集成于無源UHF RFID標(biāo)簽的高分辨率CMOS溫度傳感器*

王 倩，毛陸虹，張 歡，張世林，謝 生

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽并且能夠進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)不同，射頻識(shí)別技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離，非視距的識(shí)別，并且識(shí)別過程無需人工操作，過程快捷方便。一般而言，射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別距離可達(dá)到幾十米以上，可以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)中的物體，并且可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。同時(shí)，與傳統(tǒng)的條形碼相比，RFID標(biāo)簽具有防水防磁，耐高溫，壽命長，識(shí)別距離大，數(shù)據(jù)容量大，讀寫方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，它被廣泛的認(rèn)為是傳統(tǒng)條形碼的替代品。

帶有智能傳感器的RFID，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)的重要組成部分。RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN結(jié)合成為熱點(diǎn)的發(fā)展方向［1－3］。其中，在標(biāo)簽芯片中嵌入溫度傳感電路是其中的一大方向。

目前基于CMOS工藝的RFID溫度傳感方法有兩種典型的結(jié)構(gòu)，一種結(jié)構(gòu)是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將與溫度有關(guān)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含溫度信息的數(shù)字信號(hào)來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。在國外，荷蘭的Delft理工大學(xué)［4－8］，XP 公司［9］，Analog Device 公司［10］，Intel公司［11］等單位對(duì)基于這種技術(shù)的溫度傳感器展開了設(shè)計(jì)研究工作;在國內(nèi)，中科院微電子所［12－13］，復(fù)旦大學(xué)［14］等單位都對(duì)此類溫度傳感器進(jìn)行了研究。另一種結(jié)構(gòu)是采用時(shí)域數(shù)字量化的方式將周期隨溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為包含溫度信息的數(shù)字信號(hào)，即利用一個(gè)輸出周期隨溫度變化的時(shí)鐘對(duì)一個(gè)脈沖寬度與溫度無關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，或者利用一個(gè)輸出周期與溫度無關(guān)的時(shí)鐘對(duì)一個(gè)脈沖寬度隨溫度變化的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，從而得到與溫度相關(guān)的數(shù)字信息，最終通過后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理得到溫度信息。在國外，哈佛大學(xué)［15］，西班牙 Navarra 大學(xué)［16］，韓國KAIST研究所［17］等單位對(duì)基于這種技術(shù)的溫度傳感器進(jìn)行了研究;在國內(nèi)，國立臺(tái)灣科技大學(xué)［18］，香港科技大學(xué)［19－20］，中科院半導(dǎo)體所［21－22］等單位都對(duì)此類溫度傳感器進(jìn)行了研究。

采用上述第1種結(jié)構(gòu)的溫度傳感器具有測(cè)量范圍寬，量化誤差小，測(cè)量精度高，測(cè)試成本低的特點(diǎn)，但其功耗一般較大，約在上百微瓦至幾毫瓦。第2種方法功耗很低，但一般測(cè)量范圍較小，測(cè)量精度不高，對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性要求較高。

以往的利用時(shí)域數(shù)字量化方式進(jìn)行的溫度傳感方法中，產(chǎn)生計(jì)數(shù)器使能信號(hào)的恒定脈沖產(chǎn)生器電路，本身可能受溫度影響，而使得產(chǎn)生的脈沖的寬度并不是完全與溫度無關(guān)，最終使得計(jì)數(shù)不夠準(zhǔn)確。本文采用一種新方法，利用簡單的數(shù)字電路對(duì)閱讀器發(fā)送的幀頭命令進(jìn)行處理，得到抗溫度變化的恒定脈沖信號(hào)，有效克服了以上問題，提高了溫度傳感的精度。

