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專利名稱：使用sigma-delta測(cè)量技術(shù)檢測(cè)電容的方法和系統(tǒng)的制作方法
使用SIGMA-DELTA測(cè)量技術(shù)檢測(cè)電容的方法和系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)
本申i青要求2005年6月3日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/687,012、 60/687,166、 60/687,148、 60/687,167、 60/687,039和60/687,037及于2006年2月 16日提交的No. 60/774,843的優(yōu)先權(quán)，在此它們被引入作為參考。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及電容檢測(cè)，更具體地涉及1OT SIGMA-DELTA型測(cè)量技 術(shù)能夠檢測(cè)可測(cè)量電容的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
對(duì)電荷、電流或電壓發(fā)生響應(yīng)的電^j專感器可以用于檢測(cè)位置或臨近(或 者運(yùn)動(dòng)或存在或任何類似信息)，以及通常用作計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、 媒體播放器、視頻游戲機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、蜂窩電話、投幣式公用電話、銷售 點(diǎn)終端、自動(dòng)講話機(jī)、電話亭等的輸入設(shè)備。在用戶輸入按鈕、滑動(dòng)控制、滾 動(dòng)環(huán)、滾動(dòng)帶和其它，傳感器中使用電容傳感器。在這種應(yīng)用中所使用的電 割專感器的一種類型為按鈕型傳感器，其可以用于提供關(guān)于輸入出現(xiàn)或存在的 信息。在這種應(yīng)用中所使用的電容傳感器的另一種類型為觸摸板型傳感器，其 可以用于提供關(guān)于輸入的信息，諸如位置、運(yùn)動(dòng)和/或沿一軸(l-D傳感器)、兩 軸(2-D傳感器)或多軸的類似信息。按鈕型和觸摸板型傳li^兩者還可選擇地 被配置以提供另夕卜信息，例如與輸入相關(guān)聯(lián)的作用力、持續(xù)時(shí)間或電容耦合量 的一些指示。在美國專利No. 5,880,411中描述了基于電容檢測(cè)技術(shù)的2-D觸摸 板型傳感器的一個(gè)例子，該專利在1999年3月9日授權(quán)給Gillespie等。例如， 這種傳感器可以容易地在電子系統(tǒng)的輸入設(shè)備中發(fā)現(xiàn)，該電子系統(tǒng)包含手持和 筆記本型計(jì)穀幾。
—般地，用戶通常通過將一或多個(gè)手指、觸針和/或物體放置或移動(dòng), 位于輸入設(shè)備上或輸入設(shè)備中的一個(gè)或多個(gè)傳感器的傳感區(qū)域來操作電容輸入 設(shè)備。這在施加至傳感區(qū)域的載波信號(hào)上產(chǎn)生電容效應(yīng)，所述載波信號(hào)可以被 檢測(cè)且與刺激' 相對(duì)于傳感區(qū)域的位置信息(例如位置或臨近軀動(dòng)或存在
或類似信息)相關(guān)聯(lián)。接下來，這種位置信息可用于選擇、移動(dòng)、滾動(dòng)或操作 在顯示屏上的文本、圖形、光標(biāo)和高亮和/或任意其它指示符的任意組合。這種 位置信息還可被4柳以能夠4頓戶與界面交互作用，例如控制音量、調(diào)整亮度 或?qū)崿F(xiàn)任意其它目的。盡管電容傳感器已經(jīng)被廣慰也使用多年，但是傳 設(shè)計(jì)者繼續(xù)尋找提 高傳 功能和效率的方法。具體地，工程師在不增加成本的情況下繼續(xù)地努 力簡化位置傳感器的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。此外，因?yàn)樵诟鞣N類型電子設(shè)備對(duì)這種 傳感器的需求日益增加，所以出現(xiàn)了對(duì)高靈活性又低成本且容易實(shí)施的傳感器 設(shè)計(jì)方案的需求。具體地，出現(xiàn)了對(duì)靈活性足以用于各種實(shí)施方皿有足夠能 力提供精確電容檢測(cè)同時(shí)保留成本效益的傳繊設(shè)計(jì)方案的需要。因此，希望提供快速、有效和高效檢測(cè)可測(cè)量電容的系統(tǒng)和方法。此外，
希望倉犍一種使用容易得到的元件可容易實(shí)施的設(shè)計(jì)方案，所述容易得到的元
件例如標(biāo)準(zhǔn)IC、微控制器和離散元件。根據(jù)隨后詳細(xì)的說明書和所附利要求書，
結(jié)合附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域和背景，其它希望的特點(diǎn)和特性將變得顯而易見。
簡要推誠描述1頓SIGMA-DELTA測(cè)量技術(shù)用于檢觀何測(cè)量電容的方法、系統(tǒng)和 設(shè)備，所述SIGMA-DELTA測(cè)量技術(shù)無需要求內(nèi)部的有源模擬元件在許多標(biāo)準(zhǔn) 微控制器上就可執(zhí)行。根據(jù)各種實(shí)施例，使用第一開關(guān)向可測(cè)量電容施加電壓。 允許可測(cè)量電容與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷。如果無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷超過閾值，則無 源網(wǎng)絡(luò)上的電荷被改變預(yù)定量，并重復(fù)執(zhí)行這個(gè)過程。電荷閾值檢測(cè)的結(jié)果是 對(duì)電荷的量化測(cè)量，可對(duì)其進(jìn)行濾波以產(chǎn)生可測(cè)量的電容的測(cè)量值。這種檢測(cè) 方案可以使用容易得到的元件而容易地實(shí)施，并且可具體應(yīng)用在檢測(cè)手指、觸 針或其它物體相對(duì)于電容傳感器的位置，該電容傳感器執(zhí)行按鈕功能、滑動(dòng)功 能、光標(biāo)控制或用戶界面導(dǎo)航功能或任意其它功能。
附圖的簡要描述下面，結(jié)合隨后的附圖將描述本發(fā)明的於方面，其中同樣數(shù)字表示相 同部件，以及

圖1A歸出了典型第一級(jí)SIGMA-DELTA檢測(cè)技術(shù)的框圖，以及圖IB 是圖1A中所示實(shí)施例的典型時(shí)序亂圖2是典型的SIGMA-DELTA電容檢測(cè)技術(shù)的流程圖；圖3A-B是典型的SIGMA-DELTA電容檢測(cè)電路圖，其f柳無源網(wǎng)絡(luò)和 控制器的三個(gè)數(shù)字輸A/輸出管腳來實(shí)現(xiàn)，圖3C是典型時(shí)序表，以及圖3D是圖 3A中所示典型實(shí)施例的典型時(shí)序圖；圖4A-B是典型的SIGMA-DELTA電容檢測(cè)電路圖，其4頓無源網(wǎng)絡(luò)和 控制器的兩個(gè)數(shù)字輸A/輸出管腳來實(shí)現(xiàn)，圖4C是典型時(shí)序表，以及圖4D是圖 4A中所示實(shí)施例的典型時(shí)序圖；圖5A是典型的SIGMA-DELTA電容檢測(cè)電路圖，其4頓無源網(wǎng)絡(luò)和控 制器的一個(gè)數(shù)字輸A/輸出管腳來實(shí)現(xiàn)，圖5B是典型時(shí)序表，以及圖5C是圖 5A中所示實(shí)施例的典型時(shí)序亂圖6A-B是可替換典型SIGMA-DELTA電容檢測(cè)電路圖，其iOT無源網(wǎng) 絡(luò)和數(shù)字控制器的輸A/輸出管腳來實(shí)施多檢測(cè)鵬；圖7A是典型的多電極傳麟圖，其包括在檢測(cè)M之間分享的DELTA 電容器，以及圖7B是相關(guān)的狀態(tài)序歹懷；圖8A是使用SIGMA-DELTA技術(shù)實(shí)施的典型串聯(lián)轉(zhuǎn)變電容 (transcapacitive)傳感器圖，以及圖8B是相關(guān)的狀態(tài)序列表，圖8C是{頓 SIGMA-DELTA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的典型并行轉(zhuǎn)變電割專繊圖，以及圖8D是相關(guān)的狀 態(tài)序列表；圖9A-B是用于在電容檢測(cè)系統(tǒng)中降低電源噪聲影響的典型布局的電路 亂和圖10是具有電子系統(tǒng)的臨近傳感器設(shè)備的示意圖。
詳細(xì)描述下面詳細(xì)的說明書實(shí)質(zhì)上僅僅歸例性的，并且不用于限制本發(fā)明或本 申請(qǐng)和本發(fā)明的〗頓。此外，意圖不在于由在前述技術(shù)領(lǐng)域、背景、簡要概述 或下面詳細(xì)說明書中所表達(dá)的或暗含的理論所約束。根據(jù)各種典型實(shí)施例，使用SIGMA-DELTA調(diào)制技術(shù)可以容易地構(gòu)建電 容檢觀U和/或測(cè)量電路。 一般地，術(shù)語"SIGMA-DELTA"涉及結(jié)合電荷求和 (SIGMA)和微分(DELTA)來量化電效應(yīng)(例如電容)的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)變方 案，所述電效應(yīng)由電極或其他電節(jié)點(diǎn)所際。在SIGMA-DELTA電容檢測(cè)中， 例如，模擬積分器通常累積根據(jù)多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移事件從可觀懂電容轉(zhuǎn)移來的電荷。 與從可測(cè)量電容接收的電荷具有相對(duì)符號(hào)的另外電荷也被施加在預(yù)設(shè)定數(shù)量
中，以維持接近已知電平附近的積聚電荷。也就是，從模擬積分器中合適地抽 取已量化數(shù)量的電荷，以維持接近理想電平的濾波^l輸出。通過關(guān)聯(lián)用于積分 器的相對(duì)電荷的數(shù)量，可確定由可測(cè)量電容轉(zhuǎn)移的電荷量。接下來，可以使用 這個(gè)電容值確認(rèn)人手指、觸針或其他物 接^￡所檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)或不出現(xiàn)，
和/^)l于任意其它目的。因此，SIGMA-DELTA方案可用于許多不同方法中， 以確定出現(xiàn)在電極^^似物上的電容量。另外，僅僅〗細(xì)常規(guī)轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)(例如，控制設(shè)備的信號(hào)管腳、離散開關(guān) 等等)，就容易實(shí)現(xiàn)下述的各種實(shí)施例，數(shù)字門的輸入作為量化器(其還可以使 用控制設(shè)備的信號(hào)管腳被實(shí)施)和無源元件(例如一個(gè)或多個(gè)電容器、電阻和/ 或類似物)，無需將會(huì)增加成本和復(fù)雜度的額外有源電子設(shè)備。因此，4頓容易 得到且合理價(jià)位的元件，可以便利又可靠地在各種環(huán)境中實(shí)施這里所述的各種 方案，如在下面更充分地所述的。現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖以及開始參考圖1A，用于確定可測(cè)量電容器(Cx) 102 的典Mm—級(jí)SIGMA-DELTA轉(zhuǎn)換器100包括無源網(wǎng)絡(luò)109、量化器110 (其可 以是比較器或若期望一皿化器則其是數(shù)字門的輸入)、數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器116 (其可以，一或多個(gè)電壓的開關(guān))以及用于允許可測(cè)量電容102和DELTA"參 考"電容(CD) 126適當(dāng)?shù)貙?duì)積分電容108充電和放電的合適數(shù)量的開關(guān)106、 122。在這個(gè)實(shí)施例中，無源網(wǎng)絡(luò)109被簡單地實(shí)施為積分電容108。所示出 的積分電容雨(Q)禾1」用常規(guī)電容器來實(shí)現(xiàn)，所述常規(guī)電容^l皮配置為通常具 有較大電容數(shù)值的不完全積分器，并且所述電容值通常比DELTA電容126的數(shù) 值或可觀糧電容102的所期望數(shù)值明顯大(例如，大一或多個(gè)數(shù)量級(jí))。在M 實(shí)施例中，例如，可測(cè)量電容102和DELTA電容126可以為皮法拉級(jí)，而積分 電容108為毫微法拉級(jí)，盡管其它實(shí)施例可以寬泛地結(jié)合用于特定電容的不同 數(shù)值。結(jié)合數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器電壓118、 120和充電電壓104，有效DELTA電 容126確定可測(cè)量電容數(shù)值的范圍。還可能的是顛倒圖1中的可測(cè)量電容102 和DELTA電容126的角色。在這種情況中，fflil開關(guān)106將把電荷從DELTA 電容126轉(zhuǎn)移給積分電容108，并且可測(cè)量電容102可以是反饋電容，該反饋電 容由開關(guān)122轉(zhuǎn)移并由數(shù)據(jù)114控制。這導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出114與可測(cè)量電容102 成反比例，與DELTA電容126成正比例。其中在互反機(jī)制中確定或?yàn)V除出現(xiàn)的
