JP6233601B2 - Ｒｆｉｄ回路のためのアンテナインタフェース - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本特許開示は、全ての目的のために参照することによりその全体が本願に組み込まれる発明者Ｇａｙらの「Ａｎｔｅｎｎａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ａ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ」と題される２０１１年１０月１２日に出願された米国仮出願第６１／５４６，３５４号の利益および優先権を主張する。
本明細書中で与えられる背景技術の説明は、一般に開示の事情を与えるためのものである。現在名前が挙げられている発明者らの研究が、その研究の範囲で、この背景技術の節において記載され、また、さもなければ出願時に従来技術と見なされない可能性がある説明の態様は、本開示に対して従来技術として明示的にも暗示的にも認められない。
無線自動識別（ＲＦＩＤ）は、記憶データをタグからリーダーへと転送するために電波を介して通信を行う。リーダーは、タグからデータを収集するために高周波（ＲＦ）をタグへ送信するように構成され、また、タグは、送信されたＲＦをリーダーにより検出可能な理解される態様で変調することによって記憶データをリーダーへ転送するように構成されてもよい。送信されたＲＦを変調するように構成されるタグは、一般に、送信されたＲＦによって給電され、また、一般に、例えばバッテリーなどにより自己給電されない。あるいは、タグは、タグが自己給電される場合には、リーダーにより送信される既知のＲＦ信号をタグが検出した後に、ＲＦを元のリーダーへ独立に送信するように構成されてもよい。ＲＦＩＤは通信のために電波を使用するため、タグおよびリーダーは互いに接触する必要がない。ＲＦＩＤのこの非接触通信は、磁気ストライプ（マグストライプ）を有するカードとマグストライプリーダーとの間の典型的な通信であって、マグストライプリーダー内のピックアップコイルまたは同様のものがマグストライプ中にエンコードされた情報を読み取ることができるようにカードのマグストライプをマグストライプリーダーが通り抜ける通信とは対照的である。また、ＲＦＩＤのこの非接触通信は、スマートカードとスマートカードリーダーとの間の典型的な通信であって、スマートカードリーダーがスマートカード上の情報を読み取ることができるあるいはスマートカード上に情報を書き込むことができるようにスマートカード上の電気接点がスマートカードリーダー上の対応する電気接点と電気的に接触する通信とも対照的である。
ＲＦＩＤの非接触通信に起因して、多数の用途がこの技術のために生み出されてきた。用途は、しばしば、タグ内に記憶される、例えば半導体メモリ内に記憶される固有の情報を収集することによってタグが固有であると識別できるリーダーを軸として展開する。例えば、タグは、しばしば、従業員バッジで使用され、これらの従業員バッジは、従業員が会社の建物に入るために自分の雇用バッジをリーダーにかざすことができるように会社の従業員に対して与えられる。会社の建物にアクセスするための特定の固有情報がエンコードされたタグを伴わない人は、一般に、建物に入るための特定の固有情報を収集しないリーダーによって、会社の建物に入ることが拒否される。従業者が建物へ安全に入る前述の例は、アクセス制御のより一般的な用途の１つの例である。
アクセス制御に加えて、ＲＦＩＤは、製品、自動車、動物の識別のためにも使用され、また、電子パスポートや電子発券のために使用される。例えば、製品がタグを含む場合に、ストアの棚の上の製品の検出により、比較的素早い正確な製品の棚卸しをすることができる。
ＲＦＩＤの更なる用途は、銀行業務用途、購入を行うための用途、スマートポスターに組み込まれたタグを読み取ることなどを含む。これらの更なる用途のため、モバイル機器（例えば、スマートフォン、携帯端末、アイポッドのような機器など）は、リーダーとタグとを含んでもよい。例えば、リーダーを含むモバイル機器は、スマートポスター中のタグを読み取って、スマートポスターと関連付けられるウェブサイトを表示するように構成されてもよい。あるいは、モバイル機器のタグは、モバイル機器のユーザが行っている購入のためにモバイル機器の外部のリーダーによって読み取られてもよく、また、リーダーは、購入のためのユーザの銀行口座への課金に影響を与えてもよい。
近距離無線通信（ＮＦＣ）は、リーダーとタグとの間の相互作用距離が比較的短い、例えば最大で約３ｃｍであるＲＦＩＤの特定の１つのタイプである。ＮＦＣの比較的短い通信長さは、不正なユーザによりタグが密かに読み取られないようにするセキュリティの１つの指標を与える。したがって、ＮＦＣは、個人健康情報のやりとり、ペアリング機器（例えば、ヘッドセットをモバイル機器と一組にする、２つのモバイル機器を一組にするなど）、銀行取引、消費者購入、または、他の金融取引などの高レベルのセキュリティを必要とする用途のための使用に特に良く適している。
ＲＦＩＤおよびＮＦＣのための標準規格を設定する標準化機関の１つの目標は、モバイル機器内のリーダーおよびタグが１つのアンテナを共有することである。この目標の１つの理由は、モバイル機器内のしばしば多数となるアンテナ間の干渉を最小限に抑えることができるようにモバイル機器内のアンテナの数を最小限に抑えるためである。例えば、典型的なスマートフォンは、携帯電話型通信（例えば、ボイス、メッセージングなど）のための高周波（ＲＦ）アンテナ、インターネット型通信のためのＷｉＦｉアンテナ、ブルートゥースアンテナ、および、ＧＰＳ型通信のためのＧＰＳアンテナを含んでもよい。リーダーおよびタグに１つのアンテナを設けると、アンテナ干渉を減らすための設計配慮が制限される。また、リーダーおよびタグが１つのアンテナを共有するようにすると、モバイル機器内に含まれる電子部品の数が制限され、それにより、モバイル機器を製造するコストが制限される。
