基于数字电容式的传感器接口电路设计

肖莹慧

摘 要： 为了降低无源RFID传感器标签的功耗和面积，设计一种基于无源RFID数字电容式传感器的接口电路。其采用0.18 μm CMOS工艺设计的集成式全数字结构，能够在频域内对传感器电容值进行处理。该电路采用一种功耗比传统反相器结构振荡器低30%的新型环形振荡器结构，振荡器内部是限幅的。最后，对该集成全数字电路进行测试。测试结果表明，其线性度与稳定性均良好，芯片占用面积小，仅为0.21 mm2，且功率消耗小，在电源电压下仅为0.92 μW。因此，适合应用于无源RFID传感器标签设计中。

关键词： 数字电容式传感器； 接口电路； 无源RFID； CMOS工艺； 环形振荡器； 标签设计

中图分类号： TN641+.2?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

根據电容器原理，电容式传感器将待测量转化为电容值，进而根据电容两端电压转化为所要测量的参数值。该测量方法被广泛用于压力、加速度、位移等参数的测量[1]。随着集成电路制造工艺技术的快速发展，互补金属氧化物半导体（CMOS）电路由于功耗低 （几乎没有静态功耗） 而被广泛应用在集成电路中。它的出现促使电容式传感器被广泛地应用在集成传感器中，能较好地与其他电路共同集成在同一芯片上，从而降低系统的成本，并提高了传感器的检测精度[2]。

射频识别（RFID）利用空间耦合射频信号以实现非接触式信息传递与识别[3]，其是无线电方向的自动识别技术。RFID通常可分为有源与无源系统，其中无源RFID因其具有成本低、灵活性强、无需内部电源的优点而应用广泛[4]。随着传感器的发展，在无源RFID标签中集成传感器功能成为一种趋势[5]。RFID标签的应用范围被拓宽，且减少了电路所需的面积，并降低了系统的成本。同时，也提高了系统的稳定性。

传统的基于开关电容运算放大器的电容传感器接口电路通过电容?电压转换器产生电压信号，电压信号正比于传感器电容、参考电容之间的差值，模/数转换器将电压信号转换为数字信号[6?8]。虽该设计电路具有运行速度快与分辨率高的优点，但采用了运算放大器的模/数转换器使得电路结构复杂、功耗变大。为了降低功耗，文献[9?10]采用反相器代替运算放大器，但高的电源电压仍被保留，功耗仍高于几μW。文献[11?12]将传感器电容值基于脉冲调制法在时域转换成数字信号，虽传感器的电容值可以在较大的范围内变化；但由于该方法下所实现的电路复杂度较大，同时电路运行速度较慢，因此，不适合应用于无源低功耗电路的设计中。

为了降低无源RFID传感器标签的功耗和面积，本文设计了一种基于无源RFID数字电容式传感器接口电路。其是采用0.18 μm CMOS工艺设计的集成式全数字结构，能够在频域内对传感器电容值进行处理，其电路结构简单、功耗低。

1 电容式传感器接口电路结构

随着CMOS工艺尺寸的不断减小，数字集成电路的运行速度不断增加，同时功耗和面积也均得到了大幅减少。工艺尺寸的减小对模拟集成电路而言，除了噪声的减小，MOS管阈值电压并未得到过多的减少。因此，模拟集成电路设计输出电压允许范围大幅减小[13]。说明纳米时代之后的电路设计极具挑战性，尤其是在低电压下。基于此，本文将处理传感器信号方式由电压幅度域转移到频率域，从而使得电路在低电源电压下工作以适应低功耗设计。

图1为本文所设计的基于数字电容式的传感器接口电路，其由环形振荡器、分频器、多路选择器和计数器构成。环形振荡器的功能是将传感器电容值[Csens]转化为振荡频率[fsens]，以解决仿真环境下环形振荡器的自激振荡频率[f0]难以被准确估计的问题。分频器设有3个通道，分别为2分频、4分频和8分频，其对应于多路选择器的3个通路，以确保电路流片后的功能实现。系统时钟信号CLK控制着10 bit计数器进行计数，以计算多路选择器的输出信号频率，进而得到[bout]。

2 低功耗环形振荡器设计

本文对环形振荡器的设计结构图如图2所示，其采用的是三级反相器。

振荡输出频率[fsens]表达式为：

[fsens=IDC0VH-VL] （1）

式中：[ID]为反相器偏置电流；[VH]和[VL]为反相器所接的高电平与低电平；反相器输出端的电容等效为[C0，][C0≈Csens]。

为了降低功耗，环形振荡器通常采用电流受限型反相器，其输出电压接近于电源电压和地，这在一定程度上扩大了信号摆幅，但也因信号摆幅大而使电路功耗增加。针对此问题，本文设计了一种如图3所示的环形振荡器。其中，晶体管[M1，M6]组成三级限流CMOS反相器，[M7，M9]与[M10，M12]分别组成电流镜。与传统环形振荡器相比，本文所设计的环形振荡器增添了晶体管[MH1]，[MH2]，[ML1]，[ML2]用来钳制前两级CMOS反相器的输出电压摆幅。例如第一级，反相器输出电压随输入信号的高低转变而由低变高， [VGSH]随着[MH1]的栅源电压升高而降低，直到低于阈值后，[MH1]上升速度开始变慢，进入亚阈值状态，其工作电流迅速降低，直到输出电压为[VDD]-[VGSH]-[VDS7]；反之，当反相器输出电压由高电平变为低电平时，[ML1]进入亚阈值状态，直到输出电压为[VGSL]+[VDS10]。前两级反相器输出电压减小的摆幅为：

[VDD-VGSH+VDS7-VGSL+VDS10] （2）

本文所设计的环形振荡器输出波形如图4所示。从图中可看出，前两级CMOS反相器增加了具备电压钳制功能的晶体管后其输出电压摆幅从原来的0～1 V降低为0.3～0.7 V，摆幅大小也从1 V降低为0.4 V，使得改进后的环形振荡器功耗比传统的降低了将近30%。振荡器输出频率[fsens]随传感器电容值[Csens]变化示意图，如图5所示。从图中可得，本文所设计的环形振荡器具有较好的线性度。

3 测试结果分析

图6为本文采用0.18 μm CMOS 1P6M工艺制造的接口电路湿度传感器芯片。其分为湿度传感器与接口电路Ⅰ，Ⅱ两个区域，需设置1 MHz时钟频率。

对所设计的电路进行性能测试，测试结果如图7所示。分别在25 ℃，0 ℃，60 ℃下，对湿度每变化5%进行接口电路输出的测试。测试结果表明，本文所设计的接口电路线性度良好，且在分频比发生变化时依然具有较好的线性度。

4 结 语

为了解决无源RFID传感器标签需求量不断增大的问题，同时降低其面积和功耗，本文设计了一种基于无源RFID数字电容式传感器接口电路。其采用0.18 μm CMOS工艺设计的集成式全数字结构，能够在频域内对传感器电容值进行处理；最后对该集成全数字电路进行测试。测试结果表明，其线性度与稳定性良好，芯片占用面积小，仅为0.21 mm2，且功率消耗小，在电源电压下仅为0.92 μW。因此，所设计电路适合应用于无源RFID传感器标签设计中。

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