李 蕾，李 穎，盛天航，張偉濤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105)

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基于脈沖調(diào)制技術(shù)的RFID標(biāo)簽集成溫度傳感器

李 蕾，李 穎，盛天航，張偉濤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105)

設(shè)計(jì)了一種集成于無源超高頻射頻識別(UHF RFID)標(biāo)簽的溫度傳感器。針對標(biāo)簽功耗受限、芯片面積小的特點(diǎn)，利用MOS管電子遷移率隨溫度變化的規(guī)律，設(shè)計(jì)雙偏置電流源的溫度轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生寬度受溫度調(diào)制的脈沖，實(shí)現(xiàn)溫度的采集，提高傳感器精度。并且設(shè)計(jì)以異步計(jì)數(shù)器為基礎(chǔ)溫度轉(zhuǎn)換電路替代模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)實(shí)現(xiàn)溫度到數(shù)字輸出之間的轉(zhuǎn)換。采用SMIC 0.18 CMOS工藝對溫度傳感器電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，溫度傳感器感應(yīng)溫度范圍為-20～60 ℃時(shí)，分辨率為1 ℃/LSB，電源電壓為1.8 V 時(shí)，室溫下傳感器芯片總的工作電流為400 nA。

CMOS工藝；射頻識別(RFID)；溫度傳感器；脈沖調(diào)制

0 引言

UHF RFID技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟，CMOS工藝集成芯片的生產(chǎn)更降低其生產(chǎn)成本，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)戰(zhàn)略的提出，為作為硬件基礎(chǔ)的傳感器帶來廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)提出了體積小、成本低、功耗低的應(yīng)用要求?；跇?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成于UHF RFID標(biāo)簽的溫度傳感器，同時(shí)擁有UHF RFID成熟的低功耗技術(shù)基礎(chǔ)和CMOS工藝成本低、面積小的技術(shù)優(yōu)勢，能夠滿足應(yīng)用需求，具有很好的實(shí)用價(jià)值[1- 2]。

UHF RFID標(biāo)簽采用無源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功耗嚴(yán)格受限，要求溫度傳感器在滿足精度的前提下具有低功耗。CMOS集成溫度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要劃分為3類[3]，如圖1所示。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類

BJT結(jié)合ADC結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)點(diǎn)為精度高、測量范圍較寬，缺點(diǎn)為芯片面積大，功耗非常高而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率較低[4-6]。振蕩器結(jié)合頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的溫度傳感器需要額外設(shè)計(jì)振蕩器，不能有效利用標(biāo)簽中固有振蕩器，造成不必要的面積和能量消耗，因此這兩種傳感器不適合集成于無源標(biāo)簽。脈沖結(jié)合時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的傳感器最大優(yōu)勢在于功耗低，占用芯片面積小，較適合集成于無源標(biāo)簽[7-8]，然而為了增加脈沖寬度需要采用多級延遲單元，延遲單元自身工藝偏差會降低傳感器輸出精度。如何克服該缺點(diǎn)，完善電路，使其更好的集成于無源標(biāo)簽，是本論文的主要解決的問題。

本文設(shè)計(jì)了基于脈沖結(jié)合時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，針對上述缺點(diǎn)設(shè)計(jì)2路結(jié)構(gòu)完全相同的延遲單元，抵消由工藝造成的延遲誤差，同時(shí)設(shè)計(jì)雙偏置電流源，分別產(chǎn)生與溫度成正比和與溫度成反比的偏置電流，克服工藝誤差的同時(shí)增加脈沖寬度，提高傳感器精度。室溫下測得溫度傳感器的工作電流為400 nA，分辨率為1 ℃/LSB，測量范圍為-20～60 ℃。

1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由溫度轉(zhuǎn)換電路、計(jì)數(shù)器數(shù)字轉(zhuǎn)換電路及標(biāo)簽內(nèi)嵌的振蕩器組成。系統(tǒng)工作時(shí)，首先由標(biāo)簽數(shù)字單元發(fā)出控制信號至振蕩器使其輸出系統(tǒng)時(shí)鐘。時(shí)鐘工作后，發(fā)出復(fù)位信號清空計(jì)數(shù)器，同時(shí)發(fā)出使能信號輸入溫度脈沖轉(zhuǎn)換電路，控制電路開始采集溫度信息。信息采集結(jié)束后，溫度脈沖轉(zhuǎn)換電路輸出含有溫度信息的脈沖作為使能信號控制異步計(jì)數(shù)器開始工作，系統(tǒng)時(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果與溫度相關(guān)，并輸入數(shù)字邏輯單元進(jìn)行后續(xù)處理。

