Tx-rx电容式传感器的补偿电路的制作方法

专利名称：Tx-rx电容式传感器的补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用户界面设备领域，特别是电容式传感器设备。
背景技术：
计算设备，如笔记本电脑、个人数据助理系统(PDA)、自助式服务机、移动电话，均 具有用户界面设备，也称为人机交互设备(HID)。一种常用用户界面设备是触摸感应板(通 常也称为触控板)。基本笔记本电脑触摸感应板模拟个人电脑(PC)鼠标的功能。触摸感应 板通常嵌于PC笔记本中，以提供内置便携性。触摸感应板使用二个确定轴来模拟鼠标在X/ Y方向上的移动，这两个确定轴中饮食一组传感器元件，用于检测某一导电物体(如手指) 的位置。使用触控板附近的二个机械按钮，或者轻击触摸感应板本身，可模拟鼠标的右/左 按钮单击操作。触摸感应板提供了一种用户界面设备，用于执行诸如在显示器上定位光标 或选择某一项目之类的功能。这些触摸感应板可以包括多维传感器阵列，用于检测在多个 方向轴中产生的移动。传感器阵列可包括一维传感器阵列，用于检测在一个方向轴上产生 的移动。传感器阵列也可以是二维的，用于检测在两个方向轴中产生的移动。有一类触控板，其工作方式是利用电容传感器进行电容感应。由电容传感器所检 测到的电容，随一导电物体相对于该传感器的相对位置而变化。例如，导电物体可以是手写 笔或用户手指。在触摸感应设备中，由于导体的位置或移动，传感器阵列中X和Y方向上的 各传感器检测到的电容值会发生变化，可以通过多种不同方法测量这一变化值。无论采用 何种方法，通常由一处理设备处理一个代表各电容式传感器所检测电容值的电信号，该处 理设备又生成电信号或光信号，表示导电物体在X和Y方向上相对于触摸感应板的位置。触 摸感应条、滑块或按钮的工作方式均采用同一电容感应原理。第一类传统触控板由行列矩阵组成。在各行或列中有多个传感器元件。然而，各 行或列中的所有感应板耦合在一起，作为一个长传感器元件工作。第二类传统感应板由独 立传感元件的XY阵列组成，其中，一行或一列中的各个传感器元件独立感应。在此，各行及 列由多个传感元件组成，每个都能单独检测电容的存在和大小。因此，它们可用于检测任何 数量的同时触摸。界面设备(如触控板)中使用的电容式传感系统通常检测电容式传感器的电容变 化，这一变化是由于导电物体邻近或接触该传感器所产生的，但是，与该传感器的电容值相 比，如果该传感器所检测到电容变化非常小，电容变化检测能力会下降。例如，一电容式传 感元件被设置用于检测某一输入，该输入可以是手指或其他物体接近或接触该传感器，当 没有任何输入时，该传感器元件与地之间有一电容CP。电容CP也称为传感器的寄生电容。 对于有多个传感元件的电容式传感器，二个或更多传感元件之间也可能有互电容CM。传感器检测到的输入可能会导致电容变化CF，该变化值远低于CP或CM。因此，如果用数字编码 表示传感器电容，在数字编码所能表示的最小离散电容级别中，较大部分用于代表寄生或 互电容，而这些离散级别的较小部分代表电容变化CF。在这种情况下，很难以高分辨率来分 辨由输入导致的电容变化CF。


在附图中以示例方式而非限制方式对本发明进行说明。图1A是一种电子系统的具体实施例框图，该系统拥有一个处理设备，用于检测是 否存在导电物体。图1B是一种设备的具体实施例框图，该设备用于检测触控板上是否存在一输入 以及该输入的位置。图2A说明一种电路的具体实施例，该电路用于在电容式传感器上检测输入，同时 补偿电容式传感元件的寄生电容及互电容。图2B给出一组电压和电流波形，用于描述一种电容传感电路实施例的操作。图3说明一种电路的一个具体实施例，该电路用于检测一个输入的大小及位置， 同时补偿电容式传感器元件的寄生电容及互电容。图4说明一种电路的一个具体实施例，该电路用于检测一个输入的大小及位置， 同时补偿电容式传感器元件的寄生电容及互电容。图5说明一种电路的一个具体实施例，该电路用于向电容传感电路提供补偿电流。图6是一个流程图，说明了依照一个实施例，对电容传感电路中传感元件的寄生 电容及互电容进行补偿的过程。图7A是说明一个校准电路的实施例的方框图，该校准电路用于对补偿电路进行 校准。图7B是一个流程图，说明依照一个实施例，对电容传感电路中的补偿电流进行校 准的过程。
具体实施例方式本文描述一种方法和仪器，用于检测电容式传感器的电容值，并能同时补偿该传 感器的寄生电容影响到和互电容恒定部分。下面详细描述了各种具体细节，如具体系统、部 件、方法等的示例，以方便更好地理解本发明的一些实施例。但是，本领域的技术人员应当 理解，即使没有这些具体细节，也能实现本发明的至少一部分实施例。在其它示例中，对于 一些众所周知的部件或方法不做详细描述或者仅以简单框图进行说明，以避免对本说明造 成不必要的模糊。因此，该等特定细节仅作为例示。特定实施例可能与这些例示性细节有 所不同，但仍应认为属于包含本发明的精神和范围之内。本申请案描述了一种用于检测电容式传感器输入的方法与设备的实施例。在一个 实施例中，TX-RX电容式传感器的传感器元件包括最少一个发射(TX)电极及至少一个接收 (RX)电极。各个传感器元件(包括发射和接收电极)具有寄生电容CP和一个互电容CM。 传感器元件的寄生电容是传感器元件与地之间的电容。传感器元件的互电容是传感器元件与其它传感器元件之间的电容。 在一个实施例中，电容传感电路通过检测传感器元件的电容变化来检测电容式传 感器的输入。例如，手指放在传感器元件附近可能会导致传感器元件的电容降低。可以检测 这一电容变化的大小，并将其转换为可由计算机或其他电路处理的电压电平或数字编码。在一个采用电容式传感器(其拥有发射与接收电极)的实施例中，由于发射和接 收电脑之间存在电容耦合，所以施加至发射电极的信号将在接收电极感应出电流。