In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 3 8 9 ~1 3 9 7   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1389-1397          1389     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Design  of  new power g e nerating  ci rcuit for passive U HF RFID  tag       A bdelal i  E l   Bou t ahir i 1 , Mo u ni r O u re m c h i 2 ,  A h m e d   R a ha l i 3 ,   M u sta pha  El Alao u i 4 ,   Fou a d  Farah 5 ,  Ka ri m   El  Kha di ri 6 ,  A h med   Tah i ri 7 ,  H a ss an  Q j i daa 8   1 , 2, 3 , 4, 5, 6, 8  Lab o rat o ry  o f El ectronics ,   S i gna l s ,   S y stem s  and  Com pute r   S ci enc e, F acu lty o f  sc i ences,   U n iv ers i t y  of Si d i   Mo h a me d Be n   Ab de lla h,  Moro c c o   7  Labo rato ry o f   Com p u t er S ci en ce an d In terd iscipl in ary P h ys i c s EN S,   U n i versit y   o f   S idi  Mo ham e d   Ben  A bdellah ,   Mo rocco       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  No v   1 5 ,  2 018  Re vise d Mar   1,  201 9   A c c e pte d   A pr 8,   201 9       In   t his  p a pe r,  w e   pro p o s e   a   n e w  po we r  ge ne ratin g   c i rc ui t  fo r  p a ss iv e   u l tr a   hi gh   f requ ency   ( UH F)  R F I D  t a g.   T h e   p ro posed   p o w er  g enera t i ng  ci rcui t  con s i s t s   o f  a  RF  l im it er,  a  high  po wer  effici ency  a n d   h i gh  s e ns i t i v ity  f ull  wav e   r ad io   f requency   (RF )   w av e  rect ifier  and   a   l o w-p o w e r  reg u la t o r  with  NM O S   d i odes   wo rk  lik e  a  DC-l imit er.  T h e  d e sig n   m et ho d  p r op o s ed   in  t hi s  st ud y  u s e  o n e  lo w  dro p   o u t   ( LD O)  r egul ato r   t o  pro v i d e  tow  o u tpu t  st abl e   su pp ly   v o l tages   v d d 1   o f   val u e  1 V   f o r   t he  d i g i t a l   s ectio n  su pply ,   and  vd d2   o f   val u e  0 . 5V   f or  t he  a n a lo g  f r o n t-end  secti o n   po wer  s u p p ly .   T h e  p roposed   po wer  g e nerat i ng   c ircu it  is   o p t im ized   i n  t e rms  o f   power  c o n sum p tio n  of  RF ID  t ag  s y s t e m   to  h ave  a  h i gh   o perat i ng   r an ge  u n d er  c o n d iti ons   o f  50   O hm  ant e nn a,   - 24   d Bm   i np ut  R F  power,   9 00M H z   a nd   1   M   D C,   w ith  l o w  po we r   di ssip a tio n   a nd   2 9.1 5 %   l a rge  po wer  c o nv er sio n   e ffici ency.  T h e  p owe r   gen e ratin g  circu it  w a s  desig n ed ,  sim u lat e d  and   l a yo uted   i n  Cad e nce  us ing   TS M C   1 80   n m   t echn o l ogy .  T h e  fi nal   de s i g n   o ccupi es  a ppro x i m ately   0. 25m m 2 . K eyw ord s :   LD O   regula t or  R ect if ie r  R F  lim iter   UHF RFI D  sy st em  V dd ge nera tor   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   A bde lal i  El  Bo uta h iri   Elec tron ics,  S i gna l s ,   S y ste m s a nd C o mpu t er  S c i ence  La bor ator y ( LESS I)  F a cult y   o f   s c i e n ce s,  S idi   Moh a me d Ben  A b d e ll a h  U ni ver s it y,  M oro cc o   Em ail:  elb o u t a hi r i a b de lal i @ g m a i l. com       1.   I N TR OD U C TI O N    RF I D   (ra di o  freque nc y  i d en t i fi c a t io n)  it  is  a   t e c h no log y   u s e s  e l e ct ro ma gne t i c   w av e s   t o  tra n smi t   t he  ID   o f  obje c t s.   I t  is  a   t ech no l o gy  op e r at e s   i n  no n  l i ne   o f  s i g h t   e nv iro n m e n t s.  R F I D   te chn o l ogy  is  b ec om ing  a   part  o f  o u r  e v e r y  l i fe ,  a t   w ork  i n   s u p erm a rket s  at  h om e  a nd  i t   ca n  be  i m p l a n t e d   i n  a n ima l   o r  hum a n   b o d i es   [ 1 ] .  A n   R F I D  s y s t e m   c o n s i s t s  o f   t h r e e   m a i n  e l e m e n t s ,  a n   R F I D  t a g / t r ansp ond er,  a  re a d er  o r  a   t r a n scei v e r  con t a i n s  a n an t e nna  a nd a n  el e c t r o ni c   c i r c u it tha t  e mits a n ele c t r o ma gne t i c   w a ve (pow er )  to ac t i v e the   pa ssi ve   RF ID   t a g   a nd  a   h o st  s ys tem .   I n  ge ner a l,  t he re  a re  t hr ee  ty pes  o f  RFID  t a g s,   a n  ac t i ve  t ag,   a  se mi  a ct i v e  ta g   (sem i  passi ve  t ag)  an d  a  p a s s i v e   t a g  whic h e   p ow ere d   f ro m   the  re c e i v e d  R F   s i g n a l  [ 2 ] .   O n e   o f  t h e  m o s t   para me ters  t o  de term i n e  t h e   com m unic a t i o n  range   o f  t h e   RF ID   s ys t e m  is  t he   f req u e n cy.  In  t he  u l t r a - h igh  fre que nc y  ran g e   freq u e n c i e s   c a n   v a r y  fro m  433  MH z   t o   2 . 4 5  G H z .  