基于數字電容式的傳感器接口電路設計

肖瑩慧

摘 要： 為了降低無源RFID傳感器標簽的功耗和面積，設計一種基于無源RFID數字電容式傳感器的接口電路。其采用0.18 μm CMOS工藝設計的集成式全數字結構，能夠在頻域內對傳感器電容值進行處理。該電路采用一種功耗比傳統反相器結構振蕩器低30%的新型環形振蕩器結構，振蕩器內部是限幅的。最后，對該集成全數字電路進行測試。測試結果表明，其線性度與穩定性均良好，芯片占用面積小，僅為0.21 mm2，且功率消耗小，在電源電壓下僅為0.92 μW。因此，適合應用于無源RFID傳感器標簽設計中。

關鍵詞： 數字電容式傳感器； 接口電路； 無源RFID； CMOS工藝； 環形振蕩器； 標簽設計

中圖分類號： TN641+.2?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0045?04

Design of interface circuit for digital capacitive sensor

XIAO Yinghui

（Wuhan College of Zhongnan University of Economics and Law， Wuhan 430000， China）

Abstract： An interface circuit is designed for the passive RFID digital capacitive sensor to reduce the power consumption and area of passive RFID sensor tags. The integrated all?digital structure designed by using the 0.18 μm CMOS process is adopted for the circuit， so as to process the capacitive value of the sensor in the frequency domain. In the circuit， a new ring oscillator whose power consumption is 30% lower than the conventional inverter?structured oscillator is adopted， and the interior of the oscillator is amplitude limited. A test was carried out for the integrated all?digital circuit. The test results show that the linearity and stability of the circuit are both good， and the chip only occupies a small area of 0.21 mm2 with low power consumption of only 0.92 μW at the power supply voltage， which is suitable for the design of passive RFID sensor tags.

Keywords： digital capacitive sensor； interface circuit； passive RFID； CMOS process； ring oscillator； tag design

0 引 言

根據電容器原理，電容式傳感器將待測量轉化為電容值，進而根據電容兩端電壓轉化為所要測量的參數值。該測量方法被廣泛用于壓力、加速度、位移等參數的測量[1]。隨著集成電路制造工藝技術的快速發展，互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路由于功耗低 （幾乎沒有靜態功耗） 而被廣泛應用在集成電路中。它的出現促使電容式傳感器被廣泛地應用在集成傳感器中，能較好地與其他電路共同集成在同一芯片上，從而降低系統的成本，并提高了傳感器的檢測精度[2]。

射頻識別（RFID）利用空間耦合射頻信號以實現非接觸式信息傳遞與識別[3]，其是無線電方向的自動識別技術。RFID通常可分為有源與無源系統，其中無源RFID因其具有成本低、靈活性強、無需內部電源的優點而應用廣泛[4]。隨著傳感器的發展，在無源RFID標簽中集成傳感器功能成為一種趨勢[5]。RFID標簽的應用范圍被拓寬，且減少了電路所需的面積，并降低了系統的成本。同時，也提高了系統的穩定性。

傳統的基于開關電容運算放大器的電容傳感器接口電路通過電容?電壓轉換器產生電壓信號，電壓信號正比于傳感器電容、參考電容之間的差值，模/數轉換器將電壓信號轉換為數字信號[6?8]。雖該設計電路具有運行速度快與分辨率高的優點，但采用了運算放大器的模/數轉換器使得電路結構復雜、功耗變大。為了降低功耗，文獻[9?10]采用反相器代替運算放大器，但高的電源電壓仍被保留，功耗仍高于幾μW。文獻[11?12]將傳感器電容值基于脈沖調制法在時域轉換成數字信號，雖傳感器的電容值可以在較大的范圍內變化；但由于該方法下所實現的電路復雜度較大，同時電路運行速度較慢，因此，不適合應用于無源低功耗電路的設計中。

為了降低無源RFID傳感器標簽的功耗和面積，本文設計了一種基于無源RFID數字電容式傳感器接口電路。其是采用0.18 μm CMOS工藝設計的集成式全數字結構，能夠在頻域內對傳感器電容值進行處理，其電路結構簡單、功耗低。

