用于非接觸式IC卡的高頻接口模塊設計

文章出處：http://www.jrzgy.com 作者：成都電子科技大學 李海華 王豪才   人氣： 發表時間：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模塊的結構和整個電路的工作過程。事實表明，該高頻接口電路實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

隨著微電子和無線通信技術的發展，非接觸式IC卡技術也得到蓬勃發展，但國內設計非接觸IC卡的技術不夠成熟。高頻接口電路設計是非接觸式IC卡設計的關鍵技術之一，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接口。它從芯片外的耦合線圈上得到感應電流，整流穩壓后給芯片提供電源。從閱讀器發射出來的調制高頻信號，在高頻界面經解調后重新構建一產生在邏輯控制電路中進一步加工的數字式串行數據流(數據輸入)。時鐘脈沖產生電路從高頻場的載波頻率中產生出用于數據載體的系統時鐘。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來的載波，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；同時不能因為閱讀器發來的不間斷載波而使芯片內部電源電壓無限增大。調制解調模塊主要是將閱讀器發來的信號從載波信號中取下來；在IC卡發送信號時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關電路。基準源電路由二級CMOS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，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。

　　兩個差分放大器的輸入由分壓電阻得到。比較放大后經反饋調節和限流保護電路得到MA1和MB1，以控制電源開關電路中開關管的開啟和截止。

　　電源開關電路由儲能電容，NMOS管構成的整流器及開關電路組成，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上感應出交流電；經整流后，在儲能電容C0端產生直流電壓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。卡和閱讀器之間的傳輸協議是半雙工模式，在卡中接收到的信號是閱讀器發來的載波信號和“變形Miller編碼”信號的100%的ASK調制信號，所以在解調時采用的也就只是進行簡單的RC解調，將高頻載波信號過濾掉，如圖7（a）所示。
　　　　　　　
　　在調制時，協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行負載調制，還可以用調控電阻進行負載調制。由于電容和電阻比較起來面積較大，故在設計時采用了調控電阻來進行負載調制，內部經過編碼和數字調制的副載波信號，通過控制NMOS開關管來控制調控電阻的接通和斷開，這樣副載波調制信號就可以通過天線發送，如圖7（b）。

參考文獻
1 王愛英. 智能卡技術IC卡. 第2版. 北京：清華大學出版社，2000
2 Klaus Finkenzeller. 射頻識別(RFID)技術. 第2版. 陳大才編譯. 北京：電子工業出版社，2001
3 楊肇敏，張忠會. 論非接觸IC卡技術. 計算機工程與應用，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卡的技術與應用. 北京：電子工業出版社，1999