DE102010041986B4

DE102010041986B4 - Spannungsregelung- und Modulationsschaltung

Info

Publication number: DE102010041986B4
Application number: DE102010041986.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jean Ludovic Baglin; Marco Bucci; Raimondo Luzzi
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2024-06-27
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: US20110080152A1; US8643356B2; DE102010041986A1

Abstract

Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) einer kontaktlosen Vorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist:eine einstellbare Impedanzschaltung (120), die mit der Antenne (112) der Vorrichtung (100) gekoppelt ist und die konfiguriert ist, um eine Amplitude einer Eingangsspannung, die in die Antenne (112) induziert wird, kleiner als eine Amplitude einer Referenzspannung beizubehalten;eine Strompufferschaltung (130), die zwischen die einstellbare Impedanzschaltung und eine Last gekoppelt ist und konfiguriert ist, um einen Versorgungsstrom, der aus der einstellbaren Impedanzschaltung ausgegeben wird, in die Last zu puffern;einen parallelen Regler (140), der mit einem Ausgang der Strompufferschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine konstante Versorgungsspannung an der Last beizubehalten, undeine Spannungsregelungsschleife (190), die zwischen einen Eingang und einen Einstellkontakt der einstellbaren Impedanzschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung einzustellen.

Description

Die vorliegende Anmeldung richtet sich im Allgemeinen auf eine Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung einer kontaktlosen Vorrichtung in einem kontaktlosen Kommunikationssystem.
7 stellt ein typisches, kontaktloses System 700 mit einem kontaktlosen Leser 710 und einer kontaktlosen Karte 720 dar. Der Leser 710, auch bekannt als PCD, umfasst eine Antenne 712, die elektrisch mit einer elektronischen Schaltung gekoppelt ist (nicht gezeigt). Die kontaktlose Karte 720, auch bekannt als eine Smartcard, ein Etikett, eine PICC oder eine RFID-Karte, weist eine induktive Antenne 721 und eine Schaltungsanordnung auf, und eine Mikrosteuerung 740, die mit der induktiven Antenne 721 gekoppelt ist.
Im Betrieb, wenn die kontaktlose Karte 720 in ein Übertragungsfeld eines Lesers 710 eindringt, überträgt die Leserantenne 712 ein Trägersignal zu der kontaktlosen Karte 720, das ein Übertragungsfeld erzeugt, um Leistung und Daten zu der kontaktlosen Karte 720 zu liefern. Das Übertragungsfeld induziert eine Spannung in der Kartenantenne 721 und diese induzierte Spannung wird durch den Abstimmkondensator 722 abgestimmt, um eine Eingangsspannung V_in zu erzeugen. Ihrerseits ist die kontaktlose Karte 720 in der Lage, Daten durch Last zu übertragen, die das Trägersignal moduliert. Dieses lastmodulierte Signal wird durch die Leserantenne 712 erfasst. Die Kommunikation zwischen dem Leser und der kontaktlosen Karte kann z. B. definiert sein durch ISO (International Organization for Standardization) 14443, Typ A/B/C, 15693, 18000 etc.
Die Amplitude der induzierten Eingangsspannung V_in in der Antenne 721 der kontaktlosen Karte 720 erfährt wesentliche Abweichungen, wenn sich Distanz und Orientierung der kontaktlosen Karte 720 im Hinblick auf den Leser 710 ändern. Um die kontaktlose Karte 720 vor übermäßigen Spannungen zu schützen und um die Kommunikation zu unterstützen, d. h. Modulation/Demodulation, zwischen dem Leser 710 und der Karte 720, ist eine Regelung der Eingangsspannung V_in notwendig. Sobald die Eingangsspannung V_in geregelt ist, kann eine Modulation und Demodulation ausgeführt werden.
Zusätzlich dazu, da die Mikrosteuerung 740, die in die kontaktlose Karte 720 eingebettet ist, ein impulsives Stromverbrauchsprofil während der Operation zeigt, sind ordnungsgemäße Spitzenunterdrückungsmaßnahmen notwendig, um Kommunikationsfehler während der Phase zu vermeiden, in der der Leser 710 in dem Aufnahmemodus ist, aber die Mikrosteuerung 740 noch arbeitet.
Wie gezeigt ist, weist die kontaktlose Karte 720 einen Spannungsregler mit einem Hüllkurvendetektor auf, der der Amplitude der Eingangsspannung V_in folgt. Die Ausgabe der Hüllkurve wird mit einer Referenzspannung KV_ref verglichen und das resultierende Fehlersignal steuert einen Nebenschlusstransistorstrom, I_shunt-2, des Transistors 733. Ein zusätzlicher Transistorstrom, I_mod, des Transistors 736 wird für eine Lastmodulation verwendet und die Gatespannung, V_mod, muss basierend auf der Eingangsspannung V_in eingestellt werden, um die Modulationstiefe zu steuern. Die benötigte Spitzenunterdrückung wird erhalten unter Verwendung einer konstanten Stromquelle 731, um der Mikrosteuerung 740 einen konstanten Versorgungsstrom zu liefern, I_sup, dessen Wert gemäß der Stärke des Übertragungsfeldes eingestellt werden muss. Ein paralleler Regler 735 fixiert die Versorgungsspannung VDD durch Nebenschließen von jeglichem überschüssigem Versorgungsstrom I_shunt-2.
Die DE 60 2004 011 240 T2 bezieht sich auf ein tragbares Objekt mit einer Mehrebenen-Demodulation, das induktiv an eine Feststation angekoppelt ist. Die D1 betrifft somit ein tragbares Element, das mit einer Antenne versehen ist, die induktiv an eine Feststation einer Fernübertragungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei das tragbare Element eine variable Lastimpedanz umfasst, die an die Klemmen der Antenne gelegt ist, sowie eine Spannungsregelungsschleife an den Klemmen der Lastimpedanz, die Mittel zur Gleichrichtung der Spannung an den Klemmen der Antenne und Steuerungsmittel umfasst, die vorgesehen sind, die Lastimpedanz abhängig von der Ausgangsspannung der Gleichrichtungsmittel zu verändern.
Die DE 10 2007 004 843 A1 bezieht sich auf ein Konzept zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und einer Lastmodulation in einem Transponder, mit einer Einrichtung mit einem durch ein Steuersignal an einem Steuereingang derselben steuerbaren Widerstand, einer Einrichtung zum Anlegen eines Lastmodulationssignals an den Steuereingang und einer Einrichtung zum Anlegen eines Spannungsbegrenzungssteuersignals an den Steuereingang.
Die Spannungsregelung, die durch die kontaktlose Karte 720 geliefert wird, hat jedoch zahlreiche Nachteile. Zum Beispiel ist sie kostspielig im Hinblick auf den Bereich, da sie Feldnebenschluss 735, Stromquelle 731, Modulationstransistor 736 und Rektifizierer benötigt, d. h. Dioden 723 - 728 und Kapazitäten 729, 730. Ferner, durch Verwenden einer variablen Stromquelle 733 als eine Nebenschlussvorrichtung, wird die übertragene Modulationstiefe verstärkt, wodurch effektiv das Übertragungsfeld verzerrt wird und eine zusätzliche Schaltungsanordnung benötigt wird, um diesen Effekt während des Empfangs zu kompensieren.
