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

集成于無源UHF RFID標簽的寬溫測范圍CMOS溫度傳感器*

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

針對無源UHF RFID標簽溫度測量范圍小、功耗等問題，本文提出了一種集成于無源UHF RFID標簽的寬溫測范圍CMOS溫度傳感器。本文設計采用UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝進行設計，提出一種新溫度脈沖轉(zhuǎn)換電路結構產(chǎn)生隨溫度變化的脈沖，從而實現(xiàn)了寬溫度測量。仿真結果表明:當溫度范圍在-75℃～125℃時，溫度脈沖寬度變化近220μs，標簽芯片供電電壓為1.5V時，室溫時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。測試結果:在-5℃～45℃范圍內(nèi)進行測試，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，異步計數(shù)器顯示為011011000。

無源RFID;溫度傳感器;寬溫測范圍;新型溫度補償性振蕩器

射頻識別(RFID)是一種非接觸式自動識別技術，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無源超高頻自動識別由于工作距離遠、成本低、識別速度快等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)成為RFID技術領域探究的重點。近年來，RFID技術與無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Networks)的結合已成為研究的熱點［1］。冷鏈物流的興起更是為內(nèi)嵌溫度傳感器的RFID標簽發(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標簽芯片的溫度傳感器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)結構，該結構傳感器的優(yōu)點在于能獲得非常高的精度、具有較寬的測量范圍，不足是功耗非常大，往往達到數(shù)mw甚至更高，因而ADC傳感器結構顯然不適用于無源RFID標簽芯片中［2-3］。而采用較TDC(Time-to-Digital Converter)結構的溫度傳感器:利用反相器延時結構產(chǎn)生一個與溫度相關的脈沖信號，再通過延時鏈結構將溫度信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出，這種方法產(chǎn)生的溫度脈沖包含信息較少，反相器延時單元溫度特性不好，延時隨溫度變化不明顯，同樣不適用于無源RFID標簽芯片中寬溫度的溫度傳感器的測量［4］。

本文基于標簽傳感器的溫測范圍受限以及功耗特點，本文提出一種新型結構，通過利用電壓反饋網(wǎng)絡來產(chǎn)生更寬的脈沖寬度，整個溫度傳感器溫度測量范圍高達:-75℃～125℃，同時分辨率達到0. 45℃/LSB，版圖面積為900μm×650μm。

1 溫度傳感器整體結構及工作原理

溫度傳感器的系統(tǒng)結構如圖1所示，由溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊、內(nèi)嵌低功耗新型溫度補償性振蕩器以及9 bit計數(shù)單元組成［4］。在系統(tǒng)開始工作時，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，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的脈沖信號，同時利用偏置電路提供的基準電壓和偏置電流來通過內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的2 M時鐘信號實現(xiàn)對溫度脈沖采樣計數(shù);計數(shù)開始時，由數(shù)字端發(fā)出RST復位信號清空9 bit異步計數(shù)器，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊輸出含有溫度信息的脈沖至計數(shù)器，同時利用2 M clk時鐘信號對脈沖寬度進行計數(shù)，實現(xiàn)測溫功能。

圖1 內(nèi)嵌溫度傳感器系統(tǒng)結構

2 關鍵模塊的設計及電路實現(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)要求電路對溫度信息進行采集以實現(xiàn)溫度測量的功能，但是僅僅對于PTAT電流或者CTAT電流來說，他們各自所蘊含的溫度信息較少，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，通過復用帶隙基準源產(chǎn)生的PTAT電流和CTAT電流，提出一種新型結構來實現(xiàn)獲得更大的溫度測量范圍(-75℃～125℃)和較低的功耗，電路結構如圖2所示。

圖2 Pulse脈沖產(chǎn)生電路

文獻［5］利用對電容的充電來實現(xiàn)足夠時間的延遲，來使RFID中穩(wěn)壓器和振蕩器達到穩(wěn)定狀態(tài)。本文對電路稍加調(diào)整，引入了PTAT和CTAT電流來實現(xiàn)不同時間的時間延遲，此結構相對于反相器有更好的延遲作用。當有電流PTAT和CTAT電流存在時，隨著時間的增加，在A節(jié)點處足夠的電荷已經(jīng)建立，在節(jié)點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C電壓降低，這個B端與C端相“或”產(chǎn)生足夠的延時，然后通過對PTAT脈沖和CTAT脈沖取“異或”來產(chǎn)生足夠的脈沖寬度。

