自动调谐非接触智能卡谐振电路的制作方法

本实用新型属于射频识别技术中的模拟集成电路领域，尤其涉及自动调谐非接触智能卡谐振电路。

背景技术：

射频识别技术是一种非接触的自动识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），它的基本原理就是利用无线射频信号在读写器和智能卡之间进行数据传输，实现目标识别和信息交换。RFID 13.56MHz非接触智能卡具有可重写、面积小、数据量大、无需电源、成本低等优点，其中所谓无需电源即非接触智能卡内无电池，其所需要的能量都是由读写器发射的高频载波提供，智能卡通过谐振电路耦合交变的磁场来获得工作所需要的能量。因此，高效率自动调解谐振电路的设计和研究具有非常重要的意义。

参看图1，一种现在常用的13.56MHz非接触智能卡谐振电路结构，其工作原理如下：

非接触智能卡感应线圈L2捕获读写器天线L1上发射的高频交流载波，然后将耦合的能量传递到谐振回路（L2、C2）上产生感应电压，感应电压用于给无源非接触智能卡提供能量，图1中是非接触智能卡L2的寄生电阻，是非接触智能卡的谐振电容，为非接触智能卡的负载电阻，则非接触智能卡的负载电阻上产生的电压：

非接触智能卡天线L2感应的电压：

于是获得电压与读写器天线和非接触智能卡天线的磁感耦合关系:

由上式（3）可得非复数关系式：

模拟公式（4）曲线，可以明显看出当读写器天线中的电流不变时，非接触智能卡负载电压在其谐振频率13.56MHz时最高，能够为非接触智能卡提供更多的能量。

但上述传统的13.56MHz非接触智能卡谐振电路在实际应用时还存在一些不足：

（1）. 上述谐振电路很难保证非接触智能卡在不同场强下谐振在13.56MHz附近，原因是上述谐振电路包含了由整流电路、限幅电路和负载调制电路寄生的谐振电容，并且寄生的谐振电容会随工作场强的变化而变化；

（2）. 上述谐振电路会使非接触智能卡在弱场强时谐振频率过高或过低导致工作距离近，强场时耦合能量过大而使智能卡发热，减小其使用寿命；

（3）. 上述谐振电路对非接智能卡天线线圈设计要求比较高。

针对上述问题，设计一款自动调谐的非接触智能卡谐振电路就成了本实用新型的目标。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型的目的是提供一种自动调谐非接触智能卡谐振电路，具有谐振电路和谐振电容自动控制电路的结构特点，能够提高谐振电路的耦合效率，谐振电路在强场强时使谐振电路谐振在非13.56MHz，降低谐振电路的耦合能量，降低非接触智能卡的发热，延长非接触智能卡使用寿命。

为了达到上述技术目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种自动调谐非接触智能卡谐振电路，所述自动调谐非接触智能卡谐振电路包括谐振回路和谐振电容自动控制电路，其中，谐振回路包括第一电感器、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第一反向器、第二反向器、第三反向器、第四反向器、第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门，其中，第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器为谐振电容，第一电感器的一端与第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器的一端相连接，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器的另一端与第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门的输入端相连接，第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门的输出端、第五电容器的另一端与第一电感器的另一端相连接，第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门的负向控制端与第一反向器、第二反向器、第三反向器和第四反向器的输入端相连接，第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门的正向控制端与第一反向器、第二反向器、第三反向器、第四反向器的输出端相连接；

谐振电容自动控制电路包括第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第三NMOS晶体管、第四NMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管、第八NMOS晶体管、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管、第五PMOS晶体管、第六PMOS晶体管、采样电阻器、第一模数转换器和第一数字控制电路；

