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

TABLA COMPARATIVA AUTO-ID

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

406um

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador Dickson Área aproximada =

0.1546mm2

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Rectificadores - Rectificador Dickson

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

ESCALA MICROSCOPICA

RECTIFICADOR DICKSON

3mm

VIAS Y CAPAS DE METALES DE

INTERCONEXIÓN

microelectrónicaCUU C

Rectificadores - Rectificador Dickson

TecnologíaTSMC 0.35 μm

λ = 0.2 μm

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

microelectrónicaCUU C

Rectificadores – Rectificador Dickson

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

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…

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…

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

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

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Titulo

Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos

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

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Titulo

◦ 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

La tensión gate-source de un transistor MOS trabajando en la región sub-umbral, luego de ser polarizado con una corriente constante, es utilizada para compensar los efectos de la temperatura en la señal de salida de la referencia. Esta tensión, en esas condiciones, decrece con la temperatura de manera casi lineal.

Por otro lado, con alguno de los circuitos anteriormente explicados se obtiene una corriente PTAT. Luego a través de la suma de dos corrientes se logra una tensión de referencia independiente de la temperatura.

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

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

VDickson VerdeV1raReferencia Rojo

Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia.

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

microelectrónicaCUU C

Referencias – Primera Referencia

Amarillo -50ºCRosa 50ºC Celeste 100ºC

◦ 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

Emplea fuentes de corriente PTAT que se utilizan para polarizar dos transistores NMOS conectados como diodo. Estos operan debajo de su punto ZTC, de tal manera que sus voltajes de drain tengan coeficientes de temperatura opuestos. Luego, en una resistencia que conecta ambos drains se puede encontrar un punto en donde el voltaje no varía con la temperatura.

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.

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

microelectrónicaCUU C

VDickson RojoV2daReferencia Verde

Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.

Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz

Referencias – Segunda Referencia

microelectrónicaCUU C

Referencias – Segunda Referencia

Verde -50ºCRojo 50ºC Azul 100ºC

◦ 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

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

Circuito completo Conclusión Preguntas

RFID Motivación y objetivos Rectificadores

Referencias

microelectrónicaCUU C

Agenda

microelectrónicaCUU C

Referencias – Conclusiones

microelectrónicaCUU C

Se traduce como identificación por radiofrecuencia y se define como un “método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID”.

Tiene el desafío y la capacidad de reemplazar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto.

utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada.

el sistema está compuesto por tres partes:

una celda un tag programableun lector (con una antena) y

un host

diferentes tipos de tags: Tag activo:

tiene su propia batería para comunicarse con el lector

Se utiliza potencia de la batería para alimentar los circuitos internos del chip y para transmitirla señal al lector.señal de mucho más alcanceenviar datos cuando es necesario, independientemente de la interrogación del lectordistancias de hasta un kilómetro Generalmente tienen más memoria interna

Tag pasivo:no requiere de una

bateríaobtiene su potencia

de alimentación del campo electromagnético creado por la señal emitidapor el lector RFID.

Una vez que es interrogado por el lector un tag pasivo responde con información reducida o básica como su número identificatorio. son más pequeños y más económicos.

microelectrónicaCUU C

RFID

IDENTIFICACION POR RADIOFRECUENCIA

REEMPLAZARA

CODIGO DE BARRA

TARJETA DE CONTACTO

SEÑAL DE RADIOFRECUENCIA

INFORMACION

ALIMENTACION DEL CIRCUITO

Método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID

zar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto.

Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada.

microelectrónicaCUU C

¿Que es RFID?

microelectrónicaCUU C

Titulo

NombrePuesto

NombrePuesto

NombrePuesto

NombrePuesto

NombrePuesto

Quién es quién

Destacar y revisar las políticas más importantes

Revisar el horario de la empresa Hablar sobre las expectativas de los

empleados Distribuir el manual de la empresa

Políticas de la empresa

Seguro sanitario o dental

Días libres, días de baja o vacaciones

Seguro de incapacidad o vida

Pensión de jubilación

Oportunidades educativas o formativas

Otros incentivos

Incentivos

Indicar el fin de las evaluaciones de rendimiento

Describir la frecuencia y la fecha de las evaluaciones

Esbozar el proceso de evaluación Distribuir los formularios de evaluación

Evaluaciones de rendimiento

Manual de la empresa

Otros documentos corporativos

Nombre o teléfono de contacto de cada departamento

Otros recursos

Señalar y explicar los formularios que exijan una atención inmediata

Establecer plazos para la entrega del papeleo por parte de los nuevos empleados

Papeleo obligatorio

Debatir los temas tratados Repetir la bienvenida Recordar a los participantes que envíen el

papeleo Concluir la sesión de orientación

Resumen