CN117538620A - 电容检测电路、芯片及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种电容检测电路、芯片及电子设备，该电容检测电路包括开关电容电路和积分电路，通过开关电容电路调制参考电容的第二电压权重小于待测电容的第一电压权重，能够以比待测电容更小容量的参考电容来实现待测电容的量程覆盖及电容校准平衡，由于电容的容量与电容的占用面积呈正向变化，因此，在参考电容的容量减小的情况下，可以减小参考电容的占用面积。

Description

电容检测电路、芯片及电子设备

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种电容检测电路、芯片及电子设备。

背景技术

在传统技术中，基于电荷分享原理的电容检测电路，通过一个开关将片外的待测电容与片内的参考电容隔开。在充电相位时，此开关断开，固定电源朝待测电容充电；在分享相位时，此开关导通，待测电容上的电荷被无源地分享到参考电容上，并将待测电容与参考电容相连的一极板自动调节到一个新的电位。在这之后，参考电容上的电荷被传导到后续的电路中，引起特定的电压变化。

然而，上述电容检测电路是通过调控片内的参考电容来实现待测电容的量程覆盖及电容校准平衡，这需要参考电容的电容值大于或者等于待测电容的电容值，从而导致参考电容占用的面积过大。

发明内容

鉴于以上问题，本申请实施例提供一种电容检测电路、芯片及电子设备，以缓解参考电容占用面积过大的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种电容检测电路，该电容检测电路包括开关电容电路和积分电路，开关电容电路用于分别调制待测电容的第一电压权重、参考电容的第二电压权重，第二电压权重小于第一电压权重；积分电路用于输出与待测电容的电容对应的输出电压。

第二方面，本申请实施例提供一种芯片，该芯片包括上述的电容检测电路。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，该电子设备包括设备主体以及设于设备主体的上述芯片。

本申请实施例提供的电容检测电路、芯片及电子设备，通过开关电容电路调制参考电容的第二电压权重小于待测电容的第一电压权重，能够以比待测电容更小容量的参考电容来实现待测电容的量程覆盖及电容校准平衡，由于电容的容量与电容的占用面积呈正向变化，因此，在参考电容的容量减小的情况下，可以减小参考电容的占用面积。

本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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示出了相关技术中电容检测电路的电路原理图。

图2示出了本申请实施例提供的电容检测电路的结构框图。

图3示出了本申请实施例提供的开关电容电路的结构框图。

图4示出了本申请实施例提供的第一开关电容电路的一种电路原理图。

图5示出了本申请实施例提供的第一开关电容电路的另一种电路原理图。

图6示出了本申请实施例提供的开关电容电路的电路原理图。

图7示出了本申请实施例提供的电容检测电路的第一种电路原理图。

图8示出了本申请实施例提供的电容检测电路的第二种电路原理图。

图9示出了本申请实施例提供的电容检测电路的第三种电路原理图。

图10示出了本申请实施例提供的电容检测电路的时序示意图。

图11示出了本申请实施例提供的芯片的结构框图。

图12示出了本申请实施例提供的电子设备的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性地，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请的方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请实施例的描述中，“示例”或“例如”等词语用于表示举例、说明或描述。本申请实施例中描述为“举例”或“例如”的任何实施例或设计方案均不解释为比另一实施例或设计方案更优选或具有更多优点。使用“示例”或“例如”等词语旨在以清晰的方式呈现相对概念。

另外，本申请实施例中的“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本申请实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“至少一个”，可理解为一个或多个，例如理解为一个、两个或更多个。例如，包括至少一个，是指包括一个、两个或更多个，而且不限制包括的是哪几个，例如，包括A、B和C中的至少一个，那么包括的可以是A、B、C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。

需要说明的是，本申请实施例中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要指出的是，本申请实施例中“连接”可以理解为电连接，两个电学元件连接可以是两个电学元件之间的直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元件间接连接。

本申请中实施例中所采用的各晶体管的第一极/第一端为源极和漏极中一者，各晶体管的第二极/第二端为源极和漏极中另一者。由于晶体管的源极、漏极在结构上可以是对称的，所以其源极、漏极在结构上可以是没有区别的，也就是说，本申请的实施例中的晶体管的第一极/第一端和第二极/第二端在结构上可以是没有区别的。示例性地，在晶体管为P型晶体管的情况下，晶体管的第一极/第一端为源极，第二极/第二端为漏极；示例性地，在晶体管为N型晶体管的情况下，晶体管的第一极/第一端为漏极，第二极/第二端为源极。

本申请的实施例提供的电路结构中，第一节点、第二节点等节点并非表示实际存在的部件，而是表示电路图中相关耦接的汇合点，也就是说，这些节点是由电路图中相关耦接的汇合点等效而成的节点。

