CN102589729A - 一种温度感知集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度感知集成电路，具体包括基准电压源模块、PTAT延迟模块、CTAT延迟模块、加法器和波纹计数器。本发明的温度感知集成电路通过基准电压源模块产生一个正温度系数电压和一个负温度系数电压，通过PTAT延迟模块和CTAT延迟模块形成相应温度特性的电流，通过电容充放电的时间差形成一个宽度与温度相关的脉冲信号，在此基础上实现了片上温度测量。本发明的电路在特定的电路上改进了电路的设计，降低了***的功耗，增加了温度数据的可靠性，使得更加容易集成在超高频RFID标签芯片中，应用于射频识别技术领域。

Description

一种温度感知集成电路

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，特别涉及一种感知集成电路的设计。

背景技术

射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是利用射频方式远距离的通信以达到物品的识别、追踪、定位和管理等目的。射频识别技术在工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理，防伪等众多领域，甚至军事用途具有广泛的应用前景，目前已引起了广泛的关注。

随着大规模集成电路生产规模扩大、生产成本降低，射频识别技术得以迅速发展，特别是作为物联网的节点的电子标签，可以有效的存储所附着物品的各种信息并通过与阅读器的通信传输这些信息。RFID技术与温度传感器电路相结合，可以有效的感知节点的温度信息并加以管理和应用，从而有效的拓宽和完善了RFID技术在现代物流监控、医药、食品仓储等领域的应用。同时也使得集成于RFID标签中的温度传感器电路设计成为当前的研究热点。

对于UHF无源RFID标签来说，标签的工作能量全部来自阅读器发出的电磁波。该部分能量非常有限，这就要求了标签芯片的功耗非常小以保证有效的阅读距离。在这样的应用背景下，对温度传感器电路在技术上要求可集成到片上、功耗小等。目前片上集成温度传感器的主要实现方式有两种，一种是基于ADC采样的原理；另一种是基于对与温度相关的脉冲进行计数完成采集的原理。前一种结构中，ADC的电路结构较为复杂；后一种电路中含有运放，都会带来较大的功耗问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的射频识别技术中温度传感器电路功耗过大的缺点，提出了一种温度感知集成电路。

本发明的技术方案是：一种温度感知集成电路，包括基准电压源模块、PTAT延迟模块、CTAT延迟模块、加法器和波纹计数器，

所述基准电压源模块用于产生一个正温度系数的电压输入到所述的PTAT延迟模块，以及一个负温度系数的电压输入到所述的CTAT延迟模块；

所述PTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的PTAT脉冲输入到所述的加法器的一个输入端；

所述CTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的CTAT脉冲输入到所述的加法器的另一个输入端；

所述加法器的输出端与波纹计数器的输入端相连，所述波纹计数器的输出端即为所述温度感知集成电路的输出端。

进一步的，所述的PTAT延迟模块和CTAT延迟模块具体包括：第一运算放大器、MOS管M7、M8、M9、M10、M11和M12，第一反相器、第二反相器，第一电阻和第一电容，具体连接关系如下：

所述第一运算放大器的第一输入端作为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输入端，所述第一运算放大器的第二输入端与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端接地；MOS管M7的栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接外部的第一电源，源极接第一运算放大器的第二输入端；M8的栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接外部的第一电源，源极接M9的漏极；M9的栅极接M10的栅极，漏极接地；M10的栅极与M12的栅极相连并接外部的控制信号，漏极接外部的第一电源，源极接M10的漏极；M10的源极接地；第一电容的一端接M10的漏极，另一端接地；M12的漏极接第一反相器的输入端，源极接地；第一反相器的输出端接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端即为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输出端。

更进一步的，所述的第一运算放大器的偏置电路具体包括MOS管M13、M14、M15、M16和M17，具体连接关系如下：

M13的漏极接外部的输入偏置电流，栅极接外部的控制电压，漏极与M14的漏极相连接；M14的栅极与M13的源极相连接，源极接地；M15的栅极与M14的栅极相连接，漏极与M16的源极相连接，M15的源极接地；M16的栅极与M15的漏极相连接，漏极接外部的第一电源；M17的栅极与M16的栅极相连接，漏极接接外部的第一电源，源极作为偏置电路的输出端。

