基于脈沖調制技術的RFID標簽集成溫度傳感器

李 蕾，李 穎，盛天航，張偉濤

(遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧葫蘆島 125105)

?

基于脈沖調制技術的RFID標簽集成溫度傳感器

李 蕾，李 穎，盛天航，張偉濤

(遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧葫蘆島 125105)

設計了一種集成于無源超高頻射頻識別(UHF RFID)標簽的溫度傳感器。針對標簽功耗受限、芯片面積小的特點，利用MOS管電子遷移率隨溫度變化的規律，設計雙偏置電流源的溫度轉換電路，產生寬度受溫度調制的脈沖，實現溫度的采集，提高傳感器精度。并且設計以異步計數器為基礎溫度轉換電路替代模數轉換電路(ADC)實現溫度到數字輸出之間的轉換。采用SMIC 0.18 CMOS工藝對溫度傳感器電路進行仿真，仿真結果表明，溫度傳感器感應溫度范圍為-20～60 ℃時，分辨率為1 ℃/LSB，電源電壓為1.8 V 時，室溫下傳感器芯片總的工作電流為400 nA。

CMOS工藝；射頻識別(RFID)；溫度傳感器；脈沖調制

0 引言

UHF RFID技術具有諸多優點，經過多年的發展日趨成熟，CMOS工藝集成芯片的生產更降低其生產成本，拓寬其應用領域。物聯網等技術戰略的提出，為作為硬件基礎的傳感器帶來廣闊的應用前景，同時提出了體積小、成本低、功耗低的應用要求?；跇藴蔆MOS工藝集成于UHF RFID標簽的溫度傳感器，同時擁有UHF RFID成熟的低功耗技術基礎和CMOS工藝成本低、面積小的技術優勢，能夠滿足應用需求，具有很好的實用價值[1- 2]。

UHF RFID標簽采用無源結構，系統功耗嚴格受限，要求溫度傳感器在滿足精度的前提下具有低功耗。CMOS集成溫度傳感器，根據系統結構主要劃分為3類[3]，如圖1所示。

圖1 傳感器系統結構分類

BJT結合ADC結構的傳感器優點為精度高、測量范圍較寬，缺點為芯片面積大，功耗非常高而數據轉換率較低[4-6]。振蕩器結合頻率數字轉換結構的溫度傳感器需要額外設計振蕩器，不能有效利用標簽中固有振蕩器，造成不必要的面積和能量消耗，因此這兩種傳感器不適合集成于無源標簽。脈沖結合時間數字轉換結構的傳感器最大優勢在于功耗低，占用芯片面積小，較適合集成于無源標簽[7-8]，然而為了增加脈沖寬度需要采用多級延遲單元，延遲單元自身工藝偏差會降低傳感器輸出精度。如何克服該缺點，完善電路，使其更好的集成于無源標簽，是本論文的主要解決的問題。

本文設計了基于脈沖結合時間數字轉換結構的溫度傳感器，針對上述缺點設計2路結構完全相同的延遲單元，抵消由工藝造成的延遲誤差，同時設計雙偏置電流源，分別產生與溫度成正比和與溫度成反比的偏置電流，克服工藝誤差的同時增加脈沖寬度，提高傳感器精度。室溫下測得溫度傳感器的工作電流為400 nA，分辨率為1 ℃/LSB，測量范圍為-20～60 ℃。

1 溫度傳感器結構及工作原理

溫度傳感器的系統結構如圖2所示，由溫度轉換電路、計數器數字轉換電路及標簽內嵌的振蕩器組成。系統工作時，首先由標簽數字單元發出控制信號至振蕩器使其輸出系統時鐘。時鐘工作后，發出復位信號清空計數器，同時發出使能信號輸入溫度脈沖轉換電路，控制電路開始采集溫度信息。信息采集結束后，溫度脈沖轉換電路輸出含有溫度信息的脈沖作為使能信號控制異步計數器開始工作，系統時鐘控制計數器開始計數，計數結果與溫度相關，并輸入數字邏輯單元進行后續處理。

2 主要功能實現方法及具體電路設計

2.1 溫度脈沖轉換模塊的結構及原理

為了提高傳感器精度，溫度脈沖轉換模塊主要由PTAT偏置電流源、CTAT偏置電流源、延遲單元及異或門構成，如圖3所示。模塊工作時將數字控制單元提供的使能信號分成2路，使之分別通過具有PTAT偏置電流和具有CTAT偏置電流的2個延遲單元，延遲單元的輸出經異或門后得到最終的脈沖信號。如圖4所示，傳統的溫度脈沖轉化模塊中，信號只通過單一具有PTAT偏置電流的延遲單元，另一路信號直接與異或門連接，這種不對稱的結構使輸出結果受工藝誤差影響[9- 10]。為了解決該問題，在另一路信號路徑當中添加電路結構完全相同的延遲單元，形成對稱結構，使脈沖經過2路延遲單元后，由工藝誤差造成的延遲完全相同，輸出脈沖經過異或門后由該延遲被抵消。該結構能夠克服工藝誤差對電路的影響，但是輸出脈沖的寬度卻比傳統結構要小，在時鐘固定的情況下，會影響輸出精度。因此，設計CTAT偏置電流源為新增延遲單元提供偏置電流，使其輸出脈沖的寬度隨溫度升高增大。由于具有PTAT偏置電流源的延遲單元輸出脈沖寬度隨溫度升高而減小，2個延遲單元的輸出經異或門后能夠獲得較大寬度的脈沖。

