CN106643825B

CN106643825B - 电容传感系统

Info

Publication number: CN106643825B
Application number: CN201610873068.XA
Authority: CN
Inventors: 王晓东
Original assignee: Silicon Laboratories Inc
Current assignee: Silicon Laboratories Inc
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: US10041981B2; DE102016117862B4; CN106643825A; US20170122986A1; DE102016117862A1

Abstract

电容传感系统包括耦合到外部电容器的焊盘。电流数字模拟转换器(DAC)供应电流以便给外部电容器充电。参考电容器由电流源充电。第一比较器将在焊盘处感测到的外部电容器两端之间的电压与参考电压进行比较，并产生第一比较。第二比较器将参考电容器两端之间的电压与参考电压进行比较，并产生第二比较。所存储的第一和第二比较用于控制电流DAC。第一和第二交流电容器分别耦合在焊盘和所述第一比较器之间以及参考电容器和所述第二比较器之间。在焊盘处的感测允许更大的准确性，以及交流耦合电容器提供更好的匹配，并允许针对外部电容器和第一比较器设置不同的直流偏压。

Description

电容传感系统

技术领域

本申请涉及传感器，以及更具体地涉及电容传感系统。

背景技术

电容传感器用于感测各种物理量，例如触摸。由触摸在触摸屏上导致的电容变化可用于确定关于该触摸的信息。由于电容传感器的使用一直在增长，期望在这种传感器的准确度方面有所改进。

发明内容

因此，在一个实施例中，一种设备包括用于耦合到外部电容器的焊盘。第一电流源通过第一路径耦合到焊盘并供应电流以便给外部电容器充电。第二路径将比较器耦合到焊盘。比较器将在所述焊盘处的对应于外部电容器两端之间电压的第一电压与预定的电压进行比较，并供应指示该比较的第一比较指示。

在另一个实施例中，提供用于感测外部电容器的方法，其包括通过第一路径将充电电流从第一电流源供应到集成电路的焊盘以便给耦合到所述焊盘的外部电容器充电。外部电容器两端之间的第一电压在焊盘处感测，并通过从第一路径分离的第二路径供应到比较器。比较器将第一电压与参考电压进行比较，并提供指示第一电压和所述参考电压之间差异的比较结果。

在另一个实施例中，一种设备包括用于耦合到相应的外部电容器的多个焊盘。电流数模转换器(DAC)通过多个第一开关选择性地耦合到一个或多个焊盘。第一比较器具有通过多个第二开关选择性地耦合到所述焊盘的第一输入并具有耦合到参考电压的第二输入。第一比较器将第一输入上的第一电压与参考电压进行比较并且提供第一比较指示。第二比较器耦合以便将参考电容器两端之间的第二电压与参考电压进行比较，并提供第二比较指示。第一电容器在所述焊盘与第一比较器的第一输入之间串联耦合。第二电容器在参考电容器和第二比较器之间串联耦合。存储电路存储第一比较指示，其响应于指示第二电压已达到参考电压的第二比较指示。存储电路的输出耦合到适于电流DAC的控制电路。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本发明，并且它的许多目的、特征和优点对于本领域内的技术人员而言是显而易见的。

图1示出根据一个实施例的电容感测系统的框图。

图2示出图1所示传感系统的操作的时序图。

图3示出由图1的实施例所提供的包括采用交流耦合电容器的优点。

图4示出比较器的输入晶体管。

图5示出在外部电容器侧上的直流偏压可以不同于在比较电路的输入处的直流偏压。

在不同的附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的项目。

具体实施方式

本文所述的实施例提供有效的方式来改善在电容传感系统中在外部电容器充电路径中的若干误差源的排除。外部电容器充电路径由于其电容值的较大变化以及由于来自开关的总电阻和长路由而具有若干误差源。实施例包括在前端中开尔文传感和交流耦合的一者或两者，以改善电容传感系统的准确度和灵活性。

