TWI470236B - 電容轉電壓介面電路及其相關操作方法 - Google Patents

電容轉電壓介面電路及其相關操作方法 Download PDF

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Description

電容轉電壓介面電路及其相關操作方法
本文所描述之標的之實施例大致上係關於電子電路。更特定言之，標的之實施例係關於一種將經量測的電容變化轉換為一電壓之感測器介面電路。
先前技術充斥著偵測或量測物理現象的電子感測器、傳感器(transducer)及電路。例如，可將一加速度計實現為一偵測移動、實體定向變化、振動、搖動或類似物之微型感測器組件。微型加速度計可包含於許多應用中，例如行動裝置、攜帶式視訊遊戲及數位媒體播放器。可將此一裝置中之一加速度計用於偵測該裝置之顯示器是否定向於一縱向模式或一橫向模式；在休眠模式與作用中模式間轉變；獲取使用者輸入(例如搖動該裝置可代表一使用者命令)等。
通常使用電容感測單元實施攜帶式裝置中之加速度計。在此背景內容中，一電容感測單元包含複數個電容器，該等電容器係經配置並通電使得單元體電容隨其加速度而改變。在典型應用中，將經量測的電容差轉換為一電壓，可以一適當方式處理或分析該電壓。特定言之，可將一電容轉電壓介面電路用於將經量測之電容差異轉換為一對應之類比電壓。然而由於與此電容轉電壓轉換相關聯之相對較低電壓位準，通常將該類比電壓放大以為隨後之類比轉數位轉換提供足夠的動態範圍。
習知電容轉電壓介面電路使用三個主要元件或級：一電容感測單元；一與電容轉電壓轉換相關聯之第一放大器級；及一與類比電壓放大相關聯之第二放大器級。明顯地，各放大器級包含至少一不同運算放大器裝置或電路。因此習知架構至少使用兩個不同及獨立運算放大器。
可藉由參考結合下列圖式所考慮的詳細描述及請求項更全面地瞭解標的，其中所有圖式中之相同元件符號表示類似元件。
下列詳細描述本質上僅為闡釋性且不旨在限制標的之實施例或此等實施例的應用及使用。如本文所使用，詞「例示性」意指「作為一實例、例子或闡釋。」本文中描述為例示性的任何實施方案並不一定解釋為比其他實施方案更佳或有利。此外，無意受限於先前技術領域、背景、簡述或下文詳細描述中所提出的任何明示或暗示的理論。
本文中可描述與功能及/或邏輯塊組件相關之技術及工藝並參考可藉由各種計算組件或裝置執行的作業、處理任務及功能之象徵性表示描述技術及工藝。應瞭解可藉由任何數量之經組態以執行特定功能之硬體、軟體及/或韌體組件實現圖式所顯示之各種塊組件。例如，一系統或一組件之一實施例可使用各種積體電路組件，例如記憶體元件、數位信號處理元件、邏輯元件、查找表或類似物，該等積體電路組件可在一或更多個微處理器或其他控制裝置的控制下實行多種功能。
如本文所使用，一「節點」意指任何內部或外部參考點、連接點、接面、信號線、導電元件或類似物，其中存在一給定信號、邏輯位準、電壓、資料型樣、電流或數量。此外，可藉由一實體元件實現兩個或更多個節點(且即使兩個或更多個信號係接收或輸出於一共同節點，仍可對其等進行多工處理、調變或另外進行區分)。
下列描述可表示「耦合」在一起的元件或節點或特點。如本文所使用，除非另有明確說明，否則「耦合」意指一元件/節點/特點係直接或間接加入(或直接或間接連通)另一元件/節點/特點，且不一定以機械形式。因此，雖然圖式中所顯示的圖表描繪所描繪標的之一實施例中可能存在的元件、額外中介元件、裝置、特點或組件之例示性配置。
可藉由一電容感測單元使用本文所描述之技術及工藝。此等感測單元係普遍存在於電子感測器(例如加速度計)中，但是電容感測單元之特定實施方案及應用隨實施例不同而變化。更具體言之，本文所描述之標的係關於一可重新組態電容轉電壓介面電路，該電容轉電壓介面電路包含僅一用於轉換及放大的運算放大器。需要在此背景內容中使用僅一運算放大器以相對於使用兩個或更多個運算放大器裝置之習知架構而減少封裝大小及減少主機裝置或系統的功率損耗。雖然此一實施方案可以一可接受方式起作用，但是從一實體封裝立場及一功率損耗立場兩者視之無需使用兩個或更多個運算放大器。在此方面，通常需要減少積體電路晶粒面積及因此行動裝置之整個實體覆蓋區。另外，通常需要降低電流要求及因此提高行動裝置的電池壽命。因此需要減少電容轉電壓介面電路之實體大小及功率損耗。
圖1為一電容轉電壓介面電路100之一實施例的簡化示意圖。此電路100之實施例一般包含(但不限於)一電容感測單元102、一執行電容轉電壓轉換及電壓放大之模組104、一類比轉數位轉換器(ADC)106，及一重新組態或切換架構108。在一些實施例中，將電容感測單元102實施為一不同裝置或封裝，而將電路100之剩餘部分實施為一特定應用積體電路(ASIC)，該特定應用積體電路係耦合至電容感測單元102。為簡潔起見，本文不詳細描述與電容感測、積體電路設計、放大器設計及運算，與電路之其他功能態樣(及電路之個別運算元件)相關之習知技術。此外，本文所包含之各種圖式中所顯示之連接線旨在代表各種元件之間例示性功能關係及/或實體耦合。應注意的是：在介面電路之一實施例中可存在許多替代或額外功能關係或實體連接。
可適當地組態電容感測單元102使得其電容為其加速度、運動、實體定向及/或其他待測參數之一函數。如下文更詳細之描述，電容感測單元102可為習知設計，且其可包含兩個串聯電容器。使用切換架構108以按需要而選擇性地將電容感測單元102耦合至模組104及重新配置、重新組態及/或建立電路100之不同拓樸(如下文更詳細之解釋)。
