一种电容检测电路以及电容检测芯片的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路领域，尤其涉及一种电容检测电路以及电容检测芯片。


背景技术：

2.在集成电路设计中时常会使用到电容检测电路。图1所示为传统的电容检测电路。key1～keyn和pad
cext
是芯片引脚，c
key1
～c
keyn
是对应key的寄生电容， c
bus
是芯片内部bus线的寄生电容，c
ext
是pad
cext
外接的大电容，v
ch
是key的充电电压。通常情况下，c
ext
》》c
key
，且c
ext
》》c
bus
。
3.如图2所示，以单个引脚key1作为被检测引脚为例，未被检测的或未被用作key功能的引脚key2～keyn在图中省略。检测key1时，s1始终闭合，其中一个时钟周期过程为：对c
key1
充电时，闭合开关s
ch
，断开开关s
ext
；分享c
key1
的电荷到外接大电容c
ext
时，断开开关s
ch
，闭合开关s
ext
。并且s
ch
和s
ext
由反相非交叠时钟控制。
4.假设参考电压为v
ref
(v
ref
《v
ch
)，c
ext
两端电压从0充电到v
ref
的时间为t，对c
key
施加某种作用使得c
key
变化δc
key
，此时充电时间变化了δt，δt/t对应δc
key
/(c
key
+c
bus
)，反应了被检测信号强度，当芯片的key较多时，内部的bus线较长，c
bus
较大，相对于c
key
不可忽略，很大程度减弱了被检测信号占比，容易受工艺、电压、温度等变化导致检测错误。同时，因为key与bus线间为单层开关，bus线容易受未用作key功能但用作其它功能(如通用io)引脚的干扰，影响检测结果的准确性。因此，提升被检测信号的电容变化占比和增强电路的抗干扰能力显得很有必要。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述传统电容检测电路存在的减弱了被检测信号占比，容易受工艺、电压、温度等工作环境因素变化导致检测错误的缺陷，提供一种可以提升被检测信号的电容变化占比和增强电路的抗干扰能力的电容检测电路以及电容检测芯片。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电容检测电路，包括电荷转移电路、总线、多个电容检测单元和用于在任一所述电容检测单元被检测时的电荷转移阶段导通的第一开关，所述电荷转移电路与所述总线的端部之间通过第一开关连接，多个所述电容检测单元分别挂在所述总线上，每一个所述电容检测单元连接一个待测电容；
7.每一个所述电容检测单元包括充电电压源、用于在所述电容检测单元被检测时的电荷转移阶段导通以实现所述待测电容上的电荷转移到所述电荷转移电路的第二开关、用于在所述电容检测单元被检测时的充电阶段导通以实现对所述充电电压源为所述待测电容充电的第三开关，所述待测电容的第一端经由所述第三开关连接对应的所述充电电压源，所述待测电容的第一端还经由所述第二开关挂在所述总线上，所述待测电容的第二端接地。
8.优选地，每一个所述电容检测单元还包括在所述电容检测单元被检测时导通的第四开关和在所述电容检测单元未被检测时导通时的第五开关；
9.所述第二开关的第一端连接所述充电电压源，所述第三开关的第一端连接所述总线，所述第二开关的第二端以及所述第三开关的第二端均连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的第二端连接所述待测电容的第一端，所述第五开关的第一端连接所述第四开关的第一端，所述第五开关的第二端接地。
10.优选地，所述电荷转移电路包括电容。
11.本实用新型另一方面构造了一种电容检测芯片，包括用于外接电荷转移电路的电荷转移引脚、总线、多个电容检测单元、用于在任一所述电容检测单元被检测时的电荷转移阶段导通的第一开关、与多个所述电容检测单元一一对应的多个电容检测引脚，所述电荷转移引脚与所述总线的端部之间通过第一开关连接，多个所述电容检测单元分别挂在所述总线上，每一个所述电容检测单元连接一个所述电容检测引脚；
12.每一个所述电容检测单元包括充电电压源、用于在所述电容检测单元被检测时的电荷转移阶段导通以实现所述待测电容上的电荷转移到所述电荷转移电路的第二开关、用于在所述电容检测单元被检测时的充电阶段导通以实现对所述充电电压源为所述待测电容充电的第三开关，所述待测电容的第一端经由所述第三开关连接对应的所述充电电压源，所述待测电容的第一端还经由所述第二开关挂在所述总线上，所述待测电容的第二端接地。
13.优选地每一个所述电容检测单元还包括在所述电容检测单元被检测时导通的第四开关和在所述电容检测单元未被检测时导通时的第五开关；
