连续时间相关器结构制造技术

本发明专利技术涉及连续时间相关器结构。更具体而言，涉及模拟前端电路在电容测量应用中利用相干检测。模拟前端电路使用相干检测来测量触摸屏显示器的电容。模拟激励信号由待被测量的电容器调制。使用相关器对经调制的信号进行同步解调，该相关器包括集成的混频和积分电路。该相关器包括可编程阻抗元件，该可编程阻抗元件根据控制数字化波形生成时变电导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于将所测量的电容转换为电压的模拟前端电路。更具体地，本专利技术涉及具有用于从激励信号中解调所测量的电容的相关器的模拟前端电路。
技术介绍
许多电子设备并入了触摸屏型的显示器。触摸屏是检测在显示区域内的触摸的存在、位置以及压力的显示器，触摸通常由手指、手、触针或其他定点设备引起。触摸屏使得用户能够在不需要任何中间设备的情况下直接与显示器面板交互，而不是利用鼠标或触摸板间接地与其交互。触摸屏可以在计算机中实现或作为用于访问网络的终端。触摸屏在销售点系统、自动柜员机(ATM)、移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式游戏控制台、卫星导航设备以及信息装置中普遍使用。存在许多类型的触摸屏技术。电阻式触摸屏面板由若干层组成，包括由薄空间分离的两个薄金属导电层和电阻层。当某一物体触摸到触摸屏面板时，这些层在某一点连接。响应于物体接触，面板与具有连接的输出的两个分压器在电学上类似地起作用。这引起电流改变，该电流改变被登记为触摸事件并且被发送到控制器以用于处理。电容式触摸屏面板由跨传感器传导连续电流的材料涂覆、部分涂覆或者图形化。传感器在水平轴和竖直轴两者上均表现所存储的电子的精确受控场以实现电容。人体是导电的；因此影响存储在电容中的电场。当传感器的参考电容被另一电容场如手指更改时，位于面板的每个拐角处的电子电路测量参考电容的所得失真。与触摸事件有关的测量信息被发送到控制器来进行数学处理。可以用裸手指或者用裸手持有的传导设备来触摸电容式传感器。电容式传感器也基于接近来工作，而无需直接触摸以被触发。在多数情况下，并不发生与传导金属表面的直接接触，而是由绝缘玻璃或者塑料层将传导传感器与用户的身体隔离。经常可以通过靠近表面快速挥动手掌而不是触摸来触发具有旨在用于让手指触摸的电容式按钮的设备。图I示出了用于电容式触摸屏面板的示例性传统电容式触摸传感器。这种传感器通常使用被形成为层的透明导体，例如ITO(铟锡氧化物)导体来形成。在图I的示例性配置中，底部导体形成驱动电极X0、X1、X2、X3，也称为驱动线，顶部导体形成感测电极Y0、Y1、Υ2、Υ3，也称为感测线。驱动线和感测线的每个交叉点形成具有所测量的电容Cm的电容器。目标在于确定电容式触摸传感器上的触摸位置的估计。当手指或其他接地的物体被定位在传感器的交叉点处或者其附近时，在该交叉点处的所测量的电容Cm存在改变。所测量的电容Cm是在该交叉点处的感测线和驱动线之间的电容。当在交叉点处发生触摸事件时，感测线和驱动线之间的一部分场线被转向到在感测线和手指之间。这样，所测量的电容Cm在触摸事件期间减小。模拟前端(AFE)电路对模拟信号执行信号处理，并且通常执行模数转换。模拟前端电路可以用在多种应用中，包括测量并将电容转换为对应的电压值。图2A和图2B示出了用于测量外部电容器的电容并将所测量的电容转换为对应的电压的传统的模拟前端电路的简化示意框图。在示例性应用中，外部电容是存储在图I的电容器Cm中的电荷。图2A示出了电路的第一阶段，而图2B示出了电路的第二阶段。在阶段I期间，待测量的电荷被收集在电容器Cm上。在阶段2期间，存储在电容器Cm上的电荷被转移到电容器Cf，并输出对应的电压Vout。参考图2A，电路包括电容器Cm、运算放大器2、开关4、反馈电容器Cf和开关6。