JP2009519651A - 共振回路 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)LC(インダクタンス・キャパシタンス)製品素子はそれらの値において許容誤差を有し、名目上は同一の共振システムの異なる標本の間で共振周波数は変化する。
(2)温度は素子の値を変化させ、時間および環境によって共振周波数を変動させうる。
(3)いずれかのアンテナの近くに置かれた金属性または磁性の物体は、インダクタンスを変化させ、従って、共振周波数を変化させうる。
(4)所望の共振周波数は変化し、例えば、規制周波数帯域は国境を越えて変化しうる。
(1)携帯電話を含む無線送信器および受信器
(2)近接フィールド通信
(3)装置の誘導荷電
(4)発振器
(5)電圧変換器
(6)システム間の容量性のエネルギー/情報の伝送
(7)例えば、電磁的ソースからの、または、機械的検出器のような回路なしでの無線でのエネルギー採取
(1)ソース電圧が、少なくともFETの閾値電圧(Vth)である2Vの差でゲート電圧(0V)を下回るとき、FETはターンオンされる。この状態において、ソース−ドレインキャパシタC2は短絡し、ソースおよびドレイン電圧は互いにたいへん近い。
(2)ソース電圧が−Vthより大きいとき、FETはターンオフされる。この場合において、ソースおよびドレイン電圧は分岐し、ソース−ドレインキャパシタは荷電される。
これら2つの状態の各々は、結果として、インダクタと直列の異なる実効静電容量となる。第1状態は、10nF(C3)と並列の2.2nF(C1)を有する、より高い静電容量を与え、合計で12.2nFを与える。第2状態は、FETがオフであるとき、10nFと直列の追加の2.2nF(C2)のために、より低い静電容量を与える。これは合計で4.0nFの静電容量を与える。
<共振回路13>
これは図1について説明したものである。
<負電圧レール6>
このブロックは、その入力としてFET1のドレインから共振電圧を取り出し、C4にピーク負電圧(1ダイオード降下小さい)を蓄積する。続いて、この蓄積された負電圧は、FET1のゲート電圧を設定するためにゲート電圧制御ブロックによって使用される。
<ゲート電圧制御7>
このブロックは、2つのデジタル制御ライン、Vg_ZERO・10、Vg_DEC・11を有する。Vg_ZEROにおける電圧パルスはFET2をターンオンし、蓄積キャパシタC5はグランドに接続される。Vg_DECにおける電圧パルスはT1を通して負電圧レールへの導通を生じさせ、C5における電圧はさらに負にされる。デジタル制御ラインを使用して、C5における電圧は徐々にさらに負にされ、または、ゼロとなりうる。これはFET1のゲートに接続され、共振回路の振動の振幅を制御する。共振振幅は、Vg_DECにおいて固定パルス数を使用して設定されるか、またはその代わりに、例えばADC(アナログデジタル変換器)を使用して測定された振幅が所望の値に到達するまでゲート電圧が減少される。
<励起パルス発生器8>
共振回路に印加される励起電圧を制御するために、n型およびp型のMOSFETの組が使用される。共振系への過渡電流がC10を介してグランドに取り込まれる結果を伴って、正の電圧(V1)がショットキーダイオードを介して結合される。D6およびV1は、単に、励起パルスの目標電圧、および、一定の振幅で共振を維持するために十分な電流を供給する。共振系に供給される電力が監視される必要があるならば、この励起パルス発生器の設計は特に有効である。これは、D6を通る電流パルスの測定によって直接に監視することができる。その代わりに、そのような要求条件が存在しないならば、共振によって発生される過渡電流を効果的に再利用するために5V供給が十分な静電容量および低い直列抵抗を有することを条件として、C10およびD6は除去される。
<デッドバンド遅延発生器9>
最後に、デッドバンド遅延発生器はその入力としてデジタル波形Vstimulus12を取り込み、励起FETにおけるシュートスルー電流を防止するデッドバンド遅延を発生する。
(1)読取器は、励起周波数を階段状にし、または、掃引し、トランスポンダからの電力流出を監視する。これは、5V電源からの電力流出を監視することによって実行されうる。
(2)トランスポンダの変調が検出される周波数の関数としての閾値の振幅を判定する目的で、読取器は、励起振幅および周波数を階段状にし、または、掃引しうる。最小の閾値振幅は、一般に、トランスポンダの共振周波数において存在する。
(3)トランスポンダが通常の抵抗負荷変調を使用して変調するとき、読取器によって認識される変換されたトランスポンダのインピーダンスは、トランスポンダの共振において動作するとき抵抗変調でもある。動作周波数がトランスポンダの共振と異なるとき、変換されたインピーダンスにおいてリアクタンス成分が存在する。読取器は、変換されたインピーダンスを監視し、抵抗性インピーダンスが生じるまで周波数を調整する。
(4)回路はパルスを使用して周期的に励起され、減衰する共振波形を発生する。振動の振幅は、容量性経路のデューディサイクルによって振動の固有周波数にリンクされる。結果は、周波数範囲にわたって自由減衰が掃引し、すなわち、減衰するチャープを発生する。そのような信号は、潜在的なトランスポンダの周波数にわたって掃引するために使用されうる。基準の軌跡についての波形の差分は、読取器からの最大吸収周波数を示すために使用されうる。この周波数はトランスポンダの共振周波数に対応し、従って、読取器が同調されうる。そのようなシステムはトランスポンダの存在およびその共振周波数を検出する低電力の方法として使用されうる。検出されると、読取器は通常の方法でトランスポンダを読み取りうる。この方法は本発明の第4実施形態において実現される。
