使用SIGMA－DELTA测量技术检测电容的方法和系统

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技术领域
[0002]本发明一般涉及电容检测，更具体地涉及使用SIGMA-DELTA型测量技 术能够检测可测量电容的设备、系统和方法。
背景技术
[0003]对电荷、电流或电压发生响应的电容传感器可以用于检测位置或临近(或 者运动或存在或任何类似信息)，以及通常用作计算机、个人数字助理(PDA)、 媒体播放器、视频游戏机、消费电子产品、蜂窝电话、投币式公用电话、销售 点终端、自动讲话机、电话亭等的输入设备。在用户输入按钮、滑动控制、滚 动环、滚动带和其它类型传感器中使用电容传感器。在这种应用中所使用的电 容传感器的一种类型为按钮型传感器，其可以用于提供关于输入出现或存在的 信息。在这种应用中所使用的电容传感器的另一种类型为触摸板型传感器，其 可以用于提供关于输入的信息，诸如位置、运动和/或沿一轴(1-D传感器)、两 轴(2-D传感器)或多轴的类似信息。按钮型和触摸板型传感器两者还可选择地 被配置以提供另外信息，例如与输入相关联的作用力、持续时间或电容耦合量 的一些指示。在美国专利No.5,880,411中描述了基于电容检测技术的2-D触摸 板型传感器的一个例子，该专利在1999年3月9日授权给Gillespie等。例如， 这种传感器可以容易地在电子系统的输入设备中发现，该电子系统包含手持和 笔记本型计算机。
[0004]一般地，用户通常通过将一或多个手指、触针和/或物体放置或移动靠近 位于输入设备上或输入设备中的一个或多个传感器的传感区域来操作电容输入 设备。这在施加至传感区域的载波信号上产生电容效应，所述载波信号可以被 检测且与刺激/激励相对于传感区域的位置信息(例如位置或临近或运动或存在 或类似信息)相关联。接下来，这种位置信息可用于选择、移动、滚动或操作 在显示屏上的文本、图形、光标和高亮和/或任意其它指示符的任意组合。这种 位置信息还可被使用以能够使用户与界面交互作用，例如控制音量、调整亮度 或实现任意其它目的。
[0005]尽管电容传感器已经被广泛地使用多年，但是传感器设计者继续寻找提 高传感器功能和效率的方法。具体地，工程师在不增加成本的情况下继续地努 力简化位置传感器的设计和实施方案。此外，因为在各种类型电子设备对这种 传感器的需求日益增加，所以出现了对高灵活性又低成本且容易实施的传感器 设计方案的需求。具体地，出现了对灵活性足以用于各种实施方案且有足够能 力提供精确电容检测同时保留成本效益的传感器设计方案的需要。
[0006]因此，希望提供快速、有效和高效检测可测量电容的系统和方法。此外， 希望创建一种使用容易得到的元件可容易实施的设计方案，所述容易得到的元 件例如标准IC、微控制器和离散元件。根据随后详细的说明书和所附利要求书， 结合附图和前述技术领域和背景，其它希望的特点和特性将变得显而易见。
简要概述
[0007]描述使用SIGMA-DELTA测量技术用于检测可测量电容的方法、系统和 设备，所述SIGMA-DELTA测量技术无需要求内部的有源模拟元件在许多标准 微控制器上就可执行。根据各种实施例，使用第一开关向可测量电容施加电压。 允许可测量电容与无源网络分享电荷。如果无源网络上的电荷超过阈值，则无 源网络上的电荷被改变预定量，并重复执行这个过程。电荷阈值检测的结果是 对电荷的量化测量，可对其进行滤波以产生可测量的电容的测量值。这种检测 方案可以使用容易得到的元件而容易地实施，并且可具体应用在检测手指、触 针或其它物体相对于电容传感器的位置，该电容传感器执行按钮功能、滑动功 能、光标控制或用户界面导航功能或任意其它功能。
附图的简要描述
[0008]下面，结合随后的附图将描述本发明的各个方面，其中同样数字表示相 同部件，以及
[0009]图1A是示出了典型第一级SIGMA-DELTA检测技术的框图，以及图1B 是图1A中所示实施例的典型时序图；
[0010]图2是典型的SIGMA-DELTA电容检测技术的流程图；
[0011]图3A-B是典型的SIGMA-DELTA电容检测电路图，其使用无源网络和 控制器的三个数字输入/输出管脚来实现，图3C是典型时序表，以及图3D是图 3A中所示典型实施例的典型时序图；
[0012]图4A-B是典型的SIGMA-DELTA电容检测电路图，其使用无源网络和 控制器的两个数字输入/输出管脚来实现，图4C是典型时序表，以及图4D是图 4A中所示实施例的典型时序图；
[0013]图5A是典型的SIGMA-DELTA电容检测电路图，其使用无源网络和控 制器的一个数字输入/输出管脚来实现，图5B是典型时序表，以及图5C是图 5A中所示实施例的典型时序图；
[0014]图6A-B是可替换典型SIGMA-DELTA电容检测电路图，其使用无源网 络和数字控制器的输入/输出管脚来实施多检测通道；
[0015]图7A是典型的多电极传感器图，其包括在检测通道之间分享的DELTA 电容器，以及图7B是相关的状态序列表；
[0016]图8A是使用SIGMA-DELTA技术实施的典型串联转变电容 (transcapacitive)传感器图，以及图8B是相关的状态序列表，图8C是使用 SIGMA-DELTA技术实现的典型并行转变电容传感器图，以及图8D是相关的状 态序列表；
[0017]图9A-B是用于在电容检测系统中降低电源噪声影响的典型布局的电路 图；和
[0018]图10是具有电子系统的临近传感器设备的示意图。
详细描述
[0019]下面详细的说明书实质上仅仅是示例性的，并且不用于限制本发明或本 申请和本发明的使用。此外，意图不在于由在前述技术领域、背景、简要概述 或下面详细说明书中所表达的或暗含的理论所约束。
[0020]根据各种典型实施例，使用SIGMA-DELTA调制技术可以容易地构建电 容检测和/或测量电路。一般地，术语“SIGMA-DELTA”涉及结合电荷求和 (SIGMA)和微分(DELTA)来量化电效应(例如电容)的模拟至数字转变方 案，所述电效应由电极或其他电节点所展示。在SIGMA-DELTA电容检测中， 例如，模拟积分器通常累积根据多个电荷转移事件从可测量电容转移来的电荷。 与从可测量电容接收的电荷具有相对符号的另外电荷也被施加在预设定数量 中，以维持接近已知电平附近的积聚电荷。也就是，从模拟积分器中合适地抽 取已量化数量的电荷，以维持接近理想电平的滤波器输出。通过关联用于积分 器的相对电荷的数量，可确定由可测量电容转移的电荷量。接下来，可以使用 这个电容值确认人手指、触针或其他物体在接近所检测节点的出现或不出现， 和/或用于任意其它目的。因此，SIGMA-DELTA方案可用于许多不同方法中， 以确定出现在电极或类似物上的电容量。
[0021]另外，仅仅使用常规转变机构(例如，控制设备的信号管脚、离散开关 等等)，就容易实现下述的各种实施例，数字门的输入作为量化器(其还可以使 用控制设备的信号管脚被实施)和无源元件(例如一个或多个电容器、电阻和/ 或类似物)，无需将会增加成本和复杂度的额外有源电子设备。因此，使用容易 得到且合理价位的元件，可以便利又可靠地在各种环境中实施这里所述的各种 方案，如在下面更充分地所述的。
[0022]现在转向附图以及开始参考图1A，用于确定可测量电容器(CX)102 的典型第一级SIGMA-DELTA转换器100包括无源网络109、量化器110(其可 以是比较器或若期望一位量化器则其是数字门的输入)、数字至模拟转换器116 (其可以是对一或多个电压的开关)以及用于允许可测量电容102和DELTA“参 考”电容(CD)126适当地对积分电容108充电和放电的合适数量的开关106、 122。
[0023]在这个实施例中，无源网络109被简单地实施为积分电容108。所示出 的积分电容108(CI)利用常规电容器来实现，所述常规电容器被配置为通常具 有较大电容数值的不完全积分器，并且所述电容值通常比DELTA电容126的数 值或可测量电容102的所期望数值明显大(例如，大一或多个数量级)。在各个 实施例中，例如，可测量电容102和DELTA电容126可以为皮法拉级，而积分 电容108为毫微法拉级，尽管其它实施例可以宽泛地结合用于特定电容的不同 数值。结合数字至模拟转换器电压118、120和充电电压104，有效DELTA电 容126确定可测量电容数值的范围。还可能的是颠倒图1中的可测量电容102 和DELTA电容126的角色。在这种情况中，通过开关106将把电荷从DELTA 电容126转移给积分电容108，并且可测量电容102可以是反馈电容，该反馈电 容由开关122转移并由数据114控制。这导致数据输出114与可测量电容102 成反比例，与DELTA电容126成正比例。其中在互反机制中确定或滤除出现的 信号或噪声的实施例中，这种“互反电容”传感器相对于正比例电容传感器是 有益的。
[0024]可测量电容102是具有通过SIGMA-DELTA转换器100可检测的电子电 容的任何信号源、电极或其它电节点的有效电容。在图1A中，可测量电容102 被示出为可变电容器。对于从一个或多个手指、触针和/或其它激励(stimuli) 接受输入的输入设备来说，可测量电容102经常表示从检测节点至系统的本地 接地的总有效电容(“绝对电容”)。用于输入设备的总有效电容可以是相当复杂， 涉及如通过传感器设计和操作环境所确定的串联和并联的电容、电阻和电感。 在其它情况中，可测量电容102可以表示从驱动节点到检测节点的总有效电容 (“转变电容”)。这个总有效电容还可以相当复杂的。然而，在许多情况中，可 以将输入简单模拟为与固定背景电容并联的微小可变电容。在任何情况中，参 考本地系统接地的充电电压104最初施加给可测量电容102，如下面更充分所描 述的，然后允许可测量电容102与无源网络109一起分享由施加充电电压104 产生的电荷。
