第八章光傳感芯片系統(tǒng)的設(shè)計8.1光電傳感器設(shè)計考慮因素8.2光電轉(zhuǎn)換8.3電信號的放大與處理8.4光傳感芯片系統(tǒng)概述8.5光傳感芯片系統(tǒng)框圖及模塊劃分8.6光傳感器模擬部分的設(shè)計8.7光傳感芯片數(shù)字部分的設(shè)計8.8

數(shù)字部分的仿真驗(yàn)證

8.1

光電傳感器設(shè)計考慮因素

光電傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，各個公司開發(fā)的產(chǎn)品可能具有不同的功能，可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，但是有一些設(shè)計需求是各個領(lǐng)域都需要的共性要求，是任何公司在設(shè)計時都會考慮的因素。這些因素總的來說可以分為以下幾個方面:

1.

光譜響應(yīng)與噪聲抑制

對于環(huán)境光傳感器來說，光譜響應(yīng)范圍應(yīng)該是

390

nm～780

nm

左右的可見光，對該頻譜范圍以外的紫外和紅外光不能響應(yīng)，而在光電傳感器所有的應(yīng)用環(huán)境中必然會存在紅外光與紫外光，會對傳感器的輸出造成干擾。因此，一個性能穩(wěn)定的環(huán)境光傳感器應(yīng)該對可見光范圍外的光譜有抑制能力，而對接近光傳感器來說應(yīng)該只對所設(shè)定的光源的頻譜進(jìn)行響應(yīng)。但實(shí)際環(huán)境中的光譜范圍較寬，因此接近光傳感器應(yīng)該對所設(shè)定的光譜范圍之外的光都有抑制能力。

2.

動態(tài)范圍

對任何功能的光電傳感器來說，所設(shè)計的功能都有一定的應(yīng)用范圍，一般而言希望其功能有較大的動態(tài)范圍。但是動態(tài)范圍與靈敏度需要折中考慮。

3.

集成信號調(diào)節(jié)功能

一些光電傳感器可能具有較小的封裝，但是外部需要放大器或

ADC

等信號處理單元，反而會造成面積浪費(fèi)而且使用不方便，因此具有高集成度的光電傳感器更加受到大眾的歡迎，如集成

ADC、

I2C

等。

4.

功耗

從芯片的應(yīng)用場合來說，主要應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品，用于降低功耗和防止誤操作，如果所使用的光電傳感器自身的功耗超過所節(jié)省的功耗，那它的使用意義就降低了，因此光電傳感器的功耗是一個非常重要的設(shè)計指標(biāo)。

5.

封裝大小

對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說，封裝無疑是越小越好，現(xiàn)在可提供的較小封裝尺寸為2.0

mm×2.1

mm，尺寸為

1.3

mm×1.5

mm

的

4

引腳封裝則是下一代封裝。

8.2

光

電

轉(zhuǎn)

換

1.

響應(yīng)度(靈敏度)響應(yīng)度是光電轉(zhuǎn)換器件的輸出信號與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量，它描述的是光電轉(zhuǎn)換器件的光

電轉(zhuǎn)換效能。響應(yīng)度可以用光電轉(zhuǎn)換器件輸出電壓

Vo或輸出電流

Io與入射光功率

P(或通量

Φ)之比來表示，即

2.

光譜響應(yīng)度

光譜響應(yīng)度

S(λ)是光電轉(zhuǎn)換器件的輸出電壓或輸出電流與入射到光電轉(zhuǎn)換器件上的單色輻通量(光通量)之比，即

式(8-2)中，SV(λ)和

SI(λ)為光譜響應(yīng)度；Φ(λ)為入射的單色輻通量(光通量)。光譜響應(yīng)度表述的是入射的單位單色輻通量(光通量)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器件的輸出電壓或輸出電流，它的值越大說明轉(zhuǎn)換器件越靈敏。當(dāng)

Φ(λ)表示的是光通量時，SV(λ)的單位為

V/

lm，SI(λ)的單位為

A/

lm。

3.

積分響應(yīng)度

積分響應(yīng)度表示光電轉(zhuǎn)換器件對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對于一個包含有各種波長的輻射光源，其總光通量表示為

光電轉(zhuǎn)換器件的積分響應(yīng)度表示為轉(zhuǎn)換器件的輸出電流或電壓與入射總光通量之比。由于光電轉(zhuǎn)換器件的輸出光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流應(yīng)為

由式(8-3)、

式(8-4)可得積分響應(yīng)度為

式(8-5)中，λ0

、

λ1分別為光電轉(zhuǎn)換器件的長波限和短波限。不同的輻射源具有不同的光譜通量分布，即使是同一輻射源，不同色溫所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時應(yīng)該對輻射源及其色溫進(jìn)行說明。

4.

響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是描述光電轉(zhuǎn)換器件對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)，它是指當(dāng)入射輻射照射到光電轉(zhuǎn)換器件后或入射輻射遮斷后，光電轉(zhuǎn)換器件的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需的時間，其長短常用時間常數(shù)

τ

的大小來衡量。當(dāng)用一個輻射脈沖照射光電轉(zhuǎn)換器件時，如果該脈沖的上升和下降時間很短，如方波，則光電轉(zhuǎn)換器件的輸出會由于器件的惰性而有延遲，如圖

8-1

所示。通常把從

10%上升到

90%峰值處所需的時間稱為光電轉(zhuǎn)換器件的上升時間，而把從

90%下降到

10%處所需的時間稱為下降時間。

圖

8-1

上升時間和下降時間

5.

頻率響應(yīng)

由于光電轉(zhuǎn)換器件信號的產(chǎn)生和消失存在一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)將會產(chǎn)生較大的影響。光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)，利用時間常數(shù)可以得到光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，可表示為

圖

8-2

頻率響應(yīng)曲線

8.2.2

光電二極管

1.

工作原理

光電二極管的主要結(jié)構(gòu)是一個具有光敏特性的

PN

結(jié)，其光敏面是通過擴(kuò)散工藝在

N

型單晶硅上形成的一層薄膜。光敏二極管的管芯以及管芯上的

PN

結(jié)面積做得較大，而電極面積做得較小，PN

結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管做得淺，這都是為了提高光電轉(zhuǎn)換能力。

2.

基本特性

1)

光譜特性

在一定的反偏電壓和光通量下，光電二極管的光電流與入射波長的關(guān)系稱為光電二極管的光譜特性。硅光電二極管的光譜特性曲線如圖

8-3

所示。從曲線可以看出，光電二極管的響應(yīng)波長具有一定的范圍，當(dāng)入射光波長過大時，光電二極管的相對靈敏度下降(這是由于光子能量太小，不足以激發(fā)電子

空穴對)；

當(dāng)入射光波長過小時，光電二極管的相對靈敏度也下降(這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近被吸收，投入深度小，在表面激發(fā)的電子

空穴對不能到達(dá)

PN

結(jié))。由圖

8-3

可知，硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍為

380

nm

～1080

nm，其峰值波長約為

880

nm。

圖

8-3

硅光電二極管的光譜特性曲線

2)

伏安特性

硅光電二極管的伏安特性曲線如圖

8-4

所示，橫坐標(biāo)表示反向偏置電壓的大小。當(dāng)有光照時，光電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大，不同光照度下的伏安特性曲線幾乎平行，所以光電流沒有達(dá)到飽和值前，輸出光電流不受偏置電壓的影響。因此，在光照度不變的情況下，光電二極管可被視為恒流源。

圖

8-4

硅光電二極管的伏安特性曲線

3)

光照特性

光電二極管在反向偏置電壓下的電流方程為

圖

8-5

光電二極管的光照特性曲線

4)

溫度特性

典型的光電二極管的溫度特性是指其暗電流與溫度的關(guān)系，如圖

8-6

所示。由圖可知，溫度變化對光電二極管光電流的影響很小，而對暗電流的影響卻很大。

圖

8-6

光電二極管的溫度特性曲線

5)

