Статья

Название статьи ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ МИКРОСИСТЕМ С БЕСПРОВОДНЫМ ПИТАНИЕМ
Автор Б. Г. Коноплев, А. С. Синюкин
Рубрика РАЗДЕЛ II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Месяц, год 02, 2018
Индекс УДК 621.382.3: 621.314
DOI 10.23683/2311-3103-2018-2-105-113
Аннотация В настоящее время широкое распространение получила технология беспроводной передачи электрической энергии. Она применяется в беспроводных сенсорных сетях, «Интернете вещей», RFID-приложениях и других областях. Во многих случаях устройства в составе подобных систем являются пассивными, то есть не имеющими внутреннего источника питания. По этой причине энергию, необходимую для обеспечения работы внутренних компонентов, пассивные микросистемы получают извне посредством высокочастотного или сверхвысокочастотного (СВЧ) радиоизлучения. Пассивные СВЧ-микросистемы могут быть реализованы в виде однокристальной микросхемы с расположенной на поверхности кристалла тонкопленочной антенной. Для преобразования энергии сверхвысокочастотных колебаний в напряжение постоянного тока применяются выпрямители. Важнейшими характеристиками таких устройств являются чувствительность, коэффициент полезного действия, диапазон рабочих частот, возможность повышения (умножения) входного напряжения до требуемого уровня; особенно важным является совместимость компонентов выпрямителя с технологией изготовления микросистемы (обычно это КМОП-технология). Представлено исследование переходных процессов в многокаскадных выпрямителях-умножителях на основе наноразмерных МОП-транзисторов при преобразовании энергии сверхвысокочастотного излучения (2,45 ГГц) в напряжение постоянного тока. Выполнен анализ протокола накопления и расходования энергии в пассивной микросистеме с беспроводным питанием. Определены условия совмещения процессов накопления и расходования собираемой энергии в зависимости от соотношения мощности, поступающей от антенны, и мощности, потребляемой микросистемой в режиме обработки сигнала. Представлены результаты моделирования переходных процессов в выпрямителях с умножением напряжения при числе каскадов от 1 до 8, выполняемых по КМОП-технологиям 90, 65 и 45 нм. Моделирование осуществлялось в программной среде Tanner EDA с использованием модели транзистора BSIM 4, учитывающей особенности работы в подпороговой области вольтамперных характеристик. Рассмотрено влияние пороговых напряжений, подпороговых токов и подложки на выходное напряжение многокаскадных выпрямителей. Результаты исследования могут быть полезны при проектировании микросистем с беспроводным питанием.