freque ncy  de pe nds  o n  loc a t ion;  f or   exa m ple,  86 8   M H z  is on l y  us e d  i n   E urope,   w h e n  9 00 t o   928  MH z is  u se d   i n  C a n ad a an d   t h e   USA.  The   u ltra   h i g h   freque nc y  (U HF )  passive  R F I D   t a gs  h ave  m a ny  a d va n t a g e s   like   th e i r  l o w   cost,  t h eir  low   p o w e r   c onsum p tio n,  their   l on ge r dis t a n c e   of  opera ti on,  s ma l l   a n t e nn a   si ze  a nd  h igh   dat a  rat e   [3 ].   The  p r i nc ip le   o f  w o r k ing  of  p ass i ve  t ra nsp o n d e r   is  a s  fo l l ow s,   t h e   d em od u l at or  e xt r a c t s  t h e   am plit ud e  sh i f t  ke y i n g   ( A S K)   s ig nal  a n d  d e m odu la te d  fo rm   t he  b a se ba nd  proce ssor.   T he  v o l t a ge  r e c tif i e r  circ u i t  c o n v er ts  t he  r e cei ved   ra dio  frequenc y   ( R F )  sig n a l   f rom  the  a n t e n n a   int o   a   s u f fic i e n tl y  D C   v o lta ge  V r ,   th i s   l a t er   i s  reg u la te d  b y   a   v o l tage  r e g u l a t or  c ircu it  t o   g e n er a t e  a  st abl e   v o l t a g e   s u pply   t o   o th e r   s ub -b lo ck s  of   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 3 8 9   –   1 397  1 390 the  ta g.  The  b a s eba nd pr oc ess o r   ma nipu la tes   the  r ece ive d  b inar y   d at a  an d   t h en   g en e r a t e s   o utp u t s   a cco rdi n g   t o   t h e  op e r a t i o n s   o f   th e   t a g .   M od u l a t ion   t e quhn iqu e   i s  do n e   ( u s in g   A S K   m od u l at ion)   b y  var i ng   t he   e ff e c ti ve   im peda nc e  o f   t he  a nte n na  t o  bac k scat ter   sig n a l s  ba c k   t o  t h e  t r a ncie v e r .   T he  b loc k   d i a gr am   o f   a  U H F   RF ID  tr a n spo n d e r   i s   show n  i n   F ig ur e   1,   i t   co ns ists  o f  an  a nt e nna,   a  di g i t a l  par t ,   and  a n   a na l og  fr o n t- e nd  par t   c o n t a i n s ,   a  m odula t or ,   a   d e m od u l at or   a nd  a n   o sc il la tor .           F i gur e   1.   P assi ve   R F I D   tag  bloc k  d i a g r a m      F o r   e a c h  ana lo g   fr ont- e n d  pa ssi ve  R F I D   tag w e  ha v e  a pow e r   g ene ra t i n g   c i rcui t   t h a t  c an  g e n erat e  th e  pow e r   t o  ea ch  R F I D   t a g  su b - bloc ks.   The  ef fic i e n cy  o f  po w e r   gene r a ti n g   cir c uit  a n d  c o mm unica t i o n   r a nge  d   of   t he  R F I D   sys t em   d epe n d  o n   t he  v o l t a g e   r ecti f ier   use d   i n  t h e   vo lt a g e   g e n e rat o r   c i rcui t .   T he  F r i ss  tr a n smiss i on  ( 1 )   gi ve s  us  t he  t he or e tica l   c om munic a t ion  r a n g e   d  [ 4 ] .                       ( 1 )     W h ere    ,     ,   ,   and      a r e     t he  f re e   space   w a v eleng t h ,   t he   ef f ect iv e  i s o t rop i c   ra d i a t ed   powe r   o f   a  re ad e r ,  t h e  g a i n   o f  the   t ag  a nte n na,   the  pr a c t i ca ble   ope r a ti n g   p ow e r   o f   a n   R F I D   ta g  i s   t he   p ow er   c on ver s i o n  ef f i cie n c y   o f  the   r ectif ier  u s e d   i n  t h e  p o w e r  g e n e r a t i o n   c i r c u i t   r e spec tive l y.  Th e   ma in   c h a la n g e s  i n   R FID   t e c h nol ogy   a r e :   t h e  mi ni mi zi ng   o f   t h e   p o w er   c ons um pti o n   o f   R F I D  tag,   t he  i nc r a s i ng  of  t he  c om munica ti on  d i s t ance   a n d   t he   e ff i c i en cy   o f  vo lt a g e   re gu l a ti o n .   M any   wo r k s   wa s   in ter e st e d   by  t h e  de si gn i ng  of  t he  pow er   g e n er a tin g  c i r c ui t.   V o lt ag e  re ct i f i e r  wi th   h i g h   po we r  e f fi ci en cy  a ugme n t s  bo t h   the  ef f i c i e n c y   o f t h e   vo l t age  r e gula t i o n  cir c u it  a nd  c o mm un icat i on  r a n g e  d   of   R F I D   syste m .  A   vo l t age  r ect i f i e r   usin g  S c h o tt ky  d i o d es  a nd  c a p ac i t or s   has  m a ny  a d v a n t a g e s   l i k e  t h e i r  l o w  j u n c t i o n   ca p a cit a n c e ,   t he i r   s mal l   s eri e s  r e sistance.   B ecause  o f   its  less   e xpe ns i v e   and   mor e   c om pa ti ble   w i t h   s t a nd a r d  C M O S   t e c h n o l ogie s   n a t i v e   N M O S   t r a ns is t o r   used   i n  w o r k s  [ 5 ] ,   [ 6]   a nd   [ 7 ]   i s  u s e d   i n s te ad   S cho t tk y  di od es  u s ed   i n   [8 ].  