CN113541669A - 具有共模信号恢复的共模噪声抑制 - Google Patents

具有共模信号恢复的共模噪声抑制 Download PDF

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Abstract

公开了一种处理系统。处理系统包括放大器，放大器被配置为生成反馈信号，反馈信号包括从空间共模处理的信号生成的空间共模估计。处理系统还包括被配置为从电容性传感器电极获得结果信号的电荷积分器，结果信号包括空间共模。电荷积分器通过使用反馈信号减轻结果信号中的空间共模来生成空间共模处理的信号。处理系统还包括控制器，控制器被配置为通过对空间共模处理的信号进行模数转换来获得数字触摸信号，通过对空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计，并且通过将数字触摸信号中的至少一个与数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。

Description

具有共模信号恢复的共模噪声抑制
技术领域
所描述的实施例总体上涉及电子设备，并且更具体地涉及抑制与触摸传感器电极相关联的噪声(例如，显示噪声)。
背景技术
包括接近传感器设备(例如，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。接近传感器设备可以包括常常由表面区分的感测区，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于为电子系统提供界面。例如，接近传感器设备可以用作较大计算系统的输入设备(例如，集成在笔记本电脑或台式计算机中或外设于笔记本电脑或台式计算机的不透明触摸板)。接近传感器设备也常常用于较小的计算系统中(例如，集成在蜂窝电话中的触摸屏)。接近传感器设备还可以用于检测输入对象(例如，手指、触控笔、笔、指纹等)。
发明内容
通常，在一个方面中，一个或多个实施例涉及处理系统。处理系统包括放大器，该放大器被配置为从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号。处理系统还包括多个电荷积分器，所述多个电荷积分器被配置为从多个电容性传感器电极获得多个结果信号(结果信号包括空间共模)，并且通过使用反馈信号减轻结果信号中的空间共模来生成空间共模处理的信号。处理系统还包括控制器，所述控制器被配置为通过对空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号，通过对空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计，并且通过将数字触摸信号中的至少一个与数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
通常，在一个方面中，一个或多个实施例涉及一种方法。该方法包括：由放大器从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号；从多个电容性传感器电极获得多个结果信号，结果信号包括空间共模；通过使用反馈信号减轻结果信号中的空间共模来生成空间共模处理的信号；通过对空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号；通过对空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计；以及通过将数字触摸信号中的至少一个与数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
通常，在一个方面中，一个或多个实施例涉及输入设备。输入设备包括：多个电容性传感器电极；放大器，被配置为从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号；以及多个电荷积分器，被配置为从电容性传感器电极获得多个结果信号(结果信号包括空间共模)，通过使用反馈信号减轻结果信号中的空间共模来生成空间共模处理的信号；控制器。该控制器被配置为通过对空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号，通过对空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计，并且通过将数字触摸信号中的至少一个与数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
附图说明
本实施例通过示例的方式图示，并且不旨在受附图中的图的限制。
图1示出根据一个或多个实施例的输入设备的框图。
图2示出根据一个或多个实施例的具有实现共模信号的检索的共模噪声抑制电路的输入设备。
图3A示出根据一个或多个实施例的电流传送器。
图3B示出根据一个或多个实施例的传感器电极配置。
图4示出根据一个或多个实施例的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制所公开的技术或所公开的技术的应用和用途。此外，不意图受前述技术领域、背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
在以下对实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的技术的更透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的技术。在其它情况下，没有详细描述公知的特征以避免不必要地使描述复杂化。
