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专利名称：具有电流传送器的多功能电容感测电路的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及触摸式传感器，且更特定来说，涉及电容性触摸式传感器。
背景技术：
电容性触摸式传感器可用于取代机械按钮、旋钮和其它类似的机械用户接口控制。电容性传感器的使用允许淘汰复杂的机械开关和按钮，从而在苛刻条件下提供可靠的操作。另外，电容性传感器广泛用于现代消费型应用中，从而在现有产品中提供新的用户接口选择。电容性触摸式传感器可以用于触摸-感测表面的传感器阵列的形式布置。当例如手指等传导物体与触摸-感测表面接触或紧密接近时，一个或一个以上电容性触摸式传感器的电容发生改变。可通过电路来测量电容性触摸式传感器的电容变化。支持一种操作模式的电路将电容性触摸式传感器的所测得的电容转换为数字值。电容感测电路中存在两种主要操作模式自电容感测和互电容感测。自电容感测模式也称为单电极感测模式，因为每一传感器仅需要到感测电路的一个连接电线。对于自电容感测模式，触摸传感器会增加传感器电容，因为通过手指添加的触摸电容被添加到传感器电容。在互电容感测模式中检测互电容变化。每一传感器使用至少两个电极一个是发射器且另一个是接收器。当手指触摸传感器或紧密接近传感器时，传感器的接收器与发射器之间的电容性耦合随着手指将电场的一部分分路到接地而减小。用于互电容感测的电容感测电路可具有电流或电压输入。电流输入电容感测电路具有低输入阻抗且提供最佳的外部噪声抑制能力。电压输入电容感测电路具有高输入阻抗且基于电容分压器操作原理而操作。电压输入电容感测电路适合于经由高电阻材料感测电容。然而，缺点是较差的噪声免疫性，因为潜在的输入电路可能对环境噪声过于敏感。


在附图的各图中以实例的方式而非限制的方式来说明本发明。图IA说明用于使用电荷聚集操作感测技术在自电容感测模式中感测Cs的电容的电容感测电路。图IB说明用于使用Σ -Δ调制器感测技术在自电容感测模式中感测Cs的电容的电容感测电路。图2说明用于在互电容感测模式中感测互电容的电容感测电路。图3Α说明具有电容测量电路的电路的一个实施例的框图，所述电容测量电路用于在自电容感测模式中使用传感器阵列的多个传感器元件来感测触摸-感测表面上的电容。图IBB说明具有互电容测量电路的电路的另一实施例的框图，所述互电容测量电路用于在互电容感测模式中使用传感器阵列的多个传感器元件来感测触摸-感测表面上的电容。图4A说明根据一个实施例的用于在自电容感测模式或互电容感测模式中测量传感器元件的电容的电容感测电路。图4B-C说明根据实施例的用于在自电容感测模式或互电容感测模式中测量传感器元件的电容的图4A的电容感测电路的操作波形。图5A说明根据一个实施例的第二代电流传送器(second generation current conveyor, CCII)的等效示意图。图5B说明根据一个实施例的第二代电流传送器的CMOS实施方案。图6说明根据一个实施例的用于在互电容感测模式中测量传感器元件的电容的图4A的电容感测电路的功能元件。图7说明根据一个实施例的用于在单端自电容感测模式中测量传感器元件的电容的图4A的电容感测电路的功能元件。图8A说明根据一个实施例的可配置以用于在双通道或单差分通道感测模式中感测传感器元件的自电容或互电容的电容感测电路。图8B说明当图8A中所示的电容感测电路在双通道基于电压的互电容感测模式中操作时的电路配置。图8C说明当图8A中所示的电容感测电路在基于差分电压的互电容感测模式中操作时的电路配置。图8D说明当图8A中所示的电容感测电路在双通道基于电流的互电容感测模式中操作时的电路配置。图8E说明当图8A中所示的电容感测电路在差分通道单端自电容感测模式中操作时的电路配置。
具体实施例方式以下描述陈述例如特定系统、组件、方法等等的实例等众多特定细节，以便较好地理解本发明的若干实施例。然而，所属领域的技术人员将了解，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的至少一些实施例。在其它例子中，未详细描述众所周知的组件或方法，或以简单的框图格式呈现众所周知的组件或方法以免不必要地使本发明模糊不清。因此，所陈述的特定细节仅为示范性的。特定实施方案可与这些示范性细节不同且仍预期在本发明的精神和范围内。描述内容中对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合实施例而描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各处出现短语“在一个实施例中，，不一定全部指代同一实施例。本文描述的是用于在多个电容感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的电容的设备和方法。在一个实施例中，所述多个电容感测模式包含自电容感测模式和互电容感测模式。在一个实施例中，自电容感测模式为单电极单端感测模式，且互电容感测模式为双电极感测模式。在另一实施例中，自电容感测模式为双通道或差分通道单端感测模式，且互电容感测模式为双通道或差分通道感测模式。在一个实施例中，电容感测电路可使用单一电流传送器在多个模式中(例如，在自电容和互电容单端感测模式中)感测电容。在另一实施例中，电容感测电路可包含用于在双通道或差分单端自电容感测模式中或者在双通道或差分通道互电容感测模式中感测电容的两个电流传送器。在又一实施例中，电容感测电路当在双通道或差分通道互电容感测模式中操作时支持电压或电流输入。存在可用于感测传感器元件上的电容的各种电路实施方案。