在传统技术中，基于电荷分享原理的电容检测电路，通过一个开关将片外的待测电容与片内的参考电容隔开。在充电相位时，此开关断开，固定电源朝待测电容充电；在分享相位时，此开关导通，待测电容上的电荷被无源地分享到参考电容上，并将待测电容与参考电容相连的一极板自动调节到一个新的电位。在这之后，参考电容上的电荷被传导到后续的电路中，引起特定的电压变化。

以下以图1所示的传统电容检测电路为例，进行说明如下：

首先，在时序上将图1所示的电容检测电路的一个完整工作周期从前至后分为了7个相位(每个相位对应一个时段即P1-P7)。

在开始工作前，将待测电容、参考电容、以及积分电容上的电荷均复位清空。

P1时段，开关S1、S5、S7、S10闭合，其余开关均断开，计算待测电容上积累的电荷(此时参考电容的两端同电位，无电荷积聚)：

Vs×Cpin＝Q1 (1-1)

其中，Vs表示充电端的电位。Cpin表示待测电容的电容量。Q1表示待测电容上积累的电荷。

P2时段，开关S2、S7、S10闭合，其余开关均断开，计算待测电容上的电荷分享给参考电容之后，参考电容上的电压即V2(V2表示P2时段参考电容上的电压)：

Q1＝Vs×Cpin＝V2×(Cpin+Cref) (1-2)

其中，VCM表示共模端的共模电压。

P3时段，开关S6、S7、S10闭合，其余开关均断开，参考电容上的电荷朝积分电容和电容检测电路的输出端的方向转移，计算电容检测电路的输出电位即Vout3(Vout3表示P3时段Vout上的电压)：

(VCM-Vout3)×Cint＝V2×Cref (1-4)

其中，Cint表示积分电容的电容量。

P4时段，开关S2、S4、S8、S9闭合，其余开关均断开，类似于P1时段，不同于P1时段的是，是由参考电容来承受充电电压，计算参考电容上积累的电荷即Q4(Q4表示P4时段参考电容上积累的电荷)：

Vs×Cref＝Q4 (1-6)

P5时段，开关S2、S8、S9闭合，其余开关均断开，计算参考电容上的电荷分享给待测电容之后，参考电容上的电压即V5(V5表示P5时段参考电容上的电压)：

Q4＝Vs×Cref＝V5×(Cpin+Cref) (1-7)

P6时段，开关S6、S8、S9闭合，其余开关均断开，参考电容上的电荷朝积分电容和电容检测电路的输出端的方向转移，此时积分电容的极板调转，计算电容检测电路的输出电位即Vout6(Vout6表示P6时段Vout上的电压)：

(VCM-Vout6)×Cint＝V5×Cref (1-9)

P7时段，开关S11闭合，其余开关均断开，将经过叠加的电压变化量(△Vout)输出。

综上，每经过一个工作周期后，电容检测电路的输出端的电压变化量(△Vout)为：

由此可知，图1所示的电容检测电路遵循了基础的电荷转移原理，能够将电容值映射为电压值；且由于该电容检测电路中积分电容被开关设定成极板在特定相位(P6)翻转的工作模式，令上述电容检测电路是通过调控片内的参考电容来实现待测电容的量程覆盖及电容校准平衡。

但这种电容检测电路也存在着自身的缺陷，通过观察关系式1-11可以发现，若需求ΔVout＝0以达到一个平衡态且不溢出，参考电容的容值上限必须要大于或者等于待测电容的电容值。然而，参考电容的容值上限越大，该参考电容的占用面积也越大，进而导致该电容检测电路所需的占用面积也随之增大。

如图2所示，图2示出了本申请实施例提供的电容检测电路100。该电容检测电路100包括依次连接的开关电容电路10和积分电路20。其中，该开关电容电路10包括参考电容Cref，而待测电容Cpin为电容检测电路100的检测对象。参考电容Cref用于平衡待测电容Cpin的固有电容，这样在待测电容Cpin的容值发生改变的情况下，能够更加准确地得到待测电容Cpin在固有电容的基础上产生的电容对应的输出电压。

有鉴于上述提及的参考电容Cref占用面积过大的技术问题，本申请实施例提供一种电容检测电路100，请参阅图2至图10，如图2所示，该电容检测电路100包括开关电容电路10和积分电路20。开关电容电路10用于分别调制待测电容Cpin的第一电压权重、参考电容Cref的第二电压权重，第二电压权重小于第一电压权重。积分电路20用于输出与待测电容Cpin的电容对应的输出电压(Vout)。

可以理解的是，本申请实施例提供的电容检测电路100，通过开关电容电路10调制参考电容Cref的第二电压权重小于待测电容Cpin的第一电压权重，能够以比待测电容Cpin更小容量的参考电容Cref来实现待测电容Cpin的量程覆盖及电容校准平衡，由于电容的容量与电容的占用面积呈正向变化，因此，在参考电容Cref的容量减小的情况下，可以减小参考电容Cref的占用面积。

