用于接近檢測的電容性感測接口的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明在實施例中關(guān)注在接近傳感器的情況下的電容性檢測，諸如用在電容性觸摸屏中。特別地，檢測的電容器位于測量它的電子電路的一個電極和例如接近屏幕的手指或筆之間，使得第二電極可被認(rèn)為是指外部接地。
【背景技術(shù)】
[0002]在本領(lǐng)域中，通過改變跨過電容性元件的電壓并測量流過元件本身的電荷或電流而檢測觸摸屏的電容性元件中的電容變化是已知的。在圖1中圖示這種裝置。通常，測量電路也參考接地，并且典型地通過將此電極連接到放大器的負(fù)輸入(虛擬接地)并改變正輸入的電壓而改變電容性電極的電壓。由于反饋回路，負(fù)輸入電壓將跟蹤正輸入?？邕^電容器檢測的電壓變化因此等于施加在放大器的正輸入和接地之間的電壓變化。因此可通過感測發(fā)送到電路內(nèi)電荷放大器的電荷或電流而估計跨過電容器檢測的電荷變化或電流。如果例如在放大器的反饋中連接電容器，則跨過此電容器的電壓的變化將與電荷變化或電流成比例，從而表示檢測的輸入電容器。
[0003]假設(shè)在此已知的裝置中待檢測的輸入電容器是Cin，以及反饋電容器Cfb，在放大器的輸入處和輸出處的電壓變化分別是AVin和AVout，則反饋電容上的電荷變化等于Cfb.(AVout-A vin),其應(yīng)當(dāng)?shù)扔谠谳斎腚娙萜魃系碾姾勺兓疌in.Δ Vin0因此:
Cfb ( Δ Vout-Δ Vin) = Cin Δ Vin以及
Δ Vout= Δ Vin ( I + Cin/Cfb ),
以此方式產(chǎn)生輸入電容器Cin的測量。
[0004]此方法的問題是:測量對寄生電容器非常敏感。因為所有的測量電路參考接地，在輸入節(jié)點(diǎn)上的任何片上寄生電容器參考接地，并且不能和輸入電容器區(qū)分，因為跨過它的電壓以同樣方式變化，并且對應(yīng)的電荷也被注入到電荷放大器中。放大器的輸出處的電壓變化因而變成:
Δ Vout = Δ Vin (1+ (Cin+Cpar)/Cfb)。
[0005]測量的電容器因此不僅僅是Cin，而是輸入節(jié)點(diǎn)上的Cin和所有集總寄生電容器的總和。因為它經(jīng)常是這種情況，與未定義的寄生電容相比，如果必須檢測的電容較小，測量的質(zhì)量急劇下降。
[0006]為了減輕此問題，專利FR2756048提出將整個測量電路參考相對于接地浮動的電壓，此浮動電壓由良好定義的變化的電壓源生成，如圖2中所圖示。因為所有的電路參考浮動電壓VF，在放大器的輸入處的寄生電容器Cpar看不到其電極之間的任何電壓變化，并且不注入任何信號，因此不污染測量。注意:圖2的電路需要放大器具有浮動的電源和接地，這些電壓被稱為浮動電壓VF，如圖上所圖示。
[0007]注意:在完全集成的方法中，也可在芯片(或測量電路)的板上采用接地和浮動電壓之間變化的電壓，如圖3中所圖示，芯片或測量電路于是不僅具有浮動電壓VF，還具有浮動接地電壓。然而，在這種情況下，輸入級(與檢測的外部電容器有關(guān))應(yīng)當(dāng)與接地電壓強(qiáng)烈地隔離，以便避免如圖2中在輸入和接地之間的寄生電容器。所有輸入級應(yīng)當(dāng)與VF有關(guān)，并且相對于接地的VF的生成應(yīng)當(dāng)在芯片的清楚地分離的部分中。
[0008]注意:在電荷放大器的輸入和待檢測的電容器Cin之間的連接可由被強(qiáng)制到VF的防護(hù)裝置或與VF有關(guān)的電壓保護(hù)，以便避免在污染電容器測量的此節(jié)點(diǎn)上的寄生電容器。
