差分Σ-Δ电容感测设备和方法技术

电容感测设备可以包括：参考电路，其被配置为连接到参考电容，并且生成根据参考电容和比较信号随时间变化的电参考信号；感测电路，其被配置为连接到感测电容，并且生成根据感测电容随时间变化的电感测信号；比较电路，其具有耦合以接收感测信号和参考信号的比较输入端以及提供比较信号的比较输出端；以及值生成电路，其被配置为在预定时间段内生成与比较信号相对应的输出值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】差分Σ-Δ电容感测设备和方法相关申请的交叉引用本申请是于2015年12月10日提交的第14/965,165号美国专利申请的国际申请，其要求于2015年8月31日提交的第62/212,257号美国临时专利申请的权益，所有申请通过引用以其整体并入本文。
本公开大体上涉及电容感测方法和设备，并且更具体地涉及利用“Σ-Δ”类型转换来确定电容变化的电容感测。背景电容感测技术可以检测物体彼此的接近程度。例如，电容感测技术通常用于通过测量人手指与电容传感器(例如触摸屏)之间的电容耦合来检测触摸输入设备上的人体部位(例如，手指)的位置。在一些传统的电容感测系统中，可以使用Δ-Σ调制的形式，输入信号的随着时间的连续变化被编码为值。这与可以测量输入信号的实际值的其他传统方法形成对比。在Δ-Σ情况中，典型地，每个编码值可以是比特流，其可以被集成以提供输入信号的表示。传统的Σ-Δ电容感测系统1800在图18A中示出。传统系统1800可以感测在感测节点1801处的电容变化。传统系统1800可以包括电流源1803、调制开关1805、比较器1807、逻辑电路1809、定时器/计数器1811和采样开关1813。调制电容Cmod可以连接到感测节点1801以提供基本电容。用于检测的可变电容显示为Cs。图18B是示出系统1800的操作的时序图。图18B包括示出采样定时器信号(定时器)、感测节点1801处的电压(VCmod)、比较器1807的输出(Comp输出)、定时器/计数器1811提供的计数器值(计数器)以及积分时钟信号CLK的波形。现在将参照图18A并结合图18B描述传统系统1800的操作。在图18B所示的传统方法中，采样操作可以涉及多个转换周期，每个转换周期表示感测节点1801处的电容的积分以生成计数值。这些计数值被累加以生成采样值。在t0时刻处，定时器信号可以变为高电平，用信号传递采样操作的开始以及第一个转换周期的开始。采样开关1813可以从接地位置切换到将采样电容Cs连接到感测节点1801的位置。在所示的操作中，VCmod通过比较器1807与参考电压Vref进行比较。因为VCmod之前已经接地，所以它小于Vref，并且Comp输出为高电平。这启用了调制开关1805，其使电流源1803对感测节点1801充电。逻辑电路1809将高Comp输出值输出到定时/计数器1811，这可以根据CLK递增计数值。在大约t1处，VCmod可以达到Vref。因此，比较器1807可以将Comp输出驱动为低电平。这禁用了调制开关1805，其将电流源1803与感测节点1801隔离而停止对感测节点1801充电。逻辑电路1809锁存低Comp输出值，并将其转发到定时器/计数器1811，其停止递增其计数。在所示的示例中，计数值是8(CLK的周期)。在大约t2处，第一转换周期可以结束。此时，采样开关1813可以将采样电容Cs放电至地。感测节点1801也可以放电到地。如图所示，传统的转换周期可以从0.2μs到10μs。在t3处，第二转换周期开始，并且如对第一转换周期所述的那样继续进行。但是，在第二个转换周期中，累计计数为11，总计数值为19。在t4处，最后一个转换周期结束，其中定时器信号变为低电平。如图所示，总采样原始计数为3504，其表示在采样操作的所有转换周期上在感测节点1801处执行的积分的总和。以这种方式导出的原始采样计数的序列可以指示Cs中的任何变化。传统方法的缺点(如图18A和图18B所示)可以是系统对参考电平和定时时钟的变化的灵敏度。具体地，像图18A那样的传统的电容感测系统的灵敏度可以通过下式给出灵敏度＝(ΔRC/ΔCs)＝(Vref*Fs/Idac)*(2n-1)其中，ΔRC是由采样电容的变化ΔCs提供的原始计数。Fs可以是积分时钟信号CLK的频率，Idac是由电流源1803提供的电流，以及n是采样的数量。从以上可以看出，Vref或Fs中的任何短期变化(例如噪声)都会转化为成比例的Δ的任误差。为了感测0.1％的ΔCs感测电容变化，在测量周期期间，要求Vref和Fs的变化小于0.01％。结果，传统方法可以使用低噪声参考发生器来确保严格的Vref值以及低跳动(jitter)、高稳定性的振荡器来确保CLK保持尽可能接近所需的Fs。传统方法也可以具有与理想的转换结果相差很大的转换传递函数。特别是，传统的传递函数可以具有“平坦”区域，而不是线性响应。为了解决这样的平坦区域，传统方法可以利用时钟抖动(dithering)，这需要额外的电路来改变采样时钟。此外，由于高度依赖于精确的参考电压，因此传统方法可能需要定期重新校准。注意，传统的电路1800可以被认为不是“真正的”Σ-Δ转换器，因为其输出取决于时钟频率(即，Fs)。附图简述图1A和图1B是传统的Σ-Δ的调制器和在实施例中可包括的Σ-Δ调制器的表示的框图。图2是根据实施例的电容感测电路的方框示意图。图3A是根据实施例的电容感测电路的方框示意图。图3B是示出类似于图3A的电路的操作的时序图。图4A-4C是示出类似于图3A的电路的仿真结果的图示。图5A和图5B是示出类似于图4B和图4C的仿真结果的图示，但增加了周期间(cycle-to-cycle)跳动。