14.所述第二开关的第一端连接所述充电电压源，所述第三开关的第一端连接所述总线，所述第二开关的第二端以及所述第三开关的第二端均连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的第二端连接所述电容检测引脚，所述第五开关的第一端连接所述第四开关的第一端，所述第五开关的第二端接地。
15.优选地所述电荷转移电路包括电容。
16.本实用新型的电容检测电路以及电容检测芯片，具有以下有益效果：本实用新型为每一个电容检测单元配备一个充电电压源，充电电压源通过第三开关直接对待测电容进行充电，无需经过总线传递电源，避免了较长总线的寄生电容影响，增加了被检测信号占比；进一步地，还可以在待测电容与总线之间设计为第二开关、第四开关这两层开关，在对应待测电容未被检测时，将通过第五开关将这两层开关中间接地，很好的隔离了总线与未被检测的待测电容，大大增强了总线的抗干扰能力，而且每个待测电容直连的开关变为第四开关这一个，需要做esd保护的开关变少，减小了面积和成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
18.图1是传统电容检测电路示意图；
19.图2是传统电容检测电路一个时钟周期的工作过程原理图；
20.图3是本实用新型电容检测电路实施例一的电路示意图；
21.图4是本实用新型电容检测电路实施例一的电路一个时钟周期的工作过程原理图；
22.图5是本实用新型电容检测电路实施例二的电路示意图；
23.图6是本实用新型电容检测电路实施例二的电路一个时钟周期的工作过程原理图。
具体实施方式
24.为了解决传统电容检测电路存在的减弱了被检测信号占比，容易受工艺、电压、温度等工作环境因素变化导致检测错误的缺陷，提供一种可以提升被检测信号的电容变化占比和增强电路的抗干扰能力的电容检测电路以及电容检测芯片，本实用新型的电路和芯片，是为每一个电容检测单元配备一个充电电压源，充电电压源通过第三开关直接对待测电容进行充电，无需经过总线传递电源，避免了较长总线的寄生电容影响，增加了被检测信号占比；进一步地，还可以在待测电容与总线之间设计为第二开关、第四开关这两层开关，在对应待测电容未被检测时，将通过第五开关将这两层开关中间接地，很好的隔离了总线与未被检测的待测电容，大大增强了总线的抗干扰能力，而且每个待测电容直连的开关变为第四开关这一个，需要做esd保护的开关变少，减小了面积和成本。
25.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
26.实施例一
27.参考图3，本实施例的电容检测电路包括：电荷转移电路1、总线bus、多个电容检测单元2和用于在任一所述电容检测单元2被检测时的电荷转移阶段导通的第一开关sext，所述电荷转移电路1与所述总线bus的端部之间通过第一开关sext连接。多个所述电容检测单元2分别挂在所述总线bus上，每一个所述电容检测单元2连接一个待测电容ckey。
28.其中，所述电荷转移电路1包括大电容cext，其电容值相比于待测电容 ckey以及总线电容cbus要大许多。
29.其中，每一个所述电容检测单元2包括充电电压源vch、用于在所述电容检测单元2被检测时的电荷转移阶段导通以实现所述待测电容ckey上的电荷转移到所述电荷转移电路1的第二开关si、用于在所述电容检测单元2被检测时的充电阶段导通以实现对所述充电电压源vch为所述待测电容ckey充电的第三开关si_1，i为1、2、
…
或n。
30.所述待测电容ckey的第一端经由所述第三开关si_1连接对应的所述充电电压源vch，所述待测电容ckey的第一端还经由所述第二开关si挂在所述总线bus上，所述待测电容ckey的第二端接地。具体来说：所述第二开关si的第一端连接所述充电电压源vch，所述第三开关si_1的第一端连接所述总线 bus，所述第二开关si的第二端以及所述第三开关
si_1的第二端均与所述待测电容ckey的第一端直连，所述待测电容ckey的第二端接地。
31.进一步地，以上电路可以做成芯片，只需将待测电容、电荷转移电路1 设计成通过引脚与芯片连接即可，其他结构集成在芯片内。比如说，可以设计用于外接电荷转移电路1的大电容cext的电荷转移引脚padcext、与多个所述电容检测单元2一一对应的多个电容检测引脚key。所述电荷转移引脚 padcext与所述总线bus的端部之间通过第一开关sext连接，每一个所述电容检测单元2连接一个所述电容检测引脚key，待测电容ckey的第一端是连接到对应的电容检测引脚key上的，第二开关si第三开关si_1均是通过电容检测引脚key与待测电容ckey的第一端实现连接。
32.需要说明的是，电容检测单元2被检测是可以根据具体的应用场景来定义的，比如说待测电容ckey可以是电子设备的触摸按键，此时待测电容ckey 被检测，主要是指的其被用作按键功能，未被检测则指的没有被用作按键功能，但是其有可能用于其他功能。
