CN102301248B - 电容至电压接口电路以及相关操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电容至电压接口电路(400)被用来获得与检测的电容差相对应的电压，检测的电容差可以与电容感测单元(402)的操作相关联。所述接口电路(400)包括电容感测单元(402)，适于选择性耦合至电容感测单元(402)的运算放大器(408)，用于运算放大器(408)的反馈电容器(412，414)，用于运算放大器(408)的负载电容器(416，418)，以及与电容感测单元(402)、运算放大器(408)、反馈电容器(412、414)、和负载电容器(416，418)相关联的开关结构(108)。在使用期间，所述开关结构(108)重新配置所述电容至电压接口电路(400)，以便在多个不同阶段中进行操作。所述不同阶段使得单个运算放大器(408)能够被用于电容至电压转换和电压放大。

Description

电容至电压接口电路以及相关操作方法
技术领域
这里所描述的主题的实施例总体上涉及电路。更具体地，所述主题的实施例涉及一种将测量得到的电容变化转换为电压的传感器接口电路。
背景技术
现有技术具有很多检测或测量物理现象的电子传感器、换能器和电路。例如，加速计可以被实现为检测运动、物理方位变化、振动、摇晃等的小型传感器组件。小型加速计可以包括在诸如移动电话、便携式视频游戏、和数字媒体播放器的多种应用中。这样的装置中的加速计可以被用来检测所述装置的显示是处于纵向模式还是横向模式、被用于在休眠和活动模式之间进行转换、以及被用于获得用户输入(例如，摇晃装置可能表示一个用户命令)等。
便携式装置中的加速计通常利用电容感测单元来实现。在这一背景下，电容感测单元包括多个电容器，它们被布置并激励以使得所述单元的电容随其加速度而变化。在典型应用中，测量得出的电容差异被转换为能够以适当方式进行处理和分析的电压。特别地，可以使用电容至电压接口电路将测量得出的电容差转换为相应的模拟电压。然而，由于与这样的电容至电压转换相关联的相对低的电压水平，所述模拟电压通常出于后续模数转换的目的而被放大，以提供足够的动态范围。
常规的电容至电压接口电路利用三种主要元件或级：电容感测单元；与电容至电压转换相关联的第一放大器级；以及与模拟电压放大相关联的第二放大器级。注意到，每个放大器级包括至少一个不同的运算放大器装置或电路。因此，常规体系最少要采用两个不同且独立的运算放大器。
附图说明
在结合以下附图考虑时，通过参考详细描述和权利要求可以得出对主题更为全面的理解，其中，相同的附图标记在所有附图中表示类似元素。
图1是电容至电压接口电路的实施例的简化示意性表示；
图2是图示能够使用开关结构被布置并重新配置为不同电路拓扑的电组件的示图；
图3是图示电容至电压转换处理的实施例的流程图；
图4是图示以重置拓扑和配置所布置的电容至电压接口电路的实施例的电路图；
图5是图示以初始的电容至电压拓扑和配置所布置的电容至电压接口电路实施例的电路图；
图6是图示以最终的电容至电压拓扑和配置所布置的电容至电压接口电路实施例的电路图；
图7是图示以初始的放大拓扑和配置所布置的电容至电压接口电路实施例的电路图；
图8是图示以最终的放大拓扑和配置所布置的电容至电压接口电路实施例的电路图；以及
图9是图示与诸如图4-8所示的电容至电压接口电路实施例的操作相关联的示例性操作状态和电压的时序图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是说明性的，而并非意在对主题的实施例以及这些实施例的应用和使用进行限制。如这里所使用的，词语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”。这里被描述为示例性的任意实施方式都不应必然地被理解为优先或优于其它实施方式。此外，并非意在通过在之前的技术领域、背景技术、发明内容、或者随后的详细描述中明确或隐含给出的任何理论而进行限制。
技术或工艺在这里可以关于功能和/或逻辑块组件，并且参考各种计算组件或装置所能够执行的操作、处理任务和功能的符号表示而进行描述。应当意识到的是，图中所示出的各种模块组件可以通过被配置为执行指定功能的任意数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，系统或组件的实施例可以采用各种集成电路组件，例如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，它们可以在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下执行各种功能。
如这里所使用的，“节点”表示给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量所出现的任意内部或外部参考点、连接点、结合、信号线路、传导元件等。此外，两个或更多节点可以通过一个物理元件来实现(并且，即使以共用模式所接收或输出，两个或更多信号也可以被复用、调制、或以其它方式进行区分)。
以下描述可以涉及“耦合”在一起的元件或节点或特征。如这里所使用的，除非另外明确之处，否则“耦合”表示一个元件/节点/特征直接或间接与另一元件/节点/特征结合(或者直接或间接与其进行通信)，而并不必是机械相连。因此，虽然图中所示的方案描绘了元件的示例性布置，但是在所描述主题的实施例中可以出现附加的中间元件、装置、特征或组件。
这里所描述的技术或工艺可以通过电容感测单元来使用。虽然电容感测单元的特定实施方式和应用可以随实施例而有所变化，但是这样的感测单元可以广泛地出现在诸如加速计的电传感器中。更具体地，这里所描述的主题涉及一种可重新配置的电容至电阻接口电路，其仅包括一个用于转换和放大用途的运算放大器。相对于使用两个或更多运算放大器装置的常规体系结构而言，为了减小包装大小并减少主机装置或系统的能耗，在该情况下的仅使用一个运算放大器是期望的。虽然这样的实施方式可以以可接受的方式来进行工作，但是从物理包装和能耗的角度来看，都不希望使用两个或更多运算放大器。就此，通常希望减小集成电路管芯的面积，并且因此减小移动装置的整体物理占用面积。此外，通常希望减小电流要求，并因此提高移动装置的电池寿命。因此，希望减小电容至电压接口电路的物理大小和能耗。
