CN106155443B - 多步递增切换方案 - Google Patents

多步递增切换方案 Download PDF

Info

Publication number
CN106155443B
CN106155443B CN201610319955.2A CN201610319955A CN106155443B CN 106155443 B CN106155443 B CN 106155443B CN 201610319955 A CN201610319955 A CN 201610319955A CN 106155443 B CN106155443 B CN 106155443B
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
capacitance
differential amplifier
feedback
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610319955.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106155443A (zh
Inventor
Z.李
S.甘塔
T-S.钟
R.贝坦库尔特
J.M.维纳思
F.沙罗希
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Synaptics Inc
Original Assignee
Synaptics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Synaptics Inc filed Critical Synaptics Inc
Publication of CN106155443A publication Critical patent/CN106155443A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106155443B publication Critical patent/CN106155443B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/04166—Details of scanning methods, e.g. sampling time, grouping of sub areas or time sharing with display driving
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0445—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using two or more layers of sensing electrodes, e.g. using two layers of electrodes separated by a dielectric layer
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/962—Capacitive touch switches
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04108—Touchless 2D- digitiser, i.e. digitiser detecting the X/Y position of the input means, finger or stylus, also when it does not touch, but is proximate to the digitiser's interaction surface without distance measurement in the Z direction
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960735—Capacitive touch switches characterised by circuit details
    • H03K2217/96074—Switched capacitor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明涉及多步反馈电容器切换方案。电容测量电路在重置阶段和积分阶段期间减少电荷泄漏和电源纹波的同时消除背景电容。电容测量电路将第一开关操作到引起第一开关中的第一电阻的线性模式中，并在某一延迟之后将第二开关操作到引起与第一电阻并联的第二电阻的饱和模式中。