2.2 新型溫度補償性振蕩器

本文提出了一種新型溫度補償性振蕩器，具有更穩(wěn)定的輸出頻率和更低的電壓以及功耗，同時因設計要求振蕩器產(chǎn)生的電壓對較寬的溫度變化不敏感，對于振蕩器整體電路的分析，僅僅對于比較器各個支路電流對溫度變化比較敏感，電流隨溫度的升高而升高?；诖朔治?，本設計提出用加入CTAT尾電流源的方法來彌補溫度的變化［6］，能夠在較寬溫度范圍(-75℃～125℃)實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出功率和更低的功耗，而且振蕩器是整個時鐘產(chǎn)生電路的核心模塊，其設計將直接影響到整個標簽的性能。因為芯片最終的輸出頻率必然會因電阻和電容隨工藝過程以及電路結構中的寄生效應和信號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。

電路設計原理如下:

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

(2)當V_C1升至比較器的參考電壓V_ref時，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，因為R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導通，M4截止，M2導通，M1截止，I_ref對C4充電，V_C4逐漸上升，C1經(jīng)M2對地放電，迅速到低電平。

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

電流源I_ref對電容C1、C4充電［6］，振蕩頻率為

圖3 新型溫度補償性RC振蕩器

2.3 偏置電路

本設計采用電流復用技術，通過將PTAT電流和CTAT電流進行不同比例的加權相加來得到一個與溫度無關的電流，然后將此電流加在電阻上產(chǎn)生一個與溫度無關的基準電壓。溫度傳感器中偏置電路其結構如圖4所示。

圖4 偏置電路

目前針對基準電壓源的低功耗技術研究集中在以下幾點:(1)利用反饋技術設計無運算放大器的基準源;(2)基于低閾值或多閾值器件，通過降低電源電壓來實現(xiàn)低功耗設計;(3)采用亞閾值技術，亞閾值MOS管具有較小的電流，從而可以降低晶體管對功耗的需求。其中，采用亞閾值技術是比較易于實現(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管用于低功耗設計的一個最關鍵的原因。

在前面的推導中，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。

在半導體工藝中，pn結二極管的正向電壓具有負溫度系數(shù)，在常用的CMOS工藝中通常使用寄生三極管的基極-發(fā)射極間的電壓來實現(xiàn)［9］。

若要產(chǎn)生于溫度無關的電流只需滿足下式。

3 仿真結果與分析

采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝對整個溫度傳感器模塊進行仿真。對溫度脈沖轉(zhuǎn)化電路進行仿真，通過調(diào)節(jié)電容的尺寸，產(chǎn)生了脈沖寬度變化高達220μs的脈沖信號，實現(xiàn)了寬溫測范圍的要求，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，并結合溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的參數(shù)最終選用-75℃～125℃的該電流信號。

標簽內(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，振蕩器頻率為1.92～2.03，相對與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

最后我們對新增的溫度傳感器系統(tǒng)進行整體仿真，如圖8所示為25℃時，計數(shù)器的各位輸出結果，可見25℃時計數(shù)器的9 bit Q8～Q0輸出為011011111，化為十進制為223。

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

圖8 25℃時溫度脈沖和計數(shù)器的輸出結果

表1 -75℃～125℃之間不同溫度下脈沖信號寬度和計數(shù)結果統(tǒng)計

設偏置電流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系，那么脈沖寬度會與溫度變化成反比例關系，也就是計數(shù)器的變化與溫度是一個反比例的關系，通過使用MATLAB擬合計數(shù)器的計數(shù)結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數(shù)結果隨著溫度的增加而持續(xù)增大，并且與溫度成反比例關系，從而實現(xiàn)了良好的測溫效果。溫度傳感器的數(shù)字輸出Dout與溫度的關系近似為:

有效分辨率為:

圖9 計數(shù)結果隨溫度的變化曲線

可見，最終的計數(shù)結果呈現(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)應用需求。

4 流片與測試結果

芯片照片和PCB如圖10、圖11所示，該芯片通過FPGA測試平臺和RIGOL DS6104數(shù)字示波器進行測試，由于測試條件有限只能逐次測試各個輸出端口。FPGA外加給芯片激勵信號和RST信號，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)計算大約為110μs(如圖13)，9 bit計數(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℃下進行測試，測試結果如表2。

圖11 PCB照片

圖12 振蕩器輸出

圖13 脈沖寬度

圖14 9 bit計數(shù)器

表2 溫度傳感器測試結果

經(jīng)分析測試數(shù)據(jù)得到溫度傳感器精度為:

5 結束語

本文設計了一種集成于無源UHF RFID標簽的寬溫測范圍CMOS溫度傳感器，采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工藝對電路進行仿真，流片測試結果表明在-5℃～45℃范圍內(nèi)，溫度傳感器精度為0.48℃/LSB，實現(xiàn)了測溫目的。

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李勃(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為無源UHF RFID標簽芯片射頻前端的研究與設計，774699828 @qq.com;

毛陸虹(1955-)男，教授，博士生導師，主要研究方向為UHF RFID技術及應用，通信系統(tǒng)設計，射頻集成電路設計(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

項目來源:國家自然科學基金項目(61372011)

2014-03-18

2014-04-24