PL245506B1 - Harwester z modulatorem RFID - Google Patents

Abstract

Harwester z modulatorem RFID posiada dwa zaciski wejściowe (RF1, RF2) i dwa zaciski wyjściowe (HRV, GND). Harwester zawiera przynajmniej dwa stopnie (S1, S2, S3), przy czym pojedynczy stopień (S2) zawiera dwa kondensatory (C1, C2) i dwa tranzystory (T1, T2), gdzie pierwszy kondensator (C1) dołączony jest do pierwszego zacisku wejściowego (RF1), a drugi kondensator (C2) dołączony jest do drugiego zacisku wejściowego (RF2). Tranzystory (T1, T2) połączone są drenami i dołączone do pierwszego kondensatora (C1), przy czym pierwszy tranzystor (T1) dołączony jest źródłem do wejścia danego stopnia (S2), a drugi tranzystor (T2) dołączony jest jego źródłem do drugiego kondensatora (C2) i do wyjścia danego stopnia (S2). Bramka jednego z tranzystorów (T1) w przynajmniej jednym stopniu harwestera (S2) dołączona jest do źródła drugiego tranzystora (T2) w tym samym stopniu, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora (T2) w tym stopniu są połączone ze sobą. Przynajmniej w jednym stopniu harwestera (S1) bramka jednego z tranzystorów (Tw) dołączona jest jednocześnie do drugiego zacisku wejściowego (RF2) poprzez tranzystor modulujący (Tm) oraz do źródła tranzystora (Tz) stanowiącego źródło prądowe, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora w tym stopniu (S1) są połączone ze sobą. Bramka tranzystora (Tz) realizującego źródło prądowe jest jednocześnie dołączona do jego drenu tego tranzystora i do wyjścia jednego ze stopni (S3) harwestera, a bramka tranzystora modulującego (Tm) dołączona jest do wejścia modulacji układu (M).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest harwester z modulatorem RFID stosowany zwłaszcza do układów NFC.

Znany jest z europejskiego wynalazku EP4095754A1 znacznik identyfikacji radiowej (RFID). Znacznik RFID zawiera port anteny do odbierania wejściowego sygnału prądu przemiennego i ogranicznik hybrydowy zawierający urządzenie zaciskowe skonfigurowane do ograniczania napięcia wejściowego sygnału prądu przemiennego do wstępnie skonfigurowanego limitu. Ogranicznik hybrydowy jest skonfigurowany tak, aby zapewnić stabilne odniesienie do masy dla urządzenia mocującego.

W szczególności znane jest z tego wynalazku rozwiązanie harwestera z modulatorem, w którym harwester w formie prostownika połączony jest równolegle z modulatorem, a oba te układy dołączone są do wejść znacznika RFID.

Znany jest z niemieckiego zgłoszenia patentowego DE102005032590A1 wynalazek dotyczący modulatora (M) stosowanego do transmisji danych między transponderem a stacją bazową, który moduluje odebrany elektromagnetyczny sygnał nośny w zależności od danych, które mają być transmitowane w sposób modulowany amplitudowo i/lub fazowo. Wspomniany modulator zawiera wejście sterujące, do którego przykładany jest sygnał sterujący modulacją, obwód prostownika (GL) do prostowania odebranego elektromagnetycznego sygnału nośnego i zawierający co najmniej jeden stopień prostownika (S1-S3), co najmniej jedno urządzenie obwodu (SE), które może być sterowane za pomocą sygnału sterującego modulacją i który zastępuje, na końcu wyjściowym, co najmniej jeden stopień prostownika obwodu prostownika i przez który co najmniej jeden węzeł (H1-H3) wspomnianego stopnia prostownika jest zasilany potencjałem odniesienia. Wynalazek dotyczy również transpondera zawierającego taki modulator oraz sposobu modulacji do obsługi takiego modulatora.

