快速电容感应装置及电容信号检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种快速电容感应装置及电容信号检测方法，包括信号共模补偿和积分电路、信号转移电路、信号测量电路。信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列，运算放大电路，采样电容Cx及其开关阵列；信号转移电路包括采样电容Cx及其开关阵列；信号测量电路包括积分电容Cmea及其开关阵列，运算放大电路及ADC。在本发明专利技术公开的感应装置下，设计成本基本不变，但实现了电容感应扫描频率的大幅提升。

Fast capacitance induction device and capacitance signal detection method

【技术实现步骤摘要】
快速电容感应装置及电容信号检测方法
本专利技术属于集成电路设计及电容信号处理
，涉及一种快速电容感应装置及电容信号检测方法。
技术介绍
传统的电容感应装置如图1所示。电容检测一般包含外部传感器复位，外部传感器电容共模量补偿、积分、转换等过程。其中外部传感器复位取决于外部传感器装置的RC时间参数，一般要花费几个到数十个微秒。外部传感器电容共模量补偿通常有电流源电荷补偿和电容电荷补偿两种方法。前者由于外部传感器分布式电阻R的存在，导致补偿电流不能太大，太大的电流会压缩补偿电流源的电压裕度，从而导致瞬间补偿电流降低、补偿电流不线性等现象，单位时间内补偿的电荷不确定。而电容式电荷补偿需要额外的电容，增加了硅片的面积成本。此外传统的电容补偿还需要一个驱动特性非常强的模拟缓冲器来给补偿电容充电，补偿的最大电荷为Vref*Ci，其中Vref为电源电压，接于放大器A0的正输入端，由于电容Ci的面积限制和模拟缓冲器动态范围的限制，补偿范围一般在几十pQ左右，补偿电荷量仅适合于小型和中型的外部电容传感器。由于传统电容感应装置所具有的上述较长的复位时间和共模补偿时间、以及较高的共模补偿复杂度、较小的共模补偿范围，导致传统电容感应装置不能实现很快的刷新率。而且对后续ADC模块的动态范围、转换速率要求较高。从而使得整个触摸感应装置不仅具有较高的复杂度和功耗，而且没有获得相应的高性能，亟需改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速电容感应装置及电容信号检测方法，至少解决电容传感器扫描频率较低的问题。根据本专利技术的第一方面，提供一种快速电容感应装置，包括：信号共模补偿和积分电路，信号转移电路，信号测量电路；所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列，运算放大电路，采样电容Cx及其开关阵列，所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端，所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端，所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx，所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器；所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列；所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端和第四端连接所述参考电压源RefRx，第五端连接所述信号测量电路的第一端；所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1，所述第一运算放大器的正输入端即运算放大电路的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接开关Sinn的第一端，开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端，所述第一运算放大器的输出端即运算放大电路的输出端，开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间，开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx，设置在采样电容Cx第一端的开关SxL、ScomL、SmL，设置在采样电容Cx第二端的开关SxR、ScomR、SmR；开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接，开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端的连接，开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端，开关ScomL和ScomR实现采样电容Cx与信号测量电路的第二运算放大器opa2负输入端相连。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci，设置在积分电容Ci第一端的开关SiL、S0L，设置在积分电容Ci第二端的开关SiR、S0R，开关SiL实现积分电容Ci与开关Sinn的第二端的连接，开关SiR实现积分电容Ci与第一运算放大器opa1输出端的连接，开关S0L和S0R实现积分电容Ci的两端接地。可选的，对于所述的快速电容感应装置，还包括补偿驱动电压源VCOM，连接在积分电容Ci及其开关阵列的第三端和第四端。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述积分电容Ci及其开关阵列还包括设置在积分电容Ci第一端的开关S1L，设置在积分电容Ci第二端的开关S1R，所述开关S1L和S1R实现补偿驱动电压源VCOM对积分电容Ci的预充电。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述信号测量电路包括所述第二运算放大器opa2，积分电容Cmea和开关Sresm皆跨接在所述第二运算放大器opa2的负输入端和输出端，所述第二运算放大器opa2的输出端连接ADC，所述第二运算放大器opa2的正输入端连接所述参考电压源RefRx，所述第二运算放大器opa2的负输入端还连接开关SmL和SmR的第二端。可选的，对于所述的快速电容感应装置，还包括电流补偿电路，连接所述运算放大电路的负输入端和外部电容传感器。可选的，对于所述的快速电容感应装置，所述电流补偿电路包括电流源Icm0和Icm1，分别通过开关Sc0和Sc1连接到开关SRxen和第一运算放大器opa1的负输入端，所述开关SRxen连接至外部电容传感器。