電容感測(cè)電路和方法
【專利說明】
[00011 本申請(qǐng)要求在2013年3月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)系列US61/777314的優(yōu)先 權(quán)，在此通過引用其內(nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開大體上涉及電容感測(cè)系統(tǒng)，且更特別地，涉及電容觸摸感測(cè)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 電容感測(cè)系統(tǒng)能利用發(fā)射電極和接收電極之間的互電容來檢測(cè)物體(例如，手指） 的接近。通過激勵(lì)信號(hào)的應(yīng)用，能在接收電極上產(chǎn)生電荷（電流），電荷根據(jù)電極之間的互電 容變化。這樣的互電容能根據(jù)物體的接近而變化。這樣的系統(tǒng)能被定義為"電荷轉(zhuǎn)移"系統(tǒng)。
[0004] -些傳統(tǒng)觸摸屏感測(cè)系統(tǒng)能利用電荷轉(zhuǎn)移方法。在這些傳統(tǒng)系統(tǒng)中，在若干激勵(lì) 周期通過有源積分器電路收集通過周期性激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的電荷。這樣的電荷收集能與解調(diào) 相結(jié)合，以獲得輸入信號(hào)的同步校正。這樣的傳統(tǒng)方法可能包括基線補(bǔ)償，以防止積分器電 路充滿非信息電容。（非信息電容不根據(jù)物體即觸摸而變化）。通常地，非信息電容能達(dá)到感 測(cè)電容的90% (即觸摸造成的變化通常為傳感器電容的10% )。
[0005] 在電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中獲得預(yù)期的靈敏度可能要求通過有源積分器電路收集多個(gè)感 測(cè)周期（即激勵(lì)信號(hào)的躍迀）。遺憾地，這樣的系統(tǒng)的噪音免疫性典型地按感測(cè)周期的數(shù)目 成比例下降。因此，這樣的傳統(tǒng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可能被限制。并且，在這樣的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，噪 音脈沖能導(dǎo)致積分器電路被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入飽和，失去所有測(cè)量信息。
[0006] 解決上述傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的限制的一個(gè)傳統(tǒng)方法可能是在每個(gè)激勵(lì)邊沿（即激 勵(lì)信號(hào)的躍迀)之后傳遞轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)字轉(zhuǎn)換的解調(diào)、積分和模擬能確保代表電容的數(shù)字?jǐn)?shù) 值的產(chǎn)生。在這樣的傳統(tǒng)系統(tǒng)中的滿意的解決方案可能依賴于具有接近一個(gè)最低有效位 (LSB)的噪音的數(shù)字?jǐn)?shù)值的積累。傳統(tǒng)方法能在積分階段利用先進(jìn)的濾波技術(shù)以將外部噪 音對(duì)轉(zhuǎn)換終端的沖擊最小化。
