CN106796259A

CN106796259A - 电容检测电路及其控制方法

Info

Publication number: CN106796259A
Application number: CN201680001494.2A
Authority: CN
Inventors: 汪正锋
Original assignee: Shenzhen Huiding Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-11-08
Also published as: CN106796259B; WO2018085972A1

Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种电容检测电路及其控制方法。本发明中，电容检测电路包括：开关电容放大器、比较器以及时序控制单元；开关电容放大器包括与待检测电容连接的具有N条电容支路的可变电容阵列；其中，N为自然数且N>1；比较器的第一输入端连接至开关电容放大器的输出端，比较器的第二输入端连接至第一参考电压；时序控制单元的输入端连接至比较器的输出端，时序控制单元的输出端连接至可变电容阵列的电容调节端。本发明实施例还提供了一种电容检测电路的控制方法。本发明实施例提供的电容检测电路，简化了电路结构，且将电容值直接转换成数字量的方式，极大的降低了电容检测电路的面积以及功耗。

Description

电容检测电路及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及电子技术领域，特别涉及一种电容检测电路及其控制方法。

背景技术

目前，电容型传感器通常用作输入设备，广泛应用于多种电子系统中，为电子系统提供关于输入的信息(诸如位置、运动、作用力以及持续时间等)。一般的，用户通过操作(例如靠近、接触、按压以及滑动等)电容型传感器的一个或者多个传感区域，与传感区域产生电容效应，通过将电容效应进行量化，就可以判断用户的操作。其中，电容检测电路是电容型传感器的核心，其电路设计直接影响着电容型传感器的整体成本与功耗。

如图1所示为现有的电容检测电路图，包括待检测电容C_x、积分器F_x和模拟数字转换器ADC。待检测电容C_x的第一端通过积分器F_x连接于模拟数字转换器ADC，待检测电容C_x的第二端接地GND₀。其中，积分器F_x将电容效应转换成电压量，然后经过模拟数字转换器ADC采样量化成数字量，从而完成电容检测。

然而，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中存在如下问题：现有的电容检测电路比较复杂，并且使用到模拟数字转换器ADC，导致电容检测电路的面积以及功耗非常大，对电容型传感器非常不利。

发明内容

本发明实施例实施方式的目的在于提供一种电容检测电路及其控制方法，简化了电路结构，且将电容值直接转换成数字量的方式，极大的降低了电容检测电路的面积以及功耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种电容检测电路，包括：开关电容放大器、比较器以及时序控制单元；所述开关电容放大器包括与待检测电容连接的具有N条电容支路的可变电容阵列；其中，N为自然数且N>1；所述比较器的第一输入端连接至所述开关电容放大器的输出端，所述比较器的第二输入端连接至第一参考电压；所述时序控制单元的输入端连接至所述比较器的输出端，所述时序控制单元的输出端连接至所述可变电容阵列的电容调节端；其中，在N个时钟周期中，所述时序控制单元依次禁能所述可变电容阵列中的N条电容支路，所述比较器的输出端依次输出用于表征所述待检测电容的N个数字量。

本发明的实施例还提供了一种电容检测电路的控制方法，应用于上述的电容检测电路，所述控制方法包括：第i+1个时钟周期中，控制所述开关电容放大器进入第一非交叠阶段；在所述非交叠阶段中，对所述开关电容放大器进行放电，并且，当i+1≥2时，若所述比较器在第i个时钟周期中输出的第i个数字量为0，使能所述可变电容阵列中的第N-i条电容支路；控制所述开关电容放大器进入复位阶段；在所述复位阶段中，对所述开关电容放大器进行充电；控制所述开关电容放大器进入第二非交叠阶段；在所述第二非交叠阶段中，禁能所述可变电容阵列中的第N-(i+1)条电容支路；控制所述开关电容放大器进入放大阶段；在所述放大阶段中，所述比较器输出第i+1个数字量；其中，i＝0,1,2，…..N-1；在N个时钟周期中，所述比较器依次输出的N个数字量用于表征所述待检测电容。