参照图1，框图示出根据实施例的电容传感系统，其包括开尔文传感和交流耦合二者。传感系统形成于集成电路101上。电流数字模拟转换器(DAC)103将电流I_DAC供应到焊盘105₁，焊盘105₁又耦合到外部电容器107₁。焊盘105(105₁-105_N)提供内部信号和外部信号之间的电连接。从电流DAC 103到焊盘105₁的路径包括与路由和开关109₁相关联的电阻。从电流DAC 103到焊盘105₁的总等效电阻被示出为等效电阻(Req1)117。

比较器电路115包括比较器114和116以及存储元件(例如双稳态多谐振荡器)120。第二开关111₁通过单独的路径将焊盘耦合到比较器114的第一输入。比较器114将在一个输入处的对应于外部电容107₁的电压与预定的参考电压(Vrampend)进行比较，如本文中进一步描述的那样。该外部电容器107₁的传感是通过开尔文开关111₁进行的，而不是从电流DAC103输出直接进行。这从所感测的电压((Vramp)消除了电压项I_DAC×Req1，如下面更充分解释说明的那样。否则，I_DAC×Req1将引入非线性项，并导致取决于外部电容(Cext)值的小信号电容器传感增益误差。

电流源121给参考电容器Cref 123充电，以及比较器116接收参考电容器两端之间的电压。当斜升到Vrampend时，比较器116比较参考电容两端之间的电压，并且当耦合到参考电容的输入达到Vrampend时触发信号152的上升沿。在该点，比较器114的输出由信号152的上升沿锁定于存储元件120内。更新的单位输出dout供应到控制逻辑125以更新IDAC_编码，使得电流源103对于下一次比较操作而言是有效的。控制逻辑125可例如使用编程的微控制器来实施，并包括存储器和必要的软件以便连同微控制器一起提供本文所述的控制功能。在其它实施例中，控制逻辑可作为其它可编程逻辑器件的一部分来实施，诸如应用专用集成电路(ASIC)或其它逻辑。控制逻辑通过基于比较指示提供IDAC编码127而增加或减少电流。来自电流DAC 103的电流I_DAC可被调节，直到在外部电容的传感电压和参考电压之间存在适当的关系为止。外部电容可被确定为Cext＝(I_DAC/I_ref)×C_ref。外部电容的计算可在提供控制逻辑125或其它可编程逻辑的微控制器中进行。此外，在电容值上的变化指示有关触摸的信息或电容变化的其它物理原因。

图2示出图1中所示的系统的操作。比较器116的输出152控制图2中所示的CLK信号154的上升沿。时钟信号154的延迟形式控制开关131，133，135，和155，从而给图1中所示的各种电容器充电和放电。为了便于解释说明，图2不显示延迟形式。其它电路(未示出)控制CLK信号154的下降沿，因此控制CLK信号154的高相位的宽度，它确定电容器Cref和Cext必须放电的时间量。在时钟信号CLK 154的下降沿201上，由控制逻辑125提供的IDAC_编码是有效的，以及供应电流I_DAC以便给外部电容器(Cext)充电。此外，电流源121在CLK的下降沿之后给参考电容(Cref)123充电。参考电容两端之间的电压斜升，直到它到达预设的Vrampend，器触发信号152的上升沿。响应于上升沿，比较器114还将外部电容两端之间的电压与Vrampend进行比较，并且比较输出由信号152上升沿锁定在存储元件120内并作为dout供应。更新的dout输入到控制逻辑125以便更新IDAC_编码，使得来自电流DAC 103的电流I_DAC对于下一次比较操作而言是有效的。在201处的时钟信号CLK 154的上升沿的延迟形式也导致开关131，133，135和155闭合。这导致外部电容器通过开关131放电到接地。通过接地平面的放电是更有效和更简单的，因为接地平面可更好地处理来自较大外部电容的放电电流。此外，到比较器115的输入耦合到复位电压(vrst2)137，其可不同于外部电容器复位的接地电压，如本文更充分解释说明的那样。参考电容器123此时也通过开关155放电到接地。然后在CLK信号203的下一个下降沿处重复循环。应当指出的是，图2示出在每一循环在参考电容器两端之间的参考电压斜升到Vrampend，因为来自电流源121的充电电流是静态的。相比之下，在循环由下降沿205开始之后，在每个循环中外部电容电压响应于IDAC_编码上的变化逐渐增加以便增加来自电流DAC 103的电流I_DAC，直到外部电容两端之间的电压也达到Vrampend。

