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Diseño de un Rectificador y una Referencia para un
Chip Pasivo de RFIDAlejandro Paredes
Pablo Toledo
microelectrónicaCUU C
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RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
microelectrónicaCUU C
Agenda
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RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias
Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
RFID - Definición
Señal
Cable Coaxil
TCP/IP802.11Rs-232Rs-485
Host
Lector Antena
Tags Pasivos
Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada en una etiqueta o tag RFID.
Radio Frequency Identification.
Reemplazar las tecnologías de identificación actuales(código de barras y tarjetas de contacto).
QUE SIGNIFICA
QUE ES
CUAL ES SU POTENCIAL
COMO FUNCIONA
Es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto.
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RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias
Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
RFID - Tipos2 TIPOS
TAGS PASIVOS
TAGS ACTIVOSTiene su propia batería.
•Para alimentar los circuitos internos del chip.
•Para comunicarse con el lector.Señal de más alcance (hasta un kilómetro).Envían datos cuando es necesario.Más memoria interna y mayor tamaño.
No requiere de una batería.Potencia de alimentación del campo
electromagnético.Envían datos solo cuando es interrogado.Información reducida o básica (número
identificatorio).Más económicos y pequeños que los activos.
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RFID◦ Definiciób◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias
Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
RFID - Beneficios
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RFID◦ Definición◦ Tipos◦ Beneficios◦ Comparacion con otras tecnologias
Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
microelectrónicaCUU C
Agenda
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RFID – Comparación con otras tecnologías
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TABLA COMPARATIVA AUTO-ID
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Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
Motivacion y objetivos◦ Motivación◦ Objetivos
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RFID
Agenda
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Motivación
DISEÑO DE CELDAS
Mercado de sistemas portables alimentados por batería.Mercado de sistemas de identificación remotamente energizados.
Bajo consumo.Bajo costo.Alta performance.Reutilización.
Tecnología de integración: 0.5mm.
Proceso: Estándar y de bajo costo.
Frecuencia de operación: 915Mhz.
CARACTERÍSTICAS
PROYECTO GLOBAL
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Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
Motivacion y objetivos◦ Motivación◦ Objetivos
microelectrónicaCUU C
RFID
Agenda
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microelectrónicaCUU C
Objetivos
ESTUDIAR Y COMPRENDER
SIMULACION Y ANALISIS
DISEÑO DE UN CHIP
circuitos de regulación y rectificación más utilizados en tags RFID.
seleccionar los más adecuados según la aplicación.
a partir de la aplicación conocimientos adquiridos.
En una etapa posterior la fabricación y medición del chip.
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Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos
Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Introducción
Convierte una señal alterna en una señal continua.
Determina el rendimiento y distancia de funcionamiento del tag.Genera la independencia de la frecuencia.
RADIOFRECUENCIA RECIBIDA EN LA
ANTENA
PROVEE DE ENERGÍA AL RESTO
DEL CHIP
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Introducción
Evaluación de desempeño
Tensión de salida igual a la tensión de entrada menos 2 caídas de tensión en los diodos.
Corta distancia (menos de 1 metro).
Tensión de salida superior a la entrada.Mantiene la misma potencia a la entrada y la salida.Hasta 15 metros de distancia.
PUENTE RECTIFICADOR
ELEVADOR DE TENSION
TIPOS
SIRVE PARA COMPARARLOS Y
ESTUDIARLOSPCE
POTENCIA DE SALIDAPOTENCIA DE ENTRADA
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Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos
Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones
microelectrónicaCUU C
Agenda
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
Dos estados de conducción, por un lado los diodos 1 y 3 están en polarizados directamente y conducen (tensión positiva).
Por el otro, son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en polarización directa y conducen (tensión negativa).
PUENTE CON DIODOS CONVENCIONALES
PUENTE CON TRANSISTORES PMOS
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
Tanto los transistores NMOS como los PMOS pueden conectarse como diodo.
Se realizaron ambas simulaciones, pero los resultados fueron de mayor eficiencia con el empleo de transistores PMOS.
CONEXIÓN ENTRE EL POZO N-WELL Y EL
SOURCE
SEÑAL DEL TRANSISTORNMOS SE DESVÍA A TIERRA
SD
G
DSG
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
Aumentando la relación W/L de los transistores.Para reducir las capacidades mencionadas, los transistores deberán
tener la menor área posible (menor relación W/L posible).
Dado que el mínimo largo del canal viene impuesto por la tecnología empleada, para satisfacer adecuadamente los tres criterios se debe llegar a una solución de compromiso...
