CN109766031A - 用于量化噪声限制传感器装置的模拟前端(afe) - Google Patents

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Abstract

一种用于输入设备的模拟前端(AFE)包括电流传送器以及可切换地耦合到电流传送器的模数转换器(ADC)。电流传送器配置成接收来自多个传感器电极的输入信号。当ADC耦合到电流传送器时，ADC生成与输入信号的数字表示对应的输出值。此外，当ADC与电流传送器去耦合时，ADC可至少部分基于ADC的状态而选择性地调整输出值。在一些实现方式中，ADC可包括Δ‑∑调制器，其配置成在ADC与电流传送器去耦合时生成附加样本。ADC可基于附加样本来确定输出值的量化误差量，并且在量化误差超过阈值量时调整输出值。

Description

用于量化噪声限制传感器装置的模拟前端(AFE)
技术领域
本实施例总体上涉及电容性感测，以及具体来说涉及减轻电容性感测电路中的量化噪声。
背景技术
包括接近传感器设备(通常又称作触摸板或触摸传感器设备)的输入设备广泛用于多种电子系统中。接近传感器设备典型地包括常常通过输入表面来区分的感测区，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。接近传感器设备可用来为电子系统提供界面。例如，接近传感器设备常常用作用于较大计算系统的输入设备(诸如笔记本或台式计算机中集成的或者作为其外设的不透明触摸板)。接近传感器设备还常常用于较小计算系统中(诸如蜂窝电话中集成的触摸屏)。
接近传感器可通过检测感测区中的电场和/或电容的改变进行操作。例如，感测区可包括多个导体，其能够配置成发射和/或接收电信号。信号然后能够用来测量各个导体对之间的电容性耦合。“基线”表示当感测区中不存在外部对象时的导体对的期望电容。与感测区相接触(或紧邻)的对象可(例如，从基线)更改导体的有效电容。因此，跨一个或多个导体对的电容的所检测改变可发信号通知感测区中的对象的存在和/或位置。
发明内容
提供本发明内容来以简化形式介绍概念的选择，其在下面在具体实施方式中进一步描述。本发明内容不意在确定要求保护主题的关键特征或本质特征，也不意在限制要求保护主题的范围。
公开一种降低量化噪声限制传感器装置的功率消耗的方法。该方法可由输入设备的模拟前端(AFE)来执行。AFE包括电流传送器以及可切换地耦合到电流传送器的模数转换器(ADC)。电流传送器配置成接收来自多个传感器电极的输入信号。当ADC耦合到电流传送器时，ADC生成与输入信号的数字表示对应的输出值。此外，当ADC与电流传送器去耦合时，ADC可至少部分基于ADC的状态选择性地调整输出值。
在一些实施例中，AFE可包括切换电路，以选择性地将ADC耦合到电流传送器。在一些方面，切换电路可在采样间隔期间将ADC耦合到电流传送器。在其它方面，切换电路可在采样间隔终止时将ADC与电流传送器去耦合。例如，当AFE配置成操作在低功率模式中时，采样间隔可对应于电容性感测操作的时长(例如，突发时长)。
ADC可包括Δ-∑调制器和抽取滤波器。Δ-∑调制器可配置成至少部分基于所接收输入信号来生成样本系列。抽取滤波器可配置成当ADC耦合到电流传送器时将样本系列转换成输出值。在一些实施例中，Δ-∑调制器还可配置成在ADC与电流传送器去耦合时生成附加样本。ADC可基于附加样本来确定输出值的量化误差量，并且可在量化误差超过阈值量时调整输出值。在一些方面，抽取滤波器可包括升降计数器，其配置成在量化误差超过阈值量时使输出值递增，并且在量化误差不超过阈值量时维持输出值。
Δ-∑调制器还可包括积分器和反馈数模转换器(DAC)。在一些实施例中，ADC可配置成在生成样本系列中的第一样本之前将反馈DAC与积分器去耦合。当阈值周期已经过去时，在接收来自电流传送器的输入信号之后，ADC可将反馈DAC耦合到积分器。例如，阈值周期可至少部分基于Δ-∑调制器的采样频率以及用来控制采样频率的时钟信号的归零时间。
附图说明
本实施例作为举例示出，而不意在受到附图的各图所限制。
图1示出在其内可实现本实施例的示例输入设备。
图2示出描绘根据一些实施例的输入设备的至少一部分的模拟前端(AFE)的电路图。
图3示出根据一些实施例的模数转换器(ADC)的框图。
图4示出根据一些实施例的具有量化噪声(QN)调整电路的AFE的电路图。
图5示出图示图4中描绘的AFE的示例操作的时序图。
图6示出根据一些实施例的具有QN调整能力的输入设备的框图。
图7示出描绘按照一些实施例的用于选择性地调整模数转换器(ADC)的数字输出的示例操作的说明性流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述诸如特定部件、电路和过程的示例的许多特定细节，以提供对本公开的透彻理解。如本文所使用的术语“耦合”意味着直接连接或者通过一个或多个中间部件或电路来连接。同样地，在以下描述中并且为了解释的目的，阐述特定术语，以提供对本公开的方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以不要求这些特定细节来实践示例实施例。在其它情况下，熟知的电路和设备以框图形式示出，以免使本公开难理解。以下具体实施方式的一些部分根据对计算机存储器内的数据位的操作的过程、逻辑块、处理和其它符号表示来呈现。电路元件或软件块之间的互连可示为总线或者单信号线。总线中的每个可以可替换地是单信号线，并且单信号线中的每个可以可替换地是总线，以及单线或总线可表示用于部件之间的通信的许多物理或逻辑机制中的任一个或多个。
除非如从以下讨论中显而易见的那样另加明确说明，否则要理解的是，贯穿本申请，利用诸如“访问”、“接收”、“发送”、“使用”、“选择”、“确定”、“归一化”、“相乘”、“求平均”、“监测”、“比较”、“应用”、“更新”、“测量”、“导出”等的术语的讨论表示计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，所述计算机系统或类似电子计算设备操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据并将其变换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或者其它这种信息存储器、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