Description

多步递增切换方案
技术领域
实施例总体上涉及输入感测，并且特别是涉及电容感测。
背景技术
包括接近传感器设备（通常也称为触摸板或触摸传感器设备）的输入设备被广泛地用在多种电子系统中。接近传感器设备典型地包括常常通过表面来区分的感测区，在其中接近传感器设备确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动。接近传感器设备可以用于为电子系统提供界面。例如，接近传感器设备常常被用作用于较大计算系统的输入设备（诸如集成在笔记本或台式计算机中或者在其外围的不透明触摸板）。接近传感器设备也常常被用在较小计算系统中（诸如集成在蜂窝电话中的触摸屏）。
发明内容
本公开的实施例提供了一种用于电容性感测设备的处理系统。所述处理系统包括：电容测量电路，其被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自所述传感器电极的电容。所述电容测量电路包括：差分放大器，其具有耦合到所述传感器电极的第一输入、第二输入、和输出；以及反馈电容器，其耦合在所述差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间。所述电容测量电路进一步包括串联耦合在所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的第一开关和第二开关。所述电容测量电路包括：控制模块，其被配置成接通所述第一开关并施加与所述反馈电容器串联的第一电阻值。所述控制模块进一步被配置成在某一时间延迟之后接通所述第二开关并放置与所述第一电阻并联的第二电阻，这降低了与所述反馈电容器串联的总电阻。
本公开的另一实施例提供了一种用于电容性感测设备的处理系统。所述处理系统包括：电容测量电路，其被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自所述传感器电极的电容。所述电容测量电路包括：差分放大器，其具有耦合到所述传感器电极的第一输入、第二输入、和输出。所述电容测量电路包括：第一反馈电容，其耦合在所述差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间；以及第二反馈电容，其与所述第一反馈电容并联耦合。所述第二反馈电容包括与多个关联开关串联的多个电容器。所述电容测量电路进一步包括：控制模块，其被配置成在积分阶段期间控制该多个开关中的每一个开关以在相继的延迟之后将关联电容器耦合到所述差分放大器的输出。
在本公开的另一实施例中，提供了一种电容测量的方法。所述方法包括：将电容测量电路的反馈电容器重置到第一电压电平；以及打开所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的多个开关。所述反馈电容器耦合在差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间。所述方法进一步包括：将传感器电极和所述差分放大器的第一输入耦合以发起测量阶段；以及闭合所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的所述多个开关中的第一开关。所述方法包括：在从闭合所述第一开关起的某一延迟之后闭合所述多个开关中的剩余开关；以及操作所述差分放大器以对所述传感器电极上的电荷进行积分，使得对应于所述传感器电极与输入对象之间的耦合的绝对电容被测量。
附图说明
为了实施例的以上记载的特征能够被详细地理解所用的方式，可以通过参考实施例来得到以上简要地概述的实施例的更详细的描述，所述实施例中的一些实施例在附图中图示。然而，要注意的是，由于可以容许其它有效的实施例，所以附图仅图示典型实施例，并且因此将不被认为限制范围。
图1是根据示例的包括输入设备的系统的框图。
图2是描绘了根据本公开的实施例的电容性传感器设备的框图。
图3A-3B图示了根据本公开的实施例的贯穿绝对电容性感测的周期（包括重置阶段和积分阶段）对电容测量电路的操作。
图4是根据实施例的被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自该传感器电极的电容的电容测量电路的电路图。
图5是图示了根据实施例的用于利用电荷积分器测量电容的方法的流程图。
图6A-6D图示了根据本公开的实施例的贯穿绝对电容性感测的周期（包括重置阶段和积分阶段）对电容测量电路的操作。
图7是描绘了根据本公开的一个实施例的用于生成电荷的电路的框图。
图8是描绘了根据本公开的一个实施例的电流输入波形的曲线图。
图9是描绘了根据本公开的一个实施例的使用所描述的切换方案的电荷泵电路的框图。
为了便于理解，已经在可能的情况下使用了相同的附图标记来标明为附图所共有的相同的元件。要预期到的是，一个实施例的元件可以被有益地合并在其它实施例中。
具体实施方式
以下的具体实施方式在本质上仅仅是示例性的并且不意图限制实施例或这样的实施例的应用和用途。此外，不意图被前面的技术领域、背景技术、发明内容或以下的具体实施方式中呈现的任何明示的或暗示的理论所约束。
现在转至附图，图1是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可以被配置成向电子系统（未示出）提供输入。如在本文档中所使用的那样，术语“电子系统”（或“电子设备”）宽泛地指能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的一些非限制性示例包括所有大小和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理（PDA）。附加示例电子系统包括复合输入设备，诸如包括输入设备100和分离的操纵杆或按键开关的物理键盘。另外的示例电子系统包括外围设备，诸如数据输入设备（包括遥控装置和鼠标）、以及数据输出设备（包括显示屏和打印机）。其它示例包括远程终端、信息站和视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等）。其它示例包括通信设备（包括蜂窝电话，诸如智能电话）、以及媒体设备（包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机）。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能够被实现为电子系统的物理部分，或者能够与电子系统在物理上分离。在适当的情况下，输入设备100可以使用以下各项中的任何一项或多项来与电子系统的部分通信：总线、网络和其它有线或无线互连件。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线（USB）、蓝牙、RF和IRDA。
在图1中，将输入设备100示出为被配置成在感测区120中感测由一个或多个输入对象140提供的输入的接近传感器设备（常常也称为“触摸板”或“触摸传感器设备”）。示例输入对象包括手指和触针，如图1中所示。
感测区120涵盖输入设备100上方、周围、其中和/或附近的任何空间，在其中输入设备100能够检测用户输入（例如，由一个或多个输入对象140提供的用户输入）。特定感测区的大小、形状和位置可以因实施例而很大地不同。在一些实施例中，感测区120从输入设备100的表面沿一个或多个方向延伸到空间中，直到信噪比阻碍充分准确的对象检测。在各种实施例中，该感测区120沿特定方向延伸到的距离可以在小于一毫米、数毫米、数厘米或更大的数量级上，并且可以随所使用的感测技术的类型和所期望的精度而显著地变化。因此，一些实施例感测输入，其包括没有与输入设备100的任何表面的接触、与输入设备100的输入表面（例如，触摸表面）的接触、以某个量的施加力或压力耦合的与输入设备100的输入表面的接触和/或其组合。在各种实施例中，输入表面可以由传感器电极位于其中的壳体的表面、由应用在传感器电极或任何壳体之上的面板等提供。在一些实施例中，感测区120在被投影到输入设备100的输入表面上时具有矩形形状。
输入设备100可以利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。输入设备100包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干个非限制性示例，输入设备100可以使用电容性技术、弹性技术、电阻性技术、电感性技术、磁性技术、声学技术、超声技术和/或光学技术。一些实现方式被配置成提供横跨一维、二维、三维或更高维空间的图像。一些实现方式被配置成提供输入沿着特定轴或平面的投影。在输入设备100的一些电阻性实现方式中，柔性且导电第一层通过一个或多个间隔物元件与导电第二层分离。在操作期间，跨越多层创建一个或多个电压梯度。按压柔性第一层可以使其充分弯曲以创建多层之间的电接触，导致反映多层之间的（一个或多个）接触点的电压输出。这些电压输出可以被用于确定位置信息。
在输入设备100的一些电感性实现方式中，一个或多个感测元件拾取由谐振线圈或线圈对感应出的回路电流。电流的幅度、相位和频率的某个组合然后可以被用于确定位置信息。
在输入设备100的一些电容性实现方式中，施加电压或电流以创建电场。附近的输入对象引起电场的改变，并且产生电容性耦合的可检测改变，其可以作为电压、电流等的改变而被检测。
一些电容性实现方式利用电容性感测元件的阵列或其它规则或非规则图案来创建电场。在一些电容性实现方式中，分离感测元件可以欧姆地短接在一起以形成更大的传感器电极。一些电容性实现方式利用电阻片，其可以是均匀电阻性的。
一些电容性实现方式利用基于传感器电极与输入对象之间的电容性耦合的改变的“自电容”（或“绝对电容”）感测方法。在各种实施例中，靠近传感器电极的输入对象更改靠近传感器电极的电场，从而改变所测量的电容性耦合。在一个实现方式中，绝对电容感测方法通过关于参考电压（例如，系统接地）调制传感器电极和通过检测传感器电极与输入对象之间的电容性耦合来进行操作。
