專利名稱：混合信號(hào)積分器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將測(cè)量的電容轉(zhuǎn)換為電壓的模擬前端電路。更具體而言，本發(fā)明涉及具有用于通過(guò)激勵(lì)信號(hào)解調(diào)測(cè)量的電容的混合信號(hào)相關(guān)器或混合信號(hào)積分器的模擬前端電路。
背景技術(shù)：
許多電子設(shè)備包含觸摸屏式的顯示器。觸摸屏是檢測(cè)在顯示區(qū)域內(nèi)的觸摸的存在、位置以及壓力的顯示器，該觸摸通常由手指、手、手寫筆或其他定點(diǎn)設(shè)備引起。觸摸屏使用戶能夠不需要任何中間設(shè)備而直接與顯示面板交互，而不是利用鼠標(biāo)或觸摸板的間接交互。觸摸屏可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)或作為訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的終端而實(shí)現(xiàn)。觸摸屏通常在銷售點(diǎn)系統(tǒng)、自動(dòng)取款機(jī)(ATM)、移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、便攜式游戲機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備以及信息產(chǎn)品中使用。存在許多類型的觸摸屏技術(shù)。電阻式觸摸屏面板由若干層組成，這些層包括由薄空間分開(kāi)的兩個(gè)薄金屬導(dǎo)電層和電阻層。當(dāng)某一物體觸摸觸摸屏面板時(shí)，層在某一點(diǎn)連接。作為對(duì)物體接觸的響應(yīng)，面板與具有連接輸出的兩個(gè)分壓器類似地在電學(xué)上發(fā)生作用。這引起電流改變，該電流改變被記錄為觸摸事件并且發(fā)送到控制器進(jìn)行處理。電容式觸摸屏面板由跨傳感器傳導(dǎo)連續(xù)電流的材料涂覆、部分涂覆或者構(gòu)圖。傳感器在水平軸和豎直軸兩者上均表現(xiàn)存儲(chǔ)電子的精確受控場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)電容。人體是導(dǎo)電的，因此會(huì)影響存儲(chǔ)在電容中的電場(chǎng)。當(dāng)另一電容場(chǎng)(如手指)更改傳感器的參考電容時(shí)，位于面板各拐角的電子電路測(cè)量參考電容的所得失真。向控制器發(fā)送與觸摸事件有關(guān)的測(cè)量信息以進(jìn)行數(shù)學(xué)處理?？梢杂寐闶种富蛘哂寐闶殖钟械膫鲗?dǎo)設(shè)備觸摸電容傳感器。電容傳感器也基于鄰近性工作，而無(wú)需直接被觸摸以觸發(fā)。在大多數(shù)情況下，不出現(xiàn)與傳導(dǎo)金屬表面的直接接觸，并且由絕緣玻璃或者塑料層將傳導(dǎo)傳感器與用戶的身體隔離。經(jīng)?？梢酝ㄟ^(guò)靠近表面快速揮動(dòng)手部的手掌而無(wú)需觸摸來(lái)觸發(fā)具有意于讓手指觸摸的電容按鈕的設(shè)備。圖I示出了示例性的電容式觸摸屏面板中使用的傳統(tǒng)電容式觸摸傳感器。這種傳感器通常使用形成在層中的諸如ITO(銦錫氧化物)導(dǎo)體之類的透明導(dǎo)體形成。在圖I的示例性結(jié)構(gòu)中，底部的導(dǎo)體形成也稱為驅(qū)動(dòng)線的驅(qū)動(dòng)電極XO、XI、X2、X3，頂部的導(dǎo)體形成也稱為感應(yīng)線的感應(yīng)電極Y0、Y1、Y2、Y3。驅(qū)動(dòng)線和感應(yīng)線的每個(gè)交叉點(diǎn)形成具有測(cè)量的電容Cm的電容器。目標(biāo)是確定電容式觸摸傳感器上的觸摸位置的估計(jì)。當(dāng)手指或其他物體接地到或放置到或接近傳感器的交叉點(diǎn)時(shí)，在交叉點(diǎn)的測(cè)量電容Cm發(fā)生改變。測(cè)量電容Cm是在交叉點(diǎn)處感應(yīng)線和驅(qū)動(dòng)線之間的電容。