[0025]在图1A中所示的典型SIGMA-DELTA转换器100中，可测量电容102 被充电至充电电压104，以及响应于开关106的位置与积分电容108分享电荷。 类似地，DELTA电容126被充电至合适数值(例如，下面所述的低参考电压118 或高参考电压120)，并且经由开关122被施加至积分电容108。开关106、122 响应控制信号105、124分别被设置为合适状态，所述控制信号105、124为适 于将开关106、122在合适时间设置为合适状态的任意电的、逻辑的或其它信号。 在各种实施例中，开关106、122通过数字控制电路的输入/输出信号管脚提供， 响应在控制电路内产生的内部控制信号而合适地控制该输入/输出信号管脚。在 图1中所示的简单概念性实施例中，控制信号105、124由符号φ1、φ2来指示。 这些控制信号可以是周期性、非周期性的，通过控制逻辑和/或类似物来产生。 在各种实施例中，DELTA电容126可以连续数次被充电且分享至积分电容108。 这个实施例将会允许相对小的DELTA电容126起到非常大的有效电容作用。也 就是，施加给积分电容108的电荷的实际变化(或“DELTA”)不仅仅通过DELTA 电容126的数值而且还通过经由开关122所施加的具体控制逻辑和参考电压的 数值来确定。
[0026]使用任意量化器110或其它模拟至数字转变(ADC)技术，保持在积分 电容108上的电荷合适地被转变为数值数据流114。在各种实施例中，简单比较 器或数字门的输入提供一位ADC输出，其指示积分电容108的输入电压是否大 于或小于参考电压(Vcmp)112。一位ADC输出随后由控制信号锁存，例如图 1A-B中所示的信号φ1。尽管在积分电容电压超过参考电压112时图1A中所示 的简单示例量化器110提供逻辑“高”或“1”输出，但是这种转变在某种程度 上是随意选择的；因此，在不违背这里所述的理念的情况下，可替换实施例在 这种状况下可能提供逻辑“低”或“0”输出。以任何常规方式(例如，使用数 字锁存电路111)可以对来自量化器110的输出进行采样，以维持用于随后处理 的数据流114。
[0027]输出数据114表示以任何方式可以被存储、滤波(例如，通过数字滤波 器115)、平均、抽取和/或其它处理的任何数字输出集合。使用多阈值、层叠 ADC级和/或使用常规技术等，其它实施例可以提供多位分辨率。例如，可通过 多于一个参考电压(例如，多个比较电压Vcmp)提供阈值。该较高分辨率输出 可以被锁存在一个时刻处或作为一系列输出(例如，作为逐次逼近)被锁存。 还可以使用通过量化器110和/或锁存器111提供的数字数据流114，以确定将 要施加给积分电容108的合适数量的“DELTA”电荷(同样“阶梯”电荷)。同 样或不同大小的多个DELTA电容还可以用于改变施加电荷的数量。在图1A所 示的典型实施例中，例如，逻辑高(“1”)输出114表示积分电容108上的电压 超出参考电压112的情况，指示应当通过DELTA电容126施加相应“DELTA” 电荷。因此，数据输出114可以用于在“低”和“高”参考电压118、120之间 进行选择，或者它们之间的一些量化数值，以提供控制由DELTA电容126所施 加的电荷的简单数字至模拟转变(DAC)116。可替换地，一或多个数据输出 114可以控制DELTA电容126上的电荷(即参考电荷)是否与积分电容108分 享(例如，转移到该积分电容108的任意部分)。因此，在具体数据输出114上， DELTA电容126上的电荷可以被分享零次、一次或多次。由于没有电荷转移， 所以没有分享(分享零次)类似于设定DAC 116输出电压等于积分电容108上 的电压。在任意情况中，对于数据输出114的数值而言，可以使分享的有效电 荷忽略不计。因此，DAC 116、开关122和DELTA电容126的这个“反馈环” 将向积分电容108提供合适的“DELTA”电荷值，以抵消通过可测量电容102 施加给积分电容108的电荷。另外，因为施加的参考电荷的数量是已知数量的 (基于DELTA电容126和参考电压118、120的数值)，所以根据数字数据流114 可以容易地确定施加给积分电容108以保持无源网络109的相对恒定电荷测量 的反馈“DELTA”电荷的总数量。也就是，数字数据流114合适地表示施加给 积分电容108的“DELTA”电荷的数量，这接下来表示从可测量电容102接收 到的电荷。通过将从可测量电容102接收到的电荷数量关联于(滤波)初始施 加以产生该电荷的电压量，可以容易地确定可测量电容102。
[0028]因为图1A中的图被用作典型逻辑表示，而不是电容传感器的实际电路 实施，因此所示的具体功能可以在各种替换实施例中被互相组合、省略、增强 或另外不同地实施。例如，比较器和数字至模拟转变功能110、116可以使用微 控制器等上的一个或多个输入/输出信号管脚被实现，并且不必使用图1A中所 示的离散或分离的可识别电路来实现。通常无需额外的有源电路可容易地实现 量化器110，这是因为许多商业上可得到的ASIC或微控制器产品提供CMOS 数字输入、比较器或施密特触发器功能或用于在某些输入管脚上接收的信号的 类似功能，或者在ASIC或微控制器内允许管脚或者功能的多路复用，例如ADC 或DAC，尽管在某些实施例中，还可以使用外部多路复用器。另外，这种实施 例一般能够对得到的数字数据114实施滤波或其它操作，从而通过使用SIGMA -DELTA技术极大地简化电容检测电路的设计。
[0029]图1A中的具体布图结合了其中DAC 116被倒置的信号转变，但是积分 电容108和量化器110没有倒置的符号约定。尽管DELTA电容126应当将在积 分电容108上的“DELTA”或相反的影响提供给由可测量电容102所供给的电 荷，但是可以以任意方式施加这种“倒置”。也就是，通过调整各种参考信号104、 112、118、120的符号或者幅值，和/或通过调整图1A中所示各种部件的配置， 可以构建任何数量的可替换但等效的实施方案。在下面，描述了适于检测电容 的实际电路的几个例子。
[0030]可以以任何方式操作图1A中所示的基本特征。在图1B中所示的一个操 作技术中，如由符号φ1、φ2所标示的两个非重叠控制信号触发电荷转移处理，该 处理允许电荷从可测量电容102转移给积分电容108，以及用于从DELTA电容 126进行反向充电，以调整由积分电容108保持的电荷电平。这种电荷转移以图 1B中所示VX、VI和VD的系列电压踪迹来反映，其中在其各自电容102、108 和126上参考VX、VI和VD。如图中所示，响应低(“0”)数据值114，将VD 设定为高(图1A中的“VH”)，否则将VD设定为低(图1A中的“VL”)。在开 关122耦合至积分电容108时，将合适电荷从DELTA电容126转移至积分电容 108，从而在电压VI上产生适当的变化。在初始启动时期之后，由于负反馈导 致电荷通过DELTA电容126被添加给积分电容108或从积分电容108中消减， 因此电压VI将通常接近比较器电压Vcmp。
[0031]可测量的电容值的范围由VX、VL和VH、DELTA电容126的数值、每 个测量周期DELTA电容126被反馈的次数(N)及每个测量周期可测量电容102 与无源网络109分享的次数(M)来确定。测量周期为无源网络109上的电荷 与阈值相比较之间的时间。对于第一级，可测量电容102的确定值(假定保持 控制至Vcmp的电压VI)在CD(N/M)((VL-Vcmp)/(VX-Vcmp))和CD(N/M)((VH- Vcmp)/(Vx-Vcmp))之间。如上所示的，在许多可替换实施例中，可以改变用于图 1A-B的具体符号约定和其它特定操作参数。
[0032]现主要参考图2(但是继续参考图1中所示的结构特征)，用于执行 SIGMA-DELTA电容采样检测的典型技术200适当地包括以下主要步骤：向可 测量电容102施加电压(步骤202)，允许电荷从可测量电容102转移给包括积 分电容108的无源网络109(步骤204)，然后基于阈值(步骤206)调整无源网 络上的电荷(步骤210)。处理200中的各步骤中的每个被重复合适数目的循环 (步骤214)，以允许精确的SIGMA-DELTA测量。
[0033]充电步骤202合适地包含使用任何适当技术将已知电压施加给可测量电 容102。在各个实施例中，若适当的话，充电电压(例如，低或高数字输出、电 源信号和/或类似物)104通过激励控制器信号管脚或其它开关106被施加。应 当注意的是，尽管转换器100中的各个开关被以具体排列被示出，但这仅仅是 一种排列的示例。还应当注意的是，在各个实施例中“使用”或“激励”开关 时，这种“使用”或“激励”可以被实施作为选择闭合开关、选择打开开关或 其它激励开关中的任意组合。因此，通过根据具体实施方案的布局，利用关闭 或者开启开关的任一组合来施加电压。此外，在一个或多个脉冲(例如，通过 重复地接通和释放开关106)中，或通过任意其它技术，充电电压可以至少一次 施加给可测量电容102。
[0034]在充电之后，允许可测量电容102与无源网络109分享电荷，所述无源 网络109不用放大器或其它有源元件就几乎能够对电荷进行积分和存储。在简 化的实施例中，无源网络109仅仅是积分电容108，其可以是单个电容器；可替 换地，若适当的话，无源网络109可以包含任意数目电阻、电容器和/或其它无 源元件，以及大量无源网络的例子在下面被描述。为了允许可测量电容102与 无源网络分享电荷，除了暂停足够时间以允许电荷转移(例如，同时没有对可 测量电容进行充电)之外，不需要任何动作。在各个实施例中，暂停时间可以 相当短(例如，如果积分电容108直接连接至可测量电容102)，或者可能出现 一些延迟时间(例如，对于电荷来说，通过具有设置在可测量电容102和积分 电容108之间的一个或多个阻性元件的无源网络109进行转移)。在其他实施例 中，允许电荷转移可能包括有效地激励一个或多个开关(例如，图1中的开关 106)或若合适的话采取其它动作。在各个实施例中，在采取进一步行动之前， 步骤202和/或步骤204可以被重复两次或多次。
[0035]应当注意的是，尽管可测量电容102可被静止地耦合至滤波电容，电容 之间的电荷分享可以被认为基本开始于充电步骤202结束时(例如，在将电压 施加给可测量电容结束时)。另外，电容之间的电荷分享可以被认为基本结束于 电容上的电压足够近似，而可以忽略分享的电荷时。电荷分享还可大致上结束 于下一次施加电压，因为施加的(例如，104充电)电压占主导。从而，甚至在 滤波电容被一直耦合至可测量电容的无源分享系统中，施加的电压源的低阻抗 使在可测量电容上分享的电荷可忽略，直至施加的电压去除。