W szczególności znane jest z tego wynalazku rozwiązanie harwestera z modulatorem, w którym harwester w formie prostownika ma budowę stopniową (S1, S2, S3), przy czym jeden stopień (S2) zawiera dwa kondensatory (C23, C24) dołączone do zacisków wejściowych układu (A1, GND) i dwie diody (D23, D24) dołączone do kondensatorów oraz do wejścia i wyjścia danego stopnia. Do zacisków jednej z diod (D24), jednego ze stopni (S2) dołączone jest sterowane urządzenie przełączające (SE) sterowane sygnałem sterującym modulacją (MCS), które łączy synchronicznie węzeł N2 z potencjałem odniesienia GND, co dodatkowo lub alternatywnie powoduje kluczowanie amplitudy fal odbitych. Możliwe są dwa tryby pracy, tj. kluczowanie amplitudy i kluczowanie przesunięcia fazowego, mogą one być realizowane jednocześnie lub, w zależności od zastosowania, oddzielnie od siebie.

Znany jest z chińskiego wynalazku CN102104329A harwester w formie prostownika, który ma budowę stopniową, przy czym jeden stopień (116) zawiera dwa kondensatory (108, 106) dołączone do zacisków wejściowych układu (104, 114) i dwie diody (102, 112) dołączone do kondensatorów oraz do wejścia i wyjścia danego stopnia.

Z amerykańskiego patentu US7167090B1 znany jest harwester w formie prostownika i pompy ładunkowej, w którym stopień pompy ładunkowej zawiera dwa kondensatory (55, 56) i cztery tranzystory (51,52, 53, 54) dołączone do kondensatorów oraz wejść i wyjść tego stopnia, przy czym bramki tranzystorów (51,53) są dołączone do drenów lub źródeł innych tranzystorów (53, 51).

Znane są w stanie techniki, w szczególności w inżynierii dotyczącej elektroniki, systemy (zdalnej) identyfikacji radiowej RFID (od ang. radio-frequency identification), a w szczególności komunikacja bliskiego zasięgu NFC (od ang. near-field communication). Znane są w stanie techniki tranzystory polowe (FET - od ang. field-effect transistor) z izolowaną bramką, tranzystory cienkowarstwowe (TFT - od ang. thin-film transistor), jak również tranzystory oparte na indowo-galowym tlenku cynku (IGZO lub InGaZnO - od ang.: indium (In), gallium (Ga), zinc (Zn), oxygen (O)). Wiadome też jest, że oznaczenie drenu i źródła tych tranzystorów jest umowne, gdyż ze względu na symetryczną budowę tranzystora zamiana tych oznaczeń nie zmienia funkcjonalności tranzystora czy układu, w którym się on znajduje - nazewnictwo to ma jednak charakter porządkujący.

Celem wynalazku jest stworzenie układu harwestera z modulatorem, który rozwiąże problem jednoczesnego efektywnego pozyskiwania mocy wraz z wykonywaniem modulacji o zadanych parametrach.

Istota rozwiązania polega na tym, że w harwesterze z modulatorem RFID posiadającym dwa zaciski wejściowe i dwa zaciski wyjściowe, w którym harwester zawiera przynajmniej dwa stopnie, przy czym pojedynczy stopień zawiera dwa kondensatory i dwa tranzystory, gdzie pierwszy kondensator dołączony jest do pierwszego zacisku wejściowego, a drugi kondensator dołączony jest do drugiego zacisku wejściowego, a tranzystory połączone są drenami i dołączone do pierwszego kondensatora, przy czym pierwszy tranzystor dołączony jest źródłem do wejścia danego stopnia, a drugi tranzystor dołączony jest jego źródłem do drugiego kondensatora i do wyjścia danego stopnia, według wynalazku, bramka jednego z tranzystorów w przynajmniej jednym stopniu harwestera dołączona jest do źródła drugiego tranzystora w tym samym stopniu, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora w tym stopniu są połączone ze sobą. Ponadto, według wynalazku, w przynajmniej jednym stopniu harwestera bramka jednego z tranzystorów dołączona jest jednocześnie do drugiego zacisku wejściowego poprzez tranzystor modulujący oraz do źródła tranzystora stanowiącego źródło prądowe, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora w tym stopniu są połączone ze sobą. Ponadto, bramka tranzystora realizującego źródło prądowe jest jednocześnie dołączona do jego drenu tego tranzystora i do wyjścia jednego ze stopni harwestera, a bramka tranzystora modulującego dołączona jest do wejścia modulacji układu.

