應用于無源RFID標簽的BICMOS溫度傳感器*

周恩輝, 肖 謐, 毛陸虹, 張世林, 謝 生

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

0 引 言

射頻識別(RFID)技術作為20世紀90年代興起的自動識別技術，具有無需人工干預、壽命長、快速讀寫、多目標移動識別定位等優(yōu)于傳統(tǒng)識別技術的特點，已被廣泛用于疫苗冷鏈、建材實驗、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)和食品儲運等需要實時記錄溫度變化的行業(yè)。近年來，RFID技術與無線傳感器網(wǎng)絡的結合已經(jīng)成為研究的熱點，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種典型的結構，一種利用A/D轉(zhuǎn)換器將與溫度有關的電壓轉(zhuǎn)換為包含溫度信息的數(shù)字輸出信號；另一種將頻率隨溫度變化的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，即利用一個輸出頻率與溫度無關的時鐘信號對一個受溫度變化影響的寬脈沖進行計數(shù)，或者用一個輸出時鐘信號與溫度相關的時鐘信號對一個不受溫度變化影響的脈沖進行計數(shù)[1]。第一種結構通過失調(diào)消除、器件匹配或者室溫校準等技術可以實現(xiàn)很高的精度[2,3]，但同時具有較大面積和較高功耗等不足，文獻[4]提出了一種精度高達±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)模集成的無源標簽，第二種結構面積和功耗均大幅度減小，因此,這種結構廣泛應用于無源RFID標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構，利用與溫度呈正相關的時鐘信號對恒定寬度的脈沖信號進行采樣計數(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量精度。

1 系統(tǒng)設計

溫度傳感器采用時鐘脈沖計數(shù)的方式，基本結構如圖1所示。當檢測到幀頭信號時，數(shù)字寬脈沖發(fā)生器(broad impulse generator)模塊開始工作，通過對幀頭信號的處理產(chǎn)生與溫度無關的數(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鐘信號，數(shù)字寬脈沖作為計數(shù)器的使能信號，時鐘信號作為計數(shù)器的時鐘輸入。由于在不同的溫度條件下，計數(shù)器時鐘輸入的信號頻率不同，從而對數(shù)字寬脈沖的計數(shù)個數(shù)也不同，也就得到與溫度相關的數(shù)字信號。

圖1 溫度傳感器結構框圖

2 電路結構

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

2.1 PTAT振蕩器

PTAT振蕩器結構主要包含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]。對于一個晶體管而言，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，溫度系數(shù)約為0.087 mV/K)。假設2個工作在不同電流密度下的晶體管Q1,Q2，其有效發(fā)射結面積比為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)生模塊采用簡單放大器，既保證2個輸入端電壓相等，又降低輸出電流對電源電壓的敏感度。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)，即能夠擺脫簡并偏置點，需要添加一種啟動電路。最左側(cè)3個MOS管MP1,MP2,MN1構成了PTAT偏置電流產(chǎn)生模塊的啟動電路，其中MN1的源漏極短接，形成了MOS電容。系統(tǒng)上電時，晶體管Q1的集電極電壓和MP2的柵極電壓均為0，故MP1,MP2導通，電源電壓通過MP2向PTAT偏置電流產(chǎn)生電路注入大電流，同時通過MP1對MN1形成的MOS電容充電。隨著MOS電容柵極電壓的升高，MOS管MP2會截止，此時MOS電容柵極電壓大于VDD-|VTHP|，這就保證了在電路模塊啟動后啟動電路保持關閉，消除了靜態(tài)功耗。

2.1.2 電流饑餓環(huán)形振蕩器

環(huán)形振蕩器由五級反相器首尾相接級聯(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電流通過電流鏡結構以單位增益提供給MP3和MP4，從而使得環(huán)形振蕩器的振蕩頻率依賴于絕對溫度。

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

(5)

其中，INP和IPP分別為放電和充電時的峰值電流。當節(jié)點電壓為(VH-VL)/2時，反相器輸入電容C0的表達式為

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反相器的時間延遲Td和級數(shù)M決定，因此，五級環(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)關系

(11)

式中α為實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”，對于40 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，其相當于9個周期為25 μs的時鐘信號，數(shù)字電路對此信號進行計數(shù)，當檢測到第9個上升沿時，輸出為“0”，共計數(shù)8個時鐘周期，即得到200 μs的寬脈沖信號。此模塊利用Verilog代碼實現(xiàn)，另外，數(shù)字電路隨溫度變化而產(chǎn)生的延遲為ps級，與200 μs相比完全可以忽略，因而,可以認為此寬脈沖幾乎不受溫度影響。圖3為標簽接收到的命令幀頭信號和處理后的寬脈沖波形圖。

圖3 寬脈沖信號

2.3 計數(shù)器

本設計采用帶復位端的9 bit異步計數(shù)器，計數(shù)范圍設定為0～255.異步計數(shù)器是計數(shù)器中最簡單最基本的電路，這個是其最大的優(yōu)點，在用T觸發(fā)器構成的二進制計數(shù)器時，可以不附加任何其他電路，從而廣泛應用在VLSI等設計中。圖4給出了18 ℃時計數(shù)器輸出結果。

圖4 計數(shù)器輸出結果

3 芯片測試結果

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、振蕩器以及計數(shù)器三部分組成，總面積為0.03 mm2。

圖5 芯片照片

測試采用1.8 V電源電壓，將芯片分別放置-20,0,18 ℃和75 ℃等溫度條件下進行測試，并記錄下輸出頻率，測得振蕩器輸出頻率的溫度特性如圖6所示?？梢娫诒容^寬的有限溫度范圍內(nèi)振蕩器輸出時鐘頻率與溫度近似呈線性關系，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數(shù)個數(shù)。由文獻[10]中的有效分辨率定義，可以得出本設計中的的溫度傳感器有效分辨率為0.864 ℃/LSB，其數(shù)值輸出Dout與溫度的關系近似為

Dout≈282+1.16T.

(12)

4 結 論

本文設計了一種應用于RFID標簽的溫度傳感器?；贗BM 0.18 μm SiGe BICMOS工藝，測試結果表明：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)字輸出與絕對溫度近似呈正比例關系，當溫度變化范圍處于-100～120 ℃時，振蕩器輸出頻率由800 kHz變化到1.8 MHz，測試結果為0.864 ℃/LSB，呈現(xiàn)出良好的線性度和較高的分辨率。芯片的測試性能能夠滿足無源RFID標簽芯片的系統(tǒng)要求。

表1 不同溫度下的輸出結果

參考文獻:

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