接收电 极上感应电流的大小取决于两电极之间的电容耦合程度。物体(如手指)接近电极时，可 改变电极之间的电容及电极与地之间的电容。此变化又影响到在接收电极上所感应的电流 量。因此，感应电流的大小反映了由于该输入所导致的发射和接收电极的电容变化。在一 个实施例中，可进一步将感应电流转换成数字编码，并表示为有限个离散电平之一。除包括CF之外，所测得的传感器元件电容还包括寄生电容CP和互电容CM。基准电 容也可描述为该传感器元件在没有输入(如手指触摸)时的电容。如果Cp和CM引起的基 准电容相对于CF很大，则该数字编码分辨众多CF级别的能力将会下降。因此，由于是在CM 具有很大基值的情况下检测CM的微小变化，所有转换电路的动态范围未能得到有效利用。 因此，在一个实施例中，对cM基值的影响进行补偿，允许数字编码使用更大数量的离散级别 来分辨CF，通过将微小电容变化按比例放大到电容传感电路的整个输入范围上，改进动态 范围的利用。在一个补偿电路的实施例中，为了将寄生电容和互电容恒定部分的影响降至最 低，提供了一个补偿电流，对其进行校准，以消除传感器基准电容所导致的部分电流。因此， 当电容式传感器上没有输入时，来自接收电极的同步解调电流被降至最低。因此，该数字 编码所能分辨的离散级别中，就有更多级别可被用于表示CF的全部动态范围。在电路运行 时，使用电压缓冲使接收电极尽可能恒定，从而补偿接收电极的寄生电容Cp，减少电路运行 时对Cp进行充电所造成的影响。图1A是一种电子系统的实施例的框图，其中，可实施具有寄生电容和互电容补偿 电路的电容传感器。电子系统100包括处理设备110、触摸感应板120、触摸感应滑块130、 触摸感应按钮140、主处理器150、嵌入式控制器160和非电容传感元件170。处理设备110 可包括模拟和/或通用数字输入/输出(“GPI0”)端口 107。GPI0端口 107可编程。GPI0 端口 107可耦合到可编程互连和逻辑(“PIL”)，作为GPI0端口 107与处理设备110(未示 出)的数字块阵列之间的一个互连。在一个实施例中，使用可配置的用户模块(“UM”)，对 数字块阵列进行配置，以实现各种数字逻辑电路(如，数模转换器(DAC)、数字滤波器或数 字控制系统)。该数字块阵列可耦合到系统总线。处理设备110也可包括存储器，如随机存 取存储器(RAM) 105和程序闪速存储器104。RAM 105可以是静态RAM (SRAM)，程序闪速存 储器104可以是可用于存储固件(如可由处理内核102执行以实现本文所述操作的控制算 法)的非易失性存储器。处理设备110也可包括耦合至存储器和处理内核102的存储器控 制器单元(MCU)103。处理设备110也可包括模拟块阵列(未示出)。该模拟块阵列也耦合到系统总路 线。在一个实施例中，也可使用可配置的UM，对模拟块阵列进行配置，以实现各种模拟电路 (如，模数转换器(ADC)或模拟滤波器)。该模拟块阵列也可耦合到GPI0 107。如图中所示，电容传感电路101可集成到处理设备110中。电容式传感电路101可包括模拟I/O以耦合到外部组件，如触摸感应板120、触摸感应滑块130、触摸感应按钮140 和/或其它设备。下面更详细地描述了电容式传感电路101及处理设备102。本文描述的实施例不限于笔记本电脑所使用的触摸感应板，而是可用于其它电容 式传感实施方式，如，传感设备可以是触摸屏、触摸感应滑块130或触摸感应按钮140 (如电 容式传感按钮)。在一个实施例中，这些传感设备可包括一个或多个电容式传感器。还应 注意，本文描述的实施例可在电容式传感之外的其它传感技术中实施，如，电阻、光学成像、 表面波、红外线、色散信号和应变仪技术。同样，本文所述的操作不限于笔记本电脑光标操 作，而是可包括其它操作，如照明控制(调光器)、音量控制、图式均衡器控制、速度控制或 需要逐步或分散调整的其它控制操作。还应注意，电容式传感实施的这些实施例可用于非 电容式传感元件，包括但不限于选择按钮、滑块(如显示器亮度和对比度)、滚轮、多媒体控 制(如音量、跟踪推进等)手写识别和数字键盘操作。在一个实施例中，电子系统100包括通过总线121耦合到处理设备110触摸感应 板120。触摸感应板120可包括多维传感器阵列。多维传感器阵列包括组织为多行和多列 的多个传感器元件。在另一个实施例中，电子系统100包括通过总线131耦合到处理设备 110的触摸感应滑块130。触摸感应滑块130可包括单维传感器阵列。单维传感器阵列可 包括组织成多行或多列的多个传感器元件。在另一个实施例中，电子系统100包括通过总 线141耦合到处理设备110的触摸感应按钮140。触摸感应按钮140可包括单维或多维传 感器阵列。单维或多维传感器阵列可包括多个传感器元件。对于触摸感应按钮，传感器元 件可耦合到一起以检测整个传感设备表面上是否存在导电物体。或者，触摸感应按钮140 可具有单个传感器元件，用于检测是否存在导电物体。在一个实施例中，触摸感应按钮140 可包括一个电容式传感器元件。电容式传感器元件可用作非接触传感器元件。当受到绝缘 层的保护时，这些传感器元件可用于恶劣环境。电子系统100可包括一个或多个触摸感应板120、触摸感应滑块130和/或触摸感 应按钮140的任何组合。在另一项实施例中，电子系统100也可包括通过总线171耦合到 处理设备110的非电容传感器元件170。非电容传感器元件170可包括按钮、发光二极管 (LED)及其它用户界面设备，如鼠标、键盘或不需要电容式传感的其它功能键。在一个实施 例中，总线171、141、131和121可以是单个总线。另外，这些总线可配置成一个或多个单独 总线的任何组合。处理设备110可包括内部振荡器/时钟106和通信块108。振荡器/时钟块106 为处理设备110的一个或多个部件提供时钟信号。