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
microelectrónicaCUU C
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
microelectrónicaCUU C
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
microelectrónicaCUU C
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
microelectrónicaCUU C
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
microelectrónicaCUU C
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
microelectrónicaCUU C
Agenda
microelectrónicaCUU C
¿Preguntas?
microelectrónicaCUU C
Muchas Gracias