基于脉冲调制技术的RFID标签集成温度传感器

李 蕾，李 颖，盛天航，张伟涛

(辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛 125105)



基于脉冲调制技术的RFID标签集成温度传感器

李 蕾，李 颖，盛天航，张伟涛

(辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛 125105)

设计了一种集成于无源超高频射频识别(UHF RFID)标签的温度传感器。针对标签功耗受限、芯片面积小的特点，利用MOS管电子迁移率随温度变化的规律，设计双偏置电流源的温度转换电路，产生宽度受温度调制的脉冲，实现温度的采集，提高传感器精度。并且设计以异步计数器为基础温度转换电路替代模数转换电路(ADC)实现温度到数字输出之间的转换。采用SMIC 0.18 CMOS工艺对温度传感器电路进行仿真，仿真结果表明，温度传感器感应温度范围为-20～60 ℃时，分辨率为1 ℃/LSB，电源电压为1.8 V 时，室温下传感器芯片总的工作电流为400 nA。

CMOS工艺；射频识别(RFID)；温度传感器；脉冲调制

0 引言

UHF RFID技术具有诸多优点，经过多年的发展日趋成熟，CMOS工艺集成芯片的生产更降低其生产成本，拓宽其应用领域。物联网等技术战略的提出，为作为硬件基础的传感器带来广阔的应用前景，同时提出了体积小、成本低、功耗低的应用要求。基于标准CMOS工艺集成于UHF RFID标签的温度传感器，同时拥有UHF RFID成熟的低功耗技术基础和CMOS工艺成本低、面积小的技术优势，能够满足应用需求，具有很好的实用价值[1- 2]。

UHF RFID标签采用无源结构，系统功耗严格受限，要求温度传感器在满足精度的前提下具有低功耗。CMOS集成温度传感器，根据系统结构主要划分为3类[3]，如图1所示。

图1 传感器系统结构分类

BJT结合ADC结构的传感器优点为精度高、测量范围较宽，缺点为芯片面积大，功耗非常高而数据转换率较低[4-6]。振荡器结合频率数字转换结构的温度传感器需要额外设计振荡器，不能有效利用标签中固有振荡器，造成不必要的面积和能量消耗，因此这两种传感器不适合集成于无源标签。脉冲结合时间数字转换结构的传感器最大优势在于功耗低，占用芯片面积小，较适合集成于无源标签[7-8]，然而为了增加脉冲宽度需要采用多级延迟单元，延迟单元自身工艺偏差会降低传感器输出精度。如何克服该缺点，完善电路，使其更好的集成于无源标签，是本论文的主要解决的问题。

本文设计了基于脉冲结合时间数字转换结构的温度传感器，针对上述缺点设计2路结构完全相同的延迟单元，抵消由工艺造成的延迟误差，同时设计双偏置电流源，分别产生与温度成正比和与温度成反比的偏置电流，克服工艺误差的同时增加脉冲宽度，提高传感器精度。室温下测得温度传感器的工作电流为400 nA，分辨率为1 ℃/LSB，测量范围为-20～60 ℃。

1 温度传感器结构及工作原理

温度传感器的系统结构如图2所示，由温度转换电路、计数器数字转换电路及标签内嵌的振荡器组成。系统工作时，首先由标签数字单元发出控制信号至振荡器使其输出系统时钟。时钟工作后，发出复位信号清空计数器，同时发出使能信号输入温度脉冲转换电路，控制电路开始采集温度信息。信息采集结束后，温度脉冲转换电路输出含有温度信息的脉冲作为使能信号控制异步计数器开始工作，系统时钟控制计数器开始计数，计数结果与温度相关，并输入数字逻辑单元进行后续处理。

2 主要功能实现方法及具体电路设计

2.1 温度脉冲转换模块的结构及原理

为了提高传感器精度，温度脉冲转换模块主要由PTAT偏置电流源、CTAT偏置电流源、延迟单元及异或门构成，如图3所示。模块工作时将数字控制单元提供的使能信号分成2路，使之分别通过具有PTAT偏置电流和具有CTAT偏置电流的2个延迟单元，延迟单元的输出经异或门后得到最终的脉冲信号。如图4所示，传统的温度脉冲转化模块中，信号只通过单一具有PTAT偏置电流的延迟单元，另一路信号直接与异或门连接，这种不对称的结构使输出结果受工艺误差影响[9- 10]。为了解决该问题，在另一路信号路径当中添加电路结构完全相同的延迟单元，形成对称结构，使脉冲经过2路延迟单元后，由工艺误差造成的延迟完全相同，输出脉冲经过异或门后由该延迟被抵消。该结构能够克服工艺误差对电路的影响，但是输出脉冲的宽度却比传统结构要小，在时钟固定的情况下，会影响输出精度。因此，设计CTAT偏置电流源为新增延迟单元提供偏置电流，使其输出脉冲的宽度随温度升高增大。由于具有PTAT偏置电流源的延迟单元输出脉冲宽度随温度升高而减小，2个延迟单元的输出经异或门后能够获得较大宽度的脉冲。

