DE102016117862B4 - Kondensatorerfassungssystem - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (101), die Folgendes umfasst:eine Kontaktinsel (1051) zum Koppeln mit einem externen Kondensator (1071);eine erste Stromquelle (103), die über einen ersten Pfad mit der Kontaktinsel (1051) gekoppelt ist, wobei die erste Stromquelle (103) dazu dient, Strom zum Laden des externen Kondensators (1071) zuzuführen;einen ersten Komparator (114), der über einen zweiten Pfad mit der Kontaktinsel (1051) gekoppelt ist, um eine erste Spannung an der Kontaktinsel (1051), die der Spannung am externen Kondensator (1071) entspricht, mit einer zuvor festgelegten Spannung (Vrampend) zu vergleichen und einen ersten Vergleichsindikator bereitzustellen, der das Ergebnis des Vergleichs anzeigt;einen Referenzkondensator (123);einen zweiten Komparator (116) zum Vergleichen einer zweiten Spannung, die der Spannung am Referenzkondensator (123) entspricht, und der zuvor festgelegten Spannung (Vrampend) und zum Ausgeben eines zweiten Vergleichsindikators (152), der das Ergebnis des Vergleichs anzeigt;einen ersten Wechselstrom-Kopplungskondensator (141), der zwischen der Kontaktinsel (1051) und dem ersten Komparator (114) in Reihe geschaltet ist;einen zweiten Wechselstrom-Kopplungskondensator (143), der zwischen dem Referenzkondensator (123) und dem zweiten Komparator (114, 116) in Reihe geschaltet ist; undeinen Rücksetzungsspannungsknoten (137), der selektiv mit einem ersten Knoten (151) zwischen dem ersten Wechselstrom-Kopplungskondensator (141) und einem ersten Eingang des ersten Komparators (114) gekoppelt ist, wobei der erste Eingang des ersten Komparators (114) mit der Kontaktinsel (1051) gekoppelt ist;wobei der Rücksetzungsspannungsknoten selektiv mit einem zweiten Knoten (153) zwischen dem zweiten Wechselstrom-Kopplungskondensator (143) und einem ersten Eingang des zweiten Komparators (116) gekoppelt ist, wobei der erste Eingang des zweiten Komparators (116) mit dem Referenzkondensator (123) gekoppelt ist;wobei eine erste Rücksetzungsspannung (vrsti), die selektiv mit dem externen Kondensator (1071) gekoppelt ist, um den externen Kondensator (1071) zu entladen, eine andere ist als eine zweite Rücksetzungsspannung (vrst2), die selektiv mit der Rücksetzungsspannungsknoten (137) gekoppelt ist, um dadurch eine andere Gleichstromvorspannung am externen Kondensator (1071) und dem ersten Eingang des ersten Komparators (114) bereitstellen.

Description

• HINTERGRUND
• Gebiet der Erfindung
• Diese Anmeldung betrifft Sensoren, und betrifft insbesondere ein Kondensatorerfassungssystem.
• Beschreibung des Standes der Technik
• Kapazitive Sensoren werden zum Erfassen (oder Messen) einer Vielzahl verschiedener physikalischer Quantitäten (Größen) verwendet, zum Beispiel einer Berührung. Die Veränderung der Kapazität, die durch eine Berührung auf einem Berührungsbildschirm herbeigeführt wird, kann dafür verwendet werden, Informationen bezüglich der Berührung zu bestimmen. Da solche kapazitiven Sensoren immer weitere Verbreitung finden, sind Verbesserungen bei der Genauigkeit dieser Sensoren wünschenswert.
• Die Patentanmeldung US 2011 / 0 156 839 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zum Einrichten eines variablen Filters in einer kapazitiven Abtastschaltung. Die Schaltung umfasst einen ersten und einen zweiten Schaltkreis und eine Steuerlogik. Die erste Schaltung ist dazu eingerichtet, einen Pfad mit variablem Widerstand bereitzustellen, der mit einem externen Kondensator gekoppelt ist, der von der kapazitiven Abtastschaltung abgetastet werden soll. Der zweite Schaltkreis steuert die Betätigung des ersten Schaltkreises und reagiert auf eine Spannungsänderung, die auftritt, wenn ein Ladungspegel des externen Kondensators geändert wird. Die zweite Schaltung betätigt die erste Schaltung, wenn die Spannungsänderung bewirkt, dass eine der zweiten Schaltung zugeführte Spannung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Die Steuerlogik empfängt eine Eingabe, die eine gewünschte Eckfrequenz identifiziert, bestimmt eine Widerstandseinstellung für die erste Schaltung, die der Eckfrequenz entspricht, und wendet die Widerstandseinstellung auf die erste Schaltung an, um die erste Schaltung bei der Eckfrequenz einzurichten.