モバイル機器において１つのアンテナを共有するリーダーおよびタグに関しては多くの設計目標および懸案事項が存在する。例えば、ある１つの設計は、アンテナと組み合わせてリーダーとしておよびタグとして動作するように構成される単一の集積回路（本明細書中では、単一の集積回路が「ＩＣ」と称される）を与える。ＩＣに関する幾つかの設計は、ＩＣとアンテナとの間のアンテナインタフェースと接続するピンを可能な限り少なくしようと試みる。ＩＣは、様々なアンテナサイズに対応するとともに他のＲＦ信号との干渉を回避するべくアンテナを同調させるために周波数同調を行ってもよい。一部のモバイル機器メーカーは、モバイル機器の外周にある比較的大型のアンテナの使用を定め、一方、他のモバイル機器メーカーは、比較的小型のアンテナの使用を定める。また、ＩＣは、比較的強いＲＦ場を放つリーダーから比較的大きいＲＦエネルギーを収集するアンテナに関して比較的高いワット損をもたらす場合がある。一般に、比較的高い電力の放散は、比較的高いワット損をもたらすために比較的大きい半導体基板を必要とする。モバイル機器の多くの回路で一般的であるように、モバイル機器メーカーは、モバイル機器内のＲＦＩＤ回路のフットプリントを減少しようと試みる。
１つのアンテナを共有するリーダーおよびタグに関する他の設計は、比較的古いＩＳＯ動作標準規格にしたがった弱いタグ動作を伴ってリーダー動作用の比較的高い電力ＲＦ信号をもたらすためにＩＣおよびアンテナが比較的高い送信駆動能力を有するようにすることを含んでもよい。ＩＣおよびアンテナは、比較的感度が良い受信器感度を有するように構成されてもよく、そのため、タグとして動作するＩＣおよびアンテナは、比較的弱いリーダーに対して感度が良く、および／または、そのリーダーから比較的大きい動作距離（例えば、最大で約２ｃｍ）をもたらす。リーダーモードにおいて、アンテナの駆動電流は、タグがリーダーによって検出されない場合には、比較的小さい値に設定されてもよく、また、タグがリーダーによって検出される場合には、より高い値に設定されてもよい。幾つかの設計において、タグとして動作するＩＣおよびアンテナは、リーダーが例えば比較的大きな距離でタグを検出できるように、リーダーから受信された信号を十分に負荷変調する。リーダーとして動作するＩＣおよびアンテナは、リーダーが比較的大きな距離でタグからデータを取得できるように、タグにより受信された信号の負荷変調に対して十分に感度が良くてもよい。これらのタイプの設計を単一のＲＦＩＤ回路設計で達成することは難しい。
先に簡単に説明したように、ＲＦＩＤ回路では、ＩＣとアンテナとの間に位置する外部構成要素の組がしばしばアンテナインタフェースと称される。アンテナインタフェースは、リーダーおよびタグとして動作するＲＦＩＤ回路が適切に機能するかどうかに関して強い影響を及ぼす傾向がある。図１は、既知のＲＦＩＤ回路１００の簡略化された概略図である。ＲＦＩＤ回路１００は、単一のアンテナ１１０と、ＩＣ１２０と、アンテナインタフェース１２５とを含み、アンテナインタフェース１２５は一組の外部構成要素１３０を含む。アンテナインタフェース１２５は、アンテナ１１０とＩＣ１２０との間に位置し、一般に、図１に示されるブラケット１２５によって特定される。ＩＣ１２０は、アンテナ１１０およびアンテナインタフェース１２５と組み合わせてリーダーおよびタグの両方として動作するように構成される。ＩＣ１２０は、アンテナインタフェースおよびアンテナと接続するための第１および第２のピン１２０ａ、１２０ｂを含む。
一組の外部構成要素のうちの特定の外部構成要素、および、外部構成要素の特定の構成により、ＲＦＩＤ、特にＮＦＣにおける前述した設計目標の多くがＲＦＩＤ回路１００によって満たされない場合がある。具体的には、一組の外部構成要素は、第２のコンデンサ１３０ｂと直列の第１のコンデンサ１３０ａを含み、この場合、第２のコンデンサは、第１のコンデンサのアンテナ側にあって、アンテナと並列である。より具体的には、第１のコンデンサはＩＣ１２０の第１のピン１２０ａに結合され、第２のコンデンサはＩＣ１２０の第２のピン１２０ｂに結合される。また、一組の外部構成要素１３０は一組の抵抗器１３０ｃを含み、一組の抵抗器１３０ｃは、アンテナと第２のコンデンサとの間に結合されるとともに、ＩＣ１２０の第２のピン１２０ｂに結合される。
外部構成要素および外部構成要素の構成により、例えば、比較的低い動作供給電圧（例えば、３ボルト未満）でＮＦＣのためのＮＦＣフォーラム仕様を満たすことができない。
また、外部構成要素の構成に起因して、ＲＦＩＤ回路１００のアンテナおよびアンテナインタフェースは、ＩＣ１２０が比較的高いポートインピーダンスをもってタグとして作用するときにはＮＦＣキャリア周波数で共振できないが、ＩＣ１２０が比較的低いポートインピーダンスをもってリーダーとして作用するときにはその周波数で共振する。共振周波数を維持できなければ、ＲＦＩＤ回路は、干渉信号に対する感度高めるタグモードで誤同調される場合がある。
ＲＦＩＤ回路１００の他の欠陥は、アンテナインタフェースおよびアンテナがアンテナポートで直列共振ネットワークを形成するという点である。その結果、ＲＦＩＤ回路１００がリーダーモードで動作する場合には、以下でアンテナネットワークと称されるアンテナとアンテナインタフェースとの組み合わせが正確に同調された後に動作Ｑに比例するときに、ＩＣ１２０の駆動電流が最大である。タグが存在しないときには、ネットワークが正確に同調されて、動作Ｑが最大である。したがって、ＩＣ１２０の駆動電流は、タグが読み取られるために存在しない場合にはほぼ最大であり、また、リーダーが読み取るためにタグが存在する場合には減少する。タグが存在しない場合にＲＦＩＤ回路の駆動電流がほぼ最大である場合には、ＲＦＩＤ回路を含むモバイル機器のバッテリー電力は、モバイル機器の動作時間の大部分のために比較的高い比率で使用される。これは、動作時間の大部分にわたってタグが読み取られるために存在しないからである。また、アンテナインタフェースおよびアンテナの最大Ｑを減少させ、それにより、最大駆動電流を減少させる働きをするＲＦＩＤ回路１００のアンテナインタフェースの抵抗器１３０ｃも、ＲＦＩＤ回路１００がタグとして作用するときに感度を低下させる。
１つの実施形態において、無線自動識別（ＲＦＩＤ）回路は、アンテナと、該アンテナに結合されるアンテナインタフェースとを含み、高周波を送受信するように構成されるアンテナネットワークを含み、アンテナインタフェースは第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、これらのコンデンサがアンテナと直列に結合される。集積回路は、アンテナインタフェースの第２のコンデンサの第１のノードおよび第２のノードにそれぞれ結合される第１のピンおよび第２のピンを含み、アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作するように構成される。また、集積回路は、出力電流負帰還ループおよび出力電圧負帰還ループに組み込まれる増幅手段を備え、少なくともＲＦＩＤがリーダーとして動作するときに、電流負帰還信号と電圧負帰還信号との比率によって決定される出力アドミタンスを与えるように構成され、それにより、リーダーとして動作するときに、ＲＦＩＤの電力消費量を増大させることなく、組み合わされた集積回路およびアンテナネットワークの周波数応答を選択的な特性に調整できる。