另外，一般采用時(shí)域數(shù)字量化方式的溫度傳感方法是，用基準(zhǔn)振蕩器對(duì)與溫度線性相關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，如文獻(xiàn)［23－24］，但此種方法對(duì)高頻振蕩器的溫度穩(wěn)定性要求較高，振蕩器周期產(chǎn)生微小變化即可對(duì)采樣結(jié)果產(chǎn)生較大影響，且產(chǎn)生的脈沖周期變化范圍較小，本發(fā)明用與溫度線性相關(guān)的脈沖信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)對(duì)恒定脈沖進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，恒定脈沖寬度很大，且時(shí)鐘信號(hào)頻率高，隨溫度變化明顯，使得在－50℃～50℃的寬溫度范圍內(nèi)，采樣計(jì)數(shù)差值較大，最終使溫度傳感精度得到進(jìn)一步提高。

1 電路框圖及工作原理

本文設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌溫度傳感器利用時(shí)域數(shù)字量化的方式實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，主要包括數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路、PTAT振蕩器和9 bit異步計(jì)數(shù)器。當(dāng)數(shù)字電路檢測(cè)到閱讀器發(fā)送的幀頭信號(hào)到來時(shí)，數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路開始工作，通過對(duì)幀頭信號(hào)的處理，得到一個(gè)抗溫度變化的寬脈沖信號(hào)PUSLE_out，作為9 bit異步計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)En;用PTAT電流源產(chǎn)生與溫度正線性相關(guān)的電流IPTAT，通過偏置電路提供給標(biāo)簽內(nèi)部的振蕩器，產(chǎn)生脈沖寬度與溫度線性相關(guān)的脈沖信號(hào)PTAT_osc_out，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)Clk;利用以上產(chǎn)生的寬脈沖和與溫度相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，最終得到包含溫度信息的9 bit數(shù)字輸出。

圖1 RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌溫度傳感器框圖

2 具體電路模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字寬脈沖產(chǎn)生電路

根據(jù)ISO 18000－6 Type B協(xié)議規(guī)定，閱讀器發(fā)送給標(biāo)簽的一般命令格式如表1所示。幀頭檢測(cè)(Preamble Detect)為至少持續(xù)400 μs的穩(wěn)定無調(diào)制載波，對(duì)于40 kbit/s的數(shù)據(jù)通訊速率而言，相當(dāng)于16 bit的傳輸數(shù)據(jù);幀頭(Preamble)為9 bit NRZ格式的 Manchester編碼“0”，其編碼形式是“010101010101010101”，同樣對(duì)于40 kbit/s的數(shù)據(jù)通訊速率而言，其相當(dāng)于9個(gè)周期為25 μs的方波組成的脈沖信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)得到一個(gè)寬脈沖信號(hào)，該寬脈沖信號(hào)溫度系數(shù)為0，將作為計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，最終使溫度傳感精度提高。

表1 ISO 18000－6 Type B協(xié)議規(guī)定的閱讀器發(fā)送命令格式

具體的實(shí)現(xiàn)方法是:一旦檢測(cè)到閱讀器發(fā)送的命令由“1”變?yōu)椤?”，則數(shù)字電路開始工作，對(duì)幀頭的9個(gè)周期為25 μs的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到第9個(gè)上升沿時(shí)，使得輸出為“0”，共計(jì)數(shù)8個(gè)周期，即得到寬度為200 μs的寬脈沖信號(hào)。具體方法是由Verilog語言編寫代碼實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的功能，該部分?jǐn)?shù)字電路綜合之后只有16個(gè)數(shù)字門，而數(shù)字電路本身就比模擬電路受溫度的影響小得多，所以該方法受溫度影響很小。圖2所示為閱讀器發(fā)送的命令幀頭信號(hào)和處理后的脈沖波形圖。

