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(biāo)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(biāo)簽，參考文獻(xiàn)[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(jìn)，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(biāo)簽芯片的靈敏度、縮小讀標(biāo)簽距離或降低讀標(biāo)簽的效率為代價。

    本文提出了一個低壓低功耗并可進(jìn)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(biāo)簽而不降低標(biāo)簽的靈敏度。在詳細(xì)闡述電路方案的結(jié)構(gòu)和工作原理后，進(jìn)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(jìn)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(fù)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(zhǔn)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(biāo)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(fù)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(xiàn)[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(yán)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(fù)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)行單點校正，然后在60 ℃~120 ℃范圍內(nèi)，每隔10℃進(jìn)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(fù)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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)簽。在不提高RFID標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供了參考和幫助。
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