CN105760027A - 用于输入感应的开关电容技术 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的示例一般涉及用于用输入设备进行输入感应的开关电容技术。处理系统包括具有同相输入、反相输入、和输出的运算放大器。处理系统还包括第一电容器及第二电容器，其中该第一电容器耦接在输出和反相输入之间以形成反馈路径。处理系统还包括耦接到第二电容器的第一开关。第一开关具有第一状态和第二状态，其中第一状态将第二电容器耦接到第一电容器，并且第二状态将第二电容器耦接到测量电路。处理系统还包括确定模块，其耦接到测量电路并配置为基于由第二电容器接收的电荷量确定在反相输入处的电容测量。

Description

用于输入感应的开关电容技术
技术领域
本公开内容的实施例大体涉及以输入设备进行输入感应的开关电容技术。
背景技术
包括接近传感器设备(通常也被称为触摸板或者触摸传感器设备)在内的输入设备广泛应用于大量的电子系统中。接近传感器设备通常包括感应区，所述感应区常常由表面划界，其中接近传感器设备确定一个或者多个输入对象的存在、位置和/或移动。接近传感器设备可以用于为电子系统提供接口。例如，接近传感器设备通常被用作用于更大型计算系统的输入设备，诸如集成在笔记本或者台式机内部或者作为它们外设的触摸板。接近传感器设备还经常被用于更小型的计算系统，诸如集成在手机或平板电脑内的触摸屏。
接近传感器设备可包括一种或者多种类型的电极，其被配置用于发送和/或接收输入感应信号。电极可以与处理系统耦接，所述处理系统确定所采集的输入感应信号的各种特征，从而检测输入对象的存在和/或位置。处理通过电极接收的输入感应信号通常要求大型组件，诸如大量的大电容和/或电阻。例如，接收器组件可被耦接到每个独立的电极(或者到每组电极)，需要成数十或数百相对大量的电容和/或电阻被包括在接近传感器设备中。除此之外，随着接近传感器设备的特征尺寸降低，接收器组件的数量通常必须增加，进一步增加了接近传感器设备的尺寸。
因此，需要降低用于在接近传感器设备中执行输入感应的组件尺寸。
发明内容
本发明的实施例大体提供一种处理系统。处理系统包括具有同相输入、反相输入、以及输出的运算放大器。处理系统还包括第一电容器及包括第二电容器，该第一电容器耦接在输出和反相输入之间以形成反馈路径。处理系统还包括耦接到第二电容器的第一开关。第一开关具有第一状态和第二状态，其中第一状态将第二电容器耦接到第一电容器，并且第二状态将第二电容器耦接到测量电路。处理系统还包括确定模块，所述确定模块被耦接到测量电路并被配置以基于通过第二电容器接收的电荷量确定反相输入处的电容测量。
本公开内容的实施例还可以提供用于进行电容感应的输入设备。输入设备包括多个传感器电极和耦接到多个传感器电极的处理系统。处理系统包括具有同相输入、反相输入、和输出的运算放大器。多个传感器电极所包括的传感器电极被耦接到反相输入。处理系统还包括电压源、第一电容器、第二电容器、以及耦接到第二电容器的第一开关，其中，该电压源耦到该同相输入，该第一电容器耦接在输出和反相输入之间以形成反馈路径。第一开关具有第一状态和第二状态，其中第一状态将第二电容器耦接到第一电容器，并且第二状态将第二电容器耦接到测量电路。处理系统还包括确定模块，所述确定模块被耦接到测量电路并且被配置以基于通过第二电容器接收的电荷量确定传感器电极的电容测量。
本公开内容的实施例还可以提供以传感器电极进行输入感应的方法。该方法包括将输入电压驱动到运算放大器同相输入上。第一电容器耦接在运算放大器的输出和运算放大器的反相输入之间以形成反馈路径。该方法还包括在第一状态和第二状态之间进行切换，其中第一状态将第二电容器耦接到第一电容器，并且第二状态将第二电容器耦接到测量电路。该方法还包括基于通过第二电容器接收的电荷量确定与耦接到反相输入的传感器电极相关联的电容测量。
附图说明
使得以上面所列举的本发明的特征可被详细理解的方式，可通过参考其中的一些在附图中被示意的实施例做出上文所简略概括的、更具体的描述。然而需要注意的是，附图仅仅示意了本发明的实施例且因此并不能被认为是对其保护范围的限制，因为本发明可以承认其它等同有效的实施例。
图1为根据本发明实施例的示例性输入设备框图。
图2为根据本发明实施例的图1中输入设备的部分示意平面图。
图3示意了用于测量传输到未知电容器的电荷量和/或自未知电容器传输的电荷量的感应电路的局部示意图。
图4示意了根据本发明实施例的可被包括在图1中的处理系统的感应电路的局部示意图。
图5示意了根据本发明实施例的、可被包括在图1的处理系统中的感应电路的局部示意图，该感应电路具有开关电容和电荷积分器。
图6为根据本发明实施例的图5的感应电路的局部示意图，其中该测量电路包括西格玛-德尔塔电路。
图7为根据本发明实施例的用于使用图5和6的感应电路执行输入感应的方法的流程图。
为了有助于理解，在可能的情况下，相同的附图标记被用来表示各图中共有的相同的元件。可以预见的是，在一个实施例中公开的元件可以有利的被用于其它实施例而无需特别陈述。
具体实施方式
以下的具体实施方式本质上仅仅是示例性的，且并非意在限制实施例或本申请及对该实施例的使用。此外，不存在要被出现在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中的任何明确的或暗示的理论所约束的意图。
