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:

 

I1R6=I2R4 (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:

 

VREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1=VQ1+I2R4 (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)。