RFID应答器和操作RFID应答器的方法与流程

rfid应答器和操作rfid应答器的方法
技术领域
1.本公开涉及一种射频识别(rfid)应答器。此外，本公开涉及一种操作rfid应答器的对应方法。


背景技术：

2.如今，射频识别(rfid)应答器广泛用于不同的工业和商业领域以及各种用途。例如，rfid应答器可体现为所谓的rfid标签或rfid卡。应注意，在本公开中，近场通信(nfc)应答器被视为特定类型的rfid应答器。因此，本文所描述的原理还可应用于nfc应答器。rfid应答器通常包含电荷泵，所述电荷泵被配置成将应答器的输入电压升高到用于应答器的组件的适当工作电压。


技术实现要素：

3.根据本公开的第一方面，提供一种包括电荷泵和至少一个功能组件的射频识别(rfid)应答器，其中：所述电荷泵被配置成将输入电压转换成输出电压且将所述输出电压供应到所述功能组件；所述功能组件被配置成使用所述电荷泵的所述输出电压来执行所述rfid应答器的功能；其中所述电荷泵包括二极管或开关晶体管和耦合到所述二极管或开关晶体管的至少一个电容器，并且其中所述电容器被配置成补偿所述二极管或开关晶体管的阻抗的变化。
4.在一个或多个实施例中，所述电荷泵包括耦合到所述二极管或开关晶体管的多个电容器，其中所述电容器具有不同类型、值和/或几何形状。
5.在一个或多个实施例中，所述rfid应答器另外包括电荷泵控制器，所述电荷泵控制器被配置成使相应电容器与所述二极管或开关晶体管连接和断开。
6.在一个或多个实施例中，所述电荷泵控制器另外被配置成使所述电容器中的至少一个与所述电荷泵的时钟输入线连接和断开。
7.在一个或多个实施例中，所述rfid应答器另外包括被配置成感测所述rfid应答器的环境参数、制造参数和/或功能参数的至少一个传感器。
8.在一个或多个实施例中，所述rfid应答器另外包括被配置成改变所述电容器的值的变容二极管。
9.在一个或多个实施例中，所述变容二极管被配置成取决于所述rfid应答器的所感测的环境参数、制造参数和/或功能参数而改变所述电容器的所述值。
10.在一个或多个实施例中，所述电容器被配置成通过具有电容来补偿所述二极管或开关晶体管的所述阻抗的变化，所述电容响应于所述输入电压的变化而以与所述二极管或开关晶体管的电阻相应地减小或增大基本上相同的速率相应地增大或减小。
11.根据本公开的第二方面，构想一种操作rfid应答器的方法，所述方法包括：由所述rfid应答器的电荷泵将输入电压转换成输出电压，其中所述电荷泵包括二极管或开关晶体管和耦合到所述二极管或开关晶体管的至少一个电容器，并且其中所述电容器补偿所述二
极管或开关晶体管的阻抗的变化；由所述电荷泵将所述输出电压供应到所述rfid应答器的至少一个功能组件；由所述功能组件使用所述电荷泵的所述输出电压来执行所述rfid应答器的功能。
12.在一个或多个实施例中，所述电荷泵包括耦合到所述二极管或开关晶体管的多个电容器，其中所述电容器具有不同类型、值和/或几何形状。
13.在一个或多个实施例中，所述方法另外包括由包括在所述rfid应答器中的电荷泵控制器使相应电容器与所述二极管或开关晶体管连接和断开。
14.在一个或多个实施例中，所述方法另外包括由所述电荷泵控制器使所述电容器中的至少一个与所述电荷泵的时钟输入线连接和断开。
15.在一个或多个实施例中，所述方法另外包括由包括在所述rfid应答器中的至少一个传感器感测所述rfid应答器的环境参数、制造参数和/或功能参数。
16.在一个或多个实施例中，所述方法另外包括由包括在所述rfid应答器中的变容二极管改变所述电容器的值。
17.在一个或多个实施例中，所述变容二极管取决于所述rfid应答器的所感测的环境参数、制造参数和/或功能参数而改变所述电容器的所述值。
附图说明
18.将参考附图更详细地描述实施例，在附图中：
19.图1示出电荷泵的例子；
20.图2示出rfid应答器的说明性实施例；
21.图3示出操作rfid应答器的方法的说明性实施例；
22.图4a示出电荷泵组件的说明性实施例；
23.图4b示出电荷泵组件的二极管的输入电压与输出电流的关系；
24.图4c示出电荷泵组件的电容器的电容与输入电压的关系；
25.图5a示出电荷泵组件的说明性实施例；
26.图5b示出电荷泵组件的二极管的输入电压与输出电流的关系；
27.图5c示出电荷泵组件的相应电容器的电容与输入电压的关系；
28.图6a示出电荷泵组件的另外的说明性实施例；