在整个申请中，序数(例如，第一、第二、第三等)可用作元件(即，本申请中的任何名词)的形容词。除非明确地公开(诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其它这样的术语)，否则序数的使用并不暗示或创建元件的任何特定排序，也不将任何元件限制为仅单个元件。倒不如说，序数的使用是要在元件之间进行区分。作为示例，第一元件与第二元件不同，并且第一元件可以涵盖多于一个元件并且在元素的排序中在第二元件之后(或之前)。
本公开的各种实施例提供了促进输入对象的改进的可检测性的输入设备和方法。输入设备通过使用检测信号的改变的传感器电极来操作。共模噪声抑制电路用于减轻噪声，传感器电极可能暴露于所述噪声。在美国专利申请No.16/373,369中更充分地描述了共模噪声抑制电路的各个方面，其全部公开通过引用并入本文中。
噪声的一个源是显示屏。传感器电极可以近似平均地暴露于噪声，而不管传感器电极的位置如何。因此，噪声的作用就像从传感器电极获得的信号上的空间共模一样。另一空间共模可以是如由基线估计的背景信号。基线可以是在感测区中不存在输入对象时从传感器电极获得的信号的测量结果。基线可以跨传感器电极近似相似，而不管传感器电极的位置如何。下面提供关于影响由传感器电极进行的感测的噪声和基线的附加细节。
共模噪声抑制电路可以用于减轻诸如所描述的噪声和/或基线之类的空间共模。无论空间共模的性质如何，共模噪声抑制电路都可以减轻空间共模。因此，共模噪声抑制电路不仅可以减轻不期望的空间共模，而且可以减轻可能感兴趣的空间共模。例如，当大的对象跨越所有或大多数感测电极且近似平均地影响传感器电极的信号时，共模噪声抑制电路可去除或减少与大的对象相关联的空间共模信号。由于由共模噪声抑制电路减轻了空间共模，所以可能检测不到大的对象的存在，除非执行附加处理。
在本公开的一个或多个实施例中，通过模拟电路减轻空间共模。一个或多个实施例将空间共模的估计从模拟域转换到数字域，以便重建传感器电极的完整传感器信号，尽管由模拟电路减轻了空间共模。因此，本公开的实施例提供了减轻模拟域中的空间共模的各种益处，同时仍然允许由数字域中的附加处理实现的大的对象的检测。随后讨论模拟域中的空间共模的减轻和数字域中的空间共模的估计的处理的实施方式。
现在转到附图，图1示出了根据本公开的实施例的示例性输入设备(100)的框图。输入设备(100)可以被配置为向电子系统(为简单起见未示出)提供输入。如本文档中所使用的，术语“电子系统”(或“电子设备”)宽泛地指代能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的示例可以包括所有大小和形状的个人计算机(例如，台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、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，显示屏和打印机)、远程终端、信息亭、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等)、通信设备(例如，蜂窝电话，诸如智能电话)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)。另外，电子系统可以是输入设备的主机或从设备。
输入设备(100)可以被实现为电子系统的物理部分。在替代方案中，输入设备(100)可与电子系统在物理上分离。输入设备(100)可使用各种有线或无线互连及通信技术(诸如总线及网络)耦合到电子系统的部件(且与其通信)。示例技术可以包括集成电路间(I2C)、串行外围接口(SPI)、PS/2、通用串行总线(USB)、
Figure BDA0003019975670000041
红外数据协会(IrDA)和由IEEE 802.11或其它标准定义的各种射频(RF)通信协议。
在图1的示例中，输入设备(100)可以对应于被配置为感测由感测区(120)中的一个或多个输入对象(140)提供的输入的接近传感器设备(诸如“触摸板”或“触摸传感器设备”)。示例输入对象包括手指和触控笔。感测区(120)可涵盖输入设备(100)上方、周围、之中和/或附近的任何空间，其中输入设备(100)能够检测(例如，由一个或多个输入对象(140)提供的)用户输入。特定感测区的大小、形状和位置可以根据实际实施方式而变化。
在一些实施例中，感测区(120)检测涉及与输入设备(100)的任何表面无物理接触的输入。在其它实施例中，感测区(120)检测涉及以某个量的施加力或压力耦合的与输入设备(100)的输入表面(例如，触摸屏)的接触的输入。
输入设备(100)可利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测感测区(120)中的用户输入。输入设备(100)包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干非限制性示例，输入设备(100)可使用电容性、电阻性和/或电感性技术。输入设备(100)还可以包括用于收集用户输入的一个或多个物理或虚拟按钮(130)。
在一些实施例中，输入设备(100)可以利用电容性感测技术来检测用户输入。例如，感测区(120)可以输入一个或多个电容性感测元件(例如，传感器电极)以创建电场。输入设备(100)可以基于传感器电极的电容的改变来检测输入。更具体地，与电场接触(或紧密接近)的对象可以引起传感器电极中的电压和/或电流的改变。电压和/或电流的这种改变可以被检测为指示用户输入的“信号”。传感器电极可以以电容性感测元件的阵列或其它规则或不规则图案的形式布置，以创建电场。在一些实施方式中，一些感测元件可以欧姆地短接在一起以形成较大的传感器电极。一些电容性感测技术可利用提供均匀电阻层的电阻片。