图1是电容至电压接口电路100的实施例的简化示意性表示。电路100的该实施例总体上包括：电容感测单元102，执行电容至电压转换和电压放大的模块104，模数转换器(ADC)106、以及重新配置或开关结构108，但并不局限于此。在一些实施例中，电容感测单元102被实现为独特的装置或封包，而电路100的其余部分则被实现为耦合到电容感测单元102的专用集成电路(ASIC)。为了简要，与电容感测、集成电路设计、放大器设计和操作以及电路的其它功能方面(以及电路的相应操作元件)相关的常规技术可以不在这里进行详细描述。此外，这里所包含的各图中所示出的连接线意在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应当注意的是，在接口电路的实施例中，可以存在许多可替换或附加的功能关系或物理连接。
电容感测单元102被适当配置以使得其电容是其加速度、运动、物理方位和/或所要测量的其它参数的函数。如以下更为详细描述的，电容感测单元102可以为常规设计，并且其可以包括串联的两个电容器。开关结构108被用来按照需要有选择地将电容感测单元102耦合到模块104，以重新安排、重新配置和/或建立电路100的不同拓扑(将在以下更为详细的解释)。
优选地，模块104包括一个并仅包括一个运算放大器，以及各种电容器以及可能的其它电路元件。注意到，除了产生放大输出电压的相关电压放大操作之外，模块104被适当配置以执行电容至电压转换操作，其中，所述放大输出电压指示主机装置的加速度、移动、摇晃、物理方位或振动。对于该实施例而言，模块104的放大输出电压被提供到ADC 106，其接着将所述放大输出电压转换为等效的数字表示。如以下进一步解释的，ADC 106中的电容器在操作期间按照需要以开关的方式连接到模块104。换句话说，虽然图1描绘了连接到模块104的ADC 106，但是这些元件之间的链接仅按照需要建立。ADC 106的操作可以遵循已知的原则，并且在不在这里详细描述ADC 106的设计、配置和功能。可以选择ADC 106的位分辨率以适应特定应用的需要。
开关结构108与电容感测单元102、模块104、和ADC 106相关联，其中，其在任意给定时间确定并影响电路100中的电路元件的配置以及特定电路拓扑。开关结构108可以使用任意数量的可控制开关或开关元件来实现，所述开关元件诸如基于晶体管的开关。开关结构108中每个开关的状态、模式或条件优选地利用适当的处理器控制逻辑(未示出)来控制。以这种方式，主机装置的处理器能够被适当编程，以按照需要控制开关结构108从而支持这里所描述的各种操作。注意，虽然图1将开关结构108描绘为独特的模块，但是实际上开关结构108可以以分布式的方式遍布电路100来实现。例如，一个或多个开关可以与电容感测单元102集成或者耦合到电容感测单元102，多个开关可以处于电容感测单元102和模块104“之间”，一个或多个其它开关可以与模块104集成或者耦合到模块104，并且其它的开关可以处于模块104和ADC 106“之间”。为了简单和清楚，在这里没有图示或描述相应的开关元件。
将参考图2对开关结构108操作的方式进行描述，图2是图示出能够使用开关结构布置和重新配置为不同电路拓扑的电组件200的示图。图2描绘出四个电组件202、204、206和208，以及三个开关210、212和214。对于该实施方式，开关结构包括至少三个开关210、212和214。开关210可用被控制为将组件202连接到第一电压电平(V1)、第二电压电平(V2)或组件206。开关212可以被控制为将组件204连接到V1、模拟接地、或第三电压电平(V3)。组件202和204在共享节点216被连接在一起。根据开关214的状态，共享节点216连接到组件208或与其断开连接。
根据开关210、212和214的特定状态，电组件200将形成不同的电路拓扑和配置。在更为复杂的实施方式中，开关结构能够在组件之间建立替选的传导路径，将元件和组件互相进行连接/断开连接，和/或改变电容、电阻、运算放大器和/或其它电组件的组合功能。因此，返回参见图1，开关结构108可以包括与电容感测单元102、模块104和/或ADC 106的各个电组件和电导体进行协作的任意数量的相应开关元件，以将电路100重新布置或重新配置为支持不同操作模式或功能阶段的不同拓扑。例如，如以下更为详细描述的，优选地对开关结构108进行控制以使得电路100能够以重置阶段、以至少一个电容至电压(C2V)阶段、以及以至少一个放大阶段来进行操作。此外，开关结构108可以被控制以使得电路100能够以模数转换阶段来进行操作。
图3是图示可以被诸如电路100的电容至电压接口电路所执行的电容至电压转换处理300的实施例的流程图。结合处理300所执行的各种任务可以通过软件、硬件、固件或者其任意组合来执行。应当意识到的是，处理300可以包括任意数量的额外的或替选的任务，图3中所示出的任务无需以所图示的顺序来执行，并且处理300可以被结合到具有这里没有详细描述的额外的功能的更为广泛的过程或处理中。实际上，处理300的部分可以由所描述系统的不同元件来执行，例如，开关结构、一个或多个开关、放大器电路、ADC电路等。就此，处理300将另外参考图4-8进行描述，它们图示了以不同拓扑和配置进行布置的电容至电压接口电路400的实施例。电路400可以在模块104(见图1)中实现或者由模块104以另外方式所利用。
电路400的该实施例包括以下组件和元件，但并不局限于此：电容感测单元402，其具有与第二感测电容器406(标记为CN)串行耦合的第一感测电容器404(标记为CP)；运算放大器408；运算放大器408的偏移电容器410(标记为CDS)；运算放大器408的第一反馈电容器412(标记为CF1)；运算放大器408的第二反馈电容器414(标记为CF2)；运算放大器408的第一负载电容器416(标记为CG1)；和运算放大器408的第二负载电容器418(标记为CG2)。注意，如以下更为详细解释的，适当控制的开关结构(见图1)重新配置电路400，以便在多个不同阶段和模式中进行操作，从而运算放大器408被用于电容至电压转换以及电压放大。虽然实际的电路拓扑和配置在电路400的操作期间有所改变，但是以上所列出的主要电路元件和组件在所有不同操作阶段中被利用。
