用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.botanicstilllife.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

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(guò)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(wú)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(guó)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(lái)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(chǎng)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(lái)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(lái)的不間斷載波而使芯片內(nèi)部電源電壓無(wú)限增大。調(diào)制解調(diào)模塊主要是將閱讀器發(fā)來(lái)的信號(hào)從載波信號(hào)中取下來(lái)；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(kāi)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(kāi)關(guān)電路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟和截止。

　　電源開(kāi)關(guān)電路由儲(chǔ)能電容，NMOS管構(gòu)成的整流器及開(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)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(jiǎn)單的RC解調(diào)，將高頻載波信號(hào)過(guò)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(lái)面積較大，故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了調(diào)控電阻來(lái)進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，內(nèi)部經(jīng)過(guò)編碼和數(shù)字調(diào)制的副載波信號(hào)，通過(guò)控制NMOS開(kāi)關(guān)管來(lái)控制調(diào)控電阻的接通和斷開(kāi)，這樣副載波調(diào)制信號(hào)就可以通過(guò)天線發(fā)送，如圖7（b）。

參考文獻(xiàn)
1 王愛(ài)英. 智能卡技術(shù)IC卡. 第2版. 北京：清華大學(xué)出版社，2000
2 Klaus Finkenzeller. 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù). 第2版. 陳大才編譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2001
3 楊肇敏，張忠會(huì). 論非接觸IC卡技術(shù). 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1999（12）
4 International Standard ISO/IEC 14443. Identification Cards. Contactless Integrated Circuit(s) Card-Proximity Cards. Part 2: Radio frequency power and signal interface
5 王卓人，鄧晉鈞，劉宗祥. IC卡的技術(shù)與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，1999