CN109643996A - 电容至电压调制电路 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了电容至电压调制电路的各方面。在一些方面，该电路在触摸感测时使用。在一些方面，一种调制电路包括第一开关对，其具有连接在电压源和电容器之间的一个开关、以及连接在大地和电路的输入之间的另一开关。该电路还包括第二开关对，其具有连接在电压源和电路的输入之间的一个开关、以及连接在大地和电容器之间的另一开关。该电路的第三开关对包括连接在电容器和模数转换器(ADC)的输入之间的一个开关、以及连接在电路的输入和ADC的输入之间的另一开关。第三开关对可以使得由第一和第二开关对调制的信号的电荷共享成为可能，其结果可以用于基于电路的输入处的电容来感测触摸输入。

Description

电容至电压调制电路
技术领域
本公开一般地涉及电容性传感器。
背景技术
该相关技术描述被提供用于一般地呈现随后的本公开的上下文的目的。除非本文另有指示，否则该章节中描述的概念不是本公开的现有技术，并且不因包括在此处而被承认为现有技术。
许多计算和电子设备实施电容性传感器来检测各种输入，例如用户输入的类型。为此，电容性传感器经常包括感测电容器，其电容响应于用户手指的存在而增大。然而，相对于感测电容器的固有电容或自电容(例如，200pF)，由用户手指引起的电容增大通常非常小(例如，1pF)。因此，为了可靠地检测用户手指的存在，与传感器相关联的电路可以被配置为，能够检测相对于传感器的感测电容器或周围结构的高得多的自电容而言的电容的小变化。检测电容的这些小变化被用户携带的电背景噪声和感测电路中固有的电压偏移进一步复杂化，诸如干扰感测电路及其信号的输入偏移电压、温度漂移(电容性或电阻性)、粉红(1/f)噪声、或其他杂散电噪声。
发明内容
在电容至电压调制电路的一些方面，一种调制电路包括第一开关对，其包括连接在电压源和电容器之间的一个开关、以及连接在大地和电路的输入之间的另一开关。该电路还包括第二开关对，其具有连接在电压源和电路的输入之间的一个开关、以及连接在大地和电容器之间的另一开关。电路的第三开关对包括连接在电容器和模数转换器(ADC)的输入之间的一个开关、以及连接在电路的输入和ADC的输入之间的另一开关。
在其他方面，一种调制电路包括第一开关对，其包括连接在电压源和电容器之间的一个开关、以及连接在大地和电路的输入之间的另一开关。该电路还包括第二开关对，其具有连接在电压源和电路的输入之间的一个开关、以及连接在大地和电容器之间的另一开关。电路的第三开关对包括连接在电容器和放大器的输入之间的一个开关、以及连接在电路的输入和放大器的输入之间的另一开关。
在又其他的方面，一种用于扫描指纹的装置包括指纹扫描器、感测电容器、以及触摸感测电路，触摸感测电路具有连接到感测电容器的电极的输入和连接到指纹扫描器的输出。触摸感测电路包括连接在电压源和电容器之间的第一开关、连接在大地和电路的输入之间的第二开关、连接在电压源和电路的输入之间的第三开关、以及连接在大地和电容器之间的第四开关。该电路还包括连接在电容器和电路的输入之间的第五开关。该电路的ADC具有连接到电容器的输入和与解调器的输入连接的输出。解调器的输出连接到比较器的输入，比较器的输出连接到指纹扫描器。
在其他方面，一种用于调制电路输入处的电容指示的电路包括第一开关部件，其用于将电压源连接到电容器并且将电路的输入连接到大地。该电路还包括第二开关部件，其用于将电压源连接到电路的输入并且将电容器连接到大地。电路的第三开关部件被实施用于将电容器连接到模数转换器(ADC)的输入，并且将电路的输入连接到ADC的输入。
附图说明
在附图和随后的详细描述中阐述了各个方面的细节。在附图中，参考标号的最左边数字标识该参考标号首次出现的附图。在该描述或附图中的不同实例中对相同参考标号的使用指示相似的元件：
图1图示了包括支持触摸的计算设备的示例环境。
图2图示了图1中示出的指纹传感器的示例配置。
图3图示了根据一个或多个方面的示例电容至电压调制电路。
图4图示了根据一个或多个方面的另一示例电容至电压调制电路。
图5图示了用于调制信号的示例方法，该信号指示电路输入处的电容量。
图6图示了已经根据一个或多个方面调制和放大的示例信号。
图7图示了用于对触摸输入信号进行斩波以使得触摸输入的检测成为可能的示例方法。
图8图示了包括对电容信号的斩波、反斩波和滤波的示例处理操作。
图9图示了由图8的操作提供的示例信号波形。
图10图示了相对于根据一个或多个方面所调制和滤波的信号的、噪声的示例功率谱密度。
图11图示了用于更改电容信号通过其被调制的频率的示例方法。
具体实施方式
