专利名称：用以支持电感式感测的可编程集成电路装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，且更特定来说涉及一种支持电感式感测的集成电路装置。
背景技术：
例如触摸传感器的电容式传感器广泛地用作各种各样的消费型、商业、工业及军 事应用的用户接口。然而，电容式触摸传感器具有数个缺点，例如对溢出的液体的敏感性及 在用户正戴着厚手套时的不可靠操作。电感式触摸传感器解决电容式触摸传感器的缺点且 已开始在不完全适合于电容式触摸传感器的一些专门应用中替换所述电容式触摸传感器。 电感式触摸传感器在用于电子系统中时需要适当的专门接口电路。目前技术的电感式传感 器接口电路进行操作需要显著数目的外部离散组件。这些外部离散组件是昂贵的且需要大 量的电路板面积以供在系统应用中使用。
发明内容
因此，需要一种支持对电感式传感器的致动的检测且从所述检测提供有用输出的 集成电路装置。所述电感式传感器可用于感测导致所述传感器中的电感改变的触摸。支持 所述电感式传感器的操作的集成电路接口将具有大致消除对外部组件及通过具有用户可 编程特性而做的调整的需要的控制机构，因此减小物理大小且减少使用电感式传感器的系 统的制造成本。适于与电感式传感器一起操作的集成电路装置可为可编程的以便允许通过消除 额外外部组件而进一步减少制造成本及板空间。可使用电感式传感器及集成电路接口电路 的性能来按具体应用修整电感式传感器系统的性能。可在电感式传感器系统的设计及实施 之前、期间及/或之后容易地改变性能参数。控制接口可用于控制装置参数且可由例如I2C、SPI、UNI/O、UART等串行接口、并行 接口及/或直接输入/输出(I/O)级控制件构成。参数控制可以是(例如但不限于)运算 放大器的增益选择、运算放大器的拐角频率、运算放大器的电流驱动器的输出驱动强度、虚 拟接地电压电平、运算放大器的静止操作电流、运算放大器的偏移控制等。
根据本发明的具体实例性实施例，一种配置为可编程模拟前端以用于支持电感式 触摸感测的集成电路装置包括电压参考；同步检测器，其具有第一输入，其耦合到电感式 参考线圈外部连接，其中所述电感式参考线圈外部连接适于耦合到电感式参考线圈；第二 输入，其耦合到电感式触摸传感器线圈外部连接，其中所述电感式触摸传感器线圈外部连 接适于耦合到至少一个电感式触摸传感器线圈；第三输入，其耦合到参考选择外部连接，其 中所述参考选择外部连接适于耦合到参考选择信号；第四输入，其耦合到时钟外部连接，其 中所述时钟外部连接适于耦合到时钟信号，及第五输入，其耦合到所述电压参考；线圈驱动 器，其具有耦合到线圈驱动输出外部连接的输出、耦合到线圈驱动输入外部连接的输入；放 大器，其配置有低通滤波器且具有耦合到所述同步检测器的输入及具有表示所述至少一个 电感式触摸传感器线圈及所述电感式参考线圈的电感值的电压值的输出，所述放大器的所 述输出耦合到电压检测器输出外部连接；及接口与控制模块，其具有通信端口，其中所述接 口与控制模块控制所述可编程模拟前端的至少一个特性；其中所述同步检测器混合所述时 钟信号与由所述参考选择信号选择的来自所述电感式参考线圈或所述至少一个电感式触 摸传感器线圈的信号以产生和及差混合积，借此所述放大器放大所述和及差混合积且大致 衰减所述和混合积并在所述放大器的所述输出处传送所述差混合积。根据本发明的另一具体实例性实施例，一种具有电感式触摸接口的电子系统包 括电感式触摸接口，其包括多个电感式触摸传感器线圈及一电感式参考线圈；第一集成 电路数字处理器；第二集成电路可编程电感式触摸模拟前端，其包括电压参考；同步检测 器，其具有第一输入，其耦合到所述电感式参考线圈；第二输入，其耦合到所述多个电感 式触摸传感器线圈；第三输入，其耦合到来自所述数字处理器的参考选择信号；第四输入， 其耦合到来自所述数字处理器的时钟信号，及第五输入，其耦合到所述电压参考；线圈驱动 器，其具有输出，其与所述电感式参考线圈及所述多个电感式触摸传感器线圈中的选定线 圈串联耦合；输入，其通过外部低通滤波器耦合到来自所述数字处理器的时钟输出 ’放大 器，其配置有低通滤波器且具有耦合到所述同步检测器的输入及具有表示所述多个电感式 触摸传感器线圈及所述电感式参考线圈的电感值的电压值的输出，所述放大器的所述输出 耦合到所述数字处理器的模拟输入；及接口与控制模块，其具有通信端口，其中所述接口与 控制模块控制所述可编程电感式触摸模拟前端的至少一个特性；其中所述同步检测器混合 所述时钟信号与由所述参考选择信号选择的来自所述电感式参考线圈或至少一个电感式 触摸传感器线圈的信号以产生和及差混合积，借此所述放大器放大所述和及差混合积且在 所述放大器的所述输出处传送所述差混合积。所述同步检测器可包括解码器，其具有耦合到时钟外部连接的第一输入及耦合 到参考选择外部连接的第二输入；及六个模拟传送门，其由所述解码器控制，其中第一及第 四模拟传送门的输入耦合到所述电压参考，第二及第五模拟传送门的输入耦合到所述多个 电感式触摸传感器线圈，第三及第六模拟传送门的输入耦合到所述电感式参考线圈；借此 当所述参考选择及时钟信号处于第一逻辑电平时，所述第三及第四模拟传送门闭合，当所 述参考选择信号处于所述第一逻辑电平且所述时钟信号处于第二逻辑电平时，所述第一及 第六模拟传送门闭合，当所述参考选择信号处于所述第二逻辑电平且所述时钟信号处于所 述第一逻辑电平时，所述第二及第四模拟传送门闭合，且当所述参考选择及时钟信号处于 所述第二逻辑电平时，所述第一及第五模拟传送门闭合。
所述同步检测器还可包括混频器，其具有耦合所述电压参考的第一输入及耦合 到所述放大器的输出；分频器，其具有耦合到所述时钟外部连接的第一输入及耦合到所述 混频器的第二输入的输出；及多路复用器，其用于将电感式触摸传感器外部连接及电感式 参考线圈外部连接选择性地耦合到所述混频器的第三输入。
结合附图参考下文说明可更全面地理解本发明的揭示内容，在附图中图1是根据本发明的具体实例性实施例的具有电感式触摸小键盘、可编程电感式 触摸模拟前端及数字处理器的电子系统的示意性框图；图2是图1中所显示的可编程电感式触摸模拟前端的更详细示意性框图；图3是根据本发明的具体实例性实施例的图2中所显示的同步检测器及电路功能 的更详细示意性框图；且图4是根据本发明的另一具体实例性实施例的图2中所显示的同步检测器及电路 功能的更详细示意性框图。尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中是显示并在本文中详细地 描述其具体实例性实施例。然而，应了解，本文对具体实例性实施例的说明并非打算将本发 明限定于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的 所有修改及等效形式。
具体实施例方式现在参考图式，其示意性地图解说明实例性实施例的细节。图式中，相同的元件将 由相同的编号表示，且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。参考图1，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的具有电感式触摸小键盘、可编 程电感式触摸模拟前端及数字处理器的电子系统的示意性框图。数字处理器106(例如，微 处理器、微计算机、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列等)耦合到可 编程电感式触摸模拟前端(AFE) 104及电感式触摸传感器102矩阵。优选的电感式触摸传感 器 102 为在 www, microchip, com 上更全面描述的 Microchip inductive mTouch 传感器。电感式触摸AFE 104借助单个低成本集成电路装置促进在确定何时存在例如通 过按压及偏转改变相关联电感式传感器的电感值的目标键而对电感式传感器的致动中所 使用的所有有源功能。可编程电感式触摸AFE 104测量电感式触摸传感器102矩阵的每一 键的电感值并将所述电感值转换成相应模拟直流(dc)电压，所述模拟直流电压由数字处 理器106读取并转换成数字值。