• Das US-Patent US 4 782 282 A zeigt eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Materialflusses entlang eines gegebenen Weges durch Erfassen einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften eines Abschnitts des Weges, wenn das Material diesen durchläuft.
• Die Patentanmeldung DE 10 2009 000 471 A1 betrifft unter anderem ein Verfahren zur Messung des effektiven Serienwiderstandes eines Kondensators. Das Verfahren umfasst: das Verstärken der Kondensatorspannung mit einem AC-gekoppelten Verstärker, was einen ersten Messwert ergibt; das Laden bzw. Entladen des Kondensators mit einem konstanten Strom für eine Messzeit, so dass die Kondensatorspannung auf Grund eines Spannungsabfalls über dem effektiven Serienwiderstand verringert wird, das Verstärken der Kondensatorspannung mit dem AC-gekoppelten Verstärker, was einen zweiten Messwert ergibt, der abhängig ist von dem konstanten Strom und dem effektiven Serienwiderstand; und das Berechnen des effektiven Serienwiderstandes aus dem ersten und dem zweiten Messwert.
• Die Patentanmeldung DE 10 2011 004 738 A1 betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Fingerberührung, wie der Berührung zweier oder mehrerer Finger oder eines Fingers und eines Objekts, bei dem zumindest an einem Finger und an einem anderen Finger bzw. an einem Objekt, dessen Berührung mit dem Finger detektiert werden soll, jeweils eine Elektrode angebracht wird, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, wobei eine Impedanz zwischen den Elektroden und/oder eine aus der Impedanz abgeleitete physikalische Größe gemessen wird.
• Die Patentanmeldung US 2011 / 0 273 189 A1 zeigt eine Vorrichtung, die einen integrierten Schaltkreis (IC), der dazu eingerichtet ist, Kapazität zu messen, und zwei oder mehr kapazitive Elemente, die mit dem IC verbunden sind umfasst. Die kapazitiven Elemente haben jeweils einen ersten Abschnitt, und ein kapazitives Element hat einen zweiten Abschnitt. Die ersten Abschnitte der kapazitiven Elemente haben die gleichen oder im Wesentlichen die gleichen Längen, Formen und/oder Kapazitätswerte.
• KURZDARSTELLUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
• Dementsprechend enthält in einer Ausführungsform eine Vorrichtung eine Kontaktinsel (pad) zum Koppeln mit einem externen Kondensator. Eine erste Stromquelle ist mit der Kontaktinsel durch einen ersten Pfad gekoppelt und führt Strom zum Laden des externen Kondensators zu. Ein zweiter Pfad koppelt einen Komparator mit der Kontaktinsel. Der Komparator vergleicht eine erste Spannung an der Kontaktinsel, die einer Spannung an dem externen Kondensator entspricht, und eine zuvor festgelegte Spannung und gibt eine erste Vergleichsanzeige aus, die den Vergleich anzeigt.
• In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Abfühlen eines externen Kondensators bereitgestellt, das das Zuführen eines Ladestroms von einer ersten Stromquelle zu einer Kontaktinsel eines integrierten Schaltkreises durch einen ersten Pfad zum Laden des mit der Kontaktinsel gekoppelten externen Kondensators enthält. Eine erste Spannung an dem externen Kondensator wird an der Kontaktinsel abgefühlt und durch einen zweiten Pfad, der von dem ersten Pfad getrennt ist, in einen Komparator eingespeist. Der Komparator vergleicht die erste Spannung und eine Bezugsspannung und gibt ein Vergleichsergebnis aus, das eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der Bezugsspannung anzeigt.
• In einer anderen Ausführungsform enthält eine Vorrichtung mehrere Kontaktinseln zum Koppeln mit jeweiligen externen Kondensatoren. Ein Strom-Digital-Analog-Wandler (DAW) ist selektiv mit einer oder mehreren der Kontaktinseln durch eine erste Mehrzahl von Schaltern gekoppelt. Ein erster Komparator hat einen ersten Eingang, der selektiv mit den Kontaktinseln durch eine zweite Mehrzahl von Schaltern gekoppelt ist, und hat einen zweiten Eingang, der mit einer Bezugsspannung gekoppelt ist. Der erste Komparator vergleicht eine erste Spannung an dem ersten Eingang mit der Bezugsspannung und gibt eine erste Vergleichsanzeige aus. Ein zweiter Komparator ist gekoppelt, um eine zweite Spannung an einem Referenzkondensator und die Bezugsspannung zu vergleichen und eine zweite Vergleichsanzeige auszugeben. Ein erster Kondensator ist zwischen den Kontaktinseln und dem erste Eingang des ersten Komparators in Reihe geschaltet. Ein zweiter Kondensator ist zwischen dem Referenzkondensator und dem zweiten Komparator in Reihe geschaltet. Ein Speicherkreis speichert die erste Vergleichsanzeige in Reaktion darauf, dass die zweite Vergleichsanzeige anzeigt, dass die zweite Spannung die Bezugsspannung erreicht hat. Ein Ausgang des Speicherkreises ist mit einem Steuerkreis für den Strom-DAW gekoppelt.