本发明实施例相对于现有技术而言，提供了一种电容检测电路，包括开关电容放大器、比较器以及时序控制单元。开关电容放大器包括具有N条电容支路的可变电容阵列(N为自然数且N>1)。在N个时钟周期中，时序控制单元依次禁能可变电容阵列中的N条电容支路，比较器的输出端依次输出用于表征待检测电容的N个数字量；即本发明实施例省去模拟数字转换器ADC，而采用逐次逼近的方式将待检测电容的电容值直接转换成数字量，简化了电路结构，极大的降低了电容检测电路的面积以及功耗。

另外，第一参考电压大于所述第三参考电压且小于所述第二参考电压，所述比较器的第一输入端与第二输入端分别为正相输入端与反相输入端。本实施例中，提供了开关电容放大器与比较器的一种连接方式。

另外，第一参考电压大于所述第二参考电压且小于所述第三参考电压，所述比较器的第一输入端与第二输入端分别为反相输入端与正相输入端。本实施例中，提供了开关电容放大器与比较器的另一种连接方式。

另外，第一参考电压为所述第二参考电压与所述第三参考电压之和的一半。本实施例中，提供了第一参考电压的一种取值方式，使得电路减少计算量，节省功耗。

另外，时序控制单元为时序控制电路；或者，所述时序控制单元为控制芯片。本实施例中，提供了时序控制单元的两种实现方式。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是背景技术中的电容检测电路的示意图；

图2是第一实施方式的电容检测电路的示意图；

图3是第一实施方式中可变电容阵列的示意图；

图4是第三实施方式中电容检测电路的时序控制示意图；

图5是第三实施方式中电容检测电路处于第一非交叠阶段的示意图；

图6是第三实施方式的电容检测电路处于复位阶段的示意图；

图7是第三实施方式的电容检测电路处于第二非交叠阶段的示意图；

图8是第三实施方式的电容检测电路处于放大阶段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种电容检测电路。如图2所示，电容检测电路包括：开关电容放大器、比较器C_omp以及时序控制单元H。

本实施方式中，比较器C_omp的第一输入端连接至开关电容放大器的输出端，比较器C_omp的第二输入端连接至第一参考电压V_cm。

本实施方式中，开关电容放大器连接至待检测电容C_x，其包括具有N条电容支路的可变电容阵列C_c、运算放大器O_p、反馈电容C_f以及第一至第五开关S₀～S₄；其中，N为自然数且N>1。具体而言，待检测电容C_x的第一端通过第一开关S₀连接至第二参考电压V_refp，待检测电容C_x的第二端接地GND₀。可变电容阵列C_c的第一端通过第二开关S₁连接至第三参考电压V_refn，且通过第三开关S₂连接至待检测电容C_x的第一端与第四开关S₃；可变电容阵列C_c的第二端连接至第三参考电压V_refn。运算放大器O_p的反相输入端通过第四开关S₃连接至待检测电容C_x的第一端与第三开关S₂，运算放大器O_p的正相输入端连接至第一参考电压V_cm。反馈电容C_f与第五开关S₄分别跨接在运算放大器O_p的反相输入端与输出端之间。

如图3所示，本实施例中的可变电容阵列C_c包括N条电容支路，每条电容支路包括电容C_i与支路开关S_c,i。在第i条电容支路中，电容C_i与支路开关S_c,i串联。支路开关S_c,i导通，表示电容C_i接入到可变电容阵列C_c中；开关S_c,i断开，表示电容C_i移除出可变电容阵列C_c。其中，第i条电容支路的电容可表示为：C_i＝2ⁱC_u，i＝0,1,2，……N-1；其中，C_i表示第i条电容支路的电容，C_u表示单位电容，其大小可根据需要选取；根据公式可以看出，电容C_i至C_N-i的电容值依次增大。然本实施方式对各条电容支路的电容不作任何限制，本领域技术人员可以根据实际需要设定。

本实施方式中，时序控制单元H用于产生可变电容阵列C_c与第一至第五开关(S_0～4)的控制信号。时序控制单元H的输入端连接至比较器C_omp的输出端D，时序控制单元H的输出端连接至可变电容阵列C_c的电容调节端。具体的，时序控制单元H包括第一至第四控制端。第一控制端连接至第一开关S₀与第二开关S₁；第二控制端连接至第三开关S₂与第四开关S₃；第三控制端连接至第五开关S₄；第四控制端(即，时序控制单元H的输出端)连接至可变电容阵列C_c的电容调节端。

