面向變電站監(jiān)測(cè)的低功耗溫度傳感器

石 蓉，肖 夏，王 超，尹 璐，涂 彬

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，西安 710048）

RFID標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于電子識(shí)別、運(yùn)輸、標(biāo)簽、庫(kù)存監(jiān)控和訪(fǎng)問(wèn)控制[1]。RFID低功耗平臺(tái)非常適合實(shí)現(xiàn)針對(duì)變電站監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器。無(wú)線(xiàn)供電的無(wú)源射頻干擾消除了對(duì)電池的需求，降低了成本和維護(hù)要求。然而，為這種無(wú)電池系統(tǒng)配備傳感器和傳感接口電路，需要整個(gè)系統(tǒng)的緊湊型芯片區(qū)域和超低功耗電路設(shè)計(jì)[2]。

傳統(tǒng)的溫度傳感器設(shè)計(jì)需要大面積（每對(duì)BJT 4000 μm2）以及相對(duì)昂貴的雙溫度點(diǎn)校準(zhǔn)（TPC），以達(dá)到所需的測(cè)量精度[3-4]，這限制了傳統(tǒng)的溫度傳感器設(shè)計(jì)在低成本無(wú)線(xiàn)射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文提出了一種與雙斜坡ADC集成的電源電壓可擴(kuò)展CMOS溫度傳感器的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了RFID溫度傳感器。該溫度傳感器只有8個(gè)晶體管，以最大限度地減少芯片面積。在1 V電源下，整個(gè)傳感器前端功耗僅為34 μW。此外，溫度傳感器可以在0.6 V～1 V的電源電壓范圍內(nèi)工作，這使其適合與縮放的低于1 V的數(shù)字超大規(guī)模集成電路（VLSI）系統(tǒng)集成，以最大限度實(shí)現(xiàn)傳感器前端的低功耗，滿(mǎn)足基于RFID無(wú)線(xiàn)供電的設(shè)計(jì)需求。

1 系統(tǒng)概述

圖1展示了RFID溫度傳感器系統(tǒng)的框圖。傳感器1～N為芯片外傳感器，可感應(yīng)不同位置或不同類(lèi)型的溫度傳感輸入信號(hào)。由于不同類(lèi)型傳感信號(hào)的輸入電壓和頻率范圍不同，需要多個(gè)前置放大器以滿(mǎn)足不同的輸入要求。放大器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，以適應(yīng)ADC的全輸入范圍，使量化結(jié)果更加準(zhǔn)確。N選1多路選擇器根據(jù)數(shù)字核心電路產(chǎn)生的選擇信號(hào)選擇要量化的傳感輸入信號(hào)。數(shù)字核心電路還為模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送采樣時(shí)鐘，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在短時(shí)間內(nèi)完成傳感循環(huán)，提高了系統(tǒng)的電能效率。量化的數(shù)據(jù)將由數(shù)字核心電路進(jìn)行編碼，并通過(guò)芯片上無(wú)線(xiàn)收發(fā)器前端發(fā)送出去。由于整個(gè)系統(tǒng)集成在單個(gè)芯片上并通過(guò)射頻（RF）能量收集方案無(wú)線(xiàn)供電，因此所有設(shè)計(jì)組件必須緊湊且功率低。本文中介紹的溫度傳感器前端設(shè)計(jì)如圖1中的虛線(xiàn)框所示。

圖1 RFID傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖Fig.1 RFID sensor node system block diagram

2 電路實(shí)現(xiàn)

圖2（a）顯示了所實(shí)現(xiàn)的誤差CMOS溫度傳感器。傳感器的誤差輸出標(biāo)記為CTAT（與絕對(duì)溫度互補(bǔ)）和PTAT（與絕對(duì)溫度成比例）[5]。傳感器設(shè)計(jì)為在亞閾值區(qū)域工作，以促進(jìn)電流對(duì)VDS的弱依賴(lài)性以及輸出電壓CTAT和PTAT對(duì)溫度的線(xiàn)性依賴(lài)性[6]。這種依賴(lài)性的斜率主要由偏斜的晶體管尺寸比決定。誤差方案的目的不僅在于提高傳感器的靈敏度，還在于減少其他組件參數(shù)（摻雜n、流動(dòng)性μ和閾值電壓VTH）因其自身溫度依賴(lài)性而產(chǎn)生的非線(xiàn)性影響[7]。增加晶體管M7和M8以增加CTAT的輸出，以提供溫度和電壓補(bǔ)償[8-9]。偏置電壓VB1在芯片上產(chǎn)生。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit schematic

誤差輸入單端輸出單級(jí)共源前置放大器將PTAT和CTAT之間的電壓差放大9.5 dB，以增加傳感分辨率，放大后的結(jié)果將由傳輸門(mén)配置的多路復(fù)用器選擇，然后發(fā)送到ADC。采用45 nm CMOS SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的雙斜坡ADC包括一個(gè)基于放大器的積分器（見(jiàn)圖2b），一個(gè)交叉耦合的動(dòng)態(tài)鎖存比較器（見(jiàn)圖2c），一個(gè)SR鎖存器和數(shù)字控制模塊。Vin1是從多路復(fù)用器中選擇的感應(yīng)信號(hào)，Vin2和Vref是參考電壓。CLK1、CLK2和RESET是芯片上數(shù)字控制單元的輸出，分別定義充電上升、充電下降和重置時(shí)間。SCLK是系統(tǒng)采樣頻率，本文設(shè)計(jì)中設(shè)定采樣頻率為10 MHz以降低系統(tǒng)功耗。

