CN103837163A - 电容感测电路 - Google Patents

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CN103837163A CN201210489236.7A CN201210489236A CN103837163A CN 103837163 A CN103837163 A CN 103837163A CN 201210489236 A CN201210489236 A CN 201210489236A CN 103837163 A CN103837163 A CN 103837163A
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林孟勇
刘铭晃
欧威扬
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Abstract

依据本发明，提供了一种电容感测电路，包括：驱动单元、交换单元、差分积分电路及后处理电路。驱动单元用以提供电容感测元件所需驱动信号及时序，交换单元依驱动单元驱动电容感测元件的互为反相时序ψ1和ψ2，搭配切换给差分积分电路的正/负输入端，达到ψ1和ψ2时序皆为累加积分信号的目的。后处理电路接收差分积分电路的差分输出，以进行信号处理及／或信号利用，其中前述两个时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。因此可不受共模信号的噪声影响，而提高感测精确性，以及增加感测的敏感度。

Description

电容感测电路
技术领域
本发明涉及一种电容感测电路，尤其涉及包含多个电容元件的电容感测电路。
背景技术
由于根据电容公式，电容值与电容板之间的距离相关，电容感测成了将实体距离与电容值等电子性质直观串联的主要手段。现今的许多电子电路，如：重力传感器、加速度器、电容式触控面板等皆应用了电容感测技术，以所感测到的电容值或电容值变化，来计算出重力、加速度、或者是判断按压动作。
一般来说，这些应用了电容感测技术的电子电路大多以多个电容元件进行多维感测，以辨识各个维度上的实体距离变化，像是Ｘ方向与Ｙ方向皆有一到多个不等的电容元件感测其加速度值的变化。因此，需要先后针对不同方向的电容元件进行电容感测，得到感测值之后，再进行信号处理，然而这种感测程序不仅浪费时间，也常受共模噪声影响，而影响感测值的精确性。因此，如何提升时间利用效率并且提高感测精确性实乃亟需研究的课题。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种电容感测电路，通过交换单元处理驱动电容感测元件的互为反相时序，以达到完整驱动周期均能感测输入，在差分积分电路获得差分输出信号，而不受共模信号的噪声影响，而提高感测精确性，亦增加感测的敏感度。
本发明的另一实施例提供一种电容感测电路，通过同一周期内分时的多个时钟信号，分别对不同的、或不同组别的电容元件进行电容感测，以缩减感测所需时间，以提升感测的效率。
依据本发明，提供一种电容感测电路，包括：驱动单元、交换单元、电容感测元件、差分积分电路及后处理电路。驱动单元用以提供电容感测元件所需的驱动控制信号，包含互为反相控制时序的第一时钟信号及第二时钟信号，用以产生交换位准的驱动电压。电容感测元件用以接收驱动单元提供的驱动电压位准，并对应第一时钟信号产生第一感测信号，及对应第二时钟信号产生第二感测信号。交换单元置于电容感测元件与差分积分电路之间，对应第一感测信号输入至差分积分电路的其中一个输入端，并对应第二感测信号输入至差分积分电路的另一输入端。差分积分电路包括两个输入端，其中至少一个输入端对应第一感测信号，以输出第一积分输出信号，其中至少一个输入端对应第二感测信号，以输出第二积分输出信号。后处理电路接收差分积分电路的差分输出信号，以进行信号处理或信号利用。第一时钟信号及第二时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。
