CN107250818A - 使用感测信号调制进行宽带电容性感测 - Google Patents

使用感测信号调制进行宽带电容性感测 Download PDF

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Abstract

在所描述实例中，宽带电容性感测(10)(单端或差分)是基于经调制感测(电容)信号。载波/驱动信号路径(23、34、35)用载波信号(21)(例如固定频率或扩展频谱)来对参考信号(31)进行调制以产生载波/驱动信号(32)，所述载波/驱动信号(32)通过输出节点(A)而被驱动输出(利用任选预分频)(34、35)到感测电容器(12)。感测信号路径(43、44、45、24)在输入/求和节点(B)处接收被向上调制到载波频率的对应于所测量电容的经向上调制感测电容信号(41)，且在滤波(任选)(43、44)及放大(45、46)之后，用所述载波信号来对所述经向上调制感测电容信号进行解调(24)以产生对应于所测量电容的经解调感测电容信号(49)，所述经解调感测电容信号(49)可被转换为传感器数据。感测信号路径放大(45)可使用电荷放大(电容器反馈)(45、46)或跨阻抗放大(电阻器反馈)。为进行差分电容性感测，将差分载波/驱动信号驱动到差分感测电容器，且在所述输入/求和节点处对所述所得经向上调制感测电容信号进行求和。

Description

使用感测信号调制进行宽带电容性感测
技术领域
此一般来说涉及电容性感测。
背景技术
为进行电容性感测，可通过测量感测电容器的电荷存储容量而测量感测电容器的电容变化。此类电荷转移方法使用两相电荷转移循环(或在差分的情况下，四相)：(a)激发/充电相位，其中将感测电容器充电到界限清晰的参考电压，及(b)获取/转移相位，其中将电荷移除且对其进行准确测量。
电容性感测系统的问题是对例如来自射频源的电磁干扰(EMI)的易感性。增加感测范围一般来说需要增加传感器电容大小，此增加对EMI的易感性。尤其在基于电荷转移的电容性感测的情形中，对传感器电容器上的电荷进行取样也将会对EMI进行取样，从而由于混叠而增加对EMI的敏感性。
发明内容
所描述实例包含用于使用感测(电容)信号调制进行宽带电容性感测的装置及方法，所述宽带电容性感测可适于单端或差分电容性感测。
根据若干方面，宽带电容性感测可包含：(a)产生处于载波频率(例如固定频率或扩展频谱)的载波信号；(b)产生参考信号；(c)在载波/驱动信号路径中，产生载波/驱动信号以将其输出到至少一个感测电容器，包含：用所述载波信号对所述参考信号进行调制以产生处于所述载波频率的所述载波/驱动信号，及将所述载波/驱动信号驱动输出到所述至少一个感测电容器以产生对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的至少一个经向上调制感测电容信号；及(d)在感测信号路径中，接收对应于来自所述至少一个感测电容器的所测量电容的所述感测电容信号，所述感测电容信号由所述载波/驱动信号向上调制到所述载波频率；及放大所述经向上调制感测电容信号；以及使用所述载波信号来对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调，从而产生经解调感测电容信号。可将所述经解调感测电容信号转换为对应于来自所述至少一个感测电容器的所述感测电容信号的传感器数据(例如通过包含输入奈奎斯特(Nyquist)滤波及载波图像拒斥的Σ-Δ转换器，所述Σ-Δ转换器以所述参考信号作为参考)。差分宽带电容性感测可包含：(a)在所述载波/驱动信号路径中，产生第一载波/驱动信号及第二载波/驱动信号，分别将所述第一载波/驱动信号及所述第二载波/驱动信号驱动输出到所述第一感测电容器及所述第二感测电容器；(b)其中，响应于所述第一载波驱动信号及所述第二载波驱动信号，所述第一感测电容器及所述第二感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的相应第一经向上调制感测电容信号及第二经向上调制感测电容信号；及(c)在所述感测信号路径中，将所述第一经向上调制感测电容信号及所述第二经向上调制感测电容信号求和为经向上调制差分感测电容信号。
根据其它方面，宽带电容性感测可包含：(a)在所述载波/驱动信号路径中，对所述载波/驱动信号进行预分频；(b)在所述感测信号路径中，在放大之前对所述经向上调制感测电容信号进行EMI滤波，及/或在放大之前对所述经向上调制感测电容信号进行带通滤波；(c)在所述感测信号路径中，通过以下各项中的一者而实现放大：电荷放大器，其包含耦合到放大器反相输入的反馈电容器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号；及跨阻抗放大器，其包含耦合到所述放大器反相输入的反馈电阻器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号，其中所述载波/驱动信号路径进一步包含对所述载波/驱动信号进行积分。
附图说明