[0036]在将来自可测量电容102的电荷有效地转移至无源网络109时，无源网 络109上的电荷被合适地测量(步骤206)，如果确定电荷数量超过合适阈值(步 骤208)，则无源网络109上的电荷改变(步骤210)。可以以任何方式实施电荷 测量。在各种实施例中，无源网络109上的电压代表电荷从微控制器的输入/输 出(I/O)管脚或其他设备获得。在许多这种实施例中，与输入管脚相关联的电 路还能够执行模拟至数字(A/D)转变或能够将测得的电压与一个或多个阈值 VTH进行比较，从而有效地执行步骤206、208。具体阈值VTH(例如，参考电压 112，由提供给图1中量化器110的Vcmp来表示)可以随实施例明显变化以及随 时间慢慢变化。在简单实施例中，CMOS数字输入起到比较器的作用(1-位量 化器)，其具有等于数字输入的阈值电平的参考电压。量化器110和无源网络可 以直接地或可以通过多路复用器或其它开关网络进行连接。
[0037]在输入具有滞后的情况中，例如施密特触发器，经常有用的是确保在对 测得的电压比较之前将滞后设定为已知状态，从而对所有比较提供类似阈值。 可替换地，可使用将滞后设定为已知状态，以在不同比较上的阈值之间进行可 靠选择。这可以通过在对设定滞后状态的已知数值进行比较之前简单地设定输 入来完成。
[0038]当无源网络109上的电荷超过合适阈值时，施加与从可测量电容102分 享的电荷相对的“DELTA”电荷(例如，经由图1中的DELTA电容126)，以 使用诸如上述那些的常规SIGMA-DELTA技术改变无源网络109上的电荷(步 骤210)。在许多实施例中，在电荷没有超过阈值时，无源网络109上的电荷还 可以被改变(虽然不同于在步骤208中所施加的数量)(步骤211)，尽管这个特 征在所有实施例中不是必需的。在多个阈值的情况下，可反馈不同的电荷值。 注意的是，在重复充电周期步骤的不同状态中，通过各个电容(例如，可测量 电容、DELTA电容、积分电容)的电荷转移可以改变方向，但是这里指的是净 电荷转移。以这种方式，如果可测量电容102在范围内，则无源网络109上的 电荷可以被保持无源网络109上的相关电压近似等于阈值(VTH)所需要的电荷。 这是因为量化器110的输出经由净负反馈系统中的DELTA电容126被反馈(瞬 时在此参考图1)，由于控制环路，积分电容108上的电压在操作期间近似保持 恒定。
[0039]在步骤206中测量的已量化的(例如，数字)数值和/或从那里得到的任 何数量(例如，包含在特定时期内的“高”或“低”数值)可以容易地存储在 存储器中作为已量化的数据，进而合适地被数字滤波或其他处理(步骤212)。 结合SIGMA-DELTA测量技术，成功地实施各种滤波器，包括常规数字有限脉 冲响应(FIR)滤波器，例如三角滤波器、平均滤波器和Kaiser滤波器，还有无 限脉冲响应(IIR)滤波器。
[0040]可以单独地和/或集中地重复任意次施加电压、电荷转移、电荷变化和/ 或其它步骤(步骤214)，以实现多个有用特征。例如，通过获得可测量电容102 的多个已量化数值，测得的数值可以容易地在控制电路内被抽取、滤波、平均 和/或其它数字处理，以降低噪声的影响，提供渐增可靠性的测量值和/或类似值。 许多这些特征在下面被描述。
[0041]许多实施例的一个优点在于，结合诸如微控制器、数字信号处理器、微 处理器、可编程逻辑阵列、专用集成电路和/或类似物之类的常规数字控制器仅 仅使用无源元件，可容易地实现通用电容传感器。大量这些产品容易从各个商 业源取得，包括Microchip Technologies of Chandler，Arizona；Freescale Semiconductor of Austin，Texas；和Texas Instruments Inc.(TI) of Dallas，Texas。这 里所述的许多控制电路包含可用于存储数据和指令的数字存储器(例如，静态、 动态或闪存随机存取存储器)，所述数据和指令被用于执行这里所述的各个 SIGMA-DELTA处理程序。例如，处理200可以使用计算机可执行指令容易地 被实现，所述计算机可执行指令通过如这里所述的一或多个控制电路来执行。
[0042]图3-8示出使用集成控制电路和由电容器和/或电阻组成的简单无源网 络来实现的SIGMA-DELTA电容传感器的几个典型实施例。可以用许多方法对 任意这些实施例进行补充或改变，以产生任意数量的可替换实施例。
[0043]现在参考图3A，典型电容传感器300适当地包括控制器302，该控制器 具有至少三个输入/输出信号管脚(I/O)304、306和308以及在控制器102内起 到开关作用的这些信号管脚的相关联电路，该开关转换到电源和地(或者若合 适的话，转换到其它参考值)。在图3A的示例中，I/O3(管脚308)与可测量电 容102相耦合，以及其余两管脚I/O1(管脚304)和I/O2(管脚306)与无源网 络109相耦合，该无源网络109包括积分电容108，该积分电容通过可测量电容 102充电和通过DELTA电容126放电，或者反之亦然。积分电容108一般地被 选择以表现比可测量电容102的所期望电容大得多的电容，以及DELTA电容 126被选择设定最大可测量电容。再者，具体电容值和关系可以根据具体实施例 而改变，同样信号管脚和无源网络109元件的具体结构也可以改变。例如，图 3B示出了三个管脚、两个电容传感器350的“串联”配置，其以类似于图3A 中所示“并行”配置的方式操作。
[0044]在各个实施例中，通过控制在输入/输出(I/O)管脚304、306和308上 放置和接收的信号，控制器302中的硬件、软件和/或固件逻辑适当地排序和控 制SIGMA-DELTA测量处理。在示例操作中，通过测量管脚308上的电压，控 制器302合适地对积分电容108上的电荷进行采样。在其它实施方案中，可以 测量在其它节点上的电压。利用控制电路302内可利用的数字输入阈值、板上 ADC或施密特触发输入，可在许多实施例中量化对应于图1中量化器110的输 入的这个电压。在其他实施例中，可以提供用于比较管脚308上的电压与合适 参考值112(图1)的模拟比较器电路。尽管用于数据表示的约定可以随不同实 施例而改变，大于(管脚308的)阈值的积分电容108上的电压可以与一逻辑 值(例如，“1”)相关联，以及小于阈值的电压可以与另一逻辑值(例如，“0”) 相关联。这些量化的数据被适当地存储(见上面步骤212)，用于随后处理。注 意，如果带有滞后的输入，例如施密特触发输入被用作量化器100，则所示状态 0、1的方法使滞后以已知状态停留在信号管脚308上。
[0045]在图3C-D中，示出用于操作图3A中传感器电路300的典型技术。为了 控制无源网络109的操作，基本上恒定的充电电压(例如，来自电池、例如VDD 的电源电压或其它参考电压)首先施加给可测量电容102基本上恒定的时间长 度，在图3C-D中显示为“状态1”。信号管脚306也被驱动至同一充电电压， 以去除保持在DELTA电容126上的任何电荷。然后，通过将管脚306、308置 于中间高阻抗或“开路”状态，可以在可测量电容102上隔离施加给可测量电 容102的电荷，如“状态2”所显示。这个中间状态表示非重叠开关状态，尽管 没有明确分离状态也可能实现该技术。也可用其他插入高阻抗状态来处理其他 的转换。在状态3中通过对管脚304施加逻辑状态电压，随后从可测量电容102 向无源网络109分享电荷，上述逻辑状态与充电电压的状态相反(例如，通过 若充电电压为“高”，则施加“低”状态，反之亦然)。
[0046]在上面技术中，在电路300到达稳定状态时，积分电容108上的电压(参 考管脚304)应当保持大概恒定且大约等于管脚308的阈值电压(例如，相关联 I/O的VTH)。在信号管脚304被驱动为低时，信号管脚308处的电压类似地保 持相对接近输入管脚308的阈值。因而，当在状态4中采样量化器的输出时， 量化器(信号管脚308)的输出为积分电容108上电荷的测量值。取决于量化器 的采样输出(来自信号管脚308的相关联输入)，状态5改变积分电容108上的 电荷。如果量化器(信号管脚308)的采样输出超出阈值，则状态5A从积分电 容108去除电荷；否则，没有(或者可以忽略的)电荷被去除(状态5B)。在 DELTA电荷被设置(改变无源网络109的积分电容108上的电荷)或跳过之后， 信号管脚308可以被置于高阻抗状态，以俘获无源网络109上的电荷用于在管 脚308上的随后采样(状态6)。在已量化的数据已经被获取和存储时，该数据 可以合适地被滤波、抽取或其他处理，以确定可测量电容102的数值。在量化 器(例如信号管脚308)具有滞后的情况中，状态1设定输入为高，这样滞后的 较低阈值确定输出。
[0047]在可替换实施例中，积分电容108通过可测量电容102放电以及通过 DELTA电容126充电，电荷在其降落低于量化器阈值时被改变。在其他变型中， 正或负电荷可通过可测量电容102和DELTA电容126与积分电容108进行分享， 尽管没有电荷可以被分享，也可使用其它节点(例如，图3A中的管脚304)以 用于阈值测量。
[0048]图4A-B示出了类似实施方案，其允许仅仅用控制器302上的两个信号 管脚304、306实现SIGMA-DELTA采样。在图4A实施方案400中，无源网络 109适当地包括积分电容108，其与隔离电阻402串联，该隔离电阻402与可测 量电容102和信号管脚306相耦合。图4A实施方案还包括耦合至信号管脚304、 306的DELTA电容126。图4A实施方案(及其他)还可选择地包括位于电源 电压和隔离电阻402之间的第二电容407，以增加电源噪声抑制。选择第二电容 407，这样，耦合至节点403的电源上的噪声以与耦合至量化器的阈值的电源上 的噪声比值相同，该量化器一般在图1A中表示为110。也可用其他布局来降低 电源噪声的影响，图9A-B中示出两个例子。图9A示出了与电容407A并联 且与电容407B串联的电阻901，所述电容407B耦合到一个或多个积分电容108。 图9B示出了形成分压器的两个电阻903、905，其耦合到一个或多个积分电容 108，并且不具有离散第二电容。包含第二电容407A、B或者利用例如图9A-B 中所示的那些中之一的替换例对于具有多个积分电容108的系统尤其有用。尽 管连同第二电容407A、B以及替换例仅仅示出了一个积分电容108，但是多个 积分电容可以共享同一节点。图4B中400的“串联”变型示出了无源网络109， 其包括使可测量电容102与积分电容108分离的隔离电阻402。
