集成于无源RFID标签的温度传感器设计*

王 磊， 邓芳明， 吴 翔， 付智辉， 谭 畅

(华东交通大学 电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013)

集成于无源RFID标签的温度传感器设计*

王 磊， 邓芳明， 吴 翔， 付智辉， 谭 畅

(华东交通大学 电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013)

针对无源无线射频识别(RFID)标签的低功耗设计要求，设计了一种基于环形振荡器的CMOS温度传感器。该传感器首先产生一个与绝对温度成正比PTAT电流，然后通过环形振荡反相器来产生相应的PTAT频率，最后利用计数器来实现频率—数字之间的转换。测试结果表明：该温度传感器实现了125 nW的超低功耗，在-40～80 ℃范围内，误差仅为-0.7/1.2 ℃，特别适合集成于无源RFID标签中。

温度传感器; 无线射频识别标签; 低功耗设计

0 引 言

由于安装便捷等原因，各种类型的无线传感器被广泛地应用于不同行业中。现有的无线传感器技术主要包含ZigBee,蓝牙(Bluetooth)和无线局域网(WLAN)，但基于这3种技术的无线传感器结构复杂，功耗较高，需要电源或电池供电，不适合应用于低成本和需要长期监测的场合[1]。近年来，基于无线射频识别(RFID)技术的无线传感标签设计研究引起了国内外的广泛兴趣。由于RFID标签采用了反向散射调制技术，电路结构简单，功耗低，可以工作于无源状态，因此RFID传感技术已成为物联网技术的重要组成部分[2]。

无源RFID标签接收RFID读写器发出的射频能量，并将其转换为标签自身工作所需的电源，因此，功耗是RFID传感器标签的最关键的性能指标之一，决定了标签最大工作距离，是无源RFID系统可靠工作的前提[3]。集成于无源RFID标签的温度传感器要求电路结构简单，所占芯片面积小、功耗低(mW级)。传统的CMOS温度传感器是基于双极型晶体管(BJT)结构[4,5]，首先将温度变化转换为相应的电压变化，然后通过模拟/数字转换器(ADC)来进行电压—数字转换。设计可以获得高精度和高分辨率性能，但由于ADC结构复杂，功耗甚高，不适合集成于无源RFID标签中。为了实现低功耗，基于时间/数字[6,7]或频率/数字转换[8]的温度传感器设计方案用于取代传统方案中ADC结构，然而这些设计又被限制在有限的工作范围和精度之内。

针对无源RFID传感标签的设计需求，本文设计了一种CMOS温度传感器。该温度传感器采用基于环形振荡器的反相器产生与绝对温度成正比(PTAT)频率，然后通过计数器来实现数字输出转换，电路结构简单，功耗低，工作范围大，适合集成于无源RFID标签中。

1 CMOS温度传感器设计

温度传感器设计方案如图1所示，该温度传感器的结构由一个PTAT温控振荡器和一个10 bit的计数器组成，工作原理如下：PTAT振荡器用于产生PTAT频率fosc，然后计数器计算一个时钟信号周期内所包含的fosc周期数，输出相应的数字输出Bo，从而完成了温度/数字信号转换。时钟信号Clk由RFID标签的内部时钟发生器产生，因此，温度传感器无需再设计时钟发生器。PTAT振荡器是由一系列反相器构成的环形振荡器，假设PTAT振荡器的上升和下降时间相等，其振荡频率fosc可以表示如下

(1)

式中td为环路的延迟时间;It为流过反相器的电流;Cl为环路的等效负载电容;Vm为输出电压的最大摆幅，一般等于电源电压VDD。由于每设置一个反相器都将增加额外的电容和延迟时间，因此，反相器级数N由振荡频率fosc决定。

图1 温度传感器设计原理图

设计的关键在于产生一个PTAT电流源It。本文设计的工艺与电压(PV)补偿的PTAT电流源如图2所示，晶体三极管M1和M2用来产生PTAT电压VPTAT，然后加在PV补偿电阻上获取PV补偿电流It。晶体管M3～M5用来产生PV补偿的有源电阻。偏置在亚阈值区的NMOS晶体管M1和M2分别是短沟道和长沟道晶体管，PTAT电压可以由下式得到[9]

VPTAT=VGS2-VGS1=ηVTlnK

(2)

式中 VGS1和VGS2分别为M1和M2的栅—源电压;n为近似值为1.45的亚阈值斜率;VT为热电压;K为2个晶体管的宽比。PMOS晶体管M5作为有源电阻工作在线性区域，其阻值为

(3)

式中 μp为空穴迁移率;Cox为晶体管的氧化物电容;W/L为晶体管宽对长的比值;VSG为晶体管的源—栅电压;Vth为阈值电压;μp产生温度变化的影响使得栅极电压要高于阈值电压Vth。因此，需要产生一个栅极电压来补偿由温度变化引起的影响。PMOS晶体管M3和M4偏置在亚阈值区，电压VCTAT可以由式(4)计算

VCTAT=VDD-(VSC3-VSG4)=VDD-ηVTlnK

(4)