电路400中所使用的电容器的特定正常数值可以被选择以适应给定应用的需要。这里所描述的优选实施例假设电容器具有相对于单位电容的数值，其中，所述单位电容被定义为第一反馈电容器412的电容。该示例的相对电容数值如下：
CP＝CO+dC
CN＝CO-dC
CF1＝CU
CF2＝2×CU
CG1＝3×CU
CG2＝N×CU
在以上表达式中，CP是第一感测电容器404的电容，CN是第二感测电容器406的电容，CF1是第一反馈电容器412的电容，CF2是第二反馈电容器414的电容，CG1是第一负载电容器416的电容，CG2是第二负载电容器418的电容，CU是单位电容，CO是处于零加速度的感测电容器的电容，dC是电容感测单元402的加速度、运动或定位所导致的电容差，而N是可以按照需要选择以便使用CG2的可变电容对电路400的增益进行修整的乘数。实际上，Cu的数值将取决于电容器的不匹配和寄生效应，这将随不同技术而变化。在一些实施例中，Cu的数值可以近似等于CO的数值。当然，Cu的实际数值可以高于或低于该示例范围。CO表示处于零加速度的感测电容器的电容，并且为了实现更高的敏感度，CO对于换能器的设计考虑而言是非常重要的。差电容dC表示对应于1.0G加速度的感测电容器的电容变化。
再次参见图3，在特定实施例中，处理300以连续的方式反复执行以监视主机装置的加速度、运动、移动、振动、摇晃和/或定位。就此，处理300可以以正在进行和实时的方式进行重复。例如，在一些实际实施例中，处理300的每次重复以少于大约50微秒完成。因此，处理300可以非常快地重复，以即刻检测电容感测单元的电容变化。实际的循环时间将取决于相关联的时钟频率。例如，对于150kHz的时钟频率，完成电容至电压的总时间(四个周期)将为26.67微秒。因此，总时间将通过提高或降低时钟频率而改变。
对于该实施例而言，处理300通过将电路400的元件布置为预先确定的重置拓扑和配置而开始(任务302)。在重置阶段，电路400被初始化或者以另外方式准备下一次电容至电压操作。图4图示了以适于在重置阶段中进行操作的一种示例性拓扑布置的电路400。第一感测电容器404与第二感测电容器406串联，即，第一感测电容器404的一个导体(图4中的底部导体)与第二感测电容器406的一个导体(图4中的顶部导体)耦合到共用节点420并共享该节点。从该共用节点420取得电容感测单元402的输出。电容感测单元402还包括与第一感测电容器404相关联的第一传感器电压节点422，以及与第二感测电容器406相关联的第二传感器电压节点424。在图4中，第一传感器电压节点422对应于第一感测电容器404的顶部导体，而第二传感器电压节点424对应于第二感测电容器406的底部导体。
运算放大器408适于使用一个或多个开关元件(未示出)来选择耦合到电容感测单元402。如图4所示，电容感测单元402通过以下进行重置：将共用节点420从与运算放大器408相关联的反馈节点426断开连接，对第一传感器电压节点422应用激励电压(标记为VEXCI)，对共用节点420应用基准电压(标记为VREF)，并且在第二传感器电压节点424处建立模拟接地。在替选实施例中，VEXCI被施加到第二传感器电压节点424，而第一传感器电压节点422被拉至模拟接地。将共用节点420从反馈节点426断开连接有效地将电容感测单元402与电路400的其它元件相隔离。在优选实施例中，VEXCI是VREF的电压的两倍，这使得第一感测电容器404和第二感测电容器406等同充电。虽然VEXCI可以大于或小于VREF的电压的两倍，但是优选双倍电压来避免静电效应、振荡、偏移电容器电压、和电容器噪声。在特定实施例中，VEXCI大约为3.6伏，而VREF大约为1.8伏。
运算放大器408包括反向输入节点428、非反向输入节点430、和输出节点432。如图4-8所示，非反向输入节点430接收VREF。如图4-8所示，偏移电容器410耦合在反向输入节点428和反馈节点426之间。如已知的，偏移电容器410被用于双倍采样的用途以减少与运算放大器408相关联的偏移电压。在重置阶段期间，反向输入节点428连接到输出节点432，因此使得运算放大器408作为电压跟随器。
在图4所示的重置阶段期间，第一反馈电容器412和第二反馈电容器均连接在反馈节点426和VREF之间。换句话说，第一反馈电容器412的一个导体耦合到反馈节点426，而VREF被施加到其它导体。同样，第二反馈电容器414的一个导体耦合到反馈节点426，而VREF被施加到其它导体。注意，VREF还被施加到反馈节点426。在重置阶段期间，第一负载电容器416连接在输出节点432和VREF之间。此外，VREF跨第二负载电容器418进行连接。换句话说，VREF被施加到第二负载电容器418的两个导体。
图4的重置拓扑将第一反馈电容器412、第二反馈电容器414、第一负载电容器416、和第二负载电容器418重置为其各自的初始电压(在该示例中为零伏)。此外，重置拓扑重置或者初始化运算放大器408。此时，输出节点432处的电压将为VREF加上运算放大器408的偏移电压；这对第一负载电容器416进行重置。该拓扑还使得偏移电容器410充电为对应于运算放大器408的偏移电压。因为重置拓扑使得反向输入节点428的电压等于VREF加上或减去运算放大器408的实际偏移电压而导致了以上情况发生。由于VREF被施加在反馈节点426，所以偏移电容器410将被充电为运算放大器408的特定偏移电压。
再次参见图3，电路400优选地在重置阶段中保持足够时间量，以允许各个电容器被重置/初始化(任务304)。换句话说，在启用重置配置时，电容器被重置为其各自的初始电压。此后，处理300通过将电路400的元件布置为初始的电容至电压拓扑和配置(任务306)而继续。就此，图5是如下的电路图，其图示被布置为用于初始的电容至电压阶段期间操作的电路400。在该初始的电容至电压阶段，电路400准备将所测量到的电容感测单元402的电容差转换为测量电压。