模組104較佳地包含一個或僅一個運算放大器，以及各種電容器及可能的其他電路元件。特別地，除了形成一指示主機裝置之加速度、移動、搖動、實體定向或振動之經放大的輸出電壓之相關電壓放大作業外，適當地組態模組104以執行電容轉電壓轉換作業。對於此實施例而言，將模組104之經放大的輸出電壓提供至ADC 106，該ADC隨後將該經放大的輸出電壓轉換為一等效數位表示。如下文進一步解釋，在作業期間，按需要以一切換方式將ADC 106中之電容器連接至模組104。換言之，雖然圖1描繪連接至模組104之ADC 106，但是僅按需要建立此等元件之間的鏈結。ADC 106之作業可遵循眾所周知之原則，且在此不詳細描述ADC 106之設計、組態及功能。可選擇ADC 106之位元解析度以符合特定應用之需要。
切換架構108係與電容感測單元102、模組104及ADC 106相關聯，因為其在任意給定時間決定及影響電路100中的電路元件之特定電路拓樸及組態。可使用任何數量之可控制開關或切換元件(例如基於電晶體之開關)實現切換架構108。較佳地用適當處理器控制邏輯(未顯示)控制切換架構108中各開關之狀態、模式或條件。依此方式，可適當地將主機裝置之一處理器程式化，以按需要控制切換架構108以支援本文所描述之各種作業。明顯地，雖然圖1將切換架構108描繪為一不同塊，但實際上，可以一分佈方式在整個電路100中實施切換架構108。例如，可將一或更多個開關與電容感測單元102整合或耦合至電容感測單元102，若干開關可位於電容感測單元102與模組104「之間」，可將一或更多個其他開關與模組104整合或耦合至模組104，且又其他開關可位於模組104與ADC 106「之間」。為了簡單及明瞭起見，本文不詳細繪示也不詳細描述個別切換元件。
參考圖2描述切換架構108之作業方式，該圖為一繪示可使用一切換架構配置並重新組態為不同電路拓樸之電組件200之圖。圖2描繪四個電組件202、204、206及208及三個開關210、212及214。對於此實施方案而言，該切換架構包含至少該三個開關210、212及214。開關210可經控制以將組件202連接至一第一電壓位準(V 1 )、一第二電壓位準(V 2 )或組件206。開關212可經控制以將組件204連接至V 1 、類比接地或一第三電壓位準(V 3 )。將組件202及204一起連接於一共用節點216。依據開關214之狀態，將共用節點216連接至組件208或與組件208切斷連接。
依據開關210、212及214之特定狀態，電組件200可形成不同電路拓樸及組態。在一更複雜實施例方案中，切換架構可在組件之間建立替代導電路徑、使元件及組件互相連接/切斷連接，及/或更改電容器、電阻器、運算放大器及/或其他電組件之組合功能性。因此，重新參考圖1，切換架構108可包含任何數量之與電容感測單元102、模組104及/或ADC 106的各種電組件及電導體相協作之個別切換元件，以將電路100重新配置及重新組態為支援不同作業模式或功能相之拓樸。例如，如下文更詳細之解釋，較佳地控制切換架構108使得電路100可在一重設相位、至少一電容轉電壓(C2V)相位及至少一放大相位作業。另外，可控制切換架構108以使得電路100可在一類比轉數位轉換相位中作業。
圖3係一繪示一電容轉電壓轉換程序300之一實施例之流程圖，該實施例可藉由一電容轉電壓介面電路(例如電路100)執行。結合程序300執行的各種任務可藉由軟體、硬體、韌體或其等之任意組合執行。應瞭解該程序300可包含任何數量之額外或替代任務，圖3所顯示之任務無需以所繪示之順序執行，且程序300可合併入一更廣泛具有本文未詳細描述之額外功能性之程序或方法。實務中，可藉由所描述系統之不同元件(例如一切換架構、一或更多個開關、一放大器電路、一ADC電路或類似物)執行程序300之部分。在此方面，將額外參考圖4至圖8描述程序300，該等圖繪示配置為不同拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路400之一實施例。可將電路400實施於模組104中或另外結合模組104使用(見圖1)。
此電路400實施例包含(不限於)下列組件及元件：具有一與一第二感測電容器406(標記為C N )串聯耦合之第一感測電容器404(標記為C P )之一電容感測單元402；一運算放大器408；一用於運算放大器408之偏移電容器410(標記為C DS )；一用於運算放大器408之第一回饋電容器412(標記為C F1 )；一用於運算放大器408之第二回饋電容器414(標記為C F2 )；一用於運算放大器408之第一負載電容器416(標記為C G1 )；及一用於運算放大器408之第二負載電容器418(標記為C G2 )。明顯地，如下文更詳細之解釋，一經恰當控制之切換架構(見圖1)重新組態電路400以在複數個不同相位及模式中作業，使得運算放大器408可用於電容轉電壓轉換及電壓放大。雖然在電路400作業期間更改實際電路拓樸及組態，但在所有不同作業相位期間使用上文所列之主電路元件及組件。
可選擇電路400中所使用之電容器之特定標稱值以符合給定應用之需要。本文所描述之較佳實施例假定電容器具有相對於一單位電容之值，其中將該單位電容定義為第一回饋電容器412之電容。此實例之相對電容值如下：
C P =C O +dC
C N =C O -dC
C F1 =C U
C F2 =2 ×C U
C G1 =3 ×C U
C G2 =N ×C U
在上述運算式中，C P 為第一感測電容器404之電容，C N 為第二感測電容器406之電容，C F1 為第一回饋電容器412之電容，C F2 為第二回饋電容器414之電容，C G1 為第一負載電容器416之電容，C G2 為第二負載電容器418之電容，C U 為單位電容，C O 為感測電容器在零加速度下之電容，dC 為由電容感測單元402之加速度、運動或定位所導致之電容差及N 為可按需要選擇以使用C G2 之一可變電容修整電路400之增益之一乘數。實務中，C U 值取決於電容器之不匹配及寄生，該值隨不同工藝而改變。在一些實施例中，C U 值可大約等於C O 值。當然C U 之實際值可高於或低於此例示性範圍。C O 代表感測電容器在零加速度下之電容，及C O 對為達成更高敏感度之目的之傳感器設計考量而言至關重要。差異電容dC 代表感測電容器對應於1.0 G加速度之電容變化。