図5は本発明の代わりの実施形態を表わす。図1に表わされているn型FETに加えて、この実施形態はp型FETも含む。n型FETの状態はFETのドレインの負のサイクルにおいて変化し、p型FETは正のサイクルにおいて変化する。低い振幅について両方のFETは導通しておらず、一方、高い振幅について両方は導通している。0%のデューティサイクルおよび100%のデューティサイクル(デューティサイクルは、FETの少なくとも1つが導通しているサイクルの割合である)における周波数限界についての設計式は次の通りである。
図6は、例えば、RFIDトランスポンダまたは他の遠隔で給電される装置について、無線周波フィールドから電力を抽出するために使用することができる回路の一実施形態を表わす。この回路は設けられる無線周波フィールドによって駆動される。電力は、任意の都合のよい位置において、例えばC1の一端から他端へと回路から取り込み、整流することができる。トランスポンダからの帰還信号を提供するために、回路からの電力は、例えば、帰還信号を使用して変調することができる無線周波発振器に給電するために使用することができる。トランスポンダのインダクタンスは上述した300μHの送信アンテナの例(図1)と比較して増加している。これは、振動するフィールドに応答してトランスポンダにおける誘導電圧を増加させるためである。キャパシタC1、C2、C3は、結果として第1実施形態と同一の周波数範囲(f50%=106kHz、f0%=145kHz)となる同一の係数によって減少される。トランスポンダのQ値はコイル実効直列抵抗(R1)によって設定され、この例において10Ωに設定されており、125kHzにおいて約80の高いQ値を与える。n型MOSFETは0.5Vの低い閾値電圧を有する。
1.高いQ値のトランスポンダは、励起フィールドのトランスポンダ周波数への正確な適合の通常の複雑さなしで使用され、トランスポンダは励起周波数に調整する。
2.システムは、トランスポンダ周波数に影響しうる温度および金属性の環境における変化へのより強い耐性がある。励起がトランスポンダ回路の周波数範囲内であることを条件として、素子の値における変化の程度は動作に影響を与えない。
3. システムは、製造時の素子の値における変化へのより強い耐性がある。そのようにして、注意深い素子の値の同調が必要とされず、潜在的に製造のより低いコストに導く。また、これは、現在、先行技術の実施のために必要とされる耐性を達成することができない製造技術を容易にすることができる。そのような技術の例は、プリント電子半導体および有機半導体を含みうる。
4.トランスポンダは1つより多くの読取器の周波数に応答することができる。そのようにして、規制周波数帯域が変化する国境にまたがる輸送が許容されうる。
5.固定のゲートを有する回路の動作はレギュレータと同様である。ゲート電圧は、デューティサイクルが励起周波数に適合する振幅を設定する。結合定数における増加を有する主な変化は、励起およびトランスポンダの応答の相対位相を変化させる。トランスポンダの共振振幅はほぼ同じにとどまる。そのようにして、追加のレギュレータは、トランスポンダ内で必ずしも必要ではない。また、これは追加のトランスポンダから読取器のフィールドを遮蔽する近くに結合されたトランスポンダの影響を減少させる。
第4実施形態において、図1に表わされた回路が、安定状態の励起ではなく自由減衰において使用される。自由減衰において使用されるとき、FETの導通のデューティサイクルは、減衰波形によって決定され、時間の関数として変化する。結果として生じる振る舞いは、回路の減衰におけるエネルギーとして周波数において上昇するチャープ信号である。この実施形態は、トランスポンダの存在および/またはその共振周波数を検出するために読取器内で使用されうる。
(1)例えば、2倍のパルス励起によって、振動の初期の振幅を増加させる。
(2)FETをより低いVthを有するものと変える。
(3)FETにVthより小さい大きさの正のゲート電圧を印加する。これは回路の動作を同一に維持し、すなわち、FETのソース電圧の負のサイクルにおいてのみFETが導通する。しかし、そのような正のゲート電圧を使用したFETのターンオンに必要とされる振幅は減少する。
(1)時間にわたって基準信号を監視することは、システムがトランスポンダの接近と関係しない、より長い期間の変化を追跡することを可能とする。有益に無視されるそのような変化の例は、温度変化、周囲の金属からの吸収への変化、チャープの減衰における変化を引き起こすバッテリー電圧における緩やかな下降を含む。
(2)多くのサンプルにわたる平均信号は、信号対雑音における向上、従って、システムの強固さを与える。そのような平均は、チャープの開始と比較した同じサンプル時間において実行され、いくつかの別個のチャープにわたって平均される。
(3)1つのチャープ内の複数の点がサンプリングされ、各々のサンプルにおいて基準との差分が判定される。システムの変化が生じたか否かに関する判定は、これらの個々の測定を組み合わせることによって、より正確にされうる。複数の点のそのようなサンプリングは、トランスポンダの共振周波数の判定と組み合わされうる。
