李勃，毛陸虹，張世林，謝生，戰(zhàn)金雷(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

集成于無源UHF RFID標(biāo)簽的寬溫測(cè)范圍CMOS溫度傳感器*

李勃，毛陸虹*，張世林，謝生，戰(zhàn)金雷
(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

針對(duì)無源UHF RFID標(biāo)簽溫度測(cè)量范圍小、功耗等問題，本文提出了一種集成于無源UHF RFID標(biāo)簽的寬溫測(cè)范圍CMOS溫度傳感器。本文設(shè)計(jì)采用UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種新溫度脈沖轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨溫度變化的脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了寬溫度測(cè)量。仿真結(jié)果表明:當(dāng)溫度范圍在-75℃～125℃時(shí)，溫度脈沖寬度變化近220μs，標(biāo)簽芯片供電電壓為1.5V時(shí)，室溫時(shí)新增的溫度傳感器模塊功耗僅為200 nW，溫度傳感器精度為0.45℃/LSB。測(cè)試結(jié)果:在-5℃～45℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，溫度傳感器精度為0.48℃/LSB，其中在室溫25℃左右振蕩器頻率2.087 MHz，脈沖寬度大約110 μs，異步計(jì)數(shù)器顯示為011011000。

無源RFID;溫度傳感器;寬溫測(cè)范圍;新型溫度補(bǔ)償性振蕩器

射頻識(shí)別(RFID)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無源超高頻自動(dòng)識(shí)別由于工作距離遠(yuǎn)、成本低、識(shí)別速度快等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為RFID技術(shù)領(lǐng)域探究的重點(diǎn)。近年來，RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)的結(jié)合已成為研究的熱點(diǎn)［1］。冷鏈物流的興起更是為內(nèi)嵌溫度傳感器的RFID標(biāo)簽發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。

傳統(tǒng)意義上的集成于無源RFID標(biāo)簽芯片的溫度傳感器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能獲得非常高的精度、具有較寬的測(cè)量范圍，不足是功耗非常大，往往達(dá)到數(shù)mw甚至更高，因而ADC傳感器結(jié)構(gòu)顯然不適用于無源RFID標(biāo)簽芯片中［2-3］。而采用較TDC(Time-to-Digital Converter)結(jié)構(gòu)的溫度傳感器:利用反相器延時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)，再通過延時(shí)鏈結(jié)構(gòu)將溫度信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出，這種方法產(chǎn)生的溫度脈沖包含信息較少，反相器延時(shí)單元溫度特性不好，延時(shí)隨溫度變化不明顯，同樣不適用于無源RFID標(biāo)簽芯片中寬溫度的溫度傳感器的測(cè)量［4］。

本文基于標(biāo)簽傳感器的溫測(cè)范圍受限以及功耗特點(diǎn)，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)，通過利用電壓反饋網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生更寬的脈沖寬度，整個(gè)溫度傳感器溫度測(cè)量范圍高達(dá):-75℃～125℃，同時(shí)分辨率達(dá)到0. 45℃/LSB，版圖面積為900μm×650μm。

1 溫度傳感器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊、內(nèi)嵌低功耗新型溫度補(bǔ)償性振蕩器以及9 bit計(jì)數(shù)單元組成［4］。在系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先通過偏置電路分別產(chǎn)生與溫度成正比的PTAT電流和與溫度成反比的CTAT電流信號(hào)，經(jīng)過溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊采集溫度信息，把溫度信息轉(zhuǎn)化成與脈沖寬度有關(guān)的脈沖信號(hào)，同時(shí)利用偏置電路提供的基準(zhǔn)電壓和偏置電流來通過內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的2 M時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度脈沖采樣計(jì)數(shù);計(jì)數(shù)開始時(shí)，由數(shù)字端發(fā)出RST復(fù)位信號(hào)清空9 bit異步計(jì)數(shù)器，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊輸出含有溫度信息的脈沖至計(jì)數(shù)器，同時(shí)利用2 M clk時(shí)鐘信號(hào)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。

圖1 內(nèi)嵌溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)及電路實(shí)現(xiàn)

2.1 溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊

溫度脈沖轉(zhuǎn)換電路(Voltage to Pulse Generator)要求電路對(duì)溫度信息進(jìn)行采集以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的功能，但是僅僅對(duì)于PTAT電流或者CTAT電流來說，他們各自所蘊(yùn)含的溫度信息較少，不能在較寬的溫度范圍內(nèi)采集溫度信息。本文基于PTAT和CTAT電流隨溫度具有相反的變化特性原理，通過復(fù)用帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的PTAT電流和CTAT電流，提出一種新型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)獲得更大的溫度測(cè)量范圍(-75℃～125℃)和較低的功耗，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Pulse脈沖產(chǎn)生電路