他の実施形態において、集積回路の電流負帰還信号および電圧負帰還信号は、組み合わされた集積回路およびアンテナネットワークの動作帯域幅を選択された値まで増大させる抵抗成分を出力アドミタンスが含むように設定される。他の実施形態において、集積回路の電流負帰還信号および電圧負帰還信号は、組み合わされた集積回路およびアンテナネットワークの共振周波数を選択された値に同調させる抵抗成分を出力アドミタンスが含むように設定される。
他の実施形態において、無線自動識別（ＲＦＩＤ）回路は、アンテナと、該アンテナに結合されるアンテナインタフェースとを含み、高周波を送受信するように構成されるアンテナネットワークを含み、アンテナインタフェースはアンテナと直列に結合される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含む。集積回路は、アンテナインタフェースの第２のコンデンサの第１のノードおよび第２のノードにそれぞれ結合される第１の接点および第２の接点を備えるアンテナポート含む。集積回路は、アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作するように構成される。集積回路は、出力増幅器への入力である第１の接点および第２の接点からの出力電流負帰還ループおよび出力電圧負帰還ループを含む。集積回路は、出力電流負帰還ループおよび出力電圧負帰還ループからの信号を出力増幅器にわたって印加することによってアンテナポートで出力コンダクタンスをもたらすように更に構成される。
他の実施形態において、方法は、アンテナと、該アンテナに結合されるアンテナインタフェースとを含むアンテナネットワークであって、アンテナインタフェースが、アンテナと直列に結合される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含む、アンテナネットワークと、アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作するように構成される集積回路とを用いて、高周波を受信することを含む。出力電流負帰還信号および出力電圧負帰還信号がアンテナネットワークから集積回路へ与えられる。電力消費量を増大させることなく、集積回路およびアンテナネットワークの周波数応答を選択された特性に調整できるように、リーダーとして動作するときに出力電流負帰還信号と出力電圧負帰還信号との比率によって決定される出力アドミタンスがもたらされる。
明細書に組み込まれて明細書の一部を構成する添付図面は、本開示の様々なシステム、方法、および、他の実施形態を例示する。図に示される要素境界（例えば、ボックス、ボックスのグループ、または、他の形状）は、境界の１つの例を表す。幾つかの例では、１つの要素が複数の要素として示されてもよく、あるいは、それらの複数の要素が１つの要素として示されてもよい。幾つかの例では、他の要素の内部構成要素として示される要素が外部構成要素として実施されてもよく、逆もまた同様である。
従来技術のＲＦＩＤ回路の簡略化された概略図である。
本開示の１つの実施形態に係るＲＦＩＤ回路の簡略化された概略図である。
本開示の第１の実施形態に係るＲＦＩＤ回路の一例の概略図である。
第２の実施形態に係るＲＦＩＤ回路の一例の概略図である。
第３の実施形態に係るＲＦＩＤ回路の一例の概略図である。
第４の実施形態に係るＲＦＩＤ回路の一例の概略図である。
第５の実施形態に係るＲＦＩＤ回路の一例の概略図である。
ＲＦＩＤ回路と関連する方法の１つの実施形態である。
本明細書中には、アンテナに関連するシステム、方法、および、他の実施形態が記載される。特に、実施形態は、無線自動識別（ＲＦＩＤ）のための回路を含むアンテナ用のアンテナインタフェースに関連する。
図２は、ＲＦＩＤ回路２００の１つの実施形態の簡略化された概略図である。ＲＦＩＤ回路２００は、アンテナ２１０、集積回路ＩＣ２２０、および、アンテナインタフェース２２５を含む。アンテナインタフェース２２５は一組の外部構成要素２３０を含む。アンテナインタフェース２２５は、一般に、図２に示されるブラケットにより特定される。ＩＣ２２０は、アンテナ２１０およびアンテナインタフェース２２５と組み合わせてリーダーおよびタグの両方として動作するように構成される。
ＩＣ２２０は、アンテナネットワークに電気的に結合される第１のピン２２０ａおよび第２のピン２２０ｂを含む。ＩＣ２２０はピンを有するように記載されるが、ピンは、ＩＣパッケージのパッド、ＩＣパッケージ上の半田バンプ、または、ＩＣ自体、ジャックなどの様々なタイプの電気接点であってもよい。第１のピン２２０ａおよび第２のピン２２０ｂは、ＩＣのための双方向送受信ポートを与える。外部構成要素２３０の組は第１のコンデンサ２３０ａおよび第２のコンデンサ２３０ｂを含む。第１のコンデンサは、第１のピン２２０ａに結合される第１のノード２３０ａ１を含み、アンテナ２１０の第１のノード２１０ａに結合される第２のノード２３０ａ２を含む。本明細書中で使用される結合されるという用語は、直接に結合されることを含む。第１のコンデンサ２３０ａの第１のノード２３０ａ１は、第２のコンデンサ２３０ｂの第１のノード２３０ｂ１にも結合される。第２のコンデンサ２３０ｂの第１のノード２３０ｂ１はＩＣの第１のピン２２０ａに結合され、また、第２のコンデンサ２３０ｂの第２のノード２３０ｂ２はＩＣの第２のピン２２０ｂに結合される。第２のコンデンサ２３０ｂの第２のノード２３０ｂ２は、アンテナ２１０の第２のノード２１０ｂにも結合される。
図２のアンテナネットワークは、ＩＣ２２０のポート２２０ａ、２２０ｂで並列共振回路を与える。したがって、ポートインピーダンスは、ＲＦＩＤがリーダーとして作用するときおよびＲＦＩＤがタグとして作用するときのいずれにおいても高くなり得る。このとき、アンテナネットワークは、両方の動作モードにおいてキャリア周波数で共振し得る。