圖2 閱讀器幀頭命令處理前后波形圖

2.2 PTAT 振蕩器

本文設(shè)計(jì)的PTAT振蕩器結(jié)構(gòu)包括PTAT電流源、振蕩器，其中振蕩器包括偏置電路、遲滯比較器和緩沖電路。

2.2.1 PTAT 電流源

如圖3所示為PTAT電流源電路。該電路由與電源無關(guān)的偏置電路和雙極晶體管結(jié)合構(gòu)成，P1、P2和N1、N2均為相同的對(duì)管，為了使兩條支路電流相等，即 Id1=Id2，電路要保證 VsN1=VsN2，VsN1和 VsN2分別為N1管和N2管的源極電壓，利用兩個(gè)PNP管基射極電壓Vbe的差值，電阻上的電壓為:

其中，Ve1，Ve2分別為PNP1和PNP2管的發(fā)射極電壓，Vbe1和Vbe2分別為PNP1和PNP2管的基射極之間的電壓，VT為熱電壓，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，n為兩個(gè)管子有效發(fā)射結(jié)面積的比值，q為電子的帶電量。

圖3 PTAT電流源電路

因此，如果P3管也跟P1、P2管相同，則最終輸出電流:

根據(jù)等效熱電壓VT的正溫度系數(shù):

輸出電流與溫度成正線性關(guān)系:

該電路中P4、P5和N3管構(gòu)成啟動(dòng)電路，在上電過程中，起始N3柵極處于低電位，P5導(dǎo)通，對(duì)偏置電路注入電流，啟動(dòng)電路開啟;隨著VDD逐漸升高，通過P4對(duì)N3充電，最終N3柵極達(dá)到高電位，P5截止，啟動(dòng)電路關(guān)閉，整個(gè)電路穩(wěn)定工作。

2.2.2 振蕩器電路

本文為進(jìn)一步降低內(nèi)嵌溫度傳感器的功耗，振蕩器利用標(biāo)簽內(nèi)部的振蕩電路，其電路如圖4所示。該振蕩電路是基于遲滯比較器的，圖4中的Comparator代表遲滯比較器，前面的電路是偏置電路，主要作用是將之前PTAT電流源產(chǎn)生的與溫度正線性相關(guān)的電流IPTAT偏置給遲滯比較器，同時(shí)為遲滯比較器提供一個(gè)恒定的參考電壓，作為比較器正輸入端的輸入電壓;比較器后面的兩級(jí)反相器為緩沖級(jí)，使得輸出的脈沖更加理想。

圖4 振蕩器電路

振蕩器的輸出反饋回比較器輸入端，通過一個(gè)反相器對(duì)電容C充電，充電電壓輸入比較器的負(fù)輸入端。最初，整個(gè)電路的輸出為低電平，反饋到輸入端，PM13導(dǎo)通，NM11截止，因此電源電壓通過PM9，PM13為電容充電，因此 Vi－逐漸增大，當(dāng) Vi－超過正向轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，輸出反轉(zhuǎn)為高電平，通過反饋，PM13截止，NM11導(dǎo)通，電容通過NM11，NM12放電，因此Vi－電壓逐漸減小，當(dāng)減小到低于負(fù)向轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，輸出端再次翻轉(zhuǎn)，如此往復(fù)進(jìn)行即產(chǎn)生了周期性的脈沖信號(hào)。當(dāng)電容值恒定時(shí)，

其中Δt是電容C的充(放)電時(shí)間，ΔV是電容C充放電壓差，等于遲滯比較器正負(fù)參考電壓差，即

則振蕩器周期T為

從上式可看出，當(dāng)電容值恒定時(shí)，振蕩器周期T僅受I_PTAT影響。I_PTAT越大，充電時(shí)間越短，產(chǎn)生的脈沖周期就越小，最終使得不同溫度下產(chǎn)生不同周期的脈沖。

2.3 9 bit異步計(jì)數(shù)器

本文采用帶復(fù)位端的9 bit異步計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍0～255。之所以選擇異步計(jì)數(shù)器，是因?yàn)槠涮囟ǖ膬?yōu)點(diǎn)。異步計(jì)數(shù)器高位觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)完全靠相鄰的低位輸出控制，因此其計(jì)數(shù)速度較慢，隨著位數(shù)的增加，計(jì)數(shù)器從受時(shí)鐘觸發(fā)到穩(wěn)定狀態(tài)的建立，時(shí)延也大大增加。但是異步計(jì)數(shù)器的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件數(shù)較少，這個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)使其在VLSI設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分廣泛。

