WO2015115403A1 - 通信回路 - Google Patents

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中磯俊幸
大森健太
福原将彦
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
    • H04B5/24—Inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/77—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for interrogation

Definitions

  • the present invention relates to a communication circuit used in an RFID (Radio Frequency Identification) system or a near field communication (NFC) system.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • NFC near field communication
  • NFC is one of the short-range wireless communication standards using the HF band, and is installed in various terminals including mobile communication terminals.
  • an RF IC for NFC is built in the terminal body, and the RFIC for NFC is connected to an NFC antenna coil that is also built in the terminal body.
  • a capacitive element is connected to the antenna coil so as to resonate at a communication frequency, and an antenna resonant circuit is configured by the capacitive element and the antenna coil.
  • the antenna resonant circuit, the NFC RFIC, and the like constitute an NFC wireless communication circuit.
  • the communication frequency of the NFC wireless communication circuit is determined in advance, but the resonance frequency of the antenna resonance circuit to be adjusted slightly differs depending on the use conditions and manufacturing variations.
  • the circuit configuration as the resonance circuit of the antenna resonance circuit changes between the reader / writer mode and the card mode. Therefore, in order to maintain a predetermined resonance frequency in either mode, it is necessary to adjust the resonance frequency according to the mode.
  • the usage conditions vary depending on the mounting environment of the antenna coil.
  • the resonance frequency of the antenna resonance circuit changes depending on whether or not metal is present near the antenna coil.
  • Patent Document 1 discloses that a capacitor of an antenna resonance circuit is configured by a variable capacitance element whose capacitance value can be changed by an applied voltage. Further, Patent Document 2 discloses a circuit in which the entire capacitance value is switched by selectively connecting a plurality of capacitors.
  • FIG. 8 shows an example of a communication circuit disclosed in Patent Document 2.
  • the non-contact IC unit 47 includes a non-contact IC chip, a capacitor Cin and parallel capacitors Ca to Cc, an antenna parallel capacitor unit having switches SW1 to SW3, and an antenna L1.
  • the capacities of the capacitor Cin and the parallel capacitors Ca to Cc are fixed values.
  • SW1 to SW3 are circuits for switching the connection of the parallel capacitors Ca to Cc ON / OFF.
  • the control IC 62 with a nonvolatile memory is connected to the non-contact IC unit 47.
  • the control IC 62 controls the switches SW1 to SW3 of the non-contact IC unit 47 and switches the switches SW1 to SW3 on / off.
  • the circuit configuration is simple if only the first frequency and the second frequency are switched.
  • the control voltage to the variable capacitance diode needs to be multivalued, so that the circuit becomes complicated.
  • a terminal for inputting and outputting a signal and data for adjusting the resonance frequency of the antenna resonance circuit, and A plurality of lines for transmitting them is required. Further, in order to switch a plurality of capacitors and adjust the capacitance value in a minute step, a large number of capacitors and a switching multistage switch are required. As a result, the circuit configuration becomes complicated and the size of the IC also increases.
  • An object of the present invention is to make it possible to adjust the resonance frequency of the antenna resonance circuit to multiple values without increasing the number of terminals for inputting and outputting signals and data and the lines for transmitting them, and without increasing the number of capacitive elements. Therefore, an object of the present invention is to provide a communication circuit that eliminates the complexity and size of the circuit configuration.
  • a communication circuit of the present invention includes an RFIC including a transmission / reception signal input / output terminal and a general-purpose input / output terminal, an antenna coil connected to the transmission / reception signal input / output terminal, the antenna coil connected to the antenna coil, A variable capacitance element that changes a resonance frequency of an antenna resonance circuit including a coil, and the variable capacitance element is an element that changes a capacitance value according to a magnitude of an applied control voltage.
  • An application terminal for applying a control voltage is connected to the general-purpose input / output terminal of the RFIC, and the RFIC includes control means for outputting a PWM signal from the general-purpose input / output terminal, and the control for the variable capacitance element. The voltage is controlled by the duty of the PWM signal.
  • the capacitance value of the variable capacitance element can be easily adjusted to multiple values, and therefore the resonance frequency of the antenna resonance circuit can be easily adjusted to multiple values. Can be adjusted. Further, since the general-purpose input / output terminal of the RFIC is used and there is no need to provide an IC for applying a control voltage such as a control IC, it is possible to eliminate the complexity and increase in size of the circuit configuration.
  • a resistor is connected in series between the general-purpose input / output terminal and the variable capacitance element. Therefore, the ripple of the control voltage to the variable capacitance element can be effectively suppressed, and the carrier frequency of the PWM signal can be lowered.
  • a communication circuit includes an RFIC including a transmission / reception signal input / output terminal, an antenna coil connected to the transmission / reception signal input / output terminal, an antenna resonance connected to the antenna coil and including the antenna coil.
