宽带渐进式标签的制作方法
【专利摘要】在一个实施例中，提供了一种RFID装置，包括具有输入阻抗用于接收RF信号的输入电路。RF信号转换器响应于接收到RF信号，提供装置操作功率信号。阻抗电路响应于由状态机逻辑电路提供的至少一个选择信号，提供并选择阻抗值。状态机逻辑电路响应于装置操作功率信号，提供选择信号，用来选择阻抗值，并允许改变输入阻抗用于调谐RFID装置。
【专利说明】宽带渐进式标签
【技术领域】
[0001]本公开涉及射频识别(RFID)装置及相应的方法。
【背景技术】
[0002]射频识别(RFID)标签和读取器系统可以在很宽的频率范围上工作，包括低频(LF)应用、高频(UHF)应用和超高频(UHF)应用。根据它们的应用，各种环境因素可导致RFID标签的失谐，从而改变了对于优质通信而言必要的工作频率并可能影响RFID标签的接收功率和读取范围。
[0003]在这样的RFID标签中，无源标签和其中所含的集成电路之间的功率匹配取决于RF到DC转换器和天线的输入阻抗。例如，在金属、液体、材料存在和/或处于其他标签附近时，RFID标签天线可能由于来自金属、液体、材料的吸收或者由于其他标签的边界条件提供的寄生电容而失谐。失谐也可以由标签以及标签IC的电容的变动以及由工艺和/或封装导致的标签电感的变动引起。
【发明内容】
[0004]本公开的方案涉及提供无源RFID装置，补偿由各种因素如静态环境、集成电路工艺变动、标签变动而产生的失谐，以及由于靠近其他标签而产生的失谐。
[0005]在一个实施例中，提供了一种RFID装置，包括具有输入阻抗用于接收RF信号的输入电路。响应于接收到RF信号，RF信号转换器提供装置操作功率信号。RFID装置还包括阻抗电路，响应于由状态机逻辑电路提供的至少一个选择信号，提供并选择阻抗值。状态机逻辑电路响应于装置操作功率信号，提供选择信号，用来选择阻抗值，并允许改变输入阻抗用于调谐RFID装置。
[0006]本公开的方案还涉及具有输入阻抗的RFID装置，输入阻抗由于基于环境的阻抗影响而易于发生改变。这些装置包括具有输入阻抗用于接收RF信号的输入电路。响应于接收到RF信号，RF信号转换器被设置为提供装置操作功率信号。响应于由状态机逻辑电路提供的至少一个选择信号，电容电路提供并选择电容值。状态机逻辑电路被配置为响应于装置操作功率信号，提供选择信号，用于选择阻抗值，并允许通过对装置进行调谐来改变输入阻抗以补偿基于环境的阻抗影响。本公开的方案还涉及使用在此描述的装置的方法。
[0007]本公开的方案还涉及如下方法，包括:提供RFID电路，所述RFID电路具有输入电路，所述输入电路具有输入阻抗用于接收RF信号，并提供RF信号转换器，用于响应于接收到RF信号提供操作功率。阻抗电路用来响应于至少一个选择信号，提供并选择阻抗值。此夕卜，状态机逻辑电路响应于RF信号转换器，通过在启动模式期间提供操作功率，用来产生至少一个选择信号，所述至少一个选择信号选择阻抗值来改变输入阻抗，从而对装置进行调谐。
[0008]上面的讨论不是用来描述每个实施例或每一个实现方式。附图和接下来的描述也举例说明了多种实施例。【专利附图】
【附图说明】
[0009]考虑以下结合附图的详细描述，各种示例性实施例可以被更为完全地理解，附图中:
[0010]图1A示出了根据本公开的示例性实施例的RFID装置的示例框图；
[0011]图1B不出了根据本公开的不例性实施例的RFID标签和读取器；
[0012]图2示出了根据本公开的其他示例性实施例的RFID装置的示例框图；
[0013]图3示出了根据本公开的RFID装置的电路级图示；
[0014]图4示出了本公开的多个实施例中包括的非易失性开关的横截面；
[0015]图5示出了写模式中根据本公开的使用非易失性开关的单元差分电容器；
[0016]图6示出了读模式信号根据本公开的使用非易失性开关的单元差分电容器；
[0017]图7示出了根据本公开的使用非易失性开关的电容器组的示例性实施例；