Efekty techniczne tego rozwiązania są następujące. Dzięki połączeniu bramki i drenu tranzystora pełni on funkcję diody. Dzięki połączeniu bramki jednego z tranzystorów ze źródłem drugiego tranzystora w tym samym stopniu podbijane jest napięcie na bramce tranzystora zapewniając lepszą pracę niż dioda przez szybsze przełączanie. Dzięki zastosowaniu tranzystora modulującego można sterować sprawnością energetyczną harwestera. Dzięki zastosowaniu źródła prądowego uzyskiwana jest wstępna polaryzacja tranzystora danego stopnia.

Korzystnie, wejście pierwszego stopnia dołączone jest do drugiego zacisku wejściowego. Dzięki temu pierwszy stopień całej kaskady dołączony jest do jednego z zacisków wejściowych dostarczających energię do układu.

Korzystnie, drugi zacisk wejściowy stanowi jednocześnie masę całego układu RFID. Dzięki temu wszystkie układy RFID mogą pracować na wspólnym napięciu odniesienia, które tworzy masa.

Korzystnie, harwester z modulatorem RFID pracuje zasadniczo na częstotliwości 13,56 MHz sygnału wejściowego. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie układu do realizacji standardu NFC.

Korzystnie, pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym a pierwszym zaci skiem wyjściowym dołączona jest dioda utworzona z kanału tranzystora, którego bramka dołączona jest do pierwszego zacisku wejściowego. Dzięki temu realizowana jest funkcja diody bocznikującej skracającej czas załączania układu dołączonego do wyjścia harwestera.

Korzystnie, harwester z modulatorem RFID posiada łącznie 3 stopnie. Trzy stopnie zapewniają relatywnie wyższą sprawność układu.

Korzystnie, harwester z modulatorem RFID posiada łącznie 4 stopnie. Cztery stopnie zapewniają relatywnie wyższe napięcie wyjściowe harwestera.

Korzystnie, tranzystor stanowiący źródło prądowe dołączony jest do wyjścia ostatniego stopnia harwestera. Dzięki temu współczynnik modulacji posiada najwyższą wartość.

Korzystnie, tranzystor stanowiący źródło prądowe dołączony jest do wyjścia przedostatniego stopnia harwestera. Dzięki temu kąt otwarcia jest relatywnie mniejszy, a co za tym idzie straty mocy są relatywnie niższe.

Korzystnie, wszystkie tranzystory w układzie są tranzystorami FET typu „n. Zastosowanie jednego typu tranzystorów polowych FET z izolowaną bramką upraszcza proces technologiczny realizacji układu.

Korzystnie, wszystkie tranzystory w układzie są tranzystorami typu TFT. Zastosowanie tranzystorów cienkowarstwowych TFT pozwala na wykonanie taniego i/lub giętkiego układu scalonego.

Korzystnie, kanały tranzystorów wykonane są z amorficznego materiału półprzewodnikowego. Zastosowanie amorficznego materiału półprzewodnikowego zapewnia niski koszt wytwarzania tranzystorów (w relatywnie niskich temperaturach).

Korzystnie, tranzystory zawierają indowo-galowy tlenek cynku. Zastosowanie indowo-galowego tlenku cynku (IGZO) zapewnia relatywnie wysoki parametr mobilności nośników.

Korzystnie, długości kanałów tranzystorów użytych w stopniach harwestera wynoszą od 400 do 1000 nm. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie częstotliwości pracy układu charakterystycznej dla NFC.

