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      電容傳感系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號:11101195閱讀:432來源:國知局
      電容傳感系統(tǒng)的制造方法與工藝

      本申請涉及傳感器,以及更具體地涉及電容傳感系統(tǒng)。



      背景技術(shù):

      電容傳感器用于感測各種物理量,例如觸摸。由觸摸在觸摸屏上導(dǎo)致的電容變化可用于確定關(guān)于該觸摸的信息。由于電容傳感器的使用一直在增長,期望在這種傳感器的準(zhǔn)確度方面有所改進(jìn)。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      因此,在一個(gè)實(shí)施例中,一種設(shè)備包括用于耦合到外部電容器的焊盤。第一電流源通過第一路徑耦合到焊盤并供應(yīng)電流以便給外部電容器充電。第二路徑將比較器耦合到焊盤。比較器將在所述焊盤處的對應(yīng)于外部電容器兩端之間電壓的第一電壓與預(yù)定的電壓進(jìn)行比較,并供應(yīng)指示該比較的第一比較指示。

      在另一個(gè)實(shí)施例中,提供用于感測外部電容器的方法,其包括通過第一路徑將充電電流從第一電流源供應(yīng)到集成電路的焊盤以便給耦合到所述焊盤的外部電容器充電。外部電容器兩端之間的第一電壓在焊盤處感測,并通過從第一路徑分離的第二路徑供應(yīng)到比較器。比較器將第一電壓與參考電壓進(jìn)行比較,并提供指示第一電壓和所述參考電壓之間差異的比較結(jié)果。

      在另一個(gè)實(shí)施例中,一種設(shè)備包括用于耦合到相應(yīng)的外部電容器的多個(gè)焊盤。電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)通過多個(gè)第一開關(guān)選擇性地耦合到一個(gè)或多個(gè)焊盤。第一比較器具有通過多個(gè)第二開關(guān)選擇性地耦合到所述焊盤的第一輸入并具有耦合到參考電壓的第二輸入。第一比較器將第一輸入上的第一電壓與參考電壓進(jìn)行比較并且提供第一比較指示。第二比較器耦合以便將參考電容器兩端之間的第二電壓與參考電壓進(jìn)行比較,并提供第二比較指示。第一電容器在所述焊盤與第一比較器的第一輸入之間串聯(lián)耦合。第二電容器在參考電容器和第二比較器之間串聯(lián)耦合。存儲電路存儲第一比較指示,其響應(yīng)于指示第二電壓已達(dá)到參考電壓的第二比較指示。存儲電路的輸出耦合到適于電流DAC的控制電路。

      附圖說明

      通過參考附圖可以更好地理解本發(fā)明,并且它的許多目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言是顯而易見的。

      圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的電容感測系統(tǒng)的框圖。

      圖2示出圖1所示傳感系統(tǒng)的操作的時(shí)序圖。

      圖3示出由圖1的實(shí)施例所提供的包括采用交流耦合電容器的優(yōu)點(diǎn)。

      圖4示出比較器的輸入晶體管。

      圖5示出在外部電容器側(cè)上的直流偏壓可以不同于在比較電路的輸入處的直流偏壓。

      在不同的附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示相似或相同的項(xiàng)目。

      具體實(shí)施方式

      本文所述的實(shí)施例提供有效的方式來改善在電容傳感系統(tǒng)中在外部電容器充電路徑中的若干誤差源的排除。外部電容器充電路徑由于其電容值的較大變化以及由于來自開關(guān)的總電阻和長路由而具有若干誤差源。實(shí)施例包括在前端中開爾文傳感和交流耦合的一者或兩者,以改善電容傳感系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和靈活性。

      參照圖1,框圖示出根據(jù)實(shí)施例的電容傳感系統(tǒng),其包括開爾文傳感和交流耦合二者。傳感系統(tǒng)形成于集成電路101上。電流數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)103將電流IDAC供應(yīng)到焊盤1051,焊盤1051又耦合到外部電容器1071。焊盤105(1051-105N)提供內(nèi)部信號和外部信號之間的電連接。從電流DAC 103到焊盤1051的路徑包括與路由和開關(guān)1091相關(guān)聯(lián)的電阻。從電流DAC 103到焊盤1051的總等效電阻被示出為等效電阻(Req1)117。

      比較器電路115包括比較器114和116以及存儲元件(例如雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器)120。第二開關(guān)1111通過單獨(dú)的路徑將焊盤耦合到比較器114的第一輸入。比較器114將在一個(gè)輸入處的對應(yīng)于外部電容1071的電壓與預(yù)定的參考電壓(Vrampend)進(jìn)行比較,如本文中進(jìn)一步描述的那樣。該外部電容器1071的傳感是通過開爾文開關(guān)1111進(jìn)行的,而不是從電流DAC103輸出直接進(jìn)行。這從所感測的電壓((Vramp)消除了電壓項(xiàng)IDAC×Req1,如下面更充分解釋說明的那樣。否則,IDAC×Req1將引入非線性項(xiàng),并導(dǎo)致取決于外部電容(Cext)值的小信號電容器傳感增益誤差。