许多计算和电子设备实施电容性传感器以检测各种输入，例如用户输入的类型。为此，电容性传感器经常包括感测电容器，其电容响应于用户手指的接近而增大。然而，相对于感测电容器或周围结构的固有电容或自电容，由用户手指引起的电容增大通常非常小。例如，指纹扫描模块经常包括电容性传感器，以检测用户手指的存在而发起扫描操作。这允许指纹扫描器保持在低功率状态直到检测到用户手指，由此节省功率。然而，指纹扫描模块经常位于基板层之下或包括基板层，该基板层保护指纹扫描器并且提供扫描用户指纹的表面。该基板层(诸如玻璃、环氧树脂、或聚酰亚胺)可以是几百微米厚，并且对电容性传感器的自电容有贡献。
这样，为了可靠地检测用户手指的存在，与传感器相关联的电路可以被配置为，检测相对于设备的传感器或周围结构的高得多的自电容而言的电容的小变化。检测电容的这些小变化被用户携带的电背景噪声和电子电路中固有的电压偏移进一步复杂化，诸如干扰检测电路及其信号的输入偏移电压、温度漂移(电容性或电阻性)、粉红(1/f)噪声、或其他杂散电噪声(例如，充电噪声)。
用于减小触摸输入信号的噪声和偏移的常规技术包括使用冗余感测电容器、差分感测路径、或正弦激励电压。为此，这些技术可能要求附加的电路、对感测电容器的不同电极的访问、或用于正弦激励的复杂数字至模拟电路，其中的每项都增加了触摸感测电路的复杂性或功耗。因此，常规技术增加了感测电路的复杂性和功耗，但是未解决前面提到的感测精度问题中的许多问题，诸如随温度或频率的串联电阻变化和感测电容器变化。
本公开描述了电容至电压(C2V)调制电路的各方面，例如用于感测触摸输入。本文描述的装置和方法可以使得在放大之前并且参考副本电容器对输入电容信号的调制成为可能，其可以提供对漂移偏移(温度或频率)稳健的、对共模噪声有抵抗力的、并且不被参考电压变化所影响或对参考电压变化有抵抗力的输入电容的指示。
在电容至电压调制电路的一些方面，一种电路包括第一开关对，其包括连接在电压源和电容器之间的开关、以及连接在大地和电路的输入之间的另一开关。该电路还包括第二开关对，其具有连接在电压源和电路的输入之间的开关、以及连接在大地和电容器之间的另一开关。该电路的第三开关对包括连接在电容器和模数转换器(ADC)的输入之间的开关、以及连接在电路的输入和ADC的输入之间的另一开关。
第一和第二开关对可以在时钟的交替时段上操作以生成方波，通过该方波，电路和连接到它的感测电容器的输入被调制为电压信号。电路的内部或“副本”电容器可以利用方波的反转被调制，使得内部电容器与感测电容器相反地被充电(或放电)。第三开关对将电容器和输入的相应电压信号进行电荷共享，该输入由ADC参考电压源来采样。ADC和后续的数字信号操作可以去除与电压源相关联的偏移，将信号解调为接近DC，并且滤除高频噪声，以提供更准确地反映在感测电容器处接收的触摸输入的信号。
下面在示例环境、示例调制电路和技术的上下文中描述电容至电压调制电路的这些和其他方面。关于示例环境或电路或其元件作出的任何参考仅通过示例的方式，并且不旨在限制本文描述的任何方面。
示例环境
图1图示了示例环境100，其包括计算设备102。在该示例中，计算设备102被实施为支持触摸的智能电话。尽管未示出，但是计算设备102可以被实施为任何合适的计算或电子设备，诸如调制解调器、蜂窝基站、宽带路由器、接入点、蜂窝电话、游戏设备、导航设备、媒体设备、膝上型计算机、桌面计算机、服务器、网络附接存储(NAS)设备、智能设备、基于车辆的通信系统等。
计算设备102包括处理器104和计算机可读存储介质106(CRM106)。处理器104可以包括任何类型的处理器，诸如应用处理器或多核处理器，其被配置为执行由计算机可读存储介质106存储的处理器可执行代码。CRM 106可以包括任何合适类型的数据存储介质，诸如易失性存储器(例如，随机访问存储器(RAM))、非易失性存储器(例如，闪存)、光学介质、磁介质(例如，磁盘或磁带)等。在本公开的上下文中，CRM 106被实施为存储指令108、数据110、和计算设备102的其他信息，并且因此不包括瞬态传播信号或载波。
计算设备102还包括输入/输出端口112(I/O端口112)、显示器114、和数据接口116。I/O端口112使得与其他设备、网络、或用户的数据交换或交互成为可能。I/O端口112可以包括串行端口(例如，通用串行总线(USB)端口)、并行端口、音频端口，红外(IR)端口等。显示器114呈现计算设备102的图形，诸如与操作系统、程序、或应用相关联的用户界面。
数据接口116提供通向相应网络和与其连接的其他电子设备的连接。数据接口116可以包括有线数据接口、无线数据接口、或其任何合适的组合。计算设备102的示例有线数据接口包括用于通过本地网络、内联网、或互联网进行通信的以太网或光纤接口。替换地或附加地，无线接口可以包括被配置为通过无线网络进行通信的调制解调器或无线电部，无线网络诸如无线LAN、端到端(P2P)、蜂窝网络、和/或无线个域网(WPAN)。
