集成于無源RFID標(biāo)簽的溫度傳感器設(shè)計*

王 磊， 鄧芳明， 吳 翔， 付智輝， 譚 暢

(華東交通大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

集成于無源RFID標(biāo)簽的溫度傳感器設(shè)計*

王 磊， 鄧芳明， 吳 翔， 付智輝， 譚 暢

(華東交通大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

針對無源無線射頻識別(RFID)標(biāo)簽的低功耗設(shè)計要求，設(shè)計了一種基于環(huán)形振蕩器的CMOS溫度傳感器。該傳感器首先產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比PTAT電流，然后通過環(huán)形振蕩反相器來產(chǎn)生相應(yīng)的PTAT頻率，最后利用計數(shù)器來實現(xiàn)頻率—數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換。測試結(jié)果表明：該溫度傳感器實現(xiàn)了125 nW的超低功耗，在-40～80 ℃范圍內(nèi)，誤差僅為-0.7/1.2 ℃，特別適合集成于無源RFID標(biāo)簽中。

溫度傳感器; 無線射頻識別標(biāo)簽; 低功耗設(shè)計

0 引 言

由于安裝便捷等原因，各種類型的無線傳感器被廣泛地應(yīng)用于不同行業(yè)中?，F(xiàn)有的無線傳感器技術(shù)主要包含ZigBee,藍(lán)牙(Bluetooth)和無線局域網(wǎng)(WLAN)，但基于這3種技術(shù)的無線傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗較高，需要電源或電池供電，不適合應(yīng)用于低成本和需要長期監(jiān)測的場合[1]。近年來，基于無線射頻識別(RFID)技術(shù)的無線傳感標(biāo)簽設(shè)計研究引起了國內(nèi)外的廣泛興趣。由于RFID標(biāo)簽采用了反向散射調(diào)制技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，可以工作于無源狀態(tài)，因此RFID傳感技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分[2]。

無源RFID標(biāo)簽接收RFID讀寫器發(fā)出的射頻能量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽自身工作所需的電源，因此，功耗是RFID傳感器標(biāo)簽的最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，決定了標(biāo)簽最大工作距離，是無源RFID系統(tǒng)可靠工作的前提[3]。集成于無源RFID標(biāo)簽的溫度傳感器要求電路結(jié)構(gòu)簡單，所占芯片面積小、功耗低(mW級)。傳統(tǒng)的CMOS溫度傳感器是基于雙極型晶體管(BJT)結(jié)構(gòu)[4,5]，首先將溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化，然后通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行電壓—數(shù)字轉(zhuǎn)換。設(shè)計可以獲得高精度和高分辨率性能，但由于ADC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗甚高，不適合集成于無源RFID標(biāo)簽中。為了實現(xiàn)低功耗，基于時間/數(shù)字[6,7]或頻率/數(shù)字轉(zhuǎn)換[8]的溫度傳感器設(shè)計方案用于取代傳統(tǒng)方案中ADC結(jié)構(gòu)，然而這些設(shè)計又被限制在有限的工作范圍和精度之內(nèi)。

針對無源RFID傳感標(biāo)簽的設(shè)計需求，本文設(shè)計了一種CMOS溫度傳感器。該溫度傳感器采用基于環(huán)形振蕩器的反相器產(chǎn)生與絕對溫度成正比(PTAT)頻率，然后通過計數(shù)器來實現(xiàn)數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換，電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，工作范圍大，適合集成于無源RFID標(biāo)簽中。

1 CMOS溫度傳感器設(shè)計

溫度傳感器設(shè)計方案如圖1所示，該溫度傳感器的結(jié)構(gòu)由一個PTAT溫控振蕩器和一個10 bit的計數(shù)器組成，工作原理如下：PTAT振蕩器用于產(chǎn)生PTAT頻率fosc，然后計數(shù)器計算一個時鐘信號周期內(nèi)所包含的fosc周期數(shù)，輸出相應(yīng)的數(shù)字輸出Bo，從而完成了溫度/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。時鐘信號Clk由RFID標(biāo)簽的內(nèi)部時鐘發(fā)生器產(chǎn)生，因此，溫度傳感器無需再設(shè)計時鐘發(fā)生器。PTAT振蕩器是由一系列反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，假設(shè)PTAT振蕩器的上升和下降時間相等，其振蕩頻率fosc可以表示如下