第一NMOS晶体管的漏端、第二NMOS晶体管的栅端、第四NMOS晶体管的漏端、第六NMOS晶体管的漏端、第四NMOS晶体管的栅端、第六NMOS晶体管的栅端与谐振回路中的一端相连接，第二NMOS晶体管的漏端、第一NMOS晶体管的栅端、第三NMOS晶体管的漏端、第五NMOS晶体管的漏端、第三NMOS晶体管的栅端、第五NMOS晶体管的栅端与谐振回路中的一端相连接，第三NMOS晶体管的源端、第四NMOS晶体管的源端与第四PMOS晶体管的源端相连接，第五NMOS晶体管的源端、第六NMOS晶体管的源端与第七NMOS晶体管的漏端相连接，第四PMOS晶体管的栅端、第四PMOS晶体管的漏端与第三PMOS晶体管的源端相连接，第三PMOS晶体管的栅端、第三PMOS晶体管的漏端与第二PMOS晶体管的源端相连接，第二PMOS晶体管的栅端、第二PMOS晶体管的漏端、第七NMOS晶体管的栅端、第八NMOS晶体管的栅端与第一PMOS晶体管的源端相连接，第一NMOS晶体管的源端、第二NMOS晶体管的源端、第一PMOS晶体管的栅端、第一PMOS晶体管的漏端、第七NMOS晶体管的源端、第八NMOS晶体管的源端、采样电阻器的一端、第一模数转换器的地端、第一数字控制电路的地端与地端VSS相连接，第八NMOS晶体管的漏端、第五PMOS晶体管的栅端、第五PMOS晶体管的漏端与第六PMOS晶体管的栅端相连接，第六PMOS晶体管的漏端、第一模数转换器的输入端与采样电阻器的另一端相连接，第六PMOS晶体管的源端、第五PMOS晶体管的源端、第一模数转换器的电源端、第一数字控制电路的电源端与非接触智能卡内部数字电压VDD相连接，第一模数转换器的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端分别与第一数字控制电路的输入端相连接，第一数字控制电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端依次与谐振回路中的第一反向器、第二反向器、第三反向器、第四反向器的输入端相连接。

本实用新型的自动调谐非接触智能卡谐振电路，由于采用了上述谐振回路和谐振电容自动控制电路的结构，与现有的技术方案相比，具有以下优势：

（1）本实用新型的谐振电路中的谐振电容大小根据谐振电路所处场强自动调整，谐振电路在弱场强时使谐振电路谐振在13.56MHz附近，提高谐振电路的耦合效率，谐振电路在强场强时使谐振电路的谐振频率远离13.56MHz，降低谐振电路的耦合能量，降低非接触智能卡的发热，延长非接触智能卡使用是寿命；

（2）本实用新型的谐振电容自动控制电路能够自动配置谐振电路中的谐振电容大小，大大减低了谐振电路对天线电感值偏差的要求；

（3）本实用新型的自动调谐非接触智能卡谐振电路易于集成，成本低。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1 为传统的13.56MHz非接触智能卡谐振电路结构图。

图2 为本实用新型具体实施的自动调谐非接触智能卡谐振电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参看图2，本实用新型具体实施的自动调谐非接触智能卡谐振电路结构图。该自动调谐非接触智能卡谐振电路包括谐振回路101和谐振电容自动控制电路102，其中，谐振回路101包括第一电感器L1、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第一反向器INV1、第二反向器INV2、第三反向器INV3、第四反向器INV4、第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3和第四传输门TG4，其中，第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4和第五电容器C5为谐振电容，第一电感器L1的一端VA与第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4和第五电容器C5的一端相连接，第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4的另一端与第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3和第四传输门TG4的输入端相连接，第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3和第四传输门TG4的输出端、第五电容器C5的另一端与第一电感器L1的另一端VB相连接，第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3和第四传输门TG4的负向控制端与第一反向器INV1、第二反向器INV2、第三反向器INV3和第四反向器INV4的输入端相连接，第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3和第四传输门TG4的正向控制端与第一反向器INV1、第二反向器INV2、第三反向器INV3、第四反向器INV4的输出端相连接；

谐振电容自动控制电路包括第一NMOS晶体管NM1、第二NMOS晶体管NM2、第三NMOS晶体管NM3、第四NMOS晶体管NM4、第五NMOS晶体管NM5、第六NMOS晶体管NM6、第七NMOS晶体管NM7、第八NMOS晶体管NM8、第一PMOS晶体管PM1、第二PMOS晶体管PM2、第三PMOS晶体管PM3、第四PMOS晶体管PM4、第五PMOS晶体管PM5、第六PMOS晶体管PM6、采样电阻器R0、第一模数转换器ADC和第一数字控制电路DCC；

