非接触式ic卡射频前端电路设计

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1、非接触式IC卡射频前端电路设计 摘要：给出了一种基于ISO/IEC1444322标准的非接触式IC射频前端电路设计方案,详细叙述了典型模块的设计思路。本设计采用0.8umCMO工艺流水,设计工作频率为13.56MHz,数据传输速率为106kbps。文中给出了Hspice模拟和相应的芯片测试结果,验证了设计。关键词：CMOS工艺;射频前端;半波整流;调制;解调引言非接触式IC卡源于射频识别技术的产生与发展。射频识别即RadioFrequencyIdentification(简称RFID)是从90年代兴起的一项自动识别技术,它利用无线通信技术进行非接触双向通信,以达到识别和交换数据的目的。与早期

2、识别技术相比,射频识别具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷、环境适用性较好、可以实现多目标、移动目标识别等一系列优点,在近年来获得了极为迅速的发展。本文提出的是一种基于ISO/IEC1444322标准B型非接触式IC卡的射频前端电路设计方案,它利用较简单的电路形式满足了相关性能要求。该设计已经在上华半导体公司(CSMC)通过流片验证。分步工作即以通信时间的延长为代价的。同时,它也不适用于常规的数字信号处理器,除非在外加时钟的情况下可以采用常规的DSP。而对于B型卡,由于它采用10%ASK调制,仅用10%的能量传输数据,当受到噪声干扰时显然会由于信号能量太弱而影响信号的可靠性,有可

3、能使读卡器产生误码,将缩短其有效读卡距离,同时卡上的数字信号处理器并未用到所供给的全部能量。它能保证能量的无中断供给,可以实现数据传输与处理的同步进行,在一定程度上缩短了通信时间。在编码方式上,由于A型卡采用改进密勒(ModifiedMiller)编码和曼彻斯特(Manchester)编码,因而速度很快,必须采用专门的硬件解码;而B型卡采用不归零码(NRZ)比较易于实现软件解码。在防碰撞策略上,A型卡的Mifare方案采用比特碰撞检测,速度很快,由此也必须采用硬件实现;B型卡所采用的时隙ALOHA(SlotedALOHA)方案为通用协议,采用信息级碰撞检测,可直接用软件控制。就非接触式IC卡

4、的电路设计而言,由于卡与读卡器的工作距离很近,同时读卡器发射信号功率也比较大,因此读卡器信号传输过程中所受的干扰对信号质量的影响并不太大,从而可以保证比较高的信噪比;与此相对应的是,卡上发射信号功率相对很弱,比较容易受干扰。故此,设计过程中对于读卡器信号的调制不用刻意考虑抗噪声性能,而应着重考虑信号恢复的难易程度和它对通信性能的影响;对于射频卡的发射信号而言,其调制方式则应主要考虑抗干扰性。从另一方面来看,出于对成本的考虑要求芯片面积尽量小、成品率尽可能的高,因此要求电路形式的简单化。综合性能和复杂度的考虑,B型卡在RF前端电路中引入了分频电路来产生副载波(副载波频率为载波频率的1/16,数

5、字部分的时钟由此副载波再经分频产生),数字部分产生的数据信号先以BPSK方式对此副载波进行调制,调制后的信号再以调幅的方式叠加在高频载波上经天线发出,这样就以相对简单的电路形式实现了以较低误码率进行传输的目的。由于无论是载波还是副载波均由基站信号产生,因此在基站处进行解调时不用考虑相干信号的产生问题(若不考虑卡与基站之间距离引起的相位变化,则基站本身的发射载波信号与射频卡的发射信号同频同相,当然,精确的解调仍需引入同步系统)。对于基站信号的调制方式,主要应考虑解调的难易,因此采用了最简单的ASK调制,具体操作时,可适当加大基站电路的复杂性,保证输出已调信号的幅度和质量,降低卡接收信号解调后的

6、误码率。综合上述技术分析,采用了TypeB标准作为设计和验证依据。电路模块设计非接触式IC卡通常包括射频接口电路和数据处理单元两部分。射频接口部分电路模块如图1所示,它包括电源产生电路、限压电路、时钟发生器(包括整流电路和分频电路组成),上电复位电路、调制与解调电路等部分组成。当卡进入读卡器产生的磁场区时,由天线耦合的信号经由电源产生电路产生片上工作电压,在工作电压满足要求后,上电复位电路给出低电平信号,数字部分即转入正常工作状态。解调电路从天线接收的调幅信号中恢复出数字信息送往数字处理器,而调制电路则将数字处理器的输出数据调制发射,完成读卡器和卡之间的通信。下面将阐述部分典型电路的设计思路

7、。图1　射频前端电路模块图电源产生电路电源产生电路将射频信号整流获取电路的工作电压。考虑到电路的简化,采用一个半波整流电路来完成射频信号的包络提取,形成电源。但半波整流电路对滤波电容的充电仅发生在交变电压的一个半周期内,转换速度和效率不高;作为直流电源对负载供电时,电压波动较大,而且是由于负载的放电效应使得包络检波的灵敏度大为降低。因此兼顾提高整流效率和降低输出电压的纹波因数,在不失简单性的前提下,对半波整流