CN117723094A - 测量系统、相关集成电路和方法 - Google Patents

Abstract

一种具有第一电容和第二电容以及切换、控制和测量电路的测量系统在正常操作期间对电容进行充电/放电。切换和控制电路周期性地将第一电容的第一端子连接至第一电压和参考电压，并且将第二电容的第一端子连接至第二电压和参考电压。第一电容的第二端子和第二电容的第二端子被连接至差分积分器的输入端子，电容之间的电荷差被转移到差分积分器。当差分积分器的输出信号超过比较器的滞后阈值时，比较器触发。两个解耦电容被连接在比较器的输入与差分积分器的输出之间，并且两个重置阶段被用于存储对这些解耦电容的各种干扰，从而提高精度。

Description

测量系统、相关集成电路和方法

优先权要求

本申请要求于2022年9月19日提交的意大利专利申请号102022000019113的优先权权益，其内容在法律允许的最大范围内通过引用全部并入本文。

技术领域

本描述的实施例涉及测量系统，诸如电容式传感器。

背景技术

通常使用电容式传感器。例如，这种电容式传感器可以具有高分辨率、低复杂性和低温度依赖性。例如，这种电容式传感器可以被用于基于微机电系统(MEMS)的传感器，诸如加速度计、位置传感器、压力传感器和湿度传感器。最近，这种电容式传感器也被用于芯片实验室(LoC)应用，例如用于DNA蛋白质相互作用定量、细胞监测、生物颗粒检测、有机溶剂监测、液滴参数感测、细菌检测等。

通常，电容式传感器包括被连接至接口读出电路的至少一对感测电极。

例如，图1示出了典型的LoC应用，其中用导电材料实施的两个电极100和102被布置在集成电路20上。在电容式传感器中，电极100和102被连接至接口电路，例如被实施在集成电路20内，该接口电路被配置为通过测量指示电极100与102之间的电容值的值来生成模拟或数字信号。

因此，在电极100和102附近的样本104的物理、生物和/或化学性质影响由电极100和102形成的电容器的电容的情况下，例如被实施在集成电路20内的处理电路可以被配置为根据测量的电容值提供样本104的物理、生物和/或化学性质的估计。

在这方面，互补金属氧化物半导体(CMOS)技术为电容式传感器的开发提供了巨大的优势，例如因为它允许以低成本实施高度集成的电路。这也允许实现更高的灵敏度和快速检测，并且将电读出电路和/或感测电极集成到单个芯片20上。本领域技术人员将了解，在文献中已经针对不同的LoC应用提出了各种CMOS电容感测技术。最常用的技术中的一种技术是基于电荷的电容测量(CBCM)。例如，CBCM技术在Chen等人于1996年在国际电子器件会议(IEDM)上发表的文件“An On-Chip,Attofarad Interconnect Charge-BasedCapacitance Measurement(CBCM)Technique”或者美国专利公开号2003/0218473中进行了描述，其中每一个的内容通过引用并入本文。

图2示出了根据CBCM技术的接口电路30的示例。

如前面提及的，电极100和102形成感测电容/电容器C_S，其中感测电容C_S的电容值通常指示电极100和102附近的样本104的物理、生物和/或化学性质。

具体地，在所考虑的示例中，第一电子开关M₄(诸如晶体管，诸如n沟道场效应晶体管(FET)，诸如n沟道金属氧化物半导体(MOS)FET)的电流路径与感测电容C_S并联(例如直接)连接，即，电子开关M₄被连接在电极100和102之间，并且因此被配置为根据在电子开关M₄的控制端子(例如对应FET的栅极端子)处接收的控制信号Φ₂选择性地使感测电容C_S短路。

而且，接口电路包括第二电子开关M₂，诸如晶体管，诸如p沟道场效应晶体管(FET)，诸如p沟道MOSFET，被配置为根据在电子开关M₂的控制端子(例如对应FET的栅极端子)处接收的控制信号Φ₁选择性地将感测电容C_S连接至电源电压VDD。例如，在所考虑的示例中，电容C_S的电极102被连接至第一参考电压，例如接地GND，并且电极100经由电子开关M₂被连接至第二参考电压，例如集成电路20的电源电压VDD。因此，当电子开关M₄断开时，电子开关M₂可以被用于选择性地对感测电容C_S充电。因此，控制电路(CC)36可以被配置为生成控制信号Φ₁和Φ₂，以便选择性地对感测电容C_S充电和放电。

例如，如图3所示，通常，控制电路36被配置为根据具有持续时间/周期T_S的切换周期来生成控制信号Φ₁和Φ₂。具体地，通常，每个切换周期T_S包括以下四个阶段的序列：

阶段Δt₁，其中电子开关M₂和M₄都断开，例如通过将信号Φ₁设置为高并且将信号Φ₂设置为低；

阶段Δt₂，其中电子开关M₂断开并且电子开关M₄闭合，例如通过将信号Φ₁设置为高并且将信号Φ₂设置为高，由此电容C_S通过电子开关M₄放电至接地；

阶段Δt₃，其中电子开关M₂和M₄都断开，例如通过将信号Φ₁设置为高并且将信号Φ₂设置为低；以及

阶段Δt₄，其中电子开关M₂闭合并且电子开关M₄断开，例如通过将信号Φ₁设置为低并且将信号Φ₂设置为低，由此感测电容C_S被连接至电源电压VDD并且用电流i_S充电。

因此，阶段Δt₂被用于重置电容C_S的电荷，并且阶段Δt₄被用于对电容C_S充电。通常，阶段Δt₁和Δt₃纯粹是可选的，并且被用于通过将电源电压VDD连接至接地来避免电子开关M₂和M₄生成短路。

因此，如图2所示，接口电路30可以包括测量电路34，该测量电路34被配置为测量流过电容C_S的充电或放电电流i_S。例如，在所考虑的示例中，测量电路34包括被连接在电子开关M₂和电源电压VDD之间的电流传感器340，从而监测充电电流。

通常，CBCM技术还使用第二分支，它包括参考电容C_R。通常，参考电容C_R具有与感测电容C_S相同的物理结构，但不暴露于样本104。例如，在不存在样本104的情况下，电容值C_S和C_R通常对应，即，C_S＝C_R。相反，在存在样本104的情况下，感测电容C_S的电容值变化并且通常增大，即，C_S>C_R。

因此，在这种情况下，第二分支包括：第一电子开关M₃，诸如n沟道FET，诸如n沟道MOSFET，被配置为选择性地使参考电容C_R短路；以及第二电子开关M₁，诸如p沟道FET，诸如p沟道MOSFET，被配置为选择性地将参考电容C_R连接至电源电压VDD。

通常，电子开关M₃经由控制信号Φ₂驱动，并且电子开关M₁经由控制信号Φ₁驱动。事实上，如图3所示，在这种情况下，参考电容C_R在阶段Δt₂期间被重置，并且在阶段Δt₄期间被充电，从而生成电流i_R。因此，在这种情形下，接口电路30也可以包括电流传感器342，它被配置为测量流过电容C_R的充电或放电电流i_R。例如，在所考虑的实施例中，电流传感器342被连接在电子开关M₁和电源电压VDD之间，从而监测充电电流。

因此，在所考虑的示例中，接口电路30包括用电子开关M₂和M₄实施的第一半桥，其中第一半桥被配置为选择性地将第一参考电压(通常是电源电压VDD)或第二参考电压(通常是接地GND)施加到感测电容C_S的第一端子/电极100，其中感测电容C_S的第二端子/电极102被连接至第二参考电压(通常是接地GND)。而且，接口电路30包括由电子开关M₁和M₃实施的第二半桥，其中第二半桥被配置为选择性地将第一参考电压(通常是电源电压VDD)或第二参考电压(通常是接地GND)施加到参考电容C_R的第一端子/电极，其中参考电容C_R的第二端子/电极被连接至第二参考电压(通常是接地GND)。两个半桥被标识为CBCM小区32。

例如，当使用CMOS技术时，电子开关M₃和M₄通常用n沟道MOSFET实施，而电子开关M₁和M₂通常用p沟道MOSFET实施。在这种情况下，n沟道FET M₃和M₄的源极端子被连接至第二参考电压(例如接地GND)，p沟道FET M₁和M₂的源极端子被连接至第一参考电压(例如VDD)，n沟道FET M₄和p沟道FET M₂的漏极端子被连接至感测电容C_S的第一端子/电极，并且n沟道FETM₃和p沟道FET M₁的漏极端子被连接至参考电容C_R的第一端子/电极。