通信块108可用于通过主界面(I/F)线 151与诸如主处理器150之类的外部部件通信。或者，处理块110也可耦合到嵌入式控制器 160，以与诸如主机150之类的外部部件通信。在一个实施例中，可配置处理设备110，与嵌 入式控制器160或主机150通信，以发送和/或接收数据。处理设备110可位于公用载体板上，例如集成电路(IC)晶片基板、多芯片模块基 板或类似电路板。另外，处理设备110的部件可以是一个或多个单独的集成电路和/或分散 部件。在一个示范性实施例中，处理设备110可以是加州圣荷西的Cypress Semiconductor Corporation制造的芯片上可编程系统(PSoC )处理设备。或者，处理设备110可以本领 域技术人员熟知的一个或多个其它处理设备，如微处理器或中央处理单元、控制器、专用处 理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或类似处理设备。还应该注意，本文所述的实施例不限于将处理设备耦合到主机这种配置，可包括 如下系统测量传感设备上的电容，并将原始数据发送到主机，由应用程序在主机上对数据 进行分析。事实上，由处理设备110完成的处理过程也可在主机上完成。电容式传感电路101可集成到处理设备110的IC中，也可位于单独的IC中。或 者，可生成并编译电容式传感电路101的描述内容，以融入其它集成电路中。例如，使用硬 件描述语言(如VHDL或者Verilog语言)可生成描述电容式传感电路101或其某些部分 的行为层代码，并存储到机器可存取介质中(如，CD-ROM、硬盘、软盘等)。而且，该行为层 代码可编译到寄存器传送层(“RTL”)代码、网表或甚至电路布局，并存储到机器可存取介 质中。行为层代码、RTL代码、网表及电路布局都代表描述电容传感器电路101的各个抽象 层。请注意，电子系统100的部件可以包括上述所有部件。或者，电子系统100可以仅 包括上述部分部件。在一个实施例中，电子系统100可用于笔记本电脑中。或者，电子设备可用于其它 应用中，如移动电话、个人数据助理(PDA)、键盘、电视、遥控器、监视器、手持多媒体设备、手 持视频播放器、手持游戏设备或控制面板。图1B是一个框图，说明了 TX-RX电容触控板传感器的一项实施例和将所测得的电 容值转换到触控板坐标的电容式传感电路。触摸传感器120包括具有NXM个电极(N接收 电极和M发射电极)的矩阵125，它可进一步包括发射(TX)电极122和接收(RX)电极123。 矩阵125中的各个电极通过多路转接机112和113连接到电容式传感电路101。电容式传 感电路101包括多路转接机控制器111、多路转接机112和113、时钟生成器114、信号生成 器115、解调电路116和电流编码(电流至编码)转换器117。电流编码转换器117进一步 与触摸坐标转换器118耦合。电极矩阵125中发射和接收电极的排列方式使得每个发射电极与每个接收电极 交叉。因此，每个发射电极与每个接收电极进行电容式耦合。例如，发射电极122和接收电 极123在发射电极122和接收电极123的交叉点进行电容式耦合。时钟生成器114为信号生成器115提供时钟信号，信号生成器115生成将提供给 触摸传感器120发射电极的TX信号124。在一个实施例中，信号生成器115包括一套开关， 这些开关根据来自时钟生成器114的时钟信号进行操作。这些开关先将信号生成器115的 输出连接至电压源，然后连接至地，通过这种周期性变换，可生成TX信号124。信号生成器115的输出连接到多路转接机112，它允许TX信号124应用于触摸传 感器120的M个发射电极中的任意一个。在一个实施例中，多路转接机控制器111控制多 路转接机112，以便TX信号124依次应用到各个发射电极。多路转接机112也可用于将当 前未向其提供TX信号124的其它发射电极接地。由于发射和接收电极之间的容性耦合，被施加至每个发射电极的TX信号124将在 每个接收电极产生感应电流。例如，当TX信号124通过多路转接机112应用到发射电极122 时，TX信号124在矩阵125中的接收电极上感应出RX信号125。然后，可使用多路转接机 113将N个接收电极中的每一个电极依次连接到解调电路116，从而依次测量每个接收电极 上的RX信号125。
使用多路转接机112和113，选择TX电极和RX电极的每个可用组合，即可感测TX 电极与RX电极交点处的电容。当一物体(如手指)接近电极矩阵125时，该物体将导致电容值下降，而这一下降 情况仅会影响部分电极。例如，如果手指放在发射电极122和接收电极123的交点附近，手 指的出现会降低二个电极122和123之间的电容。因此，当接收电极上测量到电容降低时， 通过识别电容降低的接收电极和应用TX信号124的发射电极，即可确定手指在触控板上的位置。因此，通过依次确定矩阵125中各电极交点处的电容，即可检测一个或多个输入 的位置。解调电路116对感应电流波形125进行整流。然后，由电流编码转换器117对解 调电路116经过整流的电流输出进行滤波，并转换为数字编码。触摸坐标转换器118将数 据编码转换为触摸坐标，表示一输入在触摸感应板上的位置。图2A说明一个电容传感器电路的实施例，该电路包括一个补偿电路，用于将寄生 电容和互电容的影响降至最低。电容传感电路200包括多路转接机112和113、时钟生成 器114、信号生成器115、解调电路116和电流编码(电流至编码)转换器117。信号生成 器115包括开关211和212。解调电路116包括开关231、232和模拟缓冲233。电流编码 转换器117包括跨阻放大器(TIA)240和模拟数字转换器(ADC)242。TIA 240包括运算放 大器241和反馈网络243。时钟生成器114为信号生成器115提供两种不同的时钟信号时钟221和时钟 222。