计算设备102还包括指纹模块118，指纹模块118是可以使得用户的识别或认证成为可能的生物计量传感器模块。指纹模块118包括指纹扫描器120、感测电容器122、以及电容至电压调制电路124(C2V调制电路124)。指纹扫描器120检测(例如，通过成像)用户手指的脊和谷以提供数字数据，该数字数据可以用于由计算设备102的安全应用实施的识别和认证操作。指纹扫描器120可以包括任何合适类型的指纹扫描器，诸如光学的、电容性的、或超声波指纹扫描器。替换地或附加地，指纹扫描器120可以嵌入在计算设备102内，诸如在显示器114的触摸屏或设备的其他外表面(例如，金属、塑料、陶瓷、或复合外壳)下方。
在一些方面，感测电容器122和C2V调制电路124使得指纹模块118能够确定用户手指的存在。通过这样做，指纹扫描器120(其比C2V调制电路124消耗更多能量)可以留在低功率状态，以节省计算设备102的能量。感测电容器122可以被实施为具有如下电容的任何合适的结构，该电容响应于与用户或具有不同于空气的电介质的其他物体的接近或接触而变化。C2V调制电路124连接到感测电容器122，并且提供感测电容器122的电容的指示。感测电容器122和C2V调制电路124的实施和使用是变化的，并且在下面更详细地描述。
图2在200处一般地图示了指纹模块118的示例配置。在该特定示例中，指纹模块118位于显示器114的玻璃层202下方。玻璃层202可以包括其他层(未示出)，诸如液晶显示单元、触摸屏堆栈(例如，铟锡氧化物)、或表面涂层(例如，疏水的或疏油的)。指纹模块118包括指纹扫描器120和感测电容器122。这里，指纹扫描器120(或感测电容器122周围的其他结构)的自电容204示出为与感测电容器122的输入电容206平行。感测电容器122的输入电容206随着物体相对于玻璃层202的表面的接近或存在而变化。
通过示例的方式，假设计算设备102被锁定并且处于低功率状态(包括指纹扫描器120)，并且用户希望解锁设备以访问计算设备102。为了经由指纹扫描器120基于用户认证来发起解锁过程，用户将他的手指208放在玻璃层202的表面上。这里，注意用户的手指208还引入由C2V调制电路124接收的背景噪声210。这样，为了检测用户对解锁过程的发起并且激活指纹扫描器120，C2V调制电路测量感测电容器122的输入电容206，同时补偿自电容204、背景噪声210、以及信号和测量误差的其他源。C2V调制电路124如何被实施并且用于测量输入电容是变化的，并且这种实施的各方面在下面更详细地描述。
示例电容至电压调制电路
图3在300处图示了根据一个或多个方面的用于触摸感测的示例电容至电压(C2V)调制电路124。尽管参考与指纹模块118相关联的组件或值被描述，但是该电路的各方面可以与任何合适的电容性元件一起使用。在以下描述中，电路的组件可以被连接(例如，直接地)或者通过一个或多个中间组件可操作地连接。进一步地，电路的信号承载结构或电流承载结构可以实施为任何合适类型的导体，诸如导线、印刷电路板(PCB)迹线、蚀刻的金属层、接触部、网、路径、轨等。这些术语的使用不意味着限制任何电路的配置，而是提供用于描述附图的电路的上下文。
C2V调制电路124可以实施在芯片内或电路管芯上，感测电容器122的电极经由输入302(例如，输入引脚、焊盘、或接触部)连接到该芯片或该电路管芯。如参考图2所描述的，C2V调制电路的输入302还接收背景噪声210，并且被感测电容器122周围结构的自电容204所影响。注意，这些测量误差源不是静态的并且可能随时间而改变。例如，背景噪声210可以基于计算设备102和用户的环境而变化。替换地或附加地，自电容204可以响应于温度的改变而漂移或者在不同的频率上变化。
C2V调制电路124包括与感测电容器122相关联的自电容204的副本电容器304。副本电容器304可以被配置为使得副本电容器304的值近似于指纹扫描器120的自电容204的值、或者实现感测电容器122的电容的另一结构的值。替换地，当副本电容器304的值已知时，感测电容器或元件可以被选择具有近似或匹配的电容量。在一些情况下，副本电容器304的值是可变的或可调节的。例如，副本电容器304的值可以被调整，以匹配(例如，校准)随时间和温度的自电容值。
