本申请为于2017年1月12日提交的美国专利申请第15/405,047号的国际申请，其要求于2016年1月15日提交的美国临时专利申请第62/279,078号的权益，其全部整体上通过引用并入本文。
本公开一般涉及感测系统，并且更具体地涉及可配置为测量自电容或将互电容转换为表示该电容的数字值的电容感测系统。
背景技术：
电容感测系统可以感测电极上产生的、反映电容改变的电信号。电容的这种改变可以指示触摸事件(即，物体与特定电极的接近)。电容感测元件可以用来代替机械按钮、旋钮和其他类似的机械用户接口控件。电容感测元件的使用允许消除复杂的机械开关和按钮，在恶劣条件下提供可靠的操作。另外，电容感测元件被广泛用于现代消费者应用，为现存产品提供新的用户接口选项。电容感测元件的范围可以是从单个按钮到用于触摸感测表面的以电容感测阵列形式布置的许多个按钮。
电容感测元件阵列通过测量电容感测元件的电容以及寻找指示导电物体的触摸或存在的电容增量(改变)来工作。当导电物体(例如，手指、手或其他物体)与电容感测元件接触或靠近时，电容改变并且导电物体被检测到。电容触摸感测元件的电容改变可以由电路来测量。电路将测量的电容感测元件的电容转换成数字值。
有两种典型的电容类型：1)互电容，其中电容感测电路接入电容器的两个电极；2)自电容，其中电容感测电路仅接入电容器的一个电极，其中第二电极连接到dc电压电平或者寄生耦接到地。触摸面板具有(1)和(2)两种类型的电容的分布负载，并且一些触摸解决方案唯一地或使用各种感测模式以混合形式感测这两种电容。
附图说明
图1图示了根据一个实施例的电容测量电路。
图2a图示了根据一个实施例的用于操作电容测量电路的方法。
图2b图示了根据一个实施例的电容测量电路的开关的开关控制状态。
图3a图示了根据一个实施例的施加到电容测量电路的积分电容器的电荷包。
图3b图示了根据一个实施例的在电容测量电路的积分电容器上累积或积分的充电电压。
图3c图示了根据一个实施例的根据电容测量电路的各种开关状态的积分电容器上的电压。
图4a图示了根据一个实施例的具有改善的补偿的电容测量电路。
图4b图示了根据一个实施例的根据具有改善的补偿的电容测量电路的各种开关状态的积分电容器上的电压。
图4c图示了根据一个实施例的根据用于双斜率模数转换的电容测量电路双电流源的各种开关状态的积分电容器上的电压。
图5a图示了根据一个实施例的具有施加到寄生电容的恒定电压的电容测量电路。
图5b图示了根据一个实施例的具有施加到寄生电容的恒定电压的电容测量电路的各种开关状态。
图6图示了根据一个实施例的包含电容测量电路的系统。
具体实施方式
图1图示了具有准差分测量的互电容测量电路100。互电容测量电路100可以包含互电容电路170。互电容电路170可以包含耦接在发送(tx)引脚103与电源和地之间的一对开关101和102。tx引脚103可以耦接到互电容(cm)104的第一电极，使得由开关101和102的交替闭合产生的tx信号被施加到第一电极。cm104的第二电极可以被耦接到接收(rx)引脚105。cm104的第二电极可以配置为接收来源于发送信号的信号，该发送信号施加到cm104的第一电极。rx引脚105可以耦接到积分电路180。寄生电容(cp)106可以存在于第二电极、rx引脚以及rx引脚和积分电路180之间的电路之间。导电物体的存在不会更改cp106，但cp106仍可能改变并影响测量；不管传感器的状态如何，它都存在于电路中。
积分电路180可以包含耦接到引脚125.1和125.2的一对积分电容器124和126。积分电路180可以包含耦接在积分电容器124和126与rx引脚105之间的一对开关121和122。在一个实施例中，rx引脚105可以耦接到模拟多路复用器(amux)110，该模拟多路复用器(amux)110耦接到积分电路180。在此实施例中，单个积分电路可以用于测量可以存在于阵列的数个电极之间的多个互电容。在另一个实施例中，分开的积分电路可以分配到每个互rx引脚。在此实施例中，更多的电路可以是必要的，但是多个互电容的同时测量可以是能够的。在其它实施例中，rx引脚和积分电路的不同组合可以被实现，包含分配到积分电路的不同数目的rx引脚。