本发明不同的实施例通常提供用于使用开关电容器发送和接收输入感应信号的方法和系统。使用开关电容器来执行输入感应容许处理系统的尺寸被减小。例如，可将开关电容器实施为执行对未知电容的过采样，而不是在处理系统中使用大型电容器和/或电阻。此外，在过采样过程中，当开关电容器在未知电容和测量电路之间切换的时候，独立的电容器可以保持与未知电容耦接，从而减小干扰混叠的可能性。因此，处理系统的整体尺寸可以减小，同时保持类似的性能特征。
现在转向附图，图1为根据本发明的实施例的示例性输入设备100的框图。输入设备100被配置为向电子系统(没有示出)提供输入。正如本文中所使用的，术语“电子系统”(或者“电子设备”)泛指任何能够电子化处理信息的系统。电子系统的一些非限制性示例包括全部尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、笔记本电脑、上网本、平板电脑、网络浏览器、电子书阅览器以及个人数字助理(PDA)。电子系统的其它示例包括综合输入设备，诸如包括输入设备100和独立的游戏操纵杆或者按键开关的物理键盘。进一步的示例电子系统包括外部设备，诸如数据输入设备(包括远程控制和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏幕和打印机)。其它示例包括远程终端、信息亭和电子游戏机(例如，电子游戏操控台，便携式游戏设备等)。其它示例包括通信设备(包括诸如智能电话的蜂窝电话)和媒体设备(包括记录器，编辑器，以及诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数字相框和数字摄像机的播放器)。另外，电子系统可以是输入设备的主设备或从设备。
输入设备100可以实施为电子系统的一个物理部分或与电子系统物理上分开。视情况而定，输入设备100可以采用任何一种或多种如下方式与电子系统的部件通信：总线，网络，以及其它有线或无线互联(包括串行和/或并行连接)。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
在附图1所描绘的实施例中，输入设备100被示出为接近传感器设备(通常也被称为“触摸板”或者“触摸传感器设备”)，其被配置以感应由一个或多个输入对象140在感应区域120中提供的输入。如图1中所示，输入对象140的示例包括手指和触控笔。
感应区域120包含输入设备100上方、周围、内部和/或附近的任何空间，在感应区域120中，输入设备100能够检测用户输入(例如，由一个或多个输入对象140所提供的用户输入)。具体感应区域的尺寸、形状和位置可以随不同的实施例而大不相同。一些实施例中，感应区域120从输入设备100的表面沿一个或多个方向延伸到空间内，直到信噪比妨碍足够精确的对象检测为止。在不同的实施例中，该感应区域120沿特定方向延伸的距离可以是小于毫米、毫米、厘米或更大的数量级，并且可随着所使用的感应技术类型和所要求的精确度而显著变化。因此，一些实施例感应输入，所述输入包括与输入设备100的任何表面都不接触、与输入设备100的输入表面(例如，触摸表面)接触、与输入设备100的耦合有一定量的施加作用力或压力的输入表面接触、和/或它们的组合。不同的实施例中，可以通过传感器电极驻存于其内的壳体表面、通过应用于传感器电极上方的面板或者任何壳体提供等提供输入表面。一些实施例中，感应区域120在被投射到输入设备100的输入表面上时具有矩形形状。面板(例如LCD透镜)可以为输入对象提供有用的接触表面。
输入设备100可以利用传感器组件和感应技术的任何组合来检测感应区域120内的用户输入。输入设备100包括一个或多个用于检测用户输入的感应元件。一些实现方式配置为提供跨越一个、两个、三个或更多个维度空间的图像。一些实现方式配置为提供沿特定轴或者平面的输入的投影。光标、菜单、列表和项可被显示为图形化用户界面的一部分，并且可以被缩放、定位、选择滚动或移动。
输入设备100的一些电容实现方式中，电压或电流被施加以创建电场。附近的输入对象引起电场的变化，并且在电容耦接中产生可以被检测为电压、电流或这一类的变化的可检测的变化。
一些电容实现方式利用阵列或者其它常规或非常规的电容感应元件图案来创建电场。一些电容实现方式中，分开的感应元件可以被共同欧姆短路以形成更大的传感器电极。一些电容实施方式利用可以是电阻均匀的电阻片。
一些电容实现方式利用基于传感器电极和输入对象之间的电容耦合的变化的“自电容”(或者“绝对电容”)感应方法。不同的实施例中，传感器电极附近的输入对象改变传感器电极附近的电场，从而改变所测量的电容耦接。一些实现方式中，绝对电容感应方法通过相对于参考电压(例如，系统接地)调制传感器电极并且通过检测在传感器电极和输入对象之间的电容耦合来操作。