式(4)表明:产生的电压为随电源电压变化的CTAT电压。因此，输出电流It为PV补偿PTAT电流源。

图2 PTAT电流产生电路

为进一步降低功耗，设计的PTAT振荡器电路图如图3所示，通过3级振荡器中M1～M6的电流被M7～M12的镜像电流所限制。与传统的环形振荡反相器相比，尽管需要对晶体管M7～M12额外提供更高的电源电压，但是通过反相器的电流被限制得很低，达到了超低功耗和高稳定性的设计目的。

图3 环形振荡器电路

2 测试结果

设计的集成于RFID标签的温度传感器采用台积电0.18μmCMOS工艺，封装后的无源RFID温度传感器标签如图4所示。RFID标签的内部时钟频率设定为1kHz，传感器温度性能的测试在温度控制箱中进行。图5为温度传感器在-40～80 ℃，以5 ℃为步长的数字输出图。可知：该温度传感器在-40～80 ℃范围获得高线性度，分辨率为0.3 ℃/LSB。

图4 集成温度传感器的RFID传感器标签

图5 温度传感器线性度测试结果

为了更好地测试所设计的温度传感器性能，以商用温度传感器TMP275输出作为参考温度并进行对比。图6给出了所测试的5块温度传感器样品的精确度。在经过20 ℃点的温度校准后， -40～80 ℃之间测量误差为-0.7/1.2 ℃。本文设计的温度传感器与文献[6，7，9]中所设计的传感器的性能比较如表1所示。该温度传感器的面积只有0.062mm2，在0.5V电源电压下的功耗仅为125nW。尽管在文献[6,7,9]的设计中也获得类似的低功耗，但是这些方案都被限定在一个有限的工作范围内。

图6 温度传感器误差性能

表1 温度传感器性能比较

3 结 论

本文提出的CMOS温度传感器首先产生一个PTAT电流，然后通过环形振荡反相器来产生相应的PTAT频率。最后利用计数器来实现频率/数字的转换。测试结果表明:温度传感器实现了 125 nW 的超低功耗，且在-40～80 ℃范围内，误差仅-0.7/1.2 ℃，特别适合集成于无源RFID标签中。

[1] 陈 宏,邓芳明,何怡刚,等.一种适用无源RFID的集成加速度传感器设计[J].传感器与微系统,2015,34(10):86-89.

[2] 吴 翔,邓芳明,何怡刚,等.应用于RFID的超低功耗CMOS温度传感器设计[J].传感器与微系统,2016,35(2):106-108.

[3] 程嘉奇,谢 生,毛陆虹,等.基于UHF RFID技术的无线脉搏血氧监测系统设计[J].传感器与微系统,2016,35(5):70-73.

[4] Aita A L,Pertijs M A P,Makinwa K A A,et al.A CMOS smart temperature sensor with a batch-calibrated inaccuracy of ±0.25 ℃(3σ)from -70 ℃ to 130 ℃[C]∥IEEE International Solid-State Circuits Conference，IEEE,2009:342-343.

[5] Sebastiano F,Breems L J,Makinwa K A A,et al.A 1.2 V 10 μW NPN-based temperature sensor in 65nm CMOS with an inaccuracy of ±0.2 ℃(3s)from -70 ℃ to 125 ℃[C]∥IEEE International Solid-State Circuits Conference，IEEE,2010:312-313.

[6] Man K L,Bermak A,Luong H C.A sub,W embedded CMOS temperature sensor for RFID food monitoring application[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(6):1246-1255.

[7] Man K L,Bermak A.A 405 nW CMOS temperature sensor based on linear MOS operation[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs,2009,56(12):891-895.

[8] Vaz A,Ubarretxena A,Zalbide I,et al.Full passive UHF tag with a temperature sensor suitable for human body temperature monitoring[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs,2010,57(2):95-99.

[9] Deng F,He Y,Li B,et al.Design of an embedded CMOS tempe-rature sensor for passive RFID tag chips[J].Sensors,2015,15(5):11442-11453.

王 磊 (1982- )，男，硕士，实验师，主要从事智能检测与故障诊断技术工作。

Design of an integrated temperature sensor for RFID application tag*

WANG Lei, DENG Fang-ming, WU Xiang, FU Zhi-hui, TAN Chang

(School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiao Tong University，Nanchang 330013,China)

Aiming at the requirements of low power consumption of RFID sensor tag,design a CMOS temperature sensor based on ring oscillator.The proposed temperature sensor first generate a PTAT current,and then generate a PTAT frequency by a ring oscillator.A counter counts this frequency to achieve the conversion of frequency to digital code.The measurement results show that the proposed temperature sensor only consumes 125 nW and the temperature error is sensor only -0.7/1.2 ℃ within the range of -40～80 ℃,which is especially suitable for RFID application.

temperature sensor; RFID tag; low-power consumption design

2017—01—16

国家自然科学基金资助项目(61663013)；江西省重点研发计划资助项目(20161BBE50076)；江西省自然科学基金青年基金资助项目(20161BAB212051)；江西省教育厅科技资助项目(GJJ150506)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0102—03

TP 212.2

A

1000—9787(2017)06—0102—03