积分电路180可以包含参考电压vref，其通过开关123、开关121和122以及引脚125.1和125.2耦接到积分电容器124和126。在一个实施例中，vref可以用于在初始化阶段期间将已知电压施加到积分电容器124和126两者。在各种实施例中，可以使用不同的电压作为vref。在一个实施例中，vref可以是带隙电压。在其他实施例中，vref可以从电源电压(vdd)中分压，可以是集成电路的限定电压，或者可以通过包含电容测量电路100的集成电路的输入引脚从外部电源提供。积分电容器124和126可以通过比较器130的负输入和正输入被耦接到数字化电路190。
数字化电路190的比较器130可以具有耦接到d触发器132的输出，该d触发器132可以用于避免模拟组件(诸如比较器130)和数字组件之间的同步问题，该数字组件用于积分电容器124和126上的电容的数字化。与(and)门134可以通过控制(使能)时间测量逻辑140和开关137，来使能或禁用积分电容器124和126上的电容的数字化。当开关137被闭合时，可以从用于为积分电容器124充电的电流数字-模拟转换器(idac)136提供电流。除非“使能(en)”为高有效，否则时间测量逻辑140不从比较器130(通过d触发器132和与门134)接收信号。由于en仅在数字化阶段期间为高有效，所以时间测量逻辑140在积分和初始化阶段期间不接收信号。
在各种实施例中，idac136可以是固定的或可编程的。在其他的实施例中，idac136可以通过电阻器实现为固定电流源或作为开关电容器网络。在开关电容器网络的实施例中，可以通过控制开关电容器的开关频率来控制电流。
在一个实施例中，积分电容器124和126可以设置在集成电路的外部，该集成电路包含互电容测量电路100的开关和数字化元件。在此实施例中，积分电容器通过引脚125.1和125.2耦接到互电容测量电路100。在另一个实施例中，积分电容器124和126是积分电路的部分并且实现在硅中。在该实施例中，积分电容器124和126未耦接到引脚125.1和125.2，因为它们已经耦接到存在于硅中的互电容测量电路。
时间测量逻辑140的输出可以传递到处理逻辑，该处理逻辑可以用于将在第一时间测量的互电容与在第二时间测量的互电容或基线电容比较。处理逻辑可以用于确定是否导电物体存在于或接近形成了cm104的电极。处理逻辑可以在与电容测量电路100分开的装置上，或者其可以实现为同样包含电容测量电路100的积分电路的部分。这将关于图6进行讨论。
图2a图示了电容测量电路100的操作的简化流程图200。在步骤210中，电容测量电路100可以被初始化。初始化可以包含通过闭合开关121、122和123并让电容测量电路100的所有其他开关断开，来将vref施加到积分电容器124和126。开关121、122和123保持足够长的闭合以将积分电容器124和126两者充电到vref。在其他实施例中，电容测量电路100的初始化可以通过恒流源或电阻网络对积分电容器124和126充电。本领域的普通技术人员将理解，存在数种给积分电容器124和126充电的方式，并且本文列出的那些方法不旨在是限制性的。在一个实施例中，积分电容器124和126可能被放电至地，并且然后使用idac136充电具体持续时间(对于指定数目时钟周期，开关121、122和137闭合)。在此实施例中，积分电容器124和126将被充电到已知电压。在此实施例中，可以需要至少一个开关来将积分电容器124和126放电至地。
在步骤220中，来自互电容电路170的电荷可以在积分电容器124和126上积分。首先断开开关123，将积分电容器124和126从vref断开。然后，开关对(101/122和102/121)交替地断开和闭合，分别在rx引脚105上产生正电流和负电流并且对积分电容器126和124充电和放电。在一定数目的相位或时钟信号之后，停止步骤220的积分并且测量过程继续进行到步骤230。
在步骤230中，累积在积分电容器124和126上的电荷被转换为数字值。时间测量逻辑140的计时器启动并且开关137闭合。开关137的闭合将idac136耦合到积分电容器124。积分电容器124由idac137充电，直到其两端的电压等于积分电容器126两端的电压。当积分电容器124和126两端的电压相等时，比较器130的输出断开开关137并停止时间测量逻辑140的计时器。时间测量逻辑140的计时器的值对应于将积分电容器124充电到与积分电容器126相同的电压所必要的时间量，并且代表耦接到tx引脚103的第一电极与耦接到rx引脚105的第二电极之间的cm104的电容值。