实际上，时序控制单元H可以理解为包括逐次逼近寄存器(SAR)的时序控制单元；逐次逼近寄存器用于根据比较器C_omp的输出信号产生可变电容阵列C_c的控制信号。

本实施方式中，时序控制单元H为时序控制电路；即，由硬件产生控制信号。或者，时序控制单元H为控制芯片；即，由软件产生时序控制信号；然本实施方式对时序控制单元H的具体实现方式不作任何限制，可根据实际情况具体设计。

本实施方式中，第一参考电压V_cm介于第二参考电压V_refp和第三参考电压V_refn之间。具体的，第一参考电压V_cm大于第三参考电压V_refn且小于第二参考电压V_refp，此时，比较器C_omp的第一输入端与第二输入端分别为正相输入端与反相输入端。较佳的，第一参考电压V_cm可以设定为第二参考电压V_refp与第三参考电压V_refn之和的一半；从而可以减少电路的计算量，节省功耗；然本实施方式对第一考电压V_cm的设定值不作任何限制，只要满足介于第二参考电压V_refp与第三参考电压V_refn之间即可。

本实施方式的电容检测电路，对电容检测电路的一次检测过程实质上包括N个时钟周期；在N个时钟周期中，时序控制单元H依次禁能可变电容阵列C_c中的N条电容支路，比较器C_omp的输出端D依次输出用于表征待检测电容C_x的N个数字量d_N-1～0。即，采用逐次逼近的方式将待检测电容C_x的电容值直接转换成N个数字量，当待检测电容C_x的电容值发生改变时，转换出来的N个数字量亦发生改变；因此，通过连续多次检测，比较N个数字量的变化，可以实时检测出待检测电容的变化。

本发明的实施例相对于现有技术而言，提供了一种电容检测电路，包括开关电容放大器、比较器以及时序控制单元。开关电容放大器包括具有N条电容支路的可变电容阵列(N为自然数且N>1)。在N个时钟周期中，时序控制单元按照电容值从大到小的顺序依次禁能可变电容阵列中的N条电容支路，比较器的输出端依次输出用于表征待检测电容的N个数字量；即本发明实施例省去现有的模拟数字转换器ADC，通过二进制搜索算法等，采用逐次逼近的方式将待检测电容的电容值直接转换成数字量的方式，简化了电路结构，极大的降低了电容检测电路的面积以及功耗。

本发明的第二实施方式涉及一种电容检测电路。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，第一参考电压大于第三参考电压且小于第二参考电压，比较器的第一输入端与第二输入端分别为正相输入端与反相输入端。而在本发明第二实施方式中，第一参考电压大于第二参考电压且小于第三参考电压，比较器的第一输入端与第二输入端分别为反相输入端与正相输入端。

本发明的实施例相对于第一实施方式而言，提供了开关电容放大器与比较器的另一种连接方式。

本发明第三实施方式涉及一种电容检测电路的控制方法，应用于第一实施方式或第二实施方式中的电容检测电路。本实施例的控制方法，可以理解为对待检测电容进行连续多次检测。对待检测电容的一次检测过程实质上包括N个时钟周期，每一个时钟周期中，比较器输出一个数字量；即，比较器依次输出的N个数字量用于表征待检测电容。

如图4所示，为本实施方式中的电容检测电路的时序控制图，一次电路检测过程包括N个时钟周期。在每个时钟周期中，时序控制单元H的第一控制端产生时钟信号φ1控制第一开关S0与第二开关S1，第二控制端产生时钟信号φ2控制第三开关S2与第四开关S3，第三控制端产生信号φ3控制第五开关S4，第四控制端产生信号φc,0控制支路开关Sc,0。其中，φ1、φ2为两相非交叠时钟，clk为系统时钟，T1表示第1次转换(T1～N表示第1～N次转换)；当start信号上升沿来临时，开始检测过程。

在每个时钟周期中，时序控制单元对开关电容放大器输出的控制信号相似；具体如下：

在第i+1个时钟周期中：

首先，控制开关电容放大器进入第一非交叠阶段。在第一非交叠阶段中，开关电容放大器进行放电，并且，当i+1≥2时，若比较器在第i个时钟周期中输出的第i个数字量为0，使能可变电容阵列中的第N-i条电容支路。