B ot h   schot tky   diod e s   a nd   n a tiv e   NM OS  t ra n s i s t o r   r e c t if i e rs   h av e  man y   d i s adv a nt ag es;   on e   o f   t he   c o mm on  d i sa d v a n t a ges  o f   s uc h  r e ct if ier s   i s  t h e  dr o p   v o lta ge   o f  t h e  o u tp ut  b eca u s e   of   M O S   t r a nsi s tor s   thr e sho l d  v o l ta ge .   The  t h r e sh ol d  v o l tage,   n o t   onl y  r e d u c e s  the   pow e r   e ff ic ie nc y,   b ut  a l s o  decr ease s   t he  o utp u t   r ectifie d  v o lta g e .  S o   t o  m i nim i z e   t he  pow e r   c on sum p tio n  of  t he  t r a nspo nde r   an d  t o   i n cra s e  t h e  c o mmu n i c a t i on  di sta n ce   o f  R F I D   s ystem ,   w e  pr op ose  a  ne w   apr o a c h  w i h i ch  t he  R F I D   t ag   c o n s u m e s   a  l o w  p o we r   co mp a r e d   w i t h   o ther   r ec e n t  r e sea r c h e s   a n d   w it h  l onge r   c o mm un ic ati o n  d i st an ce .   In   t hi s  ap ro ach   w e   p r o p o se   a   l o w   pow e r   v o lta ge  r egu l at i on  c i r c ui t  w i t h   t ow   s upp ly   v o lta ges   f r o m   o n e  l o w   dr o up  o u t   ( L D O )   r e gul at or   u s i n g   a   n e w  fu ll   w a v e   R F   r ec ti fi e r   w h i ch e  h a v e   a dv ant a g e s  co mp a r ed   w i t h   s ch ot k y   d io d e s  a n d  na t i ve   N M O S  tra n sis t or  r e c t i fi e r s,  w it h  t h e   aim  of  e lim i n a tin g  the  e f fec t   o f   thr e s h o l d  vo l t a g e   o f   t he   p ass  t r ans i sto r .   The  c r oss- cou p l ed   s t r uc tur e   i n  v o l tage   r e c t i f i er   i s   c o nside r ed   f or   NM OS  p ass   t r an si sto r s  a n d  th e   cap a c i t o r   a nd   t he  tra n sis t or  i s  use d   a s  the  b o o t s tr ap  c ircu i t   f or   n eutra l i z i n g  t h e  ef f ect  o f  the  P M OS   p ass  transis t ors  thres h old  v o l t a g e ,  w h i c h  l e a d s   t o   r e d u c i n g  t h e  c h i p   a r e a .   I n  o r d e r  t o   m i n imi z e  the   p o w e r   c o n s um p tio n,   w e  pr opo se  t h e   r e duc in g  of  t h e   s u p p l y  v o lta ge  o f   t h e   a n a l o g   s ec ti o n   o f  a  0. 5V   whi l e   ma i n ta in i ng  a  su p p ly  v o l tage   1 V   to  t h e   di g i t a l   c o re,   u s in g  a   n e w  ful l   w ave  RF  r e c tif ier  wi th   a   hi g h   p o w e r   e f f i c i en c y   a nd   h i g h  se ns i t i v i t y  w i l l   i ncr a se   the  c o m m u n i c a ti o n   d is tanc e .   The  ana l og  fr on t- e n d  se c tio n  sh ow n  i n   F igur e   1  w i h i c h   c on sis t s  of  p r o pos ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       D e sig n  o f   new  po we r ge ne ra ti ng c i rc ui t for p a ss ive  U H F   RFID  tag  (Abde l a l i   El Bo u t ah i r i)  1 391 p o w e r   g en era tio n  ci rcu i t   wh i c h e   g e n erat es   t wo   out put   v olt a g e s  u sin g  one   L D O   r e g u l a t or   w ith   m ul t i ple   o u t put   v dd1 a nd  vdd 2  th ei r  v a lu e s   a re   s t a b l e.  v dd 2  g e t s   t h e   p o w er  s up pl y  t o   t he  a nal o g  s ub- bl oc ks  ( m o du la tor ,   dem o d u l a t or ,  c l oc k  ge ner a t o r,  r ing  osc i llat o r) ,  its  v a l u e   0 . 5 V .   vdd1  ge ner a t e s  a  sup p l y  v o lta ge   t o  the   d i gi tal  sub- bl oc ks (c ont r o l   l ogic   an d  RO M),   its va l u e  is 1V .  The   pro p o se d  gene ra ti n g   c irc u i t   p r o p o se d  i n   t hi s  pa pe r  w a s  de si g n ed  i n   18 0  nm   C M O S   pr ocess  w h ic he  c ons is ts  o f  an   R F  vo lt age   lim iter   c i rcui t  ( p r o tec t or)  th i s  l a t e r   c a n  p r o t e c t  t h e  t r a n s p o n d e r   s y s t e m   f r o m   dam a ge s  c a u s e d   t o  CMO S   g a t e-o x i d e  bre a k dow n  d u e  t o   a n  exce ssi ve   c o u p lin g  v o lta ge  f rom   the  rea d e r   f or  a   shor t  ope rat i n g   di s t a n c e .  A   high  pow er   e ffic ie nc y  an d  h i gh  se ns i t iv ity  f u l l  w a ve  R F  w a ve  r ec ti f i e r   i s  us e d   t o   con v er t   the RF  re ceive d powe r  to  DC si g nal s ; t h e ful l  wave   re ct ifier is fu l l y  i nt e g rab l e a n d t a kes a d va nt age o f   bo th  p a ssi ve  a nd   a c t i v e  m u l tip l i ca ti o n s  to  r educe   t h e   req u ire d   i n p u t   po w e r .   T he  m in i m um   r e q u i r e d   i npu t  pow er   i s  -24   d B m  t o   g e n era t e   su pp ly  vol ta ge   f r o m   a   5 0 -O hm   a nte n na   a t  90 0  MH z ,   a nd  a  v o lta ge  r egu l a t or   w h ic h r e gu late s the   o u t p u t   v o l ta ge  o f  the r ecti f ier   to a  pre fer d  v a l u e .       