在一个实施例中，时钟221和时钟222信号为非重叠信号，因此决不会同时出现时钟 221和时钟222信号。信号生成器115包括开关211和212，分别受控于时钟221和时钟 222信号。因此，开关211和212以非重叠方式运行，将节点213首先连接到电压源Vec，然 后连接到地，以此交替进行。这将在节点213上生成一个在\c和地之间振荡的TX信号。多路转接机112将该TX信号施加到TX节点226。TX节点226可能是连接到多路 转接机112的许多发射节点之一。例如，参考图1B，TX节点226可代表电极矩阵125中的 一个发射电极，如发射电极122。TX节点226通过寄生电容CPT 223电容式耦合到地，并通 过互电容Cm225电容式耦合到RX节点227。由于TX节点226和RX节点227之间存在电容式耦合，所以施加到TX节点226的 TX信号在RX节点227上感应出相应信号。在一个实施例中，RX节点227可以是许多可以 使用多路转接机113进行选择的接收电极之一。例如，参考图1B，RX节点227可以是电极 矩阵125中的一个接收电极，如接收电极123。RX节点227通过寄生电容CPK 224与地进行 电容式耦合。图2B给出一些电压和电流波形，用于描述电容传感电路的一个实施例的工作方 式，该电路例如为电容传感电路200。参考图2B，TX信号波形261对应于节点213上的信 号，该信号通过多路转接机112应用到TX节点226。感应电流波形262描述了由TX信号 261在RX节点227上感应的电流，这一感应电流的生成是由于TX节点226和RX节点227 之间存在电容式耦合。该感应电流262被应用到解调电路116的输入端。解调电路116使用开关231和 232及模拟缓冲器233对感应电流262进行整流。分别使用时钟221和时钟222，以非重叠方式操作开关231和232。因此，在切换循环中的任何时刻，开关231和232不会同时闭合。 当开关231闭合时，模拟缓冲器233通过多路转接机113连接到RX节点227，并使RX节点 227上的电压保持恒定。在一个实施例中，模拟缓冲器233是一个单位增益放大器。模拟缓 冲器233的输入连接到节点234，运算放大器241将其驱动至VKEF。因此，当开关231闭合 时，模拟缓冲器233保持RX节点227上的电压水平VKEF。由于开关231和211都通过时钟221信号进行控制，所以开关231闭合的时期等 同于TX节点226连接到Vcc的时期。在此时期内，由于TX信号电压从地上升到Vcc，所以电 流流出RX节点227。由于开关232和212都受控于时钟222信号，所以在TX节点226接地期间，开关 232闭合。此时，由于TX节点226上的电压降低，所以电流流入RX节点227。当开关232闭合时，开关231打开且模拟缓冲器233从RX节点227断开。在此时 期内，RX节点227通过多路转接机113连接节点234。由于在此时间内，电流流入RX节点 227，所以电流通过闭合开关232流出节点234。因此，解调电路相当于感应电流262中负电流峰值的半波整流器。参考图2B，经整 流的电流263相当于节点234上整流的信号。经整流的电流263应用于电流编码转换器117的输入。电流编码转换器117接收 一个电流作为输入，并输出与该输入电流相对应的数字编码。因此，转换器117将经整流的 电流263转换为数字编码，该编码和经整流的电流263 —样，取决于TX节点226和RX节点 227之间的电容。然后，计算机或其它电路处理与这一测量电容相对应的数字编码。电流编码转换器117，使用跨阻放大器(TIA) 240和模拟数字转换器(ADC) 242，将 经整流的电流263转换为数字编码。TIA 240将电流263转换成电压，ADC 242将电压转换 成数字编码。电流263流入的节点234，连接到运算放大器241的一个反相输入，使其输出 通过反馈网络243连接到反相输入。运算放大器241将其输出驱动至特定电压水平，使其 反相输入端的电压大体等于施加至其同相输入端的电压VKEF。此TIA输出电压水平264被 ADC 242转换为数字编码。当电容式传感器上接收到输入时，TX节点226和RX节点227之间的电容发生变 化。例如，节点226和227可以是电极矩阵125中的电极。手指触摸节点226和227附近， 可将TX节点226上的TX信号261产生的部分电场转移到地。因此，手指触摸的效果是降 低TX和RX节点(226和227)之间的电容。向TX节点226和RX节点227之间的互电容Cm 225并联电容器Cf 230，可以模拟 由于电容式传感器上的输入所导致的电容变化。由于输入的出现降低了 TX节点226和RX 节点227之间的电容，所以Cf 230为负值。在物理上，Cf的负值表示，触摸时部分电场转移 到地导致累积互电容降低。当导电物体(如手指)接近TX节点226和RX节点227时，这些节点226和227 之间的电容降低，这意味着节点226和227之间的耦合电容降低。因此，由TX信号261在 RX节点227上感应的电流大小降低。如上所述，TIA 240对降低后的感应电流波形进行整 流，并将它转换成电压。所得电压中的下降幅度可转换成数字编码，并作为输入进行检测。由于输入所导致的电容变化CF相对于基准电容(来自于Cm 225和寄生电容 CPT223和CPK224)可能很小。因此，由于输入所导致的相应电压降低同样可能较小。例如，在