アンテナネットワークがポート２２０ａ、２２０ｂで並列共振回路を与えるため、ＩＣ２２０がアンテナ２１０を通り抜ける所望の電流、したがって所望の電界強度をもたらすために供給すべき電流は、アンテナネットワークが正確に同調されるときに最小であり、また、アンテナネットワークの動作Ｑに反比例して変化する。
タグの存在は共振周波数を変化させて動作Ｑを低下させるため、ＩＣ２２０が供給すべき電流は、タグが存在しない場合に最小であり、タグが接近するにつれて増大傾向にあるということになる。
ＩＣ２２０がアンテナ２１０を通り抜ける所望の電流を生成するために供給すべき電流は、アンテナネットワークの動作Ｑに反比例して変化するため、ＩＣの電力消費量を最小にするためにはＱが高いことが望ましいということになる。Ｑは、ＲＦＩＤがタグとして作用するときにＲＦＩＤの感度を最大にするためにも高いことが望ましい。しかしながら、Ｑが高すぎる場合、ＲＦＩＤは、データ送信のために変調される出力信号でリーダーとして動作するときに特定の過渡応答要件を満たすことができない。
Ｑは、図１のＲＦＩＤの例の場合と同様に、アンテナインタフェースに抵抗器を加えることによって低下され得るが、これらの抵抗器はエネルギーを吸収するため、これらの抵抗器の組み込みは、ＩＣ２２０から必要とされる最小電流を増大させる可能性がある。また、これらの抵抗器の組み込みは、タグからの負荷変調データの検出を悪化させ、ＲＦＩＤがタグとして作用するときに感度を低下させる。
図３に示される実施形態および他の実施形態は、集積回路２２０をリーダーとして作用するときにアンテナポートで所望の出力アドミタンスを与えるように構成することによってこの問題を回避する。この出力アドミタンスは、集積回路およびアンテナネットワークが所望のＱおよび共振などの選択された特性を有するように大きさを設定できる（例えば、調整できる）。
アドミタンスが集積回路２２０によってもたらされるため、動作Ｑは、集積回路が供給する必要がある出力電流を何ら増大させることなく低下される。また、動作Ｑは、ＲＦＩＤ回路２００がリーダーモードで動作するときにだけ低下されてもよい。すなわち、タグモードでは、出力アドミタンスをもたらす回路が動作しなくてもよい。
なお、図は、リーダーとしての動作のために使用されるＩＣ２２０の部分であって、この実施形態に関連する部分のみを示す。言うまでもなく、ノード２２０ａ、２２０ｂは、タグとしての動作のために使用される機能を実施する図示しない要素にも結合される。
図３は、ＩＣ２２０の１つの実施形態の詳細を示す図２のＲＦＩＤ回路２００の簡略化された概略図である。
次の説明において、電圧および電流という用語は、信号電圧および信号電流のことを示す。また、明確にするために、絶対不可欠なバイアス電流発生器およびバイアス電圧発生器が省かれてしまっている。更にまた、グランド基準という用語は、信号電圧が生み出されないノードのことを示すことは言うまでもない。
この実施形態では、ＩＣ２２０が差動演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）２５０を含み、差動演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）２５０は、キャリア信号発生器２６０に結合される入力ノード２５０ａ１、２５０ａ２を有し、ノード２５０ｂ１、２５０ｂ２間で流れる第１の出力電流Ｉ１を与え、また、アンテナポート２２０ａ、２２０ｂに結合される。増幅器（ＯＴＡ）２５０は、従うことが望ましい場合があるＮＦＣ標準規格または他の規格で定められる磁場強度をもたらすのに十分な電流をアンテナネットワークへ与えるように構成される。
ＯＴＡ２５０は、ノード２５０ｃ１、２５０ｃ２間で流れる第２の出力電流Ｉ２、および、ノード２５０ｄ１、２５０ｄ２間で流れる第３の出力電流Ｉ３も与え、これらの出力電流は、第１の出力電流に比例するが、１つの実施形態ではかなり小さい（例えば、１００〜１０００倍小さい）。そのような小さい比例電流は、例えば、複数の大きい出力トランジスタの対応するノードに結合される入力ノードを有する複数の小さいトランジスタの出力によって生成されてもよい。無論、要素の他の構成を実施できる。
ＯＴＡ２５０のポート２５０ａ１、２５０ａ２における入力電圧は差分信号加算回路によって与えられ、この差分信号加算回路は、入力信号電圧Ｖｉｎと、一方がアンテナポート電圧から得られ且つもう一方がアンテナポート電流から得られる負帰還信号の和と、の間の差に比例する出力を生成する。
電圧加算機能を実施するための多くの回路構成が存在する。本明細書中に開示される方法および構成は、ＩＣ２２０の動作を説明するために使用される単なる１つの実施形態にすぎず、限定しようとするものではない。
例示的な加算回路は第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２を使用し、これらのトランジスタは、公称的に等しい負荷抵抗器Ｒ６、Ｒ７の第１のノードとＯＴＡ２５０の入力ノード２５０ａ１、２５０ａ２とにそれぞれ結合されるそれらのドレインノードを有する。負荷抵抗器Ｒ６、Ｒ７の第２のノードはグランド基準に結合される。入力電圧Ｖｉｎは、公称的に等しい抵抗器Ｒ１、Ｒ２のそれぞれを介して第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のソースノードに結合される。
一対の公称的に等しい抵抗器Ｒ４、Ｒ５が、アンテナポートピン２２０ａ、２２０ｂにそれぞれ結合される第１のノードと、第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノードにそれぞれ結合される第２のノードとを有する。抵抗器Ｒ３が第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノード間に結合される。したがって、Ｒ３の両端間で生み出されて第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノードに差動結合される電圧は、アンテナポート電圧のＲ３／（Ｒ４＋Ｒ５）の比率分である。ＯＴＡ相互コンダクタンスおよび前述した接続の向きは、Ｒ３の両端間で生み出される電圧が負帰還を与えるようになっている。