对于初始的电容至电压阶段，电路400通过将电容感测单元402的共用节点420连接到反馈节点426而被重新布置。此后，VREF被施加到共用节点420和反馈节点426(它们现在彼此对应，如图5所示)。其它电路元件耦合以及所施加的电压与之前对重置阶段所描述的一样。以这种方式将电容感测单元402连接到反馈节点426对于从电容感测单元402获得测量结果而言是必需的。
在初始的电容至电压阶段期间，输出节点432处的电压将为VOUT0＝VOFF+VREF，其中VOFF(其可以为正或负)是运算放大器408的偏移电压。依据已知的电路理论，在该阶段期间与各个电容器相关联的电荷将为：
QP＝(CO+dC)×(VREF-VEXCI)
QN＝(CO-dC)×VREF
QF1＝0
QF2＝2×CU×(VREF-VREF)＝0
QG1＝3×CU×(VREF-VOUT0)
QG2＝0
再次参见图3，在转换到下一阶段之前，电路400优选地在初始的电容至电压阶段保持足够时间量。就此，处理300通过将电路400的元件布置为最终的电容至电压拓扑和配置(任务308)而继续。图6是如下的电路图，其图示被布置为用于最终的电容至电压阶段期间的操作的电路400。在该最终的电容至电压阶段期间，电路400获得测量电压，其指示电容感测单元402所经历的电容变化或测量差。
对于最终的电容至电压阶段，电路400以多种不同方式重新进行布置。例如，通过在第一传感器电压节点422建立模拟接地(替代VEXCI)并且向第二传感器电压节点施加VEXCI(替代模拟接地)而使得电容感测单元402的极性反转。此外，从共用节点420和从反馈节点426去除VREF。该拓扑允许电路400从电容感测单元402获得电容测量。此外，该拓扑使得运算放大器408能够与第一反馈电容器412以及作为负载的第一负载电容器416一起作为积分器。该拓扑在输出节点432产生测量电压。
如图6所示，运算放大器408不再布置成电压跟随器的配置。相反，对于最终的电容至电压阶段，反向输入节点428从输出节点432断开连接。此外，从第一反馈电容器412的导体去除VREF，并且该导体被连接到输出节点432。因此，第一反馈电容器412在最终的电容至电压阶段期间耦合在反馈节点426和输出节点432之间。跟随输出节点432的第一负载电容器416和第二负载电容器418的配置和布置保持为如以上对之前阶段所描述的那样。
在最终的电容至电压阶段期间，输出节点432处的电压将为 V OUT 1 = 2 × dC × V EXCI C F 1 + V REF . 依据已知的电路理论，在该阶段期间，与各个电容器相关联的电荷将为：
Q’P＝(CO+dC)×VREF
Q’N＝(CO-dC)×(VREF-VEXCI)
Q’F1＝CU×(VREF-VOUT1)
Q’F2＝2×CU×(VREF-VREF)＝0
Q’G1＝3×CU×(VREF-VOUT1)
Q’G2＝0
此外，QP+QN+QF1＝Q’P+Q’N+Q’F1。
再次参见图3，电路400优选地在最终的电容至电压阶段保持足够时间量，这允许运算放大器408在输出节点432生成测量电压(任务310)，其中，所述测量电压指示所测量的电容感测单元402的电容差。此后，处理300通过将电路400的元件布置为初始的放大拓扑和配置(任务312)而继续。就此，图7是如下的电路图，其图示被布置为用于初始的放大阶段的操作的电路400。
对于初始的放大阶段，电路400通过将共用节点420从反馈节点426断开连接而重新配置，由此将电容感测单元402与电路400的其余元件进行隔离。此时，第一传感器电压节点422、第二传感器电压节点424、和共用节点420的电压可以任意设置为任意的相应电压。例如，可能希望针对下一个重置阶段而准备电容感测单元402(见图4)。如图7所示，除了将共用节点420从反馈节点426断开连接之外，还通过从输出节点432和VREF之间去除第一负载电容器并将其另外连接在反馈节点426和VREF之间来实现初始的放大拓扑。换句话说，之前连接到输出节点432的第一负载电容器416的导体现在被连接到VREF，而第一负载电容器的其它导体现在则被连接到反馈节点426(而不是VREF)。此外，去除VREF，以使得其不再跨第二负载电容器418连接。相反，第二负载电容器418被连接在输出节点432和VREF之间。就此，第二负载电容器418(相对于所图示的视角)的顶部导体保持连接到VREF，然而，第二负载电容器418的底部导体现在则被连接到输出节点432(替代VREF)。
在初始的放大阶段期间，第二负载电容器418表示负载，并且输出节点432处的电压将为VOUT2＝4×(VOUT1-VREF)+VREF。依据已知的电路理论，在该阶段期间与各个电容器相关联的电荷将为：
Q”F1＝CU×(VREF-VOUT2)
Q”F2＝2×CU×(VREF-VREF)＝0
Q”G1＝0
Q”G2＝N×CU×(VREF-VOUT2)
此外，Q’F1+Q’G2＝Q”F1+Q”G2。
再次参见图3，电路400优选地在初始的放大阶段保持足够时间量，这允许运算放大器408放大之前所测量的电压并且在输出节点432生成第一放大电压(任务314)。该第一放大电压(即VOUT2)将基于所测量的电压(即VOUT1)和VREF。此后，处理300通过将电路400的元件重新布置为最终的放大拓扑和配置(任务316)而继续。就此，图8是如下的电路图，其图示被布置为用于最终的放大阶段的操作的电路400。
对于最终的放大阶段，如针对初始的放大阶段所描述的，电容感测单元402与电路400的其余部分保持隔离。而且，第一传感器电压节点422、第二传感器电压节点424、和共用节点420的电压可以按照需要任意设置。对于该阶段，以多种方式对电路400进行重新配置和重新布置。例如，从反馈节点426和输出节点432之间去除第一反馈电容器412。图8描绘了开关434可以如何打开，以将第一反馈电容器412从反馈路径断开连接。对于该阶段，第二反馈电容器414被连接在反馈节点426和输出节点432之间。换句话说，从第二反馈电容器414的(如图中所看到的)右侧导体去除VREF，并且该右侧导体被连接到输出节点432。此外，偏移电压(被标记为Offdac)被施加到反馈节点426，其还对应于第一反馈电容器412和第二反馈电容器414所共享的节点。Offdac电压可以通过适当配置的校正电路(未示出)来提供。所述Offdac电压被用来对可能由于感测电容器不匹配、寄生效应、泄漏、电荷注入、或通过从输出注入电荷或提取电荷所导致的任意未知效应而发生的偏移漂移进行补偿。
