一款红外接近传感器XDJ1407数字部分的设计

摘要

随着微电子技术和光电技术的进步，在消费类电子产品领域，光电传感器得到了越来越广泛的应用，比如平板电脑背景光自动调节、接听电话时手机自动关屏等功能都是通过光电传感器实现的，市场前景非常广阔。
　　传统的光电传感器只是把光信号转换成电信号，实际应用中还需要对电信号进行量化处理，集成度也不高，这使得其应用有诸多不便。所以，数字化的、高度集成的光电传感器具有很重要的研究意义。本文的研究对象是一款集成了光电感测器和红外LED驱动的接近检测传感器芯片，该芯片内置可编程的中断接口和I2C通信接口，在使用上非常方便。为了解决干扰问题，本次设计采用光学镀膜技术和相关双采样（CDS）技术，使得该芯片能够有效抑制环境噪声（自然光、灯光等）及PD管（光电二极管）暗电流的影响。本文主要的研究工作有：
　　1.对芯片数字控制电路部分所涉及到的重点技术进行了研究。针对数字系统在传输数据时总会受到各种干扰，难免会出现一些我们不希望的毛刺或随机扰动信号的问题，本文设计了一种能有效消抖和去毛刺的毛刺去除器；针对不同时钟域之间如何稳定传输数据的问题，本文着重分析了一种基于格雷码计数器的异步FIFO的设计方法；在数字电路设计中，状态机是整个设计的核心，状态机的优劣是设计能否成功的关键，所以本文还详细介绍了状态机的基本设计方法。
　　2.对数字控制部分的具体电路设计进行了研究。首先对芯片的整体架构进行简单介绍，然后分别研究了I2C通信接口、数字控制核心、中断输出等子模块的具体设计方法。其中I2C通信接口负责芯片与外部电路的通信，主机可以通过该接口向芯片写入配置信息及读出检测数据；数字控制核心负责产生模拟电路的控制信号，论文中着重讨论了相关双采样技术的具体实现方法；中断模块负责在检测数据超出阈值时产出中断输出，这使该芯片在使用上非常方便。
　　3.对数字控制电路的版图实现进行了研究。本文详细介绍了采用自动布局布线工具Encounter进行布局规划、时钟树综合及布线的方法。其中布局规划是整个后端设计的核心部分，布局的好坏会直接影响版图面积、IR压降、布线能否布通、时序能否闭合等情况；时钟的产生和分布对系统的性能和功耗会产生显著的影响，一个优秀的时钟树对后端设计至关重要。然后本文还对布线时遇到的问题逐一进行分析和解决，实现了从门级网表到GDSII版图文件的转换。
　　4.在芯片设计的各个环节，本文采用功能仿真、静态时序分析、形式验证等方法确保设计的正确性。该款接近检测传感器芯片采用3.3V0.35μm CMOS工艺，目前已流片成功，测试结果表明：芯片工作稳定，性能良好，满足设计要求。

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第一章 绪论

1.1 光电传感器概述

1.2 数字电路设计流程

1.3 论文主要工作和章节安排

第二章 数字电路设计基础

2.1 毛刺去除器

2.2 跨时钟域处理

2.3 状态机设计方法

第三章 XDJ1407数字控制电路前端设计

3.1 芯片概述及系统架构

3.2 通信接口设计

3.3 控制模块设计

3.4 中断模块设计

3.5 综合

第四章 XDJ1407数字后端版图设计

4.1 布局规划

4.2 布时钟树

4.3 布线与优化

第五章 XDJ1407设计验证

5.1 功能仿真

5.2 形式验证

5.3 静态时序分析

第六章 结论与展望

本论文的主要工作和成果有：

参考文献

致谢

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