JP6791886B2 - 感知信号変調を用いる広帯域容量性センシング - Google Patents

Description

本願は、概して容量性センシングに関する。

容量性センシングでは、感知コンデンサの電荷蓄積容量を測定することによって感知コンデンサにおける容量変動が測定され得る。このような電荷転送手法は、２フェーズ電荷転送サイクル（又は、差動の場合は４フェーズ）、すなわち、（ａ）感知コンデンサが、明確な基準電圧に充電される、励起／充電フェーズ、及び（ｂ）電荷が取り出され、正確に測定される、取得／転送フェーズを用いる。

容量性センシングシステムの問題は、無線周波数源などからの電磁干渉（ＥＭＩ）を受けやすいことである。センシング範囲を広げると、概して、センサ容量サイズを大きくする必要があり、ＥＭＩに対する感受性が増す。特に、電荷転送に基づく容量性センシングの場合、感知コンデンサの電荷をサンプリングするとＥＭＩもサンプリングすることになり、エイリアシングに因るＥＭＩに対する感度が大きくなる。

説明される例には、シングルエンド又は差動容量性センシングに適応され得る感知（容量）信号変調を用いる広帯域容量性センシングのための装置及び方法が含まれる。

或る態様に従って、広帯域容量性センシングは、（ａ）キャリア周波数（固定周波数又はスペクトル拡散など）でキャリア信号を生成すること、（ｂ）基準信号を生成すること、（ｃ）キャリア／駆動信号経路において、少なくとも１つの感知コンデンサへの出力のためのキャリア／駆動信号を生成すること、及び（ｄ）感知信号経路において、少なくとも１つの感知コンデンサから、キャリア／駆動信号によってキャリア周波数までアップ変調された、測定された容量に対応する感知容量信号を受け取り、アップ変調された感知容量信号を増幅し、キャリア信号を用いて、増幅されたアップ変調感知容量信号を復調して復調された感知容量信号を生成すること、を含み得る。キャリア／駆動信号を生成することは、キャリア周波数でキャリア／駆動信号を生成するために、キャリア信号を用いて基準信号を変調すること、及び、少なくとも１つのアップ変調された感知容量信号を生成するために、少なくとも１つの感知コンデンサにキャリア／駆動信号を駆動送出することを含む。アップ変調された感知容量信号は、測定され、キャリア周波数までアップ変調された容量に対応する。復調された感知容量信号は、少なくとも１つの感知コンデンサからの感知容量信号に対応するセンサデータに（例えば、入力ナイキストフィルタリング及びキャリア像除去を含み、基準信号によって参照される、シグマデルタコンバータによって）変換され得る。差動広帯域容量性センシングは、（ａ）キャリア／駆動信号経路において、第１及び第２の感知コンデンサにそれぞれ駆動送出される第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成することであって、（ｂ）第１及び第２のキャリア駆動信号に応答して、第１及び第２の感知コンデンサが、測定されキャリア周波数までアップ変調される容量に対応するそれぞれの第１及び第２のアップ変調された感知容量信号を提供すること、及び、（ｃ）感知信号経路において、第１及び第２のアップ変調された感知容量信号をアップ変調された差動感知容量信号として加算することを含み得る。

他の態様に従って、広帯域容量性センシングが、（ａ）キャリア／駆動信号経路において、キャリア／駆動信号をプリスケーリングすること、（ｂ）感知信号経路において、アップ変調された感知容量信号を増幅前にＥＭＩフィルタリングすること、及び／又は、アップ変調された感知容量信号を増幅前にバンドパスフィルタリングすること、（ｃ）感知信号経路において、アップ変調された感知容量信号を受け取るように結合されるアンプ反転入力に結合されるフィードバックコンデンサを含む電荷アンプと、アップ変調された感知容量信号を受け取るように結合されるアンプ反転入力に結合されるフィードバックレジスタを含むトランスインピーダンスアンプとの一方によって増幅を実現することを含み得、キャリア／駆動信号経路が、キャリア／駆動信号を積分することをさらに含む。

感知（容量）信号変調を用いる広帯域容量性センシングアーキテクチャの例示実施形態を図示する。 感知（容量）信号変調を用いる広帯域容量性センシングアーキテクチャの例示実施形態を図示する。

ＷＣＤＣの例示の代替実施形態を図示する。

ＷＣＤＣの例示の代替実施形態を図示する。

固定センシング変調／復調キャリアを用いる差動広帯域容量性センシングを図示する。

復調後フィルタリング及びデータ変換がシグマデルタコンバータとして統合される差動広帯域容量性センシングを図示する。

スペクトル拡散キャリアを用いる差動広帯域容量性センシングを図示する。

概略を簡潔に述べると、変調された感知（容量）信号に基づく広帯域容量性センシングが、シングルエンド又は差動センシング応用例に適合され得る。広帯域容量性センシングアーキテクチャが、単一又は差動感知コンデンサに結合される広帯域容量−データコンバータ（ＷＣＤＣ）を用いて実装され得る。ＷＣＤＣは、キャリア周波数に変調されるキャリア／駆動信号を生成及び駆動出力するためのキャリア／駆動信号経路と、容量性センシングからのキャリア周波数までアップ変調される測定容量に対応するアップ変調感知容量信号を受け取るため、及び測定容量を捕捉するために復調感知容量信号を生成するための感知信号経路とを用いて実装され得る。キャリア／駆動信号経路は、キャリア信号（例えば、固定周波数又はスペクトル拡散）を用いて基準信号を変調してキャリア／駆動信号を生成し、キャリア／駆動信号は、出力ノードを介して（任意選択でプリスケーリングされて）（単一又は二重感知コンデンサに）駆動出力される。感知信号経路は、入力／加算ノードにおいて、キャリア周波数までアップ変調される測定容量に対応するアップ変調感知容量信号を受け取り、フィルタリング（任意選択）及び増幅の後、アップ変調感知容量信号をキャリア信号を用いて復調して、測定容量に対応する復調感知容量信号を生成し、復調感知容量信号はセンサデータに変換され得る。感知信号経路増幅は、電荷増幅（コンデンサフィードバック）又はトランスインピーダンス増幅（レジスタフィードバック）を用い得、後者の実装の場合、キャリア／駆動信号経路に積分器が含まれる。差動容量性センシングの場合、差動キャリア／駆動信号が駆動されて差動感知コンデンサに至り、得られたアップ変調感知容量信号は、入力／加算ノードにおいて加算される。