在外部电容器107₁上的斜升信号经由耦合电容器141(Ca1)交流耦合到比较电路114。此外，参考电容器经由匹配的耦合电容器143(Ca1)耦合到比较器电路116。因此，在耦合电容器较好地匹配之后而不是直接DC耦合，将提供两个路径。在耦合电容器141，143和比较器电路114和116之间在内部Cext和Cref比较路径中更好的匹配提供对共同模式的误差和供应扰动的更好地排除。将由AC耦合电容器提供的等效电容考虑在内。注意从co_cext节点151和在153的co_cref节点的左边，等效电容分别是C_equ1＝(C_a1×C_ext)/(C_a1+C_ext)和C_equ2＝(C_a1×C_ref)/(C_a1+C_ref)，以及Ca1<Cref<<Cref。等效电容Cequ1和Cequ2比Cext和Cref相当更好地匹配。例如，假设Ca1＝1(电容单位)，Cref＝2，和Cext＝32。假设这些值，Cequ1＝0.97，Cequ2＝0.67。不匹配从16倍(2至32个单位)的差异改善到只约31％的差异(在0.97和0.67单位之间)。因此，在包括节点151和153的内部Cext和Cref比较路径中的更好匹配提供对共同模式的误差和供应扰动的更好地排除。参照图3，该图图示一些误差源的去除。例如，通过开尔文感测(尽可能接近外部电容器感测，外部电容器在此为焊盘)，而不是接近电流DAC 103的输出，由于流动通过等效电阻Req1的电流I_DAC，在301示出的电压在等效电阻之后通过感测而被去除。因此，图1的实施例通过在焊盘105处通过感测由I_DAC×Req导致的IR压降之后感测外部电容器的电压。应当指出的是，从焊盘105到比较器114的路径112还包括等效电阻Req2 118。但是，由于在感测路径112中没有电流流过，因此等效电阻Req2不将额外的压降引入到感测路径内。图3在303示出在外部电容器侧上的建立误差，其由AC耦合电容器Ca1而去除，AC耦合电容器Ca1将电容器任一侧上的直流偏压分离。图3还示出Vramp值305由co_cext侧而不是Cext侧设定。Vramp＝Vrampend(307)-在比较器测上的Vrst2(309)，其中Vrampend和Vrst2由单独的偏压电路设置。还要注意该Vramp值对于外部电容侧上的复位建立误差是不敏感的，从而节省了复位时间，因为Cext>>Ca1以及Cext需要更长的时间来建立好。

图4和图5帮助解释说明在外部电容器侧Cext和在比较器输入处的直流偏压不需要是相同的。由于交流耦合电容器141，比较器侧上的偏压可独立设置以便优化比较器输入电路和供应余量。图4示出比较器114中的输入晶体管，其通过AC耦合电容器141耦合到外部电容器。图5示出适于外部电容器的斜升波形和在耦合电容器141的比较器侧上看到的斜升波形。对于外部电容器107₁而言，通过开关131所提供的复位电压是接地电压。外部电容器的较大容量使得它在每个循环更有效地将外部电容重置到接地(vrst1)。然而，对于供应到比较器114和116的输入节点的在节点137处的vrst2而言，该电压可以是零伏(地接地)，或者可被设定为其它电压。

参照图5，斜升峰值被示为Vrampend＝V_GS+V₂，其中VGS为到图4中所示的比较器115的输入晶体管401的源电压的栅极。V₂是由对于在晶体管401的源节点上的电流I而言所需的余量设定的电压。例如，V ₂可设定为0.5V，0.25V或一些其它电压。Vramp水平和所得DC偏压Vrst2＝V_GS+V₂-Vramp，在低电源系统中被拾取以便提供所需的整个电路的余量。Vrampend和Vrst2由单独的偏压电路(在图1未示出)来设定。