图6A和图6B是示出类似于图3A的电路的仿真结果的图示，示出了对共模噪声的抵抗。图7A是示出根据实施例的电容感测电路的连续斜坡操作的图示。图7B是示出类似于图7A的电路的仿真结果的图示。图8是示出根据实施例的连续斜坡电容感测电路的方框示意图。图9是示出根据其他实施例的连续斜坡电容感测电路的方框示意图。图10A-10C是示出类似于图9所示的实施例的仿真结果的图示，其将跳动添加到采样时钟以提高性能。图11A-11C是示出类似于图9所示的实施例的仿真结果的图示，其利用时钟抖动来提高性能。图12是示出根据其他实施例的可以注入噪声以改善性能的连续斜坡电容感测电路的方框示意图。图13是示出类似于图12所示的实施例的仿真结果的图示，其增加了噪声以提高性能。图14是示出根据实施例的具有共享的参考电容的电容感测设备的方框示意图。图15是示出根据实施例的具有虚拟输入线的电容感测设备的平面图。图16是根据实施例的方法的流程图。图17是根据另一实施例的连续斜坡电容感测电路的方框示意图。图18A是传统的Σ-Δ电容感测系统的方框示意图。图18B是示出类似于图18A的传统系统的操作的时序图。详细描述现在将描述示出电容感测设备和方法的各种实施例，其可对感测电容和参考电容两者积分，并使用所得到的积分结果之间的差来生成表示感测电容中的变化的调制信号。因为使用两个积分值之间的差，所以不需要参考值(例如参考电压)。此外，这种电容感测可能没有对传统方法中存在的采样频率变化的灵敏度。在一些实施例中，电容感测系统可以是对时钟频率变化不敏感并且不需要电压参考的一阶Σ测系调制器的修改实现。感测电容(Cx)和参考电容(Cm)可用于积分器。系统提供的调制可以强制Cm上的积分波形跟随Cx上的波形，从而生成具有可以编码Cx中的变化的平均值的差值。在特定实施例中，可以通过对差值进行采样来生成比特流。在本文描述的特定实施例中，类似的项由相同的参考字符表示，但是其中前面的数字对应于图号。为了理解实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路(IC)设备，包括：参考电路，其被配置为连接到参考电容，并且生成根据所述参考电容和比较信号随时间变化的电参考信号；感测电路，其被配置为连接到感测电容，并且生成根据所述感测电容随时间变化的电感测信号；比较电路，其具有被耦合以接收所述感测信号和所述参考信号的比较输入端以及提供所述比较信号的比较输出端；和值生成电路，其被配置为在预定时间段内生成与所述比较信号成比例的输出值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.31 US 62/212,257;2015.12.10 US 14/965,1651.一种集成电路(IC)设备，包括：参考电路，其被配置为连接到参考电容，并且生成根据所述参考电容和比较信号随时间变化的电参考信号；感测电路，其被配置为连接到感测电容，并且生成根据所述感测电容随时间变化的电感测信号；比较电路，其具有被耦合以接收所述感测信号和所述参考信号的比较输入端以及提供所述比较信号的比较输出端；和值生成电路，其被配置为在预定时间段内生成与所述比较信号成比例的输出值。2.根据权利要求1所述的IC设备，其中：所述参考电路被配置为响应于所述比较信号具有第一值，以对应于所述参考电容的速率改变所述参考信号，并且响应于所述比较信号具有第二值，引起所述参考信号中的响应，该响应不同于所述比较信号具有所述第一值时的响应；和所述感测电路被配置为以对应于所述感测电容的速率改变所述感测信号。3.根据权利要求2所述的IC设备，其中：所述参考电路被配置为响应于所述比较信号具有所述第一值，根据所述感测电容增加所述参考信号的幅值，以及响应于所述比较信号具有所述第二值，将所述参考信号保持在大约其当前幅值。4.根据权利要求1所述的IC设备，其中：所述参考电路包括耦合到参考节点的第一电流源，所述第一电流源响应于所述比较信号而被启用和禁用；所述感测电路包括耦合到参考节点的第二电流源；和所述比较电路具有耦合到所述感测节点的第一输入端和耦合到所述参考节点的第二输入端；其中，所述感测节点被配置为连接到所述感测电容，并且所述参考节点被配置为连接到所述参考电容。5.根据权利要求4所述的IC设备，其中：所述参考电路还包括第一复位开关，所述第一复位开关耦合在所述参考节点与预定电压节点之间，并且具有被耦合以接收定时信号的控制输入端；和所述感测电路还包括第二复位开关，所述第二复位开关耦合在所述感测节点与所述预定电压节点之间，并且具有被耦合以接收所述定时信号的控制输入端。6.根据权利要求4所述的IC设备，其中：所述参考电路还包括第一隔离开关，所述第一隔离开关耦合在所述第一电流源与所述参考节点之间，并且具有被耦合以接收定时信号的控制输入端；和所述感测电路还包括第二隔离开关，所述第二隔离开关耦合在所述第二电流源与所述感测节点之间，并且具有被耦合以接收所述定时信号的控制输入端。7.根据权利要求1所述的IC设备，其中：所述值生成电路包括计数器电路，所述计数器电路在所述预定时间段内生成与所述比较信号成比例的数字计数值。8.一种系统，包括：至少一个感测电容；参考电容；和至少一个电容感测部分，其包括：参考部分，其被配置为生成根据所述参考电容和比较值随时间变化的电参考值；至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·C·格莱汀娜里，
申请(专利权)人：赛普拉斯半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US