図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び図３は、単一の感知コンデンサＣｓｅｎｓを用いるシングルエンド容量性センシングに適合される、例示実施形態に従った広帯域容量性センシングを実装する広帯域容量性センシングアーキテクチャの例示実施形態を図示する。図４、図５、及び図６は、同位相及び逆位相キャリア／駆動信号によってそれぞれ駆動される二重感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２を用いる差動容量センシングに適合される、例示実施形態に従った広帯域容量性センシングを実装する広帯域容量性センシングアーキテクチャの例示実施形態を図示する。

これらの例示実施形態では、シングルエンド又は差動設計のアーキテクチャ選択に加え、並びに、キャリア信号生成（固定周波数又はスペクトル拡散）及びデータ変換（アナログ−デジタルデータ変換など）のための設計選択に加えて、ＣＴＣＶ感知信号経路における設計選択が電流−電圧増幅を実装している。図１Ａ、図２、及び図３の例示実施形態では、これを実装するための選択肢は電荷増幅（コンデンサフィードバック用いる）である。図４、図５、及び図６の例示実施形態では、実装選択肢はトランスインピーダンス増幅（レジスタフィードバックを用いる）である。ＣＴＣＶ感知信号経路アンプを選択するための設計考察には、感知コンデンサのサイズに影響を及ぼすセンシング範囲の考察と、（フィードバック）コンデンサの場合に必要とされる、レジスタの場合と比較して極めて大きなダイ面積に基づくダイ面積／コストの考察とが含まれる。

図１Ａ及び図１Ｂは、固定キャリア信号を用いる広帯域シングルエンド容量性センシングを図示する。図２は、スペクトル拡散キャリア信号を用いる広帯域シングルエンド容量性センシングを図示する。図３は、復調後フィルタリング及びデータ変換が、シグマデルタ変調器／コンバータとして統合される、広帯域シングルエンド容量性センシングを図示する。

図１Ａ及び図１Ｂは、例示実施形態に従った感知（容量）信号変調（すなわち、感知信号のキャリア周波数へのアップ変調）を用いる広帯域容量性センシングアーキテクチャ１０の例示実施形態を示す。例示の広帯域容量性センシングアーキテクチャ１０は、単一感知コンデンサＣｓｅｎｓ１２にインターフェースされる広帯域容量−データコンバータ（ＷＣＤＣ）１１を用いて実装される。ＷＣＤＣはシングルエンド連続時間容量−電圧（ＣＴＣＶ）フロントエンド１４及びＡＤＣ１６を含み、ＣＴＣＶフロントエンドは、変調され２３、Ｃｓｅｎｓに駆動出力される（ノードＡ）キャリア／駆動信号を生成するため、及び、感知（容量）信号をアップ変調するため、及び、アップ変調された感知信号をバンドパスフィルタリング４４及び増幅４５の後、復調する２４ために用いられるキャリア生成器２１を含む。

ＷＣＤＣ１１は、感知容量測定を捕捉するためのシングルエンド連続時間容量−電圧（ＣＴＣＶ）フロントエンド１４と、感知容量測定をデジタルデータに変換するためのアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１６として実装されるデータコンバータとを含む。

ＣＴＣＶフロントエンド１４は、キャリア／駆動出力ノードＡ（底部プレート）及び感知信号入力ノードＢ（頂部プレート）を介して感知コンデンサＣｓｅｎｓ（１２）にインターフェースされる。図示されるように、出力ノードＡにおいて、寄生容量及びノイズ源が、容量Ｃｐａｒ及びノイズ源Ｖｎｏｉｓｅによって表され、入力ノードＢにおいて、寄生容量及びノイズ源が、容量ＣｐａｒＴ及びノイズ源ＶｎｏｉｓｅＴによって表される。

ＣＴＣＶフロントエンド１４は、キャリア／駆動信号経路及び感知信号経路を含む。ＣＴＣＶフロントエンド１４は、キャリア／駆動信号経路においてキャリア信号変調を用い、感知信号経路においてキャリア信号復調を用いる。この例示の実施形態では、キャリア信号変調／復調が、固定周波数キャリア信号生成器２１を用いて実装され、キャリア信号生成器２１は、キャリア／駆動信号経路においてキャリア信号変調器２３を駆動して、感知コンデンサＣｓｅｎｓにキャリア／駆動信号を提供して、センサ容量をキャリア周波数までアップ変調し、感知信号経路において感知信号復調器２４を駆動して、キャリア信号からの感知容量信号を復調する。

ＷＣＤＣ１１は、ＣＴＣＶフロントエンド１４（キャリア／駆動信号経路）及びＡＤＣ１６に基準（電圧又は電流）を提供する基準生成器Ｒｅｆｇｅｎ１８を含む。キャリア及びＡＤＣへの基準を生成するために同じ基準生成器を用いることにより、基準の絶対値はセンシング動作に影響を及ぼさない。ＡＤＣの変換結果は、ＡＤＣ基準（これは、ＡＤＣのフルスケール入力に対応する）によって除算される入力信号に対応する。

ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路は、変調器２３に加えて、任意選択のプリスケーラ３４及び（ローインピーダンス）バッファアンプ（ドライバ）３５を含む。Ｒｅｆｇｅｎ１８は基準信号３１を提供し、基準信号３１はキャリア生成器２１によって駆動される変調器２３に供給され、キャリア／駆動信号３２を生成する。キャリア周波数は、任意の周知の干渉源からの周波数ドメインにおける分離を最大にするように選択され得る。

