Diseño 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 RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias
Circuito completo Conclusión Preguntas

Circuito completo Conclusión Preguntas RFID Definición Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias

RFID - Definición Radio Frequency Identification.
QUE SIGNIFICA Radio Frequency Identification. Es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto. QUE ES Reemplazar las tecnologías de identificación actuales (código de barras y tarjetas de contacto). CUAL ES SU POTENCIAL COMO FUNCIONA Host Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada en una etiqueta o tag RFID. TCP/IP 802.11 Rs-232 Rs-485 Cable Coaxil Señal Tags Pasivos Lector Antena

RFID - Tipos 2 TIPOS TAGS PASIVOS 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. TAGS 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.

Circuito completo Conclusión Preguntas RFID Definiciób Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias

RFID - Beneficios

TABLA COMPARATIVA AUTO-ID
RFID – Comparación con otras tecnologías TABLA COMPARATIVA AUTO-ID

Agenda RFID Motivacion y objetivos Rectificadores Referencias
Circuito completo Conclusión Preguntas Motivacion y objetivos Motivación Objetivos

Motivación Mercado de sistemas portables alimentados por batería.
Mercado de sistemas de identificación remotamente energizados. DISEÑO DE CELDAS Bajo consumo. Bajo costo. Alta performance. Reutilización. PROYECTO GLOBAL CARACTERÍSTICAS Tecnología de integración: 0.5mm. Proceso: Estándar y de bajo costo. Frecuencia de operación: 915Mhz.

Agenda RFID Motivacion y objetivos Rectificadores Referencias
Circuito completo Conclusión Preguntas Motivacion y objetivos Motivación Objetivos

Objetivos ESTUDIAR Y COMPRENDER
circuitos de regulación y rectificación más utilizados en tags RFID. SIMULACION Y ANALISIS seleccionar los más adecuados según la aplicación. DISEÑO DE UN CHIP a partir de la aplicación conocimientos adquiridos. En una etapa posterior la fabricación y medición del chip.

Circuito completo Conclusión Preguntas Introducción Puente Rectificador PMOS Rectificador Dickson Layout Conclusiones

Rectificadores - Introducción
Convierte una señal alterna en una señal continua. Determina el rendimiento y distancia de funcionamiento del tag. Genera la independencia de la frecuencia. RADIOFRECUENCIA RECIBIDA EN LA ANTENA PROVEE DE ENERGÍA AL RESTO DEL CHIP

SIRVE PARA COMPARARLOS Y ESTUDIARLOS
Rectificadores - Introducción 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. SIRVE PARA COMPARARLOS Y ESTUDIARLOS PCE POTENCIA DE SALIDA POTENCIA DE ENTRADA TIPOS PUENTE RECTIFICADOR ELEVADOR DE TENSION

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
PUENTE CON DIODOS CONVENCIONALES 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). PUENTE CON TRANSISTORES PMOS

CONEXIÓN ENTRE EL POZO N-WELL Y EL SOURCE
Rectificadores - Puente Rectificador PMOS 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. SEÑAL DEL TRANSISTOR NMOS SE DESVÍA A TIERRA CONEXIÓN ENTRE EL POZO N-WELL Y EL SOURCE G G S D S D

INFLUENCIA DE LOS TRANSISTORES EN LA TENSIÓN DE SALIDA DIMENSIONAMIENTO DE LOS TRANSISTORES MAXIMIZAR LA TENSIÓN DE SALIDA 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... CAPACIDADES PARÁSITAS DRAIN-BULK Y SOURCE-BULK MINIMIZAR LAS CORRIENTES DE FUGA MÁXIMA CARGA DE 7.3 μA MINIMIZAR EL ÁREA EMPLEADA DEL CHIP

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

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.

Rectificadores - Rectificador Dickson
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

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS DE LOS TRANSISTORES) 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) Podemos deducir que el voltaje de salida es: Siendo Vd(par) la tensión de caída en los transistores verticales.

Simulaciones 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.

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO
Rectificadores - Rectificador Dickson CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

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. Conclusiones

Área aproximada = mm2 406um

Diámetro de un glóbulo rojo = 6 – 10um. Diámetro de un cabello humano = 40 – 50um. Largo de ácaros del polvo= 400um. ESCALA MICROSCOPICA RECTIFICADOR DICKSON

VIAS Y CAPAS DE METALES DE INTERCONEXIÓN
Rectificadores - Rectificador Dickson 3mm Tecnología TSMC 0.35 μm λ = 0.2 μm VIAS Y CAPAS DE METALES DE INTERCONEXIÓN

SALIDA DEL RECTIFICADOR DICKSON FUNCIONADO CON UNA SEÑAL DE ENTRADA DE
Rectificadores – Rectificador Dickson SALIDA DEL RECTIFICADOR DICKSON FUNCIONADO CON UNA SEÑAL DE ENTRADA DE 915MHZ CON De la extracción del layout se obtuvieron 16 transistores NMOS conectados como diodos con la siguiente talla: Mxx x x x x Mbreakn 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 f

