CN110651169A

CN110651169A - 电容传感器

Info

Publication number: CN110651169A
Application number: CN201880032734.4A
Authority: CN
Inventors: J·L·梅兰桑; A·巴塔查里亚; A·汤姆森; E·史密斯; V·帕鲁帕利; M·梅; J·G·加博里欧; 李君颂
Original assignee: Wolfson Microelectronics PLC
Current assignee: Cirrus Logic International UK Ltd; Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2020-01-03
Also published as: GB201712532D0; TW201902235A; WO2018213557A1; US20180335458A1; GB2562547A

Abstract

感测电子设备可以用于测量诸如移动设备中的扬声器之类的部件的电容。感测电路(200)可以包括具有正弦波激励的电荷感测前端(204)、模数转换块(206)和数字解调器(208)。可以通过高频正弦波激励(212)来激励由感测电子设备测量所述部件(202)。可以通过使带通滤波器以激励信号的频率附近(例如，在激励信号的频率的5％以内)为中心，使用与激励信号同步的带通滤波器来执行对来自部件的输出的数字化。

Description

电容传感器

技术领域

本公开内容涉及电子传感器。更具体地，本公开内容的部分涉及基于电容的传感器。

背景技术

用于测量部件的电容的感测电路可以用于确定例如扬声器或物理传感器的电容。图1示出了电容传感器的一个示例。图1是例示了根据现有技术的使用跨阻抗放大器(TIA)的电容感测电路的框图。电路100可以包括耦合到部件102的TIA级104。TIA级104的输出提供给解调器106。解调后的信号提供给音频Δ-Σ模数转换器(ADC)108。ADC 108在模拟电路和数字电路之间定义边界120。其他数字电路可以在节点110处耦合以接收代表部件102的电容值。

基于TIA的电路100的一个缺点是低频1/f闪烁噪声会影响电路100的性能。此外，性能受到TIA级104的电阻器所引入的噪声电流的限制，TIA级104的电阻器的最大值由后续级的摆动限制来确定，在级106处的模拟解调和信号恢复给电路100增加额外的功率和失真，并且来自音频ADC 108的闪烁噪声会影响低频性能。

这里提到的缺点仅是代表性的，并且被包括在内只是为了强调存在对改进的电部件的需求，特别是对于诸如移动电话之类的消费级设备中采用的感测电路的需求。本文描述的实施例解决了某些缺点，但是未必一定是本文描述的或本领域已知的每一个缺点。此外，本文描述的实施例可以提供除解决上述缺点之外的优点，并且可以在除上述缺点的应用之外的其他应用中使用。

发明内容

操作用于以改善的操作来测量和数字化电容值的感测电子设备可以执行解调，并且可以在数字域中利用解调器和信号发生器来生成激励信号。这与上述在模拟域中执行解调和其他任务的基于TIA的常规电容传感器不同。这种感测电子设备的实施例可以包括具有正弦波激励的电荷感测前端、电压到数字转换块和数字解调器。可以通过高频正弦波激励来激励由感测电子设备测量的部件。可以通过使带通滤波器以激励信号的频率附近(例如，在激励信号的频率的5％以内)为中心，使用与激励信号同步的带通滤波器来执行对来自部件的输出的数字化。使用高频信号(诸如大约20千赫兹与1000千赫兹之间)减少了从部件测量的信号中的1/f闪烁噪声。高频信号可能在人类所识别的常用音频频带之外，该频带在20赫兹与20千赫兹之间。

使用本文描述的高频激励信号的这种感测电子设备和感测方法提供了多个优点。电荷输入级具有改善的信噪比(SNR)，并且更不受干扰。基于减少的闪烁噪声贡献，改善了低频性能。此外，在数字域中执行信号处理减少了最终信号中的噪声、处理信号时消耗的功率、处理信号的电路的面积、以及改善的线性度。即，数字电路提供了基于在施加激励信号时来自部件的输出来确定电容的若干优点。可以在专用电路或通用处理器(诸如数字信号处理器(DSP))中执行数字处理。