響應(yīng)時間

光電二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，普通光電二極管的響應(yīng)時間為

10μs，高于光敏電阻和光電池。

8.3

電信號的放大與處理

8.3.1

A/

D

轉(zhuǎn)換器原理A/

D

轉(zhuǎn)換器的功能是將如電壓或電流等任意的模擬量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字代碼，是數(shù)字化過程的第一步，也是數(shù)字化過程的必經(jīng)之路。

數(shù)字化過程一般包括以下三個步驟:

?取樣保持(S

/

H):

主要是獲取模擬信號某一時刻的樣品值，并在一定時間內(nèi)保持這個樣品值不變。

?量化:

將取得的樣品值量化為用“0”、“1”表示的數(shù)字量。

?編碼:

將量化后的數(shù)字量按一定的規(guī)則編碼成數(shù)字流，以便進(jìn)一步存儲和處理。

圖

8-7

所示為一個

A/

D

轉(zhuǎn)換器的原理框圖。

圖

8-7

A/

D

轉(zhuǎn)換器原理框圖

8.3.2

A/

D

轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

A/

D

轉(zhuǎn)換器有許多性能參數(shù)，它們是選擇器件的主要依據(jù)，也是我們設(shè)計

ADC

的主要目標(biāo)，其參數(shù)可以分為靜態(tài)性能參數(shù)和動態(tài)性能參數(shù)兩類。

(1)

靜態(tài)性能參數(shù)與輸入信號沒有關(guān)系，反映的是實(shí)際量化特性與理想量化特性之間的偏差，取決于無源器件的匹配和比較器的性能。

?分辨率:

指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，即能分辨模擬信號的最小變化值。分辨率一般用

A/

D

轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸出字長來表示，ADC

位數(shù)越大，分辨率越高。

?精度:

指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。

?誤差:

主要包括偏移/

失調(diào)誤差(Offset

Error)、

增益誤差(Gain

Error)、

微分非線性誤差(Differential

Nonlinear

Error)、

積分非線性誤差(Integrated

Nonlinear

Error)等由組成

ADC的基本單元(運(yùn)算放大器、

積分器、

比較器、

微分器等)設(shè)計不當(dāng)所造成的誤差。

(2)

動態(tài)性能參數(shù)與輸入信號相關(guān)，主要包括:

?動態(tài)范圍(DR):

指最大輸出基頻信號(FSR)與最小的可分辨輸入信號(LSB)的能量比，它可以表示轉(zhuǎn)換器所能夠處理的最大和最小模擬信號的一個量度，即

用分貝表示為

DR(dB)=

6.02N

dB，N

是

ADC

位數(shù)。

?轉(zhuǎn)換速度:

有時也用轉(zhuǎn)換時間來表示。轉(zhuǎn)換時間是指從模擬輸入電壓加到

ADC

電路輸入端到它獲得穩(wěn)定的二進(jìn)制碼輸出所需的時間。轉(zhuǎn)換時間(Tconversion)與采樣率的關(guān)系與

ADC

的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般情況非流水線結(jié)構(gòu)

ADC

的轉(zhuǎn)換時間就是最大采樣率(fsample)的倒數(shù)，而流水線結(jié)構(gòu)

ADC

的轉(zhuǎn)換時間則是采樣率的倒數(shù)與流水線級數(shù)(N)的乘積，即

?信噪比(SNR):

單音信號的幅度和所有頻率噪聲

RMS

幅度之和的比值。對于一個

Nbit

的滿量程正弦輸入信號，其信噪比為

而對于過采樣，其信噪比為

其中

K

為過采樣倍數(shù)。

8.3.3

主要

A/

D

轉(zhuǎn)換技術(shù)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將電壓或電流等任意模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，眾所周知，A/

D

轉(zhuǎn)換電路技術(shù)范圍廣泛，但絕大多數(shù)

A/

D

轉(zhuǎn)換器均可歸入下列類型之一:

(1)

在轉(zhuǎn)換周期中對定時電容器充電或放電的積分式

A/

D

轉(zhuǎn)換器；

(2)

反饋回路采用二進(jìn)制計數(shù)器和

D/

A

轉(zhuǎn)換器的數(shù)字

斜坡或伺服型轉(zhuǎn)換器；

(3)

利用逐次試探步驟產(chǎn)生數(shù)字輸出的逐次逼近式

A/

D

轉(zhuǎn)換器；

(4)

按單一步驟執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作的并行或閃爍型

A/

D

轉(zhuǎn)換器。

1.

積分型

A

/

D

轉(zhuǎn)換器

積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換技術(shù)是以間接方式來執(zhí)行

A/

D

轉(zhuǎn)換的，它首先把模擬輸入轉(zhuǎn)換成為脈寬與模擬電壓

VA成正比的定時脈沖，再利用定時脈沖的脈寬對時鐘信號的周期進(jìn)行計數(shù)，以數(shù)字方式測量定時脈沖的持續(xù)時間。

積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種方式。單積分

A/

D

轉(zhuǎn)換器是將模擬輸入轉(zhuǎn)換為一時間間隔，并利用計數(shù)器對時間間隔計數(shù)，間接把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的一種A/

D轉(zhuǎn)換方法。它的缺點(diǎn)是受斜坡電壓發(fā)生器、

比較器精度和時鐘脈沖穩(wěn)定性的影響，轉(zhuǎn)換精度不高。雙積分

A/

D

轉(zhuǎn)換器將模擬輸入進(jìn)行兩次積分，可以部分抵消由斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的誤差，從而提高轉(zhuǎn)換精度。它的特點(diǎn)是由于積分電容的作用可以大幅度抑止高頻噪聲，抗干擾能力強(qiáng)，精度較高(可以達(dá)

22

位)，但是轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率增加而降低。積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛應(yīng)用于低速、

高精度測量領(lǐng)域，特別是數(shù)字儀表領(lǐng)域。

積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換主要是對一個固定周期內(nèi)的未知模擬信號

VA進(jìn)行積分，然后對某一個極性相反的基準(zhǔn)電壓積分，使積分器輸出電平回復(fù)到零，通過計數(shù)器計量積分器回復(fù)到零所用時間的長短來完成

A/

D

轉(zhuǎn)換。常見的積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)如圖

8-8-所示，其基本原理描述如下:

在開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換前，開關(guān)

S2閉合，積分器輸出電壓

VX被箝位至地電位，開關(guān)

S1被接至

VA。開始轉(zhuǎn)換時

S2打開，使

VA在

2N個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行積分，此時積分器輸出電壓

VX以斜率

VA/

(R1C1

)線性上升；

2N個時鐘周期結(jié)束時，開關(guān)

S1被接至

VREF

，VX以斜率

VREF/

(R1C1

)線性下降。VX大于零時比較器輸出為高，計數(shù)器對其為高電平的時間進(jìn)行計數(shù)。

VX下降到零時計數(shù)器輸出值

n

應(yīng)該為

圖

8-9

給出了不同模擬輸入電壓在進(jìn)行

A/

D

轉(zhuǎn)換時積分器輸出的變化情況，通過該圖可以更好地理解積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換原理。如圖

8-9

所示，階段

1

中在固定時間內(nèi)對

VA積分，階段

2

中對固定電壓

VREF積分，積分時間不定，其大小與模擬輸入電壓大小有關(guān)。

圖

8-8

積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換器基本架構(gòu)

圖

8-9

不同模擬輸入積分器輸出變化

2.

逐次逼近型

A

/

D

轉(zhuǎn)換器

逐次逼近型

A/

D

轉(zhuǎn)換方式采用二分搜索法的原理，類似于天平稱物的過程。如TLC0831

是

8-位逐次逼近式

A/

D

轉(zhuǎn)換器，它按照試探差技術(shù)將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。逐次逼近型

A/

D

轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由逐次逼近寄存器、

D/

A

轉(zhuǎn)換器和比較器構(gòu)成一個反饋環(huán)，如圖

8-10

所示。

圖

8-10

逐次逼近型

A/

D

轉(zhuǎn)換器架構(gòu)圖

3.

