KR20100109935A - 시간 경사 커패시턴스 측정 회로 및 방법 - Google Patents

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Abstract

시간 경사 커패시턴스 측정 회로는 미지의 커패시턴스를 결정하기 위해서 기준 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑하도록 시간을 이용하며, 여기에서 램핑 시간은 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 의해 결정된다. 측정 분해능은 이전의 전압 신호 램프의 최종 클럭 사이클 중에 증가하는 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 다음 전압 신호 램프에 대한 시작 전압 레벨을 조절함으로써 향상될 수 있다.

Description

시간 경사 커패시턴스 측정 회로 및 방법{TIME-SLOPED CAPACITANCE MEASURING CIRCUITS AND METHODS}
본 특허 서류는 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 2007년 12월 28일자로 출원된 바와 같이 "복수 커패시턴스 측정 회로 및 방법(Multiple Capacitance Measuring Circuits and Methods)"이라는 발명의 명칭을 가진 미국 가특허출원 제61/017,451호의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 복수 신호 램프에 걸쳐서 시간 경사 방식으로 커패시턴스를 측정하기 위한 회로와 방법에 관한 것으로서, 특히 이전 신호 램프로부터의 잔여 신호를 확인하기 위해서 다음 신호 램프를 조절하는 것에 관한 것이다.
터치 감응 디바이스는 기계적 버튼, 키패드, 키보드 및 포인팅 디바이스에 대한 필요를 줄이거나 제거함으로써 사용자가 전자적 시스템 및 디스플레이와 편리하게 상호 작용하도록 해준다. 예를 들어, 사용자는 아이콘에 의해 식별되는 위치에서 디스플레이 중인 터치 스크린을 간단히 터치함으로써 복잡한 일련의 명령어들을 실행할 수 있다. 많은 터치 감응 디바이스에서, 입력은 센서에 있는 전도성 물체가 사용자의 손가락과 같은 전도성 터치 도구에 용량적으로 연결될 때 감지된다. 그러한 디바이스는 터치 장애 때문에 복수의 위치에서 커패시턴스를 측정하며, 터치 위치를 결정하기 위해 측정된 커패시턴스를 사용한다.
소정 실시예에서, 본 발명은 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 사용하기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법은, 최종 클럭 사이클 중에 시간(t1)에서 현재 램프 사이클 중에 기준 전압 중 하나에 도달 하자마자, 시간(t1)으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 중에 발생하는 증가 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계, 및다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 현재 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 발명은 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치를 제공한다. 그러한 장치는,최종 클럭 사이클 중에 시간(t1)에서 현재 램프 사이클 중에 기준 전압 중 하나에 도달함에 대응해서, 시간(t1)으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 현재 램프 사이클 중에 발생하는 증가하는 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관해서 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 램프 제어 회로, 및다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 현재 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 계수기 제어 회로를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 발명은 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 각 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 각 위치에 인가함으로써 다수의 위치에서 커패시턴스를 측정하며, 여기에서 각 위치의 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 각 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치를 제공한다. 그러한 장치는각각의 전압 신호의 램핑을 제어하기 위해서 다수의 위치의 각각과 관련되며, 각각 이전 램프 사이클의 최종 클럭 사이클 중에 각 전압 신호의 증가하는 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째와 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관련하여 각 전압 신호의 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하도록 동작할 수 있는 램프 제어 회로, 및다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 이전 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 계수기 제어 회로를 포함한다.
소정 실시예에 있어서, 본 발명은 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 사용하기 위한 커패시턴스 측정 분해능을 증가시키기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법은이전 전압 신호 램프 사이클의 최종 클럭 사이클 중에 증가 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관해서 다음 전압 신호 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 보다 완전한 이해와 더불어 이점 및 효과는 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명 및 청구의 범위를 참조함으로써 명백해지고 이해될 것이다.
본 개시는 첨부 도면과 관련하여 다양한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 고려해서 더 완전하게 이해되며 평가될 수 있으며, 여기에서
도 1a 내지 1c는 본 발명의 소정 실시예에서 유용한 예시적 터치 센서 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2a와 2b는 본 발명의 소정 실시예에서 유용한 예시적 제어 회로의 부분을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 소정 실시예에 유용한 예시적 제어 회로를 개략적으로 도시한다.
도 4a와 4b는 본 발명의 소정 실시예에 따른 커패시턴스 측정 회로의 동작을 표시하는 예시적 타이밍도를 개략적으로 도시한다.
도 4c는 비교 커패시턴스 측정 회로의 동작을 표시하는 타이밍도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 소정 실시예에 따른 복수의 커패시턴스 측정 회로의 동작을 표시하는 타이밍도를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 소정 실시예에서 유용한 예시적인 누적기 회로를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태로 될 수 있지만, 그 구체적 사항은 도면에 예시적으로 도시되어 있으며 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 한정하고자 의도한 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되는 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안예를 포함하고자 한다.
예시된 실시예의 하기의 설명에서, 본 명세서의 일부를 구성하며 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예가 예시로서 도시된 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 실시예들이 이용될 수도 있으며 구조적 변경이 이루어질 수도 있음을 이해하여야 한다.
소정 실시예에서, 본 개시는 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키며 전압이 복수의 램프 사이클에 걸쳐 램핑하는 중에 누적된 클럭 사이클의 수를 계수함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하는 것에 관한 것이다. 일반적으로, 개별적인 전압 신호 램프는 클럭 사이클 중에 그 역치 레벨(예를 들어, 전압 기준 레벨 중 하나)에 도달할 것이며, 그 끝에서 램프 사이클은 종료한다(따라서, 전압 역치가 도달되는 클럭 사이클은 그 램프에 대한 "최종 클럭 사이클"이라고 불릴 수 있다). 전압 역치(또는 다른 지정된 기준 레벨)로부터 다음(예를 들어, 바로 뒤의) 전압 신호 램프를 시작하기보다는, 다음 램프를 위한 시작 전압 레벨이 역치에 도달하는 것과 최종 클럭 사이클의 끝 사이에서 발생된 증가 전압 램핑을 보상하도록 조절된다.다음 시작 전압 레벨이 어떻게 조절되는 가에 따라서, 조절이 방금 완성된 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수 만큼 이루어질 수 있다. 예를 들어, 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 것은 최종 클럭 사이클을 계수할 것인가를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
소정 실시예에서, 다음 램프 사이클의 시작 전압 레벨을 조절하는 것은 잔여 미계수 시간(즉, 클럭 사이클의 일부)을 하나의 램프 사이클에서 다른 램프 사이클로 이동시키는 효과를 가진다. 따라서, 단순히 잔여 시간을 잘라내며(바로 뒤의 완전한 클럭 사이클까지 올림하거나 마지막 완전한 클럭 사이클까지 내림함으로써) 그 후 바로 뒤의 램프에서 다시 시작하기 보다는, 다음 램프의 시작 전압 레벨을 조절하는 것은 잔여 시간의 통과가 방금 완성된 램프 사이클 및 다음 램프 사이클 중 어느 하나에서 계수되도록 해준다. 예를 들어, 소정 실시예에서, 완전한 최종 클럭 사이클은 램프가 역치에 도달하는 것과 최종 클럭 사이클의 끝 사이의 잔여 시간 중에 반전되는 조건하에서 램프 사이클에서 계수될 수 있다. 이 잔여 시간 중에 램프를 반전시킴에 의해서, 잔여 시간은 본질적으로 다음 램프 사이클로부터 "차용된다". 다른 실시예에서, 최종 클럭 사이클은 계수되지 않으며, 잔여 시간은 이에 따라 시작 전압 레벨을 조절함으로써 다음 램프 사이클로 옮겨진다.