结合诸如上述用于感测电容的感测电路的电子设备可以受益于电子设备中的集成电路部件的改进的电容测量。例如，移动电话可以包括扬声器或具有未知电容或变化的电容的其他换能器。扬声器部件的电容可以由感测电路测量，并且可以用于控制来自扬声器的输出以改善声音质量。由电路提供的感测能力或由处理器执行的代码可以包括在音频控制器中。音频控制器还可以包括模数转换器(ADC)。ADC可以用于将诸如音频信号之类的模拟信号转换为模拟信号的数字表示。此类ADC或类似的数模转换器(DAC)可以用于具有音频输出的电子设备中，所述电子设备诸如音乐播放器、CD播放器、DVD播放器、蓝光播放器、头戴式耳机、便携式扬声器、耳机、移动电话、平板计算机、个人计算机、机顶盒、数字录像机(DVR)盒、家庭影院接收器、信息娱乐系统、汽车音频系统等。

根据本发明的一个实施例，一种用于测量和数字化部件的电容值的电子电路可以包括具有正弦波激励的电荷感测模拟前端(AFE)，以创建与输入电容成比例的电压信号。所创建的电压信号可以被提供给用于将电压信号转换为数字代码的电压数字转换块，诸如电压模式ADC。可以将数字代码提供给数字解调器和滤波块，以处理数字代码并提供输入电容的数字表示。在该示例电路中，在由电压到数字转换模块转换为数字代码之后，在数字域中执行所创建的电压的处理。在一些实施例中，可以从电荷感测模拟前端(AFE)创建电流信号，而不是电压信号。所创建的电流信号可以用于使用电流模式ADC生成数字代码，并且该数字代码的处理类似于电压模式实施例。在一些实施例中，可以从部件创建电流信号并将该电流信号提供给电流模式ADC，并且该数字代码的处理类似于电压模式实施例。

前面已经相当广泛地概述了本发明实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解以下详细描述。在下文中将描述形成本发明权利要求的主题的附加特征和优点。本领域普通技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现相同或相似目的的其他结构的基础。本领域普通技术人员还应该认识到，这种等效构造不脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，将从以下描述中更好地理解附加特征。但是，应该清楚地理解，提供每个附图仅是出于说明和描述的目的，而并不旨在限制本发明。

附图说明

为了更完整地理解所公开的系统和方法，现在结合附图参考以下描述。

图1是例示根据现有技术的使用跨阻抗放大器(TIA)的电容感测电路的框图。

图2是例示根据本公开内容的一些实施例的具有数字信号处理的感测电路的框图。

图3是例示根据本公开内容的一些实施例的用于感测部件的电容的方法的流程图。

图4是例示根据本公开内容的一些实施例的在模拟域中具有电流模式操作的感测电路的框图。

图5A-5C是例示根据本公开内容的一些实施例的当测量部件的电容时在诸如图2的感测电路内的输出的曲线图。

图6是例示了根据本公开内容的一些实施例的在激励频率附近的带通模数转换器(ADC)响应的曲线图。

图7是例示根据本公开内容的一些实施例的解调器同相输出的曲线图。

具体实施方式

图2是例示根据本公开内容的一些实施例的具有数字信号处理的感测电路的框图。电路200可以包括具有未知电容的部件202。电容可以是由于部件202的制造过程中的变化而未知的固定未知量。电容也可以是在电路200的操作期间变化的变化的未知量。部件202的电容值可以用包括部件204、206、208、210和/或212的感测电路来测量。感测电路的输出是部件202的电容值的数字表示。可以连续监测电容值，以使得电容变化可以被检测到。在一些电路中，可以实时或接近实时地监测电容值，以检测电容的变化并允许其他电路响应该变化。

