CN105468215B - 用于电容感测的电流反馈技术 - Google Patents
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Abstract
本公开的示例一般提供采用输入装置进行电容感测的电流反馈技术。用于输入装置的处理***包括具有同相输入、反相输入和输出的运算放大器。电压源耦合到同相输入。第一电压控制电流源耦合在输出与反相输入之间，以形成反馈通路。第二电压控制电流源耦合到输出，并且配置用于基于输出处的控制电压来修改电容器上的电荷。确定模块耦合到电容器，并且配置用于基于电容器上的电荷来确定反相输入处的电容测量。
Description
技术领域
本发明的实施例一般涉及用于采用输入装置进行电容感测的电流反馈技术。
背景技术
包括接近传感器装置(通常又称作触摸板或触摸传感器装置)的输入装置广泛用于多种电子***中。接近传感器装置通常包括常常通过表面来区分的感测区，其中接近传感器装置确定一个或多个输入物体的存在、位置和/或运动。接近传感器装置可用来提供电子***的接口。例如，接近传感器装置常常用作较大计算***的输入装置，例如笔记本或台式计算机中集成的或者作为其外设的触摸板。接近传感器装置还常常用于较小计算***，例如蜂窝电话或平板计算机中集成的触摸屏中。
接近传感器装置可包括一种或多种类型的电极，其配置用于传送和/或接收输入感测信号。电极可耦合到处理***，其确定所获取输入感测信号的各种特性，以便检测输入物体的存在和/或位置。处理经由电极所接收的输入感测信号一般要求大组件、例如多个大电容器和/或电阻器。例如，接收器组件可耦合到每个单独电极(或者耦合到每组电极)，从而要求数十或数百个较大电容器和/或电阻器包含在接近传感器装置中。另外，随着接近传感器装置的特征尺寸减小，接收器组件的数量一般必须增加，从而进一步增加接近传感器装置的尺寸。
相应地，需要减小用来执行接近传感器装置中的输入感测的组件的尺寸。
发明内容
本发明的实施例一般提供一种用于输入装置的处理***。该处理***包括具有同相输入、反相输入和输出的运算放大器。电压源耦合到同相输入。该处理***还包括第一电压控制电流源、第二电压控制电流源和确定模块。第一电压控制电流源耦合在输出与反相输入之间，以形成反馈通路。第二电压控制电流源耦合到输出，并且配置用于基于输出处的控制电压来修改电容器上的电荷。确定模块耦合到电容器，并且配置用于基于电容器上的电荷来确定反相输入处的电容测量。
本发明的实施例还可提供一种用于电容感测的输入装置。该输入装置包括多个传感器电极和处理***。处理***耦合到多个传感器电极。该处理***包括具有同相输入、反相输入和输出的运算放大器。电压源耦合到同相输入。该处理***还包括第一电压控制电流源、第二电压控制电流源和确定模块。第一电压控制电流源耦合在输出与反相输入之间，以形成反馈通路。第二电压控制电流源耦合到输出，并且配置成基于输出处的控制电压来修改电容器上的电荷。确定模块耦合到电容器，并且配置成基于电容器上的电荷来确定与多个传感器电极中包含并且耦合到反相输入的传感器电极关联的电容测量。确定模块还配置成基于电容测量来确定位置信息。
本发明的实施例还可提供一种采用传感器电极进行输入感测的方法。该方法包括将输入电压驱动到运算放大器的同相输入上。第一电压控制电流源耦合在运算放大器的输出与运算放大器的反相输入之间，以形成反馈通路。该方法还包括经由耦合到输出的第二电压控制电流源基于输出处的控制电压来修改电容器上的电荷。该方法还包括基于电容器上的电荷来确定与耦合到反相输入的传感器电极关联的电容测量。
附图说明
为了能够详细了解上述特征的方式，可参照实施例进行以上概述的更具体描述，实施例的一部分在附图中示出。但是要注意，附图仅示出本发明的实施例，因此不是要被理解为限制其范围，因为本发明可容许其他同样有效的实施例。
图1是按照本发明的实施例的示范输入装置的框图。
图2是按照本发明的实施例、图1的输入装置的局部示意平面图。
图3是按照本发明的实施例、图1的处理***中包含的感测电路的局部示意图。
图4是按照本发明的实施例、图3的感测电路配置用于跨电容感测的局部示意图。
图5是按照本发明的实施例、包括配置成执行跨电容感测和/或绝对电容感测的两个感测电路的处理***的局部示意图。
图6是按照本发明的实施例、使用图3的感测电路来执行输入感测的方法的流程图。
图7是按照本发明的实施例、使用图5的感测电路来执行输入感测的方法的流程图。
为了便于理解，相同的参考标号在可能的情况下用于表示附图共同的相同元件。考虑到一个实施例中公开的元素可有利地用于其他实施例而无需具体说明。
具体实施方式
以下详细描述实际上只是示范性的，而不是要限制本发明或者本发明的应用和使用。此外，并不是意在通过前面的技术领域、背景、概述或者以下详细描述中提供的任何明确表达或暗示的理论进行限制。
本发明的各个实施例一般提供用于使用电压控制电流源(VCCS)来传送、接收和/或处理输入感测信号的方法和***。使用VCCS来执行输入感测允许处理***的尺寸被减小。例如，代替在处理***中使用大电容器和/或电阻器，VCCS可以以灵活的方式实现，以传送、接收和/或处理各种类型的输入感测信号。相应地，处理***的总尺寸可减小。