• Figurenliste
• Die vorliegende Erfindung kann besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile können dem Fachmann verständlich gemacht werden, wenn die beiliegenden Zeichnungen zu Hilfe genommen werden.
• 1 veranschaulicht ein Blockschaubild eines kapazitiven Abtastsystems gemäß einer Ausführungsform.
• 2 veranschaulicht ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des Abtastsystems von 1 veranschaulicht.
• 3 veranschaulicht Vorteile, die durch die Ausführungsform von 1 realisiert werden, einschließlich der Verwendung von Wechselstrom-Kopplungskondensatoren.
• 4 veranschaulicht einen Eingangstransistor des Komparators.
• 5 veranschaulicht, dass eine Gleichstromvorspannung auf der Seite des externen Kondensators eine andere sein kann als die Gleichstromvorspannung an dem Eingang des Komparatorkreises.
• Die Verwendung der gleichen Bezugssymbole in verschiedenen Zeichnungen bezeichnet ähnliche oder identische Elemente.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Die im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen verbessern auf effiziente Weise die Vermeidung verschiedener Fehlerquellen im Ladepfad eines externen Kondensators in einem KondensatorAbtastsystem. Der Ladepfad eines externen Kondensators hat aufgrund seiner großen Schwankungsbandbreite von Kondensatorwerten und aufgrund des Gesamtwiderstandes von Schaltern und langer Stromlaufwege verschiedene Fehlerquellen. Ausführungsformen enthalten Kelvin-Abtastung und/oder Wechselstromkopplung im vorderen Ende, um Genauigkeit und Flexibilität eines Kondensator-Abtastsystem zu verbessern.
• Wir wenden uns 1 zu, wo ein Blockschaubild ein kapazitives Abtastsystem gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, das sowohl Kelvin-Abtastung als auch Wechselstromkopplung enthält. Das Abtastsystem ist auf dem integrierten Schaltkreis 101 ausgebildet. Ein Strom-Digital-Analog-Wandler (DAW) 103 führt Strom I_DAC zu der Kontaktinsel 105₁, die ihrerseits mit einem externen Kondensator 107₁ gekoppelt ist. Die Kontaktinseln 105 (105₁ - 105_N) stellen eine elektrische Verbindung zwischen internen Signalen und externen Signalen bereit. Der Pfad vom Strom-DAW 103 zu der Kontaktinsel 105₁ enthält einen Widerstand im Zusammenhang mit den Stromlaufwegen und dem Schalter 109₁. Der Gesamtersatzwiderstand von dem Strom-DAW 103 zur Kontaktinsel 105₁ ist als der Ersatzwiderstand (Req1) 117 gezeigt.
• Der Komparatorkreis 115 enthält Komparatoren 114 und 116 und ein Speicherelement (wie zum Beispiel einen Flipflop) 120. Ein zweiter Schalter 111₁ koppelt die Kontaktinsel durch einen separaten Pfad mit einem ersten Eingang des Komparators 114. Der Komparator 114 vergleicht die Spannung an einem Eingang, der der externen Kapazität 107₁ entspricht, mit einer zuvor festgelegten Bezugsspannung (Vrampend), wie weiter unten noch beschrieben wird. Das Abtasten des externen Kondensators 107₁ erfolgt durch einen Kelvin-Schalter 111₁ und nicht direkt am Ausgang des Strom-DAW 103. Dadurch wird der Spannungsterminus I_DAC×Req1 aus der abgefühlten Spannung (Vramp) entfernt, wie unten noch ausführlicher erläutert wird. Anderenfalls bewirkt das I_DAC×Req1 einen nicht-linearen Terminus und führt zu einem Kleinsignalkondensator, der einen Verstärkungsfehler abtastet, der von dem externen Kapazitäts (Cext)-Wert abhängig ist.
