8 V aushalten konnten. Der Gleichrichter erzeugt die Versorgungsspannung des gesamten Transponders durch Gleichrichten der Antennenspannung. Gemeinsam mit dem verringerten Begrenzerschwellwert von 3 V führt der Spannungsabfall über den Gleichrichter zu einer Versorgungsspannung von lediglich circa 2,5 V, wenn der Maximalabstand des Transponders von der R/W-Einheit X2 zum Beispiel 30 cm beträgt, während frühere Bauarten mit einem Begrenzerschwellwert von 7 V bei einem Maximalabstand zwischen dem Transponder und der R/W-Einheit X1 von zum Beispiel circa 10 cm mit 6 V arbeiten konnten.
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2 zeigt sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsstufe eines RFID-Transponders. Eine Antenne ist parallel zwischen zwei Anschlüsse T1 und T2 geschaltet, wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung 1 parallel zwischen die beiden Anschlüsse T1 und T2 geschaltet ist. Die Anschlüsse T1 und T2 sind mit den Ausgängen einer Modulationsstufe MOD und den Eingängen einer Demodulationsstufe DEMOD sowie mit den Eingängen eines Gleichrichters 6 verbunden. Die Begrenzungsschaltung 1 kann so betrieben werden, dass sie die Antennenspannung begrenzt, die dann durch den Gleichrichter 6 gleichgerichtet wird, um an einem mit dem Ausgang des Gleichrichters 6 verbundenen Spannungsabgriff Vcc eine interne Versorgungsspannung für den Transponder bereitzustellen. Der Spannungsabgriff Vcc ist mit einem Eingang der Demodulationsstufe DEMOD und einem Eingang der Modulationsstufe MOD sowie mit einem Eingang einer Datensteuerstufe 7 verbunden. Das Ausgangssignal der Demodulationsstufe ist ein Ausgangssignal RX, das einem anderen Eingang der Datensteuerstufe 7 zugeführt wird, und das Ausgangssignal der Datensteuerstufe 7 ist ein Ausgangssignal TX modulation, das einem anderen Eingang der Modulationsstufe MOD zugeführt wird. Die Begrenzungsschaltung 1, der Gleichrichter 6 und die Demodulationsstufe DEMOD bilden die Abwärtsstufe des Transponders, während die Modulationsstufe MOD die Aufwärtsstufe des Transponders bildet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich lediglich auf die Aufwärtsstufe, die untenstehend ausführlicher beschrieben ist.
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3 zeigt die Aufwärtsstufe eines RFID-Transponders mit einer Modulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Antenne ist parallel zwischen zwei Anschlüsse T1 und T2 geschaltet, die mit der Modulationsstufe MOD verbunden sind. Die Anschlüsse T1 bzw. T2 sind über eine ersten Diode D1 bzw. eine zweite Diode D2 jeweils mit einem lokalen Spannungsabgriff Vlocal verbunden, so dass die Dioden D1 und D2 in einer Richtung von der Antenne zu dem lokalen Spannungsabgriff Vlocal in Durchlassrichtung vorgespannt werden und parallel miteinander geschaltet sind. Die Dioden D1 und D2 bilden einen einfachen Gleichrichtungsschaltkreis zur Gleichrichtung der Spannungen von der Antenne zu dem lokalen Spannungsabgriff Vlocal. Anders ausgedrückt, dieser Gleichrichter kann ziemlich einfach und weniger komplex als der Gleichrichter 6 sein, der zur Ableitung der internen Versorgungsspannung Vcc des Transponders von der Antennenspannung verwendet wird. Es wird eine Spannungsglättungsschaltung zur Glättung einer Ausgangsspannung der Dioden D1 und D2 bereitgestellt, die einen zwischen den lokalen Spannungsabgriff Vlocal und Masse geschalteten Kondensator C1 und einen ebenfalls zwischen den Spannungsabgriff Vlocal und Masse, parallel mit dem Kondensator C1 geschalteten Widerstand R1 umfasst, um die Ausgangssignale der Dioden D1 und D2 zu buffern, um an dem Spannungsabgriff Vlocal eine glatte Gleichspannung bereitzustellen. Der Spannungsabgriff Vlocal ist mit dem positiven Eingangsanschluss eines Verstärkers A1 verbunden.