一些电容性感测技术可以基于“自电容”(也被称为“绝对电容”)和/或互电容(也被称为“跨电容”)。绝对电容感测方法检测在传感器电极与输入对象之间的电容性耦合的改变。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。例如，传感器电极附近的输入对象可以更改传感器电极之间的电场，因此改变传感器电极的测量的电容性耦合。在一些实施例中，输入设备(100)可以通过检测一个或多个发射器传感器电极(也称为“发射器电极”或“发射器”)与一个或多个接收器传感器电极(也称为“接收器电极”或“接收器”)之间的电容性耦合来实现跨电容感测。由接收器电极接收的结果信号可能受环境干扰(例如，其它电磁信号)以及与传感器电极接触或紧密接近的输入对象影响。
处理系统(110)可以被配置为操作输入设备(100)的硬件以检测感测区(120)中的输入。处理系统(110)可以包括一个或多个集成电路(IC)和/或其它电路部件的部分或全部。在一些实施例中，处理系统(110)还包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码等。在一些实施例中，组成处理系统(110)的部件被定位在一起，诸如在输入设备(100)的(一个或多个)感测元件附近。在其它实施例中，处理系统(110)的部件与靠近输入设备(100)的(一个或多个)感测元件的一个或多个部件以及在其它地方的一个或多个部件在物理上分离。例如，输入设备(100)可以是耦合到计算设备的外围设备，并且处理系统(110)可以包括被配置为在计算设备的中央处理单元和与中央处理单元分离的一个或多个IC(可能具有相关联的固件)上运行的软件。作为另一示例，输入设备(100)可以在物理上集成在移动设备中，并且处理系统(110)可以包括作为移动设备的主处理器的部分的电路和固件。在一些实施例中，处理系统(110)专用于实现输入设备(100)。在其它实施例中，处理系统(110)还执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器等。例如。处理系统(110)可以是集成的触摸和显示控制器的部分。
在一些实施例中，处理系统(110)可以包括确定电路(150)，其被配置为确定至少一个输入对象何时在感测区中、确定信噪比、确定输入对象的位置信息、识别手势、基于手势、手势的组合或其它信息来确定要执行的动作、和/或执行其它操作。在一些实施例中，处理系统(110)可包括传感器电路(160)，其被配置为驱动感测元件以发射发射器信号并接收结果信号。在一些实施例中，传感器电路(160)可包括耦合到感测元件的感知电路。感知电路可以包括例如发射器模块和接收器模块，发射器模块包括耦合到感测元件的发射部分的发射器电路，接收器模块包括耦合到感测元件的接收部分的接收器电路。
尽管图1仅示出了确定电路(150)和传感器电路(160)，但是根据本公开的一个或多个实施例可以存在替代或附加电路。
在一些实施例中，处理系统(110)通过引起一个或多个动作来直接响应于感测区(120)中的用户输入(或没有用户输入)。示例动作包括改变操作模式，以及图形用户界面(GUI)动作，诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能。在一些实施例中，处理系统(110)向电子系统的某个部分(例如，向与处理系统(110)分离的电子系统的中央处理系统，如果这样的分离的中央处理系统存在的话)提供关于输入(或没有输入)的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统(110)接收的信息以作用于用户输入，诸如以促进全范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理系统(110)操作输入设备(100)的(一个或多个)感测元件以产生指示感测区(120)中的输入(或没有输入)的电信号。在产生提供给电子系统的信息的过程中，处理系统(110)可对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统(110)可以数字化从传感器电极获得的模拟电信号。作为另一示例，处理系统(110)可以执行滤波或其它信号调节。作为又一示例，处理系统(110)可以减去或以其它方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差异。基线是当不存在输入对象时感测区的原始测量结果的估计。例如，电容性基线是感测区的背景电容的估计。每个感测元件可以在基线中具有对应的单独值。作为又另外的示例，处理系统(110)可以确定位置信息、将输入识别为命令、识别笔迹等。
在一些实施例中，输入设备(100)包括触摸屏界面，并且感测区(120)与显示屏(155)的工作区域的至少部分重叠。输入设备(100)可以包括覆盖显示屏(155)的基本上透明的传感器电极，并且为相关联的电子系统提供触摸屏界面。显示屏可以是能够向用户显示视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或其它显示技术。输入设备(100)和显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用一些相同的电气部件以用于显示和感测。在各种实施例中，显示设备的一个或多个显示电极可被配置用于显示更新及输入感测两者。作为另一示例，显示屏(155)可以部分或全部由处理系统(110)操作。
感测区(120)和显示屏(155)可以是集成的并且遵循单元上或单元内或混合架构。换句话讲，显示屏(155)可由多个层(例如，一个或多个偏振器层、滤色器层、滤色玻璃层、薄膜晶体管(TFT)电路层、液晶材料层、TFT玻璃层等)组成。传感器电极可以设置在一个或多个层上。例如，传感器电极可以设置在TFT玻璃层和/或滤色玻璃层上。此外，处理系统(110)可以是操作显示功能和触摸感测功能两者的集成触摸和显示控制器的部分。
