[논문]UHF대역 RFID 태그를 위한 저전력 고성능 아날로그 회로 설계

심현철; 차충현; 박종태; 유종근

doi:10.6109/jkiice.2008.12.1.130

UHF대역 RFID 태그를 위한 저전력 고성능 아날로그 회로 설계
Design of Low-Power High-Performance Analog Circuits for UHF Band RFID Tags 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.12 no.1, 2008년, pp.130 - 136

심현철 (인천대학교 전자공학과) , 차충현 (인천대학교 전자공학과) , 박종태 (인천대학교 전자공학과) , 유종근 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 $UHF(860{\sim}960MHz)$ 대역 RFTD 태그(tag) 칩을 위한 저전력 고성능 아날로그 회로를 설계하였다. 설계된 아날로그 front-end 블록은 국제표준인 ISO/IEC 18000-6C(EPCglobal class1 generation2) 표준규격을 따르며, 성능테스트를 위한 메모리 블록을 포함하고 있다. 모든 회로를 1V에서 동작하도록 하여 세부 회로들의 전력소모를 최소화하였으며, 보다 정확한 복조를 위해 전류모드 슈미트 트리거를 포함한 ASK 복조기를 제안하였다. 제안된 복조기는 0.014% 복조오차를 갖는다. 설계된 회로를 0.18um CMOS 공정 변수를 이용하여 모의실험 한 결과 최소 $0.2V_{peak}$ 입력으로 동작 가능하며, 1V 전원전압에서 $2.63{\mu}A$의 전류소모를 갖는다. 칩 면적은 $0.12mm^2$이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a low-power high-performance analog front-end block for $UHF(860{\sim}960MHz)$ band RFID tag chips. It satisfies ISO/IEC 18000-6 type C(EPCgolbal class1. generation2.) and includes a memory block for test. For reducing power consumption, it operates with a internally generated power supply of 1V. An ASK demodulator using a current-mode schmitt trigger is proposed and designed. The proposed demodulator has an error rate as low as 0.014%. It is designed using a 0.18um CMOS technology. The simulation results show that the designed circuit can operate properly with an input as low as $0.2V_{peak}$ and consumes $2.63{\mu}A$. The chip size is $0.12mm^2$

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

집적회로내의 회로들이 안정적인 동작을 하기 위해서는 전원전압이나 온도 변화 또는 외부환경요인의 변 화에도 안정된 기준전압 또는 기준전류를 발생시켜 주는 회 로가 필수적 이다. 본 논문에서는 CMOS 공정을 사용하여 면적이나 전력소모와 같은 추가적인 비용을 최 소화하면서도 좋은 특성을 갖는 기준전압 및 기준전류 발생회로를 설계하였다.
본 논문에서는 UHF 대역 RFID 의 국제표준인 ISO/IEC 18000-6C 표준[1]을 만족하는 태그 칩을 위한 저전력 고성능 아날로그 회로를 설계 하였다. 설계된 아 날로그 회로는 성능 테스트를 위해 메모리 블록을 포함 하고 있으며, 태그의 인식률과 경제성을 위해 저전력 및 칩 면적의 최소화에 중점을 두고 설계하였다.
본 논문에서는 기존의 큰 시정수를 갖는 저역통과 필 터로 인한 면적문제와 비교기로 인한 복조오차를 줄이 기 위해 적은 전류소모를 갖는 전류모드 슈미트트리거 [3]를 이용한 ASK복조기를 제안하였다. 제안된 ASK복 조기의 회로도를 그림 7에 나타내었다.
본 논문에서는UHF대역 RFID 태그를 위한 저전력 고 성능 아날로그 회로를 설계하였다. 태그의 인식률을 높 이기 위해 설계된 모든 회로들을 태그 내부에서 발생되는 IV 전원전압으로 동작 가능하도록 설계하였으며, 저 전력의 bias 설계를 통한 BGR의 필요성을 제거하였다.

가설 설정

그림 13은 설계된 회로의 모의실험결과를 나타내며, O.Wpeak의 RF신호가 태그에 입 력될 때를 가정하여 수행하였다. 0.

