CN112003601A - 半导体装置和具有半导体装置的半导体系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及半导体装置和具有半导体装置的半导体系统。一种半导体装置包括：脉冲信号输出电路，该脉冲信号输出电路为电极对的发射电极提供脉冲信号；电流转换器，该电流转换器将在接收电极上生成的第一电流转换为第二电流；电流控制振荡器，该电流控制振荡器输出振荡信号，该振荡信号的频率取决于第二电流；以及计数器，该计数器对振荡信号在每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数；其中电流转换器包括第一恒定电流源，并且响应于脉冲信号而输出第一恒定电流源的第一恒定电流和第一电流的组合电流作为第二电流，使得半导体装置抑制了电路尺寸的增加。

Description

半导体装置和具有半导体装置的半导体系统
相关申请的交叉引用
于2019年5月27日提交的、包括说明书、附图和摘要的日本专利申请号2019-098605的公开，以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种半导体装置和包括该半导体装置的半导体系统，并且涉及一种例如适合于抑制电路规模增加的半导体装置以及包括该半导体装置的半导体系统。
背景技术
在触摸键和触摸屏的技术领域中，通常采用电容性触摸传感器电路。日本未审查专利申请公开号2017-204900(专利文献1)公开了一种互电容式触摸传感器的配置，该互电容式触摸传感器用于检测触摸电极是否被手指触摸。
触摸传感器包括：电源电压下降电路，其用于生成向触摸电极对施加的恒定电压，以在触摸电极对中生成电场；电流控制振荡器，其用于在恒定电压被从电源电压下降电路施加到触摸电极时，输出具有与流动电流的值相对应的频率的时钟信号；以及计数器，其用于对从电流控制振荡器输出的时钟信号的每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数。触摸传感器被提供有箱式电容器(tank capacitor)，该箱式电容器用于抑制由电源电压下降电路生成的恒定电压的变化。
发明内容
然而，在现有技术的触摸传感器的配置中，由于针对每个触摸电极对都需要一对电源电压下降电路和箱式电容器，因此存在电路规模增大的问题。特别地，在现有技术的触摸传感器的配置中，当多个触摸电极对的感测被并行地执行时，需要与多个触摸电极对相对应的多组电源电压下降电路和箱式电容器，使得电路尺寸的增加变得显著。其他目的和新颖特征根据本说明书的描述和附图将变得明显。
根据一个实施例，半导体装置包括：脉冲信号输出电路，该脉冲信号输出电路为电极对中的发射电极提供脉冲信号，该电极对包括发射电极和接收电极；电流转换器，该电流转换器将在接收电极上生成的第一电流转换为第二电流；电流控制振荡器，该电流控制振荡器输出振荡信号，该振荡信号的频率取决于第二电流；以及计数器，该计数器对振荡信号在每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数。电流转换器包括：第一恒定电流源，该第一恒定电流源输出第一恒定电流；第一晶体管，该第一晶体管被二极管连接(diode-connected)，并且具有源极-漏极路径，第一恒定电流和第一电流的组合电流流动经过该源极-漏极路径；第二晶体管，该第二晶体管是连接至第一晶体管的电流镜；以及第三晶体管，该第三晶体管被串联耦合至第二晶体管并且通过响应于脉冲信号而导通/截止来输出第二电流。
根据上述实施例，可以提供一种能够抑制电路尺寸增加的半导体装置以及包括该半导体装置的半导体系统。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的半导体装置的配置示例的示图。
图2是示出在图1所示半导体装置中提供的电流转换器的特定配置的电路图。
图3是示出用于说明图2中所示的电流转换器的操作的电流波形的示图。
图4是示出在图1所示半导体装置中提供的电流控制振荡器的输入电流与输出振荡频率之间关系的示图。
图5是示出根据第二实施例的半导体装置中提供的电流转换器的特定配置示例的电路图。
图6是示出用于说明图5中所示电流转换器的操作的电流波形的示图。
图7是示出根据第三实施例的半导体装置中提供的电流转换器的特定配置示例的电路图。
图8是示出根据第四实施例的半导体装置中提供的电流转换器的特定配置示例的电路图。
图9是示出应用根据第一实施例的半导体装置的传感器系统的配置示例的示图。
具体实施方式
为了说明清楚，适当地省略和简化了以下描述和附图。另外，在附图中被描述为用于执行各种处理的功能块的元件，在硬件方面可以被配置为CPU(中央处理单元)、存储器以及其他电路，并且在软件方面可以通过被加载到存储器中的程序来实现。因此，本领域技术人员可以理解，这些功能块可以仅通过硬件、仅通过软件或通过硬件和软件的组合以各种形式实现，并且本发明不限于它们中的任何一个。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且必要时省略其重复描述。