再次參考圖3，在特定實施例中，以一連續方式反覆地執行程序300以監控主機裝置之加速度、運動、移動、振動、搖動及/或定位。在此方面，可以一持續及即時方式重複程序300。例如，在一些實踐實施例中，程序300之各反覆在少於約50微秒之時間內完成。因此，可非常快地重複程序300以立即偵測電容感測單元之電容變化。實際循環時間取決於相關時脈頻率。作為一實例，對於一150 kHz之時脈頻率而言，完成電容轉電壓(四個循環)之總時間為26.67微秒。因此可藉由增加或減少時脈頻率而改變總時間。
對於此實施例而言，藉由將電路400之元件配置為一預定之重設拓樸及組態(任務302)而開始程序300。在重設相位期間，將電路400初始化或另外將電路400準備以用於下一電容轉電壓作業。圖4繪示適合在一重設相位期間作業之一例示性拓樸中所配置之電路400。第一感測電容器404係與第二感測電容器406串聯，即第一感測電容器404之導體之一者(圖4中之底部導體)與第二感測電容器406之導體之一者(圖4中之頂部導體)係耦合至並共用一共同節點420。電容感測單元402之輸出係來自此共同節點420。電容感測單元402亦包含：一第一感測器電壓節點422，該第一感測器電壓節點422係與第一感測電容器404相關聯；及一第二感測器電壓節點424，該第二感測器電壓節點424係與第二感測電容器406相關聯。在圖4中，第一感測器電壓節點422對應於第一感測電容器404之頂部導體，及第二感測器電壓節點424對應於第二感測電容器406之底部導體。
運算放大器408係經調適以使用一或更多個開關元件(未顯示)選擇性地耦合至電容感測單元402。如圖4所描繪，電容感測單元402係藉由下列步驟而重設：將共同節點420與一與運算放大器408相關聯之回饋節點426切斷連接；將一激發電壓(標記為V EXCI )施加至第一感測器電壓節點422；將一參考電壓(標記為V REF )施加至共同節點420；及在第二感測器電壓節點424建立類比接地。在替代實施例中，將V EXCI 施加至第二感測器電壓節點424，而將第一感測器電壓節點422拉至類比接地。將共同節點420與回饋節點426切斷連接有效地將電容感測單元402與電路400之其他元件分離。在較佳實施例中，V EXCI 係V REF 電壓的兩倍，其導致第一感測電容器404及第二感測電容器406之等同充電。雖然V EXCI 可高於或低於V REF 電壓的兩倍，但是雙倍電壓係較佳以避免靜電效應、振盪、偏移電容器電壓及電容器雜訊。在特定實施例中，V EXCI 為約3.6伏，且V REF 為約1.8伏特。
運算放大器408包含一反相輸入節點428、一非反相輸入節點430及一輸出節點432。如圖4至圖8所示，非反相輸入節點430接收V REF 。如圖4至8所示，偏移電容器410係耦合在反相輸入節點428與回饋節點426之間。眾所周知，偏移電容器410係用於雙倍取樣目的以減少與運算放大器408相關聯之偏移電壓。在重設相位期間，反相輸入節點428係連接至輸出節點432，其因此導致運算放大器408發揮一電壓跟隨器之功能。
在圖4所描繪之重設相位期間，第一回饋電容器412及第二回饋電容器兩者係連接在回饋節點426與V REF 之間。換言之，第一回饋電容器412之一導體係耦合至回饋節點426，而V REF 係施加至另一導體。類似地，第二回饋電容器414之一導體係耦合至回饋節點426，而V REF 係施加至另一導體。明顯地，V REF 亦係施加至回饋節點426。在重設相位期間，第一負載電容器416係連接在輸出節點432與V REF 之間。另外，V REF 係跨第二負載電容器418連接。換言之，V REF 係施加至第二負載電容器418之兩個導體。
圖4之重設拓樸將第一回饋電容器412、第二回饋電容器414、第一負載電容器416及第二負載電容器418重設為其等各自之初始電壓(此實例中為零伏)。另外，重設拓樸重設或另外初始化運算放大器408。此時，輸出節點432之電壓為V REF 加上運算放大器408之偏移電壓；此重設第一負載電容器416。此拓樸亦導致偏移電容器410充電為對應於運算放大器408之偏移電壓。此發生係因為重設拓樸導致反相輸入節點428之電壓等於V REF 加上或減去運算放大器408之實際偏移電壓。由於V REF 係施加於回饋節點426，因此偏移電容器410將被充電為運算放大器408之特定偏移電壓。
再次參考圖3，電路400較佳地在重設相位保持一足夠時間量以使得各種電容器被重設/初始化(任務304)。換言之，當啟用重設組態時，將電容器重設為其等各自之初始電壓。之後，藉由將電路400之元件配置為一初始電容轉電壓拓樸及組態(任務306)而繼續程序300。在此方面，圖5係一繪示經配置以在一初始電容轉電壓相位期間作業之電路400之電路圖。在此最初電容轉電壓相位期間，將電路400準備以用於將一經量測之電容感測單元402之電容差異轉換為一經量測之電壓。
對於初始電容轉電壓相位而言，藉由將電容感測單元402之共同節點420連接至回饋節點426而重新配置電路400。之後，V REF 係施加至共同節點420及回饋節點426(如圖5所示，其等現對應彼此)。其他電路元件耦合及所施加之電壓係如之前對重設相位之描述。需要以此方式將電容感測單元402連接至回饋節點426以獲取來自電容感測單元402之一量測。
在初始電容轉電壓相位期間，輸出節點432之電壓係V OUT0 =V OFF +V REF ，其中V OFF (其可為正或負)係運算放大器408之偏移電壓。根據眾所周知的電子電路理論，此相位期間與各種電容器相關聯之電荷為：
Q P =(C O +dC )×(V REF -V EXCI )
Q N =(C O -dC )×V REF
Q F1 =0
Q F 2 =2×C U ×(V REF -V REF )=0