本文所描述的技术可以以硬件、软件、固件或者它们的任何组合来实现，除非具体描述为以特定方式来实现。描述为模块或部件的任何特征还可在集成逻辑设备中一起实现或者作为分立但彼此协作的逻辑设备分离地实现。如果以软件实现，则技术可至少部分通过包含指令的非瞬态计算机可读存储介质来实现，所述指令在被执行时执行上述方法中的一个或多个。非瞬态计算机可读存储介质可形成计算机程序产品的部分，其可包括封装材料。
非瞬态处理器可读存储介质可包括随机存取存储器(RAM)(诸如同步动态随机存取存储器(SDRAM))、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、FLASH存储器、其它已知存储介质等。技术附加地或可替换地可至少部分通过处理器可读通信介质来实现，所述处理器可读通信介质携带或传递采取指令或数据结构的形式并且能够由计算机或另一处理器来访问、读取和/或执行的代码。
结合本文所公开实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和指令可由一个或多个处理器来执行。如本文所使用的术语“处理器”可表示任何通用处理器、常规处理器、控制器、微控制器和/或能够执行存储器中存储的一个或多个软件程序的脚本或指令的状态机。
图1示出其内可实现本实施例的示例输入设备100。输入设备100包括处理系统110和感测区120。输入设备100可配置成向电子系统(为了简洁起见而未示出)提供输入。电子系统的示例可包括个人计算设备(例如，台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA))、复合输入设备(例如，物理键盘、操纵杆和按键开关)、数据输入设备(例如，遥控器和鼠标)、数据输出设备(例如，显示屏幕和打印机)、远程终端、信息站、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携游戏设备等)、通信设备(例如，诸如智能电话的蜂窝电话)和媒体设备(例如，记录器、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。
在一些方面，输入设备100可实现为对应电子系统的物理部分。可替换地，输入设备100可在物理上与电子系统分离。输入设备100可使用各种有线和/或无线互连和通信技术、诸如总线和网络来耦合到电子系统的部件(并且与其通信)。示例技术可包括集成电路间(I2C)、串行外围接口(SPI)、PS/2、通用串行总线(USB)、Bluetooth®、红外数据关联(IrDA)以及由IEEE 802.11标准所定义的各种射频(RF)通信协议。
在图1的示例中，输入设备100可对应于(例如，又称作“触摸板”、“触摸传感器设备”或“接近传感器设备”的)位置传感器设备，其配置成感测由一个或多个输入对象140在感测区120中提供的输入。示例输入对象140包括手指、触控笔等。感测区120可涵盖输入设备100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中输入设备100能够检测(诸如由一个或多个输入对象140所提供的)用户输入。感测区120的大小、形状和/或位置(例如，相对于电子系统)可取决于实际实现方式而变化。
在一些实施例中，感测区120可在空间中沿一个或多个方向从输入设备100的表面延伸，例如，直到传感器的信噪比(SNR)下降到适合于对象检测的阈值之下。例如，感测区120沿特定方向所延伸到的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或以上，并且可随所使用的感测技术的类型和/或预期的精度而变化。在一些实施例中，感测区120可检测输入，所述输入涉及与输入设备100的任何表面没有物理接触、与输入设备100的输入表面(例如，触摸表面和/或屏幕)的接触、以某个量的施加力或压力与输入设备100的输入表面耦合的接触和/或它们的任何组合。
在一些实施例中，输入表面可由输入设备100的壳体的一个或多个表面来提供和/或投影到其上(例如，作为图像)。例如，感测区120在投影到输入设备100的输入表面上时可具有矩形形状。在一些方面，输入可通过跨越感测区120中的一维、二维、三维或更高维空间的图像来提供。在一些其它方面，输入可通过沿着感测区120中的特定轴或平面的投影来提供。更进一步，在一些方面，输入可通过感测区120中的图像和投影的组合来提供。
输入设备100可利用各种感测技术来检测用户输入。示例感测技术可包括电容性感测技术、倒介电性感测技术、电阻性感测技术、电感性感测技术、磁性感测技术、声学感测技术、超声感测技术和光学感测技术。在一些实施例中，输入设备100可利用电容性感测技术来检测用户输入。例如，感测区120可包括一个或多个电容性感测元件121(例如，传感器电极)以创建电场。输入设备100可基于感测元件121的电容的改变来检测输入。例如，与电场相接触(或者紧邻)的对象可引起感测元件121中的电压和/或电流的改变。电压和/或电流的这样的改变可作为指示用户输入的“信号”来检测。感测元件121可按照阵列或其它配置来布置，以检测感测区120内的多个点处的输入。在一些方面，一些感测元件121可欧姆地短接在一起，以形成较大传感器电极。一些电容性感测技术可利用电阻片，其提供均匀电阻层。
示例电容性感测技术可基于“自电容”(又称作“绝对电容”)和/或“互电容”(又称作“跨电容”)。绝对电容感测方法检测感测元件121中的一个或多个与输入对象之间的电容性耦合的改变。例如，感测元件121中的一个或多个附近的输入对象可更改感测元件121附近的电场，因而改变感测元件121的两个或更多传感器电极之间的所测量电容性耦合。在一些实施例中，输入设备100可通过相对于参考电压调制传感器电极并且检测传感器电极与输入对象之间的电容性耦合，来实现绝对电容感测。参考电压可以是基本上恒定的或者可变化。在一些方面，参考电压可对应于接地电位。