现在来看附图，图1是按照本发明的实施例的示范输入装置100的框图。输入装置100可配置成向电子***(未示出)提供输入。如本文档所使用的术语“电子***”或(或“电子装置”)广义地表示能够电子地处理信息的任何***。电子***的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，例如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板、万维网浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA)。电子***的附加示例包括合成输入装置，例如包括输入装置100和独立操纵杆或按键开关的物理键盘。其他示范电子***包括诸如数据输入装置(包括遥控和鼠标)和数据输出装置(包括显示屏幕和打印机)之类的***设备。其他示例包括远程终端、信息亭和视频游戏机(例如视频游戏控制台、便携游戏装置等)。其他示例包括通信装置(包括蜂窝电话、例如智能电话)和媒体装置(包括记录器、编辑器和播放器、例如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子***可以是对于输入装置的主机或从机。
输入装置100能够实现为电子***的物理部分，或者能够与电子***在物理上分隔。适当地，输入装置100可使用下列的任一个或多个与电子***的部分进行通信：总线、网络以及其他有线或无线互连(包括串行和/或并行连接)。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
在图1所示的实施例中，输入装置100示为接近传感器装置(又常常称作“触摸板”或“触摸传感器装置”)，其配置成感测由一个或多个输入物体140在感测区120中提供的输入。输入物体140的示例包括手指和触控笔，如图1所示。
感测区120包含输入装置100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，其中输入装置100能够检测用户输入(例如由一个或多个输入物体140所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可从实施例到实施例发生很大的改变。在一些实施例中，感测区120沿一个或多个方向从输入装置100的表面延伸到空间中，直到信噪比充分地阻止准确的物体检测。在各个实施例中，这个感测区120沿特定方向所延伸的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或者以上，并且可随所使用的感测技术的类型和预期的精度而极大地改变。因此，一些实施例感测输入，其包括没有与输入装置100的任何表面相接触、与输入装置100的输入表面(例如触摸表面)相接触、与耦合某个量的所施加力或压力的输入装置100的输入表面相接触和/或它们的组合。在各个实施例中，可由传感器电极所在的壳体的表面、由施加在传感器电极或者任何壳体之上的面板等，来提供输入表面。在一些实施例中，感测区120在投射到输入装置100的输入表面时具有矩形形状。面板(例如LCD透镜)可为输入物体提供有用的接触表面。
输入装置100可利用传感器组件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。输入装置100包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。一些实现配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维的空间的图像。一些实现配置成提供沿特定轴或平面的输入的投影。光标、菜单、列表和项目可作为图形用户界面的部分来显示，并且可缩放、定位、选择、滚动或移动。
在输入装置100的一些电容实现中，施加电压或电流以创建电场。附近的输入物体引起电场的变化，并且产生电容耦合的可检测变化，其可作为电压、电流等的变化来检测。
一些电容实现利用电容感测元件的阵列或者其他规则或不规则图案来创建电场。在一些电容实现中，独立感测元件可欧姆地短接在一起，以便形成较大的传感器电极。一些电容实现利用电阻片，其可以是电阻均匀的。
一些电容实现利用基于传感器电极与输入物体之间的电容耦合的变化的“自电容”或(或“绝对电容”)感测方法。在各个实施例中，传感器电极附近的输入物体改变传感器电极附近的电场，从而改变所测量电容耦合。在一些实现中，绝对电容感测方法通过相对参考电压(例如***地)来调制传感器电极以及通过检测传感器电极与输入物体之间的电容耦合进行操作。
一些电容实现利用基于传感器电极之间的电容耦合的变化的“互电容”(或“跨电容”)感测方法。在各个实施例中，传感器电极附近的输入物体改变传感器电极之间的电场，从而改变所测量电容耦合。在一个实现中，跨电容感测方法通过下列步骤进行操作：检测一个或多个发射器传感器电极(又称作“发射器电极”或“发射器”)与一个或多个接收器传感器电极(又称作“接收器电极”或“接收器”)之间的电容耦合。发射器传感器电极可相对于参考电压(例如***地)来调制，以传送发射器信号。接收器传感器电极可相对于参考电压基本上保持为恒定，以促进所产生信号的接收。在其他实施例中，接收器传感器电极可在接收所产生信号的同时来调制。所产生信号可包括与一个或多个发射器信号和/或与一个或多个环境干扰源(例如其他电磁信号)对应的(一个或多个)影响。传感器电极可以是专用发射器或接收器，或者可配置成既传送又接收。另外，传感器电极可配置成在不同时间周期期间执行绝对电容感测和/或跨电容感测，或者传感器电极可配置成在(一个或多个)相同时间周期期间同时执行绝对电容感测和跨电容感测。