依据本发明的一个实施例，驱动单元用以提供电容感测元件所需的驱动控制信号，电容感测元件，以最基本架构为例，包括两个差分对电容（differential pair capacitors）元件，在此以第一电容元件及第二电容元件代称，两差分电容需藉由给予不同的电压位准变化驱动产生信号，故定义第一时钟信号及第二时钟信号互为反相控制时序用以产生驱动所需的交换电压位准，并对应第一时钟信号输出与第一电容元件的电容值及/或第二电容元件的电容值的共轭值相关的至少一个第一感测信号，且对应第二时钟信号输出与第二电容元件的电容值及/或第一电容元件的电容值的共轭值相关的至少一个第二感测信号。交换单元搭配第一感测信号及第二感测信号的互为反相的控制时序，对应切换至差分积分电路的正/负两个输入端，例如说第一时钟对应切换至正输入端，则第二时钟对应切换至负输入端，两个反相控制产生的共轭信号依对应的时序切换给反相的正/负两个输入端，达到两个反相时序产生的信号均累加积分在差分积分电路上且为差分输出（differential output）的型式。后处理电路接收差分积分电路的差分输出信号，以进行信号处理及／或信号利用，其中前述第一时钟信号及第二时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。
在此的电容感测电路并不限其型式，可为单路传送、双路传送、单路接收、双路接收、或其它多路传送／接收型式的任一个；其应用面亦无限制，举例来说，可为重力传感器、加速度器、电容式触控面板、或其它种类需要应用电容感测的电容感测电路。依据本发明的一个实施例，第一电容元件及第二电容元件可经由共同输入路径，如单路传送型式，或者可分别经由输入路径，如双路传送型式，接收第一时钟信号及第二时钟信号。
需注意的是，驱动单元驱动的电容感测元件亦可额外包括更多的电容元件，如在双路传送双路接收型式中，可包括四个电容元件，假设第三电容元件与第一电容元件反向串联、第四电容元件与第二电容元件反向串联，驱动单元可对应第一时钟信号输出与第一/三电容元件及第二/四电容元件的电容值的共轭值差值相关的第一感测信号，且对应第二时钟信号输出与第一/三电容元件及第二/四电容元件的电容值的共轭值差值相关的第二感测信号。
在本发明的一个实施例中，交换单元设置于电容感测元件与差分积分电路之间，其对应第一时钟信号切换，使差分积分电路接收第一感测信号，并对应第二时钟信号切换，使差分积分电路接收第二感测信号，以对应不同的时钟将不同的感测信号输入至对应的输入端。交换单元的细部结构并无限制，可依据电容感测元件的第一电容元件、第二电容元件与差分积分电路的电性连接关联性作适性调整，优选地，交换单元对应第一时钟信号控制第一感测信号输入至差分积分电路的其中一个输入端，并对应第二时钟信号控制第二感测信号输入至差分积分电路的另一输入端。
关于第一感测信号与第二感测信号的特性，在本发明的一个实施例中，对于单路接收型式，驱动单元可对应第一时钟信号输出与第一电容元件的电容值及第二电容元件的电容值的共轭值差值相关的第一感测信号，对应第二时钟信号输出与第二电容元件的电容值及第一电容元件的电容值的共轭值差值相关的第二感测信号。然而，在本发明的另一实施例中，对于双路接收型式，亦可充分利用差分积分电路的两个输入端，对应第一时钟信号使一个输入端接收与第一电容元件的电容值相关的第一感测信号，另一输入端接收与第二电容元件的电容值的共轭值相关的第一感测信号，而对应第二时钟信号使一个输入端接收与第二电容元件的电容值相关的第二感测信号，另一输入端接收第一电容元件的电容值的共轭值相关的第二感测信号，如此可在同一时间内获得不同电容元件的电容量测贡献，以得到较为平衡的感测结果。配合施用交换单元时，交换单元可对应第一时钟信号控制前述两个第一感测信号分别输入至差分积分电路的这些输入端，并对应第二时钟信号控制前述两个第二感测信号分别反向输入至差分积分电路的这些输入端。
差分积分电路可针对其二个输入端的输入信号进行积分，而获得与这些输入信号差值相关的积分输出信号，优选为双端运算放大器接成积分电路，而可附加进行信号放大处理，以放大输入信号差值，而增进感测的敏感度，然而其它种类的差分积分电路亦可应用，并不限于此。配合对应第一时钟信号接收的与第一电容元件的电容值及/或第二电容元件的电容值的共轭值相关的至少一个第一感测信号，以及对应第二时钟信号接收的与第二电容元件的电容值及/或第一电容元件的电容值的共轭值相关的至少一个第二感测信号，差分积分电路可在同一周期的不同时序中，对不同感测信号进行比较处理，以缩短感测多个电容单元的所需时间，以提升效率。