本文采用的計(jì)數(shù)器為9 bit異步計(jì)數(shù)器，是以二分頻器為基礎(chǔ)的，二分頻電路由兩個(gè)帶復(fù)位端的D觸發(fā)器構(gòu)成，而兩個(gè)觸發(fā)器采用相反的時(shí)鐘信號(hào)，第二個(gè)觸發(fā)器的輸出Q端取反后反饋回第一個(gè)觸發(fā)器的輸入端，輸出信號(hào)在輸入時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，而一旦復(fù)位信號(hào)有效，則輸出信號(hào)歸零。

圖5所示為9 bit異步計(jì)數(shù)器，由9個(gè)二分頻器和其他邏輯電路組成。第1級(jí)分頻器的輸出作為第2級(jí)分頻器的時(shí)鐘信號(hào)，控制第2級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn);第2級(jí)分頻器的輸出作為第3級(jí)分頻器的時(shí)鐘信號(hào)，控制第3級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn);第3級(jí)分頻器的輸出作為第4級(jí)分頻器的時(shí)鐘信號(hào)，控制第4級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn);以此類推。因此，各級(jí)觸發(fā)器輸出信號(hào)的頻率依次減半，Q0的輸出是計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CP的2分頻，Q1是4分頻，Q2是8分頻，Q3是16分頻，以此類推，最終達(dá)到256分頻，計(jì)數(shù)范圍為0～255，該計(jì)數(shù)器利用一個(gè)與非門和一個(gè)非門，通過使能信號(hào)En和時(shí)鐘信號(hào)Clk控制計(jì)數(shù)，當(dāng)En信號(hào)為0時(shí)，第1個(gè)二分頻器的時(shí)鐘信號(hào)始終為0，此時(shí)計(jì)數(shù)器不工作，而當(dāng)En信號(hào)為1時(shí)，第1個(gè)二分頻器的時(shí)鐘信號(hào)與輸入的時(shí)鐘信號(hào)一致，上升沿時(shí)開始工作，當(dāng)En變成低電平時(shí)，計(jì)數(shù)停止，且每個(gè)輸出都變成低電平。

圖5 異步計(jì)數(shù)器電路(9 bit)

3 仿真結(jié)果及其分析

本文的內(nèi)嵌溫度傳感器是用0.18 μm UMC CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，在Spectre環(huán)境下進(jìn)行仿真的。電源電壓為1.8 V，在－50℃ ～50℃范圍內(nèi)仿真，其直流功耗為789 nW。

3.1 前仿結(jié)果

圖6 PTAT電流源產(chǎn)生的電流隨溫度的變化曲線

如圖6所示，左圖為PTAT電流源產(chǎn)生的電流隨溫度的變化曲線，當(dāng)溫度從－50℃ ～50℃變化時(shí)，電流隨溫度升高而增大，從51.08 nA～333.7 nA變化，并呈現(xiàn)較好的線性度;右圖為電流對(duì)溫度的微分曲線，在－50℃ ～50℃溫度范圍內(nèi)，斜率保持在1.776 nA/℃ ～3.477 nA/℃之間很小的值，線性度良好。

將以上PTAT電流提供給振蕩器，得到周期隨溫度變化的脈沖信號(hào)，再通過采樣計(jì)數(shù)，得到不同溫度下的不同計(jì)數(shù)值，如圖7所示為0℃時(shí)，使能信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和計(jì)數(shù)器的各位輸出結(jié)果，可見0℃時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出為100100001，化為十進(jìn)制是289。