感测电路可以包括电荷敏感的模拟前端(AFE)204。AFE 204可以包括具有反馈回路的放大器204A，该反馈回路具有并联耦合的电阻器204B和电容器204C。当被来自激励源的激励信号激励时，AFE 204可以创建与部件202的电容成比例的电压感测VSENSE信号。激励信号可以是具有高频率的正弦波激励信号，诸如在大约20千赫兹与1000千赫兹之间或在音频频带之外的另一频率。所创建的电压感测VSENSE信号从AFE 204输出到模拟域中的附加电路，以转换为数字代码。在一些实施例中，电路200可以包括对电荷敏感的AFE 204的替代电路。在其他实施例中，电路200可以不包括AFE 204或替代电路。例如，部件202的输出可以直接耦合到模数转换(ADC)电路。

可以将与部件202的电容值相对应的模拟值转换为数字代码以在数字域中进行处理。例如，可以将来自AFE 204的创建的电压感测VSENSE信号输入到诸如带通Δ-ΣADC之类的模数转换器(ADC)206。ADC 206可以具有围绕激励频率为中心的带通区域。带通区域可以是围绕激励频率为中心的区域，该激励频率与信号带宽成比例地在激励频率的任一侧上延伸。与基于低通的ADC相比，ADC 206可以是被配置为对窄带带通信号进行编码以在低采样率下实现高信噪比和高分辨率的Δ-Σ调制器。在由IEEE出版的R.Schreier等人的“Multibit Bandpass Delta-Sigma Modulators Using N-Path Structures(使用N路径结构的多位带通Δ-Σ调制器)”、由IEEE在《IEEE固态电路杂志》上发表的Stephen A.Jantzi等人的“A Fourth-Order Bandpass Sigma-Delta Modulator(四阶带通Δ-Σ调制器)”中描述了示例性带通Δ-Σ调制器，这两篇文献的全文均通过引用并入本文。ADC 206的输出是代表部件202的电容的数字代码。ADC 206可以定义模拟域与数字域之间的边界220。对ADC 206的输出执行的处理在数字域中执行；在ADC 206中的转换之前执行的处理在模拟域中执行。

代表电容的数字代码可以被处理以确定部件202的电容值。例如，可以使用激励频率在解调器208中对数字代码进行解调，以生成电容的数字表示。该数字表示可以由低通滤波器(LPF)210进一步处理。LPF 210可以去除包括调制噪声在内的信号带外分量。可以使用数字电路和/或诸如数字信号处理器(DSP)的可编程处理电路来执行数字域中的处理。解调器208可以与带通ADC 206匹配，以允许在高频(诸如超过20kHz的频率)下操作。

用于执行部件202的感测的激励信号可以由激励源基于来自数字电路的控制来生成。数字电路可以控制激励信号的接通和关断。数字电路还可以或替代地控制激励频率或激励信号的其他方面。例如，数字电路可以通过输出具有高频率的正弦波激励信号来控制数模转换器(DAC)212以充当激励源。DAC 212的输出可以耦合到部件202的一个端子，并且部件202的另一端子耦合到感测电路。在一些实施例中，激励信号可以被施加到部件202的第一共模端子，并且感测电路耦合到第二共模端子。

参考图3描述了一种用于测量部件的电容的方法。可以使用图2所示的电路或用于执行所描述的操作的其他电路来执行图3的方法。图3是例示根据本公开内容的一些实施例的用于感测部件的电容的方法的流程图。方法300可以在框302处开始于向部件施加激励信号，该激励信号导致生成与该部件的电容成比例的输入信号。所生成的输入信号被用作感测电路的输入信号，以对输入信号进行转换和处理以确定部件的电容。在框304处，利用带通模数转换器(ADC)将输入信号数字化以生成数字信号。ADC的输出是信号的数字域处理的边界。可以在模拟域中执行在框304处的部件与数字化之间的处理，而可以在数字域中执行在框304处的数字化之后的处理。在框306处，数字信号被解调以生成部件的电容的数字表示。框306处的解调可以基于在框302处施加的激励信号，诸如基于激励信号的频率。