进一步的，所述的基准电压源模块包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6，具体连接关系如下：

M1的栅极和漏极接外部的第二电源，源极与M2的漏极相连接；M2的栅极与M2的漏极相连接，M2的源极接地；M3的漏极接外部的第二电源，栅极与M1的源极相连接，源极与M4的漏极相连接作为所述基准电压源模块的负温度系数的电压输出端；M4的栅极与漏极相连接，源极接地；M5的栅极与M1的源极相连接，漏极接外部的第二电源，源极与M6的漏极相连接作为所述基准电压源模块的正温度系数的电压输出端；M6的栅极与M5的栅极相连接，M6的源极接地。

本发明的有益效果：本发明的温度感知集成电路通过基准电压源模块产生一个正温度系数电压和一个负温度系数电压，通过PTAT延迟模块和CTAT延迟模块形成相应温度特性的电流，通过电容充放电的时间差形成一个宽度与温度相关的脉冲信号，在此基础上实现了片上温度测量。本发明的温度感知集成电路在特定的电路上改进了电路的设计，降低了***的功耗，增加了温度数据的可靠性，使得更加容易集成在超高频RFID标签芯片中，应用于射频识别技术领域。

附图说明

图1是本发明的温度感知集成电路的结构示意图。

图2是基准电压源模块的结构示意图。

图3是PTAT延迟模块的结构示意图。

图4是运算放大器的偏置电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式做进一步的说明。

本发明的温度感知集成电路的结构示意图如图1所示，包括基准电压源模块、PTAT(Proportional To Absolute Temperature)延迟模块、CTAT(Complimentary To AbsoluteTemperature)延迟模块、加法器和波纹计数器，

所述基准电压源模块用于产生一个正温度系数的电压输入到所述的PTAT延迟模块，以及一个负温度系数的电压输入到所述的CTAT延迟模块；

所述PTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的PTAT脉冲PTAT_PULSE输入到所述的加法器的一个输入端；

所述CTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的CTAT脉冲CTAT_PULSE输入到所述的加法器的另一个输入端；

所述加法器的输出端与波纹计数器的输入端相连，所述波纹计数器的输出端即为所述温度感知集成电路的输出端。

这里的，基准电压源模块具体可以采用如图2所示的一种结构，包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6，具体连接关系如下：

M1的栅极和漏极接外部的第二电源V_DD2，源极与M2的漏极相连接；M2的栅极与M2的漏极相连接，M2的源极接地；M3的漏极接外部的第二电源V_DD2，栅极与M1的源极相连接，源极与M4的漏极相连接作为所述基准电压源模块的负温度系数的电压输出端；M4的栅极与漏极相连接，源极接地；M5的栅极与M1的源极相连接，漏极接外部的第二电源V_DD2，源极与M6的漏极相连接作为所述基准电压源模块的正温度系数的电压输出端；M6的栅极与M5的栅极相连接，M6的源极接地。

这里，PTAT延迟模块和CTAT延迟模块结构相同，具体可以采用如图3所示的一种结构，具体包括：第一运算放大器OPA1、MOS管M7、M8、M9、M10、M11和M12，第一反相器N1、第二反相器N2，第一电阻R1和第一电容C1，具体连接关系如下：

第一运算放大器OPA1的第一输入端作为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输入端，所述第一运算放大器OPA1的第二输入端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接地；MOS管M7的栅极接第一运算放大器OPA1的输出端，漏极接外部的第一电源V_DD1，源极接第一运算放大器的第二输入端；M8的栅极接第一运算放大器OPA1的输出端，漏极接外部的第一电源V_DD1，源极接M9的漏极；M9的栅极接M10的栅极，漏极接地；M10的栅极与M12的栅极相连并接外部的控制信号V_ST，漏极接外部的第一电源V_DD1，源极接M10的漏极；M10的源极接地；第一电容C1的一端接M10的漏极，另一端接地；M12的漏极接第一反相器N1的输入端，源极接地；第一反相器N1的输出端接第二反相器N2的输入端，第二反相器N2的输出端即为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输出端。

