KR20070059862A

KR20070059862A - 정보복원을 위한 ｒｆｉｄ 저전력 복조회로

Info

Publication number: KR20070059862A
Application number: KR1020060050836A
Authority: KR
Inventors: 강태영; 박경환; 박성수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-06-12
Also published as: KR100751064B1

Abstract

본 발명은 RFID와 같은 무선통신 시스템에서 태그(Tag) 또는 트랜스폰더(Transponder)가 매우 적은 전력으로 효율적으로 입력진폭신호의 정보를 복원하도록 하는 복조회로에 관한 것이다. 본 발명의 복조회로는 전압체배기의 출력을 커패시티브 커플링을 통해 저 전류패스에 연결하여 정보를 복원한다. 본 발명에 의하면, 변조 깊이가 낮은 입력진폭신호에서 정보를 저전력으로 복원하여 통신거리를 증가시킬 수 있다.

RFID, 태그(Tag), 트랜스폰더(Transponder), 해독기(Reader), AM, 복조회로, 전압체배기,

Description

정보복원을 위한 ＲＦＩＤ 저전력 복조회로{Low Power RFID Demodulator for Data Recovery}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입력진폭신호의 정보를 복원하는 무선통신 장치를 설명하기 위한 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정보복원용 전압체배기를 나타내는 회로도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복조회로를 나타내는 회로도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100, 101 : 안테나

102, 103 : 전압체배기

105 : 복조회로

106 : 트리거회로

본 발명은 RFID(radio frequency identification) 시스템에서 태그(tag)나 트랜스폰더(transponder)에 사용되는 복조회로에 관한 것으로, 특히 다양한 변조 깊이를 가지는 입력진폭신호에 대해서 레벨 구분이 뚜렷한 출력신호를 생성할 수 있는 복조회로에 관한 것이다.

일반적으로 RFID와 같은 무선통신 시스템에서 사용되며 판독기로부터 진폭신호를 받아 동작하는 RFID 태그는 자체적으로 소비하는 전력에 의해 해독기와의 통신거리가 정의된다. 이러한 통신거리는 시스템 자체의 성능뿐만 아니라 응용분야에서도 매우 중요한 요소로 작용하기 때문에 통신거리를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

하지만, 기존의 RFID 태그는 사용 가능한 구동전력이 매우 극한 되어 있고 입력진폭신호의 전력 레벨이 매우 낮아 저전력으로 변조 신호를 검출하는 정보복원 회로의 구현이 매우 어렵다.

이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 용량이 다른 두 개의 커패시터를 출력으로 하는 정보복원용 전압체배기(Voltage Multiplier)를 전압비교기 입력으로 사용하여 태그 입력신호의 레벨이 바뀔 때마다 두 커패시터의 전압 차이를 비교하는 방법이 미국공개공보 제20040056691A1호, 미국공개공보 제20050104573A1호에 제안되었으며, 정보복원용 전압체배기의 출력과 기준전압을 비교하는 방법이 미국공개공보 제20020149482A1호에 제안되었고, 정보복원용 전압체배기의 출력전압을 전류로 변환하고 이 전류의 변화로부터 정보를 복원하는 방법 등이 제안되었다.

그러나 전술한 종래의 방법은 비교기를 사용하기 때문에 비교하는 전압의 오프셋(offset) 차이에 의해 복원하고자 하는 신호의 주기에 다소 차이가 발생하거나, 비교기를 사용하기 때문에 전류 패스가 많고 인버터를 사용하기 때문에 전력소모가 크다는 단점이 있다.

RFID(radio frequency identification) 시스템에서 사용하는 판독기(reader)에서 진폭신호를 출력하면 태그에서는 이 신호를 직류(DC) 신호로 변환하여 태그 내 전체 회로의 구동전력으로 사용함과 동시에 이 신호의 진폭변화를 검출하여 명령어 정보를 해독한다. 큰 구동전력을 얻기 위해서는 입력진폭신호의 변조 깊이(modulation depth)가 작은 것이 유리하며, 복조시 용이한 포락선(envelope) 검출을 위해서는 변조 깊이가 큰 것이 유리하다. 여기서, 변조 깊이는 하기의 수학식 1과 같이 나타내진다.