DIMENSIONAMIENTO DE LOS TRANSISTORES
MAXIMIZAR LA TENSIÓN DE SALIDA
MINIMIZAR LAS CORRIENTES DE FUGA
MINIMIZAR EL ÁREA EMPLEADA DEL CHIP
INFLUENCIA DE LOS TRANSISTORES EN LA TENSIÓN DE SALIDA
CAPACIDADES PARÁSITAS DRAIN-BULK
Y SOURCE-BULKMÁXIMA CARGA DE 7.3 μA
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
Resolviendo esta ecuación con los valores estándares de la tecnología a emplear, suponiendo un largo de canal mínimo y la máxima corriente media de salida, se obtiene una caída de tensión de 1.16V para un ancho de 30μm.
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
VSALIDA PUENTE RECTIFICADOR PMOS CON UNA ENTRADA DE 3V CON CAPACIDADES PARÁSITAS
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
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Rectificadores - Puente Rectificador PMOS
El rendimiento de este rectificador en términos de PCE es aceptable. Si se lo compara con otros rectificadores, el PCE es el parámetro que lo distingue.
Presenta un reducido numero de transistores y la utilización de un solo capacitor. Esto significa que su área de integración es pequeña.
Como se dijo anteriormente, las aplicaciones que requieran distancias de lectura significativas quedaran fuera de su alcance, debido a la caída de tensión causada por los diodos en serie con la carga.
A continuación se detalla el tamaño de los transistores empleados (modelo AMIS 0.5μm) y los valores del resto de los componentes del circuito.
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Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos
Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones
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Agenda
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Rectificadores - Rectificador Dickson
CONSISTE EN UNA CASCADA DE N
DETECTORES PICO A PICOUSANDO TRANSISTORES
CMOS CON SUS TERMINALES DE DRAIN Y
GATE CONECTADOS
LOS CAPACITORES SON DEACOPLE, PERMITIENDO EL
PASO DE LA SENAL DE RADIOFRECUENCIA
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Rectificadores - Rectificador Dickson
Asumiendo que todos los transistores son iguales, que la corriente de salida es constante y considerando a todos los capacitores de acople como cortocircuitos a la frecuencia de operación, es posible analizar el circuito de la siguiente manera.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS
DE LOS TRANSISTORES)
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Rectificadores - Rectificador Dickson
Podemos deducir que el voltaje de salida es:
Siendo Vd(par) la tensión de caída en los transistores verticales.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA ENÉSIMA CELDA (IGNORANDO CAPACIDADES PARÁSITAS
DE LOS TRANSISTORES)
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Rectificador Dickson
Se comprobó que el circuito simulado a 915Mhz no funciona de la manera esperada, por lo tanto, se hicieron variaciones en la frecuencia para encontrar el punto de operación óptimo. También se estudió el comportamiento del circuito sin las capacidades parásitas presentes para exponer el funcionamiento en condiciones ideales.
Simulaciones
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Rectificador DicksonCURVAS DE FUNCIONAMIENTO
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Rectificador DicksonCURVAS DE FUNCIONAMIENTO
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores - Rectificador Dickson
Mientras mayor es el área del transistor, mayor es la amplitud del voltaje de salida.
Mientras mayor sea el área del transistor, mayores serán las capacidades parásitas y peor será el rendimiento del circuito, el PCE empeorará.
Si las capacidades parasitas están presentes, se observa que la amplitud del voltaje de salida disminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo.
Un mayor número de etapas significara un incremento de voltaje a la salida.
Mientras mas etapas se tengan, peor será la eficiencia del rectificador. Por lo tanto la mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) se dará con el menor número de etapas.
Conclusiones
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406um
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Rectificadores - Rectificador Dickson Área aproximada =
0.1546mm2
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Rectificadores - Rectificador Dickson
Diámetro de un glóbulo rojo = 6 – 10um.Diámetro de un cabello humano = 40 – 50um.Largo de ácaros del polvo= 400um.
ESCALA MICROSCOPICA
RECTIFICADOR DICKSON
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3mm
VIAS Y CAPAS DE METALES DE
INTERCONEXIÓN
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Rectificadores - Rectificador Dickson
TecnologíaTSMC 0.35 μm
λ = 0.2 μm
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores – Rectificador Dickson
SALIDA DEL RECTIFICADOR DICKSON FUNCIONADO CON UNA SEÑAL DE ENTRADA DE
915MHZ CON
De la extracción del layout se obtuvieron 16 transistores NMOS conectados como diodos con la siguiente talla:Mxx x x x x Mbreakn L=583.2n W=32.25u AD=38.83p PD=54.9u AS=25.60p PS=36.6u
y 1024 capacitores como el siguiente:Cxx x 0 100.71918f
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microelectrónicaCUU C
Rectificadores – Rectificador Dickson
En términos de PCE un rectificador Dickson no sería la mejor elección.
El diseño requeriría el menor número de etapas posibles. Es necesario en aquellos casos en que la señal de entrada no sea lo
suficientemente grande como para utilizar un rectificador tipo puente.Limitado en la tensión de disparo:
La disminución de la frecuencia a 91.5Mhz podría ser el camino a elegir, pero cuando se realizo el diseño del layout del circuito, se encontraron capacidades menores.