29.图6b示出电荷泵组件的二极管的输入电压与输出电流的关系；
30.图6c示出电荷泵组件的相应电容器的电容与输入电压的关系；
31.图7a示出电荷泵组件的另外的说明性实施例；
32.图7b示出电荷泵组件的二极管的输入电压与输出电流的关系；
33.图7c示出电荷泵组件的电容器的电容与输入电压的关系。
具体实施方式
34.如今，射频识别(rfid)应答器广泛用于不同的工业和商业领域以及各种用途。例如，rfid应答器可体现为所谓的rfid标签或rfid卡。应注意，在本公开中，近场通信(nfc)应答器被视为特定类型的rfid应答器。因此，本文所描述的原理还可应用于nfc应答器。rfid应答器通常包含电荷泵，所述电荷泵被配置成将应答器的输入电压升高到用于应答器的组
件的适当工作电压。
35.rfid通信可基于电感耦合。rfid读取器与例如rfid标签的rfid应答器之间的通信通常借助于负载调制来实现，并且可被拆分成前向链路和返回链路。更具体地说，rfid读取器可通过前向链路将命令传输到rfid应答器，并且rfid应答器可通过返回链路将对那些命令的响应传输回rfid读取器。rfid应答器包含对载波信号进行负载调制的调制器。存在不同类型的负载调制，例如有源负载调制(alm)和无源负载调制(plm)。返回链路还可被称作反向散射信号或更简洁地称作“反向散射”。
36.在rfid应用中，电荷泵通常用作电压域的电源，rfid应答器的功能组件在所述电压域中操作。此类电荷泵的阻抗可高度依赖于功率，且可因此明显取决于馈送到电荷泵的输入电压而变化。应注意，电荷泵的输入功率范围可以非常大。这可使得阻抗匹配随功率显著变化。具体地说，高场强度可产生高输入功率，这继而引起较大阻抗变化。因此，由于阻抗变化引起的失谐，rfid应答器的返回链路的强度(即，反向散射强度)也可显著减小。此外，由于不同操作点处的不同阻抗值，可能难以实现适当的匹配和天线设计。
37.图1示出用于rfid应答器的电荷泵100的例子。电荷泵100包括多个二极管102、104、106、108，所述二极管中的每一个耦合到电容器110、112、114、116。电荷泵100被配置成使用多个二极管102、104、106、108和相应电容器110、112、114、116将输入电压vin转换成输出电压vout。电荷泵100另外包括时钟线clk，所述时钟线clk直接耦合到以及通过反相器118耦合到电容器102、104、106、108。应注意，在rfid应用中，可从rf场导出clk信号。
38.具体地说，电荷泵100为典型电荷泵的例子，其中执行一个或多个电容器的定时充电和放电。由此，可将低输入电压有效地转换成较高电压。更具体地说，一系列级或组件可在电荷泵中实施，所述级或组件中的每一个由二极管和相关联电容器组成。在此实施方案中，每个级的电容器经由二极管加载。电荷泵的每个级通常以使得在预定条件下实现某一效率的方式设计。然而，由于二极管的非线性特性，所述二极管的阻抗可随功率显著变化，这反过来引起电荷泵的总体效率和阻抗的变化。这可能导致rfid应答器的非最优且复杂的调谐。因此，可能需要补偿失谐效应，由此有助于在较大输入电压范围内实现较高系统性能。
39.现在论述rfid应答器和操作rfid应答器的对应方法，其有助于减少电荷泵阻抗随功率变化的影响，由此避免由于所述变化而使返回链路的强度显著减小，并且进一步避免可能难以实现适当的匹配和天线设计。
40.图2示出rfid应答器200的说明性实施例。应答器200包括电荷泵202和至少一个功能组件204。电荷泵202被配置成将rfid应答器200的输入电压(例如，从接近应答器的读取器生成的射频场提取的电压)转换成较高输出电压且将输出电压供应到功能组件204。此外，功能组件204被配置成使用电荷泵202的输出电压来执行rfid应答器200的功能。此外，电荷泵202包括二极管和至少一个电容器(未示出)，其中电容器被配置成补偿所述二极管的阻抗的变化。因此，代替图1中示出的电荷泵的电容器，或除所述电容器之外，还选择可补偿二极管的阻抗变化的电容器。应注意，电荷泵202可包括开关晶体管，而不是二极管。在此情况下，代替二极管的非线性电阻，可发生晶体管的接通状态电阻(ron)的非线性特性。因此，电容器可被配置成补偿开关晶体管的阻抗的变化，而不是二极管的阻抗的变化。因此，在本文所描述的实施例中参考具有二极管的电荷泵组件的情况下，还可使用具有开关晶体
