CN112505427B - 电容测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容测量电路及测量方法，该电容测量电路包括第一测量电路、第二测量电路和钳位电路，其中：第一测量电路和第二测量电路包括同一待测电容；第一测量电路，用于在测量周期内根据第一时钟信号确定待测电容的第一电量；第二测量电路，用于在测量周期内根据第二时钟信号确定待测电容的第二电量；钳位电路，与第二测量电路连接，用于在钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，控制第二测量电路统计待测电容的第二电量。本发明通过钳位电路的控制，使待测电容从其他电路处转移的电量更加固定，能够得到较准确的电容测量值，提高测量线性度。

Description

电容测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，尤其涉及一种电容测量电路及测量方法。

背景技术

随着半导体技术的进步，触控电容得到广泛的应用。为了使触控电容能适应各种应用环境，提高触控电容的可靠性显得非常重要，提高电容的可靠性需要准确测量电容的电容值。

测量电容的基本工作原理是通过开关，注入电流对待测电容进行充放电，然后对注入电量的统计倒推出电容的电容值。当注入的电量与电容值更接近线性关系(即电容测量线性度高)，测量的电容值更符合待测电容的实际情况。但目前电容测量方案不能较好的符合较高线性度的要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种电容测量电路，通过钳位电路的控制，使待测电容从其他处转移的电量更加固定，能够得到较准确的电容测量值，提高测量线性度。

本发明还提供一种电容测量方法。

本发明第一方面实施例的电容测量电路，包括第一测量电路、第二测量电路和钳位电路，其中：

所述第一测量电路和所述第二测量电路包括同一待测电容；

第一测量电路，用于在测量周期内根据第一时钟信号确定待测电容的第一电量；

第二测量电路，用于在测量周期内根据第二时钟信号确定待测电容的第二电量；

钳位电路，与所述第二测量电路连接，用于在所述钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，控制第二测量电路统计待测电容的第二电量。

本发明实施例提供的电容测量电路，还具有以下附加技术特征：

进一步地，所述电容测量电路还包括：

供能电路，与所述第二测量电路连接，用于根据均衡信号向所述第二测量电路输入电量；

均衡电路，与所述第二测量电路以及所述供能电路连接，用于采集所述第二测量电路两端的电压，在第二测量电路两端的电压满足第二控制条件时，向所述供能电路输入均衡信号。

进一步地，第一测量电路还包括第一MOS管，其中：

所述第一MOS管的源极接地，栅极接第一时钟信号，漏极接待测电容的第一端，待测电容的第二端接地。

进一步地，第一测量电路还包括第一MOS管，其中：

所述第一MOS管的源极接第一固定电位，栅极接第一时钟信号，漏极接待测电容的第一端，待测电容的第二端接地。

进一步地，第二测量电路还包括第二MOS管和积分电容，其中：

所述第二MOS管的源极接所述第一MOS管的漏极，第二MOS管的栅极接第二时钟信号，漏极接所述钳位电路，所述钳位电路接积分电容的第一端，积分电容的第二端接地。

进一步地，所述钳位电路包括第三MOS管，其中：

所述第三MOS管的源极接待测电容的第一端，第三MOS管的栅极接第二固定电位，漏极接积分电容的第一端。

进一步地，所述供能电路包括第四MOS管和电流源，其中：

所述第四MOS管的源极接积分电容的第一端，第四MOS管的栅极接均衡电路的输出端，均衡电路的输入端接积分电容的第一端；第四MOS管的漏极接电流源。

进一步地，所述均衡电路包括比较器和滤波电路，其中：

所述比较器的第一输入端接积分电容的第一端，第二输入端接参考电位，所述比较器的输出端接滤波电路和所述第四MOS管的栅极。

进一步地，所述第三MOS管为N型MOS管或P型MOS管。

进一步地，所述第一控制条件包括：

第三MOS管的栅极到源极的电压值低于第三MOS管的阈值电压，第三MOS管关闭；

或，

第三MOS管的源极到栅极的电压值低于第三MOS管的阈值电压，第三MOS管关闭。

本发明第二方面实施例的电容测量方法，包括：

根据第一时钟信号启动第一测量电路，确定待测电容的第一电量；

根据第二时钟信号启动第二测量电路，并在钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，使第二测量电路统计待测电容的第二电量；