• Die Stromquelle 121 lädt einen Referenzkondensator Cref 123, und der Komparator 116 empfängt die Spannung an dem Referenzkondensator. Der Komparator 116 vergleicht die Spannung an der Referenzkapazität, während sie zu Vrampend ansteigt, und löst die ansteigende Flanke des Signals 152 aus, wenn der Eingang, der mit der Referenzkapazität gekoppelt ist, Vrampend erreicht. An diesem Punkt wird das Ausgangssignal des Komparators 114 in dem Speicherelement 120 durch die ansteigende Flanke des Signals 152 verriegelt. Das aktualisierte Ein-Bit-Ausgangssignal dout wird in die Steuerungslogik 125 eingespeist, um den IDAC_Code zu aktualisieren, so dass die Stromquelle 103 für die nächste Vergleichsoperation gültig ist. Die Steuerungslogik 125 kann zum Beispiel unter Verwendung eines programmierten Mikrocontrollers implementiert werden und kann Speicher und Software enthalten, die erforderlich sind, um zusammen mit dem Mikrocontroller die im vorliegenden Text beschriebene Steuerfunktionalität bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerungslogik als Teil einer anderen programmierbaren Logikvorrichtung implementiert werden, wie zum Beispiel eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder einer anderen Logik. Die Steuerungslogik erhöht oder verringert den Strom durch Zuführen eines IDAC-Codes 127 auf der Basis der Vergleichsanzeige. Der Strom I_DAC von dem Strom-DAW 103 kann justiert werden, bis eine zweckmäßige Beziehung zwischen der abgefühlten Spannung der externen Kapazität und der Bezugsspannung existiert. Die externe Kapazität kann als $C_{ext}=\frac{I_{DAC}}{I_{ref}}\times C_{ref}$

  

  bestimmt werden. Die Berechnung der externen Kapazität kann in dem Mikrocontroller, der die Steuerungslogik 125 bereitstellt, oder in einer anderen programmierbaren Logik ausgeführt werden. Des Weiteren übermitteln Veränderungen des Kapazitätswertes Informationen über die Berührung oder eine sonstige physikalische Ursache der Veränderung der Kapazität.
• 2 veranschaulicht den Betrieb des in 1 gezeigten Systems. Das Ausgangssignal 152 des Komparators 116 steuert die ansteigende Flanke des in 2 gezeigten CLK-Signals 154. Eine verzögerte Version des Taktsignals 154 steuert die Schalter 131, 133, 135 und 155 und somit das Laden und Entladen der verschiedene in 1 gezeigten Kondensatoren. Zur besseren Übersichtlichkeit wird in 2 auf die Darstellung der verzögerten Version verzichtet. Andere Schaltkreise (nicht gezeigt) steuern die abfallende Flanke des CLK-Signals 154 und steuern darum die Breite der hohen Phase des CLK-Signals 154, die die Zeitdauer bestimmt, die die Kondensatoren Cref und Cext entladen müssen. Auf der abfallenden Flanke 201 des Taktsignals CLK 154 ist der durch die Steuerungslogik 125 ausgegebene IDAC_Code gültig, und der Strom I_DAC wird zum Laden der externen Kondensatoren (Cext) zugeführt. Außerdem beginnt die Stromquelle 121 das Laden der Referenzkapazität (Cref) 123 nach der abfallenden Flanke von CLK. Die Spannung an der Referenzkapazität steigt an, bis sie die voreingestellte Vrampend erreicht, die die ansteigende Flanke des Signals 152 auslöst. In Reaktion auf die ansteigende Flanke vergleicht der Komparator 114 auch die Spannung an der externen Kapazität mit Vrampend, und das Vergleichsausgangssignal wird in dem Speicherelement 120 durch die ansteigende Flanke des Signals 152 verriegelt und als dout ausgegeben. Das aktualisierte dout wird in die Steuerungslogik 125 eingespeist, um den IDAC_Code zu aktualisieren, so dass der Strom I_DAC von dem Strom-DAW 103 für die nächste Vergleichsoperation gültig ist. Eine verzögerte Version der ansteigenden Flanke 203 des Taktsignals CLK 154 veranlasst auch, dass die Schalter 131, 133, 135 und 155 sich schließen. Das veranlasst, dass sich der externe Kondensator durch den Schalter 131 zu Erde entlädt. Das Entladen durch die Erdungsebene ist effizienter und einfacher, da die Erdungsebene den Entladestrom von der großen externen Kapazität besser handhaben kann. Außerdem werden die Eingangssignale in den Komparator 115 mit einer Rücksetzungsspannung (vrst2) 137 gekoppelt, die sich von der Erdungsspannung unterschieden kann, auf die die externen Kondensatoren zurückgesetzt werden, wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird. Der Referenzkondensator 123 wird zu dieser Zeit ebenfalls durch den Schalter 155 zu Erde entladen. Der Zyklus wiederholt sich dann an der nächsten abfallenden Flanke des CLK-Signals 203. Es ist zu beachten, dass 2 die Bezugsspannung an dem Referenzkondensator zeigt, wie sie bei jedem Zyklus zu Vrampend ansteigt, da der Ladestrom von der Stromquelle 121 statisch ist. Im Gegensatz dazu nimmt die Spannung der externen Kapazität in jedem Zyklus in Reaktion auf eine Veränderung des IDAC_Codes allmählich zu, um den Strom I_DAC von dem Strom-DAW 103 zu erhöhen, bis die Spannung an der externen Kapazität ebenfalls Vrampend erreicht, nachdem der Zyklus durch die abfallende Flanke 205 gestartet ist.