변조 깊이 = (하이 - 로우)/(하이 + 로우) X 100%

전술한 이유로 대부분의 RFID 시스템에서는 입력진폭신호의 '하이(high)' 레벨의 지속시간을 '로우(low)' 레벨의 지속시간보다 길게 하는 부호화(encoding) 방식을 채택하여 상대적으로 짧은 '로우' 레벨의 지속시간 동안의 변조 깊이를 100% 이용하는 복조회로를 사용하고 있다. 이 경우 기존의 RFID 복조회로는 포락선 검출기를 통과한 신호를 비교기를 통해 비교하여 '하이' 및 '로우' 레벨의 구분이 가능한 검출신호를 만들어낸다. 하지만 RFID 시스템의 인식거리가 멀어지면 100%의 변조 깊이를 사용하기 어렵게 되며 10% 또는 30%의 변조 깊이를 사용하는 경우도 생기게 된다.

변조 깊이를 낮게 사용하게 되면 태그가 복원해야 하는 정보신호의 레벨이 구동전력 공급을 위한 진폭신호와 큰 차이를 갖지 않는다. 태그의 복조회로는 입력 신호의 작은 변화도 '0'과 '1'의 로직 신호로 복원이 가능해야 하지만, 전술한 경우와 같이 입력신호의 변화가 크지 않은 경우 이 신호를 증폭하기 위해 추가로 증폭기를 설치하거나 전압체배기의 단수를 증가시켜야 하고, 따라서 정보복원을 위한 전류소모는 증가하고 원하는 태그 임피던스를 갖기 어렵게 되거나 태그 구동 전력을 줄여야 하는 단점을 가진다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 변화가 크지 않은 입력진폭신호의 정보복원을 저전력으로 수행할 수 있는 복조회로를 제안한다. 본 발명의 목적은 정보복원용 전압체배기의 출력을 커패시티브 커플링(capacitive coupling)을 통해 PMOS와 NMOS로 연결된 노드 사이에 연결하여 전압체배기의 출력 변화를 검출하는 RFID 복조회로를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 측면에 의하면, 입력진폭신호로부터 변환된 DC 출력을 입력진폭신호의 포락선과 같은 형태의 파형으로 커패시티브 커플링 하는 RFID 복조회로가 제공된다.

바람직하게, RFID 복조회로는 전압체배기 또는 정류기로부터 출력되는 DC 출력이 일정한 게이트 전압으로 바이어스 되는 NMOS와 PMOS를 포함하며, 이 NMOS와 PMOS의 드레인이 연결된 노드에서 DC 출력이 커패시티브 커플링 되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입력진폭신호의 정보를 복원하는 무선통신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선통신 장치는 주요 기능블록으로써 정보복원용 전압체배기(102, 103), 복조회로(105), 트리거회로(106)를 포함한다. 안테나(100, 101)에서 수신된 진폭신호의 변화를 일차적으로 정보복원용 전압체배기(102, 103)에서 검출한다. 이때의 전압체배기(102, 103)의 출력신호(104)는 안테나(100, 101)에 인가된 신호의 포락선(envelope)을 검출한 것이다. 복조회로(105)는 전압체배기(102)의 출력을 해독기로 보내기 위한 로직신호로 변환시키고, 트리거회로(106)는 변환된 로직신호를 파형 성형(pulse shaping)한다.

한편, 안테나(100, 101)에서 수신된 진폭신호는 정보복원용 전압체배기(102, 103) 외에 안테나(100, 101)와 병렬로 태그 구동전력 생성용 전압체배기(미도시)와 연결될 수 있다. 태그 구동전력 생성용 전압체배기는 통상 정보복원용 전압체배기(102, 103)보다 다이오드와 커패시터의 수가 더 많게 구성된다. 그것은 수신된 진폭신호의 대부분을 구동전원 생성에 사용하기 위해서이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정보복원용 전압체배기를 나타내는 회로도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 정보복원용 전압체배기는 수신된 진폭신호를 직류(DC)로 만들기 위한 회로로 구성된다. 이 회로의 작용을 설명하면 다음과 같다. 안테나에 연결된 입력측 노드(110)로 제1 캐패시터(C1)를 통해 진폭신호가 입력되 면, 입력된 신호는 플러스일 때 제2 다이오드(D2)를 ON시켜 제2 캐패시터(C2)에 전하를 축적하고 마이너스일 때 제2 다이오드(D2)를 OFF시키고 제1 다이오드(D1)를 ON시켜 특정 노드(111)에 전하를 축적하게 된다. 전술한 방법으로 출력측 노드(112)에 진폭신호에 대한 직류 전압을 생성하고 이 직류 전압은 복조회로의 입력으로 보내진다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복조회로를 나타내는 회로도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 복조회로는 제1 및 제2 전극과 제어 전극을 구비하는 7개의 트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7)와 하나의 캐패시터(C) 및 두 개의 전류원(I1, I2)으로 이루어진다. 본 실시예에서 제1, 제2, 제4 및 제6 트랜지스터(M1, M2, M4, M6)는 PMOS로 구현되어 있고, 제3, 제5 및 제7 트랜지스터(M3, M5, M7)는 NMOS로 구현되어 있다. 여기서, 트랜지스터의 제1 전극과 제2 전극은 드레인과 소오스에 대응되며 제어 전극은 게이트에 대응될 수 있다.