信號(hào)或噪聲的實(shí)施例中，這種"互反電容"傳感器相對(duì)于正比例電割專感器是 有益的。可測(cè)量電容102是具有艦SIGMA-DELTA轉(zhuǎn)換器100可檢測(cè)的電子電 容的任何信號(hào)源、電極或其它電節(jié)點(diǎn)的有效電容。在圖1A中，可觀懂電容102 被示出為可變電容器。對(duì)于從一個(gè)或多個(gè)手指、觸針和/或其它、編(stimuH) 接受輸入的輸入設(shè)備來說，可測(cè)量電容102經(jīng)常表示從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)至系統(tǒng)的本地 接地的總有效電容("絕對(duì)電容")。用于輸入設(shè)備的總有效電容可以是相當(dāng)復(fù)雜， 涉及如通過傳感器設(shè)計(jì)和操作環(huán)境所確定的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感。 在其它瞎況中，可測(cè)量電容102可以表示從驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)至啦測(cè)節(jié)點(diǎn)的總有效電容 ("轉(zhuǎn)變電容")。這個(gè)總有效電容還可以相當(dāng)復(fù)雜的。然而，在許多情況中，可 以將輸入簡單模擬為與固定背景電容并聯(lián)的微小可變電容。在任何情況中，參 考本地系統(tǒng)接地的充電電壓104最初施加給可測(cè)量電容102，如下面更充分所描 述的，然后允許可觀懂電容102與無源網(wǎng)絡(luò)109 —起分享由施加充電電壓104 產(chǎn)生的電荷。在圖1A中所示的典型SIGMA-DELTA轉(zhuǎn)換器100中，可測(cè)量電容102 被充電至充電電壓104，以及響應(yīng)于開關(guān)106的位置與積分電容108分享電荷。 類似地，DELTA電容126被充電至合適數(shù)值(例如，下面所述的低參考電壓118 或高參考電壓120)，并且經(jīng)由開關(guān)122被施加至積分電容108。開關(guān)106、 122 響應(yīng)控制信號(hào)105、 124分別被設(shè)置為合適狀態(tài)，所鵬制信號(hào)105、 124為適 于將開關(guān)106、 122在合適時(shí)間設(shè)置為合適狀態(tài)的任意電的、邏輯的或其它信號(hào)。 在各種實(shí)施例中，開關(guān)106、 122M31數(shù)字控制電路的輸A/輸出信號(hào)管腳提供， 響應(yīng)在控制電路內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)部控制信號(hào)而合適地控制該輸A/輸出信號(hào)管腳。在 圖1中所示的簡對(duì)既念性實(shí)施例中，控審瞻號(hào)105、 124由符號(hào)如、小2菊旨示。 這些控制信號(hào)可以是周斯性、非周期性的，艦控制邏戰(zhàn)口/或類似物來產(chǎn)生。 在各種實(shí)施例中，DELTA電容126可以連續(xù)數(shù)次被充電且分享至積分電容108。 這個(gè)實(shí)施例纟絵允許相對(duì)小的DELTA電容126起到非常大的有效電容作用。也 就是，施加給積分電容108的電荷的實(shí)際變化(或"DELTA")不僅僅通過DELTA 電容126的數(shù)值而且艦a^圣由開關(guān)122所施加的具體控制邏輯和參考電壓的 數(shù)棘確定。 4OT任意量化器110或其它模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)變(ADC)技術(shù)，保持在積分 電容108上的電荷合適地被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù){1 流114。在各種實(shí)施例中，簡單比較器或數(shù)字門的輸AM共一位ADC輸出，其指/^f只分電容108的輸入電壓是否大 于或小于參考電壓(V，) 112。 一位ADC輸出隨后由控制信號(hào)鎖存，例如圖 1A-B中所示的信號(hào)(^。盡管在積分電容電壓^31參考電壓112時(shí)圖1A中所示 的簡單示例量化器110提供邏輯"高"或"1"輸出，但是這種轉(zhuǎn)變?cè)谀N呈度 上是隨意選擇的；因此，在不違背這里所述的理念的情況下，可替換實(shí)施例在 這種狀況下可能提供邏輯"低"或"0"輸出。以任何常規(guī)方式(例如，{頓數(shù) 字鎖存電路111)可以對(duì)來自量化器110的輸出進(jìn)行采樣，以維持用于隨后處理 的數(shù)據(jù)流114。
輸出繊114表示以任何方式可以被存儲(chǔ)、濾波(例如，通過數(shù)字濾波 器115)、平均、抽取和/或其它處理的任何數(shù)字輸出集合。使用多閾值、層疊 ADC級(jí)和/或4頓常規(guī)技術(shù)等，其它實(shí)施例可以提供多位分辨率。例如，可fflil 多于一個(gè)參考電壓(例如，多個(gè)比較電壓V，)提供閾值。該較高分辨率輸出 可以被鎖存在一個(gè)時(shí)刻處或作為一系列輸出(例如，作為逐次逼近)被鎖存。 還可以使用ffi31量化器110禾口/或鎖存器111提供的數(shù)字 流114，以確定將 要施加給積分電容羅的合適數(shù)量的"DELTA"電荷(同樣"階梯"電荷)。同 樣或不同大小的多個(gè)DELTA電容還可以用于改 加電荷的數(shù)量。在圖1A所 示的典型實(shí)施例中，例如，邏輯高("1")輸出114標(biāo)積分電容108上的腿 超出參考電壓112的情況，指示應(yīng)當(dāng)ffi3lDELTA電容126施加相應(yīng)"DELTA" 電荷。因此， 輸出114可以用于在"低"和"高"參考電壓118、 120之間 進(jìn)fi^擇，或者它們之間的一些量化數(shù)值，以提供控制由DELTA電容126所施 加的電荷的簡單數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)變(DAC) 116。可替換地， 一或多個(gè)數(shù)據(jù)輸出 114可以控制DELTA電容126上的電荷(即參考電荷)是否與積分電容108分 享(例如，轉(zhuǎn)移到該積分電容雨的任意部分)。因此，在具體織輸出114上， DELTA電容126上的電荷可以被分享零次、 一次或多次。由于沒有電荷轉(zhuǎn)移， 所以沒有分享(分享零次)類似于設(shè)定DAC116輸出電壓等于積分電容108上 的電壓。在任意情況中，對(duì)于 輸出114的數(shù)值而言，可以使分享的有效電 荷忽略不計(jì)。因此，DAC116、開關(guān)122和DELTA電容126的這個(gè)"反饋環(huán)" 將向積分電容108提供合適的"DELTA"電荷值，以抵消fflil可觀糧電容102 施加給積分電容108的電荷。另外，因?yàn)槭┘拥膮⒖茧姾傻臄?shù)量是已知數(shù)量的 (基于DELTA電容126和參考電壓118、 120的數(shù)值)，所以根據(jù)數(shù)字 流114 可以容易地確定施加給積分電容108以保持無源網(wǎng)絡(luò)109的相對(duì)〖亙定電荷觀懂 的反饋"DELTA"電荷的總數(shù)量。也就是，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流114 ^g地表示施加給 積分電容108的"DELTA"電荷的數(shù)量，這接下棘示從可觀懂電容102接收 到的電荷。M將從可觀懂電容102接收到的電荷M關(guān)聯(lián)于(濾波)初始施 加以產(chǎn)生該電荷的電壓量，可以容易地確定可測(cè)量電容102。
因?yàn)閳D1A中的圖被用作典型邏輯表示，而不是電割專感器的實(shí)際電路 實(shí)施，因此所示的具#1力能可以在各種替換實(shí)施例中被互相組合、省略、增強(qiáng) 或另外不同地實(shí)施。例如，比較器和數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)變功能UO、 116可以使用微 控制器等上的一個(gè)或多4itA/輸出信號(hào)管腳被實(shí)現(xiàn)，并且不必使用圖1A中所 示的離散或分離的可識(shí)別電路來實(shí)現(xiàn)。通常無需額外的有源電路可容易地實(shí)現(xiàn) 量化器110，這是因?yàn)樵S多商業(yè)上可得到的ASIC或t^S律[J器產(chǎn)品提供CMOS 數(shù)字輸入、比較器或施密特觸發(fā)器功能或用于在某些輸入管腳上接收的信號(hào)的 類似功能，或者在ASIC或微控制器內(nèi)允許管腳或者功能的多路復(fù)用，例如ADC 或DAC，盡管在某些實(shí)施例中，還可以^頓外部多路OT器。另外，這種實(shí)施 例一般能夠?qū)Φ玫降臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)114實(shí)施濾波或其，作，從而M (OT SIGMA —DELTA技^^及大地簡化電容檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。
圖1A中的具體布圖結(jié)合了其中DAC 116被倒置的信號(hào)轉(zhuǎn)變，但是積分 電容108和量化器110沒有倒置的符號(hào)約定。盡管DELTA電容126應(yīng)當(dāng)將在積 分電容108上的"DELTA"或相反的影響提供給由可測(cè)量電容102所供給的電 荷，但是可以以任意方式施加這種"倒置"。也就是，M31調(diào)整各種參考信號(hào)104、 112、 118、 120的符號(hào)或者幅值，禾口Mffi31調(diào)整圖1A中所示各種部件的配置，可以構(gòu)建任何數(shù)量的可替換但等效的實(shí)施方案。在下面，描述了適于檢測(cè)電容 的實(shí)際電路的幾個(gè)例子。
可以以任何方式操作圖1A中所示的基本特征。在圖1B中所示的一個(gè)操作技術(shù)中，如由符號(hào)(lh、 (J)2所標(biāo)示的兩個(gè)非重疊控制信號(hào)觸發(fā)電荷轉(zhuǎn)移處理，該處理允許電荷從可觀懂電容102轉(zhuǎn)移給積分電容108，以鵬于從DELTA電容 126進(jìn)行反向充電，以調(diào)整由積分電容108保持的電荷電平。這種電荷轉(zhuǎn)移以圖 1B中所示Vx、 V!和VD的系列電壓蹤跡來反映，其中在其各自電容102、 108 和126上參考Vx、 X和VD。如圖中所示，響應(yīng)低("0")數(shù)據(jù)值114，將Vd
設(shè)定為高(圖1A中的"VH")，否則將VD設(shè)定為低(圖1A中的"Vx/')。在開關(guān)122耦合至積分電容108時(shí)，將合適電荷從DELTA電容126轉(zhuǎn)移至積分電容 108，從而在電壓、上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖兓Ｔ诔跏紗?dòng)時(shí)期之后，由于負(fù)反饋導(dǎo) 致電荷通過DELTA電容126被添加給積分電容108或從積分電容108中消減， 因此電壓X將通常接近比較器電壓V，。
可測(cè)量的電容值的范圍由Vx、 Vl和Vh、 DELTA電容126的數(shù)值、每 個(gè)測(cè)量周期DELTA電容126被反饋的次數(shù)(N)及^觀懂周期可測(cè)量電容102 與無源網(wǎng)絡(luò)109分享的次數(shù)(M)來確定。測(cè)量周期為無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷 與閾值相比較之間的時(shí)間。對(duì)于第一級(jí)，可測(cè)量電容102的確定值(假定保持 控制至義，的電壓Vt)在CD(N/M)((VL - V，)/(Vx - V，))和Cd(N/M) ((Vh -vmpy(vx - v，》之間。如上所示的，在許多可替換實(shí)施例中，可以改變用于圖1A-B的具體符號(hào)約定和其它特定操作參數(shù)。
現(xiàn)主要參考圖2 (但是繼續(xù)參考圖1中所示的結(jié)構(gòu)特征)，用于執(zhí)行 SIGMA—DELTA電容采樣檢測(cè)的典型技術(shù)200適當(dāng)?shù)匕ㄒ韵轮饕襟E向可 測(cè)量電容102施加電壓(步驟202)，允許電荷從可測(cè)量電容102轉(zhuǎn)移給包括積 分電容108的無源網(wǎng)絡(luò)109 (步驟204)，然后基于閾值(步驟206)調(diào)整無源網(wǎng) 絡(luò)上的電荷(步驟210)。處理200中的各步驟中的^^被重復(fù)合適數(shù)目的循環(huán) (步驟214)，以允許精確的SIGMA-DELTA測(cè)量。
充電步驟202 ^g地包含4OT任何適當(dāng)技術(shù)將已知電壓施加給可測(cè)量電 容102。在各個(gè)實(shí)施例中，若適當(dāng)?shù)脑挘潆婋妷?例如，低或高數(shù)字輸出、電 源信號(hào)和/或類似物)104 M5i綱控偉U器信號(hào)管腳或其它開關(guān)106被施加。應(yīng) 當(dāng)注意的是，盡管轉(zhuǎn)換器100中的各個(gè)開關(guān)被以具體排列被示出，但這僅僅是 一種排列的示例。還應(yīng)當(dāng)注意的是，在M實(shí)施例中"使用"或"激勵(lì)"開關(guān) 時(shí)，這種"4頓"或"激勵(lì)"可以被實(shí)施作為選擇閉合開關(guān)、選擇打開開關(guān)或 其它激勵(lì)開關(guān)中的任意組合。因此，M根據(jù)具體實(shí)施方案的布局，利用關(guān)閉 或者開啟開關(guān)的任一組合來施加電壓。此外，在一個(gè)或多個(gè)脈沖(例如，通過 重復(fù)地接通和釋放開關(guān)106)中，^!過任意其它技術(shù)，充電電壓可以至少一次 施加給可測(cè)量電容102。
在充電之后，允許可測(cè)量電容102與無源網(wǎng)絡(luò)109分享電荷，所述無源 網(wǎng)絡(luò)109不用放大器或其它有源元件就幾乎能夠?qū)﹄姾蛇M(jìn)fi^只分和存儲(chǔ)。在簡 化的實(shí)施例中，無源網(wǎng)絡(luò)109僅僅是積分電容108，其可以是單個(gè)電容器；可替 換地，若適當(dāng)?shù)脑挘瑹o源網(wǎng)絡(luò)109可以包含任意數(shù)目電阻、電容器和/或其它無源元件，以及大量無源網(wǎng)絡(luò)的例子在下面被描述。為了允許可觀糧電容102與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷，除了暫停足夠時(shí)間以允許電荷轉(zhuǎn)移(例如，同時(shí)沒有對(duì)可 測(cè)量電容進(jìn)行充電)之外，不需要任何動(dòng)作。在各個(gè)實(shí)施例中，暫停時(shí)間可以相當(dāng)短(例如，如果積分電容108直接連接至可觀糧電容102)，或者可能出現(xiàn) 一些延遲時(shí)間(例如，對(duì)于電荷來說，Mii具有設(shè)置在可測(cè)量電容102和積分 電容應(yīng)之間的一個(gè)或多個(gè)阻性元件的無源網(wǎng)絡(luò)109進(jìn)行轉(zhuǎn)移)。在其他實(shí)施例 中，允許電荷轉(zhuǎn)移可能包括有效地激勵(lì)一個(gè)或多銷關(guān)(例如，圖1中的開關(guān) 106)或若合適的話采取其它動(dòng)作。在各個(gè)實(shí)施例中，在采取進(jìn)一步《養(yǎng)力之前， 步驟202和/或步驟204可以被重復(fù)兩次或多次。