  • a variable capacitance element that changes a resonance frequency of the circuit; and a control IC connected to the variable capacitance element, wherein the variable capacitance element is an element whose capacitance value changes according to the magnitude of an applied control voltage.
  • An application terminal for applying the control voltage to the variable capacitance element is connected to a general-purpose input / output terminal of the control IC, and the control IC includes control means for outputting a PWM signal from the general-purpose input / output terminal. The control voltage for the variable capacitance element is controlled by the duty of the PWM signal.
  • the capacitance value of the variable capacitance element can be easily adjusted to multiple values, and therefore the resonance frequency of the antenna resonance circuit can be easily adjusted to multiple values. Can be adjusted.
  • a resistor is connected in series between the general-purpose input / output terminal of the control IC and the variable capacitance element.
  • the resonance frequency of the antenna resonance circuit can be easily adjusted to multiple values, the number of parts can be reduced, the signal line can be routed very easily, and the communication circuit can be reduced in size and simplified. .
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a communication circuit 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an overall circuit diagram of the inside of the variable capacitance element 14.
  • 3A and 3B are diagrams showing the relationship between the output voltage waveform of the GPIO0 terminal and the voltage applied between the ports P13 and P14 of the variable capacitance element 14.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams showing characteristics of capacitance value change with respect to the control amount of the variable capacitance element 14.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the communication circuit 102 of the second embodiment.
  • FIG. 6 is a voltage waveform diagram showing the action of the resistor R4.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the communication circuit 103 according to the third embodiment.
  • FIG. 8 shows an example of a communication circuit disclosed in Patent Document 2.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a communication circuit 101 according to the first embodiment.
  • the communication circuit 101 is an example of an NFC module.
  • the communication circuit 101 includes an RFIC 11, an antenna coil 13, and a variable capacitance element 14.
  • the RFIC 11 includes transmission signal terminals Tx1 and Tx2, a transmission signal ground terminal TVSS terminal, reception signal terminals Rx1 and Rx2, and a general purpose input / output (GPIO) terminal.
  • the RFIC 11 includes control means for setting the GPIO terminal as an output port, switching the output voltage between H level and L level, and controlling the duty to output a PWM signal.
  • the RFIC 11 performs modulation and demodulation between the baseband signal and the high frequency signal.
  • the RFIC 11 also inputs and outputs data including communication data.
  • variable capacitance element 14 includes a control terminal (application terminal for applying a control voltage).
  • the variable capacitance element 14 includes a capacitance element whose capacitance value is determined according to a control voltage (bias voltage) and a resistance element that applies a voltage input to the control terminal to the capacitance element.
  • the GPIO0 terminal which is one of the GPIO terminals of the RFIC 11, is connected to the control terminal of the variable capacitance element 14.
  • the variable capacitance element 14 is connected to the antenna coil 13 in parallel. Between the two transmission signal terminals Tx1, Tx2 of the RFIC 11 and the variable capacitance element 14, a filter circuit and a matching circuit are provided by inductors L11, L12, capacitors C11, C12, C31, C32, C41, C42 and resistors R1, R2. It has been. Capacitors C 21 and C 22 are connected between the two reception signal terminals Rx 1 and Rx 2 of the RFIC 11 and the variable capacitance element 14.
  • the variable capacitance element 14 constitutes an antenna resonance circuit which is an LC parallel resonance circuit together with the antenna coil 13, and sets the resonance frequency of the antenna resonance circuit to a predetermined frequency.
  • the antenna coil 13 performs near field communication mainly by magnetic coupling with the antenna of the communication partner.
  • the RFIC 11 when the communication circuit operates in the card mode, the RFIC 11 operates passively. Therefore, the power supply voltage is generated from the input signals to the reception signal terminals Rx1 and Rx2, the reception signal is read, and the transmission signal terminals Tx1 and Tx2 are connected during transmission. Load modulation is performed on a circuit (load) that is connected. Further, for example, when the communication circuit operates in the reader / writer mode, the RFIC 11 performs an active operation. Therefore, the transmission signal terminals Rx1 and Rx2 are opened at the time of transmission to transmit transmission signals from the transmission signal terminals Tx1 and Tx2, and at the time of reception.
  • the transmission signal terminals Tx1 and Tx2 are opened, and reception signals are input from the reception signal terminals Rx1 and Rx2.
  • the impedance of the communication circuit as viewed from the RFIC 11 to the antenna coil 13 changes according to the operation mode.
  • the variable capacitance element 14 is controlled so that the resonance frequency of the antenna resonance circuit is optimized in accordance with the operation mode (so that the impedance when the antenna coil side is viewed from the RFIC 11 is matched).
  • ESD protection elements 17A and 17B are connected to both ends of the antenna coil 13 between the antenna coil 13 and the ground. These ESD protection elements 17A and 17B allow an electrostatic discharge surge entering from the antenna coil 13 to escape to the ground and prevent an overvoltage from being applied to the RFIC 11.