그러한 잔여 미계수 시간의 이동은 전압 신호 램프가 클럭과 비교할 때 상대적으로 빠른 조건하에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들어, 측정될 커패시턴스가 작을(예를 들어, 용량성 터치 센서 디바이스에서 마주칠 수 있는 것과 같이) 때에, 단지 적은 클럭 사이클들이 램프 사이클이 그 역치(예를 들어, 5 내지 50개의 클럭 사이클)에 도달하기 위해 필요하게 될 수 있다. 그러한 환경하에서,커패시턴스 측정은 계수된 클럭 사이클의 총수에 기초하기 때문에 커패시턴스 측정의 분해능은 클럭에 의해 제한된다. 잔여 시간을 이동시키는 것은 클럭 시간의 그렇지 않으면 미계수되는 부분을 확인하게 해주어, 잠재적으로 증대된 측정 분해능을 가져다준다.
일반성의 손실없이 그리고 효율적인 설명을 목적으로, 터치 센서 시스템 환경의 관점에서 본 발명의 다양한 태양들을 기술하는 것이 유용하다. 그러나, 그러한 기술은 단지 예시적이며 제한적이지 않으며, 그리고 본 발명의 태양들은 커패시턴스가 측정되며 측정된 커패시턴스의 상대적인 크기나 비율이 계산되는 많은 응용에서 적합하게 구현될 수 있다는 것이 인정될 수 있을 것이다. 예들은 기구, 압력 게이지, 및 작은 거리, 면적 및 습기의 측정을 포함한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예들을 구현하는 데에 적합한 커패시턴스 측정 디바이스의 터치 센서 예를 도시한다. 소정 응용에서, 도시된 디바이스는 터치 물체의 존재 때문에 센서 표면 상의 하나 이상의 위치에서 커패시턴스나 상대 커패시턴스를 측정함으로써 센서 표면에 연결된 터치 물체에 관련되는 정보를 결정한다. 예를 들어, 도 1a의 디바이스(10)는 센서(12)의 모서리에 위치된 것으로 도시된 커패시턴스(Cx1 내지 Cx4)가 제어기(14)에 의해 측정되는 4-와이어 용량성 센서 시스템(또한 아날로그 용량성으로도 불리는)을 나타낸다. 센서(12)는 연속적인 저항층(Cleartek라는 상표명으로 쓰리엠 터치 시스템스 인코포레이티드(3M Touch Systems Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능한 용량성 터치 센서와 같은), 패턴되거나 분할된 저항층(2007년 4월 12일자로 출원된 동일인에게 양도된 미국 특허출원 제11/734,553호에 개시된 센서와 같은), 또는 어느 다른 적합한 센서일 수 있다. 다른 예로서, 도 1b의 디바이스(20)는 전극의 직교 세트와 전극의 각각에서 커패시턴스를 측정하는 제어기(24)를 포함하는 매트릭스 용량성 센서 시스템(미국 특허 공고 제2007/0074913에 개시된 것과 같은)을 나타낸다. 본 발명의 실시예들은 또한 버튼과 스위치 응용(개별적이거나 어레이로 된), 선형의 슬라이더 제어기 등등을 위해 커패시턴스를 측정하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1c의 디바이스(30)는 센싱 표면(32)과 센서 표면의 커패시턴스를 측정하는 제어기(34)를 포함하는 용량성 버튼 센서 시스템(30)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 도 1a의 시스템(10)은 마이크로프로세서(16)와 아날로그 용량성 센서(12)에 연결된 터치 제어기(14)를 포함하는 4-와이어 터치 실시예를 보여준다. 예시적인 실시예에서, 제어기(14)는 터치 신호 조절, 데이터 변환 및 실시간 처리와 같은 기능들을 수행하며, 반면에 마이크로프로세서(16)는 필터링 및 터치 좌표 계산과 같은 기능을 수행한다. 제어기(14)는 전류원(18a 내지 18d)을 이용해서 커패시턴스 측정 위치에서 센서(12)를 구동한다. 전도성 터치 물체가 센서(12)에 연결될 때, 결과적인 커패시턴스가 집중 커패시턴스(Cx1 내지 Cx4)에 의해 표시되는 각각의 모서리에서 측정된다. 도시의 편의를 위해서, 예시적인 실시예들이 전류 구동 회로의 관점에서 본 명세서에 기술된다. 그러나, 해당 기술분야에서 기술을 가진 자는 본 발명이 2006년 12월 19일자로 출원된 동일인에게 양도된 미국 특허출원 제11/612,790호에 개시된 것들과 같은 전압 구동 회로에 동일하게 적용 가능하다는 것을 인정할 것이다.
도시된 바와 같이, 도 1b의 시스템(20)은 마이크로프로세서(26)와 매트릭스 용량성 센서(30)에 연결된 터치 제어기(24)를 포함하는 매트릭스 터치 센서 실시예를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 제어기(24)는 터치 신호 조절, 데이터 변환 및 실시간 처리와 같은 기능을 수행하며, 반면에 마이크로프로세서(26)는 필터링 및 터치 좌표 계산과 같은 기능을 수행한다. 설명을 목적으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 제어기(24)는 아홉 개의 전류원(28a 내지 28i)을 통해 센서(30)를 구동하며, 각각의 전류원은 다른 센싱 전극에 연결된다. 전극은 바닥 전극(32)과 상부 전극(36 내지 39)을 포함하는 선형 바의 직교 세트들로서 배열된다. 기생 커패시턴스(표시되지 않음)는 바닥 전극(32)을 접지로 연결하며 상부 전극(36 내지 39)을 접지로 연결한다. 또한 바닥 전극(32)의 각각을 인접 바닥 전극에 연결하며 바닥 전극(32)의 각각을 상부 전극(36 내지 39)의 각각에 연결하는 상호 커패시턴스(표시되지 않음)가 있을 수 있다. 소정 실시예에서, 센서(30)는 기생 커패시턴스 때문에 그렇지 않다면 흐르게 될 전류를 감소시키기 위해 전기 전도성 실드(31)를 포함한다. 실드(30)는 고정 전압(표시되지 않음)에 연결될 수 있거나, 그것은 예를 들어 전극(32)에 인가된 전압 신호와 동일할 수 있는 AC 전기 신호 Vs를 이용해서 구동될 수 있다. 실드(31)와 전극(32) 사이 및 실드(31)와 전극(36 내지 39) 사이의 AC 전압차를 줄이는 것은 상호(기생) 커패시턴스를 통해 흐를 수 있는 용량성 전류를 줄여준다. 기생 커패시턴스는 터치 커패시턴스의 변화에 대한 민감성을 줄여주는 경향이 있기 때문에 이것은 바람직하다.