プリスケーラ３４はＡＤＣのダイナミックレンジを緩和するために有用である。具体的には、プリスケーラは、ＣＴＣＶの変換利得を設定するために有用である。例えば、感知コンデンサの範囲をサポートするために、感知コンデンサごとにＡＤＣに入る信号をＡＤＣを飽和させることなく最適化することがプリスケーラの目的となり得る。例えば、最大センサ容量が１ｐＦの場合、プリスケーラ値は、１ｐＦの入力容量がＡＤＣへのそのフルスケール入力に近い入力になるように選択され得る。ただし、最大感知容量が１０ｐＦである場合、１０ｐＦがほぼフルＡＤＣスケールに対応するように、プリスケーラは１／１０にされ得る。

キャリア信号３２（任意選択でプリスケールされる）はバッファアンプ／ドライバ３５によって増幅されて、キャリア／駆動信号３９が出力ノードＡを介して感知コンデンサＣｓｅｎｓに提供される。感知コンデンサＣｓｅｎｓはキャリア信号３２によって駆動され、キャリア信号３２はＣｓｅｎｓの感知容量（測定容量変動）をキャリア周波数までアップ変調して、入力ノードＢを介してＣＴＣＶ感知信号経路に入力されるアップ変調感知信号４１を提供する。

図１Ｂは、ＣＴＣＶ感知信号経路によって受け取られる、キャリア周波数１２１までアップ変調された感知信号１４８を含む、スペクトルの例示表現である。ＣＴＣＶ信号経路では、ノイズ及びＥＭＩ１４２を除去するためにバンドパスフィルタリング１４４が用いられる。

図１Ａを参照すると、ＣＴＣＶ感知信号経路は、入力ノードＢを介してアップ変調感知容量信号４１を受け取る。ＥＭＩ及び他の帯域外ノイズを除去するために、ＥＭＩフィルタリング４３及び／又はバンドパスフィルタリング４４などの入力フィルタリングが含まれ得る。ＣＴＣＶ感知信号経路は、電荷アンプ４５（フィードバックレジスタ４６を備える）を含み、測定感知容量を回復するために増幅アップ変調感知容量信号４８を復調器２４に提供する。

アンプ４５は、フィードバック制御４６を備え、入力ノードＢを仮想接地として維持し、寄生容量ＣｐａｒＴを抑制する。感知信号のアップ変調及び入力サンプリングの排除などにより、例示実施形態に従ったＷＣＤＣアーキテクチャは、かなりのＥＭＩ耐性を提供するが、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタリング４３／４４も用いられ得る。

任意選択のフィルタリングの後、アップ変調された感知信号は、電荷アンプ４５への反転入力に提供される。電荷アンプ４５は、コンデンサ４６を用いる容量フィードバックを含み、入力電流積分を提供する。したがって、電荷アンプ４５は、反転入力において、感知コンデンサＣｓｅｎｓ及びフィードバックコンデンサ４６によって形成されるコンデンサネットワークに結合される。

増幅されたアップ変調感知信号４８は、キャリア生成器２１によって駆動される復調器２４に入力される。測定感知容量信号（図１Ｂ、１４８）は、キャリア信号（図１Ｂ、１２１）から復調され、アナログ（測定）感知容量信号４９を提供する。

復調された感知容量信号４９は、ＡＤＣ１６に入力され、センサ容量測定としてのデジタルデータに変換される。

この実施形態では、データ変換はＡＤＣを用いて実装される。復調後の感知容量信号４９はフィルタリングされて５１、ノイズがナイキスト周波数未満に維持され、キャリア復調像が除去される。復調された感知信号はＡＤＣ１６によってデジタル化されて、ＷＣＤＣ１１によって提供されるセンサ容量データを生成する。

変調及び復調に同じキャリア信号２１が用いられて、このキャリア信号２１がＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路の変調器２３及びＣＴＣＶ感知信号経路の復調器２２４を駆動するので、また、コンデンサフィードバックを用いる電荷アンプによって増幅が提供されるので、ＡＤＣ１６に入力される復調感知信号４９は、（ａ）感知コンデンサＣｓｅｎｓとフィードバックコンデンサ４６（すなわち、電荷アンプ４５のコンデンサ入力ネットワーク）の比、及び、（ｂ）Ｒｅｆｇｅｎ１８によって生成される基準であって、アップ変調感知信号を生成するために用いられるキャリア／駆動信号を生成する変調器２３と復調感知（容量）信号をデジタルセンサデータに変換するＡＤＣとに供給される基準に比例する。

入力ノードＢは、仮想接地ノードであり（入力ノード上の電圧はアンプフィードバック制御によって実質的に一定に保たれる）、入力ノードＢにおける寄生容量ＣｐａｒＴの影響が実質的に除去される。出力ノードＡは（ローインピーダンスバッファドライバ３５を用いて）駆動され、寄生容量Ｃｐａｒの影響が実質的に除去される。したがって、Ｃｓｅｎｓ両端のアップ変調される感知容量は、Ｃｐａｒ又はＣｐａｒＴのいずれによっても実質的に影響されない。

ナイキスト及び像除去フィルタリング５１は、感知容量信号を復調することによる像帯域を抑制してＡＤＣ１６の出力におけるＳＮ比を向上させるために有用である。

ＡＤＣトポロジは、フラッシュ、シグマデルタ、又はＳＡＲなど、設計選択である。

付加的な設計トレードオフは、調整可能／プログラム可能な構成要素の使用であり、これは、ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路ではプリスケーラ３４を含み、ＣＴＣＶ感知信号経路ではフィードバックコンデンサ４６を含む。

図２は、ＣＴＣＶ２１４を含むＷＣＤＣ２１１の例示の代替実施形態を示す。ＣＶＣＴ２１４では、ＣＴＣＶキャリア／駆動経路の変調器２２３及びＣＴＣＶ感知信号経路の復調器２２４を駆動するためにスペクトル拡散信号生成器２２１が用いられる。スペクトル拡散キャリアを用いることへの設計変更を除き、図２の実施形態のための例示構成は、ＣＴＣＶ感知信号経路での電荷アンプ（コンデンサフィードバックを備える）２４５の使用、及びデジタルセンサデータへの変換のためのＡＤＣ１６（入力フィルタ２５１を備える）の使用を含めて、図１Ａの実施形態と同じである。

