集成于無源UHF RFID標簽的新結構CMOS溫度傳感器*

張 歡，毛陸虹，王 倩，謝 生，張世林

(天津大學電子信息工程學院，天津 300072)

由于無源UHF RFID電子標簽與其它頻段標簽相比具有工作距離遠、成本低等優點，被廣泛應用于各個領域［1］。而內嵌溫度傳感器的無源RFID電子標簽由于具有對溫度良好的檢測特性，被廣泛的應用于各個行業。因此內嵌溫度傳感器的無源RFID電子標簽在近幾年也成為人們研究的重點。由于無源RFID標簽受工作距離和功率的限制，使得內嵌的溫度傳感器對高精度、低功耗的要求也成為人們共同的研究方向和目標。

集成于無源RFID標簽芯片的溫度傳感器傳統上采用ADC結構［2－4］，這種結構的溫度傳感器雖然精度較高，但是電路結構復雜，占用芯片面積較大，功耗也很大，并不適合應用于無源RFID標簽芯片中。而采用較新TDC(time-to-digital converter)結構的溫度傳感器［5］:利用反相器延時結構產生一個與溫度相關的脈沖信號，再通過延時鏈結構將溫度信息轉化成數字信號輸出;或者利用兩個完全相同的振蕩器相互補償的電路結構［6］，產生一個近似與溫度和電源電壓無關的時鐘信號作為計數信號，也可以將溫度信息轉換成數字信號輸出。這種TDC結構，相比于傳統ADC結構的溫度傳感器，電路結構簡單，功耗大大降低，精度也滿足系統需求。但此種結構也存在著缺點:反相器延時單元溫度特性不好，延時隨溫度變化不明顯;計數信號需使用兩個振蕩器相互補償產生，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計的CMOS片上溫度傳感器［7］，由于MOS管閾值電壓的工藝偏差較大，校準成本較高，也不適合集成于無源RFID標簽中。

針對上述幾種結構溫度傳感器的缺點，本文提出了一種新結構的溫度傳感器?；赥DC結構設計一個偏置電路產生正溫度系數和負溫度系數的兩路電流，利用兩路電流相反的溫度特性得到兩個溫度特性相反的階躍信號，異或產生與溫度相關的脈沖信號。此種結構類似差分結構，能夠有效的克服工藝偏差導致的系統誤差。脈沖信號寬度隨溫度變化明顯，溫度特性較好。而利用兩路溫度系數相反的電流相互補償，得到一與溫度近似無關的偏置電流。計數信號直接由無源UHF RFID標簽芯片內部振蕩器提供，其頻率受前面的偏置電流控制，近似與溫度無關。這使得設計的溫度傳感器不需要額外的振蕩器來提供計數信號，簡化了電路，降低了芯片面積和功耗。設計的無源UHF RFID標簽芯片內部振蕩器采用鋸齒波振蕩器，其頻率為2MHz。從而實現了溫度信息到數字信號的轉換。

1 整體結構和工作原理

設計的溫度傳感器的系統結構如圖1所示，主要由偏置電路、PTAT和NTAT脈沖產生電路和一個8位異步計數器［8］組成。當系統工作時，首先由偏置電路產生溫度系數相反的兩路電流Iptat和Intat，以及不隨溫度變化的偏置電流Ibias。Iptat通過PTAT脈沖產生電路產生一個與溫度正相關的脈沖信號Pp，Intat通過NTAT脈沖產生電路產生一個與溫度反相關的脈沖信號Pn。Pp和Pn通過異或產生一個與溫度相關的脈沖信號Pw，其寬度與溫度成正比例，接入計數器的使能控制端en來控制計數器的工作。偏置電流Ibias通過控制標簽內部的振蕩器產生一個穩定的時鐘信號作為計數器的計數信號clk。計數器的復位信號R在Pw之前由標簽數字部分發送過來，對計數器清零，保證計數正確。在Pw持續的時間內計數器進行計數，計數結束后，將結果Dout傳送給標簽的數字部分存儲起來，需要的時候通過閱讀器對其進行讀取和后續處理。

圖1 溫度傳感器整體結構

2 主要模塊的具體電路實現

2.1 偏置電路

偏置電路的結構如圖2所示，M1～M3構成啟動電路，在上電過程中，起始M2柵極處于低電位，M3導通，對偏置電路注入電流，啟動電路開啟。隨著VDD逐漸升高，通過M1對M3充電，最終M2柵極達到高電位，M4截止，啟動電路關閉，整個電路穩定工作。

圖2 偏置電路結構

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構，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，溫度系數近似為－2.16e－3/K可看做阻值基本不隨溫度變化。通過三極管Q2的電流［9］