一些电容实现方式利用基于传感器电极之间电容耦合的变化的“互电容”(或者“跨越电容”)感应方法。不同的实施例中，传感器电极附近的输入对象改变了传感器电极之间的电场，从而改变了所测量的电容耦合。一种实现方式中，跨越电容感应方法通过检测在一个或多个发送器传感器电极(也被称为“发送器电极”或“发送器”)与一个或多个接收器电极(也被称为“接收器电极”或“接收器”)之间的电容耦合来操作。发送器传感器电极可以相对于参考电压(例如，系统接地)被调制从而发送发送器信号。相对于参考电压，接收器传感器电极可以保持为基本上恒定，从而有助于接收合成信号。另外的一些实施例中，当接收合成信号的时候接收器传感器电极可以被调制。合成信号可以包括与一个或多个发送器信号、和/或与一个或多个环境干扰(例如，其它电磁信号)源对应的(一种或多种)效应。传感器电极可以是专用的发送器或接收器，或者可以被配置为既发送又接收。另外，传感器电极可以被配置以在不同的时间段上执行绝对电容感应和/或跨越电容感应，或者传感器电极可以被配置以在(一个或多个)相同的时间段期间同时执行绝对电容感应和跨越电容感应两者。
附图1中，处理系统110被示出为输入设备100的一部分。处理系统110被配置以操作输入设备100的硬件从而检测感应区域120中的输入。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)和/或其它电路组件的部分或者全部。一些实施例中，处理系统110包括感应电路，所述感应电路可包括驱动器电路和/或接收器电路。例如，用于互电容传感器设备的处理系统110可以包括被配置以将输入感应信号驱动到发送器电极上的驱动器电路和/或被配置以用接收器电极接收信号的接收器电路。其它实施例中，相同的感应电路既用来将输入感应信号驱动到感应元件150上，又用来用感应元件150接收合成信号。另外，处理系统110还包括电子化可读的指令，诸如固件代码、软件代码和/或诸如此类的。
一些实施例中，包括在处理系统110中的组件被设置在一起，诸如靠近输入设备100的感应元件150。其它实施例中，处理系统110的多个组件与靠近输入设备100的感应元件150而设置的一个或多个组件物理分开，并且一个或多个组件被设置在其它地方。例如，输入设备100可以是耦接于台式计算机的外设，并且处理系统110可以包括被配置以在台式计算机的中央处理单元上运行的软件以及一个或多个与中央处理单元分开的IC(可能具有相关联的固件)。如另一个示例，输入设备100可以物理集成在电话中，并且处理系统110可以包括作为电话的主处理器的一部分的电路和固件。一些实施例中，处理系统110专用于实施输入设备100。其它实施例中，处理系统110还执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉驱动器等。
处理系统110可以实施为处理处理系统110的不同功能的一组模块。每个模块可以包括电路、固件、软件、或它们的组合，其中，电路是处理系统110的一部分。不同的实施例中，可以使用不同的模块组合。示例模块包括用于操作诸如传感器电极和显示屏的硬件的硬件操作模块、用于处理诸如传感器信号和位置信息的数据的数据处理模块、以及用于报告信息的报告模块。进一步的示例模块包括被配置以操作感应元件150以检测输入的传感器操作模块、被配置以识别诸如模式改变手势的手势的识别模块、以及用于改变操作模式的模式改变模块。
一些实施例中，处理系统110通过使一个或多个动作被执行而直接响应于感应区域120内的用户输入(或用户输入的缺失)。示例动作包括改变操作模式，以及诸如光标移动、选择、菜单导航及其它功能的CUI动作。一些实施例中，处理系统110向电子系统的一些部分(例如，向与处理系统110分开的电子系统的中央处理系统，如果这样的分开的中央处理系统存在的话)提供关于输入(或者输入缺失)的信息。一些实施例中，电子系统的一些部分处理从处理系统110接收的信息以作用在用户输入上，诸如去促进包括模式改变动作和GUI动作在内的全部范围的动作。
例如，一些实施例中，处理系统110操作输入设备100的感应元件150从而产生指示感应区域120内的输入(或者输入缺失)的电子信号。处理系统110可以在产生提供给电子系统的信息的过程中对电子信号执行任何适当数量的处理。例如，处理系统110可以将从传感器电极获得的模拟电子信号数字化。如另一个示例，处理系统110可以执行滤波或者其它信号调节。还是如另一个示例，处理系统110可减去或另外说明基线，以便信息反映出电子信号与基线之间的差。在额外的示例中，处理系统110可以确定位置信息、将输入识别为命令、识别手写体以及诸如此类的。
作为在这里使用的术语，“位置信息”广义上包括绝对位置、相对位置、速度、加速度以及其它类型的空间信息。示例性的“零维度”位置信息包括近/远或者接触/不接触信息。示例性“一维”位置信息包括沿轴的位置。示例性“二维”位置信息包括平面内的运动。示例性“三维”位置信息包括空间内的瞬时或者平均速度。进一步的示例包括空间信息的其它表示。关于一种或更多种类型的位置信息的历史数据同样可以被确定和/或存储，例如包括随时间追踪位置、运动或瞬时速度的历史数据。
一些实施例中，输入设备100被实施具有由处理系统110或者一些其它处理系统操作的额外的输入组件。这些额外的输入组件可为感应区域120中的输入提供冗余的功能性，或者一些其它的功能性。图1示出了靠近感应区域120的按钮130，所述按钮130可用于使用输入设备100促进对项的选择。其它类型的额外的输入组件包括滑块，滚珠，滚轮，开关等。相反的，一些实施例中，输入设备100可以被实施为没有其它输入组件。