电感式触摸传感器102矩阵中还可包含参考电感器(例如， 线圈)(图2及3)以供用作未激活电感式传感器(线圈)与已激活电感式传感器(线圈) 之间的比较参考，如下文更全面地描述。数字处理器106向电感式触摸AFE 104供应时钟及控制功能、读取可编程电感式 触摸AFE 104的模拟电压检测器输出且选择电感式触摸传感器102矩阵的每一键及参考电 感式传感器以用于由可编程电感式触摸AFE 104处理，如下文更全面地描述。当确定对电 感式触摸传感器102矩阵的键的致动时，数字处理器106将采取适当的行动。可使用数字 处理器106及/或另一源来编程可编程电感式触摸AFE 104的各种功能的属性及特性，如下文更全面地描述。参考图2，其描绘图1中所显示的电感式触摸模拟前端的更详细示意性框图。可 编程电感式触摸AFE 104可包括同步检测器212、接口与控制模块214、可编程线圈驱动器 210、可编程电压参考220及可编程增益放大器(PGA)/可编程低通滤波器216。同步检测器 212用于从每一触摸传感器线圈的激励中提取信号。同步检测器(例如，混合器)的使用改 进检测过程的信噪比以便产生由数字处理器106使用的有用或所要信号(有益信号)。如 下文更全面地解释，将来自每一触摸传感器线圈的交流(AC)电压振幅与时钟信号混合以 产生两个AC信号的和及差频率。由于来自每一电感式触摸传感器线圈的AC电压振幅处于 与时钟信号相同的频率，因此在混合来自同步检测器212的积时将存在直流(DC)电压分量 (差频率)信号及两倍于时钟信号频率(和频率)的信号。PGA/低通滤波器216用作同步检测器212与Vdetqut节点236之间的缓冲器-放大 器/低通滤波器。PGA/低通滤波器216用作积分器且传送DC电压(差频率混合结果)同 时有效地抑制两倍时钟频率(和频率混合结果)。在所述功能的输出处，数字处理器106可 获得与多个电感式传感器242中的选定传感器或参考电感器240的电感值成比例的DC电 压，如下文更全面地描述。数字处理器106将来自可编程电感式触摸AFE 104的模拟DC电 压转换成其数字电压表示且使所述数字电压表示与选定电感式传感器242或参考电感器 240相关联。由于数字处理器106选择电感式传感器242或参考电感器240，因此容易地进 行DC电压值与多个电感式传感器242中的相关联传感器及参考电感器240的匹配。可编程电压参考220可经设定以具有(例如但不限于)供应电压的大约一半的电 压输出，且可以是具有可编程输出电压及/或输出阻抗的运算放大器。可有效地使用其它 类型的具有可编程输出电压及/或输出阻抗的可编程电压参考，只要存在充分的电压稳定 性及充足的驱动能力即可。可编程线圈驱动器210接收从由数字处理器106或从任一其它可用时钟源供应的 时钟导出的信号。低通滤波器可包括(例如但不限于)配置为用于衰减时钟方波信号的较 高频率分量的低通滤波器的电容器252及电阻器250。所述低通滤波器还可以是有源滤波 器(未显示)。从所述低通滤波器的输出，将大致正弦波形施加到线圈驱动器210的输入、 由可编程线圈驱动器210放大且接着通过串联连接的电阻器244使其可用于激励多个电感 式传感器242中的选定传感器及参考电感器240。多个电感式传感器242中的每一者由数 字处理器106通过以下方式选择将多个电感式传感器242中的选定传感器的一端连接到 供应共用区，借此完成来自可编程线圈驱动器210的电路且从由可编程线圈驱动器210供 应的AC电流产生跨越多个电感式传感器242中的选定传感器的电压。同步检测器212检测 来自多个电感式传感器242及参考电感器240中的每一传感器的电压以用于由数字处理器 106进行后续处理。可编程线圈驱动器210以时钟频率向串联连接的参考线圈240及多个 电感式传感器242中的选定传感器供应电流。当大约正弦的电流正流动穿过参考线圈240 及多个电感式传感器242中的选定传感器时，借此产生与电感成比例的电压。参考图3，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的图2中所显示的同步检测器 及电路功能的更详细示意性框图。