图IA说明用于在自电容感测模式中感测Cs 110的电容的电容感测电路100A。电容感测电路100A使用电荷聚集或电荷转移感测方案来测量电容器Cs 110的自电容。电荷聚集感测方案操作如下在使积分电容器Cint 120复位(即，放电)之后，开关SWl和SW2在循环重复的两个非重叠相位 PHl和PH2中操作。在相位PHl期间(即，当到电容感测电路100A的时钟信号为高时)，开关SWl接通且开关SW2断开。在相位PH2期间(即，当到电容感测电路100A的时钟信号为低时)，开关SW2接通且开关SWl断开。开关SWl和SW2不同时接通。因此，感测电容器Cs 110在相位PHl期间被充电到电源电压VDD，且在相位PH2期间放电到积分电容器Cint 120。 在(；110上感测到的自电容可通过用于使积分电容器Cint 120到达某一阈值的一定数目的开关循环来确定，或通过在执行预定义数目个循环之后测量积分电容器Cint 120上的电压来确定。利用此电荷聚集技术，积分电容器Cint 120上的电压相对于时间(其可通过循环计数来测量)而按指数规律升高。积分电容器Cint 120上的电压与循环计数之间的关系可在于预定义数目个循环之后依据积分电容器上存在的电压来计算电容的测量方法的情况下得以线性化。电荷聚集技术将所感测到的电容转换为时间间隔或电压。图IB所示的另一自电容感测电路使用Σ-Δ调制器将所感测到的电容转换为位流密度。存在Σ -Δ调制技术可如何用于电容感测的若干可能的实施方案，2006年11月 14日申请的第2008/0111714号美国专利公开案中描述几个可能的实例，且所述专利公开案共同转让给本申请案的受让人。图IB说明用于使用Σ -Δ调制器感测技术在自电容感测模式中感测Cs 111的电容的电容感测电路100Β。在图IB中，开关SWl和SW2经由开关源170在两个非重叠的相位 PHl和ΡΗ2中操作。在相位PHl处(当时钟信号为高时)，SWl接通。在相位ΡΗ2处(当时钟信号为低时)，SW2接通。SWl和SW2不同时接通。感测电容器Cs 111在相位PHl期间被充电到电源电压VDD，且在相位PH2期间放电到调制器电容器Cm 183。Σ -Δ调制器180包含比较器181、锁存器182、调制电容器Cmqd 183和放电电阻器& 184。当调制电容器电压Vqbd达到比较器参考电压Vkef时，比较器181切换，且在锁存器182提供的延迟周期之后在SW3接通时启用电容器放电电阻器&。作为通过& 184从 Cmod 183移除的电荷的结果，调制电容器Cmot 183的电压开始下降。当调制电容器Cm 183 的电压下降到参考电压Vkef以下时，比较器181切换，且在锁存器182提供的延迟周期之后， SW3断开，从而防止Cmqd 183通过电阻器& 184放电。因此，调制电容器Cmqd 183开始再次升高，从而重复调制电容器Cm 183充电/放电循环。锁存器182使比较器操作与时钟190 同步且限制最小放电开关SW3接通/断开时间。Σ -Δ调制器180通过交替地接通/断开放电开关SW3而保持平均调制电容器电压Vem接近参考电压VKEF。图2说明用于在互电容(发射器-接收器或TX-RX)感测模式中感测电容器Cm 210 的互电容的电容感测电路200。电容器Cpi 230和Cp2 220表示两个传感器元件的寄生电容。电容感测电路200可使用重复循环的两个非重叠相位PHl和PH2而操作。在PHl期间，开关SWl和SW3接通，而在PH2期间，开关SW2和SW4接通。开关SWl和SW2充当发射器驱动器，其在PHl期间当SWl和SW3接通时对电容器Cm210充电，且在PH2期间当SW2和SW4接通时对电容器CM210放电。开关SW3和SW4充当电流解调接收器开关。模拟缓冲器201保持接收器电极电位在PHl和PH2两个操作相位期间大致相同，从而保护电路200使其免受Cpi寄生电容变化的影响。应注意，积分电容器Cint 206被认为是电容感测电路200的一部分，且此处为了便于阐释而展示。在PHl (即，充电循环)期间，电容器Cm 210的电压电位为Vcm = Vdd-Vcint,寄生电容器Cpi 230和Cp2 220的电压电位为Vcpi = Vcint, Vcp2 = Vddo在PH2(即，放电循环) 期间，电容器Cm 210的电压电位为Vcm = Vabuf = Vcint = Vcpi。如上文论述，电容感测电路100A和100B仅可在自电容感测模式中操作，且电容感测电路200仅可在互电容感测模式中操作。电容感测电路100AU00B和200具有不同操作相位处的可变输入阻抗，这导致可能的寄生外部噪声信号解调。举例来说，当电容感测电路 (例如，电容感测电路100AU00B或200)中没有一个开关接通时，电容感测电路具有高阻抗。假定在停滞时间(dead time)没有一个开关接通。在这段时间期间，电路为高阻抗电路。如果在停滞时间期间施加具有足够振幅的非常高频的RF噪声(例如，IGHz信号，具有与停滞时间相当的周期)，那么体二极管可接通且模拟多路复用器开始动作，从而导致错误的电容感测系统操作。如果输入电路始终为低阻抗输入电路，那么RF噪声可能影响系统操作的概率要小得多。此外，电容感测电路100AU00B和200通常仅提供感测电流的半波整流和解调，从而导致低频噪声免疫性降级，尤其是来自AC电源的噪声，例如50/60HZ下110-230V处的高阻抗噪声。术语半波整流和解调意味着当Cs与C腿连接时电路将施加到Cs的噪声信号乘以因数1，且当Cs连接到电源时，将噪声信号乘以因数0。因此，噪声信号在未由积分电路低通滤波器性质进行适当混合和抑制的情况下到达后面的调制器/积分电路。