周恩輝, 肖 謐, 毛陸虹, 張世林, 謝 生

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)作為20世紀(jì)90年代興起的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有無需人工干預(yù)、壽命長(zhǎng)、快速讀寫、多目標(biāo)移動(dòng)識(shí)別定位等優(yōu)于傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)，已被廣泛用于疫苗冷鏈、建材實(shí)驗(yàn)、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)和食品儲(chǔ)運(yùn)等需要實(shí)時(shí)記錄溫度變化的行業(yè)。近年來，RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，冷鏈物流的興起更是為嵌入式溫度傳感器的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前集成的溫度傳感器有2種典型的結(jié)構(gòu)，一種利用A/D轉(zhuǎn)換器將與溫度有關(guān)的電壓轉(zhuǎn)換為包含溫度信息的數(shù)字輸出信號(hào)；另一種將頻率隨溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，即利用一個(gè)輸出頻率與溫度無關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)一個(gè)受溫度變化影響的寬脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者用一個(gè)輸出時(shí)鐘信號(hào)與溫度相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)一個(gè)不受溫度變化影響的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)[1]。第一種結(jié)構(gòu)通過失調(diào)消除、器件匹配或者室溫校準(zhǔn)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很高的精度[2,3]，但同時(shí)具有較大面積和較高功耗等不足，文獻(xiàn)[4]提出了一種精度高達(dá)±0.1 ℃的溫度傳感器，其功耗和面積分別為247.5 μW和4.5 mm2，因此,不適用于大規(guī)模集成的無源標(biāo)簽，第二種結(jié)構(gòu)面積和功耗均大幅度減小，因此,這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于無源RFID標(biāo)簽的溫度傳感器系統(tǒng)。

本文介紹了一種新型溫度傳感器結(jié)構(gòu)，利用與溫度呈正相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)恒定寬度的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)。由于采用溫度特性極佳的Ge Si工藝，使得本文的溫度傳感器能夠在-100～120 ℃的溫度范圍內(nèi)仍保持較好的性能，相對(duì)于一般CMOS工藝-40～120 ℃的工作溫度范圍，SiGe BICMOS溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)較大的溫度跨度和較高的測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)的方式，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)檢測(cè)到幀頭信號(hào)時(shí)，數(shù)字寬脈沖發(fā)生器(broad impulse generator)模塊開始工作，通過對(duì)幀頭信號(hào)的處理產(chǎn)生與溫度無關(guān)的數(shù)字寬脈沖，電流饑餓環(huán)形振蕩器(cu-rrent-starved ring oscillator)模塊產(chǎn)生頻率與溫度呈正比例的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)字寬脈沖作為計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。由于在不同的溫度條件下，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入的信號(hào)頻率不同，從而對(duì)數(shù)字寬脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)也不同，也就得到與溫度相關(guān)的數(shù)字信號(hào)。

圖1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2 電路結(jié)構(gòu)

溫度傳感器主要由與絕對(duì)溫度呈正比(proportional to absolute temperature,PTAT)振蕩器、數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路和計(jì)數(shù)器3個(gè)模塊組成。

2.1 PTAT振蕩器

PTAT振蕩器結(jié)構(gòu)主要包含PTAT偏置電流源和電流饑餓環(huán)形振蕩器。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電流饑餓環(huán)形振蕩器

2.1.1 PTAT偏置電流源

如果2個(gè)晶體管工作在不同電流密度下，那么它們的基極—發(fā)射極電壓VBE的差值為PTAT[5]。對(duì)于一個(gè)晶體管而言，基極—發(fā)射極電壓滿足

VBE=VTln(IC/IS).

(1)

其中，VT=kT/q具有正溫度系數(shù)(T=300 K時(shí)，溫度系數(shù)約為0.087 mV/K)。假設(shè)2個(gè)工作在不同電流密度下的晶體管Q1,Q2，其有效發(fā)射結(jié)面積比為N，則有

ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnN.

(2)

因此，ΔVBE就表現(xiàn)出了正溫度系數(shù)

(3)

圖2中PTAT偏置電流產(chǎn)生模塊采用簡(jiǎn)單放大器，既保證2個(gè)輸入端電壓相等，又降低輸出電流對(duì)電源電壓的敏感度。晶體管Q2與Q1集電極電流的比值N為8，簡(jiǎn)單放大器的所有MOS管均工作在飽和區(qū)。由式(1)、式(2)可以得到PTAT偏置電流

(4)

為了避免電路工作于零電流狀態(tài)，即能夠擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，需要添加一種啟動(dòng)電路。最左側(cè)3個(gè)MOS管MP1,MP2,MN1構(gòu)成了PTAT偏置電流產(chǎn)生模塊的啟動(dòng)電路，其中MN1的源漏極短接，形成了MOS電容。系統(tǒng)上電時(shí)，晶體管Q1的集電極電壓和MP2的柵極電壓均為0，故MP1,MP2導(dǎo)通，電源電壓通過MP2向PTAT偏置電流產(chǎn)生電路注入大電流，同時(shí)通過MP1對(duì)MN1形成的MOS電容充電。隨著MOS電容柵極電壓的升高，MOS管MP2會(huì)截止，此時(shí)MOS電容柵極電壓大于VDD-|VTHP|，這就保證了在電路模塊啟動(dòng)后啟動(dòng)電路保持關(guān)閉，消除了靜態(tài)功耗。

