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 RFIDAlejandro Paredes

Pablo Toledo

microelectrónicaCUU C

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias

Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

RFID - Definición

Señal

Cable Coaxil

TCP/IP802.11Rs-232Rs-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.

RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias

Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

RFID - Tipos2 TIPOS

TAGS PASIVOS

TAGS ACTIVOSTiene 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.

RFID◦ Definiciób◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias

Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

RFID - Beneficios

RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias

Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

RFID – Comparación con otras tecnologías

microelectrónicaCUU C

Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

Motivacion y objetivos◦ Motivación◦ Objetivos

microelectrónicaCUU C

RFID

Agenda

microelectrónicaCUU C

Motivación

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

Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

Motivacion y objetivos◦ Motivación◦ Objetivos

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RFID

Agenda

microelectrónicaCUU C

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.

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

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

microelectrónicaCUU C

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.

PUENTE RECTIFICADOR

ELEVADOR DE TENSION

TIPOS

SIRVE PARA COMPARARLOS Y

ESTUDIARLOSPCE

POTENCIA DE SALIDAPOTENCIA DE ENTRADA

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Puente Rectificador 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).

PUENTE CON DIODOS CONVENCIONALES

PUENTE CON TRANSISTORES PMOS

microelectrónicaCUU C

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.

CONEXIÓN ENTRE EL POZO N-WELL Y EL

SOURCE

SEÑAL DEL TRANSISTORNMOS SE DESVÍA A TIERRA

SD

G

DSG

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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

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-BULKMÁXIMA CARGA DE 7.3 μA

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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.

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

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

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

microelectrónicaCUU C

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.

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador Dickson

CONSISTE EN UNA CASCADA DE N

DETECTORES PICO A PICOUSANDO TRANSISTORES

CMOS CON SUS TERMINALES DE DRAIN Y

GATE CONECTADOS

LOS CAPACITORES SON DEACOPLE, PERMITIENDO EL

PASO DE LA SENAL DE RADIOFRECUENCIA

microelectrónicaCUU C

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)

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador Dickson

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)

microelectrónicaCUU C

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.

Simulaciones

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador DicksonCURVAS DE FUNCIONAMIENTO

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador DicksonCURVAS DE FUNCIONAMIENTO

microelectrónicaCUU C

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

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Agenda

406um

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Rectificadores - Layout Área aproximada =

0.1546mm2

microelectrónicaCUU C

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

ESCALA MICROSCOPICA

RECTIFICADOR DICKSON

Rectificadores - Layout

3mm

VIAS Y CAPAS DE METALES DE

INTERCONEXIÓN

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TecnologíaTSMC 0.35 μm

λ = 0.2 μm

Rectificadores - Layout

microelectrónicaCUU C

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

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

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

◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Referencias - Introducción

TENSIÓN Ó CORRIENTE

ESTABILIDAD

SUBCIRCUITOS

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

TEMPERATURA

PROCESO DE FABRICACIÓN

RESULTADOS

PREDECIBLES

REPETIBLES

NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE

RANGO DE OPERACION

TENSIÓN Ó CORRIENTE

PTAT

CTAT

PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA

INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA

TEMPERATURA

microelectrónicaCUU C

2012 nD THx GS

WI c V VL

0 0( ) ( ) ( )TH TH VTV T V T T T

00

mTT TT

CORRIENTE TRANSISTOR MOS

Referencias - Introducción

microelectrónicaCUU C

Referencias - IntroducciónCORRIENTE INDEPENDIENTE DE LA FUENTE DE

ALIMENTACIÓN

1 2GS GS out SV V I R

2

1

W LK

W L

0

2 DGS TH

n x

IV V

c W L

4 30 0

2 2out outTH TH out S

p x P xP P

I IV V I R

c W L c K W L

0

2 11out

out Sp x P

II R

c W L K

2

20

2 1 11out

n x SN

Ic W L R K

INDEPENDIENTE VDD

Los 3 circuitos responden a las mismas ecuaciones

Evita efecto body Evita efecto body

Evita aumento de área

◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

M s 2

M s 3

R 1

M 6 M 1 0 M 1 1

C 1

C 2

R 2

M 7

R 3

M 8 M 9M s 1

M 2 M 4

M 1 M 3

M 5

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.

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

Corriente PTAT de alguno de los circuitos anteriormente explicados.+

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

-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

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

Corriente transistor M10.

Corriente transistor M11.

Salida de la referencia

Voltaje de Entrada

Temperatura

Variando

Se suman en R3

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera ReferenciaVdickson V1raReferencia

Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia.

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

VdicksonV1raReferencia

Vdickson V1raReferencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

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

◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

R b

R 1 R 2

M s 1

M s 2

M s 3

M 3 M 4

M 7 M 8

M 1 M 2 M 5 M 6

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). +

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

-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

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

-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 Entrada

Temperatura

Variando

microelectrónicaCUU C

Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

Referencias – Segunda Referencia

Vdickson V1raReferencia

Vdickson V1raReferencia VdicksonV1raReferencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

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

◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C Área aproximada = 4711mm2

RB

R1

R2

M1

M3

M4 M2 M5

M7

M8

M6

MS1MS3

MS2

Referencias – Layout

microelectrónicaCUU C

R b

R 1 R 2

M s 1

M s 2

M s 3

M 3 M 4

M 7 M 8

M 1 M 2 M 5 M 6

Referencias – Layout

microelectrónicaCUU C

Referencias – Layout

-50ºC 0ºC 50ºC 100ºC 50ºC 200ºC

Salida de la referencia

Voltaje de Entrada

Temperatura

Variando

microelectrónicaCUU C

Referencias – Layout

-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.

◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

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

◦ Introducción◦ Layout◦ Conclusiones

Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias

Circuito completo

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

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.

◦ Introducción◦ Layout◦ Conclusiones

Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias

Circuito completo

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Circuito Completo - Layout

ANTENARECTIFICADO

R

REFERENCIA

VREF

ANTENA

microelectrónicaCUU C

-50ºC 0ºC 100ºC -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.

Circuito Completo - LayoutRectificador Dickson Segunda Referencia1,25V 1,5V 1,75V 1,25V 1,5V 1,75V

Rectificador Dickson Segunda Referencia

◦ Introducción◦ Layout◦ Conclusiones

Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias

Circuito completo

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Circuito Completo - ConclusionesDiferencia en la topología de los transistores MOS en el layout.

UN SOLO TRANSISTOR CON UN GRAN W

VARIOS TRANSISTORES EN PARALELO CON W IGUALES

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=100mML=2mM

W=100mML=2mM

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

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…

RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

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Agenda

microelectrónicaCUU C

¿Preguntas?

microelectrónicaCUU C

Muchas Gracias