管的电荷泵组件。因此，本文所描述的原理还应用于包括开关晶体管而非二极管的电荷泵。
41.换句话说，电容器具有反阻抗特性，从某种意义上说，所述电容器有助于补偿耦合到电容器的二极管的阻抗变化。二极管和耦合到所述二极管的一个或多个电容器可一起构成电荷泵级或电荷泵组件。因此，通过补偿二极管的阻抗变化，也可减小电荷泵202的总体阻抗的变化。应注意，电荷泵202可包括另外的级或组件(未示出)，所述另外的级或组件中的每一个包括可操作地耦合到所阐述种类的一个或多个电容器的二极管。
42.在一个或多个实施例中，电荷泵包括耦合到二极管的多个电容器，其中所述电容器具有不同类型、值和/或几何形状。以此方式，可改进对二极管的阻抗变化的补偿。这反过来进一步减小电荷泵的总体阻抗变化。应注意，所述多个电容器中的一个或多个可具有如上文所描述的反阻抗特性。此外，在一个或多个实施例中，rfid应答器另外包括电荷泵控制器，所述电荷泵控制器被配置成使相应电容器与二极管连接和断开。以此方式，可优化对二极管的阻抗变化的补偿。这反过来进一步减小电荷泵的总体阻抗变化。并且，在一个或多个实施例中，电荷泵控制器被配置成使多个电容器中的至少一个与电荷泵的时钟输入线连接和断开。以此方式，可进一步改进对二极管的阻抗变化的补偿。这同样进一步减小电荷泵的总体阻抗变化。
43.在一个或多个实施例中，所述rfid应答器另外包括被配置成感测所述rfid应答器的环境参数、制造参数和/或功能参数的至少一个传感器。可取决于这些参数的值来进行对阻抗变化的补偿。以此方式，可进一步改进补偿。此外，在一个或多个实施例中，rfid应答器另外包括被配置成改变耦合到二极管的一个或多个电容器的值的变容二极管。以此方式，可进一步优化对二极管的阻抗变化的补偿。举例来说，上文所提到的传感器的测量结果可用作变容二极管的输入或用作开关的输入，所述开关使多个电容器中的至少一个与电荷泵的时钟输入线连接和断开。
44.在一个或多个实施例中，电容器被配置成通过具有电容来补偿所述二极管的阻抗的变化，所述电容响应于输入电压的变化而以与二极管的电阻相应地减小或增大基本上相同的速率相应地增大或减小。以此方式，有助于补偿二极管的阻抗的变化。在实际实施方案中，可选择确保响应于输入电压的变化而二极管
‑
电容器组合的时间常数τ＝r
·
c不会显著变化的电容器。应注意，r表示二极管的电阻，且c表示二极管的电容与存在于电容器上的电容的大致组合作用。当τ保持恒定时，二极管的阻抗变化得到适当补偿，并且效率也保持恒定。本领域的技术人员将了解，不同类型的电容器可满足此要求。
45.图3示出操作所阐述种类的rfid应答器的方法300的说明性实施例。方法300包括以下步骤。在302处，rfid应答器的电荷泵将输入电压转换成输出电压，其中电荷泵包括具有反阻抗特性的至少一个电容器以补偿电荷泵的二极管的阻抗变化。在304处，电荷泵将输出电压供应到rfid应答器的至少一个功能组件。此外，在306处，功能组件使用电荷泵的输出电压来执行rfid应答器的功能。应注意，所述功能可以是由rfid应答器执行的典型功能，例如先前所提及的载波信号的负载调制，所述负载调制产生反向散射信号。如上文所提及，电容器的反阻抗特性有助于补偿耦合到电容器的二极管的阻抗变化，这反过来有助于减小电荷泵的总体阻抗。
46.图4a示出电荷泵组件400(即，电荷泵级)的说明性实施例。电荷泵组件400包括二极管402和可操作地耦合到二极管402的电容器404。电容器404具有反阻抗特性。图4b示出
了示出二极管402的输入电压与输出电流的关系的图式406。此外，图4c示出了示出电容器404的电容与输入电压的关系的图式408。具体地说，根据本公开，使用在输入电压上具有反阻抗特性的电容器。由此，前述失谐效应可受到限制或中和。在实际实施方案中，用于加载电荷泵级的时间常数(τ)不会响应于输入电压的变化而显著变化。具体地说，τ如下限定：τ＝r
·
c，其中r为二极管的电阻，且c为存在于电容器上的电容。通过使用确保τ保持恒定的此类电容器，二极管的阻抗变化得到适当补偿。补偿可以是线性的或非线性的。
47.电荷泵级通常具有二极管或开关晶体管以及至少一个电容。在超高频(uhf)域中，电容通常为金属
‑
金属电容或多晶硅
‑