虽然实施例可支持单个外部电容器，但是诸如图1中所示的其它实施例支持多个外部电容器。从而，包括焊盘105₁，105₂，105_N的焊盘105，通过开关109₁，109₂，190_N耦合到电流DAC 103。此外，AC耦合电容器141通过开关111(111₁，111₂，111_N)耦合到焊盘105₁，105₂，105_N。因此，比较器114，控制逻辑125和电流DAC 103可用于所有的外部电容器107(107₁，107₂，107_N)。开关可设置成使得只有一组开关在任何一个时间下闭合，以便电容器中只有一个在任何一个时间下被感测到。控制逻辑可导致开关闭合，使得每个电容器以预定的速率被感测到。在其它实施例中，所有的开关一直闭合提供OR操作，以及充电电流给所有的电容器充电，以及比较器比较电容器两端之间的组合电压。仍在其它实施例中，一组或多组开关闭合，但少于所有组的开关，以及开关设置是静态的。

因此，已经描述了电容传感系统的各个方面。本文所阐述的本发明的描述是说明性的，并且并不意旨将本发明的范围限制到如以下权利要求书中所阐述的那样。在不脱离如在以下权利要求书中所阐述的本发明范围的情况下，可基于本文所阐述的说明对本文所公开的实施例进行其它变化和变型。

Claims

1.一种电容传感设备，其包括：

用于耦合到外部电容器的焊盘；

通过第一路径耦合到焊盘的第一电流源，第一电流源用于供应电流以便给外部电容器充电；以及

通过第二路径将第一比较器耦合到焊盘，以便将在所述焊盘处的对应于外部电容器两端之间电压的第一电压与预定的电压进行比较，并提供指示该比较的第一比较指示。

2.根据权利要求1所述的电容传感设备，还包括：

参考电容器；

第二比较器，其用于将对应于参考电容器两端之间电压的第二电压与预定电压进行比较，并提供第二比较指示；以及

存储电路，用于存储第一比较指示，其响应于指示第二电压已达到参考电压的第二比较指示。

3.根据权利要求1所述的电容传感设备，还包括：

参考电容器；

第二比较器，其用于将对应于参考电容器两端之间电压的第二电压与预定电压进行比较，并提供第二比较指示；

第一交流耦合电容器，其在焊盘和所述第一比较器之间串联耦合；以及

第二交流耦合电容器，其在参考电容器和第二比较器之间串联耦合。

4.根据权利要求3所述的电容传感设备，还包括：

复位电压节点，其选择性地耦合到第一交流耦合电容器和第一比较器的第一输入之间的第一节点，第一比较器的第一输入耦合到所述焊盘；以及

复位电压节点，其选择性地耦合到第二交流耦合电容器和第二比较器的第一输入之间的第二节点，第二比较器的第一输入耦合到所述参考电容器。

5.根据权利要求4所述的电容传感设备，其中选择性地耦合到外部电容器以便使得

外部电容器放电的第一复位电压不同于第二复位电压，第二复位电压选择性地耦合到所述复位电压节点，从而提供在外部电容器处的不同直流偏压和第一比较器的第一输入。

6.根据权利要求4所述的电容传感设备，还包括：

选择性地将第一节点耦合到复位电压节点的第一开关和用于将第二节点选择性地耦合到复位电压节点的第二开关；

第三开关，其选择性地将外部电容耦合到接地；以及

第四开关，其选择性地将参考电容器耦合到接地。

7.根据权利要求6所述的电容传感设备，还包括：

其中第一，第二，第三和第四开关根据时钟信号耦合到开关，时钟信号的上升沿由第二比较器控制。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电容传感设备，还包括：

