专利名称：用于rfid中存储器模块的电流积分读出放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种射频识别(RFID)系统，具体言之，涉及用于RFID应答器中存储器模块的读出放大器。
背景技术：
公知的射频识别(RFID)对于无源和有源应答器使用从约100KHz至约13.5MHz的宽范围的基频。无源应答器从所接收的信号获取能量并返回识别信号。有源应答器含有电源，通常是电池，所以不需要从所接收的信号获取能量。因此，无源应答器要求较高的信号强度，而有源应答器要求较低的信号强度，但是需要电源成本。
图1是示意性的无源RFID系统的基本方块图。此处，询问站100产生RF信号108，通常是逻辑电路104产生的脉冲信号，其经过天线112被发射110到应答器(标签)102。RF脉冲经由天线114被接收。通过用于获取并存储能量以便为标签系统供电的装置和用于处理所接收信号的装置，天线114连接到RF阻抗匹配电路116并连接到输入/功率电路118。RF信号110被整流以便为电容器(没有显示)充电，用于为系统供电。
在最简单的RFID系统中，RFID应答器是无源标签，其从辐射波获取能量，由此在RF发射机上提供负载。负载由询问站监视并表示标签存在。在这样的系统中，不需要发送任何信号返回至询问站。
在更复杂的RFID系统中，应答器包括被发射返回至询问站的信息。可在标签进入货物的码头发现这样的系统，当被询问时，系统向询问站返回关于货物本身的详细信息。例如，含有易碎晶体的箱子可通知询问站其真实情况。在这样的系统中，参照图1，当获取到RF询问信号时，输入线路118将信息发送至逻辑电路120，逻辑电路120通常是微机。微机接收来自存储器126的信息，存储器126通常是EEPROM(电可擦除/可编程存储器)。该信息经由发射机122被馈送至天线114，并返回124到询问站。由于EEPROM能被反复编程，因此EEPROM可用于其它类型的相关信息。
经过读出放大器128读取存储器的内容，读出放大器128检测存储单元中包含的多个1或0。在这样的RFID系统中，功率须是守恒的。高的读取电流和快速的读取时间需要高的功耗并产生不期望的噪声。
在这个文件中，逻辑1被定义为更正的电平，逻辑0定义为更负的电平，这经常被称作正逻辑。公知的是逻辑1/0的指定是任意的，更负的电平可以视为逻辑1，这经常被称作负逻辑。本发明适用于正逻辑指定也适用于负逻辑指定，尽管说明仅提到正逻辑。
联邦通信委员会(FCC)调整了发射，所以现有技术的设计在近程提供高功率，但是采用消除技术(canceling techniques)以满足远程FCC调整。适当的技术是本领域所公知的，在此不再进行说明。
在美国专利No.5,999,454中，Smith公开了用于闪存的电流模式读出放大器。该专利以及该专利中引用的其它现有技术的读出放大器是针对高速操作而设计的，因此是高功率的。这样的电路产生噪声，反过来电路容易受到噪声影响，在RFID系统中不存在这样的电路。
在读取RFID应答器存储单元的内容时需要使功耗最小化。由于快速读取时间和高读取电流不必要同时存在，所以在以低基带频率工作的RFID应答器中要在读取时间和功耗之间进行折衷。较长的读取时间允许相对低的读取电流，较低的读取电流降低了功耗和噪声。
发明内容
本发明提供一种用于读取RFID应答器中读出放大器的系统和方法，RFID应答器以较低速度工作，由此消耗较少的功率。
优选的为MOS类型的第一晶体管接收来自存储单元的读取电流，并联的晶体管将该读取电流的镜像提供至充电-存储电容器。在READ循环的起点，电容器首先被放电。随后镜像的读取电流被引导至该电容器，累积超过给定的时间周期，以产生第一电压。(该电容器可以是反向偏压结型二极管。)使用比较器电路比较第一电压与第二电压或中间的参考电压。该参考电压设置在位于放电的充电-存储电容器的电平(定义为电平“0”)与对应于定义为电平“1”的充电电平之间。在实际的实施例中，以存储器晶体管的截止状态漏电所建立的电压(0)与表示1的充电电平之间的一半来设置第二或中间电压。
