艾为杯

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

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：2.5V～3.6V

(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：2pF～10pF

(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2pF～100pF,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：

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"