當(dāng)在交叉點(diǎn)發(fā)生了觸摸事件時(shí)，感應(yīng)線和驅(qū)動(dòng)線之間的一部分場(chǎng)線被轉(zhuǎn)向到感應(yīng)線和手指之間。這樣，測(cè)量的電容Cm在觸摸事件期間減小。模擬前端電路(AFE)對(duì)模擬信號(hào)執(zhí)行信號(hào)處理，并且通常執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬前端電路可以用在多種應(yīng)用中，包括測(cè)量電容并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。圖2A和圖2B示出了用于測(cè)量外部電容器的電容并將測(cè)量的電容轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓的傳統(tǒng)模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。在一個(gè)示例性應(yīng)用中，外部電容是存儲(chǔ)在圖I的電容器Cm中的電荷。圖2A示出了處于第一相位的電路，圖2B示出了處于第二相位的電路。在相位I期間，要測(cè)量的電荷被聚集在電容器Cm上。在相位2期間，存儲(chǔ)在電容器Cm上的電荷被轉(zhuǎn)移到電容器Cf，并且輸出相應(yīng)的電壓Vout。參考圖2A，電路包括電容器Cm、運(yùn)算放大器2、開(kāi)關(guān)4、反饋電容器Cf和開(kāi)關(guān)6。放大器2的負(fù)輸入端的電壓，并且因此在電容器Cm的第一端處的電壓，是虛擬地Vvg。在相位I期間，開(kāi)關(guān)4連接到參考電壓Vref，并且開(kāi)關(guān)6閉合。閉合開(kāi)關(guān)6使電容器Cf能夠完全放電到一個(gè)已知的零狀態(tài)。電容器Cm間的電荷是Vvg-Vref乘以電容Cm。
如圖2B所示，在相位2期間，開(kāi)關(guān)4連接到地，并且開(kāi)關(guān)6斷開(kāi)。由于開(kāi)關(guān)4連接到地，電容器Cm上的電壓是零，并且電容器Cm上的所有電荷都轉(zhuǎn)移到電容器Cf。輸出電壓Vout是具有如下幅度的信號(hào)，該幅度取決于在電容器Cm上存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)移到電容器Cf的電荷。輸出電壓Vout可以輸入到(例如圖4中的)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字輸出值。由于電容器Cf在相位I期間完全放電，因此存儲(chǔ)在電容器Cf上的電荷完全由從電容器Cm轉(zhuǎn)移來(lái)的電荷量確定。如果電容器Cf在相位I期間沒(méi)有完全放電到零，則電容器Cf將保持其先前狀態(tài)的記憶。輸出電壓Vout = Vref*Cm/Cf+vn,其中Vref是已知的內(nèi)部參考值，vn是由系統(tǒng)測(cè)量的不希望的噪聲，Cf是已知值。這樣，電容Cm可以由已知的值Vref和Cf以及測(cè)量值Vout來(lái)確定。電容Cm是變化的電容并代表了待被測(cè)量的電容，例如觸摸屏顯示器的測(cè)量電容。當(dāng)手指觸摸觸摸屏顯示器時(shí)，電容變化，這是被測(cè)量的外部電容變化。圖2A和圖2B的電路的問(wèn)題涉及寬頻帶噪聲采樣。電路不包括任何噪聲過(guò)濾，所以在相位I到相位2的轉(zhuǎn)換時(shí)引入到系統(tǒng)的任何噪聲都被包括在轉(zhuǎn)移到電容器Cf的電荷中。該噪聲在輸出電壓Vout中表不為分量“vn”。所以輸出電壓Vout不僅是電容Cm的測(cè)量，還是噪聲的瞬時(shí)采樣的測(cè)量。進(jìn)一步，由于噪聲，ADC的動(dòng)態(tài)范圍需要足夠大以考慮輸出電壓Vout的增強(qiáng)的幅度。更大的動(dòng)態(tài)范圍導(dǎo)致ADC有更大區(qū)域和使用更多電能。圖3示出了圖2A和圖2B的電路的示例性響應(yīng)曲線。上部的曲線顯示了對(duì)應(yīng)于相位I和相位2的采樣時(shí)鐘。當(dāng)采樣時(shí)鐘高時(shí),例如IV，電路處于相位I (圖I),而當(dāng)采樣時(shí)鐘低時(shí)，例如0V，電路處于相位2(圖2)。