無源RFID的集成電容式傳感器接口電路設(shè)計(jì)

陳 宏，鄧芳明，吳 翔

(1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院，江西南昌 330013；2.華東交通大學(xué)電子電氣學(xué)院，江西南昌 330013)

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無源RFID的集成電容式傳感器接口電路設(shè)計(jì)

陳 宏1，鄧芳明2，吳 翔2

(1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院，江西南昌 330013；2.華東交通大學(xué)電子電氣學(xué)院，江西南昌 330013)

針對(duì)射頻識(shí)別技術(shù) (RFID) 迅猛發(fā)展的需求，采用0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)并制造了一種電容式傳感器接口電路。該接口電路為全數(shù)字結(jié)構(gòu)，能將傳感器電容值轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理。它采用了一種新型的內(nèi)部限幅的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)反相器結(jié)構(gòu)振蕩器降低了約30%功耗。后期測(cè)試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的集成接口電路獲得了良好的線性度和穩(wěn)定性能，占用0.21 mm2芯片面積，1 V電源電壓下僅消耗0.92 μW功率，尤其適合于無源RFID傳感器標(biāo)簽設(shè)計(jì)中。

傳感器接口電路；RFID標(biāo)簽；CMOS工藝

0 引言

電容式傳感器利用電容器原理，將外界環(huán)境中待測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電容量，再將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、頻率等輸出量，被廣泛應(yīng)用在壓力、濕度、加速度、位移、氣體等檢測(cè)中[1]。當(dāng)前，得益于微電子技術(shù)的發(fā)展，作為集成電路制造主流工藝的CMOS工藝能很好地將電容式傳感器與讀出電路、信號(hào)處理電路等集成在同一芯片上，不僅大大降低系統(tǒng)成本，而且可以提高檢測(cè)精度，所以電容式傳感器被廣泛應(yīng)用于集成傳感器的設(shè)計(jì)中[2]。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后第三次數(shù)字技術(shù)革命，其中的射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification,RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最前端(感知層)的關(guān)鍵技術(shù)。RFID技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在無線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用和發(fā)展[3]。一般來說，RFID系統(tǒng)可以分為有源和無源兩類。由于無源RFID標(biāo)簽無需內(nèi)置電源供電，成本低且靈活性強(qiáng)，因此更廣泛地被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中[4]。近年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)發(fā)展的迅猛需求，在無源RFID標(biāo)簽中集成傳感器功能的研究已成為一種趨勢(shì)[5]。RFID傳感器標(biāo)簽不僅拓寬了RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍，而且有利于降低系統(tǒng)成本、減小電路面積及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

無源RFID標(biāo)簽通過天線接收RFID閱讀器發(fā)出的無線信號(hào)，并經(jīng)內(nèi)部整流器轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽正常工作所需要的直流電壓，因此，功耗是無源標(biāo)簽最重要的性能指標(biāo)，它決定了標(biāo)簽工作的最大距離。一個(gè)無源超高頻RFID標(biāo)簽的典型功耗為10 μW，因此集成于無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器接口電路的功耗一般都不超過2 μW。傳統(tǒng)電容式傳感器接口電路基于開關(guān)電容運(yùn)算放大器，首先采用電容-電壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生一個(gè)與傳感器電容和參考電容差值成正比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)[6-8]。這種設(shè)計(jì)方法能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于ADC采用了運(yùn)算放大器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗甚高(常達(dá)到mW級(jí))。文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)上述設(shè)計(jì)方法，采用反相器替代ADC中的運(yùn)算放大器，極大降低了整體電路功耗，但仍然采用了較高的電源電壓，且功耗高于幾μW，不適合應(yīng)用于無源標(biāo)簽中。文獻(xiàn)[11-12]基于脈沖寬度調(diào)制法，將傳感器電容值變化轉(zhuǎn)換到時(shí)域進(jìn)行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換。這種方法適合應(yīng)用于傳感器電容變化范圍大的設(shè)計(jì)中，但電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢，也不適合無源低功耗設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)無源RFID傳感器標(biāo)簽的應(yīng)用需求，提出一種基于頻域的電容式傳感器接口電路，它采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了采用功耗甚高的ADC，電路整體功耗低于1 μW，尤其集成于無源RFID標(biāo)簽中。

1 電容式傳感器接口電路設(shè)計(jì)

1.1 全數(shù)字電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)