一些电容性实现方式利用基于传感器电极之间的电容性耦合的改变的“互电容”（或“跨电容”）感测方法。在各种实施例中，靠近传感器电极的输入对象更改传感器电极之间的电场，从而改变所测量的电容性耦合。在一个实现方式中，跨电容性感测方法通过检测一个或多个发射器传感器电极（也就是“发射器电极”或“发射器”）与一个或多个接收器传感器电极（也就是“接收器电极”或“接收器”）之间的电容性耦合来进行操作。可以相对于参考电压（例如，系统接地）调制发射器传感器电极以发射发射器信号。接收器传感器电极可以相对于参考电压被保持基本上恒定以促进作为结果的信号的接收。作为结果的信号可以包括对应于一个或多个发射器信号和/或对应于一个或多个环境干扰源（例如，其它电磁信号）的（一种或多种）影响。传感器电极可以是专用的发射器或接收器，或者传感器电极可以被配置成既发射又接收。可替换地，接收器电极可以相对于地被调制。
在图1中，处理系统110被示出为输入设备100的部分。处理系统110被配置成操作输入设备100的硬件以检测感测区120中的输入。处理系统110包括一个或多个集成电路（IC）和/或其它电路部件中的部分或全部。例如，用于互电容传感器设备的处理系统可以包括被配置成利用发射器传感器电极发射信号的发射器电路和/或被配置成利用接收器传感器电极接收信号的接收器电路。在一些实施例中，处理系统110还包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码等等。在一些实施例中，将构成处理系统110的部件定位在一起，诸如靠近输入设备100的（一个或多个）感测元件。在其它实施例中，处理系统110的部件与接近于输入设备100的（一个或多个）感测元件的一个或多个部件和在其它位置处的一个或多个部件在物理上分离。例如，输入设备100可以是耦合到台式计算机的外围设备，并且处理系统110可以包括被配置成在台式计算机的中央处理单元上运行的软件以及与该中央处理单元分离的一个或多个IC（可能具有关联的固件）。作为另一示例，输入设备100可以在物理上集成在电话中，并且处理系统110可以包括作为电话的主处理器的部分的电路和固件。在一些实施例中，处理系统110专用于实现输入设备100。在其它实施例中，处理系统110也执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器等。
处理系统110可以被实现为处理处理系统110的不同功能的模块集合。每一个模块可以包括作为处理系统110的一部分的电路、固件、软件或其组合。在各种实施例中，可以使用模块的不同组合。示例模块包括用于操作诸如传感器电极和显示屏之类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之类的数据的数据处理模块、以及用于报告信息的报告模块。另外的示例模块包括被配置成操作（一个或多个）感测元件以检测输入的传感器操作模块、被配置成识别诸如模式改变手势之类的手势的识别模块、以及用于改变操作模式的模式改变模块。
在一些实施例中，处理系统110通过引起一个或多个动作而直接响应于感测区120中的用户输入（或没有用户输入）。示例动作包括改变操作模式以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理系统110向电子系统的某个部分（例如，向与处理系统110分离的电子系统的中央处理系统，如果这样的分离中央处理系统存在的话）提供关于输入（或没有输入）的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统110接收的信息以作用于用户输入，诸如促进完整范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理系统110操作输入设备100的（一个或多个）感测元件以产生指示感测区120中的输入（或没有输入）的电信号。处理系统110可以在产生提供给电子系统的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统110可以对从传感器电极获得的模拟电信号进行数字化。作为另一示例，处理系统110可以执行滤波或其它信号调整。作为又一示例，处理系统110可以减去或以其它方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差。作为又另外的示例，处理系统110可以确定位置信息、识别作为命令的输入、识别笔迹等。
如本文中所使用的“位置信息”宽泛地涵盖绝对位置、相对位置、速度、加速度和其它类型的空间信息。示例性“零维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示例性“一维”位置信息包括沿轴的位置。示例性“二维”位置信息包括平面中的运动。示例性“三维”位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。另外的示例包括空间信息的其它表示。也可以确定和/或存储关于一个或多个类型的位置信息的历史数据，包括例如随时间追踪位置、运动或瞬时速度的历史数据。
在一些实施例中，利用由处理系统110或由某个其它处理系统操作的附加输入部件来实现输入设备100。这些附加输入部件可以提供用于感测区120中的输入的冗余功能性或某个其它功能性。图1示出了能够被用于促进使用输入设备100来选择项目的靠近感测区120的按钮130。其它类型的附加输入部件包括滑块、球、轮、开关等。相反地，在一些实施例中，可以不利用其它输入部件来实现输入设备100。
在一些实施例中，输入设备100包括触摸屏界面，并且感测区120重叠显示屏的激活区域的至少一部分。例如，输入设备100可以包括覆盖显示屏的基本上透明的传感器电极并且为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视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管（LED）、有机LED（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和显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同的电学部件中的一些以用于显示和感测。作为另一示例，显示屏可以由处理系统110部分地或全部地操作。
应当理解的是，尽管在完全发挥作用的装置的上下文中描述了本发明的许多实施例，但是本发明的机制能够以多种形式作为程序产品（例如，软件）被分发。例如，本发明的机制可以被实现和分发为可被电子处理器读取的信息承载介质（例如，可被处理系统110读取的非瞬态计算机可读和/或可记录/可写信息承载介质）上的软件程序。另外，本发明的实施例同样适用，不管被用于执行该分发的介质的特定类型如何。非瞬态、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。电子可读介质可以基于闪速存储技术、光学存储技术、磁性存储技术、全息存储技术、或任何其它存储技术。
图2示出了根据一些实施例的具有示例传感器电极图案的一部分的被配置成在与该图案相关联的感测区120中进行感测的输入设备100的一个实施例。为了图示和描述的清楚性，图2将传感器图案描绘为多个简单矩形，尽管理解阵列可以具有未示出的其它几何形状和/或各种部件。该传感器电极图案包括第一多个传感器电极210（210-1, 210-2, 210-3, …… 210-n）和设置在该第一多个传感器电极210之上的第二多个传感器电极220（220-1, 220-2, 220-3, …… 220-n）。
传感器电极210、220典型地彼此欧姆隔离。另外，在传感器电极210包括多个子电极的情况下，子电极可以彼此欧姆隔离。在一个实施例中，所有传感器电极210能够被设置在基板的单个层上。尽管传感器电极被示出设置在单个基板上，但在一些实施例中，传感器电极能够被设置在多于一个基板上。例如，一些传感器电极能够被设置在第一基板上，而其它传感器电极能够被设置在粘附于第一基板的第二基板上。
通常，处理系统110利用感测信号激励或驱动传感器电极图案的感测元件，并测量包括感测信号以及感测区120中的输入的影响的所感应出的或作为结果的信号。如本文中使用的术语“激励”和“驱动”涵盖控制被驱动的元件的某个电气方面。例如，可能的是，驱动经过电线的电流、将电荷驱动到导体中、将基本上恒定的或变化的电压波形驱动到电极上等等。感测信号能够是恒定的、基本上恒定的或随时间变化的，且通常包括形状、频率、幅度和相位。感测信号能够被称为与诸如接地信号或其它参考信号之类的“被动信号”相反的“主动信号”。感测信号也能够当在跨电容性感测中使用时被称为“发射器信号”或者当在绝对感测中使用时被称为“绝对感测信号”或“经调制的信号”。
在示例中，处理系统110利用电压驱动传感器电极图案的（一个或多个）感测元件，并感测（一个或多个）感测元件上的作为结果的相应电荷。也就是说，感测信号是电压信号，并且作为结果的信号是电荷信号（例如，指示所累积的电荷的信号，诸如经积分的电流信号）。电容与所施加的电压成正比且与所累积的电荷成反比。处理系统110能够根据所感测的电荷确定电容的（一个或多个）测量结果。在另一示例中，处理系统110利用电荷驱动传感器电极图案的（一个或多个）感测元件，并感测（一个或多个）感测元件上的作为结果的相应电压。也就是说，感测信号是引起电荷的累积的信号（例如，电流信号），并且作为结果的信号是电压信号。处理系统110能够根据所感测的电压确定电容的（一个或多个）测量结果。通常，术语“感测信号”意指涵盖用于感测电荷的驱动电压和用于感测电压的驱动电荷这两者、以及能够被用于获得电容标记的任何其它类型的信号。“电容标记”包括能够从其中导出电容的电荷、电流、电压等的测量结果。
处理系统110能够包括传感器模块202和确定模块204。传感器模块202和确定模块204包括执行处理系统110的不同功能的模块。在其它示例中，一个或多个其它模块206的不同配置能够执行本文中所描述的功能。传感器模块202和确定模块204能够包括电路，且还能够包括与该电路协作地操作的固件、软件或其组合。
传感器模块202根据一个或多个方案（“激励方案”）在一个或多个周期（“激励周期”）上选择性地驱动传感器电极图案的一个或多个感测元件上的（一个或多个）感测信号。在每一个激励周期期间，传感器模块202能够选择性地感测来自传感器电极图案的一个或多个感测元件的（一个或多个）作为结果的信号。每一个激励周期具有关联的时间段，在该时间段期间，感测信号被驱动并且作为结果的信号被测量。
