CN112132247B - 一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路，包括以下：标签天线、RF‑DC整流电路、带隙基准源、环形振荡器和射频MOS管；集成电路；通过所述标签天线收集阅读器发射出的电磁波能量，并采用RF‑DC整流电路将所述电磁波能量转换成直流为所述标签集成电路供电；所述环形振荡器能够产生与与温度相关的频率信号；使用该频率信号驱动射频MOS来切换反射相位，配合阅读器即实现无源温度传感功能；本发明的有益效果是：功耗低、复杂度低、成本低、读取距离远、方便安装。

Description

一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路
技术领域
本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路。
背景技术
温度传感无源标签配合阅读器，即能够实现非接触式温度测量，且具有一定的穿透性，主要应用于感知供应链中货物的温度信息。特别是对药品、食品、身体护理用品、海鲜，烟草、饮料等的储存温度监控有很大帮助，其外形小巧，易于贴装。适用于医疗、食品、药品、畜牧、电力、铁路、船舶、工业制造等各大行业。
目前的温度传感无源标签技术方案主要分为两种类型:一是电压域集成温度传感技术方案，二是时域集成温度传感技术方案。
现有的两种技术方案中，电压域集成温度传感技术方案需要模拟数字转换器(ADC)，及其后续数字处理电路，导致系统功耗较大，限制了无源温度感知的有效作用距离。
而时域集成温度传感技术方案采用时间一数字信号转换器(TDC)，系统功耗较低，但是系统组成复杂度较高，且需要片外提供较精确的参考时钟，导致系统集成度较低。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的不足，针对以上问题，提出了频域集成温度传感技术方案，采用了低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路，无需耗能的ADC，也无需复杂的TDC，因此具有功耗低、复杂度低、成本低、读取距离远、方便安装的优势。
所述一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路，具体包括：
4、标签天线和温度传感集成电路；所述标签天线和所述温度传感集成电路电性连接；
所述标签天线包括ANT+端和ANT-端，用于接收来自于阅读器的电磁波能量；
所述温度传感集成电路包括：RF-DC整流电路、过压保护/欠压锁定电路、带隙基准源、环形振荡器和射频MOS管Q3；
所述RF-DC整流电路通过滤波电容C1与所述过压保护/欠压锁定电路电性连接；所述过压保护/欠压锁定电路与所述带隙基准源电性连接；所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接；所述环形振荡器的输出端接缓冲器的输入端；所述缓冲器的输出端与所述射频MOS管Q3的栅极电性连接；所述射频MOS管Q3的源极与电容C3的一端连接；所述射频MOS管Q3的漏极与电容C2的一端连接；电容C3的另一端、电容C2的另一端与所述RF-DC整流电路电性连接；
所述电容C1为RF-DC的整流滤波电容，用于减小直流输出的纹波；电容C2和电容C3为匹配电容，用于调节ANT+和ANT-端口阻抗和反射系数；电容C4为所述环形振荡器的供电去耦电容，用于维持其电源稳定，减小其电源纹波；。
所述缓冲器，用于驱动后级所述射频MOS管；
所述一种低功耗成本的温度传感无源标签集成电路原理为：通过所述标签天线收集阅读器发射出的电磁波能量，并采用RF-DC整流电路将所述电磁波能量转换成直流，作为供电电源；所述带隙基准源产生基准源，所述环形振荡器产生与温度相关的频率信号；使用所述频率信号驱动射频MOS管Q3来切换反射相位，配合阅读器即实现无源温度传感功能。
进一步地，所述RF-DC整流电路采用多级交叉耦合射频整流电荷泵。
进一步地，所述过压保护/欠压锁定电路，包括两个功能：当所述温度传感集成电路距离阅读器小于预设的阈值下限时，防止温度传感集成电路遭到大功率破坏；当所述温度传感集成电路距离阅读器超过预设的阈值上限时，防止温度传感集成电路工作于欠压状态而输出不正常的频率信号fosc。
进一步地，所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接，具体为：所述带隙基准源的输出端与MOS管Q1的源极、运算放大器的同相输入端电性连接；所述MOS管Q1的栅极与MOS管Q2的栅极、MOS管Q2的漏极、MOS管Q1的漏极电性连接；所述MOS管Q2的源极接地；所述运算放大器的反向输入端与输出端电性连接；所述运算放大器的输出端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端接地；所述运算放大器的输出端还与所述环形振荡器电性连接；所述带隙基准源输出的电流，经过MOS管Q1、Q2和运算放大器，形成与绝对温度负相关的电压信号VCTAT；所述VCTAT经过缓冲电容C4后，用于驱动所述环形振荡器产生与绝对温度负相关的频率信号fosc。