尽管未在图1中示出，但是处理系统、输入设备和/或主机系统可以包括一个或多个计算机处理器、相关联的存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、高速缓存存储器、闪存等)、一个或多个存储设备(例如，硬盘、诸如紧致盘(CD)驱动器或数字多功能盘(DVD)驱动器之类的光学驱动器、闪存棒等)以及许多其它元件和功能性。(一个或多个)计算机处理器可以是用于处理指令的集成电路。例如，(一个或多个)计算机处理器可以是处理器的一个或多个核或微核。此外，一个或多个实施例的一个或多个元件可以位于远程位置处并且通过网络连接到其它元件。此外，实施例可以在具有若干节点的分布式系统上实现，其中本公开的每个部分可以位于分布式系统内的不同节点上。在一个实施例中，节点对应于不同的计算设备。可替代地，节点可以对应于具有相关联的物理存储器的计算机处理器。节点可以替代地对应于具有共享存储器和/或资源的计算机处理器的计算机处理器或微核。
虽然图1示出了部件的配置，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它配置。例如，可以组合各种部件以创建单个部件。作为另一示例，由单个部件执行的功能性可以由两个或更多个部件执行。
图2示出了根据一个或多个实施例的输入设备(200)。输入设备(200)可对应于上文参考图1所讨论的输入设备(100)。图2中介绍的各种元件可对应于图1中所示的元件。例如，图2介绍了可与图1的感测区(120)相关联的传感器电极。图2还介绍了被配置为驱动和感测传感器电极的元件。这些元件可以对应于图1的传感器模块(160)。图2进一步介绍了与评估从传感器电极获得的信号相关联的元件。这些元件可以对应于确定模块(150)。如图2中所示，输入设备(200)包括多个触摸传感器电极(例如，传感器电极1(205A)-传感器电极N(205N))、多个电荷积分器(电荷积分器1(210A)-电荷积分器N(210N))、放大器(240)和控制器(280)。放大器(240)的输出通过反馈回路(278)耦合到电荷积分器(210A-210N)。
多个传感器电极(205A-205N)可用于执行任何类型的电容性感测(例如，绝对电容感测、跨电容感测等)。传感器电极(205A-205N)可以由调制电压VMOD驱动，并且每个传感器电极(205A-205N)的输出是结果信号(例如，结果信号1-结果信号N)，其反映了接近于电容性传感器电极(205A-205N)的输入对象(如果有的话)的存在。
在一个或多个实施例中，输入设备(200)包括噪声源(207)。噪声源(207)可以对应于任何共模噪声(Vn)。例如，噪声源(207)可以在显示屏(例如，上文参照图1所讨论的显示屏(155))的操作期间生成噪声(Vn)。因此，噪声源(207)可以是显示噪声源。噪声源(207)可以对应于例如LED屏幕的阴极层和/或LCD屏幕中的公共电极(VCOM)。如图2中所示，噪声源(207)耦合到触摸传感器电极(205A-205N)。换句话说，来自每个传感器电极(205A-205N)的结果信号(例如，结果信号1-结果信号N)可以包括噪声源(207)的噪声(Vn)的某个分量。在一个或多个实施例中，显示噪声源(207)和每个传感器电极(205A-205N)之间的耦合可以被建模为阻抗ZB。例如，ZB可以是串联的电阻器(RB)和电容器(CB)：ZB＝RB+1/(sCB)。
在一个或多个实施例中，噪声(Vn)以类似的方式影响传感器电极1-N(205A-205N)。因此，结果信号1-N可以包括反映噪声(Vn)的空间共模。共模是空间的，因为其可存在于结果信号1-N上，而不管对应传感器电极(205A-205N)的空间位置如何。例如，假设传感器电极(205A-205N)分布在屏幕(例如，LED或LCD屏幕)的表面上方。在该示例中，空间共模是耦合到感测电极(205A-205N)的结果信号1-N中的相同或相似的Vn的结果。类似地，当大的对象(299)覆盖感测电极(205A-205N)时，可能存在空间共模，因为结果信号1-N可能由于在传感器电极(205A-205N)附近存在大的对象而被类似地偏置。在一个或多个实施例中，大的对象覆盖相当大部分的传感器电极或所有传感器电极。大的对象可以是例如搁置在触摸表面上的手掌、在用于面部识别的感测区附近的面部等。在由噪声(Vn)引起空间共模的情况下，空间共模可以包括具有噪声(Vn)的频率的交流(AC)分量。在由大的对象引起空间共模的情况下，空间共模可以包括直流(DC)分量。
如上所述，输入设备(200)包括多个电荷积分器(210A-210N)。对于传感器电极(205A-205N)中的每个可以存在一个电荷积分器。此外，每个电荷积分器和其对应的传感器电极可以至少部分地形成信道。如图2中所示，每个电荷积分器(210A-210N)输入来自对应的传感器电极(205A-205N)的结果信号和来自放大器(240)的输出的反馈信号(275)两者。反馈信号(275)沿反馈回路(278)传播。此外，每个电荷积分器可以被实现为与开关并联的运算放大器和反馈阻抗ZFB(例如，ZFB＝1/(sCFB))。CB可以远大于CFB(CB＞＞CFB)，并且因此ZFB远大于ZB(ZFB＞＞ZB)。每个电荷积分器(210A-210N)的输出是空间共模处理的信号(例如，空间共模处理的信号1-空间共模处理的信号N)。如图2中所示，空间共模处理的信号是到控制器(280)和放大器(240)两者的输入。在一个或多个实施例中，在空间共模处理的信号1-N中，与对应的结果信号1-N相比，减轻了空间共模，即，减少、部分消除、几乎完全或完全消除了空间共模。下面提供对由输入设备(200)执行的共模的减轻的讨论。
如上所述，输入设备(200)包括放大器(240)。放大器(240)可以将每个空间共模处理的信号(即，空间共模处理的信号1-空间共模处理的信号N)以-A/N的系数放大(例如，缩放)，其中N是空间共模处理的信号的数量(即，基数)(即，信道的数量)，并且其中A是增益值。如图2中所示，放大器(240)可以利用多个输入电阻器(RIN)和多个电流传送器(电流传送器1(220A)-电流传送器N(220N))来实现。具体地，每个空间共模处理的信号(即，每个信道)可以有一个输入电阻器(RIN)和一个电流传送器(220A-220N)。放大器(240)还可以包括存储值VMOD的缓冲器(255)和具有A x RIN x(1/N)的电阻的求和电阻器(260)。下面描述由各种电路元件减轻空间共模。