其次，控制开关电容放大器进入复位阶段。在复位阶段中，对开关电容放大器进行充电。

再次，控制开关电容放大器进入第二非交叠阶段。在第二非交叠阶段中，禁能可变电容阵列中的第N-(i+1)条电容支路。

最后，控制开关电容放大器进入放大阶段。在放大阶段中，比较器输出第i+1个数字量。

其中，i＝0,1,2，…..N-1；在N个时钟周期中，比较器依次输出的N个数字量用于表征待检测电容。

以下以i＝0为例进行说明，即以第一个时钟周期为例进行说明。

首先，φ₁＝0、φ₂＝0时，控制开关电容放大器进入第一非交叠阶段A₁。此时，φ₃＝1，φ_c,N-1～0＝1，如图5所示，开关S_0～3断开，开关S₄、S_c,N-1～0闭合，开关电容放大器中的反馈电容C_f进行放电。

接着，φ₁＝1和φ₂＝0时，控制开关电容放大器进入复位阶段B。此时，φ₃＝1、φ_c,N-1～0＝1，如图6所示，开关S_0～1闭合；对待测电容C_x进行充电、对可变电容阵列C_c进行放电，并继续对反馈电容C_f进行放电，此时开关电容放大器的输出端电压V_out等于第一参考电压V_cm(即，V_out＝V_cm)。

于实际上，若在进入复位阶段B之前，可变电容阵列C_c中的电荷量为零，则在进入复位阶段B之后，可变电容阵列C_c的两端之间无电荷流动(不会经历实际的放电过程)；若在进入复位阶段B之前，可变电容阵列C_c的其中一端的电压大于另一端的电压，则在进入复位阶段B之后，可变电容阵列C_c中电压较高的一端向电压较低的一端放电，直至可变电容阵列C_c中的电荷量为零，此时可变电容阵列C_c的两端的电压均为V_refn；即，复位阶段B结束时，可变电容阵列C_c中的电荷量为零。

再接着，φ₁＝0、φ₂＝0时，控制开关电容放大器进入第二非交叠阶段A₂。此时，φ₃＝0、φ_c,N-1＝0、φ_c,N-2～0＝1，如图7所示，开关S_0～4、S_c,N-1断开，开关S_c,N-2～0闭合；将C_N-1移除出可变电容阵列Cc，即，禁能电容C_N-1。

最后，φ₁＝0、φ₂＝1时，控制开关电容放大器进入放大阶段C。此时，φ₃＝0、φ_c,N-1＝0、φ_c,N-2～0＝1，如图8所示，开关S_2～3闭合；待测电容C_x与可变电容阵列C_c进行电荷再分配，并经过放大器进行放大；开关电容放大器的输出端电压Vout＝Vcm+[((Vcm-Vrefn)Cc+(Vcm-Vrefp)Cx)/Cf]。

本实施方式中，通过比较器C_omp与共模电压(本实施例中，第一参考电压V_cm作为共模电压)的比较，判定该位电容是否重新接入到可变电容阵列C_c中；即，通过比较器C_omp比较V_out与V_cm的大小。若V_out≥V_cm，比较器C_omp的输出端D输出数字量d_N-1＝1，保持将C_N-1移除出可变电容阵列C_c。若V_out<V_cm，比较器C_omp的输出端D输出数字量d_N-1＝0，则在下一时钟周期中，当电路处于非交叠状态A₁时，将C_N-1重新接入到可变电容阵列C_c中(即保持接入至可变电容阵列C_c)；比较完成后，第一周期结束。

本实施方式中，重复第一周期的过程N次，当电容C₀判定完毕，电容检测完毕；即，依次将电容C_N-2，C_N-3，…，C₀移除出可变电容阵列C_c，通过比较器C_omp比较得到N位数字量D＝d_N-1d_N-2…d₁d₀，N位数字量(D＝d_N-1d_N-2…d₁d₀)对应了待检测电容C_x的电容值。

