具有噪声抑制的电容传感器的制作方法

本发明涉及集成电路，并且更具体地涉及具有噪声抑制的电容传感器。
背景技术：
：电容传感器可以被用于检测或测量诸如在电容触摸面板界面中的电容变化。电容界面的常见示例是触摸板和触摸屏。在电容触摸界面中，诸如人体手指或传导笔的导电物体的接近，改变触摸界面中的电场。电容传感器可以感测或测量物体相对于界面的物理位置或移动并且提供相应的模拟或数字编码输出信号。电容界面具有电容元件矩阵。感测界面中电容的变化经受干扰(称作噪声)的影响，其可能是由电源或邻近电路元件的传导，或由外部辐射的感测产生的。噪声可以处在比电容传感器的操作频率高或低的频率处。具有高水平噪声抑制的电容传感器将是有利的，特别适合用于在噪声环境中使用。附图说明通过参考随后在附图中示出的实施例的描述可以更好地理解本发明连同其目标和优点。图中的元件被出于简明和清晰的目的示出并且不必成比例绘制。图1是可以实现本发明的常规触摸面板的示意性截面图；图2是根据本发明的一个实施例的电容传感设备的示意性框图；图3是图2的电容传感设备的一个实施例的示意性电路图；图4是在图3的电路的操作中出现的信号对于时间的图；图5是图2的电容传感设备的另一个实施例的示意性电路图；图6是根据本发明的另一个实施例的电容传感设备的示意性电路图；图7是本发明的电容传感设备的电压发生器的示意性电路图；图8是本发明的电容传感设备的预充电器的示意性电路图。具体实施方式图1示出了可以对其实施本发明的电容触摸面板界面100。触摸面板100可以是控制分离显示器的触摸板或触摸屏，其中显示器屏集成于触摸面板下并通过触摸面板100可视。电容触摸面板典型地具有电容元件(诸如102)的阵列，其被嵌入在用户可以触摸的材料104的表面106下面的绝缘材料104中。电容元件102可以以若干行和若干列的阵列并排形成在单层中。检测的电容可以为电容元件和地之间的自电容Cx，由手指或笔108形成，手指或笔108呈现出对地电容CF以及对地寄生电容Cp，如图1所示。替代地，检测的电容可以为行电容元件和列电容元件之间的互电容。手指或笔108的接近改变静电场，由双箭头示出，引入附加电容并改变检测的电容Cx＝CF+CP。电容元件102通过连接节点110(这里由通孔和导体示出)连同开关(图1未示出)连接到传感器，所述开关选择阵列中要被检测的特定的电容元件102，并通过连接节点110向阵列的选择的电容元件102传导充电节点电流I1、I2以及从阵列的选择的电容元件102传导放电节点电流ICX。图2示出电容传感设备，其包括用于提供输出信号NOUT的传感器200，输出信号NOUT为连接到传感器200的感测电容CX的函数。图3、5和6示出传感器200的更详细实现方式300、500和600。传感器200被示出感测触摸界面100中的自电容CX，但应当理解，传感器200可以适合于其它触摸界面技术，包括互电容触摸界面，以及更广泛感测其它类型设备中的电容。传感器200、300、500、600中的每个包括充电器202，其用于分别以第一和第二相位重复地向连接节点110施加第一和第二电压V1、V2以将感测电容CX充电至第一和第二电荷值。，在分别以第一和第二相位通过连接节点110将感测电容充电至第一和第二电荷值的过程中，充电器202重复地提供充电和放电节点电流I1、I2、ICX。采样器204包括至少第一电流镜，其用于提供第一和第二采样电流信号IS1、IS2，第一和第二采样电流信号IS1、IS2分别是第一和第二电荷值的函数。在提供第一和第二采样电流信号IS1、IS2中，第一电流镜可以使用节点电流ICX。累计器206执行采样电流信号IS1、IS2中的噪声的消除，并提供累计器信号VINT，其用于提供输出信号NOUT。累计器206包括累计器电容器CINT。在修改 累计器电容器CINT上的电荷并提供累计器信号VINT中，累计器206重复地区别地使用第一和第二采样电流信号IS1、IS2。累计器信号VINT是感测电容CX的累进函数，但倾向于消除比累计器的操作的重复率低的频率处的第一和第二采样电流信号IS1、IS2中的噪声。采样器204可以作为电荷传输电路，通过第一电流镜与累计器206匹配。累计器206可以抑制由于干扰、电荷注入和偏移产生的噪声INOISE中的低频分量，且可以具有将其它分量平均的窄带通响应。累计器信号VINT是累计器电容器CINT上的电荷值的函数，且可以是累计器电容器CINT上的电压的函数。第一电流镜204可以将对感测电容CX进行充电的电流ICX转化为电流信号IS1、IS2。