図１Ａの実施形態と同様に、Ｒｅｆｇｅｎ１８からの基準信号２３１（電圧又は電流）が、スペクトル拡散キャリア信号２２１によって駆動される変調器２２３に入力されて、キャリア／駆動信号２３２が生成され、これは、任意選択でプリスケーリング２３４されて出力ノードＡから駆動出力２３５される。キャリア／駆動信号２３９が感知コンデンサＣｓｅｎｓを駆動し、Ｃｓｅｎｓの容量をキャリア周波数までアップ変調する。アップ変調された感知容量信号２４１が、入力ノードＢを介してＣＴＣＶ感知信号経路に結合される。アップ変調された感知信号２４１は、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタ２４３及び２４４され得、次いで、電荷アンプ２４５によって増幅され、増幅された感知信号２４８が、スペクトル拡散キャリア２２１によって駆動される復調器２２４によって復調される。復調された感知信号２４９はフィルタリングされ２５１、測定感知容量信号に対応するデジタルセンサデータへの変換のため、ＡＤＣ１６（Ｒｅｆｇｅｎ１８によって参照される）に入力される。

この実施形態は、容量性センサの物理的寸法が大きい場合など、キャリア生成器が近傍の電子回路に干渉し得る応用例に有利である。いかなる周波数帯域における放射もスペクトル拡散キャリア２２１を用いて低減され得、キャリア放射がより広い周波数帯域にわたって広がり、そのため、その帯域内のいかなる特定の周波数における信号強度も低減される。増幅感知信号２４８を復調するために同じスペクトル拡散キャリア信号が用いられるので、測定精度に影響を与えない。ただし、バンドパスフィルタリングが用いられる場合、バンドパスフィルタはスペクトル拡散キャリア２２１によって用いられるより広い周波数帯域を包含するように構成されるべきである。

図３は、ナイキストノイズ及びキャリア復調像を抑制するための復調後フィルタリング（ナイキスト及び像除去）３５１を統合するシグマデルタコンバータ３１６としてデータ変換ＡＤＣが実装される、ＷＣＤＣ３１１の例示の代替実施形態を示す。シグマデルタコンバータを用いることへの設計変更を除き、図３の実施形態のための例示構成は、固定周波数キャリア３２１の使用及びＣＴＣＶ信号経路における電荷アンプ３５４（コンデンサフィードバック３４６を備える）の使用を含み、図１Ａの実施形態と同じである。

図１Ａと同様、Ｒｅｆｇｅｎ１８（電圧又は電流）からの基準信号３３１が、キャリア（固定周波数）信号３２１によって駆動される変調器３２３に入力され、キャリア／駆動信号３３２が生成される。キャリア／駆動信号３３２は、任意選択でプリスケーリング３３４され、ＣＴＣＶ出力ノードＡを介して駆動出力３３５される。キャリア／駆動信号３３９が、感知コンデンサＣｓｅｎｓを駆動し、Ｃｓｅｎｓの容量をキャリア周波数までアップ変調する。アップ変調された感知信号３４１が、入力ノードＢを介してＣＴＣＶ感知信号経路に結合される。アップ変調された感知信号３４１は、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタリング３４３／３４４され、次いで、電荷コンデンサ３４５によって増幅され、増幅された感知信号３４８が、キャリア（固定周波数）３２１によって駆動される復調器３２４に入力される。復調された感知信号３２８は、測定感知容量信号に対応するデジタルセンサデータへの変換のため、シグマデルタコンバータ３１６（Ｒｅｆｇｅｎ１８によって参照される）に入力される。

シグマデルタ変換の利点はローノイズであることであり、シグマデルタ変換により、ナイキスト及び像除去フィルタリング３５１がデータコンバータの一部として統合される。これは、シグマデルタコンバータ３１６の第１利得段階におけるノイズがフィルタによって低減されるからである。

図４、図５、及び図６は、二重感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２を用いる差動容量センシングに適合される例示実施形態に従った広帯域容量センシングを実装する広帯域容量性センシングアーキテクチャの例示実施形態を示す。

図４は、二重感知コンデンサＣｓｅｎｓ１及びＣｓｅｎｓ２を用いる広帯域差動容量センシングのために構成されるＷＣＤＣ４１１の例示実施形態を示し、ＷＣＤＣは、変調４２３される差動キャリア／駆動信号４３５＿１及び４３５＿２を生成するためにキャリア（固定周波数）生成器４２１を含むＣＴＣＶフロントエンド４１４を含む。差動キャリア／駆動信号４３５＿１及び４３５＿２は、加算ノードＢを介してＣＴＣＶフロントエンドに入力される感知（容量）信号をアップ変調するため、及び、バンドパスフィルタリング４４４及び増幅４４５の後にキャリア信号から感知信号を復調４２４するために、Ｃｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に駆動出力される（ノードＡ１及びＡ２）。

図５は、ナイキストノイズ及びキャリア復調像を抑制するための復調後フィルタリング５５１を統合するシグマデルタコンバータ５１６としてデータ変換ＡＤＣが実装される、ＷＣＤＣ５１１（差動Ｃｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２感知信号入力を用いる）の例示の代替実施形態を示す。

図６は、スペクトル拡散キャリア信号６２１がＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路変調器６２３及びＣＴＣＶ感知信号経路復調器６２４を駆動する、ＷＣＤＣ６１１（差動Ｃｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２容量感知信号入力を用いる）の例示の代替実施形態を示す。

これらの例示実施形態では、差動キャリア／駆動信号を生成し差動感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に駆動出力することを含む差動容量性センシングアーキテクチャを用いることに加えて、ＣＴＣＶ感知信号経路は、（図１Ａ、図２、及び図３の実施形態で用いられる電荷アンプではなく）トランスインピーダンスアンプを用いて実装される。図１、図２、及び図３の例示実施形態におけるように、追加の設計選択には、キャリア信号生成（固定周波数又はスペクトル拡散）及びデータ変換（ＡＤＣなど）が含まれる。