在一个或多个实施例中，输入设备(200)包括控制器(280)。控制器(280)被配置为基于一个或多个电荷积分器(210A-210N)的输出来确定由传感器电极(205A-205N)限定的感测区(例如，上面参考图1所讨论的感测区(120))中的(一个或多个)输入对象(如果有的话)的位置。控制器(280)可以在硬件(即，电路)、软件或其任何组合中实现。控制器(280)可对应于操作触摸感测功能的触摸控制器或操作显示功能和触摸感测功能两者的集成的触摸和显示控制器。
在图2中，示出了控制器(280)的某个元件。更具体地，控制器(280)包括解调器(282A)和输出用于传感器电极1(205A)的数字触摸信号(286A)的模数转换器(284A)。数字触摸信号(286A)是基于空间共模处理的信号1而获得的，并且因此不包括结果信号1的共模或者仅共模的一部分，这取决于空间共模的减轻的有效性。控制器(280)还包括解调器(282N)和输出用于传感器电极N(205N)的数字触摸信号(286N)的模数转换器(284N)。数字触摸信号(286N)是基于空间共模处理信号N来获得的，并且因此不包括结果信号N的共模或者仅共模的一部分，这取决于空间共模的减轻的有效性。
控制器(280)可包括用于输入设备(200)的每个传感器电极的一个解调器和一个模数转换器。控制器(280)还包括可编程增益放大器(PGA)(290)、解调器(292)和输出数字空间共模估计(298)的模数转换器(296)。通过对空间共模估计(294)进行模数转换来获得数字空间共模估计(298)。空间共模估计(294)从由PGA(290)测量并由解调器(292)处理的求和电阻器(260)上的电压VRs获得。解调器(282A-282N，292)可以包括混频器和低通滤波器。混频器可以在由低通滤波器进行低通滤波操作之前例如使用VMOD执行乘法运算。下面参考图4的流程图描述控制器(280)的操作。
数字触摸信号(286A-286N)和/或数字空间共模估计(298)随后可以由计算机处理器数字地处理。处理步骤可以包括检测各种大小的对象，例如，小的对象、大的对象等。在一个或多个实施例中，大的对象的检测涉及组合的数字触摸信号(286A-286N)和数字空间共模估计(298)的处理，如下面关于图4的流程图讨论的那样。
在一个或多个实施例中，当放大器(240)和反馈回路(278)耦合到电荷积分器(210A-210N)时，该放大器(240)和反馈回路(278)形成共模噪声抑制电路。共模噪声抑制电路包括反馈信号(275)中的空间共模估计(294)，从而实现从结果信号1-N中减去空间共模估计(294)以减轻结果信号1-N上的空间共模。例如，考虑由噪声源、Vn(207)发出并由传感器电极(205A-205N)拾取的噪声。在没有共模噪声抑制电路的情况下，噪声增益(ciVOUT/Vn)是：ciVOUT/Vn＝ZFB/ZB。由于ZFB＞＞ZB，噪声增益大于1。因此，在没有共模噪声抑制电路的情况下，控制器(280)处理可能非常嘈杂的信号，这可能导致不正确的输出结果(例如，当不存在输入对象时检测到输入对象，确定输入对象的错误位置等)。然而，当存在共模噪声抑制电路时，噪声增益(ciVOUT/Vn)可以被确定为：ciVOUT/Vn＝-(ZFB/ZB)x 1/(A+1+AZFB/ZB)。在许多实施例中，A远大于1(即，A＞＞1)，并且噪声增益可以近似为：ciVOUT/Vn＝(-1/A)x(ZFB/ZB)x1/(1+ZFB/ZB)。代入ZB＝RB+1/(sCB)和ZFB＝1/(sCFB)，ciVOUT/Vn＝(-1/A)x CB x 1/(CB+CFB)x 1/(1+sRBCFB||CB))。
换句话说，利用共模噪声抑制电路，在由控制器(280)处理之前，噪声(Vn)可以减轻到Vn/(1/A x 1/(1+ZFB/ZB)。由于ZFB＞＞ZB，衰减可以近似为1/A x ZB/ZFB。包括全局粗略基线消除(GCBC)的共模分量和/或由大的对象(299)的存在引入的空间共模的其它共模噪声也可以由共模噪声抑制电路衰减。由于触摸传感器处理器(280)正在处理较不嘈杂的信号，所以触摸传感器处理器的输出结果将不太可能是不正确的。
在一个或多个实施例中，利用共模噪声抑制电路，用于接近输入对象(ciVOUT1)的信道的信号传递函数可以近似为：ciVOUT1＝dCB(1-1/N)VMOD，其中dCB是由于输入对象导致的显示噪声源(207)和传感器电极之间的电容的改变，并且VMOD是缓冲器(255)中的调制电压。用于其余信道ciVOUTX，X≠1(即，不接近输入对象的信道)的信号传递函数可以近似为：ciVOUTX，X≠1＝(-1/N)x dCB x VMOD。换句话说，触摸的传感器像素(即，触觉像素(tixel))示出几乎全响应，并且未触摸的触觉像素示出相反方向上的小响应。
以上描述是在绝对电容(或自电容)感测的上下文中。描述的电路还适用于跨电容(或互电容)感测。在跨电容感测中，VMOD通常保持在恒定电压(例如，VDD/2)处，具有电压摆动Vtx的发射器驱动跨电容，并且通过测量Ct或dCt的改变来检测接近。噪声Vn的抑制遵循相同的等式：ciVOUT/Vn＝(-1/A)x CB x 1/(CB+CFB)x 1/(1+sRBCFB||CB))。对于触摸触觉像素的信号传递函数是ciVOUT1＝-/dCt(1-1/N)Vtx，并且对于未触摸的触觉像素，ciVOUTX，X≠1＝1/N xdCt x Vtx。
