用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設(shè)計(jì)
文章出處:http://www.mjagi.com 作者:成都電子科技大學(xué) 李海華 王豪才 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年11月03日
[文章內(nèi)容簡介]:用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設(shè)計(jì)
摘要:在論述非接觸式IC基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,介紹一種應(yīng)用于非接觸式IC卡的高頻接口電路的設(shè)計(jì)方案,分析該接口電路各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和整個(gè)電路的工作過程。事實(shí)表明,該高頻接口電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收能量的轉(zhuǎn)換和整流穩(wěn)壓,為內(nèi)部邏輯電路提供了穩(wěn)定的電壓,可以應(yīng)用于非接觸式IC卡芯片中。
引 言
隨著微電子和無線通信技術(shù)的發(fā)展,非接觸式IC卡技術(shù)也得到蓬勃發(fā)展,但國內(nèi)設(shè)計(jì)非接觸IC卡的技術(shù)不夠成熟。高頻接口電路設(shè)計(jì)是非接觸式IC卡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一,文中將介紹一種高頻接口電路的設(shè)計(jì)。
1 IC卡的基本結(jié)構(gòu)
圖1是一個(gè)具有邏輯加密功能的非接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)方塊圖。對(duì)于具有邏輯加密功能的非接觸式IC卡,一般包括IC芯片和天線線圈(耦合線圈)。IC芯片又包括高頻接口電路、邏輯控制電路、存儲(chǔ)器等部分。
2 高頻接口模塊設(shè)計(jì)
IC芯片內(nèi)的高頻接口電路是非接觸式IC卡的模擬、高頻傳輸通路和芯片內(nèi)的數(shù)字電路之間的一個(gè)接口。它從芯片外的耦合線圈上得到感應(yīng)電流,整流穩(wěn)壓后給芯片提供電源。從閱讀器發(fā)射出來的調(diào)制高頻信號(hào),在高頻界面經(jīng)解調(diào)后重新構(gòu)建一產(chǎn)生在邏輯控制電路中進(jìn)一步加工的數(shù)字式串行數(shù)據(jù)流(數(shù)據(jù)輸入)。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路從高頻場的載波頻率中產(chǎn)生出用于數(shù)據(jù)載體的系統(tǒng)時(shí)鐘。圖2為具有負(fù)載調(diào)制器的高頻界面方框圖。
為了將芯片內(nèi)處理后的數(shù)據(jù)傳回到閱讀器,高頻界面也包括有負(fù)載波調(diào)制器或反向散射調(diào)制器。它們由傳送的數(shù)字化數(shù)據(jù)控制。
圖3為卡的模塊結(jié)構(gòu)框圖。整流穩(wěn)壓模塊主要是接收閱讀器發(fā)來的載波,將載波信號(hào)轉(zhuǎn)變成直流信號(hào),以作為非接觸IC卡內(nèi)部芯片的電源使用;同時(shí)不能因?yàn)殚喿x器發(fā)來的不間斷載波而使芯片內(nèi)部電源電壓無限增大。調(diào)制解調(diào)模塊主要是將閱讀器發(fā)來的信號(hào)從載波信號(hào)中取下來;在IC卡發(fā)送信號(hào)時(shí)將內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),并上載到載波信號(hào)中以傳輸給閱讀器。
(1)整流穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)
該模塊主要包括基準(zhǔn)源電路、電壓調(diào)節(jié)電路和電源開關(guān)電路?;鶞?zhǔn)源電路由二級(jí)CMOS差分放大電路和晶體管電路構(gòu)成的能隙基準(zhǔn)源組成。其結(jié)構(gòu)如圖4。
有源電阻P0和多晶電阻R7組成偏置電路,為電路提供偏置電流。二級(jí)差分放大器的兩個(gè)輸入連接在Q1端和Q2端。由基準(zhǔn)源原理可知,只有放大電路的輸入失調(diào)電壓很小,并且不受溫度的影響時(shí),基準(zhǔn)源的輸出才可以保持好的性能。根據(jù)放大器和能隙基準(zhǔn)源原理可得:
(1)
由(1)式可知,電路中放大器的輸入失調(diào)電壓幾乎為零,故穩(wěn)定后REF點(diǎn)的電壓值為:
(2)
因PNP晶體管的基極和集電極相連,故VQ1值相當(dāng)于晶體管中BE結(jié)二極管的正向壓降VBE值,為0.6~0.8V。
晶體管中BE結(jié)溫度系數(shù)為負(fù),電阻溫度系數(shù)為正,在(2)式中VQ1和VR6隨溫度的變化可以相互補(bǔ)償,故該基準(zhǔn)源的輸出VREF對(duì)溫度變化不敏感。電壓調(diào)節(jié)電路是穩(wěn)壓電路中的核心部分,包括兩個(gè)一級(jí)CMOS差分放大電路COMP和電壓調(diào)節(jié)及反饋電路,如圖5。
兩個(gè)差分放大器的輸入由分壓電阻得到。比較放大后經(jīng)反饋調(diào)節(jié)和限流保護(hù)電路得到MA1和MB1,以控制電源開關(guān)電路中開關(guān)管的開啟和截止。
電源開關(guān)電路由儲(chǔ)能電容,NMOS管構(gòu)成的整流器及開關(guān)電路組成,如圖6所示。P1、P2直接連到線圈L0的兩端。通過電磁耦合在P1、P2上感應(yīng)出交流電;經(jīng)整流后,在儲(chǔ)能電容C0端產(chǎn)生直流電壓VDD。調(diào)壓電容C5在N2管導(dǎo)通后構(gòu)成放電回路,使P1、P2上的電流開始對(duì)C5充電而停止對(duì)C0充電,C0兩端電壓保持穩(wěn)定,即為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的電源電壓。
(2)調(diào)制解調(diào)模塊
閱讀器和卡之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a不一樣,卡中的調(diào)制和解調(diào)也不同??ê烷喿x器之間的傳輸協(xié)議是半雙工模式,在卡中接收到的信號(hào)是閱讀器發(fā)來的載波信號(hào)和“變形Miller編碼”信號(hào)的100%的ASK調(diào)制信號(hào),所以在解調(diào)時(shí)采用的也就只是進(jìn)行簡單的RC解調(diào),將高頻載波信號(hào)過濾掉,如圖7(a)所示。
在調(diào)制時(shí),協(xié)議中采用的是負(fù)載調(diào)制的振幅鍵控的副載波調(diào)制。不僅可以用調(diào)控電容進(jìn)行負(fù)載調(diào)制,還可以用調(diào)控電阻進(jìn)行負(fù)載調(diào)制。由于電容和電阻比較起來面積較大,故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了調(diào)控電阻來進(jìn)行負(fù)載調(diào)制,內(nèi)部經(jīng)過編碼和數(shù)字調(diào)制的副載波信號(hào),通過控制NMOS開關(guān)管來控制調(diào)控電阻的接通和斷開,這樣副載波調(diào)制信號(hào)就可以通過天線發(fā)送,如圖7(b)。
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