在优选实施例中，使用第二参考存储单元建立中间电压。来自第二存储单元的读取电流的镜像电流在第二电容器上累积形成输入到比较器的第二电压。为了建立中间参考电压，能够使用几种方法。一种方法利用一直导通的参考存储单元，但是该参考存储单元只是正常存储单元的“强度”或尺寸比的一小部分(例如，使用一半的沟道宽度或两倍的沟道长度)。第二种方法使用实际尺寸一直导通的参考存储单元，但是调整电流镜像电路中的MOS晶体管的尺寸比，以将参考电压降低至中间值。
在另一个优选实施例中，实际尺寸或标准的第二和第三存储单元可与实际尺寸的电流镜和积分电容器一起使用。在此情况下，第二存储单元设置成一直输出高电流，而第三存储单元一直输出低电流。高电流表示逻辑1，低电流表示逻辑0。通过平均来自第二和第三存储单元的两个积分电压来形成中间电压，该中间电压跟踪存储单元中1和0之间的中间点。
在优选实施例中，用于读取存储器内容的时间周期可位于从小于1微秒至10微秒或更长的范围内。
本领域技术人员应当理解，尽管将参照示意性实施例、附图和使用的方法来进行下面的详细说明，但本发明并不限于这些实施例以及使用的方法。而且，本发明是宽范围的，并且仅由附属的权利要求书所限定。
下面将参照
本发明，其中图1是RFID系统的系统方块图；图2是存储器和本发明优选实施例的电流模式读出放大器的第一部分的电路图；图3是图2的电路加上比较器的方块图；图4A和4B是本发明其它优选实施例的方块示意图；图5和图6是在本发明优选实施例中发现的功率和电压信号的时间曲线图。
具体实施例方式
本发明公开了一种电流模式读出放大器，用于检测射频识别(RFID)应答器中存储器件的逻辑状态。当采用低的基带频率(许多RFID系统通常采用)时，其允许相对长的积分时间，允许使用极低的电流来读取存储单元。这么低的读取电流提供了低的功耗和低的噪声影响。
图2是本发明优选实施例的电路。当存储单元是通常使用的EEPROM时，存储单元200的输出(Bit)通常是漏极(没有显示)。通过ROW(选择)的激活和输入到该单元的CG(控制栅极)输入来读取单元200，此为公知常识。根据具体的存储器类型，存储单元可以使用或不使用RESET信号。通过不同的控制设计，本发明实际上可应用到所有的这样的存储器件。Bit输出连接到PMOS P1的漏极和栅极，并连接到PMOS P2的栅极。P1的漏极和栅极连接在一起，其源极连接到电源电压Vdd。这种布线的MOS器件有时被称作二极管连接的MOS晶体管。PMOS P2作为P1的电流镜而连接，其中漏极电流I2与I1镜像，该镜像与P1和P2的相对强度成比例。在一个实施例中，P1和P2尺寸相同，所以I2等于I1。P2的漏极连接到积分电容器C1的正极，提供V1。
仍然参照图2，N1是在RESET202为高时用于放电C1的晶体管。当RESET为低时，N1关闭，允许I2为C1充电。
图3给出了当存储单元200连接到组块204时的图2的电路，其中积分电容器C1输出的电压(V1)连接到比较器206的正(+)输入端。通常约等于Vdd/2的参考电压208输入到比较器的负(-)输入端。在一些应用中，该参考电压可以形成输入到针对其它存储单元的其它比较器的参考207。比较器206比较一个输入和另一个输入，并提供表示哪个输入更高的输出。例如，如果正输入高于负输入，则比较器的输出210变高，通常表示逻辑1。这样的比较器在本领域中是公知的。比较器输入端上的正(+)和负(-)标签符可以表示其它的操作，但是对于本说明，当(+)输入超过(-)输入时输出为正。
在RESET脉冲之后超过某一时间周期T1，由存储单元的逻辑内容确定C1上的电荷。在一个优选实施例中，如果从存储单元200读取逻辑1，则电流I2能够将C1充电至超过参考电压的某一电平，该电平使比较起的输出从低状态切换至高状态。如果在采样选通时间T1届满之前C1上的电压超过比较器206的临界点(超过参考电压208)，则比较器输出210将切换至表示存储单元中1的高状态。如果读取逻辑0，C1将停留在相对未充电状态，比较器输出将保持在高状态。在一个优选实施例中，时间T1大约是5至10微秒。当T1届满时，RESET将宣布清除C1。