全并行式

A

/

D

轉(zhuǎn)換器

全并行

A/

D

轉(zhuǎn)換器也稱FlashA/

D

轉(zhuǎn)換器，是目前轉(zhuǎn)換速率最快、

原理最簡單的一種結(jié)構(gòu)，它對所有從零到滿刻度的數(shù)字代碼中的量化值均采用具有固定基準(zhǔn)電壓的獨(dú)立模擬比較器，然后編碼邏輯電路對這些比較器的輸出進(jìn)行適當(dāng)互連以產(chǎn)生并行數(shù)字輸出。

一種常見的全并行

A/

D

轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)如圖

8-11。

圖

8-11

N

位全并行

A/

D

轉(zhuǎn)換器基本架構(gòu)

4.

過采樣Σ-Δ型

A

/

D

轉(zhuǎn)換器

Σ-Δ型

A/

D

轉(zhuǎn)換器的組成框圖如圖

8-12

所示，主要分模擬和數(shù)字兩部分，由取樣和保持電路、ΣΔ型調(diào)制器、

低通濾波和抽取濾波等模塊組成。其中ΣΔ型調(diào)制器是核心，其框圖如圖

8-13

所示，它用增量調(diào)制的方法將模擬輸入信號量化為

1

位串行數(shù)字位流。量化過程如下:

輸入信號

x(

t)與反饋信號

x′(

t)反相求和后得到量化誤差信號e(t)，e(t)經(jīng)過積分后輸入至量化器進(jìn)行量化，最終得到由

0、

1

組成的數(shù)字序列

y(n)。

數(shù)字序列y(n)再經(jīng)過

1

位的

D/

A

轉(zhuǎn)換反饋至求和節(jié)點(diǎn)，從而形成了一個閉合的反饋環(huán)路。由反饋理論我們可知，反饋環(huán)路會迫使數(shù)字輸出序列

y(n)所對應(yīng)的模擬平均值等于輸入信號

x(t)的平均值。當(dāng)采樣值

x(t)的采樣率滿足采樣定理即等于或大于奈奎斯特頻率時，數(shù)字輸出序列

y(n)就是它對應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。實(shí)際應(yīng)用中調(diào)制器是以遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的速率進(jìn)行采樣和量化的。

圖

8-12Σ-Δ型

A/

D

轉(zhuǎn)換器框圖

圖

8-13Σ-Δ型調(diào)制器框圖

下面對這幾種常見的

A/

D

轉(zhuǎn)換器的特性作一比較，見表

8-1。很明顯，接近光傳感器選擇積分型

A/

D

轉(zhuǎn)換器是比較合適的，既滿足精密測量需求，價格和功耗又比較低。

8.4

光傳感芯片系統(tǒng)概述

本節(jié)我們設(shè)計的是一款具有內(nèi)置紅外

LED

驅(qū)動和

I2C

接口的集成式數(shù)字光電傳感器，其工作方式有環(huán)境光檢測和接近檢測兩種模式。當(dāng)處于環(huán)境光檢測模式時，芯片會通過ADC

產(chǎn)生一組

12

位的數(shù)據(jù)作為數(shù)字輸出；

而當(dāng)處于接近檢測模式時，它通過內(nèi)置的驅(qū)動使外接的紅外

LED

發(fā)光并通過

ADC

將反射回的紅外光轉(zhuǎn)換為一組

8

位的數(shù)字輸出。

該系統(tǒng)有相應(yīng)的中斷功能，并提供了一個硬件的中斷

Pin

腳，同時還提供了軟件的中斷標(biāo)志位來指示中斷的發(fā)生。該芯片對于光強(qiáng)的檢測較為精確、

穩(wěn)定，并且具有模式可調(diào)、

量程可調(diào)、

精度可調(diào)、

中斷方式可調(diào)等功能。同時，該系統(tǒng)還集成了

I2C

接口，能夠與主機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)交流，并且硬件地址可以選擇，使得對該設(shè)計較容易進(jìn)行拓展。

在該系統(tǒng)的設(shè)計過程中，在完成功能的前提下，確保了優(yōu)越的性能，同時，所設(shè)計的電路內(nèi)部還規(guī)劃了相應(yīng)的測試機(jī)制，體現(xiàn)了

DFT

的設(shè)計理念。

8.5

光傳感芯片系統(tǒng)框圖及模塊劃分

圖

8-14

是系統(tǒng)典型的應(yīng)用電路。該設(shè)計有

8-個

Pin

腳，分別是:

ADDR0、

VDD、GND、

REXT、

IRDR、

XINT、

SDA、

SCL，各個

Pin

腳的功能定義如表

8-2

所示。

圖

8-14

系統(tǒng)典型外部連接電路

芯片中模擬部分功能主要是對可見光或紅外光進(jìn)行檢測，通過光電二極管將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成電流，再對電流量化。對

PROX(接近檢測)和

ALS(環(huán)境光檢測)的量化過程是在不同的

ADC中進(jìn)行的。由于模式可調(diào)，量化過程中的控制信號由數(shù)字電路生成。ADC

之后，會得到一組量化的數(shù)據(jù)(8-位/

12

位)，然后數(shù)字部分會對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理，生成相應(yīng)的中斷，同時，該數(shù)據(jù)可以通過

I2C

傳輸給主機(jī)。其間，對芯片模式的控制是通過

I2C

進(jìn)行配置的。

本設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖

8-15

所示。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，將系統(tǒng)內(nèi)部電路劃分成

12

個子模塊，其中包括電源供電模塊(Power

Supply)、

上電復(fù)位模塊(Power

Reset)、

帶隙基準(zhǔn)電壓源(VREF)、

基準(zhǔn)電流源(IREF)、

振蕩器(OSC)、

光電檢測模塊(PROX＿PD/

ALS＿PD)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)、

紅外

LED

驅(qū)動模塊(IR

DRV)、

I2C

接口模塊(

I2C

Interface)、

中斷輸出模塊(Int

Output)以及

I2C

模塊和邏輯控制模塊(Control

Logic)。下面結(jié)合圖8-15所示，對各模塊功能進(jìn)行簡單介紹。

(1)

電源供電模塊(Power

Supply):

該模塊輸出

VDD2

～

VDD7

為系統(tǒng)內(nèi)的其他模塊提供電源電壓。

(2)

上電復(fù)位模塊(Power

Reset):

該模塊上電時會輸出一個低電平，對

ADC

模數(shù)轉(zhuǎn)化

模塊和數(shù)字模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行清零，保證正常工作時數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)的正確性。上電過程結(jié)束后，該模塊持續(xù)輸出一個高電平。

(3)

I2C

接口模塊(I2C

Interface):

該模塊是一個

I2C

接口電路。外部的

I2C

時鐘信號SCL

和數(shù)據(jù)信號

SDA

通過該模塊輸出給芯片內(nèi)的

I2C

模塊，并且

SCL

和

SDA

在該模塊內(nèi)部完成了電平移位的功能，將它們的高電平移位成系統(tǒng)內(nèi)部的電源電壓。

圖

8-15

系統(tǒng)框圖

(4)

帶隙基準(zhǔn)電壓源(VREF):

該模塊的主要功能是產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓

VREF

，為基準(zhǔn)電流、數(shù)模轉(zhuǎn)換、

振蕩器和光電檢測模塊提供基準(zhǔn)電壓。

(5)

基準(zhǔn)電流源(

IREF):

該模塊的主要功能是產(chǎn)生基準(zhǔn)電流

IREF

，為振蕩器、

IRDRV、

數(shù)模轉(zhuǎn)換和光電檢測模塊提供偏置電流。

(6)

振蕩器(OSC):

該模塊的主要功能是在只有直流電源供電的情況下產(chǎn)生具有一定頻率的交流信號，從而為其余模塊如

ADC

模塊、

I2C

和邏輯控制模塊等提供合適的工作頻率。同時，此模塊還具有變頻功能，即可以通過改變系統(tǒng)