1 電容式傳感器接口電路結構

隨著CMOS工藝尺寸的不斷減小，數字集成電路的運行速度不斷增加，同時功耗和面積也均得到了大幅減少。工藝尺寸的減小對模擬集成電路而言，除了噪聲的減小，MOS管閾值電壓并未得到過多的減少。因此，模擬集成電路設計輸出電壓允許范圍大幅減小[13]。說明納米時代之后的電路設計極具挑戰性，尤其是在低電壓下。基于此，本文將處理傳感器信號方式由電壓幅度域轉移到頻率域，從而使得電路在低電源電壓下工作以適應低功耗設計。

圖1為本文所設計的基于數字電容式的傳感器接口電路，其由環形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計數器構成。環形振蕩器的功能是將傳感器電容值[Csens]轉化為振蕩頻率[fsens]，以解決仿真環境下環形振蕩器的自激振蕩頻率[f0]難以被準確估計的問題。分頻器設有3個通道，分別為2分頻、4分頻和8分頻，其對應于多路選擇器的3個通路，以確保電路流片后的功能實現。系統時鐘信號CLK控制著10 bit計數器進行計數，以計算多路選擇器的輸出信號頻率，進而得到[bout]。

2 低功耗環形振蕩器設計

本文對環形振蕩器的設計結構圖如圖2所示，其采用的是三級反相器。

振蕩輸出頻率[fsens]表達式為：

[fsens=IDC0VH-VL] （1）

式中：[ID]為反相器偏置電流；[VH]和[VL]為反相器所接的高電平與低電平；反相器輸出端的電容等效為[C0，][C0≈Csens]。

為了降低功耗，環形振蕩器通常采用電流受限型反相器，其輸出電壓接近于電源電壓和地，這在一定程度上擴大了信號擺幅，但也因信號擺幅大而使電路功耗增加。針對此問題，本文設計了一種如圖3所示的環形振蕩器。其中，晶體管[M1，M6]組成三級限流CMOS反相器，[M7，M9]與[M10，M12]分別組成電流鏡。與傳統環形振蕩器相比，本文所設計的環形振蕩器增添了晶體管[MH1]，[MH2]，[ML1]，[ML2]用來鉗制前兩級CMOS反相器的輸出電壓擺幅。例如第一級，反相器輸出電壓隨輸入信號的高低轉變而由低變高， [VGSH]隨著[MH1]的柵源電壓升高而降低，直到低于閾值后，[MH1]上升速度開始變慢，進入亞閾值狀態，其工作電流迅速降低，直到輸出電壓為[VDD]-[VGSH]-[VDS7]；反之，當反相器輸出電壓由高電平變為低電平時，[ML1]進入亞閾值狀態，直到輸出電壓為[VGSL]+[VDS10]。前兩級反相器輸出電壓減小的擺幅為：

[VDD-VGSH+VDS7-VGSL+VDS10] （2）

本文所設計的環形振蕩器輸出波形如圖4所示。從圖中可看出，前兩級CMOS反相器增加了具備電壓鉗制功能的晶體管后其輸出電壓擺幅從原來的0～1 V降低為0.3～0.7 V，擺幅大小也從1 V降低為0.4 V，使得改進后的環形振蕩器功耗比傳統的降低了將近30%。振蕩器輸出頻率[fsens]隨傳感器電容值[Csens]變化示意圖，如圖5所示。從圖中可得，本文所設計的環形振蕩器具有較好的線性度。

3 測試結果分析

圖6為本文采用0.18 μm CMOS 1P6M工藝制造的接口電路濕度傳感器芯片。其分為濕度傳感器與接口電路Ⅰ，Ⅱ兩個區域，需設置1 MHz時鐘頻率。

對所設計的電路進行性能測試，測試結果如圖7所示。分別在25 ℃，0 ℃，60 ℃下，對濕度每變化5%進行接口電路輸出的測試。測試結果表明，本文所設計的接口電路線性度良好，且在分頻比發生變化時依然具有較好的線性度。

4 結 語

為了解決無源RFID傳感器標簽需求量不斷增大的問題，同時降低其面積和功耗，本文設計了一種基于無源RFID數字電容式傳感器接口電路。其采用0.18 μm CMOS工藝設計的集成式全數字結構，能夠在頻域內對傳感器電容值進行處理；最后對該集成全數字電路進行測試。測試結果表明，其線性度與穩定性良好，芯片占用面積小，僅為0.21 mm2，且功率消耗小，在電源電壓下僅為0.92 μW。因此，所設計電路適合應用于無源RFID傳感器標簽設計中。

參考文獻

[1] 鄭志霞，馮勇建.MEMS接觸電容式高溫壓力傳感器的溫度效應[J].電子測量與儀器學報，2013，27（12）：1141?1147.