因此，在CBMS技术中，样本104的性质通常基于电容C_S和C_R之间的电容差ΔC来评估，即，ΔC＝C_S-C_R。例如，为此目的，测量电路32应该被配置为生成指示(充电或放电)电流i_S和i_R之间的差Δi的信号，即，Δi＝i_S-i_R。

在这方面，Chen等人先前引用的文件证实，该技术具有约10aF的固有估计灵敏度。因此，主要的技术问题存在于CBCM小区32的测量/读出电路的设计和实施方式中，该测量/读出电路不会劣化或仅对该性能具有较小影响。

图4示出了CBCM小区32的测量电路的第一示例，该测量电路被配置为生成指示电流i_S和i_R之间的差Δi的信号。例如，这种解决方案在Forouhi等人于2018年在传感器上发表的“Toward High Throughput Core-CBCM CMOS Capacitive Sensors for Life ScienceApplications:A Novel Current-Mode for High Dynamic Range Circuitry(面向生命科学应用的高吞吐量核心CBCM CMOS电容式传感器：用于高动态范围电路系统的新型电流模式)”中公开，其内容通过引用并入本文。

具体地，在所考虑的示例中，CBCM小区32的测量电路包括第一电流镜3400，例如用两个p沟道FET实施，被配置为通过镜像提供给CBCM小区32的(充电)电流i_S来生成电流i_S'。该镜像电流i_S'被用于对第一电容C_int+充电，该第一电容C_int+基本上作为积分器操作，该积分器被配置为将电流i_S'(t)转换为电压。类似地，CBCM小区32的测量电路包括第二电流镜3410，例如用两个p沟道FET实施，被配置为通过镜像提供给CBCM小区32的(充电)电流i_R来生成电流i_R'。该镜像电流i_R'被用于对第二电容C_int-充电，该第二电容C_int-基本上作为积分器操作，该积分器被配置为将电流i_R'(t)转换为电压。

因此，在所考虑的示例中，差分放大器3420可以被用于通过放大电容C_int+处的电压和电容C_int-处的电压之间的差来生成信号，例如电压V_out。例如，在所考虑的示例中，电容C_int+处的电压被连接至差分放大器3420的正输入端子，并且电容C_int-处的电压被连接至差分放大器3420的负输入端子。电容C_int+和C_int-具有相同的电容值。

在这种情况下，测量电路34还可以包括电子开关3402和3412，以便例如根据重置信号RST选择性地对电容C_int+和C_int-放电。事实上，图4的电路允许执行图3所示的多个切换周期T_S，在每个切换周期期间，电流i_S和i_R中的电流脉冲被分别转移到电容C_int+和C_int-。

因此，在所考虑的示例中，电容C_S和C_R不是直接用电压VDD充电，而是用电压(VDD-V_thp)充电，其中V_thp对应于电流镜3400和3410的输入FET的阈值，即，差分放大器3420的输入处的电压ΔV可以在给定数量N个切换周期之后用以下等式近似：

因此，第一缺点与输出V_out也是阈值V_thp的函数这一事实相关，该阈值V_thp取决于温度和过程扩展变化。而且，在该方法中，为了实现更高的灵敏度，需要积分电容器C_int+和C_int-两端的高电压。然而，这种情况可能会将差分放大器3420推向非线性区域，从而限制传感器电路的分辨率。为了缓解这第二个问题，Forouhi等人先前引用的文章也公开了一种替代方法，如图5所示。

具体地，在图5所示的示例中，电流镜3400和3410再次被配置为分别生成镜像电流i_S'和i_R'。

然而，在这种情况下，例如用n沟道FET实施的另一电流镜3430被用于通过镜像电流i_R'来生成另一镜像电流i_R”。具体地，在所考虑的示例中，电流镜3400的输出与电容C_int串联连接。相反，电流镜3430的输出与电容C_int并联连接。因此，在所考虑的示例中，电容C_int确实用对应于电流i_S'和i_R”之间的差的电流i_X充电，即，i_X＝i_S'-i_R”。

因此，图5的电路也允许执行图3所示的多个切换周期，在每个切换周期期间，电流i_X中的电流脉冲被转移到电容C_int。具体地，通过使用镜像比为1的电流镜3430以及镜像比为K的电流镜3400和3410，在给定数量N个切换周期之后，电容C_int处的电压V_out可以用以下等式近似：

通常，先前引用的文件还公开了图5所示的电路的相应差分版本。

遗憾的是，图5所示的方法基于具有电流增益的几个电流镜，其偏移和失配严重影响电容差ΔC的感测。相反，在图4所示的解决方案中，这只是一个小问题，因为可以使用没有任何增益的电流镜。考虑到前述内容，本领域需要各种实施例来提供一种测量系统，该测量系统克服了前述内容中概述的问题。

发明内容

根据一个或多个实施例，提供了一种测量系统。而且，实施例涉及一种相关的集成电路和方法。

如前面提及的，本公开的各种实施例涉及一种测量系统。在各种实施例中，测量系统包括第一电容和第二电容。而且，测量系统包括切换电路，被配置为接收第一控制信号和第二控制信号。响应于确定第一控制信号被断言，切换电路将第一电容的第一端子连接至第一电压并且将第二电容的第一端子连接至第二电压。而且，响应于确定第二控制信号被断言，切换电路将第一电容的第一端子和第二电容的第一端子连接至参考电压，例如接地。

在各种实施例中，控制电路被配置为根据包括四个间隔的切换周期来生成第一控制信号和第二控制信号。具体地，针对第一间隔，控制电路取消断言第一控制信号和第二控制信号。针对以下第二间隔，控制电路取消断言第一控制信号并且断言第二控制信号，从而将第一电容连接至第一电压并且将第二电容连接至第二电压。针对以下第三间隔，控制电路取消断言第一控制信号和第二控制信号。最后，针对以下第四间隔，控制电路断言第一控制信号并且取消断言第二控制信号，从而将第一电容和第二电容连接至参考电压。

在各种实施例中，处理系统还包括测量电路，该测量电路又包括差分积分器和具有滞后的比较器。

在各种实施例中，差分积分器包括差分运算放大器、第一积分电容和第二积分电容。具体地，在各种实施例中，差分运算放大器的反相输入被连接至第一电容的第二端子，并且差分运算放大器的非反相输入被连接至第二电容的第二端子。第一积分电容的第一端子被连接至差分运算放大器的反相输入，并且第一积分电容的第二端子经由第一电子开关被连接至差分运算放大器的正输出端子，其中第一积分电容的第二端子表示差分积分器的第一输出节点。类似地，第二积分电容的第一端子被连接至差分运算放大器的非反相输入，并且第二积分电容的第二端子经由第二电子开关被连接至差分运算放大器的负输出端子，其中第二积分电容的第二端子表示差分积分器的第二输出节点。在各种实施例中，差分积分器还包括被连接在差分运算放大器的反相输入和运算放大器的正输出端子之间的第三电子开关以及被连接在差分运算放大器的非反相输入和运算放大器的负输出端子之间的第四电子开关。

在各种实施例中，具有滞后的比较器被配置为响应于确定施加到具有滞后的比较器的负输入端子的电压超过施加到具有滞后的比较器的正输入端子的电压加上滞后阈值，而将具有滞后的比较器的第一输出端子设置为高并且将具有滞后的比较器的第二输出端子设置为低。而且，在各种实施例中，具有滞后的比较器包括被连接在具有滞后的比较器的负输入和具有滞后的比较器的第二输出端子之间的第五电子开关以及被连接在具有滞后的比较器的正输入和具有滞后的比较器的第一输出端子之间的第六电子开关。

在各种实施例中，第一解耦电容被连接在具有滞后的比较器的负输入和差分积分器的第一输出节点之间，并且第二解耦电容被连接在具有滞后的比较器的正输入和差分积分器的第二输出节点之间。