根据第一电量和第二电路确定待测电容的电容值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例电容测量电路的结构示意图一；

图2是本发明实施例电容测量电路的结果示意图二；

图3是本发明实施例电容测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明一实施例提供的一种电容测量电路，该电容测量电路用于在一个时钟周期内对待测电容进行充放电过程中测量待测电容的电量，根据电量基于计算公式确定电容值。图1示出了该电容测量电路的结构示意图，参见图1，该电容测量电路包括第一测量电路11、第二测量电路12和钳位电路13，其中：

第一测量电路11和第二测量电路12均用于在一个时钟周期内对待测电容的电量进行计算，故上述两个测量电路中均包括同一待测电容C_in，两个测量电路在整个电容测量电路中以待测电路形成连接关系。

第一测量电路11，用于在测量周期内根据第一时钟信号确定待测电容的第一电量。

第二测量电路12，用于在测量周期内根据第二时钟信号确定待测电容的第二电量。

在本发明中，对待测电容进行充放电过程，需在充电或放电过程中分别计算待测电容的电量。为此，需要第一测量电路和第二测量电路在一个时钟周期内的两个时钟信号下，实现在充电或放电过程中计算待测电容的电量的处理操作。

若第一测量电路测量待测电容充电过程中的电量，则第二测量电路测量待测电容放电过程中的电量。

若第一测量电路测量待测电容放电过程中的电量，则第二测量电路测量待测电容充电过程中的电量。

还需要说明的是，一个时钟周期内的第一时钟信号与第二时钟信号相隔一个非重叠时间，用于在一个时钟周期内，基于信号的高低电平分别对两个测量电路进行控制。

在本发明中，为了使待测电容从其他电路处转移的电量更加固定，提供电容测量的线性度，该电容测量电路还包括钳位电路13。该钳位电路与第二测量电路12连接，用于在钳位电路13两端的电压满足第一控制条件时，控制第二测量电路12统计待测电容C_in的第二电量。该钳位电路用于来限制第二测量电路中某点的电位，使其固定在固定电压值上。

对此，需要说明的是，在第二测量电路中，待测电容处于充电或放电过程中。该钳位电路能够在钳位电路两端的电压满足预设的控制条件(如电压大于阈值电压)时，截断待测电容的充电或放电过程，使第二测量电路能够及时求得充电或放电过程截断时的电量。即保持统计到的电量是基于固定电压值时，待测电容所剩余的电量。

在本发明中，根据第一电量和第二电量能够确定待测电容在一个时钟周期内从其他电路处(即电路中其他电容)转移的电量，然后根据在待测电容充放电过程中求得的电量与电容的计算方程式，可求得待测电容的电容值。

本发明提供一种电容测量电路，通过钳位电路的控制，使待测电容从其他电路处转移的电量更加固定，能够得到较准确的电容测量值，提高测量线性度。

继续参见图1，该电容测量电路还包括供能电路和均衡电路，其中：

供能电路14，与第二测量电路12连接，用于根据均衡信号向第二测量单元12输入电量；

均衡电路15，与第二测量电路12、供能电路14连接，用于采集第二测量电路12两端的电压，在采集的电压满足第二控制条件时，向供能单元14输入均衡信号。

对此，需要说明的是，供能电路用于向第二测量电路中的待测电容提供电量(即电荷)。均衡电路用于实现对第二测量电路中待测电容的充放电达到平衡，故需要在第二测量电路两端的电压满足一定控制条件(如电压超过阈值电压)时，向供能电路输入均衡信号，以使供能电路根据均衡信号向第二测量单元输入或暂停输入电量。

如图1中的V_int高于参考电压V_ref时，输出M_out为0，关断电流源I，断开对积分电容的充电。当V_int低于参考电压V_ref时，输出M_out为1，开通对积分电容的充电。

继续参见图1，第一测量电路包括第一MOS管sw1和待测电容C_in，第二测量电路包括第二MOS管sw2、待测电容C_in和积分电容C_int，钳位电路包括第三MOS管sw3，供能电路包括第四MOS管sw4和电流源I，均衡电路包括比较器和滤波电路，其中：