图3A示出了根据一个或多个实施例的电流传送器(300)。电流传送器(300)可以对应于上面参照图2讨论的任何电流传送器(220A-220N)。如图3A中所示，电流传送器(300)可包括运算放大器(305)和耦合到运算放大器(305)的输出的一个或多个电流反射镜(310)。受益于此详细描述的本领域的技术人员将了解，到电流传送器(300)的输入电流和来自电流传送器(300)的输出电流在幅值上可相同或基本上相同，但在方向上相反。
在一个或多个实施例中，共模噪声抑制电路包括4个极点：电荷积分器的运算放大器中的主导极点、ciVOUT处的极点、电流传送器(300)的iIN处的极点以及ciVREF处的极点(图2中所示)。在一个或多个实施例中，为了稳定回路，如图3A中所示，添加包括电阻器RZ和电容器CZ的稳定阻抗(315)。这在电流传送器中创建了极点和零点。极点通常在A＞＞1的情况下是主导的，其使得回路变窄带。零点引起相位增加以获得足够的相位裕度。受益于此详细描述的本领域的技术人员将了解，存在用于在不使用RZ及CZ的情况下稳定回路的其它方式。例如，可以通过增加电荷积分器中的补偿电容器来实现稳定回路，这有效地将主导极点移动到较低频率。
图3B示出根据一个或多个实施例的传感器电极配置。传感器电极配置(350)用于绝对电容感测，并且旨在图示由传感器电极进行的感测可以如何受到对象和/或噪声的存在的影响。传感器电极配置使用电阻性元件和电容性元件来对绝对电容感测进行建模。特别地，dCB(354)(对对象(例如，大的对象(299))的电容)可有助于感测信号。在一个或多个实施例中，dCB(354)是最终使输入设备能够确定对象是否存在于感测区中的电容。此外，CB(352)(对结构部件的背景电容)(例如，LED屏幕的阴极层和/或LCD屏幕中的公共电极(VCOM))可有助于感测信号。该贡献可以包括AC分量，诸如噪声(Vn)，例如，由LED或LCD屏幕发出射的Vn(207)。
图4示出了根据一个或多个实施例的流程图。图4的流程图描绘了用于操作输入设备(例如，输入设备(200))的方法。图4中的步骤中的一个或多个可由以上参考图2所讨论的输入设备(200)的部件和/或以上参考图1所讨论的输入设备(100)执行。在一个或多个实施例中，可省略、重复和/或以与图4中所示出的排序不同的排序执行图4中所示出的步骤中的一个或多个。因此，本公开的范围不应视为限于图4中所示的步骤的特定布置。
在一个或多个实施例中，随后描述的方法用于共模噪声抑制，从而允许共模信号的恢复。共模噪声抑制基于形成共模噪声抑制电路的模拟电路元件，例如，如图2中所示。如先前所描述，无论空间共模的性质如何，共模噪声抑制电路可减轻空间共模。例如，共模噪声抑制电路可以去除噪声，并且可以去除与大的对象相关联的信号。
通过模拟电路去除空间共模可具有益处。例如，从结果信号中减去空间共模估计可防止电荷积分器的饱和，由此避免信号削波(clipping)。因此，空间共模的减轻可使得能够在电荷积分器处使用较小的反馈电容器同时仍避免饱和。此外，由于传感器电极的电容性基线可跨传感器电极而类似，因此可通过减轻空间共模而有效地消除或减少电容性基线，而不需要专用基线校正。
尽管有这些优点，但可能期望获得与传感器电极相关联的整个信号(图2中的结果信号)，其包括空间共模或至少空间共模的分量。在一个或多个实施例中，随后描述的方法实现模数转换之后的空间共模的数字恢复。恢复的空间共模可随后用于各种目的。例如，恢复的空间共模可以用于检测大的对象，如下所述。此外，恢复的空间共模可用于确定传感器电极的电容性基线。
简而言之，以下方法因此可以通过模拟电路提供空间共模减轻，之后接着通过数字处理恢复空间共模。
最初，在步骤400中，执行基线化以获得ciVOUT处的零信号输出。换句话说，在没有触摸的情况下并且在没有放大器反馈(即，A＝0)的情况下、但是在VMOD激活的情况下测量ciVOUT。在这样的条件下，测量的ciVOUT反映传感器中的固定电容。粗略基线消除(CBC)电路(未示出)可以用于或可以不用于去除传感器中的固定电容，使得可以更容易地检测到电容的净改变。在一个或多个实施例中，在执行步骤400之后，输入设备准备好与用户交互(例如，触摸感测)。步骤400的执行是可选的。
在步骤405中，生成反馈信号。通过基于增益值和空间共模处理的信号的基数(即，空间共模处理的信号的数量)放大空间共模处理的信号来生成反馈信号。每个电荷积分器的输出与回路的输出(即，ciVREF)之间的增益为(-gmRs)x 1/(1+gmRIN)，其中Rs为求和电阻器(260)的电阻。对于gmRIN>>1，该增益可以近似为-Rs/RIN。对于具有共模噪声信号的N个信道，增益变为-N x Rs/RIN。通过设置Rs＝A x RIN x(1/N)，增益针对N个信道变为-A或针对每个信道变为-A/N，其中N是空间共模处理的信号的基数(即，信道的基数)。因此，反馈信号可以被理解为包括空间共模估计。基于所描述的电路，空间共模估计是或近似对于结果信号1-N的平均值。放大器可以用多个电流传送器和单个求和电阻器来实现。反馈信号是放大器的输出。
在步骤410中，获得一个或多个结果信号。结果信号与任何类型的电容性感测中涉及的传感器电极相关联。传感器电极与噪声源(例如，显示噪声源)之间可存在耦合。因此，结果信号可包括与噪声源相关联的分量，并且结果信号还可以反映接近传感器电极的输入对象(如果有的话)的存在。在一个或多个实施例中，结果信号包括空间共模。空间共模可以与例如噪声和/或大的对象相关联。
在步骤415中，通过使用反馈信号减轻结果信号中的空间共模来生成空间共模处理的信号。无论空间共模的性质如何，都可以减轻空间共模。例如，可以减轻由噪声导致的空间共模，和/或可以减轻由大的对象导致的空间共模。减轻可以涉及作为对电荷积分器的输入的结果信号和反馈信号。每个电荷积分器可对结果信号中的一个与反馈信号之间的差进行积分。因为在一个或多个实施例中，反馈信号包括空间共模估计，所以空间共模被减轻。电荷积分器的输出是空间共模处理的信号。反馈回路、放大器和电荷积分器有效地充当共模噪声抑制电路。
在模拟域中执行步骤400-415。因此，虽然步骤400-415已经被单独地描述，但是步骤400-415可以由诸如参考图2描述的模拟电路之类的模拟电路同时执行。
