触摸屏控制器芯片中的高精度低功耗ADC设计(4)

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：电压基准电路的设计由于比较器电路中电源电压VCC的变化范围为2.5V~5.3V，其变化范围较大，因此对于比较器而言，使所有管子都处于饱和状态的直流工作点并不多。当电源电压变化时，希望得到稳定的直流偏置电流，即要

电压基准电路的设计

由于比较器电路中电源电压VCC的变化范围为2.5V~5.3V，其变化范围较大，因此对于比较器而言，使所有管子都处于饱和状态的直流工作点并不多。当电源电压变化时，希望得到稳定的直流偏置电流，即要为图3中偏置管M5、M6、M7、M8提供一个稳定的基准电压。理想的基准电流或电压是与电源和温度变化无关的，因此采用自举基准技术，设计如图4所示。

图4中管子M5、M6使得电流I1、I2相等。I1流经管M3产生电压VGS3，I2流过R产生电压I2R。因为这两个电压连在一起，就确定出一个平衡点，用Q表示。描述这个平衡点的方程式为：

因为I1=I2=IQ，可以解出：

首先，I1和I2都不作为VCC函数而随其改变，于是IQ对VCC的灵敏度基本为零，作用于一个电阻就得到一个基准电压。

但是，图4中有两个可能的平衡点。一个在Q，而另一个则在原点。为了避免电路选择错误的平衡点，必须有一个启动电路。图4中的虚线框内即为启动电路。启动电路的开启和关闭由数字信号AN1和AN2控制，为了控制功耗，启动电路开启后会马上关闭。

通过信号sel-y开关控制比较器电路，即sel-y=1时，比较器关闭，sel-y=0时，比较器开启，使ADC工作在睡眠/唤醒两种工作模式下，在没有触摸事件时，直流功耗大幅度降低。

版图实现及电路仿真分析

如图5所示，版图采用SMIC 2P2M 0.35μm CMOS工艺实现，面积为1600x1700um2。

采用Cadence环境下的Spectre和Spectre Verilog仿真工具进行仿真。提取版图寄生参数,得到图1中A、B点的寄生容值分别为212.11fF、278.53fF。根据式(6)可得优化后的耦合电容值CS为1.72pF。

为了测量ADC的DNL和INL，给ADC加了斜波信号。可以从仿真图中输出数字码的文本文件，利用该文件可以通过Matlab程序绘图并计算其DNL和INL值。绘图结果如图6所示，经计算DNL为1/4LSB，INL为-1LSB。

从图6中可见，ADC输出了4096个台阶，即完成了12位的A/D转换。

对SAR ADC功耗进行测试，测试结果如表2所示。

结语

通过对电荷按比例缩放式DAC组合结构中寄生电容对耦合电容影响的分析，给出了耦合电容值的优化设计方法，通过开关电容比较器结构，消除了比较器的失调电压。优化后的SAR ADC电路满足二进制权重关系，转换结果达到了12位的转换精度。并且成功利用电压基准电路模块，使ADC工作在睡眠/唤醒两种工作模式下，电路功耗大大降低。在时钟频率为2MHz情况下测试，SAR ADC功耗小于1mW。结果表明，本文设计的基于触摸屏控制器的SAR ADC电路功耗低并具有较高精度，可以应用在任何中等精度、中等转换速率的场合，并且对触摸屏控制器的优化设计具有很好的指导作用。(责任编辑：admin)

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