具体地，测量系统被配置为管理正常操作阶段和重置阶段。

具体地，在正常操作阶段期间，测量系统被配置为响应于确定第二控制信号被断言而闭合第一电子开关和第二电子开关。相反，测量系统被配置为响应于确定第二控制信号被取消断言而断开第一电子开关和第二电子开关。而且，测量系统被配置为响应于确定第一控制信号被断言来闭合第三电子开关和第四电子开关，并且响应于确定第一控制信号被取消断言而断开第三电子开关和第四电子开关。因此，当第一控制信号被取消断言并且第二控制信号被断言时，第一积分电容和第二积分电容被连接到差分运算放大器的反馈路径中，从而允许电荷从第一电容和第二电容转移到第一积分电容和第二积分电容。例如，当第一电压和第二电压对应于公共电压时，第一电容和第二电容具有不同的电荷，但是第一电容对应于感测电容并且第二电容对应于参考电容。事实上，在这种情况下，差分积分器的第一输出节点和第二输出节点之间的电压指示感测电容和参考电容的电容之间的差。相反，当第一电容和第二电容具有相同的电容值时，差分积分器的第一输出节点和第二输出节点之间的电压指示第一电压和第二电压之间的差。因此，在正常操作阶段期间，具有滞后的比较器是可操作的，即，第五电子开关和第六电子开关断开。

在各种实施例中，测量系统在正常操作阶段期间还监测重置请求信号，并且响应于确定重置请求信号指示重置请求，测量系统开始重置阶段。例如，在各种实施例中，测量系统被配置为在给定最大数目的切换周期之后，和/或响应于确定具有滞后的比较器的第一输出端子被设置为高和/或具有滞后的比较器的第二输出端子被设置为低，而断言重置请求信号。

在各种实施例中，在重置阶段期间，测量系统执行至少两个子阶段。具体地，针对第一重置间隔，处理系统闭合第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和第六电子开关。相反，针对以下第二重置间隔，测量系统断开第三电子开关和第四电子开关，并且保持第一电子开关、第二电子开关、第五电子开关和第六电子开关闭合。最后，在第二阶段结束时，测量系统再次开始正常操作阶段。具体地，如将在下文中更详细地描述的，在各种实施例中，除了重置积分电容和具有滞后的比较器之外，差分运算放大器和具有滞后的比较器的偏移和大部分闪烁噪声可以在第一重置间隔被存储到解耦电容。而且，在第二重置间隔期间，第三电子开关和第四电子开关的电荷注入和时钟馈通也可以被存储到解耦电容。

例如，为了实施所描述的重置阶段，差分积分器可以接收第一重置信号，并且第三电子开关和第四电子开关可以被配置为响应于确定第一控制信号被断言或者第一重置信号被断言而闭合。而且，具有滞后的比较器可以被配置为接收第二重置信号，其中第五电子开关和第六电子开关被配置为响应于确定第二重置信号被断言而闭合。因此，在这种情况下，测量系统可以被配置为当控制电路断言第二控制信号时，针对第一重置间隔断言第一重置信号和第二重置信号，并且针对第二重置间隔取消断言第一重置信号并且断言第二重置信号。例如，为此目的，测量系统可以包括延迟电路，被配置为通过延迟第一重置信号来生成第二重置信号。

附图说明

本公开的实施例现在将参照附图的附属板进行描述，该附图仅通过非限制性示例提供，并且其中：

图1示出了已知电容式传感器的示例；

图2示出了电容式传感器的已知测量系统的示例；

图3示出了图2的测量系统的波形；

图4和5示出了图2的测量系统的可能实施方式；

图6示出了根据本公开的测量系统的实施例；

图7示出了图6的测量系统的测量电路的实施例；

图8A、8B和8C示出了图6的测量系统的切换电路的实施例；

图9示出了图6的测量系统的波形的实施例；

图10示出了图7的测量电路的细节；以及

图11、12、13和14示出了图6的测量系统的切换电路的其他实施例。

具体实施方式

在随后的描述中，图示了旨在能够深入理解实施例的各种具体细节。可以在没有一个或多个具体细节的情况下或在具有其他方法、组件、材料等的情况下提供实施例。在其他情况下，未详细示出或描述已知的结构、材料或操作，使得实施例的各个方面不会被遮盖。

在本描述的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示关于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本描述的各个点中可能存在的诸如“在实施例中”、“在一个实施例中”等短语不一定指一个相同的实施例。而且，特定构造、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合。

本文使用的引用出于方便而提供，因此不限定保护范围或实施例的范围。

在下面描述的图6至14中，已经参照图1至5描述的部分、元件或组件由先前在这些附图中使用的相同附图标记指定。这些元件的描述已经进行，并且为了不加重本详细描述的负担，在下文中将不再重复。

如前面提及的，本公开的各种实施例涉及一种测量系统。

图6示出了根据本公开的测量系统的实施例。例如，这种测量系统可以被集成到集成电路40中。在所考虑的实施例中，测量系统包括具有三个端子的切换电路32a：第一端子，被配置为被连接至参考电压V_ref，诸如接地GND；第二端子，被配置为被连接至第一电压V₁，其中第一电压大于参考电压V_ref/接地GND；以及第三端子，被配置为被连接至第二电压V₂，其中第二电压大于参考电压V_ref/接地GND。

如将在下文中更详细地描述的，在各种实施例中，电压V₁和V₂也可以对应于相同的电压，在下文中指示为电压V_A。例如，在各种实施例中，测量系统可以包括电压发生器(VG)42，它被配置为例如经由集成电路40的焊盘/引脚接收电源电压VDD，并且基于该电源电压VDD生成电压V_A。

在所考虑的实施例中，测量系统具有两个关联的电容C₁和C₂。这些电容被集成在测量系统中以实现最佳匹配。通常，电容具有两个端子T₁和T₂，并且电容具有两个端子T₃和T₄。

具体地，在各种实施例中，切换电路32a接收第一控制信号Φ₁和第二控制信号Φ₂。例如，控制信号Φ₁和Φ₂可以由测量系统的控制电路36a生成。具体地，与先前描述类似，控制电路36a可以被配置为根据具有持续时间/周期T_S的切换周期来生成控制信号Φ₁和Φ₂，其中每个切换周期T_S包括以下四个阶段的序列：阶段Δt₁，其中信号Φ₁和Φ₂被取消断言；阶段Δt₂，其中信号Φ₁被取消断言并且信号Φ₂被断言；阶段Δt₃，其中信号Φ₁和Φ₂被取消断言；以及阶段Δt₄，其中信号Φ₁被断言并且信号Φ₂被取消断言。

例如，在各种实施例中，切换电路32a被配置为：

响应于确定信号Φ₁被断言并且信号Φ₂被取消断言，而将端子T₁连接至电压V₁并且将端子T₃连接至电压V₂；

响应于确定信号Φ₁被取消断言并且信号Φ₂被断言，而将端子T₁和T₃连接至参考电压V_ref/接地GND；以及

响应于确定信号Φ₁和Φ₂被取消断言，而将端子T₁和T₃置于高阻抗状态，例如通过断开端子T₁和T₃。

因此，在各种实施例中，切换电路32a被配置为将参考电压V_ref或电压V₁和V₂分别施加到电容C₁和C₂的端子T₁和T₃。

因此，在各种实施例中，测量电路34a被配置为监测流过电容C₁的电流i₁和流过电容C₂的电流i₂。

图7示出了根据本公开的测量电路34a的实施例。

具体地，在所考虑的实施例中，测量电路34a用切换电容器(SC)差分积分器来实施。具体地，在所考虑的实施例中，差分积分器包括差分运算放大器3440，其中运算放大器3440的反相/负输入端子被(例如直接地)连接至电容C₁的端子T₂，并且运算放大器3440的非反相/正输入端子被(例如直接地)连接至电容C₂的端子T₄。具体地，为了实施差分积分器，该差分积分器被配置为在放电阶段期间(即，当信号Φ₂被断言时)对电流i₁和i₂之间的差Δi进行积分，差分积分器包括：

第一积分电容C_I1，其中积分电容C_I1的第一端子被(例如直接地)连接至运算放大器3440的反相/负输入端子，并且第一积分电容C_I1的第二端子经由电子开关3448的电流路径被(例如直接地)连接至运算放大器3440的正输出端子；

第二积分电容C_I2，其中积分电容C_I2的第一端子被(例如直接地)连接至运算放大器3440的非反相/正输入端子，并且第二积分电容C_I2的第二端子经由电子开关3450的电流路径被(例如直接地)连接至运算放大器3440的负输出端子。

具体地，电子开关3448和3450由信号Φ₂驱动，并且当信号Φ₂被断言时闭合。因此，在所考虑的实施例中，当信号Φ₂被断言时，即，在放电阶段期间，电子开关3448和3450闭合，从而将积分电容C_I1和C_I2连接至运算放大器3440的反馈路径中。在各种实施例中，第一积分电容C_I1和第二积分电容C_I2具有相同的电容C_I。例如，电容C_I1和C_I2可以用内部电容器实施，以与电容C₁和C₂最佳匹配。