差動容量性センシングでは、ＷＣＤＣは、差Ｃｓｅｎｓ１−Ｃｓｅｎｓ２に対応するセンサ容量データ（デジタルへの変換後）を出力する。ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路は、同位相及び逆位相キャリア／駆動信号を生成し、これらの信号はそれぞれのノードＡ１／Ａ２から出力される。差動キャリア／駆動信号は、それぞれの感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に印加され、いずれの場合も感知容量をキャリア周波数までアップ変調する。

アップ変調された感知信号は加算ノードＢに入力され、（任意選択の）フィルタリング及び増幅（フィードバックレジスタを用いるトランスインピーダンスアンプ）の後、ＣＴＣＶ感知信号経路において復調される。測定容量のいかなる差動変化も、差動感知された容量のキャリア周波数へのアップ変調に帰着するので、差動感知容量信号（加算ノードＢで加算される）は、キャリアを中心とする狭帯域に集中する。

図４は、例示実施形態に従った感知（容量）信号変調を用いる、差動広帯域容量性センシングアーキテクチャ４１０の例示実施形態を示す。この例示の広帯域容量性センシングアーキテクチャ４１０は、差動容量センシング（Ｃｓｅｎｓ１−Ｃｓｅｎｓ２）のため、二重感知コンデンサＣｓｅｎｓ１及びＣｓｅｎｓ２（１２＿１及び１２＿２）にインターフェースされる差動ＷＣＤＣ４１１を用いて実装される。

ＷＣＤＣ１１は、二重感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２（センサ容量をキャリア周波数までアップ変調する）を差動駆動するため、及び、入力加算ノードＢを介して差動センサ容量測定を捕捉するためにＣＴＣＶフロントエンド４１４を含み、フィルタリング（任意選択）増幅及び復調を実施して感知容量測定を回復する。復調された感知容量測定をデジタルセンサデータに変換するため、ＡＤＣ１６によってデータ変換が提供される。

ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路では、Ｒｅｆｇｅｎ１８からの基準信号４３１（電圧又は電流）が、キャリア（固定周波数）信号４２１によって駆動される変調器４２３に入力され、キャリア／駆動信号３３２が生成される。ＣＴＣＶ感知信号経路におけるトランスインピーダンスアンプを用いるこの実施形態では、積分器４３３がＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路に含まれる。積分されたキャリア／駆動信号４３２（任意選択でプリスケーリング４３４される）は、ローインピーダンスバッファアンプ４３５＿１及び４３５＿２により差動駆動され、出力ノードＡ１／Ａ２を介して同位相及び逆位相キャリア／駆動信号４３９＿１及び４３９＿２として出力される。

差動キャリア／駆動信号４３９＿１及び４３９＿２は、差動感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に供給され、感知容量をキャリア周波数までアップ変調する。

ＣＴＣＶ感知信号経路では、差動感知容量信号が、アンプ（トランスインピーダンス）フィードバック制御によって仮想接地として維持される入力加算ノードＢで加算される。（キャリア周波数までアップ変調された）入力差動感知容量測定４４１は、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタリング４４３／４４４され得、次いで、トランスインピーダンスアンプ４４５／４４６によって増幅され、キャリア４２１によって駆動される復調器４２４により復調される。復調された感知信号４４８はフィルタリングされ４５１、測定感知容量信号４４１に対応するデジタルセンサデータへの変換のため、ＡＤＣ１６（Ｒｅｆｇｅｎ１８によって参照される）に入力される。

図５は、復調後フィルタリング（ナイキスト及び像除去）５５１を統合するシグマデルタコンバータ５１６としてデータ変換が実装される、差動ＷＣＤＣ５１１の例示の代替実施形態を示す。シグマデルタコンバータを用いることへの設計変更を除くと、図５の実施形態のための例示構成は、固定周波数キャリア５２１の使用及びＣＴＣＶ感知信号経路におけるトランスインピーダンスアンプ５４５の使用（レジスタフィードバック５４６を用い、ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路において積分器５３３を用いる）を含めて、図４の実施形態と同じである。

ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路において、Ｒｅｆｇｅｎ１８からの基準信号５３１（電圧又は電流）が、キャリア（固定周波数）信号５２１によって駆動される変調器５２３に入力され、キャリア／駆動信号５３２が生成され、積分５３３され、次いで、差動駆動され５３５＿１／５３５＿２（任意選択でプリスケーリングされ５３４）、出力ノードＡ１／Ａ２を介して、同位相及び逆位相キャリア／駆動信号５３９＿１及び５３９＿２として出力される。

差動キャリア／駆動信号５３９＿１及び５３９＿２は、差動感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に供給され、感知容量をキャリア周波数までアップ変調する。

差動アップ変調感知容量信号は、アップ変調された（差動）感知容量信号５４１として、入力加算ノードＢを介してＣＴＣＶ感知信号経路５１４に結合される。（キャリア周波数までアップ変調された）入力（差動）感知容量測定５４１は、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタリングされ５４３／５４４、次いで、トランスインピーダンスアンプ５４５／５４６によって増幅され、キャリア５２１によって駆動される復調器５２４によって復調される。

復調された感知信号５４９は、測定された差動感知容量信号に対応するデジタルセンサデータへの変換のため、シグマデルタコンバータ５１６（これは、ナイキスト及び像除去フィルタリング５５１を統合し、Ｒｅｆｇｅｎ１８によって参照される）に入力される。

図６は、スペクトル拡散信号生成器６２１を用いてＣＴＣＶキャリア／駆動経路変調器６２３及びＣＴＣＶ感知信号経路復調器６２４を駆動して特定周波数における放射を低減する、ＷＣＤＣ６１１の例示の代替実施形態を示す。スペクトル拡散キャリアを用いることへの設計変更を除くと、図６の実施形態のための例示構成は、ＣＴＣＶ信号経路におけるトランスインピーダンスアンプ６４５（レジスタフィードバック６４６を用いる）の使用、及びデジタルセンサデータへの変換のためのＡＤＣ１６の使用を含めて、図４の実施形態と同じである。

ＣＴＣＶキャリア／駆動信号経路において、Ｒｅｆｇｅｎ１８からの基準信号６３１（電圧又は電流）が、スペクトル拡散信号６２１によって駆動される変調器６２３に入力され、キャリア／駆動信号６３２が生成され、積分され６３３、次いで、差動駆動され６３５＿１／６３５＿２（任意選択でプリスケーリングされ６３４）、同位相及び逆位相キャリア／駆動信号６３９＿１及び６３９＿２として、出力ノードＡ１／Ａ２を介して出力される。

