应用于无源RFID标签的BICMOS温度传感器*

周恩辉, 肖 谧, 毛陆虹, 张世林, 谢 生

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

0 引 言

射频识别(RFID)技术作为20世纪90年代兴起的自动识别技术，具有无需人工干预、寿命长、快速读写、多目标移动识别定位等优于传统识别技术的特点，已被广泛用于疫苗冷链、建材实验、农业及畜牧业和食品储运等需要实时记录温度变化的行业。近年来，RFID技术与无线传感器网络的结合已经成为研究的热点，冷链物流的兴起更是为嵌入式温度传感器的发展提供了广阔的空间。目前集成的温度传感器有2种典型的结构，一种利用A/D转换器将与温度有关的电压转换为包含温度信息的数字输出信号；另一种将频率随温度变化的信号转换为数字输出信号，即利用一个输出频率与温度无关的时钟信号对一个受温度变化影响的宽脉冲进行计数，或者用一个输出时钟信号与温度相关的时钟信号对一个不受温度变化影响的脉冲进行计数[1]。第一种结构通过失调消除、器件匹配或者室温校准等技术可以实现很高的精度[2,3]，但同时具有较大面积和较高功耗等不足，文献[4]提出了一种精度高达±0.1 ℃的温度传感器，其功耗和面积分别为247.5 μW和4.5 mm2，因此,不适用于大规模集成的无源标签，第二种结构面积和功耗均大幅度减小，因此,这种结构广泛应用于无源RFID标签的温度传感器系统。

本文介绍了一种新型温度传感器结构，利用与温度呈正相关的时钟信号对恒定宽度的脉冲信号进行采样计数。由于采用温度特性极佳的Ge Si工艺，使得本文的温度传感器能够在-100～120 ℃的温度范围内仍保持较好的性能，相对于一般CMOS工艺-40～120 ℃的工作温度范围，SiGe BICMOS温度传感器能够实现较大的温度跨度和较高的测量精度。

1 系统设计

温度传感器采用时钟脉冲计数的方式，基本结构如图1所示。当检测到帧头信号时，数字宽脉冲发生器(broad impulse generator)模块开始工作，通过对帧头信号的处理产生与温度无关的数字宽脉冲，电流饥饿环形振荡器(cu-rrent-starved ring oscillator)模块产生频率与温度呈正比例的时钟信号，数字宽脉冲作为计数器的使能信号，时钟信号作为计数器的时钟输入。由于在不同的温度条件下，计数器时钟输入的信号频率不同，从而对数字宽脉冲的计数个数也不同，也就得到与温度相关的数字信号。

图1 温度传感器结构框图

2 电路结构

温度传感器主要由与绝对温度呈正比(proportional to absolute temperature,PTAT)振荡器、数字宽脉冲产生电路和计数器3个模块组成。

2.1 PTAT振荡器

PTAT振荡器结构主要包含PTAT偏置电流源和电流饥饿环形振荡器。电路原理图如图2所示。

图2 电流饥饿环形振荡器

2.1.1 PTAT偏置电流源

如果2个晶体管工作在不同电流密度下，那么它们的基极—发射极电压VBE的差值为PTAT[5]。对于一个晶体管而言，基极—发射极电压满足

VBE=VTln(IC/IS).

(1)

其中，VT=kT/q具有正温度系数(T=300 K时，温度系数约为0.087 mV/K)。假设2个工作在不同电流密度下的晶体管Q1,Q2，其有效发射结面积比为N，则有

ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnN.

(2)

因此，ΔVBE就表现出了正温度系数

(3)

图2中PTAT偏置电流产生模块采用简单放大器，既保证2个输入端电压相等，又降低输出电流对电源电压的敏感度。晶体管Q2与Q1集电极电流的比值N为8，简单放大器的所有MOS管均工作在饱和区。由式(1)、式(2)可以得到PTAT偏置电流

(4)

为了避免电路工作于零电流状态，即能够摆脱简并偏置点，需要添加一种启动电路。最左侧3个MOS管MP1,MP2,MN1构成了PTAT偏置电流产生模块的启动电路，其中MN1的源漏极短接，形成了MOS电容。系统上电时，晶体管Q1的集电极电压和MP2的栅极电压均为0，故MP1,MP2导通，电源电压通过MP2向PTAT偏置电流产生电路注入大电流，同时通过MP1对MN1形成的MOS电容充电。随着MOS电容栅极电压的升高，MOS管MP2会截止，此时MOS电容栅极电压大于VDD-|VTHP|，这就保证了在电路模块启动后启动电路保持关闭，消除了静态功耗。

2.1.2 电流饥饿环形振荡器

环形振荡器由五级反相器首尾相接级联而成，它们的偏置电流来源于工作在饱和区的PMOS管MP3，用作电流源。电流源中电流的大小决定了整个电流饥饿环形振荡器的输出频率[6]，PTAT电流偏置产生电路中产生的PTAT电流通过电流镜结构以单位增益提供给MP3和MP4，从而使得环形振荡器的振荡频率依赖于绝对温度。

对于环形振荡器的每个节点，节点电压的摆率由PMOS和NMOS管的峰值电流、下一级反相器的输入电容C0(为简化模型，忽略上级反相器的输出电容)决定

(5)

其中，INP和IPP分别为放电和充电时的峰值电流。当节点电压为(VH-VL)/2时，反相器输入电容C0的表达式为

C0=COX(WP·LP+WN·LN).

