专利名称：具有流水线化的电容感测的电路、装置和方法
技术领域：
本公开总地涉及电容感测电路，并且更具体地涉及可以使针对电容感测器组的感测操作流水线化的电容感测电路。
背景技术：
参照图17A，示出了电容感测系统1700。电容感测系统1700包括电容元件1702-1至1702-n、感测通道1704-1至1704_n、多路复用器(MUX) 1706以及模数转换器(ADC) 1708。电容元件(1702-1至1702-n)由发射电极(Tx)和接收电极(Rxl至Rxn)之间的互电容形成。这种电容可以响应于物体触摸或者靠近含电极的表面而变化。感测通道(1704-1至1704-n)每个都包括低噪声放大器(LNA)(—个示出为1708)、混频器(一个示出为1710)和积分器(一个示出为1712)。每个感测通道(1704-1至1704-n)生成与所感测的电容对应的电压。MUX 1706将每个感测通道(1704-1至1704_n)的输出顺序连接到ADC 1708。ADC 1708将来自积分器(例如1710)的模拟输出转换成数字输出值DOUT。参照图17B，在定时图中示出了系统1700的电容感测操作。波形CHs示出了系统中的感测通道的操作。波形ADC示出了 ADC 1708的操作。在大约时刻t0，对应于Rx电极，可以生成信号。在大约时刻tl，一旦对于感测通道(1704-1至1704-n)获取模拟值过去了足够的时间，则MUX 1706开始将每个通道顺序连接到ADC 1708。来自通道CHl (1704-0)的模拟值是由ADC 1708转换的第一值。一个接一个地，将每个通道连接到ADC 1708，并且将感测通道生成的模拟值转换成数字值。在时刻t2，MUX 1706可以将下一通道切换到ADC 1708，该ADC1708可以针对该行的下一通道(在本情况中为通道CH2)生成数字值。这可以继续直到感测了行I的所有通道。在大约时刻t3，对应于下一行(行II)的Rx电极，可以生成信号。可以以相同方式继续针对该下一行的感测。如从上面理解的，在所示方法中，针对一行(即行II)生成信号直到在ADC 1708已完成针对前一行(即行I)转换值才开始。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种电容感测电路，其包括多个采样保持(S/H)电路，每个都被配置为对与对应的感测通道感测的电容对应的模拟值进行采样和存储；以及多路复用器(MUX)电路，具有耦合到每个S/Η电路的不同输入以及耦合到模数转换器(ADC)的输出。在本发明的另一方面中，提供了一种方法，包括从第一电容感测器生成第一模拟信号；对第一模拟信号进行采样；以及将所述第一模拟信号顺序地转换成数字值，同时从第二电容感测器生成第二模拟信号。在本发明的又一方面中，提供了一种电容感测系统，包括多个感测通道，每个都被配置为响应于电容感测信号来生成模拟电压；采样保持(S/Η)电路，与每个感测通道对应；选择电路，被配置为将所述S/Η电路顺序地耦合到同一模数转换器(ADC);以及控制器电路，将从所述ADC输出的数字值与至少一个阈值相比较。·
图I是根据一个实施例的电容感测电路的方框示意图。图2是示出根据一个实施例的如图I那样电路的操作的定时图。图3是示出根据另一实施例的电容感测电路的操作的定时图。图4是根据又一实施例的电容感测电路的方框示意图。图5是示出根据一个实施例的如图4那样电路的操作的定时图。图6A至图6D是示出根据实施例的采样保持电路和操作模式的一系列方框示意图。图7是根据一个实施例的电容感测装置的方框示意图。图8是示出根据一个实施例的如图7那样装置的操作的流程图。图9是根据一个实施例的电容感测系统的方框示意图。图10是根据另一实施例的电容感测系统的方框示意图。图IlA至图IlC示出了在实施例中可以包括的电容感测阵列。图12A至图12C是示出了根据一些实施例的触摸屏控制的系统的示图。图13是根据一个实施例的电容感测方法的流程图。图14是根据一个实施例的互电容感测方法的流程图。图15是根据另一实施例的电容感测方法的流程图。图16是根据又一实施例的电容感测方法的流程图。图17A和图17B是电容感测系统的方框示意图和定时图。
具体实施例方式现在将参照多个附图详细描述各种实施例。这些实施例示出用于感测多个元件的电容的电路、系统和方法，其中对一元件集的值进行采样并且保持以用于转换成数字值，同时针对下一组感测元件生成感测信号。以此方式，不同元件组的电容感测可以被“流水线化”。参照图1，在方框图中示出根据第一实施例的电容感测电路并由总体参考符号100标示。电路100可以包括多个感测通道102-1至102-n、采样保持(S/Η)电路104-1至104-n、多路复用器(MUX)电路106以及模数转换器(ADC) 108。在一个实施例中，采样保持(S/Η)电路104-1至104-n的数目可以与感测通道102-1至102_n的数目相同。电路100可以输出与针对一组电容感测器(示出为110)所感测的电容对应的一系列数字值(DOUT)。在所示出的特定实施例中，电路100可以以分隔的时间连接到不同的电容感测器组(例如GRP I 109-0，GRP II 109-1)。尽管示出了两个电容感测器组(109-0/1)，但应理解，实施例可以贯穿很多组电容感测器来循环。