2.   POWER  G E NERAT ING C I RC UIT   The  pro p o se d  pow er  g en e r ati ng  c i r c u i t   c ons is t s   o f  a n   R F   vo l t age   lim iter ,   a   h igh  pow er  e ffic ie n c y   and  h i g h   s e n si ti v i t y   f u l l  w a v e   r ec t i fie r   a nd  a  vol tage   r e g ul a t o r .   T he oret ic a l   a na l y ze s  an d  sim u la tio ns  o f  the   c i rcui t s   u se d   to   opt i m i z e   t h e  d e si gn   a re  p rese nt e d .  Th e  c i rcui t   s h o w s  t h e  a b i l i t y   t o  g e n e r a t e   s t a b l e   D C   vo lta ge s  i n dep e nde n t   o f  the  i n p u t   p ow e r   l e v el s  a n d  i t   c a n   b e  p o w e re d  the   pa ssi ve  U H F   R F I D  tag.  I n  t h i s   sect io n,  eac h sub- bl oc k  of v o lta ge  r egu l a t i o n c i r c u i t   is  p rese n t e d w i t h  m ore  detai l s.     2.1.    V o lta g e  R F  li m iter   The  vol ta ge   a t   the  in pu t  o f   t he  v ol ta ge  r ec tifie r  c a n  g o es  f rom   3 5 0   m V   to  20  V ,   d e p e n d i ng  on  the   pro x imi t y   o f   t h e  ta g.  T o   preve n t  t h e   t r a n sist o r s  of  t he   i n n er  c i r c u i t   f r o m   b ei ng   d amag ed   a t   h i gh   v o l t a g e   l e v el s  a n   R F   l i m i t e r   i s  u s e d .  T h e   R F   s i g n a l  i s   d e t e c t e d  b y   t h e   R F _ i n   o f  the   RF   v olta ge   limi t e r   w hi c h   i s   a  st ac ked   vo lta ge d i o de  r efere n ced  t o t h e gr ou nd   o f  t h e   RF ID  tag.   The  out p u t  of RF   l i m i t e r is  g i v e n   by (2) :      _ 2     ( 2 )     W h ere           ( 3 )     With  K′   a nd  V    a re  t ransco nd uc ta nce  par a m e ter   a nd  the   thre s h o l d  vo lta ge  o f  P M OS  t ransistor  respe c t i ve l y .  In  ( 2)  t he  v a l u e   i n  th e  sq u a re  r oot  i s  mi ni miz e d  b y   u s i n g  l a r g e  t r a n s i s t o r   a s p e c t  r a t i o s   o f   trans i s t or s,  w it h the  I d  w e   c a n  w r i t e :      2   ( 4 )     Thi s   m e a n s  tha t   w h e n   t h e  R F   s i g n a l   ex ce ed s  2 V  ,  t h e   RF   v o l tage  w i l l   re duce  th e  act ua l   vo lta ge, abo v e  2 V  , t he   a dd iti o n a l   v o l tage ap p e a r i n g   a t  t h e gate of N M O S  t r a nsist or N 1. A fte r   a   c ertain   li m i t  of  t he   t rans ist o r,  N 1  g r a dua lly  t ur ns  on.  O nce   N 1   i s  fu ll y   a c tiva t e d ,  PM OS  t ran s i s to r  P3   s ta rt s  to   dec r ea se .  To  p r e ven t   t h e   R F   si gna l  from   b e i ng  c o m p le te l y   lim ite d ,  a  r e s i s t o r   R 3  i s   u s e d  t o   m a i n t a i n  a  v o l t a g e   dro p   o n  t h e  R F   s ig nal   an d  N 1   d ra in.  Whe n   t he   g a t e  vo l t a g e  of  P 3   c o n t i n ues  to   d ro p  as   a   r esul t   of  s w i t c hi n g   N 1 ,   P 3  s t a r t s   t o  t u r n   o n .  A t   t h i s  t i m e ,  t r a n s i s t o r   P 3  a c t s   a s  a  s h u n t  a n d  l i m i t s   t h e   i n c r e a s e  o f   a n y   a p p l i e d   R F   signa l .  F ig ur e  3 show s t h e  am pl i t ude  o f i n pu t si gna l af t e r usi n  pr opose d  vo l t a ge  lim ite r.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 3 8 9   –   1 397  1 392     F i gur e   2.   R F   volta ge   l imiter   cir c u i t       Vol t age   af t e r  R F  limi t er  V oltage  a fter  R F   limi t er       (a)      (b )    F i gur e  3.   ( a)  I npu t  v o l t a g e   bef o r e   R F   limiter ,   ( b)  I npu t   pow er   befor e   R F   limiter  (dBm)       2. 2.     Fu ll e   w ave   R F  rec t i f i er   The  v o l t a ge  r e c ti fier  i s  a  c i r c ui t  c o n v erts  t he  R F  i n c i de n t   s ig n a l   t o  a  D C   s i g n a l  w i t h   v e r y  s m a l l   r i p p les.  It  com e s a f ter  the RF  v o lta ge l im iter .   To  i m p r ove  p ow er   e f f i cie n c y ,   t h e   pr o p o se d  f u ll  w a ve  R F   r e ctifie r   s h o w n  i n   F ig ur e  6  u s e s   t h e   co mb in ati o n   of   t h e   boot st r a p   ci r c ui t   (c ap ac i t o r     a nd  tr a n sist or   )   w i t h   t h e   c r o ss- c oup le d  str u c t ur e  [9].Tr ansistors  ,  .  ,   a nd    a r e  repla c e d   b y  the   tr ansistor s  co nnec t e d   on  d i o d e  of  t he   c o n v e n t ional  br idge   r ect if ier   a nd  c o n duc t  t h e   c u r r e nt   p a t h   fr om   t he  i np u t   s o ur ce   t o  t h e  ou tpu t   l oa d.   