Ferner sind eine Feldnebenschlusssteuerung 731 und eine Versorgungsstrom-I_sup-Steuerung 732 nicht unabhängig. Stattdessen muss der Versorgungsstrom I_sup gemäß der Übertragungsfeldstärke eingestellt werden, wie z. B. durch Erfassen des Nebenschlussstroms I_shunt-1 und Erhöhen des Versorgungsstroms I_sup, solange der Nebenschlussstrom I_shunt-1 über einer vorbestimmten Schwelle ist. Ferner, um den Versorgungsstrom I_sup konstant zu halten, wird eine große Kapazität C_sup 729 benötigt und muss gemäß der Übertragungsfeldstärke eingestellt werden.
In einem schwachen Übertragungsfeld muss die Stromquelle 731 während eines Modulationspulses ausgeschaltet werden, bekannt als Kanten-Boosten (edge boost), um die Anstiegszeit der Eingangsspannung V_in zu verringern, d. h. die Seitenbänder, und wieder einzuschalten, sobald die Eingangsspannung V_in den Regelungspegel erreicht. Dies verursacht Überschreitungen, die dadurch unterdrückt werden müssen, dass der Feldnebenschluss 735 während der Kommunikation zwischen dem Leser 710 und der kontaktlosen Karte 720 aktiv gehalten wird.
Abschließend erfordert das Verwenden des Feldnebenschlusses 735 parallel zu der Mikrosteuerung 740 das Treiben der Spannung V_shunt auf der Basis des Nebenschlusstransistors 733 auf Null während des Hochfahrens bzw. Startens, um sicherzustellen, dass die kontaktlose Karte 720 in jedem Übertragungsfeldzustand startet. Sobald V_in zunimmt, muss der Feldnebenschluss 735 schnell genug sein, um seinen Wert einzuschränken. Dies verursacht ein unvermeidliches Überschreiten bzw. Übersteuern bei der Eingangsspannung V_in und erfordert somit eine zusätzliche Nebenschlusssteuerungsschaltung 734 beim Starten, basierend auf einer groben Referenzspannung, da V_ref noch nicht verfügbar ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung und ein Verfahren zum Ausführen einer Spannungsregelung und -Modulation mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A ein Blockdiagramm eines kontaktlosen Systems mit einer Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel;
1B ein Schaltungsdiagramm des kontaktlosen Systems, das in 1A gezeigt ist;
2A Schaltungsdiagramme von einstellbaren Widerständen gemäß entsprechenden, - 2C exemplarischen Ausführungsbeispielen;
3A eine Tabelle einer einstellbaren Widerstandssteuerung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel;
3B eine Tabelle einer einstellbaren Widerstandssteuerung gemäß einem anderen, exemplarischen Ausführungsbeispiel;
4 einen Graphen, der die Beziehung zwischen Versorgungsstrom und Eingangsspannung darstellt, wenn sich der Widerstandswert eines einstellbaren Widerstands, der in einer der 2A - 2C gezeigt ist, ändert;
5A Zeitgebungsdiagramme der Einstellung von Modulationspegeln gemäß entspre-- 5D chenden, exemplarischen Ausführungsbeispielen;
6 ein Verfahren zum Ausführen einer Spannungs-Regelung und -Modulation in einer kontaktlosen Vorrichtung; und
7 ein kontaktloses System mit einem typischen Spannungsregler.

Die vorliegende Anmeldung richtet auf eine Spannungs-Regelungs- und ModulationsSchaltung einer kontaktlosen Vorrichtung. Die Schaltung umfasst eine einstellbare Widerstandsschaltung, eine Strompufferschaltung, die zwischen die einstellbare Widerstandsschaltung und eine Last gekoppelt ist, und einen parallelen Regler, der mit einem Ausgang der Strompufferschaltung gekoppelt ist. Die Schaltung führt eine Antennenspannungsreglung, Leistungsversorgungssteuerung, Spitzenunterdrückung und Lastmodulation aus.
1A stellt ein Blockdiagramm eines kontaktlosen Systems 100 dar, das eine Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst. Das kontaktlose System 100 umfasst einen Leser 10 mit einer Leserantenne 12 und eine kontaktlose Karte 20 mit einer Kartenantenne 112, einer Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 und einer Mikrosteuerung 30.
Im Allgemeinen überträgt in kontaktlosen Systemen der Leser 10 über die Leserantenne 12 ein Trägersignal, das ein Hochfrequenz- (HF-) Feld erzeugt, um die kontaktlose Karte 20 mit Leistung zu versorgen. Wenn die kontaktlose Karte 20 in ein Übertragungsfeld des Lesers 10 eindringt, wird eine Spannung in der Kartenantenne 112 induziert, um eine Eingangsspannung V_in zu erzeugen. Zusätzlich zu der Leistung kann der Leser 10 Daten übertragen durch Modulieren des Trägersignals mit den Daten, und die interne Schaltungsanordnung der kontaktlosen Karte 20 demoduliert das modulierte Trägersignal.
Die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel hat zwei Phasen, eine Spannungsregelungsphase und eine Modulationsphase. Beim Starten ist die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 in der Regelungsphase, während der sie die Eingangsspannung V_in auf einen konstanten Wert regelt, wie z. B. 5 V. Diese Regelungsphase dauert an, bis das Übertragungsfeld konstant ist, d. h. der Leser 10 und/oder die kontaktlose Karte 20 keine Daten übertragen. Während der Datenübertragung zwischen dem Leser 10 und der kontaktlosen Karte 20 ist es nicht wünschenswert, mit dem Regeln der Eingangsspannung V_in auf einen konstanten Wert fortzufahren, ansonsten würden die übertragenen Daten gelöscht. Die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 schaltet daher von der Spannungsregelungsphase in die Modulationsphase. Während der Modulationsphase wird die Eingangsspannung V_in auf den Wert direkt vor der Phasenumschaltung beibehalten, und die Eingangsspannung V_in wird durch die Mikrosteuerung 30 lastmoduliert, um Daten zu dem Leser 10 zu übertragen. Wenn die Datenübertragung durch den Leser 10 und die Karte 20 aufhört, kann die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 in die Spannungsregelungsphase zurückkehren.
Der Übersicht halber liefert die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel eine Versorgungsspannung VDD zu einer Last, wie z. B. der Mikrosteuerung 30. Die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 umfasst eine einstellbare Widerstandsschaltung 120, die mit der Kartenantenne 112 gekoppelt ist, eine Strompufferschaltung 130, die zwischen die einstellbare Widerstandsschaltung 120 und die Mikrosteuerung 30 gekoppelt ist, einen parallelen Regler 140, der mit einem Ausgang der Strompufferschaltung 130 gekoppelt ist, und eine Spannungsregelungsschleife 190, die zwischen einen Eingang und Einstellkontakte der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 gekoppelt ist.
Die einstellbare Widerstandsschaltung 120 ist konfiguriert, um eine Amplitude einer Eingangsspannung V_in beizubehalten, die in der Kartenantenne 112 induziert wird, um kleiner zu sein als eine Amplitude einer Referenzspannung, um zu verhindern, dass die Eingangsspannung zu hoch wird und den Chip beschädigt. Diese Einstellung wird erreicht unter Verwendung einer Spannungsregelungsschleife 190, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird.
Die Strompufferschaltung 130, auch bekannt als eine Entkopplungsschaltung, puffert den Versorgungsstrom I_sup, der aus der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 ausgegeben wird, mit der Mikrosteuerung 30. Wie nachfolgend detailliert weiter beschrieben wird, funktioniert die Strompufferschaltung 130 sowohl als ein Rektifizierer als auch eine isolierende Vorrichtung zum Isolieren von Stromspitzen, die an der Versorgungsspannung VDD erzeugt werden.
