触摸屏控制器芯片中的高精度低功耗ADC设计

来源：未知　作者：王月宝　责任编辑：admin　发表时间:2018-11-02 11:30　

核心提示：本文设计了采用睡眠/唤醒两种工作模式工作的ADC电路。有触摸事件时，ADC开启且不需唤醒延时，否则处于睡眠状态。根据寄生容值，本文对DAC级间耦合电容进行了优化设计，大大提高了ADC精度。

鉴于市场上现有触摸屏控制器功耗较大，而ADC是触摸屏控制器的核心电路，本文设计了采用睡眠/唤醒两种工作模式工作的ADC电路。有触摸事件时，ADC开启且不需唤醒延时，否则处于睡眠状态。根据寄生容值，本文对DAC级间耦合电容进行了优化设计，大大提高了ADC精度。实践表明：该芯片可在2.5 V ~5.3V 电压范围、-40 °C ~85 °C 温度范围下工作，芯片功耗不足1mW，且均可达到12位精度。电路具有精度高、功耗低、版图面积小的特点，对触摸屏控制器的优化设计有指导作用。

引言

ADC采用逐次逼近型(SAR)结构，具有125kHz采样速率，12位精度。电容电荷重新分布D/A技术采用电荷按比例缩放子DAC组合，进而大大减小了芯片电容面积，也避免了采用像电阻阵列结构所带来的固有直流功耗，通过对DAC级间耦合电容值的优化设计，提高了ADC精度。比较器采用自消除失调电压的开关电容比较器。

据调研，市场上现有触摸屏控制器芯片主要来自ADI公司(如AD7843、AD7873、AD7877)和TI公司(如ADS7843、TSC2046、TSC2003)，对其性能进行对比，如表1所示。

通过对ADC电路进行优化设计，可使触摸屏控制器的功耗不足1mW，低于表1中现有芯片的功耗。

因此本设计的侧重点是在满足工作电压、工作温度的基础上，使ADC工作在睡眠/唤醒两种工作模式下，以大大降低功耗。为了实现这一目的，芯片中设计了电压基准电路模块，以控制ADC的开启和关闭。

电路设计与分析

ADC的整体结构设计

SAR ADC包括采样保持电路、比较器、DAC、逐次逼近寄存器、时序产生及数字控制逻辑电路。模拟输入电压(vin)由采样/保持电路保持，N位SAR ADC需要N个比较周期，同时在当前一位转换完成之前不得进入下一次转换。因此该类ADC能够有效节省功耗和空间，该结构中DAC和比较器设计的好坏对整个ADC转换精度起关键性的作用。

DAC的设计

DAC结构设计

由于在CMOS集成电路中，制造电容比制造电阻更节省芯片面积，而且电容上没有功率损耗，另外，开关电容网络可以完成采样保持的功能，节省了单独的采样保持电路。因此，本文选择采用开关电容网络构成电荷按比例缩放式DAC。

电荷按比例缩放式DAC主要由按照二进制加权排列的电容阵列组成。电容是CMOS工艺兼容的，而且相对精度高，所以电荷按比例缩放式DAC在CMOS工艺中容易实现。然而当其精度提高时，一方面所需的大电容导致芯片尺寸过大，而且大电容需要大充电电流，充电时间过长;另一方面最高权位和最低权位的电容比例变得很大，比值越大，电容匹配越差。所以高精度DAC通常由低精度DAC通过电容耦合来实现。这种耦合结构成功的关键之一是确定耦合电容值。只有选择合适的耦合电容值，才能保证各位间的权重关系，并实现D/A转换，如图1所示。

设图1中A点到地的电容为CA，DAC的缩放通过电容CS实现，CS和LSB阵列的串联组合必须接于MSB阵列的左侧，因此可得：(责任编辑：admin)

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