图1A及1B图解说明利用感测(电容)信号调制的宽带电容性感测架构的实例性实施例。
图2图解说明WCDC的实例性替代实施例。
图3图解说明WCDC的实例性替代实施例。
图4图解说明利用固定感测调制/解调载波进行的差分宽带电容性感测。
图5图解说明其中将解调后滤波与数据转换集成为Σ-Δ转换器的差分宽带电容性感测。
图6图解说明利用扩展频谱载波进行的差分宽带电容性感测。
具体实施方式
总的来说，基于经调制感测(电容)信号的宽带电容性感测适于单端或差分感测应用。宽带电容性感测架构可利用耦合到单个或差分感测电容器的宽带电容/数据转换器(WCDC)来实施。WCDC可利用载波/驱动信号路径来实施以产生并驱动输出经调制到载波频率的载波/驱动信号，且利用感测信号路径来实施以接收被向上调制到载波频率的对应于来自电容性感测的所测量电容的经向上调制感测电容信号，且产生经解调感测电容信号以捕获所测量电容。载波/驱动信号路径用载波信号(例如固定频率或扩展频谱)来对参考信号进行调制以产生载波/驱动信号，所述载波/驱动信号通过输出节点(利用任选预分频)而被驱动输出(到单个或双重感测电容器)。感测信号路径在输入/求和节点处接收被向上调制到载波频率的对应于所测量电容的经向上调制感测电容信号，且在滤波(任选)及放大之后，用载波信号对经向上调制感测电容信号进行解调，以产生对应于所测量电容的经解调感测电容信号，所述经解调感测电容信号可被转换为传感器数据。感测信号路径放大可使用电荷放大(电容器反馈)，或跨阻抗放大(电阻器反馈)，针对后一实施方案在载波/驱动信号路径中包含积分器。为进行差分电容性感测，将差分载波/驱动信号驱动到差分感测电容器，且在输入/求和节点处对所得经向上调制感测电容信号进行求和。
图1A、1B、2及3图解说明根据实例性实施例的实施宽带电容性感测的宽带电容性感测架构的实例性实施例，所述宽带电容性感测适于利用单个感测电容器Csens进行单端电容性感测。图4、5及6图解说明根据实例性实施例的实施宽带电容性感测的宽带电容性感测架构的实例性实施例，所述宽带电容性感测适于利用分别由同相及反相载波/驱动信号驱动的双重感测电容器Csens1/Csens2进行差分电容感测。
针对这些实例性实施例，除对单端或差分设计的架构选择之外，且除针对载波信号产生(固定频率或扩展频谱)及数据转换(例如模/数数据转换)的设计选择之外，CTCV感测信号路径中的设计选择也正实施电流到电压放大。针对图1A、2及3实例性实施例，实施方案选择是电荷放大(具有电容器反馈)。针对图4、5及6实例性实施例，实施方案选择是跨阻抗放大(具有电阻器反馈)。对于选择CTCV感测信号路径放大器的设计考虑包含影响感测电容器的大小的感测范围考虑，及基于(反馈)电容器所需的显著较大(与电阻器相比)裸片面积的裸片面积/成本考虑。
图1A及1B图解说明利用固定载波信号进行的宽带单端电容性感测；图2图解说明利用扩展频谱载波信号进行的宽带单端电容性感测；图3图解说明其中将解调后滤波与数据转换集成为Σ-Δ调制器/转换器的宽带单端电容性感测。
图1A及1B图解说明根据实例性实施例的利用感测(电容)信号调制(即，将感测信号向上调制到载波频率)的宽带电容性感测架构10的实例性实施例。实例性宽带电容性感测架构10利用介接到单个感测电容器Csens 12的宽带电容/数据转换器(WCDC)11来实施，WCDC包含单端连续时间电容到电压(CTCV)前端14及ADC 16，所述CTCV前端包含用于产生经调制23载波/驱动信号的载波产生器21，所述经调制载波/驱动信号被驱动输出(节点A)到Csens、将感测(电容)信号向上调制且在带通滤波44及放大45之后对经向上调制感测信号进行解调24。
WCDC 11包含用以捕获感测电容测量的单端连续时间电容到电压(CTCV)前端14，及实施为用以将感测电容测量转换为数字数据的模/数转换器(ADC)16的数据转换器。
CTCV前端14通过载波/驱动输出节点A(底板)及感测信号输入节点B(顶板)而介接到感测电容器Csens(12)。如所图解说明，在输出节点A处，寄生电容及噪声源由电容Cpar及噪声源Vnoise表示，且在输入节点B处，寄生电容及噪声源由电容CparT及噪声源VnoiseT表示。
CTCV前端14包含载波/驱动信号路径及感测信号路径。CTCV前端12在载波/驱动信号路径中使用载波信号调制，且在感测信号路径中使用载波信号解调。在此实例性实施例中，利用固定频率载波信号产生器21来实施载波信号调制/解调，所述固定频率载波信号产生器驱动载波/驱动信号路径中的载波信号调制器23来将载波/驱动信号提供到感测电容器Csens以将传感器电容向上调制到载波频率，且驱动感测信号路径中的感测信号解调器24以从载波信号对感测电容信号进行解调。
WCDC 11包含将参考(电压或电流)提供到CTCV前端14(载波/驱动信号路径)及ADC16的参考产生器Refgen 18。通过使用用于产生到ADC的载波及参考的相同参考产生器，参考的绝对值不影响感测操作。ADC的转换结果对应于由ADC参考划分的输入信号(其对应于ADC的全标度输入)。