在C2V调制方面，C2V调制电路124的开关通过将调制或斩波信号施加到输入和副本电容器，来将输入302处和副本电容器304的相应电容转换成信号。在该特定示例中，C2V调制电路124包括交替的调制路径，包括第一开关306和308的第一路径，以及包括第二开关310和312的第二路径。开关可以实施为任何合适类型的开关元件，诸如n型或p型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些开关周期性地对副本电容器304和输入302处的电容进行充电和放电，输入302处的电容包括感测电容器122和自电容204。
例如，开关306基于第一开关时钟314(时钟SW1 314)将副本电容器304连接到参考电压源316(VRef316)，以对副本电容器304充电。开关308还基于第一开关时钟314的相同时段，将输入302连接到大地318，以对输入302处的电压放电。为了视觉清晰，第一开关306和308的调制信号路径示出为在开关和电容器之间的黑色实线。尽管未示出，但是第一开关306和308的相应栅极或驱动器可以连接在一起。第一开关306和308在第一开关时钟314的每隔一个时段上是活动或闭合的，如斩波器时钟320的低时间期间所指示的那样，斩波器时钟320以第一开关时钟的频率的一半进行操作。
在第一开关时钟314的交替时段期间，如由斩波器时钟320的高时间所指示的，第二开关310和312是活动或闭合的，以实施反向调制或斩波信号。例如，开关310基于第一开关时钟314将输入302连接到参考电压源316，以对输入引脚302处的电容充电。开关312还基于第一开关时钟314的相同时段，将副本电容器304连接到大地318，以对副本电容器304的电压放电。为了视觉清晰，第二开关的调制信号路径示出为虚线，其对应于斩波器时钟320的类似标记的高时间。虽然未示出，但是第二开关310和312的相应栅极或驱动器可以连接在一起。
在一些方面，将输入302处和副本电容器304的相应电容转换为斩波器时钟320的频率(例如，125KHz)处的相应电压信号，使得低频噪声(诸如粉红噪声和热噪声)能够被最小化或消除。替换地或附加地，通过使用计入电阻器-电容器(RC)常数和相关联的稳定时间的具有足够长时段的开关时钟，可以减轻开关或信号线中的串联电阻的影响。例如，对于具有500欧姆串联电阻和具有300pF自电容的输入的电路，一微秒的稳定时间将感测误差率降低至0.13％，相对于常规感测电路(3.5％的误差率)的近似27倍的改进。
C2V调制电路124还包括开关322和324的第三集合，其使输入302到副本电容器304的连接成为可能。在一些情况下，这对于将输入302和副本电容器304的相应电压进行电荷共享可能是有效的。开关322和324的第三集合基于第二开关时钟326(时钟SW2 326)是活动或闭合的。与调制开关不同，开关322和324可以在第二开关时钟的连续时段上是活动的。尽管未示出，但是第三开关322和324的相应栅极或驱动器可以连接在一起。如图3中示出的，第一开关时钟314和第二开关时钟326异相180度，这避免了使其他开关提供的调制路径短路。这样，当电容器离开调制电路时，开关322和324的第三集合对输入302和副本电容器304的相应电压进行电荷共享。
在该特定示例中，C2V调制电路124的放大器328在反相输入处接收输入302和副本电容器304之间的电荷共享的结果。放大器328的非反相输入以参考电压330的一半作为参考，这使得对参考电压的漂移的跟踪成为可能。放大器328被配置作为具有反馈电容器332(CFb332)和重置开关334的积分器，重置开关334在第一开关时钟314的高时间期间重置积分。
放大器的输出信号336由C2V调制电路124的模数转换器338(ADC 338)接收，其将输出信号336转换为数字格式以用于后续处理。ADC 338的输出在单位增益块340和反相器块342之间被拆分，以使得对具有绝对值或正值的信号的恢复成为可能。电路的数字解调块344解调数字信号或对数字信号进行反斩波(un-chop)，以恢复指示输入302处的电容的信号。解调块344可以基于具有第一开关时钟314的近似频率的时钟来实施解调操作。换句话说，数字解调块344可以被考虑为数字地实施调制路径开关的镜像，以恢复指示输入302处的电容的信号。
在一些方面，C2V调制电路124包括低通滤波器346，以从解调的信号中去除噪声。低通滤波器346可以实施为任何合适类型的低通滤波器或二阶低通滤波器，诸如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、萨伦-凯滤波器等。经滤波的信号被提供作为C2V调制电路124的输出348(V输出348)，以使得对在感测电容器122处接收的触摸输入的检测成为可能。