而且，上述程序可以使用各种类型的非暂态计算机可读介质被存储且被提供给计算机。非暂态计算机可读介质包括各种类型的有形存储介质。非暂态计算机可读介质的示例包括磁记录介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、磁光记录介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(只读存储器、CD-R、CD-R/W)、固态存储器(例如，掩码ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM、闪速ROM、RAM(随机存取存储器))。程序还可以通过各种类型的暂态计算机可读介质被供应给计算机。暂态计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。暂态计算机可读介质可以经由有线或无线通信路径(诸如电线和光纤)将程序提供给计算机。
第一实施例
图1是示出根据第一实施例的半导体装置1的配置示例的图。根据本实施例的半导体装置1被用作互电容式触摸传感器，并且具有不使用电源电压下降电路和箱式电容器而感测触摸电极对的功能。因此，根据本实施例的半导体装置1可以抑制电路尺寸的增加。以下将给出具体描述。
如图1所示，半导体装置1包括脉冲信号输出电路11、驱动器12、电流转换器13、电流控制振荡器(CCO)14、计数器15以及端子TX1、TR1。图1中还示出了触摸电极对TP1。在半导体装置1的部件中，图1仅示出了电容检测单元的部件，电容检测单元检测触摸电极对TP1的电容的改变。
触摸电极对TP1包括发射电极PX1和接收电极PR1。发射电极PX1被连接至半导体装置1的端子TX1。接收电极PR1被连接至半导体装置1的端子TR1。通过由半导体装置1在触摸电极对TP1的电极之间施加电压，在触摸电极对TP1的电极之间形成电容C1。
例如，当接地的手指FNG和触摸电极对TP1彼此足够地分离时，与在电极PX1、PR1之间形成的电容C1的值，在手指FNG与电极PX1、PR1之间形成的电容Cf的值很小到可忽略的程度。
另一方面，随着手指FNG与触摸电极对TP1之间的距离变短，在电极PX1、PR1之间形成的多条电力线中被手指FNG吸收的电力线的数目增加。因此，随着手指FNG与触摸电极对TP1之间的距离变短，在电极PX1、PR1之间形成的电容C1的电容值变小。半导体装置1可以通过检测电容C1在此时的改变来检测手指FNG触摸(或接近)触摸电极对TP1。
在半导体装置1中，脉冲信号输出电路11输出具有预定频率的脉冲信号PS1。驱动器12将脉冲信号PS1输出到端子TX1。因此，脉冲信号PS1经由端子TX1被施加到触摸电极对TP1中的发射电极PX1。
脉冲信号切换电路16基于切换信号MODE选择脉冲信号PS1或其反相信号，并且将所选择的脉冲信号输出为脉冲信号P1。脉冲信号P1被输入至电流转换器13。在该实施例中，当MODE为1时选择脉冲信号PS1，而当MODE为0时选择脉冲信号PS1的反相信号。
电流转换器13将电流Iin转换为电流Iout，并且输出电流Iout，电流Iin通过改变施加到发射电极PX1的脉冲信号PS1而在接收电极PR1中被生成。电流Iin具有与电容C1和脉冲信号PS1的振幅成比例的电流值。
<电流转换器13的特定配置示例>
图2是示出电流转换器13的特定配置示例的电路图。如图2所示，电流转换器13包括P沟道MOS晶体管(在下文中简称为晶体管)MP1和N沟道MOS晶体管(在下文中简称为晶体管)MN1至MN3。
在晶体管MP1中，源极耦合至电源电压端子VDD，漏极耦合至节点N1，并且偏置电压VB被施加至栅极。即，晶体管MP1构成恒定电流源。因此，恒定电流(无功电流(idlecurrent))Iidle在晶体管MP1的源极和漏极之间流动。
在晶体管MN1(第一晶体管)中，源极耦合至接地电压端子GND，并且漏极和栅极耦合至节点N1。即，晶体管MN1被二极管连接。
端子TR1进一步连接至节点N1。因此，恒定电流Iidle被从晶体管MP1供应给节点N1，电流Iin被经由端子TR1从接收电极PR1供应给节点N1，恒定电流Iidle和电流Iin的组合电流(Iidle+Iin)在晶体管MN1的源极和漏极之间流动。
在晶体管MN2(第二晶体管)中，源极耦合至接地电压端子GND，漏极耦合至节点N2，并且栅极耦合至节点N1。即，晶体管MN2是连接至晶体管MN1的电流镜。因此，在晶体管MN2的源极和漏极之间流动的电流与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流成比例。在图2中，电流(Iidle+Iin)在晶体管MN2的源极和漏极之间流动，其电流值与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流的电流值相同。