每个感测通道102-1至102-n可以生成针对对应的电容感测器(例如110)的感测值。在一些实施例中，每个感测通道(102-1至102-n)可以放大在对应的感测器(例如110)上生成的信号。更具体而言，每个感测通道(102-1至102-n)可以放大经由互电容耦合驱动在电容感测器上的信号。然而，在其它实施例中，电容感测器可以在没有驱动信号的 情况下测量电容(例如，每个通道可以感测电容感测器的自电容)。每个S/Η电路(104-1至104_n)可以对从对应的感测通道(102_1至102_n)输出的模拟值进行采样，并存储这样的值以用于由ADC108进行转换。注意到，一旦值保持在S/H电路(104-1至104-n)内，则对应的感测通道(102-1至102_n)可以开始感测新的电容值。在特定实施例中，S/Η电路(104-1至104-n)可以基本上同时地对来自对应的感测通道(102-1至102-n)的值进行采样。这样的能力可以使得在将先前采样的值转换成数字值的同时感测下一组电容值。在一些实施例中，每个S/Η电路(104-1至104_n)可以具有等待模式，该等待模式不同于采样模式或保持模式。在采样模式中，S/Η电路(104-1至104-n)可以从对应的感测通道(102-1至102-n)接收感测值(例如电压)。在保持模式中，S/Η电路(104-1至104-n)可以保持该感测值以用于由ADC 108进行转换。相比之下，在等待模式中，S/Η电路(104-1至104-n)可以保持感测值，将其与ADC 180和对应的感测通道(102-1至102_n) 二者隔离。在一些实施例中，每个S/Η电路(104-1至104-n)可以包括有源电路元件，该有源电路元件可以基于操作模式(例如采样、等待、保持)在不同功耗配置之间进行切换。在一个实施例中，每个S/Η电路(104-1至104-n)内的有源电路元件在采样和等待模式中可以处于低功耗状态/无功耗状态，其中这种有源电路元件是不操作的。然而，在保持模式中，这种有源元件可以切换到操作状态，从而消耗比低功耗状态/无功耗状态中更高的功率。MUX 106可以为一个切换电路或一组切换电路，其可以将每个S/Η电路(104_1至104-n)选择性地连接到ADC 108的输入。每个S/Η电路(104-1至104_n)可以存储其采样值直到采样值已经输出到ADC 108。MUX 106因而可以按照预定次序将各个采样值连接到ADC 108以使得能够将这样的值从模拟形式转换成数字形式。ADC 108可以将从MUX 106接收到的模拟值转换成数字值。ADC 108可以采取任何合适的ADC的形式，作为(但为少许)例子包括但不限于“快闪式”ADC、E -Λ (调制)ADC、逐次逼近寄存器(SAR)型ADC或集成ADC。注意到，实施例包括比感测通道更少的ADC。在所示实施例中，针对一组感测通道可以存在一个ADC。如上面所注意到的，模拟值的采样和保持可以使得感测通道能够在前一集被转换的同时对下一电容集测量进行操作。这样的操作在图2中示出，并且可以是由图I所示的实施例执行的一种类型的操作。参照图2，在定时图中示出根据一个实施例的电容感测操作的例子。图2包括以下波形感测0PS，示出了感测通道的操作；S/H 0PS，示出了 S/Η电路的操作；以及ADC 0PS,示出了 ADC的操作。
在大约时刻t0，如感测OPS所示，可以在一组感测通道上针对第一组(GRP I)电容感测器生成模拟信号。如上面在实施例中那样，这种动作可以包括互电容感测方法，其中将发射信号电容性地耦合到电容感测器并且然后进行放大。备选地，这种动作可以包括自电容感测方法，其中每个感测通道向对应的电容感测器施加信号以感测感测器的电容(例如，关于参考电势，诸如接地)。在大约时刻tl，如S/H OPS所示，可以对GRP I模拟值进行采样、一些被维持在等待状态并且然后保持以由ADC进行转换。ADC OPS示出由ADC将这种保持的值转换成数字值。同样在时刻tl，由于GRP I值由S/Η电路保持(或等待)，而与感测通道无关，如由波形SENSING OPS所示，感测通道可以开始感测下一组模拟信号(GRP II)的电容，而不等待完成第一组的转换。这与类似图17B的方法形成鲜明的对比，在类似图17B的方法中第二组的感测直到在完成第一组的转换才开始。在大约时刻t2，上述操作可以按照“流水线化”方式继续，以向ADC提供连续组的所保持(或等待)的模拟值，同时针对其他组生成新的模拟值。波形感测OPS示出依赖于 被感测的电容感测器组的数目，感测如何可以继续到下一组(GRP III)，或者可以返回到先前感测的组(GRP I)。上述描述已经描述了其中通过同一组感测通道执行连续感测操作的操作。然而，备选实施例可以在感测通道集之间进行切换。这样的实施例在图3中表示。参照图3，在定时图中示出根据另一实施例的电容测量操作的例子。图3包括以下波形通道GRP I，示出了第一组感测通道(CHl至CHn)的感测操作；通道GRP II，示出了第二组感测通道(CH(n+l)至CH(2n))的感测操作；S/H CHl至S/H CH(2n)，示出了采样保持电路的操作；以及ADC，示出了 ADC的操作。在大约时刻t0，第一组感测通道(感测CHl至CHn)可以开始从电容感测器获取值。在大约时刻tl，与第一组感测通道对应的S/Η电路(S/H CHl至CHn)可以对由这种感测通道提供的模拟值进行采样。