CN104568208B - 一种集成于射频识别标签的温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种集成于射频识别标签的温度传感器，包括温控振荡器、数控振荡器和鉴相器，温控振荡器的输出端接鉴相器的一输入端，数控振荡器的输出端接鉴相器的另一输入端，鉴相器的数字输出端接数控振荡器的输入端。本发明将温度变化转换成频率变化，在频率域完成数字信号的转换，避免了功耗甚高的ADC的使用；采用全数字结构，电路结构简单，输入与输出之间保持良好的线性，线性度高，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，整体功耗低于1μW，适合集成于RFID标签的温度传感器设计。

Description

一种集成于射频识别标签的温度传感器
技术领域
本发明涉及温度传感器领域，特别涉及一种集成于射频识别标签的温度传感器。
背景技术
物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，而射频识别 (RFID) 技术作为物联网发展的关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。RFID技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用和发展。一般来说，RFID系统可以分为有源和无源两类。由于无源RFID标签无需内置电源供电，成本低且灵活性强，因此更广泛的被应用于实际生产和生活中。近年来，RFID技术与无线传感器网络结合的研究成为热点。RFID标签芯片与温度传感器结合，可以有效利用RFID技术的无源特性及无线识别特性，同时具有良好的温度检测特性，是其中的重要研究方向。
传统的集成温度传感器基于双极性工艺，外界温度的变化引起双极性晶体管结电压的变化，再用数模转换器（ADC）将电压变化转换为相应的数字信号输出。这种方法可以获得高的精度和较宽的测量范围，但功耗甚高，往往达到mW级别，不适合低功耗应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有集成温度传感器在低功耗设计上的不足，提供一种集成于射频识别标签的温度传感器，该温度传感器将温度变化转换为频率的变化，在频率域完成数字信号的转换，整体功耗低于1μW。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种集成于射频识别标签的温度传感器，包括温控振荡器、数控振荡器和鉴相器，温控振荡器的输出端接鉴相器的一输入端，数控振荡器的输出端接鉴相器的另一输入端，鉴相器的数字输出端接数控振荡器的输入端。
所述温控振荡器用于完成温度变化转换为频率变化。
所述鉴相器用于检测温控振荡器的振荡频率是落后还是超前于数控振荡器的振荡频率，其数字输出信号经反馈作用于数控振荡器。在温度传感器反馈回路达到稳定情况下，鉴相器输出数字信号的平均值与温度变化成正比例。
进一步，所述温控振荡器采用环形振荡器结构，环形振荡器由温控延时单元与奇数个反相器Ⅰ首尾相连构成正反馈回路，因此，温控振荡器的输出振荡频率受温度控制。
进一步，所述数控振荡器亦采用环形振荡器结构，环形振荡器由奇数个反相器Ⅱ首尾相连构成正反馈回路，反相器Ⅱ与反相器Ⅰ的数量和电路结构完全相同。
进一步，数控振荡器所采用的环形振荡器的第一级反相器Ⅱ输出端的负载电容由一个偏置电容和一个开关电容并联构成，其中开关电容受鉴相器的数字输出信号控制。
进一步，所述鉴相器采用1比特的D触发器。
本发明将温度变化转换成频率变化，在频率域完成数字信号的转换，避免了功耗甚高的ADC的使用；采用全数字结构，电路结构简单，输入与输出之间保持良好的线性，线性度高，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，整体功耗低于1μW，适合集成于RFID标签的温度传感器设计。
附图说明
图1为本发明之集成于射频识别标签的温度传感器的结构图；
图2为本发明的温控延时单元电路图；
图3为本发明的温度与温度传感器输出平均占空比关系图。
具体实施方式
下面结合附图和较优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下较优选实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明的集成于射频识别标签的温度传感器结构图，采用台积电0.18µmCMOS工艺设计并实现，包含温控振荡器、数控振荡器和鉴相器三部分，温控振荡器的输出端接鉴相器的一输入端，数控振荡器的输出端接鉴相器的另一输入端，鉴相器的数字输出端接数控振荡器的输入端。
所述温控振荡器，采用环形振荡器结构，由3级反相器与温控延时单元首尾串联而成。
图2为所述温控延时单元电路图，其中MOS管M1－M3（即M1、M2、M3）与MOS管M4－M6（即M4、M5、M6）都完成延时功能，M4−M6（即M4、M5、M6）的加入减小了上升和下降沿的时间。温控延时单元的延迟时间，其中为电源电压，为温控延时单元输出端的等效总电容，为晶体管M1的漏电流。
所述温控振荡器的振荡频率主要由温控延时单元的延迟时间决定，因此振荡频率。由于在低压状态下，晶体管M1的漏电流具有与绝对温度成正比例关系特性，因此导致振荡频率也具有与绝对温度成正比例关系特性。
所述数控振荡器，采用环形振荡器结构，由3级反相器首尾相连而成，其中一级反相器输出端接一个偏置电容和一个开关电容并联构成的负载电容。
所述温控振荡器与数控振荡器中的反相器采用完全相同的电流驱动型反相器结构，具有良好的温度稳定性。
由于工艺误差等影响，所述的偏置电容被设计成可编程电容，所决定的数控振荡器频率的固定部分与温控振荡器频率的固定部分相等。
所述开关电容所决定的数控振荡器频率的最大变化范围为温控振荡器频率的最大变化范围的1.5倍。
本发明的集成温度传感器，采用全数字结构，可以工作在接近0.18μm CMOS工艺阈值电压的0.5V电源电压下，电路结构简单，线性度好（如图3所示），最大功耗不超过1μW，适合集成于RFID标签的温度传感器设计。

Claims (4)

1.一种集成于射频识别标签的温度传感器，其特征在于，包括温控振荡器、数控振荡器和鉴相器，温控振荡器的输出端接鉴相器的一输入端，数控振荡器的输出端接鉴相器的另一输入端，鉴相器的数字输出端接数控振荡器的输入端；
所述温控振荡器用于完成温度变化转换为频率变化；
所述鉴相器用于检测温控振荡器的振荡频率是落后还是超前于数控振荡器的振荡频率，其数字输出信号经反馈作用于数控振荡器；鉴相器输出数字信号的平均值与温度变化成正比例；
温控振荡器采用环形振荡器结构，环形振荡器由温控延时单元与奇数个反相器Ⅰ首尾相连组成，温控振荡器的输出振荡频率受温度控制。
2.根据权利要求1所述的集成于射频识别标签的温度传感器，其特征在于，数控振荡器亦采用环形振荡器结构，环形振荡器由奇数个反相器Ⅱ首尾相连构成，反相器Ⅱ与反相器Ⅰ的数量和电路结构完全相同。
3.根据权利要求2所述的集成于射频识别标签的温度传感器，其特征在于，数控振荡器的环形振荡器的第一级反相器Ⅱ输出端的负载电容由一个偏置电容和一个开关电容并联构成，开关电容受鉴相器的数字输出信号控制。
4.根据权利要求1或2所述的集成于射频识别标签的温度传感器，其特征在于，鉴相器采用1比特的D触发器。
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