[0018]图8A示出了根据本公开实施例的电容器组调谐步长；
[0019]图SB示出了根据本公开实施例的电容器组调谐范围；
[0020]图SC示出了根据本公开实施例的电容器组品质因数；
[0021]图9示出了根据本公开示例性实施例的RF到DC整流器和电容器组的启动行为的示例；
[0022]图10示出了本公开多个实施例中使用的两级辅助泵；
[0023]图11示出了本公开多个实施例中使用的全波整流器；
[0024]图12示出了本公开多个实施例中使用的半波整流器。
【具体实施方式】
[0025]虽然本公开可以修改为各种改型和替代形式，但是其一些示例已经在附图中示例性示出，并且将被详细描述。然而，应当理解，其目的不是要将本公开限制为所示出和/或描述的具体实施例。相反，目的在于覆盖落在本公开的精神和范围内的所有改型、等同物和替换。
[0026]本公开的实施例涉及一种RFID装置以及使用该装置的方法，该装置包括输入电路、阻抗电路和状态机逻辑电路，并被设置为允许改变RFID装置的输入阻抗。对于这样的RFID应用，更具体的实施例已被发现是特别有利的，其中，转换器是RF到DC转换器，其中DC分量用来提供功率信号。在某些实施例中，该RFID装置的输入电路具有用于接收RF信号的输入阻抗。在某些实施例中，输入阻抗是被调谐为独立于RF调制参数的电容。响应于接收到RF信号，RF信号转换器提供装置操作功率信号。此外，阻抗电路(例如，电容电路组)响应于至少一个选择信号，提供并选择阻抗值。状态机逻辑电路响应于由RF信号转换器提供的装置操作功率信号，提供选择信号，用于选择阻抗值，并允许改变输入阻抗来调谐RFID装置。在某些实施例中，选择信号包括第一信号和另一信号。在这些情况下，RFID装置的逻辑电路针对第一模式和另一模式操作状态机逻辑电路，其中在第一模式中施加第一信号，而在另一模式中施加另一信号。
[0027]在另一些实施例中，阻抗电路包括一组电容电路，其中每个电容电路响应于选择信号提供电容值。此外，在其他实施例中电容电路组是单元可选择的，每个单元可选择电容电路响应于选择信号提供电容值。
[0028]在某些实施例中，根据本公开的阻抗电路包括可选择电容电路(具有多个非易失性开关)。在某些情况下，多个非易失性开关是MOS器件开关，其中，通过控制这多个非易失性MOS器件开关中至少一个MOS器件的阈值电压来改变单元电容。此外，在RFID装置的使用期间，阻抗电路可被进一步配置用于编程作为谐振电容器。
[0029]此外，RFID装置的多个实施例的阻抗电路包括具有多个非易失性MOS器件开关的可选择电容电路，其中通过控制这多个非易失性MOS器件开关中至少一个MOS器件的阈值电压来改变单元电容。另外，在其他具体实施例中，阻抗电路将包括一组单元可选择电容电路，提供默认电容值，从该默认电容值开始改变输入阻抗来对装置进行调谐。阻抗电路的多个实施例还设有具有多个非易失性MOS器件开关的可选择电容电路，其中通过影响这多个非易失性MOS器件开关中至少一个MOS器件的阈值电压来控制单元电容。
[0030]在某些实施例中，RFID装置还可以包括电荷泵电路，辅助RF信号转换器响应于接收到RF信号提供装置操作功率信号。此外，在其他实施例中，RFID装置可以包括电荷泵，除了辅助RF信号转换器响应于接收到RF信号提供装置操作功率信号之外，辅助发生在对该装置进行操作的启动模式期间。在电荷泵在对装置进行操作的启动模式期间进行辅助的RFID装置实施例中，电荷泵可设置为在对装置进行操作的启动模式之后不辅助RF信号转换器。
[0031]RF信号通常携带数据。因此，由根据本公开的RFID装置接收且在信号被转换之前的RF信号可以包括数据信号和用于对无源RFID标签供电的功率信号。此外，因为信号可包括功率和数据信号，功率信号例如可以用作备用电源对有源RFID标签供电。
[0032]此外，该RFID装置的某些实施例包括逻辑电路，该逻辑电路针对第一模式和另一模式操作状态机。在第一模式中，施加第一电压来改变阈值电压，用于改变阻抗电路中可选择电路的阻抗值。当工作在另一模式时，施加另一电压用于改变阻抗电路中的阻抗值。
