Diseño de un Rectificador y una Referencia para un Chip Pasivo de RFID

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

2. Agenda • RFID • Motivación y objetivos • Rectificadores • Referencias • Circuito completo • Conclusión • Preguntas

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

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

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

6. RFID - Tipos 2 TIPOS TAGS PASIVOS TAGS ACTIVOS • 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. • 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.

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

8. RFID - Beneficios

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

10. RFID – Comparación con otras tecnologías

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

12. Motivación DISEÑO DE CELDAS CARACTERÍSTICAS PROYECTO GLOBAL • 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.

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

14. 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.

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

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

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

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

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

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

21. Rectificadores - Puente Rectificador PMOS 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 • 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...

22. 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.

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

24. Rectificadores - Puente Rectificador PMOS

25. 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.

26. Agenda • RFID • Motivación y objetivos • Rectificadores • Referencias • Circuito completo • Conclusión • Preguntas • 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 Rectificadores - Rectificador Dickson

28. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS DE LOS TRANSISTORES) 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.

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

30. Simulaciones 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.

31. Rectificadores - Rectificador Dickson CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

32. Rectificadores - Rectificador Dickson CURVAS DE FUNCIONAMIENTO

33. Conclusiones 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.

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

35. Rectificadores - Layout 406um Área aproximada = 0.1546mm2

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

37. Rectificadores - Layout 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 Rectificadores – Rectificador Dickson • De la extracción del layout se obtuvieron 16 transistores NMOS conectados como diodos con la siguiente talla: • Mxx x xxxMbreakn 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

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

40. Rectificadores – Conclusión CAMBIO DE TECNOLOGIA DIODOS SCHOTTKY • 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.

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

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

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

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

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

46. 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.

47. 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

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

49. 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.

50. Referencias – Primera Referencia Vreferencia-50ºC 50ºC100ºC • Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz • Voltaje de Entrada : 1.5V • Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.