2.1.2 電流饑餓環(huán)形振蕩器

環(huán)形振蕩器由五級(jí)反相器首尾相接級(jí)聯(lián)而成，它們的偏置電流來源于工作在飽和區(qū)的PMOS管MP3，用作電流源。電流源中電流的大小決定了整個(gè)電流饑餓環(huán)形振蕩器的輸出頻率[6]，PTAT電流偏置產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的PTAT電流通過電流鏡結(jié)構(gòu)以單位增益提供給MP3和MP4，從而使得環(huán)形振蕩器的振蕩頻率依賴于絕對(duì)溫度。

對(duì)于環(huán)形振蕩器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓的擺率由PMOS和NMOS管的峰值電流、下一級(jí)反相器的輸入電容C0(為簡(jiǎn)化模型，忽略上級(jí)反相器的輸出電容)決定

(5)

其中，INP和IPP分別為放電和充電時(shí)的峰值電流。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓為(VH-VL)/2時(shí)，反相器輸入電容C0的表達(dá)式為

C0=COX(WP·LP+WN·LN).

(6)

峰值電流可以由工作在飽和區(qū)的MOS管的漏極電流方程得出

(7)

式中KP,KN分別為PMOS,NMOS管的飽和區(qū)跨導(dǎo)參數(shù)，k′為PMOS管與NMOS管之間的尺寸比例，VH,VL分別為反相器的最高、最低輸出電壓。VH約為VDD-|VTHP|，VL約為0。

由式(5)可得反相器充放電所需的時(shí)間

(8)

一般情況下，Vr與Vf相等，均為VH-VL。因此，若IPP=INP=ID，則有[7,8]

(9)

環(huán)形振蕩器的振蕩頻率由每一級(jí)反相器的時(shí)間延遲Td和級(jí)數(shù)M決定，因此，五級(jí)環(huán)形振蕩器的振蕩頻率如下[9]

(10)

由式(5)、式(10)可以得出振蕩器輸出頻率與溫度的函數(shù)關(guān)系

(11)

式中α為實(shí)際電路中由于工藝誤差、匹配誤差等非理想因素所造成的誤差系數(shù)。

2.2 數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路

根據(jù)ISO 18000—6 Type B協(xié)議，閱讀器先發(fā)言，在標(biāo)簽接收到命令后數(shù)字電路開始工作，命令中的幀頭frame header是9 bit NRZ格式的曼徹斯特編碼“0”，對(duì)于40 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，其相當(dāng)于9個(gè)周期為25 μs的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)字電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到第9個(gè)上升沿時(shí)，輸出為“0”，共計(jì)數(shù)8個(gè)時(shí)鐘周期，即得到200 μs的寬脈沖信號(hào)。此模塊利用Verilog代碼實(shí)現(xiàn)，另外，數(shù)字電路隨溫度變化而產(chǎn)生的延遲為ps級(jí)，與200 μs相比完全可以忽略，因而,可以認(rèn)為此寬脈沖幾乎不受溫度影響。圖3為標(biāo)簽接收到的命令幀頭信號(hào)和處理后的寬脈沖波形圖。

圖3 寬脈沖信號(hào)

2.3 計(jì)數(shù)器

本設(shè)計(jì)采用帶復(fù)位端的9 bit異步計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍設(shè)定為0～255.異步計(jì)數(shù)器是計(jì)數(shù)器中最簡(jiǎn)單最基本的電路，這個(gè)是其最大的優(yōu)點(diǎn)，在用T觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，可以不附加任何其他電路，從而廣泛應(yīng)用在VLSI等設(shè)計(jì)中。圖4給出了18 ℃時(shí)計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果。

圖4 計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果

3 芯片測(cè)試結(jié)果

溫度傳感器電路芯片采用IBM 0.18 μm SiGe BICMOS工藝制作，如圖5所示，其中主要包括數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路和處理模塊、振蕩器以及計(jì)數(shù)器三部分組成，總面積為0.03 mm2。

圖5 芯片照片

測(cè)試采用1.8 V電源電壓，將芯片分別放置-20,0,18 ℃和75 ℃等溫度條件下進(jìn)行測(cè)試，并記錄下輸出頻率，測(cè)得振蕩器輸出頻率的溫度特性如圖6所示。可見在比較寬的有限溫度范圍內(nèi)振蕩器輸出時(shí)鐘頻率與溫度近似呈線性關(guān)系，線性斜率約為4.5 kHz/℃。

圖6 輸出頻率-溫度特性曲線

表1列舉了在不同溫度下的振蕩頻率和計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。由文獻(xiàn)[10]中的有效分辨率定義，可以得出本設(shè)計(jì)中的的溫度傳感器有效分辨率為0.864 ℃/LSB，其數(shù)值輸出Dout與溫度的關(guān)系近似為

Dout≈282+1.16T.

(12)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于RFID標(biāo)簽的溫度傳感器?；贗BM 0.18 μm SiGe BICMOS工藝，測(cè)試結(jié)果表明：在1.8 V電源電壓下，平均功耗電流13 μA，溫度傳感器的數(shù)字輸出與絕對(duì)溫度近似呈正比例關(guān)系，當(dāng)溫度變化范圍處于-100～120 ℃時(shí)，振蕩器輸出頻率由800 kHz變化到1.8 MHz，測(cè)試結(jié)果為0.864 ℃/LSB，呈現(xiàn)出良好的線性度和較高的分辨率。芯片的測(cè)試性能能夠滿足無源RFID標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)要求。

表1 不同溫度下的輸出結(jié)果

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