  • FIG. 2 is an overall circuit diagram of the inside of the variable capacitance element 14.
  • the variable capacitance element 14 includes capacitance elements C1 to C6 and resistance elements R11 to R17.
  • a control voltage is applied to both ends of the capacitance elements C1 to C6 via resistance elements R11 to R17.
  • the resistance values of the resistance elements R11 to R17 are equal.
  • These RF resistance elements R11 to R17 apply a control voltage to the capacitive elements C1 to C6 and suppress leakage of an RF signal applied between the ports P11 and P12 to the ports P13 and P14.
  • the capacitive elements C1 to C6 are ferroelectric capacitors in which a ferroelectric film is sandwiched between a pair of opposed electrodes. Since the amount of polarization of the ferroelectric film changes according to the strength of the applied electric field and the apparent dielectric constant changes, the capacitance value is determined by the control voltage.
  • a dielectric material having a high dielectric constant As a thin film material used for the ferroelectric film, a dielectric material having a high dielectric constant is used. Specifically, a dielectric material having a high dielectric constant is used as a thin film material used for the ferroelectric film. Specifically, perovskite compounds such as (Ba, Sr) TiO 3 (BST), SrTiO 3 , BaTiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , bismuth layered compounds such as SrBi 4 Ti 4 O 15 , etc. are used. be able to.
  • Capacitance elements C1 to C6 and resistors R11 to R17 are connected between the ports P13 and P14 of the variable capacitance element 14.
  • the CR circuit using the capacitance elements C1 to C6 and the resistance elements R11 to R17 is a smoothing circuit and a low-pass circuit. Acts as a filter. Therefore, even if the voltage applied between the ports P13 and P14 is a rectangular wave voltage signal, the control voltage applied to the capacitive elements C1 to C6 is a smoothed voltage.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams showing the relationship between the output voltage waveform of the GPIO0 terminal and the voltage applied between the ports P13 and P14 of the variable capacitance element 14.
  • FIG. 3A shows an example in which the duty ratio of the output voltage at the GPIO0 terminal is small
  • FIG. 3B shows an example in which the duty ratio of the output voltage at the GPIO0 terminal is large.
  • variable capacitance element 14 By outputting a PWM-modulated rectangular wave from the GPIO0 terminal, a voltage corresponding to the average value of the rectangular wave is applied to the variable capacitance element 14 as a control voltage. Therefore, the capacitance value of the variable capacitor 14 can be controlled according to the duty ratio of the output voltage of the GPIO0 terminal.
  • 4 (A) and 4 (B) are diagrams showing characteristics of capacitance value change with respect to the control amount of the variable capacitance element 14.
  • 4A shows the relationship between the output voltage of the GPIO0 terminal and the capacitance value with respect to the duty ratio
  • FIG. 4B shows the relationship between the variable capacitance element 14 and the capacitance value with respect to the DC control voltage.
  • the capacitance value is determined in the range of 60.0 pF to 38.0 pF.
  • the output voltage of the GPIO0 terminal is set to 0 V / 3 V
  • the carrier frequency is set to 100 Hz
  • the duty ratio is set in the range of 0 to 100%, whereby the capacitance value is determined in the range of 60.0 pF to 38.0 pF.
  • the RFIC 11 outputs a PWM signal from one GPIO terminal (GPIO0) and directly supplies it to the control terminal of the variable capacitance element 14, so that the resonance frequency of the antenna resonance circuit can be set to a predetermined frequency. .
  • the carrier frequency of the PWM modulation is determined according to the response of the capacitance value to the rectangular wave (change in binary voltage) applied to the variable capacitance element and the allowable ripple.
  • the capacitance value of the antenna resonance circuit can be adjusted without increasing the number of terminals for inputting and outputting signals and data and the line for transmitting them, and without increasing the number of capacitive elements. Can be eliminated.
  • the resonance frequency can be set to a predetermined resonance frequency without specially providing a control IC. As a result, the number of parts is reduced, the routing of signal lines is very simple, and the communication circuit can be downsized and the number of parts can be reduced.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the communication circuit 102 of the second embodiment.
  • a resistance element R4 is connected between the GPIO terminal GPIO and the control terminal of the variable capacitance element.
  • Other configurations are the same as those in FIG. Since this resistance element R4 is connected in series to the port P13 of the variable capacitance element 14 shown in FIG. 2, this resistance element R4, together with the resistance elements R11 to R17 and capacitance elements C1 to C6 in the variable capacitance element 14, is a CR smoothing circuit. Is configured. That is, the resistance element R4 functions as a partial resistance of the CR smoothing circuit. Therefore, the time constant can be increased as compared with the case where the resistance element of the CR smoothing circuit is composed of only the resistance elements R11 to R17 in the variable capacitance element 14.
  • FIG. 6 is a voltage waveform diagram showing the operation of the resistance element R4.