在大约时刻t2，可以保持一个通道(在所示例子中为CHl)的模拟值以用于由ADC进行转换。在一些实施例中，剩余通道(即CH2至CHn)可以处于等待状态，从而保存它们的模拟值直到模拟值被ADC顺序转换成数字值。在这样的值等待或者保持和转换时，第二组感测通道(感测CH(n+l)至CH(2n))可以开始从另一组电容感测器获取值。在所示特定实施例中，在大约时刻t3，S/H CHl的模数转换可以完成，并且S/H CH2可以保持其模拟值以用于进行转换。与此同时，剩余通道(例如CH3至CHn)仍然处于等待状态，等待它们的模拟值的转换。在大约时刻t4，与第二组感测通道对应的S/Η电路(S/H CH(η+1)至CH(2η))可以对由它们对应的这种感测通道提供的模拟值进行采样。在所示实施例中，同样在此时刻，来自前一组的最后通道(CHn)可以保持其模拟值以用于由ADC进行转换。在大约时刻t5，可以保持一个通道(在所示例子中为CH(n+l))的模拟值以用于由ADC进行转换。在一些实施例中，剩余通道(即CH(n+2)至CH(2n))可以处于等待状态，从而保存它们的模拟值以用于随后通过ADC转换成数字值。在如图3那样的实施例中，较大的多路复用器可以将不同的S/Η电路集切换到同一 ADC。现在参照图4，在方框示意图中示出根据另一特定实施例的电容感测电路并且由总体参考符号400标示。电路400可以包括感测通道402-1至402_n、S/H电路404-1至404-n (—个对应于每个感测通道(402-1至402_n))、MUX 406以及ADC 408。每个感测通道(402-1至402-n)可以感测一个或多个电容元件(一个集示出为410-1至410_n)的电容。在所示特定实施例中，每个电容元件(例如410-0至410-n)可以由发射电极(Tx)与接收电极(Rxl至Rxn)之间的互电容形成。每个元件(例如410-0至410-n)的电容可以响应于物体靠近电极而变化。在一些实施例中，发射电极(Tx)可以由周期性发射信号来驱动以在接收电极(Rxl至Rxn)上引发周期性感测信号。在图4的实施例中，每个感测通道(402-1至402_n)可以包括低噪声放大器(LNA)(412-1至412-n)、混频器电路(414-1至414_n)以及积分器电路(416-1至416_n)。每个LNA(412-1至412-n)可以包括耦合在反向输入㈠和输出之间的反馈电容器Cf。反向输 入(-)也可以连接到被感测的电容元件(410-1至410-n)。非反向输入(+)可以连接到参考电压，在本实施例中参考电压可以是接地。在特定实施例中，每个LNA(412-1至412-n)可以放大由发射信号在其对应的输入上引发的周期性信号。混频器电路(414-1至414-n)可以将参考信号与由对应的LNA(412_1至412_n)提供的电容感测输出信号进行混频。从混频器电路(414-1至414-n)得到的输出信号可以被提供给积分器电路(416-1至416-n)。在所示实施例中，混频信号可以为周期性信号sin(on)。在一个特定实施例中，可以利用周期性的驱动信号来驱动发射电极Tx，并且可以选择sin(cot)参考信号的频率以将来自对应的LNA (412-1至412-n)的输出的期望部分传递给积分器电路(416-1至416-n)。积分器电路(416-1至416_n)可以对从混频器电路(414-1至414-n)输出的周期性信号进行积分以生成与这样的信号对应的模拟电压。尽管在一些实施例中积分器电路(416-1至416-n)可以为反向积分器电路，然而在备选实施例中，积分器电路(416-1至416-n)可以为非反向积分器电路。每个S/Η电路(404-1至404_n)可以对从对应的积分器(例如416)输出的模拟电压进行采样并保持这样的值以用于输出到MUX406。在一些实施例中，S/Η电路(404-1至404-n)中的一些或者全部可以如上述那样具有采样、等待和保持模式，或者等同方案。此外或者备选地，如上所述，S/Η电路(404-1至404-n)在采样和等待模式中可以置于低功耗状态/无功耗状态，并且在保持模式中切换到操作状态，或者等同方案。在所示实施例中，S/H电路(404-1至404-n)可以根据控制信号SH_ctrll至SH_ctrln来控制。在一个实施例中，控制信号(SH_ctrll至SH_ctrln)可以使得S/Η电路(404-1至404_n)能够基本上同时地置于采样模式，因而，可以基本上同时地对模拟电容值进行采样。控制信号(SH_ctrll至SH_ctrln)也可以使得S/H电路(404-1至404_n)能够顺序地置于保持模式。在特定实施例中，控制信号(SH_ctrll至SH_ctrln)可以将S/Η电路(404-1至404_n)置于采样模式与保持模式之间的等待模式。MUX 406可以响应于选择信号SEL来将各个S/Η电路(404-1至404_n)顺序地连接到ADC 408。ADC 408可以为任何合适的ADC电路，并且可以采取各种形式，包括关于图I中的ADC 108所提到的那样的ADC或其等同方案。
