电容式指纹识别驱动芯片的设计

摘要

近年来，伴随着集成电路技术和物联网技术的快速发展，指纹识别技术已成为生物识别技术里的最为成熟的技术，同时也是使用最为广泛的一种技术。目前主要有基于光学指纹识别、电容式指纹识别和超声波指纹识别三种原理的指纹识别技术。其中的电容式指纹识别成本最低，体积较小，应用最为广泛。 传统的电容式指纹识别传感器需要配合金属环才能正常工作。发射电路发射的激励信号通过金属环传导到手指上，手指作为导体（电容的一极）与检测单元的极板阵列耦合，形成感应电容阵列。由于手指脊和谷与芯片金属极板的距离不同，感应电容的大小也不同，芯片内部的检测电路通过检测每一个电容阵列的电容值，便可以得出纹线和特征点的分布情况，也就得到了指纹图像，这种方案称为主动式指纹识别。但是，当传感器上不允许有金属环的情况下（如Under Glass方案），手指上因为没有激励信号而造成驱动能力不足，导致指纹信号无法穿透玻璃或盖板。在这种情况下，可以考虑让驱动信号接到指纹传感芯片的地上，驱动信号上的激励就可以让手指和地之间形成更加有效的感应电容。由于驱动电路与指纹传感器的地电位不同，所以就需要额外设计一个驱动芯片。 本文为电容式指纹芯片设计了一个配套使用的驱动芯片，采用Silterra0.18μm CMOS工艺设计，利用Cadence和Calibre系列EDA工具完成整体电路的设计和版图设计。整体芯片的长和宽分别为1199.2μm和648.3μm，整体版图的面积约为0.7774mm2。 从仿真结果来看，在3.3V的电源电压下，本文设计的驱动芯片实现的带负载的能力为1ns上升时间内带100pF电容，芯片工作功耗为4.97mW。LDO实现了从3.3V电源电压到1.8V输出电压的转换，为占空比调制电路进行供电。LDO的最大的输出电流为10mA，环路稳定性满足设计要求。电平转换电路实现了3.3V到1.8V的转换，其中的全差分两级运放电路的低频增益达到了91.4dB，单位增益带宽(Unity gain bandwidth)为51MHz，相位裕度(Phase margin)为75度。占空比调制电路实现了对电平转换电路输出信号时钟占空比的调制，完成调制以后，该电路输出信号的时钟占空比稳定在50%。信号最终通过驱动增强电路实现了对该信号的驱动能力的增强并达到了设计目标值。

目录

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第一章 绪 论

1.1 指纹识别的背景与技术的发展

1.2 指纹识别的优势和应用现状

1.3 电容式指纹识别驱动芯片的意义与价值

1.4 驱动芯片的设计思路

1.5 驱动芯片的主要设计目标

1.6 本文的结构安排

第二章 LDO模块的理论分析与电路设计

2.1 LDO的基本工作原理

2.2 LDO线性稳压器各模块的简要介绍

2.2.1基准电压电路

2.2.2 误差放大器

2.2.3 导通器件

2.3 LDO的主要性能参数

2.3.1 漏失电压

2.3.2 静态电流

2.3.3 转换效率

2.3.4 负载调整率

2.3.5 线性调整率

2.3.6 负载瞬态响应

2.3.7 电源抑制比

2.4 LDO系统的稳定性分析

2.4.1 稳定性判据

2.4.2 LDO系统的频率响应

2.4.3 常见的补偿方法的分析和比较

2.5 LDO系统的输出精度分析

2.6 本文中LDO模块的设计思路

2.7 本章小结

第三章 电平转换电路的理论分析与电路设计

3.1 全差分两级运放

3.1.1 全差分运放的优势

3.1.2 常见的运放结构对比

3.1.3 全差分折叠式共源共栅两级运放

3.1.4 运放的频率补偿

3.1.5 两级运放的补偿

3.1.6 零极点抵消的米勒补偿技术

3.1.7 右半平面零点移到左半平面以消除极点的方法

3.1.8 本文中采用的补偿结构

3.1.9 共模反馈电路

3.1.10 全差分运放的反馈结构

3.2 电压比较器和电平转换模块的设计

3.2.1 电压比较器的设计

3.2.2 电平转换电路的设计

3.3 本章小结

第四章 占空比调制模块的理论分析与电路设计

4.1 占空比调制电路的基本工作原理

4.2 占空比调制电路的结构

4.3 本文采用的占空比调制电路的原理分析

4.3.1 边沿信号检测电路

4.3.2 控制信号产生电路

4.3.3 压控延迟电路

4.3.4 利用施密特触发器的原理实现的电压比较器

4.4 本章小结

第五章 仿真验证

5.1 LDO低压差线性稳压器的仿真

5.1.1 LDO温度特性的仿真

5.1.2 LDO负载调整率的仿真

5.1.3 LDO线性调整率的仿真

5.1.4 LDO电源抑制比的仿真

5.1.5 LDO幅频与相频特性的仿真

5.1.6 LDO负载瞬态响应的仿真

5.1.7 LDO上电启动时间的仿真

5.1.8 带隙基准源线性调整率的仿真

5.1.9 带隙基准源温度系数的仿真

5.2 电平转换电路的仿真

5.2.1 全差分两级运放输入共模范围的仿真

5.2.2 全差分两级运放输出电压摆幅的仿真

5.2.3 幅频和相频特性的仿真

5.2.4 建立时间的仿真

5.2.5 电源抑制比(PSRR)的仿真

5.3 占空比调制电路的仿真

5.3.1 边沿检测电路的仿真

5.3.2 控制信号产生电路的仿真

5.3.3 压控延迟电路的仿真

5.4 整体芯片带负载能力的仿真

5.5 整体芯片动态功耗的仿真

5.6 主要参数仿真结果与设计目标对比

5.7 本章小结

第六章 版图设计

6.1 版图设计的基本流程

(1)总体设计

(2)分层设计

(3)版图验证

6.2 版图设计的关键部分

6.3 本文中的版图的整体布局

6.4 本章小结

第七章 结论

致谢

参考文献