在一个类型的激励方案中，传感器模块202能够针对绝对电容性感测选择性地驱动传感器电极图案的感测元件。在绝对电容性感测中，传感器模块202能够测量（一个或多个）传感器电极210、220上的电压、电荷或电流，以获得指示该（一个或多个）传感器电极210、220与输入对象之间的电容的作为结果的信号。在这样的激励方案中，根据该（一个或多个）作为结果的信号确定所选择的（一个或多个）感测元件与（一个或多个）输入对象之间的绝对电容的测量结果。
在另一类型的激励方案中，传感器模块202能够针对跨电容性感测选择性地驱动传感器电极图案的感测元件。在跨电容性感测中，传感器模块202利用（一个或多个）发射器信号驱动所选择的发射器传感器电极，并感测来自所选择的接收器传感器电极的作为结果的信号。在这样的激励方案中，根据作为结果的信号确定发射器电极与接收器电极之间的跨电容的测量结果。在示例中，传感器模块202能够利用（一个或多个）发射器信号驱动所选择的传感器电极210，并从传感器电极220接收作为结果的信号。
在任何激励周期中，传感器模块202能够利用包括参考信号和保护信号的其它信号驱动传感器电极图案的感测元件。也就是说，能够利用参考信号、保护信号或使之浮置（left floating）（即，未利用任何信号加以驱动）来驱动传感器电极图案的未利用感测信号加以驱动或被感测以接收作为结果的信号的那些感测元件。参考信号能够是接地信号（例如，系统接地）或者任何其它恒定或基本上恒定的电压信号。保护信号能够是在发射器信号的形状、幅度、频率或相位中的至少一个方面类似或相同的信号。
“系统接地”可以指示由系统部件共享的公共电压。例如，移动电话的电容性感测系统有时能够被参考到由电话的电源（例如，充电器或电池）提供的系统接地。系统接地可以不是相对于大地（earth）或任何其它参考而言固定的。例如，桌上的移动电话通常具有浮置的系统接地。正在被通过自由空间而强烈耦合到大地接地的人握持的移动电话可以是相对于该人而言接地的，但人–地可以是相对于大地接地而言变化的。在许多系统中，系统接地连接到系统中的最大面积电极或由该最大面积电极提供。电容性传感器设备200能够接近于这样的系统接地电极而被定位（例如，被定位在接地面或底板上方）。
确定模块204基于由传感器模块202获得的作为结果的信号来执行电容测量。电容测量能够包括元件之间的电容性耦合的改变（也称为“电容的改变”）。例如，确定模块204能够在不存在（一个或多个）输入对象的情况下确定元件之间的电容性耦合的基线测量结果。确定模块204然后能够将电容性耦合的基线测量结果与在存在（一个或多个）输入对象时的电容性耦合的测量结果进行组合，以确定电容性耦合的改变。
在示例中，确定模块204能够执行与作为“电容性像素”的感测区120的特定部分相关联的多个电容测量，以创建“电容性图像”或“电容性帧”。电容性图像的电容性像素表示感测区120内的其中能够使用传感器电极图案的感测元件来测量电容性耦合的位置。例如，电容性像素能够对应于受（一个或多个）输入对象影响的传感器电极210-1与另一传感器电极220-1之间的跨电容性耦合。在另一示例中，电容性像素能够对应于传感器电极210或220的绝对电容。确定模块204能够使用由传感器模块202获得的作为结果的信号来确定电容性耦合改变的阵列，以产生形成电容性图像的电容性像素的x乘y阵列。电容性图像是能够使用跨电容性感测（例如，跨电容性图像）来获得的或者使用绝对电容性感测（例如，绝对电容性图像）来获得的。以该方式，处理系统110能够捕获作为与感测区120中的（一个或多个）输入对象相关地测量的响应的快照的电容性图像。给定的电容性图像能够包括感测区中的所有电容性像素或者仅电容性像素的子集。
在另一示例中，确定模块204能够执行与感测区120的特定轴相关联的多个电容测量，以创建沿该轴的“电容性轮廓（capacitive profile）”。例如，确定模块204能够确定沿由传感器电极210-N和/或传感器电极220-N限定的轴的绝对电容性耦合改变的阵列，以产生（一个或多个）电容性轮廓。电容性耦合改变的阵列能够包括少于或等于沿给定轴的传感器电极的数目的多个点。
由处理系统110对电容的（一个或多个）测量（诸如（一个或多个）电容性图像或（一个或多个）电容性轮廓）实现了对关于由传感器电极图案形成的感测区的接触、悬浮或其它用户输入的感测。确定模块204能够利用电容的测量以确定关于相对于由传感器电极图案形成的感测区的用户输入的位置信息。确定模块204能够另外或可替换地使用（一个或多个）这样的测量以确定输入对象大小和/或输入对象类型。
在一个或多个实施例中，处理系统110可以被配置成操作电容性传感器设备以执行有时被称为“悬浮”感测（与通过实际触摸而进行的感测形成对照）的一个类型的接近感测。然而，为了实现悬浮感测中的可接受性能，处理系统110被配置成能够获得小的递增的背景电容测量结果。为了放大由处理系统110处理的信号，处理系统在执行模数转换之前对信号加大增益（gain up）。然而，转换前的信号可能具有取决于输入对象（例如，手指）的接近度和背景电容的量的大范围。照这样，处理系统110被配置成执行背景电容消除以防止处理系统110内的内部级的饱和。
一种有效方法是使用积分器的反馈中的反馈电容以实行背景电容消除。如稍后更详细地描述的那样，传感器模块202在重置阶段期间将反馈电容器充电到参考电压，并且这样的电荷有效地消除了背景电容。然而，该技术将大电荷泄漏引入到积分器中，这是由于积分器的输入节点在供电轨上面和下面变动。而且，电容的突然放电可能引起“电源纹波”和电源抑制（PSR）问题，特别是在单端系统中。因此，本公开的实施例提供了用于解决上述问题的各种系统和切换方案。
另一种用于消除背景电容的方法是在背景电容上添加相反极性电荷。如稍后进一步描述，传感器模块202包括电容器，该电容器的一端耦合到CB（即，通往地的电容）且另一端被具有相反极性的电压信号激励。为了减小这样的所描述的电容器的物理大小，传感器模块202能够将电荷输出到电流输送器中，该电流输送器后跟有电流放大器，该电流放大器的输出连接到CB。然而，所描述的方法所使用的电容器的物理大小可能使电流放大器的带宽和性能受到严重限制。因此，本公开的实施例提供了要针对背景电容而使用的多步电荷成形技术，这进一步减少了对电流放大器施加的规范。
图3A-3B图示了根据实施例的贯穿绝对电容性感测的周期（包括重置阶段（图3A）和积分阶段（图3B））对电容测量电路300的操作。电容测量电路300可以作为输入设备100和/或处理系统110的部分而被包括。例如，处理系统110可以供给针对电路300的输入电压以及对电路300中的开关进行操作和/或从可选择电容器的组中选择电容器的控制信号。在一个实施例中，电容测量电路300包括具有反相输入和非反相输入以及输出（VOUT）的差分放大器302。第一开关320耦合在差分放大器302的非反相输入与电路300耦合到的传感器电极（诸如上面关于图2描述的传感器电极210、220）之间。
差分放大器302被配置为电荷积分器，并包括设置在输出与反相输入之间的反馈电容（CFB）。反馈电容由在一侧（例如，节点312）上耦合到差分放大器302的输出且在另一侧（例如，节点310）上耦合到差分放大器302的反相输入的一个或多个电容器表示。在所描绘的实施例中，反馈电容CFB被分割成多个反馈电容器，例如第一反馈电容器304（CFB0）和第二反馈电容器306（CFB1），使得一个电容器304能够被重置而另一电容器306在感测周期的预充电/重置阶段期间被预充电到参考电压VRX或地。反馈电容器的该预充电进行工作以如上所述那样消除背景电容。反馈电容器306是被预充电到参考电压还是地的选择是通过在感测周期的预充电/重置阶段期间对开关314的定位来完成的。
与反馈电容器304、306并联地设置开关308。开关308操作为重置机构以对反馈电容器304、306进行放电和重置。在图3A和3B中，电容CB表示传感器电极与地之间的背景电容，其可以包括由输入对象104贡献的电容。
在操作中，电容测量电路300执行绝对感测方法，其具有：将差分放大器302设置为电荷积分器以及将参考电压施加到差分放大器302的非反相输入。在一个实施例中，通过参考电压以上和以下的基本上相等的量（即，∆VREF）来对参考电压进行调制，在一些实施例中，该参考电压大约处于供给电压VRX的一半。照这样，对非反相输入施加的电压被描绘为第一电压（VRX/2 + ∆VREF）。
在图3A中所描绘的（前一半）感测周期的重置阶段期间，打开开关320以将电路300从传感器电极去耦合，通过闭合开关308来对第一反馈电容器304进行放电，并且通过将开关314操作成耦合到地来将第二反馈电容器306预充电到某一电压电平。在图3B中所描绘的感测周期的积分阶段期间，通过将开关314与差分放大器302的输出VOUT耦合并打开开关308来并联地放置反馈电容器304、306。通过闭合第一开关320来将差分放大器302的反相输入耦合到背景电容CB。
在传统电容测量电路中，在重置阶段中，反馈电容器的一侧上（例如，节点312处）的电压电平是0 V。在积分阶段中，反馈电容器的该侧耦合到参考电压（VRX/2 + ∆VREF）。图3B中的一个插页包括描绘在节点312处从0V到VRX/2 + ∆VREF的突然步进的线图350，该突然步进使第一节点310“超出轨道”。图3B中的另一插页包括描绘反馈电容器306的另一侧（例如，节点310）处的电压电平的线图340，该电压电平超出供给电压电平144。该超出电压引起经由反向偏置二极管和电容测量电路300中的反馈开关308的电荷泄漏，直到差分放大器302做出反应并将第一节点310带回到电压电平VRX/2 + ∆VREF为止。这样的RC特性可能引起参考电压（即，放大器的固定最终输出电压）中的显著差错，从而产生错误的ADC结果，并且，这样的RC特性是输入电容器CB的非线性函数。
因此，本公开的一个或多个实施例被配置成减小当从重置阶段转变到积分阶段时在电容测量电路300的差分放大器302的反相输入处出现的电压尖峰。在一个实施例中，电容测量电路300包括“斜坡”机构，其延迟电压峰化以给差分放大器302提供将输入节点校正回到VREF的机会。
在一个实施例中，电容测量电路300包括电阻器316，该电阻器316耦合在反馈电容器306的一侧与差分放大器302的输出VOUT之间。电阻器316被配置成：当在时间段TREACT期间从重置阶段移动到积分阶段时，创建在节点310处从0 V到参考电压的斜坡，该时间段TREACT表示足以允许差分放大器302将输入节点310校正回到参考电压的持续时间。