在参照图4描述了电容感测电路的各种部分之后，现在将参照图5描述根据特定实施例的这种电路的操作。现在参照图5，在定时图中示出根据一个特定实施例的电容感测电路的操作。图5包括以下波形通道0PS，示出了感测通道(例如402-1至402-n)的操作；S/H1至S/Hn，分别示出了 S/Η电路(例如404-1至404-n)的操作；以及ADC，示出了 ADC(例如408)的操作。在大约时刻t0，感测通道(例如402-1至402-n)可以开始生成针对第一行(行I)的模拟信号。这种动作可以包括利用周期性信号驱动发射电极(Tx)以经由互电容在接收电极(Rxl至Rxn)上生成耦合信号。这种耦合电容可以根据物体是否靠近电极(例如发生了触摸)而变化。在每个感测通道(例如402-1至402-n)内，通过这种互电容耦合的信号可以由LNA(例如412-1至412-n)进行放大，并且然后由混频器电路(例如414-1至414-n)门控到积分器电路(例如416-1至416-n)，以生成表示该互电容的输出电压。 在大约时刻tl，控制信号(例如SH_ctrll至SH_ctrln)可以使得S/Η电路(例如404-1至404-n)能够进入操作的采样模式，从而使得来自感测通道(402-1至402_n)的模拟信号传送(Transfer)到S/Η电路(例如404-1至404-n)。S/Η电路(例如404-1至404-n)可以保持这种采样值(采样CH1、采样CH2等)，从而捕获针对一行(行I)的电容测量。在大约时刻t2，感测通道(402-1至402_n)可以开始生成针对第二行(行2)的模拟信号。在大约同时，第一 S/Η电路(在本情况中为S/H1)可以保持其采样值以用于通过MUX (例如406)传送给ADC (例如408)。其它S/Η电路(在本情况中为S/H2至S/Hn)可以置于等待状态，从而保存它们的采样值。此外，SEL信号可以使得MUX (例如406)能够将S/Hl的采样值耦合到ADC (例如408)。ADC (例如408)可以将S/H1保持的模拟值转换成数字值(示出为“转换CH1”)。在大约时刻t3，下一 S/Η电路(在本情况中为S/H2)可以保持其采样值以用于通过MUX (例如406)进行传送。下一 SEL信号集可以使MUX (例如406)将S/H2的模拟值耦合到ADC(例如408)。ADC(例如408)然后可以将该模拟值转换成数字值(示出为“转换CH2” )。这种动作可以在每个S/Η电路中继续。在大约时刻t4，序列中的最后一个S/Η电路(在本情况中为S/Hn)可以如上所述保持其采样值以用于通过MUX (例如406)传送以由ADC进行转换。在大约时刻t5，控制信号(例如SH_ctrll至SH_ctrln)可以再次使得S/Η电路(例如404-1至404-n)对从每个感测通道(例如402-1至402_n)输出的模拟值进行采样，从而捕获针对下一行(行2)的电容值。可以按照与上述针对前一行(行I)描述的相同方式对这样的值进行保持和转换。这样的操作与如图17B所示那样的方法形成鲜明的对比，在如图17B所示那样的方法中，第二行信号的生成直到在前一行的转换完成(即在时刻t5，而不是t2)才开始。现在参照图6A至图6D，将描述根据特定实施例的S/Η电路604。在非常特定的实施例中，S/Η电路604可以形成在图I至图5的任一个中提到的S/Η电路的全部或部分。图6A至图6D示出积分器电路616和对应的S/Η电路604。积分器电路616可以接收输入信号Sig_in,该输入信号Sig_in根据所感测的电容而变化。积分器电路616可以对输入信号Sig_in进行积分以生成输入电压Vin。S/H电路604可以包括采样电容器662、放大器664和切换元件660-0至660-3。采样电容器662可以存储采样值，该采样值可以在等待模式中被保存并且在保持模式中被放大。切换兀件660-0可以响应于切换信号SO来将由积分器电路616生成的输入电压(Vin)选择性地连接到采样电容器662的第一端子。切换元件660-1可以响应于切换信号SI来将采样电容器662的第一端子选择性地连接到参考电压(在本实施例中为接地)。切换元件660-2可以响应于切换信号S2来将采样电容器662的第二端子选择性地连接到参考电压。切换兀件660-3可以响 应于切换信号/S2来将米样电容器662的第一端子选择性地连接到放大器664的反馈回路。放大器664可以为运算放大器，该运算放大器具有连接到采样电容器662的第二端子的反向输入(_)、连接到参考电压(在该实施例中被示出为接地)的非反向输入(+)和提供输出电压的输出。放大器664可以响应于放大器使能信号amp_en至少在激活模式和非激活模式之间进行切换。在激活模式中，放大器664可以放大其输入之间的电压以生成输出电压Vout。在非激活模式中，放大器664可以不提供放大，并且可以消耗比在激活模式中实质上少的功率。图6A示出了空闲模式中的S/Η电路604。在一个实施例中，S/Η电路604可以在米样模式之前和/或在保持模式之后置于空闲模式。在空闲模式中，米样电容器662可以对先前采样的输入电压进行放电。在所示实施例中，在空闲模式中，切换元件660-0可以是断开的(即高阻抗)，从而将采样电容器662与输入电压Vin隔离。切换元件660-3也可以是断开的，从而将采样电容器662与放大器664的反馈回路隔离。切换元件660-1和660-2可以是闭合的(即低阻抗)，从而将采样电容器662的第一端子和第二端子连接为接地，这样可以对米用电容器662进行放电。放大器664在空闲模式中可以是非激活的。