[0007]上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)可能是感測(cè)通道的分辨率的增加與累積轉(zhuǎn)換數(shù)的平方根成 比例。因而，這樣的傳統(tǒng)系統(tǒng)可能需要相對(duì)高分辨率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，模擬-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器以相對(duì)低的頻率運(yùn)行并具有有限的積分時(shí)間。例如，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率是100kHz時(shí)，在 1 OOus期間的轉(zhuǎn)換樣本的積分可能對(duì)應(yīng)ADC分辨率增加sqrt (20) = 4.5倍(2比特）。并且，轉(zhuǎn) 換結(jié)果的數(shù)字積累可能需要具有非常小的微分非線性(DNL)的ADC，因?yàn)閷?duì)于所有的轉(zhuǎn)換結(jié) 果DNL是系統(tǒng)性的，且不被平均值降低。
[0008]解決基礎(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的限制的第二個(gè)傳統(tǒng)方法可能是采用"電荷平衡"方法。在 電荷平衡方法中，積分輸入信號(hào)初始地給積分電容器充電。然后電容根據(jù)參考電流放電。一 旦電容器恢復(fù)到其初始狀態(tài)（即，其是平衡的），則參考電流終止。因而電荷平衡系統(tǒng)被理解 為類似張弛電路。在一些電荷平衡系統(tǒng)中，積分和電荷平衡能同時(shí)發(fā)生。達(dá)到這樣的電荷平 衡所需的時(shí)間能被轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)值。例如，在電荷平衡操作期間發(fā)生的參考時(shí)鐘脈沖的數(shù) 目可能是計(jì)數(shù)值。該計(jì)數(shù)值根據(jù)感測(cè)電容而變化。與基礎(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)相比，電荷平衡系統(tǒng) 能有非常好的線性。
[0009] 傳統(tǒng)電荷平衡系統(tǒng)的缺點(diǎn)可能是感測(cè)電路(通道)對(duì)積分電容器不完全再充電的 敏感性，通道被外部噪音同步化的可能性，以及通道容易受這樣的噪音的影響。
[0010] 圖13在功能原理圖中示出傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)1300。傳統(tǒng)系統(tǒng)1300可能包括激勵(lì)源 Vex 1301，激勵(lì)源Vex 1301利用緩沖器1305驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)1303。響應(yīng)于來自源1301的激 勵(lì)信號(hào)，傳感器網(wǎng)絡(luò)1303的傳感器能形成輸出電流Im。電流Im對(duì)應(yīng)于在激勵(lì)信號(hào)的半周期 期間通過傳感器轉(zhuǎn)移的電荷，且能代表感測(cè)電容(Cm)。電流Im能由輸入級(jí)1305以增益K進(jìn)行 放大，并應(yīng)用到解調(diào)器單元(DM)1307 AM 1307被功能地描述為放大器。通常地，DM 1307通 過激勵(lì)信號(hào)放大輸入信號(hào)，以獲得矯正輸出并獲得較好的噪音免疫性，特別是在存在低頻 率噪音的情況下。在將解調(diào)信號(hào)應(yīng)用到DM 1307中，有時(shí)包括移相器1309以通過傳感器網(wǎng)絡(luò) 1303使延遲沖擊最小化。
[0011]從DM 1307中輸出的矯正信號(hào)被收集在低通濾波器(LPF) 1311，以產(chǎn)生輸出信號(hào) (Ux)，輸出信號(hào)(Ux)與轉(zhuǎn)移電荷(Im)(轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)而與感測(cè)電容成比例)成比例。通常，積分 器被用在LPF 1311的任務(wù)中。通過ADC 1313將LPF 1311的輸出數(shù)字化，并收集在數(shù)字低通 濾波器(DLPF)1315中。