图4是根据实施例的被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自该传感器电极的电容的电容测量电路400的电路图。在一些情况下，如图4中所描绘的固定电阻器的使用可以总体上更改差分放大器和电容测量电路的稳态响应，这是由于电阻器将始终与反馈电容器串联。电容测量电路400被配置成解决这样的问题。类似于电容测量电路300，电路400可以作为输入设备100和/或处理系统110的部分而被包括。例如，处理系统110可以供给针对电路400的输入电压以及对电路300中的开关进行操作和/或从可选择电容器的组中选择电容器的控制信号。
在一个实施例中，电容测量电路400包括差分放大器402，该差分放大器402具有经由开关连接到传感器电极的反相输入、非反相输入、和输出（VOUT）。第一开关420耦合在差分放大器402的反相输入与电路400耦合到的传感器电极（诸如，上面关于图2描述的传感器电极210、220）之间。
差分放大器402被配置为电荷积分器，并包括耦合在差分放大器的输出和反相输入之间的反馈电容（CFB）。反馈电容CFB由在一侧（例如，节点412）上耦合到差分放大器402的输出且在另一侧（例如，节点410）上耦合到差分放大器402的反相输入的一个或多个电容器表示，该一个或多个电容器包括第一反馈电容器404（CFB0）和第二反馈电容器406（CFB1）。如前所述，在感测周期的预充电/重置阶段期间一个电容器404能够被重置而另一电容器406被预充电到供给电压VRX或地。反馈电容器的该预充电进行工作以消除背景电容。反馈电容器406是被预充电到供给电压还是地的选择是通过在感测周期的预充电/重置阶段期间对开关（为简单起见而被省略）的定位来完成的。与反馈电容器404、406并联地设置开关408，其操作为重置机构以对反馈电容器404、406进行放电和重置。
在一个实施例中，电容测量电路400包括被串联配置在反馈电容器（例如，CFB1）与差分放大器402的输出VOUT之间的第一开关422和第二开关424。在图4中所描绘的实施例中，第一开关422和第二开关424是晶体管，尽管可以利用提供所描述的功能的（一个或多个）其它等效电路元件。也就是说，第一开关422和第二开关424可以包括具有可由开关控制的电阻的一个或多个电路元件。电容测量电路400被配置成从控制模块426或者处理系统110中的其它部件接收一个或多个控制信号。在一个实施例中，控制模块426被配置成接通第一开关422，由此施加与反馈电容器CFB1串联的第一电阻值。控制模块426进一步被配置成在某一时间延迟之后接通第二开关424，从而放置与第一电阻并联的第二电阻。在另一实施例中，控制模块426被配置成将第一开关422操作到引起第一开关422中的第一电阻的线性模式中。控制模块426能够在某一时间延迟之后将第二开关424操作到引起与第一电阻并联的第二电阻的饱和模式中。
图5是图示了根据实施例的用于利用电荷积分器来测量电容的方法500的流程图。尽管方法500被描述为使用除（一个或多个）其它类似系统外的上面描述的处理系统110和电容测量电路400来执行。
方法500在框502处开始，在框502处，处理系统110将电容测量电路400的反馈电容器重置到第一电压电平。在一些实施例中，反馈电容器耦合在差分放大器402的第一输入与差分放大器402的输出之间。在一些实施例中，处理系统110操作第三开关（例如，开关314）以在重置阶段期间将反馈电容器连接到某一电压电平（例如，地、参考电压、供给电压），并对反馈电容器进行预充电以消除至少一些背景电容（CB）。
在框504处，处理系统110打开反馈电容器与差分放大器402的输出之间的多个开关。在一个实施例中，处理系统110打开耦合在反馈电容器406与差分放大器402的输出VOUT之间的开关422、424。在一些实施例中，开关422和开关424包括具有第一、第二和第三端子的晶体管，并且开关422、424的第一端子是并联连接的，并且开关422、424的第二端子是并联连接的。在一些实施例中，处理系统110将控制信号施加到开关422、424的第三端子以打开开关。
在框506处，处理系统110将传感器电极和差分放大器的第一输入耦合以发起测量阶段。在一个实施例中，处理系统110闭合开关420以将传感器电极220和差分放大器402的反相输入耦合，并发起测量阶段（也称为积分阶段）。
在框508处，处理系统110闭合反馈电容器与差分放大器的输出之间的多个开关中的第一开关422。在一个实施例中，处理系统110将控制信号传输到第一开关422以将开关422操作到引起第一电阻达第一持续时间的线性模式中。在一些实施例中，第一电阻可以是相对大的电阻值，并且开关422表征为“弱开关”。
在框510处，处理系统110在从闭合第一开关起的某一延迟之后闭合多个开关中的剩余开关。时间延迟（例如，TREACT）可以被预选择以给差分放大器402提供足够的时间来将差分放大器402的输入节点校正到参考电压电平。在一些实施例中，处理系统110将控制信号传输到第二开关424以将开关424操作到引起与第一电阻并联的第二电阻的饱和模式中。在一些实施例中，处理系统110可以使用分离的控制信号，其中一个控制信号（例如，“fb_conn_en_strong”）相比于另一控制信号（例如，“fb_conn_en”）延迟一个或多个时钟周期。在一个实现方式中，可以使用比特的子集（例如，fb_conn_en<0:5>）来控制弱开关栅极（例如，开关422），而使用作为fb_conn_en控制信号与fb_conn_en<0:5>控制信号之间的“AND（与）”功能的结果的信号来控制强开关（例如，开关424）。
在一个或多个实施例中，第二电阻可以基本上小于第一电阻，从而使与电容器306串联的有效电阻较小。以该方式，可以将第二开关424表征为“强开关”。如上所述，将第一开关422操作到引起第一开关422中的第一电阻的线性模式中可以增大电容测量电路400的稳态响应。稳态响应的该增大仅达临时时间量，这是由于将第二开关424操作到引起与第一电阻并联的第二电阻的饱和模式（有时称为主动模式）中可以减小电容测量电路的稳态响应，从而导致与在没有开关422、424的情况下将存在的稳态响应相比基本上类似的电容测量电路的稳态响应。
在框512处，处理系统110操作差分放大器以对传感器电极上的电荷进行积分，使得对应于传感器电极与输入对象之间的耦合的绝对电容被测量。应当认识到的是，差分放大器402可以在半周期中进行操作，使得在单个周期中存在第一重置阶段、第一积分阶段、然后第二重置阶段和第二积分阶段。
在本公开的另一实施例中，电容测量电路可以是利用现有数字控制信号的开关电容器电路，并且可能不要求附加的分离的控制信号。使用这样的切换方案的电路通过防止积分器的输入节点在供电轨上面和下面变动来减少到积分器中的电荷泄漏，并且还减少供给上的电流尖峰。下面结合图6A-6D进一步详细地描述这样的电路。
图6A-6D图示了根据本公开的实施例的贯穿绝对电容性感测的周期（包括重置阶段（图6A）和积分阶段（图6B-6D））对电容测量电路600的操作。电容测量电路600可以与上面描述的电容测量电路300、400共享公共的电路元件和特征。电容测量电路600可以作为输入设备100和/或处理系统110的部分而被包括。例如，处理系统110可以供给针对电路600的输入电压以及对电路600中的开关进行操作和/或从可选择电容器的组中选择电容器的控制信号。
在一个实施例中，电容测量电路600包括差分放大器602，该差分放大器602具有第一（反相，被描绘为“–”）输入，其被配置成耦合到传感器电极（例如，传感器电极210、220）以用于测量来自该传感器电极的电容。差分放大器602进一步包括第二（非反相，被描绘为“+”）输入和输出（VOUT）。在一些实施例中，第一开关620被设置在差分放大器602的反相输入与传感器电极之间。
电容测量电路600进一步包括：第一反馈电容604（CFB0），其耦合在差分放大器602的第一输入与差分放大器的输出之间；以及第二反馈电容606（CFB1），其与第一反馈电容606并联地耦合。第二反馈电容606可以包括与多个关联开关串联的多个电容器。与反馈电容604、606并联地设置开关608。开关608操作为重置机构以对反馈电容604、606进行放电和重置。在图6A-6D中，电容CB表示传感器电极与地之间的背景电容。
在图6A-6D中所描绘的实施例中，反馈电容CFB被分割成多个反馈电容器，例如第一反馈电容（CFB0）和由分别与关联开关610、612、614并联地布置的三个电容器（Cap0、Cap1、Cap2）组成的第二反馈电容306（CFB1）。电容测量电路600可以进一步包括与该多个开关并联地耦合的多个预充电开关（类似于图3A的开关314）。在这样的实施例中，每个预充电开关可操作成在重置阶段期间将关联电容器连接到某一电压电平（例如，VRX、地）并对关联电容器进行预充电以消除背景电容。例如，在感测周期的预充电/重置阶段期间一个电容器604能够被重置而其它电容器（Cap0、Cap1、Cap2）被预充电到参考电压VRX或地。为了图示的清楚，已经省略了电路600中的预充电开关的描绘。
在一些实施例中，电容测量电路600包括控制模块，其被配置成在重置阶段和积分阶段中操作该多个开关以测量传感器电极上的电容。如稍后更详细地描述的那样，控制模块被配置成在积分阶段期间控制该多个开关中的每一个开关以在相继的延迟之后将关联电容器（例如，Cap0、Cap1、Cap2）耦合到差分放大器的输出（VOUT）。相继的延迟是指：在第一延迟之后改变一个开关的状态，然后在第二延迟之后改变下一开关的状态，依次类推。
图6A图示了（前一半）感测周期的重置阶段。在该重置阶段期间，将电容测量电路600的反馈电容器（例如，CFB0）重置到第一电压电平。如所示，打开开关620以将电路600从传感器电极去耦合，并且通过闭合开关608来对第一反馈电容604进行放电。在一些实施例中，处理系统110打开反馈电容（Cap0、Cap1、Cap2）与差分放大器602的输出之间的多个开关610、612、614，并且通过将预充电开关操作成耦合到地来将该多个电容器Cap0、Cap1、Cap2预充电到某一电压电平。在操作期间，控制该多个开关中的每一个开关以在相继的延迟之后将关联电容器耦合到差分放大器的输出在从重置阶段切换到积分阶段时减少第一反馈电容器中的电荷泄漏。
