PRESENTAZIONE TESI
Inoltre, si dimostrerà la possibilità di effettuare un processo di ricarica in
Radio-Frequenza per applicazioni medicali.
Nella tesi, dopo un’ampia introduzione sui sistemi RFID (capitolo 1) e sullo
stato dell’arte di raddrizzatori e charge pump (capitolo 2), viene analizzata una
configurazione circuitale che utilizza celle NMOS-PMOS gate cross-connected
che permette di ottenere buone performance anche sottosoglia.
Nel capitolo 3, infatti, viene discussa la progettazione di un raddrizzatore
con ampiezza del segnale in ingresso pari a , tensione in uscita di e
potenza fornita al carico di valore
mV200 V1
Wμ10 (specifiche tipicamente richieste nei
sistemi RFID) che può operare sia a (tutt’oggi rimane la sola
frequenza standardizzata a livello mondiale) sia a .
MHz56.13
MHz400
Nello stesso capitolo viene valutata la possibilità di effettuare la
progettazione sia con uno schema differenziale che con una topologia singola.
L’analisi e le simulazioni sono state effettuate in tecnologia CMOS013RF
Low Power in ambiente Cadence®, mediante il simulatore Spectre®.
Nel capitolo 4 si analizza la fattibilità e l’effettiva progettazione di un
sistema per la ricarica in RF delle batterie ricaricabili dei pacemaker e
successivamente si presenta un’innovativa topologia circuitale in cui viene
effettuato il controllo sulla tensione di soglia dei transistori, che di fatto ne riduce
le perdite, incrementando la corrente che il circuito è in grado di erogare.
Infine, nel capitolo 5, si effettua una comparazione delle performance del
sistema al variare dell’ampiezza del segnale in ingresso (da a ), mV100 mV350
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PRESENTAZIONE TESI
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sia in termini di massima corrente erogabile dal circuito, fissata la massima
occupazione di area, sia in termini di efficienza.
Le simulazioni sono state effettuate al variare dei corners, ovvero le
condizioni a cui è soggetto il processo tecnologico, che portano ad avere
dispositivi poco performanti (corner SS) o dispositivi molto veloci e ad elevate
prestazioni (corner FF).
CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
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CAPITOLO 1
Principi di funzionamento dei sistemi RFID
1.1 Introduzione
Negli ultimi anni le procedure di identificazione automatica (Auto-ID) si
sono ampiamente diffuse in molti applicazioni industriali, logistiche, di trasporto
e di controllo su carico, scarico ed accesso ai locali. Queste procedure permettono
l’identificazione di persone, animali ed oggetti in genere.
Se da un lato l’utilizzo dei codici a barre risulta vantaggioso dal punto di
vista economico, dall’altro diventa inadeguato visto l’elevato incremento sul
numero di prodotti da valutare e l’impossibilità di riprogrammare tali codici.
La soluzione potrebbe essere quella di immagazzinare i dati su chip di
silicio come ad esempio avviene nelle smart card a contatto diretto (schede
telefoniche e carte di credito) anche se in alcuni casi il contatto fisico risulta
CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
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impraticabile. Per questo, risulta maggiormente efficiente realizzare il
trasferimento dei dati tra il dispositivo e un reader, senza contatto diretto,
sfruttando la potenza fornita dal reader per autoalimentare il dispositivo. Questa
classe di sistemi prende il nome di RFID (Radio Frequency IDentification ovvero
IDentificazione automatica a Radio-Frequenza).
La tecnologia di identificazione a radio frequenza non è di recente scoperta,
in quanto prime sperimentazioni si ebbero nel corso della Seconda Guerra
Mondiale quando i sistemi IFF (Identification Friend or Foe) furono installati sui
bombardieri e sulle navi americane per evitare di essere colpite dal fuoco amico
[1]. Da applicazioni militari si passò, negli anni ‘60, alla commercializzazione dei
primi sistemi EAS (Electronic Article Surveillance) per la rilevazione dei furti
nei supermercati. All'epoca, le etichette radio consentivano l'invio di un singolo
bit d'informazione ed erano piuttosto ingombranti e costose.
Valutando l’evoluzione temporale degli ultimi anni sul numero di
compagnie operanti nella progettazione di sistemi RFID si può notare un elevato
interesse del mercato su questi sistemi (se nel 2000 il giro di affari sulla vendita
di sistemi RFID era dell’ordine di 400 milioni di euro solo in Europa, si prevede
che esso toccherà i 2.5 miliardi di euro nel 2008).
CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
1.2 Principio di funzionamento
Un classico sistema RFID è caratterizzato da due principali componenti: il
reader e il tag, detto anche transponder (TRANSmitter/resPONDER): un
semplice micro-chip dotato di antenna e di una piccola quantità di memoria (in
genere non supera i 2KB), comunque sufficiente a contenere un numero di serie o
altre informazioni. Lo schema di base di un sistema RFID è mostrato nella figura
sottostante:
Figura 1.1: Schema di base di un sistema RFID.
I transponder RFID possono essere suddivisi essenzialmente in passivi e
attivi. Quelli attivi sono dotati di batteria, la quale fornisce l’alimentazione ai
blocchi di logica a valle. Tipicamente permettono di ottenere più alti range di
comunicazione in termini di distanza. La batteria di questa classe di transponder
non fornisce, comunque, la potenza necessaria per la trasmissione dati tra tag e
reader, ma serve esclusivamente per l’alimentazione del microchip. Tale
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CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
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trasmissione viene effettuata sfruttando la potenza del campo elettromagnetico
emesso dallo stesso reader.