尽管上述模拟域中的某些电路处理电压感测信号，但是也可以使用电流感测信号来执行电容感测，诸如图4所示。图4是例示根据本公开内容的一些实施例的在模拟域中具有电流模式操作的感测电路的框图。AFE 204或耦合到部件202的其他电路可以被配置为创建与部件202的电容成比例的电流感测信号ISENSE。当电流信号ISENSE被馈送到电流模式DAC 406时，可以省略AFE 204，并且相反，将通过部件202的电流用作ADC 406的输入。可以在输入节点402处将电流信号ISENSE提供给电流模式ADC406，诸如电流模式带通Δ-ΣADC。带通ADC 406接收与部件202的电容成比例的模拟电流信号ISENSE，并创建输出到调制器208的数字代码。调制器208可以以与利用电压模式ADC生成数字代码时相同的方式处理从电流模式ADC 406接收到的数字代码。

参考图5A-5C描述了根据本文描述的实施例的由感测电路执行的一个示例性操作。图5A-5C是例示根据本公开内容的一些实施例的在测量部件的电容时在诸如图2的感测电路之类的感测电路内的输出的曲线图。图5A的曲线图包括作为时间的函数的部件的输出的曲线图。信号502例示了从部件输出的电容信号，其可以具有类似于正弦波激励信号的图案。图5B的曲线图例示了当接收到信号502时AFE 204的输出信号504。图5C的曲线图示出了来自解调器的输出信号506。曲线图506的输出与响应于激励信号从部件产生的曲线图502中所示的所创建的输入信号匹配。

图6和图7示出了感测电路中的部件的频率响应。图6是例示了根据本公开内容的一些实施例的围绕激励频率的带通模数转换器(ADC)响应的曲线图。曲线图602例示了带通ADC的响应，该带通ADC的通过区域以围绕187.5kHz的激励频率的范围604为中心。图7是例示了根据本公开内容的一些实施例的解调器同相输出的曲线图。曲线图702例示了解调器的响应，该解调器的峰值输出围绕区域704中的1kHz的输入信号频率，并在整个输出中具有热噪声。

本文描述的所提出的方法和电路可以解决常规电容感测的以下一个或多个问题：在低功率和移动设备的小面积的约束内实现高SNR；与现有解决方案相比，实现更好的线性度和总谐波失真(THD)性能；实现对移动设备中的各种干扰源的更好抵抗；和/或与现有解决方案相比，实现更好的低频精度。

通常将图3的示意性流程图阐述为逻辑流程图。同样，在本文中没有流程图的情况下，将电路的其他操作描述为有序步骤的序列。所描绘的顺序、标记的步骤和所描述的操作指示本发明的方法的各方面。可以设想在功能、逻辑或效果上与所示方法的一个或多个步骤或其部分等效的其他步骤和方法。另外，所采用的格式和符号被提供来解释该方法的逻辑步骤，并且被理解为不限制该方法的范围。尽管在流程图中可以采用各种箭头类型和线条类型，但是它们应理解为不限制相应方法的范围。实际上，一些箭头或其他连接符可以用于仅指示该方法的逻辑流。例如，箭头可以指示所描绘的方法的所枚举的步骤之间的未指定的持续时间的等待或监测时段。另外，特定方法的发生顺序可以或可以不严格遵循所示的相应步骤的顺序。

上述操作可以由配置有用于执行所描述的操作的任何电路的控制器来执行。这样的电路可以是构造在半导体衬底上的集成电路(IC)，并且包括逻辑电路(诸如被配置为逻辑门的晶体管)、以及存储器电路(诸如被配置为动态随机存取存储器(DRAM)、电子可编程只读存储器(EPROM)或其他存储器件的晶体管和电容器)。可以通过硬线连接或通过由固件中包含的指令进行编程来配置逻辑电路。此外，逻辑电路可以被配置为能够执行软件中包含的指令的通用处理器。固件和/或软件可以包括使得本文所述的信号的处理得以执行的指令。在一些实施例中，作为控制器的集成电路(IC)可以包括其他功能。例如，控制器IC可以包括音频编码器/解码器(CODEC)以及用于执行本文描述的功能的电路。这种IC是音频控制器的一个示例。其他音频功能可以另外或替代地与本文描述的IC电路集成以形成音频控制器。

