本文档于2020年2月19日，在IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2020会议上发表，会议录编号为978-1-7281-3205-1/20/$31.00。文章标题为“28.1 A Capacitive Touch Chipset with 33.9dB Charge-Overflow Reduction Using Amplitude-Modulated Multi-Frequency Excitation and Wireless Power and Data Transfer to an Active Stylus”。主要作者包括Jae-Sung An, Jong-Hyun Ra, Eunchul Kang, Michiel A. P. Pertijs 和 Sang-Hyun Han，他们的研究机构分别是Delft University of Technology（荷兰代尔夫特理工大学）、SK Hynix（韩国利川）以及Leading UI（韩国安养）。本文属于类型a，即一项原创性研究报告。以下是为广大研究人员撰写的关于该研究的综合性学术报告。

学术报告：一种采用调幅多频激励与无线供能/数据传输技术以实现33.9dB电荷溢出抑制的电容触控芯片组

一、 研究作者、机构与发表信息

本研究由Jae-Sung An（第一作者，代尔夫特理工大学）、Jong-Hyun Ra（SK Hynix）、Eunchul Kang（代尔夫特理工大学）、Michiel A. P. Pertijs（代尔夫特理工大学）以及Sang-Hyun Han（Leading UI）合作完成。该成果以论文形式在2020年IEEE国际固态电路会议（ISSCC 2020）上发表，具体属于会议的第28场次“用户交互与诊断技术”。ISSCC是集成电路设计领域的顶级国际会议，其录用论文代表了该领域的最前沿进展。

二、 学术背景与研究目标

本研究的科学领域属于集成电路设计与电容式触控技术。随着触控屏在高刷新率和高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）方面的需求日益增长，驱动多个发射（Transmitter, TX）电极以提升帧率成为主流方法。然而，当多个激励信号（Vext）同时施加到TX电极时，其叠加效应会导致读出电路（Readout Circuit）发生电荷溢出（Charge Overflow），严重限制了激励信号的幅度，进而制约了SNR的提升。为应对此问题，已有研究采用了诸如时分复用（Time-Division）、降低激励幅度（Reduced-Amplitude Excitation）、数字域信号省略与线性插值等方法，但这些方案分别带来了帧率降低、SNR下降或计算负载增加的代价。

因此，本研究旨在解决高帧率、高SNR电容触控系统中的电荷溢出问题，同时避免对帧率、SNR和计算负载造成负面影响。具体目标包括：1) 提出一种新型的激励方案，在不牺牲性能的前提下抑制电荷溢出；2) 为有源触控笔（Active Stylus）设计一个无线供能与数据传输的解决方案，以消除更换电池或使用适配器充电的不便。最终，研究团队的目标是实现一个完整的、高性能的电容触控系统（Capacitive Touch System, CTS）芯片组。

三、 研究流程与详细方法

本研究提出并实现了一个完整的电容触控系统芯片组，其工作流程可分为两大核心部分：基于调幅多频激励（Amplitude-Modulated Multi-Frequency Excitation, AM-MFE）的触控前端和为有源笔服务的电动笔盒（Electric Pencil Case, EPC）。整个系统包含触摸屏面板（Touch Screen Panel, TSP）、模拟前端集成电路（Analog Front-End IC, AFE IC）、AFE微控制器（MCU_AFE）、EPC接口、EPC微控制器（MCU_EPC）、无线功率与数据收发器（Wireless Power and Data Transceiver, WPDT）等模块。

第一部分：抑制电荷溢出的AM-MFE AFE IC设计与实现

1. 系统架构与干扰管理：整个CTS由TSP、AFE IC和MCU_AFE构成。MCU_AFE首先执行频谱感知，观察通过TSP耦合进入系统的外部干扰信号频谱。基于此，它将多个激励频率（fext1-n）和有源笔的工作频率（fs）设置在频谱的“低噪声区域”，以最大化系统抗干扰能力。有源笔的频率信息通过无线方式由EPC系统配置。

2. 电荷溢出抑制原理与实现：电荷溢出发生在多个激励信号的拍频（Beat Frequency）处。MCU_AFE根据fext1-n的分布情况，计算并决定一个混频频率（fmix），并将其发送给AFE IC。AFE IC中的每个激励通道都包含一个直接数字频率合成器（DDS）、一个低通滤波器（LPF）、一个由共享混频控制器控制的混频器（Mixer）以及一个可编程增益放大器（PGA）。DDS和LPF生成正弦激励信号，该信号随后被fmix进行振幅调制（Amplitude Modulation, AM）。调制过程通过一个带有可编程反馈网络（由电容Cmix1、Cmix2和斩波开关构成）的运算放大器实现。通过数字码D<7:0>控制Cmix1的值来设定增益幅度，通过斩波信号Dchop切换反相/非反相反馈配置来控制增益极性。经过调制的信号由PGA放大后驱动TX电极。这种AM-MFE方法的关键在于，通过使fmix等于激励频率间隔的一半（fd/2），可以在信号叠加时，让除了f1-fmix和fn+fmix之外的频率分量相互抵消至近似为零，从而在电荷信号（Qs）进入读出电路前，就将其峰值幅度显著降低，避免了ADC的饱和溢出。