图1中，处理***110示为输入装置100的一部分。处理***110配置成操作输入装置100的硬件，以检测感测区120中的输入。处理***110包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部和/或其他电路组件。在一些实施例中，处理***110包括感测电路，其可包括驱动器电路和/或接收器电路。例如，互电容传感器装置的处理***110可包括：驱动器电路，配置成将输入感测信号驱动到发射器电极上；和/或接收器电路，配置成采用接收器电极来接收信号。在其他实施例中，同一感测电路用来既将输入感测信号驱动到感测元件150上，并且采用感测元件150来接收所产生信号。另外，处理***110还可包括电子可读指令，例如固件代码、软件代码和/或其它类似物。
在一些实施例中，处理***110中包含的组件定位在一起，例如输入装置100的感测元件150附近。在其他实施例中，处理***110的组件在物理上是独立的，其中一个或多个组件位于靠近输入装置100的感测元件150，而一个或多个组件位于其他位置。例如，输入装置100可以是耦合到台式计算机的外设，并且处理***110可包括配置成运行于台式计算机的中央处理器上的软件以及与中央处理器分隔的一个或多个IC(也许具有关联固件)。作为另一个示例，输入装置100可在物理上集成到电话中，并且处理***110可包括作为电话的主处理器的一部分的电路和固件。在一些实施例中，处理***110专用于实现输入装置100。在其他实施例中，处理***110还执行其他功能，例如操作显示屏幕、驱动触觉致动器等。
处理***110可实现为操控处理***110的不同功能的一组模块。各模块可包括作为处理***110的一部分的电路、固件、软件或者它们的组合。在各个实施例中，可使用模块的不同组合。示例模块包括：硬件操作模块，用于操作诸如传感器电极和显示屏幕之类的硬件；数据处理模块，用于处理诸如传感器信号和位置信息之类的数据；以及报告模块，用于报告信息。其他示例模块包括：传感器操作模块，配置成操作感测元件150以检测输入；识别模块，配置成识别例如模式变更手势等的手势；以及模式变更模块，用于变更操作模式。
在一些实施例中，处理***110直接通过使一个或多个动作被执行，来响应感测区120中的用户输入(或者没有用户输入)。示例动作包括变更操作模式以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其他功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理***110向电子***的某个部分(例如向电子***中与处理***110分离的中央处理***，若这种独立中央处理***存在的话)提供与输入(或者没有输入)有关的信息。在一些实施例中，电子***的某个部分处理从处理***110所接收的信息，以便对用户输入起作用，例如促进全系列的动作，包括模式变更动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理***110操作输入装置100的感测元件150，以便产生指示感测区120中的输入(或者没有输入)的电信号。处理***110可在产生提供给电子***的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理***110可数字化从传感器电极所得到的模拟电信号。作为另一个示例，处理***110可执行滤波或者其他信号调节。作为又一个示例，处理***110可减去或者以其他方式考虑基准，使得信息反映电信号与基准之间的差。在附加示例中，处理***110可确定位置信息，将输入识别为命令，识别笔迹等。
如本文所使用的术语“位置信息”广义地包含绝对位置、相对位置、速度、加速度和其他类型的空间信息。示范“零维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示范“一维”位置信息包括沿轴的位置。示范“二维”位置信息包括平面中的运动。示范“三维”位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。其他示例包括空间信息的其他表示。还可确定和/或存储与一种或多种类型的位置信息有关的历史数据，包括例如随时间来跟踪位置、运动或者瞬时速度的历史数据。
在一些实施例中，输入装置100采用由处理***110或者由另外某种处理***所操作的附加输入组件来实现。这些附加输入组件可提供用于感测区120中的输入的冗余功能性或者某种其他功能性。图1示出感测区120附近的按钮130，其能够用来促进使用输入装置100对项目的选择。其他类型的附加输入组件包括滑块、球、轮、开关等。相反，在一些实施例中，输入装置100可以在没有其他输入组件的情况下实现。
在一些实施例中，输入装置100包括触摸屏界面，并且感测区120重叠显示屏幕的有效区的至少一部分。例如，输入装置100可包括覆盖显示屏幕、基本上透明的传感器电极，并且提供用于关联电子***的触摸屏界面。显示屏幕可以是能够向用户显示可视界面的任何类型的动态显示器，并且可包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或者其他显示技术。输入装置100和显示屏幕可共享物理元件。例如，一些实施例可将相同电组件的一部分用于显示和感测。作为另一个示例，显示屏幕可部分或全部由处理***110来操作。