除调制器23之外，CTCV载波/驱动信号路径还包含任选预分频器34及(低阻抗)缓冲放大器(驱动器)35。Refgen 18提供参考信号31，所述参考信号被馈送到由载波产生器21驱动的调制器23，从而产生载波/驱动信号32。载波频率可经选择以使频域中与任何已知干扰源的分离最大化。
预分频器34用于放宽ADC的动态范围。具体来说，预分频器用于设定CTCV的转换增益。举例来说，为支持一定范围的感测电容器，目标可为在不使ADC饱和的情况下针对每一感测电容器优化馈送到ADC中的信号。举例来说，针对1pF的最大传感器电容，预分频器值可经选择使得1pF的输入电容导致去往ADC的接近于所述ADC的全标度输入的输入。然而，如果最大感测电容是10pF，那么可将预分频器减小10倍，使得10pF对应于几乎全ADC标度。
载波信号32(任选地经预分频)由缓冲放大器/驱动器35放大，从而通过输出节点A而将载波/驱动信号39提供到感测电容器Csens。感测电容器Csens由载波信号32驱动，所述载波信号将Csens上的感测电容(所测量电容变化)向上调制到载波频率，从而提供通过输入节点B而输入到CTCV感测信号路径的经向上调制感测信号41。
图1B是如由CTCV感测信号路径接收的频谱(包含被向上调制到载波频率121的感测信号148)的实例性表示。在CTCV信号路径中，带通滤波144用于拒斥噪声及EMI 142。
参考图1A，CTCV感测信号路径通过输入节点B而接收经向上调制感测电容信号41。可包含例如EMI滤波43及/或带通滤波44等输入滤波以拒斥EMI及其它带外噪声。CTCV感测信号路径包含电荷放大器45(具有反馈电阻器46)，所述电荷放大器将放大的经向上调制感测电容信号48提供到解调器24以恢复所测量感测电容。
具有反馈控制件46的放大器45将输入节点B维持为虚拟接地，所述虚拟接地抑制寄生电容CparT。也可使用EMI滤波43及/或带通滤波44，尽管根据实例性实施例的WCDC架构提供了显著EMI抗扰性(例如由于感测信号的向上调制及输入取样的消除)。
在任选滤波之后，将经向上调制感测信号提供到去往电荷放大器45的反相输入。电荷放大器45包含利用电容器46进行的电容反馈，从而提供输入电流积分。因此，电荷放大器25在反相输入处耦合到由感测电容器Csens及反馈电容器46形成的电容器网络。
将放大的经向上调制感测信号48输入到由载波产生器21驱动的解调器24。所测量感测电容信号(图1B，148)从载波信号(图1B，121)被解调，且提供模拟(所测量)感测电容信号49。
将经解调感测电容信号49输入到ADC 16以用于转换为数字数据作为传感器电容测量。
针对此实施例，利用ADC来执行数据转换。解调后感测电容信号49经滤波51以将噪声保持低于奈奎斯特频率，且消除载波解调图像。通过ADC 16将经解调感测信号数字化以产生由WCDC 11提供的传感器电容数据。
由于使用相同载波信号21来进行调制及解调、驱动CTCV载波/驱动信号路径中的调制器23及CTCV感测信号路径中的解调器224两者，且由于放大是由具有电容器反馈的电荷放大器提供的，因此输入到ADC 16的经解调感测信号49与以下各项成比例：(a)感测电容器Csens与反馈电容器46(即，电荷放大器25的电容器输入网络)的比率，及(b)由Refgen 18产生且供应到调制器23(以产生用于产生经向上调制感测信号的载波/驱动信号)及ADC(以将经解调感测(电容)信号转换为数字传感器数据)两者的参考。
输入节点B是虚拟接地节点(其中输入节点上的电压由放大器反馈控制件保持为大体上恒定的)，从而大体上消除输入节点B处的寄生电容CparT的影响。输出节点A被驱动(利用低阻抗缓冲驱动器44)，从而大体上消除寄生电容Cpar的影响。因此，跨越Csens的经向上调制感测电容大体上不受Cpar或CparT影响。
奈奎斯特及图像拒斥滤波51用于抑制图像频带对感测电容信号进行解调，从而增加ADC 16的输出处的SNR。
ADC拓扑是设计选择，例如快闪、Σ-Δ或SAR。
额外设计折衷是对可调整/可编程组件(包含CTCV载波/驱动信号路径中的预分频器34及CTCV感测信号路径中的反馈电容器46)的使用。
图2图解说明包含CVCT 214的WCDC 211的实例性替代实施例，其中扩展频谱信号产生器221用于驱动CTCV载波/驱动路径调制器223及CTCV感测信号路径解调器224。除使用扩展频谱载波的设计改变以外，图2的实施例的实例性配置与图1A的实施例相同，包含在CTCV感测信号路径中对电荷放大器(具有电容器反馈)245的使用及对用于转换为数字传感器数据的ADC 16(具有输入滤波器251)的使用。
类似于图1A中的实施例，将来自Refgen 18的参考信号231(电压或电流)输入到由扩展频谱载波信号221驱动的调制器223，从而产生载波/驱动信号232，利用任选预分频234而将所述载波/驱动信号从输出节点A驱动输出235。载波/驱动信号239驱动感测电容器Csens，从而将Csens上的电容向上调制到载波频率。经向上调制感测电容信号241通过输入节点B而耦合到CTCV感测信号路径中。可对经向上调制感测信号241进行EMI滤波243及/或带通滤波244，并接着由电荷放大器245对其进行放大，且由被扩展频谱载波221驱动的解调器224对放大的感测信号248进行解调。对经解调感测信号248进行滤波251，且将其输入到ADC 16(以Refgen 18作为参考)以用于转换为对应于所测量感测电容信号的数字传感器数据。