REXT

引腳的外接電阻來調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率。

(7)

紅外

LED

驅(qū)動模塊(IR

DRV):

該模塊的主要功能是在接近檢測時提供合適的工作電流來驅(qū)動外接的

IR

LED。同時，該模塊產(chǎn)生的驅(qū)動電流可調(diào)，即可以產(chǎn)生兩種不同幅度的脈寬為

0.1

ms

的電流脈沖(100

mA/

200

mA)，以驅(qū)動不同的

IR

LED。

(8)

光電檢測模塊(PROX＿PD/

ALS＿PD):

該模塊實(shí)現(xiàn)對背景紅外光和

LED

照射物體反射回的紅外光的檢測，通過

ADC

模塊輸出的控制信號的控制作用，在

ADC

不對光電流進(jìn)行采集時，輸出電流基準(zhǔn)與光電流的差值，反之輸出光電流。

(9)

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC):

該模塊可將光電二極管的檢測電流轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的數(shù)據(jù)。該模塊采用電荷平衡式

ADC，減少了由于工藝及溫度引起的電容及其他器件參數(shù)變化引起的量化誤差。在每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時該模塊將數(shù)字量放入寄存器中，以供

I2C

讀取。

(10)

中斷輸出模塊(Int

Output):

該模塊是一個中斷接口，對系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的中斷信號進(jìn)行輸出。在典型應(yīng)用電路中，系統(tǒng)的

INTn

引腳，也就是該模塊的輸出引腳，外接一個上拉電阻。當(dāng)該模塊的輸入為低電平時，輸出為低電平，其他情況輸出高電平。

(11)

I2C

模塊:

該模塊主要實(shí)現(xiàn)

I2C

數(shù)據(jù)通信。

(12)

邏輯控制模塊(Control

Logic):

完成系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制功能。

8.6

光傳感器模擬部分的設(shè)計

根據(jù)功能劃分和電路結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)劃分成各個功能模塊。這一節(jié)對光電傳感器中模擬部分的關(guān)鍵子模塊電路逐一進(jìn)行設(shè)計分析，并給出具體的實(shí)現(xiàn)方案。

8.6.1

I2C

接口模塊

1.

電路功能

I2C

接口模塊作為系統(tǒng)內(nèi)部

I2C

與芯片外部的微控制器(I2C

master)之間的接口，主要完成芯片內(nèi)外數(shù)據(jù)的傳輸。外部的

I2C

時鐘信號

SCL

通過該模塊將時鐘輸出給芯片內(nèi)的I2C模塊，并且時鐘信號

SCL

在該模塊內(nèi)部完成了電平移位的功能，將時鐘信號的高電平移位成芯片內(nèi)部電源電壓。同時也能將外部

I2C

的數(shù)據(jù)信號

SDA

輸出給

I2C

模塊或?qū)?/p>

I2C模塊輸出的數(shù)據(jù)通過該模塊輸出給

I2C

數(shù)據(jù)線，并完成電平移位功能。

2.

設(shè)計思想

I2C

接口模塊的等效架構(gòu)如圖

8-16

所示。該模塊由兩個部分構(gòu)成，分別用來傳輸時鐘信號

SCL

和數(shù)據(jù)信號

SDA，且均由輸出和輸入兩個電路模塊構(gòu)成。I2C

master

送入的

SCL信號通過

SCL

傳輸模塊輸出

SCL＿IN

給芯片內(nèi)部

I2C，由于

I2C

總線電壓為

1.7

V～

3.63

V，芯片的工作電壓范圍為

2.25

V～3.63

V，因而該模塊需要完成電平轉(zhuǎn)換功能，并濾除

I2C

總線上的噪聲。數(shù)據(jù)信號的傳輸除了需要電平轉(zhuǎn)換和噪聲濾除功能外，還需要有對數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕貞?yīng)信號，SDA＿IN=

SDA＿OUT＆SDA。

圖

8-16

I2C

接口模塊等效架構(gòu)圖

3.

電路設(shè)計

1)

輸出電路

I2C

接口模塊中輸出(OUTPUT)電路原理圖如圖

8-17

所示，當(dāng)

OUTPUT

電路的

IN

輸入端為低電平時，M1

管導(dǎo)通，M2

管截止，使

M3

管的柵極為高電平，M3

管導(dǎo)通，OUT

輸出為低電平；

當(dāng)

IN

輸入端為高電平時，M1

管截止，M2

管導(dǎo)通，M3

管的柵極為低電平，M3

管截止，OUT

輸出成高阻態(tài)，即輸出端的狀態(tài)與

OUT

端所連接的電平有關(guān)。為了防止I2C

總線過長而產(chǎn)生寄生電感造成的

EMI

干擾，該電路中設(shè)計了電阻

R1、

R2

和電容

C1

、C2

，可以降低

EMI

噪聲。在典型應(yīng)用電路中，該模塊的輸出引腳外接上拉電阻，當(dāng)該模塊的輸入不是低電平時，輸出都為高電平。

圖

8-17

OUTPUT

電路原理圖

2)

輸入電路

I2C

接口模塊中輸入(INPUT)電路原理圖如圖

8-18-所示，該電路主要包括電平轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波兩部分。圖

8-18

INPUT

電路原理圖

(1)

電平轉(zhuǎn)換。I2C

工作電壓范圍是

1.7～3.63

V，而該系統(tǒng)的工作電壓

VDD

是

2.25

～

3.63

V。當(dāng)

VDD－VI2C

＞VTH時，M1

漏端電壓跟隨

IN

變化，當(dāng)

VDD－VI2C≤VTH時，其漏端電壓為VDD－VTH

，低電平均輸出

0；

M4

的作用是將

VDD

降低一個閾值電壓

VTH

，保證

Smit

觸發(fā)器輸入電壓與其工作電壓一致；

M5～

M8-的作用是將

Smit

觸發(fā)器輸出電壓(VDD－VTH或

VI2C

)移位到

VDD。

(2)

數(shù)字濾波:

假設(shè)

I2

當(dāng)前輸出為高，A

端為高，M11、

M12

導(dǎo)通，電容

C1

上電荷為0，OUT

端為高；

當(dāng)

I2

輸出反相變?yōu)榈蜁r，M10

導(dǎo)通，I3

輸出為高，電流通過

I3、

R1

給電容C1

充電，當(dāng)

C1

上電壓達(dá)到

M13～

M16

的翻轉(zhuǎn)電壓后

A

端電壓反相，變?yōu)榈?，從而?/p>

M9

導(dǎo)通，使

C1

上電壓恒定為高，OUT

端輸出由高變低。C1

充電過程中

OUT

電壓并未翻轉(zhuǎn)，如果

I2

輸出為高電平時間較短，OUT

端電平不發(fā)生變化?？梢詾V掉的脈寬大小由

R1

和

C1

確定的時常數(shù)決定。

8.6.2

帶隙基準(zhǔn)電壓源

1.

電路功能

帶隙基準(zhǔn)電壓源模塊的主要功能是對電源電壓進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生兩個帶隙基準(zhǔn)電壓VREF051(0.51

V)、

VREF2(1.26

V)供各模塊使用；

產(chǎn)生偏置電流

Ibias1

、

Ibias2為

IREF

模塊中運(yùn)放提供合適的偏置電流。

2.