10没有输入时测得节点226和227之间的基准电容可能在3. OpF数量级。一个靠近节点226 和227的物体可能仅使电容降低几个百分点，降低至2. 9pF。由于电容变化Cf相对于基准电容很小，所以由于输入所导致的电压降低与电容式 传感器电极上没有输入时产生的基准备电压相比一样很小。因此，当电压转换为能分辨有 限级别的数字编码时，这些级别中仅有很少一部分对应于由输入所导致的电压变化的动态 范围。使用补偿电路可消除基准电容的这一影响，该补偿电路向解调电路116的整流电 流输出中添加一补偿电流。该补偿电流可用于消除整流电流中由于基准电容所导致的部分 电流。在一个实施例中，补偿电路包括用于为节点234提供补偿电流的电流数字模拟转 换器(IDAC)228。在一个实施例中，IDAC 228是可编程的IDAC，可从一系列可用电流水平 中为其选择输出补偿电流。在一个实施例中，一开关电容器可用于供应补偿电流。例如，该开关电容器的负电 极可连接地，而正电极交替在电压源和节点234之间切换。然后，调整切换频率以控制补偿 电流的水平。当电容式传感器上没有输入时，传感器的基准电容产生流出节点234的基准整流 电流。通过添加补偿电流的水平，IDAC 228取消基准电容的影响，使流入或流出节点234的 净电流量降至最低。当导电物体接近TX和RX节点226和227时，使用IDAC 228可将补偿电流添加到 由此产生的整流电流，以产生以过补偿的电流波形。经过补偿的电流波形应用到TIA 240 的输入。由于基准电容的影响被降至最低，所以由输入所导致的电容变化Cf可导致TIA 240输出电压产生较大降低。因此，补偿电路改善了 ADC 242动态范围的利用。在一项实施例中，在将经补偿的电流波形应用到ADC 242的输入端之前，TIA 240 使用反馈网络243过滤补偿电流波形，以减少电压输出的波动。在一个实施例中，反馈网络 243可以是一个包括反馈电阻器Rfb和反馈电容器Cfb的RC网络。在一个实施例中，解调开关231和232之前，补偿信号源可直接连接到多路转接机 113的输出。在一个实施例中，矩阵125中的每对发射和接收电极都执行上述检测和补偿过程。图3说明根据一个实施例在电容传感器电路300中进行基准电容补偿的过程，该 电容传感电路300对流出RX节点227的感应电流波形进行全波整流。电容传感电路300 包括IDAC 301和302、整流开关303和304、复位开关306和307、积分电容器301和311、 差分放大器308和模拟数字转换器(ADC) 309。电容传感电路300执行的全波整流提高了电路300抗低频噪声的能力，该低频噪 声例如为交流电(AC)源线或主电压所产生的噪声。例如，下一个阶段积累的相反电荷平衡 了上一个阶段60Hz交流电(AC)主电压变化导致的传感器电极中积累的寄生电荷。在电容式传感电路300中，通过操作开关303和304对流出RX节点227的感应电 流进行整流。在一个实施例中，开关303和212受控于第一个时钟信号，而开关304和211受控于不与第一个时钟信号重叠的第二个时钟信号。因此，开关303和304以非重叠方式 运行，对流出节点227的感应电流的正负部分均进行整流。例如，当开关304闭合时，开关303打开且开关211关闭。开关211将TX节点226 连接VDD。由于节点226和227之间的电容式耦合，所以TX节点226上的电压上升导致电 流流出RX节点227。流出RX节点227的感应电流通过闭合开关304供应到与差分放大器 308同相输入端相连接的节点。闭合开关303时，开关304打开且开关212闭合。开关211将TX节点226连接 地。由于节点226和227之间的电容式耦合，所以TX节点226上电压的降低导致电流流入 RX节点227。流入RX节点227的感应电流通过闭合开关303流出与差分放大器308反相 输入端相连接的节点。因此，第一个整流电流Iki 312流入差分放大器308的同相输入节点，第二个整流 电流Ik2 313流出差分放大器308的反相输入节点。IDAC 302和301提供补偿电流，该电 流的大小使得在没有输入时流入或流出这些节点的电流量降至最低。具体地，IDAC 301提 供流入反相输入节点的补偿电流，以消除流出该节点的电流Ik2 313。IDAC 302使补偿电流 流出同相输入节点，以消除流入该节点的电流Ik2 312。差分放大器308和积分电容器310和311作为差分积分器一起运行。积分电容器 310和311用于集成流入或流出差分放大器308的节点的电流净流量产生的电荷，允许整个 集成期内差分放大器308的各输入之间产生潜在的差异。根据此潜在的差异，差分放大器 308输出电压到将电压转换为数字编码的ADC 309。准备下一下集成期时，可关闭复位开关 306和307以使电容器311和310放电。图4阐述了，根据一个实施例，执行流出RX节点227的感应电流波形的全波整流 的电容式传感电路400中基准电容的补偿。电容式传感电路400包括差分放大器420。差 分放大器420包括运算放大器408和409及仪表放大器(INA) 410。运算放大器408和409 分别连接到反馈网络403和404。IDAC 401和402的补偿电流提供给差分放大器420的输 入节点。在电容式传感电路400中，如前面图3所述，开关303和304的运行整流流出RX节 点227的感应电流。因此，第一个整流电流Iki 412流入运算放大器409的反相输入节点， 第二个整流电流Ik2 413流出运算放大器408的反相输入节点。当没有输入时，IDAC 402 和401在优化流入及流出这些节点的电流流量水平提供补偿电流。具体地，IDAC 401提供 流入运算放大器408的反相输入节点的补偿电流以消除流出节点的电流Ik2 413。IDAC402 使补偿电流流出运算放大器409的反相输入节点以消除流入节点的电流Iki 412。差分放大器420的运算放大器408和409使其输出达到充足的电压水平以保持其 反相输入接近应用于运算放大器408和409的非相输入的参考电SVKEF。对运算放大器408 和409的输出电压进行滤波，以减少其电压波动。在一个实施例中，滤波由反馈网络403和 404完成，该网络可以包括反馈电容器Cfbi和Cfb2以及反馈电阻器Rfbi和RFB2。运算放大器408和409的输出电压可施加到测量放大器(INA) 410的反相和同相 输入端。INA 410根据这些电压产生一个输出电压，ADC 411将它转换成数字编码。图5说明一个补偿电路500的一个实施例，用于利用单个IDAC 507生成补偿电 流。补偿电路500包括电流反射镜501和502以及IDAC 507。
