چکیده
کاهش هزینه طراحی مدار و جلوگیری از حاشیه اضافه طراحی، دو چالش برای پیشبرد «اینترنت اشیاء» (IoT) می باشد. یک یکسوساز RF-DC و خازن های ذخیره انرژی، حداقل 25% از مساحت تراشه را در کاربردهای IoT تامین برق شده با استخراج توان حساس به هزینه، می گیرند. در این مقاله، یک ساختار مداری جدید به نام منطق «فقط RF» مورد بررسی قرار می دهیم که به مدارات منطقی اجازه می دهد مستقیماً با یک منبع RF یکسوسازی شده کار کنند. با برطرف شدن نیاز به یکسوساز RF-DC و خازن های ذخیره انرژی، منطق فقط RF به کاهش هزینه و پیچیدگی طراحی برای کاربردهای تامین برق شده با استخراج برق، کمک می کند. در این مقاله، ساختار و روش کار منطق «فقط RF» ارائه می شود و سپس، عملکرد، مصرف توان و استواری (پارامتری) آن از طریق شبیه سازی تحلیل می شوند و با نتایج تجربی اعتباریابی می شوند. یک کتابخانه استاندارد سلول، برای منطق «فقط RF» طراحی شد و یک الگوریتم برای بیشتر بهبود دادن بازده مساحت، پیاده سازی شد. یک اسیلاتور حلقه ای و دو تضریب کننده 4×4 در CMOS 13/0 میکرومتری به عنوان ساختارهای آزمون، ساخته شدند. عملکرد اسیلاتور حلقه ای با یک ولتاژ تغذیه RF تا مقدار پایین 100 mVrms
در فرکانس 1 GHz
، اندازه گیری شد. ضرایب، بهبود عملکرد و بالاسری مساحت کلی 16% را با پیاده سازی الگوریتم تقسیم ترانزیستور منبع تغذیه، نشان دادند.
توان RF وارد شده به دستگاه، با استفاده از یک یکسوساز، به یک ولتآژ dc تبدیل می شود. خازن های «بر تراشه»، انرژی استخراج شده را به صورت یک مخزن ذخیره می کنند و نوسانات سطح توان را در حین بهره برداری کاهش می دهند. ترانزیستورهای یک یکسوساز معمولاً برای کاهش تلفات توان مقاومتی بزرگ هستند [1، 2، 3]. حداقل مقدار ظرفیت خازنی ذخیره کننده انرژی، بوسیله حداکثر تغییرات ولتاژ منبع تغذیه مجاز و بودجه انرژی برای عملیات های دارای سیکل وظیفه، تعریف می شود. این ملاحظات طراحی معمولاً باعث بدست آمدن یک خازن ذخیره انرژی «بر تراشه» حداقل در دامنه صدها pF، می شود که این امر میزان قابل توجهی از مساحت تراشه را در فنآوری CMOS می گیرد [4، 5]. بنابراین، راهکار تامین توان بوسیله یکسوساز برای مدارات بی سیم پسیو، مساحت قابل توجهی از تراشه را می گیرد. با بررسی طرح های تراشه ای آنها، دریافته می شود که این کارکردها حداقل 25% از مساحت تراشه را اشغال می کنند [6، 7، 8، 9].
بنابراین، مفید ساختن سیگنال RF دریافتی بدون نیاز به انجام یک تبدیل توان «RF به DC»، مطلوب می باشد. اگر یکسوساز RF-DC و خازن های ذخیره انرژی را بتوان حذف کرد و در عین حال عملکرد مقاوم معقول حفظ شود، پیچیدگی طراحی و هزینه ادوات بیسیم پسیو، کاهش می یابد.
در کارهای انجام شده، روش های مختلف تامین برق مستقیم مدار منطقی با سیگنال های ac ، پیشنهاد و نشان داده شده اند. این کارها، همگی کاهش مصرف توان مدار یا کاهش مساحت مدار را هدفگذاری کرده بودند. در ابتدا، منطق آدیاباتیک برای دستیابی به اتلاف توان نزدیک به صفر با تضمین اینکه پتانسیل دو سر ادوات کلیدزنی نزدیک به صفر نگه داشته شده است، پیشنهاد شد. بنابراین، تقریباً هیچ انرژی ای به صورت حرارت برروی کلید اتلاف نمی شود و در عین حال انرژی ذخیره شده برروی خازن بازیافت می شود [10، 11]. این روش، عمدتاً مصرف توان را با مساحت مدار معامله می کند (یعنی مساحت مدار فدای مصرف توان می شود). هه و مین [12]، همه بلوک های سازنده دیجیتال یک تگ «شناسه فرکانس رادیویی» (RFID) فرکانس پایین (LF) را با منطق آدیاباتیک پیاده سازی کردند، و در عین حال، منبع تغذیه dc مبتنی بر یکسوساز را برای بلوک های آنالوگ باقیمانده، حفظ کردند. ماک و چان [13]، یک تگ RFID فرکانس بالا (HF) را پیشنهاد کردند که بطور کامل با منطق آدیاباتیک پیاده سازی شد تا مساحت تراشه و مصرف توان، با مستقیماً تامین برق منطق ها با حامل RF، کاهش یابد. بالاسری (مازاد) مساحت ذاتی منطق آدیاباتیک، صرفه جویی مساحت بالقوه بدست آمده با حذف یکسوساز در هر دو کار ذکر شده در بالا را جبران می کند. ونک [14]، پیشنهاد دادند که مدارات منطقی CMOS متداول را با استفاده از سیگنال ac یکسوسازی شده تمام موج بدون خازن ذخیره انرژی، را تامین برق کنند، و در عین حال فرکانس آن باید در مرتبه بزرگی کمتر از نرخ داده پشتیبانی شده باشد. برای هر سیکل ac، مدار بار باید روشن شود، محاسبات انجام شود و سپس خاموش شود. علاوه بر آن، سلول های حافظه دینامیک برای حفظ وضعیت بین سیکل های منبع تغذیه پیاده سازی شدند. مساحت تراشه قابل توجهی به شناسایی سطح توان و حافظه بازیابی داده ها اختصاص داده شد. بریول [15] یک مدار منطقی تامین توان شده AC فاز مضاعف را پیشنهاد و پیاده سازی کرد. هر گیت منطقی از دو گیت CMOS متداول مشابه تشکیل شده که بوسیله سیگنال های AC فاز مخالف، تامین برق می شوند.