全波电路将噪声信号乘以因数士 1，将其混合并抑制积分电路滤波器。噪声也可从AC-DC电源耦合，例如从具有在40kHz和3MHz之间的噪声的AC-DC开关功率转换器耦合，这取决于开关电源调节器。使用全波解调的主要益处是更好地抑制AC噪声且更好地抑制来自开关调节器的噪声。此外，上文提及的电路可经配置以仅在一个自电容(单电极)感测模式或互电容 (双电极)感测模式中感测电容。具有拥有在两种模式中感测电容的能力的电路可例如通过改进排水(water rejection)可能性和触摸坐标分辨率而提供一些益处。图3A说明具有电容测量电路的电路300A的一个实施例的框图，所述电容测量电路用于在自电容感测模式中使用传感器阵列的多个传感器元件来感测触摸-感测表面上的电容。电路300A包含电容测量电路360和触摸-感测表面350 (例如，按钮阵列、滑块、 触摸屏、触控板)。电容测量电路360包含选择电路340、电容感测电路310和电容转换电路320。触摸-感测表面350可经由选择电路340(例如，多路复用器)耦合到电容测量电路360。选择电路340允许电容感测电路310感测多个传感器元件321 (1)-321 (N)上的电容。应了解， 触摸-感测表面350可经由其它构件(例如，一个或一个以上多路复用器)或在没有任何多路复用器的情况下耦合到一个或一个以上电容测量电路360，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。电容感测电路310在单端自电容感测模式中通过将所感测到的电容转换为电流脉冲而感测触摸-感测表面350的一个或一个以上传感器元件的自电容。 耦合到电容感测电路310的电容转换电路320从电容感测电路310接收电流脉冲输入并将电流脉冲转换为可读的数字数据。在图3A中，触摸-感测表面350是二维用户接口，其使用传感器阵列321在自电容感测模式中检测触摸-感测表面350上的电容。在一个实施例中，传感器阵列321包含安置成二维矩阵(也称为XY矩阵)的传感器元件321 (1)-321 (N)(其中N为正整数)。应注意，传感器阵列321描绘四个传感器元件；然而，在其它实施例中，传感器阵列321可包含任何数目个传感器元件。传感器元件321 (1)-321 (N)是经由选择电路340耦合到电容测量电路360的电容感测电路310的导体。导体可为金属，或者导体可为导电墨水(例如，碳素墨水)、导电陶瓷(例如，氧化铟锡(ITO)的透明导体)、导电聚合物等。在图3A中，每一传感器元件321 (1)-321 (N)表示为一电容器。电容感测电路310包含至少一个电流传送器 330。在一个实施例中，电流传送器330是例如图5B中所说明的通过CMOS技术实施的第二代电流传送器(CCII)。尽管图3A描述具有电容测量电路360和触摸-感测表面350的电路300A，但在其它实施例中，电容测量电路可在使用接近度检测的其它非接触式电容感测装置(其可不具有触摸-感测表面)中实施，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。图;3B说明具有互电容测量电路的电路300B的一个实施例的框图，所述互电容测量电路用于在互电容感测模式中使用传感器阵列的多个传感器元件来感测触摸-感测表面上的电容。电路300B包含电容测量电路361和(例如，触摸屏、触控板的)触摸-感测表面；351。电容测量电路361包含多路复用器370和多路分用器380、电容感测电路311和电容转换电路321。触摸-感测表面351经由多路复用器370和多路分用器380而耦合到电容测量电路361。尽管图;3B展示传感器阵列322的行传感器元件连接到多路复用器370且传感器阵列322的列传感器元件连接到多路分用器380，但替代地，传感器阵列322的行传感器元件可连接到多路分用器380且传感器阵列322的列传感器元件可连接到多路复用器 370，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。还应理解，触摸-感测表面351 可经由其它构件(例如，一个多路复用器或两个以上多路复用器)或在没有任何多路复用器的情况下耦合到所述一个或一个以上电容测量电路361，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。举例来说，一个多路复用器可用于TX线，且RX线在没有多路复用器或多路分用器的情况下直接连接到接收器通道。电容感测电路311在互电容感测模式中通过将所感测到的互电容转换为电流脉冲而感测形成于两个传感器元件之间的互电容，所述两个传感器元件位于触摸-感测表面351的相交的行和列中。耦合到电容感测电路311的电容转换电路321接收从电容感测电路311输入的电流脉冲，并将电流脉冲转换为可读数字数据。在图:3B所示的实施例中，触摸-感测表面351是二维用户接口，其使用电容测量电路361来检测触摸-感测表面351上的互电容。传感器阵列322包含安置于行和列中的传感器元件322 (1)-322 (N)(其中N为正整数)。在一个实施例中，触摸-感测表面351使用ITO来形成导电传感器元件。或者，可使用具有其它导电传感器元件的其它触摸-感测表面，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。应注意，传感器阵列322描绘安置在图:3B中的4行和5列中的传感器元件322(1)-322 (N)；然而，在其它实施例中，传感器阵列322可包含安置在任何数目个行和列中的任何数目个传感器元件。