[0012] 由于電荷累積在LPF 1311，其與感測(cè)電容(Cm)成比例，所以圖13的構(gòu)架被當(dāng)成"電 荷累積"構(gòu)架。在傳統(tǒng)電荷累積系統(tǒng)1300中，傳感器激勵(lì)是周期性的。收集在LPF 1311中（以 及此后在DLPF中）的激勵(lì)電荷的量限定在噪音影響下系統(tǒng)的性能。激勵(lì)周期累積的數(shù)目和 激勵(lì)頻率能限定積分時(shí)間。
[0013] ADC轉(zhuǎn)換器(ADC 1312)能采用各種形式。一個(gè)ADC方法可能涉及直接轉(zhuǎn)換。將輸入 模擬信號(hào)與量化的參考值進(jìn)行比較。另一方法能將積分值轉(zhuǎn)變成一些其他形式。例如，能使 用電荷平衡型程序。在電荷平衡程序中，通過參考電流的應(yīng)用能平衡對(duì)應(yīng)于積分值的初始 電荷。然后平衡所述值所需的時(shí)間量能被數(shù)字化(即，通過計(jì)數(shù)器等）。
[0014] 圖14A在功能原理圖中示出傳統(tǒng)電荷平衡系統(tǒng)1400。電荷平衡系統(tǒng)1400可能包括 和圖13中的那些項(xiàng)相同的項(xiàng)，且這些相同項(xiàng)采用相同的參考字母，但使用前導(dǎo)數(shù)位"14"而 不是"13"。與圖13不同，圖14的傳統(tǒng)系統(tǒng)1400示出積分器1417、比較器1419和電流源1421， 電流源1421能在積分器1423的輸入口處將電流（由加法器1423表示)應(yīng)用到輸入信號(hào)。電荷 平衡系統(tǒng)1400被理解成在各電荷平衡操作之后在相反的狀態(tài)之間切換。該系統(tǒng)能被理解成 利用參考源同時(shí)執(zhí)行輸入電荷積累(積分)和電荷平衡。
[0015]注意，盡管特別的DM單元不包括在系統(tǒng)1400中，但是通過反轉(zhuǎn)電流源的操作，能 "無形地"發(fā)生解調(diào)，反轉(zhuǎn)電流源的操作能使參考電流源(例如，電荷平衡電流Iref)的方向 與激勵(lì)信號(hào)中的改變同步交替。
[0016]現(xiàn)在將描述傳統(tǒng)系統(tǒng)1400的噪音響應(yīng)。通?？赡苡袃煞N噪音源：內(nèi)部和外部。內(nèi)部 噪音可能從有源部件的自噪音中產(chǎn)生，從經(jīng)由寄生電容從開關(guān)電路轉(zhuǎn)移的電荷中產(chǎn)生，以 及從產(chǎn)生自電源供應(yīng)的噪音中產(chǎn)生。在圖14A中，這樣的內(nèi)部噪音源被縮減成等價(jià)噪音源 Enc 1425,等價(jià)噪音源Enc 1425經(jīng)由求和操作應(yīng)用在比較器1419的輸入口。外部噪音能經(jīng) 由傳感器單元的寄生電容滲透進(jìn)入測(cè)量電路中。并且，液晶顯示器(LCD)噪音（如果系統(tǒng)利 用觸摸屏)和充電器噪音是外部噪音的代表。在圖14A中，外部噪音被縮減成等價(jià)源Ene，該 等價(jià)源Ene經(jīng)由在傳感器網(wǎng)絡(luò)1403內(nèi)的電容器Cf連接到傳感器節(jié)點(diǎn)。
[0017]在比較器的輸入口處的通道的頻率響應(yīng)能按如下給出：
[0018] Gconv(f) =Gf(f) · Gint(f)
[0019] 其中，Gf(f)是噪音源鏈的轉(zhuǎn)移函數(shù);Gint(f)是積分器轉(zhuǎn)移函數(shù)。
[0020]在第一接近中，Gf(f)和Gint(f)可能分別被稱作高通濾波器和低通濾波器。在這 樣的情況中，系統(tǒng)（即，通道H400的頻率響應(yīng)在比較器1419的輸入口處可能被表示為固定 值：
[0022] 換而言之，噪音頻譜的形式在感測(cè)源處和在比較器輸入口處是相同的。這樣，通過 將所有噪音源移動(dòng)到比較器1419的輸入口能夠分析噪音影響。