Korzystnie, stosunek szerokości do długości kanałów tranzystorów użytych w stopniach harwestera wynosi od 100 do 300. Dzięki tak dużemu stosunkowi W/L tranzystorów, szczególnie gdy ich kanały są technologicznie minimalnej długości, możliwe jest pozyskiwanie mocy wystarczającej dla całego układu RFID.

Korzystnie, stosunek szerokości do długości kanału tranzystora modulującego wynosi od 20 do 50. Dzięki temu wydajność prądowa tranzystora modulującego, szczególnie gdy jego kanał jest technologicznie minimalnej długości, jest odpowiednia do wysterowania tranzystora, do którego bramki jest on dołączony.

Korzystnie, stosunek szerokości do długości kanału tranzystora stanowiącego źródło prądowe wynosi od 0,1 do 0,5. Dzięki znaczącemu wydłużeniu kanału tranzystora, szczególnie gdy jego kanał jest technologicznie minimalnej szerokości, zapewniana jest mała wrażliwość prądu tranzystora na napięcie bramka-źródło realizowanego przez niego źródła prądowego.

Korzystnie, pojemności kondensatorów użytych w stopniach harwestera wynoszą od 30 do 80 pF. Dzięki temu harwester może gromadzić energię wystarczającą dla zasilenia całego układu RFID.

Korzystnie, stosunek pojemności kondensatorów użytych w pierwszym stopniu harwestera do pojemności kondensatorów użytych w pozostałych stopniach harwestera wynosi od 1 do 3. Zwiększenie pojemności kondensatorów pierwszego stopnia zapewnia lepsze podtrzymanie napięcia podczas modulacji.

Przykład wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy czterostopniowego harwestera z modulatorem RFID.

Harwester z modulatorem RFID w przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1 posiada dwa zaciski wejściowe RF1 i RF2 oraz dwa zaciski wyjściowe HRV i GND, pomiędzy którymi znajdują się cztery stopnie harwestera S1, S2, S3 i S4. Podstawową, zasadniczą strukturę każdego stopnia przedstawia stopień drugi S2, który posiada dwa kondensatory C1 i C2 oraz dwa tranzystory T1 i T2. Pierwszy kondensator C1 dołączony jest do pierwszego zacisku wejściowego RF1, a drugi kondensator C2 dołączony jest do drugiego zacisku wejściowego RF2. Obydwa tranzystory T1 i T2 połączone są drenami i dołączone do pierwszego kondensatora C1. Pierwszy tranzystor T1 dołączony jest źródłem do wejścia drugiego stopnia S2. Drugi tranzystor T2 dołączony jest jego źródłem do drugiego kondensatora C2 oraz do wyjścia drugiego stopnia S2. Bramka pierwszego tranzystora T1 dołączona jest do źródła drugiego tranzystora T2, a bramka i dren drugiego tranzystora T2 są ze sobą zwarte, tworząc diodę.

Budowa pierwszego stopnia S1 harwestera z modulatorem RFID zasadniczo odpowiada budowie drugiego stopnia S2, z tą różnicą, że bramka pierwszego z tranzystorów Tw tego stopnia dołączona jest jednocześnie do drugiego zacisku wejściowego RF2 poprzez tranzystor modulujący Tm oraz do źródła tranzystora Tz, który dołączony jest do wyjścia trzeciego stopnia harwestera S3. Bramka i dren tego tranzystora Tz są ze sobą połączone, dzięki czemu tranzystor Tz, przy odpowiednio długim kanale, pełni w układzie funkcję źródła prądowego. Natomiast bramka tranzystora modulującego Tm dołączona jest do wejścia modulacji układu M. Dzięki znaczącemu wydłużeniu kanału tranzystora Tz, szczególnie gdy jego kanał jest technologicznie minimalnej szerokości, zapewniana jest mała wrażliwość prądu tranzystora na napięcie bramka-źródło realizowanego przez niego źródła prądowego.