Der parallele Regler 140 ist konfiguriert, um eine konstante Versorgungsspannung VDD an der Mikrosteuerung 30 beizubehalten. Genauer gesagt bildet der parallele Regler 140 einen Nebenschluss von dem Knoten VDD für jeglichen Strom, der nicht durch die Mikrosteuerung 30 verwendet wird.
1B stellt ein Schaltungsdiagramm dar, das dem Blockdiagramm des kontaktlosen Systems 10 entspricht, das in 1A gezeigt ist. In 1A und 1B bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Die Strompufferschaltung 130 umfasst Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren 132, 134, deren Gates miteinander gekoppelt sind, wodurch ein Knoten gebildet wird, an dem eine Vorspannungsspannung V_bias von der Schaltungsanordnung innerhalb der kontaktlosen Karte 20 angelegt wird. PMOS-Transistoren 132, 134 wirken als isolierende Vorrichtungen für Stromspitzen, die an der Versorgungsspannung VDD erzeugt werden, da ihr Ausgangsversorgungsstrom I_sup weitgehend unabhängig von ihrer Ausgangsspannung ist (d. h., V_bias + V_sg - VDD). Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren 132, 134 in Verbindung mit einer einstellbaren Widerstandsschaltung 120 garantieren eine hohe Spitzenunterdrückung z. B. im Bereich von mehr als 40 dB. Ferner wirken Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren 132, 134 als ein Rektifizierer durch Einstellen einer Vorspannungsspannung V_bias größer als eine Differenz zwischen den Amplituden der Versorgungsspannung VDD und der Schwellenspannung V_tp (d. h. V_bias > VDD - V_tp), um dadurch einen Rückwärtsstrom von der Versorgungsspannung VDD zu vermeiden. Standardmäßig ist die Schwellenspannung V_tp, z. B. 0,6 V, die Amplitude der Eingangsspannung, wobei sich PMOS-Transistoren 132, 134 von einem Logikzustand zu einem anderen verändern.
An der Schnittstelle zwischen der Strompufferschaltung 130 und der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 legen PMOS-Transistoren 132, 134 die Spannung (d. h. V_bias + V_sg) auf einen festen Spannungswert fest. Das Ergebnis ist, dass aus der Perspektive einer einstellbaren Widerstandsschaltung 120 keine Abweichung des Leistungsverbrauchs einer Mikrosteuerung 30 stattfindet. Jegliche Abweichungen werden durch den parallelen Regler 140 kompensiert und durch PMOS-Transistoren 132, 134 gedämpft, die die Spannung auf der Seite in Verarbeitungsrichtung aufwärts festlegen.
Während der Spannungsregelungsphase der Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 ist die einstellbare Widerstandsschaltung 120 konfiguriert, um eine Amplitude der Eingangsspannung V_in, die in der Kartenantenne 112 induziert wird, bei weniger als einer Amplitude einer Referenzspannung KV_ref beizubehalten, wobei K eine Konstante ist, unter Verwendung eines Codeworts, das durch die Regelungsschleife 190 erzeugt wird. Die einstellbare Widerstandsschaltung 120 umfasst zwei einstellbare Widerstände 122, 124, die mit dem positiven bzw. negativen Eingang der Kartenantenne 112 gekoppelt sind. Eine detailliertere Beschreibung der einstellbaren Widerstände 122, 124 wird nachfolgend gegeben.
Wie offensichtlich ist, könnte die einstellbare Widerstandsschaltung 120 alternativ eine einstellbare Impedanzschaltung sein. Ferner könnten die zwei einstellbaren Widerstände 122, 124 durch einstellbare Impedanzen ersetzt werden. Wie bekannt ist, ist ein Widerstandswert als ein Gegensatz zu dem Fluss von elektrischem Strom definiert. Die Impedanz ist definiert als der Gesamtgegensatz, d. h. Widerstandswert und Reaktanz, die eine Schaltung dem Wechselstromfluss bei einer gegebenen Frequenz bietet, wobei die Reaktanz die Opposition bzw. der Gegensatz zu dem Wechselstromfluss ist.
Die Spannungsregelungsschleife 190, die zwischen den Eingang und die Einstellkontakte der einstellbaren Widerstände 122, 124 gekoppelt ist, ist konfiguriert, um ein Codewort auszugeben, das verwendet wird, um die Widerstandswerte der einstellbaren Widerstände 122, 124 einzustellen. Die Spannungsregelungsschleife 190 umfasst eine Fehlerdetektorschaltung 150, einen Komparator 160, eine Zählerschaltung 170 und einen Codierer 180, die in Reihe geschaltet sind.
Die Fehlerdetektorschaltung 150 ist konfiguriert, um einen Fehler zwischen den Amplituden der Eingangsspannung V_in und der Referenzspannung KV_ref zu bestimmen. Die Fehlerdetektorschaltung 150 weist einen Eingang auf, der mit dem Eingang der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 gekoppelt ist, zum Empfangen einer Eingangsspannung V_in, und einen Ausgang zum Ausgeben der Fehlerspannung V_error. Genauer gesagt stellt die Fehlerspannung V_error eine Differenz zwischen der Amplitude der Referenzspannung KV_ref und einer Spitzenamplitude der Eingangsspannung V_in dar (d. h. KV_ref - V_in). K bei KV_ref ist ein Verstärkungsfaktor, der jeglicher Wert sein kann, der als angemessen betrachtet wird.
Der Komparator 160 ist konfiguriert, um zu bestimmen, ob die Fehlerspannung V_error positiv oder negativ ist, so dass die Regelungsschleife 190 die Eingangsspannung V_in in der korrekten Richtung einstellen kann. Die Fehlerspannung V_error, einschließlich Vorzeichen, positiv oder negativ, wird in einen nichtinvertierenden Eingang des Komparators 160 eingegeben, und die Schwellenspannung V_th, die bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel Masse ist, wird in einen invertierenden Eingang eingegeben. Folglich, wenn die Amplitude der Fehlerspannung V_error größer ist als die Amplitude der Schwellenspannung V_th (d. h. positiv ist), ist das Auf/Ab-Signal u/d (up/down), das aus dem Komparator 160 ausgegeben wird, ein hohes Signal, das eine logische 1 darstellt. Umgekehrt, wenn die Amplitude der Fehlerspannung V_error kleiner ist als die Amplitude der Schwellenspannung V_th (d. h. negativ ist), ist das Up/Down-Signal u/d, das aus dem Komparator 160 ausgegeben wird, ein niedriges Signal, das eine logische 0 darstellt. Der Komparator 160 kann ein Operationsverstärker sein oder jegliche andere Vorrichtung, die für den vorgesehen Zweck geeignet ist.
Eine Zählerschaltung 170 ist konfiguriert, um einen Zählwert n zu bestimmen, der als eine Basis zum Einstellen von einstellbaren Widerständen 122, 124 verwendet wird. Die Zählerschaltung weist einen Eingang auf, der mit dem Ausgang des Komparators 160 zum Empfangen des Up/Down-Signals u/d gekoppelt ist. Wenn das Up/Down-Signal u/d eine logische 1 ist, erhöht die Zählerschaltung 170 den Zählwert n um einen Schritt, und wenn das Up/Down-Signal u/d eine logische 0 ist, verringert die Zählerschaltung 170 den Zählwert n um einen Schritt. Wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, führt das Erhöhen des Zählwerts n zu einem Erhöhen des Widerstandswerts R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 und einer entsprechenden Erhöhung der Eingangsspannung V_in.
