集成于無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽的新結(jié)構(gòu)CMOS溫度傳感器*

張 歡，毛陸虹，王 倩，謝 生，張世林

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

由于無(wú)源UHF RFID電子標(biāo)簽與其它頻段標(biāo)簽相比具有工作距離遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域［1］。而內(nèi)嵌溫度傳感器的無(wú)源RFID電子標(biāo)簽由于具有對(duì)溫度良好的檢測(cè)特性，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。因此內(nèi)嵌溫度傳感器的無(wú)源RFID電子標(biāo)簽在近幾年也成為人們研究的重點(diǎn)。由于無(wú)源RFID標(biāo)簽受工作距離和功率的限制，使得內(nèi)嵌的溫度傳感器對(duì)高精度、低功耗的要求也成為人們共同的研究方向和目標(biāo)。

集成于無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片的溫度傳感器傳統(tǒng)上采用ADC結(jié)構(gòu)［2－4］，這種結(jié)構(gòu)的溫度傳感器雖然精度較高，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用芯片面積較大，功耗也很大，并不適合應(yīng)用于無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片中。而采用較新TDC(time-to-digital converter)結(jié)構(gòu)的溫度傳感器［5］:利用反相器延時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)，再通過(guò)延時(shí)鏈結(jié)構(gòu)將溫度信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出;或者利用兩個(gè)完全相同的振蕩器相互補(bǔ)償?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)［6］，產(chǎn)生一個(gè)近似與溫度和電源電壓無(wú)關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)信號(hào)，也可以將溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。這種TDC結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)ADC結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗大大降低，精度也滿足系統(tǒng)需求。但此種結(jié)構(gòu)也存在著缺點(diǎn):反相器延時(shí)單元溫度特性不好，延時(shí)隨溫度變化不明顯;計(jì)數(shù)信號(hào)需使用兩個(gè)振蕩器相互補(bǔ)償產(chǎn)生，功耗較大，占用芯片面積較大。而基于MOS管閾值電壓的溫度特性設(shè)計(jì)的CMOS片上溫度傳感器［7］，由于MOS管閾值電壓的工藝偏差較大，校準(zhǔn)成本較高，也不適合集成于無(wú)源RFID標(biāo)簽中。

針對(duì)上述幾種結(jié)構(gòu)溫度傳感器的缺點(diǎn)，本文提出了一種新結(jié)構(gòu)的溫度傳感器。基于TDC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)偏置電路產(chǎn)生正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的兩路電流，利用兩路電流相反的溫度特性得到兩個(gè)溫度特性相反的階躍信號(hào)，異或產(chǎn)生與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)類(lèi)似差分結(jié)構(gòu)，能夠有效的克服工藝偏差導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。脈沖信號(hào)寬度隨溫度變化明顯，溫度特性較好。而利用兩路溫度系數(shù)相反的電流相互補(bǔ)償，得到一與溫度近似無(wú)關(guān)的偏置電流。計(jì)數(shù)信號(hào)直接由無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽芯片內(nèi)部振蕩器提供，其頻率受前面的偏置電流控制，近似與溫度無(wú)關(guān)。這使得設(shè)計(jì)的溫度傳感器不需要額外的振蕩器來(lái)提供計(jì)數(shù)信號(hào)，簡(jiǎn)化了電路，降低了芯片面積和功耗。設(shè)計(jì)的無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽芯片內(nèi)部振蕩器采用鋸齒波振蕩器，其頻率為2MHz。從而實(shí)現(xiàn)了溫度信息到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

設(shè)計(jì)的溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由偏置電路、PTAT和NTAT脈沖產(chǎn)生電路和一個(gè)8位異步計(jì)數(shù)器［8］組成。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先由偏置電路產(chǎn)生溫度系數(shù)相反的兩路電流Iptat和Intat，以及不隨溫度變化的偏置電流Ibias。Iptat通過(guò)PTAT脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)與溫度正相關(guān)的脈沖信號(hào)Pp，Intat通過(guò)NTAT脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)與溫度反相關(guān)的脈沖信號(hào)Pn。Pp和Pn通過(guò)異或產(chǎn)生一個(gè)與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)Pw，其寬度與溫度成正比例，接入計(jì)數(shù)器的使能控制端en來(lái)控制計(jì)數(shù)器的工作。偏置電流Ibias通過(guò)控制標(biāo)簽內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)clk。計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)R在Pw之前由標(biāo)簽數(shù)字部分發(fā)送過(guò)來(lái)，對(duì)計(jì)數(shù)器清零，保證計(jì)數(shù)正確。在Pw持續(xù)的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后，將結(jié)果Dout傳送給標(biāo)簽的數(shù)字部分存儲(chǔ)起來(lái)，需要的時(shí)候通過(guò)閱讀器對(duì)其進(jìn)行讀取和后續(xù)處理。

圖1 溫度傳感器整體結(jié)構(gòu)

2 主要模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)