一些实施例中，输入设备100包括触摸屏界面，并且感应区域120与显示屏的至少部分激活区域重叠。例如，输入设备100可以包括与显示屏重叠的基本上透明的传感器电极，并且为相关联的电子系统提供触摸屏界面。显示屏可以是能够向用户显示可视界面的任何类型的动态显示器，并且可包括任何类型的发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或其它显示技术。输入设备100和显示屏可共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同的电子组件中的一些用于显示和感应。如另一个示例，显示屏可以部分或者整体地被处理系统110操作。
应当理解尽管本发明的许多实施例在全功能装置的背景下进行描述，本发明的机制能够以多种形式分布为程序产品(例如，软件)。例如，本发明的机制可以被实施为并且分布为在由电子处理器可读的信息承载介质(例如，可被处理系统110读取的、非暂时性的计算机可读和/或可录/可写的信息承载介质)上的软件程序。另外，本发明的实施例同等适用，而无需考虑用于执行分布的具体介质类型。非暂时性的电子可读介质的示例包括各种盘、存储棒、存储卡、存储模块等。电子可读介质可以是基于闪存、光学、磁性、全息或者任何其它存储技术的。
图2为根据本发明实施例的图1中的输入设备100的部分示意平面图。输入设备100包括感应元件150的阵列和处理系统110。感应元件150的阵列包括传感器电极230，诸如多个发送器电极210(例如，210-1，210-2，210-3等)及多个接收器电极220(例如，220-1、220-2、220-3等)。尽管发送器电极210和接收器电极220示意为矩形，其它实施例中，发送器电极210和接收器电极220可以是任何实用的几何形状。处理系统110例如通过一个或多个路径迹线(图2中没有示出)耦接到感应元件150的阵列。
传感器电极230可以在显示设备160外部的基底上形成。例如，接收器电极220可被设置在输入设备100的透镜的外表面上，在显示设备160的绿色器玻璃和输入设备100的透镜之间，或在薄膜晶体管基底(TFT基底)和显示设备160的滤色器玻璃之间。其它实施例中，发送器电极210和/或接收器电极220包括一个或多个用于执行输入感应并且用于更新显示设备160的公共电极。
尽管图2中示意了被实现为单个集成电路(IC)(例如，集成控制器)的处理系统110，但处理系统110可包括任何适当数量的IC。例如，处理系统110的功能可以实现在不止一个IC中以便以传感器电极230的阵列(例如，通过驱动器电路)驱动输入感应信号和/或(例如，通过接收器电路)接收合成信号。一些实施例中，处理系统110包括(例如，通过接收器电路)接收合成信号并且基于该合成信号确定输入对象140的存在的确定模块250。例如，一些实施例中，确定模块250基于接收器电路接收的电压、电流、电荷等确定与一个或多个传感器电极230相关联的电容测量。另外，处理系统110可以被配置以(例如，通过驱动器电路)将调制后信号驱动到至少一个传感器电极230上，从而检测至少一个传感器电极和输入对象140之间的绝对电容的变化。
一些实施例中，处理系统110的一个或多个IC可被实施以控制显示设备160元件。例如，一个IC可配置为执行输入感应，而另一个IC配置为执行显示更新。一些实施例中，一个IC可配置为操作发送器电极210，而另一个IC可配置为操作接收器电极220。在存在不止一个IC的实施例中，处理系统110的独立IC之间的通信可通过同步机制获得，所述同步机制将提供给公共电极的信号排序。可替换地，同步机制可以在IC的任何一个的内部。
发送器电极210和接收器电极220通过一个或多个绝缘体相互之间欧姆隔离，所述绝缘体将发送器电极210与接收器电极220分开并且阻止它们相互之间电性短路。电性绝缘材料在电极相交的交叉区域处将发送器电极210和接收器电极220分开。一种这样的配置中，以连接相同电极的不同部分的跳线形成发送器电极210和/或接收器电极220。其它配置中，如下面进一步详细描述的，发送器电极210和接收器电极220通过一层或者多层电性绝缘材料或者通过一个或多个基底被分开。仍然是在其它配置中，发送器电极210和接收器电极220可选地置于输入设备100的单层上。据此，在这样的实施例中，发送器电极210和接收器电极220之间不存在交叉区域。
发送器电极210和接收器电极220之间的局部电容耦合的区域被称为“电容像素”。发送器电极210和接收器电极220之间的电容耦合随着输入对象在与发送器电极210和接收器电极220相关联的感应区120内的接近度以及运动而改变。在诸如包括多个置于矩阵阵列内的传感器电极230的实施例的其它实施例中，术语“电容像素”可以指的是传感器电极230和输入对象140之间的局部电容(例如，绝对电容)。