3. 读出电路与信号处理：读出电路采用差分感测方法和滤波来抑制干扰。具体通过将相邻通道的第二代电流传输器（CCII）的输出Zp和Zn连接实现差分。CCII与TSP共同构成一个一阶带通滤波器，再级联一个二阶高通滤波器（HPF），总截止频率设为100kHz以滤除主要的低频显示噪声。CCII的输出电阻用于控制信号增益。为匹配32英寸TSP的1.5MHz截止频率并采用4:1多路复用器（Mux），ADC被设计为12位分辨率、12MS/s采样率以满足奈奎斯特定理。每个读出通道的ADC数据（1024个点）被送入FFT处理器进行1024点快速傅里叶变换，生成分布在±1.5MHz范围内的频谱数据（Dfft）。AFE IC由此实现了高达2.93kHz的帧率。

4. 数据恢复：在得到Dfft后，MCU_AFE执行解调操作。由于AM-MFE的特殊频谱特性（能量集中在f1-fmix和fn+fmix处），MCU_AFE只需将相邻的两个FFT数据点（分别对应于f1-fmix和f1+fmix，以此类推）简单相加，即可恢复出原始激励频率fext1-n处的信息。这个过程计算量极低，无需复杂的数字信号处理。

第二部分：无线供能与数据传输的电动笔盒（EPC）设计

1. 系统组成：EPC系统包括EPC本身和有源触控笔。EPC内部包含WPDT、MCU_EPC、电池和EPC线圈。有源笔内包含相应的笔线圈和电路。

2. 工作流程：当有源笔放入EPC时，笔通过其线圈向EPC发送数据（Dsty）。WPDT内的电流检测器感知发射电流（Itx），经过整流、低通滤波和与阈值比较后，重建出Dsty并送至MCU_EPC。MCU_EPC根据接收到的笔数据（如电池状态）决定需要传输的功率级别，并控制门驱动器和全桥逆变器，通过线圈以最高80.2%的效率向笔无线供电。同时，EPC需要为有源笔设置工作频率（fs）。这是通过频移键控（Frequency-Shift Keying, FSK）调制方式，将数据（Depc）无线发送给笔实现的。笔利用其线圈的谐振频率特性，通过检测接收信号幅度的变化来解调出Depc。为支持多支有源笔同时使用，WPDT集成了3个收发器（TRX）核心，可以通过区分笔的ID来实现对多支笔的并行无线供能与数据通信。

四、 主要研究结果及其逻辑关系

研究的核心结果通过理论分析、电路仿真和实际测量得到验证，并有力地支撑了研究目标。

1. 电荷溢出抑制效果量化：这是本研究最关键的结果。测量表明，AM-MFE方案能有效抑制因多频激励叠加引起的电荷溢出。当激励频率均匀分布时，该方案能将电荷信号（Qs）的峰值幅度降低33.89 dB。即使在使用有助于减少溢出的素数频率间隔方案时，AM-MFE仍能额外带来5.87 dB的峰值抑制。这个结果直接回答了研究的首要问题，证明了所提方法在抑制电荷溢出方面的卓越效力。

2. 信噪比（SNR）与动态范围提升：上述电荷溢出抑制的结果具有直接的应用价值：由于溢出风险被大幅降低，激励信号（Vext）的幅度得以安全地提高。根据Qs幅度在有无AM-MFE情况下的差异，理论上SNR可相应提升33.89 dB（均匀间隔）或5.87 dB（素数间隔）。在实际芯片实现中，为了避免使用高成本的高压器件，PGA采用了5V器件进行设计。应用AM-MFE后，激励电压幅度得以从传统的3.3V（无AM-MFE时受溢出限制）提升至5V（有AM-MFE），从而在不降低帧率的前提下，切实提高了系统的SNR。同时，读出电路中的CCII可以调整信号幅度以适配ADC的输入范围，从而实现了更大的动态范围。