  • a voltage waveform Sd is a control voltage waveform to the variable capacitance element 14 when the resistance element R4 is not provided (first embodiment).
  • the time constant of the CR circuit is increased and the ripple of the control voltage is reduced. Therefore, even if the carrier frequency of PWM modulation is low, fluctuations in the capacitance value of the variable capacitance element are suppressed, and the stability of the resonance frequency of the antenna resonance circuit is improved.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the communication circuit 103 according to the third embodiment.
  • the communication circuit 103 shows a state where the control IC 12 is connected to the communication circuit 101 shown in FIG. 1 in the first embodiment.
  • the control IC 12 has a GPIO terminal and is connected to the GPIO terminal of the RFIC 11 by a bus.
  • the RFIC 11 performs modulation and demodulation between the baseband signal and the high frequency signal.
  • the control IC 12 can be said to be a host IC of the RFIC 11. This control IC controls the RFIC 11 to input / output data including communication data.
  • control IC 12 since the terminal GPIO0 of the control IC 12 is connected to the control terminal of the variable capacitance element 14, the control IC 12 can also control the variable capacitance element 14 by outputting a PWM signal from the terminal GPIO0. .
  • the communication circuit 103 includes a GPIO terminal 18. Therefore, the variable capacitance element 14 can be controlled from an external circuit such as an IC connected to the GPIO terminal 18.
  • an RFID secure IC for inputting / outputting data to / from the control IC 12 or the RFIC 11 is connected to the GPIO terminal 18.
  • a device such as an LED controlled by the control IC 12 is connected.
  • variable capacitor using a ferroelectric capacitor an example in which a variable capacitor using a ferroelectric capacitor is used has been described.
  • other variable capacitors whose capacitance value varies depending on the magnitude of a control voltage to be applied, such as a variable capacitor diode. Even if it is an element, this invention is applicable similarly.
  • variable capacitor 14 is connected in parallel to the antenna coil 13 .
  • a part of the capacitor connected in parallel to the antenna coil 13 is not a variable capacitor.
  • a part of the capacitor connected in parallel to the antenna coil 13 may be provided in the RFIC and the others may be connected to the outside of the IC. Note that the variable capacitor and the fixed capacitor may be connected in parallel.