在示例性應(yīng)用中，輸入在采樣時(shí)鐘的上升沿被采樣。在開(kāi)關(guān)4和6從相位2變化到相位I的時(shí)刻，電壓Vout被采樣。如圖3中的中部曲線所示，在輸入信號(hào)上存在一些噪聲，但是其平均值基本上恒定。采樣值希望是不變的，例如IV，但是由于噪聲，實(shí)際采樣輸出基于出現(xiàn)在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)噪聲在希望的恒定值附近變化。一個(gè)實(shí)際采樣輸出的變化的例子顯示在圖3中的下部曲線中。如果瞬時(shí)噪聲高，那么實(shí)際采樣輸出大于希望的恒定值，例如采樣輸出曲線中在IV以上的部分。如果瞬時(shí)噪聲低，那么實(shí)際采樣輸出低于希望的恒定值，例如采樣輸出曲線中在IV以下的部分。在應(yīng)用中，增加用來(lái)確定電容改變(例如在觸摸屏顯示器上的觸摸事件)的閾值電壓來(lái)適應(yīng)采樣輸出中的變化。閾值電壓的增加降低了系統(tǒng)的靈敏度。使用為考慮噪聲變化而過(guò)低的閾值電壓導(dǎo)致錯(cuò)誤的觸發(fā)。測(cè)量電容的各種備選系統(tǒng)包括對(duì)噪聲的考慮。圖4示出了使用數(shù)字過(guò)濾的傳統(tǒng)模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖4的電路包括連接到低噪聲放大器(LNA)的輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。輸入到ADC的電壓被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，其被包括噪聲過(guò)濾的數(shù)字處理電路處理。ADC也是在單一時(shí)刻采樣的采樣系統(tǒng)。這導(dǎo)致與關(guān)于圖3的上述描述相類似的變化采樣輸出值。圖5示出了另一個(gè)傳統(tǒng)模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖5的電路與圖4中電路相同，除了附加帶通濾波器(BPF)以在輸入到ADC之前過(guò)濾信號(hào)。BPF試圖在輸入到ADC之前濾除現(xiàn)在電壓信號(hào)(圖3的中部曲線)中的噪聲。對(duì)從BPF輸出的過(guò)濾信號(hào)執(zhí)行采樣。圖5的電路的問(wèn)題是不同的應(yīng)用遭受不同的噪聲頻譜。這樣，BPF無(wú)法固定，反而B(niǎo)PF必須相應(yīng)于特定的應(yīng)用是可調(diào)的。而且，BPF需要能夠被細(xì)微地調(diào)整以適應(yīng)具有相對(duì)窄頻率響應(yīng)的應(yīng)用。例如，觸摸屏顯示器可以具有在大約50-400kHz之間的頻率響應(yīng)。如果BPF具有 太大的帶寬，例如50kHz，則過(guò)濾器帶寬可能太寬而無(wú)法針對(duì)特定的應(yīng)用有效地過(guò)濾噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
混合信號(hào)相關(guān)器在電容測(cè)量應(yīng)用中使用相干檢測(cè)。在一些應(yīng)用中，混合信號(hào)相關(guān)器用于測(cè)量外部電容，例如觸摸屏顯示器的外部電容。相關(guān)器的電容為提高靈敏度而保持小并且可以用于各種應(yīng)用中，該各種應(yīng)用具有用于測(cè)量的變化的積分周期。通過(guò)調(diào)整輸出電壓在小于電源電壓的范圍內(nèi)，并且為之后重建積分周期的實(shí)際輸出電壓而保持所述調(diào)整的計(jì)數(shù)值，相關(guān)器的電容保持小并且可以用于各種應(yīng)用中。輸出是模擬積分器輸出和數(shù)字計(jì)數(shù)器輸出的加權(quán)和。一方面，公開(kāi)了一種積分電路。所述積分電路包括電阻元件、放大器、積分反饋電容器、電壓調(diào)整電路和邏輯電路。所述電阻元件配置用于接收輸入電壓信號(hào)。所述放大器耦合到電阻元件的輸出。