本實(shí)用新型涉及電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器的接口電路。

背景技術(shù)：

電容式傳感器利用電容器原理，將外界環(huán)境中待測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電容量，再將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、頻率等輸出量，被廣泛應(yīng)用于壓力、濕度、加速度、位移、氣體等檢測(cè)領(lǐng)域。得益于微電子技術(shù)的發(fā)展，作為集成電路制造主流工藝的CMOS工藝能很好地將電容式傳感器與讀出電路、信號(hào)處理電路等集成在同一芯片上，不僅大大降低了系統(tǒng)成本，而且可以提高檢測(cè)精度，所以電容式傳感器被廣泛應(yīng)用于集成傳感器的設(shè)計(jì)中。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次數(shù)字技術(shù)革命，當(dāng)中的射頻識(shí)別（即RFID）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最前端( 即感知層) 的關(guān)鍵技術(shù)。RFID 技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在無線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用和發(fā)展。一般來說，RFID系統(tǒng)可以分為有源和無源兩大類。無源RFID標(biāo)簽無需內(nèi)置電源供電，成本低且靈活性強(qiáng)，因此被更廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中。近年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)發(fā)展的迅猛需求，在無源RFID標(biāo)簽中集成傳感器功能的研究已成為一種趨勢(shì)。RFID 傳感器標(biāo)簽不僅拓寬了RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用范圍，而且有利于降低系統(tǒng)成本、減少電路面積及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對(duì)于電容式傳感器來說，傳感器以電容形式接入接口電路，因此電容式傳感器的主要功耗來源于接口電路。傳統(tǒng)的電容式傳感器接口電路在電壓幅度域內(nèi)處理傳感器信號(hào)，首先采用電容－電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)與傳感器電容和參考電容差值成正比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。這種接口電路能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于其采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需使用較高的電源電壓，整體功耗甚高，不適合于低功耗應(yīng)用，難以應(yīng)用到無源RFID標(biāo)簽中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于：提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功耗低的，無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器的接口電路。

本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是：

一種無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器的接口電路，包括環(huán)形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器，所述環(huán)形振蕩器的輸入端與電容式傳感器的輸出端連接，所述環(huán)形振蕩器的輸出端與分頻器的輸入端連接，所述分頻器的多個(gè)輸出端分別與多路選擇器的一個(gè)輸入端連接，所述多路選擇器的輸出端與計(jì)數(shù)器的輸入端連接。

進(jìn)一步，所述環(huán)形振蕩器包括第一級(jí)反相器、第二級(jí)反相器和第三級(jí)反相器，所述電容式傳感器的一端接地，所述電容式傳感器的另一端分別與第一級(jí)反相器的輸入端以及第三反相器的輸出端連接，所述第一級(jí)反相器的輸出端與第二級(jí)反相器的輸入端連接，所述第二級(jí)反相器的輸出端與第三級(jí)反相器的輸入端連接，所述三級(jí)反相器的輸出端還與分頻器的輸入端連接。

進(jìn)一步，所述第一級(jí)反相器、第二級(jí)反相器和第三級(jí)反相器均采用電流受限型反相器結(jié)構(gòu)，所述第一級(jí)反相器還連接有第一電壓擺幅鉗制單元，所述第一電壓擺幅鉗制單元還連接有第一電流鏡，所述第二級(jí)反相器還連接有第二電壓擺幅鉗制單元，所述第二電壓擺幅鉗制單元還連接有第二電流鏡，所述第三級(jí)反相器還連接有第三電流鏡。

進(jìn)一步，所述環(huán)形振蕩器還包括電源電壓、電流源、共源共柵電流鏡和第十三晶體管，所述共源共柵電流鏡包括第十四晶體管和第十五晶體管，所述電源電壓分別與第一電流鏡、電流源的輸入端、第二電流鏡、第十三晶體管的源極和第三電流鏡連接，所述電流源的輸出端分別與第十四晶體管的漏極、第十四晶體管的柵極和第十五晶體管的柵極連接，所述第十四晶體管的源極和第十五晶體管的源極均接地，所述第十五晶體管的漏極分別與第十三晶體管的柵極、第十三晶體管的漏極、第一電流鏡、第二電流鏡以及第三電流鏡連接，所述第十三晶體管的柵極還分別與第一電流鏡、第二電流鏡以及第三電流鏡連接。