替代地，第一电流镜204可以将对感测电容CX进行放电的电流ICX转化为电流信号IS1、IS2。累计器206可以包括至少第二电流镜302、502、602，用于控制累计器信号VINT的变化的速率。第二电流镜302、502、602可以控制累计器信号VINT根据第一采样电流信号IS1递增地变化的速率，并且可以控制对第三电流镜304、504、604的电流供应，第三电流镜304、504、604控制累计器信号VINT根据第二采样信号IS2递减地变化的速率。感测电容可以是阵列的电容元件和地之间的自电容CX，感测电容CX作为物体对选定的电容元件的接近程度的函数。传感器200可以包括开关其用于交替地将充电器202和采样器204通过连接节点110连接到选定的电容元件CX。在充电器202从连接节点110断开时，采样器204可以连接到连接节点110以提供第一和第二采样电流信号IS1、IS2。累计器206可以以重复的步阶修改累计器电容器CINT上的电压VINT。累计器206可以包括比较器216和计数器220，比较器216用于比较累计器电容器CINT上的电压和参考电压VREF，计数器220用于对达到参考电压VREF所使用的步阶的数量NOUT进行计数。传感器204可以包括电压发生器700，其用于根据公共电压源VDD提供第一和第二电压V1、V2以及参考电压VREF。如图2所示，更详细地，累计器206具有噪声消除模块208和积分器模块210。噪声消除模块208区别地(递增地和递减地)施加采样电流信号IS1、IS2到积分器模块210以逐步改变累计器信号VINT的值。累计器信号VINT输入到比 较器216，比较器216将其与参考压VREF进行比较。当累计器信号VINT与初始电压和参考电压分别相等时，比较器216将信号输出到D触发器218。可以通过与门222触发D触发器218，与门222在第二相位信号和闭合开关的信号的协同下输出信号通过可设定的延迟224。计数器220以时钟速率(测量的重复率)在初始电压和参考电压VREF之间对累计器信号VINT中的步阶的数量NOUT进行计数。时钟速率(传感器200的操作的重复率)下的步阶的数量NOUT是对所用的时间的测量，是感测电容CX的累进函数，且在触摸事件正在发生时与没有触摸事件发生时是不同的。通过在提供累计器信号VINT中，由噪声消除模块208区别地使用第一和第二采样电流信号IS1、IS2，消除了第一和第二采样电流信号IS1、IS2中的在低于测量的重复率的频率处的噪声。在积分器模块210中，对第一和第二采样电流信号IS1、IS2中在高于测量的重复率的频率处的噪声求平均。可以使用常规扩展频谱时钟(spreadspectrumclock，SSC)技术降低第一和第二采样电流信号IS1、IS2中的在与测量的重复率相同的频率处或在测量的重复率的佶数处的噪声，其中测量的重复率周期性变化。传感器200、300、500和600感测触摸界面100中的自电容CX，其中仅电容CX的一侧上的连接节点110是可访问以施加可变电压的，电容CX的另一侧连接到地。开关交替地将连接节点110和选定的电容CX连接到节点212，以及通过节点214连接到采样器204。开关在第一和第二相位的每一个期间将节点212连接到电压源V1和V2。传感器300、500和600分别具有第一电流镜204，第二电流镜302、502和602，以及第三电流镜304、504和604。传感器300、500和600中的电流镜具有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在传感器300中，第一电流镜204具有p型MOSFET3MP1、3MP2和3MP3以及电阻器R，和n型MOSFET3MN1和3MN2。MOSFET3MP1和3MP2的源极连接到节点214且它们的棚极连接在一起。MOSFET3MP1的漏极连接到它的棚极且连接到MOSFET3MP3的源极，3MP3的棚极和漏极连接到地。MOSFET3MP2的漏极连接到节点306，该节点306经由电阻器R连接到地，且连接到MOSFET3MN1和3MN2的棚极。MOSFET3MN1和3MN2的源极连接到地。MOSFET3MN1的漏极连接到节点214，且MOSFET3MN2的漏极连接到第二电流镜302。选择MOSFET3MP1、3MP2、3MP3、3MN1和3MN2 的尺寸以及电阻器R的值，以使得来自节点214的输入节点电流ICX是由MOSFET3MN2的源漏路径输出的采样电流信号IS1、IS2的A倍。