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Diseño de un Rectificador y una Referencia para un Chip Pasivo de RFID. Alejandro Paredes P ablo Toledo. Agenda. RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas. Agenda. Motivación y objetivos Rectificadores Referencias

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Presentation Transcript
Dise o de un rectificador y una referencia para un chip pasivo de rfid

Diseño de un Rectificador y una Referencia para un Chip Pasivo de RFID

Alejandro Paredes

Pablo Toledo


Agenda Pasivo de RFID

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas


Agenda Pasivo de RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

RFID

  • Definición

  • Tipos

  • Beneficios

  • Comparacion con otras tecnologias


RFID - Definición Pasivo de RFID

Host

Lector

Antena

Tags Pasivos

QUE SIGNIFICA

QUE ES

CUAL ES SU POTENCIAL

COMO FUNCIONA

Radio FrequencyIdentification.

Es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto.

Reemplazar las tecnologías de identificación actuales

(código de barras y tarjetas de contacto).

  • TCP/IP

  • 802.11

  • Rs-232

  • Rs-485

Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada en una etiqueta o tag RFID.

  • Cable Coaxil

Señal


Agenda Pasivo de RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

RFID

  • Definición

  • Tipos

  • Beneficios

  • Comparacion con otras tecnologias


RFID - Tipos Pasivo de RFID

2 TIPOS

TAGS PASIVOS

TAGS ACTIVOS

  • No requiere de una batería.

  • Potencia de alimentación del campo electromagnético.

  • Envían datos solo cuando es interrogado.

  • Información reducida o básica (número identificatorio).

  • Más económicos y pequeños que los activos.

  • Tiene su propia batería.

    • Para alimentar los circuitos internos del chip.

    • Para comunicarse con el lector.

  • Señal de más alcance (hasta un kilómetro).

  • Envían datos cuando es necesario.

  • Más memoria interna y mayor tamaño.


Agenda Pasivo de RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

RFID

  • Definiciób

  • Tipos

  • Beneficios

  • Comparacion con otras tecnologias


RFID - Beneficios Pasivo de RFID


Agenda Pasivo de RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

RFID

  • Definición

  • Tipos

  • Beneficios

  • Comparacion con otras tecnologias



Agenda Pasivo de RFID

  • RFID

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

Motivacion y objetivos

  • Motivación

  • Objetivos


Motivación Pasivo de RFID

DISEÑO DE CELDAS

CARACTERÍSTICAS

PROYECTO GLOBAL

  • Mercado de sistemas portables alimentados por batería.

  • Mercado de sistemas de identificación remotamente energizados.

  • Bajo consumo.

  • Bajo costo.

  • Alta performance.

  • Reutilización.

  • Tecnología de integración: 0.5mm.

  • Proceso: Estándar y de bajo costo.

  • Frecuencia de operación: 915Mhz.


Agenda Pasivo de RFID

  • RFID

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

Motivacion y objetivos

  • Motivación

  • Objetivos


Objetivos Pasivo de RFID

ESTUDIAR Y COMPRENDER

SIMULACION Y ANALISIS

DISEÑO DE

UN CHIP

circuitos de regulación y rectificación más utilizados en tags RFID.

seleccionar los más adecuados según la aplicación.

a partir de la aplicación conocimientos adquiridos.

En una etapa posterior la fabricación y medición del chip.


Agenda Pasivo de RFID

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Puente Rectificador PMOS

  • Rectificador Dickson

  • Layout

  • Conclusiones


Rectificadores - Introducción Pasivo de RFID

RADIOFRECUENCIA RECIBIDA EN LA ANTENA

PROVEE DE ENERGÍA AL RESTO DEL CHIP

  • Convierte una señal alterna en una señal continua.

  • Determina el rendimiento y distancia de funcionamiento del tag.

  • Genera la independencia de la frecuencia.


PUENTE RECTIFICADOR

ELEVADOR DE TENSION

TIPOS

SIRVE PARA COMPARARLOS Y ESTUDIARLOS

PCE

POTENCIA DE SALIDA

POTENCIA DE ENTRADA

  • Evaluación de desempeño

  • Tensión de salida igual a la tensión de entrada menos 2 caídas de tensión en los diodos.

  • Corta distancia (menos de 1 metro).

  • Tensión de salida superior a la entrada.

  • Mantiene la misma potencia a la entrada y la salida.

  • Hasta 15 metros de distancia.


Agenda Pasivo de RFID

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Puente Rectificador PMOS

  • Rectificador Dickson

  • Layout

  • Conclusiones


Rectificadores - P Pasivo de RFIDuente Rectificador PMOS

PUENTE CON DIODOS CONVENCIONALES

PUENTE CON TRANSISTORES PMOS

  • Dos estados de conducción, por un lado los diodos 1 y 3 están en polarizados directamente y conducen (tensión positiva).