应当理解，虽然在全功能设备的上下文中描述本发明的许多实施例，但是本发明的机制能够作为各种形式的程序产品(例如软件)来分配。例如，本发明的机制可作为电子处理器可读的信息承载介质上的软件程序来实现和分配(例如，处理***110可读的非暂时计算机可读和/或可记录/可写信息承载介质)。另外，本发明的实施例同样适用，而与用于执行分配的介质的特定类型无关。非暂时的电子可读介质的示例包括各种光盘、存储棒、存储卡、存储模块等。电子可读介质可基于闪速、光、磁、全息或者任何其他存储技术。
图2是按照本发明的实施例、图1的输入装置100的局部示意平面图。输入装置100包括感测元件阵列150和处理***110。感测元件阵列150包括传感器电极，例如多个发射器电极210(例如210-1、210-2、210-3等)和多个接收器电极220(例如220-1、220-2、220-3等)。虽然发射器电极210和接收器电极220示为矩形，但是在其他实施例中，发射器电极210和接收器电极220可以是任何实用几何形状。处理***110例如通过一个或多个布线迹线(图2中未示出)耦合到感测元件阵列150。
感测元件150可在显示装置160外部的衬底上形成。例如，接收器电极220可在输入装置100的透镜的外表面上设置在显示装置160的滤色器玻璃与输入装置100的透镜之间或者薄膜晶体管衬底(TFT衬底)与显示装置160的滤色器玻璃之间。在其他实施例中，发射器电极210和/或接收器电极220包括一个或多个公共电极，其用来执行输入感测以及更新显示装置160。
虽然处理***110在图2中示为体现为单个集成电路(IC)(例如集成控制器)，但是输入装置100可包括任何适当数量的IC。例如，处理***110的功能可在一个以上IC中实现，以驱动输入感测信号(例如经由驱动器电路)和/或采用感测元件阵列150来接收所产生信号(例如经由接收器电路)。在一些实施例中，处理***110包括确定模块250，其接收所产生信号(例如经由接收器电路)，并且基于所产生信号来确定输入物体140的存在。例如，在一些实施例中，确定模块250基于接收器电路所接收的电压、电流、电荷等，来确定与一个或多个感测元件150关联的电容测量。另外，处理***110可配置成(例如经由驱动器电路)将调制信号驱动到至少一个感测元件150上，以检测至少一个传感器电极与输入物体140之间的绝对电容的变化。
在一些实施例中，处理***110的一个或多个IC可实现成控制显示装置160元件。例如，一个IC可配置成执行输入感测，而另一个IC可配置成执行显示更新。在一些实施例中，一个IC可配置成操作发射器电极210，而另一个IC可配置成操作接收器电极220。在存在一个以上IC的实施例中，处理***110的独立IC之间的通信可通过同步机构(其对提供给公共电极的信号进行定序)来实现。备选地，该同步机构对于IC的任一个可以是内部的。
发射器电极210和接收器电极220通过一个或多个绝缘体(其将发射器电极210与接收器电极220分隔并且防止相互电短接)相互欧姆地隔离。电绝缘材料在电极相交的跨接区分隔发射器电极210和接收器电极220。在一种这样的配置中，发射器电极210和/或接收器电极220采用连接同一电极的不同部分的跳线来形成。在其他配置中，发射器电极210和接收器电极220通过一层或多层电绝缘材料或者通过一个或多个衬底来分隔，如下面更详细描述。在又一些配置中，发射器电极210和接收器电极220可选地设置在输入装置100的单层上。相应地，在这类实施例中，没有跨接区域可存在于发射器电极210与接收器电极220之间。
发射器电极210与接收器电极220之间的局部电容耦合的区域可称作“电容像素”。发射器电极210与接收器电极220之间的电容耦合随着与发射器电极210和接收器电极220关联的感测区120中的输入物体的接近和运动而变化。在其他实施例、例如包括矩阵传感器的实施例中，术语“电容像素”可表示感测元件150与输入物体140之间的局部电容(例如绝对电容)。
在一些实施例中，“扫描”传感器图案以确定这些电容耦合。也就是说，驱动发射器电极210以传送发射器信号。可操作发射器以使得一次一个发射器电极210进行传送，或者多个发射器电极210同时进行传送。在多个发射器电极210同时进行传送的情况下，这多个发射器电极210可传送相同的发射器信号，并且实际上产生实际上更大的发射器电极210，或者这多个发射器电极210可传送不同的发射器信号。例如，多个发射器电极210可按照使它们对接收器电极220的所产生信号的组合影响能够被单独确定的一个或多个编码方案来传送不同的发射器信号。相应地，在实现矩阵感测技术的实施例中，可扫描感测元件150，以感测电极上的绝对电容的变化。
可单一或者多样地操作接收器电极220以获取所产生信号。所产生信号可用来确定电容像素处的电容耦合的测量。
来自电容像素的一组测量形成“电容图像”(又称作“电容帧”)，其表示像素处的电容耦合。可对多个时间周期来获取多个电容图像，以及它们之间的差用来得出与感测区120中的输入有关的信息。例如，对连续时间周期所获取的连续电容图像能够用来跟踪进入、离开感测区120以及在感测区120中的一个或多个输入物体140的(一个或多个)运动。
如上所述，处理***110可包括耦合到传感器电极的感测电路。在一些实施例中，独立感测电路可耦合到各传感器电极。在其他实施例中，传感器电极可编组为包括任何数量的传感器电极(例如每电极集合2、4、8、16、32等个传感器电极)的电极集合，并且独立感测电路可耦合到各电极集合。因此，处理***110可包括数十、数百、数千等个独立感测电路。