I tag passivi, invece, non dispongono di una propria sorgente di
alimentazione, ma traggono la potenza necessaria per il corretto funzionamento
dal reader. Questa topologia di transponder è caratterizzata da una distanza di
lettura inferiore rispetto ai tag attivi, da una capacità di memoria più bassa ma
anche costi inferiori (tipicamente $0.50 o meno rispetto ai $ 4÷20 dei tag attivi).
In un sistema RFID passivo il reader invia un segnale radio attraverso la
propria antenna che viene captato dall’antenna del tag e convertito, per mezzo di
un raddrizzatore, in una tensione DC che permette di alimentare i blocchi a valle.
In risposta a questo segnale RF il tag varia la propria impedenza in ingresso
modulando, quindi, il segnale da inviare al reader. Il tipo di modulazione
tipicamente usato nei sistemi RFID è l’Amplitude Shift Keying (ASK), in cui
l’impedenza del chip commuta tra due stati: uno di matching con l’antenna (per
esempio 1 logico) ed un altro di completo mismatching (per esempio 0 logico).
I tag RFID possono essere distinti in base alla frequenza alla quale
comunicano, al protocollo di comunicazione, a come vengono alimentati e a
come viene immagazzinata l’informazione. I sistemi RFID impiegano diverse
frequenze di comunicazione, data la possibilità che ogni nazione riservi alcune di
esse per altri scopi.
CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
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La scelta della frequenza di comunicazione dipende ovviamente
dall’applicazione. Essenzialmente si possono distinguere tre principali range di
frequenze per le applicazioni RFID:
• Low frequency (frequenze dell’ordine dei KHz) – LF;
• High Frequency (13.56÷800MHz) – HF;
• Ultra High Frequency (850÷950MHz, 2.4÷2.5GHz) – UHF;
È in via di definizione un processo di standardizzazione delle frequenze che
prevede la suddivisione in tre regioni geografiche:
• Regione 1: Europa, Russia, Africa;
• Regione 2: America;
• Regione 3: Asia, Australia.
Va evidenziata la larga diffusione di sistemi RFID che adottano una
frequenza standard di 13.56MHz e funzionano ad una distanza di lettura di circa
1cm. Essi hanno il vantaggio che la frequenza di lavoro pari a 13.56MHz è la
prima e attualmente la sola standardizzata a livello mondiale.
Muovendoci verso le frequenze UHF o alle microonde si possono sfruttare
le bande ISM (Industrial Scientific and Medical) che non necessitano di licenze
per il loro utilizzo. Tuttavia, esistono delle regolamentazioni e dei requisiti per
l’utilizzo di queste bande che variano largamente nel mondo e che forniscono le
condizioni per cui si può trasmettere o ricevere in quel determinato range di
frequenze.
CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
Ogni tag RFID è progettato per uno specifico protocollo di comunicazione.
Il protocollo permette di definire il modo in cui il tag comunica con il reader.
Ovviamente se i protocolli di comunicazione del reader e del tag sono differenti
viene inibita la comunicazione tra i due componenti.
I transponder, che nei sistemi più comunemente impiegati hanno la forma di
etichette planari (smart tags), hanno dimensioni variabili in base alla frequenza
cui l'impianto opera: da superfici di alcuni centimetri quadri, per sistemi che
lavorano nella banda dei 100÷500KHz a dimensioni dell'ordine del millimetro
quadro per sistemi che operano a 2.4GHz.
Uno schema dei principali blocchi funzionali di un tag RFID passivo è
riportato nella figura 1.2:
Figura 1.2: Schema dei principali blocchi funzionali di un tag RFID passivo.
La memoria del transponder è in genere costituita da una ROM, una RAM
ed una memoria programmabile non volatile contenente i dati identificativi
relativi all'applicazione.
La ROM contiene le informazioni di sicurezza (ad esempio eventuali chiavi
crittografiche) e le istruzioni per il sistema operativo dello stesso tag; la RAM è
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CAPITOLO 1 SISTEMI RFID
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utilizzata per la memorizzazione temporanea dei dati durante il processo di
ricezione/trasmissione.
I chip di memoria che caratterizzano il tag possono essere distinti in
Read–Only in cui il dato viene immagazzinato durante il processo produttivo e
può solo essere solo letto e Read-Write in cui il dato può essere anche scritto
quando il tag si trova nel range di lettura del reader (in questo caso l'etichetta
radio diventa un sistema di identificazione che può tenere traccia della storia di
un prodotto durante il suo trattamento). Ovviamente questa ultima classe di chip
è maggiormente costosa. Esistono anche chip di tipo WORM (Write Once Read
Many), in cui il dato può essere scritto una sola volta rendendo il chip di sola
lettura.
Uno dei più importanti parametri nella caratterizzazione di un sistema RFID
è il tag range ovvero la massima distanza a cui il reader può sia leggere che
scrivere (ove consentito dal tipo di memoria) informazioni sul tag. Nella figura
1.3 viene mostrato un tipico andamento del campo elettromagnetico normalizzato
in funzione della distanza (come detto il tag passivo si autoalimenta da tale
campo elettromagnetico che quindi ne determina il tag range):
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