CMOS工藝的發(fā)展主要是針對(duì)于數(shù)字集成電路。隨著工藝尺寸的減小，數(shù)字集成電路的速度、功耗和面積等性能都獲得很大提高，但是對(duì)于模擬集成電路來說，工藝尺寸的減小所帶來的性能提高并不如數(shù)字電路那么大。除了匹配和噪聲性能的下降，MOS管閾值電壓的減小也不像電源電壓的減小那么顯著，這就導(dǎo)致在模擬集成電路設(shè)計(jì)中可允許的輸出電壓范圍的減小[13]。因此，當(dāng)器件工藝進(jìn)入納米時(shí)代后，在低電壓下設(shè)計(jì)傳感器接口電路就成為一種挑戰(zhàn)。針對(duì)這一點(diǎn)，本課題組近年來專注于將傳統(tǒng)的電壓幅度域處理傳感器信號(hào)方式轉(zhuǎn)移到頻率域處理傳感器信號(hào)方式[14]。這種設(shè)計(jì)方法允許采用全數(shù)字電路而不是模擬電路，從而可以工作在更低的電源電壓下，適合低功耗的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

如圖1所示，本文提出的全數(shù)字電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)包含環(huán)形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器。環(huán)形振蕩器將傳感器電容值Csens轉(zhuǎn)換為振蕩頻率fsens。由于在仿真環(huán)境下，很難精確估計(jì)環(huán)形振蕩器的自激振蕩頻率fo，因此分頻器(包含2、4、8分頻)和多路選擇器(三選一)的加入保證了流片后此接口電路功能的實(shí)現(xiàn)。一個(gè)10 bits計(jì)數(shù)器受系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)CLK控制計(jì)算多路選擇器輸出信號(hào)頻率，并輸出相應(yīng)bout。

圖1 全數(shù)字電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 低功耗環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)

環(huán)形振蕩器是本文設(shè)計(jì)的接口電路的核心部分，它決定了整個(gè)接口電路的性能。本文設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器采用三級(jí)反相器結(jié)構(gòu)(如圖2)。它將傳感器電容值的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率fsens變化，輸出頻率fsens表達(dá)式如下：

(1)

式中：ID為反相器偏置電流;VH和VL分別為反相器高低電平;Co為反相器輸出端等效電容，在本設(shè)計(jì)中，Co≈Csens。

圖2 基于反相器的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)圖

在低功耗應(yīng)用中，環(huán)形振蕩器中的反相器常常采用電流受限型 (Current-starved) 反相器以降低功耗[15]。傳統(tǒng)電流受限型反相器單元的輸出電壓一般都接近電源電壓和地，這提高了輸出信號(hào)擺幅，但同時(shí)也增加了功耗。為兼顧功耗與輸出電壓擺幅，本文采用一種新型的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu) (如圖3)。其中，M1-M6構(gòu)成電流受限型三級(jí)反相器結(jié)構(gòu)，M7-M9和M10-M12構(gòu)成反相器的電流鏡，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，MH1、MH2和ML1、ML2額外加入為鉗制前兩級(jí)反相器的輸出電壓擺幅。以第一級(jí)反相器為例，當(dāng)反相器輸入信號(hào)從高轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，反相器輸出電壓準(zhǔn)備從低變?yōu)楦唠娖健］敵鲭妷荷邥r(shí)，MH1的柵電壓升高導(dǎo)致它的柵源電壓VGSH降低，當(dāng)?shù)陀陂撝惦妷簳r(shí)，MH1進(jìn)入亞閾值工作狀態(tài)，工作電流以指數(shù)方式迅速降低。因此，MH1輸出電壓上升坡度減緩，直到輸出電壓到達(dá)VDD-VGSH-VDS7，其中為VDD電源電壓，VDS7為M7的漏源電壓。同理，當(dāng)反相器輸出電壓從高變?yōu)榈蜁r(shí)，ML1進(jìn)入亞閾值區(qū)從而限制了反相器輸出電壓低于VGSL+VDS10，其中VGSL為ML1的柵源電壓，VDS10為M10的漏源電壓。因此，前兩級(jí)反相器的輸出電壓擺幅減小為

VDD-(VGSH+VDS7)-(VGSL+VDS10)

(2)

電壓VGSH和VGSL的大小主要由MH1和ML1的寬長比決定。

圖3 本文采用的環(huán)形振蕩器電路圖

圖4為本設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器的輸出電壓仿真圖，從圖中可以得到，相比輸出級(jí)，采用限幅二極管的前兩級(jí)反相器的電壓擺幅從1 V降低為0.4 V，這使得環(huán)形振蕩器的整體功耗降低了約30%。圖5為傳感器電容值Csens與環(huán)形振蕩器的輸出頻率fsens仿真關(guān)系圖，從圖中可以得到，本文設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器具有良好的線性度。

