用于多个电极的采样电路和采样方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于多个电极的采样电路以及用于执行多个电极的采样的相应方法。更具体地，本发明涉及用于测量通常被用于接近检测的接地电容器的技术。
【背景技术】
[0002]在本领域中各种技术可用于测量接地电容器，而所述电容器被用于接近检测。
[0003]结合图1来在此描述一个已知技术。图1图示在触敏面板和接近检测器中采用的用于测量接地电容器Cin的已知技术。该技术由改变电容性电极的电压和检测跨Cin的相应电荷变化组成。这是通过在反馈中用电容器Cfb将电容性电极连接到电荷放大器的负输入端(虚拟接地)来实现的。通过在放大器的正输入端上施加很好地定义的电压变化来实现输入电容器上的电压变化，因为负输入端将通过反馈来追踪正输入端。由于跨电容器Cin的电流只可朝着Cfb流动(放大器具有高阻抗输入)，所以可通过测量跨反馈电容器Cfb的电压变化来测量跨Cin电荷变化(和因此的Cin的值本身)。此电压变化可以在模拟域中直接地测量、处理或转换到数字域中。除已提到的元件之外，图1中所示的电路也包括读出电路120、要检测的输入电容器20以及可变电压源80。在本文中，还可将可变电压源80识别为激励电压源80或者变化电压源80，其中列举的术语具有相同的意义。
[0004]这种技术的缺点是其对可能连接在电极输入节点与接地之间的任何寄生电容器Cpar且特别是对与输入焊盘有关的寄生电容器、输入放大器的保护和寄生电容器或者到源电压的寄生电容器的极度敏感。事实上，这些寄生电容器可能未与要测量的电容器区别开并因此影响测量结果。
[0005]专利FR 2 756 048描述了用于测量通常被用于接近检测的接地电容器的技术。这些技术的优点在于其精确性且在于其对寄生电容器相当不敏感。这是通过相对于接地不仅改变电容性电极的电压而且改变测量电路的所有电压而实现的。所有电压以与电容性电极的电压相同的方式改变，使得跨寄生电容器的电压不改变。为此，将所有输入电路或电荷放大器称为局部参考电位，也称为局部接地(通常是测量电路的基底)，由某个激励电路来促使其相对于全局接地而改变，所述某个激励电路诸如产生变化电压Vin的电压源。结合附图2来举例说明这种技术。如从图中可看到的，局部接地(浮置电压VF)因此相对于全局(外部)接地被浮置。由以局部接地为参考的浮置正和负源对读出电路进行供应。从测量电路视点出发，“只有”外部接地电压在改变，所有内部电路都以浮置电压为参考。因此，该测量对寄生的内部电容器不敏感。除在上文并结合图1提到的元件之外，图2中所示的电路还包括浮置域170和浮置源和接地175。
[0006]如已指出的，上文结合图1和2所述的电路的目的是通过使所有电路以内部接地或浮置接地(VF )为参考，抑制测量电路对电容性电极(对应于放大器的虚拟接地的节点)与外部接地之间的所有寄生电容器的灵敏度。
[0007]要测量的电容器Cin可远离测量电路，因此将Cin连接到测量电路的导线与全局(外部)接地之间的任何寄生电容器将被添加到被测量电容器。为了避免此错误，可通过使用保护电极使将Cin连接到测量电路的导线从外部接地解耦。然后必须将此保护电极连接到内部或浮置接地VF或相对于VF在恒定电压下偏置的节点，使得电容性电极与保护之间的电容器仍在恒定电压下被偏置，并且不影响测量结果。因此，测量电路可具有被连接到内部接地VF或者相对于该内部接地VF在恒定电压下偏置的保护输出端，并且应将电容器与测量电路之间的导线的保护连接到测量电路的此输出端，如图3中所示。除在上文并结合图1和2已经提到的元件之外，图3中所示的电路还包括保护30，并且用数字85来指示浮置电压VF。
[0008]在对于智能电话或平板电脑而言典型的显示器和触摸屏应用中，将电容性电极放置在IXD显示器的顶部上，并且要测量的电容在这些顶部电极与外部接地之间，通过接近于屏幕的手指。
[0009]然而，只对相对于手指而言在上侧的电容感兴趣，而相对于LCD和来自LCD的寄生信号的电容对检测手指的接近没有用。LCD的活动容易通过寄生电容器在读出电路中注入不想要的电荷，其可以窜改接近检测器的输出。因此，在电容性电极与LCD显示器之间插入导电保护层。关于触摸屏与测量电路之间的导线的保护，还应将此导电保护层连接到测量电路的保护输出端。
[0010]结合图4来举例说明此类测量布置，其中，IXD面板200被透明保护电极30覆盖，在其上面放置了连接到包括在读出电路120中的多个电容至数字转换器(CDC) 127的多个导电透明像素25。每个⑶C 127包括电荷放大器。由于可以将保护电极30视为等电位表面，所以其提供有效的静电屏蔽，并且可来自LCD 200的不想要的干扰被保护电位有效地筛选出且并未到达⑶C级127。在显示器200与保护30之间可存在多个寄生耦合电容210。此外，在保护30与测量电路120之间也可存在保护电容212和电容性电极25。
