بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله دو یکسو ساز جدید برای کابرد در سیستم های شناسایی فرکانس رادیویی - RFID - در فرکانس UHF ارائه شده است. این یکسو ساز ها دارای یک ساختار ضربدری - cross-coupled - به گونه ای هستند که به صورت دیفرانسیلی و از دو مسیر با شارژ خازنِ بار ولتاژ مورد نیاز جهت عملکرد صحیح برچسب - tag - را فراهم می کنند. این ساختارها به طور همزمان مقاومت روشن ترانزیستور و جریانِ معکوس نشتی را کاهش می دهند.
با این کار بازده تبدیل توان - - نیز %5 بهبود می یابد. از طرفی با استفاده از حالت دیفرانسیل ورودی به صورت همزمان از دو جهت مثبت و منفی خازن خروجی را شارژ می کند. با استفاده از مدار های تطبیق امپدانس حساسیت ورودی برچسب به -17dBm در مقاومت بار 120kOhm رسیده است که در مقایسه با سیستم های موجود بهترین است. شبیه سازی مدارت با فناوری 0.18 um CMOS انجام شده است.
-1 مقدمه
فناوری RFID - شناسایی از طریق امواج رادیویی - مشتمل بر یک سیستم ردیابی است که در آن بطور معمول از Tag ها - برچسب داری چیپهایی الکترونیکی که بر روی محصول یا بسته بندی آن قرار می گیرند - جهت انتقال داده ها بهReader - برچسب خوان - یک گیرنده-فرستنده عموما" بی سیم با قابلیت اتصال به کامپیوتر استفاده می شود. در سالهای اخیر، با توجه به پیشرفتهای حاصله در این زمینه و ارزان سازی و کوچک شدن ابعاد برچسب های RFID ، کاربردهای این فناوری بویژه در ردیابی محصولات تجاری گسترش فراوانی یافته و در بسیاری از کاربردها در حال جایگزین شدن بجای سیستمهای ارزان قیمت تر بارکد می باشد.
برخلاف بارکد که نیاز به اسکن نمودن مستقیم - و بطور معمول با استفاده از نیروی انسانی و صرف زمان - دارد، در RFID با استفاده از امواج رادیویی و گیرنده های بی سیم، انتقال و دریافت اتوماتیک اطلاعات تعداد زیادی از برچسبها در فاصله مورد نظر در کسری از ثانیه امکان پذیر می باشد.کاربردهای نظامی این صنعت نیز بر محبوبیت آن افزوده به گونه ای که در تمامی ارتش ای جهان مورد استفاده قرار می گیرد[1] .
در شکل 1 نمونهای از یک سیستم RFID آمده است. یک نوع از RFID مدلی است که در آن برچسب بصورت - Passiveغیر فعال - می باشد و انرژی خود را از سیگنال دریافتی از - Readerبرچسب خوان - بدست میآورد که بدین ترتیب حداکثر فاصله بین برچسب و گیرنده تعیین میگردد.با افزایش توان ارسالی از برچسب خوان ، برچسب در فاصلهی بیشتری از منبع توان قادر به کار کردن است و انرژی مورد نیاز را دریافت می کند. این یک سیگنال RFدر استانداردهای مرسوم RFID و در محدودهی فرکانسی UHF میباشد.
در فضای آزاد انرژی دریافتی با استفاده از یک آنتن مناسب با متناسب است.در محدوده فرکانس مرسوم سیستم های UHF و RFID های تجاری ماکزیمم فاصله تا 6 متر گزارش شده است.[4] از نظر تئوری توان عملیاتی یک برچسب از رابطه فریس بدست میآید. در اینجا توان مفید ارسالی از برچسب خوان به برچسب، گین آنتن برچسب، بازده تبدیل توان سیگنال دریافتی به توان DC در یکسو ساز و فاصله بین برچسب و برچسب خوان می باشد.
طبق این رابطه برای افزایش فاصله ارتباط بین برچسب و برچسب خوان که دلخواه است اولا" تطبیق امپدانس کامل و ثانیا" افزایش نیاز است.برای تطبیق امپدانس با استفاده از نرم افزار ADS و بهینه سازی برای حداکثر ولتاژدر خروجی یکسو ساز طراحی انجام می شود در ادامه مقاله در قسمت دوم بازده توان یکسو ساز تعریف می شود. در قسمت سوم مدار جدید ارائه شده توضیح داده شده است و در قسمت چهارم نتایج شبیه سازی بررسی می شود.