圖4 本文設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器輸出波形圖

圖5 不同傳感器電容值下的環(huán)形振蕩器輸出頻率

2 測(cè)試結(jié)果分析

圖6為采用本文設(shè)計(jì)的接口電路的集成濕度傳感器芯片圖，采用臺(tái)積電0.18 μm CMOS 1P6M工藝制造，其中a部分為濕度傳感器單元，b部分為接口電路部分。測(cè)試芯片被放置于VCL4003溫濕箱中，時(shí)鐘頻率為1 kHz，分頻器被設(shè)置為4分頻。

圖6 采用本文設(shè)計(jì)的接口電路的集成濕度傳感器芯片圖

圖7為所設(shè)計(jì)的集成電容式接口電路的線性性能測(cè)試圖。在25 ℃下，相對(duì)濕度10%～90%變化范圍內(nèi)，每隔相對(duì)濕度5%測(cè)試一次接口電路輸出，本文設(shè)計(jì)的接口電路獲得了良好的線性度。分別在溫度0 ℃和60 ℃下，重復(fù)以上測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的接口電路依然獲得良好的線性度，而且0～60 ℃的最大偏差不超過10%;如圖7(a)。在常溫25 ℃下，改變分頻器的分頻比，再次重復(fù)線性度性能測(cè)試，從圖中可以判斷，在分頻比為4時(shí)，接口電路獲得了更好的線性度(如圖7(b))。

表1將本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字電容式傳感器接口電路與近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的電容式接口電路進(jìn)行了性能對(duì)比。本文設(shè)計(jì)的接口電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的特點(diǎn)，它只占用了0.21 mm2芯片面積，1 V電源電壓下僅消耗了0.92 μW功率。雖然文獻(xiàn)[10]與文獻(xiàn)[14]的方案也獲得了同數(shù)量級(jí)的低功耗，但文獻(xiàn)[10]采用了更先進(jìn)的0.09 μm工藝，文獻(xiàn)[14]卻只獲得了8.1的有效位數(shù) (ENOB)。

表1 集成電容式傳感器接口電路性能對(duì)比

(a) 不同溫度下的線性度

(b) 不同分頻比時(shí)的線性度圖7 電容式傳感器接口電路的線性度性能

3 結(jié)論

本文針對(duì)無源RFID傳感器標(biāo)簽的應(yīng)用，采用0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種集成電容式傳感器接口電路。該接口電路采用了一種內(nèi)部限幅的環(huán)形振蕩器電路，將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，并由計(jì)數(shù)器完成數(shù)字信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換。后期測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的集成電容式傳感器接口電路獲得了良好的線性度和穩(wěn)定性，所占面積小，功耗低，特別適用應(yīng)用于無源傳感器標(biāo)簽設(shè)計(jì)中。在下一步研究工作中，將對(duì)傳感器接口電路功耗與速度之間進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化折中。

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Design of Integrated Capacitive Sensor Interface Based on Passive RFID

CHEN Hong1, DENG Fang-ming2, WU Xiang2

(1.School of Railway Tracks and Transportation, East China JiaoTong University, Nanchang 330013, China； 2.School of Electrical and Electronic Engineering, East China JiaoTong University, Nanchang 330013, China)

According to the rapid development of Radio Frequency IDentification (RFID), this paper presented an integrated capacitive sensor interface using 0.18 μm complementary metal oxide semiconductor technology.The proposed interface employed fully-digital architecture and processed the sensor value in frequency domain.The sensor interface presented an internal-amplitude-limiting ring oscillator, resulting in a reduction in power dissipation by almost 30%.Measurement results show the proposed integrated capacitive sensor interface achieves excellent linearity and stability.The proposed interface covers 0.21 mm2chip area and consumes only 0.92 μW power, which proves especially suitable for passive RFID tag design.

Sensor Interface;RFID tag;CMOS technology

國家自然科學(xué)基金(51468020)；江西省科技廳青年科學(xué)基金(20142BAB217008)；江西省教育規(guī)劃重點(diǎn)課題(12ZD049)

2015-03-17 收修改稿日期：2015-06-02

TP212

A

1002-1841(2015)11-0004-03

陳宏(1967— )，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)镃MOS傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)。E-mail：584000884@qq.com 鄧芳明(1982— )，講師，主要研究方向?yàn)槟M與混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)、傳感器接口電路及射頻識(shí)別技術(shù)。 E-mail：13755633966@163.com