觸摸屏控制器芯片中的高精度低功耗ADC設計

圖3 自消除失調電壓比較器電路實(shí)現方案

N級比較器的最終失調電壓可表示為：

其中A1~AN為各級的放大倍數,VOSL為鎖存器的失調電壓。根據整個(gè)電路的增益要求和失調要求抑制的強度來(lái)取值,這里取N=4。

該比較器由三級差分放大器和一個(gè)輸出級組成,管子M1、M2、M3、M4在采樣期間導通,通過(guò)對電容C1、C2、C3、C4充電,對第二、三、四級差分放大器定靜態(tài)工作點(diǎn),管子M0~M4在比較轉換期間不導通。由于在采樣期間,各級差分輸入端都接靜態(tài)工作點(diǎn)電壓,相當于交流地,失調電壓引起的輸出儲存在電容C1、C2、C3、C4上,比較時(shí)輸入電壓跟存儲在電容上的失調電壓串聯(lián)輸入,這樣可以使輸入端的失調電壓不被一級級放大輸出,從而減小失調的影響。輸出級由一個(gè)雙端變單端的差分放大器和兩個(gè)非門(mén)組成,其功能相當于前述的鎖存器。

比較器的工作時(shí)鐘fCLK=2MHz,因此電流源提供的電流要相對大一些,管子M5、M6、M7、M8充當電流源,由vbias控制開(kāi)關(guān),以確定電路的直流偏置。vbias是比較器電壓基準電路的輸出。

電壓基準電路的設計

由于比較器電路中電源電壓VCC的變化范圍為2.5V~5.3V,其變化范圍較大,因此對于比較器而言,使所有管子都處于飽和狀態(tài)的直流工作點(diǎn)并不多。當電源電壓變化時(shí),希望得到穩定的直流偏置電流,即要為圖3中偏置管M5、M6、M7、M8提供一個(gè)穩定的基準電壓。理想的基準電流或電壓是與電源和溫度變化無(wú)關(guān)的,因此采用自舉基準技術(shù),設計如圖4所示。

圖4 閥值基準電路

圖4中管子M5、M6使得電流I1、I2相等。I1流經(jīng)管M3產(chǎn)生電壓VGS3,I2流過(guò)R產(chǎn)生電壓I2R。因為這兩個(gè)電壓連在一起,就確定出一個(gè)平衡點(diǎn),用Q表示。描述這個(gè)平衡點(diǎn)的方程式為：

因為I₁=I₂=I_Q,可以解出：

首先,I1和I2都不作為VCC函數而隨其改變,于是IQ對VCC的靈敏度基本為零,作用于一個(gè)電阻就得到一個(gè)基準電壓。

但是,圖4中有兩個(gè)可能的平衡點(diǎn)。一個(gè)在Q,而另一個(gè)則在原點(diǎn)。為了避免電路選擇錯誤的平衡點(diǎn),必須有一個(gè)啟動(dòng)電路。圖4中的虛線(xiàn)框內即為啟動(dòng)電路。啟動(dòng)電路的開(kāi)啟和關(guān)閉由數字信號AN1和AN2控制,為了控制功耗,啟動(dòng)電路開(kāi)啟后會(huì )馬上關(guān)閉。

通過(guò)信號sel-y開(kāi)關(guān)控制比較器電路,即sel-y=1時(shí),比較器關(guān)閉,sel-y=0時(shí),比較器開(kāi)啟,使ADC工作在睡眠/喚醒兩種工作模式下,在沒(méi)有觸摸事件時(shí),直流功耗大幅度降低。