Die Zählerschaltung 170 weist ferner einen Halteeingang (hold) auf, dessen Funktion nachfolgend im Hinblick auf die Modulationsphase der Regelungs- und Modulationsschaltung 110 beschrieben wird. Ferner, wie nachfolgend im Hinblick auf 4A und 4B erörtert wird, kann die Zählerschaltung 170 linear oder geometrisch progressiv sein.
Der Codierer 180 weist einen Eingang zum Empfangen eines Zählwerts n von einer Zählerschaltung 170 und einen Ausgang zum Ausgeben eines entsprechenden Codeworts auf. Dieses Codewort wird verwendet zum Einstellen des Widerstandswerts R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124. Grundsätzlich verursacht die Spannungsregelungsschleife 190, dass der Codierer 180 den Wert seines Codeworts derart einstellt, dass der Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 zunimmt, wenn die Amplitude der Eingangsspannung V_in kleiner ist als die Amplitude der Referenzspannung KV_ref. Weitere Details im Hinblick auf die Operation des Codierers 180 werden nachfolgend im Hinblick auf 2A - C und 3A - B erörtert. Ferner weist der Codierer 180 auch einen Modulationseingang und einen Modulationsfreigabeeingang auf, deren Funktionen nachfolgend im Hinblick auf die Modulationsphase der Regelungs- und Modulationsschaltung 110 erklärt werden.
Die Spannungsregelungsschleife 190 funktioniert als eine Rückkopplungsschleife, und wenn die Amplitude der Eingangsspannung V_in zunimmt, sollte der Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 abnehmen. Die spezifischen Implementierungen der Komponenten der Spannungsregelungsschleife 190, d. h. Fehlerdetektorschaltung 150, Komparator 160, Zählerschaltung 170 und Codierer 180, sind entwurfsspezifisch.
2A - C stellen Schaltungsdiagramme von einstellbaren Widerständen 122, 124 gemäß entsprechenden, exemplarischen Ausführungsbeispielen dar, wie in den nachfolgenden Absätzen beschrieben wird.
2A stellt eine Schaltung 200A dar, die ein exemplarisches Ausführungsbeispiel von einstellbaren Widerständen des kontaktlosen Systems 100 liefert. Wie offensichtlich sein sollte, kann ein einstellbarer Widerstand 122A, 124A entweder ein einstellbarer Widerstand 122 oder ein einstellbarer Widerstand 124 sein, wie in 1B gezeigt ist.
Der einstellbare Widerstand 122A, 124A umfasst eine Mehrzahl von Widerstandseinheiten R₁ bis R_N, die parallel gekoppelt sind, und eine Mehrzahl von Mittelspannungs-PMOS-Transistoren, die jeweils in Reihe mit der Mehrzahl von Widerstandseinheiten R₁ bis R_N gekoppelt sind. Die Mittelspannungs-PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> wirken als Schalter im Wesentlichen zum Ein- oder Ausschalten der entsprechenden Widerstandseinheiten R₁ bis R_N, wodurch der Wert des Gesamtwiderstandswerts R_adj des einstellbaren Widerstands 122A, 124A geändert wird. Wie aus der grundlegenden Schaltungstheorie bekannt ist, führt ein Erhöhen der Anzahl von aktivierten parallelen Widerstandseinheiten R₁ bis R_N dazu, dass der einstellbare Gesamt-Widerstandswert R_adj abnimmt.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die entsprechenden Widerstandseinheiten R₁ bis R_N geometrisch progressive Widerstandswerte auf, wie nachfolgend detailliert im Hinblick auf Tabelle 2 erörtert wird, die in 3B gezeigt ist. Ferner ist die Zählerschaltung 170 (gezeigt in 1B) linear, d. h. jeder der Schritte weist äquivalente Werte auf.
Pegelschieber 210A sind zwischen die Codiererschaltung 180 (gezeigt in 1B) und den einstellbaren Widerstand 122A, 124A gekoppelt und sind konfiguriert, um die Tatsache zu kompensieren, dass die PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> Hochspannungsvorrichtungen sind, wohingegen der Codierer 180 und die Zählerschaltung 170 mit einem Niedrigspannungspegel beliefert werden. Genauer gesagt werden die Pegelschieber 210A verwendet, um die PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> zwischen VSS und eine Hochspannung zu schalten, nachfolgend zu V_in.
2B stellt die Schaltung 200B dar, die ein alternatives, exemplarisches Ausführungsbeispiel von einstellbaren Widerständen des kontaktlosen Systems 100 liefert. Im Gegensatz zu den geometrisch progressiven Widerstandseinheiten R₁ bis R_N, gezeigt in 2A, weisen die Widerstandseinheiten R des einstellbaren Widerstands 122B, 124B im Wesentlichen äquivalente Widerstandswerte auf. Eine geometrische Progression ist jedoch unter Verwendung einer geometrisch progressiven Zählerschaltung 270B implementiert, im Gegensatz zu der linearen Zählerschaltung 170 aus 2A. Die Zahl der Widerstandseinheiten ist 2^N/4, wobei N die Anzahl der Widerstände in Fig. A ist, und die Zählerschaltung 270B ist ein (N/4)-Bitzähler. Pegelschieber bzw. Pegelumsetzer 210A sind dieselben, wie in 2A gezeigt ist. Die Regelmäßigkeit der Schaltung 200B ist vorteilhaft im Hinblick auf Anpassung und Layout-Optimierung.
2C stellt die Schaltung 200C dar, die ein anderes, exemplarisches Ausführungsbeispiel von einstellbaren Widerständen des kontaktlosen Systems 100 gemäß einem alternativen, exemplarischen Ausführungsbeispiel liefert. Die Schaltung 200C ist im Wesentlichen dieselbe wie die Schaltung 200B aus 2B, wobei ein Hauptunterschied ist, dass keine Widerstandseinheiten vorhanden sind. Stattdessen sind PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> des einstellbaren Widerstands 122C, 124C in einer Triodenregion vorgespannt, um als Widerstände zu wirken. Dies wird erreicht durch Schalten der Steuerung der Gates der PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> zwischen die Eingangsspannung V_in und die Vorspannungsspannung V_bias, um die Transistoren in der Triodenregion zu setzen, um einen gewünschten Widerstandswert zu erhalten.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Schaltungen 200A - C nicht darauf beschränkt sind, dass die Schalter als PMOS-Transistoren implementiert sind. Die Schalter können alternativ unter Verwendung von NMOS-Transistoren implementiert sein oder von jeglichem anderen Element, das für den vorgesehenen Zweck geeignet ist. Ferner können die Schaltungen 200A - C alternativ derart entworfen sein, dass die Widerstände durch Kondensatoren ersetzt sind.
3A stellt Tabelle 1 für eine einstellbare Widerstandssteuerung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel dar. Tabelle 1 zeigt die Beziehungen zwischen Ausgabe n der Zählerschaltung 170, Ausgabe (Codewort) des Codierers 180, wobei „adj“ anzeigt, welche der Widerstandseinheiten der Widerstände 122, 124 ein-/ausgeschaltet werden, die entsprechende Werte für R_adj, und Anmerkungen. In einem starken Übertragungsfeld ist der Zählerwert n niedrig, was zu einem niedrigen Wert für R_adj führt. Umgekehrt ist in einem schwachen Übertragungsfeld der Zählerwert hoch, was zu einem hohen Wert für R_adj führt.