在晶体管MN3(第三晶体管)中，源极连接至节点N2，漏极连接至电流转换器13的输出端子，并且栅极被施加脉冲信号P1。晶体管MN3通过脉冲信号P1导通和截止。
<电流转换器13的操作>
接下来，将参考图3描述电流转换器13的操作。图3是示出用于说明电流转换器13的操作的电流波形图。
首先，将描述当脉冲信号切换电路16将输出脉冲信号PS1按原样作为脉冲信号P1输出时(当MODE为1时)的电流转换器13的操作。
例如，当脉冲信号PS1上升时，在接收电极PR1(即，端子TR1)中暂态地生成正极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3响应于脉冲信号P1的上升从截止切换为导通。因此，电流Iidle+Iin在晶体管MN3的源极和漏极之间流动。当脉冲信号P1处于H电平时，电流转换器13将电流Iidle+Iin作为电流Iout输出。
此后，当脉冲信号PS1下降时，响应于脉冲信号PS1的下降，在接收电极PR1中暂态地生成负极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3响应于脉冲信号P1的下降从导通切换为截止。因此，在晶体管MN3的源极和漏极之间没有电流流动。当脉冲信号P1处于L电平时，电流转换器13将输出电流Iout维持在0A。
换言之，电流转换器13将通过使电流Iidle+Iin乘以脉冲信号P1的占空比而获得的电流作为电流Iout输出。
接下来，将描述当脉冲信号切换电路16将脉冲信号PS1的反相信号作为脉冲信号P1输出时(当MODE为0时)的电流转换器13的操作。
例如，当脉冲信号PS1上升时，在接收电极PR1(即，端子TR1)中暂态地生成正极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3响应于脉冲信号P1的下降从导通切换为截止。因此，在晶体管MN3的源极和漏极之间没有电流流动。当脉冲信号P1处于L电平时，电流转换器13将输出电流Iout维持在0A。
此后，当脉冲信号PS1下降时，响应于脉冲信号PS1的下降，在接收电极PR1中暂态地生成负极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3响应于脉冲信号P1的上升从截止切换为导通。因此，电流Iidle-Iin在晶体管MN3的源极和漏极之间流动。当脉冲信号P1处于H电平时，电流转换器13将电流Iidle-Iin作为电流Iout输出。
换言之，电流转换器13将通过使电流Iidle-Iin乘以脉冲信号P1的占空比而获得的电流作为电流Iout输出。
电流控制振荡器14输出时钟信号(振荡信号)CLK2，其频率取决于从电流转换器13输出的电流Iout。具体地，电流控制振荡器14包括环形振荡器和缓冲器电路。在环形振荡器中，多个反相器电路以环形连接，该多个反相器电路的延迟时间根据电流Iout而变化。缓冲器电路放大多个反相器电路中的最后反相器电路的输出，并且将经放大的输出作为时钟信号CLK2输出。计数器15对时钟信号CLK2在每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数，并且输出计数值NC2。
图4是示出电流控制振荡器14的输入电流与输出振荡频率之间关系的示图。例如，当电流Iout的值增加时，在电流控制振荡器14中提供的反相器的延迟时间减小，使得时钟信号CLK2的频率增加，并且因此，计数值NC2增加。另一方面，当电流Iout的值减小时，在电流控制振荡器14中提供的反相器的延迟时间增加，使得时钟信号CLK2的频率减小，并且因此，计数值NC2减小。
半导体装置1可以通过基于当电流Iout的电流值为Iidle(即，Iin＝0)时的计数值NC2、以及当电流Iout的电流值为Iidle+Iin(或Iidle-Iin)时的计数值NC2的电流差Iin，来获得触摸电极对TP1的电容C1的电容值。
如上所述，根据本实施例的半导体装置1通过使用如下的电流转换器13来检测触摸电极对TP1的电容改变：该电流转换器13不包括具有放大器等的电源电压下降电路。根据本实施例的半导体装置1也不需要箱式电容器。因此，根据本实施例的半导体装置1可以抑制电路尺寸的增加。因此，即使在安装用于并行测量多个触摸电极对的相应电容的电路配置的情况下，根据本实施例的半导体装置1也能够抑制电路尺寸的增加。
在本实施例中，尽管由脉冲信号切换电路16选择的脉冲信号PS1或其反相信号被输入至电流转换器13，但是本发明不限于此。脉冲信号PS1和反相脉冲信号中只有一个可以被输入至电流转换器13。备选地，脉冲信号切换电路16可以被设置在脉冲信号输出电路11和驱动器12之间，脉冲信号PS1可以被选择性地输入至电流转换器13，并且脉冲信号PS1及其反相信号可以被选择性地输入至驱动器12。