在另一个实施例中，idac可以耦接到积分电容器126并且配置为将积分电容器126放电到积分电容器124上的电压。将积分电容器126放电到与积分电容器124相同的电压所必要的时间，代表了耦接到tx引脚103的第一电极和耦接到rx引脚105的第二电极之间的cm104的电容值。
图2b图示了图2a的初始化、积分和数字化步骤中的每个步骤的开关状态。开关101/122和102/121由非重叠时钟控制，并且彼此相位相差180度。
图3a图示了从互电容电路170的发送和接收操作而积分到积分电容器124和126上的电荷包(chargepacket)。下面关于图2b和3a-3c描述发送和接收操作以及作为结果的电荷包。正电荷包由波形301图示，因为它们是从ph1时钟产生的并且被积分到积分电容器126上。负电荷包由波形301图示，因为它们是从ph2时钟产生的并且被积分到积分电容器124上。电荷包可以理解为量化的电荷量。波形301的正电荷包的积分增加了积分电容器126上的电压。波形302的负电荷包的积分减小了积分电容器124上的电压。
图3b图示了通过积分电路180的操作在积分电容器124和126上的电压。积分电路180的操作结果是，积分电容器126上的电压326增加和积分电容器124上的电压324减小。积分电容器124和126上的电压分别减小和增加与cm104的电容值成比例的值。
图3c图示了通过电容测量电路的整个操作在积分电容器124和126上的电压，包含初始化阶段(330)、积分阶段(340)和数字化阶段(350)。对于每个阶段的图1的每个开关的开关状态被图示为图2b的图形表示。在初始化阶段340期间，开关121、122和123闭合并且积分电容器124和126上的电压324和326被设置为vref。在积分阶段期间，开关123和137断开，并且开关101/122和102/121交替地断开和闭合以分别增加和减小积分电容器126和124上的电压326和324。在数字化阶段350开始时，启动时间测量逻辑140的计时器。在数字化阶段350期间，除了将idac136耦接到积分电容器124并将积分电容器124充电到与积分电容器126相同的电压的开关137之外，所有开关都断开，当将积分电容器124充电到与积分电容器126相同的电压的开关137时，比较器130跳变(trip)，并且时间测量逻辑的计时器140停止。数字化阶段350可以理解为单斜率模数转换。
图4a图示了具有准差分测量的互电容测量电路400的实施例，其可以与cm104的值一起使用，该值足够大以在积分期间对轨道(rail)(例如vdd和地面)外部的积分电容器126和124充电和放电。在此情境下，可能不容易检测到存在导电物体时发生的对cm104的微小改变。
在积分阶段期间，idac438可以通过开关439耦接到积分电容器126以从积分电容器126泄放电荷。idac136可以通过开关137向积分电容器124提供电流以匹配从idac438施加到积分电容器126的电流。来自idac136和438的补偿电流可以分别防止积分电容器126和124饱和到轨道。
在各种实施例中，idac438可以是固定的或可编程的。在其他的实施例中，idac438可以通过电阻器实现为固定电流源或作为开关电容器网络。在开关电容器网络的实施例中，可以通过控制开关电容器的开关频率来控制电流。
图4b图示了通过图4的电容测量电路400的整个操作在积分电容器124和126上的电压，包含初始化阶段(430)、积分阶段(440)和数字化阶段(450)。还图示了电容测量电路400的每个开关的状态。初始化阶段430与图3的初始化阶段330操作相同。开关121、122和123闭合，向积分电容器124和126提供电压(vref)。如同图1的电容测量电路100一样，可以使用不同的电压作为vref。在一个实施例中，vref可以是带隙电压。在其他实施例中，vref可以从电源电压(vdd)中分压，可以是集成电路的限定电压，或者可以通过包含电容测量电路400的集成电路的输入引脚从外部电源提供。