[0009]在專利FR2756048中，調(diào)制信號(典型地是正弦曲線)被施加在接地和浮動電壓VF之間，并且通過輸入電容器注入的對應(yīng)的電荷由通過另一個電容器Cex (激勵電容器)注入的電荷補(bǔ)償，參見圖4。此激勵電容器連接在電荷放大器的虛擬接地以及節(jié)點(diǎn)Vex之間，以便通過Cin補(bǔ)償電荷，相反相位的調(diào)制或激勵信號被施加在節(jié)點(diǎn)Vex上。此激勵信號的幅度由反饋回路(反饋I)確定，并與檢測的電容器成比例。電荷放大器的輸出電壓Vout因此是表示測量上所產(chǎn)生的誤差的調(diào)制的信號。通過解調(diào)此信號，并處理所得到的信號，獲得表示調(diào)制的幅度的輸出信號或施加在Cex上的激勵信號，以便通過反饋(反饋I)進(jìn)一步減小誤差信號。在這種情況下，在Cex上的反饋中施加的調(diào)制信號的幅度與輸入電容器Cin成比例。
[0010]在專利FR2756048的另一個方面，施加在Cex上的調(diào)制信號的幅度是固定的，但施加在Vf (浮動電壓)和接地之間的變化的電壓的幅度在反饋(反饋2)中被改變。在此情況下，反饋中施加的調(diào)制信號的幅度是輸入電容器Cin的倒數(shù)的測量。
[0011]注意:在由圖4所圖示的裝置中，電荷放大器必須被包括在浮動部分中，而其它塊的某些部分(調(diào)制、解調(diào)、反饋和信號處理)可至少部分地位于在浮動部分之外。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]難以實現(xiàn)在圖2-4中例示的浮動檢測電路的低功率和低成本的實現(xiàn)方式，除了其它原因以外，這是由于連續(xù)正弦參考信號生成和監(jiān)測需要相當(dāng)大的空間和硬件資源的事實。因此，存在將優(yōu)秀的噪聲抑制和有效的實現(xiàn)方式聯(lián)合的電容檢測系統(tǒng)的必要。根據(jù)發(fā)明，通過所附權(quán)利要求的對象實現(xiàn)這些目標(biāo)。
[0013]由所要求保護(hù)的發(fā)明獲得的另一個目標(biāo)是參考電壓上的噪聲補(bǔ)償，這繼而允許放寬對此電壓的要求，同時仍然以高分辨率為目標(biāo)，并具有用于轉(zhuǎn)換的良好控制的增益。
[0014]本發(fā)明的另一個目標(biāo)是系統(tǒng)的偏移和所有通道共同的擾動和的補(bǔ)償，所有通道共同的擾動可被稱為共模擾動。
【附圖說明】
[0015]借助于通過示例方式給出并由圖所圖示的實施例的描述，將更好地理解本發(fā)明，其中:
圖1示意性地示出電容變化的測量的原理；
圖2-4示意性地圖示用于測量參考浮動電壓的電路中的電容變化的裝置；
圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的檢測系統(tǒng)；
圖6a和6b示意性地示出由圖5所圖示的裝置的輸入和輸出以及對應(yīng)的波形；
圖7a-d和圖8示意性地圖示有助于電荷放大器的適當(dāng)偏置的元件；
圖9a_d示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明的方面而有助于電荷放大器的復(fù)位的元件； 圖9a-d示出變型，其中復(fù)位涉及在電荷放大器的反饋路徑中的一個或幾個開關(guān)；
圖10和圖11示出可通過圖9a-9d的裝置獲得的波形；
圖12a_c示意性地示出涉及發(fā)明的電路的浮動部分的功率供應(yīng)的不同裝置；
圖13a_b圖示復(fù)位發(fā)明的電荷放大器的其它裝置；
圖14和圖15通過使用框圖而示意性地圖示可在本發(fā)明的框架中使用的兩個平均方案；
圖16涉及基于Σ-Λ轉(zhuǎn)換器的另一個平均方案；
圖17和圖18示意性地圖示與上升和下降沿有關(guān)的組合信息的兩種方式；
圖19a和19b示意性示出適用于發(fā)明的采樣器和有助于噪聲過濾的元件；