圖3 溫度脈沖轉換模塊結構

圖4 傳統溫度脈沖轉換模塊結構

2.2 偏置電流源和延遲單元的結構及原理

以單級反相器為例，偏置電流源結構如圖5(a)所示，其中P1、N1、N2、 P3及N3管構成偏置電流源及電流鏡,P4與N2管為基本反相器。偏置電流為P1、N1及N3溝道電流，由于其采用二極管連接方式，則溝道電流可表示為

(1)

式中寬長比W/L及柵氧化層電容COX與溫度無關，而電子遷移率μn及閾值電壓VTH與溫度相關，溫度表達式為

μn(T)=μn(T0)(T/T0)αμ

(2)

VT=VT0-αVT(T-T0)

(3)

式中：T0為參考溫度；αu與αVT為工藝常數，摻雜濃度小于1012cm-3時, n型硅和p型硅的αu值分別是-2.4和-2.2，當摻雜濃度上升到1017cm-3時，相應的αμ值增大至- 1.2和-1.9[11]；αVT通常介于-4～-1 mV/ ℃之間[12-13]。

將式(2)和式(3)代入式(1)整理可得

(4)

由于反相器延遲時間與溫度成正比，則偏置電流隨溫度升高而減小，令?I/?T<0，則有

(5)

整理后，可得：

(6)

由式(6)可知，當MOS管的柵源電壓 大于一定值時，偏置電流源輸出CTAT偏置電流，反相器延遲時間隨溫度升高而增大。

同理，令?I/?T<0，可得到：

(7)

由式(7)可知，VGS小于該值時，偏置電流源輸出PTAT偏置電流，反相器延遲時間隨溫度升高而減小[14]。

(a)偏置電路

(b)延遲單元

由以上分析可知，通過調節偏置電流源中MOS的寬長比，將VGS值調節至不同范圍內，可改變偏置電流隨溫度的變化趨勢，可以構成具有不同溫度特性的延遲單元。下文將給出P1、N1及N3管的W/L設置為不同值時，對偏置電流溫度特性仿真得到的結果，可進一步驗證以上分析的正確性。延遲單元的整體電路結構如圖5(b)所示，為了保證脈沖寬度滿足精度要求，采用多級反相器級聯的電路結構，其中電容受溫度的影響可忽略不記。

2.3 溫度數字轉換模塊

為了滿足RFID標簽的低功耗要求，如圖6采用8位異步計數器替代ADC實現溫度到數字輸出的轉變。計數器的時鐘由標簽內嵌振蕩器提供，溫度脈沖轉換模塊輸出脈沖作為計數器的使能信號。根據前面敘述，脈沖寬度與溫度相關，因此計數器的觸發時間與溫度相關，根據溫度變化計數器輸出結果為不同值。

圖6 計數器電路結構

3 溫度脈沖轉換模塊的仿真結果與分析

采用Cadence spectre基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝對圖5(a)所示電路仿真。根據2.2節的推導，計算VGS的臨界值，調節MOS管的寬長比，使VGS分別大于和小于臨界值。在2種情況下，分別對電路仿真，得到偏置電流的溫度特性曲線如圖7、圖8所示。

(a)電流隨溫度變化曲線

(b)電流對溫度求導隨溫度變化曲線

(a)電流隨溫度變化曲線

(b)電流對溫度求導隨溫度變化曲線

圖7所示的偏置電流與溫度成反比，而圖8所示的偏置電流與溫度成正比。分別對兩組溫度曲線求導，求導結果的變化范圍分別為-135×10-3～-125×10-3nA/℃，265×10-3～310×10-3nA/℃。這表明在芯片工作的溫度范圍內，偏置電流線性度可以滿足要求。

對溫度傳感器整體電路仿真，室溫為25 ℃時，溫度脈沖轉換模塊的輸出脈沖，計數器時鐘信號及計數器輸出結果如圖9所示，在-20～60℃之間，不同溫度對應的計數器輸出結果如圖10所示?？梢钥闯鰝鞲衅鞯臄底州敵鼋Y果隨溫度升高而減小，且具有良好的線性度。

