Diseño de un Rectificador y una Referencia para un Chip Pasivo de RFID Alejandro Paredes Pablo Toledo

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Agenda RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias 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

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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.

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RFID - Beneficios

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RFID – Comparación con otras tecnologías

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.

Agenda RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias 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

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

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

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS 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

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.

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS VSALIDA PUENTE RECTIFICADOR PMOS CON UNA ENTRADA DE 3V CON CAPACIDADES PARÁSITAS

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

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.

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

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

Rectificadores - Rectificador Dickson 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.

Rectificadores - Rectificador Dickson 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.

Rectificadores - Rectificador Dickson 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

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO Rectificadores - Rectificador Dickson CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

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. Conclusiones

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

Rectificadores - Layout Área aproximada = 0.1546mm2 406um

Rectificadores - Layout 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 - Layout 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 0 100.71918f

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Rectificadores – Conclusión 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

Agenda RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias 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

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

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.

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

Referencias – Primera Referencia Salida de la referencia Variando Voltaje de Entrada Temperatura Corriente transistor M10. Corriente transistor M11. Se suman en R3

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.

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

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

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.

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

Referencias – Segunda Referencia -50ºC -25°C 0ºC 25°C 50ºC 75°C 100ºC 125°C 150ºC 175°C 200ºC 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 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 Vreferencia -50ºC 50ºC 100ºC Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz Voltaje de Entrada : 1.5V Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.

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

Referencias – Layout

Referencias – Layout -50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC Salida de la referencia Variando Temperatura -50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC Voltaje de Entrada

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.

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Referencias – Conclusiones 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

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Circuito Completo - Introducción 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. Rectificador referencia Vref Antena

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Circuito Completo - Layout Antena referencia Vref Antena Rectificador

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

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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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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…

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