[0049]在这两个实施例中，使用充电脉冲对可测量电容102进行充电，所述充 电脉冲足够短以将由RC时间常数基本上阻塞，所述RC时间常数通过积分电容 108和隔离电阻402来产生。同样，充电脉冲优选还短于可测量电容和隔离电阻 的RC时间常数。这允许使用相同管脚对可测量电容102进行充电和对积分电 容108上电压进行测量。在两个实施例中，在每个信号管脚304或管脚306上 测得的电压可以确定来自DELTA电容126的电荷是否与积分电容108分享。在 图4A的实施例中，信号管脚306被用于将充电电压施加给可测量电容102，以 及信号管脚304用于将充电电压施加给DELTA电容126。图4B的实施例是不 同的，以及信号管脚306用于将充电电压施加给DELTA电容126以改变积分电 容108上的电荷，以及信号管脚304用于将充电电压施加给可测量电容102。注 意的是，在图4B的实施例中，简单的是如果没有从DELTA电容126分享电荷， 则从可测量电容102至积分电容108多次分享电荷，或者如果没有从可测量电 容102分享电荷，则从DELTA电容126至积分电容108多次分享电荷。
[0050]在许多这些实施例中，“电流抵消”电压可以先于充电电压。控制“电流 抵消”电压的定时以使在状态0中通过隔离电阻402去除的“寄生”电荷量通 常等于在状态1中通过隔离电阻402被添加给积分电容108的“寄生”电荷量， 以及在与无源网络109分享之前可测量电容102处于正确的充电电压。这可能 允许无源网络109中的较低阻抗，例如用于隔离电阻402的较低数值，以及用 于整体上无源网络109的较快速时间常数，而没有改变可测量电容充电时序要 求。
[0051]可测量电容102与积分电容108通过隔离电阻402分享电荷。因为由电 阻产生的RC时间延迟，这个实施例比参考图4所述的三管脚实施例可以消耗 更多用于分享电荷的时间。然而，通过减少用于实施该传感器的开关/逻辑管脚 的数目，可以将额外检测通道设置在公共芯片上，从而允许提高某些实施例中 的效率。
[0052]图4A-B中所示的典型电路可以以许多方法来改进，以实现任意数量的 另外特点。在控制器302具有相对精确定时的实施例中，例如，DELTA电容126 可以由常规电阻所取代，以及通过简单地将管脚304(图4B中的管脚306)激 励预定的时间段，可以将“DELTA”电荷施加给积分电容108。此外，隔离电 阻402在减少存在于信号管脚306的ADC特征中的任何滞后影响中可以是有用 的。
[0053]用于操作图4A中所示的电路400的一种技术被显示在图4C的状态图和 图4D的时序图中。参考这些图，通过将信号管脚306置于已知(例如逻辑低) 状态(状态0)，选择地开始对可测量电容102电平进行检测的处理。因为隔离 电阻402与积分电容108产生RC时间常数，所以在每次读取循环之前的短暂 时间段，管脚306(图4B中的管脚304)可以被置于已知状态(例如，逻辑低 状态)，而没有明显影响存储在积分电容108上的电荷量。在对积分电容108上 电荷进行采样之前，通过将信号管脚306置于已知状态甚至很短的时间，管脚 306上的滞后量是已知的，并且在控制器302内可以被补偿。如果状态0、1的 定时被控制，则在这些状态期间还可以使流过电阻402进入积分电容108的寄 生电荷最小化。
[0054]然后，对可测量电容102进行充电，并且通过将两个管脚304、306置于 已知(高)逻辑状态来清除DELTA电容126，如状态1中所示。通过使管脚306 成为高阻抗状态(状态2)，随后在可测量电容上俘获电荷，进而随后允许足够 延迟时间，以使电荷通过隔离电阻402从可测量电容102分享(例如，充电或 放电)至积分电容108。在电荷从可测量电容102被分享之后，来自DELTA电 容126的“DELTA”电荷基于在积分电容108上测得的电压被施加或不被施加 (在前面状态6中)。在所示的实施例中，用于确定“DELTA”电荷是否被施加 的电压电平从SIGMA-DELTA处理的先前重复中获得。在其他实施例中，可 以仅仅在“DELTA电荷”的施加和分享之前或者在检测过程的其它点处，可以 测量电压(例如，状态3)。
[0055]使用图5中所示的传感器500，可以实现对信号管脚用途的更进一步的 减少，其中可测量电容102和由积分电容108和隔离电容402组成的无源网络 109耦合至控制器302的单个信号管脚306。类似于图4A实施方案，图5A实 施方案还可以选择地包含位于电源电压和隔离电阻402之间的第二电容407，或 者可替换例如图9A-B中所示的电路之一，以增加电源噪声抑制。在这个实施例 中，可测量电容102再次使用电压脉冲进行充电，所述电压脉冲具有小于由隔 离电阻402和积分电容108产生的RC时间常数的周期，以减小或消除对存储 在积分电容108上电荷的不利影响。可测量电容102通过隔离电容402放电， 如上所述，以及通过在管脚306上放置放电电压，以通过隔离电阻402驱动电 流持续已知时间段，将“DELTA”电荷施加至积分电容108。因为传感器500 包括如上所述的隔离电阻402，通过在采样之前将该管脚置于已知状态，可以类 似地施加对管脚306上滞后的补偿。通过控制充电电压和“电流消除”电压的 定时，还可以使在状态0和1期间通过电阻402的寄生电流最小。
[0056]用于操作这种电路的典型技术在图5B和5C中示出。参考这些图，可选 择地设定管脚306以在充电电压之前提供“电流消除”电压(例如，接地)；选 择“电流消除”电压的长度以使被去除的寄生电荷量主要等于通过充电脉冲添 加的寄生电荷量。通过随后施加具有相对短持续时间(与网络的RC时间常数 比较)的电压脉冲，可以对可测量电容102充电(状态1)，然后允许通过隔离 电阻402向积分电容108分享电荷(状态2)。在电荷分享过去足够时间之后， 通过对管脚306上的电压进行采样可以测量该电荷(状态3)，以及若适当则基 于测量的电压可将“DELTA”电荷施加(或没有施加)至积分电容108(状态4)。 再者，在这个实施例中，通过在信号管脚306上施加合适电压持续合适时间， 来简单地施加“DELTA”电荷，以使积分电容108上的电荷产生想要的变化。
[0057]上面描述的一般结构、概念和技术可以以许多不同方法改变或补充，以 及可以在许多不同又等效的实施例中应用。例如，图6A-B示出了能够使用上 面所示的技术检测多通道上电容的电路的两个例子。现在参考图6A，示出了典 型的两通道位置传感器600，其具有两个检测电极602、604，各个检测电极对 应于在上面讨论的可测量电容102。当手指、触针或其它物体接近任一电极602、 604时，该节点的电容以可与物体存在关联的方式改变。另一种表述方法为，通 过测量那个电极通道的电容，可以确定与任一电极602、604接近或接触的物体 的存在。
[0058]在传感器600的各个通道(A和B)所使用的检测方案一般使在上面关 于图4A中所述的两管脚传感器400并行。当然，可替换实施例可能使用这里所 述或参考的任意其它技术。在图6A的典型实施例中，然后，分别经由控制器 302的管脚306、310将电压施加给电极602、604。允许各个电极602、604通 过隔离电阻402A、402B(分别)与积分电容108A、108B分享电荷。进而，通 过量化信号管脚306、310处的电压，对保持在每个积分电容108A-B上的电荷 水平进行采样，通过对信号管脚304、308的操作，施加来自DELTA电容126A-B 的任意必需“DELTA”电荷以改变相关积分电容上的电荷。
[0059]甚至进一步，检测通道的对称使实施例能够具有共用元件。例如，所需 的任意积分电容、DELTA电容和/或电阻可以在多个传感器通道之间共享。在图 6B中示出了一个典型实施例。共用元件的这种使用可以明显降低整体系统的成 本和大小。实际上，可实现各种技术，用于在可替换实施例的宽阵列上，共用 控制器302上的信号管脚和/或无源网络109内的任何分立元件。
[0060]通过在公共控制器302上实施多检测通道，可以实现许多效率。经常地， 用于可测量电容的检测电极和用于DELTA电容的其他电极可以容易地形成在 标准印刷电路板(PCB)上，因此在制造意义上这些元件的复制相对便宜。然 而，某些部件，例如积分电容108和隔离电阻402可以足够大以保障分立元件。 类似地，在涉及DELTA电容精确度的情况下，它也可以作为分立元件实施。在 一些实施例中，使用油墨处理等，可以在PCB上形成一个或多个隔离电阻402， 其中导电油墨具有比在PCB处理中所使用的典型材料高的阻抗。这在许多实施 例中可以是足够的，因为隔离电阻402的实际值通常不直接影响该系统的精确 度或性能。以及在可测量电容102相对小的情况中，则积分电容108还可以在 PCB上是可制造的，例如通过使用聚酰亚胺柔性印制电路等。结果，使用常规 制造技术和结构，可以容易地实施上面所述的许多各种特征。此外，通过任意 种类的时间、频率、代码或其它多路复用技术，甚至可以进一步减少所需信号 管脚的总的数量和无源网络109中的元件数量。
[0061]以任意数量常规图案排列传感电极602、604允许形成许多不同类型的传 感器布局(包括以一维、两维或多维触摸板阵列建立起的多维布局)。可替换地， 多“按钮”型触摸传感器可以容易地由各种通道形成，或者可以产生任意数量 的其它传感器。