在本实施例中，作为示例描述了如下情况，其中通过基于在电流Iout的电流值表示Iidle情况下的计数值NC2、和在电流Iout的电流值表示Iidle+Iin(或Iidle-Iin)的情况下的计数值NC2的差电流Iin，获得触摸电极对TP1的电容C1的电容值，但本发明不限于此。可以基于在电流Iout的电流值指示Iidle+Iin时的计数值NC2与在电流Iout的电流值指示Iidle-Iin时的计数值NC2之间的差来获得触摸电极对TP1的电容C1的电容值。在该情况下，由于计数值之间的差对应于差电流2*Iin，并且恒定电流Iidle的变化分量被消除，所以电容C1的电容值的变化量的测量精确度被改进。
第二实施例
接下来，将描述根据第二实施例的半导体装置2。与半导体装置1相比，根据本实施例的半导体装置2包括电流转换器23，而不是电流转换器13。半导体装置2的其余配置与半导体装置1的配置相同，并且因此省略其说明。
图5是示出电流转换器23的特定配置示例的电路图。如图5所示，与电流转换器13相比，电流转换器23进一步包括P沟道MOS晶体管(在下文简称为晶体管)MP2和N沟道MOS晶体管(在下文简称为晶体管)MN4至MN7。
在晶体管MP2中，源极耦合至电源电压端子VDD，漏极耦合至节点N3，并且偏置电压VB被施加至栅极。即，晶体管MP2构成恒定电流源。在此，在图5的情况下，晶体管MP2的电流驱动能力是晶体管MP1的电流驱动能力的两倍。因此，在晶体管MP2的源极和漏极之间流动的恒定电流(无功电流)2*Iidle是在晶体管MP1的源极和漏极之间流动的恒定电流Iidle的两倍。
在晶体管MN4(第四晶体管)中，源极耦合至接地电压端子GND，漏极耦合至节点N3，并且栅极耦合至节点N1。即，晶体管MN4是连接至晶体管MN1的电流镜。因此，在晶体管MN4的源极和漏极之间流动的电流与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流成比例。在图5中，在晶体管MN4的源极和漏极之间流动的电流Iidle+Iin与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流具有相同的电流值。
在晶体管MN5(第五晶体管)中，源极耦合至接地电压端子GND，并且漏极和栅极耦合至节点N3。即，晶体管MN5被二极管连接。因此，从晶体管MN2流向节点N3的恒定电流2*Iidle与从节点N3流向晶体管MN4的电流(Iidle+Iin)之间的差电流(Iidle-Iin)在晶体管MN5的源极和漏极之间流动。
晶体管MN6(第六晶体管)具有耦合至接地电压端子GND的源极、耦合至节点N4的漏极以及耦合至节点N3的栅极。即，晶体管MN6是连接至晶体管MN5的电流镜。因此，在晶体管MN6的源极和漏极之间流动的电流与在晶体管MN5的源极和漏极之间流动的电流成比例。在图5中，在晶体管MN6的源极和漏极之间流动的电流Iidle-Iin与在晶体管MN5的源极和漏极之间流动的电流具有相同的电流值。
在晶体管MN7(第七晶体管)中，源极连接至节点N4，漏极连接至电流转换器23的输出端子，并且脉冲信号P1的反相信号PB1被施加至栅极。晶体管MN7通过脉冲信号PB1以与晶体管MN3互补的方式导通和截止。
由于电流转换器23的其他配置与电流转换器13的配置相同，因此省略其描述。
<电流转换器23的操作>
接下来，将参考图6描述电流转换器23的操作。图6是示出用于说明电流转换器23的操作的电流波形图。
首先，将描述当脉冲信号切换电路16将脉冲信号PS1按原样作为脉冲信号P1输出时(当MODE为1时)的电流转换器23的操作。
例如，当脉冲信号PS1上升时，在接收电极PR1(即，端子TR1)中暂态地生成正极性的电流Iin。此时，在电流转换器23中，晶体管MN3通过脉冲信号P1的上升而导通，并且晶体管MN7通过脉冲信号PB1的下降而截止。因此，电流Iidle+Iin在晶体管MN3的源极和漏极之间流动。当脉冲信号PS1处于H电平时，电流转换器23将电流Iidle+Iin作为电流Iout输出。由于此时的电流Iin具有正极性，所以电流Iout也可以被表达为电流Iidle+|Iin|。
此后，当脉冲信号PS1下降时，响应于脉冲信号PS1的下降，在接收电极PR1中暂态地生成负极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3通过脉冲信号P1的下降而截止，并且晶体管MN7通过脉冲信号PB1的上升而导通。因此，电流Iidle-Iin在晶体管MN7的源极和漏极之间流动。当脉冲信号PS1处于L电平时，电流转换器23将电流Iidle-Iin作为电流Iout输出。由于此时的电流Iin具有负极性，因此电流Iout也可以被表达为电流Iidle+|Iin|。
即，电流转换器23将电流Iidle+|2*Iin|作为电流Iout输出。
接下来，将描述当脉冲信号切换电路16将脉冲信号PS1的反相信号作为脉冲信号P1输出时(当MODE为0时)的电流转换器13的操作。