• Das Anstiegssignal an dem externen Kondensator 107₁ wird durch einen Kopplungskondensator 141 (Ca1) mit dem Komparatorkreis 114 Wechselstrom-gekoppelt. Außerdem ist der Referenzkondensator durch einen Anpassungskopplungskondensator 143 (Ca1) mit dem Komparatorkreis 116 gekoppelt. Darum werden die zwei Pfade nach den Kopplungskondensatoren besser angepasst, als es eine direkte Gleichstromkopplung könnte. Eine bessere Anpassung in dem internen Cext- und Cref-Vergleichspfad zwischen den Kopplungskondensatoren 141, 143 und den Komparatorkreisen 114 und 116 erlaubt eine bessere Vermeidung von Gleichtaktfehlern und Zufuhrunregelmäßigkeiten. Betrachten wir die Äquivalentkapazitäten, die durch die Wechselstrom-Kopplungskondensatoren bereitgestellt werden. Wenn wir vom co_cext-Knoten 151 und vom co_cref-Knoten bei 153 nach links schauen, so sind die Äquivalentkapazitäten $C_{equ1}=\frac{c_{a1}\times c_{ext}}{c_{a1}+c_{ext}}$

  

  bzw. $C_{equ2}=\frac{c_{a2}\times c_{ref}}{c_{a2}+c_{ref}},$

  

  und Ca1<Cref<<Cext. Die Äquivalentkapazitäten Cequ1 und Cequ2 passen deutlich besser zusammen als Cext und Cref. Nehmen wir zum Beispiel an, das Ca1=1 (Einheit der Kapazität), Cref=2 und Cext=32. Unter Annahme dieser Werte ist Cequ1=0,97 und Cequ2=0,67. Die Fehlanpassung wird von einer Differenz von 16x (zwischen 2 und 32 Einheiten) zu einer Differenz von nur etwa 31 % (zwischen 0,97 und 0,67 Einheiten) verbesserte. Somit erlaubt die bessere Anpassung in den internen Cext- und Cref-Vergleichspfaden, die die Knoten 151 und 153 enthalten, eine bessere Vermeidung von Gleichtaktfehlern und Zufuhrunregelmäßigkeiten. In 3 veranschaulicht das Schaubild die Beseitigung einiger Fehlerquellen. Zum Beispiel wird durch Kelvin-Abtastung (Erfassen so nahe am externen Kondensator wie möglich; hier an der Kontaktinsel) anstatt nahe dem Ausgang des Strom-DAW 103 die bei 301 gezeigte Spannung entfernt, weil der Strom I_DAC durch den Ersatzwiderstand Req1 fließt, indem nach dem Ersatzwiderstand abgefühlt wird. Somit misst die Ausführungsform von 1 die Spannung des externen Kondensators nach dem durch I_DAC×Req verursachten IR-Abfall durch Erfassen an der Kontaktinsel 105. Es ist zu beachten, dass der Pfad 112 von der Kontaktinsel 105 zu dem Komparator 114 außerdem einen Ersatzwiderstand Req2 118 enthält. Weil jedoch kein Strom in dem Abtastpfad 112 fließt, verursacht der Ersatzwiderstand Req2 keinen zusätzlichen Spannungsabfall in dem Abtastpfad. 3 zeigt bei 303 den Einschwingfehler auf der Seite des externen Kondensators, der durch den Wechselstrom-Kopplungskondensator Ca1 beseitigt wird, der die Gleichstromvorspannung auf jeder Seite des Kondensators trennt. 3 zeigt des Weiteren, dass der Vramp-Wert 305 durch die co_cext-Seite und nicht durch die Cext-Seite eingestellt wird. Es gilt Vramp=Vrampend (307) - Vrst2 (309) auf der Komparatorseite, wobei Vrampend und Vrst2 durch separate Vorspannkreise eingestellt werden, es ist des Weiteren zu beachten, dass der Vramp-Wert für Rücksetzungseinschwingfehlern auf der Seite der externen Kapazität unempfindlich ist, was Rücksetzungszeit spart, da Cext >> Ca1 und Cext mehr Zeit braucht, um sich richtig einzuschwingen.