제안 방법

UHF대 역 RFID 시스템은 ASK 혹은 PSK 방식의 역 확 산 변조를 통해 태그의 저장된 정보를 리더로 보내며, PSK 방식의 경우 입력 임피던스의 허수 성분만 변화시 켜 태그에 입 력되는 전력 이 리더에서 보낸 데이터와 무 관하게 되어 높eDC전력효율과 역확산 전력을 얻을 수 있다. 따라서 본 논문에서는 높은 DC전력 효율과 역 확산 전력을 위해 PSK 방식으로 변조기를 설계였으며[5], 설 계된 회로의 회로도를 그림 9에 나타내었다
설계된 아 날로그 회로는 성능 테스트를 위해 메모리 블록을 포함 하고 있으며, 태그의 인식률과 경제성을 위해 저전력 및 칩 면적의 최소화에 중점을 두고 설계하였다. 또한 보다 적은 오차로 데이터 신호를 복원하기 위해 전류모드 슈 미트 트리 거 를 이용한 ASK 복조기 를 제 안하였다.
태그의 인식률을 높 이기 위해 설계된 모든 회로들을 태그 내부에서 발생되는 IV 전원전압으로 동작 가능하도록 설계하였으며, 저 전력의 bias 설계를 통한 BGR의 필요성을 제거하였다. 또한 보다 정확한 데이터 복조를 위해 전류모드 슈미트 트리거를 이용한 ASK 복조기를 제안하였다. 제안된 ASK 복조기는 IV 전원전압에서 0.
온도변화에 관계없는 안정된 클록을 디지털 블록에 공급하기 위해 앞서 설계된 bias에서 발생되는 전류를 사용하였다. 또한 저전력 이면서 간단한 구조를 갖는 Current starved ring oscillator 를 사용하여 전류소모 및 면적을 최 소화 하였다.
본 논문에서는 UHF 대역 RFID 의 국제표준인 ISO/IEC 18000-6C 표준[1]을 만족하는 태그 칩을 위한 저전력 고성능 아날로그 회로를 설계 하였다. 설계된 아 날로그 회로는 성능 테스트를 위해 메모리 블록을 포함 하고 있으며, 태그의 인식률과 경제성을 위해 저전력 및 칩 면적의 최소화에 중점을 두고 설계하였다. 또한 보다 적은 오차로 데이터 신호를 복원하기 위해 전류모드 슈 미트 트리 거 를 이용한 ASK 복조기 를 제 안하였다.
설계된 아날로그 회로의 성능과 기존에 발표된 RFID 태그 칩[7~ 10] 성능을 표 1에 비교하여 요약하였다. 설 계된 아날로그 회로는 IV 전원전압에서의 2.
그림 3 에 설계 된 레 귤 레 이 터 의 회 로도를 나타내 었 다. 설계된 오차증폭기는 높은 이득을 위해 2단 구조로 설계하였으며, 충분한 phase margin 을 갖도록 하였다. 설계 된 오차증폭기는 76dB의 이득과 69。의 phasemargin-g- 갖는다.
설계된 정류기는 문턱전압으로 인한 승압 제한을 최 소화하기 위해 낮은 문턱 전압을 갖는 MOSFET을 사용하여 구현하였으며, 6단으로 구성하였다. 설계된 정류 기 는 부하가 없을 때 0.
설계된 클록발생기는 적은 전력으로 가장 많은 주파 수로 분주가 가능한 L92MHz를 생성 하도록 설계 하였으며, IV 전원전압에서 0.45必의 전류소모를 갖는다.
그림 10은 설계된 클록발생기의 회로도이다. 온도변화에 관계없는 안정된 클록을 디지털 블록에 공급하기 위해 앞서 설계된 bias에서 발생되는 전류를 사용하였다. 또한 저전력 이면서 간단한 구조를 갖는 Current starved ring oscillator 를 사용하여 전류소모 및 면적을 최 소화 하였다.
이때 Vt에 비례하는 전류 성분과 V에 비 례하는 전류 성분을 공급전압에 무관하게 생성하는 것이 관건이다. 이를 위해 MOS 트랜 지스터를subthreshold 영역에서 동작하게 함으로써 V에 비 례 하는 전류를 얻고, threshold reference self-biasing 회 로를 이용해 Vt에 비 례하는 전류를 얻도록 설계하였다.
제안된 ASK 복조기는 포락선 검출기, 노이즈 필터, 미분회로[4], 전압-전류 변환회로, 전류모드 슈미트트리 거로 구성되며, ASK 변조된 RF신호로부터 풀 스윙(fiill swing) 비트열을 얻기 위해 포락선 검출된 신호 (Envelop_in)를 미분하여 톱니파(Id)를 생성하고 생성된 톱니파를 전류모드 슈미트트리거를 통해 데이터신호 *)를 복조한다.
본 논문에서는UHF대역 RFID 태그를 위한 저전력 고 성능 아날로그 회로를 설계하였다. 태그의 인식률을 높 이기 위해 설계된 모든 회로들을 태그 내부에서 발생되는 IV 전원전압으로 동작 가능하도록 설계하였으며, 저 전력의 bias 설계를 통한 BGR의 필요성을 제거하였다. 또한 보다 정확한 데이터 복조를 위해 전류모드 슈미트 트리거를 이용한 ASK 복조기를 제안하였다.
메 모리 블록은 사용자의 ID 및 정보를 저 장하기 위한 블록으로 읽고 쓰기가 가능한 EEPROM과 이를 제어하기 위한 디 지 털 블록으로 구성되어 야 한다. 하지만 본 논문에서는 설계된 아날로그 블록의 성능 테스트를 위해 64bit의 Mask ROM으로 구현하였다. 그림 12는 설계된 메모리 블록의 블록 다이 어그램으로, Ripple counter의해 제어되며, NMOS 트랜지스터만으로 메모리 코어를 구현 하였다.