例如，当脉冲信号PS1上升时，在接收电极PR1(即，端子TR1)中暂态地生成正极性的电流Iin。此时，在电流转换器23中，晶体管MN3通过脉冲信号P1的下降而截止，并且晶体管MN7通过脉冲信号PB1的上升而导通。因此，电流Iidle-Iin在晶体管MN7的源极和漏极之间流动。当脉冲信号PS1处于H电平时，电流转换器23将电流Iidle-Iin作为电流Iout输出。由于此时的电流Iin具有正极性，所以电流Iout也可以被表达为电流Iidle-|Iin|。
此后，当脉冲信号PS1下降时，响应于脉冲信号PS1的下降，在接收电极PR1中暂态地生成负极性的电流Iin。此时，在电流转换器13中，晶体管MN3通过脉冲信号P1的上升而导通，晶体管MN7通过脉冲信号PB1的下降而截止。因此，电流Iidle+Iin在晶体管MN3的源极和漏极之间流动。当脉冲信号PS1处于L电平时，电流转换器23将电流Iidle+Iin作为电流Iout输出。由于此时的电流Iin具有负极性，所以电流Iout也可以被表达为电流Iidle-|Iin|。
即，电流转换器23将电流Iidle-|2*Iin|作为电流Iout输出。
如上所述，根据本实施例的半导体装置2通过使用如下的电流转换器23来检测触摸电极对TP1的电容的改变：该电流转换器23不包括具有放大器等作为组成元件的电源电压下降电路。根据本实施例的半导体装置2也不需要箱式电容器。因此，根据本实施例的半导体装置2可以抑制电路尺寸的增加。因此，即使在安装了用于并行测量多个触摸电极对的相应电容的电路配置的情况下，根据本实施例的半导体装置2也可以抑制电路尺寸的增大。
此外，在根据本实施例的半导体装置2中，电流转换器23输出电流Iout，电流Iout包括在接收电极PR1处生成的正电流Iin和负电流Iin两者。因此，根据本实施例的半导体装置2可以将检测精确度提高至半导体装置1的检测精确度的两倍。备选地，与半导体装置1的情况相比，根据本实施例的半导体装置2可以以大约一半的时间获得等效检测精确度。
在本实施例中，尽管由脉冲信号切换电路16选择的脉冲信号PS1或其反相信号被输入至电流转换器23，但是本发明不限于此。脉冲信号PS1和反相脉冲信号中只有一个可以被输入至电流转换器23。
在本实施例中，作为示例描述了如下情况：其中通过在电流Iout的电流值表示Iidle情况下的计数值NC2、和在电流Iout的电流值表示Iidle+|2*Iin|(或Iidle-|2*Iin|)的情况下的计数值NC2之间的差电流|2*Iin|，获得触摸电极对TP1的电容C1的电容值，但本发明不限于此。可以基于在电流Iout的电流值指示Iidle+|2*Iin|时的计数值NC2与在电流Iout的电流值指示Iidle-|2*Iin|时的计数值NC2之间的差，来获得触摸电极对TP1的电容C1的电容值。在该情况下，由于计数值之间的差对应于差电流4*Iin，并且恒定电流Iidle的变化分量被消除，所以电容C1的电容值变化量的测量精确度被改进。
第三实施例
接下来，将描述根据第三实施例的半导体装置3。与半导体装置2相比，根据本实施例的半导体装置3包括电流转换器33而不是电流转换器23。半导体装置3的其余配置与半导体装置2的配置相同，并且因此省略其说明。
图7是示出电流转换器33的特定配置示例的电路图。如图7所示，与电流转换器23相比，电流转换器33进一步包括P沟道MOS晶体管(在下文简称为晶体管)MP3、MP4和N沟道MOS晶体管(在下文简称为晶体管)MN8、MN9。晶体管MP3、MP4、MN8、MN9构成电流镜电路。
在晶体管MN8(第八晶体管)中，源极连接至接地电压端子GND，漏极连接至节点5，并且栅极连接至节点N1。即，晶体管MN8是连接至晶体管MN1的电流镜。因此，在晶体管MN8的源极和漏极之间流动的电流与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流成比例。图7中，在晶体管MN8的源极和漏极之间流动的电流Iidle+Iin与在晶体管MN1的源极和漏极之间流动的电流具有相同的电流值。
在晶体管MP3(第九晶体管)中，源极耦合至电源端子VDD，并且漏极和栅极耦合至节点N5。在晶体管MP4(第十晶体管)中，源极耦合至电源端子VDD，漏极耦合至节点N6，并且栅极耦合至节点N5。
在晶体管MN9(第十一晶体管)中，源极耦合至接地电压端子GND，并且漏极和栅极耦合至节点N6。因此，在晶体管MN9的源极和漏极之间流动的电流与在晶体管MN8的源极和漏极之间流动的电流成比例。图7中，在晶体管MN8的源极和漏极之间流动的电流Iidle+Iin与在晶体管MN9的源极和漏极之间流动的电流具有相同的电流值。
这里，晶体管MN2的栅极耦合至节点N6，而不是耦合至节点N1。即，通过由晶体管MP3、MP4、MN8和MN9组成的电流镜电路将节点N1的电压施加到晶体管MN2的栅极。
由于电流转换器33的其他配置与电流转换器23的配置相同，因此省略其描述。
