2 温度传感器电路设计
依照图1的工作原理，设计了一个温度测量范围为60 ℃~123 ℃、温度分辨率为1℃、数据位数为6 bit的低压、低功耗数字温度传感器。所设计的温度传感器的模拟电路如图3所示。电路包含左边的偏置电路、中间的D/A转换电路和右边的比较器电路。偏置电路产生IPTAT电流、Vbe电压，并为无源RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。M14、M25、M26和M29是温度传感器电路的使能控制开关，当完成温度测量后，控制信号EN变为高电平，温度传感器的D/A转换电路和比较器电路进入睡眠状态，可节省芯片的功耗电流，而偏置电路仍处于工作状态，能继续为RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。
3 温度传感器的仿真和测试结果
基于TSMC CMOS 0.18 μm的工艺设计了温度传感器的电路版图并流片，其模拟电路的版图如图4所示。版图的面积为190 μm×127 μm。
用Cadence Spectre进行电路的性能仿真，并测试流片后的芯片。芯片的温度测试方法：随机抽取10个样片，在90℃进行单点校正，然后在60 ℃~120 ℃范围内，每隔10℃进行一次温度测量，记录温度测量值，最后计算出在各温度测量点的平均温度误差。电路仿真和芯片测量的平均温度误差如图5所示。电路仿真的温度误差为±1 ℃，芯片测量的温度误差为±2 ℃，在各个温度测量点的平均测量误差小于±1.5 ℃。温度测量误差曲线大致呈抛物线的形状，在温度测量范围的两头呈现负的温度测量误差，而在中间部位有正的温度测量误差，测试结果与图2所示的温度误差的理论分析相一致。
图6是在温度为80℃时电路的功耗电流随电源电压变化的仿真结果。在电源电压VDD高于1 V后，电路的总电流趋于稳定，电路能稳定工作，因此电路的工作电压可低至1 V，与目前的无源超高频RFID标签的工作电压相适应。电路总功耗电流大约为4 μA，其中DAC的电流小大约为1.5 μA，比较器的电流大约为0.5 μA，因此ADC部分的功耗电流为2 μA，偏置电路的电流也约为2 μA。RFID标签芯片中，可重用该偏置电路，因此只需增加DAC和比较器电路，大约增加2 μA的电流就可实现温度传感器的功能。最后，使用80 kHz的时钟信号，温度测量时间大约为90 μs。
本文提出了一种避免使用带隙基准电压的数字温度传感器电路，不仅使电路的工作电压可低至1 V，还缩短了温度测量时间，可用于无源RFID标签。在不提高RFID标签芯片的工作电压的情况下，大约只需增加2 μA的电流就可以进行温度测量。因此合理地设计控制逻辑，就可以在不降低无源RFID标签芯片灵敏度的同时实现温度检测功能。本文提出的温度传感器电路方案解决了无源RFID温度检测标签芯片的低电压、低功耗、快速A/D转换三大难题，为温度传感器在无源RFID标签领域的应用和研究提供了参考和帮助。
参考文献
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[2] Xu Conghui，Gao Peijun，Che Wenyi，et al.An ultra-low-power CMOS temperature sensor for RFID applications[J]. Journal of Semiconductors，2009，30(4)：045003-1-4.