文獻(xiàn)［5］利用對(duì)電容的充電來實(shí)現(xiàn)足夠時(shí)間的延遲，來使RFID中穩(wěn)壓器和振蕩器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本文對(duì)電路稍加調(diào)整，引入了PTAT和CTAT電流來實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的時(shí)間延遲，此結(jié)構(gòu)相對(duì)于反相器有更好的延遲作用。當(dāng)有電流PTAT和CTAT電流存在時(shí)，隨著時(shí)間的增加，在A節(jié)點(diǎn)處足夠的電荷已經(jīng)建立，在節(jié)點(diǎn)B的電壓一開始上升，提供必要的電壓到輸出鎖，從而引起節(jié)點(diǎn)C電壓降低，這個(gè)B端與C端相“或”產(chǎn)生足夠的延時(shí)，然后通過對(duì)PTAT脈沖和CTAT脈沖取“異或”來產(chǎn)生足夠的脈沖寬度。

2.2 新型溫度補(bǔ)償性振蕩器

本文提出了一種新型溫度補(bǔ)償性振蕩器，具有更穩(wěn)定的輸出頻率和更低的電壓以及功耗，同時(shí)因設(shè)計(jì)要求振蕩器產(chǎn)生的電壓對(duì)較寬的溫度變化不敏感，對(duì)于振蕩器整體電路的分析，僅僅對(duì)于比較器各個(gè)支路電流對(duì)溫度變化比較敏感，電流隨溫度的升高而升高?；诖朔治觯驹O(shè)計(jì)提出用加入CTAT尾電流源的方法來彌補(bǔ)溫度的變化［6］，能夠在較寬溫度范圍(-75℃～125℃)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出功率和更低的功耗，而且振蕩器是整個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路的核心模塊，其設(shè)計(jì)將直接影響到整個(gè)標(biāo)簽的性能。因?yàn)樾酒罱K的輸出頻率必然會(huì)因電阻和電容隨工藝過程以及電路結(jié)構(gòu)中的寄生效應(yīng)和信號(hào)延遲而與理想值有一定的偏差，，所以加入頻率調(diào)節(jié)電容實(shí)現(xiàn)振蕩器的頻率能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)諧，電路圖如圖3所示。

電路設(shè)計(jì)原理如下:

(1)電源上電后觸發(fā)器處于～Q=0的狀態(tài)，同時(shí)Q=1，則M1管導(dǎo)通，M2截止，M4導(dǎo)通，M3截止，所以電流I_ref經(jīng)M1對(duì)電容C1充電，C1上的電壓V_C1隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸升高;C4經(jīng)M4對(duì)地放電，迅速到低電平［7］。

(2)當(dāng)V_C1升至比較器的參考電壓V_ref時(shí)，比較器輸出端S由低翻轉(zhuǎn)為高，觸發(fā)器狀態(tài)也立即翻轉(zhuǎn)為Q=0，因?yàn)镽的初始狀態(tài)為0(V_C1＜V_ ref)，所以R與Q相“或”后輸出高電平，即～Q=1，因此M3導(dǎo)通，M4截止，M2導(dǎo)通，M1截止，I_ref對(duì)C4充電，V_C4逐漸上升，C1經(jīng)M2對(duì)地放電，迅速到低電平。

(3)當(dāng)V_C4上升到V_ref時(shí)，輸出端R由低電平翻轉(zhuǎn)為高，所以～Q=0，同時(shí)Q=1，觸發(fā)器又回到了上述第1個(gè)狀態(tài)，重新對(duì)C1充電，C4放電。如此周而復(fù)始，在Q(或～Q端)就得到了振蕩信號(hào)，再通過反相器整形，便得到了矩形輸出脈沖。

電流源I_ref對(duì)電容C1、C4充電［6］，振蕩頻率為

圖3 新型溫度補(bǔ)償性RC振蕩器

2.3 偏置電路

本設(shè)計(jì)采用電流復(fù)用技術(shù)，通過將PTAT電流和CTAT電流進(jìn)行不同比例的加權(quán)相加來得到一個(gè)與溫度無關(guān)的電流，然后將此電流加在電阻上產(chǎn)生一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。溫度傳感器中偏置電路其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 偏置電路

目前針對(duì)基準(zhǔn)電壓源的低功耗技術(shù)研究集中在以下幾點(diǎn):(1)利用反饋技術(shù)設(shè)計(jì)無運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)源;(2)基于低閾值或多閾值器件，通過降低電源電壓來實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì);(3)采用亞閾值技術(shù)，亞閾值MOS管具有較小的電流，從而可以降低晶體管對(duì)功耗的需求。其中，采用亞閾值技術(shù)是比較易于實(shí)現(xiàn)且效果較好的一種方式［8］。