CAMBIO DE TECNOLOGIA
DIODOS SCHOTTKY
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microelectrónicaCUU C
Conclusión
Este trabajo presenta una descripción general de un proyecto académico, en el cual convergen diferentes áreas de investigación tales como microelectrónica, microondas, electrónica analógica, electrónica física, etc.
Los objetivos planteados al inicio, fueron cumplidos. Para ello, distintas etapas fueron cubiertas, como la búsqueda de información, lectura de papers, cálculos, simulaciones y diseño de las mascaras para la posterior producción del chip.
Simulación a la frecuencia y tecnología de fabricación propuesta debido a las capacidades parasitas.
En una etapa posterior a este trabajo se procederá a la fabricación y medición del chip.
OBSTACULOS SUPERADOS
NEXT STEPS…
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microelectrónicaCUU C
Conclusión
Este trabajo presenta una descripción general de un proyecto académico, en el cual convergen diferentes áreas de investigación tales como microelectrónica, microondas, electrónica analógica, electrónica física, etc.
Los objetivos planteados al inicio, fueron cumplidos. Para ello, distintas etapas fueron cubiertas, como la búsqueda de información, lectura de papers, cálculos, simulaciones y diseño de las mascaras para la posterior producción del chip.
Simulación a la frecuencia y tecnología de fabricación propuesta debido a las capacidades parasitas.
En una etapa posterior a este trabajo se procederá a la fabricación y medición del chip.
OBSTACULOS SUPERADOS
NEXT STEPS…
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Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos
Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones
microelectrónicaCUU C
Agenda
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Titulo
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Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos
Rectificadores◦ Introducción◦ Puente Rectificador PMOS◦ Rectificador Dickson◦ Layout◦ Conclusiones
microelectrónicaCUU C
Agenda
![Page 44: Alejandro Paredes Pablo Toledo. RFID Motivación y objetivos Rectificadores Referencias Circuito completo Conclusión Preguntas](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070305/54cff09049795911798b4c98/html5/thumbnails/44.jpg)
microelectrónicaCUU C
Titulo
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◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones
Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos Rectificadores
Referencias
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Agenda
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Referencias - Introducción
TENSIÓN Ó CORRIENTE
ESTABILIDAD
SUBCIRCUITOS
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
TEMPERATURA
PROCESO DE FABRICACIÓN
RESULTADOS
PREDECIBLES
REPETIBLES
NO DEBE CAMBIAR SIGNIFICATIVAMENTE
RANGO DE OPERACION
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TENSIÓN Ó CORRIENTE
PTAT
CTAT
PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA
INVERAMENTE PROPORCIONAL A LA
TEMPERATURA
microelectrónicaCUU C
2012 nD THx GS
WI c V VL
0 0( ) ( ) ( )TH TH VTV T V T T T
00
mTT TT
CORRIENTE TRANSISTOR MOS
Referencias - Introducción
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microelectrónicaCUU C
Referencias - IntroducciónCORRIENTE INDEPENDIENTE DE LA FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
1 2GS GS out SV V I R
2
1
W LK
W L
0
2 DGS TH
n x
IV V
c W L
4 30 0
2 2out outTH TH out S
p x P xP P
I IV V I R
c W L c K W L
0
2 11out
out Sp x P
II R
c W L K
2
20
2 1 11out
n x SN
Ic W L R K
INDEPENDIENTE VDD
Los 3 circuitos responden a las mismas ecuaciones
Evita efecto body Evita efecto body
Evita aumento de área
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◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones
Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos Rectificadores
Referencias
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Primera Referencia
M s 2
M s 3
R 1
M 6 M 1 0 M 1 1
C 1
C 2
R 2
M 7
R 3
M 8 M 9M s 1
M 2 M 4
M 1 M 3
M 5
La tensión gate-source de un transistor MOS trabajando en la región sub-umbral, luego de ser polarizado con una corriente constante, es utilizada para compensar los efectos de la temperatura en la señal de salida de la referencia. Esta tensión, en esas condiciones, decrece con la temperatura de manera casi lineal.
Por otro lado, con alguno de los circuitos anteriormente explicados se obtiene una corriente PTAT. Luego a través de la suma de dos corrientes se logra una tensión de referencia independiente de la temperatura.
Parte 1: Circuito de arranque.Parte 2: Circuito polarizador, se genera una corriente PTAT independiente de
VDD.Parte 3: Núcleo de la referencia. La corriente que circula por la resistencia R2
depende del voltaje VGS de M9 (decrece con la temperatura). Los transistores M6, M7, M8 y M9 a través de una realimentación negativa mantienen a esa corriente
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Primera Referencia
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Primera Referencia
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Primera Referencia
VDickson VerdeV1raReferencia Rojo
Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la primera referencia.
Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Primera Referencia
Amarillo -50ºCRosa 50ºC Celeste 100ºC
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◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones
Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos Rectificadores
Referencias
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Segunda Referencia
R b
R 1 R 2
M s 1
M s 2
M s 3
M 3 M 4
M 7 M 8
M 1 M 2 M 5 M 6
Emplea fuentes de corriente PTAT que se utilizan para polarizar dos transistores NMOS conectados como diodo. Estos operan debajo de su punto ZTC, de tal manera que sus voltajes de drain tengan coeficientes de temperatura opuestos. Luego, en una resistencia que conecta ambos drains se puede encontrar un punto en donde el voltaje no varía con la temperatura.
Parte 1: Circuito de arranque.Parte 2: Circuito polarizador, se genera una corriente PTAT independiente de
VDD.Parte 3: Núcleo de la referencia. M7 y M8 se conectan en configuración diodo y
son polarizados debajo de su ZTC.
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Segunda Referencia
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Segunda Referencia
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microelectrónicaCUU C
VDickson RojoV2daReferencia Verde
Rectificador Dickson de 8 etapas interconectado con la segunda referencia.
Frecuencia de Simulación: 91,5 Mhz
Referencias – Segunda Referencia
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Segunda Referencia
Verde -50ºCRojo 50ºC Azul 100ºC
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◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones
Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos Rectificadores
Referencias
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C Área aproximada = 4711mm2
RB
R1
R2
M1
M3
M4 M2 M5
M7
M8
M6
MS1MS3
MS2
Referencias – Layout
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microelectrónicaCUU C
R b
R 1 R 2
M s 1
M s 2
M s 3
M 3 M 4
M 7 M 8
M 1 M 2 M 5 M 6
Referencias – Layout
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◦ Introducción◦ Primera Referencia◦ Segunda Referencia◦ Layout◦ Conclusiones
Circuito completo Conclusión Preguntas
RFID Motivación y objetivos Rectificadores
Referencias
microelectrónicaCUU C
Agenda
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microelectrónicaCUU C
Referencias – Conclusiones
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microelectrónicaCUU C
Se traduce como identificación por radiofrecuencia y se define como un “método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID”.
Tiene el desafío y la capacidad de reemplazar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto.
utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada.
el sistema está compuesto por tres partes:
una celda un tag programableun lector (con una antena) y
un host
diferentes tipos de tags: Tag activo:
tiene su propia batería para comunicarse con el lector
Se utiliza potencia de la batería para alimentar los circuitos internos del chip y para transmitirla señal al lector.señal de mucho más alcanceenviar datos cuando es necesario, independientemente de la interrogación del lectordistancias de hasta un kilómetro Generalmente tienen más memoria interna
Tag pasivo:no requiere de una
bateríaobtiene su potencia
de alimentación del campo electromagnético creado por la señal emitidapor el lector RFID.
Una vez que es interrogado por el lector un tag pasivo responde con información reducida o básica como su número identificatorio. son más pequeños y más económicos.
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microelectrónicaCUU C
RFID
IDENTIFICACION POR RADIOFRECUENCIA
REEMPLAZARA
CODIGO DE BARRA
TARJETA DE CONTACTO
SEÑAL DE RADIOFRECUENCIA
INFORMACION
ALIMENTACION DEL CIRCUITO
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Método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID
zar las tecnologías de identificación actuales, como son las de código de barras y tarjetas de contacto.
Utiliza una señal de radiofrecuencia para transmitir la información captada y almacenada.
microelectrónicaCUU C
¿Que es RFID?
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microelectrónicaCUU C
Titulo
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NombrePuesto
NombrePuesto
NombrePuesto
NombrePuesto
NombrePuesto
Quién es quién
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Destacar y revisar las políticas más importantes
Revisar el horario de la empresa Hablar sobre las expectativas de los
empleados Distribuir el manual de la empresa
Políticas de la empresa
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Seguro sanitario o dental
Días libres, días de baja o vacaciones
Seguro de incapacidad o vida
Pensión de jubilación
Oportunidades educativas o formativas
Otros incentivos
Incentivos
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Indicar el fin de las evaluaciones de rendimiento
Describir la frecuencia y la fecha de las evaluaciones
Esbozar el proceso de evaluación Distribuir los formularios de evaluación
Evaluaciones de rendimiento
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Manual de la empresa
Otros documentos corporativos
Nombre o teléfono de contacto de cada departamento
Otros recursos
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Señalar y explicar los formularios que exijan una atención inmediata
Establecer plazos para la entrega del papeleo por parte de los nuevos empleados
Papeleo obligatorio
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Debatir los temas tratados Repetir la bienvenida Recordar a los participantes que envíen el
papeleo Concluir la sesión de orientación
Resumen