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

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Diseño de un Rectificador y una Referencia para un Chip Pasivo de RFID - PowerPoint PPT Presentation


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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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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

slide2

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
slide3

Agenda

  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

RFID

  • Definición
  • Tipos
  • Beneficios
  • Comparacion con otras tecnologias
slide4

RFID - Definición

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

slide5

Agenda

  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

RFID

  • Definición
  • Tipos
  • Beneficios
  • Comparacion con otras tecnologias
slide6

RFID - Tipos

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.
slide7

Agenda

  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

RFID

  • Definiciób
  • Tipos
  • Beneficios
  • Comparacion con otras tecnologias
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Agenda

  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

RFID

  • Definición
  • Tipos
  • Beneficios
  • Comparacion con otras tecnologias
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Agenda

  • RFID
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

Motivacion y objetivos

  • Motivación
  • Objetivos
slide12

Motivación

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.
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Agenda

  • RFID
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas

Motivacion y objetivos

  • Motivación
  • Objetivos
slide14

Objetivos

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.

slide15

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Puente Rectificador PMOS
  • Rectificador Dickson
  • Layout
  • Conclusiones
slide16

Rectificadores - Introducción

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.
slide17

Rectificadores - Introducción

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.
slide18

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Puente Rectificador PMOS
  • Rectificador Dickson
  • Layout
  • Conclusiones
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Rectificadores - Puente 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).
slide20

SEÑAL DEL TRANSISTOR

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

slide21

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

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...
slide22

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

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

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

slide25

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

  • 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.
slide26

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Puente Rectificador PMOS
  • Rectificador Dickson
  • Layout
  • Conclusiones
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CONSISTE EN UNA CASCADA DE N DETECTORES PICO A PICO

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

slide28

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.
slide29

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.
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Simulaciones

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.
slide33

Conclusiones

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.
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Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Puente Rectificador PMOS
  • Rectificador Dickson
  • Layout
  • Conclusiones
slide35

Rectificadores - Layout

406um

Área aproximada = 0.1546mm2

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ESCALA MICROSCOPICA

RECTIFICADOR DICKSON

Rectificadores - Layout

  • Diámetro de un glóbulo rojo = 6 – 10um.
  • Diámetro de un cabello humano = 40 – 50um.
  • Largo de ácaros del polvo= 400um.
slide37

Rectificadores - Layout

3mm

VIAS Y CAPAS DE METALES DE INTERCONEXIÓN

Tecnología

TSMC 0.35 μm

λ = 0.2 μm

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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
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Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Puente Rectificador PMOS
  • Rectificador Dickson
  • Layout
  • Conclusiones
slide40

Rectificadores – Conclusión

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.
slide41

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Primera Referencia
  • Segunda Referencia
  • Layout
  • Conclusiones
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Referencias - Introducción

TENSIÓN Ó CORRIENTE

estabilidad

subcircuitoS

Fuente de alimentación

Temperatura

Proceso de fabricación

RESULTADOS

PREDECIBLES

REPETIBLES

NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE

RANGO DE OPERACION

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Referencias - Introducción

TENSIÓN Ó CORRIENTE

PTAT

CTAT

PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA

INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA

CORRIENTE TRANSISTOR MOS

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Referencias - Introducción

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
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Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Primera Referencia
  • Segunda Referencia
  • Layout
  • Conclusiones
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Referencias – Primera Referencia

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.
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Referencias – Primera Referencia

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

slide48

Referencias – Primera Referencia

  • Salida de la referencia

Variando

  • Voltaje de Entrada
  • Temperatura
  • Corriente transistor M10.
  • Corriente transistor M11.
  • Se suman en R3
slide49

Referencias – Primera Referencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia.
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Referencias – Primera Referencia

Vreferencia-50ºC 50ºC100ºC

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
  • Voltaje de Entrada : 1.5V
  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.
slide51

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Primera Referencia
  • Segunda Referencia
  • Layout
  • Conclusiones
slide52

Referencias – Segunda Referencia

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.
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Referencias – Segunda Referencia

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

slide54

Referencias – Segunda Referencia

-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.
slide55

Referencias – Segunda Referencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.
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Referencias – Segunda Referencia

Vreferencia -50ºC 50ºC100ºC

  • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
  • Voltaje de Entrada : 1.5V
  • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.
slide57

Agenda

  • RFID
  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Primera Referencia
  • Segunda Referencia
  • Layout
  • Conclusiones
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Referencias – Layout

Área aproximada = 4711mm2

RB

R1

R2

M1

M3

M4

M2

M5

M7

M8

M6

MS1

MS3

MS2

slide60

Referencias – Layout

  • Salida de la referencia

Variando

-50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC

  • Temperatura
  • Voltaje de Entrada
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Referencias – Layout

-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.
slide62

Agenda

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  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Primera Referencia
  • Segunda Referencia
  • Layout
  • Conclusiones
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Referencias – Conclusiones

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.

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Agenda

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  • Motivación y objetivos
  • Rectificadores
  • Referencias
  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Layout
  • Conclusiones
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Circuito Completo - Introducción

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.

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Agenda

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  • Circuito completo
  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Layout
  • Conclusiones
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Circuito Completo - Layout

Antena

Rectificador

referencia

Vref

Antena

slide68

Circuito Completo - Layout

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.
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  • Conclusión
  • Preguntas
  • Introducción
  • Layout
  • Conclusiones
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Circuito Completo - Conclusiones

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

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  • Circuito completo
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  • Preguntas
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Conclusión

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.
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  • Rectificadores
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  • Circuito completo
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