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于傳統識別技術的特點，已被廣泛用于疫苗冷鏈、建材實驗、農業及畜牧業和食品儲運等需要實時記錄溫度變化的行業。近年來，RFID技術與無線傳感器網絡的結合已經成為研究的熱點，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轉換器將與溫度有關的電壓轉換為包含溫度信息的數字輸出信號；另一種將頻率隨溫度變化的信號轉換為數字輸出信號，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，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[1]。第一種結構通過失調消除、器件匹配或者室溫校準等技術可以實現很高的精度[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。

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。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溫度傳感器能夠實現較大的溫度跨度和較高的測量精度。

1 系統設計

溫度傳感器采用時鐘脈沖計數的方式，基本結構如圖1所示。當檢測到幀頭信號時，數字寬脈沖發生器(broad impulse generator)模塊開始工作，通過對幀頭信號的處理產生與溫度無關的數字寬脈沖，電流饑餓環形振蕩器(cu-rrent-starved ring oscillator)模塊產生頻率與溫度呈正比例的時鐘信號，數字寬脈沖作為計數器的使能信號，時鐘信號作為計數器的時鐘輸入。由于在不同的溫度條件下，計數器時鐘輸入的信號頻率不同，從而對數字寬脈沖的計數個數也不同，也就得到與溫度相關的數字信號。

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、數字寬脈沖產生電路和計數器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形振蕩器。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電流饑餓環形振蕩器

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—發射極電壓VBE的差值為PTAT[5]。對于一個晶體管而言，基極—發射極電壓滿足

VBE=VTln(IC/IS).

(1)

其中，VT=kT/q具有正溫度系數(T=300 K時，溫度系數約為0.087 mV/K)。假設2個工作在不同電流密度下的晶體管Q1,Q2，其有效發射結面積比為N，則有

ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnN.

(2)

因此，ΔVBE就表現出了正溫度系數

(3)

圖2中PTAT偏置電流產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。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，即能夠擺脫簡并偏置點，需要添加一種啟動電路。最左側3個MOS管MP1,MP2,MN1構成了PTAT偏置電流產生模塊的啟動電路，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，消除了靜態功耗。

2.1.2 電流饑餓環形振蕩器

環形振蕩器由五級反相器首尾相接級聯而成，它們的偏置電流來源于工作在飽和區的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形振蕩器的輸出頻率[6]，PTAT電流偏置產生電路中產生的PTAT電流通過電流鏡結構以單位增益提供給MP3和MP4，從而使得環形振蕩器的振蕩頻率依賴于絕對溫度。

對于環形振蕩器的每個節點，節點電壓的擺率由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管的飽和區跨導參數，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M決定，因此，五級環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。

2.2 數字寬脈沖產生電路

根據ISO 18000—6 Type B協議，閱讀器先發言，在標簽接收到命令后數字電路開始工作，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的數據速率，其相當于9個周期為25 μs的時鐘信號，數字電路對此信號進行計數，當檢測到第9個上升沿時，輸出為“0”，共計數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，另外，數字電路隨溫度變化而產生的延遲為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 計數器

本設計采用帶復位端的9 bit異步計數器，計數范圍設定為0～255.異步計數器是計數器中最簡單最基本的電路，這個是其最大的優點，在用T觸發器構成的二進制計數器時，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 ℃時計數器輸出結果。

圖4 計數器輸出結果

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，其中主要包括數字寬脈沖產生電路和處理模塊、振蕩器以及計數器三部分組成，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。可見在比較寬的有限溫度范圍內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個數。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。基于IBM 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標簽芯片的系統要求。

表1 不同溫度下的輸出結果

參考文獻:

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