图6B-6D图示了（前一半）感测周期的积分（测量）阶段。为了发起测量阶段，处理系统110通过闭合开关620来将传感器电极和差分放大器602的第一反相输入耦合。然后，处理系统110闭合反馈电容器与差分放大器的输出VOUT之间的多个开关中的第一开关。如图6B中所描绘的那样，处理系统110闭合与多个电容器中的第一电容器Cap0相关联的第一开关610以将第一电容器Cap0耦合在差分放大器的非反相输入和输出之间。处理系统110可以开始操作差分放大器602以对传感器电极上的电荷进行积分，使得对应于传感器电极与输入对象之间的耦合的绝对电容被测量。
如果当积分阶段被发起时所有CFB1电容器被立即连接在一起，则可能在差分放大器602的输入节点处存在大的尖峰。该场景由在图6B中的插图中发现的虚线线图描绘。如果输入节点处的电压电平超出供给电压电平，则电荷泄漏可能发生。电荷可能继续泄漏，直到电荷被“泄漏”到二极管和开关的接通点以下、或者直到差分放大器602做出反应并使用其反馈以将输入节点设定成等于其正端子。因此，不是所有反馈电容器都在积分阶段的开始时立即连接到输出节点。例如，处理系统110闭合开关610（并使其它开关612、614打开）以将电容器Cap0连接到输出VOUT。在一些实施例中，电容器Cap0、Cap1、Cap2具有小于或基本上等于反馈电容CFB0的总电容。因为单个电容器Cap0具有比CFB0小的电容，所以差分放大器602的输入节点由于背景电容CB和第一反馈电容CFB0的电荷共享而不峰化到供给以上。在一些延迟之后，取决于差分放大器602的转换速率和带宽，差分放大器602将最终将输入节点带回到Vref。该行为由图6B中的插图中发现的实线线图描绘，该实线线图具有比传统场景的虚线线图基本上更低的电压峰值。
在一个实施例中，在从闭合第一开关610起的某一延迟之后，处理系统110闭合多个开关中的剩余开关（例如，开关612、614）。如图6C中所描绘的那样，处理系统110闭合与反馈电容器Cap1相关联的开关612，以（与电容器Cap0和第一反馈电容CFB0并联地）将电容器Cap1连接在差分放大器的反相输入和输出节点之间。该操作可能导致差分放大器的供给边界内的输入节点处的另一峰化，如图6C中的插图中所描绘的那样。再一次，差分放大器将输入节点带回到Vref。图6D描绘了积分阶段中的另一阶段，其中处理系统闭合与反馈电容器Cap2相关联的开关614以将电容器Cap2连接在反相输入与输出节点之间。
在一些实施例中，处理系统110可以基于计数器来确定开关610、612、614的闭合之间的相继的延迟。延迟可以是可编程的且使用计数器来跟踪的。在一个实施例中，计数器可以用于控制将电容器Cap0、Cap1、Cap2耦合到差分放大器的输出的定序（即，哪个开关是第一个、哪个开关是第二个、等等）和阶段（即，在什么时间处）。在一个示例中，可以利用下述切换方案：其在时间t=0处连接Cap0，然后在时间t=5 ns处连接Cap2，然后在t=12 ns处连接Cap1。在这样的切换方案中，处理系统110包括：“计数器0”，其控制被编程以在t=0处向下计数到零的Cap0的开关（即，开关610）；“计数器1”（其控制与Cap1相关联的开关612），其被编程以在t=12 ns处向下计数到零；以及“计数器2”（其控制与Cap2相关联的开关615），其被编程以在t=5 ns处向下计数到零。
尽管本实施例是使用三个电容器Cap0、Cap1、Cap2来描述的，但应当认识到的是，可以针对N个数目的反馈电容器扩展所描述的技术以帮助减少供给处的电流尖峰。
进一步认识到的是，所描述的技术的一个变形包括将电容器划分成子集。在可替换的实施例中，在子集中布置第二反馈电容的多个电容器，并且在积分阶段期间在相同的时间处接通每一个子集。在所描述的方案的另一变形中，处理系统可以选择子集的“总”数。如果子集的总数是M，则应用所描述的技术将产生电荷积分器的输入节点处的M个峰值。
例如，在电容测量电路600中，其中CFB1（包括Cap0和Cap1）具有11 pF的总电容，并且第一和第二电容器Cap0、Cap1分别具有3.8 pF、7.2 pF的电容。在第一场景中，在积分阶段的开始时接入Cap0，以及在可编程的延迟之后接入Cap1。在该第一场景中，电压峰化图将具有比第一电压峰值大的第二峰值，这是由于Cap1是比Cap0大的电容。将该行为与第二场景对比，在第二场景中，在积分的开始时接入Cap1，以及在可编程的延迟之后接入Cap0。在第二场景中，第一电压峰值将大于第二电压峰值。照这样，精确峰值可以取决于多种因素，除差分放大器的CB、CFB0和速度之外还包括相对于彼此的电容值。
多步递增切换技术
如前所述，另一种用于消除背景电容的方法是在背景电容上添加相反极性电荷。图7是描绘了根据本公开的一个实施例的用于生成电荷的电路700的框图。电路700包括电荷生成电路702、电流输送器720和电流放大器730。电荷生成电路702被配置成通过将电容器716（C1）的一个板通过第一电阻器704（R1）和缓冲器710从地到供给电压到地进行驱动来生成电荷。
由电容器716生成的电荷被递送到电流输送器720。电流输送器720的输入可以被偏置到参考电压。电流输送器720包括一个或多个电流镜以将电流分发给多个电流放大器。（一个或多个）电流放大器706被配置成通过放大器增益来放大电流。
在传统方法中，电流输送器720的输入处的电流波形可以是衰减的指数波形，具有由（R1 * C1）设定的时间常量。该波形的峰值电流由（V / R1）设定，其中V是供给电压。照这样，传统驱动方案中的电流波形能够由下面的等式1和2表示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
　　　　（等式1）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
　　　　（等式2）。
然而，传统电荷生成电路的问题如下。电流输送器的输入处的峰值电流能够容易地属于mA量级，并且能够被电流放大器倍增（例如，1至8的增益）。如果多个电流放大器正在相同的时间处在一起工作，则峰值电流的总和变得非常大（数百mA）并引起内部电源和接地线上的大“反弹”。使用传统波形（其具有高幅度和短持续时间）的另一个问题是：由于波形的脉冲性质，波形可能在电流放大器中未被准确地放大。锐利的波形驱动晶体管以置于饱和区之外，并引起电流输送器中的余量问题。结果是：当电流被电荷积分器积分时，输出波形可能失真并引起准确度问题。
因此，本公开的实施例提供了解决这样的问题的多步电荷共享技术。电荷生成电路702包括布置在第一电阻器704与电容器716之间的第二电阻器706（R2）、第三电阻器708（R3）、开关712（SW2）和开关714（SW1）。在图7中所示的实施例中，第二电阻器706（R2）和第三电阻器708（R3）是与第一电阻器704串联地布置的。开关712（SW2）是与第二电阻器706并联地布置的，并且另一开关714（SW1）是与第三电阻器708并联地布置的。
在操作中，在电荷生成的开始时，打开开关712和714，并且，在电流输送器720的输入处的峰值电流能够由下面的等式3表示。在一些实施例中，在等式3中表示的Ipeak2小于来自等式1的Ipeak1。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
　　　　（等式3）。
在一个或多个实施例中，处理系统110可以以输入波形（例如，方波）的半周期（thalf）内的时间间隔来相继地闭合开关712和714，并生成图8中所描绘的波形800。也就是说，在第一步中，处理系统110闭合开关712并使开关714打开。然后，在第二步中，处理系统110闭合开关714。如果从t=0到t=thalf对电流波形800进行积分，则所获得的结果应当与经由等式2获得的那些结果相同。
在一个或多个实施例中，所描述的多步电荷技术有利地减小了供给和接地线中的“反弹”。供给和接地线上的更小的“反弹”将更少的噪声引入到连接到相同供给和接地线的电路。其次，由于更小的峰值幅度（Ipeak2），当电荷被电荷积分器积分时能够改进准确度。
针对电荷泵电路的切换方案
尽管上面在用于全局粗基线校正的多步电荷技术的上下文中描述了切换方案，但应理解的是，能够扩展本公开的实施例以供其它类型的电路（特别是具有导致电流和/或电压电平中的大摆动的操作的电路）中使用。图9描绘了一个这样的示例。
图9是描绘了根据本公开的一个实施例的使用所描述的切换方案的电荷泵电路900的框图。在所描绘的电荷泵电路900中，对回扫（flyback）电容器Cf1和Cf2进行充电和放电以提供对应的输出电压（CP_OUT）。
在先前的方法中，与回扫电容器串联的开关大，以减小它们的电阻且因此减小跨越它们的电压降。然而，当这些大开关被接通或关断以分别对回扫电容器进行充电或放电时，可能在跨越电路900流动的充电电流中存在大的瞬变峰值。这些高电流峰值可能导致影响输入设备内的相邻的敏感电路、集成电路和/或处理系统的高电磁发射。该问题在移动设备中使用的触摸传感器ASIC中可能尤其尖锐，其中不得不满足关于峰值发射功率的严格要求。
在一个或多个实施例中，代替使用传统大开关，电荷泵电路900包括由多个加权更小开关（即，相对于单个大开关而言更小）组成的开关元件。该多个开关被配置成以电荷泵时钟周期内的小延迟来相继地接通。在图9中所描绘的实施例中，电荷泵电路900包括与回扫电容器Cf1串联地连接（即，到Cf1的底部板）的开关元件902，该开关元件902由多个加权开关M12、M13、M15、M16组成。根据图9中图示的实施例，另一开关元件904耦合到另一回扫电容器Cf2，并且由多个更小开关M18、M19、M20、M21组成。
在一些实施例中，开关元件902中的更小开关之间的延迟能够使用RC电路来实现、或者在其它实施例中能够来自计数器。在图9中所描绘的示例中，电荷泵电路900包括RC延迟电路910，该RC延迟电路910耦合到开关M12、M13、M15和M16的栅极以控制开关的相继的延迟的接通和关断。为图示的简单起见，省略了针对开关元件904的类似的RC延迟电路。
因此，呈现了本文中所阐述的实施例和示例以便最佳地解释本发明及其特定应用并且由此使得本领域技术人员能够做出和使用本发明。然而，本领域技术人员将认识到的是，仅仅出于说明和示例的目的，已经呈现了前面的描述和示例。如所阐述的描述不意在是详尽的或者将本发明限制于所公开的确切形式。