第一MOS管sw1的源极S接地，栅极G接第一时钟信号φ1，漏极D接待测电容C_in的第一端a1，待测电容C_in的第二端a2接地。

第二MOS管sw2的源极S接第一MOS管sw1的漏极D，第二MOS管sw2的栅极G接第二时钟信号φ2，漏极D接钳位电路，钳位电路接积分电容C_int的第一端b1，积分电容C_int的第二端b2接地。

第三MOS管sw3的源极S接第二MOS管sw2的漏极D，第三MOS管sw3的栅极G接第二固定电位V_G，漏极D接积分电容C_int的第一端b1。

第四MOS管sw4的源极S接积分电容C_int的第一端b1，第四MOS管sw4的栅极G接均衡电路的输出端，均衡电路的输入端接积分电容C_int的第一端b1；第四MOS管sw4的漏极D接电流源I。

比较器的第一输入端c1接积分电容C_int的第一端b1，第二输入端c2接参考电位V_ref，比较器的输出端c3接滤波电路和第四MOS管sw4的栅极G。

参见图2，第一测量电路包括第一MOS管sw1和待测电容C_in，第二测量电路包括第二MOS管sw2、待测电容C_in和积分电容C_int，钳位电路包括第三MOS管sw3，供能电路包括第四MOS管sw4和电流源I，均衡电路包括比较器和滤波电路，其中：

第一MOS管sw1的源极S接第一固定电位V_dd，栅极G接第一时钟信号φ1，漏极D接待测电容C_in的第一端a1，待测电容C_in的第二端a2接地。

第二MOS管sw2的源极S接第一MOS管sw1的漏极D，第二MOS管sw2的栅极G接第二时钟信号φ2，漏极D接钳位电路，钳位电路接积分电容C_int的第一端b1，积分电容C_int的第二端b2接地。

第三MOS管sw3的源极S接第二MOS管sw2的漏极D，第三MOS管sw3的栅极G接第二固定电位V_G，漏极D接积分电容C_int的第一端b1。

第四MOS管sw4的源极S接积分电容C_int的第一端b1，第四MOS管sw4的栅极G接均衡电路的输出端，均衡电路的输入端接积分电容C_int的第一端b1；第四MOS管sw4的漏极D接电流源I。

比较器的第一输入端c1接积分电容C_int的第一端b1，第二输入端c2接参考电位V_ref，比较器的输出端c3接滤波电路和第四MOS管sw4的栅极G。

针对上述图1所示的电容测量电路的结构示意图进行解释说明，该第三MOS管sw3为N型MOS管，其设定的阈值电压V_TH，栅极接固定电位V_G。

当第一时钟信号φ1高时，待测电容C_in接地放电，待测电容C_in最后电位是0。此时待测电容C_in的第一电量Q₁＝0。

当第二时钟信号φ2高时，积分电容C_int通过第三MOS管sw3对待测电容C_in充电。当待测电容C_in的电压上升到V_G-V_TH，第三MOS管sw3的栅极G到源极S的电压值为V_G-V_S不再高于阈值电压V_TH，此时第三MOS管sw3关闭，停止对待测电容C_in充电。

此时待测电容C_in的最后电位为V_G-V_TH，待测电容C_in的第二电量Q₂＝C_in×(V_G-V_TH)。

由此可知，在一个时钟周期T内待测电容C_in从积分电容C_int转移走的电量：

Q₂-Q₁＝C_in×(V_G-V_TH)。

此时，若不考虑V_TH的微小变化，(V_G-V_TH)是一个固定值。基于上述的Q₂-Q₁的方程式，属于较合理的线性关系。提高电容的测量线性度，能够得到较准确的电容测量值。

针对上述图2所示的电容测量电路的结构示意图进行解释说明，该第三MOS管sw3为P型MOS管，其设定的阈值电压V_TH，栅极接固定电位V_G，待测电容C_in接固定电位V_dd。

当第一时钟信号φ1低时，待测电容C_in接固定电位V_dd对待测电容C_in充电，待测电容C_in的最后电位是V_dd。

此时待测电容C_in的第一电量Q₁＝C_in×V_dd。

当第一时钟信号φ2低时，积分电容C_in通过第三MOS管sw3对待测电容C_int充电。当待测电容C_in的电压下降到V_G+V_TH，第三MOS管的源极S到栅极G为V_S-V_G不再高于阈值电压V_TH，第三MOS管关闭，停止对待测电容C_in放电。此时待测电容C_in的最后电位为V_G+V_TH，待测电容C_in的第二电量Q₂＝C_in×(V_G+V_TH)。