而且，在所考虑的实施例中，电子开关3452的电流路径被(例如直接地)连接在运算放大器3440的反相/负输入端子和运算放大器3440的正输出端子之间，并且电子开关3454的电流路径被(例如直接地)连接在运算放大器3440的非反相/正输入端子和运算放大器3440的负输出端子之间。具体地，电子开关3452和3454由信号Φ₁驱动，并且当信号Φ₁被断言时闭合。因此，当信号Φ₁被断言时，即，在充电阶段期间，电子开关3452和3454闭合，从而使运算放大器3440的反馈路径短路。

如图7示意性所示，差分运算放大器3440还关联了相应的共模电压V_CM，它可以是固定的或可设置的。

因此，当信号Φ₁被断言时，运算放大器3440的输入端子被设置为共模电压V_CM，这允许经由电压V₁和V₂对电容C₁和C₂充电。相反，当信号Φ₂被断言时，积分电容C_I1和C_I2被连接至运算放大器3440，并且先前充电的电容C₁和C₂被放电至参考电压V_ref/接地GND。具体地，施加到电容C₁和C₂的电荷是不同的，例如当电压V₁和V₂具有相同的值，例如V_A，但是电容C₁和C₂不同时，从而允许监测电容C₁和C₂之间的差，或者电容C₁和C₂具有相同值，但是电压V₁和V₂不同时，从而允许监测电压V₁和V₂之间的差。

例如，图8A、8B和8C示出了切换电路32a以及电容C₁和C₂的可能实施例。

具体地，在图8A和8B中，电容C₁对应于感测电容C_S，并且电容C₂对应于参考电容C_R，即，电容C_S具有可变电容值。而且，在这种情况下，电压V₁和V₂被连接至公共电压V_A，该公共电压V_A可以经由测量系统的端子/焊盘/引脚或者经由电压发生器42提供。

例如，图8A的切换电路32a基本上对应于图2所示的切换电路32。具体地，在所考虑的实施例中，第一电子开关M₄(诸如晶体管，诸如n沟道FET，诸如n沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₁和参考电压V_ref/接地GND之间。而且，第二电子开关M₂(诸如晶体管，诸如p沟道场效应晶体管(FET)，诸如p沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₁和电压V_A之间。类似地，第三电子开关M₃(诸如晶体管，诸如n沟道FET，诸如n沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₃和参考电压V_ref/接地GND之间。而且，第四电子开关M₁(诸如晶体管，诸如p沟道场效应晶体管(FET)，诸如p沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₃和电压V_A之间。

例如，当电子开关M₁和M₂用p沟道FET实施时，当信号Φ₁被设置为低时，开关M₁和M₂确实闭合。因此，当控制电路36a被配置为通过将信号Φ₁设置为高来断言信号Φ₁时，反相信号Φ₁可以被用于驱动p沟道FET M₁和M₂的栅极端子(也参见图8A)。

因此，在图8A所示的实施例中，由开关M₁/M₃和M₂/M₄形成的两个半桥确实基于相同的控制信号并行操作。因此，如图8B所示，在各种实施例中，可以省略电子开关M₁和M₃，并且参考电容C_R的端子T₃可以被(例如直接地)连接至感测电容C_S的端子T₁。

相反，在图8C中，电容C₁和C₂具有相同的值C_S。而且，电压V₁被连接至电压V_in+，并且电压V₂被连接至电压V_in-。

因此，在这种情况下，也可以使用两个半桥。例如，在所考虑的实施例中，第一电子开关M₄(诸如晶体管，诸如n沟道FET，诸如n沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T1和参考电压V_ref/接地GND之间。而且，第二电子开关M₂(诸如晶体管，诸如p沟道场效应晶体管(FET)，诸如p沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₁和电压V_in+之间。类似地，第三电子开关M₃(诸如晶体管，诸如n沟道FET，诸如n沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₃和参考电压V_ref/接地GND之间。而且，第四电子开关M₁(诸如晶体管，诸如p沟道场效应晶体管(FET)，诸如p沟道MOSFET)的电流路径被(例如直接地)连接在端子T₃和电压V_in+之间。

因此，图8A和8B所示的实施例可以被用于监测电容C_S和C_R之间的差ΔC，而图8C所示的实施例可以被用于监测与电压V_in+和V_in-之间的差相对应的差分电压ΔV_in的幅度。

例如，当将图7的测量电路34a与图8A和8B所示的切换电路32a一起使用时，在每个切换周期T_S，以下净电荷将被注入到积分电容C_n和C₁₂中：

ΔQ＝(C_s-C_R)V_A＝ΔC V_A (3)

因此，假设电容C_I1和C_I2具有相同的值C_I，并且当重复给定数量N个切换周期T_S时，运算放大器3440在信号Φ₂被断言的间隔期间的差分输出电压V_O，AMP由以下给出：

相反，当使用图7的测量电路34a和图8C所示的切换电路32a时，当信号Φ₁被断言时，电容C_S被重置为共模电压V_CM。相反，当信号Φ₂被断言时，差分电压ΔV_in(在V_in+和V_in-之间)被施加到电容器C_S，从而在每个切换周期T_S注入以下净电荷：

ΔQ＝(V_in+-V_in-)C_s＝ΔV_in C_S (5)

因此，假设电容C_I1和C_I2具有相同的值C_I，并且当重复给定数量N个切换周期T_S时，运算放大器3440在信号Φ₂被断言的间隔期间的差分输出电压V_O，AMP由以下给出：

具体地，当一旦信号Φ₂被取消断言就断开电子开关3448和3450时，差分电压V_O,AMP被维持并且存储在积分电容(C_I1或C_I2)和电子开关(3448或3450)之间的中间节点处。因此，在所考虑的实施例中，积分电容C_I1的第二端子(即，电容C_I1和电子开关3448之间的中间节点)表示积分电路的第一输出端子OUT+，并且积分电容C_I2的第二端子(即，电容C_I2和电子开关3450之间的中间节点)表示积分器电路的第二输出端子OUT-，其中输出端子OUT+和OUT-提供差分电压V_O，例如对应于先前指示的电压V_O,AMP。

在各种实施例中，测量电路34a可以被配置为当电压V_O在给定监测间隔内超过参考阈值时断言信号S，该给定监测间隔包括给定数量N个切换/积分周期T_S，从而指示电流差Δi＝i₁-i₂超过给定阈值，这又可以指示电容差ΔC(例如图8A或8B)或差分电压ΔV_in(例如图8C)超过相应阈值。例如，信号S可以被提供给测量系统的端子/焊盘/引脚，或者，如图6所示，被提供给测量系统的数字和/或模拟处理电路44。例如，处理电路44可以是经由软件指令编程的微处理器。

具体地，在各种实施例中，信号S经由具有滞后的差分比较器3446生成，该差分比较器被配置为当电压V_O超过比较器3446的滞后阈值时断言信号S。

通常，这种具有滞后的比较器3446包括用于接收差分电压ΔV_CMP的两个输入端子和用于提供信号OUT和OUTN的两个输出端子，其中比较器3446被配置为响应于确定负输入端子处的电压超过正输入端子处的电压加上比较器的第一滞后电压V_H1而将信号OUT设置为高并且将信号OUTN设置为低。类似地，比较器3446被配置为响应于确定负输入端子处的电压下降到正输入端子处的电压减去第二滞后电压V_H2以下而将信号OUT设置为低并且将信号OUTN设置为高。在各种实施例中，第一滞后电压V_H1和第二滞后电压V_H2具有相同的绝对值V_H。

因此，在所考虑的实施例中，信号S可以对应于例如信号OUT。相反，在所考虑的实施例中，测量电路34a包括第一反相器3460，它被配置为通过反转信号OUTN来生成信号S。在这种情况下，测量电路34a还包括第二反相器3462，它被配置为通过反转信号OUT来生成信号SN。具体地，这些反相器3460和3462在信号S和/或SN被用于驱动其他电路的情况下是有用的，并且还可以用于平衡具有滞后的比较器3446的输出端子。通常，反相器3460和3462也可以用更复杂的驱动器级代替，例如包括反相器和/或其他逻辑门的级联。