其中VT=kT/q是熱電壓，n為Q2與Q1發射極面積之比。由于VT與溫度成正比例，則I1具有正的溫度系數。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發射極電壓，即

則流過R2的電流

鋼混凝土混合連續梁在中孔大跨全部或部分采用鋼主梁，兩側采用預應力混凝土主梁，充分發揮了混凝土材料的壓重作用和鋼材跨越能力大的優勢，自重輕，施工快，節省材料[1-3]。該橋型發展僅有幾十年，實際工程應用也偏少，存在著一些設計和施工中需予以研究和解決的新問題，如鋼箱梁長度的合理選擇是該橋型往大跨度方向發展時結構受力與經濟性能平衡的難點之一[4-6]。

由于Q1發射極電壓VBE與溫度成反比例，則I2具有負的溫度系數。通過M12、M13，M15～M19組成的電流鏡結構，得到

式(6)兩邊對溫度求導得

已知熱電壓VT和三極管發射極電壓VBE1的溫度系數［10］

2.2 PTAT、NTAT 脈沖產生電路

PTAT和NTAT脈沖產生電路采用近似一樣的結構，除了NTAT結構的C0大一點，其它部分完全相同。以PTAT為例說明，如圖3所示，通過前面偏置電路提供的電流Iptat給電容C0充電，當C0兩端的電壓達到反相器的閾值電壓時，反相器1輸出端電位翻轉，由“1”變為“0”，M0導通，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”變為“1”，得到PTAT脈沖信號Pp。同理可得到NTAT脈沖信號Pn。

圖3 PTAT脈沖產生電路結構

此種脈沖產生電路與傳統的單斜ADC結構［11］相比，用反相器代替了比較器，也不需要額外提供一個參考電流源I_REF，電路結構簡單，有效的降低了電路整體的功耗和面積。而且兩脈沖產生電路采用近似完全相同的結構，使得電路結構簡化，更加易于實現。

2.3 振蕩器

溫度傳感器的計數時鐘信號由無源標簽內部的振蕩器產生，設計的標簽內部振蕩器采用電流控制的鋸齒波振蕩器結構，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生，中間的Com模塊是一個遲滯比較器。I_bias通過M1和M2組成的電流鏡結構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比較電壓V_in+;通過M1和M4組成的電流鏡結構為遲滯比較器提供一個偏置尾電流Ibias。然后I_bias通過M1和M5組成的電流鏡結構，由M6對電容C充電;通過M1和M3、M10和M11組成的電流鏡結構，由M8為電容C放電。enable通過控制M12的狀態來控制振蕩器的輸出信號。M13和M15、M14和M16組成的反相器結構為振蕩器輸出整理波形。電路開始工作時，振蕩器輸出信號out為“0”，其反饋到M6和M8組成的反相器的輸入端，于是M6導通，M8截止，I_bias通過M6對電容C充電，當電容C兩端電壓V_in－達到了遲滯比較器Com的正參考電壓時，Com輸出端翻轉，由“0”變為“1”，從而 out由“0”變為“1”，反饋回去，于是又使得 M6截止，M8導通，I_bias通過M8對電容C放電，當V_in－減小到Com的負參考電壓時，Com輸出端翻轉，由“1”變為“0”，從而 out由“1”變為“0”。反復上述過程，就得到了振蕩信號out。

圖4 振蕩器電路結構

對電容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 仿真結果和分析

整個溫度傳感器基于 SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS工藝，在spectre環境下進行仿真。電源電壓VDD為1.8 V，調整好各模塊的器件參數，當溫度在－10℃～100℃變化時，對各個主要模塊進行仿真。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，圖5左圖Iptat隨溫度線性增大，其對溫度微分，得到右圖，斜率保持在211×10－3nA/℃ ～224×10－3nA/℃內，可見Iptat具有較好的線性度。同理可見圖6中Intat隨溫度線性減小，斜率保持在－221×10－3nA/℃ ～209×10－3nA/℃內，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，近似為 0，可見Ibias具有較好的溫度穩定性，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

標簽內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VDD為1.8 V，溫度在－10℃ ～100℃變化時，振蕩器頻率為1.96 MHz～2.09 MHz，相對與2 MHz的中心頻率，偏差為0.13 MHz，僅變化0.65%。右圖中當VDD在1.5 V～2.5 V變化時，頻率也穩定在2 MHz左右?？梢?，振蕩器具有很好的對溫度和電源電壓的穩定性。