Budowa trzeciego stopnia S3 harwestera z modulatorem RFID jest identyczna z budową drugiego stopnia S2 harwestera.

Budowa czwartego stopnia S4 harwestera z modulatorem RFID zasadniczo odpowiada budowie drugiego stopnia S2, z tą różnicą, że pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym RF1 a pierwszym zaciskiem wyjściowym HRV dołączony jest tranzystor Td, którego bramka dołączona jest do pierwszego zacisku wejściowego RF1, tworząc diodę bocznikującą.

Dołączenie anteny NFC do wejść harwestera RF1 i RF2 pozwala na pozyskanie energii z sygnału RF, która jest przekazywana dalej do kolejnych podukładów analogowych takich jak: dzielnik częstotliwości nośnej czy demodulator AM. Cały układ znacznika RFID może być zasilany z pojedynczego harwestera, który działa zarówno jako prostownik, jak i mnożnik napięcia sygnału nośnego, gdzie częstotliwość nośna dla NFC wynosi 13,56 MHz. Napięcie z harwestera waha się zwykle od 2,5 V do 5 V - w zależności od bliskości anteny do źródła sygnału, poziomu modulacji czytnika NFC i chwilowego rozproszenia mocy znacznika. Połączenie funkcji harwestera i modulatora pozwoliło zmniejszyć zajmowaną powierzchnię i całkowite rozpraszanie mocy. W tym rozwiązaniu chwilowa wydajność harwestera zależy od cyfrowego sygnału na wejściu modulacji M. Dlatego zmiana napięcia na tym wejściu M wpływa na chwilowy mnożnik napięcia, a tym samym na chwilowy prąd anteny i wypadkowe napięcie wyjściowe. Technika ta zapewnia właściwy poziom modulacji AM (>10%) i eliminuje konieczność stosowania dodatkowego układu modulatora. Wewnętrzny układ odpowiedzi znacznika NFC dostarcza zakodowaną wiadomość, sterując harwesterem za pomocą sygnału modulującego.

Harwester w prezentowanym przykładzie wykonania składa się z czterech półsinusoidalnych stopni zwielokrotniających napięcie oraz diody bocznikującej, wykonanej z tranzystora Td, skracającej czas załączenia. Minimalna amplituda sygnału RF zapewniająca pracę układu jest ściśle związana z parametrem napięcia progowego tranzystorów. Jednak właściwe minimum przyjmuje się za 1,8 V. Logiczna jedynka podana do wejścia modulacji M zmniejsza napięcie bramka-źródło klucza tranzystorowego Tw. Efektywny kąt przewodzenia diody Tw spada. Odwrotny stan logiczny na wejściu modulacji M (tj. zero logiczne) zwiększa kąt przewodzenia Tw, prowadząc do niższej wydajności układu i wyższego chwilowego przepływu prądu przez anteny znacznika i czytnika. W ten sposób uzyskuje się wystarczający współczynnik modulacji AM, który dochodzi do 10% wymaganych przez standard NFC Type-1.

Wynalazek pozwala na pozyskiwanie mocy z sygnału RF anteny na tyle wydajnie, aby zasilić wszystkie kolejne podukłady znacznika RFID oraz modulować sygnał zapewniając komunikację zwrotną od znacznika. Przemysłowe zastosowanie wynalazku znajduje się w przemyśle i rynku produktów wymagających indywidualnych oznakowań elektronicznych.