T ra ns i s t o r s   M   a nd    w i t h   t he   c r o ss- cou p l ed  s tr uc t u r e   h a v e  the  c h a nne l  r e sisti v i t y  l ow er   t han  t h eir   ac ti va ti on  t i m e .   To  i m p r o ve  t he   e f f i cie n c y   a n d   the  ou t p u t   v olta ge ,   the   boot str a p  is  u se d  t o   c a n ce l   t h e   thr e sh o l d  vo l t age   of  t he   PM O S   tra n sis t ors.  T he  t he   boo tstr a p   c i r cui t   i s  bu ilt  us in g  the  ca pac ito r   w i t h   t r a n s i s t o r   .  I n   t his  pr o p o s e d   t opo log y ,   th e  ga t e s   of   t h e   t ransi s t o rs    a nd   and    a r e connec t e d   t o eac h  o t h e r   ( t r a nsi s tor s  co nnec t e d  o n   di o d e) ,   t h e   ga t s   o f   tr a n sis t or s   ar e   c onnec t e d   w it h  the   ou t p u t   o f  t h e   v o l t a g e  re ctifier   t o   r ed uc e  t h e  effec t   o f  the   thr e sho l d  vo lt a g e   of    a nd  ,   P M O S   p a s s  tr ansis t or s.   T he   c ur r e nt  o f   the  i n pu t  so ur c e   c har g e s  bot hs  t he   o u tp ut   c a p acit o r  an d   t h e  ca pac i t o r    by    a nd  .  The  vo lta ge  acc ros  the  ca p a cit o r   c a n  b e   s u i t a b l e  f o r   the  c o m p l e te  c ond uc ti vi t y   o f  t h e   PM OS   p a s s  t r ans i st ors.   T o  r e duce   t h e  lea k a g e  curr en t,  t he   s izes  o f  th e  pos i tive   ha lf - c yc l e ,   w h e n   t he   i n p u t   v o ltage   ( V  )   i s   l ar ge r   t h a n   t he  o u t p u t  v o l t a g e,   t he  c ur r e nt  l oa ds  t h e   ou t p u t   c apac it or  b y  M ,   the  t r an sistor   c o nne cte d   t o  t h e  d i o d e.   T he   v ol ta ge   o f   t h e  o u t p u t   ca pac i t o r   and  th e   ca p a cit o r  C   i s  gi ven  a s   f o l low s :  ( 6 )  and  ( 15) .        |  |  ( 5 )       |  |  ( 6 )       |  ||  |  ( 7 )     The  vo l t age  a c ross  the  ca pa cit o r  ,   a c t i v a t e s  t h e  t r a n s i s t o r     t o  si m u l t a n eo us l y   c har g e  the  ca p a cit o r    w it h   th e   t r a n s i s t o r   .  The  vo lta ge   V _G S   of  t r a nsis tor    i s :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       D e sig n  o f  new  po wer  ge ner a ti ng   ci rcu i t for p a ss i v e  U H F  RFI D  tag ( A bde l a li  El   Bo u t a h ir i)   1 393  ,     ( 8 )     V   o f  M   i s  equa l   t o   i t s   t hr es ho l d   v ol t a ge  t h e   t r a ns is tor   M  is de act iv ated  w he n,  so we  c an wr i t e :      |  |  ( 9 )     U s in g   ( 7 )   and  (9) ,   t he  outp u t   v ol ta ge  c a n   b e  ca l c u l a t e d   f r o m  ( 1 0) .        |  | |  |   ( 10)     The r ef ore,   i f  |  | |  | ,  the  ca pa c i t o r     i s  cha r ged  on  the   va l u e   e qua l  to  t he  i n p u t  v o lta ge .   Th e   to w  PM OS ,    and  di o d e t r ans i st or s oper a t e   i n  a dy na m i c   r e gion ha ve   a   g r o u nd ( b u l k )  te rmina l  tha t  is  n o t   c o n n ec ted  to  t he   h ig h  v o lta g e   dur ing  a  co m p lete  c yc le.  Th is  p r o b l em  c au se s  t h e  in cre a s e  o f   t h e   t hres h o ld  vo l t age  o f   t he  t r a n s is t o r s   c onn ec t e d  t o   t he  d i ode  a n d   t he  b u l k  lea k age  cur r ent.   T he   b u l k  bia s   c ircui t   ( ,  ,   ,   a nd   )   is  u sed  t o   e lim ina t e   th e   bo dy  e f fec t   o f  trans i s t ors    a nd  .  Si n c e  t h e  ef f ect   o f   t h e  thresh old  vo l t age  o f   t ran s is tors    a nd    i s  n e u t r a l i ze d  by  t h e   b o o ts tr ap,   t h e  bu l k   b ias  ci r c uit  does  n o t  u s e   fo r     a nd  ,   in  o r d er   t o  ha ve  t he  m axim u m   outp u t   v o lta ge .   Thus,   the   b ody  o f  su c h   t ra n s i s t o rs   i s  co n n ect ed   t o  V   .  T h e po we r co n v ersio n   e f f i ci en cy  of   p r op osed  re c t i f i e r i s  giv e n   b y  ( 1 1 ) .     %      100 %   ( 11)     With                             ( 12)     Wher e   P _ O U T  and  P _ I N   a r e   t he  out p u t  pow e r   a nd  inp u t  inc i de nt  p o w e r  resp ectiv e l y .   F i g u r e  5  pr esen ts  t he  c ur ve  o f  p o w e r   ef f i cie n c y   o f  the  pr o p o s ed  f ul l   w a v e  rec tifie r.  A t  the   i n p u t  v o l t a g e  1.6 5 V  th e   p o w er ef f ici e ncy   is abo ut   7 4 . 2 5%.          F i gur e  4.   P r o p o se d  vo lta ge  r ecti f ier       F i gur e   5.   C ur v e   o f   e f f i cie n c y   v er sus  i npu t  vo lta ge       2. 3.     R e gu lat o r   The   re g u l a t or  c i r cu it  com e s  after   the   ful l   w ave   r ect ifier.   