基于触摸屏控制器芯片的高精度低功耗ADC设计

论文摘要

在便携式电子类产品中,触摸屏由于其轻便、占用空间少、方便灵活等优点,已经逐渐取代键盘,成为嵌入式计算机系统的输入设备。对于便携式或者电池供电的电子设备要求比较低的供电电压和比较小的功耗。触摸屏控制器芯片的核心电路是模数转换器（ADC）,因此高性能的ADC设计成为关注的难点。在保证芯片面积小的前提下,设计出高精度、低功耗的ADC是本设计的核心。逐次逼近式（SAR）ADC具有8-16比特精度,功耗低,面积小的特点,是采样率低于5 Msps（每秒百万次采样）的中等至高等分辨率应用的常见结构,因此成为首选结构。本文详细阐述了采用SMIC 2P2M的0.35μm CMOS工艺设计的基于触摸屏控制器芯片的12-bit 125kHz采样速率SAR ADC的设计及具体实现。为降低功耗,设计了采用睡眠/唤醒两种工作模式工作的ADC电路。有触摸事件时,ADC无延时唤醒开启,否则处于睡眠状态,同时保证在模数转换期间,关断ADC和内部基准电压源。数模转换器（DAC）采用了电荷按比例缩放子DAC组合的结构,有效的减小了芯片面积。电路设计同时根据寄生电容值,对DAC级间耦合电容进行了优化,提高了ADC的精度。实践表明:在2.5V～5.3V电压范围、-40℃～+85℃温度范围下工作,芯片功耗不足1mW,分辨率达到12bits。电路具有精度高、功牦低、版图面积小的特点,可供触摸屏控制器优化设计时参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 触摸屏控制器简介及工作原理
• 1.1.1 触摸屏控制器简介
• 1.1.2 触摸屏控制器工作原理
• 1.2 设计创新点
• 1.2.1 工艺方面
• 1.2.2 电路设计方面
• 1.3 设计目标
• 1.4 本文组织结构
• 第2章 ADC简介
• 2.1 ADC主要性能指标
• 2.1.1 精度指标
• 2.1.2 运算参数
• 2.2 ADC类型选择
• 2.2.1 全并行ADC
• 2.2.2 流水线ADC
• 2.2.3 积分ADC
• 2.2.4 过采样ADC
• 2.2.5 逐次逼近ADC
• 2.2.6 本设计采用的ADC结构
• 第3章 DAC简介
• 3.1 电流按比例缩放DAC
• 3.1.1 按比例缩放网络由N个二进制加权电阻组成
• 3.1.2 按比例缩放网络由R-2R梯形电路组成
• 3.1.3 按比例缩放网络由二进制权电流漏组成
• 3.2 电压按比例缩放DAC
• 3.3 电荷按比例缩放DAC
• 3.4 本设计采用的DAC结构
• 3.4.1 电荷按比例缩放DAC工作原理
• 3.4.2 电荷按比例缩放DAC结构改进
• 第4章 比较器简介
• 4.1 静态特性
• 4.2 动态特性
• 4.3 本设计对比较器的要求
• 第5章 电路模块设计及仿真
• 5.1 DAC模块设计
• 5.1.1 电荷按比例缩放DAC组合中耦合电容的优化设计
• 5.1.2 CMOS模拟开关设计
• 5.1.3 DAC模块功耗分析
• 5.1.4 DAC模块仿真
• 5.2 比较器的设计
• 5.2.1 开关电容比较器结构设计
• 5.2.2 电压基准电路的设计
• 5.2.3 比较器的功耗分析
• 5.2.4 比较器模块的仿真
• 5.3 SAR电路分析
• 第6章 SAR ADC整体电路仿真
• 6.1 ADC性能测试原理
• 6.2 ADC精度测试
• 6.2.1 增益误差、DNL、INL测试
• 6.2.2 触摸屏上开关管导通电阻测试
• 6.2.3 典型值抽测无失码数
• 6.3 功耗测试
• 第7章 版图设计
• 7.1 模拟版图和数字版图的区别
• 7.2 模拟版图设计需要考虑的问题
• 7.2.1 整体布局及其考虑因素
• 7.2.2 天线效应
• 7.2.3 栅极静电保护
• 7.2.4 管子的匹配
• 7.2.5 金属线中电流密度
• 7.3 SAR ADC版图设计
• 7.3.1 DAC中电容版图设计
• 7.3.2 比较器版图设计
• 7.3.3 版图设计结果
• 第8章 结论
• 8.1 本文总结及工作方向
• 8.2 触摸屏控制器流片及芯片测试方案
• 参考文献
• 附录A 模/数转换输出存储模块Verilog程序代码
• 附录B ADC精度测试Matlab测试代码
• 附录C 攻读硕士学位期间发表论文列表
• 致谢