도시된 바와 같이, 도 1c의 시스템(40)은 마이크로프로세서(46)와 센서 표면(42)에 연결된 터치 제어기(44)를 포함하는 용량성 버튼 실시예를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 제어기(44)는 터치 신호 조절, 데이터 변환 및 실시간 처리와 같은 기능을 수행하며, 반면에 마이크로프로세서(46)는 필터링 및 터치 좌표 계산과 같은 기능을 수행한다. 제어기(44)는 전류원(48)을 이용해서 센서 표면(42)을 구동한다. 전도성 터치 물체가 센서(42)에 연결될 때, 결과적인 커패시턴스(Cx)가 측정된다. 위에서 언급된 바와 같이, 시스템(40)은 전압 구동 회로뿐만아니라 도시된 전류 구동 회로를 이용하여 구현될 수 있다.
도 2a와 2b는 예시적인 전류 구동 회로(100A와 100B)를 도시하며, 이것은 센서 표면 상에 있는 하나 이상의 전극 및/또는 센서 표면의 전극 상에 있는 하나 이상의 측정 위치를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 도 2a에서, 시간 경사 컨버터(104A)는 전류원(IS+ 및 IS-)으로부터 커패시턴스(Cx)로 양 및 음의 전류를 교대로 주입함으로써 양 및 음의 전압 램프 신호를 발생시킨다. 시간 경사 컨버터(104A)는 높은 역치가 IS+를 사용해서 전압 램프 중에 도달되거나 낮은 역치가 IS-를 사용해서 전압 램프 중에 도달되었을 때 제어 로직(106A)에 트리거(Trig)를 제공하는 비교기(A)를 포함한다. 커패시턴스(Cx)가 측정될 때, 전압 신호(V)가 높은 역치와 낮은 역치 사이에서 상승 및 하강 램핑되는 누적 램프 시간이 램핑 중에 생성되는 주 클럭 사이클(MClk)의 총수를 계수함으로써 통합 기간에 걸쳐 동시에 측정된다. 계수기(108A, 또한 Ctr로도 지시되는)는 MClk 계수값을 증가시킨다. 낮은 그리고 높은 전압 역치(본 명세서에서 -Vth 및 +Vth로 지시되는)는 히스테리시스 비교기(A, 슈미트 트리거)의 스위칭 점이다. 램프 신호(V)는 바람직한 비율로 정 및 역전류 발생기(IS+ 및 IS-)를 교대로 작동시킴으로써 발생된다. IS+가 켜졌을 때, 정전류가 Cx로 흘러서, 증가하는 전압 신호 램프를 발생시킨다. 램프 상승 및 하강 사이클은 요구되는 측정 분해능, 응답 시간 등등에 따라 바람직한 횟수 만큼 반복된다.
도 2b는, 도 2a에 도시된 컨버터(104A)와 매우 유사하게, 계수기(108B)의 정지와 시작을 조절하는 제어 로직(106B)에 트리거 신호(Trig)를 제공하는 비교기(A)를 구비하는 시간 경사 컨버터(104B)를 포함한 다른 예시적인 구동 회로(100B)를 도시한다. 구동 회로(100B)는 삼치 구동기(tri-state driver, D)와 저항기(R)를 추가적으로 포함하며, 이것들은 커패시터(Cx)로의 전류를 발생시키기 위해 도 2a의 컨버터(104A)에 도시된 전류원(IS+ 및 IS-)을 대치한다. 전류(100B)는 제어기 내에 있는 아날로그 전류원 없이 사용될 수 있다.
도 3은 네 개의 구동 회로(61 내지 64)를 구비한 제어기(60)를 예시하며, 이것들은 각각 예를 들어 4-와이어 아날로그 용량성 터치 센서의 센서 표면 상에 있는 다른 위치에서 커패시턴스(Cx1 내지 Cx4)를 측정하기 위해 사용된다. 도시된 바와 같이, 구동 회로(61 내지 64)는 각각 도 2a에 도시된 컨버터(104A)와 유사한 시간 경사 아날로그-디지털 컨버터이다. 전압 구동 회로뿐만 아니라 도 2b에 도시된 바와 같은 컨버터가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 비록 시간 경사 컨버터(61) 만이 도 3에 상세하게 도시되었지만, 시간 경사 컨버터(62, 63 및 64)의 각각은 대응하는 구성요소들을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 일반적인 경우에 있어, 분리된 측정 채널이 각각의 커패시턴스 측정 위치를 위해 사용되며, 그것은 매트릭스 터치 센서의 경우에 개별 전극의 수(예를 들어, 8x8 전극 매트릭스를 위한 16개의 측정 위치)와 동등할 수 있다.
시간 경사 컨버터는 이중 경사 컨버터와 어느 정도 유사하며, 각 컨버터는 전류원으로부터 커패시턴스(Cx1 내지 Cx4)로 정방향 및 역방향 전류를 교대로 주입함으로써 정(+) 및 역(-) 램프 신호를 발생시키도록 구성된다. 예를 들어, 시간 경사 컨버터(61)는 전류원(IS1+ 및 IS1-)을 포함한다(그리고, 비록 표시되지 않았으나, 일관성있는 명명법에 의해, 시간 경사 컨버터(62)는 전류원(IS2+ 및 IS2-)을 포함하고, 시간 경사 컨버터(63)는 전류원(IS3+ 및 IS3-)을 포함하며, 그리고 시간 경사 컨버터(64)는 전류원(IS4+ 및 IS4-)을 포함하되, IS+ 및 IS-는 문맥에 의해 표시되는 바와 같이 전류원 중 어느 것 또는 모두를 표시하기 위해 본 명세서에 사용된다). 예시적인 실시예에서, 전류원은 IS1+ = IS1- = IS2+ = IS2- = IS3+ = IS3- = IS4+ = IS4-가 되도록 크기가 동일하다. 시간 경사 컨버터(61)는 또한 높은 역치가 IS1+를 사용해서 전압 램프 중에 도달되거나 낮은 역치가 IS1-를 사용해서 전압 램프 중에 도달될 때 제어 로직(79)에 트리거(Trig1)를 제공하는 비교기(A1)를 포함한다. 유사하게, 시간 경사 컨버터(62)는 트리거(Trig2)를 제공하는 비교기(A2) 등등을 포함한다.
측정된 커패시턴스가 또한 동일하다, 즉 Cx1 = Cx2 = Cx3 = Cx4라고 가정하면, 그 때 전압 신호(V1, V2, V3, 및 V4)는 동일 경사의 램프를 가지게 될 것이다. 아날로그 용량성 터치 패털 응용에서, Cx1 내지 Cx4는 전형적으로 그 값이 유사하다(예를 들어, 서로의 약 30% 이내). 센서로의 터치 입력은 일반적으로 커패시턴스 중 하나(또는 둘 이상)를 다른 것들보다 상대적으로 증가시켜서, 보다 큰 커패시턴스를 갖는 채널의 전압 신호 상에 작은 경사의 램프를 생성시키는 효과를 가지게 될 것이다. 경사의 차이에 의해서 역치 전압 레벨로(예를 들면, 1/3 Vcc와 같은 낮은 기준 레벨로부터 위로 또는 2/3 Vcc와 같은 높은 기준 레벨로부터 아래로) 램핑시키기 위해 요구되는 시간의 차이가 발생된다. 전압 신호(V1 내지 V4)에 대한 누적된 램프 시간은 통합 기간에 걸쳐서 동시에 측정되며, 누적된 램프 시간 사이의 측정된 차이들은 Cx1 내지 Cx4 사이에서의 커패시턴스의 차이들을 표시하기 위해 사용된다. 시간 경사 컨버터(61)에 대해서, 계수기(71, 또한 Ctr1로도 지시되는)는 모든 MClk 사이클에 대해서 계수값을 증가시키며, 따라서 램프 시간을 누적시킨다. 낮고 높은 전압 역치(본 명세서에서 -Vth 및 +Vth로 지시되는)는 히스테리시스 비교기(A1 내지 A4, 단지 A1이 도 3에 도시됨)의 스위칭 점이다.
