DE102011055810A1 - Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtung (42, 62), die einen Leistungsverstärker (44, 64) mit einem Ausgang aufweist, der sich vermittels eines Antennenfilters, das aus einem oder mehreren seriellen Widersränden (48a, 48b, 68a, 68b) und einem oder mehreren seriellen Kondensatoren (50a, 50b, 70a, 70b) gebildet ist, mit einem Eingangsanschluss einer Antenne (46, 66) verbindet. Die NFC-Leseeinrichtung (42, 62) weist ein Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne (46, 66) auf, um die verfügbare Übertragungsbandbreite zu erhöhen und/oder den Wirkungsgrad der Leseeinrichtung (42, 62) zu verbessern. In einer Ausführungsform ist das Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne (46, 66) eine variable resistive Komponente (52a, 52b), die in Serie zwischen dem Ausgang des Verstärkers (44, 64) und dem Eingang der Antenne (46, 66) verbunden ist, was die Wirkung hat, die Ausgangsimpedanz des Verstärkers zu variieren. Zusätzlich oder alternativ kann das Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne Schalter (72a, 72b) umfassen, die aktiviert werden können, um die Kondensatoren (50a, 50b, 70a, 70b) des Antennenfilters zu umgehen.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtung.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtungen, die zur Übertragung von Daten an kompatible NFC-Vorrichtungen wie etwa NFC-Tags und dergleichen verwendet werden, weisen typischerweise eine Antenne auf, die an ihrem Eingang über ein Antennenfilter zum Ausfiltern unerwünschter Frequenzen in einem zu übertragenden Signal verfügt. Es kann erforderlich sein, dass die Leseeinrichtung Daten mit Raten von bis zu 848 kbps überträgt. Die Bandbreite des Antennenfilters beträgt jedoch möglicherweise nur 300 kHz, was für höhere Datenraten die Nyquist-Shannon-Kriterien verletzt und in dem übertragenen Signal zu beträchtlichen Zwischensymbol-Interferenz-(ISI-)-Niveaus führen kann.
- Die meisten bekannten NFC-Leseeinrichtungen sind dazu gestaltet, eine Übertragungs-Datenrate von 424 kbps zu unterstützen und dabei gleichzeitig ein starkes Magnetfeld an der Übertragungsantenne der Leseeinrichtung erzeugen zu können. Erfüllt wird diese zweifache Anforderung durch Verwendung eines Antennenfilters mit einem Q-Faktor, der hoch genug ist, um eine minimale Feldstärke zu erreichen, jedoch nicht zu hoch, um Datenempfang zu verhindern.
- Ein Teil eines typischen bekannten NFC-Systems ist schematisch bei
10 in1 gezeigt. In dem System aus1 umfasst eine NFC-Leseeinrichtung12 einen Leistungsverstärker14 , dessen Ausgang mit Eingangsanschlüssen einer Antenne16 verbunden ist, und zwar vermittels eines Verstärkerfilters, das aus Widerständen18a ,18b und Kondensatoren20a ,20b gebildet ist, die in Serie zwischen differentiellen Ausgängen des Leistungsverstärkers16 und den Eingangseinschlüssen der Antenne14 verbunden sind. - Ein NFC-Tag
22 kommuniziert mit der Leseeinrichtung12 vermittels einer Antenne24 , wobei die anderen Komponenten des Tags22 durch einen Kondensator26 und einen Widerstand28 repräsentiert sind, die mit der Antenne24 parallel verbunden sind. - Die Widerstände
18a ,18b und die Kondensatoren20a ,20b haben einen festen Wert, und der belastete Q-Faktor der Antenne16 der Leseeinrichtung12 (d. h. der Q-Faktor der Antenne, wenn diese mit der Tag-Antenne gekoppelt ist) wird durch den gesamten seriellen Widerstand der Widerstände18a ,18b (sowie den seriellen Widerstand angeschlossener Komponenten) bestimmt. Da die Widerstände18a ,18b einen festen Wert haben, ist der belastete Q-Faktor der Antenne ein fester Wert, obwohl während des Betriebs der Leseeinrichtung12 der Q-Faktor der Leseeinrichtung durch den Wert der Last auf dem Tag22 beeinflusst wird. Der belastete Q-Faktor der Antenne16 hat den Wert wobei fs die Frequenz des übertragenen Signals ist, L die Induktivität der Antenne16 ist, Ra der Widerstand des seriellen Widerstandes18a ist und Rb der Widerstand des seriellen Widerstandes18b ist. - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtung, die einen Leistungsverstärker aufweist, der sich vermittels eines Antennenfilters, das aus einem oder mehreren seriellen Widerständen und einem oder mehreren seriellen Kondensatoren gebildet ist, mit einem Eingangsanschluss einer Antenne verbindet. Die NFC-Leseeinrichtung weist Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne auf, um die verfügbare Übertragungsbandbreite zu erhöhen und/oder den Wirkungsgrad der Leseeinrichtung zu verbessern. In einer Ausführungsform ist das Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne eine in Serie zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang der Antenne verbundene, variable resistive Komponente, die ein Variieren der Ausgangsimpedanz des Verstärkers bewirkt. Zusätzlich oder alternativ kann das Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne Schalter umfassen, die aktiviert werden können, um die ein oder mehreren seriellen Kondensatoren des Antennenfilters zu umgehen.
- Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtung bereitgestellt, die einen Verstärker zum Treiben einer Antenne der Leseeinrichtung und ein Antennenfilter umfasst, wobei die Leseeinrichtung weiterhin Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne umfasst.
- Das Variieren des Q-Faktors der Antenne erlaubt eine Übertragung von Daten mit einem breiten Bereich von Datenraten durch die Leseeinrichtung ohne Zwischensymbol-Interferenz. Zusätzlich kann das Variieren des Q-Faktors in Fällen, in denen keine hohe Übertragungsleistung erforderlich ist, zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Leseeinrichtung beitragen.
- Das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne kann Mittel zum Einstellen der Ausgangsimpedanz des Verstärkers umfassen.
- Beispielsweise kann das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne einen einstellbaren Widerstand umfassen, der zwischen einem Ausgang des Verstärkers und der Antenne verbunden ist.
- Der einstellbare Widerstand kann durch eine Vielzahl von auswählbaren Widerständen bereitgestellt sein.
- Alternativ kann der einstellbare Widerstand durch eine Vielzahl von elektrisch betätigbaren Schaltern bereitgestellt sein, von denen jeder einen Ein-Widerstand aufweist.
- Als weitere Alternative kann der einstellbare Widerstand durch ein digitales Potentiometer oder einen resistiven Digital-Analog-Wandler bereitgestellt sein.
- Zusätzlich oder alternativ könnte die variable resistive Komponente vermittels geeigneter Nebenschluss- oder serieller Rückkopplung um den Leistungsverstärker ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten erzeugt sein.
- Alternativ kann das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne eine variable Transkonduktanz-(gm)-Kaskodenstufe in dem Leistungsverstärker umfassen.
- Die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung kann weiterhin eine Steuerung umfassen, die dazu ausgebildet ist, ein Anzeichen für die Datenrate von zu übertragenden Daten zu empfangen und die Mittel zum Einstellen der Ausgangsimpedanz des Verstärkers dazu zu steuern, einer Übertragung der Daten mit der angegebenen Datenrate vorzusehen.
- Das Antennenfilter kann eine zwischen einem Ausgang des Verstärkers und einem Eingang der Antenne in Serie verbundene Kapazität umfassen, und die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung kann weiterhin Mittel zum Umgehen der Kapazität umfassen.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung bereitgestellt, die einen Verstärker zum Treiben einer Antenne der Leseeinrichtung und ein Antennenfilter umfasst, das eine in Serie zwischen einem Ausgang des Verstärkers und einem Eingang der Antenne verbundene Kapazität umfasst, wobei die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung weiterhin Mittel zum Umgehen der Kapazität umfasst.
- Das Umgehen der Kapazität hat die Wirkung, die Frequenzantwort des Antennenfilters zu verflachen, wodurch eine Übertragung von Daten mit höheren Datenraten zugelassen wird, als normalerweise ohne Zwischensymbol-Interferenz durch eine NFC-Leseeinrichtung übertragen werden können.
- Das Mittel zum Umgehen der Kapazität kann einen Schalter umfassen, der mit der Kapazität parallel verbunden ist, so dass der Schalter, wenn er aktiviert ist, die Kapazität kurzschließt.