积分阶段440也可以与图340的积分阶段340类似地操作。然而，在具有补偿电流的实施例中，可以使开关137和439以及开关101/122和102/121交替地闭合和断开，以向积分电容器124提供额外电荷并且从积分电容器126泄放电荷。这由电压424和426示出，这些电压是补偿电流与电荷包积分(如上面关于图1和3a所述)协同作用的结果。电压电平424.1和426.1表示在没有补偿idac136和438的操作的情况下通过操作电容测量电路400将达到的电压。积分电容126上的电压426低于电压426.1。积分电容器124上的电压424高于电压424.1。
数字化阶段450的操作类似于图3c的数字化阶段350(如对于图1的电容测量电路100所述)。在一个实施例中，由于积分电容器124上的电压424与积分电容器126上的电压426之间的差较小，所以单斜率模数转换可以花费较少的时间。这可以导致更快的测量时间，但是补偿idac136和438的操作也可以分别使电压424和426远离轨道(地和vdd)。
电容测量电路400也可以在数字化阶段期间使用idac136和idac438两者在双斜率模式下操作。图4c中图示了积分电容器124和126上的电压。电压484表示在双斜率模式下电容测量电路400操作期间积分电容器124上的电压。电压486表示在双斜率模式下电容测量电路400操作期间积分电容器126上的电压。初始化阶段430以与图3c的初始化阶段170类似的方式操作。开关121、122和123闭合，使得参考电压vref可以耦接到积分电容器124和126。如同图1的电容测量电路100一样，可以使用不同的电压作为vref。在一个实施例中，vref可以是带隙电压。在其他实施例中，vref可以从电源电压(vdd)中分压，可以是集成电路的限定电压，或者可以通过包含电容测量电路400的集成电路的输入引脚从外部电源提供。积分阶段460可以与图3c的积分阶段340类似地操作，如由图1的电容测量电路100所实现的那样。数字化阶段470可以通过分别闭合开关137和439以及对积分电容器424和426进行充电和放电来操作。随着积分电容器424和426上的电压聚集在一起，比较器130可以跳变，并且时间测量逻辑140的计时器可以停止，正如图3c的数字化阶段350。在此实施例中，数字化阶段可以更快，因为比较器130跳变时的电压大致是在积分阶段460结束时导致的电压的中途。电路和工艺变化可能导致比较器130跳变时的电压略微高于或低于初始化电压(vref)。此外，初始化阶段430可以更短，因为在积分电容器124和126上的电压可以从更接近于vref的电压稳定到vref，导致更快的稳定时间。
在另一个实施例中，idac136和438可以在积分阶段460期间操作以产生补偿信号(如关于图4b所述)，以及在数字化阶段470期间操作。在此实施例中，可以实现补偿和双斜率数字化。
图5a图示了具有准差分测量的互电容测量电路500的实施例，其保持cp106上的电压恒定，从而降低对cp106的测量灵敏度。在起始阶段期间，可以通过闭合开关521、522、523和542来将参考电压vref施加到积分电容器524和526。开关521、522和523对应于图1的开关121、122和123。开关542在初始化期间提供到用于积分电容器524和526的接地电位的连接。
在积分阶段期间，用于积分电容器524和526的充电/放电机制与图1的积分电容器124和126的类似。然而，在开关101/521和102/522交替以对积分电容器124和126充电/放电时，积分电容器524和526通过开关540耦接到放大器532的输出。
在积分阶段期间，开关525和540闭合以将cp106保持在vref。在此实施例中，开关521或522中的一个闭合，然而一次只闭合一个。运算放大器532的输出耦接到比较器532的负输入，为运算放大器532提供负反馈。在运算放大器532的两个输入被强制为相同的电压时，运算放大器532的行为可以称为“虚拟短路”。一旦通过开关540和521或522建立了负反馈，105上(以及cm104、cp106的一个极板和积分电容器524和526上)的电压将被强制为vref。运算放大器532的输出基于电容器上的电压而摆动(swing)，以进行补偿。