ＯＴＡ２５０の出力電流ノード２５０ｃ１、２５０ｃ２は、第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のソースノードにそれぞれ結合される。テブナンの定理を適用すると、これらの電流を抵抗器Ｒ１、Ｒ２と直列の実効電圧に置き換えることができる。これらの電圧は、アンテナポート電流をＯＴＡ２５０出力電流の比率Ｎで割ってそれに抵抗器の値を乗じたものに等しく、ここで、Ｎ＝Ｉ１／Ｉ２である。電流および前述した接続の向きは、Ｒ１、Ｒ２の両端間で生み出される電圧が負帰還を与えるようになっている。
１つの実施形態において、構成のループ利得は、入力電圧Ｖｉｎが負帰還電圧の和にほぼ等しくなるようにするのに十分である。このとき、アンテナポート電圧がＶａｎｔであって、アンテナインタフェース２２５およびアンテナ２１０がアンテナポートでアドミタンスＹａｎｔを与える場合には、電圧関係は以下の通りである。
Figure 0006233601
無負荷電圧利得Ｍｏは以下の通りである。
Figure 0006233601
出力アドミタンスＹｏｕｔは、電圧利得をその無負荷値の半分まで減少させるＹａｎｔの値である。すなわち、
Figure 0006233601
 である。
この実施形態では、出力アドミタンスが完全に実数である。出力アドミタンスは、効果的にコンデンサ２３０ｂと並列に接続される。したがって、パラメータは、変調過渡応答仕様を満たすことができるように、アンテナネットワークの動作Ｑを低下させるべく選択され得る。
アンテナネットワークの動作Ｑが前述した態様で低下されてもよいが、ネットワーク自体は不変である。したがって、所望の磁場強度をもたらすために、ＯＴＡ２５０から必要とされる電流を増大させることなく帯域幅が増大されてもよい。
この実施形態において、負荷変調信号は、グランド基準に結合される第２のノードを有する公称的に等しい抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１の第１のノードにノード２５０ｄ１、２５０ｄ２を結合させることによって得られる。
図４は、複素出力アドミタンスを有するように構成される図３からのＩＣ２２０の他の実施形態を示す。この実施形態において、複素形式は、図３の抵抗器Ｒ３を分岐Ｒ３ａ、Ｃ１、Ｒ３ｂに置き換えることによって得られる。
このとき、電圧帰還率Ｂｖは例えば以下のようになる。
Figure 0006233601
 また、Ｔｖ＝Ｃ１（Ｒ３ａ＋Ｒ３ｂ＋Ｒ４＋Ｒ５）であり、また、ωは、キャリア角周波数であり、また、ｊは、虚数演算子である。
出力アドミタンスは以下のようになる。
Figure 0006233601
これは、キャリア周波数において、並列のコンダクタンス成分およびインダクタンス成分を備えることができる。
言うまでもなく、抵抗成分を有する出力アドミタンスをもたらすために、様々な構成の周波数依存ネットワークを電圧および／または電流帰還経路に組み込むことができる。
また、可変要素を組み込むことにより、アンテナネットワーク共振周波数および帯域幅の可変同調が可能になる。
図３および図４に示される実施形態では、負荷変調信号がアンテナポート電流の像から一意的に得られる。１つの実施形態において、負荷変調信号は、アンテナポート電圧の一部とアンテナポート電流の一部とから得られる。
アンテナ負荷の変調は、アンテナポート電流の対応する変調と反対の方向をなすアンテナポート電圧の変調をもたらす。したがって、それぞれの変調から得られる負荷変調信号の成分が差し引かれる。この減算は、図５に示される実施形態で実施される。
第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートに結合されるアンテナポート２２０ａ、２２０ｂ電圧帰還信号は、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートにもそれぞれ結合される。ＯＴＡ２５０の出力電流ノード２５０ｄ１、２５０ｄ２は第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のソースノードにそれぞれ結合され、また、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のソースノードは、グランド基準に結合される第２のノードを有する公称的に等しい抵抗器Ｒ８、Ｒ９の第１のノードにも結合される。
ＯＴＡ２５０の第３の出力電流Ｉ３は、第２の出力電流Ｉ２と反対の方向に流れる。回路は、抵抗器Ｒ１、Ｒ２を横切る第２の出力電流Ｉ２によって生み出される電圧が第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノード間にもたらされる差動電圧を増大させるように構成される。その結果、抵抗器Ｒ８、Ｒ９を横切る第３の出力電流Ｉ３により生み出される電圧は、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートノード間にもたらされる差動電圧から差し引く。これにより、この実施形態における負荷変調信号は、アンテナポート電流およびアンテナポート電圧（例えば、ポート２２０ａ、２２０ｂ）の変調から付加的に得られる。
他の実施形態において、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートノードは、第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノード間に与えられる電圧とは異なるアンテナポート電圧の一部を受けるように結合され得る。同様に、アンテナポート電圧およびアンテナポート電流から得られる信号の減算は、他の回路構成によって影響され得る。
図５は、図３および図４の実施形態により与えられる負荷変調信号よりも大きい負荷変調信号を与えるように構成されるＩＣ２２０の他の実施形態を示す。しかしながら、この信号のキャリアレベルが更に大きくてもよく、また、特に、アンテナ電流が小さいとき、例えばＲＦＩＤ回路２００がほぼ最大動作距離だけ離間されるタグと通信しているときには、変調指数が減少されてもよい。
図６に示される実施形態は、アンテナ電流が小さいときに性能の向上を与える。
この向上は、抵抗器Ｒ８、Ｒ９の第２のノードをそれぞれ入力電圧発生器２６０のノード２６０ａ、２６０ｂに結合させることによって達成される。