• 4 und 5 helfen zu veranschaulichen, dass die Gleichstromvorspannung auf der Seite des externen Kondensators Cext und am Komparatoreingang nicht die gleiche zu sein braucht. Aufgrund des Wechselstrom-Kopplungskondensators 141 kann die Vorspannung auf der Komparatorseite unabhängig eingestellt werden, um die Komparatoreingangskreise zu optimieren und eine Übersteuerungsreserve zu schaffen. 4 zeigt einen Eingangstransistor im Komparator 114, der mit dem externen Kondensator durch den Wechselstrom-Kopplungskondensator 141 gekoppelt ist. 5 zeigt die Anstiegswellenformen für den externen Kondensator und die Anstiegswellenformen, auf der Komparatorseite des Kopplungskondensators 141 gesehen. Für den externen Kondensator 107₁ ist die durch den Schalter 131 zugeführte Rücksetzungsspannung eine Erdungsspannung. Die große Kapazität des externen Kondensators macht es effizienter, die externe Kapazität in jedem Zyklus auf Erde (vrst1) zurückzusetzen. Jedoch kann für vrst2 am Knoten 137, die in den Eingangsknoten der Komparatoren 114 und 116 eingespeist wird, die Spannung null Volt (Erde) sein, oder kann auf eine andere Spannung eingestellt werden.
• Wir wenden uns 5 zu, wo die Anstiegsspitze als Vrampend=V_GS + V₂ gezeigt ist, wobei VGS die Gate-zu-Source-Spannung des Eingangstransistors 401 des in 4 gezeigten Komparator 115 ist. V₂ ist eine Spannung, die durch die gewünschte Übersteuerungsreserve für den Strom 1 im Source-Knoten des Transistors 401 eingestellt wird. Zum Beispiel kann V₂ auf 0,5 V, 0,25 V oder eine andere Spannung eingestellt werden. Der Vramp-Pegel und die resultierende Gleichstromvorspannung Vrst2=V_GS + V₂-Vramp werden so gewählt, dass die gewünschte Gesamtkreis-Übersteuerungsreserve in einem Niedrigversorgungssystem bereitgestellt wird. Vrampend und Vrst2 werden durch separate Vorspannkreise (in 1 nicht gezeigt) eingestellt.
• Obgleich Ausführungsformen einen einzelnen externen Kondensator unterstützen können, unterstützen andere Ausführungsformen, wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht, mehrere externe Kondensatoren. So sind Kontaktinseln 105, die 105₁, 105₂, 105_N Kontaktinseln enthalten, durch Schalter 109₁, 109₂, 109_N mit dem Strom-DAW 103 gekoppelt. Außerdem ist der Wechselstrom-Kopplungskondensator 141 mit den Kontaktinseln 105₁, 105₂, 105_N durch Schalter 111 (111₁, 111₂, 111_N) gekoppelt. So können der Komparator 114, die Steuerungslogik 125 und der Strom-DAW 103 für alle externen Kondensatoren 107 (107₁, 107₂, 107_N) verwendet werden. Die Schalter können so eingestellt werden, dass nur ein einziger Satz Schalter auf einmal geschlossen wird, so dass immer nur einer der Kondensatoren auf einmal abgefühlt wird. Eine Steuerlogik kann veranlassen, dass die Schalter so schließen, dass jeder Kondensator mit einer zuvor festgelegten Rate abgefühlt wird. In anderen Ausführungsformen sind alle Schalter die ganze Zeit geschlossen, wodurch ein ODER-Betrieb ausgeführt wird, und der Ladestrom lädt alle Kondensatoren, und der Komparator vergleicht die kombinierten Spannungen an den Kondensatoren. In weiteren Ausführungsformen werden ein oder mehr Sätze von Schaltern geschlossen, aber weniger als alle Sätze von Schaltern, und die Schaltereinstellungen sind statisch.
• Es sind nun verschiedene Aspekte eines kapazitiven Abtastsystems beschrieben worden. Die Beschreibung der im vorliegenden Text dargelegten Erfindung ist veranschaulichend und soll nicht den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, beschränken.