比较器的改进实施例能够优选地含有滞后，其使针对存储电容器上相对缓慢移动电压的响应更敏锐，并提高比较器的噪声抵抗力。如本领域所知，具有大约相等的输入的比较器会振荡，使用滞后将有助于消除这种类型的问题，但是其它的电路技术是本领域公知的。
图4A采用了图2的两个存储单元和两个镜像电路204和204’。此处存储单元200和镜像电路204表示RFID信息位。存储单元200’和镜像电路204’被配置为用于为比较器206产生参考电压208。设置输入到存储单元200’的输入230，使得存储单元200’一直输出等于逻辑1的高电流。该电流被复制或镜像，并聚积在204’组块内的电容器上，该电流将参考电压208V2提供至比较器206的负输入端。如上所述，在此通过控制相对尺寸来控制204和204’中PMOS晶体管的电导，204’中的积分电流(I2)能够被设置成204中积分电流I2幅值的一预期部分。因此能够控制比较器负端的参考电压208，以建立比较器分界点。比较器分界点通常设置成表示1和0之间的中间点的值。
用于设置比较器分界点的可选装置能够使用与标准存储组块一致的电流镜组块204，即，除了存储单元200’之外的所有组件的尺寸相等。在此情况下，通过使用比标准存储单元200弱的伪存储单元来完成电流缩减。伪存储单元与标准单元200的电导比率将建立预期的参考电压。
用于设置比较器分界点、中间或参考电压208的另一个可选装置是使用两个标准伪存储单元和一个镜像电路。图4B给出了分别具有两个标准伪存储单元200’和200”以及标准电流镜组块204’和240”的实施例。此处，200’和204’用于一直输出等于低电流的I2，200”和204”一直输出高电流。来自每个镜像电路的积分电容器的输出有效地连在一起222，形成将由每个单元单独提供的电压V1’和V1”的平均。该平均电压连接到比较器208的参考输入端。
图5和图6是针对图3所示的具有+3V电压的本发明读出放大器工作实施的参数轨迹图。300nA读取电流用作存储单元“1”的电流，5nA用作伪单元参考电流。复位信号初始化积分电容器。在图5中，单元204的积分电容器C1上的电压V1达到大约1.8V的阈值，在该值，比较器的输出变高。在此情况下，存储单元中表示逻辑1。上部的轨迹图表示读出放大器的功耗。图6给出了相同的电路，但是从存储单元读出的是0。在此情况下，V1保持在大约0V，功耗保持恒定。在通常条件下的读取事件期间，使用3V电源读取1时平均功耗大约是3.4微瓦。
应当理解，在此所呈现的上述实施例仅是示意性的，它的许多变化和替换也是可能的。因此，本发明应当广泛的被视为仅由后附的权利要求书所限定。
权利要求
1.一种用于读取RFID系统的应答器中存储单元的内容的读出放大器，包括第一晶体管，用于从存储单元接收读取电流；第二晶体管，被配置成用于复制该读取电流；电容器，被配置成累积所述被复制的读取电流并提供第一电压；用于在一时间周期之后复位所述电容器的装置；第二电压；用于定义输出以及第一和第二输入的比较器，其中所述输出响应于第一和第二输入上的相关电压电平，所述第一输入连接到第一电压，所述第二输入连接到第二电压，其中所述比较器的输出确定所述存储单元的内容。
2.如权利要求1所述的读出放大器，其中所述第二电压是从读取第二存储单元的内容而产生的电压信号。
3.如权利要求1所述的读出放大器，其中所述第二电压对应一阈值，该阈值定义了从存储单元读取的逻辑1与逻辑0之间的边界。
4.如权利要求1所述的读出放大器，在所述比较器的输入中进一步包括滞后。
5.如权利要求1所述的读出放大器，还包括第二个双晶体管电路，用于接收、缩放和复制来自所述第二存储单元的第二读取电流；第二电容器，被配置成累积所述被复制并缩放的第二读取电流，并提供第二电压；用于在所述时间周期之后复位第二积分电容器的装置；用于将所述第二电压连接到所述比较器的第二输入的装置。