在其中一个实施例中，如图3所示，开关电容电路10包括第一开关电容电路11和第二开关电容电路12。第一开关电容电路11用于调制第一电压权重。第二开关电容电路12用于调制第二电压权重。

需要进行说明的是，第一开关电容电路11可以与外部的待测电容Cpin连接，以便对待测电容Cpin的第一电压权重进行调制。参考电容Cref可以被包含于第二开关电容电路12，以平衡待测电容Cpin的固有电容。

又，由于第一开关电容电路11与第二开关电容电路12相互独立，避免了相互干扰；两者可以同步工作，还可以提高开关电容电路10的工作效率。

在其中一个实施例中，如图4所示，所述第一开关电容电路11包括第一分享储能单元116、第一控制单元111、第二控制单元112、第三控制单元113、第四控制单元114以及第五控制单元115，第一分享储能单元116用于存储所述待测电容Cpin中的电荷。第一控制单元111用于控制所述待测电容Cpin的充电。第二控制单元112用于控制所述待测电容Cpin与所述第一分享储能单元116之间的连接。第三控制单元113用于控制所述第一分享储能单元116的一端的电位。第四控制单元114用于控制所述第一分享储能单元116的另一端的电位。第五控制单元115用于控制所述第一分享储能单元116与所述积分电路20之间的连接。

需要进行说明的是，第一分享储能单元116在存储所述待测电容Cpin中的电荷后，还会将这些电荷转移至后端的积分电路20。

在其中一个实施例中，如图4所示，第一控制单元111包括第一开关M1，第一开关M1的一端与充电端Vs连接，第一开关M1的另一端与待测电容Cpin的一端连接，待测电容Cpin的另一端与接地端GND连接。第二控制单元112包括第二开关M2，第二开关M2的一端与第一开关M1的另一端连接。第三控制单元113包括第三开关M3，第三开关M3的一端与第二开关M2的另一端连接，第三开关M3的另一端与第一可变电压端Va连接。第一分享储能单元116包括第一分享电容Ci1，第一分享电容Ci1的一端与第三开关M3的一端连接。第四控制单元114包括第四开关M4，第四开关M4的一端与第一分享电容Ci1的另一端连接，第四开关M4的另一端与第一可变电压端Va连接。第五控制单元115包括第五开关M5，第五开关M5的一端与第一分享电容Ci1的另一端连接，第五开关M5的另一端与积分电路20的反相输入端(-)连接。

需要进行说明的是，本实施例将第三开关M3的另一端、第四开关M4的另一端均与第一可变电压端Va连接，第一可变电压端Va可以提供第一可变电位，该第一可变电位用于调节第一电压权重和/或电容分辨率。例如，增加该第一可变电位可以减小待测电容Cpin在第一开关电容电路11中的第一电压权重，能够使得参考电容Cref的第二电压权重更小，从而进一步减小了参考电容Cref的容值上限，进而减小了参考电容Cref的占用面积。而减小该第一可变电位可以获得更高的电容分辨率。

其中，减小充电端Vs的电位也可以减小待测电容Cpin在第一开关电容电路11中的第一电压权重，能够使得参考电容Cref的第二电压权重更小，从而进一步减小了参考电容Cref的容值上限，进而减小了参考电容Cref的占用面积。而增大充电端Vs的电位也可以获得更高的电容分辨率。

在其中一个实施例中，如图5所示，与图4相比，第一可变电压端Va具体可以为共模端VCM，该共模端VCM与积分电路20的正相输入端(+)连接。

需要进行说明的是，本实施例不仅可以减小待测电容Cpin在第一开关电容电路11中的第一电压权重，能够使得参考电容Cref的第二电压权重更小，从而进一步减小了参考电容Cref的容值上限，进而减小了参考电容Cref的占用面积；而且由于与积分电路20的正相输入端共用同一共模端VCM，能够减少电容检测电路100所需要的信号数量或者传输线的数量。

其中，共模端VCM用于传输共模电压。积分电路20的反相输入端(-)可以作为积分电路20的第一输入端，积分电路20的正相输入端(+)可以作为积分电路20的第二输入端。

在其中一个实施例中，如图6所示，第二开关电容电路12包括第二分享储能单元126、第六控制单元121、第七控制单元122、第八控制单元123、第九控制单元124以及第十控制单元125，第二分享储能单元126用于存储参考电容Cref中的电荷；第六控制单元121用于控制参考电容Cref的电位；第七控制单元122用于控制参考电容Cref与第二分享储能单元126之间的连接；第八控制单元123用于控制第二分享储能单元126的一端的电位；第九控制单元124用于控制第二分享储能单元126的另一端的电位；第十控制单元125用于控制第二分享储能单元126与积分电路20之间的连接。