2 主要功能實(shí)現(xiàn)方法及具體電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)及原理

為了提高傳感器精度，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊主要由PTAT偏置電流源、CTAT偏置電流源、延遲單元及異或門構(gòu)成，如圖3所示。模塊工作時(shí)將數(shù)字控制單元提供的使能信號分成2路，使之分別通過具有PTAT偏置電流和具有CTAT偏置電流的2個(gè)延遲單元，延遲單元的輸出經(jīng)異或門后得到最終的脈沖信號。如圖4所示，傳統(tǒng)的溫度脈沖轉(zhuǎn)化模塊中，信號只通過單一具有PTAT偏置電流的延遲單元，另一路信號直接與異或門連接，這種不對稱的結(jié)構(gòu)使輸出結(jié)果受工藝誤差影響[9- 10]。為了解決該問題，在另一路信號路徑當(dāng)中添加電路結(jié)構(gòu)完全相同的延遲單元，形成對稱結(jié)構(gòu)，使脈沖經(jīng)過2路延遲單元后，由工藝誤差造成的延遲完全相同，輸出脈沖經(jīng)過異或門后由該延遲被抵消。該結(jié)構(gòu)能夠克服工藝誤差對電路的影響，但是輸出脈沖的寬度卻比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要小，在時(shí)鐘固定的情況下，會影響輸出精度。因此，設(shè)計(jì)CTAT偏置電流源為新增延遲單元提供偏置電流，使其輸出脈沖的寬度隨溫度升高增大。由于具有PTAT偏置電流源的延遲單元輸出脈沖寬度隨溫度升高而減小，2個(gè)延遲單元的輸出經(jīng)異或門后能夠獲得較大寬度的脈沖。

圖3 溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)

圖4 傳統(tǒng)溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)

2.2 偏置電流源和延遲單元的結(jié)構(gòu)及原理

以單級反相器為例，偏置電流源結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，其中P1、N1、N2、 P3及N3管構(gòu)成偏置電流源及電流鏡,P4與N2管為基本反相器。偏置電流為P1、N1及N3溝道電流，由于其采用二極管連接方式，則溝道電流可表示為

(1)

式中寬長比W/L及柵氧化層電容COX與溫度無關(guān)，而電子遷移率μn及閾值電壓VTH與溫度相關(guān)，溫度表達(dá)式為

μn(T)=μn(T0)(T/T0)αμ

(2)

VT=VT0-αVT(T-T0)

(3)

式中：T0為參考溫度；αu與αVT為工藝常數(shù)，摻雜濃度小于1012cm-3時(shí), n型硅和p型硅的αu值分別是-2.4和-2.2，當(dāng)摻雜濃度上升到1017cm-3時(shí)，相應(yīng)的αμ值增大至- 1.2和-1.9[11]；αVT通常介于-4～-1 mV/ ℃之間[12-13]。

將式(2)和式(3)代入式(1)整理可得

(4)

由于反相器延遲時(shí)間與溫度成正比，則偏置電流隨溫度升高而減小，令?I/?T<0，則有

(5)

整理后，可得：

(6)

由式(6)可知，當(dāng)MOS管的柵源電壓 大于一定值時(shí)，偏置電流源輸出CTAT偏置電流，反相器延遲時(shí)間隨溫度升高而增大。

同理，令?I/?T<0，可得到：

(7)