图6B不出了米样模式中的S/Η电路604。在米样模式中，米样电容器662可以接收表不所米样的电容的输入电压Vin。在所不实施例中，在米样模式中，切换兀件660-0可以是闭合的，而切换元件660-1和660-3是断开的，从而将采样电容器662的第一端子连接到输入电压Vin。切换元件660-2可以是闭合的，从而将第二端子662连接到参考电压(例如接地)。因而，采样电容器662可以基于Vin与参考电压之间的差值进行充电。放大器664在空闲模式中可以是非激活的。图6C示出了等待模式中的S/Η电路604。在等待模式中，采样电容器662可以保存从输入电压Vin获取的电压(其表不所米样的电容)。在所不实施例中，在等待模式中，切换兀件660_0、660_1和660-3可以都是断开的,从而电隔离米样电容器662的第一端子。切换元件660-2可以是闭合的，从而将第二端子662连接到参考电压(例如接地)。放大器664在等待模式中可以是非激活的。图6D示出了保持模式中的S/Η电路604。在保持模式中，在采样电容器662上的电压可以由放大器662放大以生成输出电压Vout。在所示实施例中，在保持模式中，切换元件660-0、660-1和660-2可以都是断开的，而切换元件660-3可以是闭合的。放大器664在保持模式中可以是激活的，从而基于跨采样电容器662的电压生成输出电压Vout。在特定实施例中，S/Η电路604可以从空闲模式转变到采样模式、到等待模式、到保持模式，然后重复该次序。如从上面的描述中理解到的，放大器(例如664)在空闲模式、采样模式和等待模式中可以是非激活的，因而节省功率。应理解的是，尽管在一些实施例中S/Η电路可以提供为I的增益响应，但在其它实施例中，S/Η电路可以提供大于I的增益。现在参照图7，在方框示意图中示出根据另一实施例的装置并通过总体参考符号700标示。在一个实施例中，装置700可以为在单个集成电路衬底上实现的电容感测控制器。装置700可以包括模拟前端(AFE) 718、数字控制器720、定时控制装置722、系统存储器部件724、驱动器电路730、数字接口(I/F)732和时钟电路734。AFE 718可以包括各种模拟电路组件，包括诸如在图I至图6D的任一个中描述的电容感测电路或等同方案。AFE 718可以具有连接到电容感测输入(Y0至Yi)的感测通道等。对应于在电容感测输入(Y0至Yi)上采取的电容测量，AFE 718可以将数字值提供给数字控制器720。在一个非常特定的实施例中，电容感测输入(Y0至Yi)可以为集成电路器件的物理连接(例如管脚、焊盘、引线、焊球)。数字控制器720可以控制装置700的操作，包括利用电容感测结果检测基于单触摸或多触摸(包括手指、触控笔或其它物体)、手势、物体靠近表面的输入事件以及其它等同方法。在一个实施例中，数字控制器720可以包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器用于执行存储在系统存储器724中的指令。数字控制器720可以向定时和控制电路722提供控制信号。定时和控制电路722可以生成用于操作AFE 718的控制信号，作为(但为少许)例子包括可以控制S/Η电路、模拟值向ADC的传送以及ADC的操作的那些控制信号。系统存储器724可以包括供数字控制器使用的存储器(包括用于由处理器执行的指令等)以及用于存储数字电容感测值和/或基于这种值的计算的系统操作存储器。在所示的特定实施例中，系统存储器724可以包括非易失性存储器726和易失性存储器728。非易失性存储器726可以存储指令等，并且可以包括“快闪”存储器或任何其它合适的非易失性存储器技术。易失性存储器728可以用作系统操作存储器并且可以包括动态随机访问存储器(DRAM)、静态RAM(SRAM)、它们的一些组合或者任何其它合适的存储器。通过互电容感测结构的方式，驱动器电路730可以利用驱动器信号驱动输出(X0至Xj)，以便依据感测输入(Y0至Yi)生成信号。在一些实施例中，可以按照顺序方式将驱动器信号驱动在驱动输出(XO至Xj)上。在一个非常特定的实施例中，驱动输出(X0至Xj)可以为集成电路器件的物理连接(例如管脚、焊盘、引线、焊球)。在所示实施例中，装置700可以进一步包括时钟电路734，该时钟电路734用于向数字控制器720提供定时信号。此外，可以包括数字I/F 732以使得数字控制器720能够与其它装置通信，该其它装置诸如响应于电容感测输入而提供应用/功能的“主控”装置。现在参照图8，在流程图800中示出了装置700执行的操作。装置700可以利用感测器组的流水线化的感测来生成数字电容值。这种动作可以包括生成用于AFE 718的定时和控制信号，以实现这里所描述的流水线化的电容感测，以及等同方案。数字电容值可以被提供给数字控制器720。可以将数字电容值与阈值相比较(804)。这种动作可以包括将由AFE 718生成的数字电容值与一个或多个阈值相比较。这种比较可以确定感测事件的开始(一个或多个物体的触摸或靠近)以及这种事件的终止(触摸的释放、没有靠近)。可以基于设计、操作、环境、校准序列和其它因素来生成阈值，并且在特定实施例中，阈值可以存储在系统存储器724 内。尽管实施例可以包括电路以及含这种电路的装置，但其他实施例可以包括电容感测系统。参照图9，在方框示意图中示出根据一个实施例的系统并且由总体参考符号940标示。系统940可以包括电容感测装置900、电容感测阵列942以及主控装置944。电容感测装置900可以包括AFE 918、控制器块946以及数字I/F 932。AFE 918可以采用示为图7中的718那样的形式以及等同方案。AFE 918可以执行这里描述的电容感测元件组的流水线化感测以及等同方案。控制器块946可以提供用于控制AFE 918的操作的控制信号以使得生成数字电容感测值。控制器块946还可以基于接收到的数字电容感测值生成电容感测结果。在一个特定实施例中，控制器块946可以包括在图7中示为720、724、722和734的数字控制器、系统存储器、定时控制电路和时钟电路，或等同结构。