Claims (13)

1. Vorrichtung (101), die Folgendes umfasst: eine Kontaktinsel (105₁) zum Koppeln mit einem externen Kondensator (107₁); eine erste Stromquelle (103), die über einen ersten Pfad mit der Kontaktinsel (105₁) gekoppelt ist, wobei die erste Stromquelle (103) dazu dient, Strom zum Laden des externen Kondensators (107₁) zuzuführen; einen ersten Komparator (114), der über einen zweiten Pfad mit der Kontaktinsel (105₁) gekoppelt ist, um eine erste Spannung an der Kontaktinsel (105₁), die der Spannung am externen Kondensator (107₁) entspricht, mit einer zuvor festgelegten Spannung (V_rampend) zu vergleichen und einen ersten Vergleichsindikator bereitzustellen, der das Ergebnis des Vergleichs anzeigt; einen Referenzkondensator (123); einen zweiten Komparator (116) zum Vergleichen einer zweiten Spannung, die der Spannung am Referenzkondensator (123) entspricht, und der zuvor festgelegten Spannung (V_rampend) und zum Ausgeben eines zweiten Vergleichsindikators (152), der das Ergebnis des Vergleichs anzeigt; einen ersten Wechselstrom-Kopplungskondensator (141), der zwischen der Kontaktinsel (105₁) und dem ersten Komparator (114) in Reihe geschaltet ist; einen zweiten Wechselstrom-Kopplungskondensator (143), der zwischen dem Referenzkondensator (123) und dem zweiten Komparator (114, 116) in Reihe geschaltet ist; und einen Rücksetzungsspannungsknoten (137), der selektiv mit einem ersten Knoten (151) zwischen dem ersten Wechselstrom-Kopplungskondensator (141) und einem ersten Eingang des ersten Komparators (114) gekoppelt ist, wobei der erste Eingang des ersten Komparators (114) mit der Kontaktinsel (105₁) gekoppelt ist; wobei der Rücksetzungsspannungsknoten selektiv mit einem zweiten Knoten (153) zwischen dem zweiten Wechselstrom-Kopplungskondensator (143) und einem ersten Eingang des zweiten Komparators (116) gekoppelt ist, wobei der erste Eingang des zweiten Komparators (116) mit dem Referenzkondensator (123) gekoppelt ist; wobei eine erste Rücksetzungsspannung (vrsti), die selektiv mit dem externen Kondensator (107₁) gekoppelt ist, um den externen Kondensator (107₁) zu entladen, eine andere ist als eine zweite Rücksetzungsspannung (vrst2), die selektiv mit der Rücksetzungsspannungsknoten (137) gekoppelt ist, um dadurch eine andere Gleichstromvorspannung am externen Kondensator (107₁) und dem ersten Eingang des ersten Komparators (114) bereitstellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren Folgendes umfasst: einen Speicherschaltkreis (120) zum Speichern des ersten Vergleichsindikators in Reaktion darauf, dass der zweite Vergleichsindikators (152) anzeigt, dass die zweite Spannung die zuvor festgelegte Spannung erreicht hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die des Weiteren Folgendes umfasst: einen ersten Schalter (133) zum selektiven Koppeln des ersten Knotens (151) mit dem Rücksetzungsspannungsknoten (137) und einen zweiten Schalter (135) zum Koppeln des zweiten Knotens (135) mit dem Rücksetzungsspannungsknoten (137); einen dritten Schalter (131) zum selektiven Koppeln des externen Kondensators (107₁) mit dem Erdpotential; und einen vierten Schalter (155) zum selektiven Koppeln des Referenzkondensators (123) mit dem Erdpotential.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei des Weiteren: der erste, zweite, dritte und vierte Schalter (131, 133, 135, 155) verschaltet sind, um gemäß einem Taktsignal (154) zu schalten, dessen ansteigende Flanke durch den zweiten Komparator (116) gesteuert wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die des Weiteren Folgendes umfasst: eine zweite Kontaktinsel (105₂), die selektiv mit dem ersten Komparator (114) durch einen dritten Pfad gekoppelt ist, wobei der dritte Pfad einen Abschnitt des zweiten Pfades enthält; und einen vierten Pfad, der selektiv die zweite Kontaktinsel (105₂) mit der ersten Stromquelle (103) koppelt, wobei der vierte Pfad von dem dritten Pfad getrennt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, die des Weiteren Folgendes umfasst: einen ersten Schalter (109₂), der einen Teil des vierten Pfades bildet, der die zweite Kontaktinsel (105₂) mit der ersten Stromquelle (103) koppelt, und einen zweiten Schalter (111₂), der einen Teil des dritten Pfades bildet, der die zweite Kontaktinsel (105₂) mit dem ersten Komparator (114) koppelt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die des Weiteren Folgendes umfasst: den externen Kondensator (107₁).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Stromquelle (103) ein digital programmierbarer Strom-Digital-Analog-Wandler (DAW) ist und eine Steuerungslogik (125) für die erste Stromquelle (103) auf den gespeicherten ersten Vergleichsindikator reagiert, um den Strom zum Laden des externen Kondensators (107₁), der durch den Strom-DAW (103) zugeführt wird, zu justieren.
