集成于无源UHF RFID标签的宽温测范围CMOS温度传感器*

李勃，毛陆虹，张世林，谢生，战金雷(天津大学电子信息工程学院，天津300072)

集成于无源UHF RFID标签的宽温测范围CMOS温度传感器*

李勃，毛陆虹*，张世林，谢生，战金雷
(天津大学电子信息工程学院，天津300072)

针对无源UHF RFID标签温度测量范围小、功耗等问题，本文提出了一种集成于无源UHF RFID标签的宽温测范围CMOS温度传感器。本文设计采用UMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺进行设计，提出一种新温度脉冲转换电路结构产生随温度变化的脉冲，从而实现了宽温度测量。仿真结果表明:当温度范围在-75℃～125℃时，温度脉冲宽度变化近220μs，标签芯片供电电压为1.5V时，室温时新增的温度传感器模块功耗仅为200 nW，温度传感器精度为0.45℃/LSB。测试结果:在-5℃～45℃范围内进行测试，温度传感器精度为0.48℃/LSB，其中在室温25℃左右振荡器频率2.087 MHz，脉冲宽度大约110 μs，异步计数器显示为011011000。

无源RFID;温度传感器;宽温测范围;新型温度补偿性振荡器

射频识别(RFID)是一种非接触式自动识别技术，是物联网的重要组成部分，无源超高频自动识别由于工作距离远、成本低、识别速度快等优点，现在已经成为RFID技术领域探究的重点。近年来，RFID技术与无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)的结合已成为研究的热点［1］。冷链物流的兴起更是为内嵌温度传感器的RFID标签发展提供了广阔的发展空间。

传统意义上的集成于无源RFID标签芯片的温度传感器采用模数转换(ADC)结构，该结构传感器的优点在于能获得非常高的精度、具有较宽的测量范围，不足是功耗非常大，往往达到数mw甚至更高，因而ADC传感器结构显然不适用于无源RFID标签芯片中［2-3］。而采用较TDC(Time-to-Digital Converter)结构的温度传感器:利用反相器延时结构产生一个与温度相关的脉冲信号，再通过延时链结构将温度信息转化成数字信号输出，这种方法产生的温度脉冲包含信息较少，反相器延时单元温度特性不好，延时随温度变化不明显，同样不适用于无源RFID标签芯片中宽温度的温度传感器的测量［4］。

本文基于标签传感器的温测范围受限以及功耗特点，本文提出一种新型结构，通过利用电压反馈网络来产生更宽的脉冲宽度，整个温度传感器温度测量范围高达:-75℃～125℃，同时分辨率达到0. 45℃/LSB，版图面积为900μm×650μm。

1 温度传感器整体结构及工作原理

温度传感器的系统结构如图1所示，由温度脉冲转换模块、内嵌低功耗新型温度补偿性振荡器以及9 bit计数单元组成［4］。在系统开始工作时，首先通过偏置电路分别产生与温度成正比的PTAT电流和与温度成反比的CTAT电流信号，经过温度脉冲转换模块采集温度信息，把温度信息转化成与脉冲宽度有关的脉冲信号，同时利用偏置电路提供的基准电压和偏置电流来通过内部振荡器产生的2 M时钟信号实现对温度脉冲采样计数;计数开始时，由数字端发出RST复位信号清空9 bit异步计数器，温度脉冲转换模块输出含有温度信息的脉冲至计数器，同时利用2 M clk时钟信号对脉冲宽度进行计数，实现测温功能。

图1 内嵌温度传感器系统结构

2 关键模块的设计及电路实现

2.1 温度脉冲转换模块

温度脉冲转换电路(Voltage to Pulse Generator)要求电路对温度信息进行采集以实现温度测量的功能，但是仅仅对于PTAT电流或者CTAT电流来说，他们各自所蕴含的温度信息较少，不能在较宽的温度范围内采集温度信息。本文基于PTAT和CTAT电流随温度具有相反的变化特性原理，通过复用带隙基准源产生的PTAT电流和CTAT电流，提出一种新型结构来实现获得更大的温度测量范围(-75℃～125℃)和较低的功耗，电路结构如图2所示。

图2 Pulse脉冲产生电路

文献［5］利用对电容的充电来实现足够时间的延迟，来使RFID中稳压器和振荡器达到稳定状态。本文对电路稍加调整，引入了PTAT和CTAT电流来实现不同时间的时间延迟，此结构相对于反相器有更好的延迟作用。当有电流PTAT和CTAT电流存在时，随着时间的增加，在A节点处足够的电荷已经建立，在节点B的电压一开始上升，提供必要的电压到输出锁，从而引起节点C电压降低，这个B端与C端相“或”产生足够的延时，然后通过对PTAT脉冲和CTAT脉冲取“异或”来产生足够的脉冲宽度。