      電流源121給參考電容器Cref 123充電,以及比較器116接收參考電容器兩端之間的電壓。當(dāng)斜升到Vrampend時(shí),比較器116比較參考電容兩端之間的電壓,并且當(dāng)耦合到參考電容的輸入達(dá)到Vrampend時(shí)觸發(fā)信號152的上升沿。在該點(diǎn),比較器114的輸出由信號152的上升沿鎖定于存儲元件120內(nèi)。更新的單位輸出dout供應(yīng)到控制邏輯125以更新IDAC_編碼,使得電流源103對于下一次比較操作而言是有效的??刂七壿?25可例如使用編程的微控制器來實(shí)施,并包括存儲器和必要的軟件以便連同微控制器一起提供本文所述的控制功能。在其它實(shí)施例中,控制邏輯可作為其它可編程邏輯器件的一部分來實(shí)施,諸如應(yīng)用專用集成電路(ASIC)或其它邏輯??刂七壿嬐ㄟ^基于比較指示提供IDAC編碼127而增加或減少電流。來自電流DAC 103的電流IDAC可被調(diào)節(jié),直到在外部電容的傳感電壓和參考電壓之間存在適當(dāng)?shù)年P(guān)系為止。外部電容可被確定為Cext=(IDAC/Iref)×Cref。外部電容的計(jì)算可在提供控制邏輯125或其它可編程邏輯的微控制器中進(jìn)行。此外,在電容值上的變化指示有關(guān)觸摸的信息或電容變化的其它物理原因。

      圖2示出圖1中所示的系統(tǒng)的操作。比較器116的輸出152控制圖2中所示的CLK信號154的上升沿。時(shí)鐘信號154的延遲形式控制開關(guān)131,133,135,和155,從而給圖1中所示的各種電容器充電和放電。為了便于解釋說明,圖2不顯示延遲形式。其它電路(未示出)控制CLK信號154的下降沿,因此控制CLK信號154的高相位的寬度,它確定電容器Cref和Cext必須放電的時(shí)間量。在時(shí)鐘信號CLK 154的下降沿201上,由控制邏輯125提供的IDAC_編碼是有效的,以及供應(yīng)電流IDAC以便給外部電容器(Cext)充電。此外,電流源121在CLK的下降沿之后給參考電容(Cref)123充電。參考電容兩端之間的電壓斜升,直到它到達(dá)預(yù)設(shè)的Vrampend,器觸發(fā)信號152的上升沿。響應(yīng)于上升沿,比較器114還將外部電容兩端之間的電壓與Vrampend進(jìn)行比較,并且比較輸出由信號152上升沿鎖定在存儲元件120內(nèi)并作為dout供應(yīng)。更新的dout輸入到控制邏輯125以便更新IDAC_編碼,使得來自電流DAC 103的電流IDAC對于下一次比較操作而言是有效的。在201處的時(shí)鐘信號CLK 154的上升沿的延遲形式也導(dǎo)致開關(guān)131,133,135和155閉合。這導(dǎo)致外部電容器通過開關(guān)131放電到接地。通過接地平面的放電是更有效和更簡單的,因?yàn)榻拥仄矫婵筛玫靥幚韥碜暂^大外部電容的放電電流。此外,到比較器115的輸入耦合到復(fù)位電壓(vrst2)137,其可不同于外部電容器復(fù)位的接地電壓,如本文更充分解釋說明的那樣。參考電容器123此時(shí)也通過開關(guān)155放電到接地。然后在CLK信號203的下一個(gè)下降沿處重復(fù)循環(huán)。應(yīng)當(dāng)指出的是,圖2示出在每一循環(huán)在參考電容器兩端之間的參考電壓斜升到Vrampend,因?yàn)閬碜噪娏髟?21的充電電流是靜態(tài)的。相比之下,在循環(huán)由下降沿205開始之后,在每個(gè)循環(huán)中外部電容電壓響應(yīng)于IDAC_編碼上的變化逐漸增加以便增加來自電流DAC 103的電流IDAC,直到外部電容兩端之間的電壓也達(dá)到Vrampend。

