面向RFID標(biāo)簽的COMS低功耗溫度傳感器設(shè)計(jì)*

何 歡

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶401331）

面向RFID標(biāo)簽的COMS低功耗溫度傳感器設(shè)計(jì)*

何 歡*

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶401331）

為了最大限度地提高無線射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽的操作距離，提出了一種集成于RFID標(biāo)簽芯片的超低功耗高精度CMOS溫度傳感器。提出傳感器電路由新型數(shù)字環(huán)形振蕩器，分頻器，多路復(fù)用器和10 bit的數(shù)字計(jì)數(shù)器組成，溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出是在一個(gè)采樣周期期間通過計(jì)數(shù)振蕩器的時(shí)鐘邊緣數(shù)量得以實(shí)現(xiàn)。振蕩器的頻率可以通過電容器組和堆疊晶體管進(jìn)行數(shù)字修正。通過0.18μm CMOS測試芯片獲得的測量數(shù)據(jù)表明，提出的溫度傳感器分辨率為0.4℃/LSB，10 bit數(shù)字輸出，校準(zhǔn)后的可測量溫度范圍從-20℃到95℃。采樣頻率為10 Hz時(shí)，提出的傳感器的功耗僅為92 nW。

溫度傳感器；RFID；環(huán)形振蕩器；低功耗

無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種社會(huì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，比如實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控，安全防護(hù)，以及供應(yīng)鏈管理［1-2］。當(dāng)今的無線射頻識(shí)別標(biāo)簽通常只具有識(shí)別功能，但是未來的無線射頻識(shí)別標(biāo)簽需要能夠感應(yīng)并且提供周邊的環(huán)境信息數(shù)據(jù)［3］。特別是，具有溫度監(jiān)控功能的無線射頻識(shí)別標(biāo)簽可以廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)用途中。

校正法在大規(guī)模生產(chǎn)傳感器方面發(fā)揮著重要作用［4-5］。相較于經(jīng)過多點(diǎn)校正的傳感器，經(jīng)過單點(diǎn)校正的傳感器通常成本更低。文獻(xiàn)［6］提出的數(shù)字溫度傳感器，在實(shí)施單點(diǎn)校正之后，實(shí)測溫度精度在±2℃的范圍之內(nèi)，溫度范圍為0℃～100℃。同樣地，文獻(xiàn)［7］描述了使用FPGA的自主校正全數(shù)字式溫度傳感器。自主校正溫度傳感器的實(shí)測溫度范圍為0℃～+75℃。

盡管應(yīng)用于無線射頻識(shí)的CMOS溫度傳感器已經(jīng)受到了目前國際上學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛的研究［8-9］。但是它們幾毫瓦的電力消耗已經(jīng)相當(dāng)于標(biāo)簽本身的電力消耗，從而導(dǎo)致無線射頻識(shí)別標(biāo)簽的操作距離明顯減少［10］。為了最大化無線射頻識(shí)別標(biāo)簽的操作距離，與標(biāo)簽的功耗相比較，溫度傳感器的功耗應(yīng)該被忽略。

在本文中，提出了一種基于環(huán)形振蕩器的CMOS溫度傳感器，應(yīng)用于無線射頻識(shí)別。提出的傳感器通過環(huán)形振蕩器和數(shù)字計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)ADC的功能，因此，帶隙基準(zhǔn)電壓和ADC都不需要消耗大量的功率。此外，由于提出的傳感器實(shí)施全數(shù)字化，因此不需要偏置電流，隨著操作頻率的降低，功耗降低不受任何限制。環(huán)形振蕩器由堆疊的逆變器構(gòu)成，用來降低泄漏電流。為了解決制程變異的影響，振蕩器的頻率可以進(jìn)行數(shù)字修正。最后，由于提出的傳感器運(yùn)用了閾值電壓的溫度依賴關(guān)系和MOS晶體管的載流子遷移率，因此與基于帶隙電路和ADC的傳統(tǒng)溫度傳感器相比，提出傳感器集成電路的實(shí)現(xiàn)更加簡單。

1 數(shù)控環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)

傳感器電路所用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。振蕩器由15個(gè)相同的逆變器，一個(gè)電容器，以及一個(gè)驅(qū)動(dòng)后面分頻器的緩沖器組成。其中電容器組連接于每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。包括緩沖器在內(nèi)的所有振蕩器組件所設(shè)計(jì)的操作電源電壓為0.3 V。由于閾值電壓的溫度依賴性，隨著溫度的增加，振蕩器可以在亞閾值區(qū)域，接近閾值區(qū)域和高于閾值區(qū)域運(yùn)行。因此，環(huán)形振蕩器輸出頻率的動(dòng)態(tài)范圍很廣泛。與之相反，文獻(xiàn)［6］雖然基于振蕩器，但是動(dòng)態(tài)范圍非常有限。振蕩器的頻率取決于每個(gè)階段的輸出所獲得的總電容。