通常，处理***中包含的感测电路实现较大组件，例如大电容器和/或电阻器。例如，在包括32个独立感测电路—各耦合到一个或多个传感器电极—的处理***中，各感测电路可包括大约为30皮法(pF)的电容器。因此，由所有感测电路所要求的总表面积会相当大。
相应地，为了减小处理***110中包含的感测电路(例如驱动器电路和/或接收器电路)的尺寸要求，感测电路中的一个或多个组件可采用电压控制电流源(VCCS)来取代。采用VCCS取代一个或多个感测电路组件可允许处理***110的表面积减小，同时仍然使输入感测信号能够由处理***110准确地传送、接收和/或处理。下面结合图3-7更详细描述这类技术。
用于电容感测的电流反馈技术
图3是按照本发明的实施例、图1的处理***110中包含的感测电路310的局部示意图。感测电路310可包括运算放大器320、第一电压控制电流源(VCCS)330、第二VCCS 335、电压源340以及具有已知电容值的已知电容器350。感测电路310可耦合到具有未知电容值的未知电容器355。在一些实施例中，未知电容器355可包括传感器电极(例如发射器电极210或接收器电极220)或者一组传感器电极。运算放大器320包括反相输入322、同相输入324和输出326。
如所示，第一VCCS 330耦合在运算放大器320的输出326与运算放大器320的反相输入322之间，以形成反馈通路332。第二VCCS 335耦合在运算放大器320的输出326与已知电容器350之间。电压源340耦合到运算放大器320的同相输入324。
在感测电路310的操作期间，输入电压由电压源340施加到同相输入324，从而在运算放大器320的输出326产生控制电压VC。运算放大器320的输出326处的控制电压VC则使第一VCCS 330生成电流，其修改未知电容器355所储存的电荷。类似地，运算放大器320的输出326处的控制电压VC使第二VCCS 335生成电流，其修改已知电容器350所储存的电荷。
在各个实施例中，给定控制电压VC下的第一VCCS 330的输出处的电流与那个相同控制电压VC下的第二VCCS 335的输出处的电流之间存在已知关系。相应地，通过监测已知电容器350两端的电压VO的变化，能够确定传递给未知电容器355或者从未知电容器355接收的电荷量。相应地，运算放大器320将通过修改控制电压VC来响应未知电容器355所储存的电荷量的变化。然后，响应控制电压VC的变化，第二VCCS 335可向已知电容器350添加电荷或者从已知电容器350去除电荷。因此，由未知电容器355所储存的电荷量的变化能够基于已知电容器350两端的电压VO的变化来确定。
在一些实施例中，缩放因子K用来建立第一VCCS 330的电压/电流行为与第二VCCS335的电压/电流行为之间的关系。例如，第二VCCS 335可设计成产生由第一VCCS 330在给定电压下产生的电流的已知分数(例如1/2、1/4、1/10等)。通过将感测电路310设计成使得第二VCCS 335在给定电压下产生比第一VCCS 330要小的电流，可使用较小已知电容器350，从而减小感测电路310的总尺寸。也就是说，当第二VCCS 335设计成在给定电压下产生比第一VCCS 330要小的电流时，已知电容器350不需要具有与未知电容器相同的电容。相反，为了确定未知电容器355的电容，可将缩放因子K应用于已知电容器350两端的电压VO。但是，在其他实施例中，第一VCCS 330和第二VCCS 335可具有基本上相同的电压/电流特性，从而使未知电容器355的特性能够直接从已知电容器350的特性来推断，而无需应用缩放因子。
作为对使用缩放因子K来补偿第一VCCS 330与第二VCCS 335之间的差的补充或替代，第二VCCS 335可使用电荷消除技术和/或偏置技术，以便允许已知电容350的尺寸被减小。例如，由第二VCCS 335所使用的电荷消除技术可在满足某些条件时从已知电容器350去除固定电荷量。可使用的一种类型的电荷消除技术是粗基准校正(CBC)。为了执行CBC，可调电容器的一侧可耦合到各感测电路的输入(例如V-和V-’)，而可调电容器的另一侧采用电压源来驱动。因此，可调电容器可消除等于电压源的ΔV乘以可调电容器的电容的电荷量。在一些实施例中，CBC可通过采用电压源生成方波来执行。方波可具有极性，其与被传送给传感器电极的输入感测信号的极性相反。
另外，可使用的一种类型的电荷减法技术是电流传送体(CC)。CC包括参考电容器和电压源。CC测量由电压源输送到参考电容器的电荷量，将该电荷量与因子(例如2、5、10等)相乘，并且然后将相乘电荷输送到未知电容(例如未知电容器355)。相应地，在上述技术的任一种中，已知电容器(例如已知电容器350)上的电荷将是将反相输入(例如反相输入322)处的电压偏移到同相输入(例如同相输入324)处的电压所需要的电荷量与被消除、偏置、减去等的电荷量之间的差。因此，可跟踪向/从未知电容器355所传递的电荷量，同时允许已知电容器350的尺寸被减小。
在各个实施例中，未知电容器355的电容可使用等式1-4来确定，其中Qunknown是未知电容器355上的电荷，Cunknown是未知电容器355上的电容，V-是施加到未知电容器355的电压，Qknown是已知电容器350上的电荷，Cknown是已知电容器350上的电容，VO是施加到已知电容器350的电压，以及K是缩放因子。
Qunknown＝CunknownV- (等式1)