所述两个负载电容器也针对最终的放大阶段而被重新配置。特别地，对电路400进行重新布置以使得VREF跨第一负载电容器416连接。为了实现这一目的，从反馈节点426和VREF之间去除第一负载电容器416，并且相反地，VREF被施加到其两个导体上。换句话说，第一负载电容器416的顶部导体从反馈节点426去除，并然后连接到VREF。从输出节点432和VREF之间去除第二负载电容器418，并且相反地将其连接在偏移电压和VREF之间。更具体地，从第二负载电容器418的顶部导体去除VREF，其接着被连接到反馈节点426，并且从输出节点432去除第二负载电容器418的底部导体并将其连接到VREF。
在最终的放大阶段期间，运算放大器408通过第二反馈电容器414和第二负载电容器418的比率而获得增益。注意，第二负载电容器418的可变属性可以被用来对第一感测电容器404和第二感测电容器406的不匹配进行补偿。换句话说，可以按照需要设置或调节第二负载电容器418的电容，以提供增益修正。输出节点432处所产生的电压将为 V OUT 3 = ( V OUT 2 - V REF ) × N 2 + V REF . 依据已知的电路理论，在该阶段期间与各个电容器相关联的电荷将为：
Q″′F1＝CU×(VREF-VOUT2)
Q″′F2＝2×CU×(VREF-VOUT3)
Q″′G1＝0
Q″′G2＝0
此外，Q”F2+Q”G2＝Q″′F2+Q″′G2。
再次参见图3，电路400优选地在最终的放大阶段保持足够时间量，这允许运算放大器408在输出节点432生成第二放大电压(任务318)。该第二放大电压(即，VOUT3)将基于第一放大电压(即VOUT2)和VREF。此后，处理300的实施例通过对VOUT3执行适当模数转换(任务320)而继续。接着可以由主机装置以适当方式对VOUT3的数字表示进行处理。
从任务320返回任务302的路径指示处理300的迭代属性。如之前所提到的，处理300可以非常频繁地进行重复，以使得其能够检测和测量实时发生的电容变化。这样的变化能够由于主机装置的移动、加速、摇晃或其它操作而产生。
图9是图示与诸如图4-8所示的电容至电压接口电路实施例的操作相关联的示例性操作状态、时钟信号、和电压的时序图。水平轴线表示增加的时间，并且多个不同的时钟信号和电压则沿垂直轴线进行绘制。该时间线通常被划分为两种状态：空闲状态900和测量状态902。重置控制信号(标记为RESET_B)904可以被用来在空闲状态900和测量状态902之间进行转换。该特定实施例采用了低位有效的重置控制信号904；电容至电压接口电路在重置控制信号904为低时保持在(以上所讨论的)重置阶段，并且所述接口电路在重置信号904为高时执行测量阶段和其它操作。
测量状态902通常被划分为两个阶段：电容至电压(C2V)转换阶段906和ADC模式阶段908。这些阶段与ADC控制信号910相关联，该信号控制放大的输出电压的ADC转换的激活。该实施例采用了高位有效的ADC控制信号910；由于ADC控制信号910为低，所以ADC模式在C2V转换期间无效，并且ADC模式在ADC控制信号910变高时被启用。C2V转换阶段906对应于以上所描述的四个测量阶段，即初始的C2V阶段、最终的C2V阶段、初始的放大阶段和最终的放大阶段。图9描绘了对应于这四个阶段的激活的四个时钟或控制信号。特别地，S0信号912被用来激活初始的C2V阶段，S1信号914被用来激活最终的C2V阶段，S2信号916被用来激活初始的放大阶段，并且S3信号918被用来激活最终的放大阶段。这些时钟/控制信号中的每一个为高位有效的信号，其中，各个阶段在其对应的时钟/控制信号为高时被启用，并且在其对应的时钟/控制信号为低时被无效。如图9所示，四个测量阶段中的每一个可以通过非常短的时间周期(例如，10纳秒)所间隔，并且所述四个测量阶段中的每一个可以被启用大约相同的时间量。
图9的下部示出了分别施加到电容感测单元的两个感测电容器的电压。电压信号920表示施加到第一(例如，正向)感测电容器404的电压，而电压信号922表示施加到第二(例如，负向)感测电容器406的电压。参见图4-8，电压信号920被施加到第一感测电容器404的顶部导体，而电压信号922被施加到第二感测电容器406的底部导体。图9图示的是，VEXCI最初被施加到第一感测电容器404，并且模拟接地最初被施加到第二感测电容器406。然而，在初始的C2V阶段和最终的C2V阶段之间的转换处或其附近，所述电压被反转。换句话说，对于最终的C2V阶段而言，模拟接地被施加到第一感测电容器404，而VREF则被施加到第二感测电容器406。
图9描绘了在最终的C2V阶段期间施加到第一感测电容器404和第二感测电容器406的电压随后在C2V转换阶段906和ADC模式阶段906期间进行保持的实施例。然而，实际上，在最终的C2V阶段之后施加到第一感测电容器404和第二感测电容器406的电压由于电容感测单元在该时间期间从接口电路的其余部分断开连接(见图7和8)而稍显不确定。应当意识到，图9中所示的时间线自身对于处理的每次迭代进行重复。换句话说，下一个空闲状态900将跟随当前的测量状态902。
总体而言，依据示例性实施例配置的系统、装置、和方法涉及：
一种电容至电压接口电路，其包括：电容感测单元，适于选择性耦合到所述电容感测单元的运算放大器，用于所述运算放大器的反馈电容器，用于所述运算放大器的负载电容器，以及与所述电容感测单元、运算放大器、反馈电容器和负载电容器相关联的开关结构。所述开关结构重新配置所述电容至电压接口电路，以便在多个不同阶段中进行操作，从而使得所述运算放大器被用于电容至电压转换和电压放大。所述多个不同阶段可以包括重置阶段，所述反馈电容器和负载电容器在所述重置阶段期间被重置为其各自的初始电压。所述多个不同阶段可以包括至少一个电容至电压阶段，所测量的所述电容感测单元中的电容差在所述电容至电压阶段期间被转换为测量电压。所述多个不同阶段可以包括至少一个放大阶段，所述测量电压在所述放大阶段期间被放大为输出电压。所述电路可以进一步包括耦合到所述运算放大器的模数转换器，所述模数转换器被配置为将所述输出电压转换为等效的数字表示。
