Design of integrated voltage multipliers using standard CMOS technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

 Results of the design of the integrated multistage voltage multipliers as components of supply modules for wireless passive microdevices are presented. Parameters of MOS transistors significant for the multipliers design and presented in three standard CMOS technologies, CM018G 180 nm, HCMOS8D 180 nm and C250G 250 nm, are considered. CAD Cadence simulation results have demonstrated that in the case of eight-stage multiplier implementation using CM018G technology minimum output voltage level requisite for microchip operation is achieved at input amplitude 250 mV and in the case of the similar device implementation using HCMOS8D technology - at 375 mV. Using sixteen-stages multiplier as example it is shown that voltage multiplication efficiency is from 20% to 54% for wide range of the input voltage, and the efficiency decreases only by 1-3% compared to eight-stage implementation. Proposed recommendations for the integrated voltage rectifiers-multipliers design could be applied at development of the passive supply units for microelectronic devices.

About the authors

A. S. Sinyukin

Design Center for the Microelectronic Component Base for Artificial Intelligence Systems, Southern Federal University

Email: sinyukin@sfedu.ru
Taganrog, Rostov oblast, 347922 Russia

B. G. Konoplev

Design Center for the Microelectronic Component Base for Artificial Intelligence Systems, Southern Federal University

Email: kbg@sfedu.ru
Taganrog, Rostov oblast, 347922 Russia

A. V. Kovalev

Design Center for the Microelectronic Component Base for Artificial Intelligence Systems, Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: avkovalev@sfedu.ru
Taganrog, Rostov oblast, 347922 Russia

References

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Технологии [Электронный ресурс]: https://www. mikron.ru/capabilities/technology // Сайт группы компаний “Микрон” (дата обращения 02.06.2023).
  18. 18-micron Technology [Электронный ресурс]: https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic/l_018micron // TSCM Official Website (дата обращения 02.06.2023).
  19. Новые микроэлектронные технологии [Электронный ресурс]: https://nm-tech.org // Сайт производителя микроэлектронных компонентов “НМ-Тех” (дата обращения 02.06.2023).
  20. 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.
  21. Sinyukin A.S., Konoplev B.G. Integrated CMOS Microwave Power Converter for Passive Wireless Devices // Russian Microelectronics. 2021. V. 50. № 3. P. 219–227.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Baker R.J. CMOS: circuit design, layout, and simulation / R.J. Baker // Hoboken, Wiley, 2010. 1177 p.
  25. 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.
  26. Коноплев Б.Г., Синюкин А.С. Умножитель напряжения для маломощных приложений. Патент РФ № 199930 от 29.09.2020.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (597KB)
3.

Download (1MB)
4.

Download (132KB)
5.

Download (1MB)
6.

Download (130KB)

Copyright (c) 2023 А.С. Синюкин, Б.Г. Коноплев, А.В. Ковалев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».