Скачать в PDF

Ключевые слова Интернет вещей; RFID; беспроводная передача энергии; выпрямитель; наноразмерные МОП-транзисторы; моделирование переходных процессов.
Библиографический список 1. Tesla N. The transmission of electrical energy without wires as a means for furthering peace // Electrical World and Engineer. – Jan. 1905. – P. 21-24.
2. Brown W.C. The History of Power Transmission by Radio Waves // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 1984. – Vol. MTT-32, No. 9. – P. 1230-1242.
3. Stoopman M., Philips K., Serdijn W.A. An RF-Powered DLL-Based 2.4-GHz Transmitter for Autonomous Wireless Sensor Nodes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2017. – Vol. 65, No. 7. – P. 2399-2408.
4. Takacs A., Okba A., Aubert H. Recent Advances in Electromagnetic Energy Harvesting and Wireless Power Transfer for IoT and SHM Applications // 2017 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (San Sebastien, Spain, May 2017). – IEEE, 2017. – P. 299-302.
5. Tran L.-G., Cha H.-K., Park W.-T. RF power harvesting: a review on designing methodologies and applications // Micro and Nano Systems Letters. – 2017. – Vol. 5, No.. 14. – P. 1-16.
6. Khan M. A., Sharma M., Prabhu R. B. A Survey of RFID Tags // International Journal of Recent Trends in Engineering. – 2009. – Vol. 1, No. 4. – P. 68-71.
7. Curty J.-P., Joehl N., Krummenacher F. [et al.] A Model for µ-Power Rectifier Analysis and Design // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. – 2005. – Vol. 52,
No. 12. – P. 2771-2779.
8. Liu D., Wang R., Yao K. Design and Implementation of a RF Powering Circuit for RFID Tags or Other Batteryless Embedded Devices // Sensors (Basel). – 2014. – Vol. 14, No. 8.
– P. 14839-14857.
9. Valenta C. R., Durgin G. D. Harvesting Wireless Power: Survey of Energy-Harvester Conversion Efficiency in Far-Field, Wireless Power Transfer Systems // IEEE Microwave Magazine. – 2014. - Vol. 15, No. 4. – P. 108-120.
10. Mahmoud M., Abdel-Rahman A. B., Abbas M. [et al.] Efficiency Improvement of Differential Drive Rectifier for Wireless Power Transfer Applications // 2016 7th International Conference on Intelligent Systems, Modelling and Simulation. – IEEE, 2017. – P. 435-439.
11. Gudan K., Shao S., Ensworth J. [et al.] Ultra-low Power 2.4GHz RF Energy Harvesting and Storage System with -25dBm Sensitivity // 2015 IEEE International Conference on RFID (San Diego, CA, USA, April 15-17, 2015). – IEEE, 2015. – P. 40-46.
12. Hong Y., Chan C. F., Guo J. [et al.] Design and Challenges of Passive UHF RFID Tag in 90nm CMOS Technology // IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits, 2008 (Hong Kong, China, December 8-10, 2008). – IEEE, 2008. – P. 1-4.
13. Donchev E., Gammon P. M., Centeno A. [et al.] The rectenna device: From theory to practice (review) // MRS Energy & Sustainability: A Review Journal. – 2014. – Vol. 1, No. 1. – P. 1-34.
14. Shanawani M., Masotti D., Costanzo A. THz Rectennas and Their Design Rules // Electronics. – 2017. – Vol. 6, No. 99. – P. 1-33.
15. Chen X., Yeoh W. G., Choi Y. B. [et al] A 2.45-GHz Near-Field RFID System With Passive On-Chip Antenna Tags // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2008.
– Vol. 56, No. 6. – P. 1397-1404.
16. Collado A., Daskalakis S.-N., Niotaki K. [et al.] Rectifier Design Challenges for RF Wireless Power Transfer and Energy Harvesting Systems // Radioengineering. – 2017. – Vol. 26, No. 2. – P. 411-417.
17. Din N. M., Chakrabarty C. K., Bin Ismail A [et al.] Design of RF Energy Harvesting System For Energizing Low Power Devices // Progress In Electromagnetics Research. – 2012.
– Vol. 132. – P. 49-69.
18. Occhiuzzi C., Contri G., Marrocco G. Design of Implanted RFID Tags for Passive Sensing of Human Body: The STENTag // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 2012.
– Vol. 60, No. 7. – P. 3146-3154.
19. Grigoras K., Keskinen J., Grönberg L. [et al.] Conformal titanium nitride in a porous silicon matrix: A nanomaterial for in-chip supercapacitors // Nano Energy. – 2016. – Vol. 26, August 2016. – P. 340-345.
20. Pan H., Li J., Feng Y. P. Carbon Nanotubes for Supercapacitor // Nanoscale Res Lett. – 2010. – Vol. 5, No. 3. – P. 654-668.
21. Dickson J. F. On-Chip High-Voltage Generation in Integrated Circuits Using an Improved Multiplier Technique // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 1976. – Vol. SC-11, No. 3.
– P. 374-378.
22. Sheu M.-L., Tiao Y.-S., Fan H.-Y. [et al.] Implementation of a 2.45GHz Passive RFID Transponder Chip in 0.18μm CMOS // Journal of Information Science and Engineering. – 2010.
– Vol. 26. – P. 597-610.
23. Zhu Q., Su M., Ning S. [et al.] A novel receiver topology based on Cockcroft-Walton voltage multiplier for Inductive Power Transfer system / IFEEC 2017 - ECCE Asia. – IEEE, 2017.
– P. 450-455.
24. Dobkin D.M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice. - Burlington, MA, USA: Elsevier, 2008. – 493 p.
25. Sicard E. Microwind & DSCH v3.5 – Lite User’s Manual. – France, Toulouse: INSA Toulouse, 2009. – 130 p.

Comments are closed.