Rectificadores – Rectificador Dickson
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. CAMBIO DE TECNOLOGIA DIODOS SCHOTTKY

Conclusión 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. OBSTACULOS SUPERADOS NEXT STEPS…

Titulo

Circuito completo Conclusión Preguntas Introducción Primera Referencia Segunda Referencia Layout Conclusiones

Referencias - Introducción
Fuente de alimentación Temperatura estabilidad Proceso de fabricación PREDECIBLES TENSIÓN Ó CORRIENTE subcircuitoS RESULTADOS REPETIBLES RANGO DE OPERACION NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE

Referencias - Introducción
PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA PTAT TENSIÓN Ó CORRIENTE INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA CTAT CORRIENTE TRANSISTOR MOS

CORRIENTE INDEPENDIENTE DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Referencias - Introducción CORRIENTE INDEPENDIENTE DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN Evita efecto body Evita aumento de área Evita efecto body Los 3 circuitos responden a las mismas ecuaciones INDEPENDIENTE VDD

Referencias – Primera Referencia
La tensión gate-source de un transistor MOS trabajando en la región sub-umbral, luego de ser polarizado con una corriente constante, es utilizada para compensar los efectos de la temperatura en la señal de salida de la referencia. Esta tensión, en esas condiciones, decrece con la temperatura de manera casi lineal. Por otro lado, con alguno de los circuitos anteriormente explicados se obtiene una corriente PTAT. Luego a través de la suma de dos corrientes se logra una tensión de referencia independiente de la temperatura. 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

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia. VDickson  Verde V1raReferencia  Rojo

Amarillo  -50ºC Rosa  50ºC Celeste  100ºC

Referencias – Segunda Referencia
Emplea fuentes de corriente PTAT que se utilizan para polarizar dos transistores NMOS conectados como diodo. Estos operan debajo de su punto ZTC, de tal manera que sus voltajes de drain tengan coeficientes de temperatura opuestos. Luego, en una resistencia que conecta ambos drains se puede encontrar un punto en donde el voltaje no varía con la temperatura. 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.

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia. VDickson  Rojo V2daReferencia  Verde

Verde  -50ºC Rojo  50ºC Azul  100ºC

Referencias – Layout M2 M1 M5 M4 M7 M6 M3 M8 RB MS1 MS3 R2 MS2 R1
Área aproximada = 4711mm2

Referencias – Layout

Referencias – Conclusiones

Se traduce como identificación por radiofrecuencia y se define como un “método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID”. Tiene el desafío y la capacidad de reemplazar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto. utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada. el sistema está compuesto por tres partes: una celda un tag programable un lector (con una antena) y un host diferentes tipos de tags: Tag activo: tiene su propia batería para comunicarse con el lector Se utiliza potencia de la batería para alimentar los circuitos internos del chip y para transmitir la señal al lector. señal de mucho más alcance enviar datos cuando es necesario, independientemente de la interrogación del lector distancias de hasta un kilómetro Generalmente tienen más memoria interna Tag pasivo: no requiere de una batería obtiene su potencia de alimentación del campo electromagnético creado por la señal emitida por el lector RFID. Una vez que es interrogado por el lector un tag pasivo responde con información reducida o básica como su número identificatorio. son más pequeños y más económicos.

RFID IDENTIFICACION POR RADIOFRECUENCIA TARJETA DE CONTACTO
REEMPLAZARA CODIGO DE BARRA SEÑAL DE RADIOFRECUENCIA INFORMACION ALIMENTACION DEL CIRCUITO

¿Que es RFID? Método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID zar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto. Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada.

Titulo

Quién es quién Nombre Puesto

Políticas de la empresa
Destacar y revisar las políticas más importantes Revisar el horario de la empresa Hablar sobre las expectativas de los empleados Distribuir el manual de la empresa

Incentivos Seguro sanitario o dental
Días libres, días de baja o vacaciones Seguro de incapacidad o vida Pensión de jubilación Oportunidades educativas o formativas Otros incentivos

Evaluaciones de rendimiento
Indicar el fin de las evaluaciones de rendimiento Describir la frecuencia y la fecha de las evaluaciones Esbozar el proceso de evaluación Distribuir los formularios de evaluación

Otros recursos Manual de la empresa Otros documentos corporativos
Nombre o teléfono de contacto de cada departamento

Papeleo obligatorio Señalar y explicar los formularios que exijan una atención inmediata Establecer plazos para la entrega del papeleo por parte de los nuevos empleados

Resumen Debatir los temas tratados Repetir la bienvenida
Recordar a los participantes que envíen el papeleo Concluir la sesión de orientación

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