CN101861703B - 用于无接触通信的收发电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于无接触通信的收发电路(1，1’，1”)，包括收发装置(3)，其适于产生电磁载波信息并根据发射数据调制载波信息，和具有电感线圈(lant)的天线(5)，其中天线(5)被连接到具有调制的载波信号的发射装置(3)并受其驱动。AC耦合电容(C4)器被耦合到天线(5)的电感线圈(Lant)，其中AC耦合电容(C4)还被连接到开关(S1，S2)的输入。这些开关(C4)的输出可以在地电势和整流装置(6)的输入间切换。整流装置(6)的输出被馈送到收发电路(1)的电源轨(PbF1，PbF2)。

Description

用于无接触通信的收发电路
发明领域
本发明涉及用于无接触通信的收发电路，包括发射装置，其适于产生电磁载波信号并根据发射数据调制载波信号，和具有电感线圈的天线，天线连接到具有所调制的载波信号的传输装置并由其驱动。
本发明还涉及NFC设备。
背景技术
图1显示了一种现有技术中用于无接触通信的收发电路的实施方式。收发电路提供有集成的近场通信传输模块2以及外部被动电子元件，类型编号PN5xx，例如由NXP半导体公司生产的类型编号PN511或PN512，现有技术的匹配还对Micore系列(MF RC5xx，MF RC632，SL RC400)有效。传输模块2集成装配有收发装置3，其适于产生电磁载波信号，根据传输数据调制载波信号，并用调制的载波信号驱动天线5，以及接收装置4，其适于感应在天线5所接收的响应信号并解调响应信号。传输模块2还具有可以连接到第一和第二传输路径的输出端子TX1、TX2，其中传输路径被连接到天线5，其在图1中由等效电路元件电容器Cant和电感线圈Lant表示。在传输模块2的输出端子TX1、TX2和附加外部天线5之间将以下器件加到传输路径中：包括两个电感线圈L0和两个电容器C0的电磁兼容(EMC)滤波器；和包括多个欧姆电阻RQ和电容器(未示出)的阻抗匹配网络。应当注意的是，在制造收发电路中天线5通过阻抗匹配网络“调谐”。
此外，传输模块2的接收装置4包括输入端子RX，其被连接到从第一传输路径分出的一条接收路径。相位调整电容器C13被加到接收电路来调整在第一传输路径和接收路径间的相角。通过调整相角能得到优化的解调。此外，欧姆电阻R1串联连接到接收路径中。根据这个R1能调整在接收装置4的输入端RX处的电压电平。标记VMID表示接收装置4的模拟参考电压输入。电容器C14接在模拟参考电压输入VMID和地电势间。欧姆电阻R2连接到输入端RX和模拟参考电压输入VMID。
为了更好地理解RFID传输模块2的功能，在图2中显示了类型编号PN511的近场通信(NFC)传输模块的结构图。NFC传输模块2包括有模拟电路，其能被大致分为发射装置3和接收装置4。虽然未示出，但模拟电路包括输出驱动器、集成解调器、比特解码器、模式检测器和RF级检测器。无接触UART通过总线与模拟电路通信。无接触UART包括数据处理装置、CRC/奇偶产生和校验装置、帧产生和校验装置、比特编码和解码装置。UART还与微处理器通信，微处理器包括801 C51内核，ROM和RAM。主机接口能将传输模块连接到外部设备。主机接口还可以包括I2C、串口UART、SPI和/或USB接口。传输模块的其他细节可以查看公众可得的各个数据页。
近场通信(NFC)传输模块最重要的一个应用领域就是移动电话。装配有NFC传输模块的移动电话可以用于售票、访问控制***、支付服务等。通常，NFC传输模块通过主移动电话供电。但具体到售票应用，则强制要求在移动电话的电池耗尽时为了保持NFC传输模块所管理的票物可用则NFC传输模块必须仍然是可以运行的。这项要求导致了考虑使用由外部读取设备产生的电磁场所提供的电能。这种所谓的“场模式供电”已经被应用在了标准的NFC卡以及由直接与天线连接的场电路供电的标准卡中。但这种方法具有固有的缺点，这样的卡不能在所谓的“读者模式”中使用，在“读者模式”中，NFC卡起到了初始化与目标NFC设备通信的读取设备的作用。由于NFC设备本身必须产生电磁场，因此在读者模式中操作NFC设备需要外部电源。