[0011]如上文所讨论的，读出电路包括可变电压源80，其产生连接到保护电位30和⑶C的电荷放大器的非反相输入端的参考电位85。在此配置中，CDC级具有低阻抗虚拟接地输入，并且像素或电容性电极25本质上被保持在保护电极30的电位85。输出端Vout_l、Vout_2、Vout_N处的信号的振幅与朝向电极25所见的接地Cin_l、Cin_2、……、Cin_N的各电容成比例。重要的是，跨寄生电容器212、连接在保护电极30与像素25之间的保护电容的电压是恒定的，因此这些寄生元件并未对读出有所贡献。
[0012]用于测量外部接地电容器的电路120因此包括多个构建块，如图5中所表示的。
-激励电压源80，用来产生浮置电压或浮置节点VF或局部接地，其相对于全局或外部接地可变；
-采集电路用于测量跨要测量电容器的电荷变化，并且产生信号或者优选地表示此电容的数字代码。根据电容性输入像素的数目，此电路可包括多个独立电容至数字转换器130，每个称为浮置接地VF。转换器130可包括电荷放大器126 (具有被连接在输出端与负输入端之间的反馈电容器的放大器，并且正输入端被连接到浮置电压VF (局部接地)和最终用于后处理的其它电路，诸如模数转换器128、滤波器、放大器、衰减器或输入复用器127 ;
-源电压(V+、V_)的产生:因为转换器130被参考至浮置接地，优选地应该用被参考至浮置接地而不是外部接地的电压源对其有源元件进行供应。浮置源单元175从被参考至外部接地的外部电压源Vdd产生所需的供应。浮置源175可包括电感变压器、升压或降压种类的DC/DC转换器、开关电容器电路或任何其它电压转换方案。
[0013]控制和时钟信号182的产生:采集电路的许多功能需要与在外部接地和内部或浮置接地之间施加的调制信号同步。特别地，电荷的检测必须与调制信号完美地同步。此外，需要在浮置电压域外面发射来自采集单元130的数据。
[0014]在许多应用中且特别是在涉及到触摸屏和接近检测的情况下，必须同时地或连续地测量大量的电容器。测量电路然后还可包括与130并联以用于测量大量电容器的多个采集链或采集电路。可在每个测量电路前面添加复用器127以便一个接一个地连续地对不同的输入电极进行寻址，也如图5中所示。在采集链前面的复用器允许按每个采集链连续地对多个输入端进行寻址，从而减少将在芯片上实现的采集链的数目。并且，当必须监视大量的电极时，可并行地或连续地、一个接一个地操作与图5的测量电路类似的多个芯片。
[0015]然而对可以用单个芯片来寻址的电容输入端的数目存在物理限制。由于实践原因，在两个连续输入焊盘之间存在最小节距，并且芯片的物理尺寸不能超过由所使用的过程的性质、热膨胀及其他约束确定的某些极限。当显示器上的电容单元的数目超过可以连接到单个芯片的输入端的数目时，必须使用多个芯片来对其全部进行寻址。
[0016]因此，需要用于测量接地电容器的改进方法和相应电路，尤其是需要用于用电荷放大、Σ Δ转换和复用残余量子化进行的接近检测的改进电容传感接口。
【发明内容】
[0017]根据本发明，用达到所附权利要求的目的的装置和方法来实现这些目标。
【附图说明】
[0018]借助于以示例方式给出且由以下附图示出的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中:
-图1至3示意性地示出了在电容测量中使用的已知电路，诸如:
-图1图示出在触敏面板和接近检测器中采用的用于测量接地电容器Cin的已知技术；
-图2图示出对寄生电容器不敏感的用于测量接地电容器的已知技术；
-图3图示出用于测量接地电容器的技术所采用的另一已知电路，该电路使用有源保护来使寄生电容耦合最小化；
-图4图示出用于测量多个电容器的技术(诸如在触摸屏中采用的那些)所采用的又一已知电路；
-图5图不出图4的电路的框图表不；
-图6和7是模拟信号或者分别地数字信号的数字求平均的框图表示；
-图8图示出具有Σ Λ调制器的采集链的实现；
-图9表示在转换的开始和结束时具有残余量子化以便扩展分辨率的具有Σ AADC的采集链；
-图10表示在转换的开始处具有积分器的重置且在转换结束时具有残余量子化以便扩展分辨率的具有增量型ADC的采集链；
-图11表示具有输入复用器、电荷放大器、ΣΔ或增量型ADC、残余ADC和数字加法电路的采集链； -图12表示带有具有输入复用器、电荷放大器、Σ Δ或增量型ADC、残余ADC和数字加法电路的多个采集链的测量电路；
-图13表示对4个输入电极进行寻址的信道，具有每个电极的电荷放大器和增量型或Σ Δ ADC和对所有电极共用的复用残余ADC ;
-图14表示Σ △转换的情况