Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

M§ch tách sóng ton chu k dựng còu trỳc
DTMOS trong hê thậng thu hoĐch nng lềng
cao tản
Nguyn Thựy Linh , Nguyn Vn Trung , Ki∑u Kh≠c Ph˜Ïng⇤ , và Nguyπn Huy Hồng⇤
⇤

§i hÂc k thut Lờ Qu ụn, H Nẻi, Viêt Nam
Email:

Túm tt nẻi dungBi bỏo xuòt viêc s dng còu
trỳc MOSFET iên ỏp ngễng ẻng (Dynamic Threshold
MOSFET) cho mĐch tỏch sóng tồn chu k˝ (Cross-coupled
Rectifier) CCR ∫ nâng cao hiªu suòt ca mĐch thu hoĐch
nng lềng cao tản (RF Energy Harvesting). Trong bài
báo, m§ch tách sóng tồn chu k˝ dùng còu trỳc DTMOS
v mĐch tỏch súng ton chu k dựng còu trỳc các thõn
nậi vểi các ngun BTMOS ềc thit k∏ trên cơng nghª
65 nm Silicon phı trên lĨp kim lo§i m‰ng (Silicon on Thin
Box). Hai m§ch tách sóng ˜Ịc o Đc kim nghiêm thác
t so sỏnh trác quan kt quÊ nhăm ỏnh giỏ hiêu nng
ca hai loĐi còu trỳc MOSFET trong mĐch tỏch súng cao
tản. Ngoi ra, hê thậng thu hoĐch nng lềng cao tản
cng ềc thit k thu hoĐch nng lềng ca tớn hiêu
di ẻng LTE bng tản 950 MHz thác t tn tĐi trong
mụi trèng khụng gian tá do. Kt quÊ o Đc cho thòy
mĐch thu hoĐch nng lềng dựng mĐch tỏch súng ton
chu k còu trỳc DTMOS cú th tĐo ra iên ỏp mẻt chiu
0.6V trong iu kiên mc tớn hiêu di ẻng LTE ảu vo
l -19 dBm.

KeywordsThu hoĐch nng lềng cao tản, mĐch tỏch
súng ton chu k, MOSFET iên ỏp ngễng ẻng DTMOS,
MOSFET có c¸c thân ˜Ịc nËi vĨi c¸c ngn BTMOS.

I.

GIŒI THIừU

Hiên nay, thu hoĐch nng lềng cao tản ang tr
thnh ch hòp dđn cho cỏc nh nghiờn cu trờn th∏
giĨi và trong n˜Ĩc. Kˇ thu™t thu ho§ch n´ng l˜Ịng cao
tản thác hiên thu hoĐch tớn hiêu cao tản trong mơi tr˜Ìng
và chuy∫n Íi n´ng l˜Ịng ó thành n´ng l˜Ịng tớn hiêu
mẻt chiu nhăm cung còp nng lềng cho cỏc mĐch iên
t lm viêc. Thụng qua viêc s dng k thut thu hoĐch
nng lềng cú th cho phộp hiên thác hóa các ˘ng dˆng
khơng s˚ dˆng pin (Battery-less) [1]. VĨi sá phỏt trin
ca khoa hc cụng nghê, c biêt l cụng nghê 5G hiên
nay, tớn hiêu cao tản ang ngy càng tr nên phÍ bi∏n
rỴng rãi trong mơi tr˜Ìng sËng nh tớn hiêu truyn hỡnh
sậ, tớn hiêu di ẻng, tớn hiªu Wifi. Các tín hiªu này tr
thành ngn n´ng l˜Ịng hu ớch cho cỏc mĐch thu hoĐch
nng lềng cao tản. Tuy nhiờn, mẻt nhềc im lển ca

ISBN: 978-604-80-5076-4

235

thu hoĐch nng lềng cao tản ú l mc tớn hiêu cao
tản trong mụi trèng ròt nh, thèng mc àW [2].