在所考虑的实施例中，比较器3446的输入端子未被直接连接至节点OUT+和OUT-，而是比较器3446的输入端子中的一个输入端子(例如负输入端子)经由第一电容/电容器C_DEC1被(例如直接地)连接至节点OUT+，并且比较器3446的另一输入端子(例如正输入端子)经由第二电容/电容器C_DEC2被(例如直接地)连接至节点OUT-。这些电容C_DEC1和C_DEC2具有相同的电容值C_DEC。

一方面，这些电容C_DEC1和C_DEC2表示积分器和比较器之间的解耦电容，从而将节点OUT+和OUT-处的电压的变化转移到比较器的输入端子。然而，在各种实施例中，运算放大器3440和具有滞后的比较器3446的偏移和大部分闪烁噪声也可以在重置阶段期间被存储到电容C_DEC1和C_DEC2，由此然后在后续感测操作期间消除这些电压。

具体地，在各种实施例中，为了开始新的测量周期，一旦信号S被断言，即，信号S对应于重置信号Reset1，就执行异步重置。

通常，积分器3440可以通过使积分电容C_I1和C_I2短路来重置。例如，在图7中，当电子开关3448、3450、3452和3454同时闭合时，积分电容C_I1和C_I2被重置。例如，在所考虑的实施例中，当信号Φ₁被断言或重置信号Reset1/S被断言时，电子开关3452和3454闭合。例如，在所考虑的实施例中，电子开关3452和3454经由被配置为组合信号Φ₁和Reset1的逻辑或门3442和3444来驱动。

因此，如图9所示，一旦信号S在给定放电阶段Δt₄期间被断言(当信号Φ₁被断言时)，重置信号Reset1也被断言。因此，在下一充电阶段Δt₂(当信号Φ₂被断言时)，积分电容C_I1和C_I2短路，由此积分器被重置。

在各种实施例中，具有滞后的比较器3446在重置阶段期间也被重置。例如，在各种实施例中，比较器3446通过闭合被配置为使比较器3446的输出端子OUTN和负输入端子短路的电子开关3464以及被配置为将比较器3446的输出端子OUT和正输入端子短路的电子开关3466来重置。

在各种实施例中，当信号Reset1被断言时，电子开关3464和3466闭合。相反，在图7所示的实施例中，当重置信号Reset2被断言时，电子开关3464和3466闭合，其中重置信号Reset2对应于具有给定延迟t_D的重置信号Reset1。例如，重置信号Reset2可以经由接收重置信号Reset1作为输入的延迟电路3456生成，诸如延迟线。例如，在图7中，示出了被配置为通过延迟信号Reset1来生成电子开关3464的驱动信号的第一延迟电路3456以及被配置为通过延迟信号Reset1来生成电子开关3466的驱动信号的第二延迟电路3458。

因此，如图9所示，当信号S/Reset1被断言并且控制电路32a在时刻t₁断言信号Φ₂时，电容C_I1和C_I2被放电并且比较器3446被重置。因此，在以下时刻t₂，信号S变为低电平。然而，该下降沿在延迟t_D之后正好传播到重置信号Reset2。因此，针对时间t_D，重置信号Reset1被取消断言(类似地，信号Φ₁)，而信号Φ₂和重置信号Reset2仍然被断言。因此，在该条件下，电子开关3452和3454断开，并且：

电子开关3448将电容C_I1连接在运算放大器3440的反相/负输入端子和运算放大器3440的正输出端子之间；

电子开关3450将电容C_I2连接在运算放大器3440的非反相/正输入端子和运算放大器3440的负输出端子之间；

电子开关3464将比较器3446的负输入端子连接至端子OUTN；以及

电子开关3466将比较器3446的正输入端子连接至端子OUT。

因此，在所考虑的实施例中，在时刻t₁和t₂之间的间隔期间，运算放大器3440和具有滞后的比较器3446的偏移和大部分闪烁噪声被存储到电容C_DEC1和C_DEC2。相反，当使用可选延迟t_D时，开关3452和3454的电荷注入和时钟馈通也可以被存储到电容C_DEC1和C_DEC2。

在这方面，已经观察到，通过这种方式，剩余误差可以被减少到由重置信号Reset2驱动的开关3464和3466的电荷注入和时钟馈通的失配，即，V_error＝ΔQ_SW/C_DEC，其中电压V_error通常在微伏范围内，并且通常可以被忽略或无论如何被比较器滞后吸收。

在这方面，已经观察到，较小的阈值电压V_H1允许更快地检测例如通过形成电容C_S的电极100和102的样本。然而，这种较小的阈值电压V_H1可能意味着热噪声以及在测量时由信号Reset2驱动的开关3464和3466的电荷注入/时钟馈通失配。

附加地或者备选地，针对由信号S触发的异步重置，测量电路34a的重置也可以基于超时来管理，超时被用于触发积分器和比较器的类似重置阶段。事实上，根据先前描述，在各种实施例中，测量系统包括重置电路，该重置电路被配置为响应于指示重置请求的重置请求信号，诸如信号S的上升沿、指示已经执行了给定最大数目的N个切换周期的信号等，而依次执行以下步骤：

在可选的第一阶段中，例如在Reset1信号的上升沿和时刻t₁之间，闭合电子开关3452、3454、3464和3466；

在(紧接着的)第二阶段中，例如在时刻t₁和t₂之间，闭合电子开关3448、3450，并且保持电子开关3452、3454、3464和3466闭合；

在可选的(紧接着的)第三阶段中，例如在时刻t₂和t₃之间，断开电子开关3452和3454，并且保持电子开关3448、3450、3464和3466闭合。

在各种实施例中，为了在运算放大器3440的输出端子处存在差分信号的情况下吸收由Φ₂驱动的反馈开关3448和3450的差分电荷注入，这些开关可以被配备有伪开关和/或添加电容器C_X。

例如，在图7所示的实施例中，第一电容器C_X1被(例如直接地)连接在端子OUT+和参考电压(诸如接地GND)之间，并且第二电容器C_X2被(例如直接地)连接在端子OUT-和参考电压(诸如接地GND)之间。电容器C_X1和C_X2具有相同的电容值。

相反，图10示出了开关3448和3450中的每个开关的可能实施方式。

具体地，在所考虑的实施例中，相应积分电容C_I1或C_I2的第一端子(在图10中通常指示为C_I)被连接至运算放大器3440的相应输入端子，并且电子开关3448/3450被连接在相应积分电容C_I的第二端子和运算放大器3440的相应输出节点之间，其中积分电容C_I和电子开关3448/3450之间的中间节点对应于积分器的输出节点OUT+或OUT-(通常指示为节点OUT)。如前面提及的，可选地，电容器C_X1或C_X2(在图10中通常指示为电容器C_X)可以被连接在输出节点OUT和参考电压(例如接地GND)之间。

具体地，在所考虑的实施例中，每个电子开关3448/3450用两个FET Q1和Q2的串联连接来实施，诸如n沟道FET。具体地，第一FET Q1经由信号Φ₂来驱动。相反，第二FET Q2是伪开关，其中FET Q2的源极和漏极端子短路。而且，FET Q2的栅极端子经由在信号Φ₂被取消断言时被断言的信号来驱动，诸如信号Φ₂的反相版本或者优选地信号Φ₁。优选地，FETQ1具有给定的尺寸比W₁/L₁(沟道宽度/长度)，并且FET具有对应于0.5W₁/L₁的比率W₂/L₂。通常，用于减少电荷注入的这种伪开关Q2是众所周知的。

因此，前述内容中描述的解决方案具有电压V_O,AMP和类似地V_O对过程参数不灵敏的优点，诸如现有技术解决方案的电流镜的MOS电压阈值。而且，电压V₁和V₂可以是外部电压或内部电压。例如，电压V_A可以对应于集成电路40的电源电压VDD或由电压参考42提供的参考电压。具体地，当使用被配置为生成电压V_A的内部电压参考42时，阈值V_H1(以及可选地V_H2)也可以与电压V_A成比例，从而允许追踪电压V_A变化的变化。相反，当使用(更大的)电源电压VDD时，可以实现更高的灵敏度。

