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一份用于电容式触摸屏的高噪声免疫力、28×16通道手指触摸传感集成电路的研究报告

第一、研究作者、机构及发表信息

本研究的主要作者包括Sangyun Kim, Behnam Samadpoor Rikan, Younggun Pu, Sang-Sun Yoo, Minjae Lee, Keum Cheol Hwang, Youngoo Yang以及通讯作者Kang-Yoon Lee。研究团队主要来自韩国的成均馆大学信息与通信工程学院，合作者分别来自平泽大学和光州科学技术院。

这项研究成果以题为《A High Noise Immunity, 28 × 16-Channel Finger Touch Sensing IC Using OFDM and Frequency Translation Technique》的论文形式，发表于学术期刊 *sensors*，并于2018年5月21日正式出版。

第二、学术背景与研究目标

本研究的主要科学领域是集成电路设计与触摸传感技术，具体聚焦于电容式触摸屏模拟前端的设计。随着市场对多样化触摸应用需求的增长，触摸技术备受关注。在各种触摸屏中，电容式触摸屏因其高光学质量、支持多点触控等优势而被广泛采用，其中互电容方案更能有效支持多点触控并减少鬼点问题。

然而，传统的触摸传感系统面临挑战。以往系统多采用时分复用方案，通过积分器来放大微弱的触摸信号并作为低通滤波器抑制噪声。这种结构存在局限性：首先，在模拟前端提升信噪比的能力有限；其次，需要逐通道扫描所有面板通道，耗时较长；最后，积分器中的大电容会占用较大的芯片面积。

为了克服传统模拟前端的这些局限，本研究旨在开发一种新型的触摸传感集成电路。具体研究目标包括：1）提出并实现一种基于正交频分复用技术的触摸传感方案，以同时检测多个面板通道，提高扫描速率和系统信噪比；2）设计一种包含上/下变频混频器和滤波器的前端架构，以有效抑制来自充电器和显示屏的低频环境噪声；3）在90纳米CMOS工艺上实现一个高线性度、低功耗的完整模拟前端芯片，用于28×16通道的互电容触摸面板。

第三、详细研究流程与方法

本研究是一项集成电路设计与验证工作，其核心流程并非传统的生物或材料实验，而是电子系统的设计、仿真、流片与测试流程。主要研究对象是所提出的触摸传感模拟前端系统及其各个子模块。

流程一：系统架构与传感方案设计 研究首先从顶层系统设计开始。研究团队提出了基于正交频分复用的触摸传感方案。在该方案中，发射机通过多个正交的载波同时驱动触摸面板的不同通道，接收机则通过检测这些正交频率的幅度变化来感知触摸。正交特性使其对窄带干扰和噪声具有鲁棒性，从而有望提高信噪比。为了进一步抑制低频噪声，研究引入了频率搬移技术：在发射端使用混频器将基带OFDM信号上变频至更高频率（利用面板在100 kHz至1 MHz的平坦通带特性），在接收端则先通过一个高通滤波器滤除低频噪声，再使用混频器下变频回基带进行处理。系统架构包含发射扫描单元（含数模转换器、上变频混频器、发射驱动器）和接收扫描单元（含高通滤波器、单端转差分转换器、可变增益放大器、低通滤波器和模数转换器）。