如果以固件和/或软件实施，则上述功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的非暂时性计算机可读介质和用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机存取的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘储存器、磁盘储存器或其他磁性存储设备，或任何其他可以用于以指令或数据结构的形式存储所需程序代码并且可以由计算机存取的介质。磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光盘。通常，磁盘磁性地再现数据，并且光盘光学地再现数据。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据还可以作为信号被提供在通信装置中包括的传输介质上。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置为使一个或多个处理器实施权利要求中概述的功能。

尽管已经详细描述了本公开内容和某些代表性优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。而且，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。例如，在将通用处理器描述为实施某些处理步骤的情况下，通用处理器可以是数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、中央处理单元(CPU)或其他可配置逻辑电路。作为另一示例，尽管在某些示例中描述了音频数据的处理，但是可以通过上述滤波器和其他电路来处理其他数据。如本领域的普通技术人员将从本公开内容容易地理解的是，可以利用执行与本文所述的相应实施例基本相同的功能或实现与本文所述的相应实施例相同的结果的目前存在或将要开发的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims

1.一种装置，包括：

带通模数转换器(ADC)，其被配置为接收与部件的电容成比例的输入信号，并被配置为输出数字信号；

解调器，其耦合到所述带通ADC，并被配置为从所述带通ADC接收所述数字信号，并被配置为输出所述部件的所述电容的数字表示；以及

激励源，其被配置为耦合到所述部件以将激励信号输出到所述部件，所述激励信号导致生成所述输入信号，其中，所述激励源耦合到所述解调器，以使所述解调器与所述激励信号同步。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述带通ADC被配置为接收输入电流信号作为所述输入信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述带通ADC被配置为接收输入电压信号作为所述输入信号。

4.根据权利要求3所述的装置，还包括电荷感测前端，所述电荷感测前端耦合到所述带通ADC，并被配置为耦合到所述部件以基于所述部件的所述电容来生成所述输入电压信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激励源包括正弦波激励源，所述正弦波激励源被配置为耦合到所述部件并且向所述部件施加正弦波以用于测量所述部件的所述电容，其中，所述解调器耦合到所述正弦波激励源，并被配置为与所述正弦波同步。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述正弦波激励源被配置为生成频率在大约20千赫兹与1000千赫兹之间的正弦波。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述解调器的低通滤波器(LPF)。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括换能器，其中，所述换能器耦合到所述带通ADC，并且其中，所述部件的所述电容为所述换能器的电容。

9.一种方法，包括：

向部件施加激励信号，所述激励信号导致生成与所述部件的电容成比例的输入信号；

利用带通模数转换器(ADC)将所述输入信号数字化以生成数字信号；以及

利用解调器对所述数字信号进行解调，以生成所述部件的所述电容的数字表示，其中，所述解调至少部分地基于所述激励信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，将输入信号数字化的所述步骤包括：将输入电流信号数字化。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，将输入信号数字化的所述步骤包括：将输入电压信号数字化。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：利用电荷感测前端感测所述部件以生成所述输入电压信号。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括：将正弦波施加到所述部件以用于测量所述部件的所述电容。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述正弦波具有在大约20千赫兹与1000千赫兹之间的频率。

15.根据权利要求9所述的方法，还包括：对通过解调所述数字信号而生成的所述数字表示进行低通滤波。

16.根据权利要求9所述的方法，还包括：至少部分地基于所述部件的所述电容的所述数字表示来确定换能器的电容。

17.一种装置，包括：

控制器，所述控制器被配置为执行包括以下步骤的步骤：

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制器被配置为通过将输入电流信号数字化来将所述输入信号数字化。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制器被配置为通过将输入电压信号数字化来将所述输入信号数字化，其中，所述装置还包括电荷感测前端，所述电荷感测前端耦合到所述控制器，并且被配置为耦合到所述部件以基于所述部件的所述电容来生成所述输入电压信号。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置还包括耦合到所述控制器的换能器，并且其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述部件的所述电容的所述数字表示来确定所述换能器的电容。