在步骤420中，从空间共模处理的信号获得数字触摸信号。可执行解调再加上模数转换，以获得数字触摸信号。解调可以使用乘法运算(例如，使用VMOD)来执行，接着进行低通滤波操作，由此去除调制电压VMOD。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，可以使用不同的解调方法。步骤420可以针对例如用于所有传感器电极的一个或多个数字触摸信号来执行。
在步骤425中，从空间共模估计获得数字空间共模估计。可执行解调再加上模数转换，以获得数字空间共模估计。解调可以使用乘法运算(例如，使用VMOD)来执行，接着进行低通滤波操作，由此去除调制电压VMOD。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，可以使用不同的解调方法。
在步骤430中，可以通过将数字触摸信号中的一个或多个与数字空间共模估计进行组合来获得一个或多个数字结果信号。例如，数字触摸信号可以与数字空间共模估计相加地组合。因此，数字结果信号可以近似于从对应的传感器电极初始获得的结果信号。例如，如果结果信号受到空间共模的影响，则数字结果信号还可以包括空间共模或者空间共模的分量。
在一个或多个实施例中，例如通过滤波来进一步处理数字空间共模和/或数字结果信号。具体地，可以应用低通滤波以消除或衰减高频分量，同时传递低频和/或DC分量。滤波可以在模拟域中例如由解调器的低通滤波器、由附加模拟滤波器和/或由数字域中的滤波器执行。因此，数字结果信号可以包括携带关于大的对象的存在的信息的空间共模的分量，但是可以不包括与噪声相关联的空间共模的分量。
例如，考虑图2中所图示的场景。在该示例中，空间共模包括与大的对象的存在相关联的分量，并且还包括与噪声相关联的分量。在该示例中，在低通滤波之后，数字结果信号可以包括与大的对象的存在相关联的分量(基本上是通过低通滤波器的DC信号)，而非与噪声相关联的分量(基本上是由低通滤波器衰减的高频AC信号)。可针对单个数字触摸信号、针对多个数字触摸信号或针对与输入设备的传感器电极相关联的所有数字触摸信号执行步骤430。
在步骤435中，使用一个或多个数字结果信号来执行检测任务。检测任务可以是例如对象检测和/或基线检测任务。
可以基于对跨输入设备的传感器电极的数字结果信号的评估来执行大的对象的检测。与在较早时间点(在没有大的对象的情况下)对数字结果信号的评估相比，数字结果信号不同，从而指示大的对象的存在。虽然单独的数字触摸信号(没有数字空间共模估计)可能不提供对大的对象的存在的任何指示，但是由于共模减轻，对数字结果信号中的数字空间共模估计的明确考虑使得能够检测到大的对象。检测可能不会受到噪声的不利影响，因为低通滤波可能已经衰减了噪声。因此，错误的检测(例如，当没有对象存在时对对象的检测、对错误位置中的对象的检测等)是不太可能的。
以下感测场景简要地说明了模拟域和数字域中的操作，其导致在存在小的对象和大的对象的情况下的某些结果。本领域技术人员将理解，感测场景仅旨在用作示例。本公开不限于这些使用情况。
(1)在没有大的对象的情况下，数字空间共模估计对应于经采样和滤波的G x Vn，其中G是可编程增益放大器的增益。这对应于与由图2中的噪声源注入的噪声相关联的空间共模。数字空间共模估计可应用于任何数字触摸信号，以恢复如由对应的(一个或多个)传感器电极感测到的完整信号。换句话说，在没有大的对象的情况下，可以针对任何传感器电极获得反映对应的传感器电极的结果信号的数字结果信号。取决于例如如何执行低通滤波，该数字结果信号可以包括或可以不包括噪声Vn。感测场景可以应用于感测区中完全不存在对象，并且应用于感测区中存在一个或多个小的对象(例如，输入对象)。可以基于数字触摸信号中的一个或多个来检测输入对象，而不一定要求考虑数字空间共模。例如，可以基于数字触摸信号中的一个或多个的改变和/或基于传感器电极的数字触摸信号与相邻定位的传感器电极的另一数字触摸信号的差异来检测输入对象。
(2)在存在大的对象的情况下，数字空间共模估计对应于：G x(Vn+dCB/CB x VMOD)xGdemod_filt，其中G是可编程增益放大器的增益，并且Gdemod_filt是解调器和滤波器的增益。滤波器增益是频率相关的：其中对VMOD同步地执行解调，并且滤波器以VMOD的频率操作，信号G xdCB/CB x VMOD的Gdemod_filt＝1，而G x Vn被滤波器衰减。因此，数字空间共模估计不依赖于显示噪声，同时仍然实现对与大的对象(例如，输入表面附近的面部)相关联的共模电容的评估。例如，当在显示器附近检测到面部时，可以使用这样的信息来关闭显示器。
因此，呈现本文中所阐述的实施例和示例以便最佳地解释各种实施例及其(一个或多个)特定应用，并且由此使本领域的技术人员能够制作和使用实施例。然而，本领域技术人员将认识到，仅出于说明和示例的目的已经呈现了前述描述和示例。所阐述的描述并非旨在穷举或限制于所公开的精确形式。
虽然已经描述了许多实施例，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计不脱离范围的其它实施例。

Claims (20)

1.一种处理系统，包括：
放大器，所述放大器被配置为从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号；
多个电荷积分器，所述多个电荷积分器被配置为：
从多个电容性传感器电极获得多个结果信号，所述多个结果信号包括空间共模；以及
通过使用所述反馈信号减轻所述多个结果信号中的所述空间共模，生成所述多个空间共模处理的信号；以及
控制器，所述控制器被配置为：
通过对所述多个空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号；
通过对所述空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计；以及