作为一种优选方案，这里为了进一步的降低***功耗，为第一运算放大器OPA1提供偏置电流的偏置电路可以采用如图4所示的一种结构，具体包括：MOS管M13、M14、M15、M16和M17，具体连接关系如下：

M13的漏极接外部的输入偏置电流I_SENSOR，栅极接外部的控制电压V_EN，漏极与M14的漏极相连接；M14的栅极与M13的源极相连接，源极接地；M15的栅极与M14的栅极相连接，漏极与M16的源极相连接，M15的源极接地；M16的栅极与M15的漏极相连接，漏极接外部的第一电源V_DD1；M17的栅极与M16的栅极相连接，漏极接接外部的第一电源V_DD1，源极作为偏置电路的输出端，为运算放大器提供偏置电流I_BIAS。

这里的运算放大器可以采用常规结构，以如下的一种实例进行说明，具体包括：MOS管M18、M19、M20和M21，具体连接关系为：M18的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，源极与M19的源极相连并作为偏置电流端，与偏置电路的输出端I_BIAS相连接，漏极与M20漏极相连接；M19栅极作为所述运算放大器的第二输入端，漏极与M21漏极相连接；M20栅极与漏极相连接，源极接地；M21栅极与M20栅极相连接，漏极作为所述运算放大器的输出端，源极接地。

需要注意的是：这里的加法器和波纹计数器为本领域的常见器件，在这里不再详细描述。

工作原理为：基准电压源产生一个正温度系数电压和一个负温度系数电压，这两个电压加在电阻上形成相应温度特性的电流I_PTAT和I_CTAT。在数字基带的控制下，上述两个电流分别对延迟模块中的电容充放电。两个反相器对电容上的电压进行整形并输出方波。当温度变化时，上述两个电流总是一个变大、一个变小。在这种情况下，两个电容上的电压在达到反向器的跳变电压的时间上存在一个差值，进而在反相器输出端口进行异或运算得到的电压脉冲宽度就是这个时间差值。同时，温度变化越大，这个时间差值也越大。至此完成了温度到电压脉冲宽度的转换。

(1)温度感知集成电路***接口信号的定义和作用说明：

该温度感知集成电路对外的信号接口的信号主要有V_DD1、V_DD2、I_SENSOR、V_EN、V_ST、R_ST、和CLK。V_DD1给PTAT、CTAT延迟模块和波纹计数器提供电源电压；I_SENSOR为PTAT、CTAT延迟模块中的第一运算放大器的偏置电路提供直流偏置；V_EN的作用是不在测量温度时关闭温度感知集成电路，以减少电路的功耗；V_ST用于控制脉冲信号的输出，V_ST的电平高低由数字时序控制。

这里的R_ST为波纹计数器的使能信号，CLK为波纹计数器的时钟信号。这两个信号的功能是使波纹计数器正常工作。

(2)具有温度系数电压的产生

图2所示的电路用于产生一个正温度系数的电压V_PTAT和一个负温度系数的电压V_CTAT，其中，MOS管M1和M2管以二极管连接的方式为MOS管M3～M6提供一定的偏置电压，MOS管M3～M6工作在亚阀值导通区域以获得与温度相关特性的输出电压。

MOS管在亚阀值区域的漏极电流可以表示为：

$I_{\mathrm{ds}}\≈u{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)V_T^2\exp \left(\frac{V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{th}}}{n{V}_T}\right)$

其中，u为电子的迁移率；C_ox为单位面积的栅氧化层的电容；

为MOS管的宽长比；V_T为热电压，大小为kT/q；V_gs为栅源电压；V_th为阀值电压，n为亚阈值斜率因子。

由电路的结构可以知道，MOS管M5和M6的漏极电流相等，即I_ds5＝I_ds6，结合上述公式并整理后可以得到： $V_{\mathrm{PTAT}}=V_T[n*\ln \frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_5}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_6}+G(n*\exp (-n*\ln \frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_5}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_6}))].$

其中，G(^*)为λ-W函数，由于V_T＝kT/q，所以V_PTAT正比于绝对温度T，只要MOS管M5的宽长比大于M6的宽长比，则二者比例系数大于0，得到一个具有正温度特性的输出电压。一个具有负温度特性的输出电压V_CTAT由M3和M4产生，其产生原理与V_PTAT相同，控制好M3和M4的尺寸可以改变相应的比例系数，在此不再详细描述。