6.如权利要求1所述的读出放大器，还包括第二个双晶体管电路，用于接收和复制来自所述第二存储单元的第二读取电流；用于缩放来自所述存储单元的读取电流的装置；第二电容器，被配置成累积所述被复制并缩放的第二读取电流并提供第二电压；用于在所述时间周期之后复位所述第二积分电容器的装置；用于将第二电压连接到所述比较器之第二输入的装置。
7.如权利要求1所述的读出放大器，还包括第二个双晶体管电路，用于接收和复制来自一个存储单元的第二读取电流，以输出低的读取电流；第二电容器，被配置成累积所述被复制的第二读取电流并提供第二电压；第三个双晶体管电路，用于接收和复制来自一个存储单元的第三读取电流，以输出高的读取电流；第三电容器，被配置成累积所述被复制的第三读取电流并提供第三电压；用于在所述时间周期之后复位第二和第三积分电容器的装置；用于平均所述第二和第三电压并将平均后的电压连接到所述比较器之第二输入的装置。
8.如权利要求7所述的读出放大器，其中用于平均所述第二和第三电压的装置是用于将它们连接在一起的装置。
9.如权利要求1所述的读出放大器，其中所述时间周期大于约1微秒。
10.一种用于读取RFID系统的应答器中存储单元的内容的方法，包括以下步骤从所述存储单元接收并复制读取电流；在电容器上累积所述被复制的读取电流，由此提供第一电压；在一时间周期之后复位所述电容器；以及比较第一电压与第二电压，并提供由此获得的输出，其中所述输出确定所述存储单元的逻辑内容。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第二电压是从读取第二存储单元的内容而获取的电压。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述第二电压对应一阈值，该阈值定义了从存储单元读取的逻辑1与逻辑0之间的边界。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述比较步骤中包括针对比较器的切换提供滞后。
14.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤接收、缩放和复制来自第二存储单元的第二读取电流；在第二电容器上累积所述被复制的第二读取电流并提供第二电压；在所述时间周期之后复位所述第二积分电容器；将所述第二电压连接到所述比较器的第二输入。
15.如权利要求10所述的方法，还包括接收和复制来自一个存储单元的第二读取电流，以输出低的读取电流；在第二电容器上累积所述被复制的第二读取电流并提供第二电压；接收和复制来自一个存储单元的第三读取电流，以输出高的读取电流；在第三电容器上累积所述被复制的第三读取电流并提供第三电压；在所述时间周期之后复位第二和第三积分电容器；平均所述第二和第三电压并将平均后的电压连接到所述比较器的第二输入。
16.如权利要求10所述的方法，进一步包括将时间周期设置为大于约1微秒的步骤。
全文摘要
公开了一种非常适于低频RFID系统的低读取电流、低功耗的读出放大器。MOS晶体管接收来自存储单元的读取电流，并通过并联的MOS晶体管形成电流镜，其中存储单元通常是EEPROM。在电容器上的电荷经过复位脉冲清除之后，在电容器上累积镜像电流。定义时间周期，在该时间周期内电容器上的电压与第二电压比较。从参考电压或伪单元形成第二电压，在任一种情况下，参考电压大约是存储在存储单元中1与0之间的逻辑边界。具有或没有输入滞后的比较器接收电容器上的电压和第二电压，在时间周期内，比较器的输出状态表示存储单元的二进制内容。
文档编号G11C7/02GK1703756SQ200380101202
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月11日
发明者伊桑·A·克雷恩, 卡尔·拉普, 伊坦·沙察姆 申请人:快捷半导体有限公司