램프 신호(V1 내지 V4)는 바람직한 비율로 IS1+ 및 IS1-와 같은 정 및 역전류 발생기를 교대로 작동시킴으로써 발생된다. 컨버터(61)를 참조하면, IS1+가 켜졌을 때, 정전류가 Cx1로 흘러서, 증가하는 전압 신호 램프를 발생시킨다. 조기에 종료되지 않는다면, V1 신호는 비교기(A1)가 +Vth에서 트리거링할 때까지 상승 램핑할 것이다. 이 점에서, IS1+는 꺼진다. 전압 신호 램프 하강이 전류원(IS1-)이 켜졌을 때 그때 발생하며, 비교기(A1)가 역치(-Vth)에서 트리거될 때까지 계속될 수 있다. 램프 상승, 램프 하강 사이클이 요구되는 측정 분해능, 응답 시간 등등에 따라 바람직한 횟수 만큼 반복된다. 시간 경사 컨버터의 각각은 예를 들어 마이크로프로세서(도시되지 않음)에 연결된 직렬 입/출력 포트(SI/O)와 인터럽트 요청 포트(IRQ)뿐만 아니라 채널 모두를 제어하는 통합 계수기나 다른 계수기를 포함할 수 있는 회로(65)에 연결된다.
도 4a는 예시 회로 동작에 대한 시간 시퀀스를 나타낸다. 단순화를 위해서, 비록 일반적인 경우에 복수의 커패시턴스가 동시에 측정될 수 있지만, 단지 단일 전압 신호(V)가 표시된다. 첫번째 램프 사이클은 전압 레벨(-Vth)과 MClk 사이클의 상승 에지에서 시작한다. 이것은 시간 t0로 지시된다. 도시된 경우에, 일정한 양의 전류(IS+)가 높은 전압 역치(+Vth)가 시간(t1)에서 도달될 때까지 인가된다. +Vth가 도달되는 MClk 사이클은 MClkT로 표시되는 최종 클럭 사이클로 지칭된다. 시간(t1)에서, 양의 전류(IS+)가 중지되며, 음의 전류(IS-)가 MClkT의 잔여 부분 중에 주입되며, 그것은 시간(t2)에서 종료되어, 높은 역치(+Vth)보다 어느 정도 아래의 최종 전압 신호 레벨을 생성한다. 램프 신호(V)가 그 후 바로 뒤의 램프 사이클이 시간(t3)에서 시작될 때까지 완전한 클럭 사이클 중에 일정하게 유지된다. 램프 신호를 여분의 클럭 사이클 중에 일정하게 유지하는 것은 필요하지 않으며, 주로 설명의 목적을 위해 수행된다. 그러나, 만일 복수의 커패시턴스가 측정되고 있다면, 위에서 참조된 동일 양도인에게 양도된 미국 가특허출원 제61/017,451호에 기재된 바와 같이 예를 들어 측정 위치 사이에서 상호 커패시턴스를 통과하는 전류 유동을 줄이기 위해 모든 신호 램프가 역치 레벨에 도달할 때까지 다음 램프 사이클의 개시를 지연시키는 것이 바람직할 수 있다.
시간(t3)에서, 바로 뒤의 램프 사이클은 +Vth 아래의 전압 레벨에서 시작한다. 조절된 시작 레벨은 시간(t1, +Vth가 도달될 때)과 시간(t2, 최종 클럭 사이클의 끝) 사이에 수행되는 음의 경사 램핑의 증가량을 확인해준다. 이 음의 램핑은 총수의 MClk 사이클이 첫번째 램프 사이클 중에 누적될 수 있도록 두번째 램프 사이클로부터의 클럭 사이클의 일부를 "차용한다". 도 4a에 도시된 경우에, 열 개의 MClk 사이클이 증가되며, 이는 최종 클럭 사이클을 포함한다. 음의 전류(IS-)는 주입되어 시간(t3)에서 신호(V)를 -Vth로 다시 하강하도록 램핑시키기 시작하며, -Vth는 시간(t4)에서 도달된다. 앞에서와 같이, 역전류, 이 경우에는 IS+,가 최종 클럭 사이클의 잔여 부분 중에 주입되며, 이것은 시간(t5)에서 종료된다. 시간(t5)에서 도달된 전압 레벨은 바로 뒤의 신호 램프에 대한 시작점이 되며, 이것은 시간(t6)에서 시작된다. 아홉 개의 추가 클럭 사이클이 두번째 램프(MClkT를 포함하는) 중에 누적되며, 이것은 시간(t6)까지 누적된 총 19개의 계수값을 생성한다.
시간(t6)에서, 양의 전류(IS+)가 높은 역치(+Vth)가 시간(t7)에서 도달될 때까지 다시 주입된다. 음의 전류(IS-)가 그 후 최종 클럭 사이클의 잔여 부분 중에 주입되며, 그것은 시간(t8)에서 종료되어, 시간(t9)에서 바로 뒤의 램프를 위한 시작 지점으로 사용되는 최종 조절 전압 레벨을 생성한다. 시간(t9)에서, 최종 램프가 낮은 역치(-Vth)가 시간(t10)에서 도달될 때까지 음의 전류(IS-)를 주입함으로써 발생된다. 우연히 시간(t10)이 클럭 사이클의 끝과 정확히 일치한다는 것을 주목하라. 관행에 의해, 시간(t10)에 종료하는 클럭 사이클은 최종 클럭 사이클로 지시되며, 계수된다. 하나의 클럭 사이클이 유지된 후에, 통합 기간은 두 개의 상승 램프와 두 개의 하강 램프 후에 시간(t11)에서 종료된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 램핑(램프 사이의 유지 시간은 포함하지 않는) 중에 누적된 클럭 사이클의 총수는 37이며, 통합 기간을 통과하는 데에 요구되는 총시간은 41개의 MClk 사이클이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 역치 신호 레벨이 도달된 클럭 사이클의 잔여 부분에 대해서 신호 램프를 반전시키는 것은 역치가 도달된 시간과 바로 뒤의 상승 클럭 에지 사이의 시간의 양을 보상하기 위해 바로 뒤의 램프의 시작점을 조절하는 효과를 갖는다. 따라서, 잔여 시간이 사실상 바로 뒤의 램프 사이클로부터 감산되기 때문에 역치가 도달된 완전한 클럭 사이클이 계수될 수 있다. 다수의 램프 사이클에 걸쳐서 과정을 반복함으로써, 잔여 시간의 누적 합은 측정 분해능이 약 단일 전압 램프 시간으로 나누어진 클럭 사이클 시간 정도가 되는 것(즉, 분해능은 측정 기간과 관계없이 고정된다)과 대조적으로 총 측정 시간으로 나누어진 클럭 사이클 시간 정도가 되도록(즉, 분해능은 긴 측정 시간을 이용해서 강화될 수 있다) 확인된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 유사한 효과가 램프가 역치에 도달하는 시간과 바로 다음 상승 클럭 에지 사이의 시간 중에 신호 램프가 역치를 지나치도록 해줌으로써 달성될 수 있다. 이 경우에, 바로 뒤의 전압 램프가 지나친 전압 레벨로부터 개시되어, 그 결과 잔여 시간 기간을 다시 통과한다. 이 경우에, 최종 MClk 사이클은 이전 램프에서 계수되지 않는다. 이것에 의해 각 램프 사이클 사이에 있는 추가적인 미계수 MClk 사이클이 생성될 수 있다.