跨电容感测方法检测传感器电极之间的电容性耦合的改变。电容性耦合的改变可在两个不同感测元件121中的传感器电极之间或者在同一感测元件121中的两个不同传感器电极之间。例如，传感器电极附近的输入对象可更改传感器电极之间的电场，因而改变传感器电极的所测量电容性耦合。在一些实施例中，输入设备100可通过检测一个或多个“发射器”传感器电极和一个或多个“接收器”传感器电极之间的电容性耦合，来实现跨电容感测。发射器传感器电极可相对于接收器传感器电极来调制。例如，发射器传感器电极可相对于参考电压来调制以发射信号，而接收器传感器电极可保持在比较恒定的电压以“接收”所发射信号。由接收器传感器电极所接收的信号可受到(例如，来自其它电磁信号和/或与传感器电极相接触或紧邻的对象的)环境干扰影响。在一些方面，各传感器电极可以是专用发射器或者专用接收器。在其它方面，各传感器电极可配置成进行发射和接收。
处理系统110可配置成操作输入设备100的硬件，以检测感测区120中的输入。在一些实施例中，处理系统110可控制一个或多个传感器电极来检测感测区120中的对象。例如，处理系统110可配置成经由一个或多个发射器传感器电极来发射信号，并且经由一个或多个接收器传感器电极来接收信号。在一些方面，处理系统110的一个或多个部件可例如与输入设备100的感测元件紧邻地并存。在其它方面，处理系统110的一个或多个部件可在物理上与输入设备100的感测元件分离。例如，输入设备100可以是耦合到计算设备的外设，以及处理系统100可实现为由计算设备的中央处理单元(CPU)所执行的软件。在另一个示例中，输入设备100可在物理上集成在移动设备中，以及处理系统110可至少部分对应于移动设备的CPU。
在一些实施例中，处理系统110可实现为模块的集合，其以固件、软件或者其组合来实现。示例模块包括：硬件操作模块，用于操作诸如传感器电极和显示屏幕之类的硬件；数据处理模块，用于处理诸如传感器信号和位置信息之类的数据；以及报告模块，用于报告信息。在一些实施例中，处理系统110可包括：传感器操作模块，配置成操作感测元件以检测感测区120中的用户输入；识别模块，配置成识别诸如模式改变手势之类的手势；以及模式改变模块，用于改变输入设备100和/或电子系统的操作模式。
处理系统110可通过触发一个或多个动作来响应于感测区120中的用户输入。示例动作包括改变输入设备110的操作模式和/或诸如光标移动、选择、菜单导航等的图形用户界面(GUI)动作。在一些实施例中，处理系统110可向电子系统(例如，向电子系统的CPU)提供与所检测输入有关的信息。电子系统然后可处理从处理系统110所接收的信息，以执行附加动作(例如，改变电子系统的模式和/或GUI动作)。
处理系统110可操作输入设备100的感测元件，以产生指示感测区120中的输入(或者没有输入)的电信号。处理系统110可对电信号执行任何适当量的处理，以转化或生成提供给电子系统的信息。例如，处理系统110可数字化经由传感器电极所接收的模拟信号，和/或对所接收信号执行滤波或调节。在一些方面，处理系统110可减去或者以其它方式计及与传感器电极相关联的“基线”。例如，基线可表示当没有检测到用户输入时的传感器电极的状态。在一些实施例中，处理系统110还可确定所检测输入的位置信息。如本文所使用的术语“位置信息”表示描述或者以其它方式指示(例如，在感测区120内的)所检测输入的位置或定位的任何信息。示例位置信息可包括绝对位置、相对位置、速度、加速度和/或其它类型的空间信息。
要注意的是，输入设备100可经历长空闲周期，在所述周期期间，在感测区120中没有检测到输入对象。为了保存电力，输入设备100可在这样的不活动周期期间操作在低功率模式。例如，输入设备100可在针对至少阈值时长尚未检测到用户输入时解激活其电容性感测电路(包括传感器电极121和/或处理系统110的各种部件)。然而，输入设备100可周期性地重新激活传感器电极121达至少短暂(例如，“突发”)时长，以确保它不错过可能已经进入感测区120的任何输入对象。如果到突发结束时没有检测到输入对象，则输入设备100可返回到低功率模式。然而，如果输入设备100检测到感测区120中的输入对象，则输入设备100可(例如，通过将电容性感测电路维持在常通状态和/或重新激活任何附加传感器相关电路而)退出低功率模式。因而，在一些实施例中，低功率模式可称作“手指唤醒”(WOF)模式。
如上所述，WOF模式背后的主要动机之一是降低功率消耗。由于在重新激活电容性感测电路时的短突发期间消耗最大功率量，所以可期望减少和/或最小化突发的时长。然而，当操作在WOF模式时，电容性感测电路可能是量化噪声限制的。例如，可存在电容性感测电路应当以其对传感器电极121进行采样以检测感测区120中的输入对象的最小或阈值分辨率。由于减小采样时长(例如，由于获取较少样本)还降低电容性感测信息的分辨率，所以常规输入设备典型地必须针对阈值突发时长保持为激活，以实现给定分辨率。然而，本公开的方面可使输入设备100能够保持为激活达少于阈值突发时长而同时实现相同分辨率。因而，输入设备100可在操作在WOF模式时实现甚至更大的电力节省。
在一些实施例中，输入设备100可在比常规输入设备的时间更少的时间中执行电容性感测操作的同时维持阈值量化噪声(或分辨率)。在一些其它实施例中，输入设备100可在与常规输入设备相同的时间量中执行电容性感测操作的同时实现更低量化噪声(或者更高分辨率)。更具体地，本公开的方面可平衡输入设备100的现有电容性感测电路，以将模拟输入信号转换成数字输出值。在一些方面，输入设备100可通过可切换地将模拟前端(AFE)与传感器电极121耦合和去耦合来确定数字输出值的量化误差量，并且可至少部分基于量化误差量来选择性地调整数字输出值。
图2示出描绘根据一些实施例的用于输入设备200的至少一部分的模拟前端(AFE)210的电路图。AFE 210耦合到传感器电极对205A和205B。例如，传感器电极205A和205B可对应于图1中描绘的输入设备100的任何相邻传感器电极对121。在一些实施例中，AFE 210可至少部分基于输入设备200的操作模式而可切换地耦合到传感器电极205A和205B。例如，AFE210可在输入设备200操作在低功率(或WOF)模式时与传感器电极205A和205B去耦合。当操作在低功率模式的同时，AFE 210可周期性地耦合到传感器电极205A和205B达较短突发时长。