需要进行说明的是，第二分享储能单元126在存储参考电容Cref中的电荷后，还会将这些电荷转移至后端的积分电路20。

在其中一个实施例中，如图6所示，第六控制单元121包括第六开关M6，第六开关M6的一端与接地端GND连接。参考电容Cref的一端与第六开关M6的另一端连接，参考电容Cref的另一端与第二可变电压端VV2连接。第七控制单元122包括第七开关M7，第七开关M7的一端与第六开关M6的另一端连接。第八控制单元123包括第八开关M8，第八开关M8的一端与第七开关M7的另一端连接，第八开关M8的另一端与第三可变电压端Vb连接。第二分享储能单元126包括第二分享电容Ci2，第二分享电容Ci2的一端与第八开关M8的一端连接，第二分享电容Ci2的电容值等于第一分享电容Ci1的电容值。第九控制单元124包括第九开关M9，第九开关M9的一端与第二分享电容Ci2的另一端连接，第九开关M9的另一端与第三可变电压端Vb连接。第十控制单元125包括第十开关M10，第十开关M10的一端与第九开关M9的一端连接，第十开关M10的另一端与积分电路20的反相输入端连接。

需要进行说明的是，第二可变电压端VV2可以为第二可变电位，该第二可变电位可以为任一种电位。相较于传统技术中固定的电位例如共模端VCM的电位，参考电容Cref的另一端可以接入更为灵活的各种电位。

又，本实施例将第八开关M8的另一端、第九开关M9的另一端均与第三可变电压端Vb连接，第三可变电压端Vb可以提供第三可变电位，该第三可变电位用于调节第二电压权重和/或电容分辨率。例如，增加该第三可变电位可以增加参考电容Cref在第二开关M2电路中的第二电压权重，从而能够进一步减小了参考电容Cref的容值上限，进而减小了参考电容Cref的占用面积。而减小该第三可变电位也可以获得更高的电容分辨率，其中，为了实现待测电容Cpin与参考电容Cref的平衡，共模电压可以小于两倍的第三可变电位。

在其中一个实施例中，第二可变电压端VV2为参考电压端Vref、共模端VCM、充电端Vs、第一可变电压端Va中的一个，共模端VCM与积分电路20的同相输入端(+)连接。

需要进行说明的是，本实施例中的第二可变电压端VV2可以复用已有的各端，从而能够减少电容检测电路100所需的信号数量或者传输线的数量。

在其中一个实施例中，如图7所示，积分电路20包括运算放大器OP1和积分电容Cint，运算放大器OP1的反相输入端与第五开关M5的另一端、第十开关M10的另一端连接，运算放大器OP1的正相输入端与共模端VCM连接，运算放大器OP1的输出端提供输出电压；积分电容Cint的一端与运算放大器OP1的反相输入端连接，积分电容Cint的另一端与运算放大器OP1的输出端连接。

在其中一个实施例中，如图8、图9所示，电容检测电路100还包括重置开关模块131，重置开关模块131用于在第三时段中泄放所述待测电容Cpin、所述第一分享电容Ci1、所述参考电容Cref、所述第二分享电容Ci2以及所述积分电容Cint中的电荷。

在其中一个实施例中，如图8、图9所示，重置开关模块131包括第十一开关M11、第十二开关M12、以及第十三开关M13，第十一开关M11的一端与第一开关M1的另一端连接，第十一开关M11的另一端与共模端VCM连接；第十二开关M12的一端与第六开关M6的另一端连接，第十二开关M12的另一端与共模端VCM连接；第十三开关M13的一端与积分电容Cint的一端连接，第十三开关M13的另一端与积分电容Cint的另一端连接。

需要进行说明的是，本实施例增加的第十一开关M11、第十二开关M12、以及第十三开关M13是为了提高电容检测的准确性，并不影响电容检测的正常进行。

其中，第十一开关M11也可以被包括于第一开关电容电路11中。第十二开关M12也可以被包括于第二开关电容电路12中。第十三开关M13也可以被包括于积分电路20中。

需要进行说明的是，上述各开关均为电子开关，例如可以是三极管、场效应管、或者可控硅中的至少一种。上述各开关既可以受控于高电位而闭合或者导通，也可以受控于低电位而断开或者截止；或者，上述各开关既可以受控于低电位而闭合或者导通，也可以受控于高电位而断开或者截止。

下面结合图10，以上述各开关受控于高电位而闭合或者导通、受控于低电位而断开或者截止为例，说明一下电容检测电路100的工作过程：

其中，该电容检测电路100的工作过程可以按照工作周期T1进行划分，每个工作周期T1包括先后的复位阶段T11和检测阶段T12。每个检测阶段T12可以包括一个或者多个第一时段T121和一个或者多个第二时段T122。具体地，每个检测阶段T12可以进行N次积分，N为大于或者等于1的自然数；图10以进行4次积分为例进行说明。

