用于非接触式IC卡的高频接口模块设计

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：成都电子科技大学 李海华 王豪才   人气： 发表时间：2011年11月03日

摘要：在论述非接触式IC基本结构的基础上，介绍一种应用于非接触式IC卡的高频接口电路的设计方案，分析该接口电路各个模块的结构和整个电路的工作过程。事实表明，该高频接口电路实现了对接收能量的转换和整流稳压，为内部逻辑电路提供了稳定的电压，可以应用于非接触式IC卡芯片中。

　　引 言

随着微电子和无线通信技术的发展，非接触式IC卡技术也得到蓬勃发展，但国内设计非接触IC卡的技术不够成熟。高频接口电路设计是非接触式IC卡设计的关键技术之一，文中将介绍一种高频接口电路的设计。

　　1 IC卡的基本结构

　　图1是一个具有逻辑加密功能的非接触式IC卡的结构方块图。对于具有逻辑加密功能的非接触式IC卡，一般包括IC芯片和天线线圈（耦合线圈）。IC芯片又包括高频接口电路、逻辑控制电路、存储器等部分。

　　2 高频接口模块设计

　　IC芯片内的高频接口电路是非接触式IC卡的模拟、高频传输通路和芯片内的数字电路之间的一个接口。它从芯片外的耦合线圈上得到感应电流，整流稳压后给芯片提供电源。从阅读器发射出来的调制高频信号，在高频界面经解调后重新构建一产生在逻辑控制电路中进一步加工的数字式串行数据流(数据输入)。时钟脉冲产生电路从高频场的载波频率中产生出用于数据载体的系统时钟。图2为具有负载调制器的高频界面方框图。
　　为了将芯片内处理后的数据传回到阅读器，高频界面也包括有负载波调制器或反向散射调制器。它们由传送的数字化数据控制。

　　图3为卡的模块结构框图。整流稳压模块主要是接收阅读器发来的载波，将载波信号转变成直流信号，以作为非接触IC卡内部芯片的电源使用；同时不能因为阅读器发来的不间断载波而使芯片内部电源电压无限增大。调制解调模块主要是将阅读器发来的信号从载波信号中取下来；在IC卡发送信号时将内部的数字信号转换成模拟信号，并上载到载波信号中以传输给阅读器。

(1)整流稳压模块的设计

　　该模块主要包括基准源电路、电压调节电路和电源开关电路。基准源电路由二级CMOS差分放大电路和晶体管电路构成的能隙基准源组成。其结构如图4。
　　　
　　有源电阻P0和多晶电阻R7组成偏置电路，为电路提供偏置电流。二级差分放大器的两个输入连接在Q1端和Q2端。由基准源原理可知，只有放大电路的输入失调电压很小，并且不受温度的影响时，基准源的输出才可以保持好的性能。根据放大器和能隙基准源原理可得：
（1）
由（1）式可知，电路中放大器的输入失调电压几乎为零，故稳定后REF点的电压值为：
（2）
　　因PNP晶体管的基极和集电极相连，故VQ1值相当于晶体管中BE结二极管的正向压降VBE值，为0.6~0.8V。

　　晶体管中BE结温度系数为负，电阻温度系数为正，在（2）式中VQ1和VR6随温度的变化可以相互补偿，故该基准源的输出VREF对温度变化不敏感。电压调节电路是稳压电路中的核心部分，包括两个一级CMOS差分放大电路COMP和电压调节及反馈电路，如图5。

　　两个差分放大器的输入由分压电阻得到。比较放大后经反馈调节和限流保护电路得到MA1和MB1，以控制电源开关电路中开关管的开启和截止。

　　电源开关电路由储能电容，NMOS管构成的整流器及开关电路组成，如图6所示。P1、P2直接连到线圈L0的两端。通过电磁耦合在P1、P2上感应出交流电；经整流后，在储能电容C0端产生直流电压VDD。调压电容C5在N2管导通后构成放电回路，使P1、P2上的电流开始对C5充电而停止对C0充电，C0两端电压保持稳定，即为负载电路提供稳定的电源电压。
　　　　　　　　　
(2)调制解调模块

　　阅读器和卡之间数据传输的编码不一样，卡中的调制和解调也不同。卡和阅读器之间的传输协议是半双工模式，在卡中接收到的信号是阅读器发来的载波信号和“变形Miller编码”信号的100%的ASK调制信号，所以在解调时采用的也就只是进行简单的RC解调，将高频载波信号过滤掉，如图7（a）所示。
　　　　　　　
　　在调制时，协议中采用的是负载调制的振幅键控的副载波调制。不仅可以用调控电容进行负载调制，还可以用调控电阻进行负载调制。由于电容和电阻比较起来面积较大，故在设计时采用了调控电阻来进行负载调制，内部经过编码和数字调制的副载波信号，通过控制NMOS开关管来控制调控电阻的接通和断开，这样副载波调制信号就可以通过天线发送，如图7（b）。

参考文献
1 王爱英. 智能卡技术IC卡. 第2版. 北京：清华大学出版社，2000
2 Klaus Finkenzeller. 射频识别(RFID)技术. 第2版. 陈大才编译. 北京：电子工业出版社，2001
3 杨肇敏，张忠会. 论非接触IC卡技术. 计算机工程与应用，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，邓晋钧，刘宗祥. IC卡的技术与应用. 北京：电子工业出版社，1999