例如，在各种实施例中，积分电容C_I1和C_I2的电容值为0.1pF，切换周期T_S的周期为1μs，电压V_A的值为2.5V，并且比较阈值V_H1(以及可选地V_H2)为5mV。例如，假设电容差ΔC为10aF，在N＝20个切换周期T_S之后，电压V_O达到比较阈值V_H1。因此，在该示例中，测量系统能够检测样本的存在或不存在，诸如具有穿过电容器CS的板的小半径的样本，在大约20μs内产生10aF的变化ΔC。相反，假设电容差ΔC为40aF，则电压V_O在N＝5个切换周期T_S后达到比较阈值V_H1，即，测量系统能够检测是否存在在大约5μs内产生40aF的变化ΔC的样本。

通常，前述内容中公开的测量电路34a也可以与多个电容式传感器一起使用。例如，这种电容式传感器可以形成电容式触摸传感器的一部分，诸如触摸屏。

例如，图11示出了一个实施例，其中使用了单个参考电容C_R和给定数量M个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM。

具体地，与图8A类似，参考电容C_R的第一端子被再次(例如直接地)连接至节点T₄，该节点T₄被连接至测量电路34a，并且参考电容C_R的第二端子被再次(例如直接地)连接至由电子开关M₁和M₃形成的半桥的中间节点。相反地，每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第一端子被(例如直接地)连接至节点T₂，该节点T₂被连接至测量电路34a，并且每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第二端子被(例如直接地)连接至由高侧开关和低侧开关电子开关形成的相应半桥的中间节点，即，由两个电子开关M₂₁和M₄₁、两个电子开关M₂₂和M₄₂等形成的半桥。具体地，在所考虑的实施例中，各种半桥被配置为经由相应的高侧开关将相应的中间节点连接至电压V_A，并且经由相应的低侧开关连接至参考电压V_ref/接地GND。因此，在所考虑的实施例中，测量系统包括用于参考电容C_R的单个半桥和用于M个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM中的每个感测电容的相应半桥。

具体地，为了选择给定的沟道CH，电子开关M₂₁、M₄₁、…、M_2M、M_4M的控制端子被选择性地连接至控制信号Φ₁和Φ₂。例如，假设高侧电子开关M₂₁、…、M_2M是p沟道FET，而低侧电子开关M₄₁、…、M_4M是n沟道FET，则给定的沟道CH可以是：

通过将相应的高侧电子开关M₂₁、…、M_2M的栅极端子连接至信号并且将相应的低侧电子开关M₄₁、…、M_4M的栅极端子连接至信号Φ₂而启用；以及

通过将相应高侧电子开关M₂₁、…、M_2M的栅极端子连接至高逻辑电平(诸如电源电压VDD)并且将相应低侧电子开关M₄₁、…、M_4M的栅极端子连接至低逻辑电平(诸如接地GND)而禁用。

例如，为此目的，每个高侧电子开关M₂₁、…、M_2M具有关联的相应电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M，它被配置为将相应的栅极端子连接至高逻辑电平或信号并且每个低侧电子开关M₄₁、…、M_4M具有关联的相应电子开关SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M，它被配置为将相应栅极端子连接至低逻辑电平或信号Φ₂。例如，电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M和SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M的控制信号可以由控制电路36a或处理电路44(图11中未示出)生成。因此，在所考虑的实施例中，感测电容中的一个感测电容通常被连接至端子T₂。

虽然该实施例允许使用单个参考电容C_R，但是大负载被施加到节点T₂(例如运算放大器3440的负输入端子)，并且在节点T₂和T₄(放大器3440的输入端子)之间生成强的电容不对称性。

因此，图12示出了略有不同的实施例。

在所考虑的实施例中，与图11类似，参考电容C_R的第一端子被再次(例如直接地)连接至节点T₄，并且参考电容C_R的第二端子被再次(例如直接地)连接至由电子开关M₁和M₃形成的半桥的中间节点。然而，这次，每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第一端子被(例如直接地)连接至由两个电子开关形成的相应半桥的中间节点，即，由两个电子开关M₂₁和M₄₁、两个电子开关M₂₂和M₄₂等形成的半桥，并且每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第二端子经由相应的电子开关SW₁、SW₂、…、SW_M被(例如直接地)连接至节点T₂。

具体地，在所考虑的实施例中，各种半桥被配置为当信号被断言时将相应中间节点连接至电压V_A，并且当信号Φ₂被断言时连接至参考电压V_ref/接地GND，即，省略了电子开关SW₁₁、SW₂₁、…、SW_1M、SW_2M。相反，电子开关SW₁、SW₂、…、SW_M中的每个电子开关可以经由相应的控制信号来驱动，以便将相应的感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM连接至相应的半桥。因此，通过闭合电子开关SW₁、SW₂、…、SW_M中的一个电子开关，可以启用相应的沟道CH。例如，电子开关SW₁、SW₂、…、SW_M的控制信号可以由控制电路36a或处理电路44(图12中未示出)生成。因此，在所考虑的实施例中，感测电容中的一个感测电容通常被连接至端子T₂。

图13示出了基于图8B和图11的实施例的组合的实施例。具体地，在该实施例中，使用M个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM和M个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM。

具体地，类似于图8B，在这种情况下，参考电容C_R和感测电容C_S被连接至相应半桥。具体地，每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第一端子被(例如直接地)连接至节点T₂，并且每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第二端子被(例如直接地)连接至由两个电子开关形成的相应半桥的中间节点，即，由两个电子开关M₂₁和M₄₁、两个电子开关M₂₂和M₄₂等形成的半桥。而且，每个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM的第一端子被(例如直接地)连接至节点T₄，并且每个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM的第二端子被(例如直接地)连接至相应半桥的中间节点。因此，在所考虑的实施例中，测量系统包括M个半桥，针对每个沟道CH一个半桥，包括相应的参考电容C_R和相应的感测电容C_S。

在所考虑的实施例中，类似于图11，每个高侧电子开关M₂₁、…、M_2M具有关联的相应电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M，它被配置为将相应的栅极端子连接至高逻辑电平或信号并且每个低侧电子开关M₄₁、…、M_4M具有关联的相应电子开关SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M，它被配置为将相应栅极端子连接至低逻辑电平或信号Φ₂。例如，电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M和SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M的控制信号可以由控制电路36a或处理电路44(图13中未示出)生成。

因此，与图11相比，此处的测量系统具有相当对称的电容负载。然而，同样在这种情况下，测量系统在运算放大器3440的输入端子上具有大的负载。

因此，图14示出了略有不同的实施例。

具体地，参考电容C_R和感测电容C_S被再次连接至相应半桥。具体地，每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第一端子被(例如直接地)连接至由两个电子开关形成的相应半桥的中间节点，即，由两个电子开关M₂₁和M₄₁、两个电子开关M₂₂和M₄₂等形成的半桥，并且每个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM的第二端子经由相应的电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M被(例如直接地)连接至节点T₂。而且，每个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM的第一端子被(例如直接地)连接至相应半桥的中间节点，并且每个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM的第二端子经由相应的电子开关SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M被连接至节点T₂。

因此，电子开关SW₁₁、SW₁₂、…、SW_1M和SW₂₁、SW₂₂、…、SW_2M可以经由相应控制信号来驱动，以便将单个感测电容C_S1、C_S2、…、C_SM和单个参考电容C_R1、C_R2、…、C_RM连接至相应半桥。例如，控制信号可以由控制电路36a或处理电路44(图14中未示出)生成。

通常，图11和12以及类似地图13和14所示的实施例也可以被组合，即，测量系统可以包括用于选择性地将电子开关M₂₁、M₄₁、…、M_2M、M_4M的控制端子连接至信号和Φ₂的电子开关(如图11和13所示)以及用于选择性地将感测电容连接至节点T₂的电子开关(如图12和14所示)。类似地，在多个参考电容的情况下，测量系统还可以包括用于选择性地将参考电容连接至节点T₄的电子开关(如图14所示)。

因此，本文公开的测量系统34a可以被用于监测注入到两个电容C₁和C₂中的不同电荷，这又可以指示两个电容C₁和C₂的不同电容值或者用于对电容C₁和C₂充电的不同电压V₁和V₂。

例如，在电容式传感器的上下文中，测量系统可以被用于以非常准确的方式检测集成电容器两端的样本材料的存在。在这种情况下，测量系统的灵敏度主要由参考电容器和感测电容器之间的失配确定。

与现有技术解决方案相比，检测是非常快速的。在这方面，基于经由信号S的异步重置的异步检测允许进一步提高系统的速度。

最后，几种简单且低成本的复用解决方案可用。

当然，在不损害本公开的原理的情况下，构造和实施例的细节可以相对于本文仅通过示例描述和图示的内容广泛地变化，而不因此脱离由随后的权利要求限定的本发明的范围。

Claims (29)