本实施例的半导体装置3与半导体装置2一样有效。此外，在本实施例的半导体装置3中，电流转换器33被配置为通过在晶体管MN7的栅极与电流转换器33的电流输入端子之间提供电流镜电路，使得脉冲电流波形的电流Iin未直接施加到晶体管MN7的栅极。因此，电流转换器33可以使电流Iout的电流波形变得平缓(blunt)。因此，电流Iout被抑制在下一级的电流控制振荡器14的输入电流范围的范围内，使得测量特性被改进。
在本实施例中，除在半导体装置2中提供的电流转换器23之外，还将电流镜电路添加至晶体管MN7的栅极和电流转换器33的电流输入之间。当然，即使在半导体装置1中提供的电流转换器13中，将电流镜电路添加至晶体管MN7的栅极和电流转换器33的电流输入之间，测量特性也被改进。
第四实施例
接下来，将描述根据第四实施例的半导体装置4。与半导体装置3相比，根据本实施例的半导体装置4包括电流转换器43而不是电流转换器33，并且进一步包括虚设晶体管MP6。半导体装置4的其余配置与半导体装置3的配置相同，并且因此省略其说明。
图8是示出电流转换器43的特定配置示例的电路图。如图8所示，与电流转换器33相比，电流转换器43进一步包括N沟道MOS晶体管MN10、MN11。电流转换器43除包括用于输出电流Iout的输出端子OUT之外，进一步包括用于输出电流IoutB的输出端子OUTB。
在晶体管MN10(第十二晶体管)中，源极耦合至节点N2，漏极耦合至电流转换器43的输出端子OUTB，并且脉冲信号P1的反相信号PB1被施加至栅极。晶体管MN10通过脉冲信号PB1导通和截止。在晶体管MN11(第十三晶体管)中，源极耦合至节点N4，漏极耦合至电流转换器43的输出端子OUTB，并且脉冲信号P1被施加至栅极。晶体管MN11通过脉冲信号P1而被导通和截止。即，晶体管MN10、MN11与晶体管MN3、MN7互补地导通和截止。
因此，当流动通过输出端子OUT的电流Iout的电流值指示Iidle+|2*Iin|时，流动通过输出端子OUTB的电流IoutB的电流值指示Iidle-|2*Iin|。另一方面，当流动通过输出端子OUT的电流Iout的电流值指示Iidle-|2*Iin|时，流动通过输出端子OUTB的电流IoutB的电流值指示Iidle+|2*Iin|。
虚设晶体管MP6是P沟道MOS晶体管，并且被提供为与在电流控制振荡器14的输入级中提供的P沟道MOS晶体管MP5相对应。优选地，虚设晶体管MP6与晶体管MP5具有相同尺寸和相同形状。
具体地，在电流控制振荡器14的输入级中提供的晶体管MP5中，源极耦合至电源电压端子VDD，并且漏极和栅极耦合至电流转换器43的输出端子OUT。在虚设晶体管MP6中，源极耦合至电源电压端子VDD，并且漏极和栅极耦合至电流转换器43的输出端子OUTB。
例如在节点N2上存在诸如晶体管MN2、MN3、MN10的结电容和互连电容之类的寄生电容。例如在节点N4上存在诸如晶体管MN6、MN7、MN11的结电容和互连电容之类的寄生电容。
此处在图7所示的电流转换器33中，当晶体管MN3被截止时，节点N2的电压被放电至地电平0V。因此，此后当晶体管MN3从截止切换为导通时，不仅期望的电流Iidle+Iin，而且用于对节点N2的寄生电容进行充电和放电的额外电流，在晶体管的源极和漏极之间流动。类似地，在图7中所示的电流转换器33中，当晶体管MN7被截止时，节点N4的电压被放电至地电平0V。因此，当晶体管MN7从截止切换为导通时，不仅期望的电流Idle-Iin，而且用于对节点N4的寄生电容进行充电和放电的额外电流，在晶体管MN7的源极和漏极之间流动。因此，用于对节点N2和N4的寄生电容进行充电和放电的额外电流作为误差分量被包括在电流Iout中。该误差分量随脉冲信号P1频率的增加成比例地增加。
另一方面，在图8所示的电流转换器43中，即使晶体管MN3被截止，晶体管MN10也被导通以将电荷提供给节点N2，使得节点N2的电压不被放电至地电平。因此，此后当晶体管MN3从截止切换为导通时，在晶体管MN3的源极和漏极之间流动的额外电流(用于对寄生电容进行充电和放电的电流)被抑制。类似地，在图8所示的电流转换器43中，即使晶体管MN7被截止，由于晶体管MN11被导通以将电荷提供给节点N4，因此节点N4的电压不被放电至地电平。因此，此后当晶体管MN7从截止切换为导通时，在晶体管MN7的源极和漏极之间流动的额外电流(用于对寄生电容进行充电和放电的电流)被抑制。因此，被包括在电流Iout中的误差分量被抑制。
在本实施例中，晶体管MN10、MN11被添加到在半导体装置3中提供的电流转换器33，以便不将节点N2和N4放电至地电平，但是本发明不限于此。当然，晶体管MN10可以被添加到在半导体装置1中提供的电流转换器13，以便不将节点N2放电到地电平。另外，晶体管MN10、MN11可以被添加到在半导体装置2中提供的电流转换器23，以便不将节点N2和N4放电至地电平。
<半导体装置1的应用实例>
随后，将使用图9来描述半导体装置1的应用实例。图9是示出将半导体装置1应用到的传感器系统(半导体系统)SYS1的示例性配置的示图。