  • Por el otro, son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en polarización directa y conducen (tensión negativa).


SEÑAL DEL TRANSISTOR Pasivo de RFID

NMOS SE DESVÍA A TIERRA

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

CONEXIÓN ENTRE EL POZO N-WELL Y EL SOURCE

  • Tanto los transistores NMOS como los PMOS pueden conectarse como diodo.

  • Se realizaron ambas simulaciones, pero los resultados fueron de mayor eficiencia con el empleo de transistores PMOS.

G

G

S

S

D

D


Rectificadores - Puente Rectificador PMOS Pasivo de RFID

DIMENSIONAMIENTO DE LOS TRANSISTORES

MAXIMIZAR LA TENSIÓN DE SALIDA

MINIMIZAR LAS CORRIENTES DE FUGA

MINIMIZAR EL ÁREA EMPLEADA DEL CHIP

INFLUENCIA DE LOS TRANSISTORES EN LA TENSIÓN DE SALIDA

CAPACIDADES PARÁSITAS DRAIN-BULK Y SOURCE-BULK

MÁXIMA CARGA DE 7.3 μA

  • Aumentando la relación W/L de los transistores.

  • Para reducir las capacidades mencionadas, los transistores deberán tener la menor área posible (menor relación W/L posible).

  • Dado que el mínimo largo del canal viene impuesto por la tecnología empleada, para satisfacer adecuadamente los tres criterios se debe llegar a una solución de compromiso...


Rectificadores - Puente Rectificador PMOS Pasivo de RFID

  • Resolviendo esta ecuación con los valores estándares de la tecnología a emplear, suponiendo un largo de canal mínimo y la máxima corriente media de salida, se obtiene una caída de tensión de 1.16V para un ancho de 30μm.


VSALIDA PUENTE RECTIFICADOR PMOS CON UNA ENTRADA DE 3V CON CAPACIDADES PARÁSITAS

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS



Rectificadores - Puente Rectificador PMOS CAPACIDADES PARÁSITAS

  • El rendimiento de este rectificador en términos de PCE es aceptable. Si se lo compara con otros rectificadores, el PCE es el parámetro que lo distingue.

  • Presenta un reducido numero de transistores y la utilización de un solo capacitor. Esto significa que su área de integración es pequeña.

  • Como se dijo anteriormente, las aplicaciones que requieran distancias de lectura significativas quedaran fuera de su alcance, debido a la caída de tensión causada por los diodos en serie con la carga.

  • A continuación se detalla el tamaño de los transistores empleados (modelo AMIS 0.5μm) y los valores del resto de los componentes del circuito.


Agenda CAPACIDADES PARÁSITAS

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Puente Rectificador PMOS

  • Rectificador Dickson

  • Layout

  • Conclusiones


CONSISTE EN UNA CASCADA DE N DETECTORES PICO A PICO CAPACIDADES PARÁSITAS

USANDO TRANSISTORES CMOS CON SUS TERMINALES DE DRAIN Y GATE CONECTADOS

LOS CAPACITORES SON DE

ACOPLE, PERMITIENDO EL PASO DE LA SENAL DE RADIOFRECUENCIA

Rectificadores - Rectificador Dickson


PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS

DE LOS TRANSISTORES)

Rectificadores - Rectificador Dickson

  • Asumiendo que todos los transistores son iguales, que la corriente de salida es constante y considerando a todos los capacitores de acople como cortocircuitos a la frecuencia de operación, es posible analizar el circuito de la siguiente manera.


PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS

DE LOS TRANSISTORES)

Rectificadores - Rectificador Dickson

  • Podemos deducir que el voltaje de salida es:

  • Siendo Vd(par) la tensión de caída en los transistores verticales.


Simulaciones CAPACIDADES PARÁSITAS

Rectificadores - Rectificador Dickson

  • Se comprobó que el circuito simulado a 915Mhz no funciona de la manera esperada, por lo tanto, se hicieron variaciones en la frecuencia para encontrar el punto de operación óptimo. También se estudió el comportamiento del circuito sin las capacidades parásitas presentes para exponer el funcionamiento en condiciones ideales.


Rectificadores - Rectificador CAPACIDADES PARÁSITASDickson

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO


Rectificadores - Rectificador CAPACIDADES PARÁSITASDickson

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO


Conclusiones CAPACIDADES PARÁSITAS

Rectificadores - Rectificador Dickson

  • Mientras mayor es el área del transistor, mayor es la amplitud del voltaje de salida.

  • Mientras mayor sea el área del transistor, mayores serán las capacidades parásitas y peor será el rendimiento del circuito, el PCE empeorará.

  • Si las capacidades parasitas están presentes, se observa que la amplitud del voltaje de salida disminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo.

  • Un mayor número de etapas significara un incremento de voltaje a la salida.