第二焊盘，其通过第三路径选择性地耦合到所述第一比较器，第三路径包括第二路径的一部分；以及

第四路径，其选择性地将第二焊盘耦合到所述第一电流源，所述第四路径是从第三路径分离。

9.根据权利要求8所述的电容传感设备，还包括：

第一开关，其形成将第二焊盘耦合到第一电流源的第四路径的一部分；和

第二开关，其形成将第二焊盘耦合到第一比较器的第三路径的一部分。

10.根据权利要求1-7任一项所述的电容传感设备，还包括：

外部电容器。

11.根据权利要求1-7任一项所述的电容传感设备，其中第一电流源是数字可编程的电流数字模拟转换器(DAC)，以及适于第一电流源的控制逻辑响应于第一比较指示来调节电流以便给由电流数字模拟转换器(DAC)供应的外部电容器充电。

12.用于感测耦合到集成电路的焊盘的外部电容器的方法，其包括：

通过第一路径将第一充电电流从第一电流源供应到所述焊盘以便给耦合到所述焊盘的外部电容器充电；

通过第二路径将在所述焊盘处感测的外部电容器两端的第一电压供应到第一比较器，所述第二路径从所述第一路径分离；以及

在第一比较器中将第一电压与参考电压进行比较，并提供指示第一电压和所述参考电压之间差异的第一比较指示。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

给参考电容器充电以产生第二电压；

将第二电压与参考电压进行比较并提供第二比较指示；以及

存储第一比较指示，其响应于指示第二电压已达到参考电压的第二比较指示。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

给参考电容器充电以产生第二电压；

在第二比较器中将第二电压与参考电压比较并提供第二比较指示；

通过在焊盘与第一比较器之间串联耦合的第一耦合电容器将所述第一电压供应到第一比较器的第一输入；以及

通过在参考电容器与第二比较器之间串联耦合的第二耦合电容器将所述第二电压供应到第二比较器的第一输入。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

选择性地将复位电压耦合到所述第一耦合电容器和所述第一比较器的第一输入之间的第一节点；以及

选择性地将复位电压耦合到所述第二耦合电容器和所述第二比较器的第一输入之间的第二节点。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在外部电容器处的第一直流偏压不同于在第一比较器的第一输入处的第二直流偏压。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括：

通过第一开关将第一节点选择性地耦合到复位电压；

通过第二开关将第二节点选择性地耦合到复位电压；

通过第三开关将外部电容器选择性地耦合到接地；以及

通过第四开关将参考电容器选择性地耦合到接地；

以及

通过时钟信号控制第一、第二、第三、和第四开关，所述时钟信号具有由第二比较器控制的上升沿。

18.根据权利要求12-17任一项所述的方法，还包括：

通过第三路径将第二充电电流从第一电流源供应到集成电路的第二焊盘以便给耦合到第二焊盘的第二外部电容器充电，第三路径包括第二路径的一部分；

通过第四路径将指示第二外部电容器两端电压的第二电压提供给第一比较器，所述第四路径从第三路径分离；以及

将所述参考电压与第二电压进行比较。

19.根据权利要求12-17任一项所述的方法，还包括根据第一比较指示调节第一充电电流。

20.一种电容传感设备，其包括：

用于耦合到相应的外部电容器的多个焊盘；

电流数字模拟转换器(DAC)，其通过多个第一开关选择性地耦合到一个或多个焊盘；

第一比较器，其具有通过多个第二开关选择性地耦合到所述焊盘的第一输入并具有耦合到参考电压的第二输入，第一比较器用于将第一输入上的第一电压与参考电压进行比较，并提供第一比较指示；

第二比较器，其耦合以便将参考电容器两端之间的第二电压与参考电压进行比较，并提供第二比较指示；

第一电容器，其在所述焊盘和第一比较器的第一输入之间串联耦合；

第二电容器，其在参考电容器和第二比较器之间串联耦合；以及

存储电路，其用于存储第一比较指示，其响应于指示第二电压已达到参考电压的第二比较指示，存储电路的输出耦合到适于电流数字模拟转换器(DAC)的控制电路。