多晶硅电容以避免非线性、电压依赖性、温度依赖性和由加工引起的大变化。不利的是，在二极管或开关晶体管中可能通常无法避免这些非线性和其它约束。二极管可具有强工艺依赖性、温度依赖性和电压依赖性。另外，此依赖性主要是非线性的，因为特性很大程度上取决于偏置点。此外，在uhf域中，二极管的本质电容变得相关，且其显著影响电荷泵的特性。通过选择确保二极管的电阻与电容器上的电容之间的成反比特性的电容器，可避免这些缺点。
48.应注意，所阐述种类的电容器可补充或替换前述金属
‑
金属电容或多晶硅
‑
多晶硅电容，其方式为使得非线性和/或其它依赖性被去除或减弱。合适电容器的非限制性例子包括go2电容器，所述go2电容器为依赖电压的电容器。取决于连接方向，可有效地补偿二极管的阻抗变化。合适电容器的其它非限制性例子包括具有单栅氧化物厚度的go1或sgo电容器、具有双hv厚度的go2或dgo电容器，以及具有三hv厚度的go3或tgo电容器。此外，如上文所提及，可通过使用不同类型的电容器来补偿二极管的阻抗变化。在此情况下，不同类型的电容器可包括例如多晶硅
‑
n阱、多晶硅
‑
p阱、多晶硅
‑
多晶硅(ono)、多晶硅
‑
触点和金属
‑
金属。
49.图5a示出电荷泵组件500的另一说明性实施例。电荷泵组件500包括可操作地耦合到多个电容器504、506、508、510、512的二极管502。电容器504、506、508、510、512可具有不同类型、值和/或几何形状。此外，电容器504、506、508、510、512可具有不同的反阻抗特性。图5b示出了示出二极管502的输入电压与输出电流的关系的图式514。此外，图5c示出了示出相应电容器504、506、508、510、512的电容与输入电压的关系的图式516。具体地说，电荷泵组件500表示另外的实施方案，所述实施方案可产生更好的补偿和增加的线性化。更具体地说，不同类型、值和几何形状的若干电容器的组合可产生对失谐效应的另外限制。例如，可添加或组合不同电压特性以实现更好的阻抗补偿。
50.图6a示出电荷泵组件600的另外的说明性实施例。电荷泵组件600包括可操作地耦合到多个电容器604、606、608、610、612的二极管602。同样，电容器604、606、608、610、612可具有不同类型、值和/或几何形状。此外，电容器604、606、608、610、612可具有不同的反阻抗特性。此外，电荷泵控制器(未示出)被配置成使相应电容器604、606、608、610、612与二极管602连接和断开。另外，电荷泵控制器可使电容器610与电荷泵的时钟线连接和断开。应注意，符号“x”指示电容器可以断开。此外，虚线指示电容器的几何形状可变化。图6b示出了示出电荷泵组件600的二极管602的输入电压与输出电流的关系的图式614，并且图6c示出了示出电荷泵组件600的相应电容器604、606、608、610、612的电容与输入电压的关系的图式616。
51.具体地说，在这些实施例中，可以动态方式将一个或多个电容器604、606、608、
610、612添加到电荷泵阻抗或从所述电荷泵阻抗移除。这些电容器可具有相同类型、大小或几何形状，或如所示，电容器604、606、608、610、612可具有不同类型、大小和/或几何形状。电容器604、606、608、610、612的添加和移除可例如由读取器发送的命令触发。可替换的是，或另外，传感器电平或指示器可用于触发电容器604、606、608、610、612的添加和移除。这允许实现依赖于命令的阻抗补偿。应注意，还可实现负补偿(失谐增益)。相应电容器604、606、608、610、612可断开的位置也可以是可选的。换句话说，电容器604、606、608、610、612中的全部或一些可断开和重新连接。此外，电容器604、606、608、610、612可在顶板处(即，在电容器604、606、608、610、612耦合到二极管602的位置)、在底板处(即，在电容器604、606、608、610、612耦合到时钟线的位置)或在顶板和底板两者处断开和重新连接。对于电容器604、606、608、610、612可断开的位置的选择，可以考虑电荷泵的特定寄生特性的变化。此外，传感器或指示器可感测和监测属于或关于rfid应答器的环境参数(例如，温度、湿度、光照)、制造工艺结果(例如，特定组件的阈值电压、电阻率、电容)或功能参数(例如，功率、电压、电流、电荷)。