도 4b는 비교의 편의를 위해서 도 4a에서와 동일한 클럭 기간과 신호 경사를 사용해서 예시 회로 동작을 표시한다. 신호(V)가 시간(t1)에서 첫번째 램프 중에 역치(+Vth)에 도달할 때, 램프는 +Vth를 지나서 계속되며 시간(t2)에서 최종 클럭 사이클의 끝에서 중지한다. 이것은 범위 -Vth 내지 +Vth 밖에서 다음 램프의 시작점을 조절하는 효과를 갖는다. 바로 뒤의 램프가 시간(t3)에서 시작할 때, 그것은 처음에 잔여 시간 기간(시간(t2) 빼기 시간(t1)과 동일한)을 다시 통과해야 하며, 그것에 의해 잔여 시간을 첫번째 램프에서 그 바로 뒤의 램프로 옮긴다. 이러한 이유로, 최종 클럭 사이클은 계수기(Ctr)에 의해 계수되지 않으며, 첫번째 램프의 끝에서 아홉 클럭 사이클의 계수값을 생성한다.
바로 다음 램프는 전류(IS-)를 주입함으로써 시간(t3)에서 개시된다. 시간(t4)에서, 낮은 역치(-Vth)가 도달되며, 따라서 전류(IS-)는 단지 클럭 사이클 MClkT의 잔여 부분 중에 계속된다. 시간(t5)에서, 최종 클럭 사이클이 끝나며, 전압 신호가 시간(t6)에서 바로 뒤의 클럭 사이클까지 -Vth 아래의 결과적 레벨에서 유지된다. 양의 전류(IS+)가 높은 역치가 시간(t7)에서 도달될 때까지 주입되며, 그 시간에 IS+가 최종 클럭 사이클이 끝나는 시간(t8)까지 주입된다. 시간(t9)에서, 마지막 램프 하강이 조절된 전압 레벨로부터 개시된다. 시간(t10)에서, 낮은 전압 역치가 도달되며, 시간(t11)에서 마지막 최종 클럭 사이클이 끝난다. 측정을 위한 통합 시간은 총 45개의 완성된 MClk 사이클 후에 시간(t12)에서 완성된 것으로 간주될 수 있으며, 그 시간 중에 37개의 클럭 사이클이 계수기(Ctr)에 의해서 누적된다. 도 4a에 도시된 예에 의해서 하지만 짧은 통합 기간(41개의 MClk 사이클)에 걸쳐서 또한 37개의 누적된 계수값이 생성된다는 것을 주목하라.
비교의 목적을 위해서, 도 4c는 잔여 시간을 보상하기 위해 다음 램프 시작 레벨을 조절함이 없이 회로 동작에 대한 시간 시퀀스를 표시한다. 따라서, 도 4c의 첫번째 램프는 시간(t0)에서 시작하여 역치값(+Vth)이 도달되는 시간(t1)에서 끝난다. 신호는 바로 뒤의 램프가 시간(t2)에서 바로 뒤의 상승 클럭 에지에서 시작될 때까지 +Vth에서 유지된다. 램프 하강은 낮은 역치 -Vth가 시간(t3)에서 도달될 때까지 IS-를 주입함으로써 지속된다. 신호는 바로 뒤의 램프가 시간(t4)에서 바로 뒤의 상승 클럭 에지에서 시작될 때까지 -Vth에서 유지된다. 램프 상승은 높은 역치(+Vth)가 시간(t5)에서 도달될 때까지 IS+를 주입함으로써 지속된다. 신호는 마지막 하강 램프가 시간(t6)에서 바로 뒤의 상승 클럭 에지에서 시작될 때까지 +Vth에서 유지된다. 램프 하강은 낮은 역치(-Vth)가 시간(t7)에서 도달될 때까지 IS-를 주입함으로써 지속된다. 통합 기간은 시간(t8)에서 클럭 사이클의 끝에서 종료된다. 총 40개의 클럭 사이클이 시간(t0)부터 시간(t8)까지 경과되었으며, 도 4a에 도시된 신호 동작에 대한 것 보다 하나가 작다. 도 4c에 도시된 램핑 중에 누적된 클럭 사이클의 총수는 최종 클럭 사이클(MClkT)이 포함되는 가의 여부에 의존한다. 만일 최종 클럭 사이클이 계수된다면, 계수기(Ctr) 내의 누적 계수값이 39이며, 이것은 도 4a와 도 4b 모두에서 누적되도록 도시된 37개의 계수값보다 크다. 만일 최종 클럭 사이클이 계수되지 않는다면, 계수기(Ctr) 내의 누적된 계수값은 36이며, 이것은 도 4a와 도 4b 모두에서 누적되도록 도시된 37보다 작다. 따라서, 도 4c 및 도 4a와 4b 사이의 비교는 과도한 계수나 과소한 계수가 잔여 부분 클럭 사이클을 위한 다음 램프 시작 레벨을 조절하지 않으면 일어날 수 있다는 것을 표시한다.
도 5는 예시적인 복수의 커패시턴스 회로 동작, 예를 들어 도 3에 도시된 회로에 대한 시간 시퀀스를 표시한다. 도 5는 특히 Cx2, Cx3 및 Cx4가 동일하며 Cx1가 Cx2, Cx3 및 Cx4보다 큰 상태에서(도 5에서의 램프가 예를 들어 Cx1가 약 15% 더 큰 것을 나타낼 수 있다) 측정될 커패시턴스가 Cx1 내지 Cx4인 사위치 커패시턴스 측정(4-와이어 아날로그 용량성 터치 센서를 사용한 것과 같은)을 도시한다. 도 3에 도시된 회로에 관하여, 도 5는 비교기 트리거(Trig1 내지 Trig4)가 높아지며 낮아질 때와 IS+와 IS- 전류가 켜지고 꺼질 때에 역치 -Vth와 +Vth 사이에서 신호 V1 내지 V4의 램핑, 계수기(Ctr1 및 Ctr2 내지 Ctr4) 내의 누적 계수값, 및 주된 클럭 MClk 사이클을 표시한다. 또한 다양한 이벤트가 발생하는 다양한 시간(t0 내지 t8 및 t16)이 도 5에 표시된다. 점선은 일반적으로 시간 경사 컨버터(61, 측정 채널 1)와 관련된 파라미터를 나타내기 위해 사용되며 연속된 선은 일반적으로 시간 경사 컨버터(62 내지 64, 측정 채널 2 내지 4)와 관련된 파라미터들을 나타내기 위해 사용된다는 것이 주목되어야 한다.
Cx1이 다른 커패시턴스보다 크기 때문에, V1의 전압 신호 램프는 V2 내지 V4의 전압 신호 램프보다 뒤쳐진다. 주된 클럭 MClk 주파수는 기대되는 범위의 램핑 시간에 걸쳐서 복수의 클럭 사이클을 제공하는 어느 적합한 주파수일 수 있으며, 예를 들어 MClk 주파수는 약 10㎒ 내지 30㎒일 수 있다. 램프 신호 V1 내지 V4의 기간(즉, 하나의 완전한 램프 상승, 램프 하강 사이클)은 전류원(IS+ 및 IS-)으로부터의 전류의 크기와 커패시턴스(Cx1 내지 Cx4)에 의해 제어되는 주파수를 갖는다. 아날로그 용량성 터치 센서 예에서, 전압 램프의 주파수는 약 20㎑ 내지 약 200㎑ 범위에 있을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 측정 시퀀스는 도 5에 t0에서 도시된 MClk 사이클의 상승 에지에서 시작한다. 네개의 계수기(Ctr1 내지 Ctr4)는 각 신호 V1 내지 V4가 램핑됨에 따라 그들의 각각에 대해 각 MClk 사이클의 끝에서 계수값을 증가시킨다. 각 신호를 위한 계수기는 각각의 신호가 전압 역치(정램프에 대해서는 +Vth 그리고 역램프에 대해서는 -Vth)에 도달한 후에 발생하는 MClk의 바로 뒤의 상승 에지에서 증가를 중지한다. 예를 들어, 도 5에서, Ctr2 내지 Ctr4는 12개의 증가 계수값을 가지고 t2에서 중지한다. 중지된 계수기는 모든 채널이 역치에 도달할 때까지 중지된 상태로 유지된다. 예를 들어, 시간(t4)에서, Ctr1은 14의 증가 계수값에서 중지되며, 그리고 모든 네개의 채널이 시간(t4)까지 전압 역치에 도달하기 때문에, 모든 계수기(Ctr1 내지 Ctr4)는 다시 시작되며 모든 전압 신호(V1 내지 V4)는 역램프를 시작한다(Ctr1은 t4에서 중지되며 즉시 다시 시작된다는 것을 주목하라).
소정 실시예에서, 전압 역치가 신호 채널 상에서 도달될 때, 램핑은 방향을 반전시킨다(다른 램프와 독립적으로 그리고 MClk와 독립적으로). 예를 들어, +Vth 역치가 전압 신호(V2)의 정램프 중에 시간(t1)에서 도달될 때, 비교기(A2)의 출력(Trig2)이 높은 것으로 스위칭하여, IS2+ 전류원을 끄며 동시에 IS2- 전원을 켠다. 도 5에서, 램프(V2 내지 V4)는 시간(t1)에서 반전되도록 도시되며, 램프(V1)는 시간(t3)에서 반전되도록 도시된다. 그러한 램프 반전은 MClk의 바로 뒤의 상승 에지에서 종료되며, 동시에 각 측정 채널의 계수기가 정지된다(예를 들어, 램프 V2 내지 V4에 대해서는 시간(t2) 그리고 램프(V1)에 대해서는 시간(t4)에서). 그 계수기가 정지될 때 각 채널의 IS 전류원이 꺼져서, 제로 경사가 생성되며 채널이 역치에 도달하기 위해 모든 다른 채널을 기다림에 따라 지연을 발생시킨다.
도 5에서, 전압 신호(V2 내지 V4)가 MClk 사이클의 잔여 부분 중에 시간(t1)에서 반전되며, 이것은 시간(t2)에서 끝난다. 시간(t2)에서, 신호 채널(V2 내지 V4)을 위한 계수기들이 중지되며, 신호 램프가 제로 경사로 유지된다(즉, 지연된다). 시간(t3)에서, 신호(V1)는 비교기(A1)의 역치(+Vth)에 도달하며, V1은 음의 경사로 반전한다. 시간(t3)까지, 모든 전압 신호가 역치에 도달했다. 따라서, 도 5에 도시된 실시예에서, 모든 전압 신호(V1 내지 V4)는 시간(t4)에서 시작해서 동시에 하강 램핑되며, 그 시간은 MClk의 바로 뒤의 상승 에지이다. 측정 채널이 전압 역치에 도달하는 MClk 사이클의 잔여 부분에 대한 램프 반전을 통한 신호 조절 때문에, 개별 채널 상의 다음 램프 하강은 다른 시작 전압으로부터 개시될 수 있는 것을 유의하라. 바꾸어 말하면, 각 전압 신호 램프는 각 잔여 시간에 대해서 개별적으로 조절될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 램핑 사이클을 계속하면, 그 비교기의 -Vth 역치가 도달될 때 각 음의 램프는 중지하며, 비교기 출력은 낮은 것으로 스위칭하여, IS- 전류원을 끈다. 양의 램프와 마찬가지로, 소정 실시예에서, 램프는 역치가 도달된 MClk 사이클의 잔여 부분에 대해서 반전될 수 있다. 예를 들어, 신호 램프(V2 내지 V4)는 시간(t5)에서 반전되며, 신호 램프(V1)는 시간(t7)에서 반전된다. 채널이 역치에 도달된 후, 그 각 계수기는 MClk의 바로 뒤의 상승 에지에서 중지한다. 예를 들어, Ctr2, Ctr3 및 Ctr4는 24의 총 누적 증가 계수값을 가지고 시간(t6)에서 중지한다. 시간(t7)에서, 전압 신호(V1)는 역치(-Vth)에 도달한다. 시간(t8)에서, 계수기(Ctr1)는 28의 증가 계수값에서 중지되나, 모든 네개의 비교기(A1 내지 A4)가 시간(t8)까지 트리거되었기 때문에, 모든 계수기(Ctr1 내지 Ctr4)는 다시 시작되며, 전압 신호(V1 내지 V4)는 함께 양으로 램핑한다. 도 5의 예에서, 통합 기간은 시간(t0)에서 모든 채널들이 두 개의 완전한 상승 및 하강 전압 램프 사이클을 완성한 시간(t16)까지 연장된다.
통합 기간 중에, 계수기(Ctr1)는 누적적으로 56개의 계수값을 증가시키며, 계수기(Ctr2 내지 Ctr4)는 각각 누적적으로 48개의 계수값을 누적적으로 증가시킨다. 통합 기간이 완성될 때, 인터럽트 요청(예를 들어, 도 3에 IRQ에 의해 표시된)이 마이크로프로세서로 제공되며, 각 채널에 대해 계수기 내에 유지되는 누적값이 마이크로프로세서로 전달된다. 다른 채널에 대한 한 채널의 계수값의 누적 갯수는 다른 채널에 대한 그 채널의 커패시턴스에 비례한다. 도 5에서, 계수기(Ctr1)는 커패시턴스(Cx1)가 가장 큰 크기를 갖는 것을 나타내는 가장 큰 갯수의 누적 계수값을 갖는다. 한 채널에서의 누적 계수값 대 다른 채널에서의 누적 계수값의 비율은 커패시턴스의 비율을 나타낸다. 터치 센서 실시예에서, 커패시턴스의 비율은 터치 위치를 결정하기 위해서 사용될 수 있다(계산은 센서 구성에 의존할 것이다).
도 5에 표시된 바와 같이, 만일 채널이 다른 채널 중 하나 이상 전에 전압 신호 역치에 도달한다면, 그 채널의 전압 레벨은 다른 채널 중 하나 이상이 또한 역치에 도달할 때까지 역치 레벨 근처에서 유지된다. 따라서, 역치에 도달 하자마자 다음 램프를 즉시 시작하기보다는, 지연이 다음 램프가 복수의 채널에서 동시에 시작되도록 수행된다. 바로 다음 램프가 복수의 채널 상에서 동시에 개시될 수 있도록 하나 이상의 채널 상에서 지연을 수행하는 것은 채널의 램프 사이클이 거의 동상이 되도록 해준다. 램프 사이클을 거의 동상으로 유지하는 것(즉, 동일한 시간 프레임 중에 발생하는 모든 양의 램프, 및 동일한 시간 프레임 중에 발생하는 모든 음의 램프)은 어느 주어진 시간에서 다양한 채널 상에 전압 신호 사이의 차이를 비교적 낮게 유지함으로써 채널간 전류(즉, 커패시턴스 측정 위치 사이를 흐르는 전류)를 줄여주는 효과를 가질 수 있다. 채널간 전류를 줄이는 것은 특히 채널이 채널이 저항을 통해서 연결될 수 있는 4-와이어 용량성 센서에 연결될 때 바람직할 수 있다. 개별적인 채널이 매트릭스 센서에서 전극에 연결될 때, 동상 신호 램프가 또한 전극의 상호 커패시턴스를 통해 흐르는 전류를 최소화하는 것이 요망될 수 있다.
비록 회로 동작이 양방향 램핑(즉, 낮은 역치로의 램핑 하강이 이어지는 높은 역치로의 램핑 상승)의 관점에서 도 4a, 4b 및 5 에 기술되고 도시되었지만, 본 발명의 방법과 회로는 미국 특허 제6,466,036호에 개시된 커패시턴스 측정 회로에 사용된 것과 같은 일방향 램프를 사용해서 구현될 수 있다. 예를 들어, 소정 실시예에서, 전압 신호는 동시에 역치로 상승 램핑되며, 지연을 실행한 후에(예를 들어, 모든 신호 채널이 역치에 도달될 때까지 기다리기 위해, 소정량의 시간을 기다리기 위해 등등) 신호 채널은 동시에 제로로 복귀 리셋될 수 있으며(예를 들어, 계단 함수 방식으로) 그 후에 램프 상승이 다시 개시된다. 비록 회로 동작이 부드러운 램핑의 관점에서 도 4a, 4b 및 5에 기술되고 도시되지만, 예를 들어 정전류의 인가 때문에 본 발명의 방법과 회로는 펄스 전류나 전압을 인가함으로써 구현될 수 있으며, 그 결과 계단 램프를 발생시킨다는 것이 더욱 이해될 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제6,466,036호는 증가하는 계단 전압 램프을 발생시키기 위해 빠르게 전류원을 펄스화하거나 펄스화를 중단시키는 회로를 개시한다.
도 4a, 4b 및 5에 도시된 바와 같이 전압 신호 램프를 생성하기 위해 요구되는 전류의 레벨은 램프 지속 기간뿐만아니라 측정될 커패시턴스의 크기에 의존한다. 예를 들어, 도 3에 관하여 기술된 바와 같이 동작하고, Vcc = 3V, 역치(+Vth 및 -Vth, 예를 들어, 2/3Vcc에서는 +Vth, 및 1/3 Vcc에서는 -Vth) 사이의 차이는 1V이며, 그리고 커패시턴스는 1000pf 정도인 4-와이어 용량성 터치 센서 구현을 가정한다. 그 경우에, 100μA의 IS+ 및 IS- 전류는 약 50㎑의 램핑 기간을 발생시킨다. 도 2b와 관련하여, Vcc = 3V, 1V의 역치(+Vth 및 -Vth, 예를 들어, 2/3Vcc에서 +Vth 및 1/3Vcc에서 -Vth) 사이의 차이 그리고 커패시턴스가 1000pf 정도임을 가정하다면, R에 대해 15KΩ 저항을 사용하는 것은 1.5V의 평균 전압 강하를 가진 약 100uA의 전류원을 제공할 것이다.
하나의 MClk 사이클 중에 평균 전압 변화보다 큰 불규칙 노이즈는 일반적으로 역치 레벨을 교란시키는 효과를 가지며, 따라서 비록 측정되고 있는 커패시턴스의 레벨이 일정하게 유지된다고 할지라도 역치를 통과하거나 다시 통과하기 위해 요구되는 MClk 사이클의 갯수가 변할 수 있다. 많은 램프 사이클에 걸쳐서, 불규칙 노이즈의 효과는 도 4c에 도시된 바와 같이 이전의 램프로부터의 잔여 전압을 보상하지 않으면서 종료하는 개별 램프에 의해 초래된 에러를 줄여줄 수 있다. 많은 수의 측정 램프 사이클(즉, 과도한 샘플링)은 역치 교란을 평균하기 위해 사용될 수 있으며, 결과적으로 증대된 측정 분해능을 달성한다. 만일 충분한 노이즈가 존재하지 않는다면, 다른 교란 방법(dithering method)이 같은 효과에 도달하기 위해서 활용될 수 있으며, 예를 들어, 역치가 무작위로 변화될 수 있거나, MClk의 주파수가 무작위로 교란될 수 있다. 본 발명의 소정 실시예에서, 각 램프 측정으로부터의 결과가 이전 측정에 부가되거나 이전 측정과 평균될 수 있거나, 추가 측정이 이루어짐에 따라 증가하는 분해능을 가진 업데이트된 값을 생성하기 위해 박스카 필터링(boxcar filtering)과 같은 방법에 의해 필터링될 수 있다.
본 발명의 소정 실시예는 누적기를 사용해서 경과된 전압 신호 램프 시간을 측정한다. 누적기는 디지털 계수기, 아날로그 적분기 또는 그 둘의 조합에서 시간을 측정하기 위해 위에서 기재된 실시예에 사용될 수 있다. 아날로그 적분기는 신속하게 시작되고 중지되며, 따라서 고분해능으로 측정할 수 있다. 디지털 계수기는 보다 높은 동적 범위를 가지지만, 시간적 분해능은 클럭 주파수(예를 들어, MClk)에 의해 제한될 수 있다. 따라서, 도 4c에 도시된 것과 같은 소정 실시예에서, 도 6에 도시된 회로는 바람직한 누적기 회로일 수 있다.
도 6은 고분해능으로 시간 세그먼트를 측정하도록 구성된 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터(200)의 예를 도시한다. 커패시터(C1)는 아날로그 적분기를 형성한다. 공지된 기준 전류(I1)가 스위치(S1)가 닫힐 때에 커패시터(C1)에 전류를 공급한다. 스위치(S1)가 비교기 트리거 신호(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 +Trig 및 -Trig)가 둘 다 하이일 때, 즉 전압 신호가 저 및 고 전압 역치 사이에서 램핑될 때 닫힌다. 시그마 델타 제어 로직(210)은 A1의 입력이 Vcc/2 역치를 초과할 때 고정된 시간 중에 스위치(S2)를 닫아서, 적분기 커패시터(C1)를 증가되도록 방전한다. 각 시간 스위치(S2)가 닫히며, 계수기(220)가 증가된다. 계수기(220)가 주기적으로 판독되며, 판독 사이의 계수값의 증가되는 차이는 스위치(S1)가 그 기간 중에 닫히는 총시간에 비례한다.
이 서류에 기술된 바와 같이, 커패시턴스 측정 위치 사이의 전류 유동은 구동 신호의 상을 제어함으로써 감소될 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 터치 센서 시스템과 같은 통상적인 커패시턴스-접지 측정 시스템에 대해서, 동상에서 신호를 구동하는 것은 상호(전극간의) 커패시턴스를 바람직하게 최소화하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다른 시스템에서, 인접 커패시턴스 측정 위치를 위상이 불일치하도록 구동하는 것은 전극 사이의 상호 커패시턴스의 측정 효과를 강화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 아날로그 디바이시즈 인코포레이티드(Analog Devices, Inc.)로부터 상업적으로 입수할 수 있는 AD7142와 같은 분로 커패시턴스 측정을 활용하는 터치 감지 제품들에 있어서 전극간 상호 커패시턴스를 측정하며 따라서 강화하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 모두 망라하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려고 의도한 것이 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 변경예 및 변형예가 가능하다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 감지 방법론은 연결된 도구 및 배터리나 다른 전력원을 수용하는 도구를 포함한 매우 다양한 터치 도구와 관련하여 사용될 수 있다. 본 발명의 범주가 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않고 오히려 본 명세서에 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되도록 의도된다.

Claims (26)

  1. 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 사용하기 위한 방법에 있어서, 방법은, 최종 클럭 사이클 중에 시간(t1)에서 현재 램프 사이클 중에 기준 전압 중 하나에 도달 하자마자,
    첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관해서, 시간(t1)으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 중에 발생하는 증가 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계; 및
    다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 현재 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 단계를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 단계는 최종 클럭 사이클을 계수할 것인지를 결정하는 단계를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이의 범위에서 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계에 대응해서, 최종 클럭 사이클이 계수되는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이의 범위 밖에서 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계에 대응해서, 최종 클럭 사이클이 계수되지 않는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 다음 램프 사이클을 시작한 후에, 방법은 다음 램프 사이클을 현재 램프 사이클로 지정하는 단계와 열거된 단계를 반복하는 단계를 추가로 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 복수 램프 사이클은 첫번째 기준 전압으로부터 두번째 기준 전압으로 그 후 두번째 기준 전압으로부터 첫번째 기준 전압으로 교대로 램핑하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 복수 램프 사이클의 각각은 첫번째 기준 전압으로부터 두번째 기준 전압으로 램핑하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 전극에 전하를 인가하는 것은 연속 전류를 인가하는 것을 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 전극에 전하를 인가하는 것은 펄스 전류를 인가하는 것을 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 전극에 전하를 인가하는 것은 임피던스를 통해 전압을 인가하는 것을 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 전극은 터치 감응 디바이스의 터치 표면의 적어도 일부를 형성하며, 커패시턴스는 터치 표면에 대한 터치에 기인하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 터치 감응 디바이스는 용량성 버튼 센서를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 터치 감응 디바이스는 아날로그 용량성 터치 표면을 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 전극의 커패시턴스가 전극 상에 있는 다수의 위치 각각에서 측정될 수 있도록 그 다수의 위치에서 열거된 단계를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 터치 표면 상에 터치의 지점을 결정하기 위해서 위치의 각각에서 측정된 전극의 커패시턴스를 이용하는 단계를 추가로 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 터치 감응 디바이스가 매트릭스 용량성 터치 표면을 포함하며, 전극이 매트릭스로 배열된 다수의 전극 중 하나를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 다수의 전극의 각각에 대해 열거된 단계를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계가 t1으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 시간 중에 현재 램프를 반전시키는 단계를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계가 t1으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 시간 중을 지나서 현재 램프를 계속되게 하는 단계를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치에 사용하기 위한 방법.
  20. 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 있어서, 장치는 최종 클럭 사이클 중에 시간(t1)에서 현재 램프 사이클 중에 기준 전압 중 하나에 도달함에 대응해서, 시간(t1)으로부터 최종 클럭 사이클의 끝에 이르는 현재 램프 사이클 중에 발생하는 증가하는 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관해서 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 램프 제어 회로; 및
    다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 현재 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 계수기 제어 회로를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 전극은 터치 감응 디바이스의 터치 표면의 적어도 일부를 형성하며, 커패시턴스는 터치 표면에 대한 터치에 기인하는 전극 커패시턴스 측정 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 터치 감응 디바이스는 용량성 버튼 센서를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 터치 감응 디바이스는 아날로그 용량성 터치 표면을 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치.
  24. 제 21 항에 있어서, 터치 감응 디바이스가 매트릭스 용량성 터치 표면을 포함하며, 전극이 매트릭스로 배열된 다수의 전극 중 하나를 포함하는 전극 커패시턴스 측정 장치.
  25. 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 각 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 각 위치에 인가함으로써 다수의 위치에서 커패시턴스를 측정하며, 각 위치의 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 각 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 있어서, 장치는 각각의 전압 신호의 램핑을 제어하기 위해서 다수의 위치의 각각과 관련되며, 각각 이전 램프 사이클의 최종 클럭 사이클 중에 각 전압 신호의 증가하는 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째와 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관련하여 각 전압 신호의 다음 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하도록 동작할 수 있는 램프 제어 회로; 및
    다음 램프 사이클의 조절된 시작 전압에 따라 이전 램프 사이클 중에 계수된 클럭 사이클의 수를 조절하는 계수기 제어 회로를 포함하는 커패시턴스 측정 장치.
  26. 클럭 사이클과 동기되어 개시된 복수의 램프 사이클에 걸쳐서 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 사이에서 전압 신호를 램핑시키기 위해서 전하를 전극에 인가함으로써 전극의 커패시턴스를 측정하며, 커패시턴스는 복수의 램프 사이클에 걸친 전압 신호 램핑 중에 계수되는 클럭 사이클의 누적 총수에 비례하는 장치에 사용하기 위한 커패시턴스 측정 분해능을 증가시키기 위한 방법에 있어서, 방법은
    이전 전압 신호 램프 사이클의 최종 클럭 사이클 중에 증가 전압 램핑을 보상하는 양 만큼 첫번째 및 두번째 기준 전압 레벨 중 하나에 관해서 다음 전압 신호 램프 사이클에 대한 시작 전압 레벨을 조절하는 단계를 포함하는 커패시턴스 측정 분해능을 증가시키기 위한 방법.
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