[0033]本公开的方案还涉及RFID装置，具有由于基于环境的阻抗影响而易于发生改变的输入阻抗。该RFID装置包括具有输入阻抗用于接收RF信号的输入电路。此外，该RFID装置中包括RF信号转换器，提供装置操作功率信号(响应于接收到RF信号)。另外，该RFID装置具有电容电路，响应于至少一个选择信号提供(并选择)电容值。该RFID装置还包括状态机逻辑电路，响应于装置操作功率信号，提供选择信号，来选择阻抗值，并允许通过对装置进行调谐来改变输入阻抗以补偿基于环境的阻抗影响。
[0034]在某些更具体的实施例中，该电容电路包括一组电容器，每个电容器响应于至少一个选择信号提供电容值。在其它实施例中，该电容电路还提供默认的电容值，从该默认电容值开始改变输入阻抗以对装置进行调谐。
[0035]根据本公开的方案，无源RFID标签装置可以使用输入电路、RF信号转换器、阻抗电路和逻辑电路构成。
[0036]在RFID装置中，调整可编程的输入阻抗(或电容)可以补偿失谐。这种输入电容是与信号无关的，使得调制与解调不会影响或改变输入电容，即如同使用变容二极管的情况。非易失性开关可用于调整输入电容。以这种方式，开关不需要大量的DC电压来减小开关的导通电阻。非易失性开关的使用缓解了不适合RF供电电路(无源系统)的“启动问题”。在电容器组中不使用非易失性开关，RF到DC转换器的启动输出为零。结果，谐振电路被调谐到高频。整流器接收的功率不足以开启电容器组的开关。
[0037]现在参照附图，图1A示出了根据本公开方案的RFID装置100的示例性实施例。该RFID装置100包括输入电路110，具有输入阻抗用于接收RF信号105。响应于接收到RF信号105，RF信号转换器115提供装置操作功率信号120到状态机逻辑电路125。阻抗电路140响应于由状态机逻辑电路125提供的至少一个选择信号130，提供并选择阻抗值。状态机逻辑电路125响应于装置操作功率信号120，提供选择信号130，用于选择阻抗值，从而允许改变输入阻抗以调谐RFID装置100。
[0038]在某些实施例中，阻抗电路140包括一组电容电路。这些电路在下面例如参照图3-7进一步详细示出，并且可以包括如图中所示的多个非易失性开关(M0S型)。在某些实施例中，阻抗电路140中包括的电容电路组被设计来响应于选择信号130提供电容值。
[0039]图1A中的方框100在图1B中示出，实现为RFID标签150的一部分。图1B示出RFID标签150和RFID读取器155的框图。RFID标签150包括RF到DC转换器160、低压差稳压器165、时钟发生器170、幅移键控(ASK)调制器/解调器175、基带处理器180和天线185。ASK调制是一种调制形式，将数字信号表示为载波信号的振幅变化。在RFID应用中，振幅ASK调制用来改变RF信号195的振幅，以便传输存储在RFID标签150中的数据。标签存储上的数据，例如基带处理器180中存储的数据，通过ASK调制器175编码到RF信号195上。以这种方式，RFID标签150可以使用ASK解调器175来解码通过RF信号195发送的数据。其他类型的调制(例如，频移键控(FSK)、相移键控(PSK))也可用于在RF信号上传输数据。
[0040]图2示出了输入阻抗容易因基于环境的阻抗影响235而改变的RFID装置200的示例性实施例。该RFID装置200具有输入电路210，具有输入阻抗用于接收RF信号205。响应于接收到RF信号205，RF信号转换器215提供装置操作功率信号220。电容电路240响应于由状态机逻辑电路225提供的至少一个选择信号230，提供并选择电容值。状态机逻辑电路225被配置为响应于装置操作功率信号220，提供选择信号230，用来选择阻抗值，并允许通过对装置200进行调谐来改变输入阻抗，以便补偿基于环境的阻抗影响235。