AFE 210包括电流传送器212、混合器214、模数转换器(ADC)216和滤波器218。在一些实施例中，电流传送器212可以是运算放大器(op amp)，其具有耦合到传感器电极205B的反相输入(-)端子以及耦合到电压源VC的非反相输入(+)端子。op amp的输出端子耦合到反相输入端子(例如，按照负反馈配置)。因而，电流传送器212的“输出”可以是跨op amp的电压供应端子所提供的放大(或衰减)信号。混合器214可被耦合以接收来自电流传送器212的输出信号，并且可配置成通过将所接收信号与由本地振荡器(LO)所生成的参考信号混合来将所接收信号下变频或解调到较低频率。ADC 216可配置成接收来自混合器214的解调信号，并且将模拟输入信号转换成数字比特流。在一些实施例中，ADC 216可包括Δ-∑(Δ∑)调制器，其以其内部时钟的采样频率(例如，20 MHz)来生成单比特流。ADC 216还可包括抽取滤波器，以将数字比特流转换成量化值。
在一些实施例中，滤波器218可配置成对来自∆Ʃ调制器的输出的量化噪声进行滤波，以在AFE 210的输出处产生较高分辨率量化值。例如，滤波器218可确定来自ADC 216的数字输出的量化误差量，并且可基于量化误差量而选择性地调整输出。在一些实施例中，滤波器218可在AFE 210(和/或ADC 216)与传感器电极205A和205B去耦合时至少部分基于ADC 216的状态来测量量化误差。滤波器218然后可使用量化误差来改进针对给定采样(或突发)时长的数字输出的分辨率。
AFE 210可配置成通过对从传感器电极205A和205B所接收的输入电流(IIN)进行采样来生成电容性感测信息。更具体地，输入电流IIN可基于跨传感器电极205A和205B所施加的电压偏置来生成。例如，传感器电极205A处的电压可由电压源VS来提供，以及传感器电极205B处的电压可通过电流传送器212的反相端子来提供。由于电流传送器212的非反相端子处的电压由可调整电压源VC来提供，所以电流传送器212的反相端子处的电压也将等于VC(例如，因为op amp设法均衡其输入端子处的电压)。因而，传感器电极205A和205B的偏置可对应于电压源VS与可调整电压源VC之间的电压的差(例如，VAB=VS-VC)。
电压VS和/或VC中的至少一个可以是“可编程的”(例如，由AFE 210的控制器或处理器所控制或调整)。更具体地，电压VS和VC的偏置可影响“发射”给传感器电极205A和205B的电压(例如，其结果由AFE 210作为输入电流IIN所接收)。在一些方面，电压供应VS可提供固定供应电压，而电压源VC可提供可变控制电压，其可由AFE 310的控制器或处理器来控制或调整。例如，电压VS或VC之一可以是接地电位。在其它方面，电压VS和VC中的每个可由AFE210的控制器或处理器来控制或调整。因为电流传送器212具有有限动态范围，所以电压VC和/或VS可选择成确保输入电流IIN不超过电流传送器212的动态范围。
在一些实施例中，AFE 210还可包括切换电路202，其配置成可切换地将传感器电极205A和205B与AFE 210的至少一部分耦合和/或去耦合。更具体地，切换电路202可配置成在采样时长开始时(例如，当操作在低功率或WOF模式时)将电流传送器212耦合到混合器214，以及在采样时长结束时(例如，当操作在较低功率或WOF模式时)将电流传送器212与混合器214去耦合。在图2的示例中，切换电路202描绘为开关，其通过突发结束(End_Burst)信号来控制。例如，切换电路202可在使End_Burst信号无效(例如，指示采样周期尚未终止)时操作为闭合开关，并且可在使End_Burst信号有效(例如，指示采样周期已经终止)时操作为断开开关。然而，要注意的是，在实际实现方式中，切换电路202可通过能够执行类似切换功能的任何电路来实现。
当执行电容性感测操作时，使End_Burst信号无效，并且闭合切换电路202。(诸如由交流(AC)电压源所提供的)时变电压可施加到传感器电极205A和205B。例如，时变电压可通过相对于电压源VS变化可调整电压源VC的幅度来生成。时变电压产生具有与电压改变率对应的频率的对应时变输入电流IIN。输入电流IIN由电流传送器212基于增益(A)来放大。由于切换电路202闭合，所以混合器214接收来自电流传送器212的放大输入电流A·IIN，并且使用本地振荡器信号解调所接收输入电流A·IIN。ADC 216将解调信号转换成数字比特流，以及滤波器218对位进行滤波，以改进AFE 210的输出处的数字比特流的分辨率。相应地，(例如，在AFE 210的输出处的)输入电流IIN的数字(量化)表示可用来导出跨传感器电极205A和205B的电容CT(例如，)。
在采样(突发)时长结束时，使End_Burst信号有效，并且断开切换电路202。这防止输入电流IIN进入混合器214和/或被由ADC 216采样。在一些实施例中，ADC 216可在混合器214与电流传送器212去耦合时继续“采样”。如下面更详细地描述的那样，扩展采样可反映ADC 216的数字输出的量化误差量。在一些实施例中，滤波器218可从ADC 216接收作为“量化误差”(Q_Error)信号的附加样本。滤波器218然后可至少部分基于所接收量化误差来选择性地调整ADC 216的输出。例如，在一些方面，滤波器218可在量化误差超过阈值量的情况下使ADC 216的值输出递增(或递减)。在其它方面，滤波器218可在量化误差不超过阈值量的情况下维持ADC 216的输出(例如，没有任何调整)。
除了其它优点之外，对量化误差(例如，当混合器214与电流传送器212去耦合时)的了解允许滤波器218增加ADC 216的输出处的分辨率。更具体地，AFE 210可通过在ADC216中只捕获一个附加“样本”来实现分辨率方面的1位增加。相比之下，常规ADC将需要获取两倍的样本以实现分辨率方面的等效1位增加。相应地，AFE 210可在执行电容性感测操作的同时以常规ADC实现相同等级的量化噪声原本所花费的时间的一半来维持量化噪声的阈值等级。这允许AFE 210在较短突发时长执行WOF感测操作，因而降低输入设备200的总体功率消耗。
图3示出按照一些实施例的模数转换器(ADC)300的框图。ADC 300可以是图2中描绘的AFE 210的ADC 216的示例实施例。例如，ADC 300可用来对(例如，对应于经由一个或多个传感器电极所接收的电流的)时变模拟输入信号IIN采样并且将其转换成对应数字值。ADC300可包括Δ-∑调制器310和抽取滤波器320。