[0023] 圖14B時(shí)序圖，示出可能像圖14A的系統(tǒng)的噪音導(dǎo)致的誤差。傳統(tǒng)操作（即，電容感 測(cè)操作)可能以激勵(lì)信號(hào)TX(點(diǎn)A和A'）的各個(gè)躍迀開始。由于激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由微分增益作用在 積分器上，所以積分器輸出電壓(Uint)從參考電壓(Uref)快速改變升到最大值。信號(hào)"門" 同時(shí)將參考電流（即，電荷平衡)源連接到積分器。因而，隨著數(shù)值初升，Uint將開始放電。當(dāng) 積分器輸出電壓等于參考值(Uref)時(shí)，此放電停止。在圖14B中，此停止(即，電荷平衡)被標(biāo) 記為D和D'。
[0024] 圖14B示出外部噪音源(Enc)和內(nèi)部噪音源(Ene)的影響。僅在電荷平衡的結(jié)尾示 出噪音。需理解的是，這樣的噪音可能一直出現(xiàn)在波形中，且作為圖示僅示出為Uint逼近 Uref 〇
[0025] 圖14B示出在不同噪音源下如何發(fā)生相似的轉(zhuǎn)換操作。如圖所示，電荷平衡時(shí)間的 縮短導(dǎo)致噪音的影響（示為：點(diǎn)B代表噪音Enc，和點(diǎn)C代表噪音Ene)。換而言之，噪音的正態(tài) 分布會(huì)改變分布值，使其向一側(cè)傾斜(即，較短的電荷平衡時(shí)間，或較小的計(jì)數(shù)值）。
[0026] 應(yīng)該注意，如果在電荷平衡操作的結(jié)尾，在比較器輸入中的噪音的轉(zhuǎn)換速率小于 積分器輸出電壓轉(zhuǎn)換速率，則分布類型不改變。這樣，在傳統(tǒng)電荷平衡系統(tǒng)中，積分器放電 速度和噪音頻譜可以顯著影響轉(zhuǎn)換器性能。
[0027] 圖14C是時(shí)序圖，示出在隨后的轉(zhuǎn)換中傳統(tǒng)電荷平衡系統(tǒng)如何可能具有越來越多 的誤差。特別地，從之前的轉(zhuǎn)換到隨后的轉(zhuǎn)換，可能有雙倍的誤差。響應(yīng)于噪音，放電過程可 能過早（點(diǎn)B)停止。這時(shí)，積分器輸出電壓(Uint)與參考電壓(Uref)不同。因此，隨后的轉(zhuǎn)換 從該(非參考）電平開始，且來自第一轉(zhuǎn)換的誤差(對(duì)應(yīng)于點(diǎn)A至點(diǎn)B)被帶入第二轉(zhuǎn)換，由于 噪音，第二轉(zhuǎn)換甚至可能縮短平衡時(shí)間更多（點(diǎn)A'至B'）。因而，第二轉(zhuǎn)換的誤差(-Ans'）可 能比第一轉(zhuǎn)換的誤差(_Ans)更大。
[0028] 圖15示出采用電荷-電荷平衡技術(shù)的傳統(tǒng)的基于松弛轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)1500。系統(tǒng) 1500可能包括兩個(gè)運(yùn)算放大器(op amps)0A0和0A1。與積分電容器結(jié)合的0A0被用作有源積 分器，在反饋回路中有電容器Cint。當(dāng)在積分電容器Cint中發(fā)生電荷平衡時(shí)，0A1能作為比 較器1519以指示位移。0A0和0A1的非轉(zhuǎn)換輸入口可能被連接到參考電壓Uref，參考電壓 Uref可能在靠近供應(yīng)電壓的中間的點(diǎn)。來自傳感器的信號(hào)被直接應(yīng)用到積分器的輸入口。
[0029] 電流數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(I-DAC)1521產(chǎn)生平衡電流（Iref)，平衡電流(Iref)通過開 關(guān)1529被應(yīng)用到積分器輸入口，開關(guān)1529由信號(hào)門控制。數(shù)字代碼Ni確定平衡電流（Iref) 的大小。平衡從激勵(lì)邊沿(Tx的上升邊沿或下降邊沿)開始，并當(dāng)比較器確定積分器輸出電 壓(Uint)已經(jīng)越過參考電平(Uref)時(shí)平衡停止。Tx的下一個(gè)邊沿是下一個(gè)轉(zhuǎn)換的起始點(diǎn)。
[0030] 轉(zhuǎn)換控制邏輯1527產(chǎn)生控制激勵(lì)源的信號(hào)（Tx)和切換平衡電流的流動(dòng)方向的信 號(hào)"極性"。這兩個(gè)信號(hào)(Tx和"極性"）是強(qiáng)相關(guān)的。在如下情況中：即大噪音甚至將積分器輸