ZHENG Zhixia， FENG Yongjian. Temperature effect of MEMS high temperature touch?mode capacitive pressure sensor [J]. Journal of electronic measurement and instrumentation， 2013， 27（12）： 1141?1147.

[2] LI B， HE Y， ZUO L， et al. Metric of the application environment impact to the passive UHF RFID system [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2014， 63（10）： 2387?2395.

[3] 羅毅，施云波，楊昆，等.用于探空儀的加熱式濕度傳感器及測量電路[J].光學精密工程，2014，22（11）：3050?3060.

LUO Yi， SHI Yunbo， YANG Kun， et al. Humidity sensor for radiosonde and its measuring circuit [J].Optics and precision engineering， 2014， 22（11）： 3050?3060.

[4] 佐磊，何怡剛，李兵，等.無源超高頻射頻識別系統路徑損耗研究[J].物理學報，2013，62（14）：142?149.

ZUO Lei， HE Yigang， LI Bing， et al. Analysis and measurements of path loss effects for ultra high frequency radio?frequency identification in real environments [J]. Acta Physica Sinica， 2013， 62（14）： 142?149.

[5] 司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于無源超高頻RFID溫度標簽的溫度監測系統[J].傳感器與微系統，2017，36（1）：78?80.

SI Yu， FENG Peng， YU Shuangming， et al. Temperature monitoring system based on passive UHF RFID temperature tag [J]. Transducer and microsystem technologies， 2017， 36（1）： 78?80.

[6] 熊昕.RFID讀寫器與MIFARE1卡通訊測試實驗設計[J].信息技術與信息化，2015（8）：183?185.

XIONG Xin. RFID reader and MIFARE1 card communication test design [J]. Information technology and informatization， 2015（8）： 183?185.

[7] 夏宏，吳濟文.超高頻RFID讀寫器系統的設計與實現[J].計算機應用，2012，32（8）：2369?2373.

XIA Hong， WU Jiwen. Design and implementation of ultra high frequency RFID reader system [J]. Journal of computer applications， 2012， 32（8）： 2369?2373.

[8] 蔣天齊，洪濤，余忠華，等.PCB集成化RFID在電能表智能制造中的研究應用[J].計算機測量與控制，2017（2）：234?237.

JIANG Tianqi， HONG Tao， YU Zhonghua， et al. Application and research of energy meter intelligent manufacture based on PCB integrated RFID [J]. Computer measurement & control， 2017（2）： 234?237.

[9] 王陽，陳軍寧，胡江，等.低壓低功耗CMOS微電容式傳感器數字型接口電路研究[J].傳感技術學報，2015，28（2）：198?204.

WANG Yang， CHEN Junning， HU Jiang， et al. Research on digital interface circuit for CMOS micro?capacitive sensor with low?voltage supply and low?power consumption [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2015， 28（2）： 198?204.

[10] AZARMEHR M， RASHIDZADEH R， AHMADI M. Low?power oscillator for passive radio frequency identification transponders [J]. IET circuits， devices & systems， 2012， 6（2）： 79?84.

[11] XIA S， MAKINWA K， NIHTIANOV S. A capacitance?to?digital converter for displacement sensing with 17b resolution and 20 μs conversion time [C]// Proceedings of IEEE International Solid?State Circuits Conference. San Francisco： IEEE， 2012： 198?200.

[12] TAN Z， DAAMEN R， HUMBERT A， et al. A 1.2?V 8.3?nJ CMOS humidity sensor for RFID applications [J]. IEEE journal of solid?state circuits， 2013， 48（10）： 2469?2477.

[13] NGUYEN T T， H?FLIGER P. An energy efficient inverter based readout circuit for capacitive sensor [C]// Proceedings of IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference. Rotterdam： IEEE， 2013： 326?329.