同步检测器212包括可编程解码器360及多个模拟传送 门362。可编程解码器360在外部连接230处接收时钟(Cui)信号且在外部连接228处接 收输入选择(RefsJ，此两者均来自数字处理器106。可编程解码器360控制多个模拟传送门362的接通及关断状态，如下文更全面地描述。可编程线圈驱动器210产生跨越参考电感器240及多个电感式传感器242中的选 定传感器的与其电感成比例的AC电压。多个电感式传感器电压中的选定电压(Lbtn)及参 考电感器电压(Lkef)分别通过DC阻挡电容器246及248经由外部连接224及226耦合到 同步检测器212的输入。多个模拟传送门362可根据以下表进行操作
权利要求
1.一种配置为可编程模拟前端以用于支持电感式触摸感测的集成电路装置，所述集成 电路装置包括电压参考； 同步检测器，其具有第一输入，其耦合到电感式参考线圈外部连接，其中所述电感式参考线圈外部连接适 于耦合到电感式参考线圈；第二输入，其耦合到电感式触摸传感器线圈外部连接，其中所述电感式触摸传感器线 圈外部连接适于耦合到至少一个电感式触摸传感器线圈；第三输入，其耦合到参考选择外部连接，其中所述参考选择外部连接适于耦合到参考 选择信号；第四输入，其耦合到时钟外部连接，其中所述时钟外部连接适于耦合到时钟信号，及第五输入，其耦合到所述电压参考；线圈驱动器，其具有输出，其耦合到线圈驱动输出外部连接，输入，其耦合到线圈驱动输入外部连接；放大器，其配置有低通滤波器且具有耦合到所述同步检测器的输入及具有表示所述至 少一个电感式触摸传感器线圈及所述电感式参考线圈的电感值的电压值的输出，所述放大 器的所述输出耦合到电压检测器输出外部连接；及接口与控制模块，其具有通信端口，其中所述接口与控制模块控制所述可编程模拟前 端的至少一个特性；其中所述同步检测器混合所述时钟信号与由所述参考选择信号选择的来自所述电感 式参考线圈或所述至少一个电感式触摸传感器线圈的信号以产生和及差混合积，借此所述 放大器放大所述和及差混合积且大致衰减所述和混合积并在所述放大器的所述输出处传 送所述差混合积。
2.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述电压参考具有选自由输出参考电压 值及输出阻抗组成的群组的至少一个可编程特性。
3.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述同步检测器具有对混合频率的选择 的可编程特性。
4.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述线圈驱动器具有选自由电流驱动强 度及输出信号波形整形组成的群组的至少一个可编程特性。
5.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述放大器具有选自由电压增益、输出 阻抗、偏移、增益带宽积及拐角滚降频率组成的群组的至少一个可编程特性。
6.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述接口与控制模块的所述通信端口为 串行通信端口。
7.根据权利要求6所述的集成电路装置，其中所述串行通信端口选自由I2C、SPI、UNI/ 0、UART组成的群组。
8.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述接口与控制模块的所述通信端口为 并行通信端口。
9.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述同步检测器包括解码器，其具有耦合到所述时钟外部连接的第一输入及耦合到所述参考选择外部连接 的第二输入；及六个模拟传送门，其由所述解码器控制，其中 第一及第四模拟传送门的输入耦合到所述电压参考， 第二及第五模拟传送门的输入耦合到所述电感式触摸传感器外部连接， 第三及第六模拟传送门的输入耦合到所述电感式参考线圈外部连接；借此 当所述参考选择及时钟外部连接上为第一逻辑电平时，所述第三及第四模拟传送门闭合。，当所述参考选择外部连接上为所述第一逻辑电平且所述时钟外部连接上为第二逻辑 电平时，所述第一及第六模拟传送门闭合，当所述参考选择外部连接上为所述第二逻辑电平且所述时钟外部连接上为所述第一 逻辑电平时，所述第二及第四模拟传送门闭合，且当所述参考选择及时钟外部连接上为第二逻辑电平时，所述第一及第五模拟传送门闭合。
