本文介绍了一项发表于 IEEE Journal of Solid-State Circuits 期刊的研究成果，题为“A Radiated-EMI-Reduced Touch AFE IC with Pipelined Dual-Frequency Modulation and Sine² Waveform Shaping for Automotive Applications”。这项研究由来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的 Seokhyeon Moon、Byoungseok Yoo、Minsu Kim、Jonghang Choi 和通讯作者 Jun-Eun Park 共同完成。该论文报告了一项针对汽车触摸屏传感器应用，旨在降低触摸屏面板（TSP）驱动信号所产生的辐射电磁干扰（EMI），同时保持优异触控传感性能的原创性研究工作。其核心是提出并设计了一款新型模拟前端（Analog Front-End， AFE）集成电路。
研究背景与目标 该研究的学术背景属于集成电路设计领域，特别是面向汽车电子应用的传感器接口芯片设计。近年来，触摸屏传感器因其直观的操作和多功能性，在汽车中逐步取代传统按钮和旋钮，应用日益广泛。然而，汽车是一个电磁环境高度复杂且敏感的空间。触摸屏控制器（TSC）在驱动触摸屏面板时会产生电磁辐射，这些辐射电磁干扰（Electromagnetic Interference， EMI）可能对车载其他电子系统和无线接收设备造成严重影响，甚至威胁车辆安全。因此，国际无线电干扰特别委员会（CISPR）制定了CISPR 25标准，作为车载设备的EMI安全规范，其中对150 kHz至数GHz频段的辐射发射（Radiated Emission， RE）进行了严格限制。
传统优化触控性能的方法（如提高驱动电压或频率）往往会加剧EMI问题。相反，为了满足CISPR 25标准而降低驱动频率，则会导致信号功率下降，进而劣化信噪比（SNR）或帧率。先前的一些研究，如频分复用（FDM）、码分复用（CDM）或伪随机脉冲（PRP）驱动等，虽能在一定程度上缓解EMI，但往往伴随着电路复杂度、芯片面积和功耗的大幅增加，或者在EMI抑制效果上仍有局限。尤其随着显示面板尺寸增大、厚度变薄，触摸屏面板本身更像一个天线，使得EMI问题更加棘手。
因此，本研究的目标是设计一款用于汽车触摸屏的AFE芯片，它必须能够：1）显著降低源自TSP驱动信号的辐射EMI，确保符合严苛的CISPR 25 Class 5标准；2）在低驱动频率下，依然能维持高信噪比和高帧率的优异触控传感性能；3）实现较低的功耗和芯片面积，以符合汽车电子对可靠性与成本的要求。
详细研究方法与流程 该研究是一项集成电路设计与验证工作，其主要流程包括芯片架构设计、关键技术原理实现、电路模块设计与仿真、芯片流片制造以及最终的实验测量与验证。
研究主体与关键技术： 研究的核心对象是所提出的触摸模拟前端（AFE）集成电路。其设计融合了三大关键技术：正弦-正弦（Sine²）波形整形、正弦啁啾扩频（SCSS）时钟以及流水线式双频调制（DFM）及其解调方案。
Sine²波形整形技术： 为了从源头减少驱动信号的谐波成分，研究团队创新性地将驱动信号的使能信号（Enable Signal）和激励信号（Excitation Signal）都整形为正弦波。传统的使能信号通常是脉冲波，其丰富的谐波成分在与激励信号进行幅度调制（相当于频域卷积）后，会产生大量难以被低通滤波器有效抑制的谐波，导致显著的辐射发射。而采用理想正弦波作为使能信号和激励信号（即“Sine²”），理论上驱动信号频谱中仅包含基频及其与使能信号基频卷积产生的分量，从而极大地抑制了高次谐波。芯片中的发送端（TX）通过一个专门的Sine²波形合成器实现这一功能，该合成器包含正弦包络调制器和正弦波形调制器，均采用了高阶（五阶和四阶）Sallen-Key低通滤波器来抑制电路非理想性引入的失真。