为了实现这种卡的读者模式，就必须物理地将场电路供电去除，因为场电路供电干扰了读者模式。同时，这种去除不可能实现由场模式供电。因此，仍然强烈需要用于无接触通信的收发电路允许电路在读者模式、场卡模式供电、电池供电的卡模式下操作，而无需物理性地添加或去除任何硬件部分。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在本文开始段落中所定义的类型的无接触通信的收发电路以及能避免上述所述缺点的NFC设备。具体地，根据本发明的用于无接触通信的收发电路必须在读者模式、由场卡模式供电、电池供电卡模式下操作，则无需物理性地添加或去除任何硬件部件。
为了获得上述目的，一种用于无接触通信的收发电路，包括：
传输装置，其适于产生电磁载波信号并根据传输数据调制载波信号；
具有电感线圈的天线，天线连接到具有所调制的载波信号的传输装置并由传输装置驱动，
其中，AC耦合电容器被耦合到天线的电感线圈，
其中AC耦合电容器还连接到开关的输入，这些开关的输出可以在地电势和整流装置的输入间切换，整流装置的输出馈送到收发电路的电源轨。
根据本发明的特征提供了如下优点，电路在所有NFC模式下均可***作，即，读者模式、由场卡模式供电、电池供电的卡模式，无需物理性添加或去除任何硬件部件。具体地，根据本发明的收发电路能在NFC标准的框架内安全地***作。
在各个NFC模式间的切换可以通过提供选择装置而自动进行，选择装置控制开关以便开关的输出在读者模式并选择性地在卡模式下被切换到地，而在由场模式供电下被切换到整流装置的输入。
通过在天线的电感线圈的部分电感线圈间串联安排电容器并将每个AC耦合电容器与其端子中的一个耦合到串联电容器的各个连接点和部分电感线圈中的一个，就能调谐天线以便所有的三个NFC模式能在所需的电边界内能***作。
为了达到收发器电路的均衡性操作，优选地，将天线的电感线圈分为具有相同电感值的两个部分电感线圈。
在根据本发明的收发器电路的另一实施例中，AC耦合电容器通过耦合电感线圈被电感性地耦合到天线的电感线圈，耦合的电感线圈与天线的电感线圈一起构成变压器。本发明的实施例避免了直接将AC耦合电容器耦合到天线。
为了将由天线接收的电磁信号变换到适当值，优选地，选择天线的电感线圈的电感值比耦合电感线圈的电感值要小。
此外，为了平滑所接收的AC电磁信号，优选地将平滑电容器并联到耦合电感线圈。
在本发明的收发器电路的另一实施例中，AC耦合电容器被电耦合到天线的电感线圈，其优选地通过欧姆电阻耦合。实施例能精确的调谐天线。为了增强天线的调谐，优选地，将具有第一端子的谐振频率设定电容器耦合到AC耦合电容器而将具有第二端子的耦合到地。
为了将天线的谐振频率的变化最小化，优选地谐振频率设定电容器的电容值要比AC耦合电容器的电容值高，优选地至少为4倍。
根据本发明的的收发电路可以被集成在NFC设备中。
本发明上述限定的方面以及其他方面可以从以下所描述的示例性实施例中清楚地看出同时将参考这些示例性实施例进行说明。
附图说明
本发明以下将参考示例性实施例进行更详细的说明。但本发明并不限于这些示例性实施例。
图1显示了现有技术中的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图2显示了合并在图1的收发电路中的传输模块的结构图。
图3显示了根据本发明的第一实施例的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图4显示了根据本发明的第二实施例的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图5显示了根据本发明的第三实施例的用于无接触通信的收发电路的电路图。
具体实施方式
图3显示了根据本发明的第一实施例的收发电路1的电路图。收发电路包括集成的RFID传输模块2，例如由NXP半导体公司制造的类型编号为PN5xx的近场通信传输模块。传输模块2包括传输装置3和接收装置4。RFID传输模块2的传输装置3产生电磁载波信号。载波信号根据传输数据而被调制。天线5根据调制的载波信号而被驱动。传输模块2具有被连接到第一和第二传输路径的输出端子TX1、TX2，其中传输路径被连接到天线5，其由在图3中等效的电路元件表示，即电容器Cant和电感线圈Lant。在传输模块2的输出端子TX1、TX2和外部天线5之间，将以下器件加到传输路径中：包括两个电感线圈L0和两个电容器C0的电磁兼容(EMC)滤波器；和包括多个欧姆电阻RQ和电容器(未示出)的阻抗匹配网络。应当注意的是，在制造收发电路中，天线5通过阻抗匹配网络“调谐”。