9. Verfahren zum Abtasten eines externen Kondensators (107₁), das Folgendes umfasst: Zuführen eines ersten Ladestroms von einer ersten Stromquelle zu einer Kontaktinsel (105₁) eines integrierten Schaltkreises (101) durch einen ersten Pfad zum Laden des mit der Kontaktinsel gekoppelten externen Kondensators (107₁); Erfassen einer ersten Spannung am externen Kondensator (107₁) an der Kontaktinsel (105₁); Einspeisen der ersten Spannung über einen zweiten Pfad, der von dem ersten Pfad getrennt ist, in einen ersten Komparator (114); Vergleichen der ersten Spannung und einer Bezugsspannung (V_rampend) in dem ersten Komparator (114) und Ausgeben eines ersten Vergleichsindikators, der eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der Bezugsspannung (V_rampend) anzeigt; Laden eines Referenzkondensators (123), um eine zweite Spannung zu generieren; Vergleichen der zweiten Spannung mit der Bezugsspannung (V_rampend) und Ausgeben eines zweiten Vergleichsindikators (152); Einspeisen der ersten Spannung in einen ersten Eingang des ersten Komparators (114) durch einen ersten Kopplungskondensator (141), der zwischen der Kontaktinsel (105) und dem ersten Komparator (114) in Reihe geschaltet ist; und Einspeisen der zweiten Spannung in einen ersten Eingang des zweiten Komparators (116) durch einen zweiten Kondensator (143), der zwischen dem Referenzkondensator (123) und dem zweiten Komparator (116) in Reihe geschaltet ist; selektives Koppeln einer Rücksetzungsspannung (vrst2) mit einem ersten Knoten (151) zwischen dem ersten Kopplungskondensator (141) und dem ersten Eingang des ersten Komparators (114); und selektives Koppeln der Rücksetzungsspannung (vrst2) mit einem zweiten Knoten (153) zwischen dem zweiten Kopplungskondensator (143) und dem ersten Eingang des zweiten Komparators (116); wobei eine erste Gleichstromvorspannung am externen Kondensator (107₁) eine andere ist als eine zweite Gleichstromvorspannung am ersten Eingang des ersten Komparators (114).
10. Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren Folgendes umfasst: Speichern des ersten Vergleichsindikators in Reaktion darauf, dass der zweite Vergleichsindikator anzeigt, dass die zweite Spannung die Bezugsspannung (Vrampend) erreicht hat.
11. Verfahren nach einem der Anspruch 9 oder 10, das des Weiteren Folgendes umfasst: selektives Koppeln des ersten Knotens (151) mit der Rücksetzungsspannung (vrst2) durch einen ersten Schalter (133); selektives Koppeln des zweiten Knotens (153) mit der Rücksetzungsspannung (vrst2) durch einen zweiten Schalter (135); selektives Koppeln des externen Kondensators (107₁) mit dem Erdpotential durch einen dritten Schalter (131); und selektives Koppeln des Referenzkondensators (123) mit dem Erdpotential durch einen vierten Schalter (155); und Steuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters (131, 133, 135, 155) mit einem Taktsignal (154), das eine ansteigende Flanke hat, die durch den zweiten Komparator (116) gesteuert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das des Weiteren Folgendes umfasst: Zuführen eines zweiten Ladestroms von der ersten Stromquelle (103) zu einer zweiten Kontaktinsel (105₂) des integrierten Schaltkreises (101) durch einen dritten Pfad zum Laden eines zweiten externen Kondensators (107₂), der mit der zweiten Kontaktinsel (105₂) gekoppelt ist, wobei der dritte Pfad einen Abschnitt des zweiten Pfades enthält; Einspeisen einer zweiten Spannung, die den zweiten externen Kondensator (107₂) anzeigt, in den ersten Komparator (114) über einen vierten Pfad, die von dem dritten Pfad getrennt ist; und Vergleichen der Bezugsspannung (V_rampend) mit der zweiten Spannung.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das des Weiteren das Justieren des ersten Ladestroms gemäß dem ersten Vergleichsindikators umfasst.

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