與溫度相關的脈沖信號Pw和計數器數值輸出Dout在20℃時的仿真曲線如圖9和圖10所示。當溫度在－10℃ ～100℃變化時，仿真結果見表1。

圖8 振蕩器隨溫度和電源電壓變化曲線

表1 Pw和Dout的仿真結果

當溫度在－10～100℃變化時，溫度傳感器的數值輸出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值輸出與溫度基本呈線性關系，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

溫度傳感器的數值輸出與溫度的關系近似為:

其輸出靈敏度較高為2LSB/℃，可適用于無源UHF RFID標簽芯片中。

圖11 溫度傳感器數值輸出隨溫度的變化曲線

4 工藝分析

上述仿真結果是在典型工藝角下得到的，當工藝角發生變化時，電路中各器件的工作狀態也隨之改變，使得溫度傳感器的數值輸出也發生變化。下面表2和表3分別是SS和FF工藝角下的仿真結果。

表2 Dout的仿真結果(SS)

表3 Dout的仿真結果(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果對比如圖12，可以看出SS低溫時線性度略差些，FF整體線性度較好。從整個溫度變化范圍來看，各個工藝角下的線性度都較好，靈敏度也較高，可應用于無源UHF RFID標簽芯片中。

圖12 不同工藝角下溫度傳感器數值輸出隨溫度的變化曲線

5 結論

本文設計了一個集成于無源UHF RFID標簽芯片的新結構溫度傳感器，基于SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS工藝，在spectre環境下對整個電路進行仿真。仿真結果表明:當溫度在－10℃ ～100℃變化時，溫度傳感器的數值輸出與溫度基本呈線性關系，且隨溫度線性增大。溫度傳感器的有效分辨率為0.5℃/LSB。當電源電壓VDD為1.8 V時，溫度傳感器的工作電流為774 nA。設計的溫度傳感器電路結構簡單，占用芯片面積小，功耗較低，同時分辨率和靈敏度較高，溫度特性較好，滿足無源RFID標簽芯片系統要求。

［1］Zhou Shenghua，Wu Nanjian.A Novel Ultra Low Power Temperature Sensor for UHF RFID Tag Chip［C］//IEEE Asian Solid-State Circuits Conference.Jeju:ASSCC，2007.464－467.

［2］Hongwei Shen，Lilan Li，Yumei Zhou.Fully Integrated Passive UHF RFID Tag with Temperature Sensor for Environment Monitoring［C］//ASICON’07.7th International Conference.Guilin:ASIC.2007.360－363.

［3］Kamran Souri，Kofi Makinwa.A 0.12 mm27.4 μW Micropower Temperature Sensor with an Inaccuracy of±0.2 ℃(3σ)from －30℃ to 125℃［C］//2010 Proceedings of ESSCIRC.Sevilla:ESSCIRC.2010.282－285.

［4］Arbat A，Dieguez A，Samitier J.An Ultra Low Power Successive Approximation ADC with Selectable Resolution in 0.13 Mm CMOS Technology［C］//13th IEEE International Conference on Electronics，Circuits and Systems.Nice:ICECS.2006.415－418.

［5］Poki Chen，Chun-Chi Chen，Chin-Chung Tsai，et al.A Time-to-Digital-Converter-Based CMOS Smart Temperature Sensor［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2005，40(8):1642－1647.

［6］李蕾，謝生，黃曉綜.應用于無源RFID標簽的CMOS溫度傳感器［J］.傳感技術學報，2010，23(8):1099－1101.

［7］曹新亮，余寧梅，衛秦嘯.集成CMOS溫度傳感器設計、實現和測試［J］.傳感技術學報，2010，23(1):38－42.

［8］Namjun Cho，Seong-Jun Song，Sunyoung Kim，et al.A 8-μW，0.3-mm2RF-Powered Transponderwith TemperatureSensorfor Wireless Environmental Monitoring［C］//IEEE International，Symposium on Circuits and Systems.Kobe:ISCAS，2005.4763－4766.

［9］Conghui Xu，Peijun Gao，Wenyi Che，et al.An Ultra-Low-Power CMOS Temperature Sensor for RFID Applications［J］.Journal of Semiconductors，2009，30(4):045003－1－4.

［10］李波，呂堅，蔣亞東.一種基于0.5 μm CMOS工藝的補償型電流控制振蕩器設計［J］.電子器件，2009，32(1):50－52.

［11］Namjun Cho，Seong-Jun Song，Sunyoung Kim，et al.A 5.1-μW UHF RFID Tag Chip Integrated with Sensors for Wireless Environmental Monitoring［C］//Proceedings of ESSCIRC.Grenoble:ESSCIRC.2005.279－282.

［12］Man Kay Law，Amine Bermak，Howard C Luong.A Sub-μW Embedded CMOS Temperature Sensor for RFID Food Monitoring Application［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(6):1246－1255.