此实施例对于其中载波产生器可导致对附近电子器件的干扰(例如在电容性传感器具有大的物理尺寸的情况下)的应用是有利的。可使用扩展频谱载波221来减小任何频带中的发射，从而在较宽频带内扩展载波发射，使得所述频带中的任何特定频率下的信号功率减小。由于使用相同扩展频谱载波信号来对放大的感测信号248进行解调，因此对测量准确性不具有影响。然而，如果使用带通滤波，那么带通滤波器应经配置以适应由扩展频谱载波221使用的较宽频带。
图3图解说明WCDC 311的实例性替代实施例，其中将数据转换ADC实施为集成有解调后滤波(奈奎斯特与图像拒斥)351以用于抑制奈奎斯特噪声及载波解调图像的Σ-Δ转换器316。除使用Σ-Δ转换器的设计改变以外，图3的实施例的实例性配置与图1A的实施例相同，包含对固定频率载波321的使用，及在CTCV信号路径中对电荷放大器354(具有电容器反馈346)的使用。
类似于图1A，将来自Refgen 18的参考信号331(电压或电流)输入到由载波(固定频率)信号321驱动的调制器323，从而产生载波/驱动信号332，利用任选预分频334而通过CTCV输出节点A将所述载波/驱动信号驱动输出335。载波/驱动信号339驱动感测电容器Csens，从而将Csens上的电容向上调制到载波频率。经向上调制的感测电容信号341通过输入节点B而耦合到CTCV感测信号路径中。可对经向上调制的感测信号341进行EMI滤波343及/或带通滤波344，并接着由电荷放大器345对其进行放大，且将放大的感测信号348输入到由载波(固定频率)321驱动的解调器324。将经解调感测信号348输入到Σ-Δ转换器316(以Refgen 18作为参考)以用于转换为对应于所测量感测电容信号的数字传感器数据。
较低噪声是Σ-Δ转换的优点，所述Σ-Δ转换将奈奎斯特与图像拒斥滤波351集成为数据转换器的一部分，这是因为Σ-Δ转换器316的第一增益级中的噪声由滤波器减小。
图4、5及6图解说明根据实例性实施例的实施宽带电容感测的宽带电容性感测架构的实例性实施例，所述宽带电容感测适于利用双重感测电容器Csens1/Csens2进行差分电容感测。
图4图解说明经配置以用于利用双重感测电容器Csens1及Csens2进行宽带差分电容感测的WCDC 411的实例性实施例，所述WCDC包含CTCV前端414，所述CTCV前端包含用以产生经调制423差分载波/驱动信号435_1及435_2的载波(固定频率)产生器421，所述经调制差分载波/驱动信号被驱动输出(节点A1及A2)到Csens1/Csens2、将通过求和节点B而输入到CTCV前端的感测(电容)信号向上调制且在带通滤波444及放大445之后从所述载波信号对所述感测信号进行解调424。
图5图解说明WCDC 511(具有差分Csens1/Csens2感测信号输入)的实例性替代实施例，其中将数据转换ADC实施为集成有解调后滤波551以用于抑制奈奎斯特噪声及载波解调图像的Σ-Δ转换器516。
图6图解说明WCDC 611(具有差分Csens1/Csens2电容感测信号输入)的实例性替代实施例，其中扩展频谱载波信号621驱动CTCV载波/驱动信号路径调制器623及CTCV感测信号路径解调器624。
针对这些实例性实施例，除使用差分电容性感测架构(包含产生差分载波/驱动信号及将其驱动输出到差分感测电容器Csens1/Csens2)之外，CTCV感测信号路径还利用跨阻抗放大器(而非图1A、2及3的实施例中所使用的电荷放大器)来实施。如在图1、2及3中的实例性实施例中，额外设计选择包含载波信号产生(固定频率或扩展频谱)及数据转换(例如ADC)。
为进行差分电容性感测，WCDC输出对应于差异Csens1到Csens2的传感器电容数据(在转换为数字之后)。CTCV载波/驱动信号路径产生从相应节点A1/A2输出的同相及反相载波/驱动信号。将差分载波/驱动信号施加到相应感测电容器Csens1/Csens2，从而在每一情形中将所感测电容向上调制到载波频率。
将经向上调制感测信号输入到求和节点B，且在(任选)滤波及放大(具有反馈电阻器的跨阻抗放大器)之后，在CTCV感测信号路径中对所述经向上调制感测信号进行解调。由于所测量电容的任何差分改变会导致将以差分方式感测的电容向上调制到载波频率，因此差分感测电容信号(在求和节点B处被求和)集中于载波附近的窄带中。
图4图解说明根据实例性实施例的利用感测(电容)信号调制的差分宽带电容性感测架构410的实例性实施例。实例性宽带电容性感测架构410利用差分WCDC 411来实施，所述差分WCDC介接到双重感测电容器Csens1及Csens2(12_1及12_2)以用于进行差分电容感测(Csens1到Csens2)。
WCDC 11包含CTCV前端414，所述CTCV前端用于以差分方式驱动双重感测电容器Csens1/Csens2(将传感器电容向上调制到载波频率)，并通过输入求和节点B而捕获差分传感器电容测量且执行滤波(任选)放大及解调以恢复感测电容测量。由ADC 16提供数据转换以将经解调感测电容测量转换为数字传感器数据。