[0041]在某些实施例中，电容电路240包括如图所示的多个非易失性开关(M0S型)。在某些实施例中，电容电路240中包括的电容电路组被设计来响应于选择信号230提供电容值。这些电路和开关在下面例如参照图3-7进一步详细示出。
[0042]图3示出了在本文描述的RFID装置中使用的方案的电路级图示。如图3所示，向电容器组300 (或阻抗电路)提供LA和LB信号。RFID装置可选地可以包括辅助多级电荷泵310。如果输入电压较小，该电荷泵有助于建立较高的DC电压以克服开关的导通电阻。此夕卜，该电路包括状态机电路335和衰减器320以避免在调谐过程中的限幅(clipping) 305。
[0043]在电容器组的大调谐范围，添加辅助电荷泵310可能不足以使标签在读模式下启动。如下面更详细所述，非易失性开关包括在电容器组300中，以便在没有输入RF信号时使这些开关接通。RF到DC转换器325耦合到辅助电荷泵310 (当存在时)、电容器组300和衰减器320以避免限幅305。
[0044]图3所示的电路可工作在两种模式:写模式和读模式。在写模式中，标签和读取器之间的距离应减小，以便为标签提供足够的能量。读取器通过向标签发送一专门命令来触发调谐过程，以便激活状态机335。状态机335调节衰减器320和电容器组300的调谐字来改善标签输入处的功率匹配。最终的调谐字被写入EEPR0M304。在写模式期间不需要辅助电荷泵310。在读模式中，EEPR0M340的输出连接到电容器组300。辅助电荷泵一旦其输出超过给定的参考电压则被关闭。在标签正常操作期间关闭辅助电荷泵有助于使主整流器的效率最大化。
[0045]调谐字存储在EEPR0M340，也用来改变电容器组300中使用的非易失性开关的阈值。为了关断电容器组中的单元电容，增加相应开关的阈值电压。为了接通单元电容，降低相应开关的阈值电压。非易失性开关可以是PMOS或nMOS。根据开关是否应该接通或关断，存储在EEPR0M340中的调谐字用来改变控制栅和漏/源电压，如图4中更加详细所示。图3还示出在写/读模式中起辅助作用的解复用器345、提供信号到状态机335的振荡器电路330、保持稳定工作电压的低压差稳压器350以及用于对低压差稳压器350的输出和参考电压Vref进行比较的比较器315。
[0046]图4示出本公开多个实施例中使用的非易失性开关的截面图。非易失性开关包括堆叠在衬底435上的控制栅400、极间介电层405、浮栅410、隧穿氧化层415。源420和漏430由控制栅400控制来相应地接通或关断开关425。
[0047]单元电容使用nMOS开关的电路实施方式在图5和图6中示出。使用pMOS开关可以实现类似的结构。单元电容具有两种模式:如图5所示的写模式与如图6所示的读模式。图5中示出的图示说明在写模式中为了接通开关，高电压(例如，> 10V)被施加到开关的源和漏。控制栅强制接地。这导致nMOS器件的阈值电压降低。此外，如图5所示，为了在写模式中关断开关，高电压(例如，> 10V)必须被施加到开关的控制栅。源和漏强制接地。这导致阈值电压增加。
[0048]如图6所示，在读模式中，为了减小开关接通时的导通电阻，nMOS开关的漏/源通过高欧姆电阻器被DC接地，同时控制栅偏置在VDD。为了增加开关关断时的截止电阻，nMOS开关的漏/源通过高欧姆电阻器偏置在VDD，同时控制栅接地。针对开关的调谐字存储在EEPROM中，也可以用来改变其阈值。
[0049]图7示出了使用nMOS非易失性开关的五比特电容器组的电路级图示的示例性实施方式。标签的输入电容可以以255fF的步长从19.5pF调谐到27.4pF。