帶隙基準(zhǔn)電壓源基本原理

在專用集成電路和便攜式電力電子設(shè)備中，經(jīng)常需要用到高精度的基準(zhǔn)電壓源，給電路中其他模塊提供穩(wěn)定的偏置電壓。一般情況下需要基準(zhǔn)電壓源所產(chǎn)生的直流輸出電壓比較穩(wěn)定，而且這個直流量應(yīng)該受電源和工藝參數(shù)的影響較小，但與溫度的關(guān)系是確定的。由于大多數(shù)的工藝參數(shù)隨溫度的變化而變化，所以產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓源的目的就是建立一個與電源無關(guān)，具有確定溫度特性的直流電壓。

帶隙基準(zhǔn)的基本原理是基于硅材料的帶隙電壓和電源電壓與溫度無關(guān)的特性。它利用ΔVBE的正溫度系數(shù)與雙極型晶體管

VBE的負(fù)溫度系數(shù)相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)低溫漂、

高精度的基準(zhǔn)電壓。帶隙基準(zhǔn)的原理圖如圖

8-19

所示，雙極型晶體管提供發(fā)射極偏壓

VBE

，VT產(chǎn)生電路一般產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電流，并通過電阻網(wǎng)絡(luò)將其放大

K

倍得到正溫度系數(shù)的電壓，最后將這兩個電壓相加以得到基準(zhǔn)電壓，表示為:

VREF=

VBE+KVT

。適當(dāng)選擇放大倍數(shù)K，使這兩個電壓的正負(fù)溫度系數(shù)相互抵消，就可得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。這樣得到的帶隙基準(zhǔn)稱為一階帶隙基準(zhǔn)，基準(zhǔn)的溫度特性曲線如圖

8-20

所示。

圖

8-19

帶隙基準(zhǔn)的一般原理

圖

8-20

一階帶隙基準(zhǔn)的溫度特性

可得

3.

帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計

帶隙基準(zhǔn)電壓電路原理圖如圖

8-21

所示，該電路包括啟動電路、

帶隙基準(zhǔn)核心電路和輸出緩沖三部分，下面分別對這三部分的工作原理做一介紹。

1)

啟動電路

由于帶隙基準(zhǔn)電路存在多個簡并點(diǎn)，啟動電路能使基準(zhǔn)電路在上電過程中脫離簡并點(diǎn)。如圖

8-21

所示，該啟動電路由

M1～M12

組成，電源上電過程中，M1～M8-導(dǎo)通，M10

柵極處于高電平，呈導(dǎo)通狀態(tài)，漏端電壓被拉低，為

M11

和

M18～

M22

提供初始偏置。由于

M11

導(dǎo)通驅(qū)使

M12

導(dǎo)通，M9

有電流流過，漏端電壓被拉低，關(guān)斷

M10，電路脫離簡并點(diǎn)開始正常工作，M1～M8-的寬長比設(shè)計得很小，電路正常工作時啟動電路功耗很低。

圖

8-21

帶隙基準(zhǔn)電壓電路原理圖

2)

帶隙基準(zhǔn)核心電路

帶隙基準(zhǔn)核心電路如圖

8-21

所示，電路中

Q1

與

Q2

和

Q3

與

Q4

的發(fā)射極面積之比均為

1:8，且

Q1

和

Q3

發(fā)射極面積相等，Ibias1和

Ibias2為通過鏡像產(chǎn)生的兩路偏置電流。M13～

M17

構(gòu)成的運(yùn)放的兩個輸入端分別為

Q3

和

Q4

的發(fā)射極，輸出端控制

M19

的柵極，通過運(yùn)放的負(fù)反饋?zhàn)饔抿?qū)使

Q3

和

Q4

的發(fā)射極

Ve3=

Ve4

，同時使得基準(zhǔn)輸出電壓

VREF穩(wěn)定，為了保證由運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，在運(yùn)算放大器輸出端添加消零電阻

R5和密勒補(bǔ)償電容

C1

。該電路包含兩個串聯(lián)基極

射極電壓，相比于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓電路，它使ΔVBE增加

1

倍，可以減小運(yùn)放失調(diào)電壓

VOS的影響。

3)

輸出緩沖電路

如圖

8-21

所示，M23～

M28、

R6

～

R9

及

C2

～

C3

組成基準(zhǔn)輸出緩沖電路，其中

R9

和

C3構(gòu)成

RC

低通濾波器，M23～

M28-組成的運(yùn)放輸入/

輸出短接構(gòu)成緩沖

buffer，R6

、

C2

分別作為消零電阻和密勒補(bǔ)償電容。由

buffer

和

RC

低通濾波器組成輸出級，使輸出電壓免受后級電路影響，增強(qiáng)了輸出電壓的穩(wěn)定性。帶隙基準(zhǔn)核心電路輸出的

VREF為

1.26

V，輸出緩沖電路輸出的兩個基準(zhǔn)電壓

VREF1和

VREF2的值均為

1.26

V，

8.6.3

基準(zhǔn)電流

1.

電路功能

基準(zhǔn)電流作為數(shù)?；旌想娐泛湍M電路的重要部分，主要為其他模塊的電路提供偏置電流，如運(yùn)算放大器、

振蕩器、

模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。這些電路的性能對電流基準(zhǔn)的要求越來越高。目前廣泛采用的電流基準(zhǔn)電路有利用

MOS

管遷移率的負(fù)溫度系數(shù)且工作在線性區(qū)時可以等效為電阻的性質(zhì)來獲得零溫度系數(shù)的電流基準(zhǔn)、

求和型電流基準(zhǔn)、V

/

I

轉(zhuǎn)換型電流基準(zhǔn)等。

2.

設(shè)計思想

本設(shè)計的電流基準(zhǔn)采用

V

/

I

轉(zhuǎn)換型電流基準(zhǔn)，主要設(shè)計思想是通過帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓

VREF051(0.51

V)與芯片外接電阻

REXT(499

kΩ)相連產(chǎn)生一個

1μA

的基準(zhǔn)電流

IREF

，其他的電流都經(jīng)過該基準(zhǔn)電流鏡像產(chǎn)生。

3.

電路設(shè)計

圖

8-22

為基準(zhǔn)電流模塊的電路原理圖，該模塊主要分為電流基準(zhǔn)核心電路和電流鏡像電路兩部分。

1)

電流基準(zhǔn)核心電路

電流基準(zhǔn)核心電路采用

V

/

I

轉(zhuǎn)換型電流基準(zhǔn)的設(shè)計思想，利用帶隙基準(zhǔn)電壓模塊產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓

VREF051和芯片外接電阻

REXT產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。如圖

8-22

所示跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的同相端與基準(zhǔn)電壓

VREF051連接，反相端通過電阻

R2

與電阻

REXT連接，輸出端與

M1

的柵極連接，引腳

REXT

的電壓近似于

VREF051

，可得出流過

M1

的基準(zhǔn)電流為

2)

電流鏡像電路

為了抑制溝道調(diào)制的影響，電流鏡像電路采用低壓共源共柵結(jié)構(gòu)來增加鏡像的精度。如圖

8-22

所示，M4

～

M6

構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，M7

～

M12

為電流鏡的共源共柵器件提供合適的偏置電壓。該電路模塊通過比例鏡像產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號

Ibias3

～

Ibias16

，Ibias(n)=

kIREF

，其中

k

為電流鏡像比例關(guān)系。M3

作為整個電流鏡像電路的控制開關(guān)，當(dāng)

PX＿EN

為高電平時正常工作，為低電平時不工作。M22、

M23、

M39

和

M40

是受

PX＿SHUT

控制的開關(guān)管，PX＿SHUT

為低電平時正常工作，基準(zhǔn)電流

Ibias9

～

Ibias16正常輸出，PX＿SHUT

為高電平(即芯片處于休眠狀態(tài))時電流

Ibias9

～

Ibias16均為

0。

8.6.4

紅外

LED

驅(qū)動模塊

1.

電路功能

該模塊的主要功能是在接近檢測過程中提供合適的脈沖電流來驅(qū)動外接的紅外

LED發(fā)光。它的特點(diǎn)是產(chǎn)生的驅(qū)動電流可調(diào)，輸出電流幅度值可以在

100

mA

和

200

mA

之間進(jìn)行選擇，且輸出的電流為脈沖式的，總脈寬為

0.1

ms。

2.