캐패시터(C)의 일전극은 복조회로의 입력(120)에 연결되고, 캐패시터(C)의 타전극은 제7 트랜지스터(M7)의 제어 전극에 연결된다. 캐패시터(C)의 일전극과 그라운드 사이에는 제1 전류원(I1)이 연결된다.

제1 트랜지스터(M1)의 제1 전극은 전원전압단(Vdd)에 연결되고, 제2 전극은 제2 전류원(I2)의 일단에 연결되며, 제어 전극은 제2 전극에 다이오드 연결된다. 제2 전류원(I2)은 제1 트랜지스터(M1)의 제2 전극과 그라운드 사이에 연결된다. 제2 트랜지스터(M2)의 제1 전극은 전원전압단(Vdd)에 연결되고, 제2 전극은 제3 트랜지스터(M3)의 제1 전극에 연결되며, 제어 전극은 제1 트랜지스터(M1)의 제어 전극 과 제4 트랜지스터(M4)의 제어 전극 및 제6 트랜지스터(M6)의 제어 전극에 공통 연결된다. 제3 트랜지스터(M3)의 제2 전극은 그라운드에 연결되고, 제어 전극은 제1 전극에 다이오드 연결된다. 제4 트랜지스터(M4)의 제1 전극은 전원전압단(Vdd)에 연결되고, 제2 전극은 제5 트랜지스터(M5)의 제1 전극과 캐패시터(C)의 타전극 및 제7 트랜지스터(M7)의 제어 전극에 연결된다. 제5 트랜지스터(M5)의 제2 전극은 그라운드에 연결되고, 제어 전극은 제3 트랜지스터(M3)의 제어 전극에 연결된다. 제6 트랜지스터(M6)의 제1 전극은 전원전압단(Vdd)에 연결되고, 제2 전극은 제7 트랜지스터(M7)의 제1 전극에 연결된다. 제 7 트랜지스터(M7)의 제2 전극은 그라운드에 연결된다. 여기서, 제6 및 제7 트랜지스터(M6, M7)는 출력단 제1 및 제2 트랜지스터로 작용한다.

전술한 복조회로의 작용을 설명하면 다음과 같다.

전압체배기에서 생성된 직류전압은 제1 전류원(I1)을 통해 일정전류가 그라운드로 흘려 보내진다. 전압체배기의 제2 캐패시터(C2)에 축적된 직류전압을 그라운드로 흘려 보내기 위한 제1 전류원(I1)이 연결되어 있지 않을 경우, 복조회로는 입력진폭신호의 포락선과 같은 전압 파형을 만들지 못하고 커패시터 용량에 따른 시정수에 의해 전압이 감소하는 파형을 형성한다. 따라서 입력(120)에 제1 전류원(I1)이 연결되는 것이 필요하다. 이 경우, 제1 전류원(I1)에서 그라운드로 흘려보내는 전류는 아주 적은 양이므로 정보 복원을 위한 회로 및 태그의 동작에 거의 영향을 미치지 않는다. 이렇게 생성된 입력진폭신호의 포락선 전압 파형은 캐패시터(C)를 통해 제4 트랜지스터(M4)와 제5 트랜지스터(M5)의 중간 노드(121)에 연결 된다.

제1 트랜지스터(M1)의 게이트(gate)와 드레인(drain)이 연결된 노드(122)는 제2 전류원(I2)과 연결되어 PMOS의 제2, 제4 및 제6 트랜지스터(M2, M4, M6)에 일정한 게이트 바이어스를 제공한다. NMOS의 제3 및 제5 트랜지스터(M3, M5)의 게이트가 서로 연결되어 있고 이 노드(123)는 제3 트랜지스터(M3)의 드레인과 연결되어 있어 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)를 통해 흐르는 전류는 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)를 통해 흐르는 전류의 양과 같다. 즉, PMOS의 제2 및 제4 트랜지스터(M2, M4)와 NMOS의 제3 및 제5 트랜지스터(M3, M5)는 전류거울을 형성하여 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)를 통해 흐르는 전류(I3)와 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)를 통해 흐르는 전류(I4)가 같도록 작용한다. 여기서 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)를 통해 흐르는 전류(I3)는 항상 일정한 양을 흘려 보낸다. 따라서 전류(I3)의 양이 매우 적을 경우 복사된 전류(I4)의 양도 매우 적게 된다.