其中，在复位阶段T11(第三时段)中，为了泄放掉待测电容Cpin、参考电容Cref、第一分享电容Ci1、第二分享电容Ci2和积分电容Cint上的电荷，使各电容的电荷清零即重置电路，可以控制第三开关M3、第四开关M4、第八开关M8、第九开关M9、第十一开关M11、第十二开关M12、以及第十三开关M13均导通，第一开关M1、第二开关M2、第五开关M5、第六开关M6、第七开关M7、以及第十开关M10均断开。

在第一个第一时段T121中，为了给待测电容Cpin和参考电容Cref充电，同时保持第一分享电容Ci1和第二分享电容Ci2上的电荷为重置后的电荷，可以控制第一开关M1、第三开关M3、第五开关M5、第六开关M6、第八开关M8和第十开关M10导通，同时断开第二开关M2、第四开关M4、第七开关M7、第九开关M9、第十一开关M11、第十二开关M12和第十三开关M13。

在第二时段T122中，为了将待测电容Cpin中的至少部分电荷转移至第一分享电容Ci1，可以控制第一开关M1、第三开关M3、第五开关M5、第十一开关M11以及第十三开关M13断开，并导通第二开关M2、第四开关M4。为了将参考电容Cref中的至少部分电荷转移至第二分享电容Ci2，可以控制第六开关M6、第八开关M8、第十开关M10、第十二开关M12以及第十三开关M13断开，并导通第七开关M7、第九开关M9。

在第一个第一时段T121中，因第五开关M5和第十开关M10处于导通状态，在第一个第一时段T121中存储在第一分享电容Ci1和第二分享电容Ci2上的电荷可以转移至积分电容Cint上，从而可以由运算放大器OP1进行运算，输出与待测电容Cpin对应的输出电压Vout。

需要进行说明的是，图10中的复位信号RST用于在复位阶段T11中控制对应的开关导通。图10中的信号PH1用于在第一时段T121中控制对应的开关导通。图10中的信号PH2用于在第二时段T122中控制对应的开关导通。

基于上述分析可知，与图1相比，本申请实施例提供的电容检测电路100对电路结构、时钟分配、极板电压做了改变，在能完成电容--电压映射关系的情况下，还能缩小了片内电容的面积需求。

其中，关于电路结构方面，本申请实施例通过第一开关电容电路11、第二开关电容电路12这两条电荷传输路径来连接到积分电路20的同一反相输入端的。

关于时钟分配方面，本申请实施例主要采用两个时钟相位即PH1、PH2来完成控制的。

关于极板电压方面，本申请实施例减少了积分电容Cint的两个极板翻转的操作，因此，节省了需要进行翻转操作的四个开关。

由于该电容检测电路100中运算放大器OP1的反相输入端仅通过第十开关M10来控制连接到第二分享电容Ci2的极板处(高阻节点)，理论上没有电荷泄漏。因此，第一开关电容电路11、第二开关电容电路12不会互相干扰，可以将第一开关电容电路11、第二开关电容电路12的相关计算分开进行，最后再叠加。

以图8所示的电容检测电路100为例，第一开关电容电路11、第二开关电容电路12可以同步工作，这里先对第一开关电容电路11分析如下：

在第一个第一时段T121中，充电端Vs给待测电容Cpin充电，计算待测电容Cpin上获得的电荷量即Q1：

Q1＝Vs×Cpin (2-1)

其中，Vs表示充电端Vs的电位。Cpin表示待测电容Cpin的电容量或者电容值。

在第一个第二时段T122中，待测电容Cpin上的电压分享给第一分享电容Ci1，计算待测电容Cpin与参考电容Cref上存储的总电荷量即Q2：

Q2＝(V1-VCM)×Ci1+V1×Cpin (2-2)

其中，V1为图8、图9中第二开关M2的另一端的电位或者第一分享电容Ci1的左极板的电位。VCM表示共模端VCM的共模电压。Ci1表示第一分享电容Ci1的电容量或者电容值。

根据能量守恒定律可知：

Q2＝Q1 (2-3)

将关系式2-1、关系式2-2代入关系式2-3可以得到第二开关M2的另一端的电位为如下所示：

在第二个第一时段T121中，设Qx为第一分享电容Ci1上积累的电荷量，Vx为第一开关电容电路11导致的运算放大器OP1的反相输入端的电位。则有如下关系式成立：

-Qx＝(Vx-VCM)×Ci1+(Vx-Vout1)×Cint (2-6)

其中，Vout1表示分析第一开关电容电路11的过程中电容检测电路100的输出电位。Cint表示积分电容Cint的电容量或者电容值。

由于运算放大器OP1在建立状态下，其正相输入端的电位可以约等于反相输入端的电位，因此，有如下关系式成立：

Vx≈VCM (2-7)