在CTCV载波/驱动信号路径中，将来自Refgen 18的参考信号431(电压或电流)输入到由载波(固定频率)信号421驱动的调制器423，从而产生载波/驱动信号432。针对此实施例，在CTCV感测信号路径中具有跨阻抗放大器的情况下，将积分器433包含于CTCV载波/驱动信号路径中。利用低阻抗缓冲放大器435_1及435_2通过输出节点A1/A2而将经积分载波/驱动信号432(利用任选预分频434)以差分方式驱动为同相载波/驱动信号439_1及反相载波/驱动信号439_2。
将差分载波/驱动信号439_1及439_2供应到差分感测电容器Csens1/Csens2，从而将感测电容向上调制到载波频率。
在CTCV感测信号路径中，在输入求和节点B处对差分感测电容信号进行求和，所述输入求和节点由放大器(跨阻抗)反馈控制件维持为虚拟接地。可对所输入差分感测电容测量441(被向上调制到载波频率)进行EMI滤波443及/或带通滤波444，并接着由跨阻抗放大器445/446对其进行放大，且由被载波421驱动的解调器424对所述所输入差分感测电容测量进行解调。对经解调感测信号448进行滤波451且将其输入到ADC 16(以Refgen 18作为参考)，以用于转换为对应于所测量感测电容信号441的数字传感器数据。
图5图解说明差分WCDC 511的实例性替代实施例，其中将数据转换实施为集成有解调后滤波(奈奎斯特与图像拒斥)551的Σ-Δ转换器516。除使用Σ-Δ转换器的设计改变以外，图5的实施例的实例性配置与图4的实施例相同，包含对固定频率载波521的使用，及在CTCV感测信号路径中对跨阻抗放大器545(具有电阻器反馈546，且在CTCV载波/驱动信号路径中具有积分器533)的使用。
在CTCV载波/驱动信号路径中，将来自Refgen 18的参考信号531(电压或电流)输入到由载波(固定频率)信号521驱动的调制器523，从而产生载波/驱动信号532，所述载波/驱动信号被进行积分533，且接着利用535_1/535_2(利用任选预分频534)通过输出节点A1/A2而将所述载波/驱动信号以差分方式驱动为同相载波/驱动信号539_1及反相载波/驱动信号539_2。
将差分载波/驱动信号539_1/539_2供应到差分感测电容器Csens1/Csens2，从而将感测电容向上调制到载波频率。
通过输入求和节点B而将差分经向上调制感测电容信号耦合到CTCV感测信号路径514中作为经向上调制(差分)感测电容信号541。可对输入(差分)感测电容测量541(被向上调制到载波频率)进行EMI滤波543及/或带通滤波544，并接着由跨阻抗放大器545/546对其进行放大，且由被载波521驱动的解调器524对所述输入(差分)感测电容测量进行解调。
将经解调感测信号548输入到Σ-Δ转换器516(其集成有奈奎斯特及图像拒斥滤波551，且以Refgen 18作为参考)，以用于转换为对应于所测量差分感测电容信号的数字传感器数据。
图6图解说明WCDC 611的实例性替代实施例，其中扩展频谱信号产生器621用于驱动CTCV载波/驱动路径调制器623及CTCV感测信号路径解调器624，从而减小特定频率下的发射。除使用扩展频谱载波的设计改变以外，图6的实施例的实例性配置与图4的实施例相同，包含在CTCV信号路径中对跨阻抗放大器645(具有电阻器反馈646)的使用，及对用于转换为数字传感器数据的ADC 16的使用。
在CTCV载波/驱动信号路径中，将来自Refgen 18的参考信号631(电压或电流)输入到由扩展频谱信号621驱动的调制器623，从而产生载波/驱动信号632，所述载波/驱动信号被进行积分633，且接着利用635_1/635_2(利用任选预分频634)通过输出节点A1/A2而将所述载波/驱动信号以差分方式驱动为同相载波/驱动信号639_1及反相载波/驱动信号639_2。
供应到差分感测电容器Csens1/Csens2的差分载波/驱动信号639_1/639_2将感测电容向上调制到载波频率。
通过输入求和节点B而将差分经向上调制感测电容信号耦合到CTCV感测信号路径614中作为经向上调制(差分)感测电容信号641。可对输入差分感测电容测量641(被向上调制到载波频率)进行EMI滤波643及/或带通滤波644，并接着由跨阻抗放大器645/646对其进行放大，且由被扩展频谱载波621驱动的解调器624对所述输入差分感测电容测量进行解调。如果使用带通滤波，那么带通滤波器644应经配置以适应由扩展频谱载波621使用的较宽频带。
对经解调感测信号648进行滤波651，且将其输入到ADC 16(以Refgen 18作为参考)，以用于转换为对应于所测量感测电容信号的数字传感器数据。
配置根据实例性实施例的宽带电容性感测架构以用于单端或差分电容性感测是设计选择。针对各种实例性实施例的涉及各种众所周知的设计折衷的其它设计选择包含：(a)用于驱动感测电容器的向上调制载波信号的类型(例如固定频率或扩展频谱)；及(b)数据转换方法(例如前面有输入奈奎斯特/图像拒斥滤波器的ADC，或具有经集成奈奎斯特/图像拒斥滤波的Σ-Δ转换器)。