进一步地，所述与绝对温度负相关的频率信号fosc经过缓冲电容C2、C3，分别连接到所述标签天线端口ANT+、ANT-，驱动射频阻抗，完成散射信号的调制。
所述环形振荡器，具体为修调环形振荡器，通过采用熔丝修调/激光修调的方法和所述修调环形振荡器的各级输出电容，完成对fosc的校准。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：功耗低、复杂度低、成本低、读取距离远、方便安装。
附图说明
图1是本发明实施例的一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路的结构图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
请参考图1，图1是本发明实施例的一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路的原理图，具体包括：
5、标签天线和温度传感集成电路；所述标签天线和所述温度传感集成电路电性连接；
所述标签天线包括ANT+端和ANT-端，用于接收来自于阅读器的电磁波能量；
所述温度传感集成电路包括：RF-DC整流电路、过压保护/欠压锁定电路、带隙基准源、环形振荡器和射频MOS管Q3；
所述RF-DC整流电路通过滤波电容C1与所述过压保护/欠压锁定电路电性连接；所述过压保护/欠压锁定电路与所述带隙基准源电性连接；所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接；所述环形振荡器的输出端接缓冲器的输入端；所述缓冲器的输出端与所述射频MOS管Q3的栅极电性连接；所述射频MOS管Q3的源极与电容C3的一端连接；所述射频MOS管Q3的漏极与电容C2的一端连接；电容C3的另一端、电容C2的另一端与所述RF-DC整流电路电性连接；
所述电容C1为RF-DC的整流滤波电容，用于减小直流输出的纹波；电容C2和电容C3为匹配电容，用于调节ANT+和ANT-端口阻抗和反射系数；电容C4为所述环形振荡器的供电去耦电容，用于维持其电源稳定，减小其电源纹波；。
所述缓冲器，用于驱动后级所述射频MOS管；
所述一种低功耗成本的温度传感无源标签集成电路原理为：通过所述标签天线收集阅读器发射出的电磁波能量，并采用RF-DC整流电路将所述电磁波能量转换成直流，作为供电电源；所述带隙基准源产生基准源，所述环形振荡器产生与温度相关的频率信号；使用所述频率信号驱动射频MOS管Q3来切换反射相位，配合阅读器即实现无源温度传感功能。
所述RF-DC整流电路采用多级交叉耦合射频整流电荷泵。
所述过压保护/欠压锁定电路，包括两个功能：当所述温度传感集成电路距离阅读器小于预设的阈值下限时，防止温度传感集成电路遭到大功率破坏；当所述温度传感集成电路距离阅读器超过预设的阈值上限时，防止温度传感集成电路工作于欠压状态而输出不正常的频率信号fosc。
过压保护电路的功能主要体现在：当温度传感集成电路靠近阅读器时，温度传感集成电路接收到的射频能量会增加。当该能量超过0dBm时，RF-DC的输出电压将超过5V。因此采用所述过压保护电路对RF-DC输出电压进行限幅，避免高电压供电对后续电路造成损坏。
欠压锁定电路的功能主要体现在：当温度传感集成电路远离阅读器时，温度传感集成电路接收到的射频能量会减少。当该能量低于-20dBm时，RF-DC的输出电压将小于1.2V。因此采用所述欠压锁定电路对RF-DC输出电压进行欠压锁定，避免环形振荡器在低电压情况下输出频率异常(即由于供电不足，导致振荡频率与温度不相关)。
所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接，具体为：所述带隙基准源的输出端与MOS管Q1的源极、运算放大器的同相输入端电性连接；所述MOS管Q1的栅极与MOS管Q2的栅极、MOS管Q2的漏极、MOS管Q1的漏极电性连接；所述MOS管Q2的源极接地；所述运算放大器的反向输入端与输出端电性连接；所述运算放大器的输出端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端接地；所述运算放大器的输出端还与所述环形振荡器电性连接；所述带隙基准源输出的电流，经过MOS管Q1、Q2和运算放大器，形成与绝对温度负相关的电压信号VCTAT；所述VCTAT经过缓冲电容C4后，用于驱动所述环形振荡器产生与绝对温度负相关的频率信号fosc。
