基于无源RFID标签的低功耗温度传感器设计

摘要

RFID技术经过几十年的发展，在各个领域得到越加广泛的应用，如交通运输、医疗、商业商品自动化等领域。温度传感器作为传感器中非常重要的一类，通过其元件随温度变化的特性来对温度进行检测，并根据温度不同实现对系统的控制，将温度传感器集成于RFID标签芯片有着非常广泛的应用前景。本文设计了一款应用于无源RFID标签芯片上、可对环境温度精确测量、同时具有低功耗特点的CMOS温度传感器。
　　本文所设计的温度传感器主要包括温度检测模块和温度量化模块。温度检测模块包括感温电路和带隙基准，通过感温元件得到与温度成比例的电压/电流和与温度无关的参考电压。论文对传统CMOS工艺下PNP晶体管和工作在亚阈值区MOS管的温度特性进行分析、对比，得到工作在亚阈值区的MOS管具有更低的功耗。利用工作在亚阈值区MOS管的栅极-源极电压差ΔVGS与温度成正比的特性，实现感温电路和带隙基准，具有更低功耗的优势；再针对与后级模数转换器ADC的输入范围匹配度，本文专门设计了CTAT（与温度成反比）电路，对感温电路进行改进，将其感温电压的范围从245.7mV提升到709.7mV。论文针对温度检测电路的功耗、精度、以及与后级ADC输入范围匹配度等方面，从系统到模块进行协同改进与折中，设计得到使用的温度检测电路的最终结构。
　　温度量化模块采用低功耗ADC，将温度检测模块得到的感温电压转换为数字信号，对ADC有低功耗、低采样频率、高分辨率的要求。本文设计了一个超低功耗10bits SAR ADC，通过对ADC中的电容阵列DAC及其开关时序进行分析和优化，得到一种新型的低功耗单端开关电容阵列。本文设计的新型单端电容阵列的参考电压VREF为0.5V，仅为传统参考电压的一半，功耗约为传统单端开关的1/8。最终得到10bits SAR ADC的参考电压为0.5V，输入范围为0V～1V，采样频率为10KS/s，SNR为57.66dB，SFDR为72.48dB，SNDR为57.19dB,有效位数ENOB为9.2bit，功耗为0.046μW，达到了设计指标。
　　论文将温度检测模块与温度量化模块整合，得到CMOS温度传感器的总体架构，通过对整体的温度传感器在SMIC0.18μm CMOS工艺下进行仿真验证，其温度检测的精度达到±0.3℃，总功耗为0.394μW，适用于无源RFID温度检测标签芯片。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2温度传感器的主要性能

1.3设计面临的难点和挑战

1.4论文的主要工作以及结构

第二章 无源RFID原理与架构

2.1 RFID系统的基本构架以及原理

2.2温度传感器设计原理

2.3标签芯片架构

2.4小结

第三章 CMOS温度检测模块设计

3.1 PTAT/CTAT--电压/电流产生原理

3.2 CMOS温度检测电路

3.3带隙基准

3.4改进后的温度检测电路

3.5仿真结果

3.6本章小结

第四章 CMOS温度量化电路设计

4.1模数转换器（ADC）概述

4.2 DAC阵列及开关时序的设计

4.3其它的低功耗模拟模块

4.4 SAR数字控制逻辑

4.5 SAR ADC整体仿真

4.6本章小结

第五章 整体电路仿真与分析

5.1温度传感器整体架构

5.2仿真结果与分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2未来的展望

参考文献

致谢

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