如图9所示，传感器系统SYS1包括触摸屏100和与半导体装置1相对应的半导体装置1a。具有n行×m列的多个触摸电极对TP1被布置在触摸屏100上。半导体装置1a包括脉冲信号输出电路11、选择器18、驱动器12_1至12_m、电流转换器13_1至13_n、电流控制振荡器14_1至14_n、计数器15_1至15_n、脉冲信号切换电路16以及算术处理单元(CPU)17。
选择器18将从脉冲信号输出电路11输出的脉冲信号PS1选择性地输出至驱动器12_1至12_m中的任何一个驱动器。驱动器12_1至12_m中的每个驱动器对应于驱动器12，并且分别将脉冲信号PS1选择性地输出至第1至第m列中的第n触摸电极对TP1的发射电极。
电流转换器13_1至13_n中的每个电流转换器对应于电流转换器13，并且将在第1行至第n行的m个触摸电极中的任何一个电极和TP1的接收电极中生成的电流Iin_1至Iin_n转换为电流Iout_1至Iout_n。每个电流控制振荡器14_1至14_n对应于电流控制振荡器14。电流控制振荡器14_1至14_n输出时钟信号CLK2_1至CLK2_n，每个时钟信号具有分别对应于电流Iout_1至Iout_n的频率。每个计数器15_1至15_n对应于计数器15。计数器15_1至15_n对时钟信号CLK2_1至CLK2_n在每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数，并且分别输出计数值NC2_1至NC2_n。算术处理单元17基于计数值NC2_1至NC2_n，检测手指触摸了哪个触摸电极对TP1。半导体装置1a的其他配置与半导体装置1的配置相同，因此省略其描述。
此处，尽管在半导体装置1a中提供了多个电流转换器13_1至13_n，但是相应的电流转换器13_1的电路尺寸如上所述较小。因此，传感器系统SYS1可以抑制电路尺寸的增加。
在该实施例中，尽管将脉冲信号P1输入至相应的电流转换器13_1至13_n，但是与第一实施例类似，被输入脉冲信号PS1的脉冲信号切换电路16可以被设置在脉冲信号输出电路11与选择器18之间，使得驱动器12_1至12_m被选择性地供应给脉冲信号PS1及其反相信号中的一者。
尽管在该实施例中半导体装置1的配置被应用于传感器系统，但是本发明不限于此，并且半导体装置2至4的配置中的任何一个配置都可以被应用于传感器系统。
如上所述，根据第一实施例至第四实施例的半导体装置通过使用如下的电流转换器来检测触摸电极对TP1的电容的改变：该电流转换器不包括具有放大器等的电源电压下降电路。另外，根据第一实施例至第四实施例的半导体装置不需要箱式电容器。因此，根据第一实施例至第四实施例的半导体装置可以抑制电路尺寸的增加。因此，即使在安装了用于并行测量多个触摸电极对中的每个触摸电极对的电容的电路配置的情况下，根据第一实施例至第四实施例的半导体装置也可以抑制电路尺寸的增大。
尽管已经基于实施例具体描述了发明人做出的发明，但是本发明不限于已经描述的实施例，并且不用说，在不脱离其主旨的情况下可以对本发明进行各种修改。
例如，在根据半导体装置的上述实施例中，半导体衬底、半导电层、扩散层(扩散区域)之类的导电类型(p型或n型)可以被颠倒。因此，在n型或p型的导电类型中的一个导电类型是第一导电型而另一导电类型是第二导电类型的情况下，第一导电类型可以是p型，第二导电类型可以是n型，或者相反，第一导电类型可以是n型，第二导电类型可以是p型。

Claims (14)

1.一种半导体装置，包括：
脉冲信号输出电路，所述脉冲信号输出电路为电极对中的发射电极提供脉冲信号，所述电极对包括所述发射电极和接收电极；
电流转换器，所述电流转换器将在所述接收电极上生成的第一电流转换为第二电流；
电流控制振荡器，所述电流控制振荡器输出振荡信号，所述振荡信号的频率取决于所述第二电流，以及
计数器，所述计数器对所述振荡信号在每个预定周期内的振荡次数的数目进行计数，
其中所述电流转换器包括第一恒定电流源，所述第一恒定电流源输出第一恒定电流，并且所述电流转换器将所述第一恒定电流和所述第一电流的组合电流转换为所述第二电流。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中所述电流转换器进一步包括：
第一晶体管，所述第一晶体管被二极管连接并且具有源极-漏极路径，所述组合电流流动通过所述第一晶体管的所述源极-漏极路径；
第二晶体管，所述第二晶体管是连接至所述第一晶体管的电流镜；以及
第三晶体管，所述第三晶体管被串联耦合至所述第二晶体管，并且通过响应于所述脉冲信号而导通/截止来输出所述第二电流。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，进一步包括：
脉冲信号切换电路，所述脉冲信号切换电路选择所述脉冲信号或所述脉冲信号的反相信号，所选择的所述脉冲信号或所述脉冲信号的反相信号被输出至所述电流转换器和所述发射电极。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，进一步包括算术处理单元，