10.根据权利要求9所述的集成电路装置，其中所述第一逻辑电平为逻辑零(“0”)且 所述第二逻辑电平为逻辑一(“1”)。
11.根据权利要求9所述的集成电路装置，其中所述第二逻辑电平为逻辑零(“0”)且 所述第一逻辑电平为逻辑一(“1”)。
12.根据权利要求9所述的集成电路装置，其进一步包括与所述解码器组合的分频器， 其中所述分频器分割来自所述时钟外部连接的时钟频率且将所述经分割的时钟频率施加 到所述模拟传送门。
13.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述放大器为差分输入放大器。
14.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中数字处理器确定选择所述至少一个电 感式触摸传感器线圈中的哪一线圈来由所述同步检测器进行电压测量。
15.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述数字处理器供应所述时钟及参考 选择信号。
16.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述数字处理器接收来自所述放大器 的所述输出的所述电压值，基于所述所接收的电压值确定致动所述至少一个电感式触摸传 感器线圈中的哪一线圈。
17.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述数字处理器耦合到所述接口与控 制模块的所述通信端口且编程所述可编程模拟前端的所述至少一个特性。
18.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述同步检测器包括 混频器，其具有耦合所述电压参考的第一输入及耦合到所述放大器的输出；分频器，其具有耦合到所述时钟外部连接的第一输入及耦合到所述混频器的第二输入 的输出；及多路复用器，其用于将所述电感式触摸传感器外部连接及所述电感式参考线圈外部连 接选择性地耦合到所述混频器的第三输入。
19.根据权利要求18所述的集成电路装置，其进一步包括用于分割来自所述时钟外部 连接的时钟频率且将所述经分割的时钟频率施加到所述混频器的分频器。
20.根据权利要求18所述的集成电路装置，其中所述混频器为吉尔伯特单元混合器。
21.一种具有电感式触摸接口的电子系统，所述系统包括电感式触摸接口，其包括多个电感式触摸传感器线圈及一电感式参考线圈；第一集成电路数字处理器；第二集成电路可编程电感式触摸模拟前端，其包括电压参考；同步检测器，其具有第一输入，其耦合到所述电感式参考线圈； 第二输入，其耦合到所述多个电感式触摸传感器线圈； 第三输入，其耦合到来自所述数字处理器的参考选择信号； 第四输入，其耦合到来自所述数字处理器的时钟信号，及 第五输入，其耦合到所述电压参考； 线圈驱动器，其具有输出，其与所述电感式参考线圈及所述多个电感式触摸传感器线圈中的选定线圈串联 華禹合，输入，其通过外部低通滤波器耦合到来自所述数字处理器的时钟输出； 放大器，其配置有低通滤波器且具有耦合到所述同步检测器的输入及具有表示所述多 个电感式触摸传感器线圈及所述电感式参考线圈的电感值的电压值的输出，所述放大器的 所述输出耦合到所述数字处理器的模拟输入；及接口与控制模块，其具有通信端口，其中所述接口与控制模块控制所述可编程电感式 触摸模拟前端的至少一个特性；其中所述同步检测器混合所述时钟信号与由所述参考选择信号选择的来自所述电感 式参考线圈或至少一个电感式触摸传感器线圈的信号以产生和及差混合积，借此所述放大 器放大所述和及差混合积且在所述放大器的所述输出处传送所述差混合积。