图4在400处图示了根据一个或多个方面的用于触摸感测的C2V调制电路124的另一示例。为了简洁，省略了参考图3描述的一些元件的重复描述。尽管有这种省略，但是任一个电路的元件可以被组合、分离、重新布置、或以替换形式实施，以提供根据用于感测触摸的电容至电压调制电路的一个或多个方面的电路。
在该特定示例中，C2V调制电路124实施由开关322和324提供的电荷共享信号的模数转换。这对于节省功率或者防止放大器或前置放大器免于饱和可以是有效的。在一些情况下，参考电压330的一半也被转换为数字信号。在这样的情况下，这使得参考电压316的漂移能够被ADC 338或者ADC 338下游的其他数字信号处理块所补偿。
电容至电压调制技术
以下电容至电压调制技术可以使用示例环境、组件、或电路的任何先前描述的元件来实施。对元件(诸如感测电容器122、输入302、副本电容器304、开关306-312、放大器328、或ADC 338)的引用仅通过示例作出，并且不旨在限制可以实施这些技术的方式。在一些实施例中，电容至电压调制被用于触摸感测。
参考图5、图7和图11中图示的示例方法来描述这些技术，图5、图7和图11被描绘作为可以由本文描述的实体执行的操作或动作的相应集合。所描绘的操作集合说明了可以实施这些技术的许多方式中的几种方式。这样，方法的操作可以被重复、组合、分离、省略、以交替顺序执行、并发地执行、或者与其另外的方法或操作结合使用。
图5图示了用于调制信号的示例方法500，该信号指示电路的输入处的电容量。本文描述的操作可以使用任何合适的电路或组件来执行，该电路或组件可以提供用于实施操作中的一个或多个操作的部件。在一些情况下，操作由装置(例如，ADC、数字信号处理器(DSP)、或微控制器)执行，该装置被配置为对使得触摸感测成为可能的信号进行调制、解调、或滤波。在这样的情况下，由装置的处理器执行的指令可以使得装置执行操作。
在502处，该方法包括：将第一电容器连接到电压源。第一电容器可以是副本电容器或连接到触摸感测电路的输入的感测电容器。在一些情况下，第一电容器基于时钟被连接到电压源。在这样的情况下，第一电容器可以在时钟的每隔一个周期或时段期间被连接到电压源。
通过示例的方式，考虑C2V调制电路124的感测电容器122和副本电容器304。参考图6的600处示出的时钟和电压波形，在第一开关时钟314的第一时段期间，开关306将副本电容器304连接到参考电压源316。这使得副本电容器304的电压604在第一开关时钟314的第一时段期间增大。
在504处，该方法包括：将第二电容器连接到大地或接地轨。第二电容器可以是副本电容器或连接到触摸感测电路的输入的感测电容器。在一些情况下，第二电容器基于时钟被连接到大地。在这样的情况下，第二电容器可以在时钟的每隔一个周期或时段期间被连接到大地。
在本示例的上下文中，在第一开关时钟314的第一时段期间，开关308将C2V调制电路124的输入302连接到大地318。这对于在第一开关时钟314的第一时段期间对自电容204和感测电容器122的电压604放电是有效的。
在506处，该方法包括：将第一电容器连接到第二电容器，以对电容器的相应电压进行电荷共享。在连接第一和第二电容器之前，该方法还可以包括：将第一电容器从电压源断开或将第二电容器从大地断开。在一些情况下，第一时钟分别控制第一和第二电容器从电压源和大地的断开。在这样的情况下，第二时钟可以控制第一电容器与第二电容器的连接以实施电荷共享。第一和第二时钟在相位上可以相异近似180度，使得电容器在电荷共享操作期间从参考电压和大地断开。替换地或附加地，时钟中的一个时钟可以通过反转另一时钟来实施，使得两个时钟的操作可以通过改变时钟中的一个时钟来控制。
当第一和第二电容器在电荷共享之前被相反地充电时，电荷共享的结果可以接近电容器中的一个电容器被充电到的参考电压的一半。替换地或附加地，副本电容器可以被调整或校准以具有近似于自电容204的电容。通过这样做，C2V调制电路可以补偿自电容204随时间或温度的漂移。
继续进行中的示例，在第一开关时钟314的第一时段的低部分期间，开关306和308开路。这使副本电容器304从参考电压316断开，并且感测电容器122从大地318断开。如在600处示出的，第二开关时钟326与第一开关时钟314异相180度，使得当电容器从参考电压源和大地断开时，开关322和324连接副本电容器304和感测电容器122。
可选地，在508处，该方法包括：放大第一和第二电容器的共享的电荷。接收电容器的共享电荷的放大器可以用参考电压的一部分作为参考，诸如参考电压的一半。通过这样做，放大器可以补偿参考电压的偏移，提供无偏移的输出信号。
总结本示例，C2V调制电路300的放大器328放大了副本电容器304和感测电容器122之间的电荷共享的结果，感测电容器122还包括自电容204。这里，假设副本电容器304已经被调整或校准以近似于指纹扫描器的自电容204。通过补偿参考电压偏移和自电容204，放大器328提供输出信号336，输出信号336指示输入电容206除以放大器328的反馈电容器332的变化。