此外，传输模块2的接收装置4包括输入端子RX，其被连接到从第一传输路径分出的一条接收路径。相位调整电容器C13被加到接收路径中来调整在第一传输路径和接收路径间的相角。通过调整相角能得到优化的解调。此外，欧姆电阻R1串联连接到接收路径中。根据这个R1能调整在接收装置4的输入端RX处的电压水平。标记VMID表示接收装置4的模拟参考电压输入。电容器C14位于模拟参考电压输入VMID和地电势之间。欧姆电阻R2连接到输入端RX和模拟参考电压输入VMID。接收装置4并不是本发明的一部分，而是现有技术，因此对其不再进行详细解释。
到目前为止，收发电路1所说明的元件都是现有技术。根据本发明，提供有两个AC耦合电容器C4、C4，其都用它们的第一端耦合到天线5的电感线圈Lant。更具体地，天线5的电感线圈Lant被分成两个具有相同电感值的部分电感线圈Lant/2并且串联电容器C2a串联在天线5的电感线圈Lant的部分电感线圈Lant/2。AC耦合电容器C4的第一端被耦合到串联电容器C2a的各个连接点P1、P2和各个部分电感线圈Lant/2。串联电容器C2a能进行细微的天线调谐并在所需范围内将电能提供给AC耦合电容器C4，电能由天线5从由NFC读取设备(未示出)所产生的电磁场所接收。AC耦合电容器C4的第二端被连接到开关S1、S2的输入。这些开关S1、S2的输出可以在地电势和整流装置6的输入间切换。整流装置6的输出被分别馈送到收发电路1和/或它的传输模块2的电源轨PbF1、PbF2。
开关S1、S2由模式选择装置7控制，模式选择装置7适于在读者模式以及可选地在卡模式下将开关S1、S2的输出切换到地，以便AC耦合电容器C4的第二端降到地电势，而在由场模式供电下将开关S1、S2的输出切换到整流装置6的的输入，以便AC电能经由AC耦合电容器C4馈送到整流装置6的输出，其中，AC电能被转换成DC电能以用来给收发电路1供电。由于相对高的电压呈现在串联电容器C2a的两端，因此收发电路1和/或它的传输模块2能得到足够的电能。此外，串联电容器C2a和AC耦合电容器C4同时用于调谐天线。
应当注意的是，开关S1、S2，模式选择装置7和或整流装置6要么被配置成离散的元件要么能被集成到传输模块2中。还应当注意的是，现有技术的传输模块(类似于由NXP半导体公司制造的类型编号为PN5xx，例如PN511或PN512)能很容易地用额外的电源输入端增强，该输入端连接到整流装置6的输出。
还应当注意的是，当开关S1、S2被切换到地电势时，AC耦合电容器C4、C4串联电连接并一起与串联电容器C2a并联。因此，开关的这个位置用来匹配天线5。
本发明的特征在于根据所需的NFC操作模式将开关S1、S2切换到所有模式，即设置和操作读者模式、由场卡模式供电和电池供电的卡模式，无需物理地替换或去除收发电路1的元件。
但收发电路1的实施例并不不是实施本发明的唯一方式。为了启发本发明的可能变化，现对根据本发明的收发电路的另两个实施例进行说明。但本发明并不限于这些示例性实施例。
图4显示了用于无接触通信的收发电路的第二实施例的电路图。第二实施例与第一实施例不同之处在于，AC耦合电容器C4的耦合模式已经从直接耦合改变到电感耦合。具体地，提供了耦合电感线圈Lant2，其与天线5的电感线圈Lant1一起构成变压器来变换由天线5所接收的电能。两个AC耦合电容器C4、C4的第一端连接到耦合电感线圈Lant2的对置的端。两个AC耦合电容器C4、C4的第二端类似于第一实施例与开关S1、S2的输入连接。为了将AC电能变换到合适的电压水平，优选地，选择天线5的电感线圈Lant1的电感值要比耦合电感线圈Lant2的电感值要高。此外，平滑电容器C3与耦合电感线圈Lant2并联。平滑电容器C3用于设定电路的谐振频率。电容器C1、C1、C2、C2与欧姆电阻RQ、RQ一起用于构成阻抗匹配和谐振频率设定网络，这在收发电路1’在读者模式下操作时是必须的。