其次，为了增加感测的精确性，第一电容元件及第二电容元件可额外依据复归时钟信号进行电压复归，复归时钟信号与第一时钟信号及第二时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。
电容感测电路经差分积分电路获得差分输出信号之后，再经任意型式、种类或组合的后处理电路对差分输出信号进行信号处理，或利用差分输出信号，在此无须限制后处理电路的细部结构，举例来说，后处理电路示例性地可包括模拟数字转换器、解调器、缓冲器、或其它电路的任意组合。
因此，本发明的电容感测电路以其差分积分电路获得与第一电容元件及第二电容元件有关的差分输出信号，而不受共模信号的噪声影响，提高感测精确性并增加感测的敏感度。
附图说明
图1显示依据本发明的第一实施例的电容感测电路的结构方块示意图。
图2显示复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2的信号示意图。
图3显示单路传送双路接收型式的电容感测电路的结构方块示意图。
图4显示依据本发明的第二实施例的电容感测电路的结构方块示意图。
图5显示依据本发明的第三实施例的电容感测电路的结构方块示意图。
图6显示依据本发明的第四实施例的电容感测电路的结构方块示意图。
【主要元件符号说明】
1 电容感测电路            10 驱动单元
                          11 电容感测元件
12 交换单元               13 差分积分电路
14 后处理电路
111 第一电容元件          112 第二电容元件
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有图式。这些图式为本发明公开内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域技术人员应能理解其它可能的实施方式以及本发明的优点。图中的元件并未按比例绘制，而类似的附图标记通常用来表示类似的元件。
首先请参考图1，其显示依据本发明的第一实施例的电容感测电路的结构方块示意图。在此的电容感测电路1并不限其型式，可为单路传送、双路传送、单路接收、双路接收、或其它多路传送／接收型式的任一个；其应用面亦无限制，举例来说，可为重力传感器、加速度器、电容式触控面板、或其它种类需要应用电容感测的电容感测电路1。如图中所示，电容感测电路1在此以双路传送单路接收型式为例，其内包括驱动单元10、电容感测元件11、交换单元12、差分积分电路13及后处理电路14。
驱动单元10提供电容感测元件所需的驱动控制信号V1/V2，藉由第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2时序用以产生电压位准Refp/Refn的交换驱动。第一时钟信号ψ1时V1=Refp/V2=Refn，第二时钟信号ψ2时V1=Refn/V2=Refp。
电容感测元件单元11为一对差分对电容（differential pair capacitors）元件第一电容元件111及第二电容元件112，以加速度计（accelerometer）为例，其操作可将质量块（proof mass）的相对距离转换为电子性质的电容值变化。详细地说，电容感测元件单元11包括第一电容元件111及第二电容元件112，第一电容元件111及第二电容元件112经由V1/V2控制驱动，用以接收第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2切换的Refp/Refn位准，当第一时钟信号ψ1时由共同路径输出第一感测信号S1，当第二时钟信号ψ2时由共同路径输出第二感测信号S2，故S1和S2感测到的信号关系互为反相。