圖1 數(shù)控環(huán)形振蕩器的示意圖

環(huán)形振蕩器的頻率取決于單個(gè)逆變器在每個(gè)階段的時(shí)間延遲td，由以下公式得出

式中，Co表示每個(gè)階段輸出時(shí)得到的總電容，iD表示單個(gè)MOS晶體管的電流。

振蕩器的頻率可以與由5個(gè)MOS晶體管電容器構(gòu)成的5 bit限制組進(jìn)行數(shù)字修正。電流驅(qū)動(dòng)的逆變器結(jié)構(gòu)延時(shí)可以進(jìn)行數(shù)字調(diào)整，如圖2所示。為了減少泄漏電流，堆積了4個(gè)NMOS和PMOS晶體管。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的逆變器鏈相比，功率降低達(dá)18%左右。此外，這種疊加的逆變器結(jié)構(gòu)可以對(duì)環(huán)形振蕩器的頻率進(jìn)行調(diào)整。通過打開和關(guān)閉堆疊的晶體管，MOS晶體管阻力出現(xiàn)變化，因此堆積的逆變器時(shí)間延遲可以削減。

圖2 電流驅(qū)動(dòng)式可調(diào)逆變器示意圖

2 提出的CMOS溫度傳感器結(jié)構(gòu)

提出的CMOS溫度傳感器由環(huán)形振蕩器，分頻器，多路復(fù)用器和10 bit的數(shù)字計(jì)數(shù)器組成，如圖3所示。溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出是在一個(gè)采樣周期期間通獲得過計(jì)數(shù)振蕩器的時(shí)鐘邊緣數(shù)量得以實(shí)現(xiàn)。采樣周期不依賴于溫度變化，可以從射頻識(shí)別讀卡器獲得采樣周期［8］。

圖3 基于環(huán)形振蕩器的CMOS溫度傳感器框圖

在提出的方案中，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）在低于閥值和高于閥值區(qū)域運(yùn)行。眾所周知，在常規(guī)情況下溫度依賴iD高于閥值，因此我們?cè)趤嗛撝祬^(qū)域進(jìn)行了分析，其中iD表示如下：

式中，q表示電子電荷，VDS表示漏源極電壓，VGS表示MOSF柵源電壓，T表示絕對(duì)溫度，VT為閾值電壓。

式中，μ表示有效的通道流動(dòng)性，CX表示單位面積上的柵極電容，W和L分別表示通道寬度和長度。kB表示一個(gè)不依賴于溫度的參數(shù)。

式中，Cs，Ct以及Cox分別表示半導(dǎo)體，快界面態(tài)和氧化層電容。電流的溫度系數(shù)（TCC）與文獻(xiàn)［9］一致。

電流的溫度系數(shù)TCC取決于閾值電壓VT和載流子遷移率μ［9］。這些控制溫度變化的關(guān)系大概可以由文獻(xiàn)［11-12］表示：

式中，溫度系數(shù)αVT是負(fù)數(shù)。因此，載流子遷移率μ和閾值電壓VT均隨著溫度的增加而降低。而載流子遷移率趨于減弱電流的驅(qū)動(dòng)能力，而閾值電壓趨于加強(qiáng)。由于降低閾值電壓比降低亞閾值區(qū)域的流動(dòng)性更有效［11］，所以在該區(qū)域電流的溫度系數(shù)值是負(fù)數(shù)。因此，單個(gè)逆變器的時(shí)間延遲隨著溫度的增加而減少。因此，隨著溫度的增加，環(huán)形振蕩器的頻率也增加了。

為了獲得一個(gè)數(shù)字輸出，使用一個(gè)10 bit的數(shù)字計(jì)數(shù)器配合振蕩器工作，如圖3所示。因?yàn)樵诜抡嫠胶茈y預(yù)測振蕩器準(zhǔn)確的自由運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，尤其是在亞閾值區(qū)域中，設(shè)置了一個(gè)分頻器，除數(shù)數(shù)值為2、4、8，并且數(shù)字計(jì)數(shù)器緊隨其后，以便確保運(yùn)算的可靠性和正確性。

3 測試結(jié)果

提出的溫度傳感器采用0.18μm CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器的芯片顯微圖，如圖4所示。采樣率為10 Hz，足以滿足RFID協(xié)議的要求。