本实施方式中，待检测电容C_x的电容值即可表示为：当C_i＝2ⁱC_u(i＝0,1,2，……N-1)时，则待检测电容C_x的电容值可表示为以上述N位数字量为基准D₀，当待检测电容C_x发生改变时，得到另一组N位数字量D₁，那么待检测电容的变化量ΔC_x可以表示为：ΔCx＝[(Vcm-Vrefn)/(Vrefp-Vcm)]*(D₁-D₀)*Cu。

本发明的实施例相对于现有技术而言，应用了本发明实施例提供的电容检测电路，实时检测电容的变化，在每个时钟周期内，对开关电容放大器所处的阶段进行对应的控制(包括第一非交叠阶段、复位阶段、第二非交叠阶段以及放大阶段)，从而比较器依次输出N个数字量，以对应待检测电容的电容值。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

不难发现，本实施方式为与第一、第二实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一、第二实施方式互相配合实施。第一、第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一、第二实施方式中。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种电容检测电路，其特征在于，包括：开关电容放大器、比较器以及时序控制单元；

所述开关电容放大器包括与待检测电容连接的具有N条电容支路的可变电容阵列；其中，N为自然数且N>1；

所述比较器的第一输入端连接至所述开关电容放大器的输出端，所述比较器的第二输入端连接至第一参考电压；

所述时序控制单元的输入端连接至所述比较器的输出端，所述时序控制单元的输出端连接至所述可变电容阵列的电容调节端；

其中，在N个时钟周期中，所述时序控制单元依次禁能所述可变电容阵列中的N条电容支路，所述比较器的输出端依次输出用于表征所述待检测电容的N个数字量。

2.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述开关电容放大器还包括运算放大器、反馈电容以及第一至第五开关；

所述待检测电容的第一端通过所述第一开关连接至第二参考电压，所述待检测电容的第二端接地；

所述可变电容阵列的第一端通过所述第二开关连接至第三参考电压，且通过所述第三开关连接至所述待检测电容的第一端；所述可变电容阵列的第二端连接至所述第三参考电压；其中，所述第一参考电压介于所述第二参考电压和所述第三参考电压之间；

所述运算放大器的反相输入端通过所述第四开关连接至所述待检测电容的第一端，所述运算放大器的正相输入端连接至所述第一参考电压；

所述反馈电容与所述第五开关分别跨接在所述运算放大器的反相输入端与输出端；

所述时序控制单元包括第一至第四控制端，所述第一控制端连接至第一开关与第二开关，所述第二控制端连接至第三开关与第四开关；所述第三控制端连接至第五开关，所述第四控制端连接至所述可变电容阵列的电容调节端。

3.根据权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一参考电压大于所述第三参考电压且小于所述第二参考电压，所述比较器的第一输入端与第二输入端分别为正相输入端与反相输入端。

4.根据权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一参考电压大于所述第二参考电压且小于所述第三参考电压，所述比较器的第一输入端与第二输入端分别为反相输入端与正相输入端。

5.根据权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一参考电压为所述第二参考电压与所述第三参考电压之和的一半。

6.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述时序控制单元为时序控制电路；或者，所述时序控制单元为控制芯片。

7.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述可变电容阵列中第i条电容支路的电容可表示为：

C_i＝2ⁱC_u，i＝0,1,2，……N-1；

其中，C_i表示第i条电容支路的电容，C_u表示单位电容。

8.一种电容检测电路的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任意一项所述的电容检测电路，所述控制方法包括：

第i+1个时钟周期中，

控制所述开关电容放大器进入第一非交叠阶段；在所述非交叠阶段中，对所述开关电容放大器进行放电，并且，当i+1≥2时，若所述比较器在第i个时钟周期中输出的第i个数字量为0，使能所述可变电容阵列中的第N-i条电容支路；

控制所述开关电容放大器进入复位阶段；在所述复位阶段中，对所述开关电容放大器进行充电；

控制所述开关电容放大器进入第二非交叠阶段；在所述第二非交叠阶段中，禁能所述可变电容阵列中的第N-(i+1)条电容支路；

控制所述开关电容放大器进入放大阶段；在所述放大阶段中，所述比较器输出第i+1个数字量；

其中，i＝0,1,2，…..N-1；在N个时钟周期中，所述比较器依次输出的N个数字量用于表征所述待检测电容。