然而，本发明并不限于此，亦可为了增加感测的精确性，使第一电容元件111及第二电容元件112先行额外依据复归时钟信号ψ0进行电压复归，复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2为在同一周期内分时的时钟信号，关于复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2，设计上可为ψ0→ψ1→ψ2→ψ1→ψ2.....或ψ0→ψ1→ψ2→ψ0→ψ1→ψ2.....等时序，信号示意图请参考图2。其次，亦可依图3所示为单路传送双路接收型式，经由共同输入路径V1，接收第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2切换的Refp/Refn位准。电容感测元件11，对应第一时钟信号ψ1时两路输出为第一感测信号S1a/S1b，当第二时钟信号ψ2时两路输出为第二感测信号S2a/S2b，S1a和S2a感测到的信号关系互为反相以及S1b和S2b感测到的信号关系互为反相。
交换单元12设置于电容感测元件单元11与差分积分电路13之间，可对应第一时钟信号ψ1切换，使差分积分电路13的正的输入端接收第一感测信号S1，并对应第二时钟信号ψ2切换时，将与S1反相的第二感测信号S2对应给予差分积分电路13的负的输入端。另差分积分电路13的正、负输入端可对调，即第一时钟信号ψ1时负的输入端接收第一感测信号S1搭配正的输入端接收第二感测信号S2亦可。交换单元的细部结构并无限制，可依据电容感测元件单元11与差分积分电路13的电性连接关联性作适性调整，优选地，交换单元12可包括两组交换器，一组依据第一时钟信号ψ1切换，一组依据第二时钟信号ψ2切换，以对应第一时钟信号ψ1控制第一感测信号S1输入至差分积分电路13的其中一个输入端，并对应第二时钟信号ψ2控制第二感测信号S2输入至差分积分电路13的另一输入端，然而本发明并不限于此。
差分积分电路13可针对输入的第一感测信号S1、第二感测信号S2进行累加积分，而输出与这些输入的感测信号S1、S2差值相关的差分输出（differential output）信号，优选为双端运算放大器（Fully differentialoperational amplifier）接成积分电路组态，而可附加进行信号放大处理，以放大输入信号差值，而增进感测的敏感度，然而其它种类的差分积分电路13亦可应用，并不限于此。差分积分电路13在此包括两个输入端，其中至少一个输入端对应前述第一时钟信号ψ1接收第一感测信号S1，其中至少一个输入端对应前述第二时钟信号ψ2接收第二感测信号S2，其输出为差分输出Vop/Von。
电容感测电路1经差分积分电路13差分输出Vop/Von之后，再经任意型式、种类或组合的后处理电路14接收差分输出Vop/Von并进行信号处理，或利用差分输出Vop/Von，在此无须限制后处理电路14的细部结构，举例来说，后处理电路14示例性地可包括模拟数字转换器（ADC）、解调器（demodulator）、缓冲器（buffer）、或其它电路的任意组合。
另请参考图4，其显示依据本发明的第二实施例的电容感测电路的结构方块示意图。在此的电容感测电路为通过两条路径分头输入复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2的双路传送、而以单一路径输出第一感测信号S1及第二感测信号S2的单路接收的型式，并且为了简明扼要表示本实施例与前一实施例的主要差异，仅简单显示电容感测元件11、交换单元12及差分积分电路13的细部结构。当复归时钟信号ψ0为高电位时，交换单元12对应复归时钟信号ψ0切换，第一电容元件与第二电容元件进行电容复归至Vcm的动作。
接着，当第一时钟信号ψ1为高电位时，电容感测元件11输出与第一电容元件的电容值Ca及第二电容元件的电容值的共轭值Cb差值相关的第一感测信号S1，此时交换单元12对应第一时钟信号ψ1切换，将第一感测信号S1输入差分积分电路13的正输入端。
接着，当第二时钟信号ψ2为高电位时，电容感测元件11输出与第二电容元件的电容值Cb及第一电容元件的电容值的共轭值Ca差值相关的第二感测信号S2，此时交换单元12对应第二时钟信号ψ2切换，将第二感测信号S2输入差分积分电路13的负输入端，差分积分电路13积分累加S1和S2，其输出为差分输出Vop/Von以供后处理电路处理或使用。