一种在电容至电压接口电路中执行电容至电压转换的方法，所述电容至电压接口电路包括：具有与第二感测电容器串行耦合的第一感测电容器的电容感测单元，具有反向输入节点和接收基准电压的非反向输入节点的运算放大器，耦合在所述反向输入节点和反馈节点之间的偏移电容器，耦合到所述反馈节点的第一反馈电容器，耦合到所述反馈节点的第二反馈电容器，用于所述运算放大器的第一负载电容器，以及用于所述运算放大器的第二负载电容器。所述方法包括：将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为第一拓扑；随后，获得指示所测量的所述电容感测单元的电容差的测量电压；将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器重新布置为第二拓扑；随后，将所述测量电压放大为输出电压。所述方法可以进一步包括对所述输出电压执行模数转换。所述方法可以进一步包括：将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为重置配置；并且当所述重置配置被启用时，将所述第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器重置为其各自的初始电压。在特定实施例中，所述电容感测单元包括：与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点，与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点，以及由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点，并且所述运算放大器具有输出节点。在这样的实施例中，将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为重置配置包括：将所述电容感测单元的共用节点从所述反馈节点断开连接；对所述第一传感器电压节点施加激励电压；对所述共用节点施加基准电压；在所述第二传感器电压节点建立模拟接地；将所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述反向输入节点连接到所述输出节点；将所述第一负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间；并且将所述基准电压跨所述第二负载电容器连接。在一些实施例中，所述电容感测单元包括与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点，与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点，以及由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点，并且所述运算放大器具有输出节点。在这样的实施例中，所述方法进一步包括通过以下将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为初始的电容至电压配置：将所述电容感测单元的共用节点连接到所述反馈节点；对所述第一传感器电压节点施加激励电压；对所述共用节点和反馈节点施加基准电压；在所述第二传感器电压节点建立模拟接地；将所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述反向输入节点连接到所述输出节点；将所述第一负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间；并且将所述基准电压跨所述第二负载电容器进行连接。在特定实施例中，所述电容感测单元包括：与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点，与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点，以及由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点，并且所述运算放大器具有输出节点。在这样的实施例中，所述方法进一步包括通过以下将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为最终的电容至电压配置：将所述电容感测单元的共用节点连接到所述反馈节点；在所述第一传感器电压节点建立模拟接地；对所述第二传感器电压节点施加基准电压；将所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和输出节点之间；将所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述第一负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间；并且将所述基准电压跨所述第二负载电容器进行连接。在一些实施例中，所述电容感测单元包括由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点，并且所述运算放大器具有输出节点。在这样的实施例中，所述方法进一步包括通过以下将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为初始的放大配置：将所述电容感测单元的共用节点从所述反馈节点断开连接；将所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和输出节点之间；将所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；将所述第一负载电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；并且将所述第二负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间。