合并关系式2-5、关系式2-6、关系式2-7后，可以得到如下关系式：

其中，△Vout1表示分析第一开关电容电路11的过程中电容检测电路100的输出电位的电位变化量。

再对第二开关电容电路12进行分析，考察运算放大器OP1的反相输入端的电荷Qx变化。具体如下：

由于受信号PH1、信号PH2分别控制的对应开关不会同时闭合，所以运算放大器OP1的反相输入端的电荷量在理论上不会变化，只会随着积分过程驱动输出端的输出电位即Vout变化。

在复位阶段T11之后的第一个第二时段T122中，以图8为例，各节点的电位均为共模电压，无电荷。

在第一个第一时段T121中，接地端GND和共模端VCM给参考电容Cref反向充电，则参考电容Cref上获得的电荷量即Q2`为：

Q2`＝-VCM×Cref (2-11)

在第一个第二时段T122中，参考电容Cref上的电压分享给第二分享电容Ci2，计算第七开关M7的另一端的电位或者第二分享电容Ci2的左极板的电位即V2：

Q2`＝(V2-VCM)×Ci2+(V2-VCM)×Cref (2-12)

V2×(Ci2+Cref)-VCM×Ci2-VCM×Cref＝-VCM×Cref (2-13)

V2×(Ci2+Cref)＝VCM×Ci2 (2-14)

其中，Ci2表示第二分享电容Ci2的电容量或者电容值。

在第二个第一时段T121中，进入积分阶段，设Qy为第二分享电容Ci2上积累的电荷量，Vy为第二开关电容电路12导致的运算放大器OP1的反相输入端的电位。则有如下关系式成立：

-Qy＝(Vy-VCM)×Ci2+(Vy-Vout2)×Cint (2-17)

其中，Vout2表示分析第二开关电容电路12的过程中电容检测电路100的输出电位。

由于运算放大器OP1在建立状态下，有如下关系式成立：

Vy≈VCM(2-18)

-Qy＝(Vy-Vout2)×Cint (2-19)

其中，△Vout2表示分析第二开关电容电路12的过程中电容检测电路100的输出电位的电位变化量。

又由于第一分享电容Ci1的电容量与第二分享电容Ci2的电容量相等，因此，有如下关系式成立：

Ci1＝Ci2 (2-24)

综上所述，利用叠加定理可以得出检测阶段T12中电容检测电路100的输出电位的电位变化量即△Vout：

其中，Ci为第一分享电容Ci1的电容量或者第二分享电容Ci2的电容量。Vs-VCM为待测电容Cpin的第一电压权重。VCM为参考电容Cref的第二电压权重。

观察关系式2-25，可以发现由于待测电容Cpin、参考电容Cref二者的电压权重设置不同，进而导致利用参考电容Cref校准平衡的过程中，令ΔVout＝0的情况下，所需要的参考电容Cref的上限电容值可以远低于待测电容Cpin的电容值。由于参考电容Cref的上限电容值不需要大于或者等于待测电容Cpin的电容值，可以大幅减小参考电容Cref的上限电容值，从而能够减小参考电容Cref的占用面积。其中，参考电容Cref可以作为电容阵列的等效电容，进而能够大幅缩减电容阵列占用的面积。

基于图8所示的电容检测电路100，可以对应推广为图9所示的电容检测电路100。图9所示的电容检测电路100为广义的电荷分享权重式电容电压转换(CVC)电路，将第三开关M3的另一端、第四开关M4的另一端连接的共模端VCM改为第一可变电压端Va，将第八开关M8的另一端、第九开关M9的另一端连接的共模端VCM改为第三可变电压端Vb，将参考电容Cref的另一端连接的共模端VCM改为第二可变电压端VV2，例如参考电压端Vref。类比于图8中电容检测电容的推导方式，可以得出图9所示电容检测电路100在检测阶段T12中电容检测电路100的输出电位的电位变化量即△Vout：

其中，Va表示第一可变电压端Va的电位。Vb表示第三可变电压端Vb的电位。

根据关系式2-26可以法相，在待测电容Cpin不变的情况下，当希望降低芯片200内参考电容Cref的占用面积时，可选择降低充电端Vs的电位、增加第一可变电压端Va的电位、增加第三可变电压端Vb的电位中的至少一个来实现；当希望获得更高的电容分辨率时，可选择增加低充电端Vs的电位、降低第一可变电压端Va的电位、降低第三可变电压端Vb的电位中的至少一个来实现。

其中，为了实现校准平衡，需要满足VCM-2Vb小于零。由此可见，为了实现电容检测电路100在校准精度/信号分辨率/电容大小这些方面的要求，可以通过合理控制电路中充电端Vs的电位、共模电压、第一可变电压端Va的电位、第三可变电压端Vb的电位等电压变量来实现，提高了电容检测电容的设计灵活度。