應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管可測(cè)量電容102可被靜止地耦合至濾波電容，電容 之間的電荷分享可以被認(rèn)為基本開始于充電步驟202結(jié)束時(shí)(例如，在將電壓 施加給可觀懂電容結(jié)束時(shí))。另外，電容之間的電荷分享可以被認(rèn)為基本結(jié)束于 電容上的電壓足夠近似，而可以忽略分享的電荷時(shí)。電荷分享還可大致上結(jié)束 于下一次施加電壓，因?yàn)槭┘拥?例如，104充電)電壓占主導(dǎo)。從而，甚至在 濾波電容被一直耦合至可測(cè)量電容的無源分享系統(tǒng)中，施加的電壓源的低阻抗 使在可測(cè)量電容上分享的電荷可忽略，直至施加的電壓去除。
在將來自可測(cè)量電容102的電荷有效地轉(zhuǎn)移至無源網(wǎng)絡(luò)109時(shí)，無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷被合適地測(cè)量(步驟206)，如果確定電荷數(shù)M31合適閾值(步 驟208)，則無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷改變(步驟210)。可以以任何方式實(shí)施電荷 測(cè)量。在各種實(shí)施例中，無源網(wǎng)絡(luò)109上的電壓^懐電荷從鵬制器的輸A/輸 出(I/O)管腳或其他設(shè)備獲得。在許多這種實(shí)施例中，與輸入管腳相關(guān)聯(lián)的電 路還能夠執(zhí)行模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)變或能夠?qū)y(cè)得的電壓與一個(gè)或多個(gè)閾值 Vra進(jìn)行比較，從而有效地執(zhí)4涉驟206、 208。具體閾值Vra (例如，參考電壓 112，由提供給圖1中量化器IIO的V，來表示)可以隨實(shí)施例明顯變化以及隨 時(shí)間慢漫變化。在簡單實(shí)施例中，CMOS數(shù)字輸入起到比較器的作用(l-位量 化器)，其具有等于數(shù)字輸入的閾值電平的參考電壓。量化器110和無源網(wǎng)絡(luò)可以直接地或可以M:多路OT器或其它開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)fi^接。
在輸入具有滯后的情況中，例如施密t賴蟲發(fā)器，經(jīng)常有用的是確保頓 觀幌的電壓比較之前將滯后設(shè)定為已知狀態(tài)，從而對(duì)所有比較提#^似閾值。 可替換地，可^ffl將滯后設(shè)定為已知狀態(tài)，以在不同比較上的閾值之間進(jìn)行可 靠選擇。這可以通過在對(duì)設(shè)定滯后狀態(tài)的已知數(shù)值進(jìn)行比較之前簡單地設(shè)定輸 入來完成。
當(dāng)無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷lgil合適閾值時(shí)，施加與從可測(cè)量電容102分 享的電荷相對(duì)的"DELTA"電荷(例如，經(jīng)由圖l中的DELTA電容126)，以 使用諸如上述那些的常規(guī)SIGMA-DELTA技術(shù)改變無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷(步 驟210)。在許多實(shí)施例中，在電荷沒有超過閾值時(shí)，無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷還 可以被改變(雖然不同于在步驟208中所施加的數(shù)量)(步驟211)，盡管這^K寺 征在所有實(shí)施例中不是必需的。在多個(gè)閾值的情況下，可反饋不同的電荷值。 注意的是，在重復(fù)充電周期步驟的不同狀態(tài)中，M31各個(gè)電容(例如，可測(cè)量 電容、DELTA電容、積分電容)的電荷轉(zhuǎn)移可以改變方向，但是這里指的是凈 電荷轉(zhuǎn)移。以這種方式，如果可觀懂電容102在范圍內(nèi)，則無源網(wǎng)絡(luò)109上的 電荷可以被保持無源網(wǎng)絡(luò)109上的相關(guān)電壓近似等于閾值(Vm)所需要的電荷。 這是因?yàn)榱炕?10的輸出經(jīng)由凈負(fù)反饋系統(tǒng)中的DELTA電容126被反饋(瞬 時(shí)在此參考圖l)，由于控制環(huán)路，積分電容雨上的電壓在操作期間近似保持 恒定。
在步驟206中測(cè)量的已量化的(例如，數(shù)字)數(shù)值和/^;人那里得到的任 何數(shù)量(例如，包含在特定時(shí)期內(nèi)的"高"或"低"數(shù)值)可以容易地存儲(chǔ)在 存儲(chǔ)器中作為已量化的 ，進(jìn)而合適地被數(shù)字濾波或其他處理(步驟212)。 結(jié)合SIGMA-DELTA測(cè)量技術(shù)，成功地實(shí)施各種濾波器，包括常規(guī)數(shù)字有限脈 沖響應(yīng)(FIR)濾波器，例如三角濾波器、平均濾波器和Kaiser濾波器，還有無 限脈沖響應(yīng)(HR)濾波器。
可以單獨(dú)地和/或集中地重復(fù)任意次施加電壓、電荷轉(zhuǎn)移、電荷變化和/ 或其它步驟(步驟214)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)有用特征。例如，M31獲得可測(cè)量電容102 的多個(gè)已量化數(shù)值，觀幌的數(shù)值可以容易地在控制電路內(nèi)被抽取、濾波、平均 和/或其它數(shù)字鵬，以陶氐噪聲的影響，提供漸增可靠性的測(cè)量值和/或類似值。 許多這些特征在下面被描述。
許多實(shí)施例的一^t點(diǎn)在于，結(jié)^if如me制器、數(shù)^i言號(hào)M器、微處理器、可編程邏輯陣列、專用集成電路和/或類似物之類的常規(guī)數(shù)字控制器僅
僅使用無源元件，可容易地實(shí)現(xiàn)通用電容傳感器。大量這些產(chǎn)品容易從各個(gè)商業(yè)源取得，包括Microchip Technologies of Chandler, Arizona; Freescale Semiconductor of Austin, Texas;禾口 Texas Instruments Inc. (TI) of Dallas, Texas 。這里所述的許多控制電路包含可用于存儲(chǔ) 和指令的數(shù)字存儲(chǔ)器(例如，靜態(tài)、 動(dòng)態(tài)或閃存隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)，所述數(shù)據(jù)和指令被用于執(zhí)行這里所述的各個(gè) SIGMA-DELTA處理程序。例如，處理200可以4OT計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令容易地 被實(shí)現(xiàn)，所述計(jì)^t幾可執(zhí)行指令fflil如這里所述的一或多個(gè)控制電路艦行。
圖3—8示出使用集成控制電路和由電容器和域電阻組成的簡單無源網(wǎng) 絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的SIGMA-DELTA電WI專感器的幾個(gè)典型實(shí)施例。可以用許多方法對(duì) 任意這些實(shí)施例進(jìn)行補(bǔ)充或改變，以產(chǎn)生任意數(shù)量的可替換實(shí)施例。
現(xiàn)在參考圖3A，典型電割專感器300適當(dāng)?shù)匕刂破?02，該控制器 具有至少三^llA/輸出信號(hào)管腳(I/O) 304、 306和308以及在控制器102內(nèi)起 到開關(guān)作用的這些信號(hào)管腳的相關(guān)聯(lián)電路，該開關(guān)轉(zhuǎn)換到電源和地(或者若合 適的話，轉(zhuǎn)換到其它參考值)。在圖3A的示例中，1/03 (管腳308)與可測(cè)量電 容102相耦合，以及其余兩管腳I/Ch (管腳304)和1/02 (管腳306)與無源網(wǎng) 絡(luò)109相耦合，該無源網(wǎng)絡(luò)109包括積分電容108，該積分電容il31可測(cè)量電容 102充電和ffiilDELTA電容126放電，或者反之亦然。積分電容108 —般地被 選擇以表現(xiàn)比可測(cè)量電容102的所期望電容大得多的電容，以及DELTA電容 126 fe^擇設(shè)定最大可測(cè)量電容。再者，具體電容值和關(guān)系可以根據(jù)具體實(shí)施例 而改變，同樣信號(hào)管腳和無源網(wǎng)絡(luò)109元件的具體結(jié)構(gòu)也可以改變。例如，圖 3B示出了三個(gè)管腳、兩個(gè)電割專繊350的"串聯(lián)"KS，其以類似于圖3A 中所示"并行"配置的方式操作。
在各個(gè)實(shí)施例中，ffl31控制在輸A/tr出(I/O)管腳304、 306和308上 方爐和接收的信號(hào)，控制器302中的硬件、軟件和/或固件邏輯適當(dāng)?shù)嘏判蚝涂?制SIGMA-DELTA測(cè)量處理。在示例操作中，fflil測(cè)量管腳308上的電壓，控 制器302合Mi也對(duì)積分電容108上的電荷進(jìn)行采樣。在其它實(shí)施方案中，可以 測(cè)量在其它節(jié)點(diǎn)上的電壓。禾'J用控制電路302內(nèi)可利用的數(shù)字輸入閾值、板上 ADC或施密特觸發(fā)輸入，可在許多實(shí)施例中*(樹應(yīng)于圖1中量化器110的輸 入的這個(gè)電壓。在其他實(shí)施例中，可以提供用于比較管腳308上的電壓與飽 參考值112 (圖l)的模擬比較器電路。盡管用于數(shù)據(jù)g的約定可以隨不同實(shí) 施例而改變，大于(管腳308的)閾值的積分電容108上的電壓可以與一邏輯 值(例如，"1")相關(guān)聯(lián)，以及小于閾值的電壓可以與另一邏輯值(例如，"0")相關(guān)聯(lián)。這些量化的數(shù)據(jù)被適當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)(見上面步驟212)，用于隨后處理。注意，如果帶有滯后的輸入，例如施密牛就蟲發(fā)輸入被用作量化器ioo，貝U所示狀態(tài)0、 l的方法4吏滯后以已知狀:態(tài)停留在信號(hào)管腳308上。
在圖3C-D中，示出用于操作圖3A中傳感器電路300的典型技術(shù)。為了 控制無源網(wǎng)絡(luò)109的操作，基本上恒定的充電電壓(例如，來自電池、例如Vdd 的電源電壓或其它參考電壓)首先施加給可測(cè)量電容102基本上恒定的時(shí)間長 度，在圖3C-D中顯示為"狀態(tài)1"。信號(hào)管腳306也被驅(qū)動(dòng)至同一充電電壓， 以去除保持在DELTA電容126上的任何電荷。然后，M將管腳306、 308置 于中間高阻抗或"開路"狀態(tài)，可以在可測(cè)量電容102上隔離施加給可測(cè)量電 容102的電荷，如"狀態(tài)2"所顯示。這個(gè)中間狀態(tài)表示非重疊開關(guān)狀態(tài)，盡管 沒有明確分離狀態(tài)也可能實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。也可用其他插入高阻抗?fàn)顟B(tài)來處理其他 的轉(zhuǎn)換。在狀態(tài)3中MM"管腳304施加邏輯狀態(tài)電壓，隨后從可測(cè)量電容102 向無源網(wǎng)絡(luò)109分享電荷，Jd^I輯狀態(tài)與充電電壓的狀態(tài)相反(例如，M31 若充電電壓為"高"，則施加"低"狀態(tài)，R^亦然)。
在上面技術(shù)中，在電路300到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分電容108上的電壓(參 考管腳304)應(yīng)當(dāng)保持大概疸定且大約等于管腳308的閾值電壓(例如，相關(guān)聯(lián) I/O的Vra)。在信號(hào)管腳304被驅(qū)動(dòng)為低時(shí)，信號(hào)管腳308處的電壓類似地保 持相對(duì)接近輸入管腳308的閾值。因而，當(dāng)在狀態(tài)4中采樣量化器的輸出時(shí)， 量化器(信號(hào)管腳308)的輸出為積分電容108上電荷的測(cè)量值。取決于量化器 的采樣輸出(來自信號(hào)管腳308的相關(guān)聯(lián)輸入)，狀態(tài)5改變積分電容108上的 電荷。如果量化器(信號(hào)管腳308)的采樣輸出超出閾值，則狀態(tài)5A從積分電 容108去除電荷；否則，沒有(或者可以忽略的)電荷被去除(狀態(tài)5B)。在 DELTA電荷被設(shè)置(改變無源網(wǎng)絡(luò)109的積分電容108上的電荷)^f兆iit后， 信號(hào)管腳308可以被置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，以俘獲無源網(wǎng)絡(luò)109上的電荷用于在管 腳308上的隨后采樣(狀態(tài)6)。在已量化的娜已經(jīng)被獲取和存儲(chǔ)時(shí)，該 可以魏地被濾波、抽取或其他鵬，以確定可觀懂電容102的數(shù)值。在量化 器(例如信號(hào)管腳308)具有滯后的情況中，狀態(tài)l設(shè)定輸入為高，這稍帶后的 較低閾值確定輸出。
在可替換實(shí)施例中，積分電容108通過可測(cè)量電容102放電以及通過 DELTA電容126充電，電荷在其降落低于量化器閾值時(shí)被改變。在其他變型中， 正或負(fù)電荷可通過可測(cè)量電容102和DELTA電容126與積分電容108進(jìn)行分享， 盡管沒有電荷可以被分享，也可使用其它節(jié)點(diǎn)(例如，圖3A中的管腳304)以用于閾值測(cè)量。
圖4A-B示出了類似實(shí)施方案，其允i靴僅用控制器302上的兩個(gè)信號(hào) 管腳304、 306實(shí)現(xiàn)SIGMA-DELTA采樣。在圖4A實(shí)施方案400中，無源網(wǎng)絡(luò) 109適當(dāng)?shù)匕ǚe分電容108，其與隔離電阻402串聯(lián)，該隔離電阻402與可測(cè) 量電容102和信號(hào)管腳306相耦合。圖4A實(shí)施方案還包括耦合至信號(hào)管腳304、 306的DELTA電容126。圖4A實(shí)船案(及其他)還可選擇地包括位于電源 電壓和隔離電阻402之間的第二電容407，以增加電源噪聲抑制。選擇第二電容 407，這樣，耦合至節(jié)點(diǎn)403的電源上的噪聲以與耦合至量化器的閾值的電源上 的噪聲比值相同，該量化器一般在圖1A中標(biāo)為110。也可用其他布局來降低 電源噪聲的影響，圖9A—B中示出兩個(gè)例子。圖9A示出了與電容407A并聯(lián) 且與電容407B串聯(lián)的電阻901 ，所述電容407B耦合到一個(gè)或多個(gè)積分電容108。 圖9B示出了形成分壓器的兩個(gè)電阻903、 905，其耦合到一個(gè)或多個(gè)積分電容 108，并且不具有離散第二電容。包含第二電容407A、 B或者禾,例如圖9A-B 中所示的那些中之一的替換例對(duì)于具有多個(gè)積分電容108的系統(tǒng)尤其有用。盡 管連同第二電容407A、 B以及替換例僅僅示出了一個(gè)積分電容108，但是多個(gè) 積分電容可以共享同一節(jié)點(diǎn)。圖4B中400的"串聯(lián)"變型示出了無源網(wǎng)絡(luò)109， 其包括使可觀懂電容102與積分電容108分離的隔離電阻402。