由式(7)可知，VGS小于該值時(shí)，偏置電流源輸出PTAT偏置電流，反相器延遲時(shí)間隨溫度升高而減小[14]。

(a)偏置電路

(b)延遲單元

由以上分析可知，通過調(diào)節(jié)偏置電流源中MOS的寬長比，將VGS值調(diào)節(jié)至不同范圍內(nèi)，可改變偏置電流隨溫度的變化趨勢，可以構(gòu)成具有不同溫度特性的延遲單元。下文將給出P1、N1及N3管的W/L設(shè)置為不同值時(shí)，對偏置電流溫度特性仿真得到的結(jié)果，可進(jìn)一步驗(yàn)證以上分析的正確性。延遲單元的整體電路結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，為了保證脈沖寬度滿足精度要求，采用多級反相器級聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，其中電容受溫度的影響可忽略不記。

2.3 溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

為了滿足RFID標(biāo)簽的低功耗要求，如圖6采用8位異步計(jì)數(shù)器替代ADC實(shí)現(xiàn)溫度到數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)變。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘由標(biāo)簽內(nèi)嵌振蕩器提供，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊輸出脈沖作為計(jì)數(shù)器的使能信號。根據(jù)前面敘述，脈沖寬度與溫度相關(guān)，因此計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)間與溫度相關(guān)，根據(jù)溫度變化計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果為不同值。

圖6 計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)

3 溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的仿真結(jié)果與分析

采用Cadence spectre基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝對圖5(a)所示電路仿真。根據(jù)2.2節(jié)的推導(dǎo)，計(jì)算VGS的臨界值，調(diào)節(jié)MOS管的寬長比，使VGS分別大于和小于臨界值。在2種情況下，分別對電路仿真，得到偏置電流的溫度特性曲線如圖7、圖8所示。

(a)電流隨溫度變化曲線

(b)電流對溫度求導(dǎo)隨溫度變化曲線

(a)電流隨溫度變化曲線

(b)電流對溫度求導(dǎo)隨溫度變化曲線

圖7所示的偏置電流與溫度成反比，而圖8所示的偏置電流與溫度成正比。分別對兩組溫度曲線求導(dǎo)，求導(dǎo)結(jié)果的變化范圍分別為-135×10-3～-125×10-3nA/℃，265×10-3～310×10-3nA/℃。這表明在芯片工作的溫度范圍內(nèi)，偏置電流線性度可以滿足要求。

對溫度傳感器整體電路仿真，室溫為25 ℃時(shí)，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的輸出脈沖，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號及計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果如圖9所示，在-20～60℃之間，不同溫度對應(yīng)的計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果如圖10所示。可以看出傳感器的數(shù)字輸出結(jié)果隨溫度升高而減小，且具有良好的線性度。

圖9 25℃時(shí)使能信號，時(shí)鐘信號及計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果

圖10 脈沖寬度與溫度關(guān)系

根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果計(jì)算傳感器有效分辨率為：

計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號復(fù)用標(biāo)簽本身的時(shí)鐘信號，傳感器的功耗來自于偏置電流源及計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡單功耗較低，其值可以忽略不計(jì)，而根據(jù)圖8所示，偏置電流總和約為400 nA，本設(shè)計(jì)采用1.8 V電源電壓，功耗約為720 nW。

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RFID Tag Embedded Temperature Sensor Based on Pulse Width Modulation

LI Lei,LI Ying,SHENG Tian-hang，ZHANG Wei-tao

(School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

A kind of passive RFID tag embedded temperature sensor was designed in the paper.Due to the limited power dissipation and chip area,a temperature converter with double current biases was proposed,which utilizes MOS electron mobility temperature theory to generate temperature modulated pulse,realizing temperature sampling and improving accuracy of the temperature sensor.Simultaneously,an asynchronous counter was designed to realize temperature to digital data conversion instead of ADC.The circuit was ricated by SMIC 0.18 CMOS standard process.The simulation results indicate that the temperature senor achieves a resolution of 1 ℃/LSB from -20 ℃ to 60 ℃.At 25 ℃,the working current of sensor draws 400 nA from 1.8 V supply.

CMOS technology;Radio Frequency Identification (RFID);temperature sensor;pulse modulation

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410147028)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014130)

2015-08-25 收修改稿日期：2015-09-01

TN432

A

1002-1841(2015)12-0008-03

李穎(1996—),本科,研究領(lǐng)域?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)。 E-mail:lntuicgroup@163.com

李蕾(1981—),講師,博士,研究領(lǐng)域?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)。 E-mail:lilei_81@163.com