一些实施例中，传感器图案被“扫描”以确定这些电容耦合。也就是说，发送器电极210被驱动以发送发送器信号。发送器可操作以便每次一个发送器电极210发送，或多个发送器电极210同时发送。在多个发送器电极210同时发送的情况下，这些多个发送器电极210可以发送相同的发送器信号并且有效地产生实际上更大的发送器电极210，或这些多个发送器电极210可以发送不同的发送器信号。例如，多个发送器电极210可以根据一个或多个编码方案发送不同的发送器信号，所述编码方案使得其在接收器电极220的合成信号上的组合效应能够被独立地确定。此外，在实施矩阵感应技术的实施例中，传感器电极230可以被扫描以感应电极上绝对电容的变化。
可以单个或者多个地操作接收器电极220从而获得合成信号。该合成信号可以用于确定电容像素处电容耦合的测量。
一组来自电容像素的测量形成了表示像素处的电容耦合的“电容图像”(也被称为“电容帧”)。可以在多个时间段上获得多个电容图像，并且它们之间的不同被用于推断关于感应区域120中输入的信息。例如，在连续时间段上获得的连续电容图像可被用于追踪一个或多个输入对象140进入、离开和在感应区120内的(一个或多个)运动。
如上文所描述的，处理系统110可以包括耦接到传感器电极的感应电路系统。一些实施例中，独立的感应电路可以耦接到每个传感器电容。其它实施例中，传感器电极可被分成包括任何数量的传感器电极(例如每个电极组有2，4，8，16，32等个传感器电极)的电极组，并且独立的感应电路可被耦接到每个电极组。结果，处理系统110可以包括几十个、几百个、几千个等的独立感应电路。
附图3示意了用于测量传输到未知电容器330和/或自未知电容器330传输的电荷量的感应电路300局部示意图。如所示的，感应电路300包括沿运算放大器320的负反馈路径设置的电容器310。在感应电路300的运行期间，电容器310从未知电容器330接收电荷和/或向未知电容器330发送电荷。在电容器310和未知电容器330之间传输的电荷量进而被逻辑模块340测量从而确定未知电容器330的电容。
通常，准确测量传感器电极的电容要求电容器310具有基本上等于或者大于传感器电极的电容的上限的电容。因此，如果独立的感应电路300被耦接到每个传感器电极(或者传感器电极组)，那么被所有感应电路300占据的总表面积可以非常大。另外，因为感应电路300的信号增益与电容器310的电容成反比，增加电容器310的尺寸通常会使感应电路300的信噪比(SNR)降低。
因此，为了降低包括在处理系统110中的感应电路(例如，驱动电路和/或接收器电路)的尺寸要求，可以开关电容替代感应电路中的一个或多个组件。以开关电容替代一个或多个感应电路组件可容许感应电路去测量按单位时间的与感应电路300相比相似量的电荷，同时容许包括在感应电路中的(一个或多个)电容器的尺寸减小。这样的技术在下面将结合图4-7更详细地描述。
用于输入感应的开关电容技术
图4示意了根据本发明的实施例的可被包括在图1的处理系统110中的感应电路400的局部示意图。如图所示，感应电路400包括耦接到第一电压源422和开关420的电容器410。电容器410能够在未知电容器430、第二电压源424、以及测量电路440之间切换。一些实施例中，未知电容器430可以包括传感器电极(例如，发送器电极210或者接收器电极220)或者传感器电极组。
在感应电路400运行期间，电容器410可以接收来自未知电容器430的电荷和/或向未知电容器430传送电荷。例如，如果未知电容器430正被操作为发送器电极210，那么可以从第二电压源424和/或测量电路440接收电荷，并且向未知电容器430传输以便将输入感应信号驱动到未知的电容器430上。如果未知电容器430正被操作为接收器电极220，那么由电容器410从未知电容器430接收的电荷可被传输到测量电路440和/或通过第一电压源422和/或第二电压源424抵消。另外，通过开关426，基线量的电荷可以被添加到电容器410和/或未知电容器430、和/或从电容器410中和/或未知电容器430中移除。因此，电容器410和未知电容器430之间传输的电荷量——和/或被第一电压源422和/或第二电压源424抵消的电荷量——可以被追踪以便确定未知电容器430的电容。
一般来说，当在过采样模式下驱动感应电路400的时候，相对于附图3中所示的电容器310，电容器410的尺寸可被降低。例如，当在过采样模式下驱动感应电路400的时候，开关420会在未知电容器430、第二电压源424和/或测量电路440之间以比输入感应信号(例如，方波)被传送到未知电容器430和/或从未知电容器430接收的频率更高(例如，高2、5、10、100、1000等倍)的频率转换(toggle)。因此，可以在每个输入感应周期期间多次向电容器410添加和/或从电容器410中移除电荷。因此，通过在未知电容器430上过采样电荷，电容器410的电容可以基本上位于未知电容器430期望的电容的上限之下。
尽管感应电路400的表面积要求基本上低于感应电路300的表面积要求(例如，由于降低的电容器尺寸要求)，但是将电容器410切换到第二电压源424或测量电路440将电容器410从未知电容器430解耦合。结果，如果未知电容器430正在接收到周期性干扰，该解耦合可以混叠周期性干扰(例如，通过向电容器410发送一些但不是全部的周期性干扰)，从而使测量电路440做出不准确的测量。一些实施例中，可应用频率抖动滤波器和/或模拟抗混叠滤波器来减轻这类伪影。另外，在相同的或者其它实施例中，可以通过将电荷积分器与开关电容合并来减弱不同类型的干扰的效应，如下面结合图5-7所详细描述的。