Wenn der Zählwert n aus der Zählerschaltung 170 ausgegeben wird, gibt der Codierer 180 ein entsprechendes Codewort aus. Dieses Codewort wird dann durch die einstellbare Widerstandsschaltung 120 verwendet, um den Widerstandswert für jeden der einstellbaren Widerstände 122, 124 einzustellen. Die Widerstandswerte werden eingestellt durch Schalten von jedem der PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N>, was in jeder der 2A - C gezeigt ist, ein oder aus. Da die Transistoren T_<1> bis T_<N> bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel PMOS-Transistoren sind, schaltet eine hohe Spannung, dargestellt durch eine logische 1, angelegt an einer Basis des Transistors T, den entsprechenden Transistor aus, und eine niedrige Spannung, dargestellt durch eine logische 0, angelegt an der Basis des Transistors T, führt dazu, dass der Transistor eingeschaltet wird. Wenn ein Transistor T ausgeschaltet wird, trägt sein entsprechender Widerstand R nicht zu dem Widerstandswert R_adj des einstellbaren Widerstands 122, 124 bei. Andererseits, wenn ein Transistor T eingeschaltet wird, trägt sein entsprechender Widerstand R schon bei.
Als Beispiel, wenn die Zählerschaltung 170 den Zählwert n = 0 ausgibt, wandelt der Codierer 180 diesen Zählwert in ein Codewort 0000 ... 0000 um. Dies bedeutet, dass jeder der Transistoren T_<1> bis T_<N> eine logische 0 aufweist, angelegt an seine Basis, die die entsprechenden Transistoren aktiviert, was dazu führt, dass alle parallelen Widerstandseinheiten R oder R₁ bis R_N zu dem einstellbaren Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 beitragen. Das Ergebnis ist ein niedrigstmöglicher Widerstandswert für jeden der einstellbaren Widerstände 122, 124.
Es wird darauf hingewiesen, dass beim Start die Spannungsregelungsschleife 140 konfiguriert ist, um zu verursachen, dass der Codierer 180 den Wert des Codeworts derart einstellt, dass der einstellbare Widerstandswert R_adj von jedem der einstellbaren Widerstände 122, 124 dieser niedrigste Widerstandswert ist. Der gesamte Strom von der Kartenantenne 112 wird daher an dem Knoten VDD geliefert und es gibt einen korrekten Start für jede Übertragungsfeldbedingung. Ferner wird in dem starken Übertragungsfeld der Zählwert n niedrig eingestellt, was einem niedrigen Wert für den einstellbaren Widerstand R_adj entspricht.
Als anderes Beispiel, wenn die Zählerschaltung 170 einen Zählwert n = N - 1 ausgibt, wandelt der Codierer 180 diesen Zählwert in das Codewort 0111 ... 1111 um. Dies bedeutet, dass alle, abgesehen von einem, der PMOS-Transistoren T_<1> bis T_<N> eine logische „1“ aufweisen, die an ihre entsprechende Basis angelegt ist, wodurch die entsprechenden Transistoren ausgeschaltet werden. Folglich trägt nur eine der Widerstandseinheiten R zu den Widerstandswerten der einstellbaren Widerstände 122, 124 bei. Das Ergebnis ist ein höchstmöglicher, einstellbarer Widerstandswert R_adj, d. h. nur der Widerstand R₁ trägt zu dem Widerstandswert R_adj von jedem der einstellbaren Widerstände 122, 124 bei. Effektiv ist der Widerstandswert R_adj gleich R₁. Es wird darauf hingewiesen, dass in einem schwachen Feld der Zählwert n hoch ist, was einem hohen Wert für den einstellbaren Widerstandswert R_adj entspricht.
3B stellt Tabelle 2 für eine einstellbare Widerstandssteuerung dar, um einen Spannungsschritt für V_in zu erhalten, der unabhängig von der Feldstärke ist. Somit werden Widerstandswerte der Widerstandseinheiten R_i, wobei i gleich 1, ..., N, gemäß der geometrischen Progression ausgewählt, die in Tabelle 2 gezeigt ist. Die Signifikanz von Tabelle 2 über Tabelle 1 ist, dass, wenn der Zählwert n um einen Schritt aufwärts oder einen Schritt abwärts zunimmt, nicht die gleiche Änderung bei der Amplitude der Eingangsspannung V_in erfolgt, sondern eher die gleiche Änderung bei dem Prozentsatz der Abweichung der Amplitude der Eingangsspannung V_in. Anders ausgedrückt, könnte in einem schwachen Feld der Schritt ein bestimmter Wert sein und in einem starken Feld ein unterschiedlicher Wert; in einem schwachen Feld ist, wenn der Zähler auf- oder abschreitet, der Schritt groß, aber in einem starken Feld ist der Schritt klein. Da es bevorzugt ist, dieselbe Schrittänderung sowohl in schwachen als auch starken Feldern zu haben, haben in Tabelle 2 die Widerstandswerte der Widerstandseinheiten R_i geometrisch progressive Werte basierend auf der Quadratwurzel, die in der zweiten Spalte gezeigt ist. „C“ stellt einen Koeffizienten dar, der verwendet wird, um die entsprechenden Widerstände R_i zu skalieren, und sein bestimmter Wert ist nur Bestandteil der Entwurfsauswahl.
Die Widerstände R_i werden skaliert, beginnend mit einer minimalen Konduktivität mit R_i, und haben dann eine Progression 1, 1,19, 1,41, 1,68 und 2. Der Basiswiderstandswert R₁, der immer aktiv ist, ist dimensioniert im Hinblick auf den Spitzenantennenstrom in einem minimal unterstützten Übertragungsfeld, z. B. für H_min = 0,5 A/m, I_sup = 3 mA, und um das Regeln der Amplitude von V_in aufwärts zu ungefähr 6 V zu ermöglichen, R₁ = 1,4 KΩ (für V_bias + V_sg = 1,8 V). Wie ersichtlich ist, gibt es bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel vier Intervalle zwischen dem Verdoppeln der Koeffizientenwerte.
4 stellt einen Graphen dar, der die Beziehung zwischen dem Versorgungsstrom I_sup, der Eingangsspannung V_in und einem einstellbaren Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 zeigt. Wie ersichtlich ist, ist die Amplitude der Eingangsspannung V_in für den niedrigsten einstellbaren Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 die Summe der Amplituden der Vorspannungsspannung und der Source-Gate-Spannung V_sg (d. h. V_bias + V_sg) der Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren 132, 134. Da die Last aus der Mikrosteuerung 30, die dem Übertragungsfeld gezeigt ist, ein einstellbarer Widerstand ist, entspricht, wenn die Amplitude der Eingangsspannung V_in größer ist als eine Summe der Amplituden der Vorspannungsspannung V_bias und einer Source-Gate-Spannung V_sg der PMOS-Transistoren 132, 134 (d. h. V_in > V_bias + V_sg) eine Modulationstiefe aus dem Leser 10 im Wesentlichen derselben Modulationstiefe an der Eingangsspannung V_in, und somit wird das Übertragungsfeld nicht erkennbar gestört. Dies ist besonders wichtig, wenn mehrere kontaktlose Karten in dem Feld vorliegen.
Wie oben erwähnt wurde, weist die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 zwei Phasen auf, eine Regelungsphase und eine Modulationsphase. Die Modulationsphase beginnt, wenn der Leser 10 und die kontaktlose Karte 20 die Datenübertragung beginnen.
Die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 schaltet aus der Regelungsphase in die Modulationsphase und die Eingangsspannung V_in an dem geregelten Wert, direkt vor der Datenübertragung, wird beibehalten.