- Weiterhin kann die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung eine Steuerung zum Steuern des Betriebs des Schalters entsprechend der Datenrate von Daten umfassen, die durch die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung zu übertragen sind.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Lediglich als Beispiele werden nun Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer bekannten NFC-Leseeinrichtung mit Tag; -
2 eine schematische Darstellung einer NFC-Leseeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung einer Gruppe von schaltbaren Widerständen, die in der in2 illustrierten NFC-Leseeinrichtung als variable resistive Komponente verwendbar sind; und -
4 eine schematische Darstellung einer NFC-Leseeinrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Unter Bezugnahme auf
2 ist ein NFC-System, das eine NFC-Leseeinrichtung gemäß einer Ausführungsform enthält, generell bei40 gezeigt. Wie bei der in1 illustrierten Ausführungsform umfasst die NFC-Leseeinrichtung42 einen Leistungsverstärker44 , dessen Ausgang mit Eingangsanschlüssen einer Antenne46 verbunden ist, und zwar vermittels eines Antennenfilters, das aus Widerständen48a ,48b und Kondensatoren50a ,50b gebildet ist, die in Serie zwischen differentiellen Ausgängen des Leistungsverstärkers44 und den Eingangsanschlüssen der Antenne46 verbunden sind. Die NFC-Leseeinrichtung42 ist in der Lage, ein Datensignal an eine kompatible NFC-Vorrichtung wie etwa den in1 illustrierten Tag22 zu übertragen, der in2 reproduziert ist. - Der Leistungsverstärker
44 in der in2 illustrierten Ausführungsform ist als Teil einer integrierten Schaltung implementiert (d. h. er ist eine Komponente ”auf dem Chip”), während die Widerstände48a ,48b und Kondensatoren50a ,50b , die das Antennenfilter bilden, und die Antenne46 Komponenten außerhalb des Chips sind (d. h. sie sind extern zu der integrierten Schaltung, die den Leistungsverstärker42 enthält). Die gestrichelte Linie in2 stellt die Grenze zwischen Komponenten auf dem Chip und außerhalb des Chips dar. - Die NFC-Leseeinrichtung
42 aus2 weist mit den differentiellen Ausgängen des Leistungsverstärkers44 verbundene, variable resistive Komponenten52a ,52b auf, die effektiv ein Einstellen der Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers44 ermöglichen, um den Q-Faktor der Antenne46 zu variieren, um unterschiedliche Datenraten vorzusehen, wie nachfolgend beschrieben wird. - In
2 sind diese variablen resistiven Komponenten52a ,52b auf dem Chip als variable Widerstände gezeigt, jedoch sei darauf hingewiesen, dass diese Komponenten auf vielfältige Weise implementierbar sind. Beispielsweise könnten die variablen resistiven Komponenten als ein oder mehrere resistive Digital-Analog-Wandler (RDCAs, auch als digitale Potentiometer bezeichnet) implementiert sein. Alternativ könnten die resistiven Komponenten52a ,52b auf dem Chip als Gruppen von Widerständen54 implementiert sein, die vermittels Schaltern56 wie etwa Transistoren selektiv mit den Ausgängen des Verstärkers44 verbindbar sind, wie schematisch in3 illustriert. Als weitere Alternative könnten die Widerstände54 wegfallen, wobei dann der Widerstand nur durch den seriellen Widerstand des Schalters bereitgestellt würde (z. B. den Kollektor-Emitter-Widerstand in dem Fall, in dem der Schalter ein bipolarer Sperrschichttransistor ist, oder den Drain-Source-Widerstand in dem Fall, in dem der Schalter ein Feldeffekttransistor ist). - Da die variablen resistiven Komponenten
52a ,52b zu den Widerständen48a ,48b des Antennenfilters seriell sind, können sie zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne46 verwendet werden. Wenn beispielsweise eine höhere Übertragungsbandbreite erforderlich ist, kann der Q-Faktor durch Erhöhen des Widerstandes der variablen resistiven Komponenten52a ,52b reduziert werden. Ebenso kann, wenn eine niedrigere Übertragungsbandbreite erforderlich ist, der Q-Faktor durch Reduzieren des Widerstandes der variablen resistiven Komponenten52a ,52b erhöht werden. Dies hat auch die Wirkung, den Wirkungsgrad der Leseeinrichtung42 zu erhöhen, da bei einem hohen Q-Faktor mehr von der Leistung des durch den Verstärker44 ausgegebenen Signals durch die Antenne46 übertragen wird und daher für eine gegebene übertragene Signalleistung an dem Verstärker44 ein niedrigerer Leistungseingang erforderlich ist. - Um diese Einstellung des Q-Faktors der Antenne