2.2 新型温度补偿性振荡器

本文提出了一种新型温度补偿性振荡器，具有更稳定的输出频率和更低的电压以及功耗，同时因设计要求振荡器产生的电压对较宽的温度变化不敏感，对于振荡器整体电路的分析，仅仅对于比较器各个支路电流对温度变化比较敏感，电流随温度的升高而升高。基于此分析，本设计提出用加入CTAT尾电流源的方法来弥补温度的变化［6］，能够在较宽温度范围(-75℃～125℃)实现稳定的输出功率和更低的功耗，而且振荡器是整个时钟产生电路的核心模块，其设计将直接影响到整个标签的性能。因为芯片最终的输出频率必然会因电阻和电容随工艺过程以及电路结构中的寄生效应和信号延迟而与理想值有一定的偏差，，所以加入频率调节电容实现振荡器的频率能够在较大范围内调谐，电路图如图3所示。

电路设计原理如下:

(1)电源上电后触发器处于～Q=0的状态，同时Q=1，则M1管导通，M2截止，M4导通，M3截止，所以电流I_ref经M1对电容C1充电，C1上的电压V_C1随着充电过程的进行而逐渐升高;C4经M4对地放电，迅速到低电平［7］。

(2)当V_C1升至比较器的参考电压V_ref时，比较器输出端S由低翻转为高，触发器状态也立即翻转为Q=0，因为R的初始状态为0(V_C1＜V_ ref)，所以R与Q相“或”后输出高电平，即～Q=1，因此M3导通，M4截止，M2导通，M1截止，I_ref对C4充电，V_C4逐渐上升，C1经M2对地放电，迅速到低电平。

(3)当V_C4上升到V_ref时，输出端R由低电平翻转为高，所以～Q=0，同时Q=1，触发器又回到了上述第1个状态，重新对C1充电，C4放电。如此周而复始，在Q(或～Q端)就得到了振荡信号，再通过反相器整形，便得到了矩形输出脉冲。

电流源I_ref对电容C1、C4充电［6］，振荡频率为

图3 新型温度补偿性RC振荡器

2.3 偏置电路

本设计采用电流复用技术，通过将PTAT电流和CTAT电流进行不同比例的加权相加来得到一个与温度无关的电流，然后将此电流加在电阻上产生一个与温度无关的基准电压。温度传感器中偏置电路其结构如图4所示。

图4 偏置电路

目前针对基准电压源的低功耗技术研究集中在以下几点:(1)利用反馈技术设计无运算放大器的基准源;(2)基于低阈值或多阈值器件，通过降低电源电压来实现低功耗设计;(3)采用亚阈值技术，亚阈值MOS管具有较小的电流，从而可以降低晶体管对功耗的需求。其中，采用亚阈值技术是比较易于实现且效果较好的一种方式［8］。

记MOS的栅源电压为VGS，阈值电压为VTH，漏源电压为VDS，漏源电流为IDS。如下公式给出了亚阈值区MOS管的IDS-VGS关系。

其中ID为漏源电流，W/L为MOS的宽长比，n为斜率因子。ID0为与工艺、VSB及VT相关的参数。亚阈值区MOS管的电流通常较小，这是将亚阈值MOS管用于低功耗设计的一个最关键的原因。

在前面的推导中，已经得出亚阈值MOS管的栅源电压VGS与其漏源电流ID的关系用如下公式表示:

则M6、M7的栅源电压的差值可以写成如下形式:

如果将亚阈值MOS管上的栅源电压VGS强加至理想电阻，那么流过电阻的电流具有正温度系数。流过电阻R1的电流为:

MOS管PTAT电流产生电路中，因M4和M5需处于亚阈值区，一般可将其电流设置为100 nA左右，也即M4和M5所在支路消耗的总电流约为200 nA。

在半导体工艺中，pn结二极管的正向电压具有负温度系数，在常用的CMOS工艺中通常使用寄生三极管的基极-发射极间的电压来实现［9］。

若要产生于温度无关的电流只需满足下式。

3 仿真结果与分析

采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺对整个温度传感器模块进行仿真。对温度脉冲转化电路进行仿真，通过调节电容的尺寸，产生了脉冲宽度变化高达220μs的脉冲信号，实现了宽温测范围的要求，并且功耗仅200 nW。满足低功耗要求，如图5所示为-75℃的脉冲宽度，如图6所示为125℃的脉冲宽度。