Bezug nehmend wiederum auf 1B wird während des Starts der Modulationsphase ein Haltesignal (hold) mit einer logischen 1 in den Halteeingang der Zählerschaltung 170 eingegeben, wodurch die Zählerschaltung 170 deaktiviert wird und effektiv die Spannungsregelungsschleife 190 deaktiviert wird. Die Amplitude, wenn die Eingangsspannung V_in an dem geregelten Wert beibehalten wird, direkt vor dem Start der Modulationsphase. Ferner wird ein Modulationsfreigabesignal (mod_en) mit einer logischen 1 in den Modulationsfreigabeeingang des Codierers 180 eingegeben, wodurch eine Modulation freigegeben wird. Ferner wird ein Modulationssignal, mod, das Daten durch eine Reihe aus logischen Einsen und Nullen darstellt, in den Modulationseingang des Codierers 180 eingegeben.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass für die oben erörterte Regelungsphase das Haltesignal (hold), das Modulationsfreigabesignal (mod_en) und das Modulationssignal (mod) jeweils eine logische 0 sind. Die Zählerschaltung 170 wird freigegeben und die Modulation wird gesperrt und somit wird die Codiererschaltung 180 durch den Zählwert n nur aus der Zählerschaltung 170 gesteuert.
Das Haltesignal (hold), das Modulationsfreigabesignal (mod_en) und das Modulationssignal (mod) werden durch die Mikrosteuerung 30 erzeugt und übertragen. Eine weitere Beschreibung der Erzeugung und Übertragung dieser Signale wird nicht gegeben, da die Details über den Schutzbereich der Anmeldung hinausgehen und Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sein sollten.
Während der Modulationsphase wird eine Datenmodulation an der Eingangsspannung V_in durch Einstellen der Widerstandswerte R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 ausgeführt. Genauer gesagt wird ein Modulationssignal (mod) mit Daten an dem Modulationseingang des Codierers 180 empfangen. Der Codierer 180 verwendet dann die Modulationssignaldaten und nicht den Zählerwert n aus der Zählerschaltung 170, um Codewörter zu erzeugen, die zum Einstellen der Widerstandswerte R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 verwendet werden. Die Modulation wird somit ausführt durch digitales Steuern der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 ohne zusätzliche, analoge Vorrichtung, die für eine Modulation erforderlich ist.
5A - D stellen Zeitgebungsdiagramme der Einstellung der Modulationspegel während der Modulationsphase gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen dar. Wie in den nachfolgenden Absätzen erörtert wird, stellt 5A eine negative Modulation dar, 5B stellt eine Kombination einer positiven und einer negativen Modulation dar, 5C stellt eine Modulation dar, bei der eine Eingangsspannung V_in auf weniger als einen Minimalwert moduliert wird, und 5D stellt eine Kombination der Modulationen dar, die in 5B und 5C dargestellt sind.
5A ist ein Zeitgebungsdiagramm, das eine negative Modulation gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in dem oberen Abschnitt des Zeitgebungsdiagramms ersichtlich ist, wird die Eingangsspannung V_in auf eine Referenzspannung KV_ref während der Spannungsregelungsphase geregelt und dann als eine Basisspannung während der Modulationsphase beibehalten. Wenn die Modulationsphase beginnt, wird ein Modulationsfreigabesignal (mod_en), das an dem Modulationsfreigabeeingang des Codierers 180 eingegeben wird, eine logische 1, wodurch eine Modulation ermöglicht bzw. freigegeben wird. Gleichzeitig beginnt ein Modulationssignal (mod) zwischen einer logischen 0 und einer logischen 1 überzugehen, was Daten darstellt, die auf die Eingangsspannung V_in moduliert werden sollen.
Der Zählerwert n ist in dem unteren Abschnitt des Zeitgebungsdiagramms gezeigt. Während der Spannungsregelungsphase ist der Zählwert n auf einen Wert k festgelegt, somit ist in dem oberen Abschnitt des Zeitgebungsdiagramms das Übertragungsfeld auf den festen Wert KV_ref geregelt, z. B. 5 V. Genauer gesagt verursacht der Zählwert k, dass der Codierer 180 das Codewort 1111 ... 1100 ... 0000 ausgibt, wie unten in 5A gezeigt ist, und die Widerstandseinheiten R oder R₁ bis R_N der einstellbaren Widerstände 122, 124, die den Einsen entsprechen, werden über entsprechende PMOS-Transistoren T ausgeschaltet, auf die oben erörterte Weise. Der einstellbare Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 ist daher ein höherer Wert, was dazu führt, dass die Amplitude der Eingangsspannung V_in äquivalent zu der höheren Amplitude der Referenzspannung KV_ref ist.
Wenn die Modulationsphase beginnt, geht das Modulationsfreigabesignal (mod_en) auf eine logische 1 über und das Modulationssignal (mod) beginnt. Der Zählerwert n wird von einem Wert k auf einen Wert 0 gezwungen, nicht durch die Zählerschaltung 170, sondern innerhalb des Codierers 180 basierend auf dem Modulationssignal (mod). Der Codierer 180 gibt ein Codewort 0000 ... 0000 ... 0000 aus, das dem Zählerwert 0 entspricht, und die entsprechenden parallelen Widerstandseinheiten R oder R₁ bis R_N der einstellbaren Widerstände 122, 124 werden über entsprechenden PMOS-Transistoren T eingeschaltet, wie oben beschrieben wurde, was zu einem minimalen einstellbaren Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstände 122, 124 führt. Der einstellbare Widerstandswert R_adj verursacht daher, dass die Amplitude der Eingangsspannung V_in auf den Minimalwert sinkt, das ist eine Summe der Amplituden der Vorspannungsspannung V_bias plus der Source-Gate-Spannung V_sg (d. h. V_bias + V_sg) der PMOS-Transistoren 132, 134, wie oben Bezug nehmend auf 4 erörtert wurde.
Nachfolgend wird der Zählerwert n auf k wiederhergestellt und die Amplitude der Eingangsspannung V_in kehrt zurück auf die Amplitude der geregelten Referenzspannung KV_ref. Das Modulationssignal mod steuert das Schalten des Zählerwerts zwischen 0 und k, und somit das Schalten der modulierten Eingangsspannung V_in zwischen KV_ref und dem minimalen Spannungswert, V_bias + V_sg. In dem unteren Abschnitt des Zeitgebungsdiagramms stellt 0k0k0k das Schalten des Zählwerts n dar, so dass der Zählerwert n bis k zählt und dann wieder zu 0 zurückkehrt. Während der Modulationsphase zählt der Zählwert n nicht aufwärts und abwärts um einen Schritt, sondern wird stattdessen zwischen 0 und k durch das Modulationssignal mod gezwungen.
5B ist ein Zeitgebungsdiagramm, das eine Kombination einer negativen und positiven Modulation gemäß einem alternativen, exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt, um dadurch die Tiefe der Modulation zu erhöhen. Die Modulation ist größer, dadurch, dass anstelle des Schaltens des Zählerwerts n zwischen den Werten 0 und k, wie oben im Hinblick auf 5A beschrieben wurde, das Schalten zwischen den Werten 0 und j erfolgt, wobei z. B. j größer ist als k. Dies bedeutet, dass die Anzahl von Widerstandseinheiten R, die parallel verbunden sind, reduziert wird, und der Widerstandswert erhöht wird, im Vergleich zu dem vorangehenden Beispiel, das in 5A dargestellt ist. Das Schalten der modulierten Eingangsspannung V_in erfolgt daher zwischen dem minimalen Spannungswert, V_bias + V_sg, und einem Wert größer als KV_ref. Diese Kombination der negativen und positiven Modulation wird verwendet, wenn erwünscht ist, um Seitenbänder der Eingangsspannung V_in zu erhöhen, z. B. in einem Fall eines schwachen Feldes, wenn die kontaktlose Karte weit von dem Leser 10 entfernt ist oder die kontaktlose Karte eine kleinere Antenne aufweist.