在這兩個(gè)實(shí)施例中，使用充電脈沖對(duì)可測(cè)量電容102進(jìn)行充電，所述充 電脈沖足夠短以將由RC時(shí)間常數(shù)基本上阻塞，所述RC時(shí)間常數(shù)ffiil積分電容108和隔離電阻402來產(chǎn)生。同樣，充電脈沖iWas短于可測(cè)量電容和隔離電阻的RC時(shí)間常數(shù)。這允許使用相同管腳對(duì)可測(cè)量電容102進(jìn)行充電和對(duì)積分電 容108上電壓進(jìn)行觀糧。在兩個(gè)實(shí)施例中，在^S言號(hào)管腳304或管腳306上 觀幌的電壓可以確定來自DELTA電容126的電荷是否與積分電容108分享。在 圖4A的實(shí)施例中，信號(hào)管腳306被用于將充電電壓施加給可測(cè)量電容102，以 及信號(hào)管腳304用于將充電電壓施加給DELTA電容126。圖4B的實(shí)施例是不 同的，以及信號(hào)管腳306用于將充電電壓施加給DELTA電容126以改變積分電
容108上的電荷，以及信號(hào)管腳304用于將充電電壓施加給可須懂電容102。注 意的是，在圖4B的實(shí)施例中，簡單的是如果沒有從DELTA電容126分享電荷， 則從可觀糧電容102至積分電容108多次分享電荷，或者如果沒有從可測(cè)量電 容102分享電荷，則從DELTA電容126至積分電容108多次分享電荷。
在許多這些實(shí)施例中，"電流抵消"電壓可以先于充電電壓。控制"電流 抵消"電壓的定時(shí)以使在狀態(tài)0中M隔離電阻402去除的"寄生"電荷量通 常等于在狀態(tài)l中M隔離電阻402被添加給積分電容108的"寄生"電荷量， 以及在與無源網(wǎng)絡(luò)109分享之前可測(cè)量電容102處于正確的充電電壓。這可能 允許無源網(wǎng)絡(luò)109中的劍氐阻抗，例如用于隔離電阻402的較低數(shù)值，以及用 于整體上無源網(wǎng)絡(luò)109的較快速時(shí)間常數(shù)，而沒有改變可測(cè)量電容充電時(shí)序要 求。
可觀懂電容102與積分電容108ffiil隔離電阻402分享電荷。因?yàn)橛呻?阻產(chǎn)生的RC時(shí)間g，這個(gè)實(shí)施例比參考圖4所述的三管腳實(shí)施例可以消耗 更多用于分享電荷的時(shí)間。然而，iMM^用于實(shí)施該傳麟的開為邏輯管腳 的數(shù)目，可以將額外檢測(cè)通道設(shè)置在公共芯片上，從而允許提高某些實(shí)施例中 的效率。
圖4A-B中所示的典型電路可以以許多方法來改駐，以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的 另外特點(diǎn)。在控制器302具有相對(duì)精確定時(shí)的實(shí)施例中，例如，DELTA電容126 可以由常規(guī)電阻所取代，以及M簡單地將管腳304 (圖4B中的管腳306)激 勵(lì)預(yù)定的時(shí)間段，可以將"DELTA"電荷施加給積分電容108。此外，隔離電 阻402在M^存在于信號(hào)管腳306的ADC特征中的任何滯后影響中可以是有用 的。
用于操作圖4A中所示的電路400的一種技術(shù)被顯示在圖4C的狀態(tài)圖和 圖4D的時(shí)序圖中。參考這些圖，通別維號(hào)管腳306置于已知(例如邏輯低) 狀態(tài)(狀態(tài)O),選擇地開始對(duì)可測(cè)量電容102電平進(jìn)行檢測(cè)的處理。因?yàn)楦綦x 電阻402與積分電容108產(chǎn)生RC時(shí)間常數(shù)，所以在每次讀取循環(huán)之前的短暫 時(shí)間段，管腳306 (圖4B中的管腳304)可以被置于已知狀態(tài)(例如，邏輯低 狀態(tài))，而沒有明顯影響存儲(chǔ)在積分電容108上的電荷量。^積分電容108上 電荷進(jìn)行采樣之前，通過榭言號(hào)管腳306置于已知狀態(tài)甚至很短的時(shí)間，管腳 306上的滯后量是已知的，并且在控制器302內(nèi)可以被補(bǔ)償。如果狀態(tài)O、 l的
定時(shí)被控制，貝贓這些狀態(tài)期間還可以使流過電阻402 i4A積分電容108的寄生電荷最小化。
然后，對(duì)可測(cè)量電容102進(jìn)行充電，并且通過將兩個(gè)管腳304、 306置于 已知(高)邏輯狀態(tài)來清除DELTA電容126，如狀態(tài)1中所示。M使管腳306 成為高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)2)，隨后在可觀糧電容上俘獲電荷，進(jìn)而隨后允許足夠 鵬時(shí)間，以使電荷通過隔離電阻402從可測(cè)量電容102分享(例如，充電或 放電)至積分電容108。在電荷從可測(cè)量電容102被分享之后，來自DELTA電 容126的"DELTA"電荷基于在積分電容108上測(cè)得的電壓被施加或不被施加 (在前面狀態(tài)6中)。在所示的實(shí)施例中，用于確定"DELTA"電荷是否被施加 的電壓電平從SIGMA—DELTA處理的先前重復(fù)中獲得。在其他實(shí)施例中，可 以僅僅在"DELTA電荷"的施加和分享之前或者在檢測(cè)過程的其它點(diǎn)處，可以 測(cè)量電壓(例如，狀態(tài)3)。
使用圖5中所示的傳感器500，可以實(shí)m^信號(hào)管腳用途的更進(jìn)一步的 減少，其中可測(cè)量電容102和由積分電容108和隔離電容402組成的無源網(wǎng)絡(luò) 109耦合至控制器302的單個(gè)信號(hào)管腳306。類似于圖4A實(shí)施方案，圖5A實(shí) M^案還可以選St也包含位于電源電壓和隔離電阻402之間的第二電容407，或 者可替換例如圖9A-B中所示的電路之一，以增加電源噪聲抑制。在這個(gè)實(shí)施例 中，可測(cè)量電容102再次使用電壓脈沖進(jìn)行充電，所述電壓脈沖具有小于由隔 離電阻402和積分電容108產(chǎn)生的RC時(shí)間常數(shù)的周期，以 咸小或消除對(duì)存儲(chǔ) 在積分電容108上電荷的不利影響。可測(cè)量電容102 M隔離電容402放電， 如上所述，以及M在管腳306上方爐放電電壓，以ffi51隔離電阻402驅(qū)動(dòng)電 流持續(xù)已知時(shí)間段，將"DELTA"電荷施加至積分電容108。因?yàn)閭鞲衅?00 包括如上所述的隔離電阻402，通過^E^樣之前將該管腳置于已知狀態(tài)，可以類 船也施加對(duì)管腳306上滯后的補(bǔ)償。ffiil控制充電電壓禾口 "電流消除"電壓的 定時(shí)，還可以使在狀態(tài)O和1期間通過電阻402的寄生電流最小。
用于操作這種電路的典型技術(shù)在圖5B和5C中示出。參考這些圖，可選 擇地設(shè)定管腳306以在充電電壓之前提供"電流消除"電壓(例如，接地)；選 擇"電流消除"電壓的長度以使被去除的寄生電荷量主要等于通過充電脈沖添 加的寄生電荷量。M隨后施力懼有相對(duì)短持續(xù)時(shí)間(與網(wǎng)絡(luò)的RC時(shí)間常數(shù) 比較)的電壓脈沖，可以對(duì)可測(cè)量電容102充電(狀態(tài)l)，然后允許M隔離
電阻402向積分電容108分享電荷(狀態(tài)2)。在電荷分享過去足夠時(shí)間之后， ttW管腳306上的電壓進(jìn)行采樣可以測(cè)量該電荷(狀態(tài)3)，以及若適當(dāng)則基 于觀糧的電壓可將"DELTA"電荷施力口 (或沒有施加)至積分電容108 (狀態(tài)4)。 再者，在這個(gè)實(shí)施例中，通過在信號(hào)管腳306上施加合適電壓搟賣合適時(shí)間， 來簡單地施加"DELTA"電荷，以使積分電容108上的電荷產(chǎn)生想要的變化。
上面描述的一般結(jié)構(gòu)、相i^和技術(shù)可以以許多不同方法改變或補(bǔ)充，以 及可以在許多不同又等效的實(shí)施例中應(yīng)用。例如，圖6A—B示出了會(huì)^f吏用上 面所示的技術(shù)檢測(cè)多通道上電容的電路的兩^仔。現(xiàn)在參考圖6A，示出了典 型的兩通道j體傳繊600，其具有兩個(gè)檢測(cè)電極602、 604，各個(gè)檢測(cè)電豐艦 應(yīng)于在上面討論的可測(cè)量電容102。當(dāng)手指、觸針或其它物體接近任一電極602、 604時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的電容以可與物##在關(guān)聯(lián)的方式改變。另一種 方法為，通 過測(cè)量那個(gè)電^M道的電容，可以確定與任一電極602、 604接近或接觸的物體 的存在。
在傳感器600的各個(gè)通道(A和B)所使用的檢測(cè)方案一般使在上面關(guān) 于圖4A中所述的兩管腳傳感器400并行。當(dāng)然，可替換實(shí)施例可能^f頓這里所 述或參考的任意其它技術(shù)。在圖6A的典型實(shí)施例中，然后，分別經(jīng)由控制器 302的管腳306、 310將電壓施加給電極602、 604。允許各個(gè)電極602、 604通 過隔離電阻402A、 402B (分別)與積分電容108A、 108B分享電荷。進(jìn)而，通 過量化信號(hào)管腳306、 310處的電壓，對(duì)保持在4Th積分電容108A-B上的電荷 水平進(jìn)行采樣，ffiOT信號(hào)管腳304、 308的操作，施加來自DELTA電容126A-B 的任意必需"DELTA"電荷以改變相關(guān)積分電容上的電荷。
甚至進(jìn)一步，檢測(cè)鵬的對(duì)稱使實(shí)施例育辦具有共用元件。例如，所需 的任意積分電容、DELTA電容和/或電阻可以在多個(gè)傳SIM之間共享。在圖 6B中示出了一個(gè)典型實(shí)施例。共用元件的這種4頓可以明顯斷氐整體系統(tǒng)的成 本和大小。實(shí)際上，可實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)，用于在可替換實(shí)施例的寬陣列上，共用 控制器302上的信號(hào)管腳和/或無源網(wǎng)絡(luò)109內(nèi)的任何分立元件。
通過在公共控制器302上實(shí)施多檢測(cè)通道，可以實(shí)現(xiàn)許多效率。經(jīng)常地， 用于可觀糧電容的檢測(cè)電極和用于DELTA電容的其他電極可以容易地形自 標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板(PCB)上，因此在制造意義上這些元件的復(fù)制相對(duì)便宜。然 而，某些部件，例如積分電容雨和隔離電阻402可以足夠大以保障分立元件。 類似地，在涉及DELTA電容精確度的情況下，它也可以作為分立元件實(shí)施。在 一些實(shí)施例中，使用油墨處理等，可以在PCB上形成一個(gè)或多個(gè)隔離電阻402， 其中導(dǎo)電油墨具有比在PCB處理中所使用的典型材料高的阻抗。這在許多實(shí)施 例中可以是y^夠的，因?yàn)楦綦x電阻402的實(shí)際值通常不直接影響該系統(tǒng)的精確 度或性能。以及在可觀懂電容102相對(duì)小盼瞎況中，貝訴只分電容108還可以在 PCB上是可制造的，例如通逝頓聚,胺柔性印制電路等。結(jié)果，使用常規(guī) 制造技賴n結(jié)構(gòu)，可以容易地實(shí)施上面所述的許多各種特征。此外，Mil任意 種類的時(shí)間、頻率、代碼或其它多路糊技術(shù)，甚至可以進(jìn)一步M^所需信號(hào) 管腳的總的數(shù)量和無源網(wǎng)絡(luò)109中的元^f[量。
以任意數(shù)量常規(guī)圖案排列傳感電極602、604允許形成許多不同，的傳^!布局(包括以一維、兩維或多維觸摸板陣列^:起的多維布局)。可替換地， 多"按鈕"型觸摸傳 可以容易地由各種通道形成，或者可以產(chǎn)生任意數(shù)量 的其它傳繊。
進(jìn)一步，這里描述的各種SIGMA-DELTA檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合簡易的多fflit 集成，提供監(jiān)護(hù)信號(hào)的高效應(yīng)用。在檢測(cè)信號(hào)鵬時(shí)，多傳mi鵬602、 604 至公共控制器302的連接允許向監(jiān)護(hù)電極605施加監(jiān)護(hù)信號(hào)。 一般而言，希望 使各個(gè)傳 電極602、 604與不想要的電信號(hào)隔離，包括從其它電極和從外部 傳 600、 650虛假接收的其它信號(hào)。因?yàn)閭鞲衅?00內(nèi)的^SM可以容易 被實(shí)施具有公共參考和邏輯電壓，可以容易地假定在各種傳麟電極602、 604 上所觀察到的通常電壓值的時(shí)間平均大致彼此相同。通過在另外不活動(dòng)期間將 來自低阻抗源的監(jiān)護(hù)信號(hào)施加至各種電極，那么可以M^虛假影響的數(shù)量。實(shí) 際上，單個(gè)監(jiān)護(hù)信號(hào)可能對(duì)所有具有相似檢測(cè)電極電壓擺動(dòng)的傳繊電極有效。
低阻抗電壓源對(duì)節(jié)點(diǎn)上的其它耦合信號(hào)起主導(dǎo)作用，就像分壓器(或者 更一般的阻抗分配器)的低阻抗端比較高阻抗端占主導(dǎo)。也就是說，對(duì)于電壓 源的集合，劍門可以近似看作由最低阻抗部件所主導(dǎo)的單個(gè)Thevenin阻抗和單 個(gè)Tlievenin電壓，假若該最低阻抗基本上小于所有其它源的并聯(lián)阻抗。對(duì)于這 個(gè)例子的目的，參考電壓的阻抗輸出、信號(hào)管腳輸出、開關(guān)或I/0輸出將在該節(jié) 點(diǎn)處具有足夠低的阻抗，其它源在所考慮的頻率范圍處是不明顯的。類似地， 當(dāng)積分電容的其余遠(yuǎn)端被驅(qū)動(dòng)具有低阻抗(例如，參考電壓等)時(shí)，耦合至積 分電容近側(cè)的節(jié)點(diǎn)具有足夠高的電容(和低阻抗)，它主導(dǎo)其它電容性耦合源。