2.1 偏置電路

偏置電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，M1～M3構(gòu)成啟動(dòng)電路，在上電過(guò)程中，起始M2柵極處于低電位，M3導(dǎo)通，對(duì)偏置電路注入電流，啟動(dòng)電路開(kāi)啟。隨著VDD逐漸升高，通過(guò)M1對(duì)M3充電，最終M2柵極達(dá)到高電位，M4截止，啟動(dòng)電路關(guān)閉，整個(gè)電路穩(wěn)定工作。

圖2 偏置電路結(jié)構(gòu)

中間是偏置電路的核心部分，M4～M7組成具有高PSRR的共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)，使得2支路電流相等基本不受電源電壓影響。R1和R2采用poly電阻，溫度系數(shù)近似為－2.16e－3/K可看做阻值基本不隨溫度變化。通過(guò)三極管Q2的電流［9］

其中VT=kT/q是熱電壓，n為Q2與Q1發(fā)射極面積之比。由于VT與溫度成正比例，則I1具有正的溫度系數(shù)。M8、M9和M14的柵極相連，使得M14與M8的柵極電壓相等，從而R2兩端電壓近似等于三極管Q1發(fā)射極電壓，即

則流過(guò)R2的電流

鋼混凝土混合連續(xù)梁在中孔大跨全部或部分采用鋼主梁，兩側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，充分發(fā)揮了混凝土材料的壓重作用和鋼材跨越能力大的優(yōu)勢(shì)，自重輕，施工快，節(jié)省材料[1-3]。該橋型發(fā)展僅有幾十年，實(shí)際工程應(yīng)用也偏少，存在著一些設(shè)計(jì)和施工中需予以研究和解決的新問(wèn)題，如鋼箱梁長(zhǎng)度的合理選擇是該橋型往大跨度方向發(fā)展時(shí)結(jié)構(gòu)受力與經(jīng)濟(jì)性能平衡的難點(diǎn)之一[4-6]。

由于Q1發(fā)射極電壓VBE與溫度成反比例，則I2具有負(fù)的溫度系數(shù)。通過(guò)M12、M13，M15～M19組成的電流鏡結(jié)構(gòu)，得到

式(6)兩邊對(duì)溫度求導(dǎo)得

已知熱電壓VT和三極管發(fā)射極電壓VBE1的溫度系數(shù)［10］

2.2 PTAT、NTAT 脈沖產(chǎn)生電路

PTAT和NTAT脈沖產(chǎn)生電路采用近似一樣的結(jié)構(gòu)，除了NTAT結(jié)構(gòu)的C0大一點(diǎn)，其它部分完全相同。以PTAT為例說(shuō)明，如圖3所示，通過(guò)前面偏置電路提供的電流Iptat給電容C0充電，當(dāng)C0兩端的電壓達(dá)到反相器的閾值電壓時(shí)，反相器1輸出端電位翻轉(zhuǎn)，由“1”變?yōu)椤?”，M0導(dǎo)通，將反相器1輸入端置“1”，起到鎖存的作用。從而反相器2輸出端電位由“0”變?yōu)椤?”，得到PTAT脈沖信號(hào)Pp。同理可得到NTAT脈沖信號(hào)Pn。

圖3 PTAT脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)

此種脈沖產(chǎn)生電路與傳統(tǒng)的單斜ADC結(jié)構(gòu)［11］相比，用反相器代替了比較器，也不需要額外提供一個(gè)參考電流源I_REF，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效的降低了電路整體的功耗和面積。而且兩脈沖產(chǎn)生電路采用近似完全相同的結(jié)構(gòu)，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，更加易于實(shí)現(xiàn)。

2.3 振蕩器

溫度傳感器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)由無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生，設(shè)計(jì)的標(biāo)簽內(nèi)部振蕩器采用電流控制的鋸齒波振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖4所示，控制振蕩器頻率的電流I_bias由前面的偏置電路產(chǎn)生，中間的Com模塊是一個(gè)遲滯比較器。I_bias通過(guò)M1和M2組成的電流鏡結(jié)構(gòu)為以二極管方式連接的M7和M9提供傳輸電流，從而為遲滯比較器提供一個(gè)比較電壓V_in+;通過(guò)M1和M4組成的電流鏡結(jié)構(gòu)為遲滯比較器提供一個(gè)偏置尾電流Ibias。然后I_bias通過(guò)M1和M5組成的電流鏡結(jié)構(gòu)，由M6對(duì)電容C充電;通過(guò)M1和M3、M10和M11組成的電流鏡結(jié)構(gòu)，由M8為電容C放電。enable通過(guò)控制M12的狀態(tài)來(lái)控制振蕩器的輸出信號(hào)。M13和M15、M14和M16組成的反相器結(jié)構(gòu)為振蕩器輸出整理波形。電路開(kāi)始工作時(shí)，振蕩器輸出信號(hào)out為“0”，其反饋到M6和M8組成的反相器的輸入端，于是M6導(dǎo)通，M8截止，I_bias通過(guò)M6對(duì)電容C充電，當(dāng)電容C兩端電壓V_in－達(dá)到了遲滯比較器Com的正參考電壓時(shí)，Com輸出端翻轉(zhuǎn)，由“0”變?yōu)椤?”，從而 out由“0”變?yōu)椤?”，反饋回去，于是又使得 M6截止，M8導(dǎo)通，I_bias通過(guò)M8對(duì)電容C放電，當(dāng)V_in－減小到Com的負(fù)參考電壓時(shí)，Com輸出端翻轉(zhuǎn)，由“1”變?yōu)椤?”，從而 out由“1”變?yōu)椤?”。反復(fù)上述過(guò)程，就得到了振蕩信號(hào)out。