在一些实施例中，所述电容感测单元包括由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点，并且所述运算放大器具有输出节点。在这样的实施例中，所述方法进一步包括通过以下将所述电容感测单元、运算放大器、偏移电容器、第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器布置为最终的放大配置：将所述电容感测单元的共用节点从所述反馈节点断开连接；对所述反馈节点施加偏移电压；将所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和输出节点之间；将所述基准电压跨所述第一负载电容器进行连接；并且将所述第二负载电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间。
一种电容至电压转换方法，包括：提供电容感测单元，其具有与第二感测电容器串行耦合的第一感测电容器，与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点，与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点，以及由所述第一感测电容器和第二感测电容器所共享的共用节点；提供运算放大器，所述运算放大器具有反向输入节点，接收基准电压的非反向输入节点，以及输出节点；在所述反向输入节点和反馈节点之间提供偏移电容器；提供第一反馈电容器，第一反馈电容器的一个导体耦合到所述反馈节点；提供第二反馈电容器，所述第二反馈电容器的一个导体耦合到所述反馈节点；将所述共用节点从所述反馈节点断开连接；对所述第一传感器电压节点施加激励电压；对所述共用节点施加基准电压；在所述第二传感器电压节点处建立模拟接地；对所述第一反馈电容器的其它导体施加基准电压；对所述第二反馈电容器的其它导体施加基准电压；将所述反向输入节点连接到所述输出节点；将所述第一负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间；并且将所述基准电压跨第二负载电容器进行连接。
所述方法可以进一步包括将所述第一反馈电容器、第二反馈电容器、第一负载电容器、和第二负载电容器重置为其各自的初始电压。所述方法可以进一步包括：将所述共用节点连接到所述反馈节点；并且对所述共用节点和反馈节点施加基准电压。所述方法可以进一步包括：在所述第一传感器电压节点建立模拟接地替述激励电压；从所述共用节点和所述反馈节点去除基准电压；对所述第二传感器电压节点施加激励电压替代模拟接地；将所述反向输入节点从所述输出节点断开连接；从所述第一反馈电容器的其它导体去除基准电压；并且将所述第一反馈电容器的其它导体连接到所述输出节点。所述方法可以进一步包括在所述输出节点生成测量电压，所述测量电压指示所测量的所述电容感测单元的电容差。所述方法可以进一步包括：将所述共用节点从所述反馈节点断开连接；从所述输出节点和基准电压之间去除所述第一负载电容器；将所述第一负载电容器连接在所述反馈节点和基准电压之间；去除跨所述第二负载电容器的基准电压；并且将所述第二负载电容器连接在所述输出节点和基准电压之间。所述方法可以进一步包括在所述输出节点生成第一放大电压，所述第一放大电压基于所测量的电压和基准电压。所述方法可以进一步包括：从所述反馈节点和输出节点之间去除所述第一反馈电容器；从所述第二反馈电容器的其它导体去除基准电压；将所述第二反馈电容器的其它导体连接到所述输出节点；将所述反馈节点连接到偏移电压；从所述反馈节点和基准电压之间去除所述第一负载电容器；将所述基准电压跨所述第一负载电容器进行连接；从所述输出节点和基准电压之间去除所述第二负载电容器；并且将所述第二负载电容器连接在所述偏移电压和基准电压之间。所述方法可以进一步包括：在所述输出节点生成第二放大电压，所述第二放大电压基于所述第一放大电压和基准电压。所述方法可以进一步包括对所述第二放大电压执行模数转换。
虽然已经在以上的详细描述中给出了至少一个示例性实施例，但是应当意识到存在多种变化形式。还应当意识到这里所描述的一个或多个示例性实施例并非意在以任何方式对所要求保护主题的范围、应用、或配置进行限制。相反，以上详细描述将为本领域技术人员提供方便的指示，以便实施所描述的一个或多个实施例。应当理解的是，可以在元素的功能和配置上进行各种变化而并不背离权利要求所限定的范围，其包括提交本专利申请时的已知和可预见的等效形式。

Claims (8)

1.一种电容至电压接口电路，包括：
具有与第二感测电容器串行耦合的第一感测电容器的电容感测单元；
适于选择性耦合到所述电容感测单元的运算放大器，所述运算放大器具有反向输入节点和接收基准电压的非反向输入节点；
用于所述运算放大器的第一反馈电容器；
用于所述运算放大器的第一负载电容器；
耦合在所述反向输入节点和反馈节点之间的偏移电容器，其中所述第一反馈电容器耦合到所述反馈节点；
耦合到所述反馈节点的第二反馈电容器；
用于所述运算放大器的第二负载电容器；以及
与所述电容感测单元、所述运算放大器、所述第一反馈电容器和所述第一负载电容器相关联的开关结构；其中
所述开关结构重新配置所述电容至电压接口电路，以便在多个不同阶段中进行操作，使得所述运算放大器被用于电容至电压转换和电压放大；以及其中所述开关结构将所述电容至电压接口电路重新配置成多个配置，其中：
当所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器被布置为重置配置以将所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器重置为相应的初始电压时，所述电容感测单元从所述运算放大器断开连接；