Qknown＝KQunknown (等式2)
如上所述，未知电容器355可包括一个或多个传感器电极。例如，在绝对电容感测配置中，一个或多个传感器电极耦合到感测电路310的反相输入322和第一VCCS 330，以及电压源340配置成将输入感测信号(例如方波、正弦电压、恒定电压等)驱动到运算放大器320的同相输入324。作为响应，运算放大器320输出控制电压VC，从而使第一VCCS 330向(一个或多个)传感器电极添加电荷和/或从(一个或多个)传感器电极去除电荷。另外，输出控制电压VC使第二VCCS 335向已知电容器350添加电荷和/或从已知电容器350去除电荷。此外，未知电容器355的变化可通过使用上述等式4跟踪已知电容器350两端的电压VO来检测。相应地，通过跟踪向已知电容器350所添加和/或从已知电容器350所去除的电荷量，可确定(一个或多个)传感器电极的电容的变化(例如，因输入物体140的存在或者不存在引起)。
因此，将第一VCCS 330包含在感测电路310的反馈通路332中使感测电路310的尺寸被减小，同时仍然使感测电路310能够准确地确定向/从未知电容器所传递/接收的电荷量。下面描述利用VCCS来执行输入感测的附加技术。
图4是按照本发明的实施例、图3的感测电路310配置用于跨电容感测的局部示意图。如所示，感测电路310可耦合到配置用于跨电容感测的未知电容455。例如，在一些实施例中，运算放大器的反相输入322电耦合到一个或多个传感器电极(例如一个或多个接收器电极)，以及一个或多个传感器电极电容地耦合到输入装置100中包含的一个或多个发射器电极210。
当采用感测电路310来执行跨电容感测时，耦合到同相输入324的电压源340可保持在基本上恒定的电压。然后，当从一个或多个发射器电极210接收输入感测信号的同时，反相输入322处的电压V-的变化使第二VCCS 335修改已知电容器350上的电荷。未知电容455的变化(例如因输入感测信号和/或因输入物体140的存在或者不存在引起)则可例如使用上述等式4、基于已知电容器350两端的电压VO来确定。
图5是按照本发明的实施例、包括配置成执行跨电容感测和/或绝对电容感测的两个感测电路310的处理***110的局部示意图。在一些实施例中，感测电路310-1耦合到一个或多个第一传感器电极，以及感测电路310-2耦合到一个或多个第二传感器电极。因此，第一未知电容器355-1可对应于(一个或多个)第一传感器电极的绝对电容，以及第二未知电容器355-2可对应于(一个或多个)第二传感器电极的绝对电容。另外，第三未知电容器555可对应于(一个或多个)第一传感器电极与(一个或多个)第二传感器电极之间的电容耦合。
当执行跨电容感测时，(一个或多个)第一传感器电极可作为(一个或多个)发射器电极210来操作，以及(一个或多个)第二传感器电极可作为(一个或多个)接收器电极220来操作。在这类实施例中，感测电路310-2中包含的电压源340-2可将恒定电压施加到运算放大器320-2的同相输入。相应地，因为V-'保持在基本上恒定的电压，所以基本上将没有电流流经第二未知电容器355-2。然后，感测电路310-1中包含的电压源340-1可将电压(例如方波、正弦电压等)施加到运算放大器320-1的同相输入，从而使输入感测信号被驱动到(一个或多个)发射器电极210上。驱动到(一个或多个)发射器电极210上的总电流量(ITX)可由感测电路310-1基于已知电容器350-1两端的电压VO来确定(例如经由确定模块250)。另外，当感测电路310-1将输入感测信号驱动到(一个或多个)发射器电极上的同时，由(一个或多个)接收器电极220从(一个或多个)发射器电极210所接收的总电流量(IRX)可基于已知电容器350-2两端的电压VO'来确定。从(一个或多个)发射器电极210驱动到(一个或多个)接收器电极220的总电流量(IRX)则可用来确定第三未知电容器555的电容。另外，因为基本上不存在经过第二未知电容器355-2的电流(当V-'保持在基本上恒定的电压时)，所以由第一未知电容器355-1所接收的电流量(ICTX)可通过从驱动到(一个或多个)发射器电极210的总电流量(ITX)中减去(一个或多个)接收器电极220所接收的总电流量(IRX)来确定，如下等式5所示。
ICTX＝ITX-IRX (等式5)
在相同或其他实施例中，可操作感测电路310-2中包含的电压源340-2以将输入感测信号驱动到(一个或多个)第二传感器电极上，同时感测电路310-1中包含的电压源340-1将基本上恒定的电压施加到运算放大器320-1的同相输入上。也就是说，(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的角色可反转，使得(一个或多个)第一传感器电极作为(一个或多个)接收器电极220来操作，而(一个或多个)第二传感器电极作为(一个或多个)发射器电极210来操作。第二未知电容器355-2的绝对电容则可使用等式5从传送给(一个或多个)第二传感器电极的总电流量中减去(一个或多个)第一传感器电极所接收的电流量来确定。因此，可在不同时间周期期间操作(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的每个用于绝对感测。另外，在(一个或多个)第一传感器电极或(一个或多个)第二传感器电极的任一个***作以进行绝对感测的同时，可获取(例如未知电容器555的)跨电容测量。