正弦啁啾扩频（SCSS）时钟技术： 尽管Sine²整形降低了谐波功率，但驱动信号在基频处的峰值功率仍可能超过CISPR 25对峰值辐射发射的限制。为此，研究采用了SCSS时钟技术。系统主时钟由一个片上的SCSS松弛振荡器产生，其参考电压由一个正弦波调制，导致输出时钟频率在目标范围内周期性地上扫和下扫。这种“扩频”效果将信号能量分散到一个较宽的频带上，从而降低了在任一单点频率上的峰值功率密度。这不仅有助于进一步降低峰值辐射EMI，还能提升系统对外部窄带噪声的免疫力。该振荡器采用了电压平均反馈（VAF）架构以提高频率精度，并集成了可编程的RC校准阵列以补偿工艺、电压和温度（PVT）变化。
流水线式双频调制（DFM）与解调技术： 为了补偿因采用低驱动频率（低于150 kHz以避开CISPR 25敏感频段）而可能导致的SNR下降，研究提出了流水线式DFM方案。发送端同时产生一对频率比为1:2的驱动信号（例如ftx,1x=44.5 kHz和ftx,2x=89 kHz）。在驱动时序上，这两个信号被同时施加到两个相邻的TX通道：高频（ftx,2x）信号驱动当前主通道，而低频（ftx,1x）信号则“提前”驱动下一个通道。这样，每个通道在被其主频（ftx,2x）驱动之前，已经通过前一个通道的驱动周期，被ftx,1x信号进行了“预充电”。
接收端（RX）的传感前端基于差分正交输出电流传送器（DQCC），它能输出分别对应于ftx,1x和ftx,2x频率成分的两组电流信号。随后，一个创新的流水线式DFM解调器负责分离这两个频率成分。解调器采用两级混频结构：第一级混频器分别使用与ftx,2x和ftx,1x同步的时钟进行下变频，由于频率正交性，可以有效地分离出各自对应的信号分量。解调后的信号被馈送到两个积分器及其双积分电容上。关键的“保持与积分”操作在此发生：当其中一个积分器正在对主通道的ftx,2x信号进行积分时，另一个积分器将其在上一周期通过ftx,1x信号预先积分的电荷保持住。在下一个相位，两个积分器的角色交换，预存的电荷与新的信号进行累加积分。这个过程实质上将两个驱动周期的信号能量进行了叠加，从而在低基频下实现了更高的等效信号功率，提升了SNR。这种方案避免了传统FDM方案中复杂的FFT处理器，简化了解调过程，节省了面积和功耗。
芯片实现与实验验证： 研究团队采用80纳米CMOS工艺流片制造了原型AFE芯片。芯片核心面积为2.21 mm²。测量使用了一个配备28×18电容式TSP的8英寸商用显示模块。
测量流程和实验主要包括： * 触控性能测试： 测量芯片的SNR、帧率、动态范围、多点触控能力以及对戴绝缘手套触摸的检测能力。通过重构3D电容图像来直观展示触控效果。 * 辐射发射（RE）测试： 严格按照CISPR 25标准进行，使用吸收钳屏蔽室（ALSE）方法。将被测设备（包括TSP和AFE芯片）置于屏蔽环境中，使用符合频段要求的棒状天线，在10 kHz至10 MHz频率范围内测量驱动信号产生的峰值和平均辐射发射水平。分辨率带宽（RBW）根据标准设置。 * 噪声免疫力测试： 通过金属柱向系统注入特定幅度和频率（100 kHz， 300 kHz， 600 kHz，模拟车载LCD噪声、AMOLED噪声和AM广播干扰）的外部噪声，评估SCSS技术对噪声的抑制效果。 * 关键波形与频谱测量： 使用示波器和频谱分析仪测量TSP驱动信号的时域波形（验证Sine²形状和同步性）、解调器输出波形（验证保持-积分操作），以及系统时钟和驱动信号的功率谱（验证SCSS的扩频效果和峰值功率抑制）。