  • Mientras mas etapas se tengan, peor será la eficiencia del rectificador. Por lo tanto la mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) se dará con el menor número de etapas.


Agenda CAPACIDADES PARÁSITAS

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Puente Rectificador PMOS

  • Rectificador Dickson

  • Layout

  • Conclusiones


Rectificadores - Layout CAPACIDADES PARÁSITAS

406um

Área aproximada = 0.1546mm2


ESCALA MICROSCOPICA CAPACIDADES PARÁSITAS

RECTIFICADOR DICKSON

Rectificadores - Layout

  • Diámetro de un glóbulo rojo = 6 – 10um.

  • Diámetro de un cabello humano = 40 – 50um.

  • Largo de ácaros del polvo= 400um.


Rectificadores - Layout CAPACIDADES PARÁSITAS

3mm

VIAS Y CAPAS DE METALES DE INTERCONEXIÓN

Tecnología

TSMC 0.35 μm

λ = 0.2 μm


SALIDA DEL RECTIFICADOR DICKSON FUNCIONADO CON UNA SEÑAL DE ENTRADA DE

915MHZ CON

Rectificadores – Rectificador Dickson

  • De la extracción del layout se obtuvieron 16 transistores NMOS conectados como diodos con la siguiente talla:

  • Mxx x xxxMbreakn L=583.2n W=32.25u AD=38.83p PD=54.9u AS=25.60p PS=36.6u

  • y 1024 capacitores como el siguiente:

  • Cxx x 0 100.71918f


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Puente Rectificador PMOS

  • Rectificador Dickson

  • Layout

  • Conclusiones


Rectificadores – Conclusión ENTRADA DE

CAMBIO DE TECNOLOGIA

DIODOS SCHOTTKY

  • En términos de PCE un rectificador Dickson no sería la mejor elección.

  • El diseño requeriría el menor número de etapas posibles.

  • Es necesario en aquellos casos en que la señal de entrada no sea lo suficientemente grande como para utilizar un rectificador tipo puente.

  • Limitado en la tensión de disparo:

  • La disminución de la frecuencia a 91.5Mhz podría ser el camino a elegir, pero cuando se realizo el diseño del layout del circuito, se encontraron capacidades menores.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Primera Referencia

  • Segunda Referencia

  • Layout

  • Conclusiones


Referencias - Introducción ENTRADA DE

TENSIÓN Ó CORRIENTE

estabilidad

subcircuitoS

Fuente de alimentación

Temperatura

Proceso de fabricación

RESULTADOS

PREDECIBLES

REPETIBLES

NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE

RANGO DE OPERACION


Referencias - Introducción ENTRADA DE

TENSIÓN Ó CORRIENTE

PTAT

CTAT

PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA

INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA

CORRIENTE TRANSISTOR MOS


Referencias - Introducción ENTRADA DE

CORRIENTE INDEPENDIENTE DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

INDEPENDIENTE VDD

  • Evita efecto body

  • Evita aumento de área

  • Evita efecto body

  • Los 3 circuitos responden a las mismas ecuaciones


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Primera Referencia

  • Segunda Referencia

  • Layout

  • Conclusiones


Referencias – Primera Referencia ENTRADA DE

Corriente PTAT de alguno de los circuitos anteriormente explicados.

+

Tensión gate-source de un transistor MOS(CTAT).

  • Parte 1: Circuito de arranque.

  • Parte 2: Circuito polarizador, se genera una corriente PTAT independiente de VDD.

  • Parte 3: Núcleo de la referencia. La corriente que circula por la resistencia R2 depende del voltaje VGS de M9 (decrece con la temperatura). Los transistores M6, M7, M8 y M9 a través de una realimentación negativa mantienen a esa corriente.


Referencias – Primera Referencia ENTRADA DE

Vreferencia con 1.6 V de entrada

-1.25V 1.50V 1.75V 2V

  • Salida de la referencia en función de la temperatura

Variando voltaje de entrada


Referencias – Primera Referencia ENTRADA DE

  • Salida de la referencia

Variando

  • Voltaje de Entrada

  • Temperatura

  • Corriente transistor M10.

  • Corriente transistor M11.

  • Se suman en R3


Referencias – Primera Referencia ENTRADA DE

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia.


Referencias – Primera Referencia ENTRADA DE

Vreferencia-50ºC 50ºC100ºC

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

  • Voltaje de Entrada : 1.5V

  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Primera Referencia

  • Segunda Referencia

  • Layout

  • Conclusiones


Referencias – Segunda Referencia ENTRADA DE

Transistor NMOS conectado como diodo polarizado debajo del ZTC(PTAT).

+

Transistor NMOS conectado como diodo polarizado debajo del ZTC(CTAT).

  • Parte 1: Circuito de arranque.

  • Parte 2: Circuito polarizador, se genera una corriente PTAT independiente de VDD.