(1)

式中td為環(huán)路的延遲時間;It為流過反相器的電流;Cl為環(huán)路的等效負(fù)載電容;Vm為輸出電壓的最大擺幅，一般等于電源電壓VDD。由于每設(shè)置一個反相器都將增加額外的電容和延遲時間，因此，反相器級數(shù)N由振蕩頻率fosc決定。

圖1 溫度傳感器設(shè)計原理圖

設(shè)計的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個PTAT電流源It。本文設(shè)計的工藝與電壓(PV)補償?shù)腜TAT電流源如圖2所示，晶體三極管M1和M2用來產(chǎn)生PTAT電壓VPTAT，然后加在PV補償電阻上獲取PV補償電流It。晶體管M3～M5用來產(chǎn)生PV補償?shù)挠性措娮?。偏置在亞閾值區(qū)的NMOS晶體管M1和M2分別是短溝道和長溝道晶體管，PTAT電壓可以由下式得到[9]

VPTAT=VGS2-VGS1=ηVTlnK

(2)

式中 VGS1和VGS2分別為M1和M2的柵—源電壓;n為近似值為1.45的亞閾值斜率;VT為熱電壓;K為2個晶體管的寬比。PMOS晶體管M5作為有源電阻工作在線性區(qū)域，其阻值為

(3)

式中 μp為空穴遷移率;Cox為晶體管的氧化物電容;W/L為晶體管寬對長的比值;VSG為晶體管的源—柵電壓;Vth為閾值電壓;μp產(chǎn)生溫度變化的影響使得柵極電壓要高于閾值電壓Vth。因此，需要產(chǎn)生一個柵極電壓來補償由溫度變化引起的影響。PMOS晶體管M3和M4偏置在亞閾值區(qū)，電壓VCTAT可以由式(4)計算

VCTAT=VDD-(VSC3-VSG4)=VDD-ηVTlnK

(4)

式(4)表明:產(chǎn)生的電壓為隨電源電壓變化的CTAT電壓。因此，輸出電流It為PV補償PTAT電流源。

圖2 PTAT電流產(chǎn)生電路

為進(jìn)一步降低功耗，設(shè)計的PTAT振蕩器電路圖如圖3所示，通過3級振蕩器中M1～M6的電流被M7～M12的鏡像電流所限制。與傳統(tǒng)的環(huán)形振蕩反相器相比，盡管需要對晶體管M7～M12額外提供更高的電源電壓，但是通過反相器的電流被限制得很低，達(dá)到了超低功耗和高穩(wěn)定性的設(shè)計目的。

圖3 環(huán)形振蕩器電路

2 測試結(jié)果

設(shè)計的集成于RFID標(biāo)簽的溫度傳感器采用臺積電0.18μmCMOS工藝，封裝后的無源RFID溫度傳感器標(biāo)簽如圖4所示。RFID標(biāo)簽的內(nèi)部時鐘頻率設(shè)定為1kHz，傳感器溫度性能的測試在溫度控制箱中進(jìn)行。圖5為溫度傳感器在-40～80 ℃，以5 ℃為步長的數(shù)字輸出圖?？芍涸摐囟葌鞲衅髟?40～80 ℃范圍獲得高線性度，分辨率為0.3 ℃/LSB。

圖4 集成溫度傳感器的RFID傳感器標(biāo)簽

圖5 溫度傳感器線性度測試結(jié)果

為了更好地測試所設(shè)計的溫度傳感器性能，以商用溫度傳感器TMP275輸出作為參考溫度并進(jìn)行對比。圖6給出了所測試的5塊溫度傳感器樣品的精確度。在經(jīng)過20 ℃點的溫度校準(zhǔn)后， -40～80 ℃之間測量誤差為-0.7/1.2 ℃。本文設(shè)計的溫度傳感器與文獻(xiàn)[6，7，9]中所設(shè)計的傳感器的性能比較如表1所示。該溫度傳感器的面積只有0.062mm2，在0.5V電源電壓下的功耗僅為125nW。盡管在文獻(xiàn)[6,7,9]的設(shè)計中也獲得類似的低功耗，但是這些方案都被限定在一個有限的工作范圍內(nèi)。