相应地，可操作感测电路310-1和310-2，以使用(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极其中之一或两者、结合绝对电容感测来执行跨电容感测。为了确保(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的每个的绝对电容(例如分别为第一未知电容355-1和第二未知电容355-2)能够与其他未知电容(例如第三未知电容555)有效地隔离，可在非重叠时间周期期间操作(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极，以进行绝对感测。例如，(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的角色(例如发射器电极210的角色和接收器电极220的角色)在各感测循环之后、在多个感测循环之后或者基于某种其它输入感测模式来反转。
图6是按照本发明的实施例、使用图3的感测电路310来执行输入感测的方法600的流程图。虽然方法600结合图1-5来描述，但是本领域的技术人员将会理解，配置成按照任何适当顺序来执行该方法的任何***均落入本发明的范围之内。
方法600开始于步骤610，其中，电压源340将输入电压驱动到运算放大器的同相输入324上。如上所述，第一VCCS 330耦合在运算放大器320的输出326与运算放大器320的反相输入322之间，以形成反馈通路332。随后，在步骤620，运算放大器320的输出326处的控制电压VC使第一VCCS 330将输入感测信号驱动到与运算放大器320的反相输入322耦合的一个或多个传感器电极上。
在步骤630，第二VCCS 335基于运算放大器的输出326处的控制电压VC来修改已知电容器350上的电荷。然后，在步骤640，确定模块250基于已知电容器350上的电荷来确定与一个或多个传感器电极关联的电容测量。例如，一个或多个传感器电极的电容可基于已知电容器350两端的电压VO来确定。
图7是按照本发明的实施例、使用图5的感测电路310-1、310-2来执行输入感测的方法700的流程图。虽然方法700结合图1-5来描述，但是本领域的技术人员将会理解，配置成按照任何适当顺序来执行该方法的任何***均落入本发明的范围之内。
方法700开始于步骤710，其中，感测电路310-1的电压源340-1将输入电压驱动到运算放大器320-1的同相输入上。在步骤712，感测电路310-2的电压源340-2将基本上恒定的电压施加到运算放大器320-2的同相输入。随后，在步骤720，运算放大器320-1的输出326处的控制电压VC使VCCS 330-1将输入感测信号驱动到(一个或多个)第一传感器电极上。在步骤722，(一个或多个)第二传感器电极例如经由(一个或多个)第一传感器电极与(一个或多个)第二传感器电极之间的跨电容耦合来接收来自(一个或多个)第一传感器电极的电荷。
在步骤730，VCCS 335-1基于运算放大器320-1的输出处的控制电压VC来修改第一已知电容器350-1上的电荷。在步骤732，VCCS335-2基于运算放大器320-2的输出处的控制电压VC'来修改第二已知电容器350-2上的电荷。然后，在步骤740，确定模块250确定(一个或多个)第一传感器电极的绝对电容和/或(一个或多个)第一传感器电极与(一个或多个)第二传感器电极之间的跨电容。绝对电容和跨电容可例如基于上述等式4和5来确定。然后，在步骤750，切换(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的角色，使得(一个或多个)第一传感器电极作为(一个或多个)接收器电极220来操作，而(一个或多个)第二传感器电极作为(一个或多个)发射器电极210来操作。
相应地，在步骤760，感测电路310-2的电压源340-2将输入电压施加到运算放大器320-2的同相输入。在步骤762，感测电路310-1的电压源340-1将基本上恒定的电压施加到运算放大器320-1的同相输入。随后，在步骤770，运算放大器320-2的输出处的控制电压VC'使VCCS 330-2将输入感测信号驱动到(一个或多个)第二传感器电极上。在步骤772，(一个或多个)第一传感器电极例如经由(一个或多个)第一传感器电极与(一个或多个)第二传感器电极之间的跨电容耦合来接收来自(一个或多个)第二传感器电极的电荷。
在步骤780，VCCS 335-2基于运算放大器320-2的输出处的控制电压VC'来修改第二已知电容器350-2上的电荷。在步骤782，VCCS335-1基于运算放大器320-1的输出处的控制电压VC来修改第一已知电容器350-1上的电荷。然后，在步骤790，确定模块250例如基于上述等式4和5来确定(一个或多个)第二传感器电极的绝对电容和/或(一个或多个)第一传感器电极与(一个或多个)第二传感器电极之间的跨电容。然后，可再次切换(一个或多个)第一传感器电极和(一个或多个)第二传感器电极的角色，以及方法700可返回到步骤710。
在一些实施例中，步骤710和步骤712在基本上相同的时间来执行，以及步骤720和步骤722在基本上相同的时间来执行。另外，在一些实施例中，步骤760和步骤762在基本上相同的时间来执行，以及步骤770和步骤772在基本上相同的时间来执行。
因此，提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明本发明及其特定应用，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。