mc nng lềng ny, iên ỏp vo cao tản ca mĐch
tỏch súng thèng thòp hẽn iên ỏp ngễng (Threshold
Voltage) Vth ca phản t tớch các dựng tỏch súng.
Do vy, hiêu suòt ca mĐch tỏch súng thèng thòp dđn
n hiêu suòt ca ton bẻ mĐch thu hoĐch nng lềng
cao tản cng khụng cao.
tng hiêu suòt ca mĐch tỏch súng, mẻt sË các gi£i
pháp kˇ thu™t ã ˜Ịc ∑ xt nh˜ ỏp dng cỏc loĐi
cụng nghê ch tĐo khỏc nhau hoc xuòt loĐi vt liêu
mểi dựng cho mĐch tỏch súng [3], [4], [5]. Các gi£i
pháp phát tri∫n cßu trúc cıa mĐch tỏch súng cng ềc
xuòt nh mĐch tá iu chứnh iên ỏp ngễng (Vth
Cancellation) [6], còu trỳc chứnh lu ton súng dĐng vi
sai (Differential-drive) [7], [8], còu trỳc chứnh lu ton
súng dựng mĐch bự ph [9].
Viêc iu chứnh các thõn ca bỏn dđn hiêu ng trèng
(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)
MOSFET tng dũng các mỏng ca MOSFET l mẻt
k thut ròt ph bin. Trong ú, MOSFET cú iên ỏp
ngễng iu chứnh ẻng DTMOS l mẻt còu trỳc tiờu
biu. Trong còu trỳc DTMOS, các thõn ca bỏn dđn
ềc nậi vểi các cng, iu ny khỏc vểi còu trỳc
ca mẻt MOSFET thụng th˜Ìng khi mà c¸c thân ˜Ịc
nËi vĨi c¸c ngn BTMOS. [10], cỏc tỏc giÊ ó
chng minh răng trong phĐm vi iên ỏp vo nh, còu
trỳc DTMOS cho dũng iên c¸c máng lĨn hÏn so vĨi
BTMOS. Trong kˇ thu™t thu hoĐch nng lềng, còu trỳc
DTMOS cng ó ềc xuòt cho m§ch tách sóng ki∫u
MOSFET k∏t nËi d§ng i Ët [11], mĐch tá iu chứnh
iên ỏp ngễng [12], mĐch tỏch sóng tồn chu k˝ dùng

m§ch bù phˆ [13].
Trong các nghiên cu v ng dng còu trỳc DTMOS
cho mĐch tỏch súng, ch˜a có nghiên c˘u nào ∑ xt
áp dˆng cßu trúc DTMOS cho m§ch tách sóng tồn chu
k˝. M§ch tách sóng tồn chu k˝ trên n∑n cơng nghª
CMOS ã ˜Ịc áp dng trong mẻt sậ xuòt v còu
trỳc hê thậng thu ho§ch n´ng l˜Ịng d§ng phËi hỊp thi∏t
k∏ (Co-design) và em lĐi kt quÊ cao vềt trẻi so vểi


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

các cßu trúc hê thậng thu hoĐch nng lềng khỏc [14],
[15]. Trong bi báo này, các m§ch tách sóng tồn chu
k˝ ˘ng dˆng còu trỳc BTMOS v DTMOS ềc thit
k trờn cụng nghê 65nm SOTB CMOS. Cỏc mĐch tỏch
súng v hê thậng thu ho§ch n´ng l˜Ịng dùng các m§ch
tách sóng này ˜Ịc o §c trong phịng thí nghiªm và
o §c vĨi tín hiªu cao tản thác t trong mụi trèng
a ra kt quÊ trác quan v hiêu nng ca hai loĐi còu
trỳc MOSFET. Phản cũn lĐi ca bi bỏo ềc t chc
nh sau: Trong phản II, thit k mĐch tỏch súng ton
chu k ỏp dng còu trỳc DTMOS v BTMOS ềc giểi
thiêu. Các k∏t qu£ o §c cıa m§ch tách sóng vĨi mỏy
phỏt tớn hiêu chuân v tớn hiêu di ẻng LTE  b´ng t¶n
xng 950 MHz ˜Ịc trình bày trong ph¶n III. Phản IV
kt lun lĐi bi bỏo.
II.