其中所述算术处理单元根据第一计数值与第二计数值之间的差来检测所述发射电极与所述接收电极之间的电容值，
其中所述第一计数值基于当所述脉冲信号被从所述脉冲信号切换电路输出时的所述第二电流，以及
其中所述第二计数值基于当所述脉冲信号的所述反相信号被从所述脉冲信号切换电路输出时的所述第二电流。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，
其中所述电流转换器进一步包括电流镜电路，所述电流镜电路根据流动通过所述第一晶体管的所述源极-漏极路径的电流来控制流动通过所述第二晶体管的源极-漏极路径的电流。
6.根据权利要求5的半导体装置，
其中所述电流镜电路包括：
第八晶体管，所述第八晶体管被电流镜连接至所述第一晶体管；
第九晶体管，所述第九晶体管被串联耦合至所述第八晶体管，并且具有与所述第八晶体管的导电类型不同的导电类型；
第十晶体管，所述第十晶体管被电流镜连接至所述第九晶体管，并且具有与所述第九晶体管的所述导电类型相同的导电类型；以及
第十一晶体管，所述第十一晶体管串联耦合至所述第十晶体管，并且具有与所述第八晶体管的所述导电类型相同的导电类型，
其中所述第二晶体管被电流镜连接至所述第十一晶体管。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，
其中所述电流转换器进一步包括：
第二恒定电流源，所述第二恒定电流源输出第二恒定电流，所述第二恒定电流与所述第一恒定电流成比例；
第四晶体管，所述第四晶体管被串联耦合至所述第二恒定电流源，并且被电流镜连接至所述第一晶体管；
第五晶体管，所述第五晶体管被二极管连接，并且具有源极-漏极路径，所述第二恒定电流和流动通过所述第四晶体管的源极-漏极路径的电流之间的差分电流流动通过所述第五晶体管的所述源极-漏极路径；
第六晶体管，所述第六晶体管被电流镜连接至所述第五晶体管；以及
第七晶体管，所述第七晶体管被串联耦合至所述第六晶体管，并且将通过针对所述第三晶体管互补地导通/截止而流动的电流作为所述第二电流输出。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，进一步包括：
脉冲信号切换电路，所述脉冲信号切换电路选择所述脉冲信号或所述脉冲信号的反相信号，所选择的所述脉冲信号或所述脉冲信号的反相信号被输出至所述电流转换器和所述发射电极；
其中所述电流转换器的所述第三晶体管响应于所述脉冲信号切换电路的输出信号而导通/截止，并且
其中所述电流转换器的所述第七晶体管响应于所述脉冲信号切换电路的所述输出信号的反相信号而导通/截止。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，
其中所述电流转换器进一步包括电流镜电路，所述电流镜电路根据流动通过所述第一晶体管的所述源极-漏极路径的所述电流来控制流动通过所述第二晶体管的源极-漏极路径的电流。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，
其中所述电流镜电路包括：
第八晶体管，所述第八晶体管被电流镜连接至所述第一晶体管；
第九晶体管，所述第九晶体管被串联耦合至所述第八晶体管，并且具有与所述第八晶体管的导电类型不同的导电类型；
第十晶体管，所述第十晶体管被电流镜连接至所述第九晶体管，并且具有与所述第九晶体管的所述导电类型相同的导电类型；以及
第十一晶体管，所述第十一晶体管被串联耦合至所述第十晶体管，并且具有与所述第八晶体管的所述导电类型相同的导电类型，
其中所述第二晶体管被电流镜连接至所述第十一晶体管。
11.根据权利要求9所述的半导体装置，
其中所述电流转换器进一步包括：
第十二晶体管，所述第十二晶体管针对所述第三晶体管互补地导通/截止，并且在所述第十二晶体管导通时，向所述第二晶体管和所述第三晶体管之间的第一节点提供电荷，以及
第十三晶体管，所述第十三晶体管针对所述第七晶体管互补地导通/截止，并且在所述第十三晶体管导通时，向所述第六晶体管和所述第七晶体管之间的第二节点提供电荷。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，进一步包括虚设晶体管，
其中所述电流转换器包括第一输出端子和第二输出端子，并且通过所述第一输出端子输出所述第二电流以用于所述电流控制振荡器，
其中所述虚设晶体管被设置在电源电压端子与所述第二输出端子之间，
其中所述第十二晶体管被设置在所述第一节点和所述第二输出端子之间，并且
其中所述第十三晶体管被设置在所述第二节点和所述第二输出端子之间。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，
其中所述虚设晶体管包括与所述电流控制振荡器的输入级晶体管相同的导电类型、相同的尺寸和相同的形状。
14.一种半导体系统，包括：
电极对，以及
根据权利要求1所述的半导体装置。
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