Claims (19)

1. Harwester z modulatorem RFID posiadający dwa zaciski wejściowe (RF1, RF2) i dwa zaciski wyjściowe (HRV, GND), w którym harwester zawiera przynajmniej dwa stopnie (S1, S2, S3, S4), przy czym pojedynczy stopień (S2) zawiera dwa kondensatory (C1, C2) i dwa tranzystory (T1, T2), gdzie pierwszy kondensator (C1) dołączony jest do pierwszego zacisku wejściowego (RF1), a drugi kondensator (C2) dołączony jest do drugiego zacisku wejściowego (RF2), a tranzystory (T1, T2) połączone są drenami i dołączone do pierwszego kondensatora (C1), przy czym pierwszy tranzystor (T1) dołączony jest źródłem do wejścia danego stopnia (S2), a drugi tranzystor (T2) dołączony jest jego źródłem do drugiego kondensatora (C2) i do wyjścia danego stopnia (S2), znamienny tym, że bramka jednego z tranzystorów (T1) w przynajmniej jednym stopniu harwestera (S2) dołączona jest do źródła drugiego tranzystora (T2) w tym samym stopniu, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora (T2) w tym stopniu są połączone ze sobą, oraz tym, że w przynajmniej jednym stopniu harwestera (S1) bramka jednego z tranzystorów (Tw) dołączona jest jednocześnie do drugiego zacisku wejściowego (RF2) poprzez tranzystor modulujący (Tm) oraz do źródła tranzystora (Tz) stanowiącego źródło prądowe, podczas gdy bramka i dren drugiego tranzystora w tym stopniu (S1) są połączone ze sobą, oraz tym, że bramka tranzystora (Tz) realizującego źródło prądowe jest jednocześnie dołączona do jego drenu tego tranzystora i do wyjścia jednego ze stopni (S3) harwestera, a bramka tranzystora modulującego (Tm) dołączona jest do wejścia modulacji układu (M).

2. Harwester z modulatorem RFID wg zastrz. 1, znamienny tym, że wejście pierwszego stopnia dołączone jest do drugiego zacisku wejściowego (RF2).

3. Harwester z modulatorem RFID wg zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że drugi zacisk wejściowy (RF2) stanowi jednocześnie masę całego układu RFID (gnd).

4. Harwester z modulatorem RFID wg zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że pracuje zasadniczo na częstotliwości 13,56 MHz sygnału wejściowego.

5. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym (RF1) a pierwszym zaciskiem wyjściowym (HRV) dołączona jest dioda utworzona z kanału tranzystora (Td), którego bramka dołączona jest do pierwszego zacisku wejściowego (RF1).

6. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że posiada łącznie 3 stopnie.

7. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że posiada łącznie 4 stopnie.

8. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że tranzystor (Tz) stanowiący źródło prądowe dołączony jest do wyjścia ostatniego stopnia harwestera.

9. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że tranzystor (Tz) stanowiący źródło prądowe dołączony jest do wyjścia przedostatniego stopnia (S3) harwestera.

10. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że wszystkie tranzystory w układzie są tranzystorami FET typu „n.

11. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 10, znamienny tym, że wszystkie tranzystory w układzie są tranzystorami typu TFT.

12. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 11, znamienny tym, że kanały tranzystorów wykonane są z amorficznego materiału półprzewodnikowego.

13. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 12, znamienny tym, że tranzystory zawierają indowo-galowy tlenek cynku.

14. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 13, znamienny tym, że długości kanałów tranzystorów użytych w stopniach harwestera wynoszą od 400 do 1000 nm.

15. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 14, znamienny tym, że stosunek szerokości do długości kanałów tranzystorów użytych w stopniach harweste ra wynosi od 100 do 300.

16. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 15, znamienny tym, że stosunek szerokości do długości kanału tranzystora modulującego (Tm) wynosi od 20 do 50.

17. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 16, znamienny tym, że stosunek szerokości do długości kanału tranzystora (Tz) stanowiącego źródło prądowe wynosi od 0,1 do 0,5.

18. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 17, znamienny tym, że pojemności kondensatorów użytych w stopniach harwestera wynoszą od 30 do 80 pF.

19. Harwester z modulatorem RFID wg dowolnego z zastrz. od 1 do 18, znamienny tym, że stosunek pojemności kondensatorów użytych w pierwszym stopniu harwestera do pojemności kondensatorów użytych w pozostałych stopniach harwestera wynosi od 1 do 3.