Hỡnh 1. c tuyn ID-VGS cıa MOSFET dùng cßu trúc DTMOS và

BTMOS

MĐCH TÁCH SĨNG TON CHU K DNG
DTMOS V BTMOS

A. MĐch iên nguyờn l
Trong cụng nghê 65nm SOTB [16], cỏc các thõn
ca PMOS v NMOS có th∫ i∑u khi∫n ˜Ịc ∫ thay
Íi hiªu iªn áp gi˙a c¸c nguÁn và c¸c thân VSB cıa
MOSFET. Khi VSB ˜Ịc i∑u khi∫n thì iªn áp ng˜Ơng
cıa MOSFET cÙng ˜Ịc i∑u khi∫n theo ph˜Ïng trình
1 [17].
Vthn = Vthn0 + (

p
2|

F|

+ VSBn

p

2|

F |)

(1)

vĨi Vthn là iªn áp ng˜Ơng cıa NMOS. Vthn0 iªn áp

ng˜Ơng cıa NMOS khi VSB = 0. F là iªn áp d£i
phØng (flatband voltage). là hª sË phân ỏp các thõn.
T phẽng trỡnh 1, băng viêc nậi các thõn vểi các ca
còu trỳc DTMOS, khi iên ỏp VGS làm m NMOS thì
iªn áp ó cÙng làm gi£m giỏ tr iên ỏp ngễng ca
NMOS. Nhè vy, dũng các mỏng ảu ra ca DTMOS
s lển hẽn so vểi còu trúc BTMOS.
Hình 1 mơ ph‰ng ∞c tuy∏n mËi quan hª dũng iên các
mỏng ca NMOS dựng còu trỳc DTMOS v BTMOS
trên cơng nghª 65nm SOTB vĨi hiªu iªn áp VGS . Kt
quÊ mụ phng cho thòy dũng các mỏng ca MOSFET
dựng còu trỳc DTMOS lển hẽn dũng các mỏng ca còu
trỳc BTMOS.
MĐch iên nguyờn l ca mĐch tỏch súng ton chu k
3 tảng dựng còu trỳc BTMOS v DTMOS dựng cho
thi∏t k∏ ˜Ịc th∫ hiªn  hình 2. Thơng sË cıa MOSFET
trong c£ hai m§ch tách sóng là W/L = 1.5àm/0.06àm.
Hỡnh 3 th hiên hỡnh Ênh layout ca cỏc mĐch tách sóng
ã thi∏t k∏ trên chip 65nm SOTB.
B. Bo m§ch tách sóng k∏t hỊp vĨi m§ch phËi hỊp
Bo m§ch tách súng loĐi FR4 ềc th hiên trờn hỡnh
4. Trờn bo m§ch, chip tách sóng ˜Ịc nËi vĨi bo thơng
qua dây nậi băng vng giÊm Ênh hng k sinh. Bờn

ISBN: 978-604-80-5076-4

236

Hình 2. M§ch tách sóng tồn chu k˝: (a) dùng BTMOS, (b) dùng
DTMOS


Hình 3. Hình £nh chip d˜Ĩi kính hi∫n vi

c§nh ó, các m§ch phËi hỊp cho các m§ch tách sóng
cÙng ˜Ịc thi∏t k∏ ∫ £m b£o m§ch tách sóng ềc
phậi hềp vểi ngun 50 tĐi bng tản xuậng ca tớn
hiêu di ẻng LTE.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Hình 5 th∫ hiên kt quÊ o Đc hê sậ phÊn xĐ S11 ca

xòp xứ -12 dBm. Cựng cho mc iên ỏp ra 1V trên t£i
10 M ⌦, m§ch tách sóng tồn chu k dựng DTMOS chứ
cản mc tớn hiêu vo xòp xứ -13 dBm. So sỏnh vểi mi
loĐi tÊi, bẻ tỏch súng dựng còu trỳc DTMOS cho iên
ỏp ảu ra lển hẽn so vểi mĐch dựng BTMOS.
Tớn hiêu cao tản tn tĐi trong khụng gian tá do l cỏc