제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)를 등가적으로 표현한다면 큰 값의 저항 2개가 전원전압단(Vdd)과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 것과 같다. 이 노드(120)를 통해 인가된 신호는 커패시터(C)와 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)의 등가저항으로 구성된 HPF(high pass filter)를 통과한 후 노드(121)에 인가된다. 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)는 등가저항이 매우 크기 때문에 HPF(high pass filter)의 차단 주파수(cutoff frequency)는 수십㎑에 해당한다. 이 노드(121)는 복사된 전류(I4)가 0.1㎂ 이하 정도로 매우 적기 때문에 캐패시터(C)를 통해 인가되는 포락선 전압 파형의 작은 변화에도 쉽게 따라 변한다. 이러한 전압 변화는 제7 트랜 지스터(M7)의 게이트에 인가되어 제7 트랜지스터(M7)를 ON/OFF 시키면서 출력(124)을 전원전압단(Vdd) 또는 그라운드에 연결시켜 입력진폭신호의 변화를 '0'과 '1'의 로직신호로 변환시킨다. 출력(124)은 도 1의 트리거회로(106)를 통해 파형 성형된 후 해독기로 보내진다.

이와 같이 본 발명의 RFID 복조회로는 변조 깊이가 낮은 입력진폭신호에서 정보를 저전력으로 복원할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전압체배기의 출력을 커패시티브 커플링을 통해 저 전류패스에 연결하여 정보를 복원함으로써 RFID 시스템의 태그에서 변조 깊이가 낮은 신호로부터 정보 복원이 가능하게 되어 판독기와 통신거리가 멀어지는 장점을 갖게 된다. 아울러 저전력 동작과 통신거리 증가 및 칩 크기 감소의 장점을 가진다.

Claims

일정한 게이트 전압으로 바이어스된 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 드레인이 연결된 점에 입력진폭신호로부터 변환된 DC 출력을 상기 입력진폭신호에 상응하는 포락선 형태의 전압 파형으로 커패시티브 커플링 하는 RFID 복조회로.
제 1 항에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 캐패시터를 더 포함하며, 상기 제1 전극은 입력단에 연결되고 상기 제2 전극은 상기 연결된 점에 연결되는 RFID 복조회로.
제 2 항에 있어서, 상기 일정한 게이트 전압은 전원전압단에 소오스가 연결되며 전류원에 드레인이 연결되고 게이트가 드레인에 연결되는 제1 트랜지스터에 의해 제공되는 RFID 복조회로.
제 3 항에 있어서, 상기 전원전압단에 소오스가 연결되며 상기 PMOS 트랜지스터의 게이트에 게이트가 연결되는 제3 트랜지스터;

상기 제3 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되며 상기 NMOS 트랜지스터와 전류거울 형태로 결합되는 제4 트랜지스터;

상기 전원전압단에 소오스가 연결되며 상기 PMOS 트랜지스터의 게이트에 게이트가 연결되는 출력단 제1 트랜지스터; 및

상기 출력단 제1 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되며 상기 연결된 점에 게이트가 연결되고 그라운드에 소오스가 연결되는 출력단 제2 트랜지스터를 추가적으로 포함하는 RFID 복조회로.
전압체배기 또는 정류기로부터 출력되는 상기 DC 출력이 입력되는 입력단;

상기 입력단에 일단이 연결되는 캐패시터;

전원전압단에 소오스가 연결되며 드레인이 전류원에 연결되고 게이트가 상기 드레인에 연결되는 제1 트랜지스터;

상기 전원전압단에 소오스가 연결되며 게이트가 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되는 제2 트랜지스터;

상기 제2 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되며 소오스가 그라운드에 연결되고 게이트가 드레인에 연결되는 제3 트랜지스터;

상기 전원전압단에 소오스가 연결되며 상기 캐패시터의 타단에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되는 제4 트랜지스터;

상기 제4 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되며 그라운드에 소오스가 연결되고 상기 제3 트랜지스터의 게이트에 게이트가 연결되는 제5 트랜지스터;

상기 전원전압단에 소오스가 연결되며 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 게이트가 연결되는 제6 트랜지스터; 및

출력단이 되는 상기 제6 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되며 상기 제4 및 제5 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되고 그라운드에 소오스가 연결되는 제7 트랜지스터를 포함하는 RFID 복조회로.
제 5 항에 있어서, 상기 입력단과 상기 캐패시터의 일단에 연결되는 또 다른 전류원을 추가적으로 포함하는 RFID 복조회로.