[0062]进一步，这里描述的各种SIGMA-DELTA检测技术，结合简易的多通道 集成，提供监护信号的高效应用。在检测信号通道时，多传感器通道602、604 至公共控制器302的连接允许向监护电极605施加监护信号。一般而言，希望 使各个传感器电极602、604与不想要的电信号隔离，包括从其它电极和从外部 传感器600、650虚假接收的其它信号。因为传感器600内的各个通道可以容易 被实施具有公共参考和逻辑电压，可以容易地假定：在各种传感器电极602、604 上所观察到的通常电压值的时间平均大致彼此相同。通过在另外不活动期间将 来自低阻抗源的监护信号施加至各种电极，那么可以减少虚假影响的数量。实 际上，单个监护信号可能对所有具有相似检测电极电压摆动的传感器电极有效。
[0063]低阻抗电压源对节点上的其它耦合信号起主导作用，就像分压器(或者 更一般的阻抗分配器)的低阻抗端比较高阻抗端占主导。也就是说，对于电压 源的集合，我们可以近似看作由最低阻抗部件所主导的单个Thevenin阻抗和单 个Thevenin电压，假若该最低阻抗基本上小于所有其它源的并联阻抗。对于这 个例子的目的，参考电压的阻抗输出、信号管脚输出、开关或I/O输出将在该节 点处具有足够低的阻抗，其它源在所考虑的频率范围处是不明显的。类似地， 当积分电容的其余远端被驱动具有低阻抗(例如，参考电压等)时，耦合至积 分电容近侧的节点具有足够高的电容(和低阻抗)，它主导其它电容性耦合源。 即，在远端被驱动具有低阻抗源时，该积分电容可以设定电压以及在近端吸收 来自其它较高阻抗源的大部分电荷。显然，网络中的主要阻抗还取决于所考虑 的时间周期(或频率)。因此，在长时间范围(例如分享)上，与积分电容串联 的阻抗可能无法像占主导的低阻抗部件那样改变积分电容的状态，而在短时间 范围(例如，充电)上，由于串联阻抗的原因，该节点上的可测量电容的阻抗 可能占主导。通过在正确节点和以正确速率激励开关，可选择主导低阻抗元件， 进而适当地引导电荷。
[0064]尽管监护技术是可选择的且明显随实施例而改变，一项技术包括向监护 电极605施加监护电压，所述监护电压大约等于在充电期间施加给有源电极(例 如，电极602或604)的电压。在电荷从有源传感器电极向相关的积分电容(例 如，用于传感器600的电容108A或108B和用于传感器650的电容108)转移 结束之前(图2中的步骤204)，施加给监护电极605的电压发生改变，大约等 于有源传感器电极和相关积分电容上的电压(有源传感器电极和相关积分电容 在电荷分享出现时通常接近同一电压)。由于在反馈环被控制时量化器的阈值电 压近似等于相关积分电容上的电压，可以使用相关量化器(例如，同一元件上 的信号管脚、I/O)的阈值电压来控制监护电压，作为例如图6B中所示系统中 相关积分电容上电压的代理。可替换地，在阻抗分配器输出敏感度类似于量化 器阈值敏感度与电源成比率时，可以使用阻抗分配器降低电源变化敏感度；这 种阻抗分配器的例子通过图6A中由电阻606、608形成的电压分配器示出。在 另一实施方案中，监护摆动(和从监护电极转移的电荷)可能从电荷转移过程 的一个重复至另一个重复改变(电荷转移过程包括施加步骤、允许步骤和改变 步骤)。这种监护电压摆动可能平均到与在检测电极上的电压摆动相同的电压摆 动。如果监护摆动的变化在某些情况下具有零摆动且在另外情况下具有恒定值， 这使得脉冲编码调制监护技术不需要任何额外的部件。监护电极电压和检测电 极电压之间的偏移不会影响该监护的有用性，因为对于通过电容的电荷转移而 言，重要的仅仅是电压变化。
[0065]应当注意的是，尽管传感器600利用使用两个电阻606和608的阻抗分 配器，但这仅仅是可以使用的阻抗分配器的一个示例类型。具体地，通常的阻 抗分配器包括串联的两个无源阻抗，每个无源阻抗耦合到至少两个节点。这些 节点之一是两个阻抗所耦合的公共节点。该公共节点提供该阻抗分配器的输出。 该阻抗分配器的输出为施加给“未共用节点”的电压和/或电流随时间的函数。 阻抗分配器的简单例子为分压器，其包括两个电容或两个电阻(例如电阻606、 608)。然而，还可以使用更复杂的阻抗分配器。这些更复杂的阻抗分配器可包 括串联或并联的不匹配的电容、电阻或电感。此外，单个阻抗可以具有电容性、 电阻性或电感性特征的组合。
[0066]若合适的话，可使用与信号管脚604(图6A)或310(图6B)相关的特 征施加监护电压。在图6A的实施例中，例如，使用电阻606和608构成电源(VDD) 的电压分配器，在电压分配器电路内或外使用管脚602有效地转变电阻608来 产生施加给监护电极605的两个分离电压。图6B中所示的实施例类似地示出了 包括电阻608和电容器614的分配器电路，信号管脚310控制施加给监护电极 605以充电电压或释放到阈值电压的监护电压(在它分享电荷时更多地起到图 5A所示电路500的作用)。为了最有效地监护，驱动监护电压的阻抗应当小于 到监护电极的总传感器耦合阻抗。还可以使用各种其它监护技术，其包括有源 模拟元件，例如跟踪传感器或参考信道的缓冲器或运算放大器(OP-AMPS)。 尽管图6A-B一般地基于结合上面图4A-D所述的实施例，但是可以将监护概念 应用在宽阵列的电容性传感器上。然而，监护为不可能建立在所有实施例上的 可选特征。
[0067]许多替换检测方案使用了离散元件和/或控制器102上逻辑管脚在多个检 测通道上的分享。例如，图6B中所示的传感器650示出了简单技术，从而DELTA 电容126和积分电容108共用在两个检测电极602、604之间。图7A中所示的 传感器700类似地示出了简单技术，使用该简单技术，应用DELTA电容126的 信号管脚308可以共用在两个检测通道之间(由可测量电容102A-B所表示的)。 在这个实施例中，传感器700以类似于在上面结合图3B所述的传感器350的方 式操作，但是电荷反馈到通过公共信号管脚308提供的DELTA电容126A-B侧。 通常，这个实施例改变相位，以确定具体积分电容(例如108A或108B)是否 对相应DELTA电容(126A和126B)上的转变敏感。具体地，根据以低阻抗驱 动积分电容的哪个侧，每个积分电容可以选择地分享电荷或阻隔来自可测量电 容或DELTA电容的电荷转移。因此，可允许各个DELTA电容在不影响可测量 电容的情况下进行转变，进而信号管脚308可以与多个传感器共用，减少管脚 数。对于转变电容系统来说，被驱动的检测电极(例如图8A中的802)还可以 与多个传感器共用。这些概念可类似地应用于任意数量的另外检测通道，以进 一步改善元件和/或信号管脚在多个可测量电容102之间的再使用。
[0068]图7B包括示出传感器700的典型状态序列的状态图750。一起参考图 7A、7B，第一状态1是通过将管脚304和312设置为0使可测量电容放电，同 时使用与管脚306、310相关的I/O测量(量化)积分电容处的电压。在用于管 脚304、306的状态图的转变中所示的例子中，所述转变指示在状态1期间在管 脚306处测量的电压为高(已量化数据1)，而用于管脚310、312的状态图的转 变指示在状态1期间管脚310测量的电压为低(已量化数据0)。根据它们各自 的测量值，这些不同状态转变引起状态5-8中的不同DELTA电荷转移。还要 注意的是，根据前面的测量和状态8中管脚304和312前面的状态，在状态1 中可能已发生从高到低阻抗的转变。由于这种转变，管脚306和310处的任何 电压摆动将会导致从寄生电容及DELTA电容126A-B至它们各自积分电容 108A-B的某些电荷分享。这可能导致在确定可测量电容中的偏移，但是只要它 是小的且恒定的，它就可以被减去，进而对动态范围的影响将会最小。
[0069]第二状态2包括中间高阻抗状态。在这个状态中，信号管脚304、306、 310和312全部被暂时地保持在高阻抗状态，管脚308驱动DELTA电容126A-B 为低。这导致中间状态，使各个电容器去耦合以暂时在这些电容器中俘获电荷。 这确保不存在叠加信号，其可能另外非故意地在电容器上设置不想要的电荷。
[0070]第三状态3使耦合至DELTA电容126A-B的积分电容108A、108B的电 极处于逻辑高电压。这引起可测量电容102A-B上的电压发生变化，且与它们各 自的积分电容108A-B共享电荷。同时，通过将信号管脚306、308驱动为低阻 抗，通过DELTA电容126A-B被耦合的电荷转移被阻塞。
[0071]由于这些电容器的两侧都通过管脚306、308和310设置为相同逻辑高电 压，第四状态4清除DELTA电容126A和126B上的电荷。
[0072]第五状态5使管脚306处于高阻抗状态，这使电荷保持在积分电容108A 上。在它在随后状态5中转变之前，对可测量电容102A来说，这是信号管脚 304上的中间高阻抗状态，并且阻止电荷非故意地布置在积分电容108A上。注 意的是，仅耦合至积分电容108A的I/O被去耦合，所述I/O在管脚306处具有 已量化数据测量值1的电压。耦合至积分电容108B的管脚310保持被驱动至逻 辑高电压，所述积分电容108B在管脚310处具有已量化数据测量值0的电压， 这是由于积分电容不要求通过DELTA电容126B的电荷改变。
[0073]第六状态6驱动信号管脚304至低逻辑电平，以使DELTA电荷在随后 步骤7中通过DELTA电容126A可传递给积分电容108A。注意的是，管脚310 保持驱动至逻辑高电平，阻塞在126B和108B之间转移这个DELTA电容电荷。 还注意的是，这个管脚304上的低逻辑电平转变还引起电荷在这个步骤而不是 如已经所述的下一步骤1中从寄生电容和DELTA电容进行分享。
[0074]第七状态7转变管脚308上的电压，以通过DELTA电容126A从积分电 容108A去除电荷，同时积分电容108B上的电荷基本上不受影响。
[0075]最后状态8包括用于积分电容(例如，108B)的第二中间高阻抗状态， 其不需要步骤7中的电荷改变，并且准备它们用于随后步骤的分享。这再次去 耦合各个电容器，以暂时地在这些电容器中俘获电荷。
[0076]最后状态8完成后，该方法返回到步骤1，状态1-8被再次执行。应当 注意的是，这种顺序依据在管脚306、308处积分电容108A-B上的电压的测量 值和适于确定它们各自可测量电容102A的量化数据(例如，0或1)产生结果。 用于可测量电容102A和管脚304、306以及可测量电容102B和管脚310、312 的步骤顺序仅仅是在示例步骤1中对管脚306、310上的电压进行具体测量(和 量化)的示例，根据在该重复测量周期中的测量，在可测量电容和积分电容上 可出现任一状态顺序。通常，在可测量电容的测量中，两种状态顺序将出现在 相关管脚上，并且得到的两种类型的量化数据(例如0或1)将成为用于确定可 测量电容的任意结果的部分。