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Ein Referenzspannungsgenerator Vref kann über einen Schalter S1 mit dem negativen Anschluss des Verstärkers A1 verbunden werden. Der Versorgungsspannungsabgriff Vcc wird über den Schalter S1 ebenfalls mit dem negativen Anschluss des Verstärkers A1 verbunden. Sowohl der Referenzspannungsgenerator Vref als auch die Versorgungsspannung Vcc können über den Schalter S1 mit dem negativen Anschluss Vmod des Verstärkers A1 verbunden werden. Der Schalter S1 kann dann unter Verwendung des in 1 gezeigten Ausgangssignals TX modulation der Datensteuereinheit 7 zwischen den Referenzspannungsgenerator Vref und die Versorgungsspannung Vcc umgeschaltet werden.
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Der Ausgangsanschluss Vout des Verstärkers A1 ist mit Gate-Anschlüssen zweier NMOS-Transistoren MN1 und MN2 verbunden. Die Transistoren MN1, MN2 stellen der Antenne eine geregelte Last bereit, die die Backscatter-Modulation herstellt. Der Transistor MN1 hat seinen Drain-Anschluss ebenfalls mit dem Anschluss T1 und seinen Source-Anschluss mit Masse verbunden, und der Transistor MN2 hat seinen Drain-Anschluss mit dem Anschluss T2 und seinen Source-Anschluss mit Masse verbunden. Die Modulationsstufe MOD enthält die Dioden D1 und D2, die geregelten Lasttransistoren MN1 und MN2, die Kondensator-Widerstands-Anordnung C1 und R1, den Verstärker A1 und den Referenzspannungsgenerator Vref, die wie oben beschrieben verbunden sind, sowie den Schalter S1 zum Umschalten zwischen dem Spannungsgenerator Vref und der Versorgungsspannung Vcc.
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Die Spannung an den Anschlüssen T1 und T2 wird durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet, wodurch der lokale Spannungsabgriff Vlocal mit einer gleichgerichteten, durch die Widerstands-Kondensator-Anordnung C1 und R1 gebufferten Spannung geladen wird. Der Verstärker A1 vergleicht die Spannung an Vlocal mit der Modulationsspannung Vmod. Der Ausgang des Verstärkers A1 wird dann an die Gates der Transistoren MN1 und MN2 angelegt, die der Antenne als Reaktion auf die Modulationsfolge TX modulation eine geregelte Last bereitstellen; d. h. den Anschlüssen T1 und T2. Die Spannung an dem lokalen Spannungsabgriff Vlocal wird dann so lange geregelt, bis sie je nach Stellung des Schalters S1 entweder gleich dem Referenzspannungspegel Vref oder dem Versorgungsspannungspegel Vcc ist.
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Da die Antenne durch die geregelte Last gedämpft wird, bleibt die Modulationstiefe des Schaltkreises konstant. Der Modulationsindex wird durch den Antennenbegrenzerschwellwert und die Referenzspannung bestimmt, mit m = (Begrenzerschwellwert – Referenzspannung)/(Begrenzerschwellwert + Referenzspannung).
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Der Kondensator C1 und der Widerstand R1 glätten die Spannung an dem Spannungsabgriff Vlocal, wobei die Zeitkonstante der Glättungsschaltung so gewählt wird, dass die Spannung an dem Spannungsabgriff Vlocal dem Antennenspannungsamplitudenverlauf schnell genug folgt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und dem Fachmann fallen zweifellos weitere Alternativen ein, die innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung liegen.