图3 温度脉冲转换模块结构

图4 传统温度脉冲转换模块结构

2.2 偏置电流源和延迟单元的结构及原理

以单级反相器为例，偏置电流源结构如图5(a)所示，其中P1、N1、N2、 P3及N3管构成偏置电流源及电流镜,P4与N2管为基本反相器。偏置电流为P1、N1及N3沟道电流，由于其采用二极管连接方式，则沟道电流可表示为

(1)

式中宽长比W/L及栅氧化层电容COX与温度无关，而电子迁移率μn及阈值电压VTH与温度相关，温度表达式为

μn(T)=μn(T0)(T/T0)αμ

(2)

VT=VT0-αVT(T-T0)

(3)

式中：T0为参考温度；αu与αVT为工艺常数，掺杂浓度小于1012cm-3时, n型硅和p型硅的αu值分别是-2.4和-2.2，当掺杂浓度上升到1017cm-3时，相应的αμ值增大至- 1.2和-1.9[11]；αVT通常介于-4～-1 mV/ ℃之间[12-13]。

将式(2)和式(3)代入式(1)整理可得

(4)

由于反相器延迟时间与温度成正比，则偏置电流随温度升高而减小，令∂I/∂T<0，则有

(5)

整理后，可得：

(6)

由式(6)可知，当MOS管的栅源电压 大于一定值时，偏置电流源输出CTAT偏置电流，反相器延迟时间随温度升高而增大。

同理，令∂I/∂T<0，可得到：

(7)

由式(7)可知，VGS小于该值时，偏置电流源输出PTAT偏置电流，反相器延迟时间随温度升高而减小[14]。

(a)偏置电路

(b)延迟单元

由以上分析可知，通过调节偏置电流源中MOS的宽长比，将VGS值调节至不同范围内，可改变偏置电流随温度的变化趋势，可以构成具有不同温度特性的延迟单元。下文将给出P1、N1及N3管的W/L设置为不同值时，对偏置电流温度特性仿真得到的结果，可进一步验证以上分析的正确性。延迟单元的整体电路结构如图5(b)所示，为了保证脉冲宽度满足精度要求，采用多级反相器级联的电路结构，其中电容受温度的影响可忽略不记。

2.3 温度数字转换模块

为了满足RFID标签的低功耗要求，如图6采用8位异步计数器替代ADC实现温度到数字输出的转变。计数器的时钟由标签内嵌振荡器提供，温度脉冲转换模块输出脉冲作为计数器的使能信号。根据前面叙述，脉冲宽度与温度相关，因此计数器的触发时间与温度相关，根据温度变化计数器输出结果为不同值。

图6 计数器电路结构

3 温度脉冲转换模块的仿真结果与分析

采用Cadence spectre基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺对图5(a)所示电路仿真。根据2.2节的推导，计算VGS的临界值，调节MOS管的宽长比，使VGS分别大于和小于临界值。在2种情况下，分别对电路仿真，得到偏置电流的温度特性曲线如图7、图8所示。

(a)电流随温度变化曲线

(b)电流对温度求导随温度变化曲线

(a)电流随温度变化曲线

(b)电流对温度求导随温度变化曲线

图7所示的偏置电流与温度成反比，而图8所示的偏置电流与温度成正比。分别对两组温度曲线求导，求导结果的变化范围分别为-135×10-3～-125×10-3nA/℃，265×10-3～310×10-3nA/℃。这表明在芯片工作的温度范围内，偏置电流线性度可以满足要求。

对温度传感器整体电路仿真，室温为25 ℃时，温度脉冲转换模块的输出脉冲，计数器时钟信号及计数器输出结果如图9所示，在-20～60℃之间，不同温度对应的计数器输出结果如图10所示。可以看出传感器的数字输出结果随温度升高而减小，且具有良好的线性度。

图9 25℃时使能信号，时钟信号及计数器输出结果

图10 脉冲宽度与温度关系

根据计数器的输出结果计算传感器有效分辨率为：

计数器的时钟信号复用标签本身的时钟信号，传感器的功耗来自于偏置电流源及计数器，计数器结构简单功耗较低，其值可以忽略不计，而根据图8所示，偏置电流总和约为400 nA，本设计采用1.8 V电源电压，功耗约为720 nW。

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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

大学生创新创业训练计划项目(201410147028)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014130)

2015-08-25 收修改稿日期：2015-09-01

TN432

A

1002-1841(2015)12-0008-03

李颖(1996—),本科,研究领域为射频集成电路设计。 E-mail:lntuicgroup@163.com

李蕾(1981—),讲师,博士,研究领域为射频集成电路设计。 E-mail:lilei_81@163.com