Design of integrated voltage multipliers using standard CMOS technologies

A. S. Sinyukin; Синюкин А. С.; B. G. Konoplev; Коноплев Б. Г.; A. V. Kovalev; Ковалев А. В.

doi:10.31857/S0544126923600203

Проектирование интегральных умножителей напряжения по типовым КМОП-технологиям

Авторы: Синюкин А.С.¹, Коноплев Б.Г.¹, Ковалев А.В.¹
Учреждения:
1. Дизайн-центр микроэлектронной компонентной базы для систем искусственного интеллекта Южного федерального университета
Выпуск: Том 52, № 6 (2023)
Страницы: 508-517
Раздел: ПРИБОРЫ
URL: https://bakhtiniada.ru/0544-1269/article/view/231921
DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126923600203
EDN: https://elibrary.ru/HPMCNY
ID: 231921

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты проектирования интегральных многокаскадных умножителей напряжения как компонентов модулей питания беспроводных пассивных микроустройств. Рассмотрены значимые для построения умножителей параметры транзисторов, представленных в трех типовых КМОП-технологиях: CM018G 180 нм, HCMOS8D 180 нм и C250G 250 нм. Результаты моделирования в САПР Cadence показали, что при реализации восьмикаскадного умножителя по технологии CM018G минимально необходимый для работы микросхемы уровень выходного напряжения достигается при входной амплитуде 250 мВ, а при реализации аналогичного устройства по технологии HCMOS8D – при амплитуде 375 мВ. На примере построенного шестнадцатикаскадного умножителя показано, что значения эффективности умножения напряжения составляют от 20 до 54% для широкого диапазона входного напряжения, причем эффективность снижается всего на 1–3% по сравнению с восьмикаскадной реализацией. Предложенные рекомендации по проектированию интегральных выпрямителей-умножителей напряжения могут найти применение при разработке пассивных модулей питания микроэлектронных устройств.

Ключевые слова

мониторинг состояния инженерных объектов, умножитель напряжения, типовые КМОП-технологии, наноразмерные МОП-транзисторы, подпороговый режим работы

Список литературы

Guler U., Jia Y., Ghovanloo M. A Reconfigurable Passive Voltage Multiplier for Wireless Mobile IoT Applications // IEEE Transactions on Circuits and Systems – II: Express Briefs. 2020. V. 67. № 4. P. 615–619.
Chun A.C.C., Ramiah H., Mekhilef S. Wide Power Dynamic Range CMOS RF-DC Rectifier for RF Energy Harvesting System: A Review // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 23948–23963.
Li P. et al. RF Energy Harvesting for Batteryless and Maintenance-Free Condition Monitoring of Railway Tracks // IEEE Internet of Things J. 2021. V. 8. № 5. P. 3512–3523.
Charthad J. et al. mm-Sized Wireless Implantable Device for Electrical Stimulation of Peripheral Nerves // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2019. V. 12. № 2. P. 257–270.
Takacs A. et al. 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 (ECMSM), Donostia. 2017. P. 1–4.
Dickson J.F. On-Chip High-Voltage Generation in MNOS Integrated Circuits Using an Improved Multiplier Technique // IEEE J. Solid-state Circuits. 1976. V. SC-11. № 3. P. 374–378.
Curty J.-P. et al. Remotely Powered Addressable UHF RFID Integrated System // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2005. V. 40. № 11. P. 2193–2202.
Hong Y. et al. Design of Passive UHF RFID Tag in 130 nm CMOS Technology // 2008 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2008), Macao. 2008. P. 1371–1374.
Teh Y.-K. et al. Design and Analysis of UHF Micropower CMOS DTMOST Rectifiers // IEEE Transactions on Circuits and Systems – II: Express Briefs. 2009. V. 56. № 2. P. 122–126.
Yao Y. et al. A Fully Integrated 900-MHz Passive RFID Transponder Front End With Novel Zero-Threshold RF-DC Rectifier // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. V. 56. № 7. P. 2317–2325.
Fahsyar P.N.A., Soin N. A Proposed Low Power Voltage Multiplier for Passive UHF RFID Transponder // 2010 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics (ICSE2010), Malacca. 2010. P. 334–337.
Yao W. et al. Design of a passive UHF RFID tag for the ISO18000-6C protocol // J. Semiconductors. 2011. V. 32. № 5. Article 055009. P. 1–6.
Mabrouki A., Latrach M., Lorrain V. High Efficiency Low Power Rectifier Design using Zero Bias Schottky Diodes // 2014 IEEE Faible Tension Faible Consommation, Monaco. 2014. P. 1–4.
Nicot J., Taris T. Remote RF Powering of Ambient Sensors // 2016 IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Monte Carlo. 2016. 760–763.
Wang X., Abdelatty O., Mortazawi A. Design of a Wide Dynamic Range Rectifier Array with an Adaptive Power Distribution Technique // 2016 46th European Microwave Conference (EuMC), London. 2016. P. 922–925.
Sinyukin A.S., Kovalev A.V. Method for the Iterative Refinement of Parameter Values in Analytical Models of Microelectronic Devices Based on Integrated MOS Transistors // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. № 6. Р. 398–403.
Технологии [Электронный ресурс]: https://www. mikron.ru/capabilities/technology // Сайт группы компаний “Микрон” (дата обращения 02.06.2023).
18-micron Technology [Электронный ресурс]: https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic/l_018micron // TSCM Official Website (дата обращения 02.06.2023).
Новые микроэлектронные технологии [Электронный ресурс]: https://nm-tech.org // Сайт производителя микроэлектронных компонентов “НМ-Тех” (дата обращения 02.06.2023).
Weste N.H.E., Harris D.M. CMOS VLSI Design. A Circuits and Systems Perspective / N.H.E. Weste, D.M. Harris // Boston, Addison-Wesley, 2011. 839 p.
Sinyukin A.S., Konoplev B.G. Integrated CMOS Microwave Power Converter for Passive Wireless Devices // Russian Microelectronics. 2021. V. 50. № 3. P. 219–227.
Fang S., McVittie J.P. Thin-Oxide Damage from Gate Charging During Plasma Processing // IEEE Electron Device Letters. 1992. V. 13. № 5. P. 288–290.
Синюкин А.С., Коноплев Б.Г., Ковалев А.В. Преобразователь радиочастотной энергии на наноразмерных МОП-транзисторах для пассивных беспроводных приложений // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС), Москва. 2020. С. 218–223.
Baker R.J. CMOS: circuit design, layout, and simulation / R.J. Baker // Hoboken, Wiley, 2010. 1177 p.
Dabhi C.K. BSIM4 4.8.1 MOSFET Model / C.K. Dabhi, S.S. Parihar, H. Agrawal, N. Paydavosi., T.H. Morshed, D.D. Lu, W. Yang, M.V. Dunga, X. Xi, J. He, W. Liu, Kanyu, M. Cao, X. Jin, J.J. Ou, M. Chan // Berkeley, University of California, 2017, 185 p.
Коноплев Б.Г., Синюкин А.С. Умножитель напряжения для маломощных приложений. Патент РФ № 199930 от 29.09.2020.