(6)

峰值电流可以由工作在饱和区的MOS管的漏极电流方程得出

(7)

式中KP,KN分别为PMOS,NMOS管的饱和区跨导参数，k′为PMOS管与NMOS管之间的尺寸比例，VH,VL分别为反相器的最高、最低输出电压。VH约为VDD-|VTHP|，VL约为0。

由式(5)可得反相器充放电所需的时间

(8)

一般情况下，Vr与Vf相等，均为VH-VL。因此，若IPP=INP=ID，则有[7,8]

(9)

环形振荡器的振荡频率由每一级反相器的时间延迟Td和级数M决定，因此，五级环形振荡器的振荡频率如下[9]

(10)

由式(5)、式(10)可以得出振荡器输出频率与温度的函数关系

(11)

式中α为实际电路中由于工艺误差、匹配误差等非理想因素所造成的误差系数。

2.2 数字宽脉冲产生电路

根据ISO 18000—6 Type B协议，阅读器先发言，在标签接收到命令后数字电路开始工作，命令中的帧头frame header是9 bit NRZ格式的曼彻斯特编码“0”，对于40 kbit/s的数据速率，其相当于9个周期为25 μs的时钟信号，数字电路对此信号进行计数，当检测到第9个上升沿时，输出为“0”，共计数8个时钟周期，即得到200 μs的宽脉冲信号。此模块利用Verilog代码实现，另外，数字电路随温度变化而产生的延迟为ps级，与200 μs相比完全可以忽略，因而,可以认为此宽脉冲几乎不受温度影响。图3为标签接收到的命令帧头信号和处理后的宽脉冲波形图。

图3 宽脉冲信号

2.3 计数器

本设计采用带复位端的9 bit异步计数器，计数范围设定为0～255.异步计数器是计数器中最简单最基本的电路，这个是其最大的优点，在用T触发器构成的二进制计数器时，可以不附加任何其他电路，从而广泛应用在VLSI等设计中。图4给出了18 ℃时计数器输出结果。

图4 计数器输出结果

3 芯片测试结果

温度传感器电路芯片采用IBM 0.18 μm SiGe BICMOS工艺制作，如图5所示，其中主要包括数字宽脉冲产生电路和处理模块、振荡器以及计数器三部分组成，总面积为0.03 mm2。

图5 芯片照片

测试采用1.8 V电源电压，将芯片分别放置-20,0,18 ℃和75 ℃等温度条件下进行测试，并记录下输出频率，测得振荡器输出频率的温度特性如图6所示。可见在比较宽的有限温度范围内振荡器输出时钟频率与温度近似呈线性关系，线性斜率约为4.5 kHz/℃。

图6 输出频率-温度特性曲线

表1列举了在不同温度下的振荡频率和计数个数。由文献[10]中的有效分辨率定义，可以得出本设计中的的温度传感器有效分辨率为0.864 ℃/LSB，其数值输出Dout与温度的关系近似为

Dout≈282+1.16T.

(12)

4 结 论

本文设计了一种应用于RFID标签的温度传感器。基于IBM 0.18 μm SiGe BICMOS工艺，测试结果表明：在1.8 V电源电压下，平均功耗电流13 μA，温度传感器的数字输出与绝对温度近似呈正比例关系，当温度变化范围处于-100～120 ℃时，振荡器输出频率由800 kHz变化到1.8 MHz，测试结果为0.864 ℃/LSB，呈现出良好的线性度和较高的分辨率。芯片的测试性能能够满足无源RFID标签芯片的系统要求。

表1 不同温度下的输出结果

参考文献:

[1]李 蕾，毛陆虹，黄晓宗，等.基于CMOS迁移率与阈值电压特性的温度传感器[J].传感器与微系统，2010,29(5):102-105.

[2]Bakker A,Huijsing J.Micropower CMOS temperature sensor with digital output [J].IEEE J SSC,1996,31(7):933-937.

[3]Tuthill M.A switched-current,switched-capacitor temperature sensor in 0.6 μm CMOS [J].IEEE J SSC,1998,33(7):1117-1122.

[4]Pertijs M,Makinwa K,Huijsing J.A CMOS smart temperature sensor with a 3 inaccuracy of ±0.1 ℃ from -55 ℃ to 125 ℃[J].IEEE J SSC,2005,40(12):2805-2815.

[5]Hilbiber D.A new semiconductor voltage standard[C]∥IEEE International Solid-State Circuit Conference,Philadelphia,PA,USA，1964:32-33.

[6]Cho Nam Jun,Song Seong Jun,Kim Sun Young,et al.A 5.1μW UHF RFID tag chip integrated with sensors for wireless environmental monitoring[C]∥Proc of the 31st European Solid-State Circuits Conference,Grenoble,France:IEEE Press,2005:279-282.

[7]Park Sunghyun,Min Changwook,Cho SeongHwan.A 95 nW ring oscillator-based temperature sensor for RFID tags in 0.13 μm CMOS[C]∥IEEE International Symposium on Circuits and Systems,Taipei:IEEE Press,2009:1153-1156.

[8]Krishnakumar Sundaresan,Phillip E Allen,Farrokh Ayazi.Process and temperature compensation in a 7 MHz CMOS clock oscillator [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2006,41(2):433-442.

[9]Michal V.On the low-power design,stability improvement and frequency estimation of the CMOS ring oscillator [C]∥22nd International Conference on Radioelektronika,Brno:IEEE Press,2012:1-4.

[10] Man Kay Law,Amine Bermark,Howard C Luong,et al.A sub-μW embedded CMOS temperature sensor for RFID food monitoring application [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(6):1246-1255.