流程二：关键子电路设计与仿真 这是研究的核心工程实施环节。研究团队为所提出的系统架构设计了具体的电路实现： 1. 发射机混频器：考虑到OFDM信号具有高峰均功率比，对线性度要求极高，设计采用了无源混频器结构以确保高线性度。为了补偿无源混频器的增益损失，在其前端增加了增益级。仿真结果显示，该混频器的1dB压缩点达到5.39 dBm，能够处理1.2 Vpp的OFDM信号而不失真。 2. 发射机驱动器：为了驱动容性触摸面板并获得高输出摆幅，该模块采用高压MOSFET设计。放大器选择了AB类结构，以在保证线性度（满足OFDM要求）和面板驱动能力的同时，尽可能降低功耗，避免A类功耗过高和B类的交越失真问题。 3. 接收机混频器：同样为了高线性度，接收端也采用了无源混频器。但其输入信号微弱，因此前端集成了一个跨导单元。该跨导单元采用交叉耦合结构，有助于抵消三次谐波，提高线性度并获得电流增益。仿真表明其1dB压缩点为-5.03 dBm。 4. 滤波器设计：接收机中的高通滤波器设计为四阶巴特沃斯滤波器，截止频率约300 kHz，用于滤除充电器噪声等低频干扰。低通滤波器设计为六阶巴特沃斯滤波器，同样为300 kHz截止频率，用于在下变频后滤除残留的本振信号及高频噪声。此外，还设计了一个滤波器调谐模块，通过复制滤波器检测工艺偏差，并自动调整主滤波器的电阻和电容值，以保持各通道特性一致。 5. 正交码与数字处理：在数字域，系统采用沃尔什码作为正交基。通过优化，选择码长为16，但实际仅使用其中的6种正交码（对应6个发射通道）。接收端通过离散余弦变换将时域信号转换到频域，再利用信道估计（基于内积运算）提取每个正交通道的响应，从而确定触摸位置。数字处理流程包括ADC转换、DCT变换和信道估计。

流程三：芯片实现与测试验证 研究团队将上述设计在90纳米CMOS工艺上流片，芯片面积为4.84 mm × 4.2 mm（总面积13.6 mm²）。搭建了包含5.1英寸互电容触摸面板和所设计芯片的测试板进行性能验证。 1. 功能测试：通过软件程序观察触摸图像。当无触摸时，软件界面显示均匀颜色；当有触摸发生时，对应触摸点的颜色发生变化，证明系统能准确定位触摸位置。 2. 信号波形测量：测量了接收端可变增益放大器输出的差分信号。数据显示，在触摸面板上施加触摸时，接收通道（例如RX(15)）的输出信号幅度从2.24 Vpp下降至2.16 Vpp，产生了约0.1 V的变化，这证实了系统对电容变化的敏感性。 3. 噪声抑制与信噪比测试：这是验证核心创新点的关键实验。研究对比了启用和未启用噪声抑制方案（即不使用HPF、LPF和混频器的直接处理 vs 使用完整的频率搬移和滤波方案）下的触摸图像与信噪比。未滤波时，低频噪声直接显现，触摸信号因面板的频率衰减特性而减弱，测得的信噪比仅为20 dB。启用所提出的滤波和频率搬移方案后，噪声被有效抑制，触摸信号得以清晰恢复，信噪比显著提升至60 dB。信噪比的计算公式为：SNR = 20 × log( |M_N - M_T| / σ )，其中M_N为无触摸时的平均值，M_T为有触摸时的平均值，σ为有触摸时噪声的标准偏差。 4. 性能总结与对比：对整个芯片的性能进行了量化总结，并与同期其他研究工作进行了对比。关键指标包括：用于28×16通道互电容触摸面板，信噪比60 dB，帧率200 Hz，功耗62.4 mW，面积13.6 mm²。

第四、主要研究结果

1. 系统方案可行性得到验证：仿真和实测结果一致表明，基于OFDM和频率搬移的触摸传感方案是可行的。发射机能够成功产生并发送多路正交信号，接收机能够正确解调出各通道信号，并通过数字处理准确定位触摸点。
2. 关键电路模块达到设计指标：发射机和接收机混频器的P1dB仿真结果（5.39 dBm和-5.03 dBm）满足OFDM信号对线性度的严苛要求。AB类发射驱动器和带有调谐模块的滤波器也实现了预期功能。
3. 核心创新点——噪声免疫力——得到充分证明：对比测试结果（图26a与图26b）是本研究最有力的证据。它直观且量化地展示了所提出方案的有效性。在未使用频率搬移和滤波时，信噪比仅为20 dB，触摸图像被噪声严重干扰。而在应用了HPF、混频器和LPF的完整方案后，信噪比大幅提升至60 dB，提升了40 dB，触摸图像清晰干净。这一结果直接验证了通过上变频避开面板低频衰减区、并用HPF/LPF联合抑制低频和高频噪声的策略是成功的。
4. 整体芯片性能优越：最终实现的芯片在信噪比（60 dB）、功耗（62.4 mW）和面积（13.6 mm²）之间取得了良好平衡。与参考文献[12, 20-22]中采用传统积分器方案的芯片相比，本工作在相近或更优的功耗和面积下，实现了显著更高的信噪比（60 dB vs 27.5-49 dB），同时帧率（200 Hz）也能满足高速扫描需求。