T he   v o l t a g e  r e gu la tor   per f or m s   t w o   m ai n   f u n c tio ns.   The   fir s t  is  t o  r e g u la te   t he  o utp u t  vol ta ge   t o  a   pr e fe r r e d  va lu e  and  a  pr ef er r e d  r a n g e  f o r   p a ssi v e   RFI D   U H F   t ag .   Th e   oth e r  i s   t o   p r otect  t h e   in ner  circuits  fro m  b r e ak i ng  at  h ig h  RF   i np ut   pow er .   The  bas i c   to p o l o g y   o f  a   vo l t age   r e g u la t o r   is  s h o w n   i n  F i gur e  8.   I t   c ons is ts  o f  on   O TA ,   t o w   r e gu l a tio n  r e si s t a n c e s  an d  a   v o lt a g e   re fe renc e t o  g e n erat e a   re g u l a t ed  volt a g e  [10 ].    T he  o u t pu t   of  a   vol tage   r eg u l ator   V  is  g ive n   a s  fo ll ow.  In  a n   ide a l   case   co n s ide r in g  a   fi nit e   ope n- lo o p   g a i n  A _ o l   t he  r egu l ate d   v o lta g e   i s  gi ve n  by :           ( 13)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 3 8 9   –   1 397  1 394 With    V V    ( 14)     we can  writ e :       .     ( 15)     I f   w e  c onside r   a n  in f i n ite   ope n- l o o p   g a i n  f o r   an  i de al  c ase  s o   the  sim p l i fyi ng  calc u la te s ca n we  give :      ≅  . 1   ( 16)     I n   ( 16)   t he  o u t pu t  v o l t a g e  of  v o l tage  r e gula t or   d epe nds  o n  t h e  vo ltage   r e f e r ence      a nd  r e sist a n ce   an d   .          F i gur e  6.   V olta ge   r e g u l a t or   s che m a tic .       F i gur e   7  sh ow s   t h e   pr o p o s e d   v o l t a ge  r e g u l a t or .   I t   c ons i s ts o f   f o u r   b lo cks, a d iod e   N MOS   reg u l a to r , a   vo l t age  r e f e r e n c e   an  O TA  a nd   a   volta ge  d ivi d er .   The  N M O S   d i ode  r e g ula t or   u ses  f our   s e r ie s  di ode  c on ne c t ed  n at i v e  NM OS   t ransistor   to  lim i t   l ar ge  o u tp ut  of   t h e vo lt ag e   re ct i f i e r,  w h i c h   i s  on   t he  o r d e r   o f   d o zen s  of   t e n s  o f   v ol t s ,   to  a   r e l at ive l y  sma l l   sw ing.   O n e   o f  c h a r a c t e r i s t i c   o f   R F I D  p a s s i v e  t a g s   i s  t h e  f u l l y  i n t e g r a te d,   R F I D   tag  ha s  n o t   an  e x t e r n a l   vo l t age  r e fe re n c e ,   it  me ans  th a t   t he  v o lta ge  r e f er ence   u se d  in  v o l t a g e  re fer e nce   must  b e  a u t o   g ener ate d ,   e v en   the   p o w e r   sup p l y   v ol ta ge.   A s   s h o w n   i n  F i gur e  7,   1 . 6   V   i s  ge ner a t e d  dir e c t l y   b y  a  r e fe r e nc e  se lf - b i a se d   vo l t age,   i ns t e a d   o f  the   c o nve nt i ona l  m e t h od   f or   a m p li fy i n g  a  lo w - pr ec isi on  r e fe r e nc e  v o l t a g e  o f   t he  v ol t a ge   pr e- ge n e r a t e d.   M   - M   bu ild  a   t w o   c asca de  c on ne c t i o n  t o   i ncr e ase   the  ou tp u t   r esista nc e ;  a l l  t r a n s i s t o r s  o p e r a t e  i n   the  l o w   in ver s io n  r e g i o n   t o  r e duce  t h e  po w e r   consum p t ion.   I n  t h e  l o w - in ver s i on  r e gi on,   t he   d r a in- s our c e   c u r r e nt   i s  g i ve n  by :     I  I  e        ( 1 7 )     I f  t h e  r a t i o   W/ L   o f  t h e  N M OS  t ra n s isto r  M   i s   m a d e   Q   time s   l ar ger  tha n   t ha t  o f   M    a nd  bo t h   h a v e   the  sam e   L ,  V  of  t r a nsist o r   M    a nd  M    c an  b e  refo rmu l at ed  in   terms  cu rr en t  I   a s     V   n  ln    V    ( 18)     V  n  ln   V    ( 19)     V  V  I  R   (20)     Us in g   (1 7,  18  an d  20 )  we  can   s im pl y   s how t hat:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       D e sig n  o f  new  po wer  ge ner a ti ng   ci rcu i t for p a ss i v e  U H F  RFI D  tag ( A bde l a li  El   Bo u t a h ir i)   1 395 I   ln Q   (21)    Th is  c ur r e nt  i s  in de pe n d e n t  of   t he      pow e r   s our ce   a nd  i s   m uch  sma l le r ,   t han  the  cur r ent  o p er a tin g  in  t y p i ca l  sat u r a tio n  r e gi o n .   Wit h   s uc h  a   c o ns t a n t   a n d   s ma ll   c u r r ent,   t he  v o l t a ge  on  t h e  dr a i n  of  t r a ns is t o r   M    c a n  be  a s  sta b l e   a n d   i n d e p e n d e nt  o f   t h e   pow e r   s up p l y.   T o  m i nimi ze   t he   l ow e s t  w o r k a b l e   R F   in put   p o w er   f or   the   wh ole t r an s p o n d er,   such  a  re f er ence   i s   e x pecte d   t o  w o r k   u nd e r   a   pow e r   s u p p l y  vo l t age   a s   l ow   a s  po ss ible .   