進(jìn)一步，所述第一級(jí)反相器包括第一晶體管和第四晶體管，所述第一電壓擺幅鉗制單元包括第一高壓鉗制晶體管和第一低壓鉗制晶體管，所述第一電流鏡包括第七晶體管和第十晶體管，所述第一晶體管的柵極分別與第四晶體管的柵極以及電容式傳感器連接，所述第一晶體管的漏極與第四晶體管的漏極連接，所述第一晶體管的源極與第一高壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第一高壓鉗制晶體管的柵極和第一低壓鉗制晶體管的柵極均與第一晶體管的漏極連接，所述第一高壓鉗制晶體管的源極與第七晶體管的漏極連接，所述第七晶體管的源極與電源電壓連接，所述第七晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述第四晶體管的源極與第一低壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第一低壓鉗制晶體管的源極與第十晶體管的漏極連接，所述第十晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十晶體管的源極接地；

所述第二級(jí)反相器包括第二晶體管和第五晶體管，所述第二電壓擺幅鉗制單元包括第二高壓鉗制晶體管和第二低壓鉗制晶體管，所述第二電流鏡包括第八晶體管和第十一晶體管，所述第二晶體管的柵極分別與第五晶體管的柵極和第一晶體管的漏極連接，所述第二晶體管的漏極與第五晶體管的漏極連接，所述第二晶體管的源極與第二高壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第二高壓鉗制晶體管的柵極和第二低壓鉗制晶體管的柵極均與第二晶體管的漏極連接，所述第二高壓鉗制晶體管的源極與第八晶體管的漏極連接，所述第八晶體管的源極與電源電壓連接，所述第八晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述五晶體管的源極與第二低壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第二低壓鉗制晶體管的源極與第十一晶體管的漏極連接，所述第十一晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十一晶體管的源極接地；

所述第三級(jí)反相器包括第三晶體管和第六晶體管，所述第三電流鏡包括第九晶體管和第十二晶體管，所述第三晶體管的柵極分別與第六晶體管的柵極以及第二晶體管的漏極連接，所述第三晶體管的漏極分別與第六晶體管的漏極以及電容式傳感器連接，所述第三晶體管的源極與第九晶體管的漏極連接，所述第九晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述第九晶體管的源極與電源電壓連接，所述第六晶體管的源極與第十二晶體管的漏極連接，所述第十二晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十二晶體管的源極接地。

進(jìn)一步，所述第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第一高壓鉗制晶體管、第二高壓鉗制晶體管、第七晶體管、第八晶體管、第九晶體管和第十三晶體管均采用PMOS管，所述第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第一低壓鉗制晶體管、第二低壓鉗制晶體管、第十晶體管、第十一晶體管、第十二晶體管、第十四晶體管和第十五晶體管均采用NMOS管。

進(jìn)一步，所述分頻器包括2分頻輸出端、4分頻輸出端和8分頻輸出端這三個(gè)輸出端，所述多路選擇器采用三選一多路選擇器。

本實(shí)用新型的有益效果是：包括環(huán)形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器，在頻域內(nèi)處理傳感器信號(hào)，采用了全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了采用功耗甚高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路的整體功耗低于1μw，功耗低，尤其適合集成于無源 RFID標(biāo)簽中。進(jìn)一步，在環(huán)形振蕩器中采用了基于電流鏡的電流受限型三級(jí)反相器結(jié)構(gòu)，并在第一級(jí)反相器和第二級(jí)反相器中加入了第一電壓擺幅鉗制單元和第二電壓擺幅鉗制單元，不僅能對(duì)反相器的輸出電流進(jìn)行限制，而且能對(duì)反相器的輸出電壓擺幅進(jìn)行限制，有利于進(jìn)一步降低整體電路的功耗。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器的接口電路的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實(shí)用新型環(huán)形振蕩器的電路原理圖。

附圖標(biāo)記：1.第一級(jí)反相器；2.第二級(jí)反相器；3.第三級(jí)反相器；M₁～M₁₅.第一～第十五晶體管；M_L1.第一低壓鉗制晶體管；M_L2.第二低壓鉗制晶體管；M_H1.第一高壓鉗制晶體管；M_H2.第二高壓鉗制晶體管；VDD.電源電壓；I.電流源；C.電容式傳感器；Output.三級(jí)反相器的輸出端。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，一種無源RFID標(biāo)簽電容式傳感器的接口電路，包括環(huán)形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器，所述環(huán)形振蕩器的輸入端與電容式傳感器的輸出端連接，所述環(huán)形振蕩器的輸出端與分頻器的輸入端連接，所述分頻器的多個(gè)輸出端分別與多路選擇器的一個(gè)輸入端連接，所述多路選擇器的輸出端與計(jì)數(shù)器的輸入端連接。