C1、C2、C3 キャパシタ
FET1 電界効果トランジスタ
L1 インダクタ
R1 抵抗
Claims (40)
- 共振回路を構成するために第1キャパシタに結合されたインダクタを備えた可制御電気共振器であって、
可制御素子と、
前記可制御素子によって前記第1キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第2キャパシタと、
前記第1および第2キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置と、
をさらに備えた可制御電気共振器。 - 前記可制御素子はトランジスタであり、前記制御装置は前記トランジスタのためのバイアス回路である請求項1に記載の可制御電気共振器。
- 前記トランジスタはMOSトランジスタである請求項2に記載の可制御電気共振器。
- 前記振動信号から前記バイアス回路のための電源を取り出す電源回路をさらに備えた請求項2または3に記載の可制御電気共振器。
- 前記バイアス回路は、前記振動信号の振幅を増加させるために前記トランジスタにおけるバイアスを自動的に調整するように構成された請求項2から4のいずれか1項に記載の可制御電気共振器。
- 前記可制御素子の一端から他端に接続された第3キャパシタをさらに備えた請求項1から5のいずれか1項に記載の可制御電気共振器。
- 前記インダクタは50より大きいQ値を有し、より好ましくは100より大きいQ値を有する請求項1から6のいずれか1項に記載の可制御電気共振器。
- 前記可制御電気共振器における前記振動信号を駆動する駆動システムをさらに備えた請求項1から7のいずれか1項に記載の可制御電気共振器。
- 前記駆動システムは、前記可制御電気共振器によって取り出された電流を、前記電流に応じた期間を有するパルスに変換するための手段を含む請求項8に記載の可制御電気共振器。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の可制御電気共振器を含むRFIDタグまたはタグ読取器。
- 振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御する方法であって、
可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるステップと、
前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるステップと、
を有する方法。 - 振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御するための装置であって、
可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるための手段と、
前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるための手段と、
を備えた装置。 - 共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させる方法であって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記方法は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するステップを有する方法。 - 前記キャパシタの切り換え素子は、切り換えられるキャパシタに結合された電界効果トランジスタ(FET)スイッチを含み、
前記デューディサイクルを制御するステップは、前記共振回路の振動の波形の瞬時レベルに応じて前記FETのゲートとソースとの間の電圧を供給するステップを有する請求項13に記載の方法。 - 前記共振回路の振動の波形と前記外部波形との相対位相は、前記外部波形の信号レベルに応答して変化する請求項13または14に記載の方法。
- 前記外部波形は無線周波電磁フィールドの波形である請求項13から15のいずれか1項に記載の方法。
- 無線周波電磁フィールドからエネルギーを取り出す方法であって、
請求項16に記載の共振回路を制御するステップと、
前記共振回路からエネルギーを取り出すステップと、
を有する方法。 - 前記無線周波電磁フィールドにおける前記エネルギーが増加するに連れて、前記相対位相は前記取り出されるエネルギーを制限するように調整される請求項15に従属した請求項17に記載の方法。
- 前記外部波形は水晶振動子から取り出される波形である請求項13から15のいずれか1項に記載の方法。
- 無線周波信号原を提供する方法であって、
請求項19に記載の共振回路を制御するステップと、
前記共振回路の振動から取り出される無線周波信号を出力するステップと、
を有する方法。 - 共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させるための回路であって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記回路は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するための手段を備えた回路。 - 請求項21に記載の回路を備えた、無線周波電磁フィールドからエネルギーを取り出すための回路。