Hỡnh 4. Bo mĐch tách sóng k∏t hỊp cùng m§ch phËi hỊp

các m§ch tách súng. Trong phĐm vi bng tản (945 - 960)
MHz, S11 cıa c£ hai m§ch tách sóng ∑u nh‰ hÏn m˘c
-10 dB.
(a)

(a)

(b)

Hỡnh 6. o Đc iên ỏp ra ca mĐch tỏch súng vểi tớn hiêu vo hỡnh sin:
(a) MĐch tỏch súng dựng BTMOS, (b) MĐch tỏch súng dựng DTMOS

tớn hiêu cú i∑u ch∏, vì v™y, m§ch tách sóng cÙng ˜Ịc
o §c vĨi các tín hiªu i∑u ch∏ t¯ máy phát tín hiêu
chuân. Hỡnh 7 th hiên kt quÊ o Đc iên ỏp ra ca
cỏc mĐch tỏch súng vểi mẻt sậ loĐi tín hiªu i∑u ch∏
nh˜ QAM và BPSK. T¯ k∏t qu£ o Đc cho thòy, iên
ỏp ảu ra ca mĐch tỏch súng dựng còu trỳc DTMOS
cao hẽn mĐch tỏch súng dựng còu trỳc BTMOS vểi mi
loĐi tớn hiêu iu ch ềc o §c.

(b)
Hình 5. o §c S11 cıa các m§ch: (a) M§ch tách sóng dùng BTMOS,
(b) M§ch tách sóng dùng DTMOS

III.

KịT Q O ĐC

A. K∏t qu£ o trong phịng thí nghiªm
Hình 6 th hiên kt quÊ o Đc iên ỏp ra ca mĐch
tỏch súng vểi cỏc tÊi khỏc nhau khi còp tớn hiêu cao tản
ảu vo l tớn hiêu hỡnh sin. Hỡnh v cho thòy, vểi tớn
hiêu hỡnh sin, mĐch tỏch súng dựng còu trỳc BTMOS
cho ra iên ỏp 1V trờn t£i 10 M ⌦ khi m˘c tín hiªu vào

ISBN: 978-604-80-5076-4

237


B. Kt quÊ o Đc vểi tớn hiêu iên thoĐi di Ỵng LTE
950 MHz
Ti∏p theo, m§ch tách sóng ˜Ịc k∏t nËi vểi ng ten
chòn t na súng thu hoĐch nng lềng ca tớn hiêu
cao tản thác t trong mụi trèng. Hỡnh 8 th hiên hỡnh
Ênh ca quỏ trỡnh o Đc hê thậng thu hoĐch nng lềng
trong mụi trèng. Hê thậng thu hoĐch nng lềng ềc
t trong phũng lm viêc thu tớn hiêu cao tản trong
khụng gian. TĐi a im o Đc, tớn hiêu di ẻng LTE
bng tản xuậng (945-960) MHz cú mc tớn hiêu l lển
nhòt vỡ vy hê thậng thu hoĐch nng lềng ềc thit


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Hình 7. o §c iªn áp ra cıa m§ch tách sóng vĨi các loĐi tớn hiêu
iu ch

k thu hoĐch nng lềng ca tớn hiêu ny.
Cụng suòt ca tớn hiêu di ẻng LTE trong mụi trèng

Hỡnh 9. Cụng suòt ca tớn hiêu di Îng LTE b´ng 950 MHz t§i i∫m
o §c

150 giây n§p tˆ.
Hình 11 và hình 12 th∫ hiªn k∏t qu£ o §c iªn áp

Hình 10.