即，在遠(yuǎn)端被驅(qū)動(dòng)具有低阻抗源時(shí)，該積分電容可以設(shè)定電壓以及在近端吸收 來自其它較高阻抗源的大部分電荷。顯然，網(wǎng)絡(luò)中的主要阻抗還取決于所考慮 的時(shí)間周期(或頻率)。因此，在長時(shí)間范圍(例如分享)上，與積分電容串聯(lián) 的阻抗可能無法像占主導(dǎo)的低阻抗部件那樣改變積分電容的狀態(tài)，而在短時(shí)間 范圍(例如，充電)上，由于串聯(lián)阻抗的原因，該節(jié)點(diǎn)上的可測(cè)量電容的阻抗 可能占主導(dǎo)。通過在正確節(jié)點(diǎn)和以正確速率、 開關(guān)，可選擇主導(dǎo)低阻抗元件， 進(jìn)而適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)電荷。
盡管監(jiān)護(hù)技術(shù)是可選擇的且明顯隨實(shí)施例而改變， 一項(xiàng)技術(shù)包括向監(jiān)護(hù)電極605施加監(jiān)護(hù)電壓，所皿護(hù)電壓大約等于在充電期間施加給有源電極(例 如，電極602或604)的電壓。在電荷從有源傳皿電極向相關(guān)的積分電容(例 如，用于傳 600的電容108人或10犯和用于傳 650的電容108)轉(zhuǎn)移 結(jié)束之前(圖2中的步驟204)，施加給監(jiān)護(hù)電極605的電壓發(fā)生改變，大約等 于有源傳感器電極和相關(guān)積分電容上的電壓(有源傳感器電豐及和相關(guān)積分電容 在電荷分享出現(xiàn)時(shí)通常接近同一電壓)。由于在反饋環(huán)被控制時(shí)量化器的閾值電 壓近似等于相關(guān)積分電容上的電壓，可以使用相關(guān)量化器(例如，同一元件上 的信號(hào)管腳、I/O)的閾值電壓來控制監(jiān)護(hù)電壓，作為例如圖6B中所示系統(tǒng)中 相關(guān)積分電容上電壓的代理。可替換地，在阻抗分配器輸出敏感度類似于量化 器閾值敏感度與電源成比率時(shí)，可以4頓阻抗分配器降低電源變化敏感度；這 種阻抗分配器的例子通過圖6A中由電阻606、 608形成的電壓分配^l示出。在 另一實(shí)施方案中，監(jiān)護(hù)擺動(dòng)(和A，護(hù)電極轉(zhuǎn)移的電荷)可能從電荷轉(zhuǎn)移過程 的一個(gè)重復(fù)至另一個(gè)重復(fù)改變(電荷轉(zhuǎn)移過程包括施加步驟、允許步驟和改變 步驟)。這種監(jiān)護(hù)電壓擺動(dòng)可能平均至'J與在檢測(cè)電極上的電壓擺動(dòng)相同的電壓擺 動(dòng)。如 護(hù)擺動(dòng)的變化在某些情況下具有雞動(dòng)且在另外瞎況下具有恒定值， 這使得脈沖編碼調(diào)制監(jiān)護(hù)技術(shù)不需要任何額外的部件。監(jiān)護(hù)電極電壓和檢測(cè)電 極電壓之間的偏移不會(huì)影響該監(jiān)護(hù)的有用性，因?yàn)閷?duì)于通過電容的電荷轉(zhuǎn)移而 言，重要的僅僅是電壓變化。
應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管傳感器600利用使用兩個(gè)電阻606和608的阻抗分 配器，但這僅僅是可以使用的阻抗分配器的一個(gè)示例類型。具體地，通常的阻 抗分配器包括串聯(lián)的兩個(gè)無源阻抗，W^無源阻抗耦合到至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些 節(jié)點(diǎn)之一是兩個(gè)阻抗所耦合的公共節(jié)點(diǎn)。該公共節(jié)點(diǎn)提供該阻抗分配器的輸出。 該阻抗分配器的輸出為施加給"未共用節(jié)點(diǎn)"的電壓和/或電流隨時(shí)間的函數(shù)。 阻抗分配器的簡單例子為分壓器，其包括兩個(gè)電容或兩個(gè)電阻(例如電阻606、608)。然而，還可以f頓更復(fù)雜的阻抗分配器。這些更復(fù)雜的阻抗分配器可包括串聯(lián)或并聯(lián)的不匹配的電容、電阻或電感。此外，單個(gè)阻抗可以具有電容性、 電阻性或電感性特征的組合。
若飽的話，可{細(xì)與信號(hào)管腳604 (圖6A)或310 (圖6B)相關(guān)的特 征施加監(jiān)護(hù)電壓。在圖6A的實(shí)施例中，例如，使用電阻606和608構(gòu)成電源(Vro) 的電壓分配器，在電壓分配器電路內(nèi)或外使用管腳602有效地轉(zhuǎn)變電阻608來 產(chǎn)生施加給監(jiān)護(hù)電極605的兩個(gè)分離電壓。圖6B中所示的實(shí)施例類似ite出了 包括電阻608和電容器614的分配器電路，{言號(hào)管腳310控制施加給監(jiān)護(hù)電極 605以充電電壓或釋放到閾值電壓的監(jiān)護(hù)電壓(在它分享電荷時(shí)更多地起到圖 5A所示電路500的作用)。為了最有效ite護(hù)，驅(qū)動(dòng)監(jiān)護(hù)電壓的阻抗應(yīng)當(dāng)小于 到監(jiān)護(hù)電極的總傳感器耦合阻抗。還可以使用各種其它監(jiān)護(hù)技術(shù)，其包括有源 模擬元件，例如跟蹤傳感器或參考信道的緩沖器或運(yùn)算放大器(OP-AMPS)。 盡管圖6A-B —般地基于結(jié)合上面圖4A-D所述的實(shí)施例，但是可以將監(jiān)護(hù)概念 應(yīng)用在寬陣列的電容性傳感器上。然而，監(jiān)護(hù)為不可能建立在所有實(shí)施例上的 可選特征。
許多替換檢測(cè)方案4頓了離散元件和域控帝U器102上邏輯管腳在多個(gè)檢 測(cè)Mit上的分享。例如，圖6B中所示的傳感器650示出了簡單技術(shù)，從而DELTA 電容126和積分電容108共用在兩個(gè)檢測(cè)電極602、 604之間。圖7A中所示的 傳感器700類似地示出了簡單技術(shù)，使用該簡單技術(shù)，應(yīng)用DELTA電容126的 信號(hào)管腳308可以共用在兩個(gè)檢測(cè)通道之間(由可測(cè)量電容102A-B所表示的)。 在這個(gè)實(shí)施例中，傳感器700以類似于在上面結(jié)合圖3B所述的傳繊350的方 式操作，但是電荷反饋到通過公共信號(hào)管腳308提供的DELTA電容126A-B側(cè)。 通常，這個(gè)實(shí)施例改變相位，以確定具體積分電容(例如108A或108B)是否 對(duì)相應(yīng)DELTA電容(126A和126B)上的轉(zhuǎn)變敏感。具體地，根據(jù)以低阻抗驅(qū) 動(dòng)積分電容的哪個(gè)側(cè)，^積分電容可以選擇地分享電荷或阻隔來自可測(cè)量電 容或DELTA電容的電荷轉(zhuǎn)移。因此，可允許各個(gè)DELTA電被不影響可測(cè)量 電容的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)變，進(jìn)而信號(hào)管腳308可以與多個(gè)傳^^用，M^、管腳 數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)變電容系統(tǒng)來說，被驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)電極(例如圖8A中的802)還可以 與多個(gè)傳 共用。這些和臉可類似地應(yīng)用于任意數(shù)量的另夕卜檢測(cè)通道，以進(jìn)一步改善元件和/或信號(hào)管腳在多個(gè)可觀懂電容102之間的再4頓。
圖7B包括示出傳感器700的典型狀態(tài)序列的狀態(tài)圖750。 一起參考圖 7A、 7B ，第一狀態(tài)1 ^!31將管腳304和312 i體為0使可測(cè)量電容放電，同 時(shí)使用與管腳306、 310相關(guān)的I/O測(cè)量(量化)積分電 的電壓。在用于管 腳304、 306的狀態(tài)圖的轉(zhuǎn)變中所示的例子中，所述轉(zhuǎn)變指示在狀態(tài)1期間在管 腳306處測(cè)量的電壓為高(已量化M1)，而用于管腳310、 312的狀態(tài)圖的轉(zhuǎn) 變指示在狀態(tài)1期間管腳310測(cè)量的電壓為低(已量化 0)。根據(jù)它們各自 的測(cè)量值，這些不同狀態(tài)轉(zhuǎn)變引起狀態(tài)5—8中的不同DELTA電荷轉(zhuǎn)移。還要 注意的是，根據(jù)前面的測(cè)量和狀態(tài)8中管腳304和312前面的狀態(tài)，在狀態(tài)1 中可能己發(fā)生從高劍氐阻抗的轉(zhuǎn)變。由于這種轉(zhuǎn)變，管腳306和310處的任何 電壓擺動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致從寄生電容及DELTA電容126A-B至它們各自積分電容 108A-B的某些電荷分享。這可能導(dǎo)致在確定可測(cè)量電容中的偏移，但是只要它 是小的且恒定的，它就可以被減去，進(jìn)而對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響^^最小。
第二狀態(tài)2包括中間高阻抗?fàn)顟B(tài)。在這個(gè)狀態(tài)中，信號(hào)管腳304、 306、 310和312全部被暫時(shí)地保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)，管腳308驅(qū)動(dòng)DELTA電容126A-B 為低。這導(dǎo)致中間狀態(tài)，使於電容器去耦合以暫時(shí)在這些電容器中俘獲電荷。 這確保不存在疊加信號(hào)，其可能另外非故意地在電容器上設(shè)置不想要的電荷。
第三狀態(tài)3使耦合至DELTA電容126A-B的積分電容108A、 10犯的電 極處于邏輯高電壓。這引起可測(cè)量電容102A-B上的電壓發(fā)生變化，且與它們各 自的積分電容108A-B共享電荷。同時(shí)，通過纟射言號(hào)管腳306、 308驅(qū)動(dòng)為低阻 抗，通過DELTA電容126A-B被耦合的電荷轉(zhuǎn)移被阻塞。
由于這些電容器的兩側(cè)都M31管腳306、308和310設(shè)置為相同邏輯高電 壓，第四狀態(tài)4清除DELTA電容126A和126B上的電荷。
第五狀態(tài)5使管腳306處于高阻抗?fàn)顟B(tài),這使電荷保持在積分電容108A 上。在它在隨后狀態(tài)5中轉(zhuǎn)變之前，對(duì)可測(cè)量電容102A來說，這是信號(hào)管腳 304上的中間高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且阻止電荷非故意地布置在積分電容108A上。注 意的是，僅耦合至積分電容108A的I/O被去耦合，所述I/O在管腳306處具有 已量化數(shù)據(jù)測(cè)量值1的電壓。耦合至積分電容鄉(xiāng)B的管腳310保持被驅(qū)動(dòng)至邏 輯高電壓，所述積分電容108B在管腳310處具有已量化數(shù)據(jù)測(cè)量值0的電壓， 這是由于積分電容不要鄉(xiāng)過DELTA電容126B的電荷改變。
第六狀態(tài)6驅(qū)動(dòng)信號(hào)管腳304至低邏輯電平，以使DELTA電荷在隨后步驟7中ffl)lDELTA電容126A可傳遞給積分電容108A。注意的是，管腳310保持驅(qū)動(dòng)至邏輯高電平，阻塞在126B和108B之間轉(zhuǎn)移這個(gè)DELTA電容電荷。還注意的是，這個(gè)管腳304上的低邏輯電平轉(zhuǎn)變還弓l起電荷在這個(gè)步驟而不是如已經(jīng)所述的下一步驟1中從寄生電容和DELTA電容進(jìn)行分享。
第七狀態(tài)7轉(zhuǎn)變管腳308上的電壓，以fflil DELTA電容126A從積分電容108A去除電荷，同時(shí)積分電容108B上的電荷基本上不受影響。
最后狀態(tài)8包括用于積分電容(例如，IO犯)的第二中間高阻抗?fàn)顟B(tài)，其不需要步驟7中的電荷改變，并且準(zhǔn)備它們用于隨后步驟的分享。這再次去耦合各個(gè)電容器，以暫時(shí)地在這些電容器中俘獲電荷。
最后狀態(tài)8完成后，該方法返回到步驟1，狀態(tài)1-8被再次執(zhí)行。應(yīng)當(dāng) 注意的是，這種順序依據(jù)在管腳306、 308處積分電容108A-B上的電壓的測(cè)量 值和適于確定它們各自可觀糧電容102A的量化 (例如，0或1)產(chǎn)生結(jié)果。 用于可測(cè)量電容102A和管腳304、 306以及可測(cè)量電容102B和管腳310、 312 的步驟頓序僅僅是在示例步驟l中對(duì)管腳306、 310上的電壓進(jìn)行具體測(cè)量(和 量化)的示例，根據(jù)在該重復(fù)測(cè)量周期中的測(cè)量，在可測(cè)量電容和積分電容上可出現(xiàn)任一狀態(tài)順序。通常，在可測(cè)量電容的測(cè)量中，兩種狀態(tài)Jimi各出現(xiàn)在相關(guān)管腳上，并且得至啲兩種鄉(xiāng)的量化數(shù)據(jù)(例如0或1)將成為用于確定可 觀懂電容的任意結(jié)果的部分。
應(yīng)當(dāng)注意的是，這個(gè)實(shí)施例具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，因?yàn)楣矘O(即，管 腳308) —直被驅(qū)動(dòng)，因此可明顯地減少寄生電容的影響。其次，傳感器700 可以M^、應(yīng)用10狀態(tài)并對(duì)多個(gè)電容進(jìn)行采樣所花費(fèi)的循環(huán)的數(shù)量，這是由于它 允許并行采樣(S卩，在多個(gè)I/0上同時(shí)進(jìn)行量化)。最后，當(dāng)檢測(cè)到許多可測(cè)量 電容時(shí)，它允許明顯少得多的IO。這個(gè)實(shí)施例在積分電容電荷測(cè)量期間還可以 減少對(duì)外部噪聲的靈驗(yàn)，所述外部噪聲由可測(cè)量電容或其它相關(guān)寄生電容耦 合，所述可觀糧電容或寄生電容通過將耦合至可測(cè)量電容(即，管腳304、 312) 節(jié)點(diǎn)接地耦合至管廣(J304、 312。
盡管上面所示的實(shí)施例一般強(qiáng)調(diào)所謂"絕對(duì)電容"傳感器，其中關(guān)于局 部系統(tǒng)接地測(cè)量可測(cè)量電容，但是相似概念可應(yīng)用于其它類型的電容傳感器。