需要进行说明的是，第二可变电压端VV2的电位在计算过程中会相互抵消，因此，在上述关系式2-25、关系式2-26看不到第二可变电压端VV2的电位对结果的影响力。也就是说，第二可变电压端VV2的电位可以采用任一种电位。

通过上述分析，可以理解的是，本发明和现有技术的主要区别点在于将片外的待测电容Cpin和片内的参考电容Cref分开，各自构造了一条电荷搬运路径或者电荷分享路径。额外引进了第一分享电容Ci1、第二分享电容Ci2的两端通过时钟控制接入特定电位的设定，以允许更改两条电荷分享路径中待测电容Cpin、参考电容Cref各自的电压权重。

也就是说，片内用以分享、传输电荷的第一分享电容Ci1和/或第二分享电容Ci2在不同相位接不同的电位，借此更改待测电容Cpin、参考电容Cref在各自电荷分享路径中的电压权重，从而大大降低了参考电容Cref的容值上限要求，进而节约了芯片200的面积。

在其中一个实施例中，如图11所示，本申请实施例提供一种芯片200，该芯片200包括上述的电容检测电路100。

可以理解的是，由于本申请实施例提供的芯片200包括了上述的电容检测电路100，同样能够通过开关电容电路10调制参考电容Cref的第二电压权重小于待测电容Cpin的第一电压权重，能够以比待测电容Cpin更小容量的参考电容Cref来实现待测电容Cpin的量程覆盖及电容校准平衡，由于电容的容量与电容的占用面积呈正向变化，因此，在参考电容Cref的容量减小的情况下，可以减小参考电容Cref的占用面积。

需要进行说明的是，芯片200(Integrated Circuit，IC)也称集成电路，该芯片200可以但不限于是SOC(System on Chip，芯片200级系统)芯片、SIP(systemin package，系统级封装)芯片。

在其中一个实施例中，如图12所示，本申请实施例提供一种电子设备300，该电子设备300包括设备主体310以及设于设备主体310的上述芯片200。

可以理解的是，由于本申请实施例提供的电子设备300包括了上述的芯片200或者电容检测电路100，同样能够通过开关电容电路10调制参考电容Cref的第二电压权重小于待测电容Cpin的第一电压权重，能够以比待测电容Cpin更小容量的参考电容Cref来实现待测电容Cpin的量程覆盖及电容校准平衡，由于电容的容量与电容的占用面积呈正向变化，因此，在参考电容Cref的容量减小的情况下，可以减小参考电容Cref的占用面积。

需要进行说明的是，上述电子设备300可以但不限于是体重秤、体脂秤、营养秤、红外电子体温计、脉搏血氧仪、人体成分分析仪、移动电源、无线充电器、快充充电器、车载充电器、适配器、显示器、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)扩展坞、触控笔、真无线耳机、汽车中控屛、汽车、智能穿戴设备、移动终端、智能家居设备。智能穿戴设备包括但不限于智能手表、智能手环、颈椎按摩仪。移动终端包括但不限于智能手机、笔记本电脑、平板电脑、POS(point of sales terminal，销售点终端)机。智能家居设备包括但不限于智能插座、智能电饭煲、智能扫地机、智能灯。

以上，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本申请，任何本领域技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (18)

1.一种电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路包括：

开关电容电路，用于分别调制待测电容的第一电压权重、参考电容的第二电压权重，所述第二电压权重小于所述第一电压权重；

积分电路，用于输出与所述待测电容的电容对应的输出电压。

2.如权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述开关电容电路包括：

第一开关电容电路，用于调制所述第一电压权重；

第二开关电容电路，用于调制所述第二电压权重。

3.如权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一开关电容电路包括：

第一分享储能单元，用于存储所述待测电容中的电荷；

第一控制单元，用于控制所述待测电容的充电；

第二控制单元，用于控制所述待测电容与所述第一分享储能单元之间的连接；

第三控制单元，用于控制所述第一分享储能单元的一端的电位；

第四控制单元，用于控制所述第一分享储能单元的另一端的电位；

第五控制单元，用于控制所述第一分享储能单元与所述积分电路之间的连接。

4.如权利要求3所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一控制单元包括第一开关，所述第一开关的一端与充电端连接，所述第一开关的另一端与所述待测电容的一端连接，所述待测电容的另一端与接地端连接；

