Análisis de sistemas de recolección de radio-frecuencia ambiental en tecnología CMOS

Abstract

En las últimas décadas, la recolección de energía a partir de señales de radiofrecuencia se ha consolidado como una alternativa viable para la alimentación de sistemas electrónicos de ultra bajo consumo, tales como nodos de sensores inalámbricos y dispositivos autónomos. En este contexto, los rectificadores CMOS de alta eficiencia juegan un rol fundamental en la conversión de la energía electromagnética incidente en energía eléctrica utilizable, especialmente bajo condiciones de baja densidad de potencia disponible. En esta memoria se analiza el funcionamiento del transistor MOSFET en las regiones de operación relevantes para la rectificación RF, incluyendo la conducción directa, la operación en subumbral y la conducción inversa. Se estudian los efectos de modulación de longitud de canal, las capacitancias dependientes de tensión y los fenómenos dinámicos no cuasi–estáticos, los cuales influyen directamente en la corriente entregada por el rectificador y en su eficiencia de conversión. Sobre esta base, se desarrolla un modelo analítico del rectificador diferencial tipo CrossCoupled Differential Drive (CCDD), capaz de describir la evolución temporal del voltaje y la corriente de salida bajo excitación RF sinusoidal. El modelo incorpora explícitamente los efectos capacitivos y los mecanismos de bombeo de carga, permitiendo explicar la acumulación progresiva de tensión en el nodo de salida y su dependencia con la amplitud de la señal de entrada. Finalmente, se evalúa el desempeño del rectificador frente a variaciones de parámetros tecnológicos y de diseño, considerando métricas como el voltaje de salida DC, la eficiencia de conversión de potencia (PCE). Los resultados obtenidos permiten identificar los principales compromisos de diseño y establecer criterios físicos claros para la optimización de rectificadores CMOS destinados a sistemas RF-EH de baja potencia. In recent decades, energy harvesting from radio-frequency signals has emerged as a viable alternative for powering ultra-low-power electronic systems, such as wireless sensor nodes and autonomous devices. In this context, high-efficiency CMOS rectifiers play a fundamental role in converting incident electromagnetic energy into usable electrical energy, particularly under conditions of low available power density. This thesis analyzes the operation of the MOSFET transistor in the regions relevant to RF rectification, including forward conduction, subthreshold operation, and reverse conduction. The effects of channel length modulation, voltage-dependent capacitances, and non–quasi–static dynamic phenomena are studied, as they directly influence the current delivered by the rectifier and its power conversion efficiency. Based on this analysis, an analytical model of the Cross-Coupled Differential Drive (CCDD) rectifier is developed, capable of describing the temporal evolution of the output voltage and current under sinusoidal RF excitation. The model explicitly incorporates capacitive effects and charge pumping mechanisms, enabling the explanation of the progressive voltage build-up at the output node and its dependence on the input signal amplitude. Finally, the rectifier performance is evaluated under variations of technological and design parameters, considering metrics such as the DC output voltage and the power conversion efficiency (PCE). The obtained results allow the identification of the main design tradeoffs and the establishment of clear physical criteria for the optimization of CMOS rectifiers intended for low-power RF-EH systems.