当所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器之后从所述重置配置切换到初始的电容至电压配置时，所述电容感测单元连接到所述运算放大器；
当所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器之后从所述初始的电容至电压配置切换到最终的电容至电压配置时，获得所述运算放大器的测量的输出电压，所述测量的输出电压指示所述电容感测单元的测量的电容差；以及
当所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器之后从所述最终的电容至电压配置切换到放大拓扑时，将所述运算放大器的测量的输出电压放大为输出电压。
2.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，进一步包括耦合到所述运算放大器的模数转换器，所述模数转换器被配置为将所述输出电压转换为等效的数字表示。
3.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，进一步包括：
模数转换器，所述模数转换器被配置为对所述输出电压执行模数转换。
4.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，其中：
所述电容感测单元包括与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点、与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点、以及由所述第一感测电容器和所述第二感测电容器所共享的共用节点；
所述运算放大器具有输出节点；并且
当所述电容至电压接口电路处于所述重置配置时：
所述电容感测单元的所述共用节点从所述反馈节点断开连接；
激励电压被施加到所述第一传感器电压节点；
所述基准电压被施加到所述共用节点；
在所述第二传感器电压节点处建立模拟接地；
所述第一反馈电容器被连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述反向输入节点连接到所述输出节点；
所述第一负载电容器连接在所述输出节点和所述基准电压之间；并且
所述基准电压跨所述第二负载电容器连接。
5.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，其中：
所述电容感测单元包括与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点、与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点、以及由所述第一感测电容器和所述第二感测电容器所共享的共用节点；
所述运算放大器具有输出节点；并且
当所述电容至电压接口电路处于所述初始的电容至电压配置时：
所述电容感测单元的共用节点连接到所述反馈节点；
激励电压被施加到所述第一传感器电压节点；
所述基准电压被施加到所述共用节点和所述反馈节点；
在所述第二传感器电压节点处建立模拟接地；
所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述反向输入节点连接到所述输出节点；
所述第一负载电容器连接在所述输出节点和所述基准电压之间；并且
所述基准电压跨所述第二负载电容器进行连接。
6.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，其中：
所述电容感测单元包括与所述第一感测电容器相关联的第一传感器电压节点、与所述第二感测电容器相关联的第二传感器电压节点、以及由所述第一感测电容器和所述第二感测电容器所共享的共用节点；
所述运算放大器具有输出节点；并且
当所述电容至电压接口电路处于所述最终的电容至电压配置时：
所述电容感测单元的共用节点连接到所述反馈节点；
在所述第一传感器电压节点处建立模拟接地；
所述基准电压被施加到所述第二传感器电压节点；
所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和所述输出节点之间；
所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述第一负载电容器连接在所述输出节点和所述基准电压之间；并且
所述基准电压跨所述第二负载电容器进行连接。
7.如权利要求1所述的电容至电压接口电路，其中：
所述电容感测单元包括由所述第一感测电容器和所述第二感测电容器所共享的共用节点；
所述运算放大器具有输出节点；并且
所述开关结构将所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器重新配置为初始的放大配置，其中：
所述电容感测单元的共用节点从所述反馈节点断开连接；
所述第一反馈电容器连接在所述反馈节点和所述输出节点之间；
所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；
所述第一负载电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间；并且
所述第二负载电容器连接在所述输出节点和所述基准电压之间。
8.如权利要求6所述的电容至电压接口电路，其中：
所述电容感测单元包括由所述第一感测电容器和所述第二感测电容器所共享的共用节点；
所述运算放大器具有输出节点；并且
所述开关结构将所述电容感测单元、所述运算放大器、所述偏移电容器、所述第一反馈电容器、所述第二反馈电容器、所述第一负载电容器和所述第二负载电容器重新配置为最终的放大配置，其中：
所述电容感测单元的共用节点从所述反馈节点断开连接；
偏移电压被施加到所述反馈节点；
所述第二反馈电容器连接在所述反馈节点和所述输出节点之间；
所述基准电压跨所述第一负载电容器进行连接；并且
所述第二负载电容器连接在所述反馈节点和所述基准电压之间。
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