图5示意了根据本发明实施例的、可被包括在附图1的处理系统110中的感应电路500的局部示意图，所述感应电路500具有开关电容和电荷积分器。感应电路500包括第一电容器510、第二电容器512、运算放大器540、开关520以及测量电路440。运算放大器540包括同相输入542、反相输入544以及输出546。
如图所示，第一电容器510耦接在运算放大器540的输出546和运算放大器540的反相输入544之间以形成反馈路径548。另外，第二电容器512可以在运算放大器540的反馈路径548(例如，第一(“a”)状态)和测量电路440(例如，第二(“b”)状态)之间切换。当第二电容器512切换到运算放大器540的反馈路径548时，第一电容器510和第二电容器512相对于反馈路径548并行连接，使得第一电容器510和第二电容器512两者均可以从未知电容器430接收电荷和/或将电荷发送到未知电容器430。当第二电容器512切换到测量电路440时，第二电容器512可以从测量电路440接收电荷和/或将电荷发送到测量电路440。然后从第二电容器512接收的电荷量和/或向第二电容器512发送的电荷量进而可由测量电路440追踪。
与附图4中要求电容器410从未知电容器430解耦合以执行过采样的感应电路400对比，包括在感应电路500中的第一电容器510在过采样期间与未知电容器430保持耦接。因此，可以在不使周期性干扰被混叠的情况下执行过采样。相应地，第一电容器510和第二电容器512合并后的尺寸相对于附图3中非过采样配置中所包括的电容器310的尺寸可被减小，同时仍然保持相似的输入感应性能。
第一电容器510和第二电容器512可具有相同的电容或者不同的电容。一些实施例中，第一电容器510和/或第二电容器512可以具有在不让电容器510、512中的任意一个饱和的情况下，使电荷能够被传送到未知电容器430和/或能够自未知电容器430传送的电容。因此，第一电容器510和/或第二电容器512的尺寸可以取决于过采样率，其中与较低的过采样率相比，较高的过采样率使第一电容器510和/或第二电容器512的(一个或多个)尺寸能够减小。
另外，第一电容器510的电容(并且在一些实施例中第二电容器512的电容)可以取决于可由(一个或多个)电容器510、512(例如，通过未知电容器430)在给定过采样周期期间接收到的干扰量级。例如，随着实际和/或潜在的干扰量级增加，(一个或多个)电容器510、512的(一个或多个)电容可增加，以便避免使(一个或多个)电容器510、512饱和。一个特定示例中，如果输入感应在接近200kHz处执行且执行20：1过采样，那么第一电容器510和/或第二电容器512中每一个都具有接近1到5皮法(pF)的电容，诸如接近1到2pF。通过比较，如果输入感应在接近200kHz处执行且不执行过采样，那么图3的电容器310可具有接近30pF的电容。
开关520可以是能够将第二电容器512在反馈路径548和测量电路440之间进行切换的任何类型的开关。一些实施例中，如图5所示，开关520包括双刀双掷(DPDT)开关。其它实施例中，开关520可包括两个或多个独立开关，其将第二电容器512的一侧或两侧在反馈路径548、测量电路440和/或其它包括在感应电路500中的组件之间切换。
在不同的实施例中，额外的电容器可以在反馈路径548和测量电路440之间切换。例如，替代仅包括第二电容器512，两个或多个更小的电容器(例如，第二电容器512和第三电容器)可以与第一电容器510并行耦接。然后，可独立地或同时地在反馈路径548和测量电路440之间切换该两个或多个更小的电容器。在感应电路500中包括两个或多个更小的电容器可以使得耦接到反馈路径548的电容器数量作为从未知电容器430中接收和/或向未知电容器430发送的电荷量的函数而变化。例如，在连续过采样时段期间，随着需要从未知电容器430接收或者向未知电容器430发送的电荷量减少，在反馈路径548和测量电路440之间活跃地切换的电容器数量可被减少。
如上所述，未知电容器430可包括一个或多个传感器电极。结果，尽管图5示意了施加于运算放大器540和开关520的参考电压(Vref)，但其它实施例中，电压源550调制同相输入542的电压，使运算放大器540将输入感应信号驱动到未知电容器430上。例如，在绝对电容感应配置中，一个或多个传感器电极耦接到运算放大器540的反相输入544，并且电压源550配置为将输入感应信号(例如，方波，正弦电压，恒定电压等)驱动到运算放大器540的同相输入542上。作为响应，运算放大器540向第一电容器510输出输入感应信号，使第一电容器510将已知数量的电荷驱动到(一个或多个)传感器电极上和/或将已知数量的电荷从(一个或多个)传感器电极上移除。进一步地，如上所述，可以进而通过转换开关520检测(一个或多个)传感器电极存储的电荷量的变化，从而使第二电容器512在(一个或多个)传感器电极和测量电路440之间传输电荷。因此，通过在(一个或多个)传感器电极和测量电路440之间切换第二电容器512，可以确定(一个或多个)传感器电极的电容变化(例如，由于输入对象140的存在或缺席引起的)。