44 zu erreichen, weist die Leseeinrichtung42 eine Steuerung58 auf, die ein Anzeichen für die Datenrate der zu übertragenden Daten empfängt und den Widerstand der variablen resistiven Komponenten52a ,52b z. B. durch Einschalten von ausgewählten der Schalter56 steuert, um den belasteten Q-Faktor der Antenne46 einzustellen, um die Übertragung der Daten mit der gewünschten Datenrate zu ermöglichen. Auf diese Weise ist der belastete Q-Faktor der Antenne46 einstellbar, um ausreichende Übertragungsbandbreite zum Übertragen der Daten mit der erforderlichen Datenrate bereitzustellen, ohne die Nyquist-Shannon-Kriterien zu verletzen, wodurch das Problem hoher Zwischensymbol-Interferenzniveaus in dem übertragenen Signal reduziert oder unwirksam gemacht wird. - In einigen Ausführungsformen kann der Leistungsverstärker
44 mit Nebenschluss- oder serieller Rückkopplung versehen sein, wie dem Fachmann bekannt. Die Nebenschluss- und/oder serielle Rückkopplung kann einstellbar sein, wodurch eine variable resistive Komponente bereitgestellt wird, ohne dass zusätzliche resistive Komponenten erforderlich wären. Die einstellbare Nebenschluss- oder serielle Rückkopplung stellt somit ein zusätzliches oder alternatives Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne46 bereit. - Zusätzlich oder alternativ kann der Leistungsverstärker
44 eine variable Transkonduktanz-(gm)-Kaskodenstufe aufweisen, so dass ein Einstellen der variablen Transkonduktanz ein zusätzliches oder alternatives Mittel zum Einstellen des Q-Faktors der Antenne46 bereitstellt. - Unter Bezugnahme auf
4 ist eine NFC-Leseeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform generell bei60 gezeigt. In der in4 illustrierten Ausführungsform umfasst eine NFC-Leseeinrichtung62 einen Leistungsverstärker64 , dessen Ausgang mit Eingangsanschlüssen einer Antenne66 verbunden ist, und zwar vermittels eines Antennenfilters, das aus Widerständen68a ,68b und Kondensatoren70a ,70b gebildet ist, die in Serie zwischen differentiellen Ausgängen des Leistungsverstärkers64 und den Eingangsanschlüssen der Antenne66 verbunden sind. Die NFC-Leseeinrichtung62 ist in der Lage, ein Datensignal an eine kompatible NFC-Vorrichtung wie etwa den in1 illustrierten Tag22 zu übertragen, der in4 reproduziert ist. - Wie in der vorangegangenen Ausführungsform ist der Leistungsverstärker
64 in der in4 illustrierten Ausführungsform als Teil einer integrierten Schaltung implementiert (d. h. er ist eine Komponente ”auf dem Chip”), während die Widerstände68a ,68b und Kondensatoren70a ,70b , die das Antennenfilter bilden, und die Anrenne66 Komponenten außerhalb des Chips sind (d. h. sie sind extern zu der integrierten Schaltung, die den Leistungsverstärker62 enthält). Die gestrichelte Link in4 stellt die Grenze zwischen Komponenten auf dem Chip und außerhalb des Chips dar. - Die NFC-Leseeinrichtung
62 aus4 weist Schalter72a ,72b außerhalb des Chips auf, die mit den Kondensatoren70a ,70b zwischen den Widerständen68a ,68b und den Ausgängen der Antenne66 parallel verbunden sind. Die Schalter72a ,726 sind aktivierbar, um die Widerstände68a ,68b direkt mit den Anschlüssen der Antenne66 zu verbinden; d. h. die Schalter72a ,72b schließen, wenn sie aktiviert sind, die Kondensatoren70a ,70b kurz. Eine solche Umgehung der Kondensatoren70a ,70b flacht effektiv die Frequenzantwort des Antennenfilters ab, was die zur Datenübertragung verfügbare Bandbreite erhöht; allerdings um den Preis, dass der Q-Faktor der Antenne66 um einen großen Betrag reduziert wird. Diese Anordnung ist dann besonders sinnvoll, wenn Daten zwischen zwei mit Leistung versorgten Vorrichtungen wie etwa Mobiltelefonen zu übertragen sind, wobei höhere Übertragungsdatenraten wichtiger sind als ein hoher Q-Faktor, weil das übertragene Datensignal keine hohe Leistung braucht, da die Empfangsvorrichtung mit Leistung versorgt wird. - Wie bei der in