尽管图:3B描述具有电容测量电路361和触摸-感测表面351的电路300B，但在其它实施例中，电容测量电路可在使用接近度检测的其它非接触式电容感测装置(其可不具有直接触摸-感测表面)中实施，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。传感器元件322 (1)-322 (N)是经由多路复用器370和多路分用器380耦合到电容测量电路361的电容感测电路311的导体。导体可为金属，或者导体可为导电墨水(例如， 碳素墨水)、导电陶瓷(例如，ITO的透明导体)、导电聚合物等。在图:3B中，互电容Cm由两个导电物体(即，两个传感器元件)之间的电场形成， 一个导电物体充当信号接收器且另一导电物体充当发射器，其中通过一个的电流的某一部分传递到另一个中。如图所示，互电容Cm在位于触摸感测表面351的每一行和列的相交处的两个传感器元件之间发生。当导电物体(例如，手指)在触摸-感测表面上向下按压时， 形成在接收器传感器元件与发射器传感器元件之间的互电容减少，因为导电物体将电场的一部分分路到接地。尽管接收器传感器元件和发射器传感器元件的寄生电容在互电容减小的同时会增加，但当接收器传感器元件的电位保持恒定时(这可在电容感测电路接收电流输入时实现)，寄生电容的变化不应影响互电容感测。来自图1A、图IB和图2的上文提及的电路使用开关电容器感测原理。有可能使用电流传送器作为主要构建块来构建电容感测电路。存在若干代电流传送器电路，本发明在一个实施例中使用第二代电流传送器。在其它实施例中，可使用其它代电流传送器电路。图5A说明根据一个实施例的第二代电流传送器(CCII)500A的简化示意图。CCII 500A是通过将电压与电流跟随器互连而得到的四端子装置。如图5A中所示，CCII 500A的四个端子包含电压输入端子Yv、电流输入端子&、电流输出端子Iz+和电流输出端子Iz_。 电压输入端子Yv为高阻抗端子，而电流输入端子&为低阻抗端子。施加到电压输入端子Yv 的输入电压(Vy)可被传送到电流输入端子&上的电压\，即Vx = Vyo另外，因为Yv为高阻抗输入，所以没有电流流动到输入端子Yv中。施加到输入端子&的输入电流Itl在输出端子Iz+和Iz_处被传送到输出电流Iz+。 输出端子12+和Iz-用于平衡的电流输出，g卩Iz+ = -Ιχ, Iz- = +ΙχοCCII 500Α的双极电流输出的实施有助于噪声抑制，且可用于准差分通道构建。输出端子Iz+是适合于电流输出的高阻抗输出端子。输出电流Iz的方向是相对于电流输入端子&处的输入电流。CCII 500Α的输入-输出关系可通过以下矩阵方程式来描述
Α’、'00 (〒 、ZSA10 φχS /、Ρ 使用CCII 500Α在电容感测电路的多个模式中感测电容可提供以下益处。首先， CCII具有低阻抗电流输入&，其可提供对高阻抗噪声信号(例如，RF或BSD)的良好免疫性。第二，电流输入&的电压电位由高阻抗电压输入Yv控制，从而允许在多个电容感测模式(自电容感测模式和互电容感测模式)下实施最佳结构。第三，CCII 500A电流输出可通过使用电荷积分/平衡电路(例如，Σ -△调制器或简单的电荷积分电路)而容易地转换为可测量形式。最后，CCII 500Α具有在没有外部闭合环路的情况下操作的能力，从而提供不同传感器寄生电容下的稳定性。在模拟和混合信号ASIC内广泛使用电流传送器来用于信号放大、滤波和整流模拟信号乘法与除法、构建跨阻抗和跨导放大器、宽带线路驱动器。 仅存在CCII的少数几个离散实施方案，有时称为理想晶体管，例如来自德州仪器(Texas Instruments)的 0PA860/861。在一个实施例中，CCII 500A可为使用闭合环路系统的基于运算放大器的架构。在另一实施例中，CCII 500A可使用采用开环架构的跨导线性(translinear)原理。或者，电流传送器的其它实施方案可用于感测电容，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。图5B说明根据一个实施例的通过跨导线性原理实施的第二代电流传送器 (CCII) 500B的CMOS实施方案。CCII 500B包含输入级(晶体管Ml和M12)、电流偏置源级(晶体管M2和M13)、电压跟随器级(晶体管M8到Mil)、多输出电流镜M3-M4、M6、M14、 M16、M17，以及电流镜M5、M7和M15、MlS0电压跟随器级由形成跨导线性环路级的晶体管 M8到Mll表示。电流镜用于将经过输入端子&的电流传送到输出端子Iz+和12_。可在 0. 35ymCM0S工艺中实施CCII 500B。或者，可使用其它CMOS或双极工艺实施CCII，以及使用用于CCII的其它配置来实施CCII，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。图4A说明根据一个实施例的用于在自电容(单电极)感测模式或互电容感测模式中测量一个或一个以上传感器元件的电容的电容感测电路400。电容感测电路400包含用于感测互电容的驱动器电路410、传感器元件电路420、CCII 430、同步解调电路440、时钟源450、延迟元件460和信号选择电路470。CCII 430产生平衡的电流输出(IZ+，IZ_)，其用作解调电路440的输入。在一个实施例中，同步解调电路440是全波同步解调电路。或者，其它同步解调电路可用于电容感测电路400，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。在一个实施例中，多个电容感测模式包含自电容(单电极，单端)感测模式和互电容感测模式。在一个实施例中，电容感测电路400可使用模式选择信号480在自电容感测模式与互电容感测模式之间切换。