例如，圖8A示出了傳感器800的另一實(shí)施例，其設(shè)計(jì)為與所謂的"被驅(qū)動(dòng)電容"或"轉(zhuǎn)換電容"傳 —起工作。當(dāng)積分電容108與DELTA電容126和可測(cè)量 電容102串聯(lián)時(shí)，傳感器800為"串聯(lián)"傳感器。在圖8A所示的實(shí)施例中，可 測(cè)量電容102由兩個(gè)分離電極802、 804形成，{頓控制器302的信號(hào)管腳304、 306可以將各個(gè)電極驅(qū)動(dòng)至一電壓。當(dāng)在"驅(qū)動(dòng)"電極802上驅(qū)動(dòng)波形時(shí)， 上面所述的SIGMA—DELTA檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)電極802、 804之間的電容性耦 合，來檢測(cè)在電極802、 804之間和至包括積分電容108的無源網(wǎng)絡(luò)109轉(zhuǎn)移的 電荷。結(jié)果是，在沒有明顯改變的情況下，依賴于"驅(qū)動(dòng)"和"檢測(cè)"電極之 間電容性耦合的改變的傳感器可容易地實(shí)現(xiàn)上述概念。注意如前所述的，轉(zhuǎn)換 可測(cè)量電容可以受至ij'任意數(shù)量的其它導(dǎo)體禾口/或電介質(zhì)的影響，以"(吏接近電極 802、 804的部件產(chǎn)生復(fù)雜的總有效電容。此外，類似于用于DELTA電容所述 的以及在狀態(tài)圖750中所示的，在充電循環(huán)的重復(fù)期間分享步驟的相位偏移還 可以被實(shí)施阻塞或允許與轉(zhuǎn)換電割專感器中的"驅(qū)動(dòng)"電極分享電荷。
圖8B包括狀態(tài)圖825，其示出用于傳感器800的典型狀態(tài)順序。 一起參 考圖8A和8B，在第一狀態(tài)1中，M51改變信號(hào)管腳310的1/04的狀態(tài)， DELTA電容126 (Cd)，可以將DELTA電荷添加給積分電容108。在狀態(tài)l中， 在310上邏輯狀態(tài)從低至高邏輯電平(或剛好停留在低處)的這種改變作為F(VCI) 的函數(shù)，取決于在前面狀態(tài)7中在管腳308處積分電容108上的電壓的前面量 化。作為一4i列子，函數(shù)F(Vd)，如果在前面循環(huán)中積分電容鄉(xiāng)處的電壓比用 于信號(hào)管腳308的1/03的閾值電壓VTH高(即，積分電容上電荷為低，進(jìn)而電 壓降小于預(yù)期)，則管腳310保持為低。否則，若積分電容108處的電壓比閾值 電壓低(即，積分電容上電荷為高，進(jìn)而電壓降大于預(yù)期)，則管腳310被驅(qū)動(dòng) 到高，以fflil從積分電容108 ffiaiDELTA電容126去除電荷升高在308處的電 壓。在電荷轉(zhuǎn)移處理的每次重復(fù)中，當(dāng)I/01從低轉(zhuǎn)變?yōu)楦摺⑾蚍e分電容添加電 荷時(shí)，電荷M31在電極802和804之間的可測(cè)量電容Cx 102轉(zhuǎn)移。在SIGMA —DELTA系統(tǒng)的控制下，通過可測(cè)量電容102添加電荷和通過DELTA電容126 去除電荷，積分電容108上的電荷通過負(fù)反饋控制大概保持恒定。
從而，基于在管腳308上積分電容的1/03處的前面電壓測(cè)量，利用 DELTA電容126，狀態(tài)1從積分電容108去除(即la)或者不去除(即lb)電 荷。在替換實(shí)施例中，這種測(cè)量可能以各種方法被實(shí)施，例如測(cè)量積分電容上
的電壓可4OT管腳306。
狀態(tài)2為積分電容108的兩側(cè)(即，信號(hào)管腳306、 308)上的中間高阻 抗?fàn)顟B(tài)。這在積分電容108上俘獲積分電荷，以使對(duì)于信號(hào)管腳的輸出上的任 何定時(shí)錯(cuò)誤都不改變?cè)谄渖系碾姾伞９苣_304保持驅(qū)動(dòng)為低，以及管腳310被 保留在其前面的狀態(tài)中。
在狀態(tài)3中，信號(hào)管腳308被設(shè)置為低邏輯狀態(tài)(例如，接地)。注意的 是，在前面狀態(tài)7中測(cè)量管腳308上的電壓，并且應(yīng)當(dāng)接近與信號(hào)管腳308和 1/03相關(guān)的輸入閾值。Mil驅(qū)動(dòng)308至邏衛(wèi)氐狀態(tài)及改變積分電容108 —側(cè)上 的電壓，檢測(cè)電極804處的電壓也改變，以及積分電容108與可觀懂電容102 以及任何其它寄生電容分享電荷，所述寄生電容耦合至信號(hào)管腳306禾帷 1 804處的電極。在這種典型情況中，與可觀糧電容102分享的電荷與在下面步驟 中通31驅(qū)動(dòng)管腳304上的1/01為高而轉(zhuǎn)移的電荷處于相同方向，盡管這不必是 所有實(shí)施方案中的情況。盡管這個(gè)例子的意思是作為轉(zhuǎn)換電容傳感器的功能， 但是，由于在804上任一電壓的改變，從寄生電容分享到積分電容108上的電 荷就像本文別處描述的在其他"絕對(duì)電容"傳感器中一樣地發(fā)生。這個(gè)寄生電 賴皮分享在積分電容108上，以及在這個(gè)例子中，將向它添加電荷，減少管腳 308處在積分電容108上的測(cè)量電壓。
在第四狀態(tài)4中，當(dāng)管腳304上I/OliAM輯低改變?yōu)檫壿嬻{電壓時(shí)，從 電極804向積分電容108分享電荷，進(jìn)而清除DELTA電容126上的任意電荷。 尤其是，在這個(gè)狀態(tài)中，管腳304被驅(qū)動(dòng)為高，而管腳310為低。這允許電荷 M31可測(cè)量電容102 (Cx)從電極804分享至積分電容108。同時(shí)，在信號(hào)管腳 310、 308處，DELTA電容126的兩側(cè)上的電壓被驅(qū)動(dòng)為低。由于管腳308處的 節(jié)點(diǎn)處于低阻抗，因此在這個(gè)步驟中沒有電荷SilDELTA電容126轉(zhuǎn)移到積分 電容108上。
第五狀態(tài)5為去耦合積分電容108兩側(cè)的另一髙阻抗?fàn)顟B(tài)。
第六狀態(tài)6驅(qū)動(dòng)可測(cè)量電容(Cx) 102的檢測(cè)電極804為邏輯高電壓， 以阻塞通過檢測(cè)電極804耦合的電荷分享，并允許與DELTA電容126共用。在 下一測(cè)量步驟中，在1/02的信號(hào)管腳306上驅(qū)動(dòng)低阻抗，使積分電容108屏蔽 耦合至該電極的任何噪聲。它還允許電荷通過積分電容108與連接至信號(hào)管腳 308和DELTA電容126的節(jié)點(diǎn)共享。然而，通過在電極804上驅(qū)動(dòng)邏輯高電壓， 還改變信號(hào)管腳節(jié)點(diǎn)308處的電壓。這再次弓胞電荷Mil管腳308上的任何寄生電容與積分電容羅共享。雖然這不必是其他實(shí)施例中盼瞎況，但是，在這個(gè)示例中，由于將信號(hào)管腳310驅(qū)動(dòng)為低阻抗，電荷還與DELTA電容126共享。 注意的是，與狀態(tài)3中可測(cè)量電容的分享不一樣，在信號(hào)管腳310被驅(qū)動(dòng)至狀 態(tài)1中的不同電壓以改變積分電容上的電荷時(shí)，這個(gè)寄生電荷將處于通過 DELTA電容126轉(zhuǎn)移的電荷的相反方向。與寄生電容和DELTA電容的電壓改 變和尺寸成比例的一些電荷將分享和趨于增加積分電容108上的電壓，并斷氐 在管腳308處測(cè)量的電壓。如果管腳310處于高阻抗抗?fàn)顟B(tài)，這可以被明顯減 少(減少到僅寄生電容)。由于驅(qū)動(dòng)306為高，只要308上的電壓轉(zhuǎn)移小于用于 減去步驟4中電荷的310上的電壓轉(zhuǎn)移，那么，在轉(zhuǎn)換電容性SIGMA—DELTA 處理中，仍可從凈電荷中減去DELTA電容126。
第七狀態(tài)7測(cè)量積分電容108上的電壓。在管腳308處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)， 相對(duì)于通過{言號(hào)管腳306在檢測(cè)電^±驅(qū)動(dòng)的電壓，(由于積分電荷)可以在管 腳308處測(cè)量積分電容108上的電壓。這個(gè)測(cè)量可包括將積分電容108處的電 壓與閾值電壓Vra進(jìn)行比較，以提供量化的結(jié)果。然后，在狀態(tài)l-3期間，將積 分電容108上電壓觀懂結(jié)果(即，它是否比閾值電壓VTH高)用于循環(huán)的下一 次重復(fù)中的F(Vd)中，確定積分電容上的電荷如何可能由DELTA電容126改變。
因此，對(duì)狀態(tài)1—7的重復(fù)執(zhí)行將導(dǎo)艦積分電容108上電荷的SIGMA —DELTA閉環(huán)控制，并且可以{頓量化結(jié)果的搶波測(cè)量{魏測(cè)量電極802和804 之間的轉(zhuǎn)換電容。這個(gè)測(cè)量的轉(zhuǎn)換電容可進(jìn)一步用于檢測(cè)物體相對(duì)于傳繊的 接近或者任何其他目的。〖0088]注意的是，由于寄生電落在步驟3和6中與被驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)的積分電 容108的分享節(jié)點(diǎn)處的電壓改變引起不想要的電荷轉(zhuǎn)移，并且在與預(yù)期方向相 反的方向可引起M可測(cè)量電容102或DELTA電容126的電荷分享。這 轉(zhuǎn) 換電容性傳麟的"絕對(duì)電容"行為。這些電壓改變相對(duì)于由信號(hào)管腳304驅(qū) 動(dòng)電極802和信號(hào)管腳310驅(qū)動(dòng)DELTA電容126所^頓的電壓擺動(dòng)越小，寄生 電容將具有越小的影響，并且轉(zhuǎn)換電容性SIGMA—DELTA測(cè)量系統(tǒng)的功育鵬 理想。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖8C和8D，示出了轉(zhuǎn)換電容性傳離850的第二實(shí)施例。轉(zhuǎn) 換電容性傳感器850為并行傳感器，即在可測(cè)量電容102與積分電容108的連 接中，可測(cè)量電容102與DELTA電容126并聯(lián)。還有，在這個(gè)實(shí)施例中，接近 閾值電壓Vra的電壓VG由包括電阻812和814的分壓器產(chǎn)生。與前面實(shí)施例一 樣，可測(cè)量電容102由兩個(gè)分離電極802和804形成，於分離電極可禾,控 制器302的信號(hào)管腳304、 306驅(qū)動(dòng)至一電壓。當(dāng)在電極802上驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，電 極802和804之間的電容性耦合(由可測(cè)量電容102指示)可以利用SIGMA— DELTA檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢觀"以檢測(cè)在電極802、 804之間和至包括積分電容108 的無源網(wǎng)絡(luò)109轉(zhuǎn)移的電荷。
圖8D包括顯示傳麟850的典型狀態(tài)順序的狀態(tài)圖875。 一起參考圖 8C和8D，第一狀態(tài)1包括中間高阻抗?fàn)顟B(tài)。在這個(gè)狀態(tài)中，信號(hào)管腳306、 308A 和308B全部被保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)，管腳304驅(qū)動(dòng)為邏輯低電壓，以及管腳310 驅(qū)動(dòng)為邏輯高電壓。這導(dǎo)致使M電容器去耦合的中間狀態(tài)，以在這些電容器 中暫時(shí)俘獲電荷。這確保不存在疊加信號(hào)，其可能另外非故意地在電容器上布 置不需要的電荷。
在第二狀態(tài)2中，將節(jié)點(diǎn)851處積分電容108上的電壓設(shè)置為已生成的 電壓VG，所述VG被實(shí)現(xiàn)基本上等于測(cè)量1/0 (例如，103)的閾值電壓Vra。 具體地，管腳308A提供邏輯高電壓(例如，VDD)，管腳308B提供邏輯低電壓 (例如，GND)，以及電阻812和814提供分壓器，該分壓M節(jié)點(diǎn)851處產(chǎn)生 電壓Ve。在一個(gè)典型實(shí)施例中，電阻812和814基本上是相等的，因此，與 CMOS輸入閾值相比較，所產(chǎn)生的電壓近似l/2Vro。存在許多方法用于i頓無 源元件和開關(guān)(例如，I/O或DAC)來施加所產(chǎn)生的電壓，并且這僅僅是一個(gè) 例子。數(shù)字輸入的閾值電壓是將低與高輸入?yún)^(qū)分的電壓。當(dāng)然，這僅僅是一個(gè) 例子，在其他實(shí)施例中，希望可利用其它數(shù)值。例如，在1/0利用施密#|蟲發(fā)器 輸入的情況中，的電壓可f^fi似I/03的輸入閾值，所述輸入閾值僅僅設(shè)定 為邏輯高。還應(yīng)當(dāng)注意的是，在一些實(shí)施例中不使用分壓器。代替之，在一些實(shí)施例中，控制器302固有地包括產(chǎn)生接近VTH的合適電壓VG的能力。
還應(yīng)當(dāng)注意的是，具有接近閾值電壓VTH的所產(chǎn)生的電壓Vg的驅(qū)動(dòng)節(jié) 點(diǎn)851在步驟2—3中M^、電極804上的電壓擺動(dòng)，原因是SIGMA—DELTA反 饋環(huán)控制積分電容108上的電荷，以在信號(hào)管腳306驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)804 (在步驟5、 6、 7中)時(shí)保持節(jié)點(diǎn)851上的電壓接近閾值電壓，并且可測(cè)量連接至節(jié)點(diǎn)851 (例如308A)的輸入。由于最小化了沒有移動(dòng)穿過寄生電容的電荷，所以在很
大程度上保持804和851處電壓恒定使寄生電容為固定電壓(例如，GND)沒 有太大關(guān)系。注意的是，如果對(duì)積分電容108上的電壓的測(cè)量是用管腳306上 的1/02實(shí)施的，貝U節(jié)點(diǎn)306可能使用相似的生成電壓Vg進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以最小化寄 生電容的影響。
在第三狀態(tài)3中，根據(jù)前面在308A 積分電容108上電壓的測(cè)量， DELTA電荷轉(zhuǎn)移給積分電容108禾tV或電荷在電極804和積分電容108之間進(jìn)行 分享。具體地，驅(qū)動(dòng)管腳310為前面在308A，積分電容108上測(cè)量的電壓的 函數(shù)F(Vd)。作為一個(gè)例子，選擇函數(shù)F(Vd)，以便如果積分電容108 (例如在 節(jié)點(diǎn)851處)的電壓高于前面在測(cè)量循環(huán)的重復(fù)中I/03的閾值電壓Vra (即， 積分電容上的電荷低，而電壓降比希望的小)，則管腳310保持在邏輯高電壓。 反之，如果積分電容108處的電壓低于閾值電壓(即，積分電容的電荷為高， 而電壓降比希望的大)，則驅(qū)動(dòng)管腳310至邏輯低電壓，以艦DELTA電容126 從積分電容濯去除電荷。在所有瞎況中，當(dāng)I/OUA^輯低電壓轉(zhuǎn)妙邏輯高 電壓、將電荷添加給積分電容時(shí)，電荷3EM:電極802和804之間的可測(cè)量電 容Cxl02轉(zhuǎn)移。在SIGMA—DELTA系統(tǒng)的控制下，艦可測(cè)量電繊加電荷 和M31DELTA電容去除電荷，積分電容上的電荷M負(fù)反饋控制被大概保持恒 定。