由此可知，在一个时钟周期T内待测电容C_in从积分电容C_int转移走的电量：

Q₁-Q₂＝C_in×(V_dd-V_G-V_TH)

此时，若不考虑V_TH的微小变化，(V_dd-V_G-V_TH)是一个固定值,基于上述的Q₁-Q₂的方程式，属于较合理的线性关系。提高电容的测量线性度，能够得到较准确的电容测量值。

如图3示出了本发明提供的电容测量方法的流程示意图，该电容测量方法基于上述提供的电容测量电路所实现，具体包括以下步骤：

S31、根据第一时钟信号启动第一测量电路，确定待测电容的第一电量；

S32、根据第二时钟信号启动第二测量电路，并在钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，使第二测量电路统计待测电容的第二电量；

S33、根据第一电量和第二电路确定待测电容的电容值。

针对上述步骤S31-步骤S33，需要说明的是，在本发明中，基于上述对电容测量电路的测试过程的详细说明，在此不再对电容测量方法进行赘述。

在上述发明方法的进一步解释说明，为了实现对电容充放电过程中电量的相对平衡，需要在第二测量电路两端的电压满足一定控制条件时，向供能电路输入均衡信号，以使供能电路根据均衡信号向第二测量单元输入或暂停输入电量。

本发明提供一种电容测量方法，通过钳位电路的控制，使待测电容从其他电路处转移的电量更加固定，能够得到较准确的电容测量值，提高测量线性度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电容测量电路，其特征在于，包括第一测量电路、第二测量电路和钳位电路，其中：

所述第一测量电路和所述第二测量电路包括同一待测电容；

第一测量电路，用于在测量周期内根据第一时钟信号确定待测电容的第一电量；

第二测量电路，用于在测量周期内根据第二时钟信号确定待测电容的第二电量；

钳位电路，与所述第二测量电路连接，用于在所述钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，控制第二测量电路统计待测电容的第二电量；

所述电容测量电路还包括：

供能电路，与所述第二测量电路连接，用于根据均衡信号向所述第二测量电路输入电量；

均衡电路，与所述第二测量电路以及所述供能电路连接，用于采集所述第二测量电路两端的电压，在第二测量电路两端的电压满足第二控制条件时，向所述供能电路输入均衡信号；

第一测量电路还包括第一MOS管，其中：

所述第一MOS管的源极接地或接第一固定电位，栅极接第一时钟信号，漏极接待测电容的第一端，待测电容的第二端接地；

第二测量电路还包括第二MOS管和积分电容，其中：

所述第二MOS管的源极接待测电容的第一端，第二MOS管的栅极接第二时钟信号，漏极接所述钳位电路，所述钳位电路接积分电容的第一端，积分电容的第二端接地；

所述钳位电路包括第三MOS管，其中：

所述第三MOS管的源极接第二MOS管的漏极，第三MOS管的栅极接第二固定电位，漏极接积分电容的第一端。

2.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述供能电路包括第四MOS管和电流源，其中：

所述第四MOS管的源极接积分电容的第一端，第四MOS管的栅极接均衡电路的输出端，均衡电路的输入端接积分电容的第一端；第四MOS管的漏极接电流源。

3.根据权利要求2所述的电容测量电路，其特征在于，所述均衡电路包括比较器和滤波电路，其中：

所述比较器的第一输入端接积分电容的第一端，第二输入端接参考电位，所述比较器的输出端接滤波电路和所述第四MOS管的栅极。

4.根据权利要求3所述的电容测量电路，其特征在于，所述第一控制条件包括：

第三MOS管的栅极到源极的电压值低于第三MOS管的阈值电压，第三MOS管关闭；

或，

第三MOS管的源极到栅极的电压值低于第三MOS管的阈值电压，第三MOS管关闭。

5.一种基于上述权利要求1-4中任一权项所述的电容测量电路的电容测量方法，其特征在于，包括：

根据第一时钟信号启动第一测量电路，确定待测电容的第一电量；

根据第二时钟信号启动第二测量电路，并在钳位电路两端的电压满足第一控制条件时，使第二测量电路统计待测电容的第二电量；

根据第一电量和第二电路确定待测电容的电容值。

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