Contributions on the automatic tuning of LC networks using on-chip circuits

Abstract

Os sistemas de identificação por radiofrequência (RFID) têm sido usados em diversas aplicações incluindo localização de objetos, logística e localização. Além disso, eles têm sido considerados uma tecnologia facilitadora para a internet das coisas (IoT). Tanto o leitor quanto a tag de um sistema de RFID usam circuitos ressonantes que habilitam a comunicação entre eles. Entretanto, uma dessintonização entre esses circuitos ressonantes podem reduzir a distância de leitura ou até levar ao descarte da tag. Então, para resolver esse problema nós propomos novos sistemas de sintonia de redes LC que podem ser integradas em um chip RFID para sintonizar a tag automaticamente. É possível sintonizar uma rede LC usando uma técnica de aumento do fator de qualidade como núcleo do sistema analógico de sintonia. Nesse sentido, um sintonizador de redes LC baseado em resistências negativas é descrito na tese. Um outro sintonizador basado em uma amostra da corrente de curto circuito do limitador de RF também é mostrado nessa tese. Pode-se dizer que os dois sintonizadores apresentados são complementares já que um sintoniza a rede LC baseado em tensão e o outro em corrente. Também é possível sintonizar circuitos ressoantes quando sua resposta ao degrau é analisada. Dessa forma, nós propomos outro sistema que afere o Q do circuito ressonante e o quão sintonizado com o sinal de entrada esse circuito está. Os sistemas propostos na tese são projetados usando processos CMOS com comprimento de canal de 130 nm e cada um deles ocupa uma área menor que 0.035 mm2. Isso faz com que os protótipos apresentados sejam possíveis de serem integrados em um chip de RFID. Ao longo da tese são apresentados dois sintonizadores operando em 125 kHz e um extrator de parâmetros de redes LC operando em 900 MHz.

Abstract : Radio-frequency identification (RFID) has been successfully used in many applications including object identification, logistics, localization and it has also been considered as an enabling technology for the Internet of things. Both the reader and the tag of the RFID system have a resonating network that enables data and energy communication. However, a mistuning of these resonating networks can either reduce reading range or lead to a disposal of the tag. Hence, to solve this problem we propose novel LC tuning systems that can be integrated on an RFID chip to automatically tune the tag. It is possible to automatically tune LC networks using a Q-enhanced technique as the core of the analog tuning system. In this regard, one LC tuner based on negative resistances is described in the thesis. Moreover, it is possible to tune an LC network using a sample of the RF limiter current, that are present in RFID tags. It is possible to say that these tuners complement each other in the sense that the former system tunes its resonating network based on voltages, while the latter tunes its LC network based on currents. It is also feasible to tune resonating circuits when their step response are analyzed. So we propose in this thesis another circuit that can measure the Q of its resonating network and also how close it is from the resonating frequency. This system digitally reports these parameters and it can also be used used in filters. The systems are designed using a 130-nm CMOS process and they occupy an area smaller than 0.035 mm2, making the presented prototypes suitable for integration on an RFID chip. This thesis contains the two tuners that operate at 125 kHz and the LC parameter extractor operates at 900 MHz.