另请参考图5，其显示依据本发明的第三实施例的电容感测电路的结构方块示意图。在此的电容感测电路为通过同一条路径V1输入复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2的单路传送、而以两条路径分别输出多个第一感测信号S1a/S1b及多个第二感测信号S2a/S2b的双路接收的型式，并且为了简明扼要表示本实施例与第一实施例的主要差异，仅简单显示电容感测元件11、交换单元12及差分积分电路13的细部结构。
当复归时钟信号ψ0为高电位时，交换单元12对应复归时钟信号ψ0切换，第一电容元件与第二电容元件进行电容复归至Vcm的动作。
接着，当第一时钟信号ψ1为高电位时，电容感测元件11输出与第一电容元件的电容值Ca相关的第一感测信号S1a，通过交换单元12的作动，将此第一感测信号S1a传送至差分积分电路13的正输入端，电容感测元件11并且输出与第二电容元件的电容值的共轭值Cb相关的另一第一感测信号S1b，通过交换单元12的作动，将此另一第一感测信号S1b传送至差分积分电路13的负输入端。差分积分电路13接收这些第一感测信号S1a、S1b后，将这些第一感测信号S1a、S1b进行积分及／或放大的处理。
接着，当第二时钟信号ψ2为高电位时，电容感测元件11输出与第二电容元件的电容值Cb相关的第二感测信号S2b，通过交换单元12的作动，将此第二感测信号S2b反向传送至差分积分电路13的正输入端，电容感测元件11并且输出与第一电容元件的电容值的共轭值Ca相关的另一第二感测信号S2a，通过交换单元12的作动，将此另一第二感测信号S2a反向传送至差分积分电路13的负输入端。差分积分电路13接收这些第二感测信号S2a、S2b后，将这些第二感测信号S2a、S2b进行积分及／或放大的处理，累加积分S1a/S1b和S2a/S2b，其输出为差分输出Vop/Von以供后处理电路处理或使用。通过上述的切换机制，如此可在同一时间内获得不同电容元件的电容量测贡献，以得到较为平衡的感测结果。
另请参考图6，其显示依据本发明的第四实施例的电容感测电路的结构方块示意图。在此的电容感测电路为通过两条路径V1/V2分别输入复归时钟信号ψ0、第一时钟信号ψ1及第二时钟信号ψ2的双路传送、而以两条路径分别输出多个第一感测信号S1a,c/S1b,d及多个第二感测信号S2a,c/S2b,d的双路接收的型式，并且为了简明扼要表示本实施例与第一实施例的主要差异，仅简单显示电容感测元件11、交换单元12及差分积分电路13的细部结构。需注意的是，在此电容感测元件11包括四个电容元件：第一电容元件Ca与第三电容元件Cc反向串联、第二电容元件Cb与第四电容元件Cd反向串联。
当复归时钟信号ψ0为高电位时，交换单元12对应复归时钟信号ψ0切换，第一电容元件Ca、第二电容元件Cb、第三电容元件Cc与第四电容元件Cd进行电容复归至Vcm的动作。
接着，当第一时钟信号ψ1为高电位时，电容感测元件11输出与第一电容元件的电容值Ca及第三电容元件的电容值的共轭值Cc差值相关的第一感测信号S1a，c，通过交换单元12的作动，将此第一感测信号S1a,c传送至差分积分电路13的正输入端，电容感测元件11并且输出与第二电容元件的电容值Cb及第四电容元件的电容值的共轭值Cd差值相关的另一第一感测信号S1b,d，通过交换单元12的作动，将此另一第一感测信号S1b,d传送至差分积分电路13的负输入端。差分积分电路13接收这些第一感测信号S1a，c、S1b,d后，将这些第一感测信号S1a，c、S1b,d进行积分及／或放大的处理。
接着，当第二时钟信号ψ2为高电位时，电容感测元件11输出与第二电容元件的电容值Cb及第四电容元件的电容值的共轭值Cd差值相关的第二感测信号S2b,d，通过交换单元12的作动，将此第二感测信号S2b,d反向传送至差分积分电路13的正输入端，电容感测元件11并且输出与第一电容元件的电容值Ca及第三电容元件的电容值的共轭值Cc差值相关的另一第二感测信号S2a，c，通过交换单元12的作动，将此另一第二感测信号S2a,c反向传送至差分积分电路13的负输入端。差分积分电路13接收这些第二感测信号S2b，d、S2a,c后，将这些第二感测信号S2b，d、S2a,c进行积分及／或放大的处理，累加积分S1a,c/S1b,d和S2a,c/S2b,d，其输出为差分输出Vop/Von以供后处理电路处理或使用。
