觸摸屏控制器芯片中的高精度低功耗ADC設計

摘要：鑒于市場上現有觸摸屏控制器功耗較大,而ADC是觸摸屏控制器的核心電路,本文設計了采用睡眠/喚醒兩種工作模式工作的ADC電路。有觸摸事件時,ADC開啟且不需喚醒延時,否則處于睡眠狀態。根據寄生容值,本文對DAC級間耦合電容進行了優化設計,大大提高了ADC精度。實踐表明：該芯片可在2.5 V ~5.3V 電壓范圍、-40 °C ~85 °C 溫度范圍下工作,芯片功耗不足1mW,且均可達到12位精度。電路具有精度高、功耗低、版圖面積小的特點,對觸摸屏控制器的優化設計有指導作用。

關鍵詞：開關電容網絡; 逐次逼近模數轉換器; 耦合電容; 比較器

引言

ADC 采用逐次逼近型(SAR)結構,具有125kHz采樣速率,12位精度。電容電荷重新分布D/A技術采用電荷按比例縮放子DAC組合,進而大大減小了芯片電容面積,也避免了采用像電阻陣列結構所帶來的固有直流功耗,通過對DAC級間耦合電容值的優化設計,提高了ADC精度。比較器采用自消除失調電壓的開關電容比較器。

據調研,市場上現有觸摸屏控制器芯片主要來自ADI公司(如AD7843、AD7873、AD7877)和TI公司(如ADS7843、TSC2046、TSC2003),對其性能進行對比,如表1所示。

表1觸摸屏控制器芯片性能對比結果

通過對ADC電路進行優化設計,可使觸摸屏控制器的功耗不足1mW,低于表1中現有芯片的功耗。

因此本設計的側重點是在滿足工作電壓、工作溫度的基礎上,使ADC工作在睡眠/喚醒兩種工作模式下,以大大降低功耗。為了實現這一目的,芯片中設計了電壓基準電路模塊,以控制ADC的開啟和關閉。

電路設計與分析

ADC的整體結構設計

SAR ADC包括采樣保持電路、比較器、DAC、逐次逼近寄存器、時序產生及數字控制邏輯電路。模擬輸入電壓(vin)由采樣/保持電路保持,N位SAR ADC需要N個比較周期,同時在當前一位轉換完成之前不得進入下一次轉換。因此該類ADC能夠有效節省功耗和空間,該結構中DAC和比較器設計的好壞對整個ADC轉換精度起關鍵性的作用。

DAC的設計

DAC結構設計

由于在CMOS集成電路中,制造電容比制造電阻更節省芯片面積,而且電容上沒有功率損耗,另外,開關電容網絡可以完成采樣保持的功能,節省了單獨的采樣保持電路。因此,本文選擇采用開關電容網絡構成電荷按比例縮放式DAC。

電荷按比例縮放式DAC主要由按照二進制加權排列的電容陣列組成。電容是CMOS工藝兼容的,而且相對精度高,所以電荷按比例縮放式DAC在CMOS工藝中容易實現。然而當其精度提高時,一方面所需的大電容導致芯片尺寸過大,而且大電容需要大充電電流,充電時間過長;另一方面最高權位和最低權位的電容比例變得很大,比值越大,電容匹配越差。所以高精度DAC通常由低精度DAC通過電容耦合來實現。這種耦合結構成功的關鍵之一是確定耦合電容值。只有選擇合適的耦合電容值,才能保證各位間的權重關系,并實現D/A轉換,如圖1所示。

圖1 電荷按比例縮放式DAC組合的實現

設圖1中A點到地的電容為CA,DAC的縮放通過電容CS實現,CS和LSB陣列的串聯組合必須接于MSB陣列的左側,因此可得：

版圖設計時,為了消除介電松弛對轉換精度的影響,消除電荷擴散和介電極化效應,減少噪聲干擾,電容上極板上會加靜電屏蔽層,并接地。為了消除襯底噪聲,將電容做在阱里,阱接地。電容陣列極板和屏蔽層或阱間形成的寄生電容,使電路中耦合電容兩極板地的寄生電容值增大,使得在確定耦合電容值時,必須考慮寄生電容的影響。