  • C1-C6 Capacitance elements C11, C12, C21, C22, C31, C32, C41, C42 ... Capacitors GPIO0 to GPIO4 ... GPIO terminals (general-purpose input / output terminals) L11, L12 ... inductors P11, P12, P13, P14 ... ports R1, R2, R4 ... resistance elements R11 to R17 ... RF resistance elements Rx1, Rx2 ... reception signal terminals TVSS ... ground terminals Tx1, Tx2 ... transmission signal terminals 11 ... RFIC 12 ... Control IC 13 ... Antenna coil 14 ... Variable capacitance elements 17A, 17B ... ESD protection element 18 ... GPIO terminals 101-103 ... Communication circuit

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Abstract

　通信信号用端子を備えるＲＦＩＣ（１１）と、アンテナコイル（１３）と、アンテナコイル（１３）を含むアンテナ共振回路の共振周波数を変化させる可変容量素子（１４）とを備える。可変容量素子（１４）は、印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する素子である。制御電圧の印加端子はＲＦＩＣ（１１）の１つの汎用入出力端子（GPIO0）に接続され、ＲＦＩＣ（１１）は、１つの汎用入出力端子（GPIO0）からＰＷＭ信号を出力する制御手段を備え、可変容量素子（１４）に対する制御電圧をＰＷＭのデューティによって制御する。

Description

通信回路
　本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムや近距離無線通信（ＮＦＣ：Near Field Communication）システムに用いられる通信回路に関するものである。
　ＮＦＣはＨＦ帯を利用した近距離無線通信規格の一つであり、携帯通信端末をはじめ、さまざまな端末へ搭載されている。一般的に、ＮＦＣを利用した携帯通信端末では、ＮＦＣ用のＲＦＩＣが端末本体に内蔵され、このＮＦＣ用のＲＦＩＣは同じく端末本体に内蔵されたＮＦＣ用のアンテナコイルに接続される。また、前記アンテナコイルは通信周波数で共振するように容量素子が接続されていて、この容量素子とアンテナコイルとでアンテナ共振回路が構成されている。そして、このアンテナ共振回路とＮＦＣ用ＲＦＩＣ等とでＮＦＣ用無線通信回路が構成されている。
　ＮＦＣ用無線通信回路の通信周波数は予め決められているが、その使用条件や製造ばらつきによって、合わせるべきアンテナ共振回路の共振周波数は少しずつ異なる。例えばリーダライタモードとカードモードとではアンテナ共振回路の共振回路としての回路構成が変わる。そのため、どちらのモードでも所定の共振周波数を維持するために、モードに応じて共振周波数を調整する必要が生じる。また、アンテナコイルの搭載環境によっても使用条件が変化する。例えばアンテナコイルの近くに金属が存在するか否かなどによってアンテナ共振回路の共振周波数は変化する。
　アンテナ共振回路の周波数帯域が十分に広い場合は、上記の使用条件の違いによる微調整は不要であるが、最近の端末の小型化にともない、アンテナコイルに十分なサイズを確保することが難しく、アンテナコイルのサイズが小さくなると十分な帯域幅を得ることが難しい。そのため、共振周波数を最適値となるように調整することが必要になる。
　共振周波数の調整方法としては、印加電圧により容量値を変化させることのできる可変容量素子でアンテナ共振回路のキャパシタを構成することが特許文献１に示されている。また、複数のキャパシタを選択的に接続することで全体の容量値を切り替えるようにした回路が特許文献２に示されている。
　図８は特許文献２に示されている通信回路の例である。ここで、非接触ＩＣ部４７は、非接触ＩＣチップ、コンデンサＣinと並列コンデンサＣａ～Ｃｃ、スイッチＳＷ１～ＳＷ３を有するアンテナ並列コンデンサ部、およびアンテナＬ１で構成されている。コンデンサＣinと並列コンデンサＣａ～Ｃｃの容量は固定値である。ＳＷ１～ＳＷ３は並列コンデンサＣａ～Ｃｃの接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換える回路である。非接触ＩＣ部４７が携帯電話機に組み込まれた後に、不揮発メモリ搭載のコントロールＩＣ６２が非接触ＩＣ部４７に対して接続される。コントロールＩＣ６２は、非接触ＩＣ部４７のスイッチＳＷ１～ＳＷ３を制御し、スイッチＳＷ１～ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。
特開２００９－２９０６４４号公報 特開２０１０－１４７７４３号公報
　特許文献１に示されるような可変容量ダイオードを備えて、共振周波数を制御する回路においては、第１の周波数と第２の周波数とを切り替えるだけであれば、回路構成は単純であるが、共振周波数が所定の周波数となるように微調整する場合には可変容量ダイオードへの制御電圧を多値にする必要があるので、回路は複雑になる。
　特許文献２に示されるような複数の切り替え回路を備えて、所定の共振周波数に切り替えるような無線通信回路においては、アンテナ共振回路の共振周波数を調整するための信号やデータを入出力する端子およびそれらを伝送する複数のラインが必要となる。また、複数のコンデンサを切り替えて容量値を微小ステップで調整するためには、多数のコンデンサおよび切替用の多段スイッチが必要となる。そのため、回路構成が複雑化し、ＩＣのサイズも大きくなるという問題があった。
　本発明の目的は、信号やデータを入出力する端子およびそれらを伝送するラインを増やすことなく、また容量素子の素子数を増やすことなく、アンテナ共振回路の共振周波数を多値に調整できるようにして、回路構成の複雑化や大型化を解消した通信回路を提供することにある。