第二电流镜302具有p型MOSFET3MP4、3MP5和3MP6，它们的棚极连接在一起且它们的源极连接到电压源VDD(其对于累计器206和电压发生器700是共用的)，电压发生器700提供用于充电器202和比较器216的电压V1、V2和VREF。MOSFET3MP4的棚极和漏极连接在一起，且连接到采样器204的MOSFETMN2的漏极。MOSFET3MP4的漏源路径中流动的电流是来自采样器202的采样电流信号IS1、IS2。MOSFET3MP6的漏极通过与开关同步的开关F1S连接到节点308。累计器电容器CINT连接在地和节点308之间，累计器信号VINT呈现在节点308处。在第三电流镜304中，MOSFET3MP5的漏极连接到n型MOSFET3MN3的漏极和栅极，MOSFET3MN3的源极连接到地。第三电流镜304还具有n型MOSFET3MN4，其棚极连接到MOSFET3MN3的栅极，其源极连接到地，且其漏极经过与开关同步的开关F2s连接到节点308。MOSFET3MP4和3MP5的尺寸相同，由此MOSFET3MP5的源漏电流I3与MOSFET3MP4的源漏电流IS1、IS2相同。选择MOSFET3MP5、3MP6、3MN3和3MN4的尺寸以使得来自采样器204的输入电流IS1、IS2是电流IINT1和IINT2的B倍，MOSFET3MP6和3MN4当开关F1s和F2s交替地闭合(导通)时输出电流IINT1和IINT2来对累计器电容器CINT进行重复充电和放电。预充电器800(图8)初始地将累计器电容器CINT充电至参考值VREF以保证第三电流镜304的适当操作。选择信数A和B以匹配感测电容CX和累计器电容器CINT的相对大小。图4示出在传感器300的操作中作为时间的函数出现的信号。预充电器800初始地将累计器电容器CINT充电至参考值VREF。当开关施加电压V1到节点212且开关将节点212连接到节点110时，选定的电容CX充电至电压V1。随后开关打开，将节点110从节点212断开，且开关闭合，将连接节点110连接到采样器204。选定的电容CX放电，并将电流ICX(该电流ICX是电容CX上的电荷的函数)连同由于例如干扰、电荷注入和偏移产生的分量INOISE输入到第一电流镜204。当开关F1s闭合时，第三电流镜304输入相应的电流IINT1以增加累计器电容器CINT上的电荷。当开关提供电压V2到节点212并且开关将节点212连接到连接 节点110时，选定电容CX充电到电压V2。随后开关打开，将连接节点110从节点212断开，并且开关闭合，将连接节点110连接到采样器204。选定电容CX放电，并向第一电流镜204输入电流ICX(其为电容CX上电荷的函数)连同分量INOISE。当开关F2s闭合时，第三电流镜304输入相应电流IINT2以降低累计器电容器CINT上的电荷。在该示例中，电压V2小于电压V1，使得跨累计器电容器CINT的电压VINT从初始参考值VPRE逐步增加直到其达到参考电压VREF，并被复位以用于接下来的周期。应当理解，替代地，开关Fs1和Fs2可以分别与开关和互换以及分别与开关和同步，使得电流IINT1和IINT2分别渐进地对累计器电容器CINT进行放电和充电。在这种替换(附图中未示出)中，跨累计器电容器CINT的电压VINT从初始参考值VPRE逐步降低至其达到参考电压VREF。对于在基本上低于对电容CX进行感测的第一和第二相位的重复率的频率处的干扰INOISE的分量，干扰INOISE的幅度在第一相位和第二相位之间变化很小，或者不变化。在传感器200、300、500和600中，在提供累计器信号VINT中，通过累计器206递增地使用第一采样信号IS1是加性的，且其递减地使用第二采样信号IS2是减性的。两个相位的单个感测循环对累计器信号VINT的净效应是感测电容CX的累进函数，这是因为在第一和第二相位中，通过不同的第一和第二电压V1和V2，将感测电容CX充电至不同的第一和第二电荷值。然而，单个感测循环的净效应趋向于消除干扰VNOISE的基本上在传感器循环的重复率之下的频率处的分量，或作为直流(DC)的分量。除了在等于循环的重复率或是其倍数的频率处的分量之外，感测循环的重复趋于对干扰VNOISE的在基本上高于感测循环的重复率的频率处的分量进行平均。可以使用SSC技术改变感测循环的重复率，来降低这样的高频分量的影响。在每个传感器循环中，累计器信号VINT根据循环中的净充电和放电电流INET＝IINT1-IINT2，以步阶δVINT变化。