图5 -75℃的温度脉冲曲线

图6 125℃的温度脉冲曲线

考虑到最终要获得的是随脉冲宽度随温度增加而增加的脉冲信号，并结合温度脉冲转换模块的参数最终选用-75℃～125℃的该电流信号。

标签内部振荡器频率的温度特性曲线如图7所示，可以看出-75℃～125℃［10-11］变化时，振荡器频率为1.92～2.03，相对与2 MHz的中心频率，偏差为0.1 MHz，仅变化0.5%，可见振荡器具有良好的温度稳定性。

图7 振荡器频率的温度特性曲线

最后我们对新增的温度传感器系统进行整体仿真，如图8所示为25℃时，计数器的各位输出结果，可见25℃时计数器的9 bit Q8～Q0输出为011011111，化为十进制为223。

最终得到-75℃～125℃之间不同温度下脉冲宽度和计数器结果如表1所示。

图8 25℃时温度脉冲和计数器的输出结果

表1 -75℃～125℃之间不同温度下脉冲信号宽度和计数结果统计

设偏置电流I_bias=I(T)(T为温度)，脉冲宽度为t，电容为C，阈值电压为V［12］。则有

若电流随温度变化成线性关系，那么脉冲宽度会与温度变化成反比例关系，也就是计数器的变化与温度是一个反比例的关系，通过使用MATLAB拟合计数器的计数结果随温度的变化汇成曲线得到如图9所示曲线，可以看出温度传感器的计数结果随着温度的增加而持续增大，并且与温度成反比例关系，从而实现了良好的测温效果。温度传感器的数字输出Dout与温度的关系近似为:

有效分辨率为:

图9 计数结果随温度的变化曲线

可见，最终的计数结果呈现很好的特性，并且也具有较高的分辨率为0.45℃/LSB，满足系统应用需求。

4 流片与测试结果

芯片照片和PCB如图10、图11所示，该芯片通过FPGA测试平台和RIGOL DS6104数字示波器进行测试，由于测试条件有限只能逐次测试各个输出端口。FPGA外加给芯片激励信号和RST信号，在室温情况下(大约25℃)，示波器显示振荡器频率为2.087 MHz(如图12)，脉冲宽度经计算大约为110μs(如图13)，9 bit计数器输出经数据处理得到如图14所示。

图10 芯片照片

利用ThinkPad车载冰箱分别在-5℃和45℃下进行测试，测试结果如表2。

图11 PCB照片

图12 振荡器输出

图13 脉冲宽度

图14 9 bit计数器

表2 温度传感器测试结果

经分析测试数据得到温度传感器精度为:

5 结束语

本文设计了一种集成于无源UHF RFID标签的宽温测范围CMOS温度传感器，采用Cadence spectre基于UMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺对电路进行仿真，流片测试结果表明在-5℃～45℃范围内，温度传感器精度为0.48℃/LSB，实现了测温目的。

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李勃(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无源UHF RFID标签芯片射频前端的研究与设计，774699828 @qq.com;

毛陆虹(1955-)男，教授，博士生导师，主要研究方向为UHF RFID技术及应用，通信系统设计，射频集成电路设计(RFIC)，光电集成电路(OEIC)。

An Wide Temperature Measuring Range CMOS Temperature Sensor Integrated in Passive UHF RFID Tag*

LI Bo，MAO Luhong*，ZHANG Shilin，XIE Sheng，ZHAN Jinlei

(Institute of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In allusion to temperature measurement range small and power consumption of Passive UHF RFID tag，This paper presents an wide temperature measuring range CMOS Temperature Sensor Integrated in Passive UHF RFID tag.It is implemented in UMC 0.18μm 1P6M CMOS process，In this paper，a new temperature pulse convert circuit structure is presented with the temperature’s change，so as to implement the wide temperature measurement. The simulation results shows thatthe change oftemperature pulse width is nearly 220us when temperature is from-75℃to 125℃under supply voltage 1.5 V.At room temperature this new temperature sensor module’s power consumption is only 200 nW.The temperature sensor resolution is 0.45℃/LSB.Test results shows the temperature sensor resolution is 0.48℃/LSB in the scope of-5℃～45℃，the frequency of oscillator is 2.087 MHz around 25℃，pulse width is about110μs，asynchronous counter displays 011011000.

passive UHF RFID;temperature sensor;wide temperature measuring range;temperature compensating oscillator

TP212.1

A

1004－1699(2014)05－0581－06

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.002

项目来源:国家自然科学基金项目(61372011)

2014-03-18

2014-04-24