Δ-∑调制器310可配置成在任何给定时间基于输入信号IIN的幅度来生成样本(或脉冲)系列。在一些实施例中，Δ-∑调制器310可包括差分电路312、积分器314、比较器316和反馈数模转换器(DAC)318。差分电路312配置成输出输入信号IIN与由反馈DAC 318所生成的反馈信号(FB)之间的差。积分器314配置成对由差分电路312在某个时间段期间所输出的差进行加和或积分。比较器316配置成将由积分器314存储的值与阈值(VREF)进行比较，并且基于该比较生成二进制输出(ΔƩOUT)。例如，比较器316可在由积分器314存储的值超过阈值的情况下输出逻辑“1”，以及可在由积分器314存储的值不超过阈值的情况下输出逻辑“0”。反馈DAC 318配置成将二进制输出ΔƩOUT转换成模拟电压或电流，其(例如，作为反馈信号FB)被提供给差分电路312。
在一些实施例中，反馈DAC 318可经由切换电路302可切换地耦合到差分电路312。更具体地，切换电路302可配置成在由Δ-∑调制器310已经取得第一样本之前防止反馈信号FB干扰输入信号IIN。例如，积分器314可在采样间隔开始时存储残余电荷。因此，比较器316(和反馈DAC 318)可输出不表示实际输入信号IIN的值。通过将反馈DAC 318与差分电路312去耦合，切换电路302可防止初始反馈信号FB干扰输入信号IIN，因而确保由Δ-∑调制器310生成的第一样本准确反映输入信号IIN的当前状态。这可进一步改进ADC 300的输出的精度和/或分辨率。
在图3的示例中，切换电路302描绘为开关，其通过第一样本(1st_Sample)信号来控制。例如，切换电路302可在1st_Sample信号有效(例如，指示Δ-∑调制器310将要取得输入电流IIN的第一样本)时操作为断开开关，以及可在1st_Sample信号无效(例如，指示Δ-∑调制器310已经取得输入电流IIN的第一样本)时操作为闭合开关。然而，要注意的是，在实际实现方式中，切换电路302可由能够执行类似切换功能的任何电路来实现。
抽取滤波器320被耦合成接收Δ-∑调制器310的输出，并且配置成将二进制输出ΔƩOUT转换成量化值(ADCOUT)。在一些实施例中，抽取滤波器320可实现升/降计数器。例如，抽取滤波器320可针对给定采样间隔(例如，突发时长)对由Δ-∑调制器310所输出的脉冲(例如，1)的数目进行计数，以确定输入信号IIN的数字表示。更具体地，抽取滤波器320可针对由Δ-∑调制器310所输出的每个“1”使计数值递增，以及可针对由Δ-∑调制器310所输出的每个“0”(或“-1”)使计数值递减。由抽取滤波器320在采样间隔结束时存储的最终计数值可作为输入信号IIN的数字表示(ADCOUT)来输出。
如上所述，(例如，当混合器214经由断开开关202与电流传送器212去耦合时)可防止ADC 300在采样或突发时长结束时接收输入信号IIN。在一些实施例中，ADC 300可配置成在没有接收输入信号IIN时生成附加样本。如下面更详细地描述的那样，在突发时长结束时在积分器314上存储的电压可对应于ADCOUT的量化误差的模拟量度。因而，比较器316的输出可指示量化误差是否超过阈值等级(例如，使得应当调整ADCOUT的最低有效位(LSB))。在一些实施例中，比较器316的输出可(例如，作为Q_Error信号)被提供给量化噪声调整电路(诸如图2的滤波器218)，以选择性地调整ADC 300的输出。例如，如果Q_Error信号表示逻辑“0”，则量化误差可能不超过阈值等级(其将保证调整ADCOUT)。然而，如果Q_Error信号表示逻辑“1”，则量化误差可能超过阈值等级，并且ADC 300的输出可递增(或递减)单个位值。因而，通过防止ADC 300在给定突发时长结束时接收输入电流IIN，ADCOUT的分辨率可被提高1位。
图4示出根据一些实施例的具有量化噪声(QN)调整电路的AFE 400的电路图。AFE400可以是图2中描绘的AFE 210的示例实施例。例如，AFE 400可耦合到一个或多个传感器电极(为了简洁起见而未示出)，并且用于生成电容性感测信息。AFE 400可包括电流传送器410、混合器420、Δ-∑调制器(例如，电路部件431-436和电容器CP、CM和CD)和升/降计数器440。
电流传送器410可以是图2的电流传送器212的示例实施例(并且执行与其基本上相同的功能)。因而，电流传送器410可配置成放大(或衰减)经由一个或多个传感器电极所接收的输入电流IIN。混合器420可被耦合以接收来自电流传送器410的放大输入电流A·IIN，并且可配置成通过将放大输入电流A·IIN与由本地振荡器(LO)所生成的参考信号混合来将所接收信号解调为“加”和“减”分量电流(分别为IP和IM)。例如，分量电流IP和IM可对应于以共模电压电位(VCM)为中心的差分电压。虽然为了简洁起见而未示出，但是AFE 400可包括用于使分量电流IP和IM以共模电压VCM为中心的附加电路。
分量电流IP和IM可分别(例如，作为电荷)存储在电容器CD、CP和CM上。在一些实施例中，电容器CD、CP和CM可充当用于Δ-∑调制器的积分器(诸如图3的积分器314)。比较器431配置成比较电容器CD、CP和CM上分别存储的电压VP和VM，并且基于该比较生成二进制输出。例如，比较器431可在上电压VP大于下电压VM的情况下输出逻辑“1”，以及可在下电压VM大于上电压VP的情况下输出逻辑“0”。
触发器432存储比较器431的输出，并且可基于比较调整电压VP和VM。例如，触发器432的输出(Q)可耦合到AND逻辑门409，其基于输出Q、时钟信号(Clk)和第一样本(1st_Sample)信号的相应逻辑状态来输出电荷上升(Chgup)信号。在图4的示例中，AND门409可在输出Q为逻辑“1”并且Clk和1st_Sample信号处于逻辑低状态时使Chgup信号有效。触发器432的互补输出()可耦合到AND逻辑门410，其基于互补输出、时钟信号和1st_Sample信号的相应逻辑状态来输出电荷下降(Chgdn)信号。在图4的示例中，AND门410可在输出Q为逻辑“0”并且Clk和1st_Sample信号处于逻辑低状态时使Chgdn信号有效。