宽带电容性感测架构的优点包含噪声抗扰性及较低功率。噪声抗扰性是由于不将任何取样应用于感测电容器而产生，因此可不发生任何混叠，且由于使用载波，因此可使信息信号移动到具有最小干扰的频带，同时可抑制所有其它频率。在存在大的寄生电容器的情况下，减小功率。为了精确性，过取样数据转换器对于感测应用可为有利的，这是因为由于寄生电容在感测电容器的任一侧上接地，因此可选择具有刚好高于所关注最大频率的频率的载波，从而使谐波的数目最小化，同时仍使得能够使用准确过取样Σ-Δ转换器。
总之，根据实例性实施例的使用感测(电容)信号调制进行的宽带电容性感测可利用以下各项来实施：(a)载波产生电路，其用以产生处于载波频率(例如固定频率或扩展频谱)的载波信号；(b)参考电路，其用以产生参考信号；(c)载波/驱动信号路径电路，其用以通过输出节点而将载波/驱动信号驱动输出，所述载波/驱动信号可用于电容性感测，且所述载波/驱动信号路径电路包含：调制电路，其用以用所述载波信号对所述参考信号进行调制以产生处于所述载波频率的所述载波/驱动信号；及驱动电路，其用以通过所述输出节点而将所述载波/驱动信号驱动输出；及(d)感测信号路径电路，其用以在输入节点处接收对应于来自电容性感测的所测量电容的经向上调制感测电容信号，其中所述感测电容信号基于所述载波/驱动信号而被向上调制到所述载波频率，所述感测信号路径电路包含：放大器电路，其用以产生放大的经向上调制感测电容信号；及解调电路，其用以基于所述载波信号而对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调，从而产生经解调感测电容信号。数据转换器电路用于将所述经解调感测电容信号转换为传感器数字数据，所述数据转换器电路为例如以下各项中的一者：(a)模/数转换器(ADC)，其耦合到输入滤波器，所述输入滤波器提供用于所述经解调感测电容信号的奈奎斯特滤波及载波图像拒斥；或(b)Σ-Δ转换器，其包含输入奈奎斯特滤波及载波图像拒斥。为进行宽带差分电容性感测：(a)载波/驱动信号路径电路产生第一载波/驱动信号及第二载波/驱动信号，所述第一载波/驱动信号及所述第二载波/驱动信号被进行积分且分别通过第一输出节点及第二输出节点被驱动输出到第一感测电容器及第二感测电容器；(b)响应于所述第一载波驱动信号及所述第二载波驱动信号，所述第一感测电容器及所述第二感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的相应第一经向上调制感测电容信号及第二经向上调制感测电容信号；及(c)所述感测信号路径电路在所述输入节点处接收被求和成经向上调制差分感测电容信号的所述第一经向上调制感测电容信号及所述第二经向上调制感测电容信号。
设计选择/修改包含：(a)将电路预分频电路包含于载波/驱动信号路径中，所述预分频电路用以对所述载波/驱动信号进行预分频；(b)将EMI滤波器电路包含于感测信号路径中，所述EMI滤波器电路用以对所述经向上调制感测电容信号进行EMI滤波，及/或将输入带通滤波器电路包含于感测信号路径中，所述输入带通滤波器电路用以对所述经向上调制感测电容信号进行带通滤波，且将经带通滤波感测电容信号提供到所述放大器电路；及(c)利用以下各项中的一者来在感测信号路径中实施放大：电荷放大器，其包含耦合到放大器反相输入的反馈电容器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号；及跨阻抗放大器，其包含耦合到所述放大器反相输入的反馈电阻器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号，其中所述载波/驱动信号路径电路进一步包含用以对所述载波/驱动信号进行积分的积分器。
在权利要求书的范围内，修改在所阐述实施例中是可能的且其它实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种适合用于电容性感测的电路，其包括：
载波产生电路，其用以产生处于载波频率的载波信号；
参考电路，其用以产生参考信号；
载波/驱动信号路径电路，其用以通过输出节点而将载波/驱动信号驱动输出，所述载波/驱动信号可用于电容性感测，所述载波/驱动信号路径电路包含：调制电路，其用以用所述载波信号对所述参考信号进行调制以产生处于所述载波频率的所述载波/驱动信号；及驱动电路，其用以通过所述输出节点而将所述载波/驱动信号驱动输出；及
感测信号路径电路，其用以在输入节点处接收对应于来自电容性感测的所测量电容的经向上调制感测电容信号，其中所述感测电容信号基于所述载波/驱动信号而被向上调制到所述载波频率，所述感测信号路径电路包含：放大器电路，其用以产生放大的经向上调制感测电容信号；及解调电路，其用以基于所述载波信号而对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调，从而产生经解调感测电容信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括：
