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Alejandro Paredes Pablo Toledo. RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas.

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1 Alejandro Paredes Pablo Toledo

2 RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

3 RFID Definición Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

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

5 RFID Definición Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

6 2 TIPOS TAGS PASIVOS 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. 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.

7 RFID Definiciób Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

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9 RFID Definición Tipos Beneficios Comparacion con otras tecnologias Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

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

12 DISEÑO DE CELDAS 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. CARACTERÍSTICAS PROYECTO GLOBAL

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

14 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.

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

16 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

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

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

19 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 DIODOS CONVENCIONALES PUENTE CON TRANSISTORES PMOS

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

21 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... 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

22 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.

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

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25 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.

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

27 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

28 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)

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

30 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. Simulaciones

31 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

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33 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

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

35 406um Área aproximada = mm 2

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

37 3mm VIAS Y CAPAS DE METALES DE INTERCONEXIÓN Tecnología TSMC 0.35 μm λ = 0.2 μm

38 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

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

40 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

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

42 TENSIÓN Ó CORRIENTE ESTABILIDAD SUBCIRCUITOS FUENTE DE ALIMENTACIÓN TEMPERATURA PROCESO DE FABRICACIÓN RESULTADOS PREDECIBLES REPETIBLES NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE RANGO DE OPERACION

43 TENSIÓN Ó CORRIENTE PTAT CTAT PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA CORRIENTE TRANSISTOR MOS

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

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

46 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 V GS de M9 (decrece con la temperatura). Los transistores M6, M7, M8 y M9 a través de una realimentación negativa mantienen a esa corriente. Tensión gate-source de un transistor MOS(CTAT). Corriente PTAT de alguno de los circuitos anteriormente explicados. +

47 -1.25V 1.50V 1.75V 2V Vreferencia con 1.6 V de entrada Salida de la referencia en función de la temperatura Variando voltaje de entrada

48 Corriente transistor M10. Corriente transistor M11. Salida de la referencia Voltaje de EntradaTemperatura Variando Se suman en R3

49 V dickson V 1raReferencia Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia. Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz V dickson V 1raReferencia

50 Vreferencia-50ºC 50ºC 100ºC Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia. Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz Voltaje de Entrada : 1.5V

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

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

53 -1.25V 1.50V 1.75V 2V Vreferencia con 1.5 V de entrada Salida de la referencia en función de la temperatura Variando voltaje de entrada

54 -50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 150ºC 200ºC -50ºC -25°C 0ºC 25°C 50ºC 75°C 100ºC 125°C 150ºC 175°C 200ºC Transistor NMOS conectado como diodo. Puntos de polarización debajo del ZTC. Salida de la referencia Voltaje de EntradaTemperatura Variando

55 Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia. Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz V dickson V 1raReferencia

56 Vreferencia-50ºC 50ºC 100ºC Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia. Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz Voltaje de Entrada : 1.5V

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

58 Área aproximada = 4711 m 2 RB R1 R2 M1 M3 M4 M2M5 M7 M8 M6 MS1 MS3 MS2

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60 -50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC Salida de la referencia Voltaje de Entrada Temperatura Variando

61 -50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC -1.25V 1.50V 1.75V 2V Salida de la referencia en función del voltaje de entrada. Salida de la referencia en función de la temperatura.

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

63 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. Primera Referencia Segunda Referencia

64 Introducción Layout Conclusiones Conclusión Preguntas RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo

65 ANTENA RECTIFICADOR REFERENCIA V REF 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.

66 Introducción Layout Conclusiones Conclusión Preguntas RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo

67 ANTENARECTIFICADOR REFERENCIA V REF ANTENA

68 -50ºC 0ºC 100ºC Salida de la referencia y el rectificador en función del voltaje de entrada. Salida de la referencia y el rectificador en función de la temperatura. Rectificador Dickson Segunda Referencia 1,25V 1,5V 1,75V Rectificador Dickson Segunda Referencia

69 Introducción Layout Conclusiones Conclusión Preguntas RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo

70 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.

71 RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

72 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…

73 RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

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