Chgup信号控制开关404A和404B的第一集合，其配置成分别将电流源435和436耦合到电容器CM和CP。例如，Chgup信号的激活可使得开关404A和404B闭合。因此，电流源435可(例如，使用参考电流IREF)对电容器CM进行充电，而电流源436可同时(例如，使用参考电流IREF)对电容器CP进行放电，从而在电流经过CD从VM流到VP时使得下电压VM相对于上电压Vp增加。Chgdn信号控制开关403A和403B的第二集合，其配置成分别将电流源435和436耦合到电容器CP和CM。例如，Chgdn信号的激活可使得开关403A和403B闭合。因此，电流源435可对电容器CP进行充电，而电流源436可同时对电容器CM进行放电，从而在电流经过CD从VP流到VM时使得上电压VP相对于下电压VM增加。因此，电路部件432-436可充当用于Δ-∑调制器的反馈DAC(诸如图3的反馈DAC 318)。
升/降计数器440配置成将触发器432的输出Q转换成量化值(ADCOUT)。在一些实施例中，升/降计数器440可针对给定采样间隔(例如，突发时长)对由触发器432输出的逻辑“1”的数目进行计数，以确定输入信号IIN的数字表示。更具体地，升/降计数器440可针对由触发器432所输出的每个“1”使计数值递增，以及可针对由触发器432所输出的每个“0”(或“-1”)使计数值递减。由升/降计数器440在采样间隔结束时存储的最终计数值可作为输入信号IIN的数字表示(ADCOUT)来输出。
在一些实施例中，AFE 400可包括附加切换电路402A、402B、405A和405B，其可用来增加ADCOUT的分辨率。例如，开关402A和402B可至少部分基于End_Burst信号而可切换地将电流传送器410与混合器420耦合和/或去耦合。开关405A和405B可至少部分基于1st_Sample信号而可切换地将电流源435和436分别与积分器(CD、CP和CM)耦合和/或去耦合。下面参考图5的时序图500来描述AFE 400的示例操作。
在图5的示例中，AFE 400可配置成操作在低功率(WOF)模式。因而，AFE 400可周期性地唤醒来以较短突发时长执行电容性感测操作。在时间t0，1st_Sample信号有效，而End_Burst信号无效。因此，开关402B、405A和405B闭合，而开关402A断开。由于时钟信号在此时处于逻辑低状态，所以开关406A和406B也可断开。因而，电流传送器410的输出耦合到混合器420的输入，从而使得输入电流IIN(例如，分别经由分量电流IP和IM)对电容器CP和CM进行充电。开关405A和405B将相应电流源435和436耦合到共模电压电位VCM，因而防止参考电流IREF以分量电流IP和IM来积分。在此时，电压VP和VM可以仅反映由分量电流IP和IM所携带的电荷。
然后，在时间t1，当时钟信号转变成逻辑高状态时，1st_Sample信号转变成逻辑低状态。因此，开关405A和405B断开，而开关406A和406B闭合。因为开关406A和406B闭合，所以电流源435和436保持耦合到VCM。因而，在此时仍然防止参考电流IREF以分量电流IP和IM来积分。在一些实施例中，1st_Sample信号的时长可至少部分基于Δ-∑调制器的采样频率(fS)以及时钟信号的归零时间(α)(例如，T(1st_Sample)=α/ƒS)。这允许反馈DAC在比较器431已经对电压VP和VM采样时立即开始调整积分器上的电荷(例如，没有来自IREF的干扰)。
从时间t1至t2，AFE 400可对输入电流IIN(例如，按照常规方式)进行采样。例如，Δ-∑调制器可将输入电流IIN转换成数字脉冲系列，以及升/降计数器440可生成作为数字输出ADCOUT的脉冲的量化表示。
在时间t2，突发时长终止，以及End_Burst信号在时钟信号转变成逻辑低状态时有效。因此，开关402B断开，而开关402A闭合，从而使得电流传送器410变成与混合器420去耦合(例如，以及使得输入电流A·IIN流动到VCM)。由于时钟信号在此时处于逻辑低状态，所以开关406A和406B也可断开。因而，电容器CP和CM的电流状态(例如，电荷)可指示ADCOUT的最低有效位(LSB)的精度。换言之，电容器CP和CM当前保持(例如，在时间t2的)量化误差的量度。
例如，从对突发时长(TBURST)求IIN的积分所产生的电压可由下式表示：
其中，TBURST是从t0至t2的时长，以及CC是电容器CP和CM中的每个的电容。通过根据在突发时长内所取得的样本的总数目(N)来表达TBURST(例如，TBURST=N/ƒS)，上式能够简化为：
对于其中反馈DAC处于循环中的每一个样本，电流源435和436产生积分器上的相同幅值的电压改变。因而，在整个突发时长TBURST期间积分器上的电压改变能够表达为：
其中Qi对应于(例如，由触发器432所输出的)第i样本的1位流的输出。因而，在(例如，由于IIN和IREF的)TBURST结束时积分器的输出上的电压能够表达为：
其可简化为：
其中ADCOUT是升/降计数器440的输出，以及QN是1位流的第N样本。假定，则以上等式能够简化为：
如果(例如，基于QN的状态的)反馈DAC的输出在IIN=0(例如，在突发结束时)的情况下来积分，则此扩展“采样”能够表达为：
要注意的是，以上等式表示非过采样ADC的量化噪声。因而，该等式指示积分器基于在突发时长结束时(例如，当电流传送器410与混合器420去耦合时)所取得的额外“样本”来保持量化误差的量度。在一些实施例中，量化误差可用来使ADCOUT的量化噪声减半。
因而，在时间t3，比较器431的输出可被采样，以确定ADCOUT的量化误差(Q_Error)的量度。例如，如果Q_Error为逻辑“0”，则量化误差可低于(例如，针对LSB的)阈值等级。因而，AFE 400的输出可保持为未调整。然而，如果Q_Error为逻辑“1”，则量化误差可高于阈值等级。因而，AFE的输出可递增1位。在一些实施例中，量化噪声调整可至少部分由升/降计数器440来实现。在其它实施例中，量化噪声调整可由AFE 400中的其它电路(例如，图2的滤波器218)来实现。
图6示出根据一些实施例的具有QN调整能力的输入设备600的框图。输入设备600可以是图1和图2中描绘的输入设备100和/或200中的任一个的示例实施例。在一些实施例中，输入设备600可包括传感器接口610、处理器620和存储器630。
