面向变电站监测的低功耗温度传感器

石 蓉，肖 夏，王 超，尹 璐，涂 彬

（国网陕西省电力公司，西安 710048）

RFID标签广泛应用于电子识别、运输、标签、库存监控和访问控制[1]。RFID低功耗平台非常适合实现针对变电站监测的无线温度传感器。无线供电的无源射频干扰消除了对电池的需求，降低了成本和维护要求。然而，为这种无电池系统配备传感器和传感接口电路，需要整个系统的紧凑型芯片区域和超低功耗电路设计[2]。

传统的温度传感器设计需要大面积（每对BJT 4000 μm2）以及相对昂贵的双温度点校准（TPC），以达到所需的测量精度[3-4]，这限制了传统的温度传感器设计在低成本无线射频系统中的应用。

本文提出了一种与双斜坡ADC集成的电源电压可扩展CMOS温度传感器的设计方法，实现了RFID温度传感器。该温度传感器只有8个晶体管，以最大限度地减少芯片面积。在1 V电源下，整个传感器前端功耗仅为34 μW。此外，温度传感器可以在0.6 V～1 V的电源电压范围内工作，这使其适合与缩放的低于1 V的数字超大规模集成电路（VLSI）系统集成，以最大限度实现传感器前端的低功耗，满足基于RFID无线供电的设计需求。

1 系统概述

图1展示了RFID温度传感器系统的框图。传感器1～N为芯片外传感器，可感应不同位置或不同类型的温度传感输入信号。由于不同类型传感信号的输入电压和频率范围不同，需要多个前置放大器以满足不同的输入要求。放大器对被测信号进行放大，以适应ADC的全输入范围，使量化结果更加准确。N选1多路选择器根据数字核心电路产生的选择信号选择要量化的传感输入信号。数字核心电路还为模数转换器发送采样时钟，使模数转换器（ADC）在短时间内完成传感循环，提高了系统的电能效率。量化的数据将由数字核心电路进行编码，并通过芯片上无线收发器前端发送出去。由于整个系统集成在单个芯片上并通过射频（RF）能量收集方案无线供电，因此所有设计组件必须紧凑且功率低。本文中介绍的温度传感器前端设计如图1中的虚线框所示。

图1 RFID传感器节点系统框图Fig.1 RFID sensor node system block diagram

2 电路实现

图2（a）显示了所实现的误差CMOS温度传感器。传感器的误差输出标记为CTAT（与绝对温度互补）和PTAT（与绝对温度成比例）[5]。传感器设计为在亚阈值区域工作，以促进电流对VDS的弱依赖性以及输出电压CTAT和PTAT对温度的线性依赖性[6]。这种依赖性的斜率主要由偏斜的晶体管尺寸比决定。误差方案的目的不仅在于提高传感器的灵敏度，还在于减少其他组件参数（掺杂n、流动性μ和阈值电压VTH）因其自身温度依赖性而产生的非线性影响[7]。增加晶体管M7和M8以增加CTAT的输出，以提供温度和电压补偿[8-9]。偏置电压VB1在芯片上产生。

图2 电路原理图Fig.2 Circuit schematic

误差输入单端输出单级共源前置放大器将PTAT和CTAT之间的电压差放大9.5 dB，以增加传感分辨率，放大后的结果将由传输门配置的多路复用器选择，然后发送到ADC。采用45 nm CMOS SOI技术实现的双斜坡ADC包括一个基于放大器的积分器（见图2b），一个交叉耦合的动态锁存比较器（见图2c），一个SR锁存器和数字控制模块。Vin1是从多路复用器中选择的感应信号，Vin2和Vref是参考电压。CLK1、CLK2和RESET是芯片上数字控制单元的输出，分别定义充电上升、充电下降和重置时间。SCLK是系统采样频率，本文设计中设定采样频率为10 MHz以降低系统功耗。

3 测量结果

CMOS温度传感器的测量结果如图3所示。该测量实验是利用一个装有热耦合器的隔热箱来检测空气中温度的变化。热源是通过一个10 W的功率场效应管（FET）来实现的，FET附加在绝缘盒内的金属容器上。温度传感器的输出电压在测量温度范围为20℃～100℃时随温度线性变化，最大的误差为+0.7/-1℃。传感器、放大器和多路复用器一起使用12 μW/1 V的直流电源供应。在直流0.6 V电源下的传感器系统的功耗降低到6.7 μW。

图3 在0.6V、0.8V和1V电源电压下测量的温度传感器输出Fig.3 Temperature sensor output measured at 0.6 V，0.8 V，and 1 V supply voltage

图4显示了所测量得出的ADC传递函数。X轴是多路选择器提供给ADC的输入电压，Y轴是ADC的转换十进制输出代码。使用10 MHz采样时钟和0.6 V基准电压 （Vref）进行测量。与130 nm BULK CMOS的类似设计相比，CMOS SOI技术极大地改善了传递函数的线性度[10-11]。SOI设计的较高线性度归因于在该技术中通过衬底和晶体管之间的高隔离促进了较低的寄生电容的较大尺度。图4还表明采样45 nm工艺实现的DSADC的有效分辨率约为8位。在1V电源下，输入电压范围介于0～0.65V之间。

图4 不同Vin2的ADC的测量传递函数（Vref=0.6 V）Fig.4 Measurement transfer function of ADC with different Vin2（Vref=0.6 V）

可以通过测量积分非线性（INL）和误差非线性（DNL）图来评估ADC的DC线性性能。测量结果如图5所示。采用45 nm CMOS SOI技术实现的设计的INL和DNL是通过在ADC输入Vin1上提供斜坡电压信号来测量的，此时Vref=0.58 V且Vin2=0.67 V。INL使用最佳直线拟合方法计算。结果表明，DNL为-0.8 LSB～+0.7 LSB，INL为-0.8 LSB～+0.8 LSB，这意味着ADC没有丢失代码。在10 MHz时钟下以30 kS/s的采样速率测量温度传感器、多路复用器、前置放大器和ADC的动态功耗仅为22 μW。

图5 INL和DNL测量结果Fig.5 INL and DNL measurements

表1对比了所提出的温度传感前端与其他设计的性能参数。

表1 CMOS温度传感器的比较Tab.1 Comparison of CMOS temperature sensors

4 结语

本文展示了一款紧凑、低功耗、电源电压可扩展的CMOS温度传感器，集成了用于RFID/传感器标签系统的DSADC。测量结果显示，在1 V电源下，采样频率为30 kS/s时、功耗为34 μW，超低功耗。在0.6 V电源下，温度传感器前端的功耗可进一步降低70%。采用45 nm CMOS SOI技术实现的传感器前端设计具有结构紧凑、高效节能的优点。该温度传感器可以通过集成在RFID标签中的RF能量采集来实现无线供电。与其他设计相比，本文实现的温度传感器不需要外部校准，同时能够保持合理的温度误差率（+0.7/-1℃）。此外，该设计中可提供0.6 V～1 V的可扩展电源电压，可与低于1 V的混合信号应用集成。所设计的传感器中所集成ADC能够以较快的速率进行采样，以允许传感器前端获得更多数据点，缩短响应时间。与类似传感器系统设计相比，本设计具有更小的功耗、更快的采样速率和更小的误差，有助于其集成到无线供电的RFID，并表现出能够在变电站复杂环境进行低成本实时温度监测的潜力。