積分反饋電容器耦合到放大器的輸入并耦合到放大器的輸出。電壓調(diào)整電路耦合到放大器的輸入，其中所述電壓調(diào)整電路配置成如果所述輸出電壓達(dá)到一個(gè)或多個(gè)定義的界限，則通過(guò)電壓調(diào)整來(lái)調(diào)整放大器輸出處的輸出電壓。所述邏輯電路耦合到所述電壓調(diào)整電路，其中所述邏輯電路配置用于控制所述電壓調(diào)整電路，并且計(jì)數(shù)在積分時(shí)間周期內(nèi)由所述電壓調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)的電壓調(diào)整的次數(shù)。輸出電壓的每個(gè)調(diào)整可以是固定的調(diào)整電壓Vj。一個(gè)或多個(gè)定義的界限包括閾值高電壓Vth和閾值低電壓Vtl。如果輸出電壓減小到閾值低電壓Vtl則所述調(diào)整電壓Vj可以是正值，而如果輸出電壓增加到閾值高電壓Vth則所述調(diào)整電壓Vj可以是負(fù)值。所述積分電路還可以包括耦合到放大器的輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以在每個(gè)積分時(shí)間周期將輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。所述積分電路還包括耦合到所述邏輯電路的乘法電路，其中所述乘法電路接收包含所述電壓調(diào)整次數(shù)的計(jì)數(shù)值的第一輸入和包含所述固定調(diào)整電壓Vj的數(shù)字表示的第二輸入，并且所述乘法電路輸出兩個(gè)輸入的乘積。所述積分電路還可以包括耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述乘法電路的加法電路，其中所述加法電路配置成將從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字值與所述乘法電路輸出的乘積相加，以產(chǎn)生針對(duì)積分時(shí)間周期重建的電壓輸出。所述積分反饋電容器的大小可以與積分時(shí)間周期無(wú)關(guān)，使得所述積分時(shí)間周期與所述積分電路的Re時(shí)間常數(shù)解除耦合。所述積分電路還可以包括耦合到所述積分反饋電容器、放大器和邏輯電路的比較電路，其中所述比較電路配置成接收所述輸出電壓，以將所述輸出電壓和所述一個(gè)或多個(gè)定義的界限比較，并且輸出比較結(jié)果到所述邏輯電路。所述邏輯電路可以包括程序指令，該程序指令配置成執(zhí)行將所述輸出電壓和所述一個(gè)或多個(gè)定義的界限比較的步驟，并根據(jù)比較結(jié)果控制所述電壓調(diào)整電路。所述電壓調(diào)整電路可以包括電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器(charge dump capacitor)和多個(gè)開(kāi)關(guān),其中所述電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)關(guān)中的第一開(kāi)關(guān)耦合到所述積分反饋電容器，并且所述多個(gè)開(kāi)關(guān)耦合到所述邏輯電路。所述電阻元件可以具有固定阻抗。所述電阻元件可以具有時(shí)變阻抗。在另一方面，公開(kāi)了一種對(duì)輸出電壓進(jìn)行積分的方法。所述方法包括對(duì)積分器中包含的電容器上的電荷進(jìn)行積分，并根據(jù)該電容器所累積的當(dāng)前電荷輸出瞬時(shí)積分輸出電壓。所述方法還包括比較所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值以確定所述瞬時(shí)積分輸出電壓是否在電壓范圍之內(nèi)。所述方法還包括，如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓不在所述電壓范圍之內(nèi)則調(diào)整所述電容器上的電荷，由此保持瞬時(shí)積分輸出電壓在電壓范圍之內(nèi)。所述方法還包括，確定對(duì)應(yīng)于在積分周期內(nèi)施加的所有的電荷增加或減少的累加電壓改變。所述方法還包括，在積分周期結(jié)束時(shí)，通過(guò)將累加電壓改變和瞬時(shí)積分輸出電壓相加而確定積分周期內(nèi)的總的積分電壓。電荷的調(diào)整可以包括，如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓大于或等于高閾值則減少所述電容器上的電荷，而如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓小于或等于閾值低電 壓則增加所述電容器上的電荷，其中減少所述電容器上的電荷減小了所述瞬時(shí)積分輸出電壓而增加所述電容器上的電荷增加了所述瞬時(shí)積分輸出電壓。所述電荷在積分周期期間可以被電容器持續(xù)積分。所述積分周期可以與所述積分器的RC時(shí)間常數(shù)解除耦合。所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值的比較可以由軟件執(zhí)行。所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值的比較可以使用一個(gè)或多個(gè)比較器執(zhí)行。調(diào)整所述電容器上的電荷可以導(dǎo)致所述瞬時(shí)積分輸出電壓的調(diào)整。所述瞬時(shí)積分輸出電壓的每個(gè)調(diào)整可以是固定的調(diào)整電壓Vj。所述一個(gè)或多個(gè)閾值可以包括閾值高電壓Vth和閾值低電壓Vtl。如果輸出電壓減小到閾值低電壓Vtl則所述調(diào)整電壓Vj可以是正值，而如果輸出電壓增加到閾值高電壓Vth則所述調(diào)整電壓Vj可以是負(fù)值。確定總的積分電壓可以包括，在每個(gè)積分時(shí)間周期將所述瞬時(shí)積分輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并將所述累加電壓改變和所述數(shù)字值相加。


參考附圖描述一些示例實(shí)施例，其中相似的組件使用相似的參考標(biāo)號(hào)。示例的實(shí)施例旨在示出而并不限制本發(fā)明。附圖包括以下的圖圖I示出了電容式觸摸屏面板中使用的示例性傳統(tǒng)電容式觸摸傳感器。圖2A和圖2B示出了用于測(cè)量外部電容器的電容并將測(cè)量的電容轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓的傳統(tǒng)模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖3示出了圖2A和圖2B中的電路的示例性響應(yīng)曲線。圖4示出了使用數(shù)字濾波的傳統(tǒng)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖5示出了另一個(gè)傳統(tǒng)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖6示出了根據(jù)第一實(shí)施例的使用相干檢測(cè)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖7示出了圖6的電路對(duì)于激勵(lì)頻率f等于300kHz的示例性頻率響應(yīng)。圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性混合電路的示意電路圖。
圖9示出了根據(jù)第二實(shí)施例的使用相干檢測(cè)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖10示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括跨導(dǎo)體作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的不意圖。圖11示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的示意圖。圖12示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括可編程電容元件作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的示意圖。圖13示出了在電阻R(t)和輸入電壓V(t)是恒定的簡(jiǎn)化條件下，圖9的相關(guān)器的輸出電壓Vout相對(duì)于時(shí)間的曲線。圖14示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的混合信號(hào)相關(guān)器的簡(jiǎn)化示意方框圖。圖15示出了對(duì)應(yīng)于圖14中的混合信號(hào)相關(guān)器的操作的示例性時(shí)序圖。 圖16示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于實(shí)現(xiàn)圖9中的混合信號(hào)相關(guān)器的電路。
具體實(shí)施例方式本申請(qǐng)的實(shí)施方式針對(duì)混合信號(hào)相關(guān)器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，混合信號(hào)相關(guān)器的以下詳細(xì)描述只是說(shuō)明性的，并不意圖以任意方式作出限制。混合信號(hào)相關(guān)器的其他實(shí)施方式容易讓它們本身為受益于從本公開(kāi)內(nèi)容的技術(shù)人員所想到?，F(xiàn)在將具體參照如附圖中所示的混合信號(hào)相關(guān)器的實(shí)施方式。相同參考標(biāo)記將在附圖和下文詳細(xì)描述中通篇用來(lái)指代相同或者相似部分。為求簡(jiǎn)潔，并未示出和描述這里描述的實(shí)施方式的所有例行特征。當(dāng)然可以理解，在開(kāi)發(fā)任何這樣的實(shí)際實(shí)施方式時(shí)，必須做出諸多因?qū)嵤┓绞蕉惖臎Q策以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的諸如與應(yīng)用和業(yè)務(wù)有關(guān)約束相符的具體目標(biāo)，并且這些具體目標(biāo)將隨實(shí)施方式和開(kāi)發(fā)者變化。另外可以理解，這樣的開(kāi)發(fā)工作可能復(fù)雜而耗時(shí)，但是對(duì)于受益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將是從事例行工程。在一些實(shí)施例中，電容測(cè)量由使用也稱為同步解調(diào)或相關(guān)的相干檢測(cè)的模擬前端電路執(zhí)行，以拒絕噪聲和/或其他干擾。圖6示出了根據(jù)第一實(shí)施例的使用相干檢測(cè)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖。相干檢測(cè)一般是指以某頻率f傳輸信號(hào)并以相同的頻率f檢測(cè)該信號(hào)。其他頻率的信號(hào)認(rèn)為是噪聲?；旌掀?0和積分器12統(tǒng)稱為相關(guān)器，其執(zhí)行同步解調(diào)或相關(guān)以拒絕噪聲和/或干擾。在一些實(shí)施例中，混合器包括運(yùn)算放大器以及包含可變電阻器的電阻器對(duì)，其中混合器的輸出電壓取決于輸入電壓乘以兩個(gè)電阻器之比。在一些實(shí)施例中，積分器包括運(yùn)算放大器、耦合到運(yùn)算放大器的輸入和輸出的反饋電容器以及耦合到運(yùn)算放大器的輸入的電阻器，其中積分器的輸出電壓等于電阻器和電容器乘積的倒數(shù)乘以在一段時(shí)間內(nèi)輸入電壓的積分。作為選擇，可以使用其他傳統(tǒng)的混合器和積分器配置。信號(hào)產(chǎn)生器8產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)sin (on)，其中ω = 2 Ji f。激勵(lì)信號(hào)sin (ω t)乘以參考電壓Vref。所得的信號(hào)Vref*sin(on)根據(jù)電容器Cm的測(cè)量電容進(jìn)行調(diào)制。