-2 بازده توان یکسو ساز
بازده تبدیل توان یکسوساز از نسبت توان خروجی یکسوساز به توان ورودی آن به دست می آید. توان ورودی یکسوساز شامل توان خروجی به علاوهی توان اتلافی در دیود معادل ترانزیستور می باشد. در این رابطه N تعداد دیود ها - تعداد ترانزیستور ها - و توان اتلافی در هر دیود است.این اتلاف توان به دو دلیل در ترانزیستور یا دیود ایجاد می شود.اولا" توان اتلافی در مسیر مستقیم که با ولتاژ روشن شدن دیود تعیین می-شود،ثانیا" توان در حالت معکوس که با افزایش جریان نشتی افزایش می یابد.
برای افزایش بهره تبدیل توان سیگنال دریافتی یا بهره یکسو ساز که از این پس با نشان داده شده است روش های گوناگونی وجود دارد . از طرفی از آنجا که توان RF سیگنال دریافتی برچسب در فواصل زیاد مقدار کمی است،حداقل ولتاژ لازم برای روشن شدن برچسب مهمترین پارامتر است.چند روش برای کاهش این حداقل ولتاژ ارائه شده است. [5]-[9]
برای این کار یک روش استفاده از دیود شاتکی به علت ولتاژ اندک روشن شدن آن است-در حدود 200 تا 300 میلی ولت -،اما به علت هزینه بالای ساخت در تکنولوژی CMOS این روش برای RFID که برای کاربرد تجاری باید ارزان باشد، مناسب نیست. استفاده از ساختار اتصال دیودی در MOSFET نیز یک راه کار است اما به دلیل ولتاژ آستانه بالا در MOS توان مورد نیاز برای روشن کردن یکسو ساز افزایش یافته و بدین ترتیب بازده تبدیل توان کاهش می یابد.
با دریافت علل افزایش توان مصرفی یکسو ساز و راه حل های آن باید به دنبال یک روش بهینه بود. در یک نظر اولیه می توان گفت با قراردادن ولتاژ ثابت در گیت ترانزیستور ها NMOS یا سورس PMOS ولتاژ روشن شدن یا مقاومت روشن بودن را کاهش داد اما از طرف دیگر این کار باعث افزایش جریان نشتی می شود. شکل 2 این ساختار را نشان می دهد. این نوع روش را کاهش استاتیک ولتاژ آستانه می گویند.در روش جدید تر با کاهش فعال - active - این توان ها ،توان در بایاس مستقیم و معکوس با هم کاهش می یابد.
-3 دو ساختار یکسو ساز جدید
-1-3 ساختار یکسو ساز با تحریک دیفرانسیلی
نحوه عملکرد مدار به صورت که در شکل های4 و 5 نشان داده شده می باشد. هنگامی که حداقلی از توان ورودی متناسب با حساسیت یکسو ساز به آن اعمال می شود شروع به کار کردن کرده و با نوعی فیدبک مثبت موجود در ساختار در زمان کوتاه به حالت پایدار میرسد.این فیدبک مثبت یک نگاه مفهومی به ایده استفاده شده در مدار است. ولتاژ DC خروجی با تعادل بین سه قسمت ایجاد می شود.شارژ مستقیم، شارژ معکوس در ترانزیستور ها و شارژ ذخیره شده در بار خروجی.با افرایش ولتاژ ورودی فرض کنیم که در جهت مثبت RF ورودی قرار داریم.
با افزایش ولتاژ قبل از روشن شدن ترانزیستورMP1 ولتاژ در خازن Cs ذخیره می شود، از طرفی چون لبهی منفی سیگنال دریافتی به گیت MP1 اعمال شده است حداقل ولتاژ لازم برای روشن شدن این ترازیستور نصف میشود.با روشن شدن MP1 از طریق مسیر بالا خازن خروجی شارژ میشود.به صورت همزمان خازن Cs پایینی در جهت سیگنال RF منفی که در پایین موجود است شارژ می شود.با تغییر جهت سیگنال در جهت منفی همین عملکرد برای ترانزیستور MP2 رخ می دهد ولی به علت ولتاژ ذخیره شده در خازن پایین در نیم سیکل قبلی با ولتاژ کمتری شروع به کار می کند.این همان فیدبک مثبت است که باعث می شود در هر مرحله شروع شارژ از ولتاژ پایین تری آغاز گردد.