5C stellt eine Modulation dar, die ähnlich zu der negativen Modulation ist, die in 5A gezeigt ist, aber anstatt dass die Eingangsspannung V_in abwärts auf den Minimalspannungswert moduliert wird, V_bias + V_sg, wird sie auf einen Wert moduliert, der größer ist als das Minimum. Dies wird erreicht durch Schalten des Zählerwerts zwischen den Werten k und h und nicht zwischen den Werten k und 0, wobei h kleiner ist als k, aber größer als 0. Wie gezeigt ist, gibt der Codierer 180 für den Zählwert h das Codewort 1100 ... 0000 ... 0000 aus, und somit werden weniger Widerstandseinheiten R eingeschaltet im Vergleich zu der Situation, in der der Zählwert 0 ist. Das Ergebnis ist, dass die modulierte Eingangsspannung V_in zwischen KV_ref und einem Spannungswert geschaltet wird, der zwischen KV_ref und dem Minimalspannungswert V_bias + V_sg ist.
5D stellt eine Modulation dar, die eine Kombination der Modulationen ist, die in 5B und 5C dargestellt sind, d. h. die Modulation ist sowohl negativ als auch positiv und ist nicht auf einen niedrigsten Spannungspegel moduliert, gemäß einem alternativen, exemplarischen Ausführungsbeispiel. Ein Durchschnittsfachmann würde verstehen, wie diese Modulation implementiert wird, basierend auf den oben angegebenen Beschreibungen, und somit ist eine detailliertere Beschreibung hier nicht notwendig.
6 stellt ein Verfahren 600 dar zum Ausführen einer Spannungsregelung und Modulation bei einer kontaktlosen Vorrichtung. Zuerst wird die einstellbare Widerstandsschaltung 120 eingestellt, um die Amplitude der Eingangsspannung V_in zu regeln, die in der Kartenantenne 112 induziert wird, um im Wesentlichen gleich zu der Amplitude der Referenzspannung KV_ref zu sein (Schritt 610). Dann wird der Versorgungsstrom I_sup, der durch die einstellbare Widerstandsschaltung 120 ausgegeben wird, von der Last gepuffert, d. h. der Mikrosteuerung 30 (Schritt 620). Abschließend wird eine konstante Versorgungsspannung VDD an der Mikrosteuerung 30 durch die parallele Reglerschaltung 140 (Schritt 630) beibehalten.
Der Einstellschritt 610 umfasst das Ausführen einer Spannungsregelungsschleife 190, die das Erzeugen einer Fehlerspannung V_error umfasst, basierend auf einer Differenz zwischen der Amplitude der Referenzspannung KV_ref und einer Spitzenamplitude der Eingangsspannung V_in (d. h. KV_ref - V_in) (Schritt 612), wodurch ein Auf-/Ab-Signal u/d erzeugt wird basierend auf einer Differenz zwischen den Amplituden der Fehlerspannung V_error und der Schwellenspannung V_th (Schritt 614), wodurch der Zählwert n inkrementiert/dekrementiert wird, basierend auf dem Auf-/Ab-Signal u/d (Schritt 616), und ein Codewort erzeugt wird, das auf dem Zählwert n basiert und verwendet wird, um den Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 einzustellen (Schritt 618).
Während der Datenkommunikation durch die kontaktlose Vorrichtung wird eine Spannungsregelungsschleife 190 deaktiviert (Schritt 640) und ein Codewort wird erzeugt, zum Einstellen des Widerstandswerts R_adj der einstellbaren Widerstandsschaltung 120, um die Eingangsspannung V_in zu modulieren (Schritt 650), entweder negativ oder sowohl negativ als auch positiv. Ferner kann das Codewort erzeugt werden, um den Widerstandswert R_adj der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 auf seinen niedrigsten Widerstandswert einzustellen, V_bias + V_sg.
Es gibt zahlreiche Vorteile der Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110, wie hierin beschrieben ist. Zum Beispiel wird die Linearität des kontaktlosen Systems 100 verbessert. Da die Last der Mikrosteuerung 30, die dem Übertragungsfeld gezeigt wird, eine einstellbare Widerstandsschaltung 120 ist, wenn die Amplitudeneingangsspannung V_in größer ist als eine Summe der Amplituden der Vorspannungsspannung V_bias und der Source-Gate-Spannung V_sg der Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren 132, 134 (d. h. V_in > V_bias + V_sg), dann entspricht eine Modulationstiefe von dem Leser 10 im Wesentlichen derselben Modulationstiefe an der Kartenantenne 112. Das Übertragungsfeld wird daher nicht erkennbar gestört.
Ferner wird der automatische Start der kontaktlosen Karte 20 verbessert. Da der gesamte Strom, der an der Kartenantenne 112 induziert wird, als Versorgungsstrom I_sup verfügbar ist, wird ein korrekter Start bei allen Übertragungsfeldbedingungen garantiert, einfach durch Einstellen der einstellbaren Widerstände 122, 124 auf ihre niedrigsten Widerstandswerte R_adj. Es ist keine zusätzliche Startschaltung erforderlich und es gibt keine wesentlichen Überschreitungen bei V_in.
Ferner wird eine Lastmodulation erreicht durch Einstellen des einstellbaren Widerstands R_adj auf ein Minimum unter Verwendung des Codeworts aus dem Codierer 180. Da die Amplitude der Eingangsspannung V_in nicht niedriger sein kann als eine Summe der Amplituden der Vorspannungsspannung V_bias und der Source-Gate-Spannung V_sg der PMOS-Transistoren 132, 134 (d. h. V_bias + V_sg), wird die Modulationstiefe gesteuert, ohne eine zusätzliche Spannungsregelungsschleife zu benötigen. Erhöhte Modulationspegel können erreicht werden durch Addieren oder Subtrahieren von einem oder mehreren Schritten von der einstellbaren Widerstandssteuerung, wie in 5A - D gezeigt ist. Dies ist möglich, da aufgrund der Implementierung der einstellbaren Widerstände 122, 124, wie in 2A - C gezeigt ist, der Spannungsschritt an V_in um eine Regelungsspannung KV_ref konstant ist und unabhängig von der Übertragungsfeldstärke ist. Ferner, da der Versorgungsstrom I_sup nicht aus einer Kapazität hergeleitet wird, wie bei 7, sind keine speziellen „Edge-Boosting“-Merkmale erforderlich, um eine scharfe ansteigende Flanke zu erhalten.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, in einer kontaktlosen Karte implementiert zu sein. Die Erfindung kann als jegliche kontaktlose Vorrichtung implementiert sein, die eine Spannungsregelung und Modulation/Demodulation ausführt.
Ferner ist der Ausdruck „Einstellen“, wenn er in dem Kontext der Einstellung von Widerstandswerten von Widerständen von der einstellbaren Widerstandsschaltung 120 verwendet wird, nicht auf die Situationen beschränkt, in denen eine tatsächliche Einstellung notwendig ist. Es sollte verstanden und erkannt werden, dass der Ausdruck „Einstellen“ auch für solche Fälle gilt, in denen die Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung 110 bestimmt, dass die Widerstandswerte die gewünschten Werte sind, und keine Einstellung zu diesen Zeiten ausgeführt werden muss.