      在外部電容器1071上的斜升信號經(jīng)由耦合電容器141(Ca1)交流耦合到比較電路114。此外,參考電容器經(jīng)由匹配的耦合電容器143(Ca1)耦合到比較器電路116。因此,在耦合電容器較好地匹配之后而不是直接DC耦合,將提供兩個(gè)路徑。在耦合電容器141,143和比較器電路114和116之間在內(nèi)部Cext和Cref比較路徑中更好的匹配提供對共同模式的誤差和供應(yīng)擾動的更好地排除。將由AC耦合電容器提供的等效電容考慮在內(nèi)。注意從co_cext節(jié)點(diǎn)151和在153的co_cref節(jié)點(diǎn)的左邊,等效電容分別是Cequ1=(Ca1×Cext)/(Ca1+Cext)和Cequ2=(Ca1×Cref)/(Ca1+Cref),以及Ca1<Cref<<Cref。等效電容Cequ1和Cequ2比Cext和Cref相當(dāng)更好地匹配。例如,假設(shè)Ca1=1(電容單位),Cref=2,和Cext=32。假設(shè)這些值,Cequ1=0.97,Cequ2=0.67。不匹配從16倍(2至32個(gè)單位)的差異改善到只約31%的差異(在0.97和0.67單位之間)。因此,在包括節(jié)點(diǎn)151和153的內(nèi)部Cext和Cref比較路徑中的更好匹配提供對共同模式的誤差和供應(yīng)擾動的更好地排除。參照圖3,該圖圖示一些誤差源的去除。例如,通過開爾文感測(盡可能接近外部電容器感測,外部電容器在此為焊盤),而不是接近電流DAC 103的輸出,由于流動通過等效電阻Req1的電流IDAC,在301示出的電壓在等效電阻之后通過感測而被去除。因此,圖1的實(shí)施例通過在焊盤105處通過感測由IDAC×Req導(dǎo)致的IR壓降之后感測外部電容器的電壓。應(yīng)當(dāng)指出的是,從焊盤105到比較器114的路徑112還包括等效電阻Req2 118。但是,由于在感測路徑112中沒有電流流過,因此等效電阻Req2不將額外的壓降引入到感測路徑內(nèi)。圖3在303示出在外部電容器側(cè)上的建立誤差,其由AC耦合電容器Ca1而去除,AC耦合電容器Ca1將電容器任一側(cè)上的直流偏壓分離。圖3還示出Vramp值305由co_cext側(cè)而不是Cext側(cè)設(shè)定。Vramp=Vrampend(307)-在比較器測上的Vrst2(309),其中Vrampend和Vrst2由單獨(dú)的偏壓電路設(shè)置。還要注意該Vramp值對于外部電容側(cè)上的復(fù)位建立誤差是不敏感的,從而節(jié)省了復(fù)位時(shí)間,因?yàn)镃ext>>Ca1以及Cext需要更長的時(shí)間來建立好。

      圖4和圖5幫助解釋說明在外部電容器側(cè)Cext和在比較器輸入處的直流偏壓不需要是相同的。由于交流耦合電容器141,比較器側(cè)上的偏壓可獨(dú)立設(shè)置以便優(yōu)化比較器輸入電路和供應(yīng)余量。圖4示出比較器114中的輸入晶體管,其通過AC耦合電容器141耦合到外部電容器。圖5示出適于外部電容器的斜升波形和在耦合電容器141的比較器側(cè)上看到的斜升波形。對于外部電容器1071而言,通過開關(guān)131所提供的復(fù)位電壓是接地電壓。外部電容器的較大容量使得它在每個(gè)循環(huán)更有效地將外部電容重置到接地(vrst1)。然而,對于供應(yīng)到比較器114和116的輸入節(jié)點(diǎn)的在節(jié)點(diǎn)137處的vrst2而言,該電壓可以是零伏(地接地),或者可被設(shè)定為其它電壓。

      參照圖5,斜升峰值被示為Vrampend=VGS+V2,其中VGS為到圖4中所示的比較器115的輸入晶體管401的源電壓的柵極。V2是由對于在晶體管401的源節(jié)點(diǎn)上的電流I而言所需的余量設(shè)定的電壓。例如,V 2可設(shè)定為0.5V,0.25V或一些其它電壓。Vramp水平和所得DC偏壓Vrst2=VGS+V2-Vramp,在低電源系統(tǒng)中被拾取以便提供所需的整個(gè)電路的余量。Vrampend和Vrst2由單獨(dú)的偏壓電路(在圖1未示出)來設(shè)定。

      雖然實(shí)施例可支持單個(gè)外部電容器,但是諸如圖1中所示的其它實(shí)施例支持多個(gè)外部電容器。從而,包括焊盤1051,1052,105N的焊盤105,通過開關(guān)1091,1092,190N耦合到電流DAC 103。此外,AC耦合電容器141通過開關(guān)111(1111,1112,111N)耦合到焊盤1051,1052,105N。因此,比較器114,控制邏輯125和電流DAC 103可用于所有的外部電容器107(1071,1072,107N)。開關(guān)可設(shè)置成使得只有一組開關(guān)在任何一個(gè)時(shí)間下閉合,以便電容器中只有一個(gè)在任何一個(gè)時(shí)間下被感測到??刂七壿嬁蓪?dǎo)致開關(guān)閉合,使得每個(gè)電容器以預(yù)定的速率被感測到。在其它實(shí)施例中,所有的開關(guān)一直閉合提供OR操作,以及充電電流給所有的電容器充電,以及比較器比較電容器兩端之間的組合電壓。仍在其它實(shí)施例中,一組或多組開關(guān)閉合,但少于所有組的開關(guān),以及開關(guān)設(shè)置是靜態(tài)的。

      因此,已經(jīng)描述了電容傳感系統(tǒng)的各個(gè)方面。本文所闡述的本發(fā)明的描述是說明性的,并且并不意旨將本發(fā)明的范圍限制到如以下權(quán)利要求書中所闡述的那樣。在不脫離如在以下權(quán)利要求書中所闡述的本發(fā)明范圍的情況下,可基于本文所闡述的說明對本文所公開的實(shí)施例進(jìn)行其它變化和變型。

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