面向變電站監測的低功耗溫度傳感器

石 蓉，肖 夏，王 超，尹 璐，涂 彬

（國網陜西省電力公司，西安 710048）

RFID標簽廣泛應用于電子識別、運輸、標簽、庫存監控和訪問控制[1]。RFID低功耗平臺非常適合實現針對變電站監測的無線溫度傳感器。無線供電的無源射頻干擾消除了對電池的需求，降低了成本和維護要求。然而，為這種無電池系統配備傳感器和傳感接口電路，需要整個系統的緊湊型芯片區域和超低功耗電路設計[2]。

傳統的溫度傳感器設計需要大面積（每對BJT 4000 μm2）以及相對昂貴的雙溫度點校準（TPC），以達到所需的測量精度[3-4]，這限制了傳統的溫度傳感器設計在低成本無線射頻系統中的應用。

本文提出了一種與雙斜坡ADC集成的電源電壓可擴展CMOS溫度傳感器的設計方法，實現了RFID溫度傳感器。該溫度傳感器只有8個晶體管，以最大限度地減少芯片面積。在1 V電源下，整個傳感器前端功耗僅為34 μW。此外，溫度傳感器可以在0.6 V～1 V的電源電壓范圍內工作，這使其適合與縮放的低于1 V的數字超大規模集成電路（VLSI）系統集成，以最大限度實現傳感器前端的低功耗，滿足基于RFID無線供電的設計需求。

1 系統概述

圖1展示了RFID溫度傳感器系統的框圖。傳感器1～N為芯片外傳感器，可感應不同位置或不同類型的溫度傳感輸入信號。由于不同類型傳感信號的輸入電壓和頻率范圍不同，需要多個前置放大器以滿足不同的輸入要求。放大器對被測信號進行放大，以適應ADC的全輸入范圍，使量化結果更加準確。N選1多路選擇器根據數字核心電路產生的選擇信號選擇要量化的傳感輸入信號。數字核心電路還為模數轉換器發送采樣時鐘，使模數轉換器（ADC）在短時間內完成傳感循環，提高了系統的電能效率。量化的數據將由數字核心電路進行編碼，并通過芯片上無線收發器前端發送出去。由于整個系統集成在單個芯片上并通過射頻（RF）能量收集方案無線供電，因此所有設計組件必須緊湊且功率低。本文中介紹的溫度傳感器前端設計如圖1中的虛線框所示。

圖1 RFID傳感器節點系統框圖Fig.1 RFID sensor node system block diagram

2 電路實現

圖2（a）顯示了所實現的誤差CMOS溫度傳感器。傳感器的誤差輸出標記為CTAT（與絕對溫度互補）和PTAT（與絕對溫度成比例）[5]。傳感器設計為在亞閾值區域工作，以促進電流對VDS的弱依賴性以及輸出電壓CTAT和PTAT對溫度的線性依賴性[6]。這種依賴性的斜率主要由偏斜的晶體管尺寸比決定。誤差方案的目的不僅在于提高傳感器的靈敏度，還在于減少其他組件參數（摻雜n、流動性μ和閾值電壓VTH）因其自身溫度依賴性而產生的非線性影響[7]。增加晶體管M7和M8以增加CTAT的輸出，以提供溫度和電壓補償[8-9]。偏置電壓VB1在芯片上產生。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit schematic

誤差輸入單端輸出單級共源前置放大器將PTAT和CTAT之間的電壓差放大9.5 dB，以增加傳感分辨率，放大后的結果將由傳輸門配置的多路復用器選擇，然后發送到ADC。采用45 nm CMOS SOI技術實現的雙斜坡ADC包括一個基于放大器的積分器（見圖2b），一個交叉耦合的動態鎖存比較器（見圖2c），一個SR鎖存器和數字控制模塊。Vin1是從多路復用器中選擇的感應信號，Vin2和Vref是參考電壓。CLK1、CLK2和RESET是芯片上數字控制單元的輸出，分別定義充電上升、充電下降和重置時間。SCLK是系統采樣頻率，本文設計中設定采樣頻率為10 MHz以降低系統功耗。