[0050]图8A示出了针对如图7所示的电容器组，电容器组调谐步长相对于调谐字的变化。图8A针对多种阈值偏移(AVT)和低压差稳压器输出(VDD)示出了电容器组调谐步长:Λντ = IV，VDD = OV(800) ； AVT = IV, VDD = 2V(805) ； AVT = IV, VDD = OV(810)；以及AVT = 1.5V, VDD = 2V(815)。图8B针对多种阈值偏移(AVT)和低压差稳压器输出(VDD)示出了电容器组的调谐范围。在图SC中针对多种阈值偏移(AVT)和低压差稳压器输出(VDD)给出了实现的标签品质因数。启动时(VDD = 0)的品质因数取决于写阶段积累的阈值降低的量。使用小于IV的阈值降低，对于超过28的调谐字实现的品质因数将小于
19。在这种情况下，辅助电荷泵可以有助于标签启动。一旦标签已经启动(VDD = 2V)，品质因数不再取决于阈值偏移。
[0051]图9针对不同的阈值偏移示出了测得的RF到DC整流器和电容器组的启动行为。没有阈值偏移，系统无法启动。阈值偏移越高，启动时间变的越快。当可以实现大的阈值偏移时，不再需要辅助电荷泵。
[0052]示例辅助电荷泵的示意图在图10中示出。它包括两个整流级1000，可以扩展到包括更多级。在掉电模式下，这些级的输出通过开关MPl和MP3短路到输入。每个整流级1000是全波整流器，且在图n中示出。半波整流器的示意图在图12中示出。主整流器包括MNO和MP2，被AC耦合到LA输入端。这些整流器使用MN6和MP3被预偏置。该整流器可以使用pwdn引脚而被置于掉电模式。掉电模式通过关闭主整流器MNO和MP2实现。
[0053]RFID装置中的低频(LF)应用通常工作在125kHz，而高频(HF)应用通常工作在13.56MHz，超高频(UHF)应用通常工作在840MHz至960MHz。RFID标签和读取器系统的“读取范围”通常被定义为读取器可以与标签进行通信的距离。无源LF和HF应用提供从几厘米到I米的读取范围，对于成功通信通常需要RFID标签在距读取器的这个距离之内。无源UHF应用可以提供更长的读取范围，允许RFID标签在距读取器的2米到12米或更长的范围内成功通信。
[0054]在UHF无源标签情况下，需要120MHz的最小带宽使这些标签适用于欧洲、日本和美国市场。这可能会导致低的品质因数。然而，本公开的方案扩展高品质因数UHF标签的带宽，并提高RF到DC转换器的效率，从而提高读取范围。
[0055]基于上述讨论和说明，本领域技术人员应很容易认识到，可以不严格按照本文示出和描述的示例性实施例及应用，而做出各种修改和改变。此外，不同实施例的多种特征可以按多种组合来实现。这些修改没有脱离本公开的真正精神和范围，包括在所附权利要求中阐述的精神和范围。
【权利要求】
1.一种RFID装置，包括: 输入电路，具有输入阻抗用于接收RF信号； RF信号转换器，被配置和设置为响应于接收到RF信号，提供装置操作功率信号； 阻抗电路，被配置和设置为响应于至少一个选择信号，提供并选择阻抗值；以及 状态机逻辑电路，被配置和设置为响应于装置操作功率信号，提供所述至少一个选择信号，用于选择阻抗值，并允许改变输入阻抗用于对装置进行调谐。
2.如权利要求1所述的RFID装置，其中，输入电路、RF信号转换器、阻抗电路和逻辑电路被配置和设置为无源RFID标签装置的一部分。
3.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括电容电路组。
4.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括电容电路组，该组中的每个电容电路被配置和设置为响应于至少一个选择信号提供电容值。
5.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括单元可选择电容电路组，该组中的每个电容电路被配置和设置为响应于至少一个选择信号提供电容值。
6.如权利要求1所述的RFID装置，其中，输入阻抗是电容，所述电容被调谐为独立于RF调制参数。
7.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括具有多个非易失性开关的可选择阻抗电路。