IDAC 507为电流反射镜502提供了参照电流Ikef 503。电流反射镜502反射电流 Ieef 503并生成电流Im 504和Ida。_506，它们大约等于Ikef 503。电流反射镜501进一步反 射电流IM，生成电流Idac+505，它大约等于IM。电流Idac+505和IDAC_506可用作一个电容传感 电路(如电容式传感电路300或400)的补偿电流，该电路具有全波整流功能。图6是一个流程图，描述了根据一个实施例，感测电容式传感器电容的过程。例 如，电容传感过程600可由电容传感电路200、300和400执行。在方框602中，可生成一个发射信号。在一个实施例中，该发射信号可以类似于TX 信号261，该信号的生成过程是将向其施加发射信号的节点交替连接到电压源Vrc和地。在方框604中，该发射信号可应用于发射电极，以在与该发射电极进行电容式耦 合的接收电极产生感应电流。例如，在电容传感电路200中，TX信号261可应用于TX节点 226，以感应出流入或流出RX节点227的电流。所生成的感应电流波形可包括正负峰值，分 别对应于流入和流出接收电极的电流。在方框606中，可对感应电流波形进行整流。在一个实施例中，将用于生成该发射 信号的切换过程同步操作一些开关(如开关231和232)，即可执行整流。在一个实施例中， 使用半波整流器(如电容传感电路200中的解调电路116)可对感应电流波形进行整流。或 者，该整流可以是如电容传感电路300或400中执行的全波整流。在方框608中，可将补偿电流添加到整流后的电流。例如，在电容传感电路200中， IDAC 228将补偿电流添加到流出节点234的经过整流的电流。在一个实施例中，补偿电流 的大小大约等于基准整流电流的大小。IDAC228向点234提供补偿电流，以补偿流出节点 234的基准整流电流。在方框610中，经补偿的电流波形可转换为输出电压。在一个实施例中，由跨阻放 大器(TIA)执行此转换。例如，在电容传感电路200中，由TIA 240将该以过补偿的电流波 形转换成电压。此外，该转换可以由差分积分器执行，如电容式传感电路300的差分积分 器，它包括差分放大器308以及电容器310和311，或者由差分放大器执行，如电容式传感电 路400的差分放大器420。在方框612中，可对输出电压进行滤波，以减少输出电压的波动。如果用于生成该 输出电压的电流是由一个包含脉冲串的发射信号感应生成，则该输出电压波动明显。例如， TX信号261被应用于发射电极时，会产生具有相应周期脉冲的经整流电流263。如果不经滤 波直接转换为电压，此整流电流会产生波动明显的输出电压。因此，在一个实施例中，可以 由一个反馈网络完成该滤波过程，例如连接到运算放大器241输出端的反馈网络243。在另 一个实施例中，该滤波可由积分电容器完成，如电容传感电路300的Cinti 311和Cint2 310， 或电容传感电路400的反馈网络403和404。这一滤波过程会减少由该整流电流所生成输 出电压中的波动。例如，TIA输出264是TIA 240的输出，其电压波动明显小于未经滤波所 产生的电压。在方框614中，可将经过滤波的输出电压可转换成数字编码。在一个实施例中，输 出电压向数字编码的可由模拟数字转换器(ADC)执行，如电容传感电路200的ADC 242、电 容传感电路300的ADC 309或电容传感电路400的ADC 411。在一个实施例中，输出比特流 中置位比特的密度可代表输出电压。或者，可以使用二进制编码代表输出电压的水平。可 以使用计算机系统或其它电路处理该数字编码。
在一个实施例中，在电容式传感电路的运行期间，可连续执行方框602-614中所 代表的操作，以便连续跟踪电容式传感器的输入。例如，如果电容式传感器是电极矩阵，如 电极矩阵125，电容传感电路可跟踪一段时间内产生输入的手指位置。在另一个实施例中， 可定期执行电容传感过程600的操作。图7A给出一个校准电路的实施例框图，该电路用于对补偿电路进行校准。该校准 电路和补偿电路可用于电容式传感电路，如电容式传感电路200、300或者400。校准电路 700可用于设置适当的补偿电流，由IDAC 702所代表的补偿电路输出。在一个实施例中，校 准电路700确定一个补偿电流，其大约等于由解调电路116输出的基准整流电流。当电容 式传感器上没有输入时，基准整流电流是解调电路116输出的整流电流。在一个实施例中，当没有输入时，校准电路700可以校准IDAC 702，以便校准电路 700可检测基准整流电流。例如，如果在用户界面设备中同时使用校准电路700、电容式传 感电路和电容式传感器，当指示用户不要触摸电容式传感器时，或当不希望出现电容式传 感器的输入时，可执行校准过程。此时，根据一个实施例，解调电路对来自接收电极的基准 感应电流波形进行整流，以生成基准整流电流。电流编码(电流至编码)转换器117将基 准整流电流转换为数字编码并发射到校准电路700。然后，校准电路700处理数字编码。例如，校准电路700接收的数字编码可以包括 一系列数字编码的电压电平，校准电路可计算不同时间的平均值。校准电路700也可以对 数字编码执行其它操作，如增加或减少偏移量，或滤波。根据处理的数字编码，校准电路决定IDAC 702要输出的补偿电路水平，并将代表 此水平的值存储在存储器701中。在一个实施例中，校准电路700在存储器701中存储一 个补偿电流水平，其大约等于校准过程中所检测到的基准整流电流平均值。