- 可制御共振回路を備えたRFIDタグであって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記可制御共振回路は、無線周波フィールドへの問合せに応答して前記RFIDタグの複数の動作周波数のうち1つを選択するために、前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを自動的に制御するように構成されたRFIDタグ。 - インダクタと、
1次容量性経路と、
可変デューティサイクルを使用して共振に結合される少なくとも1つの他の2次容量性経路と、
を備えたLC共振回路であって、
前記LC共振回路の応答周波数は、前記デューティサイクルに依存し、励起周波数に適合するLC共振回路。 - 前記可変デューティサイクルはFETによって制御される請求項24に記載のLC共振回路。
- 前記FETのゲート電圧は一定に維持され、
前記FETのソース電圧は共振の振幅とともに変化し、前記FETをターンオンおよびオフさせる請求項25に記載のLC共振回路。 - 前記FETのゲート電圧は外部電圧源を使用して制御される請求項25に記載のLC共振回路。
- 請求項24から27のいずれか1項に記載のLC共振回路を含む読取器であって、励起期間は所望の励起フィールドの周波数の分数調波である読取器。
- 請求項24から28のいずれか1項に記載のLC共振回路を含む読取器であって、水晶振動子が前記励起フィールドの動作周波数を設定する読取器。
- 請求項24から29のいずれか1項に記載のLC共振回路を含むトランスポンダ。
- 無線周波タグの接近検出システムであって、
チャープする減衰無線周波パルスを生成する無線周波信号発生器と、
前記減衰無線周波パルスを検出する無線周波検出システムと、
前記無線周波検出システムへの前記無線周波タグの接近を判定するために、前記検出された減衰無線周波パルスの位相における変化を識別するシステムと、
を備えた無線周波タグの接近検出システム。 - 前記位相における変化を識別するシステムは、前記検出された減衰無線周波パルスを基準信号と比較する手段を備えた請求項31に記載の無線周波タグの接近検出システム。
- 前記位相における変化を識別するシステムは、前記検出された減衰無線周波パルスの累積的な位相の変化を判定する手段を備えた請求項31または32に記載の無線周波タグの接近検出システム。
- 前記無線周波信号発生器は、非線形素子を組み込んだ共振器を備えた請求項31から33のいずれか1項に記載の無線周波タグの接近検出システム。
- 前記無線周波信号発生器は、共振回路を構成するために第1キャパシタに結合されたインダクタを備えた可制御電気共振器を備え、
前記可制御電気共振器は、
可制御素子と、
前記可制御素子によって前記第1キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第2キャパシタと、
前記第1および第2キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置と、
をさらに備えた請求項31から34のいずれか1項に記載の無線周波タグの接近検出システム。 - 前記無線周波信号発生器および前記無線周波検出システムは共通の無線周波共振器を備えた請求項31から35のいずれか1項に記載の無線周波タグの接近検出システム。
- 無線周波信号発生器への物体の接近を検出する方法であって、
前記無線周波信号発生器を使用してチャープする減衰無線周波信号パルスを発生するステップと、
前記物体を検出するために前記チャープする減衰無線周波信号パルスの位相外れを検出するステップと、
を有する方法。 - 無線周波信号発生器への物体の接近を検出する装置であって、
前記無線周波信号発生器を使用してチャープする減衰無線周波信号パルスを発生するための手段と、
前記物体を検出するために前記チャープする減衰無線周波信号パルスの位相外れを検出するための手段と、
を備えた装置。 - 無線周波トランスポンダタグの読取器を動作させる方法であって、
特に、請求項1から38に記載のシステム、方法、または、装置を使用して、無線周波トランスポンダタグの接近を検出するために低い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるステップと、
前記無線周波トランスポンダタグの接近の検出に応答して前記無線周波トランスポンダタグからデータを読み出すために高い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるステップと、
を有する方法。 - 無線周波トランスポンダタグの読取器の動作を制御するための装置であって、
特に、請求項1から38に記載のシステム、方法、または、装置を使用して、無線周波トランスポンダタグの接近を検出するために低い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるための手段と、
前記無線周波トランスポンダタグの接近の検出に応答して前記無線周波トランスポンダタグからデータを読み出すために高い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるための手段と、
を備えた装置。
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