数字I/F 932可以使得控制器块946能够向主控装置944传输电容感测结果。电容感测阵列942可以呈现多组电容感测元件以用于由AFE 918进行流水线化感测。主控装置944可以响应于从控制器块946接收的感测结果来执行较高层级系统功倉泛。参照图10，在方框示意图中示出根据实施例的另一系统，并由总体参考符号1040标示。系统1040可以包括类似图9那样的部件，并且这种类似的部件由相同的参考符号指代，但开头的数字为“10”而不是“9”。图10与图9的不同之处在于，电容感测装置1000可以为包括驱动器电路1030的互电容感测装置，该驱动器电路1030可以类似于图7中示为730的驱动器电路或等同方案。控制器块1046可以经由串行接口 1032来与主控装置1044进行通信。图10与图9的不同之处还在于，电容感测阵列被示出为互电容触摸屏1042。触摸屏1042的行电极可以连接到AFE 1018，而触摸屏1042的列电极可以连接到驱动器电路1030。类似图9和/或图10所示的实施例可以提供比包括类似图17A和图17B所示那样装置的实施例更快的扫描时间，这是因为可以在将来自前一电容感测器集的信号转换成数字值的同时从一个电容感测器集生成信号。这样的扫描时间可以带来电容感测阵列942/1042的更好的响应时间，这是因为跨整个阵列的感测可以更频繁地发生。参照图IlA至图11C，在图中示出了实施例中可以包括的互电容感测阵列的例子。图IlA是示出由总体参考符号1142标示的电容感测阵列的示意图。阵列1142可以是图10中示为1042的触摸屏的一个例子。阵列1142可以包括发射电极(Tx) 1143和接收电极(Rx) 1145。每个发射电极1143可以与多个接收电极1145交叉。发射电极和接收电极之间的一个交叉点在图IlA中示出为1147。在操作中，可以利用驱动信号来驱动发射电极(Tx) 1143中的一个，同时感测所有接收电极(Rx)1145上的电容。在特定实施例中，电极(1143和/或1145)可以由导电、透明材料形成，仅作为一个例子而言，诸如氧化铟锡(ITO)。图IlB示出类似于图IlA中示为1147那样的交叉点的第一例子。图IlB示出其中发射电极(Tx)可以形成在接收电极(Rx)之下的布置。
图IlC示出类似于图IlA中示为1147那样的交叉点的第二例子。图IlC示出其中发射电极(TxO至Tx2)可以具有与接收电极(RxO、Rxl)共面的较大部分(在本情况中为菱形部分)的布置。接收电极和发射电极可以在较窄部分处彼此重叠。这里公开的实施例以及等同方案可以在各种类型的触摸屏控制的系统中实现。这种实施例的例子在图12Α至图12C中示出。图12Α是触摸屏控制的智能电话装置1250-Α的平面图。这种装置1250-Α可以包括用于控制该装置的显示屏1042-Α。这种显示屏1042-Α可以包括在屏幕之上形成的透明电极。一个或多个电容感测装置(示出为1200)可以作为集成电路包括在装置1250-Α内，并且可以实现这里所描述的触摸屏电极的流水线化的电容感测以及等同方案。电容感测装置1200可以采取这里示出的任何形式或等同方案。图12Β是触摸屏控制的“电子书”装置1250-Β的平面图。这种装置1250-Β可以 包括显示屏1042-Β，该显示屏1042-Β的至少一部分可以提供用于来自用户的触摸输入。如在图12Α的情况中那样，一个或多个电容感测装置(例如1200)可以作为集成电路包括在装置1250-Β内。图12C是触摸屏控制的平板计算装置1250-C的平面图。这种装置1250-C可以包括触摸屏1042-C作为用于该装置的用户输入。如在图12Α和图12Β的情况中那样，一个或多个电容感测装置1200可以作为集成电路包括在装置1250-C内。上面已经描述了根据实施例的各种电路、装置、系统和对应的方法。现在将在一系列流程图中描述附加方法实施例。参照图13，在流程图中示出根据一个实施例的电容感测方法并由总体参考符号1300标示。方法1300可以包括从第一电容感测器生成第一感测信号(1302)。这种动作可以包括自电容和/或互电容感测技术以生成响应于电容改变而变化的信号。第一信号然后可以被采样并顺序转换成数字值，同时从第二电容感测器生成第二感测信号(1304)。在一些实施例中，这种动作可以包括在S/Η电路中保存感测信号以由同一 ADC进行顺序转换。这种方法可以实现不同感测器组的信号生成和转换的流水线化。参照图14，在流程图中示出根据另一实施例的电容感测方法并由总体参考符号1400标示。方法1400可以包括利用驱动信号来驱动一个电极(1402)。