时钟源450产生用于同步解调电路440、模式选择电路470和驱动器电路410的时钟信号。在一个实施例中，时钟源450是扩频时钟源。延迟元件460用于延迟由时钟源 450产生的时钟信号以确保在同步解调电路440切换以接受适当的输入电流极性之后将经延迟的时钟信号490施加到信号选择电路470和驱动器电路410。电容感测电路400充当差分电路网络，从而在考虑到同步解调电路440在TX信号的沿之前需要的有限开/关切换时间的情况下在TX信号的上升沿和下降沿之后立即形成最大峰值电流值。或者，电容感测电路400不包含延迟元件460。在图4A中，模式选择电路470是具有经延迟的时钟490和参考电压Vkef 473这两个输入的多路复用器471。模式选择信号480充当多路复用器471的选择线。多路复用器 471的输出耦合到输入端子Yv，即CCII 430的电压输入。CCII 430的输入端子S卩，电流输入)耦合到传感器元件电路420的端子，例如待测量的电容器(Cm)的一个端子。CCII 430的平衡的输出(Iz+，IzJ耦合到同步解调电路440，同步解调电路440又产生电流输出IOTT。在另一实施例中，其它选择电路可用于在感测模式之间切换，例如逻辑状态机。可使用用于同步检测器输出电流测量的各种技术，例如使用电阻性电路随后进行滤波、对电流积分和电荷时间测量而将电流转换为电压，以及将电流供应到Σ -Δ调制器电路且将其转换为位流密度的技术。驱动器电路410包含“与”门411、“与非”门412、开关SWl和Sff2,以及电压源VDD。 驱动器电路410可用于对传感器元件电路420中的电容器进行充电和放电。充电和放电循环重复。在充电循环期间，驱动器电路410的开关SWl接通，且驱动器电路410的开关SW2 断开。开关SWl由“与非”门412的输出控制，且开关SW2由“与”门411的输出控制。Sffl 和SW2的切换时序经控制以防止SWl和SW2两者同时闭合的任何间隔。“与”门411和“与非”门412中的每一个的一个输入耦合到模式选择信号480，且“与”门411和“与非”门412 中的每一个的另一输入耦合到经延迟的时钟490。或者，驱动器电路410可包含除了图4A 中所说明的那些电路组件以外的其它电路组件，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。传感器元件电路420可包含一个或一个以上传感器元件。在一个实施例中，当电路400在自电容感测模式中操作时，传感器元件电路420可包含具有感测电容器Cs的一个传感器元件(如图7中所示)。在另一实施例中，当电路400在互电容感测模式中操作时， 传感器元件电路420可包含两个传感器元件作为互电容器CM，连同两个寄生电容器Cpi和 Cp2(如图6所示)形成在那两个传感器元件之间，其位于传感器阵列的行和列的邻近相交处。或者，传感器元件电路420可包含两个以上传感器元件，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。图4B-C说明根据实施例的用于分别在自电容感测模式和互电容感测模式中测量传感器元件的电容的图4A的电容感测电路的操作波形。如图4B中所示，在自电容感测模式中，CCII 430电压输入参考Yv不保持恒定，这是因为驱动器电路410在自电容感测模式中被停用；因此，传感器元件电路420经由CCII 430的&电流引脚而被驱动和感测。如图 4C中所示，在互电容感测模式中，CCII 430电压输入参考Yv在Vkef处保持恒定，这是因为驱动器电路410经启用以在互电容感测模式中驱动传感器元件电路420。图6说明根据一个实施例的在经配置以在互电容感测模式中操作时的图4A的电容感测电路400。如上文论述，图4A中所示的电容感测电路400可在多个感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的电容，所述感测模式中的一个是互电容感测模式。应注意，扫描多个传感器元件可使用多个并行通道来进行，或使用模拟开关串行地扫描传感器元件。 图6展示当在图4A中经由信号选择电路470 (例如，经由模式选择信号480)选择互电容感测模式时的图4A的电容感测电路400的简化形式。如图4A中所示，当模式选择信号480 向信号选择电路470指示在互电容感测模式中操作时，信号选择电路470的多路复用器471 将选择恒定参考电压Vkef作为其输出。因此，如图6中所示，Vkef耦合到CCII 430的电压输入端子Yv，且经由延迟元件460从时钟源450产生的经延迟的时钟490耦合到驱动器电路 410'。当选择互电容感测模式时(例如，模式选择信号设定为逻辑高)，驱动器电路410' 等效于图4Α中的驱动器电路410。因为CCII 430的电压输入端子Yv保持在恒定电位VKEF， 所以充当电流放大器的CCII 430从传感器元件电路420接收电流输入，并产生用于同步解调电路440的电流输出。