差動感知コンデンサＣｓｅｎｓ１／Ｃｓｅｎｓ２に供給される差動キャリア／駆動信号６３９＿１及び６３９＿２は、感知容量をキャリア周波数までアップ変調する。

差動アップ変調感知容量信号は、アップ変調された（差動）感知容量信号６４１として、入力加算ノードＢを介してＣＴＣＶ感知信号経路６１４に結合される。（キャリア周波数までアップ変調された）入力差動感知容量測定６４１は、ＥＭＩ及び／又はバンドパスフィルタリングされ６４３／６４４、次いで、トランスインピーダンスアンプ６４５／６４６によって増幅され、スペクトル拡散キャリア６２１によって駆動される復調器６２４によって復調される。バンドパスフィルタリングが用いられる場合、バンドパスフィルタ６４４は、スペクトル拡散キャリア６２１によって用いられるより広い周波数帯域を包含するように構成されるべきである。

復調された感知信号６４９は、フィルタリングされ６５１、測定された感知容量信号に対応するデジタルセンサデータへの変換のため、ＡＤＣ１６（Ｒｅｆｇｅｎ１８によって参照される）に入力される。

シングルエンド又は差動容量性センシングのための例示実施形態に従った広帯域容量性センシングアーキテクチャを構成することは設計選択である。様々な例示実施形態のための、様々な周知の設計トレードオフを伴う他の設計選択には、（ａ）感知コンデンサを駆動するために用いられるアップ変調キャリア信号のタイプ（固定周波数又はスペクトル拡散など）及び（ｂ）データ変換手法（入力ナイキスト／像除去フィルタ後のＡＤＣ、又はナイキスト／像除去フィルタリングが統合されるシグマデルタコンバータなど）が含まれる。

広帯域容量性センシングアーキテクチャの利点には、ノイズ耐性及び低電力が含まれる。ノイズ耐性は、感知コンデンサにサンプリングが適用されない結果であり、そのためエイリアシングが生じ得ず、また、キャリアが用いられるので、最小の干渉で情報信号が或る帯域に移動され得る一方、すべての他の周波数が抑制され得る。大寄生コンデンサの存在下で電力が低減される。精度に関しては、オーバーサンプリングされるデータコンバータがセンシング応用例では有利であり得る。これは、感知コンデンサのいずれかの側に接地される寄生容量により、注目する最大周波数よりも少し高い周波数でキャリアが選択され得、高調波の数が最小化され、正確にオーバーサンプリングするシグマデルタコンバータの使用が依然として可能だからである。

要約すると、例示実施形態に従った感知（容量）信号変調を用いる広帯域容量性センシングは、（ａ）キャリア周波数（固定周波数又はスペクトル拡散など）のキャリア信号を生成するためのキャリア生成回路要素、（ｂ）基準信号を生成するための基準回路要素、（ｃ）容量性センシングに使用可能なキャリア／駆動信号を出力ノードを介して駆動出力するためのキャリア／駆動信号経路回路要素であって、キャリア信号を用いて基準信号を変調してキャリア周波数でキャリア／駆動信号を生成するための変調回路要素、及び出力ノードを介してキャリア／駆動信号を駆動出力するための駆動回路要素を含む、キャリア／駆動信号経路回路要素、並びに（ｄ）容量性センシングからの測定容量に対応するアップ変調感知容量信号を入力ノードで受け取るための感知信号経路回路要素、を用いて実装され得、感知容量信号はキャリア／駆動信号に基づいてキャリア周波数までアップ変調され、感知信号経路回路要素は、増幅アップ変調感知容量信号を生成するためのアンプ回路要素と、キャリア信号に基づいて増幅アップ変調感知容量信号を復調するための復調回路要素とを含み、復調された感知容量信号を生成する。復調された感知容量信号をセンサデジタルデータに変換するためにデータ変換回路要素が有用であり、これは、例えば、（ａ）復調された感知容量信号に対してナイキストフィルタリング及びキャリア像除去を提供する入力フィルタに結合されるアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）、又は（ｂ）入力ナイキストフィルタリング及びキャリア像除去を含むシグマデルタコンバータのいずれかなどである。広帯域差動容量性センシングでは、（ａ）キャリア／駆動信号経路回路要素が、第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成し、これらの駆動信号が積分され、それぞれ第１及び第２の出力ノードを介して第１及び第２の感知コンデンサに駆動出力され、（ｂ）第１及び第２のキャリア駆動信号に応答して、第１及び第２の感知コンデンサが、測定され、キャリア周波数までアップ変調される容量に対応するそれぞれの第１及び第２のアップ変調感知容量信号を提供し、（ｃ）感知信号経路回路要素が、第１及び第２のアップ変調された感知容量信号を入力ノードで受け取り、これらの信号が加算されて、アップ変調された差動感知容量信号になる。

設計選択／改変には、（ａ）キャリア／駆動信号経路に含まれる、キャリア／駆動信号をプリスケーリングするためのプリスケール回路要素、（ｂ）感知信号経路に含まれる、アップ変調された感知容量信号をＥＭＩフィルタリングするためのＥＭＩフィルタ回路要素、及び／又はアップ変調された感知容量信号をバンドパスフィルタリングするため、及び、アンプ回路要素にバンドパスフィルタリングされた感知容量信号を提供するための入力バンドパスフィルタ回路要素、並びに（ｃ）アップ変調された感知容量信号を受け取るように結合されるアンプ反転入力に結合されるフィードバックコンデンサを含む電荷アンプと、アップ変調された感知容量信号を受け取るように結合されるアンプ反転入力に結合されるフィードバックレジスタを含むトランスインピーダンスアンプとの一方を用いて感知信号経路において増幅を実装することが含まれ、キャリア／駆動信号経路回路要素はさらに、キャリア／駆動信号を積分する積分器を含む。

特許請求の範囲内で、説明した実施形態における改変が可能であり、他の実施形態が可能である。

Claims (14)