1.一种测量系统，包括：

第一电容和第二电容；

切换电路，被配置为接收第一控制信号和第二控制信号，并且：

响应于所述第一控制信号被断言，而将所述第一电容的第一端子连接至第一电压，并且将所述第二电容的第一端子连接至第二电压；并且

响应于所述第二控制信号被断言，而将所述第一电容的所述第一端子和所述第二电容的所述第一端子连接至参考电压；

控制电路，被配置为根据切换周期来生成所述第一控制信号和所述第二控制信号，其中所述控制电路被配置为在每个切换周期期间重复：

针对第一间隔，取消断言所述第一控制信号和所述第二控制信号，

针对第二间隔，取消断言所述第一控制信号并且断言所述第二控制信号，

针对第三间隔，取消断言所述第一控制信号和所述第二控制信号，并且

针对第四间隔，断言所述第一控制信号并且取消断言所述第二控制信号；

测量电路，包括：

差分积分器，包括：

差分运算放大器，具有反相输入和非反相输入，所述差分运算放大器的所述反相输入被连接至所述第一电容的第二端子，所述差分运算放大器的所述非反相输入被连接至所述第二电容的第二端子；

第一积分电容，具有第一端子和第二端子，所述第一积分电容的所述第一端子被连接至所述差分运算放大器的所述反相输入，所述第一积分电容的所述第二端子经由第一电子开关连接至所述差分运算放大器的正输出端子；

所述差分积分器的第一输出节点，被连接至所述第一积分电容的所述第二端子；

第二积分电容，具有第一端子和第二端子，所述第二积分电容的所述第一端子被连接至所述差分运算放大器的所述非反相输入，所述第二积分电容的所述第二端子经由第二电子开关连接至所述差分运算放大器的负输出端子；

所述差分积分器的第二输出节点，被连接至所述第二积分电容的所述第二端子；

第三电子开关，被连接在所述差分运算放大器的所述反相输入与所述差分运算放大器的所述正输出端子之间；以及

第四电子开关，被连接在所述差分运算放大器的所述非反相输入与所述差分运算放大器的所述负输出端子之间；以及

具有滞后的比较器，被配置为响应于被施加到所述比较器的负输入端子的电压超过被施加到所述比较器的正输入端子的电压加上滞后阈值，而将所述比较器的第一输出端子设置为高，并且将所述比较器的第二输出端子设置为低，其中所述比较器包括：

第五电子开关，被连接在所述比较器的所述负输入端子与所述比较器的所述第二输出端子之间；

第六电子开关，被连接在所述比较器的所述正输入端子与所述比较器的所述第一输出端子之间；

第一解耦电容，被连接在所述比较器的所述负输入端子与所述差分积分器的所述第一输出节点之间；以及

第二解耦电容，被连接在所述比较器的所述正输入端子与所述差分积分器的所述第二输出节点之间；

所述控制电路还被配置为：

在正常操作阶段期间：

通过断言所述第二控制信号来闭合所述第一电子开关和所述第二电子开关，并且通过取消断言所述第二控制信号来断开所述第一电子开关和所述第二电子开关；

通过断言所述第一控制信号来闭合所述第三电子开关和所述第四电子开关，并且通过取消断言所述第一控制信号来断开所述第三电子开关和所述第四电子开关；

断开所述第五电子开关和所述第六电子开关；并且

监测指示重置请求的重置请求信号，并且响应于确定所述重置请求信号指示重置请求而开始重置阶段；并且

在所述重置阶段期间：

针对第一重置间隔，闭合所述第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和第六电子开关；并且

针对第二重置间隔，断开所述第三电子开关和所述第四电子开关，并且维持所述第一电子开关、第二电子开关、第五电子开关和第六电子开关闭合，然后再次开始所述正常操作阶段。

2.根据权利要求1所述的测量系统，

其中所述差分积分器被配置为接收第一重置信号，其中所述第三电子开关和所述第四电子开关被配置为响应于所述第一控制信号被断言或者所述第一重置信号被断言而闭合；

其中所述比较器被配置为接收第二重置信号，其中所述第五电子开关和所述第六电子开关被配置为响应于所述第二重置信号被断言而闭合；并且

其中当所述第二控制信号被断言时，控制电路系统被配置为：

针对所述第一重置间隔，断言所述第一重置信号和所述第二重置信号，并且

针对所述第二重置间隔，取消断言所述第一重置信号并且断言所述第二重置信号。

3.根据权利要求2所述的测量系统，还包括延迟电路，所述延迟电路被配置为通过延迟所述第一重置信号来生成所述第二重置信号。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述测量电路被配置为在给定最大数目的所述切换周期之后断言所述重置请求信号。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述测量电路被配置为响应于确定所述比较器的所述第一输出端子被设置为高而断言所述重置请求信号；或者其中所述测量电路被配置为响应于确定所述比较器的所述第二输出端子被设置为低而断言所述重置请求信号。

6.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：被配置为监测所述比较器的所述第一输出端子处的信号的处理电路；或者被配置为监测所述比较器的所述第二输出端子处的信号的处理电路。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述第一电容对应于感测电容，并且所述第二电容对应于参考电容，其中所述第一电压和所述第二电压具有公共电压，并且其中所述差分积分器的所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的电压指示所述感测电容与所述参考电容的电容值之间的差。

8.根据权利要求7所述的测量系统，还包括电压发生器，所述电压发生器被配置为生成所述公共电压。

9.根据权利要求8所述的测量系统，

还包括多个感测电容，其中所述切换电路针对每个感测电容包括相应的半桥，其中每个半桥包括高侧电子开关和低侧电子开关，所述高侧电子开关被连接在所述公共电压与相应感测电容的第一端子之间，所述低侧电子开关被连接在所述参考电压与所述相应感测电容的所述第一端子之间；并且

其中所述切换电路包括：

针对每个感测电容，相应电子开关被配置为选择性地将所述相应感测电容的第二端子连接至所述差分运算放大器的所述反相输入；或者

针对每个感测电容，相应电子开关被配置为选择性地将相应高侧电子开关的控制端子连接至所述第一控制信号或者连接至被布置为维持所述相应高侧电子开关断开的电压，并且相应电子开关被配置为选择性地将相应低侧电子开关的控制端子连接至所述第二控制信号或者连接至被布置为维持所述相应低侧电子开关断开的电压。

10.根据权利要求9所述的测量系统，还包括单个参考电容，其中所述切换电路包括另一半桥，所述另一半桥包括另一高侧电子开关和另一低侧电子开关，所述另一高侧电子开关被连接在所述公共电压与所述参考电容的第一端子之间，所述另一低侧电子开关被连接在所述参考电压与所述参考电容的所述第一端子之间。

11.根据权利要求9所述的测量系统，针对每个感测电容还包括相应参考电容，其中每个参考电容的第一端子被连接至所述相应感测电容的所述第一端子。

12.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述第一电容和所述第二电容具有相同的电容值，其中所述差分积分器的所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的电压指示所述第一电压与所述第二电压之间的差。

13.一种集成电路，包括根据权利要求1所述的测量系统。

14.一种测量系统，包括：

第一电容和第二电容；

切换电路，具有第一端子、第二端子和第三端子，所述切换电路的所述第一端子被耦合至参考电压，所述切换电路的所述第二端子被耦合至大于所述参考电压的第一电压，所述切换电路的所述第三端子被耦合至大于所述参考电压的第二电压；

所述切换电路接收第一控制信号和第二控制信号，并且被配置为根据所述第一控制信号和所述第二控制信号，将所述第一电容和所述第二电容的第一端子耦合至所述参考电压、所述第一电压和所述第二电压中的不同电压，使得：

响应于所述第一控制信号被断言而所述第二控制信号被取消断言，而将所述第一电容的所述第一端子耦合至所述第一电压并且将所述第二电容的所述第一端子耦合至所述第二电压；

响应于所述第一控制信号被取消断言而所述第二控制信号被断言，而将所述第一电容和所述第二电容的所述第一端子耦合至所述参考电压；以及

响应于所述第一控制信号和第二控制信号被取消断言，而将所述第一电容和所述第二电容的所述第一端子与所述第一电压、所述第二电压和所述参考电压解耦；以及

测量电路，被配置为监测流过所述第一电容和所述第二电容的所得电流，其中这些电流指示所述第一电容和所述第二电容的电容值。

15.根据权利要求14所述的测量系统，其中所述参考电压是接地。

16.根据权利要求14所述的测量系统，其中所述第一电压和所述第二电压等于由电压发生器生成的电压。

17.根据权利要求14所述的测量系统，其中所述测量电路包括：

差分运算放大器，具有反相输入和非反相输入，所述差分运算放大器的所述反相输入被连接至所述第一电容的第二端子所述差分运算放大器的所述非反相输入被连接至所述第二电容的第二端子；