Q G 1 =3×C U ×(V REF -V OUT 0 )
Q G 2 =0
再次參考圖3，在轉變至下一相位前，電路400較佳地在初始電容轉電壓相位保持一足夠時間量。在此方面，藉由將電路400之元件配置為一最終電容轉電壓拓樸及組態(任務308)而繼續程序300。圖6係一繪示經配置以在該最終電容轉電壓相位期間作業之電路400之電路圖。在此最終電容轉電壓相位期間，將電路400獲取一指示電容感測單元402所經歷之經量測之電容差或電容變化之經量測之電壓。
對於該最終電容轉電壓相位而言，以若干不同方式重新配置電路400。例如，藉由在第一感測器電壓節點422建立類比接地(代替V EXCI )及藉由將V EXCI 施加至第二感測器電壓節點(代替類比接地)而將電容感測單元402之極性反相。此外，將V REF 從共同節點420及從回饋節點426移除。此拓樸允許電路400從電容感測單元402獲取電容量測。另外，此拓樸使運算放大器408能發揮一積分器功能，以第一回饋電容器412及第一負載電容器416發揮負載之作用。此拓樸於輸出節點432產生經量測之電壓。
如圖6所示，運算放大器408不再配置為一電壓跟隨器組態。而是對於最終電容轉電壓相位而言，將反相輸入節點428與輸出節點432切斷連接。此外，將V REF 從第一回饋電容器412之導體移除且該導體係連接至輸出節點432。因此，第一回饋電容器412係在最終電容轉電壓相位期間耦合在回饋節點426與輸出節點432之間。輸出節點432之後之第一負載電容器416及第二負載電容器418之組態及配置保持如上對前一相位之描述。
在最終電容轉電壓相位期間，輸出節點432之電壓係。根據眾所周知的電子電路理論，此相位期間與各種電容器相關聯之電荷為：
此外，Q P +Q N +Q F1 =。
再次參考圖3，電路400較佳地在最終電容轉電壓相位保持一足夠時間量，其使得運算放大器408在輸出節點432產生經量測之電壓(任務310)，其中經量測之電壓指示電容感測單元402之經量測之電容差。之後，藉由將電路400之元件配置為一初始放大拓樸及組態(任務312)而繼續程序300。在此方面，圖7係一繪示經配置以在一初始放大相位中作業之電路400之電路圖。
對於初始放大相位而言，藉由將共同節點420與回饋節點426切斷連接而重新組態電路400，其因此將電容感測單元402與電路400之剩餘元件分離。此時可任意地將第一感測器電壓節點422、第二感測器電壓節點424及共同節點420之電壓設定為任何各自電壓。例如，需要準備電容感測單元402以用於下一重設相位(見圖4)。如圖7所描繪，除了將共同節點420與回饋節點426切斷連接之外，可藉由將第一負載電容器從輸出節點432與V REF 之間移除且而是將其連接在回饋節點426與V REF 之間而達成初始放大拓樸。換言之，之前連接至輸出節點432之第一負載電容器416之導體現在係連接至V REF ，而第一負載電容器之另一導體現在係連接至回饋節點426(而非V REF )。此外，移除跨第二負載電容器418之V REF 。而是第二負載電容器418係連接在輸出節點432與V REF 之間。在此方面，第二負載電容器418之頂部導體(相對於所繪示之角度)保持連接至V REF ，但是第二負載電容器418之底部導體現在係連接至輸出節點432(代替V REF )。
在初始放大相位期間，第二負載電容器418代表負載，且輸出節點432之電壓係V OUT 2 =4×(V OUT 1 -V REF )+V REF 。根據眾所周知的電子電路理論，此相位期間與各種電容器相關聯之電荷為：
此外，。
再次參考圖3，電路400較佳地在初始放大相位保持一足夠時間量，其使得運算放大器408可放大之前經量測之電壓並在輸出節點432產生一第一放大電壓(任務314)。此第一放大電壓(即V OUT2 )係基於經量測之電壓(即V OUT1 )及V REF 。之後，藉由將電路400之元件重新配置為一最終放大拓樸及組態(任務316)而繼續程序300。在此方面，圖8係繪示經配置以在最終放大相位期間作業之電路400之電路圖。
對於最終放大相位而言，如對初始放大相位之描述，電容感測單元402保持與電路400之剩餘部分分離。再次，可按需要任意地設定第一感測器電壓節點422、第二感測器電壓節點424及共同節點420之電壓。對於此相位而言，以若干方式重新組態及重新配置電路400。例如，將第一回饋電容器412從回饋節點426與輸出節點432之間移除。圖8描繪如何將一開關434斷開以將第一回饋電容器412從回饋路徑切斷連接。對於此相位而言，第二回饋電容器414係連接在回饋節點426與輸出節點432之間。換言之，將V REF 從第二回饋電容器414之右導體(如圖式中所見)移除且而是將右導體連接至輸出節點432。另外，將一偏移電壓(標記為Offdac)施加至回饋節點426，該回饋節點亦對應於第一回饋電容器412與第二回饋電容器414所共用之節點。可藉由經適當組態之校正電路(未顯示)提供Offdac電壓。Offdac電壓係用於藉由從輸出處注入電荷或擷取電荷而補償由於感測電容器不匹配、寄生效應、洩漏、電荷注入或任何未知效應而可能發生之偏移漂移。
亦為最終放大相位重新組態兩個負載電容器。特定言之，重新配置電路400使得V REF 係跨第一負載電容器416連接。為完成此，將第一負載電容器416從回饋節點426與V REF 之間移除，且而是將V REF 施加至其導體之兩者。換言之，將第一負載電容器416之頂部導體從回饋節點426移除，且隨後將其連接至V REF 。將第二負載電容器418從輸出節點432與V REF 之間移除，且而是將第二負載電容器418連接在偏移電壓與V REF 之間。更具體言之，將V REF 從第二負載電容器418之頂部導體移除，隨後將該頂部導體連接至回饋節點426，且將第二負載電容器418之底部導體從輸出節點432移除並將其連接至V REF 。