在特定实施例中，这种动作可以包括利用周期性信号驱动电极。经由通过互电容耦合到第一电极的第二电极，可以从驱动信号生成第一信号(1404)。方法1400可以进一步包括将第一感测信号转换成数字值，同时利用驱动信号来驱动另一个第一电极(1406)。在特定实施例中，这种动作可以包括将第一感测信号的全部或部分转换成感测值，该感测值被保存用于随后转换成数字值。参照图16，在流程图中示出了根据一个实施例的电容感测操作，并由总体参考符号1600标示该电容感测操作。方法1600可以包括将放大器置于低功率状态/无功率状态(1602)。在一个实施例中，这种动作可以包括将放大器置于非激活状态，在该状态中，放大器将不放大接收到的输入值。方法1600可以将采样电容器的第一端子连接到电容感测电压，同时将采样电容器的第二端子连接到参考电压(1604)。这种动作可以基于接收到的采样电压对采样电容器进行充电(或放电)。
可以将通道选择值设置为第一值(1606)。在所示特定实施例中，这可以包括将值“j”设置为零。方法1600可以对所选择的通道的放大器进行加电(1608)。在一个实施例中，这种动作可以包括将所选择的通道的放大器置于激活状态，在该状态中放大器将放大在其输入处接收到的电压。所选择的通道的采样电容器的第二端子可以被连接到所选择的通道的放大器的输入。此外，所选择的通道的采样电容器的第一端子可以连接到所选择的通道的放大器的反馈回路(1610)。这种动作可以将第一通道的电容感测电压连接到其对应的放大器，从而使得放大这种电容感测电压。方法1600还可以将剩余采样电容器的第一端子隔离，同时将采样电容器的第二端子连接到参考电压。这种动作可以将电容感测电压保存在采样电容器上以用于稍后由对应的放大器进行放大。方法1600可以将所选择的放大器的输出转换成数字值(1614)。因而，在所选择的通道的电容感测电压被转换成数字值时，剩余通道中的采样电容器可以保存它们的电容感测电压。·方法1600可以进一步包括将当前选择的通道的放大器返回到低功率状态/无功率状态(1616)。可以对所选择的通道的采样电容器进行放电(1618)。通道选择值可以递增(1620)。这种动作可以选择通道序列中的下一通道。方法1600可以检查是否已经到达最后一个通道(1622)。如果已经到达最后一个通道(自1622的“是”)，则方法1600可以返回到动作1602。如果还没有到达最后一个通道(自1622的“否”)，则方法1600可以在新选择的通道上重复动作1608至1618。本发明的实施例可以在生成第二模拟电容值集的同时执行一个模拟电容值集的模数转换。这可以实现比类似图17A和图17B那样的方法更快的扫描速率，在类似图17A和图17B那样的方法中是串行执行这样的动作。与类似于图17A和图17B那样的方法相比，本发明的实施例可以在更低功耗和/或更小装置尺寸下提供感测性能。特别地，为了实现快速扫描速率，类似图17A和图17B那样的方法可以采用高速ADC电路，而这需要相对大的面积和/或功耗。相比之下，通过利用这里描述的流水线化的方法(或等同方法)，可以利用较低性能的ADC，而这需要较小面积和/或消耗较低功率。应明白，在对本发明的示例性实施例的前面描述中，为了简化公开内容的目的，有时将本发明的各种特征一起聚集在单个实施例、图或其描述中，以助于理解各个发明方面中的一个或多个。然而，该公开的方法不应被解释为反映如下意图所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多的特征。而是如下面的权利要求所反映的那样，本发明的方面在于比前面公开的单个实施例的所有特征少。因而，据此将跟随具体实施方式
的权利要求明确地引入到本具体实施方式
中，其中每个权利要求独立代表本发明的单独实施例。还应理解，本发明的实施例可以在缺少没有具体公开的元件和/或步骤的情况下实施。也就是，本发明的发明特征可以为消除元件。因此，尽管已经详细描述了这里阐述的特定实施例的各种方面，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、替换和更改。
权利要求
1.一种电容感测电路,包括 多个采样保持(S/Η)电路，每个都被配置为对与对应的感测通道感测的电容对应的模拟值进行采样和存储；以及 多路复用器(MUX)电路，具有耦合到每个S/Η电路的不同输入以及耦合到模数转换器(ADC)的输出。
2.根据权利要求I所述的电容感测电路，其中 每个S/Η电路包括 采样放大器，以及 采样电容器，具有耦合到所述采样放大器的输入的第一端子。
3.根据权利要求2所述的电容感测电路，其中 每个S/Η电路进一步包括 输入切换元件，将S/Η输入耦合到所述采样电容器的第二端子，以及 反馈切换元件，耦合在所述放大器的输入和输出之间。
4.根据权利要求2所述的电容感测电路，其中 每个S/Η电路进一步包括 保持切换元件，耦合在所述采样电容器的第一端子与参考节点之间，以及 放电切换元件，耦合在所述采样电容器的第二端子与所述参考节点之间。
5.根据权利要求I所述的电容感测电路，其中 每个感测通道包括信号放大器，所述信号放大器被配置为对利用电容感测器生成的信号进行放大。
6.根据权利要求I所述的电容感测电路，其中 每个感测通道包括混频器电路，所述混频器电路将周期性参考信号与所述感测通道对应的电容输入信号进行混频。