所述第二控制单元包括第二开关，所述第二开关的一端与所述第一开关的另一端连接；

所述第三控制单元包括第三开关，所述第三开关的一端与所述第二开关的另一端连接，所述第三开关的另一端与第一可变电压端连接；

所述第一分享储能单元包括第一分享电容，所述第一分享电容的一端与所述第三开关的一端连接；

所述第四控制单元包括第四开关，所述第四开关的一端与所述第一分享电容的另一端连接，所述第四开关的另一端与所述第一可变电压端连接；

所述第五控制单元包括第五开关，所述第五开关的一端与所述第一分享电容的另一端连接，所述第五开关的另一端与所述积分电路的第一输入端连接。

5.如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路的一工作周期包括第一时段和第二时段；

在所述第一时段中，所述第一开关、所述第三开关、以及所述第五开关均导通，所述第二开关、所述第四开关均断开，以向所述待测电容充电；

在所述第二时段中，所述第一开关、所述第三开关、以及所述第五开关均断开，所述第二开关、所述第四开关均导通，以使所述待测电容的至少部分电荷转移至第一分享电容。

6.如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述第一可变电压端为共模端，所述共模端与所述积分电路的第二输入端连接。

7.如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述充电端的电位、所述第一可变电压端的电位中的至少一个用于调节所述第一电压权重和/或电容分辨率。

8.如权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，所述第二开关电容电路包括：

第二分享储能单元，用于存储所述参考电容中的电荷；

第六控制单元，用于控制所述参考电容的电位；

第七控制单元，用于控制所述参考电容与所述第二分享储能单元之间的连接；

第八控制单元，用于控制所述第二分享储能单元的一端的电位；

第九控制单元，用于控制所述第二分享储能单元的另一端的电位；

第十控制单元，用于控制所述第二分享储能单元与所述积分电路之间的连接。

9.如权利要求8所述的电容检测电路，其特征在于，所述第六控制单元包括第六开关，所述第六开关的一端与所述接地端连接；

所述参考电容，所述参考电容的一端与所述第六开关的另一端连接，所述参考电容的另一端与第二可变电压端连接；

所述第七控制单元包括第七开关，所述第七开关的一端与所述第六开关的另一端连接；

所述第八控制单元包括第八开关，所述第八开关的一端与所述第七开关的另一端连接，所述第八开关的另一端与第三可变电压端连接；

所述第二分享储能单元包括第二分享电容，所述第二分享电容的一端与所述第八开关的一端连接，所述第二分享电容的电容值等于所述第一分享电容的电容值；

所述第九控制单元包括第九开关，所述第九开关的一端与所述第二分享电容的另一端连接，所述第九开关的另一端与所述第三可变电压端连接；

所述第十控制单元包括第十开关，所述第十开关的一端与所述第九开关的一端连接，所述第十开关的另一端与所述积分电路的第一输入端连接。

10.如权利要求9所述的电容检测电路，其特征在于，在所述第一时段中，所述第六开关、所述第八开关、以及所述第十开关均导通，所述第七开关、所述第九开关均断开；以向所述参考电容充电；

在所述第二时段中，所述第六开关、所述第八开关、以及所述第十开关均断开，所述第七开关、所述第九开关均导通；以使所述参考电容的至少部分电荷转移至第二分享电容。

11.如权利要求9所述的电容检测电路，其特征在于，所述第二可变电压端为参考电压端、共模端、所述充电端、所述第一可变电压端中的一个，所述共模端与所述积分电路的第二输入端连接。

12.如权利要求9所述的电容检测电路，其特征在于，所述第三可变电压端的电位用于调节所述第二电压权重和/或电容分辨率。

13.如权利要求10所述的电容检测电路，其特征在于，所述积分电路包括：

运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述第五开关的另一端、所述第十开关的另一端连接，所述运算放大器的第二输入端与共模端连接，所述运算放大器的输出端用于输出所述输出电压；

积分电容，所述积分电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

14.如权利要求13所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路的一工作周期还包括第三时段；所述电容检测电路还包括重置开关模块，所述重置开关模块用于在所述第三时段中泄放所述待测电容、所述第一分享电容、所述参考电容、所述第二分享电容以及所述积分电容中的电荷。

15.如权利要求14所述的电容检测电路，其特征在于，所述重置开关模块包括：

第十一开关，所述第十一开关的一端与所述第一开关的另一端连接，所述第十一开关的另一端与所述共模端连接；

第十二开关，所述第十二开关的一端与所述第六开关的另一端连接，所述第十二开关的另一端与所述共模端连接；

第十三开关，所述第十三开关的一端与所述积分电容的一端连接，所述第十三开关的另一端与所述积分电容的另一端连接。

16.如权利要求15所述的电容检测电路，其特征在于，在所述第一时段、所述第二时段中，所述第十一开关、所述第十二开关、以及所述第十三开关均断开；

在所述第三时段中，所述第三开关、所述第四开关、所述第八开关、所述第九开关、所述第十一开关、所述第十二开关、以及所述第十三开关均导通，所述第一开关、所述第二开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关、以及所述第十开关均断开；以用于泄放所述待测电容、所述第一分享电容、所述参考电容、所述第二分享电容以及所述积分电容中的电荷。

17.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1-16任一项所述的电容检测电路。

18.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括设备主体以及设于所述设备主体的如上述权利要求17所述的芯片。