在最終放大相位期間，藉由第二回饋電容器414及第二負載電容器418之比率增益運算放大器408。明顯地，可將第二負載電容器418之可變性質用於補償第一感測電容器404與第二感測電容器406之不匹配。換言之，可按需要調整或設定第二負載電容器418之電容以提供增益修整。輸出節點432所得到的電壓為。根據眾所周知的電子電路理論，此相位期間與各種電容器相關聯之電荷為：
此外，。
再次參考圖3，電路400較佳地在最終放大相位保持一足夠時間量，其使得運算放大器408可在輸出節點432產生一第二放大電壓(任務318)。此第二放大電壓(即V OUT3 )係基於第一放大電壓(即V OUT2 )及V REF 。之後，藉由在V OUT3 下執行一適當類比轉數位轉換(任務320)而繼續程序300之此實施例。隨後可藉由主機裝置以一適當方式處理V OUT3 之數位表示。
從任務320回到任務302之路徑指示程序300之反覆性質。如前所述，可非常頻繁地重複程序300使得其可偵測並量測即時所發生之電容變化。此等變化可由主機裝置之移動、加速度、搖動或其他操作所引起。
圖9係一繪示與諸如圖4至圖8所顯示之一電容轉電壓介面電路之一實施例之作業相關聯之例示性作業狀態、時脈信號及電壓之時序圖。水平軸代表增加的時間且沿著垂直軸描繪若干不同的時脈信號及電壓。大致上將此時間軸分為兩個狀態：一閒置狀態900及一量測狀態902。可將一重設控制信號(標記為RESET_B)用於在閒置狀態900與量測狀態902之間轉變。此特定實施例採用一低態有效重設控制信號904；當重設控制信號904為低態時(如上所述)將電容轉電壓介面電路維持位重設相位，且該介面電路在重設控制信號904為高態時執行量測相位及其他作業。
大致將量測狀態902分為兩個階段：一電容轉電壓(C2V)轉換階段906及一ADC模式階段908。此等階段係與一ADC控制信號910相關聯，該ADC控制信號控制放大輸出電壓之ADC轉換之啟動。此實施例採用一高態有效ADC控制信號910；在C2V轉換期間停用ADC模式，因為ADC控制信號910為低態，且當ADC控制信號910變為高態時啟用該ADC模式。該C2V轉換階段906對應於上述四個量測相位，即初始C2V相位、最終C2V相位、初始放大相位及最終放大相位。圖9描繪對應於此四個相位啟動之四個時脈或控制信號。特定言之，使用一S0信號912以啟動初始C2V相位；使用一S1信號914以啟動最終C2V相位；使用一S2信號916以啟動初始放大相位；及使用一S3信號918以啟動最終放大相位。此等時脈/控制信號之每一者係一高態有效信號，因為各自相位在其對應時脈/控制信號為高態時啟用且在其對應時脈/控制信號為低態時被停用。如圖9所描繪，可以一非常短之時間週期(例如十奈秒)將四個量測相位之每一者分開，且可將四個量測相位之每一者啟用約相同之時間量。
圖9之下半部分顯示各自施加至電容感測單元之兩個感測電容器之電壓。電壓信號920代表施加至第一(例如正)感測電容器404之電壓，且電壓信號922代表施加至第二(例如負)感測電容器406之電壓。參考圖4至圖8，將電壓信號920施加至第一感測電容器404之頂部導體，且將電壓信號922施加至第二感測電容器406之底部導體。圖9繪示最初將V EXCI 施加至第一感測電容器404，且最初將該類比接地施加至第二感測電容器406。然而，在或接近初始C2V相位與最終C2V相位之間之轉變時，將電壓反相。換言之，對於最終C2V相位而言，類比接地係施加至第一感測電容器404，且V EXCI 係施加至第二感測電容器406。
圖9描繪一實施例，其中最終C2V相位期間施加至第一感測電容器404及第二感測電容器406之電壓隨後被維持達C2V轉換階段906之持續時間及ADC模式階段908之持續時間。然而，在實務中，最終C2V相位之後施加至第一感測電容器404及第二感測電容器406之電壓有些隨意，因為在該時間期間將電容感測單元與介面電路之剩餘部分切斷連接(見圖7及圖8)。應瞭解圖9所描繪之時間軸自行在程序之各反覆間重複。換言之，下一閒置狀態900將緊隨當前量測狀態902。
簡言之，根據例示性實施例所組態之系統、裝置及方法係關於：
一種電容轉電壓介面電路，其包括一電容感測單元；一運算放大器，其係經調適以選擇性地耦合至該電容感測單元；一回饋電容器，其係用於該運算放大器；一負載電容器，其係用於該運算放大器；及一切換架構，其係與該電容感測單元、該運算放大器、該回饋電容器及該負載電容器相關聯。該切換架構重新組態該電容轉電壓介面電路以在複數個不同相位作業，使得該運算放大器可用於電容轉電壓轉換及電壓放大。該複數個不同相位可包括一重設相位，在該重設相位期間，將該回饋電容器及該負載電容器重設為其等各自之初始電壓。該複數個不同相位可包括至少一電容轉電壓相位，在該電容轉電壓相位期間，將該電容感測單元之一經量測之電容差轉換為一經量測之電壓。該複數個不同相位可包括至少一放大相位，在該放大相位期間，將該經量測之電壓放大為一輸出電壓。該電路可進一步包括一類比轉數位轉換器，該轉換器係耦合至該運算放大器，該類比轉數位轉換器係經組態以將該輸出電壓轉換為一等效數位表示。
