用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設(shè)計

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：成都電子科技大學(xué) 李海華 王豪才   人氣： 發(fā)表時間：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)計方案，分析該接口電路各個模塊的結(jié)構(gòu)和整個電路的工作過程。事實表明，該高頻接口電路實現(xiàn)了對接收能量的轉(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)計非接觸IC卡的技術(shù)不夠成熟。高頻接口電路設(shè)計是非接觸式IC卡設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，文中將介紹一種高頻接口電路的設(shè)計。

　　1 IC卡的基本結(jié)構(gòu)

　　圖1是一個具有邏輯加密功能的非接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)方塊圖。對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、存儲器等部分。

　　2 高頻接口模塊設(shè)計

　　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，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一步加工的數(shù)字式串行數(shù)據(jù)流(數(shù)據(jù)輸入)。時鐘脈沖產(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)時鐘。圖2為具有負載調(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，將載波信號轉(zhuǎn)變成直流信號，以作為非接觸IC卡內(nèi)部芯片的電源使用；同時不能因為閱讀器發(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)來的信號從載波信號中取下來；在IC卡發(fā)送信號時將內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并上載到載波信號中以傳輸給閱讀器。

(1)整流穩(wěn)壓模塊的設(shè)計

　　該模塊主要包括基準源電路、電壓調(diào)節(jié)電路和電源開關(guān)電路。基準源電路由二級CMOS差分放大電路和晶體管電路構(gòu)成的能隙基準源組成。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。二級差分放大器的兩個輸入連接在Q1端和Q2端。由基準源原理可知，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，基準源的輸出才可以保持好的性能。根據(jù)放大器和能隙基準源原理可得：
（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，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償，故該基準源的輸出VREF對溫度變化不敏感。電壓調(diào)節(jié)電路是穩(wěn)壓電路中的核心部分，包括兩個一級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C5充電而停止對C0充電，C0兩端電壓保持穩(wěn)定，即為負載電路提供穩(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是閱讀器發(fā)來的載波信號和“變形Miller編碼”信號的100%的ASK調(diào)制信號，所以在解調(diào)時采用的也就只是進行簡單的RC解調(diào)，將高頻載波信號過濾掉，如圖7（a）所示。
　　　　　　　
　　在調(diào)制時，協(xié)議中采用的是負載調(diào)制的振幅鍵控的副載波調(diào)制。不僅可以用調(diào)控電容進行負載調(diào)制，還可以用調(diào)控電阻進行負載調(diào)制。由于電容和電阻比較起來面積較大，故在設(shè)計時采用了調(diào)控電阻來進行負載調(diào)制，內(nèi)部經(jīng)過編碼和數(shù)字調(diào)制的副載波信號，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)制信號就可以通過天線發(fā)送，如圖7（b）。

參考文獻
1 王愛英. 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. 論非接觸IC卡技術(shù). 計算機工程與應(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