在一个实施例中，当IDAC 702输出补偿电流时，由于补偿电流水平取决于经验决 定的基线整流电流，补偿电流更可能准确地消除基准整流电流。电容式传感电路的正常运行期间(即电容式传感电路正检测电容式传感器上的 输入)，校准电路700可访问存储器701，以确定IDAC 702输出的补偿电流水平。校准电路 控制IDAC 702，使IDAC 702输出此水平的补偿电流。在一个实施例中，校准电路700和IDAC 702所代表的补偿电路，可以实施于一个 测量许多传感器元件电容值的电容式传感电路中。例如，可以配置电容式传感电路，以测量 电极矩阵(如矩阵125)中每对发射和接收电极之间的电容。对于这样的实施例，校准电路 可针对每个可能的发射和接收电极对执行校准过程。例如，如果电极矩阵包括20个发射电 极和30个接收电极，校准过程将执行20X30次，或600次。因此，对于每个可能的发射和 接收电极对执行一次校准过程。由此产生的600个补偿电流水平存储于存储器701中。电 容式传感电路正常运行期间，可以从存储器中提取特定发射和接收电极对相关的补偿电流 水平，并用于消除在感测该特定电极对的电容时所产生的基准整流电流。图7B是一个流程图，阐述了用于校准电容式传感电路中所用补偿电路的过程。校 准过程750的操作可由校准电路700执行。该校准过程可开始于方框752，并在方框754中继续。在方框754中，最初的发射 和接收电极对可连接到电容式传感电路。例如，在电容式传感电路101中，多路转接机控制 器111可用于控制多路转接机112，以将最初发射电极连接到信号生成器115，并控制多路
14转接机113，以将最初接收电极连接到解调电路116。在方框756中，用作补偿电路的IDAC可设置成起始值。在一个实施例中，IDAC是 一个可编程IDAC，通过在该IDAC的寄存器中存储一数字值，即可为其设定输出电流。在一 个实施例中，补偿电路可使用电流源(如开关电容器)，其中可调整开关频率以设定电流输
出ο在方框758中，IDAC可用于根据其当前设定值，向基准整流电流增加一电流。例 如，在电容式传感电路200中，IDAC 228向节点234提供补偿电流。由于基准整流电流流 出节点234，所以IDAC 228提供的补偿电流被添加到基准整流电流。例如，基准整流电流可 流出节点234，且补偿电流可提供到节点234，减少节点234输出的净电流。在方框760中，校准电路可测量经过补偿的电流，该电流是将IDAC输出的电流增 加到基准整流电流之后所生成。在一个实施例中，校准电路接收代表经补偿电流水平的数 字编码。例如，电流编码转换器117可将经补偿电流转换成数字编码，发射到校准电路700。在判断方框762中，校准电路可决定是否已经利用当前选择的IDAC电流值将经补 偿电流最小化。在一个实施例中，校准电路(如校准电路700)将代表经补偿电流的数字编 码值与一个阈值进行对比，以确定经补偿电流是否充分最小化。在一个实施例中，该阈值表 示在任何方向中可接受的最大电流流量。如果经补偿电流流量小于此阈值，则校准电路进 入方框764。否则，校准电路进入方框768。在方框768中，可调整IDAC值。在一个实施例中，此调整对应于降低IDAC输出的 电流水平。或者，此调整可导致IDAC输出电流增加。方框768中的IDAC电流是增加是降 低，取决于方框756或方框764上设置的IDAC电流值是高于还是低于预期的最终补偿电 流。在一个实施例中，使用线性搜索算法，其中，IDAC设置为高初始值且逐步减少到目标值。 此外，也可使用其它搜索算法，如逐次近似算法。根据正在使用的搜索算法设置IDAC值，且 使用新IDAC设置继续此过程直到方框758。因此，方框768、758、760和762可重复此过程，直到IDAC值使经补偿电流降至足 够低。当IDAC值使经补偿电流降至足够你时，该过程根据方框762的判断，前进至方框764。在方框764中，将足以使经补偿电流最小化的IDAC值存储于本校准电路的存储器 中。例如，IDAC值可作为数字值存储于校准电路700的存储器701中。在判断方框766中，校准电路可判断是否已经为所有发射和接收电极对确定了 IDAC值。如果还没有处理所有电极对，则该过程在方框770处继续。在方框770中，校准电路可将下一对发射和接收电极连接到电容式传感电路。然 后在方框756处继续此过程。因此，可以重复方框770、756、758、760、762、768、764和766，直到为每对发射和接
收电极确定了能够使经补偿电流降至最低的IDAC值。当已经为每对发射和接收电极确定了 IDAC值时，校准过程750根据判断方框766 继续前进至方框780。在方框780中，过程750结束。当校准过程750完成时，已经为每对发射和接收电极确定了补偿电流。在一个实 施例中，这些补偿电流值存储于校准电路700的存储器701中。电容式传感电路正常运行 时，当选择了特定发射和接收电极对时，可从存储器701中找回该电极对相关的补偿电流， 并用于设置补偿电路的输出电流。因此，校准电路和补偿电流水平可补偿不同发射和接收电极对之间的互电容和寄生电容的差异。本文里所述的实施例包括一种电容传感电路，其通过将一发射信号施加到发射电 极以在接收电极产生感应电流，感应发射和接收电极之间的电容。电容传感电路的实施例 还对发射电极和接收电极之间的基准电容进行补偿，以优化该电容传感电路的动态范围利用。本文所述的实施例可拥有保留开关电容器方法所有优点(特别是抗RF/EMI噪声 信号干扰的出色能力)的优势，从硬件和软件角度来看，本文所述实施例可以很容易地实 施于现有设备和未来设备中。本文所述的本发明实施例包括各种操作。这些操作可通过硬件部件、软件、固件或 其组合执行。本文所用的术语“耦合”可表示通过一个或多个中间部件直接或间接耦合。