（１）本発明の通信回路は、送受信信号用入出力端子および汎用入出力端子を備えるＲＦＩＣと、前記送受信信号用入出力端子に接続されたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに接続され、前記アンテナコイルを含むアンテナ共振回路の共振周波数を変化させる可変容量素子とを備え、前記可変容量素子は、印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する素子であって、前記可変容量素子に前記制御電圧を印加するための印加端子は、前記ＲＦＩＣの前記汎用入出力端子に接続され、前記ＲＦＩＣは、前記汎用入出力端子からＰＷＭ信号を出力する制御手段を備え、前記可変容量素子に対する前記制御電圧を前記ＰＷＭ信号のデューティによって制御することを特徴とする。
　この構成により、可変容量素子に対する制御電圧をＰＷＭ信号のデューティによって制御するので、可変容量素子の容量値を多値にかつ容易に調整でき、ゆえに、アンテナ共振回路の共振周波数を多値にかつ容易に調整できる。また、ＲＦＩＣの汎用入出力端子を利用しており、制御用ＩＣ等の制御電圧を印加するためのＩＣを特別に設ける必要が無いので、回路構成の複雑化や大型化が解消できる。
（２）前記汎用入出力端子と前記可変容量素子との間に抵抗が直列接続されていることが好ましい。これにより、可変容量素子への制御電圧のリップルを効果的に抑制でき、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を低くできる。
（３）本発明の通信回路は、送受信信号用入出力端子を備えるＲＦＩＣと、前記送受信信号用入出力端子に接続されたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに接続され、前記アンテナコイルを含むアンテナ共振回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、前記可変容量素子に接続された制御ＩＣとを備え、前記可変容量素子は、印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する素子であって、前記可変容量素子に前記制御電圧を印加するための印加端子は、前記制御ＩＣの汎用入出力端子に接続され、前記制御ＩＣは、前記汎用入出力端子からＰＷＭ信号を出力する制御手段を備え、前記可変容量素子に対する前記制御電圧を前記ＰＷＭ信号のデューティによって制御することを特徴とする。
　この構成により、可変容量素子に対する制御電圧をＰＷＭ信号のデューティによって制御するので、可変容量素子の容量値を多値にかつ容易に調整でき、ゆえに、アンテナ共振回路の共振周波数を多値にかつ容易に調整できる。
（４）上記（３）において、前記制御ＩＣの汎用入出力端子と前記可変容量素子との間に抵抗が直列接続されていることが好ましい。これにより、可変容量素子への制御電圧のリップルを効果的に抑制でき、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を低くできる。
　本発明によれば、アンテナ共振回路の共振周波数を多値にかつ容易に調整できるとともに、部品点数が削減され、信号ラインの引き回しも非常に簡素になり、通信回路の小型化および簡素化が図れる。
図１は第１の実施形態の通信回路１０１の回路図である。 図２は可変容量素子１４の内部の全体の回路図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、GPIO0端子の出力電圧波形と、可変容量素子１４のポートＰ１３－Ｐ１４間への印加電圧との関係を示す図である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、可変容量素子１４の制御量に対する容量値変化の特性を示す図である。 図５は第２の実施形態の通信回路１０２の回路図である。 図６は抵抗Ｒ４の作用を示す電圧波形図である。 図７は第３の実施形態に係る通信回路１０３の回路図である。 図８は特許文献２に示されている通信回路の例である。
《第１の実施形態》
　図１は第１の実施形態の通信回路１０１の回路図である。この通信回路１０１はＮＦＣモジュールの一例である。通信回路１０１は、ＲＦＩＣ１１、アンテナコイル１３、および可変容量素子１４を備えている。ＲＦＩＣ１１は、送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２、送信信号のグランド端子ＴＶＳＳ端子、受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２および汎用入出力（ＧＰＩＯ：General Purpose Input/Output）端子を備えている。このＲＦＩＣ１１はＧＰＩＯ端子を出力ポートに設定するとともに、出力電圧をＨレベルとＬレベルの状態に切り替え、且つデューティを制御することでＰＷＭ信号を出力する制御手段を備える。
　ＲＦＩＣ１１はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調を行う。また、このＲＦＩＣ１１は通信データを含むデータの入出力も行う。
　後に示すように、可変容量素子１４は制御端子（制御電圧を印加するための印加端子）を備えている。この可変容量素子１４の内部には制御電圧（バイアス電圧）に応じて容量値が定まる容量素子と、制御端子に入力される電圧を容量素子に印加する抵抗素子とを備えている。ＲＦＩＣ１１のＧＰＩＯ端子の１つであるGPIO0端子は可変容量素子１４の制御端子に接続されている。
　可変容量素子１４はアンテナコイル１３に並列接続されている。ＲＦＩＣ１１の二つの送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２と可変容量素子１４との間にインダクタＬ１１，Ｌ１２、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ４１，Ｃ４２および抵抗Ｒ１，Ｒ２による、フィルタ回路および整合回路が設けられている。また、ＲＦＩＣ１１の二つの受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２と可変容量素子１４との間にキャパシタＣ２１，Ｃ２２が接続されている。
　可変容量素子１４はアンテナコイル１３とともにＬＣ並列共振回路であるアンテナ共振回路を構成し、アンテナ共振回路の共振周波数を所定周波数に定める。アンテナコイル１３は通信相手のアンテナと主に磁界結合して近距離通信を行う。