대상 데이터

그림 12는 설계된 메모리 블록의 블록 다이 어그램으로, Ripple counter의해 제어되며, NMOS 트랜지스터만으로 메모리 코어를 구현 하였다. 설계된 메모리 블록은 IV전원전압에서 1.361虫 의 전류소모를 갖는다.
설계된 아날로그 회로는 성능테스트를 위해 메모리 블록을 포함하고 있으며, 1.36心의 전류 소모를 갖는다. 설계된 전체회로는 L5V의 공급전압에서 약 15.

데이터처리

설계된 전체 회로는 0.18㎛ CMOS 공정 변수를 이용한 모의실험을 통해 그 동작을 검증하였다.

성능/효과

3V까지 승압(A)되고, 약3陽에서 태그내부의 전원전압(B)이 L002V로 안정화 되며, 원하는 주파 수의 클록(C)을 발생한다. 그리고 충분히 클록이 안정화 되었다고 예상되어지는 약 50您에서 리셋신호(D)가 발 생되고, 이와 동시에 디지털 블록이 동작을 시작하여 메 모리 에 저장된 데이 터(E)가 PSK 변조기로 전달되는 것을 확인할 수 있다.
다른 아날로그 회로들 보다 전력소모 및 면적에서 우수한 특성을 보인다. 또한 저전력 고성능의 bias회로 설계를 통해 BGR(Bandgap Reference)의 필요성을 제거 하여 이전연 구[10] 보다 7.77/球의 전류소모를 줄일 수 있었으며, 면 적 또한 줄일 수 있었다.
기존의 복조기 와 제안된 복조기 의 복조오차를 비교하여 그림 8에 나타내었다. 제안된 복조기는 기존의 복 조기 에 비해 0.8小 적은 전류소모로 0.163% 더 정확히 복 조하며, 입력신호(Va)의 진폭변화에도 일정한복조오차 를 갖는다. 비교에 사용된 기존의 복조기는 1.
제안된 복조기는 기존의 큰 시 정수를 갖는 저 역 통과 필 터의 필요성을 제거하고 노이즈 필터를 능동소자로 구현 하여 기존의 복조기 보다 적은 면적을 갖으며, IV 전원전 압에서 0.98小 전류소모로 0.014%의 복조오차를 갖는다.

참고문헌 (10)

EPC Global Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation2 UHF RFID , Version 1.0.9 2005
Zheng Zhu, Behnam Jamali, Peter H. Cole, 'An HF/UHF RFID Analogue Front-end Design and Analysis' Auto-ID Centre White Paper Series, no. 1, 2005
S.R. Ramirez Chavez 'Mixed-mode Schmitt trigger equivalent circuit', Electronics Letters, vol 31, no 3, pp. 152-154, 2 Feb. 1995

상세보기
박지만 외, '접촉/비접촉 겸용 IC 카드를 위한 Type-B RF 회로 설계', 2001년도 한국 통신학회 하계 종합학술대회 논문집(하), 2001
Udo Karthaus, Martin Fischer, 'Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16.7 ${\mu}$ W Minimum RF Input Power', IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 10, pp. 1602-1608, Oct. 2003

상세보기
오원석, 유종근, 'CMOS RFID 트랜스폰더 Chip 설계' Proceeding of KICS summer conference, vol. 21, No. 2, pp. 1346-1349, 2000
Namjun Cho, Seong-Jun Song, Sunyoung Kim, Shinho Kim, Hoi-Jun Yoo, 'A 5.1 ${\mu}$ W UHF RFID Tag Chip intergrated with Sensors for Wireless Environmental Monitoring', IEEE International symposium on Circuits and Systems, pp. 279-282, 2005
Nhan Tran, Bomson Lee, Jong-Wook Lee, 'Development of Long-Rang UHF-band RFID Tag chip Using Schottky Diodes in Standard CMOS Technology', IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 281-284, 2007
W. Jeon, J. Melngailis, R. W. Newcomb, 'CMOS Passive RFID Transponder with Read-Only Memory for Low Cost Fabrication', IEEE International Proceedings of SoC Conference, pp. 181-184, 2005
심현철, 김경환, 박종태, 유종근 '900MHz 수동 RFID 태그를 위한 저전력 고성능 CMOS 아날로그 회로 설계' 2007년도 SoC 학술대회, 2007

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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