如图6中所示，传感器元件电路420包含互电容器Cm以及两个寄生电容器Cpi和 CP2。如上所述，互电容器形成在位于触摸-感测表面的每一行和列的相交处的两个传感器元件之间。传感器元件电路420中的电容器Cm的一个端子耦合到电流输入端子&，即CCII 430的低阻抗电流输入，而传感器元件电路420中的电容器Cm的另一端子耦合到驱动器电路 410'。驱动器电路410'对传感器元件电路420的电容器Cm进行充电和放电，且充电和放电循环重复。在充电循环期间，驱动器电路410'的开关SWl闭合，且驱动器电路410'的开关SW2断开。因为电容器Cm的连接到CCII 430的电流输入&的端子归因于Vkef连接到 CCII 430的电压输入Yv的事实而固定于电位Vkef，所以传感器元件电路420中的电容器Cm 经充电以具有Vdd与Vkef之间的电压差的电压电位。在放电循环期间，驱动器电路410 ‘的开关SW2闭合，且驱动器电路410'的开关SWl断开。因此，因为电容器Cm的连接到CCII430 的电流输入&的端子固定于电位Vkef，所以电容器Cm经放电以具有电压电位-VKEF。在一个实施例中，如图3B中所说明，当电路400在互电容感测模式中操作时，多路复用器370可用于将来自传感器元件电路420的信号输入到CCII 430，且多路分用器380可用于将来自驱动器电路410'的信号输出到传感器元件电路420。图7说明根据一个实施例的用于在自电容单端感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的自电容的图4A的电容感测电路400。如上文所论述，图4A中所示的电容感测电路400可在多个感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的电容，所述多个感测模式中的一个为自电容单端感测模式。图7展示当经由图4A中所示的信号选择电路470选择自电容单端感测模式时的电容感测电路400的简化图。在图4A中，当模式选择信号480向信号选择电路470指示在自电容单端感测模式中操作时，信号选择电路470的多路复用器 471将选择经延迟的时钟490作为其输出，且驱动器电路410被停用。因此，如图7中所示， 经延迟的时钟490耦合到CCII 430的电压输入端子Yv。因此，保持低阻抗电流输入端子& 的电压电位与电压输入端子Yv的电压电位相同的CCII 430充当传感器元件电路420的驱动器电路，且将传感器元件电路420的充电和放电电流转换为平衡的输出Iz+和Ιζ_。在一个实施例中，如图3Α中所说明，选择电路340可用于当电路400在自电容感测模式中操作时在传感器元件电路420与CCII 430之间输入和输出信号。电容感测电路中的图4Α的CCII 430的实施方案使传感器元件电路420的电极阻抗在所有操作相位和不同感测模式期间均不变地低，且每一操作周期需要一个充电循环和一个放电循环，从而允许电容感测电路400在先前已知的四相位或多相位电路的两倍频率下操作。感测传感器元件充电和放电电流两者的能力允许给定时间窗内的输出电流加倍， 从而产生较小数目个充电/放电循环并改进信噪比。分别在图4Α、6和7中所示的电容感测电路400、600和700可用于实施一个通道电容感测操作。在另一实施例中，电容感测电路可在差分感测模式中操作，从而形成与两个传感器元件之间的电容差成比例的输出信号。差分感测模式尤其可用于对噪声信号的处理， 其中噪声同时施加到两个输入端子。图8Α说明根据一个实施例的用于在单端和差分(双通道)感测模式中感测传感器元件的电容的电容感测电路800。如图所示，电容感测电路800包含CCII 810,CCII 820、 同步解调电路830、同步解调电路840，以及四个多路复用器Ml、M2、M3和M4。在一个实施例中，同步解调电路830和840中的每一个均为全波同步解调电路。或者，其它同步解调电路可用于电容感测电路800，如受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解。Ml和M2的输出分别耦合到CCII 810的电压输入端子Yv和电流输入端子& ；M3 和M4的输出分别耦合到CCII 820的电压输入端子Yv和电流输入端子)^。多路复用器Ml、 M2、M3和M4中的每一个具有四个输入。多路复用器Ml和M3中的每一个接收四个输入一个输入INa来自通道A，一个输入INb来自通道B，以及一个时钟输入。多路复用器Ml和M3 的第四输入接地。多路复用器M2和M4中的每一个接收两个输入一个输入INa来自通道 A，以及一个输入INb来自通道B。多路复用器M2和M4的第三和第四输入经由电阻器&而连接到某一中间电压电位(例如，模拟接地或参考源Vkef)。电阻器&的值决定电路电流增益水平(跨导)。电阻器&是偏压电阻器，其决定互电容感测模式中的CCII Yv输入电位。 来自通道A的输入INa接受来自第一组一个或一个以上传感器元件的电流或电压输入，且来自通道B(Cffi)的输入INb接受来自第二组一个或一个以上传感器元件的电流或电压输入，且将其传递到相关联的电流传送器。在一个实施例中，到两个通道的输入均为电压输入。在另一实施例中，到两个通道的输入均为电流输入。电容感测电路800能够在六种不同感测模式中操作，如作为图8A的一部分的表中所示双通道单端自电容感测模式、差分通道单端自电容感测模式、双通道基于电流的互电容感测模式、双通道基于电压的互电容感测模式、差分通道基于电流的互电容感测模式，以及差分通道基于电压的互电容感测模式。有可能将两个通道配对以获得用于每一双通道感测模式的差分感测模式，从而导致具有一个差分通道。CCII 810和CCII 820的平衡输出分别耦合到同步解调电路830和840。开关SM 870选择哪一对电流输出即将用于电容感测电路800的电流输出。电容感测电路800可接收来自两个输入通道(即，来自INa输入端子和INb输入端子)的电流输入或电压输入。在一个实施例中，当电容感测电路800配置为低阻抗接收器时，电容感测电路800接收两个电流输入。在另一实施例中，当电容感测电路800配置为高阻抗接收器时，电容感测电路800接收两个电压输入。应注意，在基于电流的感测模式中， 电容感测电路输入是低阻抗接收器，且输入信号为流入或流出接收器的电流。在基于电压的感测模式中，电容感测电路输入是高阻抗接收器，且输入信号为施加到接收器输入的电压。应注意，各种电容感测电路使用基于电流的感测模式是由于对噪声的较好免疫性，但一些电容感测电路使用基于电压的感测模式，尤其当以高电阻材料操作时，或当在耦合的共同模式噪声可被差分接收器抑制的情况下以差分方式使用时。各种感测模式中电容感测电路800的简化示意图展示于图8B-图8E中。图8B展示当电容感测电路800在双通道基于电压的互电容感测模式中操作时的电路配置。如图8B 中所示，传感器元件电路880的互电容器Cma和Cmb中的每一个的一个端子分别直接连接到 CCII 810和CCII 820的高阻抗输入。电阻器&设定输入的DC分量。电阻器Rq确定双通道基于电压的互电容感测模式中的电路增益，且CCII 810和CCII 820充当具有跨导的电压到电流变换器