一種用於在一電容轉電壓介面電路中執行電容轉電壓轉換之方法，該電容轉電壓介面電路包括一電容感測單元，該電容感測單元具有一第一感測電容器，該第一感測電容器係與一第二感測電容器串聯耦合；一運算放大器，其具有一反相輸入節點及接收一參考電壓之一非反相輸入節點；一偏移電容器，其係耦合至該反相輸入節點與一回饋節點之間；一第一回饋電容器，其係耦合至該回饋節點；一第二回饋電容器，其係耦合至該回饋節點；一第一負載電容器，其係用於該運算放大器；及一第二負載電容器，其係用於該運算放大器。一種執行方法，該方法包括：將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一第一拓樸(topology)；之後，獲取一指示該電容感測單元之一經量測之電容差之一經量測之電壓；將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器重新配置為一第二拓樸；及之後將該經量測之電壓放大為一輸出電壓。該方法可進一步包括在該輸出電壓下執行一類比轉數位轉換。該方法可進一步包括：將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一重設組態；及其在啟用該重設組態時，將該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器重設為其等各自之初始電壓。在特定實施例中，該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用，且該運算放大器具有一輸出節點。在此等實施例中，將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器重新配置為該重設組態，其包括：將該電容感測單元之該共同節點與該回饋節點切斷連接；將一激發電壓施加至該第一感測器電壓節點；將該參考電壓施加至該共同節點；在該第二感測器電壓節點建立類比接地；將該第一回饋電容器連接至該回饋節點與該參考電壓之間；將該第二回饋電容器連接至該回饋節點與該參考電壓之間；將該反相輸入節點連接至該輸出節點；將該第一負載電容器連接至該輸出節點與該參考電壓之間；及跨該第二負載電容器連接該參考電壓。在一些實施例中，該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用，且該運算放大器具有一輸出節點。在此等實施例中，該方法進一步包括藉由下列方式將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一初始電容轉電壓組態：將該電容感測單元之該共同節點連接至該回饋節點；將一激發電壓施加至該第一感測器電壓節點；將該參考電壓施加至該共同節點及該回饋節點；在該第二感測器電壓節點建立類比接地；將該第一回饋電容器連接至該回饋節點與該參考電壓之間；將該第二回饋電容器連接至該回饋節點與該參考電壓之間；將該反相輸入節點連接至該輸出節點；將該第一負載電容器連接至該輸出節點與該參考電壓之間；及跨該第二負載電容器連接該參考電壓。在特定實施例中，該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用，且該運算放大器具有一輸出節點。在此等實施例中，該方法進一步包括藉由下列方式將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一最終電容轉電壓組態：將該電容感測單元之該共同節點連接至該回饋節點；在該第一感測器電壓節點建立類比接地；將該參考電壓施加至該第二感測器電壓節點；將該第一回饋電容器連接在該回饋節點與該輸出節點之間；將該第二回饋電容器連接在該回饋節點與該參考電壓之間；將該第一負載電容器連接在該輸出節點與該參考電壓之間；及跨該第二負載電容器連接該參考電壓。在一些實施例中，該電容感測單元包括一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用，且該運算放大器具有一輸出節點。在此等實施例中，該方法進一步包括藉由下列方式將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一初始放大組態：將該電容感測單元之該共同節點與該回饋節點切斷連接；將該第一回饋電容器連接在該回饋節點與該輸出節點之間；將該第二回饋電容器連接在該回饋節點與該參考電壓之間；將該第一負載電容器連接在該回饋節點與該參考電壓之間；及將該第二負載電容器連接在該輸出節點與該參考電壓之間。在一些實施例中，該電容感測單元包括一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用，且該運算放大器具有一輸出節點。在此等實施例中，該方法進一步包括藉由下列方式將該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一最終放大組態：將該電容感測單元之該共同節點與該回饋節點切斷連接；將一偏移電壓施加至該回饋節點；將該第二回饋電容器連接在該回饋節點與該輸出節點之間；跨該第一負載電容器連接該參考電壓；及將該第二負載電容器連接在該回饋節點與該參考電壓之間。
一種電容轉電壓轉換方法，其包括：提供一電容感測單元，其具有一第一感測電容器，該第一感測電容器係與一第二感測電容器串聯耦合；一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用；提供一運算放大器，其具有一反相輸入節點、接收一參考電壓之一非反相輸入節點及一輸出節點；在該反相輸入節點與一回饋節點之間提供一偏移電容器；提供一第一回饋電容器，該第一回饋電容器之導體之一者耦合至該回饋節點；提供一第二回饋電容器，該第二回饋電容器之導體之一者耦合至該回饋節點；將該共同節點與該回饋節點切斷連接；將一激發電壓施加至該第一感測器電壓節點；將該參考電壓施加至該共同節點；在該第二感測器電壓節點建立類比接地；將該參考電壓施加至該第一回饋電容器之另一導體；將該參考電壓施加至該第二回饋電容器之另一導體；將該反相輸入節點連接至該輸出節點；將一第一負載電容器連接在該輸出節點與該參考電壓之間；及跨一第二負載電容器連接該參考電壓。