主要研究结果 1. 触控性能结果： 原型AFE在200 Hz帧率下，实现了高达49.6 dB的SNR。对于戴绝缘手套的触摸，SNR也达到了40.7 dB。测量显示，采用流水线式DFM技术后，SNR在不同驱动电压下均提升了超过11 dB。芯片成功实现了对指触和多点触控的清晰检测，并支持对戴手套操作的识别，满足了汽车应用需求。 2. EMI抑制结果： 测量数据表明，采用所提出的Sine²波形整形和SCSS时钟技术的TSP驱动信号，其辐射发射水平显著低于CISPR 25 Class 5的限制标准。在关键的150 kHz至300 kHz长波（LW）频段，平均RE低于限值19.8 dB；在整个测量频段，峰值RE低于限值27 dB。特别有说服力的是，即使本设计采用了5 V的驱动电压（高于对比实验中3.3 V的传统脉冲驱动），其RE水平仍然远低于标准，而传统3.3 V脉冲驱动已超出平均RE限值。这证明该技术允许在更高驱动电压下工作以提升SNR，同时仍能满足EMC要求。对比实验还显示，DFM技术本身并未在150 kHz以上频段引入额外的RE。 3. 噪声免疫力结果： 在注入5 Vpp外部噪声的条件下，SCSS时钟技术将被干扰触点的噪声扩散了最高达67.2%，显著提升了系统在嘈杂的汽车电磁环境中的稳健性。 4. 功耗与面积结果： 在5 V TX驱动电压下，整个AFE芯片功耗为10.5 mW，这得益于2:1的RX复用架构和简化的混频器解调方案，相比需要FFT或复杂数字解调逻辑的方案更具能效优势。
结论与意义 本研究成功设计并验证了一款面向汽车应用、具有卓越电磁兼容性的触摸屏模拟前端芯片。其主要结论是：通过结合Sine²波形整形和正弦啁啾扩频（SCSS）时钟技术，能够从“抑制谐波”和“分散峰值能量”两个维度有效降低TSP驱动信号的辐射电磁干扰（EMI），使系统符合严苛的CISPR 25 Class 5标准。同时，通过创新的流水线式双频调制（DFM）及相应的解调技术，巧妙地补偿了因降低驱动频率而可能损失的信号功率，从而在不牺牲帧率的前提下实现了高信噪比（SNR）。该芯片在80纳米工艺下实现了低功耗（10.5 mW）和小面积（2.21 mm²）。
这项研究的科学价值在于提出了一套系统性的、电路级的解决方案，以协同优化的方式同时解决了汽车触摸屏传感中“高性能”与“低EMI”这对固有矛盾。其应用价值巨大，为汽车触摸屏控制器的设计提供了直接可行的技术路径，有助于推动更可靠、更复杂的车载触控界面发展，并满足日益严格的汽车电磁兼容法规要求。
研究亮点 1. 技术创新性： 提出了“Sine²波形整形”的概念，将驱动信号的使能信号也从脉冲改为正弦波，从根本上减少了谐波产生源，这是区别于以往仅优化激励信号波形方法的显著创新。 2. 系统级协同设计： 不是孤立地看待EMI抑制或SNR提升，而是通过“低EMI驱动（Sine²+SCSS）” + “高性能传感（流水线DFM）”的架构组合，使两者优势互补，实现了整体性能的优化。 3. 高效的解调方案： 流水线式DFM解调机制利用简单的混频器和时序控制实现了双频信号的有效分离与能量叠加，避免了面积和功耗巨大的FFT处理器或复杂数字解调逻辑，在保证性能的同时提升了能效。 4. 完整的验证： 研究不仅提供了详尽的电路仿真分析（包括蒙特卡洛失配仿真），更重要的是进行了完整的芯片流片和严格的系统级测量，特别是完全按照CISPR 25标准进行的辐射发射测试，使研究成果具有很高的可信度和实用参考价值。
其他有价值的内容 论文还对所设计的关键电路模块（如SCSS松弛振荡器、DQCC、增量式ΔΣ ADC等）进行了详细描述和仿真分析，并提供了芯片的功耗分布图。与现有先进工作的对比表格显示，该设计在满足CISPR 25 Class 5 EMI标准的同时，在SNR、帧率、功耗等关键指标上具有综合竞争力。这些细节为其他研究者提供了深入理解该设计和技术复现的可能性。