圖4 實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器顯微圖

使用邏輯分析儀和示波器，對(duì)測試芯片進(jìn)行測量，如圖5和圖6所示。溫度室設(shè)置和保持監(jiān)控內(nèi)部的溫度分辨率為0.1℃，溫度范圍在-20℃到120℃之間。函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用了假定從RFID讀卡器獲得的采樣時(shí)鐘。而環(huán)形振蕩器的驅(qū)動(dòng)電壓為0.3 V，亞閾值區(qū)電壓，在低功率下運(yùn)行，其他所有的模塊包括分頻器，多路復(fù)用器，和數(shù)字計(jì)數(shù)器。為了獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在溫度變化非常緩慢的環(huán)境下對(duì)實(shí)現(xiàn)的芯片性能進(jìn)行測量。

圖5 提出的CMOS溫度傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖6 溫度傳感器實(shí)驗(yàn)使用的高低溫試驗(yàn)箱

其中，溫度范圍為-20℃到95℃，表1列出了計(jì)算出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。

表1 計(jì)算出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)

環(huán)形振蕩器的測量溫度敏感性如圖7所示。正如所預(yù)期的結(jié)果，環(huán)形振蕩器的頻率隨著溫度的增加而增加。因此，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，閾值電壓的降低比在亞閾值區(qū)域載流子遷移率的增加更有效?？傮w的溫度靈敏度曲線具有非線性特性，因?yàn)榄h(huán)形振蕩器從亞閾值區(qū)域到高于閾值區(qū)域貫穿了不同的操作區(qū)域。

圖7 當(dāng)電壓為0.3 V時(shí)，振蕩器的溫度靈敏度

數(shù)字計(jì)數(shù)器量化的輸出如圖8所示。由于沒有分頻器數(shù)字的輸出溢出大約在90℃以上，所以從除以2的輸出開始測量溫度傳感器的性能。提出的溫度傳感器分辨率為0.4℃/LSB，10 bit數(shù)字輸出，溫度范圍在5℃到85℃之間。當(dāng)利用MATLAB進(jìn)行芯片外校準(zhǔn)時(shí)，溫度范圍擴(kuò)展到-20℃到95℃之間。溫度為20℃時(shí)，單個(gè)溫度傳感器的功耗是92 nW。在表2中列出了所提出的溫度傳感器與其他的溫度傳感器的測量性能總結(jié)?？梢杂^察到，本文提出基于環(huán)形振蕩器的CMOS溫度傳感器消耗的功率最低，占據(jù)的面積最小，同時(shí)具有良好的溫度分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

圖8 利用分頻器獲得的數(shù)字輸出代碼

表2 溫度傳感性能參數(shù)的對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種基于環(huán)形振蕩器的CMOS溫度傳感器，在低于閥值區(qū)域功耗為92 nW。為了實(shí)現(xiàn)低功率運(yùn)行，運(yùn)用電流驅(qū)動(dòng)的逆變器，環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)的閾下電壓為0.3 V。為了處理過程變異，可以對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行數(shù)字修正。最后，由于溫度傳感器利用MOS晶體管的閾值電壓和載流子遷移率的溫度依賴性，因此與基于帶隙基準(zhǔn)電壓和ADC的傳統(tǒng)CMOS溫度傳感器相比，它的結(jié)構(gòu)非常簡單，芯片面積很小，而且具備相對(duì)良好的分辨率性能。

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何 歡（1973-），男（漢族），四川南江縣人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)、算法研究、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、信息管理等領(lǐng)域研究，he365huan@ 163.com。

Design of COMS Low Power Temperature Sensor for RFID Tag*

HE Huan*
（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

In order to improve the operating distance of wireless radio frequency identification（RFID）tags，an ultralow power high precision CMOS temperature sensor integrated with RFID tag chip is proposed.The sensor circuit is composed of a new type of digital ring oscillator，a frequency divider，a multiplexer，and a 10 bit digital counter. Temperature is converted into digital output which is achieved during a sampling period by the number of the clock edge of the oscillator is obtained.The frequency of the oscillator can be corrected by means of a capacitor stack and a stack of transistors.Due to the temperature dependence of the threshold voltage and the carrier mobility of MOS transistor，the proposed sensor is simpler than the traditional temperature sensor.The measured data obtained by 0.18μm CMOS test chip show that the proposed temperature sensor resolution is 0.4℃/LSB，the 10 bit digital out?put，the calibration can be measured in the temperature range from-20℃to 95℃.When the sampling frequency is 10 Hz，the power consumption of the proposed sensor is only 92 nW.

temperature sensor；RFID；ring oscillator；low power consumption

TP212.4

A

1005-9490（2016）06-1456-04

7230；7320R

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.034

項(xiàng)目來源：教育部高校碩士點(diǎn)基金項(xiàng)目（200801120007）

2015-12-13 修改日期：2016-01-10