这些结果之间存在清晰的逻辑链条：首先，OFDM方案和频率搬移的理论设计为高信噪比和高速扫描提供了可能（流程一）；其次，高线性度混频器、AB类驱动器等关键电路的成功设计（流程二）是理论方案得以硬件实现的基础；最后，流片后的测试结果（流程三）不仅验证了各个模块的功能，更通过信噪比的前后对比（从20 dB到60 dB）强有力地证明了整个系统设计在解决噪声干扰这一核心问题上的卓越效能，从而支撑了研究的最终结论。

第五、研究结论与价值

本研究成功设计并实现了一种用于电容式触摸屏的高噪声免疫力、28×16通道手指触摸传感集成电路。结论表明： 1. 所提出的基于正交频分复用的触摸传感方案，结合频率搬移技术，能够有效抑制充电器噪声和显示噪声等低频环境干扰，将系统信噪比从20 dB显著提升至60 dB。 2. 通过使用多载波同时激励，该方案能够并行检测面板的多个通道，有助于提高系统的扫描速率。 3. 为实现OFDM信号的高保真处理，设计并实现了高线性度的上/下变频混频器以及轨到轨的AB类发射驱动器。 4. 该芯片采用90纳米CMOS工艺制造，在实现60 dB高信噪比的同时，功耗仅为62.4 mW，面积为13.6 mm²，展示了优异的综合性能。

本研究的价值体现在：科学价值方面，它将通信领域中成熟的OFDM技术创造性地应用于触摸传感这一截然不同的领域，为解决触摸屏中的噪声抑制问题提供了一种全新的、有效的系统级思路。应用价值方面，所设计的芯片为高性能、高抗干扰能力的电容触摸屏控制器提供了切实可行的硬件解决方案，尤其适用于存在严重充电器噪声或显示噪声的移动设备等应用场景。

第六、研究亮点

1. 方法新颖：将OFDM多载波调制和频率搬移技术系统性地引入电容触摸传感，是跨领域技术融合的创新应用。与传统的时分积分方案相比，在原理上实现了从“逐次扫描”到“并行感知”的转变。
2. 效果显著：通过创新的系统架构（上变频+HPF+下变频+LPF），将实测信噪比提升了40 dB（从20 dB到60 dB），极大地增强了触摸系统在嘈杂环境下的工作可靠性。
3. 设计周全：不仅提出了系统方案，还深入设计了与之匹配的关键电路，如针对OFDM高峰均比特性优化的高线性度混频器、兼顾线性度与效率的AB类驱动器，以及带有自动调谐功能的滤波器，确保了理论优势在硅片上的实现。
4. 验证充分：研究提供了从电路仿真（P1dB）、系统瞬态仿真到实际芯片测试（波形、触摸图像、信噪比对比）的完整证据链，特别是滤波前后的触摸图像对比，非常直观且有说服力。

第七、其他有价值的内容

文中还详细分析了触摸系统的噪声模型，明确了充电器噪声（~34.8 kHz, 2 Vpp）和显示噪声（10-30 kHz, 0.5-3 Vpp）是主要干扰源，这为滤波器（HPF截止频率设为300 kHz）和频率搬移方案的设计提供了明确依据。此外，研究对触摸面板本身的频率响应特性（类似带通滤波，平坦区在100kHz-1MHz）进行了考量，并据此选择了合适的上变频频率，体现了系统设计的完整性。性能对比表格清晰地将本工作置于学术界同期研究的坐标系中，突出了其在信噪比指标上的领先优势。