圖4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)

對(duì)電容C有

則振蕩器周期T為

從上式可看出振蕩器周期T僅受I_bias影響。

3 仿真結(jié)果和分析

整個(gè)溫度傳感器基于 SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS工藝，在spectre環(huán)境下進(jìn)行仿真。電源電壓VDD為1.8 V，調(diào)整好各模塊的器件參數(shù)，當(dāng)溫度在－10℃～100℃變化時(shí)，對(duì)各個(gè)主要模塊進(jìn)行仿真。偏置電路仿真曲線如圖5、圖6和圖7所示，可以看出，在溫度變化范圍內(nèi)，圖5左圖Iptat隨溫度線性增大，其對(duì)溫度微分，得到右圖，斜率保持在211×10－3nA/℃ ～224×10－3nA/℃內(nèi)，可見(jiàn)Iptat具有較好的線性度。同理可見(jiàn)圖6中Intat隨溫度線性減小，斜率保持在－221×10－3nA/℃ ～209×10－3nA/℃內(nèi)，線性度較好;圖7 中Ibias保持在112 nA，斜率保持在－30×10－3nA/℃ ～10×10－3nA/℃內(nèi)，近似為 0，可見(jiàn)Ibias具有較好的溫度穩(wěn)定性，基本不隨溫度變化。

圖5 Iptat溫度特性曲線

圖6 Intat溫度特性曲線

圖7 Ibias溫度特性曲線

標(biāo)簽內(nèi)部振蕩器隨溫度和電源電壓變化的仿真曲線如圖8所示，可以看出，左圖中當(dāng)VDD為1.8 V，溫度在－10℃ ～100℃變化時(shí)，振蕩器頻率為1.96 MHz～2.09 MHz，相對(duì)與2 MHz的中心頻率，偏差為0.13 MHz，僅變化0.65%。右圖中當(dāng)VDD在1.5 V～2.5 V變化時(shí)，頻率也穩(wěn)定在2 MHz左右。可見(jiàn)，振蕩器具有很好的對(duì)溫度和電源電壓的穩(wěn)定性。

與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)Pw和計(jì)數(shù)器數(shù)值輸出Dout在20℃時(shí)的仿真曲線如圖9和圖10所示。當(dāng)溫度在－10℃ ～100℃變化時(shí)，仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 振蕩器隨溫度和電源電壓變化曲線

表1 Pw和Dout的仿真結(jié)果

當(dāng)溫度在－10～100℃變化時(shí)，溫度傳感器的數(shù)值輸出Dout隨溫度變化的曲線如圖11所示，可以看出溫度傳感器的數(shù)值輸出與溫度基本呈線性關(guān)系，線性度較好，Dout隨溫度線性增大。溫度傳感器的有效分辨率［12］定義為:

從上式可知有效分辨率為

溫度傳感器的數(shù)值輸出與溫度的關(guān)系近似為:

其輸出靈敏度較高為2LSB/℃，可適用于無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽芯片中。

圖11 溫度傳感器數(shù)值輸出隨溫度的變化曲線

4 工藝分析

上述仿真結(jié)果是在典型工藝角下得到的，當(dāng)工藝角發(fā)生變化時(shí)，電路中各器件的工作狀態(tài)也隨之改變，使得溫度傳感器的數(shù)值輸出也發(fā)生變化。下面表2和表3分別是SS和FF工藝角下的仿真結(jié)果。

表2 Dout的仿真結(jié)果(SS)

表3 Dout的仿真結(jié)果(FF)

由(13)可知SS下的有效分辨率為

以及FF下的有效分辨率為

SS和FF與典型工藝角下的仿真結(jié)果對(duì)比如圖12，可以看出SS低溫時(shí)線性度略差些，F(xiàn)F整體線性度較好。從整個(gè)溫度變化范圍來(lái)看，各個(gè)工藝角下的線性度都較好，靈敏度也較高，可應(yīng)用于無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽芯片中。

圖12 不同工藝角下溫度傳感器數(shù)值輸出隨溫度的變化曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)集成于無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽芯片的新結(jié)構(gòu)溫度傳感器，基于SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS工藝，在spectre環(huán)境下對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明:當(dāng)溫度在－10℃ ～100℃變化時(shí)，溫度傳感器的數(shù)值輸出與溫度基本呈線性關(guān)系，且隨溫度線性增大。溫度傳感器的有效分辨率為0.5℃/LSB。當(dāng)電源電壓VDD為1.8 V時(shí)，溫度傳感器的工作電流為774 nA。設(shè)計(jì)的溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，功耗較低，同時(shí)分辨率和靈敏度較高，溫度特性較好，滿足無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)要求。

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