通过将所述多个数字触摸信号中的至少一个与所述数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述控制器包括：
可编程增益放大器，所述可编程增益放大器通过所述放大器的求和电阻器捕获所述空间共模估计；
解调器，所述解调器被配置为从所述空间共模估计中去除调制电压；以及
模数转换器，所述模数转换器被配置为执行所述模数转换，以从所述空间共模估计获得所述数字空间共模估计。
3.根据权利要求2所述的处理系统，其中所述解调器包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为衰减所述空间共模估计的高频分量。
4.根据权利要求3所述的处理系统，其中所述低通滤波器被配置为衰减与显示器相关联的噪声。
5.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述控制器还被配置为基于与在不存在大的对象的情况下获得的所述多个数字结果信号不同的所述多个数字结果信号来确定所述大的对象接近所述多个电容性传感器电极。
6.根据权利要求5所述的处理系统，其中所述空间共模包括与接近所述多个电容性传感器电极的所述大的对象相关联的分量。
7.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述控制器还被配置为基于所述多个数字触摸信号中的至少一个来确定输入对象接近所述多个电容性传感器电极中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述空间共模包括与所述多个电容性传感器电极的基线相关联的分量。
9.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述放大器包括：
多个输入电阻器，所述多个输入电阻器耦合到所述多个电荷积分器；
多个电流传送器，所述多个电流传送器耦合到所述多个输入电阻器；以及
求和电阻器，所述求和电阻器耦合到所述多个电流传送器。
10.根据权利要求9所述的处理系统，其中：
所述多个输入电阻器中的每个包括为R的电阻；
增益值是A；
所述多个空间共模处理的信号的基数是N；
所述求和电阻器包括为A x R x (1/N)的电阻；以及
所述放大器将所述多个空间共模处理的信号中的每个以-A/N的系数放大。
11.根据权利要求9所述的处理系统，其中所述多个电流传送器中的每个包括：
运算放大器；
多个电流反射镜，所述多个电流反射镜耦合到所述运算放大器的输出；以及
稳定阻抗，所述稳定阻抗耦合到所述运算放大器的输入。
12.根据权利要求1所述的处理系统，其中：
所述多个电荷积分器中的每个包括与阻抗并联的运算放大器；以及
所述反馈信号耦合到所述多个电荷积分器中的每个的非反相输入。
13.一种方法，包括：
由放大器从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号；
从多个电容性传感器电极获得多个结果信号，所述多个结果信号包括空间共模；
通过使用所述反馈信号减轻所述多个结果信号中的所述空间共模来生成所述多个空间共模处理的信号；
通过对所述多个空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号；
通过对所述空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计；以及
通过将所述多个数字触摸信号中的至少一个与所述数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
由可编程增益放大器通过所述放大器的求和电阻器捕获所述空间共模估计；
由解调器从所述空间共模估计中去除调制电压；以及
对所述空间共模估计进行模数转换以获得所述数字空间共模估计。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过所述解调器的低通滤波器衰减所述空间共模估计的高频分量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中衰减的高频分量是与显示器相关联的噪声。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：
基于与在不存在大的对象的情况下获得的所述多个数字结果信号不同的所述多个数字结果信号来确定所述大的对象接近所述多个电容性传感器电极。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述空间共模包括与接近所述多个电容性传感器电极的所述大的对象相关联的分量。
19.一种输入设备，包括：
多个电容性传感器电极；
放大器，所述放大器被配置为从多个空间共模处理的信号生成包括空间共模估计的反馈信号；以及
多个电荷积分器，所述多个电荷积分器被配置为：
从所述多个电容性传感器电极获得多个结果信号，所述多个结果信号包括空间共模；以及
通过使用所述反馈信号减轻所述多个结果信号中的所述空间共模，生成所述多个空间共模处理的信号；以及
控制器，所述控制器被配置为：
通过对所述多个空间共模处理的信号进行模数转换来获得多个数字触摸信号；
通过对所述空间共模估计进行模数转换来获得数字空间共模估计；以及
通过将所述多个数字触摸信号中的至少一个与所述数字空间共模估计组合来获得至少一个数字结果信号。
20.根据权利要求19所述的输入设备，其中所述控制器包括：
可编程增益放大器，所述可编程增益放大器通过所述放大器的求和电阻器捕获所述空间共模估计；
解调器，所述解调器被配置为从所述空间共模估计中去除调制电压；以及
模数转换器，所述模数转换器被配置为执行所述模数转换以从所述空间共模估计获得所述数字空间共模估计。
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