本 文所述通过各种总线中提供的任何信号可以与其它信号一起分时复用，并通过一个或多个 公用总线提供。此外，电路部件或方框之间的相互连接可显示为总线或单个信号线。或者， 各总线可以是一个或更多单独信号线，或者各单独信号线可以是总线。某些实施例可作为实施为计算机程序产品，其可以包括存储在机器可读介质中的 指令。这些指令可用于编程通用或专用处理器，以执行所述的操作。机器可读介质包括以机 器(如计算机)可读的方式(如软件、处理应用程序)存储或发送信息的任何机制。机器 可读介质可以包括，但不限于，磁存储介质(如软盘)；光学存储介质(如CD-ROM)；磁-光 学存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦写可编程存储器(如EPROM 和EEPR0M)；闪存；电子、光学、声学或其它形式的传播信号(如载波、红外线信号、数字信号 等)；或适合存储指令的其它类型介质。此外，一些实施例可以在分布式计算环境中执行，其中不只一个计算机系统存储 和/或执行机器可读介质。此外，计算机系统之间传输的信息可以在计算机系统连接的通 信介质之间使用。尽管这里按特定顺序描述各种方法的操作，但各方法的操作顺序可改变，以便以 相反顺序执行某些操作或以便至少部分操作与其它操作同时执行。在另一个实施例中，可 以间歇地和/或交替执行完全不同的操作的指令或子操作。在以上说明中，已经参考特定例示性实施例描述了本发明。但是，在不背离本发明 的精神和范围的情况下，显然可进行各种修改和变化，本发明之精神和范围如权利要求书 部分所列。因此，说明和示意图应从描述意义而不是限制意义进行理解。
权利要求
一种仪器，其包括电容式传感器，包括发射电极和接收电极，其中，接收电极与发射电极进行电容式耦合；信号生成器，与发射电极耦合且配置用于通过将发射信号应用到发射电极，在接收电极上生成感应电流波形；与接收电极相耦合的解调电路，其中该解调电路被配置用于根据感应电流波形输出经整流电流；及与解调电路耦合的补偿电路，其中，该补偿电路被配置用于将补偿电流添加到经整流电流，以产生经补偿电流波形。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中，该补偿电流大约等于由于发射电极和接收电极 的基准电容所引起的电流量。
3.根据权利要求1所述的仪器，其中，该补偿电路包括可编程电流数字模拟转换器 (IDAC)。
4.根据权利要求1所述的仪器，还包括用于根据所测得的电容值调整补偿电流的校准 电路。
5.根据权利要求4所述的仪器，还包括用于存储补偿电流值的存储器，其中，该补偿电 流值与发射电极和接收电极对相关。
6.根据权利要求5所述的仪器，其中，该校准电路用于根据配对发射电极和接收电极 之间的测量电容决定补偿电流值。
7.根据权利要求1所述的仪器，其中，该电容式传感器还包括多个发射电极和多个接 收电极。
8.根据权利要求1所述的仪器，还包括用于根据经补偿电流波形生成输出电压的跨阻 放大器。
9.根据权利要求1所述的仪器，还包括用于减少经补偿电流波形中电压波动的滤波
10.根据权利要求1所述的仪器，其中该解调电路包括与接收电极耦合的第一半波整流器，用于根据感应电流波形的正波输出正整流电流；及与接收电极耦合的第二半波整流器，且用于根据感应电流波形的负波输出负整流电流。
11.根据权利要求10所述的仪器，其中该补偿电路包括 一第一电流源，用于将补偿电流添加到正整流电流；和 一第二电流源，用于将一第二补偿电流添加到负整流电流。
12.一种方法，其包括将发射信号应用于与接收电极具有电容式耦合的发射电极，使接收电极产生感应电流 波形；整流感应电流波形以产生整流电流；及将补偿电流添加至该经整流电流，以产生经补偿电流波形。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该补偿电流大约等于发射电极和接收电极的基准电容引起的电流量。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括根据所测得的电容值调整补偿电流。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括存储补偿电流值，其中，该补偿电流值与发射 电极和接收电极对相关。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括根据发射电极和接收电极对之间测得的电容 决定补偿电流值。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括根据经补偿电流波形产生输出电压。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括减少经补偿电流波形的电压波动。
19.一种仪器，其包括根据电容式传感器的电容值产生感应电流波形的构件； 根据该感应电流波形产生以整流电流的构件；和 通过将补偿电流添加到经整流电流产生经补偿电流波形的构件。
20.根据权利要求19所述的仪器，其中，该补偿电流大约等于电容式传感器的基准电 容引起的电流量。
全文摘要
一种电容式传感器可能包括发射电极和与发射电极进行电容式耦合的接收电极。电容式传感电路通过将一信号应用到发射电极并对接收电极上的感应电流波形进行整流，感测发射电极和接收电极之间的电容。一补偿电路通过将一补偿电流添加到以整流电流，减少发射和接收电极的互电容和寄生电容的影响。
文档编号G01R27/26GK101896825SQ200880120802
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月14日
发明者安德理·马哈瑞塔, 维克特·奎曼 申请人:赛普拉斯半导体公司