從而，基于前面在I/O3，積分電容的管腳308A上的電壓測(cè)量，狀態(tài) 3在電極804和積分電容108之間分享電荷，或者利用DELTA電容126從積分 電容108去除電荷。
第四狀態(tài)4包括另一中間高阻抗?fàn)顟B(tài)，其確保沒有另外可能非故意地在 電容器上設(shè)置不想要電荷的信號(hào)。第五狀態(tài)5再^il31信號(hào)管腳306上的1/02， 4維收電極804設(shè)置為邏輯高電壓。第六狀態(tài)6設(shè)置可測(cè)量電容(Cx) 102和 DELTA電容(CD) 126上的電荷，以準(zhǔn)備電荷轉(zhuǎn)移過程的下一重復(fù)中的轉(zhuǎn)變。 具體地，在管腳310上布置邏輯高電壓，而在管腳306上布置邏輯高電壓使 DELTA電容126放電。同時(shí)， 1信號(hào)管腳304在電極802上布置邏輯低電壓， 對(duì)耦合至電極804的可測(cè)量電容進(jìn)行再充電。M31在可測(cè)量電容102中的電極 804上以及在耦合至DELTA電容126的積分電容108的一側(cè)i體低阻抗電壓， 電荷在這個(gè)步驟期間不會(huì)ffi51 DELTA電容126或可測(cè)量電容102向積分電容 108上轉(zhuǎn)移。這確保積分電容羅的數(shù)值在前面步驟期間保持精確的轉(zhuǎn)移電荷表
示，并且在沒有受到檢測(cè)電極804的噪聲干擾的情況下就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。
第七狀態(tài)7測(cè)量積分電容108處的電壓。在管腳308處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)， (由于累積的電荷)可在管腳308A或管腳30犯上測(cè)量積分電容108上的電壓 (例如，在節(jié)點(diǎn)851處的電壓)。這個(gè)測(cè)量可包括積分電容108處的電壓與閾值 電壓VTH的比較，以Hf共量化結(jié)果。然后，在狀態(tài)3—5期間，將積分電容108 上電壓的測(cè)量結(jié)果用于下一循環(huán)的F(Vd)中(g卩，它是否高于閾值電壓Vra)， 確定積分電容上的電荷如何可fflilDELTA電容126改變。
因此，對(duì)狀態(tài)1一7的重復(fù)執(zhí)行將導(dǎo)艦積分電容108上電荷的SIGMA 一DELTA閉環(huán)控制，以及對(duì)已量化結(jié)果的濾波測(cè)量可用于測(cè)量電極802和804 之間的轉(zhuǎn)換電容。這個(gè)測(cè)量的轉(zhuǎn)換電容可以進(jìn)一步用于檢觀,體相對(duì)于傳感器 的接近。
如上所述，在圖8中示出的傳 實(shí)施例測(cè)量轉(zhuǎn)換電容而不是鄉(xiāng)頓或接 地參考電容。這些實(shí)施例減少背景或寄生電容對(duì)觀懂的電容的負(fù)面影響，從而 對(duì)存在有較高比例的寄生蹤跡電容的應(yīng)用尤其有用，例如指紋線(fingerprint ridge) ^t測(cè)和電容性角蟲摸1^測(cè)。
例如，當(dāng)在節(jié)點(diǎn)851上驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的電壓Vg大概等于耦合851 (例如， 其中它們?yōu)镮/O的308A/B)的信號(hào)管腳的輸入閾值電壓時(shí)，通過SIGMA— DELTA反饋控制可以將所檢測(cè)電極804上的電壓擺動(dòng)數(shù)量保持為相對(duì)低的7jC 平。這可以充分地降低對(duì)寄生電容的靈敏度。也就是，由于在穩(wěn)態(tài)操作期間在 節(jié)點(diǎn)851處積分電容108上的電壓相對(duì)保t雑近閾值電壓，當(dāng)在節(jié)點(diǎn)851上驅(qū) 動(dòng)電壓時(shí)(和306是浮置的)，以及在306上驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，不ffl31信號(hào)管腳308A/B 驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)851 。對(duì)以地，由于信號(hào)管腳306被驅(qū)動(dòng)至近似于當(dāng)將節(jié)點(diǎn)851處電壓 驅(qū)動(dòng)至308A/B之一處輸入閾值電壓時(shí)的結(jié)果(而不是驅(qū)動(dòng)信號(hào)管腳306到某些 其它電壓)，保持電極804上的電壓擺動(dòng)為相對(duì)低。Mil穿過積分電容上的電壓 (和電荷)確定851和306之間的電壓差，所述積分電容上的電壓(和電荷)通 過SIGMA—DELTA負(fù)反饋環(huán)路控制。可以以任何方式施加306和節(jié)點(diǎn)851上 的這些電壓。在各禾中實(shí)施例中，M:利用管腳308A-B的邏輯來施加近似閾值電 壓，以激勵(lì)或去激勵(lì)分壓器網(wǎng)絡(luò)的一部分，從而產(chǎn)生合適的電壓。可替換地， 可艦數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器鋼過任意其餓術(shù)施加近似電壓。
甚至，對(duì)這里所示出的各種電路和技術(shù)可以實(shí)施更多改進(jìn)和改變。可使
用具有或不具有額外有源模擬元件的上述技術(shù)，實(shí)施較高階SIGMA—DELTA調(diào)制器。[ooioi]此外，例如，可Mai使用噪聲抖動(dòng)技術(shù)M^、各種噪聲源。具體地，己知常規(guī)一階SIGMA—DELTA轉(zhuǎn)換器尤其易受到噪聲"音調(diào)"(即，重復(fù)噪聲形式) 的影響。這些音調(diào)可以產(chǎn)生用于某種恒定輸入的噪聲輸出(這樣，在電容性靈敏度低(或可替換地，高誤差)的情況下存在"死區(qū)")，導(dǎo)im輸入^f牛略微變化響應(yīng)的斷氐。ffiil利用更復(fù)雜(即，更高階)SIGMA—DELTA技術(shù)，或者 可替換:tWl將小數(shù)量的低功率噪聲注入SIGMA-DELTA轉(zhuǎn)換器中，可以避 免音調(diào)。用于注入噪聲的一種技術(shù)包摘每噪聲抖動(dòng)應(yīng)用至ADC參考電壓(例如， 圖1中的電壓112)。可以在任意種軟件或其它邏輯中生成這種抖動(dòng)，并且這種 抖動(dòng)同時(shí)應(yīng)用于M^檢測(cè)鵬以提高響應(yīng)。
如上所述，用于確定電容的設(shè)備和方法具體可應(yīng)用于臨近傳 設(shè)備。 現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖10，框圖示出了耦合至臨近傳感器設(shè)備11的典型電子系統(tǒng)10。電子 系統(tǒng)10用于表示任意 的個(gè)人計(jì)穀幾、便攜式計(jì)穀幾、工作站、個(gè)人數(shù)字助 理、視頻游戲機(jī)、通信設(shè)備(包括無線電話和信息傳遞設(shè)備)、媒體設(shè)備，該媒 體設(shè)備包括記錄機(jī)和播放器(包括電視、電纜箱、音樂播放器和視頻播放器) 或能夠從用戶接受輸入或處理信息的其它設(shè)備。因此，系統(tǒng)10的於實(shí)施例可 以包括任意鄉(xiāng)的處理器、存儲(chǔ)器或顯示器。另外，系統(tǒng)10的元件可以經(jīng)由總 線、網(wǎng)絡(luò)或其它有線或無線互^i行通信。 1包括12C、 SPI、 PS/2、通用串 行總線(USB)、藍(lán)牙、RF、 IRDA的任意類型接口或連接，或任意其它鄉(xiāng)有線 或無線連接，臨近傳麟設(shè)備11可以連接至系統(tǒng)10，在此列舉了幾種非限制性 例子。
臨近傳感器設(shè)備11包括控制器19和檢測(cè)區(qū)域18。臨近傳麟設(shè)備11 對(duì)在檢測(cè)區(qū)域18中輸入14 (其可以由一個(gè)或多個(gè)手指、觸針和/或其雄入物 體來提供)的位置敏感，并且可ffl31測(cè)量由于輸入14而導(dǎo)致的電容結(jié)果變化來 檢測(cè)輸入14。如這里所{頓的"檢測(cè)區(qū)域"18廣泛地包含在臨近傳繊設(shè)備11 的上面、周圍、里面和域M臨近傳感器設(shè)備ll的任意空間，其中傳感器育, 檢測(cè)物體的位置。在常規(guī)實(shí)施例中，檢測(cè)區(qū)域18從傳感器表面在一個(gè)或多個(gè)方 向中展開一距離進(jìn)入空間，直至信噪比阻止了輸入檢測(cè)。這個(gè)距離可以在小于 毫米、幾個(gè)亳米、幾個(gè)厘米或更多的數(shù)量級(jí)別上，以及可以隨所期望的傳感器
電極尺寸、傳 設(shè)計(jì)和/或傳^1性能(例如，精確度或^f辛率)明顯地改變。 因此，特定檢測(cè)區(qū)域18的平面度或曲率、尺寸、形狀和精確位置將隨實(shí)施例的 不同而較大地改變。
在操作中，ffiil測(cè)量與多個(gè)檢測(cè)電極相關(guān)的可觀糧電容，臨近傳感器設(shè)備11適當(dāng)?shù)貦z測(cè)輸入14的位置，其受檢測(cè)區(qū)域18內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)手指、觸針 和/或其它物體的影響。以及，iOT控制器19，臨近傳感器設(shè)備11 a維置的電 的或電子的指示提供給電子系統(tǒng)IO。如先前所述，該系統(tǒng)10適當(dāng)?shù)靥幚碓撝甘?以接受來自用戶的輸入以用于任何適當(dāng)?shù)哪康模a(chǎn)生任意合適的響應(yīng)。
臨近傳皿設(shè)備11可以使用離散陣列或者電容性傳自電極的任意其 它排列以支衛(wèi)壬意M的檢測(cè)區(qū)域18。臨近傳繊設(shè)備還可改^^提供的信息 鄉(xiāng)，例如提供作為標(biāo)量的"一維"健信息(例如，沿檢測(cè)區(qū)域)，作為數(shù)值 組合的"二維"位置信息(例如，跨越二維的7jC平/垂直軸、角的/徑向的或任意 其它軸)，作為數(shù)值陣列的接近的"二維"圖像等。
禾胸上面描述的各種技術(shù)，有時(shí)被稱為臨近傳麟處理器或觸摸傳麟 控制器的控制器19通常指示用于測(cè)量電容的處理。這里，控制器19還與電子 系統(tǒng)10通信。控制器19可以執(zhí)行各種另外的處理，以實(shí)現(xiàn)臨近傳感器設(shè)備ll。 例如，控制器19可以選擇或連接單個(gè)可測(cè)量電容，基于可測(cè)量電容的數(shù)值計(jì)算 位置#動(dòng)信息，報(bào)告當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)的位置或運(yùn)動(dòng)，并且在將它報(bào)告給電子系 統(tǒng)10或?qū)⑹嬷际窘o用戶之前解釋和等待有效拍微亥lJ/扣緊/作手勢(shì)l,或任意多 個(gè)不同的處理。
在這個(gè)說明書中，術(shù)語"控制器"被定義包括適于執(zhí)行所述操作的一個(gè) 或多個(gè)處理部件。從而，控制器19可以包括一個(gè)或多賴成電路、固側(cè)戈碼禾口 /或軟m戈碼的所有或部分。
再者，如這個(gè)應(yīng)用中使用的術(shù)語，術(shù)語"電子系統(tǒng)"廣慰也指任意 的設(shè)備，其與臨近傳麟設(shè)備11通信。因此，電子系統(tǒng)10可包括任意鄉(xiāng)的設(shè)備或多個(gè)設(shè)備，其中可實(shí)現(xiàn)或耦^i蟲摸傳感器設(shè)備。使用任意M技術(shù)，該臨近傳 設(shè)備11可實(shí)現(xiàn)為電子系統(tǒng)10的一部分或者耦合至電子系統(tǒng)10。因 此，作為非限制性例子，電子系統(tǒng)10可包括任意類型計(jì)算設(shè)備、媒體播放器、通信設(shè)備或另一輸入設(shè)備(例如，另夕卜的觸摸傳麟設(shè)備或體)。在某些瞎況中，電子系統(tǒng)10本身是較大系統(tǒng)的外圍設(shè)備。例如，電子系統(tǒng)10可以是
輸A^ir出設(shè)備，例如遙控或顯示設(shè)備(例如，遙控電視機(jī))，其利用合適的有線或無線技術(shù)與計(jì)^m^^某體系統(tǒng)進(jìn)纟Tffl信。還應(yīng)當(dāng)注意到，電子系統(tǒng)10中的各個(gè)部件(處理器、存儲(chǔ)器等)可以實(shí)施作為齡系統(tǒng)中的一部分，作為觸摸 傳 設(shè)備中的部分或者作為其組合。另外，電子系統(tǒng)10可以為臨近傳感器設(shè) 備ll的主或從屬設(shè)備。
還應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語"臨近傳 設(shè)備"不僅僅包括常規(guī)臨近傳感器設(shè)備，而且還包括能夠檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)手指、觸針和/或其它物體的位置的大量同 等設(shè)備。這種設(shè)備可以包括而不限于觸摸屏、觸摸盤、觸摸板、生物統(tǒng)計(jì)鑒定 設(shè)備、書法或字體識(shí)別設(shè)備等等。類似地，如這里所使用的術(shù)語"位置"或"物 體位置"廣泛地包括纟樹和相對(duì)位置信息，還包括其它類型的空間域信息，例 如速度、加速度等等，包括在一個(gè)或多個(gè)方向中的運(yùn)動(dòng)測(cè)量。各種形式的位置 信息還可包括時(shí)間歷史部分，如在手勢(shì)識(shí)別等的情況中。因此，臨近傳感器設(shè)備可以適當(dāng)檢測(cè)比物條在或缺失更多的信息，以及可以包括大量的等價(jià)物。
還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的機(jī)制能夠分布作為各種形式的禾將產(chǎn)品。例如， 本發(fā)明的機(jī)制可以實(shí)施和分布為可讀計(jì)^m信號(hào)支撐媒體(signal bearing media) 的臨近傳感器程序。另外地，同樣應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例，而與用于執(zhí)行該分布 的具體類型的信號(hào)支擻某體無關(guān)。信號(hào)支撐媒體的例子包括例如存儲(chǔ)卡、光盤和M:、硬驅(qū)動(dòng)器的可記錄媒質(zhì)和例如數(shù)字和模擬通信鏈路的傳輸媒體。
