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一种电阻式触摸屏控制器芯片设计

作　者: 罗丙寅
导　师: 辛晓宁
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 四线电阻触摸屏逐次逼近模数转换器电荷再分布多晶圆项目
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技的日益发展,触摸屏技术被广泛应用在军事、工业控制以及民用手持设备中。因此对于触摸屏控制芯片的研究成为研究热点。在触摸屏系统中,四线电阻型触摸屏由于其成本较低,操作方便而受到欢迎。它在玻璃基板上覆盖两层透明并且均匀的导电层,用作X面板和Y面板,当有物体触摸屏幕时,两层导电膜接触,其输出电压信号与触摸点到边缘的距离成正比。此外四线电阻触摸屏还可以对触摸压力进行感知。电阻触摸屏控制芯片将表征位置和压力的电压信号转换为数字量并传输给嵌入式程序,完成触觉定位功能。本课题结合Charted 0.35um Mix-Signal工艺采用了逆向提取之后再正向设计的方法对TI公司的四线电阻触摸屏控制器TSC2046E进行了分析。该芯片核心是一个基于电荷再分布原理的12位逐次逼近型模数转换器,芯片中设计有2.5V内部带隙基准,可以在电池检测、温度监测模式下用作ADC的参考电压。芯片数字接口部分使用SPI接口同时也与国家半导体公司Microwire接口兼容。通过逆向工程,将TSC2046E各个模块进行了整理和性能优化,并进行模块仿真以及整体电路验证,仿真结果表明提取电路性能符合设计要求。之后对TSC2046E进行正向再设计,保留其核心逐次逼近模数转换器以及带隙基准部分,并且对接口电路及控制点路时序进行优化后,通过北京大学MPW中心进行流片,重新设计的芯片命名SYGD1001。封装后测试表明芯片工作时序正确,转换精度达到了12位并保证了11位不丢码率,对转换结果进行线性拟合结果表明SYGD1001线性度良好,在时钟频率为10.87KHz时芯片平均功耗仅为0.4422mW符合低功耗设计要求,设计获得成功。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 选题背景及意义  10-11
  1.2 电阻触摸屏原理介绍  11-15
    1.2.1 四线电阻电阻屏  11-12
    1.2.2 四线电阻触摸屏测量原理  12-15
  1.3 四线电阻触摸屏控制芯片设计方案  15-17
    1.3.1 模数转换器结构选择  15-17
    1.3.2 触摸屏控制芯片功能扩展  17
  1.4 触摸屏控制芯片发展现状  17-18
  1.5 论文主要内容  18-19
第二章 TSC2046E 芯片功能介绍  19-24
  2.1 芯片逆向工程原理  19-20
  2.2 触摸屏控制芯片TSC2046E 功能介绍  20-21
  2.3 逆向设计所用工艺介绍  21-24
    2.3.1 BiCMOS 工艺介绍  22
    2.3.2 Charted 0.35um Mix Signal 工艺  22-24
第三章电路模块分析与验证  24-62
  3.1 逐次逼近ADC 模块分析与验证  25-44
    3.1.1 TSC2046E 中逐次逼近ADC 原理  25-31
    3.1.2 基于电荷再分布原理电容阵列分析  31-35
    3.1.3 SAR 寄存器分析  35-37
    3.1.4 比较器分析  37-41
    3.1.5 比较器偏置电路仿真分析  41-44
  3.2 温度传感器及笔触检测分析与验证  44-48
    3.2.1 TEMP0 测温原理及仿真  45-46
    3.2.2 TEMP1 测温原理及仿真  46-47
    3.2.3 笔触检测模块功能分析  47-48
  3.3 电池检测模块分析与验证  48-50
  3.4 片上2.5V 带隙基准分析与验证  50-56
    3.4.1 TSC2046E 带隙基准模块分析  51-54
    3.4.2 片上2.5V 带隙基准仿真验证  54-56
  3.5 数字接口及逻辑控制模块分析与验证  56-62
    3.5.1 数字接口电路分析  56-59
    3.5.2 多路选择器模块分析及验证  59-62
第四章电路整体功能仿真  62-75
  4.1 仿真Testbench 介绍以及验证项目  63-64
  4.2 芯片触摸屏信号仿真验证  64-66
    4.2.1 X、Y 位置仿真验证  64-65
    4.2.2 压力测量仿真验证  65-66
  4.3 温度传感器及笔触功能验证  66-70
    4.3.1 TEMP0 模式仿真验证  66-68
    4.3.2 TEMP1 模式仿真验证  68-70
    4.3.3 笔触检测功能验证  70
  4.4 数字部分特殊情况下仿真验证  70-75
    4.4.1 连续输入连续采样仿真  71-72
    4.4.2 不均匀时钟输入仿真结果  72-73
    4.4.3 15 周期转换以及吞吐率仿真  73-75
第五章芯片版图设计、制造及测试  75-85
  5.1 MPW 计划介绍  75
  5.2 芯片电路及版图  75-80
  5.3 流片后测试  80-85
    5.3.1 测试平台电路原理图  80-81
    5.3.2 测试平台以及芯片实物  81-83
    5.3.3 测试结果  83-85
第六章总结与展望  85-86
参考文献  86-88
附录A 差分模式详细推导  88-94
附录B 测试平台电路图及PCB  94-96
在学研究成果  96-97
致谢  97

一种电阻式触摸屏控制器芯片设计

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