图8C展示当电容感测电路800在基于差分电压的互电容感测模式中操作时的电路配置。如所示，图8B与8C之间的差异在于，图8C中的同步解调电路830和840的平衡的输出以相反方式连接，所得的输出电流是同步解调电路830与840输出电流之间的差。图8D展示当电容感测电路800在双通道基于电流的互电容感测模式中操作时的电路配置。如图8D中所示，CCII 810和CCII 820中的每一个的高阻抗电压输入端子Yv连接到恒定电压参考Vkef，且CCII 810和CCII 820中的每一个的电流输入端子&接收电流输入。图8E展示当电容感测电路800在差分通道单端自电容感测模式中操作时的电路配置。如图所示，时钟信号的经延迟的复制物被施加到CCII 810和CCII 820中的每一个的高阻抗电压输入端子Yv。CCII 810和CCII 820将从其相应的电压输入端子接收的电压变换为CCII 810和CCII 820中的每一个的电流输入端子&处的电流输入，从而促使传感器元件电路890激发。接着，CCII 810和CCII 820中的每一个减去从两个通道(CH A和 CH B)接收的信号。在双通道单端自电容感测模式中操作的电容感测电路800的电路配置类似于图 8Ε所示的电路配置，且这两种电路配置之间的差异在于，当电容感测电路800在双通道单端自电容感测模式下操作时，同步解调电路830和840的输出不接合在一起。在一个实施例中，电容感测电路800当在单电极感测模式中操作时可包含电平变换器，其将数字时钟电平变换为施加到CCII中的每一个的电压输入的电压，例如在高时钟信号电平下将预定义的电压电平REF_HI供应到CCII且在低时钟信号电平下供应预定义的REF_L0电平。本发明的其它实施例是可能的，例如有可能交换同步检测器和差分模式开关。本文描述的本发明的实施例包含各种操作。这些操作可由硬件组件、软件、固件或其组合来执行，如本文所使用，术语“耦合到，，可意味着直接耦合或经由一个或一个以上介入组件间接耦合。经由本文描述的各种总线而提供的信号中的任一个可与其它信号一起经时间多路复用且经由一个或一个以上共同总线而提供。另外，电路组件或块之间的互连可展示为总线或展示为单一信号线。总线中的每一个可替代地为一个或一个以上单一信号线，且所述单一信号线中的每一个可替代地为总线。实施例的某些部分可实施为可包含存储在计算机可读媒体上的指令的计算机程序产品。这些指令可用于对通用或专用处理器进行编程以执行所描述的操作。计算机可读媒体包含用于存储或传输机器(例如，计算机)可读的形式的信息(例如，软件、处理应用程序)的任何机构。计算机可读存储媒体可包含(但不限于)磁性存储媒体(例如，软盘)、 光学存储媒体(例如，CD-ROM)、磁-光存储媒体、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPR0M)、快闪存储器，或适于存储电子指令的另一类型的媒体。计算机可读传输媒体包含(但不限于)电、光学、声学或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)，或适合于传输电子指令的另一类型的媒体。另外，一些实施例可在计算机可读媒体存储在一个以上计算机系统上和/或由一个以上计算机系统执行的分布式计算环境中实践。另外，在计算机系统之间传递的信息可跨越连接计算机系统的传输媒体而牵引或推送。尽管本文的方法的操作以特定次序展示和描述，但每一方法的操作次序可经更改以使得某些操作可以相反次序执行，或使得某些操作可至少部分与其它操作同时执行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可呈间断和/或交替方式。
在以上说明书中，已参考本发明的特定示范性实施例描述了本发明。然而，将了解，在不脱离如所附权利要求书中陈述的本发明的较广精神和范围的情况下可对其作出各种修改和改变。因此，应在说明性意义而非限制性意义上来看待说明书和图式。
权利要求
1.一种设备，其包括电容感测电路，其包括电流传送器，所述电容感测电路经配置以在多个电容感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的电容，其中所述多个电容感测模式中的第一个是自电容感测模式，且所述多个电容感测模式中的第二个是互电容感测模式。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容感测电路进一步包括信号选择电路，所述信号选择电路经配置以选择所述多个电容感测模式中的一个。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容感测电路进一步包括同步解调电路，所述同步解调电路耦合到所述电流传送器的电流输出，且其中所述同步解调电路经配置以产生电流输出。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述自电容感测模式是单电极单端感测模式，且所述互电容感测模式是双电极单端感测模式。