因此，由上述中可以得知，本发明的电容感测电路以其差分积分电路获得与第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件及第四电容元件有关的比较信号，而不受共模信号的噪声影响，提高感测精确性并增加感测的敏感度。
以上叙述依据本发明的多个不同实施例，其中各项特征可以单一或不同结合方式实施。因此，本发明实施方式的公开为阐明本发明原则的具体实施例，应不拘限本发明于所公开的实施例。进一步言之，先前叙述及其附图仅为本发明示范之用，并不受其限囿。其它元件的变化或组合皆可能，且不悖于本发明的精神与范围。

Claims (8)

1.一种电容感测电路，其特征在于：包括：
驱动单元，用以提供电容感测元件所需的驱动控制信号，包含互为反相控制时序的第一时钟信号及第二时钟信号，用以产生交换位准的驱动电压；
电容感测元件，用以接收所述驱动单元提供的驱动电压位准，并对应所述第一时钟信号产生第一感测信号，及对应所述第二时钟信号产生第二感测信号；
交换单元，置于所述电容感测元件与差分积分电路之间，对应所述第一感测信号输入至所述差分积分电路的其中一个输入端，并对应所述第二感测信号输入至所述差分积分电路的另一输入端；
所述差分积分电路，包括两个输入端，其中至少一个输入端对应所述第一感测信号，以输出第一积分输出信号，其中至少一个输入端对应所述第二感测信号，以输出第二积分输出信号；及
后处理电路，接收所述差分积分电路的差分输出信号，以进行信号处理或信号利用；
其中，所述第一时钟信号及所述第二时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。
2.根据权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于：所述交换单元对应所述第一时钟信号控制所述第一感测信号输入至所述差分积分电路的其中一个输入端，并对应所述第二时钟信号控制所述第二感测信号输入至所述差分积分电路的另一输入端。
3.根据权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于：包括两个第一感测信号及两个第二感测信号，其中一个第一感测信号与所述第一电容元件的电容值相关，另一第一感测信号与所述第二电容元件的电容值的共轭值相关，其中一个第二感测信号与所述第二电容元件的电容值相关，另一第二感测信号与所述第一电容元件的电容值的共轭值相关。
4.根据权利要求3所述的电容感测电路，其特征在于：所述交换单元对应所述第一时钟信号控制这些第一感测信号分别输入至所述差分积分电路的这些输入端，并对应所述第二时钟信号控制这些第二感测信号分别反向输入至所述差分积分电路的这些输入端。
5.根据权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于：所述第一电容元件及所述第二电容元件能够经由共同输入路径或者能够分别经由输入路径接收所述第一时钟信号及所述第二时钟信号。
6.根据权利要求5所述的电容感测电路，其特征在于：所述驱动单元更包括第三电容元件及第四电容元件，并对应所述第一时钟信号输出与所述第一电容元件的电容值及所述第三电容元件的电容值的共轭值差值相关的第一感测信号，且对应所述第二时钟信号输出与所述第二电容元件的电容值及所述第四电容元件的电容值的共轭值差值相关的第二感测信号。
7.根据权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于：所述第一电容元件及所述第二电容元件还依据复归时钟信号进行电压复归，所述复归时钟信号与所述第一时钟信号及所述第二时钟信号为在同一周期内分时的时钟信号。
8.根据权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于：所述差分积分电路为差分运算放大器接成积分电路组态。
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