無負荷変調の場合であって、高いループ利得の場合、入力信号は、アンテナポート電圧およびアンテナポート電流から得られる帰還信号の和にほぼ等しい。図５の実施形態における負荷変調信号は、対応する信号の差から得られる。図６の実施形態では、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートノードがそれぞれ第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のゲートノードに結合されるため、アンテナポート電圧から得られる負荷変調信号は、対応する帰還信号成分に等しい。
したがって、アンテナポート電圧から第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートノード間で生み出される差動電圧は、アンテナ電圧帰還成分に匹敵する入力電圧の一部分によって合わせられる。
したがって、この実施形態によりもたらされる負荷変調信号のキャリアレベルは、単にアンテナポート電流に比例し、電圧とは無関係である。そのため、キャリアレベルは、アンテナポート電流が低いときに低く、したがって、変調指数が改善される。
なお、アンテナ電圧信号から得られるキャリア成分の削除は、対応する変調側波帯の削除を意味しない。これは、負荷が変調されないときには入力電圧の所定の一部分が電圧帰還信号と一致するが、負荷が変調されるときには電圧帰還成分と電流帰還成分との間の再区分が変化するからである。
図３、図４、図５および図６の実施形態におけるアンテナポート電圧は、アンテナポート負荷が変化する場合に変化する。これは、ＲＦＩＤ回路２００が有限の出力インピーダンスを与えるように設計されるからである。しかしながら、他の実施形態において、入力電圧Ｖｉｎは、アンテナポート電圧を例えばＩＣ製造プロセスが許容する最大レベルに近い好ましいレベルに維持するように適合されてもよい。
これは、自動レベル制御（ＡＬＣ）回路を組み込むことによって達成することができる。
図７は、自動レベル制御（ＡＬＣ）回路を伴って構成される図６に示されるＩＣ２２０の他の実施形態を示す。例えば、ＡＬＣは、電圧レベル検出器２６５、電圧比較器２７０、および、可変利得増幅器２７５を含む。これらの要素の詳細は図示されない。これは、それらの要素の機能を果たすために、それらの要素の特定の回路を多くの方法で実施できるからであり、また、構成が、ＩＣ製造プロセスの特徴に依存し、および／または、全体のＲＦＩＤユニットに関連する設計上の選択に依存し得るからである。
１つの実施形態において、電圧レベル検出器２６５は、負荷変調が予期されるときに変調包絡線を含むピーク信号レベルを素早く突き止める出力を与えるように構成されてもよく、あるいは、電圧レベル検出器は、信号包絡線の増大に素早く応答するが減少には遅く応答する出力を与えるピーク検出器として作用するように構成されてもよい。概念的に、ピーク電圧検出器を使用するＡＬＣループは、リーダーがデータを送信する間、依然として動作し続けることができる。
ピーク検出器が使用される場合、入力電圧Ｖｉｎは、負荷変調がタグによって開始されるときに初期の負荷減少に適合されてもよいが、負荷変調区間中にわたってほぼ一定のままである。このとき、負荷変調信号は、前述した実施形態に関して説明した態様で生成される。
変調包絡線を突き止める検出器が使用される場合、可変利得ブロックの出力での電圧は、アンテナポート電圧の負荷変調を抑制するように変調される。この抑制は、アンテナポート電流の変調を増大させる。これにより、ピーク検出器が使用されるときにもたらされる変調指数に等しいあるいはそれよりも高い変調指数を有する負荷変調信号が生成されるのが分かる。
図８は、図２および図３に示されるＲＦＩＤ回路２００によって無線信号を処理するための方法８００の１つの実施形態を示す。８１０では、（図２および図３に示されるように）アンテナ２１０と該アンテナ２１０に結合されるアンテナインタフェース２２５とを含むアンテナネットワークにより高周波が受信される。既に説明したように、集積回路２２０は、アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作するように構成される。８２０では、出力電流および出力電圧の負帰還信号がアンテナネットワークから集積回路２２０へと与えられる。例えば、２つの帰還経路が図３に示されており、一方の経路は抵抗器Ｒ４を含み、他方の経路は抵抗器Ｒ５を伴う経路を含む。
８３０では、リーダーとして動作するときに出力電流負帰還信号と出力電圧負帰還信号との比率によって出力アドミタンスがもたらされて決定される。これにより、電力消費量を増大させることなく、集積回路２２０およびアンテナネットワークの周波数応答を選択される特性に調整できる。これらの特徴は、図３に関連して記載されており、ここでは繰り返さない。
８４０では、集積回路２２０が隣接するタグと通信しているときに、より大きな変調指数を有する信号を生成するために出力電流負帰還信号および出力電圧負帰還信号を差し引くことによってタグからのデータが回収される。これらの特徴は、図３に関連して記載されており、ここでは繰り返さない。
本明細書中に開示されるようなＩＣ２２０およびアンテナインタフェース２２５の実施形態に関して、ＩＣ２２０は、出力増幅器２５０にわたって電圧負帰還および電流負帰還を適用することによってアンテナポート２２０ａ、２２０ｂで出力コンダクタンスおよび／またはサセプタンスをもたらすように構成される。２つの帰還信号が加えられて、それらの比率が出力インピーダンスを決定する。出力コンダクタンスをこのようにしてもたらすことにより、電力消費をかけずに、システムの帯域幅を制御できる。これは、電力消費量をかなり増大させる図１の場合のようなポートをはさんだ切り換え抵抗器の使用とは対照的である。
他の実施形態において、ＩＣ２２０は、いわゆる「リーダー」として作用するときには、それが通信するタグによって生成される信号を抽出するように構成される。タグ（図示せず）は、そのアンテナコイルをはさんでコンデンサまたは抵抗器を効果的に切り換えることによりデータを戻す。これは、アンテナ２１０のインピーダンスの対応する変化をもたらす。
従来技術では、このデータが出力電流の変化から回収された。このＩＣ２２０を用いると、データは、電圧帰還信号および電流帰還信号を差し引くことにより回収され、それにより、より大きな変調指数を有する信号が与えられる。
他の実施形態において、ＩＣ２２０は、回収された負荷変調信号からキャリア成分を差し引くことによりこの負荷変調信号の変調指数を更に増大させることができる。
定義