記MOS的柵源電壓為VGS，閾值電壓為VTH，漏源電壓為VDS，漏源電流為IDS。如下公式給出了亞閾值區(qū)MOS管的IDS-VGS關(guān)系。

其中ID為漏源電流，W/L為MOS的寬長比，n為斜率因子。ID0為與工藝、VSB及VT相關(guān)的參數(shù)。亞閾值區(qū)MOS管的電流通常較小，這是將亞閾值MOS管用于低功耗設(shè)計(jì)的一個(gè)最關(guān)鍵的原因。

在前面的推導(dǎo)中，已經(jīng)得出亞閾值MOS管的柵源電壓VGS與其漏源電流ID的關(guān)系用如下公式表示:

則M6、M7的柵源電壓的差值可以寫成如下形式:

如果將亞閾值MOS管上的柵源電壓VGS強(qiáng)加至理想電阻，那么流過電阻的電流具有正溫度系數(shù)。流過電阻R1的電流為:

MOS管PTAT電流產(chǎn)生電路中，因M4和M5需處于亞閾值區(qū)，一般可將其電流設(shè)置為100 nA左右，也即M4和M5所在支路消耗的總電流約為200 nA。

在半導(dǎo)體工藝中，pn結(jié)二極管的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，在常用的CMOS工藝中通常使用寄生三極管的基極-發(fā)射極間的電壓來實(shí)現(xiàn)［9］。

若要產(chǎn)生于溫度無關(guān)的電流只需滿足下式。

3 仿真結(jié)果與分析

采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝對(duì)整個(gè)溫度傳感器模塊進(jìn)行仿真。對(duì)溫度脈沖轉(zhuǎn)化電路進(jìn)行仿真，通過調(diào)節(jié)電容的尺寸，產(chǎn)生了脈沖寬度變化高達(dá)220μs的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了寬溫測(cè)范圍的要求，并且功耗僅200 nW。滿足低功耗要求，如圖5所示為-75℃的脈沖寬度，如圖6所示為125℃的脈沖寬度。

圖5 -75℃的溫度脈沖曲線

圖6 125℃的溫度脈沖曲線

考慮到最終要獲得的是隨脈沖寬度隨溫度增加而增加的脈沖信號(hào)，并結(jié)合溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的參數(shù)最終選用-75℃～125℃的該電流信號(hào)。

標(biāo)簽內(nèi)部振蕩器頻率的溫度特性曲線如圖7所示，可以看出-75℃～125℃［10-11］變化時(shí)，振蕩器頻率為1.92～2.03，相對(duì)與2 MHz的中心頻率，偏差為0.1 MHz，僅變化0.5%，可見振蕩器具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖7 振蕩器頻率的溫度特性曲線

最后我們對(duì)新增的溫度傳感器系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真，如圖8所示為25℃時(shí)，計(jì)數(shù)器的各位輸出結(jié)果，可見25℃時(shí)計(jì)數(shù)器的9 bit Q8～Q0輸出為011011111，化為十進(jìn)制為223。

最終得到-75℃～125℃之間不同溫度下脈沖寬度和計(jì)數(shù)器結(jié)果如表1所示。

圖8 25℃時(shí)溫度脈沖和計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果

表1 -75℃～125℃之間不同溫度下脈沖信號(hào)寬度和計(jì)數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

設(shè)偏置電流I_bias=I(T)(T為溫度)，脈沖寬度為t，電容為C，閾值電壓為V［12］。則有

若電流隨溫度變化成線性關(guān)系，那么脈沖寬度會(huì)與溫度變化成反比例關(guān)系，也就是計(jì)數(shù)器的變化與溫度是一個(gè)反比例的關(guān)系，通過使用MATLAB擬合計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果隨溫度的變化匯成曲線得到如圖9所示曲線，可以看出溫度傳感器的計(jì)數(shù)結(jié)果隨著溫度的增加而持續(xù)增大，并且與溫度成反比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了良好的測(cè)溫效果。溫度傳感器的數(shù)字輸出Dout與溫度的關(guān)系近似為:

有效分辨率為:

圖9 計(jì)數(shù)結(jié)果隨溫度的變化曲線

可見，最終的計(jì)數(shù)結(jié)果呈現(xiàn)很好的特性，并且也具有較高的分辨率為0.45℃/LSB，滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

4 流片與測(cè)試結(jié)果

芯片照片和PCB如圖10、圖11所示，該芯片通過FPGA測(cè)試平臺(tái)和RIGOL DS6104數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)試，由于測(cè)試條件有限只能逐次測(cè)試各個(gè)輸出端口。FPGA外加給芯片激勵(lì)信號(hào)和RST信號(hào)，在室溫情況下(大約25℃)，示波器顯示振蕩器頻率為2.087 MHz(如圖12)，脈沖寬度經(jīng)計(jì)算大約為110μs(如圖13)，9 bit計(jì)數(shù)器輸出經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖14所示。