因此，如上所讨论，使第二电容器512能在未知电容器430和测量电路440之间切换——同时保持第一电容器510与反馈路径548耦接——使感应电路500的尺寸能够减小同时仍然使感应电路500能够准确确定被传输到未知电容器430和/或从未知电容器430接收的电荷量。下文描述额外的用于确定从未知电容器430接收和/或传送到未知电容器430的电荷量的技术。
图6为根据本发明的实施例的图5的感应电路500的局部示意图，其中测量电路440包括西格玛-德尔塔电路。如图所示，西格玛-德尔塔电路可包括积分器610、比较器620和电荷反馈电路630。
在感应电路500运行期间，第二电容器512被切换到运算放大器540的反馈路径548(例如，第一状态)，使第二电容器512从第一电容器510和未知电容器430接收电荷。进而将开关520转换到第二状态，从而将第二电容器512耦接到西格玛-德尔塔电路。包括在积分器610中的运算放大器612和电容器614进而从第二电容器512接收电荷，使运算放大器612向比较器620输出积分器电压(Vint)。
接下来，比较器620将Vint与Vref比较。如果Vint大于Vref，那么比较器620向逻辑模块640输出负值。另一方面，如果Vint小于Vref，那么比较器620向逻辑模块640输出正值。进而，基于从比较器620接收的值，逻辑模块640将Vint向Vref驱动。一些实施例中，逻辑模块640通过(1)当从比较器620接收到负值时，使电荷反馈电路630向运算放大器612的反相输入输出正电压，并且(2)当从比较器620接收到正值时，使电荷反馈电路630向运算放大器612的反相输入输出负电压，来将Vint向Vref驱动。逻辑模块640进而追踪从比较器620接收到的负值和/或正值的次数，以便量化已经通过第二电容器512接收的电荷量。
尽管在上文的技术中，在相同的或者其它实施例中，从未知电容器430(例如，通过第二电容器512)接收电荷，但可以设想被包括在感应电路400和/或感应电路500中的西格玛-德尔塔电路可用于追踪(例如，通过第二电容器512)发送到未知电容器430的电荷量。因此，被包括在感应电路400和/或感应电路500中的西格玛-德尔塔电路可用于从(一个或多个)传感器电器接收合成信号和/或将输入感应信号(例如，以跨越电容和/或绝对电容感应模式)驱动到(一个或多个)传感器电极上。例如，西格玛-德尔塔电路可用于通过将Vref保持在基本上恒定的电压而从(一个或多个)传感器电极接收合成信号。另外，西格玛-德尔塔电路可用于通过调制Vref(例如，方波，正弦电压等)向(一个或多个)传感器电极传送输入感应信号。另外，不同实施例中，耦接到感应电路400、500的(一个或多个)传感器电极的作用可在不同输入感应时间段期间(例如，在每个输入感应周期后、多个输入感应周期后、或者基于一些其它的输入感应模式)在不同的(一种或多种)发送模式和/或(一种或多种)接收模式之间切换。
附图7是根据本发明的实施例的用于使用图5和6的感应电路500、600执行输入感应的方法700的流程图。尽管结合图1-6来描述方法700，但本领域技术人员应当理解任何被配置以按照任何适当的顺序执行该方法的任何系统均落入本发明的范围内。
方法700开始于步骤710，其中电压源550将输入电压驱动到运算放大器540的同相输入542上。如上所描述的，第一电容器510耦接在运算放大器540的输出546和运算放大器540的反相输入544之间，从而形成反馈路径548。接下来，在步骤720，第二电容器512在第一状态和第二状态之间切换，其中第一状态将第二电容器512耦接到第一电容器510和/或反馈路径548，并且第二状态将第二电容器512耦接到测量电路440。
在步骤730，基于由测量电路440通过第二电容器512接收的电荷量，确定模块250确定与耦接到运算放大器540的反相输入544的未知电容器430相关联的电容测量。
如上文所描述的，一些实施例中，电压源550可将恒定电压驱动到运算放大器540的同相输入542上并且/或者电压源550可将输入感应信号驱动到运算放大器540的同相输入542上。另外，在不同输入感应时间段期间，感应电路500、600的运行模式可在不同的发送模式(一种或多种)和/或接收模式(一种或多种)之间切换。
因此，为了最好地解释本发明和其具体应用并且为了从而使本领域的技术人员能够制作和使用本发明，提出了在此所陈述的实施例和示例。然而，本领域的技术人员将认识到前述的描述和示例仅仅出于示意和示例的目的被提出。如前所论述的描述并无非意在穷举或者将本发明限制为所公开的精确形式。

Claims (24)

1.一种处理系统，包括：
运算放大器，其具有同相输入、反相输入、以及输出；
第一电容器，其耦接在所述输出和所述反相输入之间从而形成反馈路径；
第二电容器；
耦接到所述第二电容器的第一开关，所述第一开关具有第一状态和第二状态，其中所述第一状态将所述第二电容器耦接到所述第一电容器，并且所述第二状态将所述第二电容器耦接到测量电路；以及
确定模块，其耦接到测量电路并配置为基于通过所述第二电容器接收的电荷量确定在所述反相输入处的电容测量。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其中，当所述第一开关处于第一状态时，所述第一电容器与所述第二电容器相对于所述输出和所述反相输入并行连接。