(3)延迟模块

图1中的PTAT延迟模块和CTAT延迟模块的主要功能是将基准电压源产生的正温度特性电压V_PTAT和负温度特性电压V_CTAT转换为脉冲宽度随温度变化的数字信号PTAT_PULSE和CTAT_PULSE。

PTAT延迟模块的电路图如图3所示，当温度变化时，正温度特性的电压V_PTAT也随之改变。根据运放虚短的性质，OPA1两个输入端的电压相等，可以得到电阻R1上的电压为V_PTAT，此时流过电阻R1的电流为

MOS管M7和M8构成一个电流复制单元，使得M8和M9漏极电流和R1上的电流相等。MOS管M9、M10、和M11构成了一个输出受控于V_ST的电流复制单元。当V_ST为低电平时，M11处于导通状态，电流得以被复制到M10上；I_PTAT由M10流入电容C1并对其充放电。电容C1上电流-电压关系为：

$I_c=C\frac{d{U}_c}{\mathrm{dt}}$

其中，I_c、U_c分别为电容上的电流和电压，C是电容的容量。由此可知，在电压变化ΔU时，充放电电流越大，需要的时间Δt越小。反相器的输入电压等于电容上的电压，因此电容充放电一段时间后就会引起反相器输出的跳变。电流越大，跳变时间越短，反相器N2的输出信号PTAT_PULSE脉冲宽度就越大，所以输出脉冲宽度与温度成正比。温度变化时，由于I_PTAT和I_CTAT的反向变化(总是保持一个变化，一个变小)，所以反相器输出信号发生跳变时总是存在一个时间差。PTAT_PULSE和CTAT_PULSE进行异或运算后得到的输出脉冲宽度就是这个时间差，这个时间差与温度呈线性对应。

理想的情况下，在一个采集周期内，希望两个延迟模块的输出脉冲PTAT_PULSE和CTAT_PULSE在异或之后的结果应该在其中一个脉冲开始跳变之后不为0，也就是说在电容完成反相器所需要的跳变电压之后的异或结果为1，这反映的是温度信息的脉冲。但是在实际电路中两个延迟模块的反相器输出PTAT_PULSE和CTAT_PULSE很难在采集周期开始时保持一致，所以在输出脉冲在采样周期开始时有一个毛刺。为了解决这个问题，本发明在电容C1和反相器N1之间加入MOS管M12，栅极接收外部的控制电压V_ST，在射频识别领域可以由射频芯片的数字基带部分发出。当V_ST为低电平时，M11导通，M12截止，电容C1相当于接到V_DD1上，此时电容C1上的电压被充至V_DD1；当V_ST为高电平时，M11截止，M12导通，电容C1上流过的电流为I_PTAT，并且电压直接加在反相器的输入端，完成温度采集的功能。

在超高频RFID标签芯片的设计中，芯片功耗是一个非常重要的性能指标。一方面，标签接收到来自于阅读器的能量很有限，而该部分能量维持了整个芯片的正常工作；另一方面，功耗大小也会对标签的有效识别距离产生直接的影响。在本发明中，外加控制电路作用于运放的直流偏置中以减小功耗，具体实现见图4所示的电路是为延迟模块中运算放大器提供偏置电流的偏置电路，MOS管M14和M15、M16和M17分别构成电流复制单元，MOS管M17的漏极电流为运放的偏置电流I_BIAS。MOS管M13为控制开关，栅极接控制电压V_EN，漏极接输入直流电流I_SENSOR。其中，电压V_EN可以通过外部控制单元发出，在射频识别领域可以由射频芯片的数字基带部分发出；I_SENSOR通过外部的整流电路获取。当V_EN为低电平时，MOS管M13关闭，整个电路无直流电流流过；当V_EN为高电平时，通过两次复制使得最终的I_BIAS＝I_SENSOR，此时电路得以正常工作。由上述特性，当需要对温度进行采集时才将V_EN置为高电平，其余时间内V_EN均置为低电平，在这期间运放的静态功耗几乎为0，从而有效的减少了整个模块的功耗。