該方法可進一步包括將該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器、該第二負載電容器重設為其等各自之初始電壓。該方法可進一步包括：將該共同節點連接至該回饋節點；及將該參考電壓施加至該共同節點及該回饋節點。該方法可進一步包括：在該第一感測器電壓節點建立類比接地代替該激發電壓；將該參考電壓從該共同節點及該回饋節點移除；將該激發電壓施加至該第二感測器電壓節點代替該類比接地；將該反相輸入節點從該輸出節點切斷連接；將該參考電壓從該第一回饋電容器之另一導體移除；及將該第一回饋電容器之另一導體連接至該輸出節點。該方法可進一步包括於該輸出節點產生一經量測之電壓，該經量測之電壓指示該電容感測單元之一經量測之電容差。該方法可進一步包括：將該共同節點與該回饋節點切斷連接；將該第一負載電容器從該輸出節點與該參考電壓之間移除；將該第一負載電容器連接在該回饋節點與該參考電壓之間；將該參考電壓從整個該第二負載電容器移除；及將該第二負載電容器連接在該輸出節點與該參考電壓之間。該方法可進一步包括於該輸出節點產生一第一放大電壓，該第一放大電壓係基於該經量測之電壓及該參考電壓。該方法可進一步包括：將該第一回饋電容器從該回饋節點與該輸出節點之間移除；將該參考電壓從該第二回饋電容器之另一導體移除；將該第二回饋電容器之另一導體連接至該輸出節點；將該回饋節點連接至一偏移電壓；將該第一負載電容器從該回饋節點與該參考電壓之間移除；跨該第一負載電容器連接該參考電壓。將該第二負載電容器從該輸出節點與該參考電壓之間移除；及將該第二負載電容器連接在該偏移電壓與該參考電壓之間。該方法可進一步包括於該輸出節點產生一第二放大電壓，該第二放大電壓係基於該第一放大電壓及該參考電壓。該方法可進一步包括在該第二放大電壓下執行一類比轉數位轉換。
雖然已在上文詳細描述中提出至少一例示性實施例，但是應瞭解存在許多變化。亦應瞭解本文所描述之(諸)例示性實施例並非旨在以任何方式限制所主張之標的之範圍、適用性或組態。而是上文之詳細描述將為熟習此項技術者提供實施所描述之(諸)實施例之一便捷途徑。應瞭解可在不脫離請求項所定義之範圍的情況下對元件的功能及配置作出各種變化，該範圍包含申請此專利申請案時已知之等效物及可預見之等效物。
100．．．電容轉電壓介面電路
102．．．電容感測單元
104．．．執行電容轉電壓轉換及電壓放大之模組
106．．．類比轉數位轉換器
108．．．重新組態或切換架構
200．．．電組件
202．．．電組件
204．．．電組件
206．．．電組件
208．．．電組件
210．．．開關
212．．．開關
214．．．開關
400．．．電路
402．．．電容感測單元
404．．．第一感測電容器
406．．．第二感測電容器
408．．．運算放大器
410．．．偏移電容器
412．．．第一回饋電容器
414．．．第二回饋電容器
416．．．第一負載電容器
418．．．第二負載電容器
420．．．共同節點
422．．．第一感測器電壓節
424．．．第二感測器電壓節點
426．．．回饋節點
428．．．反相輸入節點
430．．．非反相輸入節點
432．．．輸出節點
434．．．開關
900．．．閒置狀態
902．．．量測狀態
904．．．重設控制信號
906．．．電容轉電壓(C2V)轉換
908．．．類比轉數位轉換器(ADC)模式
910．．．ADC控制信號
912．．．S0信號
914．．．S1信號
916．．．S2信號
918．．．S3信號
920．．．電壓信號
922．．．電壓信號
圖1係一電容轉電壓介面電路之一實施例之簡化示意圖；
圖2係一繪示可使用一切換架構配置並重新組態為不同電路拓樸之電組件之圖；
圖3係一繪示一電容轉電壓轉換方法之一實施例之流程圖；
圖4係一繪示配置為一重設拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路之一實施例之電路圖；
圖5係一繪示配置為一初始電容轉電壓拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路之一實施例之電路圖；
圖6係一繪示配置為一最終電容轉電壓拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路之一實施例之電路圖；
圖7係一繪示配置為一初始放大拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路之一實施例之電路圖；
圖8係一繪示配置為一最終放大拓樸及組態之一電容轉電壓介面電路之一實施例之電路圖；及
圖9係一繪示與諸如圖4至圖8所顯示之一電容轉電壓介面電路之一實施例之作業相關聯之例示性作業狀態及電壓之時序圖。
(無元件符號說明)

Claims (8)

  1. 一種電容轉電壓介面電路，其包括：一電容感測單元，其具有與一第二感測電容器串聯耦合之一第一感測電容；一運算放大器，其經調適以選擇性地耦合至該電容感測單元，該運算放大器具有一反相輸入節點及用於接收一參考電壓之一非反相輸入節點；一第一回饋電容器，其係用於該運算放大器；一第一負載電容器，其係用於該運算放大器；一偏移電容器，其耦合在該反相輸入節點與一回饋節點之間，其中該第一回饋電容器耦合至該回饋節點；一第二回饋電容器，其耦合至該回饋節點；一第二負載電容器，其係用於該運算放大器；及一切換架構，其係與該電容感測單元、該運算放大器、該第一回饋電容器及第一該負載電容器相關聯；其中該切換架構重新組態該電容轉電壓介面電路以在複數個不同相位作業，使得該運算放大器係用於電容轉電壓轉換及電壓放大；且其中該切換架構重新組態該電容轉電壓介面電路為複數個組態，其中：當該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器配置為一重設組態以重設該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器為其等各自之初始電壓時，該 電容感測單元自該運算放大器切斷連接；此後當該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器自該重設組態切換為一初始電容轉電壓組態時，該電容感測單元連接至該運算放大器；此後當該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器自該初始電容轉電壓組態切換為一最終電容轉電壓組態時，獲取用於表示該電容感測單元經量測之一電容差的該運算放大器之一經量測之輸出電壓；及此後當該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器自該最終電容轉電壓組態切換為一放大拓樸時，該運算放大器之該經量測之輸出電壓被放大為一輸出電壓。