Claims (20)

1.一种用于电容性感测设备的处理系统，所述处理系统包括：
电容测量电路，其被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自所述传感器电极的电容，所述电容测量电路包括：
差分放大器，其具有耦合到所述传感器电极的第一输入、第二输入、和输出，
反馈电容器，其耦合在所述差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间，以及
第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联耦合在所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间；以及
控制模块，其被配置成：
接通所述第一开关并施加与所述反馈电容器串联的第一电阻，以及
在某一时间延迟之后接通所述第二开关并放置与所述第一电阻并联的第二电阻，这降低了与所述反馈电容器串联的总电阻。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其中与所述反馈电容器串联的第一电阻大于所述第二电阻。
3.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述第一开关和所述第二开关包括具有源极端子、漏极端子和栅极端子的晶体管，其中所述第一开关和所述第二开关的源极端子是并联连接的，并且所述第一开关和所述第二开关的漏极端子是并联连接的；并且
其中所述控制模块被配置成将不同控制信号施加到所述第一开关和所述第二开关的栅极端子。
4.根据权利要求1所述的处理系统，其中接通所述第一开关并施加与所述反馈电容器串联的第一电阻增大所述电容测量电路的稳态响应，并且
其中接通所述第二开关并放置与所述第一电阻并联的第二电阻减小所述电容测量电路的稳态响应。
5.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述反馈电容器是第一反馈电容器，并且所述电容测量电路进一步包括与所述第一反馈电容器和第三开关并联的第二反馈电容器。
6.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述电容测量电路进一步包括第三开关，所述第三开关可操作成在重置阶段期间将所述反馈电容器连接到某一电压电平并对所述反馈电容器进行预充电以消除背景电容。
7.根据权利要求1所述的处理系统，其中接通所述第一开关并施加与所述反馈电容器串联的第一电阻在从重置阶段切换到积分阶段时减少所述反馈电容器中的电荷泄漏。
8.一种用于电容性感测设备的处理系统，所述处理系统包括：
电容测量电路，其被配置成耦合到传感器电极以用于测量来自所述传感器电极的电容，所述电容测量电路包括：
差分放大器，其具有耦合到所述传感器电极的第一输入、第二输入、和输出，
第一反馈电容，其耦合在所述差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间，
第二反馈电容，其与所述第一反馈电容并联地耦合，所述第二反馈电容包括与多个关联开关串联的多个电容器；以及
控制模块，其被配置成在积分阶段期间控制所述多个开关中的每一个开关以在相继的延迟之后将关联电容器耦合到所述差分放大器的输出，并且其中所述控制模块被配置成
接通所述多个开关中的第一开关并施加与和所述多个开关相关联的电容器中的第一电容器串联的第一电阻，以及
在某一时间延迟之后接通所述多个开关中的第二开关并放置与所述第一电阻并联的第二电阻。
9.根据权利要求8所述的处理系统，其中包括所述第二反馈电容的所述多个电容器是并联地布置的。
10.根据权利要求8所述的处理系统，其中所述控制模块被配置成基于计数器来确定所述相继的延迟。
11.根据权利要求8所述的处理系统，其中被配置成在积分阶段期间控制所述多个开关中的每一个开关的所述控制模块进一步被配置成：
闭合与所述多个电容器中的第一电容器相关联的第一开关，以将所述第一电容器耦合在所述差分放大器的第一输入和输出之间，以及
闭合与所述多个电容器中的第二电容器相关联的第三开关，以将所述第二电容器耦合在所述差分放大器的第一输入和输出之间且与所述第一电容器和所述第一反馈电容并联地耦合。
12.根据权利要求8所述的处理系统，其中所述第二反馈电容的所述多个电容器是在子集中布置的，其中在积分阶段期间在相同的时间处接通每一个子集。
13.根据权利要求8所述的处理系统，其中所述第二反馈电容进一步包括与所述多个开关并联地耦合的多个预充电开关，其中每一个预充电开关可操作成在重置阶段期间将关联电容器连接到某一电压电平并对关联电容器进行预充电以消除背景电容。
14.根据权利要求8所述的处理系统，其中控制所述多个开关中的每一个开关以在相继的延迟之后将关联电容器耦合到所述差分放大器的输出在从重置阶段切换到积分阶段时减少所述第一反馈电容中的电荷泄漏。
15.一种电容测量的方法，所述方法包括：
将电容测量电路的反馈电容器重置到第一电压电平，其中所述反馈电容器耦合在差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间；
打开所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的多个开关；
将传感器电极和所述差分放大器的第一输入耦合以发起测量阶段；
闭合所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的所述多个开关中的第一开关，闭合所述第一开关以施加与所述反馈电容器串联的第一电阻；
在某一时间延迟之后接通所述多个开关中的第二开关并放置与所述第一电阻并联的第二电阻；
在从闭合所述第一开关起的某一延迟之后闭合所述多个开关中的剩余开关；以及
操作所述差分放大器以对所述传感器电极上的电荷进行积分，使得对应于所述传感器电极与输入对象之间的耦合的绝对电容被测量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述电容测量电路的反馈电容器重置到第一电压电平进一步包括：
操作预充电开关，以将所述反馈电容器耦合到第二电压电平并对所述反馈电容器进行预充电以用于背景电容消除。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的所述多个开关中的第一开关和第二开关包括：
具有第一端子、第二端子和第三端子的第一晶体管和第二晶体管，其中所述第一开关和所述第二开关的第一端子是并联连接的，并且所述第一开关和所述第二开关的第二端子是并联连接的，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管被配置成在所述第一晶体管和所述第二晶体管的第三端子上接收控制信号。
18.根据权利要求15所述的方法，其中闭合所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的所述多个开关中的第一开关进一步包括：
将所述第一开关操作到引起所述第一开关中的第一电阻的线性模式中，以及
其中在从闭合所述第一开关起的某一延迟之后闭合所述多个开关中的剩余开关进一步包括：
将第二开关操作到引起与所述第一电阻并联的第二电阻的饱和模式中，其中所述第一电阻大于所述第二电阻。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述反馈电容器包括多个反馈电容器，其中所述多个反馈电容器中的每一个是与所述多个开关中的关联开关串联地布置的。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述反馈电容器与所述差分放大器的输出之间的所述多个开关中的每一个开关被配置成将关联反馈电容器耦合在所述差分放大器的第一输入与所述差分放大器的输出之间。
CN201610319955.2A 2015-05-15 2016-05-16 多步递增切换方案 Active CN106155443B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562162418P 2015-05-15 2015-05-15
US62/162418 2015-05-15
US14/870243 2015-09-30
US14/870,243 US9740351B2 (en) 2015-05-15 2015-09-30 Multi-step incremental switching scheme