传感器接口610可耦合到配置用于电容性感测的多个传感器电极(诸如图1的传感器电极121)。更具体地，传感器接口610当操作在电容性感测模式时可用来与传感器电极进行通信。例如，传感器接口610可向发射器电极发射信号，并且从接收器电极接收所产生信号。在一些实施例中，传感器接口610可以可切换地将输入设备600与传感器电极耦合和/或去耦合。
存储器630可包括非瞬态计算机可读介质(例如，一个或多个非易失性存储器元件，诸如EPROM、EEPROM、Flash存储器、硬盘驱动器等)，其可至少存储下列软件(SW)模块：
·手指唤醒(WOF)SW模块631，用于当没有用户输入(或输入对象)被传感器电极所检测时以低功率模式来操作输入设备600；
·电容性感测SW模块632，用于当操作在电容性感测模式时测量传感器电极的电容，电容性感测SW模块632包括：
o模数转换(ADC)子模块633，用于将从传感器电极所接收的模拟输入信号转换成(例如，对应于输入信号的量化表示)数字输出值；以及
·量化噪声(QN)调整SW模块634，用于至少部分基于模数转换中的量化噪声的量度来选择性地调整数字输出值，QN调整SW模块634包括：
o量化误差子模块635，用于在输入设备600与传感器电极去耦合时测量数字输出值的量化误差量；以及
o输出校正子模块636，用于至少部分基于量化误差量而使数字输出值递增或维持。
每个软件模块包括指令，其在由处理器620执行时使得输入设备600执行对应功能。因而，存储器630的非瞬态计算机可读介质包括用于执行以下关于图7所描述操作的全部或者一部分的指令。
处理器620可以是能够执行输入设备600中(例如存储器630内)存储的一个或多个软件程序的脚本或指令的任何适合的一个或多个处理器。例如，处理器620可执行WOF SW模块631，以在没有用户输入(或输入对象)被传感器电极所检测时按照低功率模式来操作输入设备600。处理器620也可执行电容性感测SW模块632，以在操作在电容性感测模式时测量传感器电极的电容。在执行电容性感测SW模块632中，处理器620还可执行ADC子模块633，以将从传感器电极所接收的模拟输入信号转换成(例如，对应于输入信号的量化表示的)数字输出值。
处理器620还可执行QN调整SW模块634，以至少部分基于模数转换中的量化噪声的量度而选择性地调整数字输出值。在执行QN调整SW模块634中，处理器620还可执行量化误差子模块635和输出校正子模块636。例如，处理器620可执行量化误差子模块635，以在输入设备600与传感器电极去耦合时测量数字输出值的量化误差量。处理器620还可执行输出校正子模块636，以至少部分基于量化误差量来使数字输出值递增或维持。
图7示出描绘根据一些实施例的用于选择性地调整模数转换器(ADC)的数字输出的示例操作700的说明性流程图。例如参考图2，操作700可由输入设备200来执行，以处理从多个传感器电极(例如，传感器电极205A和205B)所接收的输入信号IIN。更具体地，操作700可生成模拟输入信号IIN的量化表示。
输入设备200可将模拟前端(AFE)耦合到一个或多个传感器电极(710)。例如，AFE210可包括电流传送器212，其具有经由切换电路202可切换地耦合到混合器214(例如，和ADC 216)的输入的输出。电流传送器的输入可耦合到传感器电极(诸如传感器电极205B)。当执行电容性感测操作时，切换电路202将电流传送器212耦合到混合器214(例如，当End_Burst信号无效时)。这允许混合器214和ADC 216从电流传送器212接收放大(或衰减)输入信号A·IIN。
输入设备200然后可从一个或多个传感器电极接收输入信号(720)。在一些实施例中，电流传送器212可通过偏置电压VS和VC跨传感器电极205A和205B来发射和接收信号。例如，电流传送器212可通过将电压VS和/或VC中的至少一个相对于另一个变化，来从传感器电极205A向传感器电极205B“发射”信号。这个AC电压创建跨传感器电极205A和205B的时变输入电流IIN。电流传送器212可经由传感器电极205B来接收输入电流IIN，并且可输出输入电流IIN的放大(或衰减)版本。
输入设备200可生成与输入信号的数字表示对应的输出值(730)。例如，ADC 216可对来自混合器214的输入电流IIN进行接收和采样。在一些实施例中，ADC 216可首先将模拟输入电流转换成数字比特流，然后将数字比特流转换成量化值。例如，ADC 216可包括Δ-∑调制器和抽取滤波器。Δ-∑调制器通过以其内部时钟的采样频率对输入电流IIN进行采样来生成单比特流。抽取滤波器可对由Δ-∑调制器所生成的样本系列中的脉冲(或位)的数目进行计数，以将数字比特流转换成量化值。
输入设备200然后可将AFE 210与传感器电极去耦合(740)。例如，切换电路202可在采样(或突发)时长结束时(例如，当End_Burst信号有效时)将电流传送器212与混合器214去耦合。这防止一旦采样间隔已经终止，输入电流IIN进入混合器214和/或被ADC 216所采样。在一些实施例中，ADC 216可甚至在混合器214已经与电流传送器212去耦合之后继续生成附加“样本”。例如参考图3，Δ-∑调制器310可至少部分基于积分器314中存储的残余电荷而继续更新单比特流∆ƩOUT。
输入设备200可在与传感器电极去耦合时至少部分基于AFE 210的状态而选择性地调整输出值(750)。如上所述，(例如，在混合器214已经与电流传送器212去耦合之后)由ADC 216所执行的扩展“采样”可反映ADC 216的数字输出的量化误差量。在一些实施例中，滤波器218可接收来自ADC 216的作为Q_Error信号的附加样本。滤波器218然后可至少部分基于所接收量化误差来选择性地调整ADC 216的输出。例如，在一些方面，滤波器218可在量化误差超过阈值量的情况下使输出值递增(或递减)。在其它方面，滤波器218可在量化误差不超过阈值量的情况下维持输出值(例如，没有任何调整)。
本领域的技术人员将会理解的是，信息和信号可使用多种不同技术中的任一种来表示。例如，贯穿以上描述可参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码元可通过电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者它们的任何组合来表示。