其中，環(huán)形振蕩器，用于將電容式傳感器的電容值C_sens轉(zhuǎn)換為振蕩頻率f_sens；

分頻器，用于將振蕩頻率f_sens分頻為多路頻率信號(hào)；

多路選擇器，用于從分頻后的多路頻率信號(hào)中選擇一路頻率信號(hào)作為輸出；

計(jì)數(shù)器，用于在系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)CLK的作用下得出多路選擇器輸出信號(hào)的頻率f_o，并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)b_out，b_out與f_o成正比。

參照?qǐng)D2，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述環(huán)形振蕩器包括第一級(jí)反相器、第二級(jí)反相器和第三級(jí)反相器，所述電容式傳感器的一端接地，所述電容式傳感器的另一端分別與第一級(jí)反相器的輸入端以及第三反相器的輸出端連接，所述第一級(jí)反相器的輸出端與第二級(jí)反相器的輸入端連接，所述第二級(jí)反相器的輸出端與第三級(jí)反相器的輸入端連接，所述三級(jí)反相器的輸出端還與分頻器的輸入端連接。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第一級(jí)反相器、第二級(jí)反相器和第三級(jí)反相器均采用電流受限型反相器結(jié)構(gòu)，所述第一級(jí)反相器還連接有第一電壓擺幅鉗制單元，所述第一電壓擺幅鉗制單元還連接有第一電流鏡，所述第二級(jí)反相器還連接有第二電壓擺幅鉗制單元，所述第二電壓擺幅鉗制單元還連接有第二電流鏡，所述第三級(jí)反相器還連接有第三電流鏡。

參照?qǐng)D3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述環(huán)形振蕩器還包括電源電壓、電流源、共源共柵電流鏡和第十三晶體管，所述共源共柵電流鏡包括第十四晶體管和第十五晶體管，所述電源電壓分別與第一電流鏡、電流源的輸入端、第二電流鏡、第十三晶體管的源極和第三電流鏡連接，所述電流源的輸出端分別與第十四晶體管的漏極、第十四晶體管的柵極和第十五晶體管的柵極連接，所述第十四晶體管的源極和第十五晶體管的源極均接地，所述第十五晶體管的漏極分別與第十三晶體管的柵極、第十三晶體管的漏極、第一電流鏡、第二電流鏡以及第三電流鏡連接，所述第十三晶體管的柵極還分別與第一電流鏡、第二電流鏡以及第三電流鏡連接。

參照?qǐng)D3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第一級(jí)反相器包括第一晶體管和第四晶體管，所述第一電壓擺幅鉗制單元包括第一高壓鉗制晶體管和第一低壓鉗制晶體管，所述第一電流鏡包括第七晶體管和第十晶體管，所述第一晶體管的柵極分別與第四晶體管的柵極以及電容式傳感器連接，所述第一晶體管的漏極與第四晶體管的漏極連接，所述第一晶體管的源極與第一高壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第一高壓鉗制晶體管的柵極和第一低壓鉗制晶體管的柵極均與第一晶體管的漏極連接，所述第一高壓鉗制晶體管的源極與第七晶體管的漏極連接，所述第七晶體管的源極與電源電壓連接，所述第七晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述第四晶體管的源極與第一低壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第一低壓鉗制晶體管的源極與第十晶體管的漏極連接，所述第十晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十晶體管的源極接地；

所述第二級(jí)反相器包括第二晶體管和第五晶體管，所述第二電壓擺幅鉗制單元包括第二高壓鉗制晶體管和第二低壓鉗制晶體管，所述第二電流鏡包括第八晶體管和第十一晶體管，所述第二晶體管的柵極分別與第五晶體管的柵極和第一晶體管的漏極連接，所述第二晶體管的漏極與第五晶體管的漏極連接，所述第二晶體管的源極與第二高壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第二高壓鉗制晶體管的柵極和第二低壓鉗制晶體管的柵極均與第二晶體管的漏極連接，所述第二高壓鉗制晶體管的源極與第八晶體管的漏極連接，所述第八晶體管的源極與電源電壓連接，所述第八晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述五晶體管的源極與第二低壓鉗制晶體管的漏極連接，所述第二低壓鉗制晶體管的源極與第十一晶體管的漏極連接，所述第十一晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十一晶體管的源極接地；

所述第三級(jí)反相器包括第三晶體管和第六晶體管，所述第三電流鏡包括第九晶體管和第十二晶體管，所述第三晶體管的柵極分別與第六晶體管的柵極以及第二晶體管的漏極連接，所述第三晶體管的漏極分別與第六晶體管的漏極以及電容式傳感器連接，所述第三晶體管的源極與第九晶體管的漏極連接，所述第九晶體管的柵極與第十三晶體管的柵極連接，所述第九晶體管的源極與電源電壓連接，所述第六晶體管的源極與第十二晶體管的漏極連接，所述第十二晶體管的柵極與第十五晶體管的柵極連接，所述第十二晶體管的源極接地。