在初始化和数字化阶段两者，525和540被断开以保持532与电路分开/断开。换言之，在初始化和数字化阶段中，电容测量电路500与图1的电容测量电路100相同。
在数字化阶段期间，单斜率模数转换的操作类似于关于图1的互电容测量电路100所描述的。开关542闭合以提供到积分电容器524和526的接地连接。开关537闭合以对积分电容器526充电，直到比较器530跳变并且停止来自时间测量逻辑540的计时。
图6图示了可以结合本申请的提出的准差分互电容测量电路的电容感测系统600。系统600可以包含至少耦接到感测电路610的互电容601。在一个实施例中，感测电路610可以包含集成到单个装置中的电路。在另一个实施例中，感测电路610的各种组件可以分布在数个分立组件中。为了便于解释，感测电路610在本文中将描述为单个集成电路装置。互电容601可以通过输入605耦接到感测电路610。输入605可以通过多路复用器618耦接到接收通道620的输入。接收通道620可以配置为将电容转换成数字值，诸如使用所提出的准差分电容测量电路。接收通道620可以耦接到对于转换可能是必要的外部组件626(诸如图1的外部积分电容器124和126)。外部组件可以通过输入625耦接到rx通道620。附加的外部组件可以耦接到发送信号生成器615和mcu640。tx生成器615可以配置为控制图1的开关101和102以将tx信号提供给互电容601(图1的cm104)的第一电极。外部组件可以通过输入606耦接到感测电路610。接收通道620可以耦接到判定逻辑630和耦接到mcu640。
判定逻辑630可以配置为处理接收通道620的输出以确定表示电容的数字值的改变是否与触摸或其他动作相关联。判定逻辑630也可以配置为跟踪在触摸检测中使用的基线或背景电容值。mcu640可以用于基于系统或应用需求来配置接收通道620。接收通道620和mcu640的配置可以是在启动时、在运行期间或是基于主机产生的命令的一些中断的。mcu640也可以配置为执行与判定逻辑630类似的功能，并且用于做出关于电容感测电极601上的物体的存在或者用于基线或背景电容跟踪的判定。mcu640和判定逻辑630可以耦接到用于储存与触摸检测相关联的值的存储器单元650。存储器单元650也可以储存由mcu640执行的程序文件和命令。必要时，mcu640也可以通过输入607耦接到外部组件。mcu640也可以耦接到通信接口660，该通信接口660可以用于向主机680或另一个外部装置输出状态。通信接口660也可以配置为从外部装置接收命令。
本文描述的实施例可以用于电容感测系统的互电容感测阵列的各种设计中，或者可以用于自电容感测阵列中。在一个实施例中，电容感测系统检测在阵列中被激活的多个感测元件，并且可以分析邻近的感测元件上的信号模式以从实际信号分离噪声。本文所描述的实施例不依赖于特定的电容感测解决方案，并且可以与其它感测解决方案(包含光学感测解决方案)一起使用，如受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的那样。
在以上描述中，阐述了许多细节。然而，对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在一些实例中，为了避免混淆描述，以框图形式示出(而不是详细示出)了众所周知的结构和装置。
根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现详细描述的一些部分。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员的手段。本文中的算法通常被认为是导致期望结果的步骤的自洽序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常(但不一定)，这些量采用能够被储存、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于常用用法的原因，有时将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等被证明是方便的。