3.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述第一开关包括双刀双掷(DPDT)开关，其中DPDT开关的第一极耦接到所述第二电容器的第一侧，并且DPDT开关的第二极耦接到所述第二电容器的第二侧。
4.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述测量电路包括至少一个积分器和至少一个比较器。
5.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述测量电路包括西格玛-德尔塔调制电路。
6.根据权利要求1所述的处理系统，还包括可操作以将电压驱动到所述同相输入上从而使所述运算放大器将输入感应信号驱动到传感器电极上的电压源。
7.根据权利要求6所述的处理系统，其中所述电容测量包括所述传感器电极和输入对象之间的电容。
8.根据权利要求6所述的处理系统，其中所述电容测量包括所述传感器电极和接收器电极之间的电容。
9.根据权利要求1所述的处理系统，还包括可操作以在互电容感应时间段期间将基本上恒定的输入电压驱动到所述同相输入的电压源。
10.根据权利要求1所述的处理系统，还包括：
第三电容器；
耦接到所述第三电容器的第二开关，所述第二开关具有第三状态和第四状态，其中所述第三状态将所述第三电容器耦接到所述第一电容器，并且所述第二状态将所述第三电容器从所述第一电容器解耦合。
11.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述第二开关配置为基于通过所述第一电容器接收的电荷量在所述第三状态和所述第四状态之间切换。
12.一种用于电容感应的输入设备，包括：
多个传感器电极；以及
耦接到所述多个传感器电极的处理系统，所述处理系统包括：
运算放大器，其具有同相输入、反相输入、以及输出，其中包括在所述多个传感器电极中的传感器电极耦接到所述反相输入；
耦接到所述同相输入的电压源；
耦接在所述输出和所述反相输入之间从而形成反馈路径的第一电容器；
第二电容器；
耦接到所述第二电容器的第一开关，所述第一开关具有第一状态和第二状态，其中所述第一状态将所述第二电容器耦接到所述第一电容器，并且所述第二状态将所述第二电容器耦接到测量电路；以及
确定模块，其耦接到所述测量电路并且配置为基于通过所述第二电容器接收的电荷量确定所述传感器电极的电容测量。
13.根据权利要求12所述的输入设备，其中，当所述第一开关处于所述第一状态时，所述第一电容器与所述第二电容器相对于所述输出和所述反相输入并行连接。
14.根据权利要求12所述的输入设备，其中所述第一开关包括双刀双掷(DPDT)开关，其中所述DPDT开关的第一极耦接到所述第二电容器的第一侧，并且所述DPDT开关的第二极耦接到所述第二电容器的第二侧。
15.根据权利要求12所述的输入设备，其中所述测量电路包括至少一个积分器和至少一个比较器。
16.根据权利要求12所述的输入设备，其中所述测量电路包括西格玛-德尔塔调制电路。
17.根据权利要求12所述的输入设备，还包括：
第三电容器；
耦接到第三电容器的第二开关，其中第二开关具有第三状态和第四状态，其中第三状态将第三电容器耦接到第一电容器，并且第二状态将第三电容器从第一电容器解耦合。
18.根据权利要求17所述的输入设备，其中所述第二开关配置为基于通过所述第一电容器接收的电荷量在所述第三状态和所述第四状态之间切换。
19.一种用传感器电极进行输入感应的方法，所述方法包括：
将输入电压驱动到运算放大器的同相输入，其中第一电容器耦接在运算放大器的输出和运算放大器的反相输入之间，从而形成反馈路径；
在第一状态和第二状态之间切换第二电容器，其中所述第一状态将所述第二电容器耦接到所述第一电容器，并且第二状态将所述第二电容器耦接到测量电路；并且
基于通过所述第二电容器接收的电荷量确定与耦接到所述反相输入的传感器电极相关联的电容测量。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将电压驱动到所述反相输入上从而使运算放大器将输入感应信号驱动到所述传感器电极上。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述电容测量包括所述传感器电极和输入对象之间的电容。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述电容测量包括所述传感器电极和接收器电极之间的电容。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括在互电容感应时间段期间将基本上恒定的输入电压驱动到所述同相输入上。
24.根据权利要求19所述的方法，还包括基于通过所述第一电容器接收的电荷量在第三状态和第四状态之间切换第三电容器，其中所述第三状态将所述第三电容器耦接到所述第一电容器，并且所述第二状态将所述第三电容器从所述第一电容器解耦合。
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