設(shè)計思想

如圖

8-23

所示的紅外

LED

驅(qū)動等效架構(gòu)圖，I1為基準(zhǔn)電流，高增益運(yùn)放對

A

點(diǎn)和

B點(diǎn)之間的電壓差進(jìn)行放大來調(diào)整

M1

管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而使

A

點(diǎn)和

B

點(diǎn)電壓相等。M1

的漏端電流為

ID1=

I1R1/

R2

，通過

M2～

M4

構(gòu)成單位比例電流鏡，通過驅(qū)動管

M5

～

M6

構(gòu)成電流鏡的放大作用，輸出驅(qū)動電流

IIRDR。通過開關(guān)

S

可以選擇驅(qū)動電流

IIRDR的大小。

圖

8-23

紅外

LED

驅(qū)動模塊等效架構(gòu)圖

3.

電路設(shè)計

紅外

LED

驅(qū)動電路原理圖如圖

8-24

所示，Ibias5為

2μA

的基準(zhǔn)電流，由基準(zhǔn)電流源提供。驅(qū)動電流

IIRDR的產(chǎn)生原理為:

高增益運(yùn)放

OP1

對

A

點(diǎn)和

B

點(diǎn)之間的電壓差進(jìn)行放大來調(diào)整

M3

管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而使

A

點(diǎn)和

B

點(diǎn)電壓相等，R1∶R2=

25∶1，M3

漏端電流ID3=

Ibias5R1/

R2=

500μA，為了提高

R1

和

R2

的匹配性，它們分別由相同尺寸的電阻串并聯(lián)而成。ID3流過

M5、

M6

構(gòu)成的低壓共源共柵結(jié)構(gòu)，通過兩個等比例低壓共源共柵電流鏡(M12、

M13

和

M14、

M15)產(chǎn)生兩路相同的電流

ID13和

ID15

，再經(jīng)過功率管

M17～

M25

構(gòu)成的電流鏡放大

200

倍輸出驅(qū)動電流

IIRDR。

M7～

M11

為低壓共源共柵電流鏡的共源共柵器件提供電壓偏置。OP2

構(gòu)成的緩沖器使

C、

D

點(diǎn)電壓相等，使驅(qū)動管工作在飽和區(qū)，維持輸出驅(qū)動電流的穩(wěn)定。

圖

8-24

紅外

LED

驅(qū)動模塊電路原理圖

8.6.5

光電檢測模塊

1.

電路功能

光電檢測模塊的主要功能是:

實(shí)現(xiàn)對環(huán)境光和

LED

照射物體反射回的紅外光的采集，并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的光電流信號，同時該模塊還包括一些開關(guān)電路，在控制邏輯和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出信號的控制下對光電流與電流基準(zhǔn)進(jìn)行開關(guān)控制。

2.

設(shè)計思想

通常，紅外接近傳感器采用與

CMOS

工藝兼容的光電二極管，將光電檢測單元與信號處理單元集成在同一塊芯片上，可以降低電路成本和功耗。本設(shè)計的光電轉(zhuǎn)換模塊中使用可以采用標(biāo)準(zhǔn)

CMOS

工藝實(shí)現(xiàn)的

nwell

/

Psub

光電二極管，在芯片制造的后期，采用

IRPASS

光學(xué)鍍膜從而使光電二極管只響應(yīng)紅外波段的光照，這樣可以避免光電二極管對環(huán)境光的響應(yīng)電流過大，從而無法分辨由感測紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光產(chǎn)生的微弱的光電流。芯片使用的光電二極管對光譜的響應(yīng)曲線如圖

8-25

所示。

圖

8-25

光電二極管的光譜響應(yīng)

3.

電路設(shè)計

光電檢測模塊電路原理圖如圖

8-26

所示，該電路通過光電二極管反偏來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為使光電二極管能夠輸出穩(wěn)定的光電流，該電路通過

M1

～

M6

、

M8-、

R1

、

EA

構(gòu)成電壓負(fù)反饋穩(wěn)定

M8柵極電壓，從而使光電二極管工作在穩(wěn)定的偏置電壓下，穩(wěn)壓偏置電路將一個額外的電流

Iex(Iex可通過濾噪電路和紅外

LED

關(guān)斷電流一起濾除)加到了光電二極管的輸出端，所以

IX=

IPD+Iex。

圖

8-26

光電檢測模塊電路原理圖

由于圖

8-26

所示的

M9和

M10

、

M11和

M12

、

M17和

M18的控制信號頻率較高，為防止其同時導(dǎo)通而引入噪聲，本例用兩個交叉耦合的或非門替代反相器來產(chǎn)生兩個互補(bǔ)信號。為了降低電流切換噪聲，該電路中

M11

、

M14

、

M15和

M18的漏端均連接到

OTA

構(gòu)成的

buffer

電路的輸出端，將其電壓等于基準(zhǔn)電壓

VREF1

?；鶞?zhǔn)電流

Ibias18-～

Ibias20通過開關(guān)控制信號Q＿EN、Q＿CTRL1、

Q＿CTRL2

的控制組合最終輸出

IREF作為模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的參考電流，IREF與控制信號

Q＿EN、

Q＿CTRL1、

Q＿CTRL2

的關(guān)系如表

8-3

所示。

8.6.6

模數(shù)轉(zhuǎn)換與噪聲消除

1.

電路功能

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是:

將光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字輸出供

I2C

讀取，而且在接近檢測模式時，其

ADC

模塊也完成環(huán)境噪聲的濾除。

2.

設(shè)計思想

本模塊采用積分型電荷平衡式

ADC，可以減少由于工藝及溫度引起的電容及其他器件參數(shù)變化引起的量化誤差，抗干擾能力強(qiáng)。通過

ADC

控制邏輯，使此

ADC

在一次轉(zhuǎn)換時間內(nèi)重復(fù)采樣與量化，這樣減小了此

ADC

對積分電容的需求，節(jié)省了版圖面積。在進(jìn)行接近檢測時。此

ADC

可以在有外部

LED

照射時，設(shè)置計數(shù)器對時鐘進(jìn)行增計數(shù)，在緊接的下次沒有

LED

照射時，設(shè)置計數(shù)器進(jìn)行減計數(shù)，通過此操作，在接近檢測時可濾除環(huán)境光中的紅外噪聲。在比較器輸出為高時，COUNTER

對時鐘進(jìn)行計數(shù)，為低時停止計數(shù)，一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)所計的數(shù)即為

ADC

輸出的數(shù)字量，每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時將該數(shù)字量放入寄存器中，以供

I2C

讀取。

電荷平衡

A/

D

轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖

8-27

所示。轉(zhuǎn)換周期開始前，開關(guān)

S2

閉合，S1接地；

在轉(zhuǎn)換周期中

S2

打開，積分器開始產(chǎn)生斜率與輸入電流

I1(

=

VA/

R1

)成正比的負(fù)向斜坡電壓。當(dāng)積分器輸出(節(jié)點(diǎn)

B)處的負(fù)向斜坡電壓使比較器改變狀態(tài)時，開關(guān)

S1

在與一半時鐘周期相當(dāng)?shù)臅r間間隔

t1

內(nèi)激活，同時從積分器相加節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)

A)抽取出電荷量

Q0

圖

8-27

電荷平衡

ADC

的框圖

3.