在 放大器2的负输入端的电压，并且因此也是在电容器Cm的第一端的电压，是虚拟接地Vvg。在阶段I期间，开关4连接到参考电压Vref，并且开关6闭合。使开关6闭合允许电容器Cf完全放电到已知的零状态。跨电容器Cm的电荷是Vvg-Vref乘以电容Cm。如图2B所示，在阶段2期间，开关4连接到接地，并且开关6断开。由于开关4连接到地，电容器Cm上的电压是零，并且电容器Cm上的所有电荷都转移到电容器Cf。输出电压Vout是具有如下振幅的信号，即，该振幅依赖于在电容器Cm上存储并转移到电容器Cf的电荷。如图4中示出的，输出电压Vout可以输入到模数转换器(ADC)，以转换为对应的数字输出值。由于电容器Cf在阶段I期间完全放电，存储在电容器Cf上的电荷完全取决于从电容器Cm转移来的电荷量。如果电容器Cf在阶段I期间没有完全放电到零状态，则电容器Cf将保持其先前状态的记忆。输出电压Vout = Vref*Cm/Cf+vn,其中Vref是已知的内部参考值，vn是由系统测量的不希望的噪声，Cf是已知值。如此，电容Cm可由已知值Vref和Cf以及测量值Vout来确定。电容Cm是变化的电容并表示了待被测量的电容，例如触摸屏显示器的所测量的电容。当手指触摸触摸屏显示器时，电容变化，其是被测量的外部电容变化。图2A和图2B的电路的问题关于宽频带噪声采样。该电路中不包括任何噪声滤波，所以在从阶段I转换到阶段2过程中引入到系统中的任何噪声被包括在转移到电容器Cf的电荷中。该噪声表不为在输出电压Vout中的分量“vn”。所以输出电压Vout不仅是电容Cm的测量，还是噪声瞬时的采样。此外，ADC的动态范围需要足够大来考虑到由于噪声引起的输出电压Vout的增大的幅度。更大的动态范围导致具有更大的面积并使用更多电能的ADC。图3示出了图2A和图2B的电路的示例性响应曲线。顶部曲线显示了对应于阶段I和阶段2的采样时钟。当采样时钟为高时，例如IV，电路在阶段I中(图I)，而当采样时钟为低时，例如0V，电路在阶段2中(图2)。在示例性应用中，在采样时钟的上升沿对输入进行采样。在开关4和开关6从阶段2变化到阶段I的时刻，对电压Vout进行采样。如图3中的中间曲线所示，在输入信号中存在一些噪声，但是其平均值基本上恒定。希望采样值是恒定的，例如IV，但是由于噪声，实际经采样的输出依赖于在采样时刻存在的瞬时噪声在期望的恒定值附近变化。实际经采样的输出的变化的例子在图3的下部曲线中显示。如果瞬时噪声很高，那么实际经采样的输出大于期望的恒定值，例如经采样的输出曲线中在IV之上的部分。如果瞬时噪声很低，那么实际经采样的输出低于期望的恒定值，例如经采样的输出曲线中在IV之下的部分。在应用中，增加用来确定电容变化(例如在触摸屏显示器上的触摸事件)的阈值电压来适应经采样的输出的变化。增加阈值电压减小系统的灵敏度。使用太低的阈值电压来考虑噪声变化导致错误的触发。测量电容的各种备选系统包括对噪声的考虑。图4示出了使用数字滤波的传统的模拟前端电路的简化示意框图。图4的电路包括连接到低噪声放大器(LNA)的输出的模数转换器(ADC)。输入到ADC的电压被转换为数字值，其由包括噪声滤波的数字处理电路进行处理。ADC也是在时间中的单个瞬间处进行采样的采样系统。这导致与以上关于图3描述的相类似的变化的经采样的输出值。图5示出了另一个传统的模拟前端电路的简化示意框图。图5的电路与图4的电 路相同，只是添加了带通滤波器(BPF)，以在将信号输入到ADC之前对信号进行滤波。BPF试图在将电压信号输入到ADC之前对电压信号(图3的中部曲线)中存在的噪声进行滤波。对从BPF输出的经滤波的信号执行采样。图5的电路的问题是不同的应用遭受不同的噪声频谱。这样，BPF不能被固定，而是BPF必须可调谐到特定的应用。同样，BPF应当能够被细微地调整以适应具有相对窄的频率响应的应用。例如，触摸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容测量电路，包括：a.外部电容器；以及b.耦合到所述外部电容器的相干检测电路，其被配置用于测量所述外部电容器的电容并将所测量的电容转换为对应的电压输出，其中所述相干检测电路包括可编程阻抗元件、耦合到所述可编程阻抗元件的输出的第一放大器、以及耦合到所述第一放大器的输入和所述第一放大器的输出的积分反馈电容器。

