[发明专利]PAD复用电路、MCU及控制方法

说明书

本发明公开了PAD复用电路、MCU及控制方法，其中PAD复用电路包括：ADC、ADC选通开关、下拉使能晶体管、第一开关、第二开关、第三开关和IO引脚；IO引脚与通用输入输出接口的第一输出驱动晶体管的漏极及第二输出驱动晶体管的漏极连接；ADC选通开关的第二端与IO引脚连接；下拉使能晶体管的源极接地，漏极与ADC选通开关的第一端连接；第一开关连接ADC的输入端口和ADC选通开关；第二开关连接通用输入输出接口的供电电源引脚和ADC的正参考电压端口；第三开关连接ADC的正参考电压端口、ADC的电源端口和模拟电源引脚。本发明能够节省RTP IO PAD和ADC采集模拟IO PAD，间接减少芯片总面积。

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种PAD复用电路、MCU及控制方法。

背景技术

微控制器(MCU)是一种将中央处理器(CPU)，内存，数模转换器(ADC)以及外围接口集成在单片上的超大规模集成电路(VLSI)。为了满足不同的应用组合，MCU通常具有丰富的外围接口，比如音视频接口，触摸屏接口，以太网接口，信号采集接口等，这些接口会占用大量的引脚资源。

另一方面，随着半导体制造技术的微缩发展，关键尺寸已经做到7nm及以下，芯片内的逻辑核心电路面积大大降低，而外围输入/输出电路(IO PAD)的面积却不能成比例下降，这是先进制程MCU普遍遇到的问题，即芯片总面积是受PAD面积限制(PAD Limit)的。

带电阻触摸屏(RTP)接口的MCU通常应用在人机交互的产品中，方便操作人员以触摸操作面板的形式对机器进行控制，降低操作难度。RTP包含上下叠合的两个透明层，当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。MCU通过测量水平X方向坐标和垂直Y方向坐标来确定触摸屏上的按压位置，通过测量压力来感知按压力度。RTP采用电阻分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压，以4线RTP为例(图1)，一共有4个IO引脚X+，X-，Y+，Y-，当检测到按压后，RTP内的电阻形成分压器。MCU测量X坐标时，X+和X-两个引脚分别接到MCU内部ADC的正参考电压vref+和负参考电压vref-，MCU内部X+的上拉开关管Psw1和X-的下拉开关管Nsw1导通，MCU内部Y+的上拉开关管Psw2和Y-的下拉开关管Nsw2断开，同时ADC通过Y+测量此时对应的分压值，从而确定X坐标。同理可以测量Y坐标和进行压力测量。除了4线RTP，常见的还有5线，7线，8线。对于8线RTP，MCU需要分配8个专用IO PAD。

ADC是MCU中必不可少的模拟电路模块，主要功能是采样芯片外部连续的模拟信号并转换为离散的数字信号，通常需要分配5到10个模拟IO PAD；除此之外，ADC也会用于采集芯片内部的温度信息，对芯片温度进行监控和异常处理。

通用输入/输出(GPIO)是MCU内用于数字信号输入和输出的一类PAD，这类IO PAD的电气特性满足晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)，信号具有满摆幅，大摆率和大驱动能力的特点，同一个电源域内的多个GPIO同时工作会在相应电源线和地线上产生显著的噪声(Bouncing)。Bouncing直接叠加在ADC等模拟电路上，会严重影响其性能。

参照图2，是支持RTP检测和8个通道模拟信号采集的MCU使用的传统技术。因无法解决倒灌电流问题(图3)，信号翻转噪声问题(图4)，以及电源Bouncing问题(图5)，需要单独分配12个专用IO PAD和至少1个电源PAD，至少1个地PAD。然而在某些MCU应用方案中，不需要支持RTP触摸检测功能，或者模拟信号采集的通道数小于8，那么这多出来的14个PAD会显著增加芯片总面积，由PAD本身增加的面积和PAD Limit引起额外增加的面积占芯片总面积10％以上。