　例えば通信回路がカードモードで動作する場合、ＲＦＩＣ１１はパッシブ動作するので、受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２への入力信号から電源電圧を生成するとともに受信信号を読み取り、送信時には送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２に接続されている回路（負荷）を負荷変調する。また、例えば通信回路がリーダライタモードで動作する場合には、ＲＦＩＣ１１はアクティブ動作するので、送信時に受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２を開放して送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２から送信信号を送信し、受信時には送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２を開放して受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２から受信信号を入力する。このように、通信回路は動作モードに応じて、ＲＦＩＣ１１からアンテナコイル１３側を見たインピーダンスは変化する。後に示すように、動作モードに応じてアンテナ共振回路の共振周波数が最適となるように、（ＲＦＩＣ１１からアンテナコイル側を見たインピーダンスが整合するように、）可変容量素子１４が制御される。
　なお、アンテナコイル１３の両端には、グランドとの間にそれぞれＥＳＤ保護素子１７Ａ，１７Ｂが接続されている。これらのＥＳＤ保護素子１７Ａ，１７Ｂはアンテナコイル１３から入る静電気放電サージをグランドへ逃がしてＲＦＩＣ１１へ過電圧が印加されるのを防止する。
　図２は前記可変容量素子１４の内部の全体の回路図である。可変容量素子１４は容量素子Ｃ１～Ｃ６および抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７で構成されている。
　可変容量素子１４において、容量素子Ｃ１～Ｃ６の両端には抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７を介して制御電圧が印加される。抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７の抵抗値は等しい。これらのＲＦ抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７は、容量素子Ｃ１～Ｃ６に制御電圧を印加するとともに、ポートＰ１１－Ｐ１２間に印加されるＲＦ信号がポートＰ１３，Ｐ１４へ漏れるのを抑制する。容量素子Ｃ１～Ｃ６は対向する一対の電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタである。強誘電体膜は印加される電界の強度に応じて分極量が変化して、見かけ上の誘電率が変化するので、制御電圧によって容量値が定まる。強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、前記強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、(Ba,Sr)TiO3 (BST)、SrTiO3、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等のペロブスカイト化合物、SrBi4Ti4O15等のビスマス層状化合物等を使用することができる。
　可変容量素子１４のポートＰ１３－Ｐ１４間には、容量素子Ｃ１～Ｃ６および抵抗Ｒ１１～Ｒ１７が接続されているが、この容量素子Ｃ１～Ｃ６および抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７によるＣＲ回路は平滑回路およびローパスフィルタとして作用する。そのため、ポートＰ１３－Ｐ１４間への印加電圧が矩形波状の電圧信号であっても、容量素子Ｃ１～Ｃ６へ印加される制御電圧は平滑された電圧となる。
　図３（Ａ）（Ｂ）は、GPIO0端子の出力電圧波形と、上記可変容量素子１４のポートＰ１３－Ｐ１４間への印加電圧との関係を示す図である。図３（Ａ）はGPIO0端子の出力電圧のデューティ比が小さい例、図３（Ｂ）はGPIO0端子の出力電圧のデューティ比が大きい例である。
　このように、GPIO0端子からＰＷＭ変調された矩形波が出力されることにより、その矩形波の平均値に相当する電圧が可変容量素子１４へ制御電圧として印加されることになる。したがって、GPIO0端子の出力電圧のデューティ比に応じて可変容量素子１４の容量値を制御できる。
　図４（Ａ）（Ｂ）は、可変容量素子１４の制御量に対する容量値変化の特性を示す図である。図４（Ａ）は上記GPIO0端子の出力電圧のデューティ比に対する容量値との関係、図４（Ｂ）は可変容量素子１４に対する直流制御電圧に対する容量値との関係をそれぞれ表している。従来は、図４（Ｂ）に示すように、制御電圧を0～3Ｖの範囲で設定することで60.0pF～38.0pFの範囲で容量値を定めている。本実施形態では、上記GPIO0端子の出力電圧を０Ｖ／３Ｖとし、キャリア周波数100Hzで、デューティ比を0～100%の範囲で設定することで、60.0pF～38.0pFの範囲で容量値を定める。
　このように、ＲＦＩＣ１１は１つのＧＰＩＯ端子（GPIO0）からＰＷＭ信号を出力し、それを可変容量素子１４の制御端子に直接供給することにより、アンテナ共振回路の共振周波数を所定周波数に定めることができる。
　なお、上記ＣＲ回路によるローパスフィルタのカットオフ周波数よりキャリア周波数が高すぎると所定の制御電圧に達しないし、ローパスフィルタのカットオフ周波数よりキャリア周波数が低すぎると制御電圧のリップルが大きくなる。そのため、上記ＰＷＭ変調のキャリア周波数は、可変容量素子へ印加される矩形波（２値電圧の変化）に対する容量値の応答性と、許容されるリップルと、に応じて定める。
　本実施形態によれば、信号やデータを入出力する端子およびそれらを伝送するラインを増やすことなく、また容量素子の素子数を増やすことなく、アンテナ共振回路の容量値を調整できるので、回路構成の複雑化が解消できる。また、制御用ＩＣを特別に設けることなく、ＲＦＩＣの制御によって所定の共振周波数に設定できる。そのため、部品点数が削減され、信号ラインの引き回しも非常に簡素になり、通信回路の小型化および部品点数の削減が図れる。
《第２の実施形態》