Hình 8.
t∏

o §c hª thËng thu ho§ch nng lềng trong mụi trèng thác

ềc o Đc v kt qu£ ˜Ịc th∫ hiªn trong hình 9. Theo
hình v≥, m˘c tớn hiêu di ẻng tn tĐi im o thay Íi
trong kho£ng (-22, -11) dBm t§i thÌi i∫m o §c. Mc
cụng suòt tớn hiêu di ẻng tớnh trung bỡnh theo thèi gian
o Đc l -18.6 dBm.
Trong o Đc ảu tiờn, hê thậng dựng thu hoĐch
tớn hiêu di ẻng nhăm nĐp nng lềng mẻt chiu lờn t
10àF . Kt quÊ ca quỏ trỡnh o Đc ềc th hiên trờn
hỡnh v 10. Theo ú, hê thậng thu hoĐch nng lềng
dựng mĐch tách sóng tồn chu k˝ vĨi cßu trúc DTMOS
và BTMOS u th hiên khÊ nng thu hoĐch tớn hiêu di
ẻng LTE. Bờn cĐnh ú, iên ỏp trờn t ca mĐch dùng
DTMOS §t 0.54V và m§ch dùng BTMOS là 0.34V sau

ISBN: 978-604-80-5076-4

238

o Đc iên ỏp ra trờn t

ảu ra v cụng suòt ảu ra ca cỏc hê thậng thu hoĐch
nng lềng trên t£i iªn tr 10M ⌦. iªn áp ra trung
bình ca hê thậng thu hoĐch nng lềng dựng mĐch tỏch
súng ton chu k vểi còu trỳc DTMOS khi thu hoĐch tớn
hiêu LTE l xòp xứ 0.6V. ậi vểi hê thậng dựng còu trỳc

BTMOS, giỏ tr iên ỏp ra trung bỡnh là 0.35V. Cơng
st ra trung bình theo thÌi gian o ca mĐch ỏp dng
còu trỳc DTMOS l 35.6 nW, trong khi giỏ tr ú ca
mĐch dựng còu trỳc BTMOS l 12 nW.

Hỡnh 11.

o Đc iên ỏp ra trờn tÊi 10 M ⌦


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Hình 12.

o §c cơng st ra trên t£i 10 M ⌦

B£ng I tÍng k∏t l§i các k∏t qu£ o §c các m§ch tách
sóng dùng cßu trúc BTMOS và DTMOS. T¯ các k∏t qu£
trên cho thòy mĐch tỏch súng ton chu k dựng còu trỳc
DTMOS cho ảu ra lển hẽn so vểi mĐch dựng còu trỳc
BTMOS.
BÊng I.
Vout
Vout
Vout

Pout

vểi tớn hiêu sin
vểi tớn hiêu iu ch
vểi tín hiªu LTE
vĨi tín hiªu LTE

[7]
[8]

BÉNG SO SÁNH
BTMOS
1V@-13dBm
0.9V @-15dBm
0.35V @-19 dBm
12nW @-19 dBm

DTMOS
1V@-12dBm
1.05V @-15dBm
0.6V @-19dBM
35.6nW @-19 dBm

[9]

[10]

IV.

KòT LUäN


Bài báo thi∏t k cỏc mĐch tỏch súng ton chu k
dựng còu trỳc DTMOS và BTMOS cho các MOSFET
trong m§ch ∫ so sánh ỏnh giỏ hiêu nng ca hai loĐi
còu trỳc ny khi áp dˆng cho m§ch tách sóng. Các m§ch
tách sóng ˜Ịc o Đc, kim nghiêm vểi mỏy phỏt tớn
hiêu chuân v vểi tớn hiêu cao tản thác t trong mụi
trèng. Kt quÊ o Đc cho thòy mĐch tỏch súng dựng
còu trỳc DTMOS tĐo ra iên ỏp v cụng suòt ảu ra
lển hẽn so vểi mĐch dựng còu trỳc BTMOS. Nh vy,
viêc ỏp dng còu trỳc DTMOS cho cỏc mĐch tỏch súng
tớn hiêu cao tản trờn cụng nghê CMOS cú th nõng cao
hiêu quÊ ca mĐch hẽn so vểi còu trỳc MOSFET thụng
thèng. Hê thậng thu hoĐch nng lềng dựng mĐch tỏch
súng ó thit k trờn còu trỳc DTMOS cho iên ỏp ra
0.6V khi thu hoĐch nng lềng ca tớn hiêu di Ỵng LTE
b´ng 950 MHz  m˘c -19dBm trong mơi tr˜Ìng.