【技术特征摘要】
2011.02.25 US 61/446,944;2012.02.24 US 13/404,5941.一种电容测量电路，包括 a.外部电容器；以及 b.耦合到所述外部电容器的相干检测电路，其被配置用于测量所述外部电容器的电容并将所测量的电容转换为对应的电压输出，其中所述相干检测电路包括可编程阻抗元件、耦合到所述可编程阻抗元件的输出的第一放大器、以及耦合到所述第一放大器的输入和所述第一放大器的输出的积分反馈电容器。2.根据权利要求I所述的电容测量电路，进一步包括耦合到所述外部电容器的信号发生器，其中所述信号发生器配置用于生成模拟激励信号。3.根据权利要求2所述的电容测量电路，其中经调制的模拟激励信号被输入到所述可编程阻抗元件，其中所述经调制的模拟信号包括由所述外部电容器的电容调制的所述模拟激励信号。4.根据权利要求3所述的电容测量电路，其中所述可编程阻抗元件被编程为具有根据 编程波形的时变电导，从而从所述可编程阻抗元件输出的混频的模拟信号是经调制的信号和所述编程波形的乘积。5.根据权利要求4所述的电容测量电路，其中所述可编程阻抗元件包括电阻器阵列和耦合到所述电阻器阵列的开关阵列。6.根据权利要求5所述的电容测量电路，其中所述开关阵列中的每个开关根据表示相关信号的数字化控制字被独立控制，其中所述相关信号与所述激励信号相关联。7.根据权利要求4所述的电容测量电路，其中所述可编程阻抗元件包括电容器阵列和耦合到所述电容器阵列的开关阵列。8.根据权利要求7所述的电容测量电路，其中所述开关阵列中的每个开关根据表示相关信号的数字化控制字被独立控制，其中所述相关信号与所述激励信号相关联。9.根据权利要求4所述的电容测量电路，其中所述可编程阻抗元件包括电压到电流转换器和耦合到所述电压到电流转换器的电流数模转换器。10.根据权利要求4所述的电容测量电路，其中所述第一放大器和所述积分反馈电容器被配置用于接收混频的模拟信号并在离散的时间段上对所述混频的模拟信号进行积分以输出对应的电压输出。11.根据权利要求10所述的电容测量电路，其中所述时间段是Ι/f的倍数，其中f是模拟激励信号的频率。12.根据权利要求I所述的电容测量电路，进一步包括第二放大器和耦合到所述第二放大器的输入和所述第二放大器的输出的第二反馈电容器，其中所述第二放大器的输入耦合到所述外部电容器，所述第二放大器的输出耦合到所述可编程阻抗元件。13.根据权利要求I所述的电容测量电路，进一步包括触摸屏显示器，其中所述触摸屏显示器包括所述外部电容器。14.根据权利要求I所述的电容测量电路，其中所述相干检测电路包括模拟同步解调器。15.根据权利要求I所述的电容测量电路，其中所述可编程阻抗元件、所述第一放大器以及所述积分反馈电容器形成集成的混频器和积分电路。16.一种电容测量电路，包括a.信号发生器，被配置用于生成模拟激励信号； b.具有至少一个电容器的触摸屏显示器，其中所述电容器被配置用于输入所述模拟激励信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·E·厄尔多甘，沈国重，R·阿南撒拉曼，A·塔帕里阿，B·贾维德，S·T·穆哈默德，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：