電路設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖如圖

8-28

所示，下面結(jié)合

ADC

工作過程對該電路工作原理進(jìn)行詳述。

1)

復(fù)位清零

在一次轉(zhuǎn)換開始之前先通過

RESET

信號使

ADC

在工作之前進(jìn)行復(fù)位，使積分器輸入輸出短路，清除積分電容中殘余電荷對模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的影響，同時觸發(fā)器、

計數(shù)器和寄存器被各自的清零信號清零。

2)

模數(shù)轉(zhuǎn)換過程

參考圖

8-29

所示的時序圖，光電流

IX導(dǎo)通時，A

點(diǎn)積分電壓升高，積分電壓大于

VREF2時

COMP

輸出為高，通過時序控制使

IREF導(dǎo)通，IREF和

IX同時導(dǎo)通時積分電壓下降；

當(dāng)積分電壓低于

VREF2時，IREF關(guān)斷，IX導(dǎo)通，積分電壓再次升高。如此重復(fù)，直到一次檢測過程完成。通過計數(shù)器對

COMP

為高電平時包含的

CLK

的脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換完成后計數(shù)器的值送入寄存器暫存以供

I2C

讀取。

圖

8-29

A/

D

轉(zhuǎn)換時序圖

3)

工作時序與環(huán)境噪聲消除

完成一次接近檢測過程包括兩個步驟:

步驟

1

主要完成紅外發(fā)光二極管未發(fā)光時光電二極管的光電流到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換精度為

7

bit，該步驟是為步驟

2

服務(wù)的，用于消除環(huán)境噪聲；

步驟

2

完成紅外發(fā)光二極管發(fā)光與不發(fā)光時光電二極管的光電流差值到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換精度為

8-bit。兩個步驟中用到的

A/

D

轉(zhuǎn)換模式不同，分別對應(yīng)模式

1與模式

2。

如

圖8-30所示，在T1

時間段內(nèi)LED驅(qū)動未打開，紅外發(fā)光二極管不發(fā)光，光電流IX為光電二極管的暗電流和光電二極管檢測環(huán)境光中的紅外產(chǎn)生的光電流，記為IX1

，經(jīng)過

7

bit

的

ADC

轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)

n1

，n1

經(jīng)過

D/

A

轉(zhuǎn)換為電流

IFB

，由式(8-51)得

再經(jīng)過

T4

、

T5

階段的轉(zhuǎn)換可得接近檢測最后輸出值

IX2－IX1為光電二極管檢測到的發(fā)光二極管的紅外光產(chǎn)生的光電流，n5

為濾除環(huán)境噪聲后對光電二極管光電流進(jìn)行

8-bit

A/

D

轉(zhuǎn)換后的數(shù)字輸出。

8.7

光傳感芯片數(shù)字部分的設(shè)計

8.7.1

數(shù)字部分功能描述在整個芯片系統(tǒng)級的規(guī)劃中，芯片功能的實(shí)現(xiàn)較大程度上依賴于數(shù)字模塊。設(shè)計規(guī)劃中，數(shù)字模塊主要行使三大功能:

(1)

與外界通信，這是通過使用

I2C

總線實(shí)現(xiàn)的。作為一個

I2C

slave，需要能夠與

I2Cmaster

進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交流。

(2)

根據(jù)芯片內(nèi)部配置寄存器中的信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，用來控制模擬部分的工作狀態(tài)，進(jìn)而決定整個芯片的工作模式。

(3)

根據(jù)

ADC

采樣后的數(shù)據(jù)和配置寄存器中相應(yīng)的信息，產(chǎn)生/

清除中斷。

8.7.2

前端設(shè)計

數(shù)字電路設(shè)計之初，需要進(jìn)行系統(tǒng)級的規(guī)劃。圖

8-31

顯示了芯片中數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖

8-31

數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.

I2C

模塊的設(shè)計

縱觀整個

I2C

協(xié)議，數(shù)據(jù)由通信的一方發(fā)送時，ACK

就由另一方響應(yīng)。作為一個反饋信號，ACK

保證了

master

跟

slave

之間信息交流的“同步”，確保了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。I2C

總線最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，并且只占用兩根線，節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)總線、

地址總線、

控制總線。同時，在傳輸速度方面，I2C

接口最高頻率已經(jīng)擴(kuò)展至

3.4

MHz(high-speed

模式)。在現(xiàn)有的芯片中，很多都集成了

I2C

接口模塊，I2C

協(xié)議儼然成為了目前最常用的通信協(xié)議之一。

本設(shè)計所涉及的是一個

I2C

slave，而且

Device

地址是可選的，當(dāng)

ADDR0

為

0

時，Device地址為

1000100；

當(dāng)

ADDR0

為

1

時，Device

地址為

1000101。亦即通過系統(tǒng)內(nèi)的

ADDR0來控制

Device

地址。兩個地址的設(shè)定擴(kuò)展了芯片的使用環(huán)境，也使一個

I2C

master可以并接多款該芯片，使芯片的使用更為靈活。I2C

模塊中狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況如圖

8-32

所示。

圖

8-32

I2C

slave

中狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在

I2C

slave

的設(shè)計中，對起始(Start)和停止(Stop)的識別是至關(guān)重要的。一般的做法

是用主時鐘(相比于

I2C

總線上

400

kb

/

s

的速率，該主時鐘頻率需要足夠高)不斷對

SDA和

SCL

進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行判定，根據(jù)判定的結(jié)果完成狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)的通信。這種方法有兩點(diǎn)優(yōu)勢:

第一，用主時鐘進(jìn)行采樣，在用寄存器緩沖以處理亞穩(wěn)態(tài)問題的同時，可以用“三選二”等機(jī)制來濾除噪聲；

第二，經(jīng)過

I2C

接口進(jìn)入寄存器的數(shù)據(jù)已經(jīng)跟主時鐘同步，換言之，寄存器里面的數(shù)據(jù)可以直接被主時鐘采樣，避免了復(fù)雜的異步處理工作。

I2C

master

發(fā)送

Start，標(biāo)志傳輸?shù)拈_始；

發(fā)送

Stop，標(biāo)志著傳輸?shù)慕Y(jié)束，Start

跟

Stop

依據(jù)的是

SDA

的跳變。對于

I2C

slave，開始、

和結(jié)束是由內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)所決定的，而狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)依據(jù)的是時鐘

SCL

的跳變。在進(jìn)行

slave

狀態(tài)機(jī)的設(shè)計時，需要產(chǎn)生一個

TranEn

信號，用來標(biāo)識通信的進(jìn)行。開始、

結(jié)束標(biāo)志的識別以及

TranEn

的生成如圖

8-33

所示。

圖

8-33

開始、

結(jié)束標(biāo)志的識別以及

TranEn

的生成

2.

INT

模塊的設(shè)計

INT

模塊的主要功能:

根據(jù)

I2C

中相關(guān)中斷的控制字以及

AD

量化后的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生中斷信號。

在通過

I2C

配置寄存器時，會設(shè)置一個閾值來規(guī)定數(shù)據(jù)的最大值與最小值，當(dāng)

AD

后的數(shù)據(jù)超過該閾值時，并且連續(xù)

N

組(N

值由相應(yīng)的配置寄存器設(shè)置，占用了寄存器的兩個

bit，配置情況見表

8-4)數(shù)據(jù)均超出閾值，那么，系統(tǒng)會由硬件生成一個中斷信號，經(jīng)過簡單處理后，該中斷信號會通過一個

PAD

直接傳送到系統(tǒng)外部。

接近檢測中斷和環(huán)境光檢測中斷的設(shè)計思路大致相同，圖

8-34

展示了中斷模塊的結(jié)邏輯，12

位數(shù)據(jù)的比較并不算復(fù)雜，但倘若數(shù)據(jù)位數(shù)較多，比較不好的設(shè)計方案可能會構(gòu)框圖。在

Compare

模塊中，最多需要將

3

組

12

位的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次比較

。這是一個純組合導(dǎo)致邏輯過于冗余，這可以通過改進(jìn)算法來優(yōu)化設(shè)計。在數(shù)字電路的設(shè)計中，一些好的算法常?？梢暂^大地縮短相應(yīng)路徑的延時，進(jìn)而能夠提高工作頻率。若綜合工具使用的是Synopsys的

Design

Compiler，綜合的時候

DC

會根據(jù)相應(yīng)的約束條件自動優(yōu)化該邏輯，這是Synopsys

公司在

DC

的核內(nèi)嵌入了相應(yīng)的算法。筆者做了一些對照發(fā)現(xiàn)，有的時候，DC

優(yōu)化綜合出的電路相比于人工用相應(yīng)算法描述之后綜合的電路，面積甚至?xí)　?/p>

圖

8-34

中斷模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.

