用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.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基本結構的基礎上，介紹一種應用于非接觸式IC卡的高頻接口電路的設計方案，分析該接口電路各個(gè)模塊的結構和整個(gè)電路的工作過(guò)程。事實(shí)表明，該高頻接口電路實(shí)現了對接收能量的轉換和整流穩壓，為內部邏輯電路提供了穩定的電壓，可以應用于非接觸式IC卡芯片中。

　　引 言

隨著(zhù)微電子和無(wú)線(xiàn)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，但國內設計非接觸IC卡的技術(shù)不夠成熟。高頻接口電路設計是非接觸式IC卡設計的關(guān)鍵技術(shù)之一，文中將介紹一種高頻接口電路的設計。

　　1 IC卡的基本結構

　　圖1是一個(gè)具有邏輯加密功能的非接觸式IC卡的結構方塊圖。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(xiàn)線(xiàn)圈（耦合線(xiàn)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 高頻接口模塊設計

　　IC芯片內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的數字電路之間的一個(gè)接口。它從芯片外的耦合線(xiàn)圈上得到感應電流，整流穩壓后給芯片提供電源。從閱讀器發(fā)射出來(lái)的調制高頻信號，在高頻界面經(jīng)解調后重新構建一產(chǎn)生在邏輯控制電路中進(jìn)一步加工的數字式串行數據流(數據輸入)。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路從高頻場(chǎng)的載波頻率中產(chǎn)生出用于數據載體的系統時(shí)鐘。圖2為具有負載調制器的高頻界面方框圖。
　　為了將芯片內處理后的數據傳回到閱讀器，高頻界面也包括有負載波調制器或反向散射調制器。它們由傳送的數字化數據控制。

　　圖3為卡的模塊結構框圖。整流穩壓模塊主要是接收閱讀器發(fā)來(lái)的載波，將載波信號轉變成直流信號，以作為非接觸IC卡內部芯片的電源使用；同時(shí)不能因為閱讀器發(fā)來(lái)的不間斷載波而使芯片內部電源電壓無(wú)限增大。調制解調模塊主要是將閱讀器發(fā)來(lái)的信號從載波信號中取下來(lái)；在IC卡發(fā)送信號時(shí)將內部的數字信號轉換成模擬信號，并上載到載波信號中以傳輸給閱讀器。

(1)整流穩壓模塊的設計

　　該模塊主要包括基準源電路、電壓調節電路和電源開(kāi)關(guān)電路?；鶞试措娐酚啥塁MOS差分放大電路和晶體管電路構成的能隙基準源組成。其結構如圖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(gè)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電壓很小，并且不受溫度的影響時(shí)，基準源的輸出才可以保持好的性能。根據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電壓幾乎為零，故穩定后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值相當于晶體管中BE結二極管的正向壓降VBE值，為0.6~0.8V。

　　晶體管中BE結溫度系數為負，電阻溫度系數為正，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。電壓調節電路是穩壓電路中的核心部分，包括兩個(gè)一級CMOS差分放大電路COMP和電壓調節及反饋電路，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)反饋調節和限流保護電路得到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)電路由儲能電容，NMOS管構成的整流器及開(kāi)關(guān)電路組成，如圖6所示。P1、P2直接連到線(xiàn)圈L0的兩端。通過(guò)電磁耦合在P1、P2上感應出交流電；經(jīng)整流后，在儲能電容C0端產(chǎn)生直流電壓VDD。調壓電容C5在N2管導通后構成放電回路，使P1、P2上的電流開(kāi)始對C5充電而停止對C0充電，C0兩端電壓保持穩定，即為負載電路提供穩定的電源電壓。
　　　　　　　　　
(2)調制解調模塊

　　閱讀器和卡之間數據傳輸的編碼不一樣，卡中的調制和解調也不同?？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(lái)的載波信號和“變形Miller編碼”信號的100%的ASK調制信號，所以在解調時(shí)采用的也就只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的RC解調，將高頻載波信號過(guò)濾掉，如圖7（a）所示。
　　　　　　　
　　在調制時(shí)，協(xié)議中采用的是負載調制的振幅鍵控的副載波調制。不僅可以用調控電容進(jìn)行負載調制，還可以用調控電阻進(jìn)行負載調制。由于電容和電阻比較起來(lái)面積較大，故在設計時(shí)采用了調控電阻來(lái)進(jìn)行負載調制，內部經(jīng)過(guò)編碼和數字調制的副載波信號，通過(guò)控制NMOS開(kāi)關(guān)管來(lái)控制調控電阻的接通和斷開(kāi)，這樣副載波調制信號就可以通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送，如圖7（b）。

參考文獻
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