电流IINT1和IINT2是感测电容CX上的电荷以及感测周期的重复率Fs的函数，如下式给出的，其中VTH是第一电流镜204的MOSFET的阈值电压：INET=[V1-Vth1/CX*FS+INOISE]*1/A*1/B-[V2-VTH1/CX*FS+INOISE]*1/A*1/B]]>=(V1-V2)1/CX*FS*1/A*1/B]]>δVINT＝IINT/FS*IINT输出信号NOUT由下式给出：NOUT=VREF/δVINT=VREF*FS*/CINT/IINT=VREF*CINT*A*B(V1-V2)*CX]]>电压发生器700根据共同的电压源VDD，使用具有电阻器R1、R2、R3和R4的分压器，通过用于电压V1、V2的缓冲放大器702和704，提供第一和第二电压V1、V2以及参考电压VREF。跨R2提供第一和第二电压V1、V2。通过R3和R4之间的抽头提供参考电压VREF。所述电压由下式给出：(V1-V2)=R2R1+R2+R3+R4]]>VREF=R4R1+R2+R3+R4]]>且输出信号由下式给出：NOUT=CINT*R4*A*BCX*R2]]>输出信号NOUT由感测电容CX、累计器电容器CINT、电阻器R2和R4的比以及电流镜202、302、304的缩放比例限定。可以通过调整电阻器来调节R2的值。在传感器500中，第一电流镜204具有n型MOSFET5MN1和5MN2，与MOSFET3MN1和3MN2类似。然而，连接节点214被直接连接以向MOSFET5MN1的漏极输入电流ICX，MOSFET5MN1的漏极连接到其棚极。第二电流镜502具有p型MOSFET5MP1和5MP2，与第二电流镜302的MOSFET3MP4和3MP6类似。第三电流镜504具有n型MOSFET5MN3和5MN4，与MOSFET3MN3和3MN4类似。然而，用于第三电流镜504的输入电流来自MOSFET5MP2的漏极，通过与开关F2s同步的开关F3s连接到MOSFET5MN3的漏极。选择MOSFET5MN1和5MN2的尺寸，以使得来自节点214的输入节点电流ICX为由MOSFET5MN2的漏源路径输出的采样电流信号IS1、IS2的A倍。选择MOSFET5MP1和5MP2的尺寸，以使得采样电流 信号IS1、IS2是第二电流镜502的输出电流IINT1的B倍。选择MOSFET5MN3、5MN4的尺寸，以使得第三电流镜504的输出电流IINT2与其输入电流I3相等，输入电流I3在幅度上与第二电流镜502的输出电流IINT1相等。传感器500的操作与传感器300相似。在传感器600中，感测电容CX通过连接在连接节点110和连接到地的节点212之间的开关进行放电。开关连接在连接节点110和p型MOSFET6MP1的漏极之间，MOSFET6MP1的栅极连接到其漏极且连接到p型MOSFET6MP2的栅极，并且MOSFET6MP1的源极连接到节点214。MOSFET6MP1和6MP2形成第一电流镜204。MOSFET6MP2的源极连接到节点214且其漏极被连接以提供采样电流信号IS1和IS2到第二电流镜602。第二电流镜602具有n型MOSFET6MN1、6MN2和6MN3，它们的栅极连接在一起且它们的源极连接到地。MOSFET6MN1的漏极连接到MOSFET6MP2的漏极以接收输入电流IS1和IS2。MOSFET6MN2的漏极被连接以为第三电流镜604提供输入电流I3。MOSFET6MN3的漏极通过开关F2s连接到节点308和累计器电容器CINT。MOSFET6MP1的尺寸是MOSFET6MP2尺寸的A倍。MOSFET6MN1的尺寸是MOSFET6MN2尺寸的B倍。第三电流镜604具有p型MOSFET6MP3和6MP4，与第二电流镜502的MOSFET5MP1和5MP2类似。MOSFET6MP3的漏极连接到MOSFET6MN2的漏极并接收电流I3，其中ICX＝I3*A*B。选择MOSFET6MP3、6MP4和6MN2、6MN3的尺寸，以使得第二和第三电流镜602和604的输出电流IINT1和IINT2与MOSFET6MN2的漏源电流I3相等。传感器600的操作与传感器300和500相似，除了第二和第三电流镜602和604的输出电流IINT1和IINT2是对感测电容CX进行充电的电流的倍数，而不是放电电流的倍数。在图8所示的示例中，预充电器800具有：参考电流源IREF；差分放大器804，其在一个输入端接收累计器电容器CINT的电压VINT且在另一输入端接收预充电电压VPRE；D触发器806；和由触发器806控制的开关808。