參照?qǐng)D3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第一高壓鉗制晶體管、第二高壓鉗制晶體管、第七晶體管、第八晶體管、第九晶體管和第十三晶體管均采用PMOS管，所述第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第一低壓鉗制晶體管、第二低壓鉗制晶體管、第十晶體管、第十一晶體管、第十二晶體管、第十四晶體管和第十五晶體管均采用NMOS管。

參照?qǐng)D1，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述分頻器包括2分頻輸出端、4分頻輸出端和8分頻輸出端這三個(gè)輸出端，所述多路選擇器采用三選一多路選擇器。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步解釋和說明。

實(shí)施例一

參照?qǐng)D1-3，本實(shí)用新型的第一實(shí)施例：

針對(duì)無源RFID傳感器標(biāo)簽的應(yīng)用需求，本實(shí)用新型提出一種基于頻域的電容式傳感器接口電路，它采用了全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了采用功耗甚高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路的整體功耗低于1μw，尤其適合集成于無源 RFID標(biāo)簽中。

如圖 1 所示，本實(shí)用新型提出的全數(shù)字電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)包含環(huán)形振蕩器、分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器。環(huán)形振蕩器將電容式傳感器的電容值 C_sens轉(zhuǎn)換為振蕩頻率f_sens。由于在仿真環(huán)境下，很難精確估計(jì)環(huán)形振蕩器的自激振蕩頻率，因此，本實(shí)用新型加入了分頻器(如包含2、4、8 分頻這三個(gè)輸出的分頻器) 和多路選擇器(如三選一多路選擇器) 來保證流片后此接口電路功能的實(shí)現(xiàn)。而10bits計(jì)數(shù)器則在系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)CLK的作用下得出多路選擇器輸出信號(hào)頻率f_o，并輸出相應(yīng)的b_out 。

環(huán)形振蕩器是本實(shí)用新型的接口電路的核心部分，它決定了整個(gè)接口電路的性能。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器采用如圖 2所示的三級(jí)反相器結(jié)構(gòu)。它將傳感器電容值C_sens的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率f_sens的變化，輸出頻率 f_sens的表達(dá)式為：f_sens= I_D÷(C_o(V_H –V_L)) ，其中，I_D為反相器偏置電流；V_H和 V_L分別為反相器的高電平和低電平；C_o為反相器輸出端的等效電容，在本實(shí)用新型中，C_o≈C_sens。

在低功耗的應(yīng)用中，環(huán)形振蕩器中的反相器通常采用電流受限型反相器以降低功耗。傳統(tǒng)的電流受限型反相器單元的輸出電壓一般都接近電源電壓和地，這提高了輸出信號(hào)的擺幅，但同時(shí)也增加了功耗。為兼顧功耗與輸出電壓擺幅，本實(shí)用新型采用了一種新型的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，M₁-M₆構(gòu)成電流受限型三級(jí)反相器結(jié)構(gòu)，M₇-M₉和 M₁₀-M₁₂構(gòu)成三級(jí)反相器的電流鏡。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同的是，本實(shí)用新型額外加入了M_H1、M_H2和M_L1、M_L2來鉗制三級(jí)反相器中前兩級(jí)反相器的輸出電壓擺幅。以第一級(jí)反相器為例，當(dāng)?shù)谝患?jí)反相器的輸入信號(hào)從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，第一級(jí)反相器的輸出電壓準(zhǔn)備從低電平變?yōu)楦唠娖?。而第一?jí)反相器的輸出電壓升高時(shí)，M_H1的柵電壓升高導(dǎo)致它的柵源電壓V_GSH降低，當(dāng)V_GSH低于閾值電壓時(shí)，M_H1進(jìn)入亞閾值工作狀態(tài)，工作電流以指數(shù)的方式迅速降低；因此，M_H1輸出電壓上升的坡度減緩，直到輸出電壓到達(dá) V_DD-V_GSH-V_DS7，其中，V_DD為電源端電壓，V_DS7為M₇的漏源電壓。同理，當(dāng)?shù)谝患?jí)反相器的輸出電壓從高變?yōu)榈蜁r(shí)，M_L1進(jìn)入亞閾值區(qū)從而限制了第一級(jí)反相器的輸出電壓低于V_GSL+V_DS10，其中，V_GSL為 M_L1的柵源電壓，V_DS10為 M₁₀的漏源電壓。因此，前兩級(jí)反相器的輸出電壓擺幅減小V_DD-(V_GSH+V_DS7)-( V_GSL+V_DS10)。

以上是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本實(shí)用新型創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實(shí)用新型精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。