  2. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其進一步包括一類比轉數位轉換器，該轉換器係耦合至該運算放大器，該類比轉數位轉換器係經組態以將該輸出電壓轉換為一等效數位表示。
  3. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其進一步包括：一類比轉數位轉換器，其經組態以對該輸出電壓執行一類比轉數位轉換。
  4. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其中：該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用；該運算放大器具有一輸出節點；及當該電容轉電壓介面電路係於一重設組態時：該電容感測單元之該共同節點自該回饋節點斷開連接；一激發電壓施加至該第一感測電壓節點；該參考電壓施加至該共同節點；類比接地建立於該第二感測電壓節點；該第一回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第二回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該反相輸入節點連接至該輸出節點；該第一負載電容器連接在該輸出節點及該參考電壓之間；跨該第二負載電容器連接該參考電壓。
  5. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其中：該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二 感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用；該運算放大器具有一輸出節點；及當該電容轉電壓介面電路係於一初始電容轉電壓組態時：該電容感測單元之該共同節點連接至該回饋節點；一激發電壓施加至該第一感測電壓節點；該參考電壓施加至該共同節點及該回饋節點；類比接地建立於該第二感測電壓節點；該第一回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第二回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該反相輸入節點連接至該輸出節點；該第一負載電容器連接在該輸出節點及該參考電壓之間；跨該第二負載電容器連接該參考電壓。
  6. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其中：該電容感測單元包括一第一感測器電壓節點，該第一感測器電壓節點係與該第一感測電容器相關聯；一第二感測器電壓節點，該第二感測器電壓節點係與該第二感測電容器相關聯；及一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用； 該運算放大器具有一輸出節點；及當該電容轉電壓介面電路係於一最終電容轉電壓組態時：該電容感測單元之該共同節點連接至該回饋節點；類比接地建立於該第一感測電壓節點；該參考電壓施加至該第二感測電壓節點；該第一回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第二回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第一負載電容器連接在該輸出節點及該參考電壓之間；跨該第二負載電容器連接該參考電壓。
  7. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其中：該電容感測單元包括一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用；該運算放大器具有一輸出節點；及該切換架構重新組態該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器至一初始放大組態，其中：該電容感測單元之該共同節點自該回饋節點斷開連接；該第一回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之 間；該第二回饋電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第一負載電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間；該第二負載電容器連接在該輸出節點及該參考電壓之間。
  8. 如請求項1之電容轉電壓介面電路，其中：該電容感測單元包括一共同節點，該共同節點係由該第一感測電容器及該第二感測電容器所共用；該運算放大器具有一輸出節點；及該切換架構重新組態該電容感測單元、該運算放大器、該偏移電容器、該第一回饋電容器、該第二回饋電容器、該第一負載電容器及該第二負載電容器至一最終放大組態，其中：該電容感測單元之該共同節點自該回饋節點斷開連接；一偏移電壓施加至該回饋節點；該第二回饋電容器連接在該回饋節點及該輸出節點之間；跨該第一負載電容器連接該參考電壓；及該第二負載電容器連接在該回饋節點及該參考電壓之間。
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