本发明利用CMOS器件的温度和工艺特性，设计了一种便于在RFID标签中集成的温度传感器电路，在不同的工艺条件下，有效的解决了传统温度传感器电路的功耗的特点，兼容标准CMOS工艺，适合用于对功耗要求较高的超高频无源RFID标签芯片中。本发明的温度传感器电路只包含MOS管、电阻、电容三种器件，结构简单，在CMOS工艺线上实现方便、有效、兼容性好的优点。

本发明的温度传感电路采用的分立元件少，因而便与电子标签的集成，功耗较低，可以集成在电子标签芯片内部，作为物流监控、医药、食品仓储行业中集装箱、保险箱流转的物联网监控节点，能及时的监控集装箱、保险箱的环境温度信息，保证了集装箱、食品仓储对环境温度的要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种温度感知集成电路，其特征在于，包括基准电压源模块、PTAT延迟模块、CTAT延迟模块、加法器和波纹计数器，

所述基准电压源模块用于产生一个正温度系数的电压输入到所述的PTAT延迟模块，以及一个负温度系数的电压输入到所述的CTAT延迟模块；

所述PTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的PTAT脉冲输入到所述的加法器的一个输入端；

所述CTAT延迟模块用于产生脉冲宽度随温度变化的CTAT脉冲输入到所述的加法器的另一个输入端；

所述加法器的输出端与波纹计数器的输入端相连，所述波纹计数器的输出端即为所述温度感知集成电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的温度感知集成电路，其特征在于，所述的PTAT延迟模块和CTAT延迟模块具体包括：第一运算放大器、MOS管M7、M8、M9、M10、M11和M12，第一反相器、第二反相器，第一电阻和第一电容，具体连接关系如下：

所述第一运算放大器的第一输入端作为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输入端，所述第一运算放大器的第二输入端与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端接地；MOS管M7的栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接外部的第一电源，源极接第一运算放大器的第二输入端；M8的栅极接第一运算放大器的输出端，漏极接外部的第一电源，源极接M9的漏极；M9的栅极接M10的栅极，漏极接地；M10的栅极与M12的栅极相连并接外部的控制信号，漏极接外部的第一电源，源极接M10的漏极；M10的源极接地；第一电容的一端接M10的漏极，另一端接地；M12的漏极接第一反相器的输入端，源极接地；第一反相器的输出端接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端即为所述PTAT延迟模块或CTAT延迟模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的温度感知集成电路，其特征在于，所述的基准电压源模块包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6，具体连接关系如下：

M1的栅极和漏极接外部的第二电源，源极与M2的漏极相连接；M2的栅极与M2的漏极相连接，M2的源极接地；M3的漏极接外部的第二电源，栅极与M1的源极相连接，源极与M4的漏极相连接作为所述基准电压源模块的负温度系数的电压输出端；M4的栅极与漏极相连接，源极接地；M5的栅极与M1的源极相连接，漏极接外部的第二电源，源极与M6的漏极相连接作为所述基准电压源模块的正温度系数的电压输出端；M6的栅极与M5的栅极栅极相连接，M6的源极接地。

4.根据权利要求2或3所述的温度感知集成电路，其特征在于，所述的第一运算放大器的偏置电路具体包括MOS管M13、M14、M15、M16和M17，具体连接关系如下：

M13的漏极接外部的输入偏置电流，栅极接外部的控制电压，漏极与M14的漏极相连接；M14的栅极与M13的源极相连接，源极接地；M15的栅极与M14的栅极相连接，漏极与M16的源极相连接，M15的源极接地；M16的栅极与M15的漏极相连接，漏极接外部的第一电源；M17的栅极与M16的栅极相连接，漏极接接外部的第一电源，源极作为偏置电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的温度感知集成电路，其特征在于，所述的第一运算放大器包括：MOS管M18、M19、M20和M21，具体连接关系为：M18的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，源极与M19的源极相连并作为偏置电流端，与偏置电路的输出端相连接，漏极与M20漏极相连接；M19栅极作为所述运算放大器的第二输入端，漏极与M21漏极相连接；M20栅极与漏极相连接，源极接地；M21栅极与M20栅极相连接，漏极作为所述运算放大器的输出端，源极接地。

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