  • Parte 3: Núcleo de la referencia. M7 y M8 se conectan en configuración diodo y son polarizados debajo de su ZTC.


Referencias – Segunda Referencia ENTRADA DE

Vreferencia con 1.5 V de entrada

-1.25V 1.50V 1.75V 2V

  • Salida de la referencia en función de la temperatura

Variando voltaje de entrada


Referencias – Segunda Referencia ENTRADA DE

-50ºC -25°C0ºC 25°C50ºC 75°C100ºC 125°C 150ºC 175°C200ºC

  • Salida de la referencia

Variando

  • Voltaje de Entrada

  • Temperatura

-50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 150ºC 200ºC

  • Transistor NMOS conectado como diodo.

  • Puntos de polarización debajo del ZTC.


Referencias – Segunda Referencia ENTRADA DE

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.


Referencias – Segunda Referencia ENTRADA DE

Vreferencia -50ºC 50ºC100ºC

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

  • Voltaje de Entrada : 1.5V

  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Primera Referencia

  • Segunda Referencia

  • Layout

  • Conclusiones


Referencias – ENTRADA DELayout

Área aproximada = 4711mm2

RB

R1

R2

M1

M3

M4

M2

M5

M7

M8

M6

MS1

MS3

MS2


Referencias – ENTRADA DELayout


Referencias – ENTRADA DELayout

  • Salida de la referencia

Variando

-50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC

  • Temperatura

  • Voltaje de Entrada


Referencias – ENTRADA DELayout

-1.25V 1.50V 1.75V 2V

  • Salida de la referencia en función del voltaje de entrada.

-50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC

  • Salida de la referencia en función de la temperatura.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Primera Referencia

  • Segunda Referencia

  • Layout

  • Conclusiones


Referencias – Conclusiones ENTRADA DE

Primera Referencia

Segunda Referencia

  • La primera referencia presenta un voltaje un 60% mayor que la segunda referencia ante las mismas condiciones de voltaje de entrada.

  • La segunda referencia es más insensible a las variaciones de temperatura que la primera.

  • La segunda referencia tiene menos elementos y no tiene capacitores. Esto significa que su área de integración será mucho menor.

A continuación se presenta la tabla que resume las tallas y valores de los componentes de cada circuito.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Layout

  • Conclusiones


Circuito Completo - Introducción ENTRADA DE

Antena

Rectificador

referencia

Vref

Luego de haber simulado los cuatro circuitos de manera independiente, seleccionado dos de ellos y realizado su layout, la integración de los mismos es el paso a seguir.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Layout

  • Conclusiones


Circuito Completo - ENTRADA DELayout

Antena

Rectificador

referencia

Vref

Antena


Circuito Completo - ENTRADA DELayout

Rectificador Dickson SegundaReferencia

1,25V1,5V 1,75V1,25V 1,5V 1,75V

  • Salida de la referencia y el rectificador en función del voltaje de entrada.

Rectificador Dickson SegundaReferencia

-50ºC 0ºC 100ºC -50ºC 0ºC 100ºC

  • Salida de la referencia y el rectificador en función de la temperatura.


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas

  • Introducción

  • Layout

  • Conclusiones


Circuito Completo - ENTRADA DEConclusiones

Diferencia en la topología de los transistores MOS en el layout.

  • Esto permitió el funcionamiento del rectificador Dickson a 915Mhz.

  • También implicó un aumento de ripple de la señal de salida de este rectificador y la degradación parcial de la eficiencia del circuito de referencia.

  • El ripple observado en la salida de la referencia en la simulación del layout podrá ser minimizado con un capacitor de filtrado.

W=100mm

L=2mm

Un solo transistor con un gran W

W=100mm

L=2mm

Varios transistores en paralelo con W iguales


Agenda ENTRADA DE

  • RFID

  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas


Conclusión ENTRADA DE

OBSTACULOS SUPERADOS

NEXT STEPS…

  • Este trabajo presenta una descripción general de un proyecto académico, en el cual convergen diferentes áreas de investigación tales como microelectrónica, microondas, electrónica analógica, electrónica física, etc.

  • Los objetivos planteados al inicio, fueron cumplidos. Para ello, distintas etapas fueron cubiertas, como la búsqueda de información, lectura de papers, cálculos, simulaciones y diseño de las mascaras para la posterior producción del chip.

  • Simulación a la frecuencia y tecnología de fabricación propuesta debido a las capacidades parasitas.

  • En una etapa posterior a este trabajo se procederá a la fabricación y medición del chip.


Agenda ENTRADA DE

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  • Motivación y objetivos

  • Rectificadores

  • Referencias

  • Circuito completo

  • Conclusión

  • Preguntas


¿ ENTRADA DEPreguntas?


Muchas Gracias ENTRADA DE


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