ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПАССИВНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ
Аннотация
Беспроводные микроустройства находят широкое применение в технологии радиочас-
тотной идентификации (RFID), беспроводных сенсорных сетях (WSN), интернете вещей
(IoT). Особое место среди них занимают пассивные устройства, в которых отсутствует
встроенный источник питания (батарея). Пассивные устройства (пассивные RFID-метки,
датчики с возможностью приема и передачи данных) дешевле и компактнее своих активных
аналогов, срок их службы больше, и они могут применяться в некоторых приложениях, где
использование активных меток не всегда возможно, например, в медицинских имплантатах.
Однако для работы пассивным устройствам необходимо получать энергию извне, посредст-
вом радиочастотного излучения, – от базовой станции (считывающего устройства), либо
собирая ее из окружающей среды. Для преобразования этой энергии в напряжение питания
интегральной схемы пассивного микроустройства применяются выпрямители и умножите-
ли напряжения. Целью работы является исследование влияния на уровень выходного напря-
жения параметров наноразмерных МОП-транзисторов в диодном включении, выполняющих
в преобразователях энергии функции выпрямителей. Сравнение различных конфигураций вы-
прямителей напряжения, основанных на наноразмерных МОП-транзисторах в диодном
включении, проводилось на основе результатов моделирования в среде Tanner EDA. Получены
вольтамперные характеристики МОП-транзисторов в диодном включении для КМОП-
технологий 90 нм, 65 нм, 45 нм. Исследовано влияние порогового напряжения транзисторов и
их размеров (отношения ширины канала к длине) на уровень выходного напряжения однокас-
кадного умножителя напряжения для различных технологий, амплитуд входных напряжений
и нагрузочных сопротивлений. Показано, что при определенных значениях порогового напря-
жения наблюдаются максимумы выходного напряжения. При повышении нагрузочного тока
оптимальное значение порогового напряжения смещается в область меньших значений. По-
лученные результаты показывают возможность работы умножителей в подпороговой об-
ласти транзисторов, что позволяет обеспечить возможность работы при низких входных
напряжениях и удовлетворяет условию функционирования пассивных беспроводных микро-
устройств на значительном удалении от базовой станции, либо в случае получения энергии
для питания из окружающей среды. Полученные результаты могут быть полезны при про-
ектировании пассивных беспроводных микроустройств.
Литература
and applications, Micro and Nano Systems Letters, 2017, Vol. 5, No. 14, pp. 1-16.
2. Takacs A., Okba A., Aubert H., Charlot S., Calmon P-F. 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. IEEE, 2017, pp. 1-4.
3. Gudan K., Shao S., Hull J.J., Ensworth J., Reynolds M.S. Ultra-low Power 2.4GHz RF Energy
Harvesting and Storage System with -25dBm Sensitivity, 2015 IEEE International Conference
on RFID (RFID), 2015, pp. 40-46.
4. Almohaimeed A.M., Amaya R.E., Lima J.A., Yagoub M.C.E. An Adaptive Power Harvester
with Active Load Modulation for Highly Efficient Short/Long Range RF WPT Applications,
Electronics, 2018, Vol. 7, No. 125, pp. 1-14.
5. Gutierrez F. Fully-Integrated Converter for Low-Cost and Low-Size Power Supply in Internetof-
Things Applications, Electronics, 2017, Vol. 6, No. 38, pp. 1-20.
6. Valenta C.R. Microwave-Energy Harvesting at 5.8 GHz for Passive Devices: Ph. D. Thesis.
USA, GA, Atlanta, 2014, 215 p.
7. 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, pp. 14839-
14857.
8. Liu H., Bolic M., Nayak A., Stojmenovic I. Taxonomy and Challenges of the Integration of
RFID and Wireless Sensor Networks, IEEE Network, 2008, Vol. 22, No. 6, pp. 26-35.
9. Zhao P. Energy Harvesting Techniques for Autonomous WSNs/RFID with a Focus on RF
Energy Harvesting: Doctor’s degree Dissertation. Germany, Darmstadt, 2012, 138 p.
10. Olgun U., Chen C.-C., Volakis J.L. Wireless Power Harvesting with Planar Rectennas for
2.45 GHz RFIDs, 2010 URSI International Symposium on Electromagnetic Theory. IEEE,
2010, pp. 329-331.
11. Hua X., Harjani R. A 5μW-5mW Input Power Range, 0-3.5V Output Voltage Range RF Energy
Harvester with Power-Estimator-Enhanced MPPT Controller, 2018 IEEE Custom Integrated
Circuits Conference (CICC), 2018, pp. 1-4.
12. Sheu M.-L., Tiao Y.-S., Fan H.-Y., Huang J.-J. Implementation of a 2.45GHz Passive RFID
Transponder Chip in 0.18μm CMOS, Journal of Information Science and Engineering, 2010,
Vol. 26, pp. 597-610.
13. Fahsyar P.N.A., Soin N. A Proposed Low Power Voltage Multiplier for Passive UHF RFID
Transponder, 2010 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics, 2010,
pp. 334-337.
14. Mazzilli F., Thoppay P.E., Jöhl N., Dehollain C. Design Methodology and Comparison of
Rectifiers for UHF-band RFIDs, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2010,
pp. 505-508.
15. Valenta C.R., Durgin G.D. Harvesting Wireless Power: Survey of Energy-Harvester Conversion
Efficiency in Far-Field, Wireless Power Transfer, IEEE Microwave Magazine, 2014, Vol.
15, No. 4, pp. 108-120.
16. Patil P.R., Bedekar P.P. Analysis & Design of Active RFID Tag, Network and Complex Systems,
2014, Vol. 4, No. 4, pp. 47-51.
17. Dobkin D.M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice. USA, MA, Burlington: Elsevier,
2008, 493 p.
18. Tanner T-Spice Simulation. – Available: http://s3.mentor.com/public_documents/datasheet
/tannereda/t-spice-ds.pdf (Accessed 01 September 2019).
19. Hu C., Niknejad A.M., Paydavosi N. BSIM4v4.8.0 MOSFET Model – User’s Manual. USA,
CA, Berkeley: University of California, 2013, 177 p.
20. Sicard E., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. USA: McGraw-Hill, 2007, 429 p.
21. Reynders N., Dehaene W. Ultra-Low-Voltage Design of Energy-Efficient Digital Circuits.
Switzerland: Springer, 2015, 192 p.
22. Wang A., Calhoun B.H., Chandrakasan A.P. Sub-threshold Design for Ultra Low-Power Systems.
USA, NY, New York: Springer, 2006, 209 p.
23. Vaddi R., Dasgupta S., Agarwal R.P. Device and Circuit Design Challenges in the Digital
Subthreshold Region for Ultralow-Power Applications, VLSI Design, 2009, Article ID 283702,
pp. 1-14.
24. Konoplev B.G., Sinyukin A.S. Issledovanie vypryamiteley na osnove nanorazmernykh MOPtranzistorov
dlya microsistem s besprovodnym pitaniem [Research of Rectifiers Based on
Nanoscale MOS Devices for Microsystems with Wireless Power Supply], Izvestiya YuFu.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 2 (196), pp. 105-113.