3. 系统性能指标达成：综合测试显示，整个AFE IC实现了2.93 kHz的帧率。通过采用差分感测和滤波，系统能有效滤除大部分显示噪声。虽然在与无AM-MFE方案使用相同激励幅度时，AM-MFE会因幅度调制引入轻微SNR损失，但其消除了因电荷溢出对激励幅度的根本限制，从而在更高激励幅度下获得了净SNR收益。MCU_AFE能够从Dfft中成功解调出手指和触控笔的坐标信息，且计算负载很低。

4. 无线EPC系统性能：EPC系统成功实现了对有源笔的无线供电和数据传输。无线供电的最高效率达到80.2%。通过FSK/ASK调制解调机制，可靠地完成了笔数据上行（ASK）和EPC配置数据下行（FSK）的双向通信。3-TRX核心的设计为多笔支持提供了可能。

5. 技术比较优势：图28.1.6的性能对比表明，本研究实现的AFE IC在电荷溢出抑制能力（33.9 dB降低）上达到了当时已报道工作中的最高水平。同时，它还集成了高效率的无线笔充电与通信功能。整个AFE IC和WPDT采用0.13μm CMOS工艺实现，验证了其可集成性与产业化潜力。

逻辑关系：首先，通过理论分析和电路设计，提出了AM-MFE方法（流程三）。接着，通过实际芯片测量，量化了该方法对电荷溢出的抑制效果（结果1）。这一积极结果直接允许了激励电压幅度的提升（结果2），从而实现了高帧率下的高SNR目标。同时，独立的EPC子系统验证了无线供能和数据传输的可行性（结果4）。最终，所有子系统的性能汇总，并通过与现有技术的对比（结果5），证明了整个芯片组方案的先进性和综合优势。

五、 研究结论与价值

本研究成功设计并实现了一款高性能电容触控芯片组。其核心贡献在于提出了调幅多频激励（AM-MFE）技术，该技术巧妙地通过振幅调制改变了多频激励信号的叠加方式，从而在信号链的早期阶段（即电荷产生阶段）就抑制了电荷溢出，而非在数字后端进行补偿。这从根本上解决了高帧率与高SNR之间的矛盾。

科学价值：本研究为多频并行激励系统的信号完整性难题提供了一个新颖且高效的电路级解决方案。它深化了对于多频信号叠加效应及其抑制方法的理解，特别是将通信中的调幅概念创造性地应用于触控传感领域，展示了跨学科思路在解决集成电路设计挑战中的潜力。

应用价值：该芯片组具有明确的商业化应用前景。33.9dB的电荷溢出抑制能力使得触控屏能够在不牺牲响应速度（高帧率）的前提下，实现更高的触控精度和抗噪声能力（高SNR）。集成的无线电动笔盒方案极大地提升了有源触控笔的用户体验，解决了频繁充电或更换电池的痛点。该技术特别适用于对大尺寸、高精度、高响应速度有需求的触控设备，如交互式白板、高端平板电脑和触控一体机等。

六、 研究亮点

1. 创新性的AM-MFE技术：这是本研究最突出的亮点。它不同于以往任何在时域或数字域进行妥协的方案，通过在模拟域对激励信号进行智能的振幅调制，从根源上缓解了电荷溢出问题，且不牺牲帧率、SNR和计算资源。
2. 显著的性能提升：实现了高达33.9dB的电荷溢出抑制，这是当时公开文献中的最高记录，使得激励电压得以大幅提升，直接转化为系统SNR的增强。
3. 完整的系统级解决方案：研究不仅关注触控传感前端，还创新性地提出了“电动笔盒（EPC）”概念，将有源笔的无线供电与数据传输无缝集成到系统中，提供了一个端到端的完整用户体验方案。
4. 高帧率与低计算负载并存：系统实现了2.93kHz的高帧率，同时得益于AM-MFE产生的特殊频谱特性，后端处理器仅需进行简单的加法运算即可恢复数据，大大降低了微控制器的计算复杂度和功耗。
5. 有效的抗干扰设计：系统集成了频谱感知、频率捷变（将工作频率置于低噪声区）、差分感测和模拟滤波等多重抗干扰手段，确保了在复杂电磁环境下的稳定工作。

七、 其他有价值的补充内容

研究团队对电荷溢出进行了定量分析（参见图28.1.s1和28.1.s2），这为理解AM-MFE的工作原理和效果提供了直观的补充材料。此外，文章还提供了芯片的显微照片（图28.1.7）和WPDT的详细规格，证明了该设计已成功流片并验证。这些细节增强了研究的可信度和可重复性。文末还引用了多项相关前沿工作（如[1]-[5]），显示出本研究是建立在电容触控技术持续演进的基础之上，并作出了关键的突破。