Claims

Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) einer kontaktlosen Vorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist: eine einstellbare Impedanzschaltung (120), die mit der Antenne (112) der Vorrichtung (100) gekoppelt ist und die konfiguriert ist, um eine Amplitude einer Eingangsspannung, die in die Antenne (112) induziert wird, kleiner als eine Amplitude einer Referenzspannung beizubehalten; eine Strompufferschaltung (130), die zwischen die einstellbare Impedanzschaltung und eine Last gekoppelt ist und konfiguriert ist, um einen Versorgungsstrom, der aus der einstellbaren Impedanzschaltung ausgegeben wird, in die Last zu puffern; einen parallelen Regler (140), der mit einem Ausgang der Strompufferschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine konstante Versorgungsspannung an der Last beizubehalten, und eine Spannungsregelungsschleife (190), die zwischen einen Eingang und einen Einstellkontakt der einstellbaren Impedanzschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung einzustellen.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 1, bei der die Strompufferschaltung (130) Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren aufweist.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 2, bei der eine Gate-Vorspannungsspannung der Niedrigspannungs-PMOS-Transistoren größer ist als eine Differenz zwischen den Amplituden der Vorspannungsspannung und einer Schwellenspannung der PMOS-Transistoren.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die einstellbare Impedanzschaltung (120) eine Mehrzahl von Widerständen aufweist, die parallel gekoppelt sind, und eine Mehrzahl von entsprechenden Schaltern, die in Reihe mit der Mehrzahl von Widerständen gekoppelt sind.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 4, bei der die Mehrzahl der entsprechenden Widerstände jeweils geometrisch progressive Widerstandswerte aufweisen.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Mehrzahl der entsprechenden Widerstände im Wesentlichen gleiche Widerstandswerte aufweisen.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die einstellbare Impedanzschaltung eine Mehrzahl von Transistoren aufweist.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner einen Codierer (180) aufweist, der konfiguriert ist, um ein Codewort auszugeben zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 8, bei der der Codierer (180) einen Modulationseingang aufweist zum Empfangen eines Modulationssignals und konfiguriert ist, um das Codewort zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung auszugeben, um die Eingangsspannung basierend auf dem Modulationssignal negativ zu modulieren.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 9, bei der der Codierer (180) konfiguriert ist, um das Codewort zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung auf seinen niedrigsten Impedanzwert auszugeben.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der der Codierer (180) konfiguriert ist, um das Codewort zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung auszugeben, um die Eingangsspannung negativ und positiv basierend auf dem Modulationssignal zu modulieren.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Spannungsregelungsschleife (190) folgende Merkmale aufweist: eine Fehlerdetektorschaltung (150), die mit dem Eingang der einstellbaren Impedanzschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Fehlerspannung basierend auf einer Differenz zwischen der Amplitude der Referenzspannung und einer Spitzenamplitude der Eingangsspannung auszugeben; einen Komparator (160), der mit einem Ausgang der Fehlerdetektorschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ein Auf-/Ab-Signal basierend auf einer Differenz zwischen den Amplituden der Fehlerspannung und einer Schwellenspannung auszugeben; eine Zählerschaltung (170), die mit dem Ausgang des Komparators gekoppelt ist konfiguriert ist, um einen Zählwert basierend auf dem Auf-/Ab-Signal zu inkrementieren/dekrementieren; und einen Codierer (180), der mit dem Ausgang der Zählerschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ein Codewort auszugeben, das auf dem Zählwert basiert und verwendet wird, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung einzustellen.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 12, bei der die Zählerschaltung (170) eine lineare Zählerschaltung ist.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der die Zählerschaltung (170) eine geometrisch progressive Zählerschaltung ist.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der die Zählerschaltung (170) einen Haltesignaleingang aufweist zum Empfangen eines Haltesignals während einer Datenkommunikation durch die kontaktlose Vorrichtung, wodurch verursacht wird, dass die Zählerschaltung und die Spannungsregelungsschleife deaktiviert werden.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Spannungsregelungsschleife konfiguriert ist, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung zu erhöhen, wenn die Amplitude der Eingangsspannung kleiner ist als die Amplitude der Referenzspannung.
Spannungsregelungs- und Modulationsschaltung (110) gemäß Anspruch 1, bei der beim Start die Spannungsregelungsschleife konfiguriert ist, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung auf seinen niedrigsten Impedanzwert einzustellen.
Verfahren (600) zum Ausführen einer Spannungsregelung und Modulation bei einer kontaktlosen Vorrichtung (100), das folgende Schritte aufweist: Einstellen einer einstellbaren Impedanzschaltung, die mit der Antenne (112) der Vorrichtung (100) gekoppelt ist, um eine Amplitude einer Eingangsspannung, die in die Antenne (112) induziert wird, kleiner als eine Amplitude einer Referenzspannung beizubehalten; Puffern eines Versorgungsstroms, der durch die einstellbare Impedanzschaltung ausgegeben wird, in eine Last; Beibehalten einer konstanten Versorgungsspannung an der Last durch einen parallelen Regler; und Ausführen einer Spannungsregelungsschleife, die zwischen einen Eingang und einen Einstellkontakt der einstellbaren Impedanzschaltung gekoppelt ist, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung einzustellen..
Spannungsregelungs- und Modulationsverfahren (600) gemäß Anspruch 18, bei dem der Schritt des Einstellens das Ausführen der Spannungsregelungsschleife aufweist, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer Fehlerspannung basierend auf einer Differenz zwischen einer Amplitude einer Referenzspannung und einer Spitzenamplitude der Eingangsspannung; Erzeugen eines Auf-/Ab-Signals basierend auf einer Differenz zwischen den Amplituden der Fehlerspannung und einer Schwellenspannung; Inkrementieren/Dekrementieren eines Zählwerts basierend auf dem Auf-/Ab-Signal; und Erzeugen eines Codeworts, das auf dem Zählwert basiert und verwendet wird, um den Impedanzwert der einstellbaren Impedanzschaltung einzustellen.
Spannungsregelungs- und Modulationsverfahren (600) gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem der Schritt des Einstellens das Ausführen der Spannungsregelungsschleife aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Deaktivieren der Spannungsregelungsschleife während einer Datenkommunikation durch die kontaktlose Vorrichtung; und Erzeugen eines Codeworts zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung, um die Eingangsspannung negativ zu modulieren.
Spannungsregelungs- und Modulationsverfahren (600) gemäß Anspruch 20, bei dem der Schritt des Erzeugens eines Codeworts das Erzeugen des Codeworts zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung auf seinen niedrigsten Impedanzwert aufweist.
Spannungsregelungs- und Modulationsverfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem der Schritt des Einstellens das Ausführen einer Spannungsregelungsschleife aufweist, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: Deaktivieren der Spannungsregelungsschleife während einer Datenkommunikation durch die kontaktlose Vorrichtung; und Erzeugen eines Codeworts zum Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung, um die Eingangsspannung negativ und positiv zu modulieren.
Spannungsregelungs- und Modulationsverfahren (600) gemäß Anspruch 18, das ferner folgenden Schritt aufweist: beim Starten, Einstellen des Impedanzwerts der einstellbaren Impedanzschaltung auf seinen niedrigsten Impedanzwert.