差分比较器，具有反相输入和非反相输入，所述差分比较器的所述反相输入通过与第一积分电容器串联连接的第一解耦电容器被耦合至所述差分运算放大器的所述反相输入，所述差分比较器的所述非反相输入通过与第二积分电容器串联连接的第二解耦电容器被耦合至所述差分运算放大器的所述非反相输入；

第一开关，被连接在第一抽头与所述差分运算放大器的非反相输出之间，所述第一抽头在所述第一解耦电容器与第一积分电容器之间，所述第一开关基于所述第二控制信号来控制；

第二开关，被连接在第二抽头与所述差分运算放大器的反相输出之间，所述第二抽头在所述第二解耦电容器与第二积分电容器之间，所述第二开关基于所述第二控制信号来控制；以及

处理电路，具有第一输入、第二输入和输出，所述处理电路的所述第一输入被耦合至所述差分比较器的所述第一输出，所述处理电路的第二输入被耦合至所述差分比较器的所述第二输出，所述处理电路被配置为确定所述第一电容和所述第二电容的电容值。

18.根据权利要求17所述的测量系统，还包括：

第一重置开关，被连接在所述比较器的所述反相输入与所述比较器的所述第一输出之间，所述第一重置开关通过第一延迟电路基于所述差分比较器的所述第一输出来控制；以及

第二重置开关，被连接在所述比较器的所述非反相输入与所述比较器的所述第二输出之间，所述第二重置开关通过第二延迟电路基于所述差分比较器的所述第二输出来控制。

19.根据权利要求18所述的测量系统，还包括：

第三开关，被连接在所述差分运算放大器的所述反相输入与所述非反相输出之间，所述第三开关根据在所述第一控制信号与所述差分比较器的所述第一输出之间执行的逻辑或运算来控制；以及

第四开关，被连接在所述差分运算放大器的所述非反相输入所述反相输出之间，所述第四开关根据在所述第一控制信号与所述差分比较器的所述第一输出之间执行的逻辑或运算来控制。

20.一种测量系统，包括：

第一电容和第二电容；

切换电路，被配置为接收第一控制信号和第二控制信号，并且：

响应于所述第一控制信号的断言：将所述第一电容的第一端子连接至第一电压，并且将所述第二电容的第一端子连接至第二电压；以及

响应于所述第二控制信号的断言：将所述第一电容的所述第一端子和所述第二电容的所述第一端子连接至参考电压；以及

测量电路，包括差分积分器，所述差分积分器包括：

差分运算放大器，具有反相输入和非反相输入，所述差分运算放大器的所述反相输入被连接至所述第一电容的第二端子，所述差分运算放大器的所述非反相输入被连接至所述第二电容的第二端子；

第一积分电容，具有第一端子和第二端子，所述第一积分电容的所述第一端子被连接至所述差分运算放大器的所述反相输入，所述第一积分电容的所述第二端子经由第一电子开关连接至所述差分运算放大器的正输出端子，其中所述第一积分电容的所述第二端子表示所述差分积分器的第一输出节点；

第二积分电容，具有第一端子和第二端子，所述第二积分电容的所述第一端子被连接至所述差分运算放大器的所述非反相输入，所述第二积分电容的所述第二端子经由第二电子开关连接至所述差分运算放大器的负输出端子，其中所述第二积分电容的所述第二端子表示所述差分积分器的第二输出节点；

第三电子开关，被连接在所述差分运算放大器的所述反相输入与所述运算放大器的所述正输出端子之间，以及

第四电子开关，被连接在所述差分运算放大器的所述非反相输入与所述运算放大器的所述负输出端子之间；

具有滞后的比较器，被配置为响应于被施加到所述比较器的负输入端子的电压超过被施加到所述比较器的正输入端子的电压加上滞后阈值，而将所述比较器的第一输出端子设置为高并且将所述比较器的第二输出端子设置为低，其中所述比较器包括：

第五电子开关，被连接在所述比较器的所述负输入与所述比较器的所述第二输出端子之间；以及

第六电子开关，被连接在所述具有滞后的比较器的所述正输入与所述比较器的所述第一输出端子之间；以及

第一解耦电容，被连接在所述比较器的所述负输入与所述差分积分器的所述第一输出节点之间，以及第二解耦电容，被连接在所述比较器的所述正输入与所述差分积分器的所述第二输出节点之间。

21.根据权利要求20所述的测量系统，

其中所述差分积分器被配置为接收第一重置信号，其中所述第三电子开关和所述第四电子开关被配置为响应于所述第一控制信号的断言或者所述第一重置信号的断言而闭合；并且

其中所述比较器被配置为接收第二重置信号，其中所述第五电子开关和所述第六电子开关被配置为响应于所述第二重置信号的断言而闭合。

22.根据权利要求21所述的测量系统，还包括延迟电路，所述延迟电路被配置为通过延迟所述第一重置信号来生成所述第二重置信号。

23.根据权利要求20所述的测量系统，其中所述第一电容对应于感测电容，并且所述第二电容对应于参考电容，其中所述第一电压和所述第二电压具有公共电压，并且其中所述差分积分器的所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的电压指示所述感测电容与所述参考电容的电容值之间的差。

24.根据权利要求23所述的测量系统，还包括电压发生器，所述电压发生器被配置为生成所述公共电压。

25.根据权利要求24所述的测量系统，

还包括多个感测电容，其中所述切换电路针对每个感测电容包括相应的半桥，其中每个半桥包括高侧电子开关和低侧电子开关，所述高侧电子开关被连接在所述公共电压与相应感测电容的第一端子之间，所述低侧电子开关被连接在所述参考电压与所述相应感测电容的所述第一端子之间，并且

其中所述切换电路包括以下至少一项：

针对每个感测电容，相应电子开关被配置为选择性地将所述相应感测电容的第二端子连接至所述差分运算放大器的所述反相输入；以及

针对每个感测电容，相应电子开关被配置为选择性地将相应高侧电子开关的控制端子连接至所述第一控制信号或者连接至被布置为维持所述相应高侧电子开关断开的电压，并且相应电子开关被配置为选择性地将相应低侧电子开关的控制端子连接至所述第二控制信号或者连接至被布置为维持所述相应低侧电子开关断开的电压。

26.根据权利要求25所述的测量系统，还包括单个参考电容，其中所述切换电路包括另一半桥，所述另一半桥包括另一高侧电子开关和另一低侧电子开关，所述另一高侧电子开关被连接在所述公共电压与所述参考电容的第一端子之间，所述另一低侧电子开关被连接在所述参考电压与所述参考电容的所述第一端子之间。

27.根据权利要求25所述的测量系统，针对每个感测电容还包括相应参考电容，其中每个参考电容的第一端子被连接至所述相应感测电容的所述第一端子。

28.根据权利要求20所述的测量系统，其中所述第一电容和所述第二电容具有相同的电容值，其中所述差分积分器的所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的电压指示所述第一电压与所述第二电压之间的差。

29.一种操作根据权利要求20所述的测量系统的方法，所述方法包括：

在正常操作阶段期间：

响应于确定所述第二控制信号被断言而闭合所述第一电子开关和所述第二电子开关，并且响应于确定所述第二控制信号被取消断言而断开所述第一电子开关和所述第二电子开关，

响应于确定所述第一控制信号被断言而闭合所述第三电子开关和所述第四电子开关，并且响应于确定所述第一控制信号被取消断言而断开所述第三电子开关和所述第四电子开关，

断开所述第五电子开关和所述第六电子开关，以及

监测指示重置请求的重置请求信号，并且响应于确定所述重置请求信号指示重置请求而开始重置阶段；以及

在所述重置阶段期间：

针对第一重置间隔，闭合所述第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和第六电子开关，以及

针对第二重置间隔，断开所述第三电子开关和第四电子开关，并且保持所述第一电子开关、第二电子开关、第五电子开关和第六电子开关闭合，然后再次开始所述正常操作阶段。