以下は、本明細書中で使用される選択された用語の定義を含む。これらの定義は、１つの用語の範囲内に入り且つ実施のために使用されてもよい構成要素の様々な例および／または形態を含む。これらの例は、限定しようとするものではない。用語の単数形および複数形の両方が定義の範囲内となり得る。
「１つの実施形態」、「一実施形態」、「１つの例」、「一例」などへの言及は、そのように記載される実施形態または例が特定の機能、構造、特徴、特性、要素、または、限定を含んでもよいが、必ずしも全ての実施形態または例がその特定の機能、構造、特徴、特性、要素、または、限定を含むとは限らないことを示す。また、「１つの実施形態において」という語句の繰り返される使用は、必ずしも同じ実施形態に言及するとは限らないが、同じ実施形態であってもよい。
本明細書中で使用される「論理」は、機能または動作を果たすため、および／または、他の論理、方法、および／または、システムから機能または動作を引き起こすために、ハードウェア、ファームウェア、持続性媒体に記憶されあるいはマシンで実行されている命令、および／または、それぞれの組み合わせを含むが、これらに限定されない。論理は、ソフトウェア制御されるマイクロプロセッサ、個別論理（例えばＡＳＩＣ）、アナログ回路、デジタル回路、プログラムされた論理デバイス、命令を含むメモリデバイスなどを含んでもよい。論理は、１つ以上のゲート、ゲートの組み合わせ、または、他の回路部品を含んでもよい。複数の論理が記載される場合には、複数の論理を１つの物理的論理へと組み込むことができてもよい。同様に、単一の論理が記載される場合には、その単一の論理を複数の物理的論理間で分配できてもよい。本明細書中に記載される構成要素および機能のうちの１つ以上は、論理要素のうちの１つ以上を使用して実施されてもよい。
詳細な説明または特許請求の範囲で用語「含む」または「含んでいる」が使用される範囲で、その用語は、用語「備えている」と同様の態様で包括的であるように意図される。これは、その用語が特許請求の範囲で使用されるときに過渡的な単語として解釈されるからである。
システム、方法などの例を幾つかの例を記載することによって説明してきたが、また、これらの例をかなり詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細な内容に制限するあるいは多少なりとも限定することは出願人の意図ではない。無論、本明細書中に記載されるシステムや方法などを記載する目的で構成要素または方法論の全ての考えられる組み合わせを記載することはできない。したがって、本開示は、図示して説明した特定の細部、典型的な装置、および、例示的な実施例に限定されない。そのため、本出願は、添付の特許請求の範囲内に入る変更、改変、および、変形を包含するように意図される。

Claims (16)

  1. 無線周波数識別回路（ＲＦＩＤ回路）であって、
    アンテナと、前記アンテナと直列に結合される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、前記アンテナに結合されるアンテナインタフェースと、を有し、高周波を送受信するアンテナネットワークと、
    前記アンテナインタフェースの前記第２のコンデンサの第１のノードおよび第２のノードにそれぞれ結合される第１のピンおよび第２のピンを有し、前記アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作する集積回路と、
    を備え、
    前記集積回路は、（ｉ）第１の入力、（ｉｉ）前記第１の入力の極性とは反対の極性を有する第２の入力、（ｉｉｉ）前記第１のピンに結合される第１の出力、および（ｉｖ）前記第２のピンに結合される第２の出力を有する増幅手段を有し、前記第１の入力と前記第１の出力との間、および前記第２の入力と前記第２の出力との間に、出力電流負帰還および出力電圧負帰還が形成され、少なくとも前記ＲＦＩＤ回路がリーダーとして動作するときに、前記出力電流負帰還からの電流負帰還信号と前記出力電圧負帰還からの電圧負帰還信号との比率によって決定される出力アドミタンスを与えることにより、リーダーとして動作するときに、前記ＲＦＩＤ回路の電力消費量を増大させることなく、組み合わされた前記集積回路および前記アンテナネットワークの周波数応答を選択的な特性に調整できる、
    ＲＦＩＤ回路。
  2. 前記集積回路の電流負帰還信号および電圧負帰還信号は、組み合わされた前記集積回路および前記アンテナネットワークの動作帯域幅を選択された値まで増大させる抵抗成分を前記出力アドミタンスが含むように設定される、請求項１に記載のＲＦＩＤ回路。
  3. 前記集積回路の電流負帰還信号および電圧負帰還信号は、組み合わされた前記集積回路および前記アンテナネットワークの共振周波数を選択された値に同調させる抵抗成分を前記出力アドミタンスが含むように設定される、請求項１に記載のＲＦＩＤ回路。
  4. 前記アンテナインタフェースで前記集積回路により生み出される信号電圧は、自動レベル制御ループによって選択されたレベルに調整でき、
    前記自動レベル制御ループは、
    前記アンテナインタフェースの入力に結合される電圧レベル検出器と、
    前記電圧レベル検出器の出力と基準電圧との間の差に応じて出力を与える電圧比較器と、
    一定の入力信号電圧を受けて利得応答を前記電圧比較器の出力へ与え、前記増幅手段の入力に結合される出力を有する可変利得回路と、
    を有する、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のＲＦＩＤ回路。
  5. 前記増幅手段は、互いに比例する複数の出力電流信号を与え、第１の出力電流信号は、電力を前記アンテナネットワークに与えるために前記第１のピンと前記第２のピンとの間で流れるように結合され、第２の出力電流信号は、負帰還信号を与えるために回路手段を介して増幅器入力に結合され、第３の出力電流信号は、タグが前記アンテナに電磁気的に結合されるときに前記タグの負荷変調に応答して出力を生成する回路手段に入力を与えるように接続される、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のＲＦＩＤ回路。
  6. 前記複数の出力電流信号のうちの１つは、前記アンテナネットワークの入力アドミタンスに比例する信号を与え、前記アンテナネットワークは、前記タグの負荷の変調によって、前記アンテナに電磁気的に結合される前記タグから送信されるデータを受信する、請求項５に記載のＲＦＩＤ回路。