圖20和21a-c示出可在發(fā)明中使用以實現(xiàn)從固定電壓域朝向浮動電壓域的電源電壓變換的飛跨電容器的不同裝置；
圖22a_b示意性地圖示根據(jù)發(fā)明的變型的測量電路的串聯(lián)裝置；
圖23示出具有多個并聯(lián)的測量電路的系統(tǒng)，用于讀取電極的網(wǎng)格的電容；
圖24圖示具有多個測量電路的發(fā)明的變型，多個測量電路之一連接到參考電容；
圖25示出發(fā)明的變型，其中其輸入連接到參考電容器的一個測量通道用來為其它通道中的ADC生成參考電壓；
圖26示出具有輸入電容器的模型；
圖27圖示具有多個測量電路的發(fā)明的變型，多個測量電路之一未連接到任何輸入，并且提供可從其它通道中減去的偏移指示；
圖28圖示具有多個測量電路的發(fā)明的變型，多個測量電路之一連接到參考電容，而另一個未連接到任何輸入；
圖29示出根據(jù)發(fā)明的到電容性觸摸感測面板的測量電路的應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0016]發(fā)明的主要原理在于用于相對于接地的電容器檢測的測量電路，其中輸入級參考浮動電壓Vf，以便避免相對于接地的寄生電容器，具有以下特征:
Vf和接地之間施加的電壓階躍(方波信號的幅度)成比例，并且與輸入電容器Cin成比例，而與反饋電容器Cfb成反比。
[0017]圖5中圖示原理。施加在Vf和接地之間的方波導(dǎo)致Vout與Vf之間同相的方波信號Vout，并且方波的輸出和輸入幅度的比等于Cin/Cfb。因此輸出方波的幅度與檢測的輸入電容器Cin成比例。
[0018]圖5中提出的電路不同于已知的電路，尤其是:
Cfb以外。
[0019]
[0020]本說明書提出發(fā)明的示例，其中電壓源Vin生成方形電壓。然而本發(fā)明不限于此情況，并且還包括變型，其中由Vin生成的電壓具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。例如Vin可生成三重電壓(或者+V, O,或者-V,期間具有急劇的過渡)或指數(shù)衰減脈沖,或者表現(xiàn)出基本上恒定的或緩慢變化的時間間隔(由電壓階躍分離)的任何其它波形。
[0021 ] 然而，此主要原理將由在本發(fā)明的下列實施例中提出的幾個改進(jìn)來完成。
[0022]方波調(diào)制信號的兩個邊沿(上升和下降)的平均
在本發(fā)明的改進(jìn)中，通過平均方波調(diào)制信號的上升和下降沿二者而改進(jìn)測量，以便具有更佳的低頻擾動信號抑制，諸如50或60Hz的擾動。這種擾動可由接地和檢測的電容器之間的電壓源Vpert建模，參見圖6a、6b。這些圖還示出施加在接地和浮動電壓Vf之間的方波輸入信號Vin，以及在放大器的輸出和虛擬接地之間所得到的輸出電壓Vout。圖6b示出調(diào)制信號的兩個連續(xù)邊沿，并且在本示例中，上升沿是第一邊沿，但是也可使用下降沿。
[0023]稍微在每個邊沿之前并且也在該邊沿之后以足夠的延遲采樣輸出信號，以便讓輸出電壓Vout穩(wěn)定到其最終的值。例如，正如圖6b圖示，在上升沿之前的時間Tl處，然后在上升沿之后的時間T2處，然后在下降沿之前的時間T3處并在下降沿之后的時間T4處，取得該采樣。注意:在特定的情況下，可具有T2=T3以及在上升沿之后和下降沿之前取得的相同采樣。
[0024]假設(shè)在第一時間中沒有擾動信號，輸出信號的幅度應(yīng)當(dāng)?shù)扔?
Vout (Τ2) - Vout (Tl) = Vout (Τ3) - Vout (Τ4) = (Cin / Cfb) (Vin_high - Vin_low) = (Cin / Cfb) Vin_square其中:
Vin_square = Vin_high - Vin_low是方波輸入信號的幅