可选地，在510处，该方法包括：对第一和第二电容器的共享电荷进行采样。共享电荷可以由模数转换器或者微控制器或DSP的模拟至数字输入来采样。在一些情况下，ADC或采样组件接收参考电压源316的指示，这可以使得ADC或后续数字处理组件能够补偿参考电压316的偏移。类似于放大器的输出信号336，ADC或采样组件可以提供指示输入电容206的变化的数字信号，其针对自电容204或参考电压316的偏移被补偿。
从操作508或操作510，方法500可以返回到操作502，以实施感测电容器122和副本电容器304的另一充电和放电周期。在一些情况下，充电和放电周期基于斩波器时钟320被交替，以调制感测电容器122和副本电容器304的相应电容。通过这样做，低频噪声(诸如参考电压偏移、温度漂移、和粉红噪声)可以从放大器328或ADC 338的输出中被去除。放大器的输出信号336或ADC的输出然后可以被解调，并且经由低通滤波器被滤波以去除较高频噪声。得到的信号可以与阈值进行比较，以检测感测电容器122处的触摸输入。
图7图示了用于对触摸输入信号进行斩波以使得对触摸输入的检测成为可能的示例方法700。本文描述的操作可以使用任何合适的电路或组件来执行，诸如C2V调制电路124、ADC 338、解调块344、或低通滤波器346。
在702处，该方法包括：接收感测电容器的电容信号。电容信号可以是低频或接近DC，诸如10Hz或更小。通过示例的方式，考虑图8，其图示了示例信号处理操作以及时域和频域两者中的信号。电容信号802被接收，其具有近似5Hz的频谱。
在704处，该方法包括：对电容信号进行斩波，以将电容信号转换为更高频率电压信号。电容信号可以在任何合适的频率(诸如50KHz至250KHz)处被斩波或调制。在一些情况下，通过在大地和参考电压之间切换感测电容器，信号经由方波被斩波。通过这样做，可以避免使用正弦波形，因此排除对于功率饥渴的数字至模拟组件或混合组件的需要。这样，C2V调制电路124可以实施为用于检测电容性触摸输入的低功率解决方案。
在804处示出了示例斩波操作，其将电容信号转换为更高频率电压信号，由此在频域中将信号的频谱移动而远离DC。图9图示了附加信号，其中触摸输入相对于触摸输入的不存在而被接收。这里，相对于10pF的经斩波的电容信号(例如，手指按压)示出了零pF的经斩波的电容902。
返回到图8，相对于经斩波的信号的频谱示出了噪声806(例如，单音噪声)的示例。这里，注意噪声806的幅度大于经斩波的电容信号的幅度。该信号的另一示例在906处示出，其中经斩波的电容信号908包括噪声，诸如由开关模式电源或电池充电电路所引起的噪声。
在706处，该方法包括：对电压信号进行反斩波，以使信号返回到较低频率。在一些情况下，对电压信号进行反斩波可以包括电荷共享、放大、或模数转换操作。例如，C2V调制电路124可以实施斩波和反斩波操作，以将信号返回到较低频率。在至少一些方面，电压信号的反斩波或解调基于信号被斩波或调制的频率来执行。通过这样做，低频和其他噪声可以在信号被反斩波之后被去除或抑制。
如图8中图示的，反斩波操作808将电容信号返回到较低频率。这里，注意噪声806仍然跨频谱的较高频率而扩散。返回到图9，相对于用于触摸输入不存在的经反斩波的信号912，示出了与触摸输入相关联的经反斩波的信号910的示例。不具有经斩波的信号904上的噪声，反斩波提供了用于检测触摸输入的干净的经反斩波的信号912。如在914处示出的，当有噪声的经斩波的信号908被反斩波时，噪声存在于经反斩波的信号中，但是在更高的频率处。
在708处，该方法包括：利用低通滤波器对电压信号进行滤波，以从信号中去除噪声。低通滤波器可以是任何合适的低通滤波器或二阶低通滤波器，诸如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、萨伦-凯滤波器等。在图8的上下文中，实施低通滤波器(LPF)的滤波器操作810滤除频谱的较高频率处的噪声806，这提供用于检测触摸输入的低频信号。
返回到图9，与触摸输入相关联的经滤波的电容信号916产生如下的信号，该信号比指示触摸输入不存在的经滤波的电容信号918大近似10mV。类似地，当有噪声的经反斩波的信号914被滤波时，具有经抑制的噪声的经滤波的电容信号920比基线经滤波的电容信号918大近似10mV。因此，斩波操作、反斩波操作和滤波操作对抑制噪声(特别是那些与斩波频率不同的噪声)可以是有效的。