[0077]应当注意的是，这个实施例具有几个优点。例如，因为公共极(即，管 脚308)一直被驱动，因此可明显地减少寄生电容的影响。其次，传感器700 可以减少应用IO状态并对多个电容进行采样所花费的循环的数量，这是由于它 允许并行采样(即，在多个I/O上同时进行量化)。最后，当检测到许多可测量 电容时，它允许明显少得多的IO。这个实施例在积分电容电荷测量期间还可以 减少对外部噪声的灵敏度，所述外部噪声由可测量电容或其它相关寄生电容耦 合，所述可测量电容或寄生电容通过将耦合至可测量电容(即，管脚304、312) 节点接地耦合至管脚304、312。
[0078]尽管上面所示的实施例一般强调所谓“绝对电容”传感器，其中关于局 部系统接地测量可测量电容，但是相似概念可应用于其它类型的电容传感器。 例如，图8A示出了传感器800的另一实施例，其设计为与所谓的“被驱动电容” 或“转换电容”传感器一起工作。当积分电容108与DELTA电容126和可测量 电容102串联时，传感器800为“串联”传感器。在图8A所示的实施例中，可 测量电容102由两个分离电极802、804形成，使用控制器302的信号管脚304、 306可以将各个电极驱动至一电压。当在“驱动”电极802上驱动波形时，使用 上面所述的SIGMA-DELTA检测技术可以检测电极802、804之间的电容性耦 合，来检测在电极802、804之间和至包括积分电容108的无源网络109转移的 电荷。结果是，在没有明显改变的情况下，依赖于“驱动”和“检测”电极之 间电容性耦合的改变的传感器可容易地实现上述概念。注意如前所述的，转换 可测量电容可以受到任意数量的其它导体和/或电介质的影响，以使接近电极 802、804的部件产生复杂的总有效电容。此外，类似于用于DELTA电容所述 的以及在状态图750中所示的，在充电循环的重复期间分享步骤的相位偏移还 可以被实施阻塞或允许与转换电容传感器中的“驱动”电极分享电荷。
[0079]图8B包括状态图825，其示出用于传感器800的典型状态顺序。一起参 考图8A和8B，在第一状态1中，通过改变信号管脚310的I/O4的状态，通过 DELTA电容126(Cd)，可以将DELTA电荷添加给积分电容108。在状态1中， 在310上逻辑状态从低至高逻辑电平(或刚好停留在低处)的这种改变作为F(VCI) 的函数，取决于在前面状态7中在管脚308处积分电容108上的电压的前面量 化。作为一个例子，函数F(VCI)，如果在前面循环中积分电容108处的电压比用 于信号管脚308的I/O3的阈值电压VTH高(即，积分电容上电荷为低，进而电 压降小于预期)，则管脚310保持为低。否则，若积分电容108处的电压比阈值 电压低(即，积分电容上电荷为高，进而电压降大于预期)，则管脚310被驱动 到高，以通过从积分电容108通过DELTA电容126去除电荷升高在308处的电 压。在电荷转移处理的每次重复中，当I/O1从低转变为高、向积分电容添加电 荷时，电荷还通过在电极802和804之间的可测量电容CX 102转移。在SIGMA -DELTA系统的控制下，通过可测量电容102添加电荷和通过DELTA电容126 去除电荷，积分电容108上的电荷通过负反馈控制大概保持恒定。
[0080]从而，基于在管脚308上积分电容的I/O3处的前面电压测量，利用 DELTA电容126，状态1从积分电容108去除(即1a)或者不去除(即1b)电 荷。在替换实施例中，这种测量可能以各种方法被实施，例如测量积分电容上 的电压可使用管脚306。
[0081]状态2为积分电容108的两侧(即，信号管脚306、308)上的中间高阻 抗状态。这在积分电容108上俘获积分电荷，以使对于信号管脚的输出上的任 何定时错误都不改变在其上的电荷。管脚304保持驱动为低，以及管脚310被 保留在其前面的状态中。
[0082]在状态3中，信号管脚308被设置为低逻辑状态(例如，接地)。注意的 是，在前面状态7中测量管脚308上的电压，并且应当接近与信号管脚308和 I/O3相关的输入阈值。通过驱动308至逻辑低状态及改变积分电容108一侧上 的电压，检测电极804处的电压也改变，以及积分电容108与可测量电容102 以及任何其它寄生电容分享电荷，所述寄生电容耦合至信号管脚306和传感器 804处的电极。在这种典型情况中，与可测量电容102分享的电荷与在下面步骤 中通过驱动管脚304上的I/O1为高而转移的电荷处于相同方向，尽管这不必是 所有实施方案中的情况。尽管这个例子的意思是作为转换电容传感器的功能， 但是，由于在804上任一电压的改变，从寄生电容分享到积分电容108上的电 荷就像本文别处描述的在其他“绝对电容”传感器中一样地发生。这个寄生电 容被分享在积分电容108上，以及在这个例子中，将向它添加电荷，减少管脚 308处在积分电容108上的测量电压。
[0083]在第四状态4中，当管脚304上I/O1从逻辑低改变为逻辑高电压时，从 电极804向积分电容108分享电荷，进而清除DELTA电容126上的任意电荷。 尤其是，在这个状态中，管脚304被驱动为高，而管脚310为低。这允许电荷 通过可测量电容102(CX)从电极804分享至积分电容108。同时，在信号管脚 310、308处，DELTA电容126的两侧上的电压被驱动为低。由于管脚308处的 节点处于低阻抗，因此在这个步骤中没有电荷通过DELTA电容126转移到积分 电容108上。
[0084]第五状态5为去耦合积分电容108两侧的另一高阻抗状态。
[0085]第六状态6驱动可测量电容(CX)102的检测电极804为逻辑高电压， 以阻塞通过检测电极804耦合的电荷分享，并允许与DELTA电容126共用。在 下一测量步骤中，在I/O2的信号管脚306上驱动低阻抗，使积分电容108屏蔽 耦合至该电极的任何噪声。它还允许电荷通过积分电容108与连接至信号管脚 308和DELTA电容126的节点共享。然而，通过在电极804上驱动逻辑高电压， 还改变信号管脚节点308处的电压。这再次引起电荷通过管脚308上的任何寄 生电容与积分电容108共享。虽然这不必是其他实施例中的情况，但是，在这 个示例中，由于将信号管脚310驱动为低阻抗，电荷还与DELTA电容126共享。 注意的是，与状态3中可测量电容的分享不一样，在信号管脚310被驱动至状 态1中的不同电压以改变积分电容上的电荷时，这个寄生电荷将处于通过 DELTA电容126转移的电荷的相反方向。与寄生电容和DELTA电容的电压改 变和尺寸成比例的一些电荷将分享和趋于增加积分电容108上的电压，并降低 在管脚308处测量的电压。如果管脚310处于高阻抗抗状态，这可以被明显减 少(减少到仅寄生电容)。由于驱动306为高，只要308上的电压转移小于用于 减去步骤4中电荷的310上的电压转移，那么，在转换电容性SIGMA-DELTA 处理中，仍可从净电荷中减去DELTA电容126。
[0086]第七状态7测量积分电容108上的电压。在管脚308处于高阻抗状态时， 相对于通过信号管脚306在检测电极上驱动的电压，(由于积分电荷)可以在管 脚308处测量积分电容108上的电压。这个测量可包括将积分电容108处的电 压与阈值电压VTH进行比较，以提供量化的结果。然后，在状态1-3期间，将积 分电容108上电压测量结果(即，它是否比阈值电压VTH高)用于循环的下一 次重复中的F(VCI)中，确定积分电容上的电荷如何可能由DELTA电容126改变。
[0087]因此，对状态1-7的重复执行将导致对积分电容108上电荷的SIGMA -DELTA闭环控制，并且可以使用量化结果的滤波测量值来测量电极802和804 之间的转换电容。这个测量的转换电容可进一步用于检测物体相对于传感器的 接近或者任何其他目的。
[0088]注意的是，由于寄生电容，在步骤3和6中与被驱动节点相对的积分电 容108的分享节点处的电压改变引起不想要的电荷转移，并且在与预期方向相 反的方向可引起通过可测量电容102或DELTA电容126的电荷分享。这表示转 换电容性传感器的“绝对电容”行为。这些电压改变相对于由信号管脚304驱 动电极802和信号管脚310驱动DELTA电容126所使用的电压摆动越小，寄生 电容将具有越小的影响，并且转换电容性SIGMA-DELTA测量系统的功能越 理想。
[0089]现在转向图8C和8D，示出了转换电容性传感器850的第二实施例。转 换电容性传感器850为并行传感器，即在可测量电容102与积分电容108的连 接中，可测量电容102与DELTA电容126并联。还有，在这个实施例中，接近 阈值电压VTH的电压VG由包括电阻812和814的分压器产生。与前面实施例一 样，可测量电容102由两个分离电极802和804形成，各个分离电极可利用控 制器302的信号管脚304、306驱动至一电压。当在电极802上驱动波形时，电 极802和804之间的电容性耦合(由可测量电容102指示)可以利用SIGMA- DELTA检测技术进行检测，以检测在电极802、804之间和至包括积分电容108 的无源网络109转移的电荷。
[0090]图8D包括显示传感器850的典型状态顺序的状态图875。一起参考图 8C和8D，第一状态1包括中间高阻抗状态。在这个状态中，信号管脚306、308A 和308B全部被保持在高阻抗状态，管脚304驱动为逻辑低电压，以及管脚310 驱动为逻辑高电压。这导致使各个电容器去耦合的中间状态，以在这些电容器 中暂时俘获电荷。这确保不存在叠加信号，其可能另外非故意地在电容器上布 置不需要的电荷。