圖10 芯片照片

利用ThinkPad車載冰箱分別在-5℃和45℃下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2。

圖11 PCB照片

圖12 振蕩器輸出

圖13 脈沖寬度

圖14 9 bit計(jì)數(shù)器

表2 溫度傳感器測(cè)試結(jié)果

經(jīng)分析測(cè)試數(shù)據(jù)得到溫度傳感器精度為:

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種集成于無源UHF RFID標(biāo)簽的寬溫測(cè)范圍CMOS溫度傳感器，采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真，流片測(cè)試結(jié)果表明在-5℃～45℃范圍內(nèi)，溫度傳感器精度為0.48℃/LSB，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫目的。

［1］Landt J.The History of RFID［J］.IEEE Potentials，2005，24(4): 8-11.

［2］Lin Y，Sylvester D，Blaauw D.An Ultra Low Power 1 V，220 nW Temperature Sensor for Passive Wireless Applications［C］//Proc IEEE Custom Integrated Circuits Conf(CICC)，2008:507-510.

［3］Chen Chunchi，Lu Wenfu，Chin-Chung Tsai，etal，A Time to Digital Converter Based CMOS Smart Temperature Sensor［J］.IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2005(1):560 -563.

［4］王倩，毛陸虹，張歡，等.集成于無源UHF RFID標(biāo)簽的高分辨率CMOS溫度傳感器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，25(4):462-467.

［5］Nicolas Gay，Wolf-Joachim Fischer.Ultra-Low-Power RFID-Based Sensor Mote，Sensors，IEEE，2010:1293-1298.

［6］Mihai Sararoiul，Juergen Fehle.Techniques of Temperature Compensation in a RC Oscillator Semiconductor Conference，2007.CAS 2007.International429-432.

［7］李俊，莊奕琪，李小明，等.用于超高頻RFID電子標(biāo)簽的高穩(wěn)定低壓低功耗振蕩器的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31(4):1172-1176.

［8］楊方杰.低供電電壓基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)［D］.湖南:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［9］A CMOS Temperature Sensor Using Cascoded PNP Transistors［C］//Innovations in Bio-Inspired Computing and Applications (IBICA)，2011 Second International Conference on，2011:233-236.

［10］Kamran Souri，Youngcheol Chae，Kofi A A Makinwa，et al，A CMOS Temperature Sensor With a Voltage-Calibrated Inaccuracy of 0.15 C(3σ)From-55℃to 125℃［J］.Solid-State Circuits，IEEE，2013:292-301.

［11］AndréL Aita，Michiel A P Pertijs，Kofi A A Makinwa，et al，A CMOS Smart Temperature Sensor with a Batch-Calibrated Inaccuracy of±0.25℃(3σ)from-70℃to 130℃［J］.Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical Papers，2009.ISSCC 2009.IEEE International，2009:342-343.

［12］周詩偉，毛陸虹，王倩，等.集成于無源UHFRFID標(biāo)簽的超低功耗CMOS溫度傳感器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(7): 940-945.

李勃(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o源UHF RFID標(biāo)簽芯片射頻前端的研究與設(shè)計(jì)，774699828 @qq.com;

毛陸虹(1955-)男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閁HF RFID技術(shù)及應(yīng)用，通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，射頻集成電路設(shè)計(jì)(RFIC)，光電集成電路(OEIC)。

An Wide Temperature Measuring Range CMOS Temperature Sensor Integrated in Passive UHF RFID Tag*

LI Bo，MAO Luhong*，ZHANG Shilin，XIE Sheng，ZHAN Jinlei

(Institute of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In allusion to temperature measurement range small and power consumption of Passive UHF RFID tag，This paper presents an wide temperature measuring range CMOS Temperature Sensor Integrated in Passive UHF RFID tag.It is implemented in UMC 0.18μm 1P6M CMOS process，In this paper，a new temperature pulse convert circuit structure is presented with the temperature’s change，so as to implement the wide temperature measurement. The simulation results shows thatthe change oftemperature pulse width is nearly 220us when temperature is from-75℃to 125℃under supply voltage 1.5 V.At room temperature this new temperature sensor module’s power consumption is only 200 nW.The temperature sensor resolution is 0.45℃/LSB.Test results shows the temperature sensor resolution is 0.48℃/LSB in the scope of-5℃～45℃，the frequency of oscillator is 2.087 MHz around 25℃，pulse width is about110μs，asynchronous counter displays 011011000.

passive UHF RFID;temperature sensor;wide temperature measuring range;temperature compensating oscillator

TP212.1

A

1004－1699(2014)05－0581－06

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.002

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61372011)

2014-03-18

2014-04-24