根据本专利技术的第二方面，提供一种电容信号检测方法，包括：（1）复位和预充电过程，在外部电容传感器的复位期间，同时对积分电容Ci预充电；（2）共模补偿及积分阶段，积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的补偿电荷，调整积分电容Ci所连接开关阵列的打开和关闭顺序，使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享；（3）电荷转移及正电荷预充过程，总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路转换成电压信号-输出至ADC，在采样电容Cx进行电荷转移的同时，积分电容Ci又进入电荷预充阶段，同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。相对于现有技术，本专利技术的技术方案实现了在设计成本不变或者微降的情况下，电容感应装置扫描频率的大幅提升，具体体现在：（1）复用积分电容Ci作为电容感应装置的补偿电容，第一运算放大器opa1复用为预充电压缓冲器对补偿电容预充电；（2）并行利用电容感应装置的复位时间给补偿电容预充电荷，省掉了补偿电荷预充时间；（3）通过设置积分电容Ci所连接开关阵列的开关顺序，能够提升补偿电容与外部传感器之间的电压差，加快共模补偿时的电荷分享速度，减小补偿所需要的时间；（4）能够取部分采样电容上的电荷进行信号测量和转换，使得剩余大部分电容又可以同步作为补偿电容进行预充，电容信号感应和电容信号测量并行化节省了信号测量和转换的时间。附图说明图1是一种常见的电容感应装置的结构示意图。图2是本专利技术一实施例中一种快速电容感应装置的示意图一。图3是本专利技术一实施例中一种快速电容感应装置的示意图二。图4是本专利技术一实施例中电容感应装置复位和预充电过程的示意图。图5是本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速电容感应装置，其特征在于，包括：/n信号共模补偿和积分电路，信号转移电路，信号测量电路；/n所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列、运算放大电路、采样电容Cx及其开关阵列，所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端，所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端，所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx，所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器；/n所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列；所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端和第四端连接所述参考电压源RefRx，第五端连接所述信号测量电路的第一端；/n所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速电容感应装置，其特征在于，包括：
信号共模补偿和积分电路，信号转移电路，信号测量电路；
所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列、运算放大电路、采样电容Cx及其开关阵列，所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端，所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端，所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx，所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器；
所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列；所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端和第四端连接所述参考电压源RefRx，第五端连接所述信号测量电路的第一端；
所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。


2.根据权利要求1所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1，所述第一运算放大器的正输入端即运算放大电路的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接开关Sinn的第一端，开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端，所述第一运算放大器的输出端即运算放大电路的输出端，开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间，开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。


3.根据权利要求2所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx，设置在采样电容Cx第一端的开关SxL、ScomL、SmL，设置在采样电容Cx第二端的开关SxR、ScomR、SmR；开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接，开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端的连接，开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端，开关ScomL和ScomR实现采样电容Cx与信号测量电路的第二运算放大器opa2负输入端相连。


4.根据权利要求2所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci，设置在积分电容Ci第一端的开关SiL、S0L，设置在积分电容Ci第二端的开关SiR、S0R，开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建军，朱定飞，刘华，
申请(专利权)人：上海海栎创微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31