33.本实施例的工作原理是：如图4所示，以单个引脚key1作为被检测引脚为例，未被检测的或未被用作按键功能的引脚key2～keyn在图中省略。检测引脚key1时，第一开关sext始终导通。key1被检测时，由反相非交叠时钟控制第三开关s1_1、第二开关s1，使得一个时钟周期分为两个阶段：充电阶段、电荷转移阶段。在充电阶段，如图4中左图(a)，此时导通第三开关s1_1，断开第二开关s1，充电电压源vch对引脚key1所连接的待测电容ckey1充电；在电荷转移阶段，如图4中右图(b)，此时断开第三开关s1_1，导通第二开关s1，实现分享待测电容ckey1的电荷到外接大电容cext。由于在充电阶段是直接利用充电电压源vch对要进行检测的单个待测电容ckey进行充电，电源电压无需经过总线来传递，避免了较长总线的寄生电容影响，将δckey/(ckey+cbus)优化为δckey/ckey，增加了被检测信号占比。
34.但是实施例一仍存在一些问题，其一由于每个引脚key直连的开关变为第三开关s1_1、第二开关s1这两个开关，需要做esd保护的开关变多，增加面积和成本，其二因为引脚key与总线bus间仍为第二开关s1这一个单层开关，总线bus容易受到用作其它用途引脚key的干扰，影响检测结果的准确性，为此，我们还进一步设计了对实施例一继续改进的实施例二。
35.实施例二
36.参考图5，本实施例中，每一个所述电容检测单元2还包括在所述电容检测单元2被检测时导通的第四开关si_2和在所述电容检测单元2未被检测时导通时的第五开关si_3。
37.所述第二开关si的第一端连接所述充电电压源vch，所述第三开关si_1 的第一端连接所述总线bus，所述第二开关si的第二端以及所述第三开关si_1 的第二端均连接所述第四开关si_2的第一端，所述第四开关si_2的第二端连接所述待测电容ckey的第一端，所述第五开关si_3的第一端连接所述第四开关si_2的第一端，所述第五开关si_3的第二端接地。
38.相比于实施例一，本实施例中所述第二开关si的第二端以及所述第三开关si_1的第二端不再是与所述待测电容ckey的第一端直连了，而是通过第四开关si_2间接连接的，同时，在第四开关si_2和第二开关si的连接节点位置，设置了一个第五开关si_3来控制该节点是否接地。
39.本实施例的工作原理是：如图6所示，key1仍是被检测的引脚，因此在第四开关s1_2导通，第五开关s1_3断开。key2代表未被检测的或未被用作按键功能的引脚，因此第二开
关s2、第三开关s2_1和第四开关s2_2断开，第五开关s2_3导通。key3～keyn在图中省略。检测引脚key1时，第一开关sext 始终导通，其中一个时钟周期过程为：在充电阶段，如图6中左图(a)，此时导通第三开关s1_1，断开第二开关s1，充电电压源vch对引脚key1所连接的待测电容ckey1充电；在电荷转移阶段，如图6中右图(b)，此时断开第三开关s1_1，导通第二开关s1，实现分享待测电容ckey1的电荷到外接大电容cext。可见，本实施例仍然是直接利用充电电压源vch对要进行检测的单个待测电容ckey进行充电，增加了被检测信号占比，同时，在此基础上将按键与总线bus(也就是待测电容和总线bus)之间设计为两层开关(第二开关 s1、第四开关s1_2)，在对应引脚未被用作key功能时，将两层开关中间接地 (第五开关s1_3导通实现)，很好的隔离了总线bus和其他外部引脚(或者说其他外部待测电容)，大大增强了总线bus的抗干扰能力；每个key引脚直连的开关变为一个(即第四开关s1_2)，需要做esd保护的开关变少，减小了面积和成本。
40.可以理解的是，本文说提到的电容检测单元2被检测，或者说按键被检测，或者说引脚被检测，实际上都是指的他们所连接或者说对应的待测电容被检测。
41.本文中所提到的各种开关，是可以可控的电子开关，包括但不限于三极管、 mos管等。
42.当然，本实施例的电路也可以做成芯片，只需将待测电容、电荷转移电路 1设计成通过引脚与芯片连接即可，其他结构集成在芯片内。
43.综上所述，本实用新型的电容检测电路以及电容检测芯片，具有以下有益效果：本实用新型为每一个电容检测单元配备一个充电电压源，充电电压源通过第三开关直接对待测电容进行充电，无需经过总线传递电源，避免了较长总线的寄生电容影响，增加了被检测信号占比；进一步地，还可以在待测电容与总线之间设计为第二开关、第四开关这两层开关，在对应待测电容未被检测时，将通过第五开关将这两层开关中间接地，很好的隔离了总线与未被检测的待测电容，大大增强了总线的抗干扰能力，而且每个待测电容直连的开关变为第四开关这一个，需要做esd保护的开关变少，减小了面积和成本。
44.需要说明的是，本文所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
45.本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
46.上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。