圖9 25℃時使能信號，時鐘信號及計數器輸出結果

圖10 脈沖寬度與溫度關系

根據計數器的輸出結果計算傳感器有效分辨率為：

計數器的時鐘信號復用標簽本身的時鐘信號，傳感器的功耗來自于偏置電流源及計數器，計數器結構簡單功耗較低，其值可以忽略不計，而根據圖8所示，偏置電流總和約為400 nA，本設計采用1.8 V電源電壓，功耗約為720 nW。

[1] WANG B,LAW M K,BERMAK A，et al.A passive RFID tag embedded temperature sensor with improved process spreads immunity for a 30℃ to 60℃sensing range.IEEE Transactions on Circuits and Systems,2014,61(2):337-346.

[2] 曾健平,文劍,晏敏.智能CMOS溫度傳感器設計.儀表技術與傳感器，2005(3)：34-35.

[3] KIM KISOO,LEE HOKYU,KIM C.366-kS/s 1.09-nJ 0.0013-mm2 frequency-to-digital converter based CMOS temperature sensor utilizing multiphase clock.IEEE Transactions on VLSI Systems，2013,10(21):1950-1954.

[4] PERTIJS M A P，CHAE Y，MAKINWA K A A.A CMOS smart temperature sensor with a 3σ inaccuracy of ±0.1℃ from -55℃ to 125℃.IEEE Solid-State Circuits,2005,40(12):2805-2815.

[5] SEBASTIANO F，BREEMS,L J,MAKINWA K A A,et al.A 1.2V 10W NPN-based temperature sensor in 65nm CMOS with an inaccuracy of 0.2℃ from 70℃to 125℃.IEEE Solid-State Circuits,2010,45(12):2591-2601.

[6] SOURI K,CHAE Y,MAKINWA K A A,et al.A CMOS temperature sensor with a voltage-calibrated inaccuracy of ±0.5℃ from 55℃ to 125℃.IEEE Solid-State Circuits,2013,48(1):292-301.

[7] CHEN P,CHEN,CHI C,et al.A time-domain SAR smart temperature sensor with curvature compensation and a 3σ inaccuracy of -0.4℃～ +0.6℃ over a 0 ℃ to 90℃ range.IEEE Solid-State Circuits,2010,45(3):600-609.

[8] HA D,WOO K,MENINGER S,et al.Time-domain CMOS temperature sensors with dual delay-locked loops for microprocessor thermal monitoring.IEEE Transactions on VLSI Systems,2011,20( 9):1590-1601.

[9] CHEN C C,LIU A W,CHANG Y C et al.An accurate CMOS time-to-digital converter based smart temperature sensor with negative thermal coefficient.Conference on Sensors,Irvine California,2005.

[10] CHUNG C C,YANG C R.An Auto-calibrated All-Digital Temperature Sensor for On-Chip Thermal Monitoring.IEEE Transactions on Circuits and Systems,2011,2(58):105-109.

[11] SZE S M,KWOK K.N.Physics of Semiconductor Devices.New York:Wiley,1981.

[12] TSIVIDIS Y P,COLIN M A.Operation and modeling of the MOS transistor.New York:Mc Graw-Hill,1994.

[13] LAKER K R,WILLY M C,SANSEN.Design of analog integrated circuits and systems.New York:McGraw-Hill,1994.

[14] 李蕾,謝生,黃曉綜.應用于無源RFID標簽的CMOS溫度傳感器.傳感技術學報,2010,23(8):1098-1011.

RFID Tag Embedded Temperature Sensor Based on Pulse Width Modulation

LI Lei,LI Ying,SHENG Tian-hang，ZHANG Wei-tao

(School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

A kind of passive RFID tag embedded temperature sensor was designed in the paper.Due to the limited power dissipation and chip area,a temperature converter with double current biases was proposed,which utilizes MOS electron mobility temperature theory to generate temperature modulated pulse,realizing temperature sampling and improving accuracy of the temperature sensor.Simultaneously,an asynchronous counter was designed to realize temperature to digital data conversion instead of ADC.The circuit was ricated by SMIC 0.18 CMOS standard process.The simulation results indicate that the temperature senor achieves a resolution of 1 ℃/LSB from -20 ℃ to 60 ℃.At 25 ℃,the working current of sensor draws 400 nA from 1.8 V supply.

CMOS technology;Radio Frequency Identification (RFID);temperature sensor;pulse modulation

大學生創新創業訓練計劃項目(201410147028)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014130)

2015-08-25 收修改稿日期：2015-09-01

TN432

A

1002-1841(2015)12-0008-03

李穎(1996—),本科,研究領域為射頻集成電路設計。 E-mail:lntuicgroup@163.com

李蕾(1981—),講師,博士,研究領域為射頻集成電路設計。 E-mail:lilei_81@163.com