通过示例的方式，考虑图10，其中噪声(例如，充电器噪声)的功率谱密度在1000处示出。这里，触摸电容信号1002在斩波频率(例如，125KHz)及其谐波处具有高于噪声峰值1004近似15dB的余量。然而，在其他频率处，C2V调制信号提供超过60dB的噪声余量。如此，改变斩波或调制频率可以增大C2V调制电路对噪声的抗扰度。
在710处，该方法包括：将经滤波的信号与预定义阈值进行比较，以检测触摸输入。经滤波的信号可以经由任何合适的逻辑(诸如连接到滤波器的输出的模拟或数字比较器)与阈值进行比较。当经滤波的信号的电压超过预定义阈值时，触摸输入被检测到。触摸输入的指示然后可以被传输到其他实体，诸如指纹扫描器的功率管理引脚或用户输入应用编程接口(API)。
在一些方面，用于检测触摸输入的预定义阈值基于触摸输入不存在时的电容信号而被校准或设置。例如，当设备发起操作时，与触摸感测电路相关联的控制器可以捕获电容信号的样本，以确定指示触摸输入不存在的基线电压。预定义阈值然后可以被设置为从基线电压的偏移或基线电压的百分比。替换地或附加地，预定义阈值的校准可以周期性地或以随机间隔被重复，以计入温度漂移或其他DC偏移。
图11图示了用于更改频率的示例方法1100，电容信号通过该频率被调制。本文描述的操作可以使用任何合适的电路或组件来执行，诸如C2V调制电路124、或者与其相关联的DSP或微控制器。
在1102处，该方法包括：对指示第一频率处的电容的信号进行调制。该信号可以通过将调制信号施加到感测电容器来生成，感测电容器诸如连接到触摸感测电路的输入的感测电容器。在一些情况下，该调制是由斩波器电路生成的方波，该斩波器电路以方波的频率的一半对信号进行斩波。触摸输入可以基于通过对经调制的信号进行解调和/或滤波所提供的信号来感测。
可选地，在1104处，该方法包括：检测接近第一频率的噪声。该噪声可以基于任何合适的标准来检测，诸如通过触摸输入的校准或虚假检测。在一些情况下，频率的指示从设备的另一组件接收，诸如充电电路或存储器控制器。噪声可以响应于以下而被检测：确定该另一组件操作的频率或其谐波接近信号被调制的频率。
可选地，在1106处，该方法包括：对信号调制达一定时间量。该方法可以将信号调制预定的时间量或随机的时间量。该时间量可以有效地被改变，以避免特定频率处的噪声，或者以将信号调制电路的功率谱密度分布在更宽的频率范围上。
在1108处，该方法包括：更改第一频率以提供用于调制电容信号的第二频率。响应于检测到噪声或者在上述时间量之后，第一频率被更改以提供第二频率。第二频率可以基于预定义的偏移被预定义，或者随机地被确定。例如，第一频率可以被递增或递减预定义的偏移以提供第二频率。替换地或附加地，伪随机跳频可以通过随机地改变第一频率或者为第二频率选择随机频率来实施。
在1110处，该方法包括：对指示第二频率处的电容的信号进行调制。这可以包括更改信号通过其被调制的时钟信号。例如，可编程时钟发生器，诸如延迟锁定环(DLL)或锁相环(PLL)，可以被设置或配置以提供第二频率处的时钟信号。通过以不同频率调制电容信号，噪声可以被避免，由此提高触摸感测电路的精度。
从操作1110，该方法可以返回到操作1104或操作1106。因此，该方法可以重复地或连续地更改或改变电容信号被调制的频率。通过这样做，跳频可以被实施以改进触摸感测电路的抗噪性。替换地或附加地，由调制电路(诸如C2V调制电路)生成的噪声可以被分布或扩展在更宽的频率范围上。
尽管以特定于结构特征或方法操作的语言描述了主题，但是将理解，所附权利要求中限定的主题不必然限于上面描述的具体特征或操作，包括不必然限于特征被布置的组织或操作被执行的顺序。

Claims (25)

1.一种用于调制信号的电路，所述电路包括：
第一开关对，其包括连接在电压源和电容器之间的一个开关、以及连接在大地和所述电路的输入之间的另一开关；
第二开关对，其包括连接在所述电压源和所述电路的所述输入之间的一个开关、以及连接在大地和所述电容器之间的另一开关；以及
第三开关对，其包括连接在所述电容器和模数转换器(ADC)的输入之间的一个开关、以及连接在所述电路的所述输入和所述ADC的所述输入之间的另一开关。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述ADC的所述输入是第一输入，所述ADC至少包括所述第一输入和第二输入，并且所述第二输入连接到所述电压源。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述ADC的所述输入是第一输入，所述ADC至少包括所述第一输入和第二输入，并且所述第二输入连接到具有电压的另一电压源，所述电压是所述电压源的电压的一部分。