隨著RFID技術(shù)在冷鏈跟蹤,、倉儲,、運輸及智能監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用日益加強，集成在RFID標簽芯片內(nèi)的低壓,、低功耗的溫度傳感器技術(shù)得到了更多的研究和關(guān)注,。傳統(tǒng)的溫度傳感器電路因為需要較高的工作電壓,、較大的功耗電流和較長的A/D轉(zhuǎn)換時間，很難應(yīng)用于無源RFID標簽,，參考文獻[1-5]提出了許多溫度傳感器的新設(shè)計方法,，雖然對上面三個問題的某些方面有所改進，但無法實現(xiàn)三個問題的全面突破,，因此在實際的無源RFID應(yīng)用中,，需要以犧牲標簽芯片的靈敏度、縮小讀標簽距離或降低讀標簽的效率為代價,。

    本文提出了一個低壓低功耗并可進行快速A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字溫度傳感器電路,，使電路在1 V以上就可工作，功耗電流很小,，可用于無源RFID標簽而不降低標簽的靈敏度,。在詳細闡述電路方案的結(jié)構(gòu)和工作原理后，進行了電路的溫度測量誤差分析,，指出引起溫度測量誤差的主要原因及相應(yīng)的解決方法,，最后依照電路的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計了一個溫度測量范圍為60 ℃~123 ℃的溫度傳感器電路并進行Spectre仿真和流片測試。測試結(jié)果與理論分析相符,，驗證了理論分析的正確性,。
1 本文提出的溫度傳感器電路
1.1 溫度傳感器工作原理
    本文提出的溫度傳感器電路方案如圖1所示。利用負溫度系數(shù)的電壓Vbe和正溫度系數(shù)的電流IPTAT以及逐次逼近ADC[6]（Successive Approximation Register A/D  Convertor,，簡稱SAR ADC）結(jié)構(gòu),，避免使用帶隙基準電壓電路，可以在較低的電源電壓下工作,，具有較快的A/D轉(zhuǎn)換時間和較低的功耗,，并且工作電壓與無源RFID標簽的電壓相適應(yīng)。
    圖1中,，SAR ADC包含比較器,、SAR控制邏輯電路和D/A轉(zhuǎn)換器。集電極電流IC經(jīng)過BJT晶體管產(chǎn)生負溫度系數(shù)電壓Vbe,，ITPAT電流經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器的電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生與數(shù)字信號相關(guān)的電壓VP,，通過比較器把Vbe和VP的比較結(jié)果送到ADC的邏輯控制電路。通過一個SAR ADC電路把電壓Vbe轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號輸出,。

    Vbe相對于絕對溫度有一個近似的線性關(guān)系[7],，因此Vbe可表示為：

 
    圖1中的SAR控制邏輯按參考文獻[6]的邏輯由Verilog編程實現(xiàn)。SAR ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間與其位數(shù)和時鐘脈沖頻率有關(guān),，位數(shù)愈少,，時鐘頻率愈高，轉(zhuǎn)換所需時間越短,。這種A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度較快,、精度高的特點,。
1.2 溫度測量誤差分析
    溫度測量誤差主要由圖1中的模擬電路產(chǎn)生，Vbe,、IPTAT電流的非線性,、D/A轉(zhuǎn)換器的開關(guān)導(dǎo)通電阻、A/D轉(zhuǎn)換的非線性,、比較器的失調(diào)以及工藝的偏差等因素都會對溫度的測量產(chǎn)生影響,。
    D/A轉(zhuǎn)換器的開關(guān)通常由MOS晶體管來實現(xiàn)，MOS晶體管導(dǎo)通時的導(dǎo)通電阻大約有幾十到幾百歐姆,，尤其在所有的開關(guān)都導(dǎo)通時,，相當(dāng)于所有的導(dǎo)通電阻串聯(lián)，會產(chǎn)生較大的溫度測量誤差,，因此需要盡可能減小開關(guān)的導(dǎo)通電阻,。
    由式(6)可知，在t=t0附近,，測量的溫度值與實際的溫度存在近似線性關(guān)系,；在溫度偏離t0后，由式(5)可知,，溫度的測量值與溫度并不是嚴格的線性關(guān)系,，實際的溫度偏離t0越大，溫度測量誤差越大,，把這種誤差定義為A/D轉(zhuǎn)換的非線性,。因此，在一定的溫度測量范圍內(nèi),，溫度測量值是對溫度非線性曲線的擬合,，它限制了傳感器的溫度測量范圍,。溫度測量擬合曲線如圖2所示,，在溫度測量范圍的中間有正的溫度測量誤差，但是在兩端有負的溫度測量誤差,。