在不脫離基本教導(dǎo)的情況下，各種其它改變和^it可以基于這里闡明的 結(jié)構(gòu)和技術(shù)實(shí)施。因此，提供用于檢測(cè)和/或量化可觀懂電容的眾多系統(tǒng)、設(shè)備 和方法。盡管在前面詳細(xì)的說明書中已經(jīng)陳述至少一個(gè)示例實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng) 理解的是存在大量M。例如，這里所述技術(shù)的於步驟可以以暫時(shí)7娘實(shí)施， 不限于這里陳述和/或聲明的次序。還應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所述的典型實(shí)施例僅 僅是例子，不以任何方式用于限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或結(jié)構(gòu)。因此，在不脫 離如在附后的權(quán)利要求書及其合法等價(jià)物中所闡述的本發(fā)明的范圍盼瞎況下， 可以在部件的功能和排列上作出各種改變。
權(quán)利要求
1. 一種用于測(cè)量可測(cè)量電容的方法，該方法包括步驟使用第一開關(guān)將電壓施加至可測(cè)量電容；允許可測(cè)量電容與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷；如果無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷超過閾值，則將無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷改變一定數(shù)量的電荷；和重復(fù)各個(gè)施加步驟、允許步驟和改變步驟至少一次。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述電壓為預(yù)定電壓，以及所述數(shù)量的電 荷基于預(yù)定電壓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，至少部分基于改變步驟的重復(fù)次 數(shù)確定可測(cè)量電容值的步驟。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加步驟的重復(fù)次數(shù)不等于改變步驟的重 復(fù)次數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中改變步驟包括多次變換無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中多次執(zhí)行施加步驟用于改變步驟的各次重 復(fù)，以及多次執(zhí)行允許步驟用于改變步驟的各次重復(fù)。
7、 根據(jù)木又利要求1的方法，其中施加步驟包括、W)數(shù)字控制電路的輸出管腳。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在無源網(wǎng)絡(luò)上改變的電荷數(shù)量對(duì)應(yīng)于反饋 電容上的電荷。
9、 根據(jù)木又利要求l的方法，其中在無源網(wǎng)絡(luò)上改變的電荷數(shù)量對(duì)應(yīng)于fflil 電阻施加的已知一段時(shí)間的電流。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中通過在電阻兩端施加第二電壓來施加電流。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在多個(gè)可測(cè)量電容之 間多路復(fù)用施加步驟、允許步驟和改變步驟，其中可測(cè)量電容為多個(gè)可測(cè)量電容之一。
12、 根據(jù)豐又利要求1的方法，其中僅僅^ffi開關(guān)和無源元件^l行施加和 允許步驟。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中開魏括控制器的數(shù)字輸出。
14、 根據(jù)權(quán)利要求i的方法，其中使用控制器的數(shù)字輸Afn輸出來執(zhí)行施加、允許和改變步驟。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過控制器的數(shù)字輸入的閾值電壓來確 定閾值。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器來確定閾值。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加步驟包括對(duì)可觀糧電容進(jìn)行充電， 以及改變步驟包括從無源網(wǎng)絡(luò)去除電荷。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加步驟包括對(duì)可測(cè)量電容進(jìn)行放電， 以及改變步驟包括給無源網(wǎng)絡(luò)添加電荷。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中允許步驟包括被動(dòng)許可可測(cè)量電割頓 分享電路與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷，以及施加步驟基本上比分享電路的時(shí)間常數(shù)決 地發(fā)生。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中允許步驟包括控制第二開關(guān)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括步驟 將無源網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)已量化的電荷值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；禾口 對(duì)多個(gè)值應(yīng)用數(shù)字濾波。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括將監(jiān)護(hù)電壓施加至不同于可測(cè)量 電容的監(jiān)護(hù)電極的步驟。
23、 根據(jù)權(quán)禾腰求22的方法，其中在施加步驟期間施加給監(jiān)護(hù)電極的監(jiān)護(hù) 電壓基本上等于在施加步驟期間施加給可測(cè)量電容的電壓。
24、 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中施加給監(jiān)護(hù)電極的監(jiān)護(hù)電壓基本上等于 在允許步驟之后可觀懂電容上的電壓。
25、 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中在施力卩和允許步驟之間施加給監(jiān)護(hù)電極 的監(jiān)護(hù)電壓的變化接i^在施加和允許步驟之間可測(cè)量電容上的電壓的變化。
26、 —種數(shù)字存儲(chǔ)媒質(zhì)，其具有存儲(chǔ)在其上、配置為執(zhí)行禾又利要求1的方 法的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。
27、 —種用于測(cè)量可測(cè)量電容的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 用于4頓第一開關(guān)將電壓重M加給可觀懂電容的體； 用于重復(fù)允許可測(cè)量電容與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷的裝置；禾口 用于如果無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷M:閾值，則將無源網(wǎng)絡(luò)上電荷重復(fù)改變一定數(shù)量電荷的裝置。
28、 —種用于測(cè)量可測(cè)量電容的電路，該電路包括 第一開關(guān)，其耦合至可測(cè)量電容；無源網(wǎng)絡(luò)，其耦合至可測(cè)量電容，其中無源網(wǎng)絡(luò)配置為存儲(chǔ)從可測(cè)量電容接收的電荷；和電荷變化電路，其耦合至無源網(wǎng)絡(luò)；和控制器，其配置為ffi31使用第一開關(guān)重復(fù)向可測(cè)量電^t但加電壓，將從無 源網(wǎng)絡(luò)上的可測(cè)量電容所接收的電荷重復(fù)存儲(chǔ)，以及響應(yīng)超過閾值水平的無源 網(wǎng)絡(luò)上的電荷、禾U用電荷變化電路將無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷重復(fù)地改變一定數(shù)量的 電荷，從而確定可測(cè)量電容的數(shù)值。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，其中所述電壓為預(yù)定電壓，并且電荷數(shù)量基 于預(yù)定電壓。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，其中所述電壓為電源電壓。
31、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，其中無源網(wǎng)絡(luò)包括電容器。
32、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，其中第一開關(guān)是控制器的數(shù)字輸出。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32的電路，進(jìn)一步包括第二開關(guān)，所述第二開關(guān)耦合到 電荷改變電路和無源網(wǎng)絡(luò)，其中第二開關(guān)可操作地將無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷改變一 定數(shù)量的電荷。
34、 根據(jù)木又利要求32的電路，進(jìn)一步包括第三開關(guān)，所述第三開關(guān)耦合到 可測(cè)量電容和無源網(wǎng)絡(luò)，其中第三開關(guān)可操作地允許可測(cè)量電容與無源網(wǎng)絡(luò)分 享電荷。
35、 根據(jù)禾又利要求28的電路，進(jìn)一步包括第二開關(guān)，所述第二開關(guān)耦合到 可測(cè)量電容和無源網(wǎng)絡(luò)，其中第二開關(guān)可操作地允許可測(cè)量電容與無源網(wǎng)絡(luò)分 享電荷。
36、 根據(jù)權(quán)利要求31的電路，其中無源網(wǎng)絡(luò)包括電阻。
37、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路,進(jìn)一步包括耦合到無源網(wǎng)絡(luò)的電壓測(cè)量電路。
38、 根據(jù)權(quán)利要求37的電路，其中電壓測(cè)量電路包括比較器。
39、 根據(jù)木又利要求37的電路，其中電壓測(cè)量電路包括模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
40、 根據(jù)權(quán)利要求37的電路，其中電壓測(cè)量電路包括控制器的數(shù)字輸入的輸入閾值。
41、 根據(jù)權(quán)利要求40的電路，其中輸入閾值具有滯后。
42、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，進(jìn)一步包括控制器的信號(hào)管腳，該信號(hào)管腳 耦合至可測(cè)量電容，其中控制器配置為經(jīng)由該信號(hào)管腳將電壓施加給可測(cè)量電 容。
43、 根據(jù)木又利要求28的電路，進(jìn)一步包括第二開關(guān)和第三開關(guān)，其中無源 網(wǎng)絡(luò)包括第一電容器，其耦合在第三開關(guān)和可測(cè)量電容之間；禾口 第二電^器，其耦合在第一開關(guān)和第二開關(guān)之間。
44、 根據(jù)禾又利要求28的電路，進(jìn)一步包括第二開關(guān)，其中無源網(wǎng)絡(luò)包括 耦合在第一開關(guān)和第二開關(guān)之間的第一電容器；禾口 耦合至第一開關(guān)和耦合至第二電壓的電阻；禾口 耦合至第二電壓的電阻。
45、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，其中無源網(wǎng)絡(luò)包括互相串聯(lián)耦合至第一開關(guān) 的且耦合至第二電壓的電容器和電阻。
46、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，進(jìn)一步包括第二開關(guān)和第三開關(guān)，其中無源 網(wǎng)絡(luò)包括耦合在第三開關(guān)和可觀懂電容之間的電容器；和 耦合在第一開關(guān)和第二開關(guān)之間的電阻。
47、 根據(jù)權(quán)利要求46的電路，進(jìn)一步配置為M31漏第二開關(guān)一定時(shí)間段 來改變無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷，從而允許無源網(wǎng)絡(luò)上的電荷M31電阻。
48、 根據(jù)權(quán)利要求28的電路，進(jìn)一步包括監(jiān)護(hù)電極，其中控制^l進(jìn)一步配 置為將監(jiān)護(hù)電壓施加給監(jiān)護(hù)電極。
49、 根據(jù)權(quán)利要求48的電路，進(jìn)一步包括阻抗分配器，其耦合至第二開關(guān) 和監(jiān)護(hù)電極。
50、 根據(jù)權(quán)利要求48的電路，其中M31數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)監(jiān)護(hù)電極。
全文摘要
描述使用SIGMA-DELTA測(cè)量技術(shù)檢測(cè)可測(cè)量電容(C_X)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，使用第一開關(guān)將電壓施加給可測(cè)量電容(C_X)。可測(cè)量電容被允許與無源網(wǎng)絡(luò)分享電荷。如果無源網(wǎng)絡(luò)(109)上的電荷超過閾值，則重復(fù)足夠次數(shù)，使無源網(wǎng)絡(luò)(109)上的電荷改變已知數(shù)量，直到可以檢測(cè)到可測(cè)量電容(C_X)。這種檢測(cè)方案使用常規(guī)元件就可以容易實(shí)施，并且可以具體用于感知手指、觸針或其他物體相對(duì)于按鈕、滑塊、觸摸板或其它輸入傳感器的位置。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101213461SQ200680019492
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者A·多伊格, D·埃利, J·K·雷諾, J·海恩斯, K·哈格里夫斯, P·魯特利 申請(qǐng)人:辛納普蒂克斯公司