3 測(cè)量結(jié)果

CMOS溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。該測(cè)量實(shí)驗(yàn)是利用一個(gè)裝有熱耦合器的隔熱箱來(lái)檢測(cè)空氣中溫度的變化。熱源是通過(guò)一個(gè)10 W的功率場(chǎng)效應(yīng)管（FET）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)ET附加在絕緣盒內(nèi)的金屬容器上。溫度傳感器的輸出電壓在測(cè)量溫度范圍為20℃～100℃時(shí)隨溫度線(xiàn)性變化，最大的誤差為+0.7/-1℃。傳感器、放大器和多路復(fù)用器一起使用12 μW/1 V的直流電源供應(yīng)。在直流0.6 V電源下的傳感器系統(tǒng)的功耗降低到6.7 μW。

圖3 在0.6V、0.8V和1V電源電壓下測(cè)量的溫度傳感器輸出Fig.3 Temperature sensor output measured at 0.6 V，0.8 V，and 1 V supply voltage

圖4顯示了所測(cè)量得出的ADC傳遞函數(shù)。X軸是多路選擇器提供給ADC的輸入電壓，Y軸是ADC的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制輸出代碼。使用10 MHz采樣時(shí)鐘和0.6 V基準(zhǔn)電壓 （Vref）進(jìn)行測(cè)量。與130 nm BULK CMOS的類(lèi)似設(shè)計(jì)相比，CMOS SOI技術(shù)極大地改善了傳遞函數(shù)的線(xiàn)性度[10-11]。SOI設(shè)計(jì)的較高線(xiàn)性度歸因于在該技術(shù)中通過(guò)襯底和晶體管之間的高隔離促進(jìn)了較低的寄生電容的較大尺度。圖4還表明采樣45 nm工藝實(shí)現(xiàn)的DSADC的有效分辨率約為8位。在1V電源下，輸入電壓范圍介于0～0.65V之間。

圖4 不同Vin2的ADC的測(cè)量傳遞函數(shù)（Vref=0.6 V）Fig.4 Measurement transfer function of ADC with different Vin2（Vref=0.6 V）

可以通過(guò)測(cè)量積分非線(xiàn)性（INL）和誤差非線(xiàn)性（DNL）圖來(lái)評(píng)估ADC的DC線(xiàn)性性能。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。采用45 nm CMOS SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)的INL和DNL是通過(guò)在ADC輸入Vin1上提供斜坡電壓信號(hào)來(lái)測(cè)量的，此時(shí)Vref=0.58 V且Vin2=0.67 V。INL使用最佳直線(xiàn)擬合方法計(jì)算。結(jié)果表明，DNL為-0.8 LSB～+0.7 LSB，INL為-0.8 LSB～+0.8 LSB，這意味著ADC沒(méi)有丟失代碼。在10 MHz時(shí)鐘下以30 kS/s的采樣速率測(cè)量溫度傳感器、多路復(fù)用器、前置放大器和ADC的動(dòng)態(tài)功耗僅為22 μW。

圖5 INL和DNL測(cè)量結(jié)果Fig.5 INL and DNL measurements

表1對(duì)比了所提出的溫度傳感前端與其他設(shè)計(jì)的性能參數(shù)。

表1 CMOS溫度傳感器的比較Tab.1 Comparison of CMOS temperature sensors

4 結(jié)語(yǔ)

本文展示了一款緊湊、低功耗、電源電壓可擴(kuò)展的CMOS溫度傳感器，集成了用于RFID/傳感器標(biāo)簽系統(tǒng)的DSADC。測(cè)量結(jié)果顯示，在1 V電源下，采樣頻率為30 kS/s時(shí)、功耗為34 μW，超低功耗。在0.6 V電源下，溫度傳感器前端的功耗可進(jìn)一步降低70%。采用45 nm CMOS SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的傳感器前端設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。該溫度傳感器可以通過(guò)集成在RFID標(biāo)簽中的RF能量采集來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)供電。與其他設(shè)計(jì)相比，本文實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器不需要外部校準(zhǔn)，同時(shí)能夠保持合理的溫度誤差率（+0.7/-1℃）。此外，該設(shè)計(jì)中可提供0.6 V～1 V的可擴(kuò)展電源電壓，可與低于1 V的混合信號(hào)應(yīng)用集成。所設(shè)計(jì)的傳感器中所集成ADC能夠以較快的速率進(jìn)行采樣，以允許傳感器前端獲得更多數(shù)據(jù)點(diǎn)，縮短響應(yīng)時(shí)間。與類(lèi)似傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，本設(shè)計(jì)具有更小的功耗、更快的采樣速率和更小的誤差，有助于其集成到無(wú)線(xiàn)供電的RFID，并表現(xiàn)出能夠在變電站復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行低成本實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的潛力。