随着RFID技术在冷链跟踪、仓储、运输及智能监控领域的应用日益加强，集成在RFID标签芯片内的低压、低功耗的温度传感器技术得到了更多的研究和关注。传统的温度传感器电路因为需要较高的工作电压、较大的功耗电流和较长的A/D转换时间，很难应用于无源RFID标签，参考文献[1-5]提出了许多温度传感器的新设计方法，虽然对上面三个问题的某些方面有所改进，但无法实现三个问题的全面突破，因此在实际的无源RFID应用中，需要以牺牲标签芯片的灵敏度、缩小读标签距离或降低读标签的效率为代价。
本文提出了一个低压低功耗并可进行快速A/D转换的数字温度传感器电路，使电路在1 V以上就可工作，功耗电流很小，可用于无源RFID标签而不降低标签的灵敏度。在详细阐述电路方案的结构和工作原理后，进行了电路的温度测量误差分析，指出引起温度测量误差的主要原因及相应的解决方法，最后依照电路的结构方案设计了一个温度测量范围为60 ℃~123 ℃的温度传感器电路并进行Spectre仿真和流片测试。测试结果与理论分析相符，验证了理论分析的正确性。
1 本文提出的温度传感器电路
1.1 温度传感器工作原理
本文提出的温度传感器电路方案如图1所示。利用负温度系数的电压Vbe和正温度系数的电流IPTAT以及逐次逼近ADC[6](Successive Approximation Register A/D Convertor，简称SAR ADC)结构，避免使用带隙基准电压电路，可以在较低的电源电压下工作，具有较快的A/D转换时间和较低的功耗，并且工作电压与无源RFID标签的电压相适应。
图1中，SAR ADC包含比较器、SAR控制逻辑电路和D/A转换器。集电极电流IC经过BJT晶体管产生负温度系数电压Vbe，ITPAT电流经过D/A转换器的电阻网络产生与数字信号相关的电压VP，通过比较器把Vbe和VP的比较结果送到ADC的逻辑控制电路。通过一个SAR ADC电路把电压Vbe转换成对应的数字信号输出。
Vbe相对于绝对温度有一个近似的线性关系[7]，因此Vbe可表示为：
图1中的SAR控制逻辑按参考文献[6]的逻辑由Verilog编程实现。SAR ADC完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率愈高，转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度较快、精度高的特点。
1.2 温度测量误差分析
温度测量误差主要由图1中的模拟电路产生，Vbe、IPTAT电流的非线性、D/A转换器的开关导通电阻、A/D转换的非线性、比较器的失调以及工艺的偏差等因素都会对温度的测量产生影响。
D/A转换器的开关通常由MOS晶体管来实现，MOS晶体管导通时的导通电阻大约有几十到几百欧姆，尤其在所有的开关都导通时，相当于所有的导通电阻串联，会产生较大的温度测量误差，因此需要尽可能减小开关的导通电阻。
由式(6)可知，在t=t0附近，测量的温度值与实际的温度存在近似线性关系;在温度偏离t0后，由式(5)可知，温度的测量值与温度并不是严格的线性关系，实际的温度偏离t0越大，温度测量误差越大，把这种误差定义为A/D转换的非线性。因此，在一定的温度测量范围内，温度测量值是对温度非线性曲线的拟合，它限制了传感器的温度测量范围。温度测量拟合曲线如图2所示，在温度测量范围的中间有正的温度测量误差，但是在两端有负的温度测量误差。