此外，本领域的技术人员将会理解的是，结合本文所公开的方面所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地图示硬件和软件的这种可互换性，各种说明性部件、块、模块、电路和步骤已经在上文根据其功能性总体上进行了描述。这种功能性是实现为硬件还是软件取决于特定应用以及对总体系统所施加的设计限制。技术人员可针对各特定应用按照不同方式来实现所描述的功能性，但是这样的实现判定不应当被解释为引起与本公开的范围的背离。
结合本文所公开的方面描述的方法、序列或算法可以以硬件、以由处理器所执行的软件模块或者以两者的组合直接体现。软件模块可驻留于RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器能够从/向存储介质读取信息/写入信息。在可替换方案中，存储介质可以是处理器的集成部分。
在上述说明书中，已经参考其特定示例描述了实施例。然而，将显而易见的是，可在不背离所附权利要求中所阐述的本公开的较宽范围的情况下对其进行各种修改和改变。说明书和附图相应地要被看作是说明性意义而不是限制性意义。

Claims (20)

1.一种用于输入设备的模拟前端(AFE)，包括：
电流传送器，配置成接收来自多个传感器电极的输入信号；以及
模数转换器(ADC)，可切换地耦合到所述电流传送器，所述ADC配置成：
当所述ADC耦合到所述电流传送器时，生成与所述输入信号的数字表示对应的输出值；以及
当所述ADC与所述电流传送器去耦合时，至少部分基于所述ADC的状态而选择性地调整所述输出值。
2.如权利要求1所述的AFE，还包括切换电路，所述切换电路配置成：
在采样间隔期间将所述ADC耦合到所述电流传送器；以及
在所述采样间隔终止时将所述ADC与所述电流传送器去耦合。
3.如权利要求2所述的AFE，其中所述采样间隔与所述AFE的低功率模式一致。
4.如权利要求1所述的AFE，其中所述ADC包括：
Δ-∑调制器，配置成至少部分基于所接收所述输入信号来生成样本系列；以及
抽取滤波器，配置成当所述ADC耦合到所述电流传送器时将所述样本系列转换成所述输出值。
5.如权利要求4所述的AFE，其中所述Δ-∑调制器还配置成当所述ADC与所述电流传送器去耦合时生成附加样本。
6.如权利要求5所述的AFE，其中所述ADC配置成通过下列步骤来选择性地调整所述输出值：
基于所述附加样本来确定所述输出值的量化误差量；以及
当所述量化误差超过阈值量时调整所述输出值。
7.如权利要求6所述的AFE，其中所述抽取滤波器包括升降计数器，并且其中所述ADC还配置成通过下列步骤来选择性地调整所述输出值：
当所述量化误差超过所述阈值量时使所述输出值递增；以及
当所述量化误差不超过所述阈值量时维持所述输出值。
8.如权利要求4所述的AFE，其中所述Δ-∑调制器包括积分器和反馈数模转换器(DAC)，并且其中所述ADC还配置成在生成所述样本系列中的所述第一样本之前将所述反馈DAC与所述积分器去耦合。
9.如权利要求8所述的AFE，其中所述ADC配置成在接收来自所述电流传送器的所述输入信号之后将所述反馈DAC耦合到所述积分器达阈值周期。
10.如权利要求9所述的AFE，其中所述阈值周期至少部分基于所述Δ-∑调制器的采样频率以及用来控制所述采样频率的时钟信号的归零时间。
11.一种操作可切换地耦合到多个传感器电极的模拟前端(AFE)的方法，所述方法包括：
接收来自所述多个传感器电极的输入信号；
当所述AFE耦合到所述多个传感器电极时，生成与所述输入信号的数字表示对应的输出值；以及
当所述AFE与所述多个传感器电极去耦合时，至少部分基于所述AFE的状态而选择性地调整所述输出值。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
在采样间隔期间将所述AFE耦合到所述多个传感器电极；以及
在所述采样间隔终止时将所述AFE与所述多个传感器电极去耦合。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述采样间隔与所述AFE的低功率模式一致。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
至少部分基于所接收所述输入信号来生成样本系列；以及
当所述AFE耦合到所述多个传感器电极时，将所述样本系列转换成所述输出值。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述选择性地调整包括：
当所述AFE与所述电流传送器去耦合时，生成附加样本；
基于所述附加样本来确定所述输出值的量化误差量；以及
当所述量化误差超过阈值量时，调整所述输出值。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述选择性地调整还包括：
当所述量化误差超过所述阈值量时，使所述输出值递增；以及
当所述量化误差不超过所述阈值量时，维持所述输出值。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述AFE包括Δ-∑调制器，所述方法还包括：
在生成所述样本系列中的所述第一样本之前将所述Δ-∑调制器的反馈数模转换器(DAC)与所述Δ-∑调制器的积分器去耦合。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：
在接收来自所述多个传感器电极的所述输入信号之后将所述反馈DAC耦合到所述积分器达阈值周期。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述阈值周期至少部分基于所述Δ-∑调制器的采样频率以及用来控制所述采样频率的时钟信号的归零时间。
20.一种输入设备，包括：
多个传感器电极；以及
模拟前端(AFE)，可切换地耦合到所述多个传感器电极，所述AFE配置成：
接收来自所述多个传感器电极的输入信号；
当所述AFE耦合到所述多个传感器电极时，生成与所述输入信号的数字表示对应的输出值；以及
当所述AFE与所述多个传感器电极去耦合时，至少部分基于所述AFE的状态而选择性地调整所述输出值。
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