圖7 0℃時(shí)使能信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果

最終在－50℃ ～50℃范圍下，不同溫度下的時(shí)鐘信號(hào)周期和計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果如表2所示。溫度傳感器的有效分辨率［20］定義為:

由表2所示結(jié)果可見，在－50℃ ～50℃范圍內(nèi)，本文的溫度傳感器有效分辨率為:

與已報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)相比，本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽內(nèi)嵌溫度傳感器的有效分辨率有了顯著提高。

表2 －50℃ ～50℃范圍內(nèi)不同溫度下的時(shí)鐘信號(hào)周期和計(jì)數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果隨溫度的變化繪成曲線，如圖8所示，溫度傳感器的數(shù)值輸出Dout與溫度的關(guān)系近似為:

可見，最終的計(jì)數(shù)結(jié)果呈現(xiàn)很好的線性度。其輸出靈敏度較高，為3.60 LSB/℃，可適用于無源UHF RFID標(biāo)簽芯片中。

圖8 計(jì)數(shù)結(jié)果隨溫度的變化曲線

3.2 后仿結(jié)果

在0.18 μm UMC CMOS工藝下，本文將設(shè)計(jì)的溫度傳感器作為一個(gè)整體電路設(shè)計(jì)了版圖，如圖9所示。

圖9 0.18 μm UMC CMOS工藝下溫度傳感器整體版圖

通過參數(shù)的提取，最終得到后仿結(jié)果，由于后仿時(shí)間較長，并且考慮到版圖引入的工藝寄生參數(shù)對(duì)各個(gè)溫度的影響是均衡的，本文僅選取了－50℃、0℃、50℃三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了仿真，表3列舉出這三個(gè)溫度下時(shí)鐘信號(hào)的周期和計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果。

表3 －50℃、0℃、50℃三個(gè)溫度下的后仿結(jié)果

由表3所示結(jié)果可知，后仿結(jié)果將時(shí)鐘信號(hào)的周期整體提高了，這是由于寄生電容和電阻的影響，使得振蕩器振蕩周期延長，但不影響最終計(jì)數(shù)的線性度，只是將有效分辨率降低了一些。后仿的有效分辨率為:

溫度傳感器的數(shù)值輸出Dout與溫度的關(guān)系近似為:

最終的線性度沒有受到影響，其輸出靈敏度雖然由 3.60 LSB/℃降低到了 3.01 LSB/℃，但仍具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力。

下面總結(jié)本文設(shè)計(jì)的CMOS溫度傳感器與同類研究方法各指標(biāo)的異同，如表4所列。由比較可見，本文設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌溫度傳感器在保證較低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)了高分辨率。

表4 本文設(shè)計(jì)與其他文獻(xiàn)研究方法的異同

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種采用時(shí)域數(shù)字量化方式實(shí)現(xiàn)的高分辨率的RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌溫度傳感器。基于0.18 μm UMC CMOS工藝，在Spectre環(huán)境下仿真。前仿和后仿結(jié)果表明:在電源電壓1.8 V情況下，內(nèi)嵌溫度傳感器的直流功耗為789 nW。在－50℃ ～50℃溫度范圍內(nèi)，溫度傳感器的數(shù)字輸出隨溫度升高而增大，呈現(xiàn)良好的線性度，且有效分辨率較高，后仿結(jié)果為0.332℃/LSB。本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器充分利用閱讀器發(fā)送的命令，產(chǎn)生抗溫度變化的恒定脈沖信號(hào)，顯著提高了有效分辨率，且利用標(biāo)簽內(nèi)部振蕩器，保證了內(nèi)嵌溫度傳感器的功耗，滿足無源RFID標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)要求。本文將設(shè)計(jì)的溫度傳感器作為一個(gè)整體電路設(shè)計(jì)了版圖，可以在沒有整體RFID標(biāo)簽其他電路的情況下也方便進(jìn)行性能測(cè)試，版圖面積為 769 μm×643 μm。

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