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述另一电压源的所述电压近似为所述电压源的所述电压的一半。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路的所述输入连接到另一电容器，并且所述另一电容器具有与所述电容器的电容近似相等的电容。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一开关对在时钟的第一时段期间闭合，并且所述第二开关对在所述时钟的第二时段期间闭合，所述第一时段和所述第二时段是所述时钟的不同时段。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述第三开关对在所述时钟的至少两个连续时段期间闭合。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一开关对的相应栅极连接在一起，所述第二开关对的相应栅极连接在一起，或者所述第三开关对的相应栅极连接在一起。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述信号指示在所述电路的所述输入处的电容量。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述ADC可操作地连接到解调器，并且所述解调器连接到二阶低通滤波器。
11.根据权利要求10所述的电路，其中所述二阶低通滤波器包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、或萨伦-凯滤波器之一。
12.一种用于调制信号的电路，所述电路包括：
第一开关对，其包括连接在电压源和电容器之间的一个开关、以及连接在大地和所述电路的输入之间的另一开关；
第二开关对，其包括连接在所述电压源和所述电路的所述输入之间的一个开关、以及连接在大地和所述电容器之间的另一开关；以及
第三开关对，其包括连接在所述电容器和放大器的输入之间的一个开关、以及连接在所述电路的所述输入和所述放大器的所述输入之间的另一开关。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述放大器的所述输入是所述放大器的第一输入，所述放大器包括所述第一输入和第二输入，并且所述放大器的所述第二输入连接到具有电压的另一电压源，所述电压近似为所述电压源的电压的一半。
14.根据权利要求12所述的电路，其中所述电容器是第一电容器，并且所述电路还包括连接在所述放大器的所述输入和所述放大器的输出之间的第二电容器。
15.根据权利要求14所述的电路，还包括连接在所述放大器的所述输入和所述放大器的所述输出之间的附加开关。
16.根据权利要求15所述的电路，其中所述第三开关对基于第一时钟闭合，所述附加开关基于第二时钟闭合，并且所述第一时钟的相位与所述第二时钟的相位相差近似180度。
17.根据权利要求12所述的电路，其中所述第一开关对或所述第二开关对基于第一时钟闭合，所述第三开关对基于第二时钟闭合，并且所述第一时钟的相位与所述第二时钟的相位相差近似180度。
18.根据权利要求12所述的电路，其中所述放大器的所述输出连接到模数转换器(ADC)的输入。
19.根据权利要求18所述的电路，其中所述ADC的输出连接到解调器的输入，并且所述解调器的所述输出连接到二阶低通滤波器。
20.根据权利要求12所述的电路，其中所述第一开关对的栅极连接在一起，所述第二开关对的栅极连接在一起，并且所述第三开关对的栅极连接在一起。
21.根据权利要求12所述的电路，其中所述开关、电压源、大地、以及所述放大器的所述输入之间的连接是没有中间组件的直接连接。
22.根据权利要求12所述的电路，其中所述电路被包括在用于扫描指纹的装置中。
23.一种电路，所述电路用于调制所述电路的输入处的电容的指示，所述电路包括：
第一开关部件，用于将电压源连接到电容器，并且将所述电路的所述输入连接到大地；
第二开关部件，用于将所述电压源连接到所述电路的所述输入，并且将所述电容器连接到大地；以及
第三开关部件，用于将所述电容器连接到模数转换器(ADC)的输入，并且将所述电路的所述输入连接到所述ADC的所述输入。
24.根据权利要求23所述的电路，其中所述第一开关部件在时钟的一个时段期间是活动的，并且第二开关部件在所述时钟的另一时段期间是活动的，在所述另一时段期间所述第一开关部件不是活动的。
25.根据权利要求23所述的电路，还包括连接到所述ADC的输出的解调部件和连接到所述解调部件的输出的滤波部件。
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