所述与绝对温度负相关的频率信号fosc经过缓冲电容C2、C3，分别连接到所述标签天线端口ANT+、ANT-，驱动射频阻抗，完成散射信号的调制。
所述环形振荡器，具体为修调环形振荡器，通过采用熔丝修调/激光修调的方法和所述修调环形振荡器的各级输出电容，完成对fosc的校准。
本发明的技术关键点在于：
1)采用频域集成温度传感技术方案，利用电压信号V cTaT驱动环形振荡器，产生了与绝对温度负相关的频率信号fosc，从而实现了把温度映射为频率信号。
2)采用熔丝修调/激光修调的方法，通过修调环形振荡器各级输出电容，从而达到校准fosc的目的。
与现有的技术方法比较，本发明的优点是：
1)无需采用耗能的ADC，因此功耗低，读取距离远。
2)无需采用复杂的TDC，因此集成电路面积小，成本极低。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：功耗低、复杂度低、成本低、读取距离远、方便安装。
在本专利中，如涉及到前、后、上、下等方位词，则是以附图中各装置位于图中以及设备相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本专利中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路，其特征在于：具体包括：
标签天线和温度传感集成电路；所述标签天线和所述温度传感集成电路电性连接；
所述标签天线包括ANT+端和ANT-端，用于接收来自于阅读器的电磁波能量；
所述温度传感集成电路包括：RF-DC整流电路、过压保护/欠压锁定电路、带隙基准源、环形振荡器和射频MOS管Q3；
所述RF-DC整流电路通过滤波电容C1与所述过压保护/欠压锁定电路电性连接；所述过压保护/欠压锁定电路与所述带隙基准源电性连接；
所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接；
所述环形振荡器的输出端接缓冲器的输入端；所述缓冲器的输出端与所述射频MOS管Q3的栅极电性连接；所述射频MOS管Q3的源极与电容C3的一端连接；所述射频MOS管Q3的漏极与电容C2的一端连接；电容C3的另一端、电容C2的另一端与所述RF-DC整流电路电性连接；
所述电容C1为RF-DC的整流滤波电容，用于减小直流输出的纹波；电容C2和电容C3为匹配电容，用于调节ANT+和ANT-端口阻抗和反射系数；电容C4为所述环形振荡器的供电去耦电容，用于维持其电源稳定，减小其电源纹波；
所述缓冲器，用于驱动后级所述射频MOS管；
所述一种低功耗低成本的温度传感无源标签集成电路原理为：通过所述标签天线收集阅读器发射出的电磁波能量，并采用RF-DC整流电路将所述电磁波能量转换成直流，作为供电电源；所述带隙基准源产生基准源，所述环形振荡器产生与温度相关的频率信号；使用所述频率信号驱动射频MOS管Q3来切换反射相位，配合阅读器即实现无源温度传感功能；
所述RF-DC整流电路采用多级交叉耦合射频整流电荷泵；
所述过压保护/欠压锁定电路，包括两个功能：当所述温度传感集成电路距离阅读器小于预设的阈值下限时，防止温度传感集成电路遭到大功率破坏；当所述温度传感集成电路距离阅读器超过预设的阈值上限时，防止温度传感集成电路工作于欠压状态而输出不正常的频率信号fosc；
所述带隙基准源的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接；所述运算放大器的输出端与所述环形振荡器电性连接，具体为：所述带隙基准源的输出端与MOS管Q1的源极、运算放大器的同相输入端电性连接；所述MOS管Q1的栅极与MOS管Q2的栅极、MOS管Q2的漏极、MOS管Q1的漏极电性连接；所述MOS管Q2的源极接地；所述运算放大器的反向输入端与输出端电性连接；所述运算放大器的输出端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端接地；所述运算放大器的输出端还与所述环形振荡器电性连接；所述带隙基准源输出的电流，经过MOS管Q1、Q2和运算放大器，形成与绝对温度负相关的电压信号VCTAT；所述VCTAT经过缓冲电容C4后，用于驱动所述环形振荡器产生与绝对温度负相关的频率信号fosc；
所述与绝对温度负相关的频率信号fosc经过缓冲电容C2、C3，分别连接到所述标签天线端口ANT+、ANT-，驱动射频阻抗，完成散射信号的调制；
所述环形振荡器，具体为修调环形振荡器，通过采用熔丝修调/激光修调的方法和所述修调环形振荡器的各级输出电容，完成对fosc的校准。
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