52.图7a示出电荷泵组件700的另外的说明性实施例。电荷泵组件700包括二极管702和可操作地耦合到二极管702的电容器704。电容器704具有反阻抗特性。此外，电荷泵组件700包括变容二极管。在此实施例中，变容二极管包括二极管702、电容器704和可控制电压源706。因此，电容器704具有可借助于可控制电压源706而变化的可变电容。图7b示出了示出电荷泵组件700的二极管702的输入电压与输出电流的关系的图式708。此外，图7c示出了示出电荷泵组件700的电容器704的电容与输入电压的关系的图式710。确切地说，在这些实施例中，变容二极管和控制信号用于动态地改变电容器值并因此改变电荷泵的阻抗。电压信号可为静态、动态或两者的组合。电压可取决于前述传感器、监测器或指示器的输出而生成。
53.应注意，已经参考不同的主题描述了上述实施例。具体地说，一些实施例可能是已参考方法类的权利要求来描述的，而其它实施例可能是已参考设备类的权利要求来描述的。然而，本领域的技术人员将从上述内容了解到，除非另外指明，否则除属于一种类型的标的物的特征的任何组合外，与不同标的物相关的特征的任何组合，具体来说方法类的权利要求的特征与设备类的权利要求的特征的组合，也视为与此文档一起公开。
54.此外，应注意图式是示意性的。在不同图式中，用相同的附图标记表示类似或相同元件。此外，应注意，为了提供对说明性实施例的简洁描述，可能并未描述属于本领域的技术人员的习惯做法的实施细节。应了解，在任何此类实施方案的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须制定大量实施方案特定的决策以便实现研发者的特定目标，例如遵守系统相关的和商业相关的约束条件，这些约束条件在不同的实施方案中可能不同。另外，应了解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但不过是本领域的技术人员进行设计、制造和生产的例行任务。
55.最后，应注意，本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。在权利要求书中，置于圆括号之间的任何附图标记不应解释为限制权利要求。词语“包括(comprise/comprising)”不排除在权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的不定冠词“一”或“一个”不排除多个此类元件的存在。权利要求书中所叙述的措施可借助于包括若干不同元件的硬件和/或借助于适当
编程设计的处理器来实施。在列出若干构件的装置权利要求中，可以通过硬件中的同一个物件体现若干这些构件。在彼此不同的附属权利要求项中叙述某些措施的这一单纯事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
56.附图标记列表
57.100 电荷泵
58.102 二极管
59.104 二极管
60.106 二极管
61.108 二极管
62.110 电容器
63.112 电容器
64.114 电容器
65.116 电容器
66.118 反相器
67.200 rfid应答器
68.202 电荷泵
69.204 功能组件
70.300 操作rfid应答器的方法
71.302 由rfid应答器的电荷泵将输入电压转换成输出电压，其中电荷泵包括具有反阻抗特性的至少一个电容器以补偿电荷泵的二极管的阻抗变化
72.304 由电荷泵将输出电压供应到rfid应答器的至少一个功能组件
73.306 由功能组件使用电荷泵的输出电压来执行rfid应答器的功能
74.400 电荷泵组件
75.402 二极管
76.404 具有反阻抗特性的电容器
77.406 二极管的输入电压与输出电流的关系
78.408 电容器的电容与输入电压的关系
79.500 电荷泵组件
80.502 二极管
81.504 电容器
82.506 电容器
83.508 电容器
84.510 电容器
85.512 电容器
86.514 二极管的输入电压与输出电流的关系
87.516 相应电容器的电容与输入电压的关系
88.600 电荷泵组件
89.602 二极管
90.604 电容器
91.606 电容器
92.608 电容器
93.610 电容器
94.612 电容器
95.614 二极管的输入电压与输出电流的关系
96.616 相应电容器的电容与输入电压的关系
97.700 电荷泵组件
98.702 二极管
99.704 电容器
100.706 变容二极管
101.708 二极管的输入电压与输出电流的关系
102.710 电容器的电容与输入电压的关系。