8.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括具有多个非易失性MOS器件开关的可选择电容电路，其中通过控制所述多个非易失性MOS器件开关中至少一个MOS器件的阈值电压来改变单元电容。
9.如权利要求1所述的RFID装置，其中，在RFID装置使用期间，阻抗电路被进一步配置和设置用于编程作为谐振电容器。
10.如权利要求1所述的RFID装置，其中，RF信号转换器是RF到DC转换器，所述RFID装置进一步包括电荷泵电路，所述电荷泵电路被配置和设置为辅助RF信号转换器响应于接收到RF信号提供装置操作功率信号。
11.如权利要求1所述的RFID装置，其中，RF信号转换器是RF到DC转换器，所述RFID装置进一步包括电荷泵电路，所述电荷泵电路被配置和设置为在对装置进行操作的启动模式期间辅助RF信号转换器响应于接收到RF信号提供装置操作功率信号，并且被配置和设置为在对装置进行操作的启动模式之后不辅助RF信号转换器。
12.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括单元可选择电容电路组，被配置和设置为提供默认电容值，输入阻抗从所述默认电容值开始改变，以对装置进行调谐。
13.如权利要求1所述的RFID装置，其中，逻辑电路被配置和设置为针对第一模式和另一模式操作状态机，其中，在第一模式中，第一电压被施加来改变阈值电压以改变阻抗电路中可选择电路的阻抗值，在所述另一模式中，另一电压被施加以改变阻抗电路中的阻抗值。
14.如权利要求1所述的RFID装置，其中，所述至少一个选择信号包括第一信号和另一信号，其中该逻辑电路被配置和设置为针对第一模式和另一模式操作状态机，其中，在第一模式中，施加第一信号，在所述另一模式中，施加所述另一信号。
15.如权利要求1所述的RFID装置，其中，阻抗电路包括具有多个非易失性MOS器件开关的可选择电容电路，其中通过影响所述多个非易失性MOS器件开关中至少一个MOS器件的阈值电压来控制单元电容。
16.一种RFID装置，具有输入阻抗，该输入阻抗由于基于环境的阻抗影响而易于发生改变，该装置包括: 输入电路，具有输入阻抗用于接收RF信号； RF信号转换器，被配置和设置为响应于接收到RF信号，提供装置操作功率信号； 电容电路，被配置和设置为响应于至少一个选择信号，提供并选择电容值；以及 状态机逻辑电路，被配置和设置为响应于装置操作功率信号，提供所述至少一个选择信号，用于选择阻抗值，并允许通过对装置进行调谐来改变输入阻抗以补偿基于环境的阻抗影响。
17.如权利要求16所述的RFID装置，其中，电容电路包括电容器组，每个电容器被配置和设置为响应于至少一个选择信号提供电容值。
18.如权利要 求16所述的RFID装置，其中，电容电路还被配置和设置为提供默认电容值，输入阻抗从默认电容值开始改变以对装置进行调谐。
19.一种方法,包括: 提供RFID电路，所述RFID电路包括输入电路和RF信号转换器，所述输入电路具有输入阻抗用于接收RF信号，所述RF信号转换器用于响应于接收到RF信号提供操作功率； 使用阻抗电路，以响应于至少一个选择信号来提供并选择阻抗值； 使用状态机逻辑电路，响应于RF信号转换器在启动模式期间提供操作功率，产生至少一个选择信号，所述至少一个选择信号选择阻抗值来改变输入阻抗，从而对装置进行调谐。
20.如权利要求19所述的方法，还包括通过使用电荷泵电路辅助RF信号转换器响应于接收到RF信号来提供装置操作功率信号。
【文档编号】G06K19/067GK103455836SQ201310205771
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年5月29日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】拉齐德·埃尔瓦法欧埃, 克里斯蒂安·韦丁格 申请人:Nxp股份有限公司