当累计器电容器CINT的电压VINT低于预充电电压VPRE时，闭合开关808以向累计器电容器CINT提供参考电流IREF，且当电压VINT达到预充电电压VPRE时，打开开关808。本发明可以部分地以包括用于在计算机系统上运行的计算机程序的非暂时 (non-transitory)机器可读介质实施，该程序至少包括当在诸如计算机系统的可编程设备上运行时用于执行根据本发明的方法的步骤的代码部分，或使得可编程设备能够执行根据本发明的装置或系统的功能。计算机程序可以内部地存储在计算机可读存储介质上，或经由计算机可读传输介质传输到计算机系统。可以在永久地、可移除地或远程地耦接到信息处理系统的非暂时计算机可读介质上提供所述计算机程序的全部或部分。在前述的说明中，已经参考本发明的实施例的特定示例描述了本发明。然而，显然可以对此作出各种改变和变化而不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明的更广泛的精神和范围。在此描述的连接可以是适于传输信号来往相应节点、单元或装置的任意类型的连接，例如经由中间装置。因此，除非暗示或另外说明，否则连接可以是直接连接或间接连接。连接可以参考作为单个连接、多个连接、单向连接或双向连接被示出或描述。然而，不同实施例可以改变连接的实现方式。例如，可以使用分离的单向连接而不是双向连接，反之亦然。另外，可以利用串行地或以时分复用方式传输多个信号的单个连接代替多个连接。同样地，携载多个信号的单个连接可以被分开到携载这些信号的子集的各个不同连接中。因此，存在用于传输信号的许多选择。尽管已经在实例中描述了特定导电类型或电位极性，但是将认识到，导电类型和电位极性可以被反转。在此描述的每个信号可以被设计为正或负逻辑。在负逻辑信号的情况下，信号是低电平有效，其中逻辑真状态对应于逻辑电平零。在正逻辑信号的情况下，信号是高电平有效，其中逻辑真状态对应于逻辑电平一。注意，在此描述的任何信号可以被设计为负或正逻辑信号。因此，在替代实施例中，被描述为正逻辑信号的那些信号可以被实现为负逻辑信号，而被描述为负逻辑信号的那些信号可以被实现为正逻辑信号。当引述使信号、状态位或类似装置呈现其逻辑真或逻辑假状态时，在此分别使用术语“断言(assert)”或“置位(set)”和“取反(negate)”(或“去断言(de-assert)”或“清除(clear)”)。如果逻辑真状态是逻辑电平一，则逻辑假状态是逻辑电平零。而如果逻辑真状态是逻辑电平零，则逻辑假状态是逻辑电平一。本领域技术人员将认识到，逻辑块之间的分界仅仅是示意性的，并且替代实施例可以合并逻辑块或电路元件，或将功能的替代分解施加于不同逻辑块或电路元件。因而，应当理解，在此描述的架构仅仅是示例性的，并且实际上可以实现许多实现相同功能的其它架构。类似地，实现相同功能的组件的任何布置被有效地“关联”以使得实现期望的功能。因此，被组合以实现特定功能的任意两个组件可以被视为被此“关联”，使得期望的功能得以实现，而不考虑架构或中间组件。同样地，这样关联的任意两个组件还可以被视为彼此“操作地连接”，或“操作地耦接”以实现期望的功能。此外，本领域技术人员将认识到，上述描述的操作之间的分界仅仅是示意性的。多个操作可以被合并到单个操作中，单个操作可以被分布在若干附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。此外，替代实施例可以包括特定操作的多种实例，并且在各种其它实施例中操作的顺序可以改变。又如，示例或其部分可以被实现为物理电路的或可转换成物理电路的逻辑表示的软件或代码表示，诸如以任意适当类型的硬件描述语言表示。在权利要求书中，词语“包括”或“具有”并不排除除在权利要求书中列出的那些以外的其它元件或步骤的存在。此外，如在此使用的术语“一”被定义为一个或超过一个。还有，权利要求中诸如“至少一个”和“一个或多个”的引语的使用不应被解释为暗示以下：由不定冠词“一”对其它权利要求项的引入将包含这样引入的权利要求项的任意特定权利要求限制为仅仅包含一个这样项的发明，即使当相同的权利要求包括引语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一”的不定冠词时也是如此。这同样适用于“所述”(定冠词)的使用。除非另有说明，诸如“第一”和“第二”的术语用于任意地区分这种术语描述的项。因而，这些术语并不必然意图指示这些项的时间上的或其它的优先次序。某些手段仅仅是在互相不同的权利要求中记载的事实并不表示不能使用这些手段的组合来获得优点。当前第1页1 2 3