7.根据权利要求I所述的电容感测电路，其中 每个感测通道包括积分器电路，所述积分器电路被配置为对响应于感测电容而生成的周期性信号进行积分，以在耦合到对应的S/Η电路的积分器输出上生成模拟电压。
8.根据权利要求7所述的电容感测电路，其中 每个感测通道进一步包括混频器电路，所述混频器电路具有第一混频器输入、第二混频器输入和混频器输出，所述第一混频器输入耦合为接收周期性感测信号，所述第二混频器输入耦合为接收周期性参考信号，所述混频器输出耦合到对应的积分器电路。
9.根据权利要求I所述的电容感测电路，进一步包括 数字控制器，包括至少一个处理器，所述至少一个处理器耦合为接收从所述ADC输出的数字感测电容值。
10.根据权利要求9所述的电容感测电路，进一步包括 电容感测阵列，耦合到所述感测通道；并且 所述处理器包括指令存储器，所述指令存储器配置所述处理器以响应于数字感测电容值确定所述感测阵列中的触摸发生。
11.一种方法，包括 从第一电容感测器生成第一模拟信号；对第一模拟信号进行采样；以及 将所述第一模拟信号顺序地转换成数字值，同时从第二电容感测器生成第二模拟信号。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括 对所述第一模拟信号基本上同时地进行采样； 对所述第二模拟信号基本上同时地进行采样；以及 将所述第二模拟信号顺序地转换成数字值，同时从第三电容感测器生成第三模拟信 号。
13.根据权利要求11所述的方法，其中 对第一模拟信号进行采样包括将采样电容器的第一端子耦合为接收所述第一模拟信号而将所述采样电容器的第二端子连接到参考电压；以及顺序地转换所述第一模拟信号包括 将所选择的采样电容器的所述第二端子耦合到所选择的放大器的输入，而将所述所选择的采样电容器的所述第一端子耦合到所述所选择的放大器的反馈回路，以及 将未选择的采样电容器的第二端子保持为所述参考电压，而所述未选择的采样电容器的第一端子被电隔离。
14.根据权利要求11所述的方法，其中 对第一模拟信号进行采样包括将采样电容器的第一端子耦合为接收所述第一模拟信号而对应的放大器处于低功率状态；以及 顺序地转换所述第一模拟信号包括将一个所选择的放大器顺序地置于激活功率状态，而将未选择的放大器维持在低功率状态。
15.根据权利要求11所述的方法，其中 生成第一模拟信号包括 驱动多个发射电极中的一个发射电极，以及 感测通过互电容耦合到所述发射电极的第二电极上的信号。
16.根据权利要求11所述的方法，其中 生成第一模拟信号包括 对跨第一电容感测器生成的信号进行放大， 将所放大的信号与周期性信号混频以生成周期性感测信号，以及 对周期性感测信号进行积分以生成所述第一模拟信号。
17.—种电容感测系统,包括 多个感测通道，每个都被配置为响应于电容感测信号来生成模拟电压； 采样保持(S/Η)电路，与每个感测通道对应； 选择电路，被配置为将所述S/Η电路顺序地耦合到同一模数转换器(ADC);以及 控制器电路，将从所述ADC输出的数字值与至少一个阈值相比较。
18.根据权利要求17所述的系统，其中 每个感测通道包括积分器电路，所述积分器电路对电容感测输入信号进行积分以生成所述模拟电压；以及 每个S/Η电路包括切换电路,所述切换电路在一个模式中将米样电容器的一个端子选择性地耦合到对应的感测通道，并且在另一个模式中电隔离所述一个端子。
19.根据权利要求17所述的系统，其中 每个S/Η电路的所述切换电路包括切换元件,所述切换元件在空闲模式中将所述采样电容器的第一端子和第二端子耦合到参考电压，在采样模式中将所述第一端子耦合到对应的感测通道并且将所述第二端子耦合到所述参考电压，在等待模式中隔离所述第一端子并且将所述第二端子耦合到所述参考电压，以及在保持模式中将所述第一端子耦合到放大器反馈回路并将第二端子耦合到放大器输出。
20.根据权利要求17所述的系统，其中 每个S/Η电路包括放大器，当来自对应的感测通道的模拟电压存储在存储电容器上时，每个放大器在低功率状态下操作，并且当所述S/Η电路耦合到所述ADC时，每个放大器在较高功率状态下操作。
21.根据权利要求17所述的系统，进一步包括 每个感测通道耦合到集成电路的第一物理连接；以及 驱动器电路，生成周期性信号用于在所述集成电路的第二物理连接上输出。
22.根据权利要求21所述的系统，进一步包括 电容感测阵列，包括 多个接收电极，每个都耦合到所述集成电路的第一物理连接，以及 多个发射电极，每个都耦合到所述集成电路的第二物理连接。
23.根据权利要求22所述的系统，进一步包括 触摸屏，包括所述电容感测阵列，所述电容感测阵列形成在显示器之上。
全文摘要
本发明涉及具有流水线化的电容感测的电路、装置和方法。电容感测电路、系统和方法可以包括采样保持(S/H)电路，该采样保持电路可以保存针对一个电容感测器集的模拟值，并将这样的模拟值顺序地转换成数字值，同时生成针对另一电容感测器集的模拟值。
文档编号G01R31/01GK102721893SQ20121004867
公开日2012年10月10日 申请日期2012年2月27日 优先权日2011年2月25日
发明者J·C·X·勒, O·E·厄多甘, S·T·穆哈默德, 沈国忠 申请人:马克西姆综合产品公司