The   ze ro-t hresho l d   P MOS   trans i stor s  M 3  -  M 4  a r e  used  a s   the  cur r en t  m i r r or  l oad  t o   r educe   t h e   req u ir e d   V ds  vo l t age  dr o p s.   A   l ow   p ow er   r egu l a t or   i s  s i mpl y   a   d if f e r e nt ia l   a mp l i f i e r   w it h   fe ed b ack .  Th e   f eedb a ck   d et e c t s   the  ou tp ut  vol t a ge  a nd  com p a r e s  it w i th  t he  V r e f pr ov i d e d   by  th e vo lt a g e ref e ren c e o f  the  s eco n d   s t ep . Fo r   the  di ffere n tia l am pli f ie r, an NMO S a m p l i fie r  is   se l e c t ed w ith  a n a ct i v e  P M O S   l oad.   I n  or de r   to ac h ie ve  l o w   d r o p   r e gu lat i on  a nd  e n sur e   t ha t  M 1 8  o p er ates  i n  t h e  sa tur a t i on  r e gio n,   t he   n a tive   MO S   t r ans i st or   w it h  l a r g e   W  /  L   is  u se d.   V olta ge   d i v ide r   u se d  in  p r o p o se d  v o lta ge  r eg ula t or   c on sis t s  of   r es is tances    a nd    c an  d iv i d e  t h e   ou t p u t   v ol t a ge   v a l ue   ( vd d 1 )   a n d  gi ve  a n  ou tpu t   v dd 2.   V dd 2  i s   g i v e n  by   ( 22 ),   w i t h  vd d2= 1 V   t o   o b t a i n   v dd1= 0 . 5 V     m us t  be   e qua l s   .          ( 22)           F i gur e  7.   P r o p o se d  low   p o w e r   vol tage  r egu l ator .       3.   RESU L T S  A ND ANALY S IS  The  s i mu la ti on   r e s ul ts  o f  pr o pos ed  p owe r   g ener at in g   c i rcu i t   are   i ntr o d u c e d  in  t h i s  sec t i on.   F i gur e  8   show s  t h e   t r an sie n t  r e sp o n se   o f  vdd 1  an d  vd d 2 .   V dd1  a nd  vd d2  w i t h   d i f fer e nt  i n p u t   pow e r   l eve l s  w h i c he  c h an ges   f r o m   - 2 2 d Bm  t o  14   d B m   a r e   s h o w n   i n   F i gur es  9   a nd   1 0   r e s pec tive l y.   I n  - 2 2d Bm   i n p u t   pow er ,   the   ob ta ina b le  l ar g e st  c o nver s io n   e f f i c i e n c y   i s   s t i l l   29. 1 5 %,   w hic h   i s  h i ghe r   tha n   t he  r ep or t e d  r e su l t s  s h o w n  i n   c o mpa r ison  ta ble .   W i t h  29. 1 5 %  p o w e r   c o n v er si on  e f f i c i e n cy  t he  c om m u n i c a t i on  d i s t a n ce   o f  R F I D   s ys t e m   is  a b o u t  1 0 m .   T a b le   1   i n t r o d u ce s  our   w or k  e f fi cie n c y   c om par e d  t o   o t h er   w or ks  [ 5] ,   [1 1] ,   [12] ,   [ 1 3] .   The   la yo u t   fo r  th e  po wer  g e n e rating   c irc u it  fo r  an   UHF   R F I D  tag   circu i t  is   s how n  i n   F igur e  1 1 .   A l l   dev i ce s  or   c ir c u i t s   p r o n e   t o   p r oduce   el e c t r o ma gn et i c   i n t erf e ren c e   o r   s u s ce ptib l e   t o   i nt erfere nce  are   enc l ose d   w i t h  do u b le   l aye r   gua r d   r i n gs.   T h e  la yo u t   i s  d o n e  by   r espe c t ing   f o l l ow i n g  i t e m s ;  d e s i g n   r u l e s  ( D R M ,   M R C  a n d  D e n s i t y )   a n d   de sig n er   c onstr a i nts  i n f o r m a tion  ( c o n str a in t  m a na ger ,   t ext) .   I t   o ccup i es  a n  a c ti ve  a r e a  of   0 . 25m m 2 .      Ta bl e   1 . C o m pa rai s on   t abl e   R e f.  E f f c i e n cy  M ini m u m   i nput  p o w e r   R a n g e   C a r r i e r   f re que n c y  C M O S  Pr o ces s   T h is  w o r k   28. 49  %   4 . 7 ∗ ∗ , 15 .85 ∗ ∗ 52  λ   900  MH z  180  nm   [5]   26. 96  %  5. 0 1 ∗∗ ,15 . 08 ∗ ∗ 45  λ   900  MH z  90  nm   [10]   14. 5  %  63 ∗ 28. 2  λ   900  MH z  0. 5  um   [11]   10. 94  %  -   21. 3  λ** *   450  MH z  0. 25  um   [12]   -   12 .6  5. 6  λ***   2 . 4   GHz   1   u m   *no r m a l i z e d   f or  3 V   ge n e r a tion,   **  norm a l i ze d  f o r  1V   g e n e r a tion,   ***  norm a li z e d   f or   4   W  EI R P   sour c e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 3 8 9   –   1 397  1 396     F i gur e  8.   T r a nsien t   r e s p o nse   o f   p r o p o se d  ge n e r a t i ng  cir c ui t.           F i gur e  9.   T r a nsien t   r e s po nse   o f   v d d 1   w it h  di f f e r ent  in pu t  p o w e r  lev els.          Fi g u r e 10 .  Tra n si en t   re sp on se  o f   v dd2   w i t h   d i f f e r ent   i npu t   po we r  levels.           F i gur e  1 1 .   La you t   o f   p r o p o se d  pow e r   g e n er ati n g  c i r c u it.       4.   CONCLUSION  I n   c o n c l us i on,   a   n ew   p ow er   g e n er a t i n g  c i r c uit  f o r   a  U H F   R F I D   t r ans p o nder   w i t h   m u l tip le  o ut pu t   sup p l y  vo lta ge   h a s   b ee n  suc cessf ul l y   d es ig ned   i n   T S M C  1 8 0   nm   t e c h no log y .   