艾为杯

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赛题名称:高动态范围的电容测量电路-CDC的设计

参赛对象:A组、B组 AB组区别说明请查看章程

赛题说明:

设计一款电容测量电路(CDC,Capacitor to Digital Converter),该电路可将输入端电容变化量转化为数字信号输出。

参考电路架构如下:

      

CDC框图

参考电路工作原理:

1) K1断开时,表示被测电容Cx不接入

2) K1闭合时,表示被测电容Cx接入

3) Cx接入前后,CDC输出的数字变化量即代表Cx容值大小

Cx:被测电容,容值范围为1fF~1pF

Cpara:输入引脚的寄生电容,包括芯片内寄生及PCB板上的寄生。该寄生电容容值固定,电容大小在2pF~10pF之间。(电路实现时,可选择通过补偿电路将该寄生电容的影响消除。)

AFE(Analog Front End):实现电容到模拟信号的转换

ADC(Analog to Digital Converter):实现模拟信号到数字信号的转换

Reference:给其他模块提供基准电压或电流

Control Logic:控制逻辑,产生时序信号,实现对其它模块的控制

引脚说明

引脚

说明

VCC

电源

GND

CS

电容输入引脚

DOUT

ADC输出,位宽不限,可以串行输出或者并行输出

PS:根据设计需要可以增加其它引脚或在芯片引脚上外接电阻/电容

1. 设计要求:

(1) 工作温度:-40℃~+125℃

(2) 工作电压:2.5V3.6V

(3) 工作电流:<1mA

(4) 电容检测范围:1pF

(5) 电容检测精度:1fF

(6) 寄生电容范围:2pF10pF

(7) 单次测量时间:< 20mS

(8) 工艺:推荐使用130nm/180nm CMOS 工艺

2. 附加题:

(1) 考虑外部环境干扰(温度变化、湿度变化)对寄生电容Cpara容值的影响,提出可行的优化方案并实现。(10分)

(2) 考虑寄生电容Cpara范围2pF100pF,且Cx容值最大1pF、测量精度为0.1fF,提出可行的设计方案并实现。(15分)

3. 作品提交:

(1) 汇报PPT:项目介绍、关键技术介绍、性能指标

(2) 详细设计方案:系统架构分析、关键技术原理分析及电路指标要求

(3) 仿真验证文件:前后仿结果

(4) 原理图,版图及验证文件

4. 评分标准:

内容

分值

评分要求

1.性能指标

35

1. 满足电容检测范围及精度。20

2. 满足其它电气性能指标。10

3. 芯片面积合理。5

2.版图质量

15

1. 芯片版图布局合理。5

2. 完成DRCLVS验证。5

3. 版图设计报告详细充分。5

3.设计完整性

30

1. 完整的电路图。10

2. 完整的版图设计。10

3. 完整的设计方案、仿真分析报告。10

4.文档质量

20

1. 汇报PPT重点突出、条理清晰。5

2. 设计方案原理分析合理、逻辑清晰。10

3. 仿真验证报告内容详细充分。5

5. 注意事项:

(1) 参加企业命题杯赛的作品,杯赛出题企业有权在同等条件下优先购           买参加本企业杯赛及单项奖获奖团队作品的知识产权。

(2) 大赛组委会对参赛作品的提交材料拥有使用权和展示权。

6. 赛题常见问题及Q&A:

l 常见AFE架构有:

1. 电荷放大器结构,输出电压幅值与被测电容大小相关;

2. 振荡器结构,输出振荡波形的频率与被测电容大小相关;

l AFE输出的可以是电压、频率、时间等物理量;ADC可以是SAR ADC、TDC等架构;

l 参考文献:

[1] Jiheon Park et al., "A Compact Self-Capacitance Sensing Analog FrontEnd for a Touch Detection in Low-Power Mode"

[2] Bing Li et al., "A High-Sensitivity Signal Conditioning Interface for Capacitive Touch Key Using ΔΣ Modulation"

[3] Fatemeh Aezinia et al., "A readout circuit with wide dynamic range for differential capacitive sensing applications"

[4] Ho-Jin Kim et al., "An Analog Front-End for Self-Capacitance Touch Sensing with Environmental Noise Reduction Technique"

[5] Seung Hoon Ko et al., "An Ultra-Compact Low Power Self-Capacitive Touch Screen Readout IC Embedding Reconfigurable Noise Immunity and Current-Driven Capacitance Compensation"

[6] Jaehun Jun et al., "In-cell Self-capacitive Type Mobile Touch System and Embedded Readout Circuit in Display Driver IC"