3 測量結果

CMOS溫度傳感器的測量結果如圖3所示。該測量實驗是利用一個裝有熱耦合器的隔熱箱來檢測空氣中溫度的變化。熱源是通過一個10 W的功率場效應管（FET）來實現的，FET附加在絕緣盒內的金屬容器上。溫度傳感器的輸出電壓在測量溫度范圍為20℃～100℃時隨溫度線性變化，最大的誤差為+0.7/-1℃。傳感器、放大器和多路復用器一起使用12 μW/1 V的直流電源供應。在直流0.6 V電源下的傳感器系統的功耗降低到6.7 μW。

圖3 在0.6V、0.8V和1V電源電壓下測量的溫度傳感器輸出Fig.3 Temperature sensor output measured at 0.6 V，0.8 V，and 1 V supply voltage

圖4顯示了所測量得出的ADC傳遞函數。X軸是多路選擇器提供給ADC的輸入電壓，Y軸是ADC的轉換十進制輸出代碼。使用10 MHz采樣時鐘和0.6 V基準電壓 （Vref）進行測量。與130 nm BULK CMOS的類似設計相比，CMOS SOI技術極大地改善了傳遞函數的線性度[10-11]。SOI設計的較高線性度歸因于在該技術中通過襯底和晶體管之間的高隔離促進了較低的寄生電容的較大尺度。圖4還表明采樣45 nm工藝實現的DSADC的有效分辨率約為8位。在1V電源下，輸入電壓范圍介于0～0.65V之間。

圖4 不同Vin2的ADC的測量傳遞函數（Vref=0.6 V）Fig.4 Measurement transfer function of ADC with different Vin2（Vref=0.6 V）

可以通過測量積分非線性（INL）和誤差非線性（DNL）圖來評估ADC的DC線性性能。測量結果如圖5所示。采用45 nm CMOS SOI技術實現的設計的INL和DNL是通過在ADC輸入Vin1上提供斜坡電壓信號來測量的，此時Vref=0.58 V且Vin2=0.67 V。INL使用最佳直線擬合方法計算。結果表明，DNL為-0.8 LSB～+0.7 LSB，INL為-0.8 LSB～+0.8 LSB，這意味著ADC沒有丟失代碼。在10 MHz時鐘下以30 kS/s的采樣速率測量溫度傳感器、多路復用器、前置放大器和ADC的動態功耗僅為22 μW。

圖5 INL和DNL測量結果Fig.5 INL and DNL measurements

表1對比了所提出的溫度傳感前端與其他設計的性能參數。

表1 CMOS溫度傳感器的比較Tab.1 Comparison of CMOS temperature sensors

4 結語

本文展示了一款緊湊、低功耗、電源電壓可擴展的CMOS溫度傳感器，集成了用于RFID/傳感器標簽系統的DSADC。測量結果顯示，在1 V電源下，采樣頻率為30 kS/s時、功耗為34 μW，超低功耗。在0.6 V電源下，溫度傳感器前端的功耗可進一步降低70%。采用45 nm CMOS SOI技術實現的傳感器前端設計具有結構緊湊、高效節能的優點。該溫度傳感器可以通過集成在RFID標簽中的RF能量采集來實現無線供電。與其他設計相比，本文實現的溫度傳感器不需要外部校準，同時能夠保持合理的溫度誤差率（+0.7/-1℃）。此外，該設計中可提供0.6 V～1 V的可擴展電源電壓，可與低于1 V的混合信號應用集成。所設計的傳感器中所集成ADC能夠以較快的速率進行采樣，以允許傳感器前端獲得更多數據點，縮短響應時間。與類似傳感器系統設計相比，本設計具有更小的功耗、更快的采樣速率和更小的誤差，有助于其集成到無線供電的RFID，并表現出能夠在變電站復雜環境進行低成本實時溫度監測的潛力。