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述同步检测器包括解码器，其具有耦合到时钟外部连接的第一输入及耦合到参考选择外部连接的第二输 入；及六个模拟传送门，其由所述解码器控制，其中 第一及第四模拟传送门的输入耦合到所述电压参考， 第二及第五模拟传送门的输入耦合到所述多个电感式触摸传感器线圈， 第三及第六模拟传送门的输入耦合到所述电感式参考线圈；借此 当所述参考选择及时钟信号处于第一逻辑电平时，所述第三及第四模拟传送门闭合， 当所述参考选择信号处于所述第一逻辑电平且所述时钟信号处于第二逻辑电平时，所 述第一及第六模拟传送门闭合，当所述参考选择信号处于所述第二逻辑电平且所述时钟信号处于所述第一逻辑电平 时，所述第二及第四模拟传送门闭合，且当所述参考选择及时钟信号处于所述第二逻辑电平时，所述第一及第五模拟传送门闭合。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述第一逻辑电平为逻辑零(“0”)且所述第二逻辑电平为逻辑一(“1”)。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述第二逻辑电平为逻辑零(“0”)且所述第 一逻辑电平为逻辑一(“1”)。
25.根据权利要求21所述的系统，其中所述同步检测器包括混频器，其具有耦合所述电压参考的第一输入及耦合到所述放大器的输出；分频器，其具有耦合到所述时钟外部连接的第一输入及耦合到所述混频器的第二输入 的输出；及多路复用器，其用于将电感式触摸传感器外部连接及电感式参考线圈外部连接选择性 地耦合到所述混频器的第三输入。
26.根据权利要求25所述的系统，其进一步包括用于分割所述时钟信号且将所述经分 割的时钟信号施加到所述混频器的分频器。
27.根据权利要求沈所述的系统，其中所述混频器为吉尔伯特单元混合器。
28.根据权利要求21所述的系统，其中所述放大器为差分输入运算放大器。
29.根据权利要求21所述的系统，其中数字处理器确定选择所述至少一个电感式触摸 传感器线圈中的哪一线圈来由所述同步检测器进行电压测量。
30.根据权利要求21所述的系统，其中所述数字处理器为微控制器。
31.根据权利要求21所述的系统，其中所述数字处理器选自由微处理器、数字信号处 理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)及可编程逻辑阵列(PLA)组成的群组。
32.根据权利要求21所述的系统，其中所述电压参考具有选自由输出参考电压值及输出阻抗组成的群组的至少一个可编程 特性；所述同步检测器具有对混合频率的选择的可编程特性；所述线圈驱动器具有选自由电流驱动强度及输出信号波形整形组成的群组的至少一 个可编程特性；且所述放大器具有选自由电压增益、输出阻抗、偏移、增益带宽积及拐角滚降频率组成的 群组的至少一个可编程特性。
全文摘要
本发明涉及一种集成电路装置电感式触摸模拟前端，其激励多个电感式触摸传感器中的选定传感器并提供表示跨越所述多个电感式触摸传感器的线圈的电压的模拟输出信号。所述电感式触摸模拟前端的各种特性为可编程的，数字处理器控制对所述多个电感式触摸传感器中的每一传感器的选择且接收来自所述电感式触摸AFE的相应模拟输出电压信号。所述数字处理器可编程所述电感式触摸模拟前端的所述特性。当通过所述数字处理器确定所述线圈电压的充足改变时，假定已致动所述电感式触摸传感器且所述数字处理器基于致动了(触摸了)所述多个电感式触摸传感器中的哪一传感器而采取行动。
文档编号H03K17/96GK102119488SQ200980131301
公开日2011年7月6日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月9日
发明者基思·E·柯蒂斯, 彼得鲁·克里斯蒂安·波普, 拉杜·鲁斯库, 肖恩·斯蒂德曼 申请人:密克罗奇普技术公司