隨著RFID技術在冷鏈跟蹤、倉儲、運輸及智能監控領域的應用日益加強，集成在RFID標簽芯片內的低壓、低功耗的溫度傳感器技術得到了更多的研究和關注。傳統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轉換時間，很難應用于無源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，但無法實現三個問題的全面突破，因此在實際的無源RFID應用中，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轉換的數字溫度傳感器電路，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構和工作原理后，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的解決方法，最后依照電路的結構方案設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。利用負溫度系數的電壓Vbe和正溫度系數的電流IPTAT以及逐次逼近ADC[6]（Successive Approximation Register A/D  Convertor，簡稱SAR ADC）結構，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。
    圖1中，SAR ADC包含比較器、SAR控制邏輯電路和D/A轉換器。集電極電流IC經過BJT晶體管產生負溫度系數電壓Vbe，ITPAT電流經過D/A轉換器的電阻網絡產生與數字信號相關的電壓VP，通過比較器把Vbe和VP的比較結果送到ADC的邏輯控制電路。通過一個SAR ADC電路把電壓Vbe轉換成對應的數字信號輸出。

    Vbe相對于絕對溫度有一個近似的線性關系[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。SAR ADC完成一次轉換所需的時間與其位數和時鐘脈沖頻率有關，位數愈少，時鐘頻率愈高，轉換所需時間越短。這種A/D轉換器具有轉換速度較快、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中的模擬電路產生，Vbe、IPTAT電流的非線性、D/A轉換器的開關導通電阻、A/D轉換的非線性、比較器的失調以及工藝的偏差等因素都會對溫度的測量產生影響。
    D/A轉換器的開關通常由MOS晶體管來實現，MOS晶體管導通時的導通電阻大約有幾十到幾百歐姆，尤其在所有的開關都導通時，相當于所有的導通電阻串聯，會產生較大的溫度測量誤差，因此需要盡可能減小開關的導通電阻。
    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轉換的非線性。因此，在一定的溫度測量范圍內，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 溫度傳感器電路設計
    依照圖1的工作原理，設計了一個溫度測量范圍為60 ℃~123 ℃、溫度分辨率為1℃、數據位數為6 bit的低壓、低功耗數字溫度傳感器。所設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轉換電路和右邊的比較器電路。偏置電路產生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，當完成溫度測量后，控制信號EN變為高電平，溫度傳感器的D/A轉換電路和比較器電路進入睡眠狀態，可節省芯片的功耗電流，而偏置電路仍處于工作狀態，能繼續為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果　
    基于TSMC CMOS 0.18 μm的工藝設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，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果。在電源電壓VDD高于1 V后，電路的總電流趨于穩定，電路能穩定工作，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。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轉換三大難題，為溫度傳感器在無源RFID標簽領域的應用和研究提供了參考和幫助。
參考文獻
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