数据转换电路，其用以将所述经解调感测电容信号转换为数字数据，所述数据转换电路包含：输出滤波器电路，其用以对所述经解调感测电容信号进行滤波，包含奈奎斯特滤波及载波图像拒斥；及模/数转换器ADC电路，其用以将所述经解调感测电容信号数字化，所述ADC以参考信号作为参考。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述数据转换电路包含Σ-Δ转换器，所述Σ-Δ转换器包含用于奈奎斯特噪声及载波图像拒斥的输入滤波。
4.根据权利要求1所述的电路，所述载波/驱动信号路径电路进一步包含用以对所述载波/驱动信号进行预分频的预分频电路。
5.根据权利要求1所述的电路，所述感测信号路径电路进一步包含：
EMI滤波器电路，其用以对所述经向上调制感测电容信号进行EMI滤波；及/或
输入带通滤波器电路，其用以对所述经向上调制感测电容信号进行带通滤波，且将经带通滤波感测电容信号提供到所述放大器电路。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述放大器电路是以下各项中的一者：电荷放大器，其包含耦合到放大器反相输入的反馈电容器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号；及跨阻抗放大器，其包含耦合到所述放大器反相输入的反馈电阻器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号，其中所述载波/驱动信号路径电路进一步包含用以对所述载波/驱动信号进行积分的积分器。
7.根据权利要求1所述的电路，其中用于对所述参考信号进行调制且对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调的所述载波信号是固定频率信号及扩展频谱信号中的一者。
8.根据权利要求1所述的电路，其适于利用第一感测电容器及第二感测电容器进行差分电容性感测，且其中：
所述载波/驱动信号路径电路产生第一载波/驱动信号及第二载波/驱动信号，所述第一载波/驱动信号及所述第二载波/驱动信号被进行积分且分别通过第一输出节点及第二输出节点被驱动输出到所述第一感测电容器及所述第二感测电容器；
响应于所述第一载波驱动信号及所述第二载波驱动信号，所述第一感测电容器及所述第二感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的相应第一经向上调制感测电容信号及第二经向上调制感测电容信号；且
所述感测信号路径电路在所述输入节点处接收被求和成经向上调制差分感测电容信号的所述第一经向上调制感测电容信号及所述第二经向上调制感测电容信号。
9.一种用于电容性感测的系统，其包括：
至少一个感测电容器；
宽带电容/数字转换器WCDC，其包含耦合到所述至少一个感测电容器的底部端子的至少一个输出节点，及耦合到所述感测电容器的顶部端子的输入节点，所述WCDC包含：
载波产生电路，其用以产生处于载波频率的载波信号；
参考电路，其用以产生参考信号；
载波/驱动信号路径电路，其用以产生载波/驱动信号以将其从所述至少一个输出节点输出到所述至少一个感测电容器，所述载波/驱动信号路径电路包含：调制电路，其用以用处于载波频率的所述载波信号对所述参考信号进行调制以产生处于所述载波频率的所述载波/驱动信号；及驱动电路，其用以通过所述至少一个输出节点而将所述载波/驱动信号驱动输出；其中，响应于所述载波/驱动信号，所述至少一个感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的经向上调制感测电容信号；
感测信号路径电路，其用以在所述输入节点处接收所述经向上调制感测电容信号，所述感测信号路径电路包含：放大器电路，其用以产生放大的经向上调制感测电容信号；及解调电路，其用以使用所述载波信号来对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调，从而产生经解调感测电容信号；及
数据转换电路，其用以将所述经解调感测电容信号转换为对应于所测量电容的传感器数据，所述数据转换器以所述参考信号作为参考。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述数据转换器电路是以下各项中的一者：输入滤波器，其耦合到模/数转换器ADC，所述输入滤波器提供用于所述经解调感测电容信号的奈奎斯特滤波及载波图像拒斥；及Σ-Δ转换器，其包含输入奈奎斯特滤波及载波图像拒斥。
11.根据权利要求9所述的系统：
所述载波/驱动信号路径电路进一步包含用以对所述载波/驱动信号进行预分频的预分频电路；及/或