圖6 溫度傳感器誤差性能

表1 溫度傳感器性能比較

3 結(jié) 論

本文提出的CMOS溫度傳感器首先產(chǎn)生一個PTAT電流，然后通過環(huán)形振蕩反相器來產(chǎn)生相應(yīng)的PTAT頻率。最后利用計數(shù)器來實現(xiàn)頻率/數(shù)字的轉(zhuǎn)換。測試結(jié)果表明:溫度傳感器實現(xiàn)了 125 nW 的超低功耗，且在-40～80 ℃范圍內(nèi)，誤差僅-0.7/1.2 ℃，特別適合集成于無源RFID標(biāo)簽中。

[1] 陳 宏,鄧芳明,何怡剛,等.一種適用無源RFID的集成加速度傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(10):86-89.

[2] 吳 翔,鄧芳明,何怡剛,等.應(yīng)用于RFID的超低功耗CMOS溫度傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):106-108.

[3] 程嘉奇,謝 生,毛陸虹,等.基于UHF RFID技術(shù)的無線脈搏血氧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):70-73.

[4] Aita A L,Pertijs M A P,Makinwa K A A,et al.A CMOS smart temperature sensor with a batch-calibrated inaccuracy of ±0.25 ℃(3σ)from -70 ℃ to 130 ℃[C]∥IEEE International Solid-State Circuits Conference，IEEE,2009:342-343.

[5] Sebastiano F,Breems L J,Makinwa K A A,et al.A 1.2 V 10 μW NPN-based temperature sensor in 65nm CMOS with an inaccuracy of ±0.2 ℃(3s)from -70 ℃ to 125 ℃[C]∥IEEE International Solid-State Circuits Conference，IEEE,2010:312-313.

[6] Man K L,Bermak A,Luong H C.A sub,W embedded CMOS temperature sensor for RFID food monitoring application[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(6):1246-1255.

[7] Man K L,Bermak A.A 405 nW CMOS temperature sensor based on linear MOS operation[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs,2009,56(12):891-895.

[8] Vaz A,Ubarretxena A,Zalbide I,et al.Full passive UHF tag with a temperature sensor suitable for human body temperature monitoring[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs,2010,57(2):95-99.

[9] Deng F,He Y,Li B,et al.Design of an embedded CMOS tempe-rature sensor for passive RFID tag chips[J].Sensors,2015,15(5):11442-11453.

王 磊 (1982- )，男，碩士，實驗師，主要從事智能檢測與故障診斷技術(shù)工作。

Design of an integrated temperature sensor for RFID application tag*

WANG Lei, DENG Fang-ming, WU Xiang, FU Zhi-hui, TAN Chang

(School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiao Tong University，Nanchang 330013,China)

Aiming at the requirements of low power consumption of RFID sensor tag,design a CMOS temperature sensor based on ring oscillator.The proposed temperature sensor first generate a PTAT current,and then generate a PTAT frequency by a ring oscillator.A counter counts this frequency to achieve the conversion of frequency to digital code.The measurement results show that the proposed temperature sensor only consumes 125 nW and the temperature error is sensor only -0.7/1.2 ℃ within the range of -40～80 ℃,which is especially suitable for RFID application.

temperature sensor; RFID tag; low-power consumption design

2017—01—16

國家自然科學(xué)基金資助項目(61663013)；江西省重點研發(fā)計劃資助項目(20161BBE50076)；江西省自然科學(xué)基金青年基金資助項目(20161BAB212051)；江西省教育廳科技資助項目(GJJ150506)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0102—03

TP 212.2

A

1000—9787(2017)06—0102—03