Claims (23)
1.一种用于输入装置的处理***，包括：
具有同相输入、反相输入和输出的运算放大器；
耦合到所述同相输入的电压源；
第一电压控制电流源，耦合在所述输出与所述反相输入之间，以形成反馈通路；
第二电压控制电流源，耦合到所述输出，并且配置用于基于所述输出处的控制电压来修改电容器上的电荷；以及
确定模块，耦合到所述电容器，并且配置用于基于所述电容器上的电荷来确定所述反相输入处的电容测量。
2.如权利要求1所述的处理***，其中，所述第一电压控制电流源配置用于基于所述控制电压将输入感测信号驱动到传感器电极上，同时所述第二电压控制电流源修改所述电容器上的电荷。
3.如权利要求2所述的处理***，其中，所述电压源配置用于将输入电压驱动到所述同相输入上，以使所述第一电压控制电流源将所述输入感测信号驱动到所述传感器电极上。
4.如权利要求2所述的处理***，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的电容。
5.如权利要求2所述的处理***，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的第一电容以及所述传感器电极与接收器电极之间的第二电容。
6.如权利要求1所述的处理***，其中，所述第一电压控制电流源配置用于耦合到传感器电极，以及所述电容测量包括所述传感器电极与发射器电极之间的电容。
7.如权利要求6所述的处理***，其中，所述电压源配置用于在互电容感测时间周期期间将基本上恒定的输入电压驱动到所述同相输入上。
8.如权利要求7所述的处理***，其中，所述第一电压控制电流源配置用于在自电容感测时间周期期间基于所述控制电压将输入感测信号驱动到所述传感器电极上。
9.如权利要求1所述的处理***，其中，所述电容器的电容是基本上恒定的。
10.一种用于电容感测的输入装置，包括：
多个传感器电极；以及
处理***，耦合到所述多个传感器电极，所述处理***包括：
具有同相输入、反相输入和输出的运算放大器；
耦合到所述同相输入的电压源；
第一电压控制电流源，耦合在所述输出与所述反相输入之间，以形成反馈通路；
第二电压控制电流源，耦合到所述输出，并且配置成基于所述输出处的控制电压来修改电容器上的电荷；以及
确定模块，耦合到所述电容器，并且配置成：
基于所述电容器上的电荷来确定与所述多个传感器电极中包含并且耦合到所述反相输入的传感器电极关联的电容测量；以及
基于所述电容测量来确定位置信息。
11.如权利要求10所述的输入装置，其中，所述第一电压控制电流源耦合到所述传感器电极，并且配置成基于所述控制电压将输入感测信号驱动到所述传感器电极上，同时所述第二电压控制电流源修改所述电容器上的电荷。
12.如权利要求11所述的输入装置，其中，所述电压源配置成将输入电压驱动到所述同相输入上，以使所述第一电压控制电流源将所述输入感测信号驱动到所述传感器电极上。
13.如权利要求11所述的输入装置，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的电容。
14.如权利要求11所述的输入装置，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的第一电容以及所述传感器电极与接收器电极之间的第二电容。
15.如权利要求10所述的输入装置，其中，所述电压源配置成在互电容感测时间周期期间将基本上恒定的输入电压驱动到所述同相输入上，以及所述电容测量包括所述互电容感测时间周期期间在所述传感器电极与发射器电极之间的电容。
16.如权利要求15所述的输入装置，其中，所述第一电压控制电流源配置成在自电容感测时间周期期间基于所述控制电压将输入感测信号驱动到所述传感器电极上。
17.一种采用传感器电极进行输入感测的方法，所述方法包括：
将输入电压驱动到运算放大器的同相输入，其中第一电压控制电流源耦合在所述运算放大器的输出与所述运算放大器的反相输入之间，以形成反馈通路；
经由耦合到所述输出的第二电压控制电流源、基于所述输出处的控制电压来修改电容器上的电荷；以及
基于所述电容器上的电荷来确定与耦合到所述反相输入的传感器电极关联的电容测量。
18.如权利要求17所述的方法，其中，将所述输入电压驱动到所述同相输入使所述第一电压控制电流源将输入感测信号驱动到所述传感器电极上，同时所述第二电压控制电流源修改所述电容器上的电荷。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的电容。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与输入物体之间的第一电容以及所述传感器电极与接收器电极之间的第二电容。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述电容测量包括所述传感器电极与发射器电极之间的电容。
22.如权利要求21所述的方法，还包括在互电容感测时间周期期间将基本上恒定的输入电压驱动到所述同相输入上。
23.如权利要求22所述的方法，其中，将所述输入电压驱动到所述同相输入使所述第一电压控制电流源在自电容感测时间周期期间将输入感测信号驱动到所述传感器电极上。
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