第一NMOS晶体管NM1的漏端、第二NMOS晶体管NM2的栅端、第四NMOS晶体管NM4的漏端、第六NMOS晶体管NM6的漏端、第四NMOS晶体管NM4的栅端、第六NMOS晶体管NM6的栅端与谐振回路中的VB端相连接，第二NMOS晶体管NM2的漏端、第一NMOS晶体管NM1的栅端、第三NMOS晶体管NM3的漏端、第五NMOS晶体管NM5的漏端、第三NMOS晶体管NM3的栅端、第五NMOS晶体管NM5的栅端与谐振回路中的VA端相连接，第三NMOS晶体管NM3的源端、第四NMOS晶体管NM4的源端与第四PMOS晶体管PM4的源端相连接，第五NMOS晶体管NM5的源端、第六NMOS晶体管NM6的源端与第七NMOS晶体管NM7的漏端相连接，第四PMOS晶体管PM4的栅端、第四PMOS晶体管PM4的漏端与第三PMOS晶体管PM3的源端相连接，第三PMOS晶体管PM3的栅端、第三PMOS晶体管PM3的漏端与第二PMOS晶体管PM2的源端相连接，第二PMOS晶体管PM2的栅端、第二PMOS晶体管PM2的漏端、第七NMOS晶体管NM7的栅端、第八NMOS晶体管NM8的栅端与第一PMOS晶体管PM1的源端相连接，第一NMOS晶体管NM1的源端、第二NMOS晶体管NM2的源端、第一PMOS晶体管PM1的栅端、第一PMOS晶体管PM1的漏端、第七NMOS晶体管NM7的源端、第八NMOS晶体管NM8的源端、采样电阻器R0的一端、第一模数转换器ADC的地端、第一数字控制电路DCC的地端与地端VSS相连接，第八NMOS晶体管NM8的漏端、第五PMOS晶体管PM5的栅端、第五PMOS晶体管PM5的漏端与第六PMOS晶体管PM6的栅端相连接，第六PMOS晶体管PM6的漏端、第一模数转换器ADC的输入端与采样电阻器R0的另一端相连接，第六PMOS晶体管PM6的源端、第五PMOS晶体管PM5的源端、第一模数转换器ADC的电源端、第一数字控制电路DCC的电源端与非接触智能卡内部数字电压VDD相连接，第一模数转换器ADC的第一输出端D1、第二输出端D2、第三输出端D3和第四输出端D4分别与第一数字控制电路DCC的输入端相连接，第一数字控制电路DCC的第一输出端CAP_TRIM1、第二输出端CAP_TRIM2、第三输出端CAP_TRIM3和第四输出端到CAP_TRIM4依次与谐振回路中的第一反向器INV1、第二反向器INV2、第三反向器INV3、第四反向器INV4的输入端相连接。

参看图2，本实用新型具体实施的自动调谐非接触智能卡谐振电路结构图。本实用新型自动调谐非接触智能卡谐振电路工作过程为：根据ISO IEC 14443协议规定，13.56MHz非接触智能卡的工作场强在1.5A/M到7.5A/M，本发明中谐振电容自动控制电路中的采样电阻器R0两端电压差能够很好地指示谐振电路所处的场强大小，通过第一模数转换器ADC量化后指示数字控制电路ADC自动调节谐振电路中的谐振电容大小，从而改变谐振电路的谐振频率。发明自动调谐的非接触智能卡谐振电路工作过程分成两部分：

其一、当本实用新型的谐振电路处于弱场强时。此时，谐振电路开始入场强时，只有一个固定的谐振电容中的第五电容器C5，其它谐振电容与谐振电路是断开的，此时电容会比较小，让谐振电路的谐振频率大于13.56MHz，当第一电感器L1捕获到读写器发射的高频交流磁场，由于谐振电路的谐振频率大于13.56MHz，谐振电容自动控制电路中的采样电阻器R0两端的电压差往往会比谐振电路的谐振频率等于13.56MHz时的小，此时，第一模数转换器ADC的输出值会不断增大，促使数字控制电路DCC逐步开启谐振电路中的谐振电容C1到C4，此过程采样电阻器R0两端的电压差会不断变大，直到采样电阻器R0两端的电压差出现变小趋势，采样电阻器R0两端电压差最大值时所对应的谐振电容为此场强最佳匹配置值，此时谐振电路工作在13.56MHz附近，谐振电路为负载提供最大能量。

其二、当本实用新型的谐振电路处于强场强时。此时谐振电容自动控制电路中的采样电阻器R0两端的电压差会比较大，第一模数转换器ADC的输出大于了数字控制电路DCC规定的某一个值，此值代表非接触智能卡的最大负载功耗，如果不改变谐振电路的谐振频率就会使谐振电路耦合多余的能量发热损耗掉，此时，数字控制电路DCC会逐渐增大谐振电路中的谐振电容值，降低谐振电路的谐振频率，直到第一模数转换器ADC的输出值等于数字控制电路DCC规定的某一个值，这时候谐振谐振电路只能提供非接触智能卡的最大负载功耗能量，大大降低了非接触智能卡的发热问题，延长了非接触智能卡的使用寿命。

需要说明的是，上述实施方式仅以示意方式说明本实用新型的基本思路，与本实用新型中有关的组成电路而非按照实际实施时的组成电路数目、形状、器件排列方式、连接方式绘制。其实际实施时各电路的型态、数量、连接方式、器件排列方式、器件参数可为随意的改变。

以上所述的实施例仅是本发明较佳的实施例而已，不能限制本实用新型技术方案的延伸。凡属本领域技术人员在本实用新型技术方案基础上所作的任何公知技术的修改、等同变化和显而易见的改换等，均应属于本实用新型的保护范围之内。