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106155443A CN106155443A (zh) 2016-11-23
CN106155443B true CN106155443B (zh) 2020-05-05

Family

ID=57277048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610319955.2A Active CN106155443B (zh) 2015-05-15 2016-05-16 多步递增切换方案

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9740351B2 (zh)
JP (2) JP6524016B2 (zh)
KR (2) KR101946688B1 (zh)
CN (1) CN106155443B (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017173976A (ja) * 2016-03-22 2017-09-28 株式会社ジャパンディスプレイ センサ及びセンサ付き表示装置
IT201700034042A1 (it) * 2017-03-28 2018-09-28 St Microelectronics Srl Circuito current conveyor differenziale, dispositivo, apparecchiatura e procedimento corrispondenti
KR101879285B1 (ko) * 2017-08-01 2018-07-17 송청담 고감도 정전 센서 회로
KR102533653B1 (ko) * 2017-12-14 2023-05-16 엘지디스플레이 주식회사 적분기, 터치 표시 장치 및 이의 구동 방법
KR102479079B1 (ko) 2017-12-29 2022-12-19 엘지디스플레이 주식회사 터치표시장치, 터치구동회로 및 터치구동방법
US11054942B2 (en) 2018-04-05 2021-07-06 Synaptics Incorporated Noise suppression circuit
CN110727356B (zh) * 2018-06-28 2021-08-20 京东方科技集团股份有限公司 主动笔、触控输入系统及驱动方法
US11119606B2 (en) * 2019-08-20 2021-09-14 Synaptics Incorporated Background capacitance compensation
US11914820B2 (en) 2020-04-14 2024-02-27 Synaptics Incorporated Distributed analog display noise suppression circuit
US11106317B1 (en) * 2020-04-14 2021-08-31 Synaptics Incorporated Common mode noise suppression with restoration of common mode signal
US11604539B2 (en) 2020-04-22 2023-03-14 Microchip Technology Incorporated Amplified charge cancellation in a touch sensor, and related systems, methods, and devices
US11979126B1 (en) * 2020-05-04 2024-05-07 Gigajot Technology, Inc. Programmable gain amplifier with active charge-injection/charge-leakage suppression
DE112021002654T5 (de) * 2020-05-07 2023-03-23 Alps Alpine Co., Ltd. Kapazitätserfassungsvorrichtung und eingabevorrichtung
US11662867B1 (en) 2020-05-30 2023-05-30 Apple Inc. Hover detection on a touch sensor panel
CN112070367A (zh) * 2020-08-20 2020-12-11 中国人民解放军海军工程大学 一种基于改进综合成新率的大型武器装备价值评估方法
WO2023287744A1 (en) * 2021-07-13 2023-01-19 Edward Stoneham Delay-adjusted digital-unit interface
US11620946B1 (en) * 2022-03-03 2023-04-04 Apple Inc. Dual-mode sense circuit with enhanced dynamic range and accuracy

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101937662A (zh) * 2008-10-30 2011-01-05 三星电子株式会社 触摸控制器、具有其的显示驱动电路、显示设备和系统
CN102486709A (zh) * 2010-12-01 2012-06-06 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 不用面板重置的电容性触摸屏的信号获取
CN103324366A (zh) * 2012-03-20 2013-09-25 晨星软件研发(深圳)有限公司 电容检测装置及应用该电容检测装置的电容式触控系统
CN104603728A (zh) * 2012-07-18 2015-05-06 辛纳普蒂克斯公司 电容测量

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4862136A (en) 1983-04-13 1989-08-29 Birkner John M Programmable resistance network
JP3019340B2 (ja) 1989-12-05 2000-03-13 セイコーエプソン株式会社 可変容量装置
US6275119B1 (en) 1999-08-25 2001-08-14 Micron Technology, Inc. Method to find a value within a range using weighted subranges
US7300807B2 (en) 2004-04-14 2007-11-27 International Business Machines Corporation Structure and method for providing precision passive elements
US7411774B2 (en) 2004-06-01 2008-08-12 Leeper Ii William F Voltage variable capacitor
US8183959B2 (en) 2006-06-13 2012-05-22 Kyocera Corporation Variable capacitance circuit
JP2008157920A (ja) 2006-11-29 2008-07-10 Aisin Seiki Co Ltd 静電容量検出装置
US8288965B1 (en) 2007-02-23 2012-10-16 Musco Corporation Apparatus and method for switching in added capacitance into high-intensity discharge lamp circuit at preset times
TWI397843B (zh) * 2009-10-30 2013-06-01 Orise Technology Co Ltd 用於觸控面板之偵測電路
US8427451B2 (en) 2009-12-30 2013-04-23 Wacom Co., Ltd. Multi-touch sensor apparatus and method
KR101652333B1 (ko) 2010-02-10 2016-08-30 삼성전자주식회사 가변 저항 메모리 장치 및 그것의 프로그램 방법
WO2012034714A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-22 Advanced Silicon Sa Circuit for capacitive touch applications
US8723637B2 (en) 2012-04-10 2014-05-13 Analog Devices, Inc. Method for altering electrical and thermal properties of resistive materials
US8872589B2 (en) * 2012-09-20 2014-10-28 Infineon Technologies Ag System and method for a programmable gain amplifier
JP6122307B2 (ja) 2013-02-22 2017-04-26 デクセリアルズ株式会社 可変容量回路、可変容量デバイス、共振回路、増幅回路及び電子機器
JP2015007920A (ja) * 2013-06-25 2015-01-15 国立大学法人鳥取大学 テキスト処理を用いた社会構造モデルの抽出

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101937662A (zh) * 2008-10-30 2011-01-05 三星电子株式会社 触摸控制器、具有其的显示驱动电路、显示设备和系统
CN102486709A (zh) * 2010-12-01 2012-06-06 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 不用面板重置的电容性触摸屏的信号获取
CN103324366A (zh) * 2012-03-20 2013-09-25 晨星软件研发(深圳)有限公司 电容检测装置及应用该电容检测装置的电容式触控系统
CN104603728A (zh) * 2012-07-18 2015-05-06 辛纳普蒂克斯公司 电容测量

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016219003A (ja) 2016-12-22
KR20190015436A (ko) 2019-02-13
JP6524016B2 (ja) 2019-06-05
CN106155443A (zh) 2016-11-23
JP2019066485A (ja) 2019-04-25
KR20160134567A (ko) 2016-11-23
US20160334902A1 (en) 2016-11-17
KR102267365B1 (ko) 2021-06-21
JP6706660B2 (ja) 2020-06-10
KR101946688B1 (ko) 2019-02-11
US9740351B2 (en) 2017-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106155443B (zh) 多步递增切换方案
CN106445262B (zh) 校准基线校正电路中的电荷失配
JP6112494B2 (ja) キャパシタンス測定
US10325131B2 (en) Active matrix capacitive fingerprint sensor for display integration based on charge sensing by a 2-TFT pixel architecture
CN108139843B (zh) 用于共模抵消的有源矩阵电容性传感器
US9946375B2 (en) Active matrix capacitive fingerprint sensor with 2-TFT pixel architecture for display integration
WO2017003848A1 (en) Active matrix capacitive fingerprint sensor with 1-tft pixel architecture for display integration
US9703436B2 (en) Hybrid large dynamic range capacitance sensing
US9823787B2 (en) Absolute capacitive sensing using sensor electrode pre-emphasis
US9811205B2 (en) Variable time anti-aliasing filter
US9218095B2 (en) Non-linear feedback capacitance sensing
US9645670B2 (en) Sensing frame averaging for cancelling display noise in simultaneous display and touch sensing
US9817502B2 (en) Switched-capacitor harmonic-reject mixer
US10671214B2 (en) Global coarse baseline correction charge injection
US10126867B2 (en) Matched filter for a first order sigma delta capacitance measurement system and a method to determine the same
CN105760027B (zh) 用于输入感应的开关电容技术
US10338740B2 (en) Reducing background capacitance associated with a touch surface
US10162453B2 (en) Sensor side charge cancellation

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant