KR20140078722A - 가변 샘플 및 홀드 커패시터를 구비한 마이크로컨트롤러 ａｄｃ - Google Patents

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Abstract

ADC 모듈은, 아날로그 버스와 결합되고 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함하는 아날로그 디지털 변환기; 및 프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 포함한다.

Description

가변 샘플 및 홀드 커패시터를 구비한 마이크로컨트롤러 ＡＤＣ{MICROCONTROLLER ADC WITH A VARIABLE SAMPLE ＆ HOLD CAPACITOR}
관련 출원
본 발명은 2011년 10월 6일자로 출원된 발명의 명칭이 "가변 샘플 및 홀드 커패시터를 구비한 마이크로컨트롤러 ADC"인 미국 가출원 61/544,183의 우선권 이익을 주장하며, 이 미국 가출원은 여기에 완전하게 기재된 것처럼 그 전체가 참조로서 본 발명에 통합된다.
본 발명은 특히 마이크로컨트롤러에 사용하기 위한 아날로그 디지털 변환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 용량형 터치 센싱 회로를 구비한 마이크로컨트롤러에 사용하기 위한 아날로그 디지털 변환기에 관한 것이다.
사람의 손 또는 손가락에 의한 용량형 센서의 터치 또는 용량형 근접 센서에의 접근은 센서의 그들의 소정 파라미터들, 특히, 예를 들어 인간 대 기계 인터페이스 디바이스들, 예컨대 키패드 또는 키보드에 사용되는 터치 센서 내에 구축된 커패시터의 용량 값을 변경한다. 마이크로컨트롤러들은 이제 이러한 용량형 터치 센서들의 검출 및 평가를 향상시키는 주변장치를 포함한다. 이러한 애플리케이션 중 하나는 용량형 전압 분배(capacitive voltage division : CVD)를 활용함으로써 용량형 터치 요소가 터치되었는지 여부를 평가한다.
용량형 터치 시스템들의 분해능은 센서의 용량, 즉 실제 센서 및 시스템 기생 용량들 모두에 의해 제한된다. 하지만, 이러한 센서들이 높은 벌크 용량을 갖는 고 잡음 환경에서 동작될 때에는 종래 시스템들의 분해능은 충분하지 않을 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 샘플 및 홀드 용량이 센서 용량에 더 근접하게 일치하도록 유저에 의해 소프트웨어 제어 하에서 조절될 수 있다.
일부 실시예들에 따른 마이크로컨트롤러는 아날로그 버스와 결합되는 복수의 포트들; 상기 아날로그 버스와 결합되고 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함하는 아날로그 디지털 변환기; 및 프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 포함한다.
일부 실시예들에 따른 ADC 모듈은, 아날로그 버스와 결합되고 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함하는 아날로그 디지털 변환기; 및 프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 포함한다.
일부 실시예에 따른 방법은 아날로그 버스와 결합되는 복수의 포트들을 제공하는 단계; 상기 아날로그 버스와 결합되는 아날로그 디지털 변환기를 제공하는 단계, - 상기 아날로그 디지털 변환기는 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함함 - ; 및 프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 제공하는 단계를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따른, 용량형 터치 키패드, 용량형 터치 아날로그 프런트 엔드 및 디지털 프로세서를 구비하는 전자 시스템의 블록도를 도시하는 도면이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 ADC 시스템의 하이-레벨 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 다양한 실시예들에 따라 사용되는 다양한 스위치들을 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 교시에 따른, 아날로그 패스 게이트 스위치를 통해 디지털 I/O 및 아날로그 기능을 지원하는 다기능 포트 로직을 도시하는 도면으로, ADC 제어기 로직으로 포트에 연결되는 용량형 터치 센서를 프리챠지(precharge) 또는 방전하기 위해 아날로그 기능이 오버라이드(override)될 수 있다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른, 자동화된 아날로그 디지털 변환의 예시적인 타이밍을 도시하는 도면이다.
도 6은 프리챠지 페이즈 동안의 스위치 위치들을 도시하는 도면이다.
도 7은 획득(acquisition)/공유(share) 페이즈 동안의 스위치 위치들을 도시하는 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 ADC 모듈의 블록도를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 센서 및 관련된 가드 링에 대해 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 복수의 용량형 센서들 및 하나의 가드 링에 대한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 센서 및 관련된 가드 링에 대한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 복수의 용량형 센서들 및 하나의 가드 링에 대한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 특정 예시의 실시예들에 따른, 용량 변환들의 전압-시간 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 특정 예시의 실시예들에 따른, 용량 변환들의 전압-시간 다이어그램 및 이들 변환 동안의 가드 링 전압 제어를 도시하는 도면이다.
도 15는 도 7에 도시된 용량형 변환 시스템의 타이밍 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 16은 도 11 및 도 12에 도시된 용량형 변환 시스템의 타이밍 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 변환들의 처리 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 변환들의 처리 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 21은 도 1에 도시된 용량형 센서 키들의 정면도를 도시하는 도면이다.
도 22는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 1에 도시되고 또한 각 용량형 센서들의 주위에 용량형 가드 링들을 구비한 용량형 센서 키들의 정면도를 도시하는 도면이다.
CVD 시스템에서, 최대 분해능은 센서와 샘플 및 홀드 커패시터들이 대략 같을 때 얻어진다. 실시예들에 따르면, 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들이 제공되어 현재 사용되고 있는 샘플 및 홀드 커패시터에 프로그램 가능하게 추가될 수 있다. 따라서 이러한 회로로 인해, 사용자는 큰 용량 센서들을 구비한 시스템들을 위해 샘플 및 홀드 커패시터의 크기를 증가시킬 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 사용자는 추가의 샘플 및 홀드 커패시터를 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 병렬로 추가하도록 스위치들을 제어하는 레지스터를 프로그램할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 용량을 디지털 변환하는 CVD(용량형 전압 분배) 방법을 이용하여 각 용량형 센서 상에서 먼저 변환을 수행하고, 이후 각 센서에 대한 최적의 샘플 및 홀드 용량을 결정하고, 또한 최대 분해능을 얻기 위해 각 센서의 변환에 앞서 샘플 및 홀드 용량을 미리 설정하는 소프트웨어 또는 펌웨어가 구현될 수 있다.
이런 이유로, 이 시스템은 마이크로컨트롤러 상에 또는 마이크로컨트롤러로써 구현된 제어 유닛, 예를 들면 마이크로컨트롤러에 연결되는 각 용량형 센서의 외부 센서 용량을 자동적으로 측정하는 상태 머신을 더 포함할 수 있다. 따라서, 교정 페이즈 동안에, 이들 값들이 결정되어 교정 테이블에 저장될 수 있다. 외부 센서에 연결되는 각각의 포트가 측정을 위해 ADC 유닛과 연결되면, 이 테이블은 샘플 및 홀드 커패시터들의 추가 용량들을 조정하는데 사용될 수 있다.
도면들을 참조하면, 특정의 예시적인 실시예들의 상세 내용이 도식적으로 도시되어 있다. 도면들에서 동일 요소들은 동일 번호들로 표시될 것이며, 유사한 요소들은 상이한 소문자 첨가를 갖는 동일 번호들로 표시될 것이다.
도 1은 본 발명의 교시에 따른, 용량형 터치 키패드, 용량형 터치 아날로그 프런트 엔드 및 디지털 프로세서를 구비하는 전자 시스템의 블록도를 도시하는 도면이다. 마이크로컨트롤러 집적 회로 디바이스(101)는 디지털 프로세서 및 메모리(106), 아날로그 디지털 변환기(ADC) 컨트롤러(110), 하나 이상의 입출력(I/O) 포트들(노드들), 아날로그 디지털 변환기(ADC), 정밀한 타이머들, 다기능 입력 및 출력 노드들, 디지털 아날로그 변환기(DAC) 또는 그들의 결합들을 포함할 수 있다. 용량형 터치 아날로그 프런트 엔드(AFE)(104)에는 마이크로프로세서(101)의 상술한 일부 기능들이 구현될 수 있다. 용량형 터치 AFE(104)는 아날로그 멀티플렉서(미도시됨)를 통해 용량형 센서 키들(102), 예컨대 푸시버튼들, 레버들, 토글들, 타겟들, 핸들들, 노브들 등의 매트릭스에 결합될 수 있다.
ADC 컨트롤러(110) 및 용량형 터치 AFE(104)은 예컨대 관련된 용량형 센서의 용량 값을 변경하는 타겟 키를 누르고 편향(deflect)함으로써, 언제 용량형 센서들의 작동이 언제 있는지를 결정함에 있어 필요한 모든 액티브 기능들을 단일의 저비용 집적 회로 마이크로컨트롤러(101)로 가능하게 한다. 용량형 터치 AFE(104)는 용량형 센서 키들(102) 매트릭스의 각 센서의 용량형 값을 측정하고, 그 용량 값들을 각각의 아날로그 직류(DC) 전압 값들로 변환하는데, 이 아날로그 직류 전압 값들은 아날로그 디지털 변환기(ADC)(미도시됨)에 의해 판독되어 디지털 값들로 변환되고, 이 디지털 값은 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다.
ADC 컨트롤러(110)는 용량형 터치 AFE(104), 키들(102)의 용량 터치 센서들을 충전하고 방전하기 위한 스위치들, 용량 값들을 결정함에 있어 필요한 단계들의 타이밍, 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 샘플 및 홀드 커패시터의 충전량의 샘플링 및 변환 등을 제어할 수 있다. ADC 컨트롤러(110)는 프로그램 가능하며, 그 프로그램 가능한 파라미터들은 레지스터들(미도시됨)에 저장될 수 있다.
디지털 프로세서(106)는 ADC 컨트롤러(110)에 클록 및 제어 요청 기능들을 공급하고, ADC로부터 디지털 출력을 판독하고, 그리고 용량형 센서 키들(102) 매트릭스의 각 키를 선택할 수 있다. 용량형 센서 키들(102) 매트릭스의 키 작동이 결정되면, 디지털 프로세서(106)는 적절한 조치를 수행할 것이다. 다양한 용량형 시스템들의 보다 상세한 설명은 www.microchip.com에서 입수가능한 마이크칩 테크놀로지 인코퍼레이티드 애플리케이션 노트들 AN1298, AN1325 및 AN1334에 보다 상세하게 설명되어 있으며, 모든 목적들을 위해 여기 참조로서 통합된다.
도 2는 실시예들에 따른, ADC 회로를 도시하는 하이-레벨 블록도이다. 회로(200)는 샘플 및 홀드 커패시터(203)를 포함하는 ADC 코어(202)를 포함한다. 샘플 및 홀드 풀 업/다운 스위치들(204)은 이하에서 더 상세하게 설명되듯이, 아날로그 버스(205)를 충전/방전하도록 동작한다. 스위치들이 개방되면, 회로는 종래의 ADC로서 동작한다. 스위치들로 인해, CVD 시퀀서는 ADC 샘플 및 홀드 커패시터(203)를 Vdd 또는 Vss로 프리챠지할 수 있다.
최대 분해능을 위한 전체 샘플 및 홀드 용량을 설정하기 위해, 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들(208)이 버스에 결합되어 프로그램 가능하게 동작가능하다. 회로(200)는 센서 커패시터들(210)로부터 입력들을 수신하는 노드들(211)에 결합되는 포트 로직(212)을 더 포함할 수 있다. 또한 로직(214)은 포트 로직(212)을 오버라이드하도록 노드(핀)(213)에 직접 아날로그 연결을 제공할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 조정 가능한 샘플 및 홀드 커패시터(들)(208)의 뱅크를 더 상세하게 도시하는 도면이다. CVD(용량형 전압 분배) 변환 과정 동안에 내부 샘플 및 홀드 커패시터(203)(도 2)가 충전된다. 그와 동시에, 센서 커패시터(210)(도 2)는 방전된다. 2개의 커패시터들이 연결되면, 2개의 커패시터들에는 샘플 및 홀드 커패시터의 충전 전하가 분배된다.
보다 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 예컨대 복수의 용량형 터치 센서들 각각을 선택하여 복수의 노드들(211)을 아날로그 버스(205)에 결합하거나 아날로그 버스(205)로부터 분리할 수 있다. 직접 연결은 노드(213)와 아날로그 버스(205)를 함께 결합할 수 있다. 스위치(302)은 추가의 샘플 및 홀드 커패시터(208)를 아날로그 버스(205)에 결합하거나 또한 아날로그 버스(205)로부터 분리할 수 있다. 풀 업/다운 스위치들(204)은 아날로그 버스(205)를 Vdd로 충전하거나 아날로그 버스(205)를 Vss로 방전하는데 사용될 수 있다.
도 3b는 또 하나의 실시예에 따른, 아날로그 디지털 연결 구성들의 블록도를 도시하는 도면이다. 복수의 아날로그 패스 게이트 스위치들(304)은 아날로그 멀티플렉서를 구현할 수 있고 또한 예컨대 복수의 용량형 터치 센서들의 각각을 선택하여 복수의 노드들(211)을 아날로그 버스(205)에 결합하거나 아날로그 버스(205)로부터 분리할 수 있다. 직접 연결은 노드(213)와 아날로그 버스(205)를 함께 결합하거나 또는 선택적인 아날로그 패스 게이트 스위치(306)는 노드(213)을 아날로그 버스(205)에 결합하거나 아날로그 버스(205)로부터 분리할 수 있다. 하나보다 많은 스위치가 폐쇄되도록 멀티플렉서가 설계된다면 추가의 패스 게이트 스위치(306)는 아날로그 멀티플렉서의 일부일 수 있다. 복수의 스위치들(302)은 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들(208)을 아날로그 버스(205)에 결합하거나 아날로그 버스(205)로부터 분리할 수 있다. 풀 업/다운 스위치들(204)은 아날로그 버스(205)를 Vdd로 충전하거나 아날로그 버스(205)를 Vss로 방전하는데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들(208)의 수 및 용량 값(들)은 예를 들면 제조하는 동안에 또는 교정 페이즈에 응하여 프로그래머에 의해 ADC 컨트롤러(110)의 하나 이상의 레지스터들 내에 프로그램될 수 있다. 교정 페이즈 동안에, 마이크로컨트롤러에 연결되는 각 용량형 센서의 외부 센서 용량이 결정되어 교정 테이블에 저장될 수 있다. 이 테이블은 외부 센서에 연결된 각각의 포트가 측정을 위해 ADC 유닛과 결합되면 샘플 및 홀드 커패시터들의 추가 용량들을 조정하는데 사용될 수 있다. 추가의 샘플 및 홀드 용량들(208)은 이하에서 더욱 상세하게 설명되듯이, CVD 변환을 위해 표준 샘플 및 홀드 커패시터와 함께 사용된다.
도 4a는 아날로그 패스 게이트 스위치를 통해 디지털 I/O 및 아날로그 기능을 지원하는 다기능 포트 로직(212)을 도시하는 도면으로, 이하에서 더욱 상세하게 설명하듯이, 아날로그 기능은 ADC 컨트롤러 로직으로 포트에 연결되는 용량형 터치 센서를 프리챠지 또는 방전하도록 오버라이드될 수 있다. 이러한 포트 로직은 임의의 외부 핀들(211)에 사용될 수 있으며, 또한 하나보다 많은 스위치가 폐쇄되도록 아날로그 멀티플렉서가 구성되면 핀(211)에도 사용될 수 있다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되듯이, 노드(211)에서의 디지털 및 아날로그 기능들 간의 스위칭은 프로세서 집약적일 수 있고, 또한 노드(211)에 필요한 모든 관련 디지털 및 아날로그 기능들을 적절하게 처리하는 복잡한 프로그램을 필요로 할 수 있다. 각 용량형 센서의 용량 값의 셋업 및 결정 동안에 프로세서(106)의 로드, 예컨대 프로그램 단계들 및/또는 제어 기능들을 제거하기 위해, ADC 오버라이드 특징은 여기에 기술된 용량형 터치 결정 회로들내로 통합될 수 있다.
도 4a에 도시된 회로 기능들을 통합시키는 전용 ADC 컨트롤러를 사용함으로써, 디지털 프로세서 프로그램들 단계들이 절약될 것이며, 또한 프로세서는 용량형 센서 용량의 결정 동안에 다른 기능들을 수행할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 오버라이드 기능은 또한 생략될 수 있다.
도 4a로 다시 되돌아가면, 3 상태 출력을 갖는 디지털 드라이버(404)는 외부 노드(211)에 결합되고 또한 멀티플렉서(408)로부터의 3 상태 제어 신호에 의해 제어된다. 멀티플렉서(406)로부터의 디지털 출력 신호는 디지털 드라이버(404)의 입력에 결합된다. 아날로그 패스 게이트 스위치(304)는 아날로그 스위치 로직(402)에 의해 제어된다. ADC 오버라이드 인에이블 신호가 로직 로우이면, 멀티플렉서(408)는 디지털 드라이버(404)의 3 상태 출력을 제어하도록 3 상태 제어 신호를 결합하고, 또한 멀티플렉서(406)는 디지털 출력 신호를 디지털 드라이버(404)의 입력에 결합한다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되듯이, ADC 채널 선택(아날로그 버스 제어)은 노드(211)를 아날로그 버스(205)에 직접 결합하도록 아날로그 패스 게이트 스위치(304)를 제어한다.
하지만, ADC 오버라이드 인에이블 신호가 로직 하이이면, 멀티플렉서(408)는 디지털 드라이버(404)의 3 상태 출력을 제어하도록 ADC 오버라이드 데이터 인에이블 신호를 결합하고, 또한 멀티플렉서(406)는(406)는버라이드 데이터 신호를 디지털 드라이버(404)의 입력에 결합한다. 아날로그 패스 게이트 스위치(304)로 인해, 아날로그 버스(205)는 노드(211)로부터 분리된다. 이 구성에서, ADC 오버라이드 데이터 인에이블 및 ADC 오버라이드 데이터 신호들은 ADC 로직 컨트롤러(미도시됨)에 의해 제공될 수 있으며, 또한 디지털 프로세서(106)로부터의 프로그램 집약적인 조치들의 필요 없이, 노드(211)에 결합되는 용량형 터치 센서를 충전 또는 방전시키는데 사용될 수 있다.
또한, 또 하나의 다른 실시예에 따르면, 포트 로직은 예를 들어 도 4b에 도시된 바와 같이, 각 외부 핀을 위해 범용 포트를 생성하는데 사용될 수 있다. 따라서 모든 외부 핀들을 위한 범용 포트 로직은 독립적으로 아날로그 버스(205)에 연결되도록 제어될 수 있는 2개의 패스 게이트들(304a, 304b)을 구비할 수 있고 또한 독립적인 인에이블 신호에 의해 제어될 수 있는 아날로그 멀티플렉서의 일부인 단일 패스 게이트를 구비할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 패스 게이트(304a, 304b)의 동작이 포트 로직을 바이패스하는 것을 선택하도록 추가의 로직(420, 426, 428)이 제공된다.
위에서 지적한 바와 같이, 그리고 이하에서 더욱 상세하게 설명되듯이, 실시예들에 따른 CVD 변환은 변환 페이즈 이전에 프리챠지 페이즈 및 공유/획득 페이즈를 구현할 수 있다. 프리챠지 동안에는 내부 및 외부 커패시터들이 충전되고 방전되며; 공유/획득 동안에는 외부 및 내부 커패시터들이 충전 전하를 공유한다. 시퀀서에 의해 구현된 기능성은 도 5 내지 도 7을 참조하여 더욱 구체적으로 설명된다.
도 5는 프리챠지 및 공유/획득 페이즈들에 대한 예시적인 타이밍을 도시하는 도면이다. 특히, 일부 실시예들에서, 프리챠지 페이즈(502)는 외부 채널(210) 및 내부 샘플 및 홀드 커패시터(203)를 미리 조정된 상태들로 두는데 사용되는 선택적인 1 - 127 명령 사이클 시간이다. 이 페이즈 동안(도 6), 샘플 및 홀드 커패시터(203)는 (풀 업/다운 회로(204)에 따라) Vdd 또는 Vss 중 어느 하나로 단락되며, 포트 핀 로직(601)은 오버라이드되며, 아날로그 멀티플렉서(602)는 강제로 개방된다.
도 5로 되돌아가면, 일부 실시예들에 따른 공유/획득 시간(504)은 또한 내부 샘플 및 홀드 커패시터(203)의 전압을 선택된 아날로그 채널로부터 충전 또는 방전하게 하는데 사용되는 선택적인 1 - 127 명령 사이클 시간이다. 획득 스테이지(504)의 시작에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 선택된 ADC 채널은 멀티플렉서(602)에 의해 샘플 및 홀드 커패시터(203)에 연결된다. 이전 스테이지가 프리챠지 스테이지였다면, 시간은 외부 채널과 샘플 및 홀드 커패시터 간의 충전량 공유를 허용한다.
도 8은 실시예들에 따른 예시적인 ADC 모듈을 묘사하는 다이어그램을 도시하는 도면이다. 모듈은 디지털 컨트롤러(110) 및 아날로그 프런트 엔드(104)를 포함한다. 컨트롤러(110)는 레지스터 로직(802) 및 제어 로직(806)을 포함한다. 레지스터 로직(802)은 추가의 커패시터들(208)을 제어하는 스위치들에 대한 제어들을 포함하여 다양한 제어들로 프로그램될 수 있다.
기재된 바와 같이 실시예들에 사용하기 적합한 예시적인 용량형 센서 키들이 도 21 및 도 22에 도시되어 있다.
도 21은 도 1에 도시된 용량형 센서 키들의 정면도를 도시하는 도면이다. 기판(2004), 예컨대 인쇄 회로 기판(PCB)은 전자기 간섭(EMI) 차폐에 사용될 수 있는 그라운드 평면(2006)을 구비할 수 있다. 용량형 센서 플레이트들(2008)은 기판(2004)의 표면상에 그리고 그라운드 평면(2006) 근처에 놓여질(transpose) 수 있다. 다른 회로 도체들(2010)(예컨대 PCB 트레이스들)은 또한 용량형 센서 플레이트들(2008)의 가까운 근처에 있을 수 있다. 터치 타겟들(2012)은 용량형 센서 플레이트들(2008)의 각각의 플레이트 상부(over)에 배치되는데 터치 타겟들(2012)과 용량형 센서 플레이들(2008) 사이에 에어 갭(2014)을 구비할 수 있다. 외피(2016)는 터치 타겟들(2012) 상부(over)에 배치되거나 터치 타겟들(2012)의 일부일 수 있으며, 그 위에 새겨진 문자와 숫자 조합(alpha-numerical) 정보를 구비할 수 있다. 용량형 터치 키들(108)의 각각은 센서 플레이트(2008), 터치 타겟(2012) 및 외피(2016)를 포함한다. 유전체 스페이서들(2018)은 용량형 터치 센서(108)의 각각 사이에 위치한다.
그라운드 평면(2006) 및/또는 회로 도체(2010)는 이후 용량형 센서 플레이트들(2008)과는 서로 다른 전압 포텐셜에 있을 수 있다. 이는 용량형 센서 플레이트(2008)와, 그라운드 평면(2006)의 일부 및/또는 용량형 센서 플레이트(2008)의 가까운 근처에 있는 회로 도체들(2010) 간에 기생 용량을 생성할 수 있다.
도 22는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 1에 도시되고 또한 각 용량 센서 주위에 용량형 가드 링들을 구비하는 용량형 센서 키들의 정면도를 도시하는 도면이다. 용량형 센서 키들(102a)에는 각 용량형 센서 플레이트(2008) 주위의 가드 링(3020)이 추가된다. 이 외의 다른 모든 요소들은 실질적으로 도 21에 도시된 용량형 센서 키들(102)과 실질적으로 동일하다. 가드 링들(3020)의 전압을 실질적으로 각각의 용량형 센서 플레이트(2008) 전압과 동일하게 유지함으로써, 기생 용량들은 상당히 감소된다. 이에 의해 용량형 센서 키들에 대한 터치 동안에 생기는 용량형 센서 플레이트(2008)의 용량 값의 변화에 대한 검출 분해능을 증가시킬 수 있다. 또한 개선된 잡음 차폐를 제공함으로써 도 21에 도시된 구성에서 알 수 있듯이 검출 분해능에 영향을 미치지 않게 된다. 이런 실시예에서는 용량형 센서 플레이트(2008) 및 가드 링(3020)이 실질적으로 동일 전압 포텐셜에 있기 때문에 용량형 센서 플레이트(2008) 및 가드 링(3020) 사이에는 기생 용량이 없다.
도 9는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 센서 및 관련 가드 링을 위한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 다이어그램을 도시하는 도면이다. 도 9에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스(101), 예컨대 마이크로컨트롤러는 용량형 센서 플레이트(2008)의 용량 값을 결정하는 용량형 전압 분배(CVD) 방법을 이용하는 경우에 적용 가능하다. 우선 미터치된 용량형 센서 플레이트(2008)의 용량 값을 결정하고, 터치된 용량형 센서 플레이트(2008)의 이후의 용량 값을 결정함으로써, 그 용량형 센서 플레이트(2008)에 대한 터치가 용량형 센서 플레이트의 용량 변화에 근거하여 결정될 수 있다. CVD에서, 2개의 커패시터들은 반대 전압 값들로 충전되거나/방전된다. 다음에 반대로 충전된 2개의 커패시터들은 함께 결합되고 또한 이 결과 생긴 전압이 연결된 2개의 커패시터들상에서 측정된다. CVD의 더욱 상세한 설명은 공유된 미국특허공개 US 2010/0181180호에 기재되어 있으며, 모든 목적을 위해 여기에 참조로서 통합된다. 도 9에 도시된 스위치들은, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET) 스위치들일 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 노드들(928 및 930)은 각각의 내부 단일 라인 (도체) 아날로그 버스들(932 및 934)에 각각 결합되는 아날로그 노드들이다.
용량형 센서 플레이트(2008)의 용량은 가변 커패시터(904)(제1 CVD 커패시터)로 표시되며, 가변 커패시터(904)와 샘플 및 홀드 커패시터(916)가 상당히 근접한 용량 값들, 예컨대 1:1 내지 3:1을 가진다면 제2 CVD 커패시터는 샘플 및 홀드 커패시터(916)일 수 있다. CVD에서 이러한 용량값을 사용하는 이유는 하나의 커패시터로부터의 충전 전하의 일부가 충전이 없는 또는 반대의 충전을 갖는 다른 커패시터로 이동되기 때문이다. 예를 들면, 2개의 CVD 커패시터들의 값이 같으면, 한 커패시터의 충전 전하의 절반이 다른 커패시터로 이동될 것이다. 2:1 용량비는 커패시터들 중 어느 하나가 처음에 충전되었는지에 따라 충전량의 1/3이 더 작은 (1/2C) 커패시터로 이동되거나 또는 더 작은 (1/2C) 커패시터로부터 가져오게 될 것이다. 샘플 및 홀드 커패시터(916)가 실질적으로 용량형 센서 커패시터(904)보다 더 작은 경우, 위의 기준을 충족하기 위해 추가 커패시터(906a)는 노드(928)에 외부적으로 더해지고 및/또는 내부 커패시터(906b)는 노드(928)와 무관하게 더해지므로, 용량형 센서 커패시터(904)의 용량형 값과 비교하여 커패시터들(916, 906a 및/또는 906b)의 결합 용량이 충분한 용량을 가질 수 있다. 이로 인해 CVD를 이용하여 용량 값을 결정함에 있어 최선의 분해능을 얻을 수 있다. 커패시터(916)는 또한 충전 전하가 2개의 CVD 커패시터들 간에 이동된 후에 결과로 생기는 아날로그 전압을 샘플하고 홀드하는데 사용되는 샘플 및 홀드 커패시터이다. 충전량 이동이 완료되면, 아날로그 디지털 변환기(ADC)(918)는 이 결과 생긴 충전량을 디지털 값으로 변환하고, ADC 컨트롤러(110)/디지털 프로세서(106)는 이 디지털 값은 판독하고 추가로 처리하여 터치 센서 커패시터(904)의 용량 값을 결정한다.
이후에 개시된 예시에서, 커패시터(904)(제1 CVD 커패시터), 커패시터(906a)(외부적으로 연결된 커패시터) 및/또는 커패시터(906b)(내부적으로 연결된 커패시터)의 용량 값들은 샘플 및 홀드 커패시터(916)와 결합하여 선택될 수 있는데, 그 결과 제1 CVD 커패시터(904)가 Vss로 방전되는지 Vdd로 충전되는지 그리고 커패시터들(906 및 916)의 결합이 Vdd로 충전되는지 Vss로 방전되는지 각각에 따라 결합 충전 전압이 1/3 또는 2/3 Vdd 전압이 된다. 이 예에서, 커패시터(904)는 커패시터들(906 및 916)의 병렬 연결 결합의 용량의 대략 2배의 용량이다. 반대 극성으로 충전된 2개의 CVD 커패시터들을 함께 결합한 후에 그 결과로 생긴 대기 휴지 전압(quiescent voltage)은 커패시터(904)가 처음에 Vss로 방전되었다면 대략 1/3*Vdd이고, 커패시터(904)가 처음에 Vdd로 충전되었다면 대략 2/3*Vdd일 것이다.
병렬로 연결되는 모든 커패시터들의 결합에 대해 예상되는 대기 휴지 전압들을 알고 있다면, 디지털 프로세서(106)에 의해 용량 값으로 평가되는, 각각의 센서 플레이트(2008)를 둘러싸는 가드 링(3020)을 위한 적절한 전압들을 생성시킬 수 있다. 가드 링(3020)에 Vdd를 희망하면, 디지털 드라이버들(912, 914)로부터의 양쪽 출력들은 실질적으로 Vdd(로직 하이)에 있다. 가드 링(3020)에 Vss를 희망하면, 디지털 드라이버들(912, 914)로부터의 양쪽 출력들은 실질적으로 Vss(로직 로우)에 있다. 가드 링(3020)에 1/3*Vdd를 희망하면, 디지털 드라이버(914)로부터의 출력은 실질적으로 Vss(로직 로우)에 있고 그리고 디지털 드라이버(912)로부터의 출력은 Vdd(로직 하이)이다. 가드 링(3020)에 2/3*Vdd를 희망하면, 디지털 드라이버(914)로부터의 출력은 Vdd(로직 하이)에 있고 그리고 디지털 드라이버(912)로부터의 출력은 실질적으로 Vss(로직 로우)에 있다.
커패시터(906)의 용량 값 및 저항들(908, 910)의 저항 값들을 적절하게 선택함으로써, 노드들(924, 926)에서의 단지 2개의 디지털 출력값을 이용하여 가드 링 전압들이 ADC 컨트롤러(110)에 의해 쉽게 생성될 수 있다. 다른 전압비들 역시 커패시터(906)와 저항들(908, 910)의 값들을 적절하게 선택함으로써 효과적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 커패시터들(906, 916)의 결합 용량이 커패시터(904)의 용량과 실질적으로 동일하다면 이후의 결합 전압은 1/2*Vdd이 될 것이고, 그 저항들(908, 910)이 실질적으로 동일 저항 값이 되어 적절한 경우에 가드 링 용량에 1/2*Vdd 전압를 생성할 것이다.
도 10은 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른 복수의 용량형 센서들 및 하나의 가드 링을 위한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다. 도 10에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스(101b), 예컨대 마이크로컨트롤러는 단지 하나의 단일 와이어 아날로그 버스(932a)가 있고, 여기서 내부 커패시터들(906b, 906c)이 스위치들(H)에 의해 버스(932a)로부터 분리되어 있으며, 외부 노드(928)는 스위치(G)에 의해 버스(932a)로부터 분리되어 있는 것을 제외하고는 실질적으로 도 9에 도시된 디바이스(101a)와 같은 방식으로 동작한다. 오직 한 세트의 Vdd/Vss 스위치들(D, C)만이 사용되는데, 여기서 제1 CVD 커패시터(904)는 제2 CVD 커패시터(916)(및 906)가 방전/충전되는 시간 주기와는 서로 다른 시간 주기 동안에 충전/방전된다. 이로 인해 한 세트의 스위치들 및 제2 내부 아날로그 버스(도 9의 버스(934) 참조)를 절감할 수 있다.
또한, 복수의 스위치들(I)은 도 1에 도시된 용량형 터치 키들(108)에 사용되는 용량형 센서들(904)의 각각을 다중화(multiplex)하는데 사용된다. 이들 특징은 또한 도 9의 회로 내에 통합될 수 있다. 용량형 터치 아날로그 프런트 엔드(104)가 용량형 터치 키들(108)을 스캔하는 동안 아날로그 멀티플렉서 스위치들(I)은 복수의 센서 커패시터들(904)의 각각의 센서 커패시터들을 선택한다. 복수의 노드들(930)은 전형적으로 다목적 프로그램가능 아날로그 또는 디지털 입력단들 및/또는 출력단들이다. 본 발명에서는 명확하게 설명하기 위해, 오직 아날로그 입력/출력(양방향)이 구성된 노드들이 도시되어 있다. 디지털 프로세서는 디지털 드라이버들(912, 914)을 통해 복수의 센서 커패시터들(904) 중에서 선택된 센서 커패시터의 적절한 로직 레벨들로 노드들(924, 926)을 구동한다.
도 11은 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른, 용량형 센서 및 관련 가드 링을 위한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다. 도 11에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스(101c), 예컨대 마이크로컨트롤러는 실질적으로 도 9에 도시된 디바이스(101a)와 같은 방식으로 동작한다.
선택적으로, 고 입력 임피던스를 갖는 아날로그 버퍼 드라이버(914)는 또한 커패시터(904)에 결합되는 노드(930)에 결합될 수 있다. 아날로그 버퍼 드라이버(914)는 또한 가드 링 용량(902)에 결합되는 노드(926)에 스위치(J)를 통해 스위칭 가능하게 결합될 수 있는 저 임피던스 출력을 갖는다. 아날로그 버퍼 드라이버(914)의 출력 전압은 그 입력에서 전압을 정확하게 뒤따른다. 그러므로, 가드 링(3020)의 전압은 실질적으로 디지털 프로세서(106)에 의해 용량 값이 평가될 각각의 센서 플레이트(2008)의 전압을 뒤따른다.
도 12는 본 발명의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 복수의 용량형 센서들 및 하나의 가드 링을 위한 CVD 처리 능력들을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스를 도시하는 도면이다. 도 12에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스(101d), 예컨대 마이크로컨트롤러는 실질적으로 도 10에 도시된 디바이스(101b)와 같은 방식으로 동작한다.
선택적으로, 고 입력 임피던스를 갖는 아날로그 버퍼 드라이버(914)는 복수의 커패시터들(904) 중에서 선택된 커패시터가 충전/방전 중일 때 스위치(J)를 통해 노드(926) 및 단일 와이어 아날로그 버스(932a) 사이에 결합될 수 있다. 아날로그 버퍼 드라이버(914)는 노드(926)에 결합되는 저 임피던스 출력을 갖는데, 노드(926)는 가드 링 용량(902)에 결합된다. 아날로그 버퍼 드라이버(914)의 출력 전압은 복수의 커패시터들(904) 중에서 선택된 커패시터의 전압을 정확하게 뒤따른다.
도 9 내지 도 12와 관련하여, 마이크로컨트롤러의 다양한 실시예들이 상술한 바와 같이 외부 커패시터(906a)의 연결을 허용하는 외부 노드(928)를 포함하는 것이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 추가의 조절 가능한 커패시터(들)(906b)(및 (906c))이 내부에 존재될 수 있으며, 또한 아날로그 버스(932a)에 스위칭 가능하게 결합될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들은 이러한 외부 노드(928)를 제공하지 않을 수 있다. 대신에, 커패시터(916)가 적절한 값을 가질 수 있거나 또는 추가의 내부 커패시터(906b), 예를 들면 가변 커패시터가 버스(932)에 연결되거나 연결될 수 있다. 또한, 각 외부 노드(926, 928, 930)가 복수의 기능들을 지원하도록 프로그램 가능하므로, 추가의 스위치들(도 9에 미도시됨)이 위에서 지적한 바와 같이 다른 기능들을 위한 노드들(926, 928, 930)의 이용을 허용하는데 사용될 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 특정 예시의 실시예들에 따른, 용량 변환들의 전압-시간 다이어그램(도 13) 및 이들 용량 변환 동안의 가드 링 전압 제어(도 14)를 도시하는 도면이다. 세그먼트(I)에서, 커패시터들(906 및 916(샘플 및 홀드 커패시터))은 Vdd로 충전되고, 용량형 센서 커패시터(904)는 Vss로 방전되고, 그리고 가드 링 용량(902)은 Vss로 방전된다(실질적으로 커패시터(904)의 전압과 일치함). 세그먼트(II)에서, 커패시터들(906, 916, 904)은 함께 결합되고, 용량형 터치 키(108)가 눌려져 있지 않으면 대기 휴지 전압이 대략 1/3*Vdd이 될 것이고 용량형 터치 키(108)가 눌려져 있으면 대기 휴지 전압이 1/3*Vdd보다 작을 것이다. 가드 링과 커패시터(904)(용량형 센서) 사이에 존재하는 기생 용량을 최소화기 위해 가드 링 용량(902)은 커패시터(904)(용량형 센서) 전압을 뒤따른다. 세그먼트(II)의 끝 무렵에서 샘플 및 홀드 커패시터(916)는 커패시터들(906, 904)로부터 분리되고 세그먼트(II) 동안에 얻어진 대기 휴지 전압을 계속 유지한다. 세그먼트(III)에서 커패시터(904)(용량형 센서)의 모든 전압 충전량은 실질적으로 Vss로 방전되고, 이후 세그먼트(IV)의 시작에서 커패시터(904)(용량형 센서) 및 가드 링 용량(902)은 실질적으로 Vdd로 충전된다. 한편 또한 세그먼트(IV)에서 샘플 및 홀드 커패시터(916)에 저장된 대기 휴지 전압은 ADC(918)에 의해 디지털 값으로 변환되며, 이 디지털 값은 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다. ADC(918)로부터의 디지털 값은 용량형 센서가 활성화(터치)되어 있었는지를, 예컨대, 비활성화된 터치 센서로부터 기대되는 것보다 더 낮은 대기 휴지 전압인지 아닌지를 결정하는데 사용된다. 터치 센서 커패시터(904)의 용량형 값이 활성화(터치)되면, 터치 센서 커패시터 용량은 증가하고, 그 때문에 이후의 대기 휴지 전압은 비활성화일 때보다 더 낮아질 것이다. 커패시터(904)가 Vss로 초기화되는 경우에 이것은 사실이다. 커패시터(904)가 Vdd로 초기화되는 경우 용량형 센서가 활성화되지 않으면 이후의 대기 휴지 전압은 대략 2/3*Vdd이다.
세그먼트(V)에서, 커패시터들(906 및 916)(샘플 및 홀드 커패시터)은 Vss로 방전되며, 용량형 센서 커패시터(904) 및 가드 링 용량(902)은 Vdd로 이미 충전되어 있다. 세그먼트(VI)에서, 커패시터들(906, 916, 904)은 함께 결합되고, 용량형 터치 키(108)가 눌려져 있지 않으면 대기 휴지 전압이 대략 2/3*Vdd이 될 것이고 용량형 터치 키(108)가 눌려져 있으면 대기 휴지 전압이 2/3*Vdd보다 좀 클 것이다. 가드 링과 커패시터(904)(용량형 센서) 사이에 존재하는 기생 용량을 최소화기 위해 가드 링 용량(902)은 커패시터(904)(용량형 센서) 전압을 뒤따른다. 세그먼트(VI)의 끝 무렵에서 샘플 및 홀드 커패시터(916)는 커패시터들(906, 904)로부터 분리되고 세그먼트(VI) 동안에 얻어진 대기 휴지 전압을 계속 유지한다. 세그먼트(VII)에서 커패시터(904)(용량형 센서)는 실질적으로 Vdd로 충전되고, 이후 세그먼트(VIII)의 시작에서 커패시터(904)(용량형 센서) 및 가드 링 용량(902)은 실질적으로 Vss로 방전된다. 한편, 또한 세그먼트(VIII)에서 샘플 및 홀드 커패시터(916)에 저장된 대기 휴지 전압은 ADC(918)에 의해 디지털 값으로 변환되며, 이 디지털 값은 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다. ADC(918)로부터의 디지털 값은 용량형 센서가 활성화(터치)되어 있었는지를, 예컨대, 비활성화된 터치 센서로부터 기대되는 것보다 더 낮은 대기 휴지 전압인지 아닌지를 결정하는데 사용된다. 터치 센서 커패시터(904)의 용량형 값이 활성화(터치)되면, 터치 센서 커패시터 용량은 증가하고, 그 때문에 이후의 대기 휴지 전압은 비활성화일 때보다 더 높아질 것이다. 커패시터(904)가 Vdd로 초기화되는 경우에 이것은 사실이다. 커패시터(904)가 Vss로 초기화되는 경우 용량형 센서가 활성화되지 않으면 상술한 바와 같이 이후의 대기 휴지 전압은 대략 1/3*Vdd이다. 이들 시퀀스들은 터치 키들(108)의 각 키에 대해 반복된다. 또한 용량형 측정 사이클을 하나 걸러서 전압 충전 극성들을 바꾸고 또한 용량형 측정 값들을 평균화함으로써, 공통 모드 잡음 및 간섭, 예컨대 60Hz 전력 라인 간섭을 최소화하는 차별적인 동작 유형이 얻어진다.
가드 링(3020)이 있는 것도 또한 없는 것이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. ADC 컨트롤러(110)는 용량형 터치 센서 커패시터(904) 및 ADC 샘플 및 홀드 커패시터(916)(및 (906))의 충전 및 방전 그리고 커패시터들(904, 906)을 함께 결합하기 위한 타이밍, 스위치 및 드라이버 선택들을 제어하고, ADC로 하여금 그 결과 생긴 충전량을 샘플링하고 그 샘플링된 충전량을 디지털 값으로 변환하게 하고, 또한 그 샘플링된 충전량의 디지털 값이 이용 가능한지를 디지털 프로세서(106)에 통지한다. 또한, ADC 컨트롤러(110)는 가드 링(3020)의 충전 및 방전을 위한 타이밍, 스위치 및 드라이버 선택들을 제어할 수 있다.
도 15는 도 9에 도시된 용량형 변환 시스템의 타이밍 다이어그램을 도시하는 도면이다. 노드들(924, 926, 928 및 930) 전압들이 스위치들(A-F)의 개방 및 폐쇄 동작의 조합과 관련하여 도시되어 있다. 다른 또한 추가의 회로 설계들 및 타이밍 다이어그램이 동일한 효과를 위해 사용될 수 있고, 또한 전자 회로 설계에서 통상의 지식을 가지고 또한 본 발명의 이익을 가진 자라면 여기에 설명된 결과들을 재현할 수 있다는 것이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 16은 도 11에 도시된 용량형 변환 시스템의 타이밍 다이어그램을 도시하는 도면이다. 노드들(924, 926, 928 및 930) 전압들이 스위치들(A-F)의 개방 및 폐쇄 동작 결합들과 관련하여 도시되어 있다. 도 16은 기본적으로 도 15에 도시된 것과 동일 전압 및 타이밍 파형들을 나타낸다. 다른 또는 추가의 회로 설계들 및 타이밍도가 동일한 효과를 위해 사용될 수 있고, 또한 전자 회로 설계에서 통상의 지식을 가지고 또한 본 발명의 이익을 가진 자라면 여기에 설명된 결과들을 재현할 수 있다는 것이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 용량형 변환들의 처리 흐름도를 도시하는 도면이다. 도 17 및 도 18에 묘사된 도식적인 처리 흐름도들은 도 9, 도 10 및 도 15에 도시된 CVD 처리 능력을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 동작을 나타낸다. 제1 용량형 측정을 위해 다음 단계들이 수행될 수 있다. 단계(1102)에서, 용량 값 변환이 시작된다. 단계(1104)에서, 샘플 및 홀드 커패시터 결합인 커패시터들(906, 916)은 제1 전압으로 충전된다. 단계(1106)에서, 용량형 센서는 제2 전압으로 충전된다. 제1 전압은 Vdd일 수 있고, 제2 전압은 Vss일 수 있으며, 또는 그 반대일 수도 있다. 선택적으로, 단계(1108)에서, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제2 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다.
다음, 단계(1110)에서, 센서 가드 링은 단계(1112)의 실행과 동시에 제3 전압으로 충전/방전되며, 단계(1112)에서 이미 제1 전압으로 충전되어 있는 샘플 및 홀드 커패시터 결합이 이미 제2 전압으로 충전되어 있는 용량형 센서와 결합된다. 단계들(1110, 1112)은 두 개가 서로 동시에 발생하는 한 상호 변경될 수 있다. 단계(1114)에서, 샘플 및 홀드 커패시터와 용량형 센서는 정지 제1 충전량에 완벽한 정착을 하기에 충분히 긴 시간 동안 함께 결합된다. 이후, 단계(1116)에서, 샘플 및 홀드 커패시터는 용량형 센서로부터 분리되고, 샘플 및 홀드 커패시터는 이후 그 정착된 제1 충전량을 계속 유지한다. 단계(1118)에서 샘플 및 홀드 커패시터에 저장된 제1 충전량의 디지털 표현으로의 변환이 시작된다.
단계(1120)에서, 용량형 센서는 잠시 제2 전압으로 방전된다. 단계(1122)에서, 용량형 센서는 제1 전압으로 충전된다. 선택적으로, 단계(1124)에서, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제1 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다. 단계(1126)에서, 제1 충전량의 그 디지털 표현으로의 변환이 종료되고, 이후 용량형 센서(108)의 용량 값을 결정하기 위해 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다.
선택적인 제2 용량형 측정을 위해, 다음 단계들이 수행될 수 있다. 단계(1128)에서, 샘플 및 홀드 커패시터 결합인 커패시터들(906, 916)은 제2 전압으로 충전된다. 단계(1130)에서, 용량형 센서는 제1 전압으로 충전된다. 선택적으로, 단계(1132)에서, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제1 전압으로 충전되고, 만약 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다.
선택적으로, 다음, 단계(1134)에서, 센서 가드 링은 단계(1136)의 실행과 동시에 제4 전압으로 충전/방전되며, 단계(1136)에서 이미 제2 전압 레벨로 충전되어 있는 샘플 및 홀드 커패시터 결합이 이미 제1 전압으로 충전되어 있는 용량형 센서와 결합된다. 단계들(1134, 1136)은 두 개가 서로 동시에 발생한다면 상호 변경될 수 있다. 단계(1138)에서, 샘플 및 홀드 커패시터와 용량형 센서는 정지 제2 충전량에 완벽한 정착을 하기에 충분히 긴 시간 동안 함께 결합된다. 이후, 단계(1140)에서, 샘플 및 홀드 커패시터는 용량형 센서로부터 분리되고, 샘플 및 홀드 커패시터는 이후 그 정착된 제2 충전량을 계속 유지한다. 단계(1142)에서 샘플 및 홀드 커패시터에 저장된 제2 충전량의 디지털 표현으로의 변환이 시작된다.
단계(1144)에서, 용량형 센서는 잠시 제1 전압으로 방전된다. 단계(1146)에서, 용량형 센서는 제2 전압으로 충전된다. 선택적으로, 단계(1148)에서, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제2 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다. 단계(1150)에서, 제2 충전량의 그 디지털 표현으로의 변환이 종료되고, 이후 용량형 센서(108)의 용량 값을 결정하기 위해 이 디지털 표현은 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다. 제1 및 제2 충전량 변환들 모두를 획득하는 장점은 그들이 공통 모드 잡음 및 간섭, 예컨대 60Hz 전력 라인 간섭을 감소시킬 수 있도록 처리될 수 있다는 것이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른 용량형 변환들의 처리 흐름도를 도시하는 도면이다. 도 19 및 도 20에 묘사된 도식적인 처리 흐름도는 도 11, 도 12 및 도 16에 도시된 CVD 처리 능력을 갖는 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 동작을 나타낸다. 제1 용량형 측정을 위해 다음 단계들이 수행될 수 있다. 단계(1202)에서, 용량 값 변환이 시작된다. 단계(1204)에서, 샘플 및 홀드 커패시터 결합인 커패시터들(906, 916)은 제1 전압으로 충전된다. 단계(1206)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 용량형 센서 가드 링은 제2 전압으로 충전된다. 제1 전압은 Vdd일 수 있고, 제2 전압은 Vss일 수 있으며, 또는 그 반대일 수도 있다. 선택적으로, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제2 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다.
단계(1212)에서 이미 제1 전압으로 충전되어 있는 샘플 및 홀드 커패시터 결합이 이미 제2 전압으로 충전되어 있는 용량형 센서와 결합된다. 단계(1214)에서, 샘플 및 홀드 커패시터와 용량형 센서는 정지 제1 충전량에 완벽한 정착을 하기 에 충분히 긴 시간 동안 함께 결합된다. 이후, 단계(1216)에서, 샘플 및 홀드 커패시터는 용량형 센서로부터 분리되고, 샘플 및 홀드 커패시터는 이후 정착된 제1 충전량을 계속 유지한다. 단계(1218)에서 샘플 및 홀드 커패시터에 저장된 제1 충전량의 디지털 표현으로의 변환이 시작된다.
단계(1220)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 가드 링은 잠시 제2 전압으로 방전된다. 단계(1222)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 가드 링은 제1 전압으로 충전된다. 선택적으로, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제1 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다. 단계(1226)에서, 제1 충전량의 그 디지털 표현으로의 변환이 종료되고, 이후 용량형 센서(108)의 용량 값을 결정하기 위해 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다.
선택적인 제2 용량형 측정을 위해, 다음 단계들이 수행될 수 있다. 단계(1228)에서, 샘플 및 홀드 커패시터 결합인 커패시터들(906, 916)은 제2 전압으로 충전된다. 단계(1230)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 용량형 센서 가드 링은 제1 전압으로 충전된다. 선택적으로, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제1 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다.
단계(1236)에서 이미 제2 전압으로 충전되어 있는 샘플 및 홀드 커패시터 결합이 이미 제1 전압으로 충전되어 있는 용량형 센서와 결합된다. 단계(1238)에서, 샘플 및 홀드 커패시터와 용량형 센서는 정지 제2 충전량에 완벽한 정착을 하기 에 충분히 긴 시간 동안 함께 결합된다. 이후, 단계(1240)에서, 샘플 및 홀드 커패시터는 용량형 센서로부터 분리되고, 샘플 및 홀드 커패시터는 이후 정착된 제2 충전량을 계속 유지한다. 단계(1242)에서 샘플 및 홀드 커패시터에 저장된 제2 충전량의 디지털 표현으로의 변환이 시작된다.
단계(1244)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 가드 링은 잠시 제1 전압으로 방전된다. 단계(1246)에서, 용량형 센서 및 선택적으로 가드 링은 제2 전압으로 충전된다. 선택적으로, 용량형 센서 가드 링은 기생 용량을 최소화하도록 제2 전압으로 충전되고, 그렇지 않으면 용량형 센서와 인접하는 도체들 사이의 전압 포텐셜의 차에 의해 야기되는 정전하로 인해 용량형 센서에서 기생용량이 생긴다. 단계(1250)에서, 제2 충전량의 그 디지털 표현으로의 변환이 종료되고, 이후 용량형 센서(108)의 용량 값을 결정하기 위해 디지털 프로세서(106)에 의해 판독된다. 제1 및 제2 충전량 변환들 모두를 획득하는 장점은 그들이 공통 모드 잡음 및 간섭, 예컨대 60Hz 전력 라인 간섭을 감소시킬 수 있도록 처리될 수 있다는 것이다.

Claims (12)

  1. 아날로그 버스와 결합되는 복수의 포트들;
    상기 아날로그 버스와 결합되고, 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함하는 아날로그 디지털 변환기;
    프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 포함하는 마이크로컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 병렬로 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 결합하기 위한 복수의 스위치들을 제어하는 레지스터를 더 포함하는 마이크로컨트롤러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러의 외부 포트를 통해 상기 아날로그 버스와 결합되는 외부 센서의 용량을 자동으로 측정하기 위한 프로그램가능한 제어 유닛을 더 포함하는 마이크로컨트롤러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 측정을 위해 상기 외부 센서가 상기 아날로그 디지털 변환기에 결합되면, 상기 외부 센서의 측정된 값을 저장하고 또한 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 하나 이상의 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 자동적으로 추가하도록 구성되는 마이크로컨트롤러.
  5. 아날로그 버스와 결합되고, 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함하는 아날로그 디지털 변환기;
    프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 포함하는 아날로그 디지털 변환기 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 병렬로 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 결합하기 위한 복수의 스위치들을 제어하는 레지스터를 더 포함하는 아날로그 디지털 변환기 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러의 외부 포트를 통해 상기 아날로그 버스와 결합되는 외부 센서의 용량을 자동으로 측정하기 위한 프로그램가능한 제어 유닛을 더 포함하는 아날로그 디지털 변환기 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 측정을 위해 상기 외부 센서가상기 아날로그 디지털 변환기에 결합되면, 상기 외부 센서의 측정된 값을 저장하고 또한 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 하나 이상의 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 자동적으로 추가하도록 구성되는 아날로그 디지털 변환기 모듈.
  9. 아날로그 버스와 결합되는 복수의 포트들을 제공하는 단계;
    상기 아날로그 버스와 결합되는 아날로그 디지털 변환기를 제공하는 단계, - 상기 아날로그 디지털 변환기는 메인 샘플 및 홀드 커패시터를 포함함 - ;
    프로그램 가능하게 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터와 병렬로 결합될 수 있는 복수의 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 병렬로 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 결합하기 위한 복수의 스위치들을 제어하는 레지스터를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    마이크로컨트롤러의 외부 포트를 통해 상기 아날로그 버스와 결합되는 외부 센서의 용량을 자동으로 측정하기 위한 프로그램가능한 제어 유닛을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 측정을 위해 상기 외부 센서가 상기 아날로그 디지털 변환기에 결합되면, 상기 외부 센서의 측정된 값을 저장하고 또한 상기 메인 샘플 및 홀드 커패시터에 하나 이상의 상기 추가의 샘플 및 홀드 커패시터들을 자동적으로 추가하도록 구성되는 방법.
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