2 illustrierten Ausführungsform weist die Leseeinrichtung62 der in4 illustrierten Ausführungsform eine Steuerung74 auf, die ein Anzeichen für die Datenrate von zu übertragenden Daten empfängt. Wenn diese Datenrate eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, z. B. wenn die Datenrate eine bestimmte Schwelle überschreitet, bewirkt die Steuerung74 ein Schließen der Schalter72a ,72b , was bewirkt, dass die Kondensatoren70a ,70b umgangen (kurzgeschlossen) werden, wodurch die Übertragungsbandbreite der Antenne66 erhöht wird. - Es sei darauf hingewiesen, dass die in
2 und4 illustrierten Merkmale komplementär sind. Anders ausgedrückt: Die Leseeinrichtung42 aus2 kann mit den in4 illustrierten Schaltern72a ,72b versehen sein, wobei dann die Steuerung58 nicht nur die variablen resistiven Komponenten58a ,58b , sondern auch die Schalter72a ,72b steuern.
Claims (13)
- Nahfeldkommunikations-(NFC-)-Leseeinrichtung, umfassend einen Verstärker zum Treiben einer Antenne der Leseeinrichtung und ein Antennenfilter, wobei die Leseeinrichtung weiterhin Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne umfasst.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne Mittel zum Einstellen der Ausgangsimpedanz des Verstärkers umfasst.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne einen einstellbaren Widerstand umfasst, der zwischen einem Ausgang des Verstärkers und der Antenne verbunden ist.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der einstellbare Widerstand durch eine Vielzahl von auswählbaren Widerständen bereitgestellt ist.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der einstellbare Widerstand durch eine Vielzahl von elektrisch betätigbaren Schaltern bereitgestellt ist, von denen jeder einen Ein-Widerstand hat.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der einstellbare Widerstand durch ein digitales Potentiometer oder einen resistiven Digital-Analog-Wandler bereitgestellt ist.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der einstellbare Widerstand durch Nebenschluss- oder serielle Rückkopplung um den Leistungsverstärker bereitgestellt ist.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Mittel zum Variieren des Q-Faktors der Antenne eine variable Transkonduktanz-(gm)-Kaskodenstufe in dem Leistungsverstärker umfasst.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 2, weiterhin eine Steuerung umfassend, die dazu ausgebildet ist, ein Anzeichen für die Datenrate von zu übertragenden Daten zu empfangen und das Mittel zum Einstellen der Ausgangsimpedanz des Verstärkers dazu zu steuern, eine Übertragung der Daten mit der angegebenen Datenrate vorzusehen.
- Nahfeldkommunikarions-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Antennenfilter eine Kapazität umfasst, die in Serie zwischen einem Ausgang des Verstärkers und einem Eingang der Antenne verbunden ist, wobei die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung weiterhin Mittel zum Umgehen der Kapazität umfasst.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung, umfassend einen Verstärker zum Treiben einer Antenne der Leseeinrichtung und ein Antennenfilter, das eine in Serie zwischen einem Ausgang des Verstärkers und einem Eingang der Antenne verbundene Kapazität umfasst, wobei die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung weiterhin Mittel zum Umgehen der Kapazität umfasst.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 11, wobei das Mittel zum Umgehen der Kapazität einen Schalter umfasst, der mit der Kapazität parallel verbunden ist, so dass der Schalter, wenn er aktiviert ist, die Kapazität kurzschließt.
- Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung gemäß Anspruch 11, weiterhin eine Steuerung zum Steuern des Betriebs des Schalters entsprechend der Datenrate von durch die Nahfeldkommunikations-Leseeinrichtung zu übertragenden Daten umfasst.
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