Control

模塊的設(shè)計

Control

模塊的主要功能是根據(jù)配置寄存器存儲的信息，產(chǎn)生相應(yīng)的信號，來控制模擬電路的工作模式，主要是對

ADC

過程的控制，進(jìn)而決定了整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。Control模塊執(zhí)行了兩個功能:

一是對

PROX

的控制，二是對

ALS

的控制。

本設(shè)計所使用的是電荷平衡式ADC，相比于其他結(jié)構(gòu)的ADC，電荷平衡式ADC

具有分辨率高、

精度好、

抗干擾力強(qiáng)、

接口簡單、

易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。圖

8-35

顯示了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖

8-35

ADC

結(jié)構(gòu)框圖

ALS

和

PROX

檢測的側(cè)重點(diǎn)有所差異。ALS

模式下，需要對

ADC

進(jìn)行量程(

ALSRange)的控制；

而

PROX

模式下，更側(cè)重檢測數(shù)據(jù)的精確度。PROX

模式下提供了多種濾除噪聲的方法:

(1)

模擬電路中，PD

模塊采用了電流鏡的結(jié)構(gòu)來濾除噪聲的干擾。

(2)

在

ADC

過程的最初階段，開辟了一段時間用來預(yù)先對周圍環(huán)境進(jìn)行一次量化，然后進(jìn)行

D/

A(數(shù)模轉(zhuǎn)換)處理，在真正的

PROX

ADC

過程中，這個

D/

A

后的信號會被去除，進(jìn)而避免了環(huán)境的干擾。

(3)

ADC

的計數(shù)流程如下:

打開

IR，加計數(shù)；

關(guān)閉

IR，減計數(shù)；

再次打開

IR，加計數(shù)；最后再關(guān)閉

IR，減計數(shù)。這樣可以進(jìn)一步濾除環(huán)境光的干擾，保證

ADC

所測的數(shù)據(jù)是比較純粹的

IR。

在如上所述的消除噪聲的方法中，(2)和(3)兩種方法均由數(shù)字電路進(jìn)行控制，可以看出，在對模擬信號的實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)字電路的合理控制能夠大幅提高整體電路的性能。如今，大多芯片都采用數(shù)模混合的設(shè)計方法。

4.

可測性設(shè)計

首先需要明確的一點(diǎn)是:

DFT

主要是為了檢測工藝制成方面的錯誤，而不是設(shè)計本身的錯誤。就數(shù)字電路設(shè)計而言，雖然前端功能仿真驗(yàn)證無誤，時序分析驗(yàn)證無誤，layout

生成也無誤，但由于工藝制成的偏差，可能導(dǎo)致實(shí)際芯片中關(guān)鍵路徑時序違例，甚至?xí)?dǎo)致基本單元功能異常，進(jìn)而產(chǎn)生了意想不到的錯誤結(jié)果。在設(shè)計過程中，可測性是必要的。

在模擬電路中，常用的測試方法是添加一些測試點(diǎn)，流片回來后，用相應(yīng)的儀器，用探針接入測試點(diǎn)來對芯片進(jìn)行測試驗(yàn)證。

在本設(shè)計中，額外添加了一組

TEST

寄存器，這是一組

8

bit

的寄存器，用于存儲測試控制字。該寄存器對用戶是不可見的，僅僅用于設(shè)計測試人員進(jìn)行測試調(diào)整。TEST

寄存器默認(rèn)值為

8′b0000＿0000，在默認(rèn)狀態(tài)下，TEST

寄存器不影響芯片的工作，一旦該寄存器被寫入了其他數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會處于測試工作模式下。

1)

TEST

寄存器的寫入

由于

TEST

寄存器被寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會工作于測試模式下，進(jìn)而導(dǎo)致了系統(tǒng)的“不正?！惫ぷ?。測試模式并不是用戶所期望的，所以需要設(shè)立一定的機(jī)制，防止用戶不經(jīng)意之間向

TEST

寄存器寫入數(shù)據(jù)。

2)

TEST

寄存器的內(nèi)涵

作為一組

8

位的寄存器，有

28即

256

種存儲狀態(tài)，剔除默認(rèn)正常工作的

0x00，理論上可以有

255

種測試模式。不過在設(shè)計過程中，不推薦使用復(fù)雜、

龐大的譯碼電路。

對于本設(shè)計中的寄存器

TEST，相應(yīng)的測試模式大致涵蓋了以下幾個方面:

(1)

改變

ADC

的控制信號，進(jìn)而可以通過讀取

ADC

后的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行測試；

(2)

改變基準(zhǔn)中的

Trimming

設(shè)置，致使

ADC

后的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，這也可以通過讀取ADC

數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行測試；

(3)

改變芯片

PAD

的意義，對于輸出數(shù)字信號的

PAD，比如

XINT，可以控制其輸出

其他需要測試的數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的測試；

(4)

在

TEST

模式下，可以縮短一次

ADC

所需的時間，從而可以縮短對大量系統(tǒng)測試所需的時間。

8.8

數(shù)字部分的仿真驗(yàn)證

8.8.1

功能仿真功能仿真是指在一個設(shè)計中，在設(shè)計實(shí)現(xiàn)前對所創(chuàng)建的邏輯進(jìn)行驗(yàn)證以判斷其功能是否準(zhǔn)確的過程，布局布線之前的仿真都被稱做功能仿真。功能仿真包括綜合前仿真(Pre-Synthesis

Simulation)和綜合后仿真(Post-Synthesis

Simulation)。通常我們主要進(jìn)行的是綜合前對于

RTL

級描述的仿真。

1.

測試平臺的搭建

Modelsim

無疑是一款功能極其強(qiáng)大的編譯仿真工具，它能夠自動生成相應(yīng)的

testbench模板。在

Modelsim

下，先執(zhí)行“View→Source→Show

Language

Templates”指令，打開

LanguageTemplates，然后選中其中的

Create

Testbench指令，即可生成

testbench模板。這是一個“.v”格式的文件，里面對需要仿真的模塊進(jìn)行了調(diào)用，并詳細(xì)定義了

Pin

腳，測試人員只需要向該文件中添加相應(yīng)的激勵即可完成測試平臺的搭建。

由于

testbench僅僅是用來測試的，并沒有可綜合的需求，所以進(jìn)行激勵生成的時候，可以使用

Verilog

HDL

中的各種指令，尤其是函數(shù)語句和系統(tǒng)任務(wù)。一些函數(shù)語句和系統(tǒng)任務(wù)的合理使用，會給測試帶來很大便利。在對芯片數(shù)字功能的仿真驗(yàn)證中，可采用下述方法進(jìn)行輔助測試。

1)

使用

task

任務(wù)輔助編寫測試向量

2)

寫

text

文本

3)

vec

文件的生成

2.

基本功能的仿真

對于

I2C

模塊，其基本功能就是能夠與

I2C

master

進(jìn)行通信，根據(jù)

I2C

協(xié)議，需要能夠正確地進(jìn)行讀操作和寫操作。為保證該功能的完善，需要考慮到各種情況，并分別進(jìn)行驗(yàn)證，測試向量盡可能完備。

圖

8-36

中展示的是一個典型的寫過程:

I2C

master

先發(fā)出

START

信號，接著傳送器件地址以及寫信號；

slave

響應(yīng)

ACK

后，接著發(fā)送寄存器地址；

slave

再次發(fā)出

ACK

應(yīng)答后，master

會發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)；

等待

slave

的

ACK

應(yīng)答后，master

發(fā)送

STOP

信號。圖中，第一個信號為

SCL＿master，是

I2C

主機(jī)發(fā)送的時鐘；

第二個信號是

SDAin，這指示的是

SDA總線；

第三個信號是

SDA＿master，這是主機(jī)發(fā)送的

SDA

信號；

第四個信號是SDAout，是slave

對

SDA

控制的信號；

最后一個信號是

Reg03，指示了寄存器

03

的狀態(tài)。從圖中可以看出，master

欲向寄存器

0x03

中寫入數(shù)據(jù)

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