Design of a low power and low voltage time to digital converter for passive RFID sensor tags

Resumen

La identificación por radiofrecuencia (RFID) es una tecnología de comunicación inalámbrica que permite identificar de forma única elementos etiquetados. Hoy en día, su uso está muy extendido en diversos campos de la industria debido al bajo consumo y bajo coste que requieren las comunicaciones con esta tecnología. El reciente desarrollo de sensores miniaturizados y de bajo consumo ha permitido la combinación de la tecnología RFID con la sensórica, resultando en nuevos sensores inalámbricos sin batería. Estos sensores RFID inalámbricos proporcionan la magnitud a medir junto con la identificación. Ésta combinación es de gran importancia debido a que añade valor a aplicaciones previamente existentes y permite la creación de nuevas aplicaciones. Muchas de estas aplicaciones requieren largos rangos de medida. El rango de medida depende de la corriente disponible y de la tensión de alimentación, por lo que para conseguir mayores rangos es necesario minimizar el consumo de potencia de los bloques que componen el sensor y desarrollar nuevas arquitecturas de sistema. Uno de los bloques que deben ser optimizados es el módulo sensor. Este módulo permite adquirir la magnitud física que se desea medir y convertirla a código digital. Los módulos sensores convencionales constan de un transductor que convierte la magnitud analógica que se desea medir en una tensión o una corriente y un convertidor analógico/digital. Estas arquitecturas presentan un alto consumo de potencia y son sensibles al ruido a medida que se reduce la tecnología de fabricación. Los convertidores de tiempo a digital (TDC) se están proponiendo como alternativa para digitalizar la magnitud física que se desea medir. Estos convertidores explotan los beneficios de las conversiones en el dominio temporal y permiten reducir la tensión de alimentación y el consumo de potencia mientras se mantienen la resolución y la eficiencia de conversión. Por ello, las arquitecturas basadas en conversión de tiempo a digital parecen una buena alternativa para aplicaciones basadas en sensores RFID. Éste trabajo de investigación se centra en el diseño de un convertidor de bajo consumo de potencia y baja tensión de alimentación para su uso en sensores RFID pasivos. Con este objetivo se proponen y evalúan tres arquitecturas (el Pipeline Successive Approximation (PSA) TDC, el Recursive Successive Approximation (RSA) TDC y el nonius TDC) para el mismo caso de estudio: un sensor de temperatura UHF RFID pasivo para monitorización de temperatura corporal para aplicaciones biomédicas. Como resultado de éste análisis se ha determinado que el nonius TDC es la arquitectura que mejores características presenta para esta aplicación. Ésta misma arquitectura se ha adaptado y optimizado para su aplicación como parte de un sensor de presión UHF RFID pasivo. El nonius TDC propuesto se ha diseñado, simulado, fabricado y medido para poder validar la viabilidad de su uso como parte del sensor de presión UHF RFID pasivo. El nonius TDC presenta un bajo consumo de potencia y requiere de una baja tensión de alimentación mientras cuenta con una resolución de más de 8 bit, quedando por lo tanto validada la arquitectura como una buena solución para sensores de presión UHF RFID pasivos que utilizan el transductor de presión comercial SCB10H-B012. A pesar de las buenas características que se obtienen con éste nonius TDC, se propone un segundo diseño de TDC que completa la arquitectura inicial y mejora su funcionamiento. El nonius TDC rediseñado ofrece una mayor estabilidad con la variación de tensión de alimentación y permite reducir el área y el consumo para la misma resolución. Finalmente, se ha diseñado un convertidor de capacidad a digital (C2D) basado en el nonius TDC previamente propuesto. El C2D presenta un bajo consumo y una baja tensión de alimentación, por lo que resulta una solución válida como parte de un sensor de presión UHF RFID pasivo.