摘 要：提出了一个适用于无源RFID温度检测标签芯片的低压、低功耗、快速A/D转换的数字温度传感器电路。采用BJT管的Vbe电压和PTAT电流相结合的方法，同时使用SAR A/D转换器，避免了使用带隙基准电压电路所需的较高工作电压，使电路在1 V以上就可工作。电路的功耗电流约4 μA，使用80 kHz 的时钟，A/D转换时间小于100 μs。
随着RFID技术在冷链跟踪、仓储、运输及智能监控领域的应用日益加强，集成在RFID标签芯片内的低压、低功耗的温度传感器技术得到了更多的研究和关注。传统的温度传感器电路因为需要较高的工作电压、较大的功耗电流和较长的A/D转换时间，很难应用于无源RFID标签，参考文献[1-5]提出了许多温度传感器的新设计方法，虽然对上面三个问题的某些方面有所改进，但无法实现三个问题的全面突破，因此在实际的无源RFID应用中，需要以牺牲标签芯片的灵敏度、缩小读标签距离或降低读标签的效率为代价。
本文提出了一个低压低功耗并可进行快速A/D转换的数字温度传感器电路，使电路在1 V以上就可工作，功耗电流很小，可用于无源RFID标签而不降低标签的灵敏度。在详细阐述电路方案的结构和工作原理后，进行了电路的温度测量误差分析，指出引起温度测量误差的主要原因及相应的解决方法，最后依照电路的结构方案设计了一个温度测量范围为60 ℃~123 ℃的温度传感器电路并进行Spectre仿真和流片测试。测试结果与理论分析相符，验证了理论分析的正确性。
1 本文提出的温度传感器电路
1.1 温度传感器工作原理
本文提出的温度传感器电路方案如图1所示。利用负温度系数的电压Vbe和正温度系数的电流IPTAT以及逐次逼近ADC[6]（Successive Approximation Register A/D Convertor，简称SAR ADC）结构，避免使用带隙基准电压电路，可以在较低的电源电压下工作，具有较快的A/D转换时间和较低的功耗，并且工作电压与无源RFID标签的电压相适应。
图1中，SAR ADC包含比较器、SAR控制逻辑电路和D/A转换器。集电极电流IC经过BJT晶体管产生负温度系数电压Vbe，ITPAT电流经过D/A转换器的电阻网络产生与数字信号相关的电压VP，通过比较器把Vbe和VP的比较结果送到ADC的逻辑控制电路。通过一个SAR ADC电路把电压Vbe转换成对应的数字信号输出。
Vbe相对于绝对温度有一个近似的线性关系[7]，因此Vbe可表示为：
图1中的SAR控制逻辑按参考文献[6]的逻辑由Verilog编程实现。SAR ADC完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率愈高，转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度较快、精度高的特点。
1.2 温度测量误差分析
温度测量误差主要由图1中的模拟电路产生，Vbe、IPTAT电流的非线性、D/A转换器的开关导通电阻、A/D转换的非线性、比较器的失调以及工艺的偏差等因素都会对温度的测量产生影响。
D/A转换器的开关通常由MOS晶体管来实现，MOS晶体管导通时的导通电阻大约有几十到几百欧姆，尤其在所有的开关都导通时，相当于所有的导通电阻串联，会产生较大的温度测量误差，因此需要尽可能减小开关的导通电阻。
由式(6)可知，在t=t0附近，测量的温度值与实际的温度存在近似线性关系；在温度偏离t0后，由式(5)可知，温度的测量值与温度并不是严格的线性关系，实际的温度偏离t0越大，温度测量误差越大，把这种误差定义为A/D转换的非线性。因此，在一定的温度测量范围内，温度测量值是对温度非线性曲线的拟合，它限制了传感器的温度测量范围。温度测量拟合曲线如图2所示，在温度测量范围的中间有正的温度测量误差，但是在两端有负的温度测量误差。
2 温度传感器电路设计
依照图1的工作原理，设计了一个温度测量范围为60 ℃~123 ℃、温度分辨率为1℃、数据位数为6 bit的低压、低功耗数字温度传感器。所设计的温度传感器的模拟电路如图3所示。电路包含左边的偏置电路、中间的D/A转换电路和右边的比较器电路。偏置电路产生IPTAT电流、Vbe电压，并为无源RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。M14、M25、M26和M29是温度传感器电路的使能控制开关，当完成温度测量后，控制信号EN变为高电平，温度传感器的D/A转换电路和比较器电路进入睡眠状态，可节省芯片的功耗电流，而偏置电路仍处于工作状态，能继续为RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。
3 温度传感器的仿真和测试结果
基于TSMC CMOS 0.18 μm的工艺设计了温度传感器的电路版图并流片，其模拟电路的版图如图4所示。版图的面积为190 μm×127 μm。
用Cadence Spectre进行电路的性能仿真，并测试流片后的芯片。芯片的温度测试方法：随机抽取10个样片，在90℃进行单点校正，然后在60 ℃~120 ℃范围内，每隔10℃进行一次温度测量，记录温度测量值，最后计算出在各温度测量点的平均温度误差。电路仿真和芯片测量的平均温度误差如图5所示。电路仿真的温度误差为±1 ℃，芯片测量的温度误差为±2 ℃，在各个温度测量点的平均测量误差小于±1.5 ℃。温度测量误差曲线大致呈抛物线的形状，在温度测量范围的两头呈现负的温度测量误差，而在中间部位有正的温度测量误差，测试结果与图2所示的温度误差的理论分析相一致。
图6是在温度为80℃时电路的功耗电流随电源电压变化的仿真结果。在电源电压VDD高于1 V后，电路的总电流趋于稳定，电路能稳定工作，因此电路的工作电压可低至1 V，与目前的无源超高频RFID标签的工作电压相适应。电路总功耗电流大约为4 μA，其中DAC的电流小大约为1.5 μA，比较器的电流大约为0.5 μA，因此ADC部分的功耗电流为2 μA，偏置电路的电流也约为2 μA。RFID标签芯片中，可重用该偏置电路，因此只需增加DAC和比较器电路，大约增加2 μA的电流就可实现温度传感器的功能。最后，使用80 kHz的时钟信号，温度测量时间大约为90 μs。
本文提出了一种避免使用带隙基准电压的数字温度传感器电路，不仅使电路的工作电压可低至1 V，还缩短了温度测量时间，可用于无源RFID标签。在不提高RFID标签芯片的工作电压的情况下，大约只需增加2 μA的电流就可以进行温度测量。因此合理地设计控制逻辑，就可以在不降低无源RFID标签芯片灵敏度的同时实现温度检测功能。本文提出的温度传感器电路方案解决了无源RFID温度检测标签芯片的低电压、低功耗、快速A/D转换三大难题，为温度传感器在无源RFID标签领域的应用和研究提供了参考和帮助。
参考文献
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