1. 容量センシングに適する回路であって、
   キャリア周波数でキャリア信号を生成するためのキャリア生成回路要素と、
   基準信号を生成するための基準回路要素と、
   容量性センシングに使用可能なキャリア／駆動信号を出力ノードを介して駆動出力するためのキャリア／駆動信号経路回路要素であって、
   前記キャリア周波数で前記キャリア／駆動信号を生成するために前記キャリア信号を用いて前記基準信号を変調するための変調回路要素と、
   前記キャリア／駆動信号を積分するための積分回路要素と、
   前記出力ノードを介して前記積分されたキャリア／駆動信号を駆動出力するための駆動回路要素と、
   を含む、前記キャリア／駆動信号経路回路要素と、
   容量性センシングからの測定容量に対応するアップ変調感知容量信号を入力ノードで受け取るための感知信号経路回路要素であって、前記アップ変調感知容量信号が、前記積分されたキャリア／駆動信号に基づいて前記キャリア周波数までアップ変調され、
   増幅されたアップ変調感知容量信号を生成するための、抵抗性フィードバック回路要素を備えるトランスインピーダンスアンプ回路要素と、
   前記キャリア信号に基づいて前記増幅されたアップ変調感知容量信号を復調するための復調回路要素であって、復調された感知容量信号を生成する、前記復調回路要素と、
   を含む、前記感知信号経路回路要素と、
   前記復調された感知容量信号をデジタルデータに変換するためのデータ変換回路要素であって、
   ナイキストフィルタリングとキャリア像除去とを含めて、前記復調された感知容量信号をフィルタリングするための出力フィルタ回路要素と、
   前記復調された感知容量信号をデジタル化するためのアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）であって、前記ＡＤＣが前記基準信号によって参照される、前記ＡＤＣと、
   を含む、前記データ変換回路要素と、
   を含む、回路。
2. 請求項１に記載の回路の方法であって、
   前記データ変換回路要素が、ナイキストノイズ及びキャリア像除去のための入力フィルタリングを含むシグマデルタコンバータを更に含む、回路。
3. 請求項１に記載の回路であって、
   前記感知信号経路回路要素が、
   前記アップ変調感知容量信号をＥＭＩフィルタリングするためのＥＭＩフィルタ回路要素と、及び／又は、
   前記アップ変調感知容量信号をバンドパスフィルタリングし、前記トランスインピーダンスアンプ回路要素にバンドパスフィルタリングされた感知容量信号を提供するための、入力バンドパスフィルタ回路要素と、
   を更に含む、回路。
4. 請求項１に記載の回路であって、
   前記基準信号を変調し、前記増幅されたアップ変調感知容量信号を復調するために用いられる前記キャリア信号が、固定周波数信号とスペクトル拡散信号との一方である、回路。
5. 請求項１に記載の回路であって、
   前記回路が、第１及び第２の感知コンデンサを用いる差動容量性センシングに適合され、
   前記キャリア／駆動信号経路回路要素が第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成し、各々が、積分され、それぞれ第１及び第２の出力ノードを介して前記第１及び第２の感知コンデンサに駆動出力され、
   前記積分された第１及び第２のキャリア駆動信号に応答して、前記第１及び第２の感知コンデンサが、測定され前記キャリア周波数までアップ変調された容量に対応する、それぞれの第１及び第２のアップ変調感知容量信号を提供し、
   前記感知信号経路回路要素が前記第１及び第２のアップ変調感知容量信号を前記入力ノードで受け取り、前記第１及び第２のアップ変調感知容量信号が加算されてアップ変調差動感知容量信号になる、回路。
6. 容量センシングに適する回路であって、
   キャリア周波数でキャリア信号を生成するためのキャリア生成回路要素と、
   基準信号を生成するための基準回路要素と、
   容量性センシングに使用可能なキャリア／駆動信号を出力ノードを介して駆動出力するためのキャリア／駆動信号経路回路要素であって、
   前記キャリア周波数で前記キャリア／駆動信号を生成するために前記キャリア信号を用いて前記基準信号を変調するための変調回路要素と、
   前記キャリア／駆動信号を積分するための積分回路要素と、
   前記出力ノードを介して前記積分されたキャリア／駆動信号を駆動出力するための駆動回路要素と、
   前記積分されたキャリア／駆動信号をプリスケーリングするためのプリスケール回路要素と、
   を含む、前記キャリア／駆動信号経路回路要素と、
   容量性センシングからの測定容量に対応するアップ変調感知容量信号を入力ノードで受け取るための感知信号経路回路要素であって、前記アップ変調感知容量信号が、前記積分されたキャリア／駆動信号に基づいて前記キャリア周波数までアップ変調され、
   増幅されたアップ変調感知容量信号を生成するための、抵抗性フィードバック回路要素を備えるトランスインピーダンスアンプ回路要素と、
   前記キャリア信号に基づいて前記増幅されたアップ変調感知容量信号を復調するための復調回路要素であって、復調された感知容量信号を生成する、前記復調回路要素と、
   を含む、前記感知信号経路回路要素と、
   を含む、回路。
7. 容量センシングのためのシステムであって、
   少なくとも１つの感知コンデンサと、
   前記少なくとも１つの感知コンデンサの底部端子に結合される少なくとも１つの出力ノードと前記感知コンデンサの頂部端子に結合される入力ノードとを含む広帯域容量−デジタルコンバータ（ＷＣＤＣ）と、
   を含み、
   前記ＷＣＤＣが、
   キャリア周波数でキャリア信号を生成するためのキャリア生成回路要素と、
   基準信号を生成するための基準回路要素と、
   前記少なくとも１つの出力ノードから前記少なくとも１つの感知コンデンサへの出力のためのキャリア／駆動信号を生成するためのキャリア／駆動信号経路回路要素であって、
   前記キャリア周波数で前記キャリア／駆動信号を生成するために前記キャリア周波数で前記キャリア信号を用いて前記基準信号を変調するための変調回路要素と、
   前記キャリア／駆動信号を積分するための積分回路要素と、
   前記少なくとも１つの出力ノードを介して前記積分されたキャリア／駆動信号を駆動出力するための駆動回路要素と、
   を含み、前記積分されたキャリア駆動信号に応答して、前記少なくとも１つの感知コンデンサが、測定され前記キャリア周波数までアップ変調された容量に対応するアップ変調感知容量信号を提供する、前記キャリア／駆動信号経路回路要素と、
   前記入力ノードで前記アップ変調感知容量信号を受け取るための感知信号経路回路要素であって、