C i r c uit  de s i g n ,   s i mu lat i on,   a n al ys i s   a nd  la yo u t   d es i gn  ar e   all  inc l u d e d   i n  t h is  s t u dy.   T he   p e rfo rman ce   o f  t h e  p r op o s ed   p o w e r   g en erat in g  ci r c ui t   i s   e nh a n c e d   a   g ood   a c c u r a c y   of   t h e   v olt a g e   s up ply   whi c h   i s  s t a b le  a n d   i nde p e nde n t   o f  t h e  pow e r   vo l t age  l e ve ls  a s  the  pow er   s upp ly  f or   a   U H F   p a ssi ve   R F I D   tag.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       D e sig n  o f   new  po we r ge ne ra ti ng c i rc ui t for p a ss ive  U H F   RFID  tag  (Abde l a l i   El Bo u t ah i r i)  1 397 REFE RENCES    [1 ]   E .   J on es  a n d  C.  Chun g,  “ RF ID in  L ogistics :   A  P racti cal In t ro duc tio n ”,  B oca Rato n ,  FL:  CRC P res s , 20 08 .  [2 ]   R.  W e i ns t e in “ RF ID: a Tech ni cal O vervi e w  an d  Its  A ppli catio n   to  th e  Enterp r ise”,   IT  Pr o f essi on al ,  7 (3) (2005),   27 – 33 .   [3 ]   R.  E.  Barn ett, J . L iu   a nd  Lazar S .A  “ RF  to DC Voltag e  Con versio n Model   for Mu lti-Stage   Recti f i e rs  i n   UH F R F ID  T r ans p o nders ”.  I E EE J  Sol i d -St a te  Circuits , 4 4(2 ) ,  3 5 4 ,   20 09 .   [4 ]   G   .D e V i ta,  and G. Ian nacco ne “ Ultra-L o w   P o we r  RF S ectio n   of  a  Pa ssive   M i c r owa v e   RFID  T ra nspo nd e r  in   0.3 5   μm Bi C MOS . C ircu it s   an d   Sy st e m s”  ISC A S 2005. I EEE Inter na tional Symposium on. I EEE , 2 00 5   [5 ]   U .  K arthau s an d M.  F is cher “ F u ll y  In tegrat ed  P assi ve  UHF  R F I D  T rans po nd e r   I C with  16. 7-mW  M inim u m   R F  Input  Power”  IEEE J. Sol i d -State  Circui ts ,  3 8   ( 2 0 0 3 ),   1 60 2– 16 08.   [6 ]   S .  Has sou n i   and   H.  Qjid aa “A D e s i gn of A na l og VDD  G e n erato r  f or  P as si ve  UHF  R F I D  Tag  in  90  nm  C M O S ” ,   In ter n a t io nal Jour na l o f  M i cr owa v e  an d W i rel e ss  T echn o lo g i es ,   p a ge 1  of 7 . #  C ambrid ge Un i versity  P ress  an d  th e  E u ro pean  M icro w a ve  A ss ocia t i on,   201 4  do i:1 0. 101 7/ S 175 90 78 7 1 400 0 84 1.  [7 ]   Y.  Y ao , J.   W u , Y.  Shi   a n d   F .   F o s ter Da i,   “ A Fu l l y   Integ r at ed  90 0-M H z  P a ssiv e   R F I D T r ans pon der  F r o n t En d W i th  No ve l  Ze ro -Thre s ho ld  RF–DC  R e c t ifie r” ,  I E E E  T r an sa c tio n o n  in du str i a l  e l e c t ron i c .  [8 ]   S m ail  H a ss ouni  a nd  Has s an  Q ji d aa  “ A   D esig n  of a  H igh - P e rf orm a nc e  A n al og  F r o n t - En d   f o r P a ssive  U H F   R F I D  T a g EPC C1 G 2 ”,  J o ur nal of Comm un icatio ns So ftwar e   an d S y stem s , VOL. 14, NO. 2,   JUNE 2018.  [9 ]   Rezvan  D., Shab n am  R .,  Samsa m  I.   “A  High   Effici en cy   R ect i f i e r   f o r  UH F  RFI D  P a ssiv e Tags  W i t h  Vth   Can cell a tio n   Techn i q u e ”.  QUI D  20 1 7 ,   p p .   2 33 5-23 41 ,   S peci al  I ssu e   N ° 1 -  ISS N :  169 2-3 43X ,   M e d e l l í n-Colombia.  [1 0]   A.  El Bou t ahir i ,   M .Ouremchi,  A.   Rahali ,   M .   A lao u i, F .  Farah ,  K.  El Kha d ir i ,  A.  Tah i ri  an d   H . Q j i d aa, “Design  o f  2MHz O O K  Transmitter/ R ecei ver f o r   Inductive  Power  and  Data T ran s m is s i on f o r Bi om ed i cal Im p lan t ”,  In ter n a t io nal Jour na l o f  Elect ri cal  and Co mputer En g i neeri n g   ( I J E CE),   vol  9 ,   n o   4,   p p.   2 7 79-2 787.   [1 1]   K a rth a us,   U. ,   F i scher,   M . , “ F u l l y in teg r ated  p as sive  U H F   R F I D t rans po nder  IC  w ith  16 . 7 -mW  minim u m  RF  i np u t   p o w e r”,   I EE E  J.  S o l i d -Stat e   C ircu its,  38  (200 3),   1 6 02– 16 08 .   [1 2]   Ko cer,  F .,  Fl y n n , M .P . ,  “A  New   Tran sp on der   Arch i t ect u r e  wi t h   O n -Chi p  ADC f o r  Lo n g - Range  T elem et ry  A p p l i catio n s ”,  I E E E   J.  Soli d -State Circuits ,   4 1   (200 6),   1 14 2– 1148.   [1 3]   Pill a i .   V ., Hei n r i c h. H. ;   D iesk a. D.,   N i k i tin,   P . V.  Martin ez,  R .   Ra o ,  an d  K . V .S .: “An u ltra-l o w-po wer lon g   ran g e  b a tt ery/ passiv e  RF I D t a g f o r UH F   and   micro w ave  band s  wit h   a   c ur ren t  co n sump t i o n   o f  7 00  nA   at  1 . 5  V” ,   I E EE  T r an s.   Circu i ts Syst . I ,  54  (200 7),   1 5 00– 15 12 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.