但应该记住，所有这些和类似的术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非具体地声明，否则从以上讨论显而易见，应当理解，在整个描述中，利用诸如“加密”、“解密”、“储存”、“提供”、“来源”、“获得”、“接收”、“认证”、“删除”、“执行”、“请求”、“通信”等的讨论指代计算系统(或类似的电子计算装置)的动作和过程，计算系统(或类似的电子计算装置)操纵和变换表示为计算系统的寄存器内的物理(例如，电子)量并且将其存储为类似地表示为计算系统存储器或寄存器或其他这种信息储存器、发送或显示装置内的物理量的其他数据。
本文中使用词语“示例”或“示例性”来意指作为示例、实例或说明。本文所描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其他方面或设计优选或有利。相反，使用词语“示例”或“示例性”旨在以具体的样式呈现概念。如在本申请中所使用的，术语“或”旨在意指包含性的“或”而不是排他性的“或”。换言之，除非另有指定，或者从上下文中清楚，“x包含a或b”旨在意指自然包容性排列中的任何。换言之，如果x包含a；x包含b；或x包含a和b两者，则在任何上述实例下满足“x包含a或b”。另外，除非另有指定或从上下文清楚指向单数形式，否则本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”和“一个”一般应解释为意指“一个或多个”。此外，除非如此描述，否则自始至终使用术语“实施例”或“一个实施例”或“实现方式”或“一个实现方式”不旨在意指相同的实施例或实现方式。
本文所描述的实施例也可以涉及用于进行本文的操作的设备。此设备可以为了所需目的而专门构造，或者其可以包括通用计算机，该通用计算机由储存在计算机中的计算机程序来选择性地激活或重新配置。这样的计算机程序可以储存在非暂时性计算机可读储存介质中，诸如但不限于包含软盘、光盘、cd-rom和磁光盘的任何类型的盘、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、eprom、eeprom、磁卡或光卡、闪速存储器，或任何类型的适合于储存电子指令的介质。术语“计算机可读储存介质”应被理解为包含储存指令的一个或多个集合的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”也将被理解为包含能够储存、编码或承载指令的集合的任何介质，该指令的集合用于由机器执行并且以使机器进行本实施例的方法中的任何一个或多个。术语“计算机可读储存介质”将因此被理解为包含但不限于固态存储器、光介质、磁介质、能够储存储存指令的集合的任何介质，该指令的集合用于由机器执行并且以使机器进行本实施例的方法中的任何一个或多个。
本文呈现的算法和显示并不固有地涉及任何特定的计算机或其他设备。根据本文的教导，各种通用系统可以与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的设备来进行所需的方法步骤是方便的。下面的描述将显示各种这些系统所需的结构。另外，未参考任何特定的编程语言来描述本实施例。应该理解的是，可以使用各种编程语言来实现本文描述的实施例的教导。
为了提供对本发明的数个实施例的良好理解，以上描述阐述了许多具体细节，诸如具体系统、组件、方法等的示例。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的至少一些实施例。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明，公知的组件或方法未被详细描述或以简单的框图格式来呈现。因此，以上阐述的具体细节仅仅是示例性的。特定的实现方式可以不同于这些示例性的细节，并且仍然被认为是在本发明的范围内。
应该理解的是，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在阅读和理解上面的描述时，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。