[0091]在第二状态2中，将节点851处积分电容108上的电压设置为已生成的 电压VG，所述VG被实现基本上等于测量I/O(例如，IO3)的阈值电压VTH。 具体地，管脚308A提供逻辑高电压(例如，VDD)，管脚308B提供逻辑低电压 (例如，GND)，以及电阻812和814提供分压器，该分压器在节点851处产生 电压VG。在一个典型实施例中，电阻812和814基本上是相等的，因此，与 CMOS输入阈值相比较，所产生的电压近似1/2VDD。存在许多方法用于使用无 源元件和开关(例如，I/O或DAC)来施加所产生的电压，并且这仅仅是一个 例子。数字输入的阈值电压是将低与高输入区分的电压。当然，这仅仅是一个 例子，在其他实施例中，希望可利用其它数值。例如，在I/O利用施密特触发器 输入的情况中，Vdd/3的电压可能近似I/O3的输入阈值，所述输入阈值仅仅设定 为逻辑高。还应当注意的是，在一些实施例中不使用分压器。代替之，在一些 实施例中，控制器302固有地包括产生接近VTH的合适电压VG的能力。
[0092]还应当注意的是，具有接近阈值电压VTH的所产生的电压Vg的驱动节 点851在步骤2-3中减少电极804上的电压摆动，原因是SIGMA-DELTA反 馈环控制积分电容108上的电荷，以在信号管脚306驱动节点804(在步骤5、 6、7中)时保持节点851上的电压接近阈值电压，并且可测量连接至节点851 (例如308A)的输入。由于最小化了没有移动穿过寄生电容的电荷，所以在很 大程度上保持804和851处电压恒定使寄生电容为固定电压(例如，GND)没 有太大关系。注意的是，如果对积分电容108上的电压的测量是用管脚306上 的I/O2实施的，则节点306可能使用相似的生成电压Vg进行驱动以最小化寄 生电容的影响。
[0093]在第三状态3中，根据前面在308A处对积分电容108上电压的测量， DELTA电荷转移给积分电容108和/或电荷在电极804和积分电容108之间进行 分享。具体地，驱动管脚310为前面在308A处对积分电容108上测量的电压的 函数F(VCI)。作为一个例子，选择函数F(VCI)，以便如果积分电容108(例如在 节点851处)的电压高于前面在测量循环的重复中I/O3的阈值电压VTH(即， 积分电容上的电荷低，而电压降比希望的小)，则管脚310保持在逻辑高电压。 反之，如果积分电容108处的电压低于阈值电压(即，积分电容的电荷为高， 而电压降比希望的大)，则驱动管脚310至逻辑低电压，以通过DELTA电容126 从积分电容108去除电荷。在所有情况中，当I/O1从逻辑低电压转变为逻辑高 电压、将电荷添加给积分电容时，电荷还通过电极802和804之间的可测量电 容CX 102转移。在SIGMA-DELTA系统的控制下，通过可测量电容添加电荷 和通过DELTA电容去除电荷，积分电容上的电荷通过负反馈控制被大概保持恒 定。
[0094]从而，基于前面在I/O3处对积分电容的管脚308A上的电压测量，状态 3在电极804和积分电容108之间分享电荷，或者利用DELTA电容126从积分 电容108去除电荷。
[0095]第四状态4包括另一中间高阻抗状态，其确保没有另外可能非故意地在 电容器上设置不想要电荷的信号。第五状态5再次通过信号管脚306上的I/O2， 将接收电极804设置为逻辑高电压。第六状态6设置可测量电容(CX)102和 DELTA电容(CD)126上的电荷，以准备电荷转移过程的下一重复中的转变。 具体地，在管脚310上布置逻辑高电压，而在管脚306上布置逻辑高电压使 DELTA电容126放电。同时，通过信号管脚304在电极802上布置逻辑低电压， 对耦合至电极804的可测量电容进行再充电。通过在可测量电容102中的电极 804上以及在耦合至DELTA电容126的积分电容108的一侧设置低阻抗电压， 电荷在这个步骤期间不会通过DELTA电容126或可测量电容102向积分电容 108上转移。这确保积分电容108的数值在前面步骤期间保持精确的转移电荷表 示，并且在没有受到检测电极804的噪声干扰的情况下就可以对其进行测量。
[0096]第七状态7测量积分电容108处的电压。在管脚308处于高阻抗状态时， (由于累积的电荷)可在管脚308A或管脚308B上测量积分电容108上的电压 (例如，在节点851处的电压)。这个测量可包括积分电容108处的电压与阈值 电压VTH的比较，以提供量化结果。然后，在状态3-5期间，将积分电容108 上电压的测量结果用于下一循环的F(VCI)中(即，它是否高于阈值电压VTH)， 确定积分电容上的电荷如何可通过DELTA电容126改变。
[0097]因此，对状态1-7的重复执行将导致对积分电容108上电荷的SIGMA -DELTA闭环控制，以及对已量化结果的滤波测量可用于测量电极802和804 之间的转换电容。这个测量的转换电容可以进一步用于检测物体相对于传感器 的接近。
[0098]如上所述，在图8中示出的传感器实施例测量转换电容而不是绝对或接 地参考电容。这些实施例减少背景或寄生电容对测量的电容的负面影响，从而 对存在有较高比例的寄生踪迹电容的应用尤其有用，例如指纹线(fingerprint ridge)检测和电容性触摸检测。
[0099]例如，当在节点851上驱动所产生的电压Vg大概等于耦合851(例如， 其中它们为I/O的308A/B)的信号管脚的输入阈值电压时，通过SIGMA- DELTA反馈控制可以将所检测电极804上的电压摆动数量保持为相对低的水 平。这可以充分地降低对寄生电容的灵敏度。也就是，由于在稳态操作期间在 节点851处积分电容108上的电压相对保持接近阈值电压，当在节点851上驱 动电压时(和306是浮置的)，以及在306上驱动电压时，不通过信号管脚308A/B 驱动节点851。类似地，由于信号管脚306被驱动至近似于当将节点851处电压 驱动至308A/B之一处输入阈值电压时的结果(而不是驱动信号管脚306到某些 其它电压)，保持电极804上的电压摆动为相对低。通过穿过积分电容上的电压 (和电荷)确定851和306之间的电压差，所述积分电容上的电压(和电荷)通 过SIGMA-DELTA负反馈环路控制。可以以任何方式施加306和节点851上 的这些电压。在各种实施例中，通过利用管脚308A-B的逻辑来施加近似阈值电 压，以激励或去激励分压器网络的一部分，从而产生合适的电压。可替换地， 可通过数字至模拟转换器或通过任意其它技术施加近似电压。
[00100]甚至，对这里所示出的各种电路和技术可以实施更多改进和改变。可使 用具有或不具有额外有源模拟元件的上述技术，实施较高阶SIGMA-DELTA 调制器。
[00101]此外，例如，可通过使用噪声抖动技术减少各种噪声源。具体地，已知 常规一阶SIGMA-DELTA转换器尤其易受到噪声“音调”(即，重复噪声形式) 的影响。这些音调可以产生用于某种恒定输入的噪声输出(这样，在电容性灵 敏度低(或可替换地，高误差)的情况下存在“死区”)，导致对输入条件略微 变化响应的降低。通过利用更复杂(即，更高阶)SIGMA-DELTA技术，或者 可替换地通过将小数量的低功率噪声注入SIGMA-DELTA转换器中，可以避 免音调。用于注入噪声的一种技术包括将噪声抖动应用至ADC参考电压(例如， 图1中的电压112)。可以在任意种软件或其它逻辑中生成这种抖动，并且这种 抖动同时应用于各个检测通道以提高响应。
[00102]如上所述，用于确定电容的设备和方法具体可应用于临近传感器设备。 现转向图10，框图示出了耦合至临近传感器设备11的典型电子系统10。电子 系统10用于表示任意类型的个人计算机、便携式计算机、工作站、个人数字助 理、视频游戏机、通信设备(包括无线电话和信息传递设备)、媒体设备，该媒 体设备包括记录机和播放器(包括电视、电缆箱、音乐播放器和视频播放器) 或能够从用户接受输入或处理信息的其它设备。因此，系统10的各个实施例可 以包括任意类型的处理器、存储器或显示器。另外，系统10的元件可以经由总 线、网络或其它有线或无线互联进行通信。通过包括I2C、SPI、PS/2、通用串 行总线(USB)、蓝牙、RF、IRDA的任意类型接口或连接，或任意其它类型有线 或无线连接，临近传感器设备11可以连接至系统10，在此列举了几种非限制性 例子。
[00103]临近传感器设备11包括控制器19和检测区域18。临近传感器设备11 对在检测区域18中输入14(其可以由一个或多个手指、触针和/或其它输入物 体来提供)的位置敏感，并且可通过测量由于输入14而导致的电容结果变化来 检测输入14。如这里所使用的“检测区域”18广泛地包含在临近传感器设备11 的上面、周围、里面和/或靠近临近传感器设备11的任意空间，其中传感器能够 检测物体的位置。在常规实施例中，检测区域18从传感器表面在一个或多个方 向中展开一距离进入空间，直至信噪比阻止了输入检测。这个距离可以在小于 毫米、几个毫米、几个厘米或更多的数量级别上，以及可以随所期望的传感器 电极尺寸、传感器设计和/或传感器性能(例如，精确度或分辨率)明显地改变。 因此，特定检测区域18的平面度或曲率、尺寸、形状和精确位置将随实施例的 不同而较大地改变。
[00104]在操作中，通过测量与多个检测电极相关的可测量电容，临近传感器设 备11适当地检测输入14的位置，其受检测区域18内的一个或多个手指、触针 和/或其它物体的影响。以及，使用控制器19，临近传感器设备11将位置的电 的或电子的指示提供给电子系统10。如先前所述，该系统10适当地处理该指示 以接受来自用户的输入以用于任何适当的目的，并产生任意合适的响应。
[00105]临近传感器设备11可以使用离散阵列或者电容性传感器电极的任意其 它排列以支持任意数量的检测区域18。临近传感器设备还可改变所提供的信息 类型，例如提供作为标量的“一维”位置信息(例如，沿检测区域)，作为数值 组合的“二维”位置信息(例如，跨越二维的水平/垂直轴、角的/径向的或任意 其它轴)，作为数值阵列的接近的“二维”图像等。
[00106]利用上面描述的各种技术，有时被称为临近传感器处理器或触摸传感器 控制器的控制器19通常指示用于测量电容的处理。这里，控制器19还与电子 系统10通信。控制器19可以执行各种另外的处理，以实现临近传感器设备11。 例如，控制器19可以选择或连接单个可测量电容，基于可测量电容的数值计算 位置或运动信息，报告当达到阈值时的位置或运动，并且在将它报告给电子系 统10或将它指示给用户之前解释和等待有效拍/敲/刻/扣紧/作手势顺序或任意多 个不同的处理。