图5显示了用于无接触通信的收发电路1”的第三实施例的电路图，其具有另一种耦合电路来将AC耦合电容器C4、C4耦合到天线5。在实施例中，耦合电容器C4、C4的第一端子从连接点P3、P4分出，其连接了阻抗匹配和谐振频率设定网路的电容器C1、C2和欧姆电阻(RQ)，这可以从图5的电路图中看出。选择谐振频率设定电容器C1、C2的电容值要比AC耦合电容器C4的电容值要高。优选地，他们相差4倍或更高。两个AC耦合电容器C4、C4的第二端类似于第一实施例与开关S1、S2的输入连接。
本发明的收发器电路1，1’，1”完全适用在NFC设备中，具体地可以用于NFC移动电话中。
应当注意的是，上述实施例是示意性的而并非限制本发明，本领域的技术人员可以在不背离本发明所附权利要求的范围内设计许多替换性的实施例。在权利要求中，置于括号中的任意参考标记都不应当认为是对权利要求的限定。单词“包括”并不排除在权利要求中所列出的元件或步骤之外还存在其他的元件或步骤。在装置权利要求中，列举了几种装置，这些装置中的几个可以由一个或相同的硬件实现。特定的调整相互在不同的从属权利要求中表述的实事并不表明这些调整的组合不能用来取得所述优点。

Claims (13)

1.一种用于无接触通信的收发电路，包括：
传输装置(3)，其适于产生电磁载波信号并根据传输数据调制所述载波信号，
具有电感线圈的天线(5)，天线(5)被连接到具有调制的载波信号的传输装置(3)并受所述传输装置(3)驱动，
其中，两个AC耦合电容器(C4)在各自的第一端子被耦合到所述天线(5)的电感线圈，所述两个AC耦合电容器(C4)还在各自的第二端子被连接到开关(S1，S2)的输入，这些开关(S1，S2)的输出能够在地电势和整流装置(6)的输入之间切换，整流装置(6)的输出被馈送到收发电路的电源轨(PbF1，PbF2)，以及
其中，开关(S1，S2)由模式选择装置(7)控制，所述模式选择装置适于在读者模式下将所述开关(S1，S2)的输出切换到地，而在由场模式供电下则将所述开关(S1，S2)的输出切换到所述整流装置(6)的输入。
2.根据权利要求1所述的收发电路，其中，开关(S1，S2)由模式选择装置(7)控制，所述模式选择装置适于在读者模式和卡模式下将所述开关(S1，S2)的输出切换到地。
3.根据权利要求1或2所述的收发电路，其中，在天线(5)的电感线圈的部分电感线圈(Lant/2)之间串联安排串联电容器(C2a)，每个AC耦合电容器(C4)都将它们的第一端子耦合到串联电容器(C2a)的相应连接点(P1，P2)和相应的一个部分电感线圈(Lant/2)。
4.根据权利要求3所述的收发电路，其中，天线(5)的电感线圈被分成具有相同电感值的两个部分电感线圈(Lant/2)。
5.根据权利要求1或2所述的收发电路，其中，将AC耦合电容器(C4)通过耦合电感线圈(Lant2)感性地耦合到所述天线(5)的所述电感线圈，所述耦合电感线圈(Lant2)与所述天线(5)的所述电感线圈一起构成变压器。
6.根据权利要求5所述的收发电路，其中，天线(5)的所述电感线圈的电感值比耦合电感线圈(Lant2)的电感值要小。
7.根据权利要求5所述的收发电路，其中，平滑电容器(C3)与耦合电感线圈(Lant2)并联。
8.根据权利要求1或2所述的收发电路，其中，将所述AC耦合电容器(C4)电耦合到所述天线(5)的电感线圈。
9.根据权利要求1或2所述的收发电路，其中，经由欧姆电阻器(RQ)将所述AC耦合电容器(C4)电耦合到所述天线(5)的电感线圈。
10.根据权利要求8所述的收发电路，其中，将谐振频率设定电容器(C2)的第一端子耦合到AC耦合电容器(C4)而将第二端子耦合到地。
11.根据权利要求10所述的收发电路，其中，所述谐振频率设定电容器(C2)的电容值比AC耦合电容器(C4)的电容值要高。
12.根据权利要求10所述的收发电路，其中所述谐振频率设定电容器(C2)的电容值至少是AC耦合电容器(C4)的电容值的4倍。
13.一种NFC设备，包括根据权利要求1或2的收发电路。
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