所述感测信号路径电路进一步包含：EMI滤波器电路，其用以对所述经向上调制感测电容信号进行EMI滤波；及/或输入带通滤波器电路，其用以对所述经向上调制感测电容信号进行带通滤波，且将经带通滤波感测电容信号提供到所述放大器电路。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述放大器电路是以下各项中的一者：电荷放大器，其包含耦合到放大器反相输入的反馈电容器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号；及跨阻抗放大器，其包含耦合到所述放大器反相输入的反馈电阻器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号，其中所述载波/驱动信号路径电路进一步包含用以对所述载波/驱动信号进行积分的积分器。
13.根据权利要求9所述的系统，其中用于对所述参考信号进行调制且对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调的所述载波信号是固定频率信号及扩展频谱信号中的一者。
14.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括第一差分感测电容器及第二差分感测电容器，其中：
所述WCDC包含第一输出节点及第二输出节点以及输入求和节点；
所述载波/驱动信号路径电路产生第一载波/驱动信号及第二载波/驱动信号，所述第一载波/驱动信号及所述第二载波/驱动信号被进行积分且分别通过所述第一输出节点及所述第二输出节点而将被驱动输出到所述第一感测电容器及所述第二感测电容器；
响应于所述第一载波驱动信号及所述第二载波驱动信号，所述第一感测电容器及所述第二感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的相应第一经向上调制感测电容信号及第二经向上调制感测电容信号；且
所述感测信号路径电路在所述输入求和节点处接收被求和成经向上调制差分感测电容信号的所述第一经向上调制感测电容信号及所述第二经向上调制感测电容信号。
15.一种用于电容性感测的方法，其适于包含至少一个感测电容器的电容性感测系统，所述方法包括：
产生处于载波频率的载波信号；
产生参考信号；
在载波/驱动信号路径中，产生载波/驱动信号以将其输出到所述至少一个感测电容器，包含：
用所述载波信号对所述参考信号进行调制以产生处于所述载波频率的所述载波/驱动信号，及
将所述载波/驱动信号驱动输出到所述至少一个感测电容器以产生对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的至少一个经向上调制感测电容信号；及
在感测信号路径中：接收对应于来自所述至少一个感测电容器的所测量电容的所述感测电容信号，所述感测电容信号由所述载波/驱动信号向上调制到所述载波频率；放大所述经向上调制感测电容信号；及使用所述载波信号来对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调，从而产生经解调感测电容信号；以及
将所述经解调感测电容信号转换为对应于来自所述至少一个感测电容器的所述感测电容信号的传感器数据。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述经解调感测电容信号转换为传感器数据是由Σ-Δ转换器实现，所述Σ-Δ转换器包含输入奈奎斯特滤波及载波图像拒斥，所述Σ-Δ转换器以所述参考信号作为参考。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
在所述载波/驱动信号路径中，对所述载波/驱动信号进行预分频；及/或
在所述感测信号路径中：在放大之前对所述经向上调制感测电容信号进行EMI滤波；及/或在放大之前对所述经向上调制感测电容信号进行带通滤波。
18.根据权利要求15所述的方法，其中通过以下各项中的一者而实现放大：
电荷放大器，其包含耦合到放大器反相输入的反馈电容器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号；及
跨阻抗放大器，其包含耦合到所述放大器反相输入的反馈电阻器，所述放大器反相输入经耦合以接收所述经向上调制感测电容信号，其中所述载波/驱动信号路径进一步包含对所述载波/驱动信号进行积分。
19.根据权利要求15所述的方法，其中用于对所述参考信号进行调制且对所述放大的经向上调制感测电容信号进行解调的所述载波信号是固定频率信号及扩展频谱信号中的一者。
20.根据权利要求15所述的方法，其适于用于包含第一差分感测电容器及第二差分感测电容器的差分感测系统中，所述方法进一步包括：
在所述载波/驱动信号路径中，产生第一载波/驱动信号及第二载波/驱动信号，分别将所述第一载波/驱动信号及所述第二载波/驱动信号驱动输出到所述第一感测电容器及所述第二感测电容器；
其中，响应于所述第一载波驱动信号及所述第二载波驱动信号，所述第一感测电容器及所述第二感测电容器提供对应于所测量电容且被向上调制到所述载波频率的相应第一经向上调制感测电容信号及第二经向上调制感测电容信号；及
在所述感测信号路径中，将所述第一经向上调制感测电容信号及所述第二经向上调制感测电容信号求和为经向上调制差分感测电容信号。
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