X. Lu, P. Wang, D. Niyato,D. I. Kim, Z. Han, “Wireless
Networks with RF Energy Harvesting: A contemporary Survey,"
IEEE communication surveys and tutorials, Vol. 17, pp. 757789, 2015.

ISBN: 978-604-80-5076-4

[12]
[13]

[14]

[15]


[16]

TÀI LIõU
[1]

[11]

239

[17]

S. Kitazawa, H. Ban, K. Kobayashi, “Energy Harvesting from
Ambient RF Sources," IEEE IMWS IWPT, 39-42, 2012.
K. Ishibashi, J. Ida, L. T. Nguyen, R. Ishikawa, Y. Satoh, D.
M. Luong, “RF characteristics of rectifier devices for ambient
RF energy harvesting,", ISESD Conference, 2019
M. Awad, P. Benech, J. -M. Duchamp, “Design of Dickson Rectifier for RF energy harvesting in 28 nm FD-SOI technology,"
EUROSOI-ULIS, 2018
D. Cavalheiro, F. Moll, S. Vatchev, “Tunel FET device characteristics for RF energy harvesting passive rectifiers," IEEE
NEWCAS,2015
K. Kotani, T. Ito, “High efficiency CMOS rectifier circuit with
self-Vth-cancellation and power regulation functions for UHF
RFIDs," IEEE Asian Solid-state Circuit Conference, pp. 119122, 2007.
K. Kotani, T. Ito, “High efficiency Differential-Drive CMOS
Rectifier for UHF RFIDs," IEEE Journal of Solid-State Circuits,
Vol. 44, pp. 3011-3018, 2009.
P. T. Theilmann, C. D. Presti, D. J. Kelly, P. M. Asbeck, “A
µW Complementary Bridge Rectifier With Near Zero Turn-on
Voltage in SOS CMOS for Wireless Power Supplies," IEEE

Transaction on Circuit and Systems, Vol. 59, pp. 2111-2124,
2012.
P. Kamalinejad, K. Keikhosravy, S. Mirabbasi, V. C. M. Leung,
“An Efficiency Enhancement Technique for CMOS Rectifier
with Low Start-Up Voltage for UHF RFID Tags," IEEE International Green Computing Conference Proceedings, pp.1-6,
2013.
F. Assaderaghi, D. Sinitsky, S. Parke, J. Bokor, P. K. Ko, C. Hu,
“A dynamic threshold voltage MOSFET (DTMOS) for very low
voltage operation," IEEE Electron Device Letters, Vol. 15, pp.
510-512, 1994.
S. Chouhan, K. Halonen, “The design and Implementation of
DTMOS biased all PMOS rectifier for RF energy harvesting,"
IEEE International New Circuits and Systems Conference, pp.
444-447, 2014.
S. Chouhan, K. Halonen, “The DTMOS based UHF RF to
DC conversion," IEEE International Conference on Electronics,
Circuits, and Systems, pp. 629-632, 2013.
N. T. Linh, Y. Sato, K. Ishibashi, “A 2.77 µW Ambient RF
Energy Harvesting using DTMOS Cross-Coupled Rectifier on
65 nm SOTB and Wide Bandwidth System Design," MDPI
Electronics, Vol. 8(10), 1173, 2019
M. Stoopman, S. Keyrouz, H. J. Visser, K. Phillips, W. A.
Serdijn, “Co-Design of a CMOS Rectifier and Small Loop
Antenna for Highly Sensitive RF Energy Harvesters," IEEE
Journal of Solid-State Circuits, Vol. 49, pp.622-634, 2014.
K. R. Sadagopan, J. Kang, Y. Ramandass, A. Natarajan, “A
960pW Co-Integrated-Antenna Wireless Energy Harvester for
Wifi Backchannel Wireless Powering," ISSCC 2018, pp. 136137, 2018.
Y. Yamamoto, et. al., “Ultralow-Voltage operation of Siliconon-Thin-Box (SOTB) 2 Mbit SRAM down to 0.37 V Ultilizing
Adaptive back bias”, VLSI Technology Symposium, pp. T212213, June 2013.

J. P. Uyemura, “CMOS logic circuit design", Kluwer Academic
publishers, 3rd, 2002.