  7. 前記アンテナネットワークは、タグの負荷の変調によって、前記アンテナに電磁気的に結合される前記タグから送信されるデータを受信し、
    前記集積回路は、前記増幅手段の入力から得られる信号を前記アンテナネットワークの入力アドミタンスに比例する信号から差し引いて、差し引かれた信号に基づいて前記タグからデータを回収する、請求項５に記載のＲＦＩＤ回路。
  8. 無線周波数識別回路（ＲＦＩＤ回路）であって、
    アンテナと、前記アンテナに結合され、前記アンテナと直列に結合される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、高周波を送受信するアンテナインタフェースと、を含む、アンテナネットワークと、
    前記アンテナインタフェースの前記第２のコンデンサの第１のノードおよび第２のノードにそれぞれ結合される第１の接点および第２の接点を含むアンテナポートを有し、前記アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作する集積回路と、
    を備え、
    前記集積回路は、（ｉ）第１の入力、（ｉｉ）前記第１の入力の極性とは反対の極性を有する第２の入力、（ｉｉｉ）前記第１の接点に結合される第１の出力、および（ｉｖ）前記第２の接点に結合される第２の出力を有する出力増幅器を有し、前記第１の入力と前記第１の出力との間、および前記第２の入力と前記第２の出力との間に、出力電流負帰還および出力電圧負帰還が形成され、
    前記集積回路は、電力消費量を増大させることなく、前記集積回路および前記アンテナネットワークの周波数応答を選択された特性に調整できるように、リーダーとして動作するときに前記出力電流負帰還および前記出力電圧負帰還からの信号を前記出力増幅器に印加することによって、前記出力電流負帰還からの出力電流負帰還信号と前記出力電圧負帰還からの出力電圧負帰還信号との比率によって決定される出力アドミタンスに対応する出力コンダクタンスを前記アンテナポートでもたらす、
    ＲＦＩＤ回路。
  9. 前記アンテナインタフェースの前記第１のコンデンサは、前記アンテナポートの前記第１の接点と前記第２のコンデンサの前記第１のノードとに接続される第１のノードを含み、前記第１のコンデンサの第２のノードが前記アンテナの第１のノードに接続され、
    前記アンテナインタフェースの前記第２のコンデンサの前記第２のノードは、前記アンテナの第２のノードと前記アンテナポートの前記第２の接点とに接続される、
    請求項８に記載のＲＦＩＤ回路。
  10. 前記集積回路が前記出力アドミタンスに対応する出力インピーダンスを前記アンテナポートでもたらすことにより前記集積回路の動作帯域幅が制御される、請求項８または請求項９に記載のＲＦＩＤ回路。
  11. 前記出力電流負帰還および前記出力電圧負帰還は、第１のトランジスタのゲートと第２のトランジスタのゲートとに接続され、前記第１のトランジスタのドレインが前記出力増幅器の前記第１の入力に接続され、前記第２のトランジスタのドレインが前記出力増幅器の前記第２の入力に接続される、請求項８から請求項１０のいずれか１つに記載のＲＦＩＤ回路。
  12. 前記集積回路は、高い変調指数を有する信号を生成するために、前記出力増幅器の入力から得られる信号から前記出力電流負帰還からの電流負帰還信号および前記出力電圧負帰還からの電圧負帰還信号を差し引き、差し引かれた信号に基づいて前記集積回路と通信するタグからデータを回収する、請求項８から請求項１１のいずれか１つに記載のＲＦＩＤ回路。
  13. 前記出力増幅器は、キャリア信号発生器に結合される入力ノードを有する差動演算相互コンダクタンス増幅器であり、前記出力増幅器は、前記アンテナポートの前記第１の接点と前記第２の接点との間で流れる第１の出力電流を与える、請求項８から請求項１２のいずれか１つに記載のＲＦＩＤ回路。
  14. アンテナと、前記アンテナに結合され、前記アンテナと直列に結合される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含むアンテナインタフェースとを含むアンテナネットワークと、（ｉ）第１の入力、（ｉｉ）前記第１の入力の極性とは反対の極性を有する第２の入力、（ｉｉｉ）第１の出力、および（ｉｖ）第２の出力を有する増幅手段と、前記アンテナインタフェースの前記第２のコンデンサの第１のノードおよび第２のノードにそれぞれ結合される第１のピンおよび第２のピンとを有し、前記第１のピンは、前記第１の出力に結合され、前記第２のピンは、前記第２の出力に結合され、前記第１の入力と前記第１の出力との間、および前記第２の入力と前記第２の出力との間に、出力電流負帰還および出力電圧負帰還が形成され、前記アンテナネットワークと組み合わせてリーダーおよびタグとして動作する集積回路とを用いて、高周波を受信するステップと、
    前記出力電流負帰還からの出力電流負帰還信号および前記出力電圧負帰還からの出力電圧負帰還信号を前記集積回路へ与えるステップと、
    電力消費量を増大させることなく、前記集積回路および前記アンテナネットワークの周波数応答を選択された特性に調整できるように、リーダーとして動作するときに出力電流負帰還信号と出力電圧負帰還信号との比率によって決定される出力アドミタンスをもたらすステップと、
    を備える方法。
  15. 前記集積回路の前記増幅手段の入力から得られる信号から前記出力電流負帰還信号および前記出力電圧負帰還信号を差し引き、差し引かれた信号に基づいて前記集積回路と通信するタグからデータを回収するステップを更に備える、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記出力電流負帰還信号および前記出力電圧負帰還信号を前記集積回路の出力増幅器に印加することによって前記集積回路と前記アンテナインタフェースとを接続するアンテナポートで出力コンダクタンスをもたらすステップと、
    前記出力アドミタンスに対応する出力インピーダンスを前記アンテナポートでもたらすことにより前記集積回路の動作帯域幅を制御するステップと、
    を更に備える、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
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