5.根据权利要求4所述的设备，其中当选择所述单电极单端感测模式时，所述电流传送器的电压输入耦合到时钟信号，且所述电流传送器的电流输入耦合到所述一个或一个以上传感器元件。
6.根据权利要求4所述的设备，其中当选择所述双电极单端感测模式时，所述电流传送器的电压输入耦合到恒定参考电压，且所述电流传送器的电流输入耦合到所述一个或一个以上传感器元件的第一端子。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述一个或一个以上传感器元件的第二端子耦合到驱动器电路，且其中当选择所述双电极单端感测模式时，所述驱动器电路接收时钟信号并使用所述时钟信号重复地对将感测的所述一个或一个以上传感器元件进行充电和放电。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述电流传送器是第二代电流传送器CCII。
9.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括耦合到所述电容感测电路的电容转换电路，其中所述电容转换电路将从所述电容感测电路接收的电流转换为数字数据。
10.一种设备，其包括第一电流传送器，其耦合到第一组一个或一个以上传感器元件；以及第二电流传送器，其耦合到第二组一个或一个以上传感器元件，其中所述第一电流传送器和所述第二电流传送器经配置以在多个电容感测模式中分别感测所述第一组一个或一个以上传感器元件和所述第二组一个或一个以上传感器元件上的电容，且其中所述多个电容感测模式中的第一个是自电容感测模式，且所述多个电容感测模式中的第二个是互电容感测模式。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述自电容感测模式是双通道或差分通道单端感测模式，且所述互电容感测模式是双通道或差分通道感测模式。
12.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括第一同步解调电路，其耦合到所述第一电流传送器，其中所述第一同步解调电路经配置以产生第一电流输出；以及第二同步解调电路，其耦合到所述第二电流传送器，其中所述第二同步解调电路经配置以产生第二电流输出。
13.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括具有第一、第二、第三和第四多路复用器的信号选择电路，其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器分别耦合到所述第一电流传送器的电压输入和电流输入，且所述第三多路复用器和所述第四多路复用器分别耦合到所述第二电流传送器的电压输入和电流输入。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一电流传送器和所述第二电流传送器中的每一个是第二代电流传送器CCII。
15.一种测量电容的方法，其包括 选择多个电容感测模式中的一个；以及基于所述多个电容感测模式中的所述选定一个而感测一个或一个以上传感器元件的电容，其中所述多个电容感测模式中的第一个是自电容感测模式，且所述多个电容感测模式中的第二个是互电容感测模式。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述自电容感测模式是单电极单端感测模式， 且所述互电容感测模式是双电极单端感测模式。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括通过使用电流传送器来感测所述一个或一个以上传感器元件上的所述电容；以及由所述电流传送器产生电流输出。
18.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括当处于所述互电容感测模式中时，通过使用驱动器电路对所述一个或一个以上传感器元件进行充电；以及通过使用所述电流传送器的电流输入对所述一个或一个以上传感器元件进行充电。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述自电容感测模式是双通道或差分通道单端感测模式，且所述互电容感测模式是双通道或差分通道感测模式。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括通过使用第一电流传送器来感测第一组所述一个或一个以上传感器元件上的所述电容；通过使用第二电流传送器来感测第二组所述一个或一个以上传感器元件上的所述电容；由所述第一电流传送器产生第一电流输出；以及由所述第二电流传送器产生第二电流输出。
21.一种设备，其包括电容感测电路，其包括电流传送器，所述电容感测电路经配置以在自电容感测模式中感测一传感器元件的电容。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述电容感测电路进一步经配置以在互电容感测模式中感测两个或两个以上传感器元件的电容。
全文摘要
一种在多个电容感测模式中感测一个或一个以上传感器元件的电容的设备和方法，所述多个电容感测模式包含自电容感测模式和互电容感测模式。
文档编号G01R27/26GK102362186SQ201080013632
公开日2012年2月22日 申请日期2010年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者安德理·马哈瑞塔, 维克特·奎曼 申请人:赛普拉斯半导体公司