　図５は第２の実施形態の通信回路１０２の回路図である。第１の実施形態で図１に示した通信回路１０１と異なり、ＧＰＩＯ端子GPIOと可変容量素子１４の制御端子との間に抵抗素子Ｒ４が接続されている。その他の構成は図１と同じである。この抵抗素子Ｒ４は図２に示した可変容量素子１４のポートＰ１３に直列接続されるので、この抵抗素子Ｒ４は可変容量素子１４内の抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７および容量素子Ｃ１～Ｃ６とともにＣＲ平滑回路を構成している。すなわち、抵抗素子Ｒ４はＣＲ平滑回路の一部の抵抗として作用する。そのため、ＣＲ平滑回路の抵抗素子が可変容量素子１４内の抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１７だけで構成される場合に比べて、時定数を大きくすることができる。
　図６は上記抵抗素子Ｒ４の作用を示す電圧波形図である。図６において、電圧波形Ｓｄは上記抵抗素子Ｒ４が無い場合（第１の実施形態）の可変容量素子１４への制御電圧波形である。このように、抵抗素子Ｒ４が直列接続されることにより、ＣＲ回路の時定数が大きくなり、制御電圧のリップルは小さくなる。そのため、ＰＷＭ変調のキャリア周波数が低くても、可変容量素子の容量値の変動が抑制され、アンテナ共振回路の共振周波数の安定性が向上する。
《第３の実施形態》
　図７は第３の実施形態に係る通信回路１０３の回路図である。この通信回路１０３は第１の実施形態で図１に示した通信回路１０１に制御ＩＣ１２が接続されている状態を示している。
　制御ＩＣ１２はＧＰＩＯ端子を備えていて、ＲＦＩＣ１１のＧＰＩＯ端子とバス接続されている。
　ＲＦＩＣ１１はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調を行う。制御ＩＣ１２はＲＦＩＣ１１のホストＩＣと言うことができる。この制御ＩＣは、ＲＦＩＣ１１を制御し、通信データを含むデータを入出力する。
　図７に示す例では、制御ＩＣ１２の端子GPIO0は可変容量素子１４の制御端子に接続されているので、制御ＩＣ１２は端子GPIO0からＰＷＭ信号を出力することで可変容量素子１４を制御することもできる。
　また、通信回路１０３はＧＰＩＯ端子１８を備えている。したがって、このＧＰＩＯ端子１８に接続されるＩＣ等の外部の回路からも可変容量素子１４の制御が可能となる。このＧＰＩＯ端子１８には例えば制御ＩＣ１２またはＲＦＩＣ１１との間でデータ入出力を行うＲＦＩＤ用のセキュアＩＣが接続される。また、制御ＩＣ１２が制御するＬＥＤなどのデバイスが接続される。
《他の実施形態》
　以上に示した実施形態では、強誘電体キャパシタによる可変容量素子を用いる例を示したが、その他に、可変容量ダイオード等の印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する他の可変容量素子であっても、本発明は同様に適用できる。
　また、以上に示した実施形態では、アンテナコイル１３に可変容量素子１４を並列接続した例を示したが、アンテナコイル１３に対して並列接続される容量の全体ではなく一部を可変容量素子としてもよい。また、このようにアンテナコイル１３に対して並列接続される容量の一部をＲＦＩＣ内に設け、その他をＩＣ外部に接続してもよい。なお、可変容量素子と固定容量素子は並列接続してもよい。
Ｃ１～Ｃ６…容量素子
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ４１，Ｃ４２…キャパシタ
GPIO0～GPIO4…ＧＰＩＯ端子（汎用入出力端子）
Ｌ１１，Ｌ１２…インダクタ
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４…ポート
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４…抵抗素子
Ｒ１１～Ｒ１７…ＲＦ抵抗素子
Ｒｘ１，Ｒｘ２…受信信号端子
ＴＶＳＳ…グランド端子
Ｔｘ１，Ｔｘ２…送信信号端子
１１…ＲＦＩＣ
１２…制御ＩＣ
１３…アンテナコイル
１４…可変容量素子
１７Ａ，１７Ｂ…ＥＳＤ保護素子
１８…ＧＰＩＯ端子
１０１～１０３…通信回路

Claims (4)

  1. 　送受信信号用入出力端子および汎用入出力端子を備えるＲＦＩＣと、前記送受信信号用入出力端子に接続されたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに接続され、前記アンテナコイルを含むアンテナ共振回路の共振周波数を変化させる可変容量素子とを備え、
    　前記可変容量素子は、印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する素子であって、
    　前記可変容量素子に前記制御電圧を印加するための印加端子は、前記ＲＦＩＣの前記汎用入出力端子に接続され、
    　前記ＲＦＩＣは、前記汎用入出力端子からＰＷＭ信号を出力する制御手段を備え、
    　前記可変容量素子に対する前記制御電圧を前記ＰＷＭ信号のデューティによって制御することを特徴とする通信回路。
  2. 　前記汎用入出力端子と前記可変容量素子との間に抵抗が直列接続されている、請求項１に記載の通信回路。
  3. 　送受信信号用入出力端子を備えるＲＦＩＣと、前記送受信信号用入出力端子に接続されたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに接続され、前記アンテナコイルを含むアンテナ共振回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、前記可変容量素子に接続された制御ＩＣとを備え、
    　前記可変容量素子は、印加される制御電圧の大きさで容量値が変化する素子であって、
    　前記可変容量素子に前記制御電圧を印加するための印加端子は、前記制御ＩＣの汎用入出力端子に接続され、
    　前記制御ＩＣは、前記汎用入出力端子からＰＷＭ信号を出力する制御手段を備え、
    　前記可変容量素子に対する前記制御電圧を前記ＰＷＭ信号のデューティによって制御することを特徴とする通信回路。
  4. 　前記制御ＩＣの汎用入出力端子と前記可変容量素子との間に抵抗が直列接続されている、請求項３に記載の通信回路。
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