2 溫度傳感器電路設(shè)計
    依照圖1的工作原理,，設(shè)計了一個溫度測量范圍為60 ℃~123 ℃、溫度分辨率為1℃,、數(shù)據(jù)位數(shù)為6 bit的低壓,、低功耗數(shù)字溫度傳感器。所設(shè)計的溫度傳感器的模擬電路如圖3所示,。電路包含左邊的偏置電路,、中間的D/A轉(zhuǎn)換電路和右邊的比較器電路。偏置電路產(chǎn)生IPTAT電流,、Vbe電壓,，并為無源RFID標簽芯片的其他電路提供偏置電流,。M14、M25,、M26和M29是溫度傳感器電路的使能控制開關(guān),，當(dāng)完成溫度測量后，控制信號EN變?yōu)楦唠娖?，溫度傳感器的D/A轉(zhuǎn)換電路和比較器電路進入睡眠狀態(tài),，可節(jié)省芯片的功耗電流，而偏置電路仍處于工作狀態(tài),，能繼續(xù)為RFID標簽芯片的其他電路提供偏置電流,。

3 溫度傳感器的仿真和測試結(jié)果　
    基于TSMC CMOS 0.18 μm的工藝設(shè)計了溫度傳感器的電路版圖并流片，其模擬電路的版圖如圖4所示,。版圖的面積為190 μm×127 μm,。

    用Cadence Spectre進行電路的性能仿真，并測試流片后的芯片,。芯片的溫度測試方法：隨機抽取10個樣片,，在90℃進行單點校正，然后在60 ℃~120 ℃范圍內(nèi),，每隔10℃進行一次溫度測量,，記錄溫度測量值，最后計算出在各溫度測量點的平均溫度誤差,。電路仿真和芯片測量的平均溫度誤差如圖5所示,。電路仿真的溫度誤差為±1 ℃，芯片測量的溫度誤差為±2 ℃,，在各個溫度測量點的平均測量誤差小于±1.5 ℃,。溫度測量誤差曲線大致呈拋物線的形狀,，在溫度測量范圍的兩頭呈現(xiàn)負的溫度測量誤差,，而在中間部位有正的溫度測量誤差，測試結(jié)果與圖2所示的溫度誤差的理論分析相一致,。

    圖6是在溫度為80℃時電路的功耗電流隨電源電壓變化的仿真結(jié)果,。在電源電壓VDD高于1 V后，電路的總電流趨于穩(wěn)定,，電路能穩(wěn)定工作,，因此電路的工作電壓可低至1 V，與目前的無源超高頻RFID標簽的工作電壓相適應(yīng),。電路總功耗電流大約為4 μA,，其中DAC的電流小大約為1.5 μA，比較器的電流大約為0.5 μA，因此ADC部分的功耗電流為2 μA,，偏置電路的電流也約為2 μA,。RFID標簽芯片中，可重用該偏置電路,，因此只需增加DAC和比較器電路,，大約增加2 μA的電流就可實現(xiàn)溫度傳感器的功能。最后,，使用80 kHz的時鐘信號,，溫度測量時間大約為90 μs。
      本文提出了一種避免使用帶隙基準電壓的數(shù)字溫度傳感器電路,，不僅使電路的工作電壓可低至1 V,，還縮短了溫度測量時間，可用于無源RFID標簽,。在不提高RFID標簽芯片的工作電壓的情況下,，大約只需增加2 μA的電流就可以進行溫度測量。因此合理地設(shè)計控制邏輯,，就可以在不降低無源RFID標簽芯片靈敏度的同時實現(xiàn)溫度檢測功能,。本文提出的溫度傳感器電路方案解決了無源RFID溫度檢測標簽芯片的低電壓、低功耗,、快速A/D轉(zhuǎn)換三大難題,，為溫度傳感器在無源RFID標簽領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供了參考和幫助。
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