   増幅アップ変調感知容量信号を生成するための、抵抗性フィードバック回路要素を備えるトランスインピーダンスアンプ回路要素と、
   前記キャリア信号を用いて前記増幅アップ変調感知容量信号を復調するための復調回路要素であって、復調された感知容量信号を生成する、前記復調回路要素と、
   を含む、前記感知信号経路回路要素と、
   前記復調された感知容量信号を測定容量に対応するセンサデジタルデータに変換するためのデータ変換回路要素であって、
   アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）に結合される入力フィルタであって、前記復調された感知容量信号に対してナイキストフィルタリング及びキャリア像除去を提供する、前記入力フィルタと、
   入力ナイキストフィルタリングとキャリア像除去とを含むシグマデルタコンバータと、
   の一方であり、前記データ変換回路要素が前記基準信号によって参照される、前記データ変換回路要素と、
   を含む、システム。
8. 請求項７に記載のシステムであって、
   前記キャリア／駆動信号経路回路要素が、前記キャリア／駆動信号をプリスケーリングするためのプリスケール回路要素を更に含み、及び／または、
   前記感知信号経路回路要素が、
   前記アップ変調感知容量信号をＥＭＩフィルタリングするためのＥＭＩフィルタ回路要素と、及び／又は、
   前記アップ変調感知容量信号をバンドパスフィルタリングし、前記トランスインピーダンスアンプ回路要素にバンドパスフィルタリングされた感知容量信号を提供するための、入力バンドパスフィルタ回路要素と、
   を含む、システム。
9. 請求項７に記載のシステムであって、
   前記基準信号を変調し、前記増幅アップ変調感知容量信号を復調するために用いられる前記キャリア信号が、固定周波数信号とスペクトル拡散信号との一方である、システム。
10. 請求項７に記載のシステムであって、
    第１及び第２の差動感知コンデンサを更に含み、
    前記ＷＣＤＣが第１及び第２の出力ノードと入力加算ノードとを更に含み、
    前記キャリア／駆動信号経路回路要素が第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成し、各々が、積分され、それぞれ前記第１及び第２の出力ノードを介して前記第１及び第２の感知コンデンサに駆動出力され、
    前記第１及び第２のキャリア駆動信号に応答して、前記第１及び第２の感知コンデンサが、測定され前記キャリア周波数までアップ変調される容量に対応する、それぞれの第１及び第２のアップ変調感知容量信号を提供し、
    前記感知信号経路回路要素が前記第１及び第２のアップ変調感知容量信号を前記入力ノードで受け取り、前記第１及び第２のアップ変調感知容量信号が、加算されてアップ変調差動感知容量信号になる、システム。
11. 少なくとも１つの感知コンデンサを含む容量性センシングシステムに適合可能な容量性センシングのための方法であって、
    キャリア周波数でキャリア信号を生成することと、
    基準信号を生成することと、
    キャリア／駆動信号経路において、前記少なくとも１つの感知コンデンサへの出力のためのキャリア／駆動信号を生成することであって、
    前記キャリア周波数で前記キャリア／駆動信号を生成するために前記キャリア信号を用いて前記基準信号を変調することと、
    積分されたキャリア／駆動信号を提供するために前記キャリア／駆動信号を積分することと、
    測定され前記キャリア周波数までアップ変調される容量に対応する、少なくとも１つのアップ変調感知容量信号を生成するために、前記少なくとも１つの感知コンデンサに前記積分されたキャリア／駆動信号を駆動出力することと、
    を含む、前記キャリア信号を生成することと、
    感知信号経路において、
    測定容量に対応し、前記キャリア／駆動信号によって前記キャリア周波数までアップ変調された前記アップ変調感知容量信号を前記少なくとも１つの感知コンデンサから受け取り、
    抵抗性フィードバック回路要素を備えるトランスインピーダンス増幅器を用いて、前記アップ変調感知容量信号を増幅し、
    前記キャリア信号を用いて増幅アップ変調感知容量信号を復調して、復調された感知容量信号を生成することと、
    前記復調された感知容量信号をセンサデータに変換することであって、前記センサデータが前記少なくとも１つの感知コンデンサからの前記アップ変調感知容量信号に対応し、前記変換することが、入力ナイキストフィルタリングとキャリア像除去とを含むシグマデルタコンバータによって達成され、前記シグマデルタコンバータが前記基準信号によって参照される、前記変換することと、
    を含む、方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記キャリア／駆動信号経路において、前記キャリア／駆動信号をプリスケーリングすることと、及び／または、
    前記感知信号経路において、
    増幅の前に前記アップ変調感知容量信号をＥＭＩフィルタリングし、及び／又は、
    増幅の前に前記アップ変調感知容量信号をバンドパスフィルタリングすることと、
    を更に含む、方法。
13. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記基準信号を変調し、前記増幅アップ変調感知容量信号を復調するために用いられる前記キャリア信号が、固定周波数信号とスペクトル拡散信号との一方である、方法。
14. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記方法が、第１及び第２の差動感知コンデンサを含む差動センシングシステムでの使用のために適合され、
    前記キャリア／駆動信号経路において、それぞれ前記第１及び第２の感知コンデンサに駆動出力される積分された第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成することであって、前記積分された第１及び第２のキャリア駆動信号に応答して、前記第１及び第２の感知コンデンサが、測定され前記キャリア周波数までアップ変調される容量に対応する、それぞれの第１及び第２のアップ変調感知容量信号を提供する、前記第１及び第２のキャリア／駆動信号を生成することと、
    前記感知信号経路において、前記第１及び第２のアップ変調感知容量信号をアップ変調差動感知容量信号として加算することと、
    を更に含む、方法。

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