[00107]在这个说明书中，术语“控制器”被定义包括适于执行所述操作的一个 或多个处理部件。从而，控制器19可以包括一个或多个集成电路、固件代码和 /或软件代码的所有或部分。
[00108]再者，如这个应用中使用的术语，术语“电子系统”广泛地指任意类型 的设备，其与临近传感器设备11通信。因此，电子系统10可包括任意类型的 设备或多个设备，其中可实现或耦合触摸传感器设备。使用任意合适技术，该 临近传感器设备11可实现为电子系统10的一部分或者耦合至电子系统10。因 此，作为非限制性例子，电子系统10可包括任意类型计算设备、媒体播放器、 通信设备或另一输入设备(例如，另外的触摸传感器设备或键盘)。在某些情况 中，电子系统10本身是较大系统的外围设备。例如，电子系统10可以是数据 输入或输出设备，例如遥控或显示设备(例如，遥控电视机)，其利用合适的有 线或无线技术与计算机或媒体系统进行通信。还应当注意到，电子系统10中的 各个部件(处理器、存储器等)可以实施作为整个系统中的一部分，作为触摸 传感器设备中的部分或者作为其组合。另外，电子系统10可以为临近传感器设 备11的主或从属设备。
[00109]还应当注意到，术语“临近传感器设备”不仅仅包括常规临近传感器设 备，而且还包括能够检测一个或多个手指、触针和/或其它物体的位置的大量同 等设备。这种设备可以包括而不限于触摸屏、触摸盘、触摸板、生物统计鉴定 设备、书法或字体识别设备等等。类似地，如这里所使用的术语“位置”或“物 体位置”广泛地包括绝对和相对位置信息，还包括其它类型的空间域信息，例 如速度、加速度等等，包括在一个或多个方向中的运动测量。各种形式的位置 信息还可包括时间历史部分，如在手势识别等的情况中。因此，临近传感器设 备可以适当检测比物体存在或缺失更多的信息，以及可以包括大量的等价物。
[00110]还应当理解，本发明的机制能够分布作为各种形式的程序产品。例如， 本发明的机制可以实施和分布为可读计算机信号支撑媒体(signal bearing media) 的临近传感器程序。另外地，同样应用本发明的实施例，而与用于执行该分布 的具体类型的信号支撑媒体无关。信号支撑媒体的例子包括：例如存储卡、光 盘和磁盘、硬驱动器的可记录媒质和例如数字和模拟通信链路的传输媒体。
[00111]在不脱离基本教导的情况下，各种其它改变和改进可以基于这里阐明的 结构和技术实施。因此，提供用于检测和/或量化可测量电容的众多系统、设备 和方法。尽管在前面详细的说明书中已经陈述至少一个示例实施例，但是应当 理解的是存在大量变型。例如，这里所述技术的各个步骤可以以暂时次序实施， 不限于这里陈述和/或声明的次序。还应当理解的是，这里所述的典型实施例仅 仅是例子，不以任何方式用于限制本发明的范围、应用或结构。因此，在不脱 离如在附后的权利要求书及其合法等价物中所阐述的本发明的范围的情况下， 可以在部件的功能和排列上作出各种改变。
优先权
[0001]本申请要求2005年6月3日提交的美国临时专利申请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的优先权，在此它们被引入作为参考。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种用于测量可测量电容的方法，该方法包括步骤：
使用第一开关将电压施加至可测量电容；
允许可测量电容与无源网络分享电荷；
如果无源网络上的电荷超过阈值，则将无源网络上的电荷改变已量化数量 的电荷；和
重复各个施加步骤、允许步骤和改变步骤至少一次。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述电压为预定电压，以及已量化数量的 电荷基于预定电压。
3. 根据权利要求1的方法，进一步包括，至少部分基于改变步骤的重复次 数确定可测量电容值的步骤。
4. 根据权利要求1的方法，其中施加步骤的重复次数不等于改变步骤的重 复次数。
5. 根据权利要求1的方法，其中改变步骤包括多次变换无源网络上的电荷。
6. 根据权利要求1的方法，其中多次执行施加步骤用于改变步骤的各次重 复，以及多次执行允许步骤用于改变步骤的各次重复。
7. 根据权利要求1的方法，其中施加步骤包括激励数字控制电路的输出管 脚。
8. 根据权利要求1的方法，其中在无源网络上改变的已量化数量的电荷对 应于反馈电容上的电荷。
9. 根据权利要求1的方法，其中在无源网络上改变的已量化数量的电荷对 应于通过电阻施加的已知一段时间的电流。
10. 根据权利要求9的方法，其中通过在电阻两端施加第二电压来施加电 流。
11. 根据权利要求1的方法，进一步包括如下步骤：在多个可测量电容之 间多路复用施加步骤、允许步骤和改变步骤，其中可测量电容为多个可测量电 容之一。
12. 根据权利要求1的方法，其中仅仅使用开关和无源元件来执行施加和 允许步骤。
13. 根据权利要求12的方法，其中开关包括控制器的数字输出。
14. 根据权利要求1的方法，其中使用控制器的数字输入和输出来执行施 加、允许和改变步骤。
15. 根据权利要求1的方法，其中通过控制器的数字输入的阈值电压来确 定阈值。
16. 根据权利要求1的方法，其中通过模拟至数字转换器来确定阈值。
17. 根据权利要求1的方法，其中施加步骤包括对可测量电容进行充电， 以及改变步骤包括从无源网络去除电荷。
18. 根据权利要求1的方法，其中施加步骤包括对可测量电容进行放电， 以及改变步骤包括给无源网络添加电荷。
19. 根据权利要求1的方法，其中允许步骤包括被动许可可测量电容使用 分享电路与无源网络分享电荷，以及施加步骤基本上比分享电路的时间常数快 地发生。
20. 根据权利要求1的方法，其中允许步骤包括控制第二开关。
21. 根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：
将无源网络上的多个已量化的电荷值存储在存储器中；和
对多个值应用数字滤波。
22. 根据权利要求1的方法，进一步包括将监护电压施加至不同于可测量 电容的监护电极的步骤。
23. 根据权利要求22的方法，其中在施加步骤期间施加给监护电极的监护 电压基本上等于在施加步骤期间施加给可测量电容的电压。
24. 根据权利要求22的方法，其中施加给监护电极的监护电压基本上等于 在允许步骤之后可测量电容上的电压。
25. 根据权利要求22的方法，其中在施加和允许步骤之间施加给监护电极 的监护电压的变化接近在施加和允许步骤之间可测量电容上的电压的变化。
26. 一种数字存储媒质，其具有存储在其上、配置为执行权利要求1的方 法的计算机可执行指令。
27. 一种用于测量可测量电容的系统，该系统包括：
用于使用第一开关将电压重复施加给可测量电容的装置；
用于重复允许可测量电容与无源网络分享电荷的装置；和
用于如果无源网络上的电荷超过阈值，则将无源网络上电荷重复改变已量 化数量的电荷的装置。
28. 一种用于测量可测量电容的电路，该电路包括：
第一开关，其耦合至可测量电容；
无源网络，其耦合至可测量电容，其中无源网络配置为存储从可测量电容 接收的电荷；和
电荷变化电路，其耦合至无源网络；和
控制器，其配置为通过使用第一开关重复向可测量电容施加电压，将从无 源网络上的可测量电容所接收的电荷重复存储，以及响应超过阈值水平的无源 网络上的电荷、利用电荷变化电路将无源网络上的电荷重复地改变已量化数量 的电荷，从而确定可测量电容的数值。
29. 根据权利要求28的电路，其中所述电压为预定电压，并且已量化数量 的电荷基于预定电压。
30. 根据权利要求28的电路，其中所述电压为电源电压。
31. 根据权利要求28的电路，其中无源网络包括电容器。
32. 根据权利要求28的电路，其中第一开关是控制器的数字输出。
33. 根据权利要求32的电路，进一步包括第二开关，所述第二开关耦合到 电荷改变电路和无源网络，其中第二开关可操作地将无源网络上的电荷改变已 量化数量的电荷。
34. 根据权利要求32的电路，进一步包括第三开关，所述第三开关耦合到 可测量电容和无源网络，其中第三开关可操作地允许可测量电容与无源网络分 享电荷。
35. 根据权利要求28的电路，进一步包括第二开关，所述第二开关耦合到 可测量电容和无源网络，其中第二开关可操作地允许可测量电容与无源网络分 享电荷。
36. 根据权利要求31的电路，其中无源网络包括电阻。
37. 根据权利要求28的电路，进一步包括耦合到无源网络的电压测量电路。
38. 根据权利要求37的电路，其中电压测量电路包括比较器。
39. 根据权利要求37的电路，其中电压测量电路包括模拟至数字转换器。
40. 根据权利要求37的电路，其中电压测量电路包括控制器的数字输入的 输入阈值。
41. 根据权利要求40的电路，其中输入阈值具有滞后。
42. 根据权利要求28的电路，进一步包括控制器的信号管脚，该信号管脚 耦合至可测量电容，其中控制器配置为经由该信号管脚将电压施加给可测量电 容。
43. 根据权利要求28的电路，进一步包括第二开关和第三开关，其中无源 网络包括：
第一电容器，其耦合在第三开关和可测量电容之间；和
第二电容器，其耦合在第一开关和第二开关之间。
44. 根据权利要求28的电路，进一步包括第二开关，其中无源网络包括：
耦合在第一开关和第二开关之间的第一电容器；和
耦合至第一开关和耦合至第二电压的电阻；和
耦合至第二电压的电阻。
45. 根据权利要求28的电路，其中无源网络包括互相串联耦合至第一开关 的且耦合至第二电压的电容器和电阻。
46. 根据权利要求28的电路，进一步包括第二开关和第三开关，其中无源 网络包括：
耦合在第三开关和可测量电容之间的电容器；和
耦合在第一开关和第二开关之间的电阻。
47. 根据权利要求46的电路，进一步配置为通过激励第二开关一定时间段 来改变无源网络上的电荷，从而允许无源网络上的电荷通过电阻。
48. 根据权利要求28的电路，进一步包括监护电极，其中控制器进一步配 置为将监护电压施加给监护电极。
49. 根据权利要求48的电路，进一步包括阻抗分配器，其耦合至第二开关 和监护电极。
50. 根据权利要求48的电路，其中通过数字至模拟转换器来驱动监护电极。