該調(diào)制信號(hào)由低噪聲放大器9放大，輸入到混合器10并與原始激勵(lì)信號(hào)Sin(Cot)進(jìn)行混合?；旌掀?0將兩個(gè)輸入信號(hào)、調(diào)制并放大的激勵(lì)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)相乘。相乘的信號(hào)然后由積分器12在時(shí)間周期T上進(jìn)行積分。時(shí)間周期T是周期Ι/f的倍數(shù)。將兩個(gè)正弦波信號(hào)相乘得到的結(jié)果是DC電壓項(xiàng)(Cm/2Cf) Vref加上兩倍頻率的正弦項(xiàng)，其中正弦項(xiàng)在多個(gè)頻率上的積分會(huì)抵消，只剩下DC電壓項(xiàng)。只有當(dāng)存在理想信號(hào)時(shí)是這樣的結(jié)果。當(dāng)引入了噪聲的時(shí)候，噪聲也乘以激勵(lì)信號(hào)Sin(Qt)并被積分。輸出電壓Vout可以表示如下
CtrVnl =+ J n(f) sia(2^ft)dt ⑴其中T是Ι/f的倍數(shù)，n(t)表示噪聲。積分器12提供了峰值在f附近的帶通濾波功能，從而等式(I)中第二項(xiàng)包含的噪聲被濾除。輸出電壓Vout是隨后能夠使用ADC采樣的DC電壓項(xiàng)。沒(méi)有動(dòng)態(tài)信號(hào)要進(jìn)行采樣。圖7示出了圖6的電路對(duì)于激勵(lì)頻率f等于300kHz的示例性頻率響應(yīng)。在示例 性應(yīng)用中，圖6的電路被配置用于窄帶通濾波，并且圖7的相應(yīng)的窄帶頻率響應(yīng)顯示了該電路對(duì)于300kHz有非常好的選擇性。其他頻率被濾除。除了濾除噪聲之外，圖6中顯示的相干檢測(cè)電路也容易適用于產(chǎn)生交替頻率的激勵(lì)信號(hào)以改變帶通功能。這種調(diào)諧不需要改變LNA、混合器10或者積分器12。簡(jiǎn)單地改變信號(hào)產(chǎn)生器8以產(chǎn)生備選頻率處的激勵(lì)信號(hào)。相形之下，圖5中的傳統(tǒng)的模擬前端電路中的BPF組件(例如BPF中的電阻器和電容器)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變帶通功能。盡管上述應(yīng)用是根據(jù)正弦波在上面描述的，但可以理解其他波形可以用于施加相干檢測(cè)。等式⑴可以概括為V0 = Jo￡(OC(iVi+⑵其中E(t)是提供到電容器Cm的激勵(lì)信號(hào)，而C(t)是輸入到混合器的相關(guān)信號(hào)。E(t)和C(t)可以是任何波形信號(hào)，以使E(t)和C(t)相關(guān)。選擇E(t)和C(t)使得使E(t)C(t)的積分最大化并且使n (t) C (t)的積分最小化。選擇與噪聲最不相關(guān)的C (t)。時(shí)間周期T是E(t)*C(t)周期的倍數(shù)?；旌掀?0的實(shí)現(xiàn)是個(gè)重要的任務(wù)?；旌掀?0配置用于將兩個(gè)輸入模擬信號(hào)、調(diào)制并放大的激勵(lì)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行相乘。在一些應(yīng)用中，該乘法函數(shù)是線性的。為了獲得線性傳遞函數(shù)，混合器10使用10-12位線性乘法器。這樣的混合器很難構(gòu)建并且很昂貴。圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性混合電路的示意電路圖。該混合電路包括兩種輸入端口，一種In端口和一種Lo端口。In端口接收從放大器9 (圖6)輸出的調(diào)制信號(hào)。Lo端口接收原始激勵(lì)信號(hào)sin(on)。正如本領(lǐng)域熟知的，正端口和負(fù)端口表示差分信號(hào)。In端口可以做成線性的，但是Lo端口僅僅是一個(gè)提供方波響應(yīng)的開(kāi)關(guān)。這提供了對(duì)于需要頻率的不希望的諧波信號(hào)的有限抑制。例如，方波的3次諧波僅僅低于基頻SdB ;因此，3*f的干擾將僅僅有8dB的衰減。在可替代的結(jié)構(gòu)中，結(jié)合混合器和積分器的功能并對(duì)其簡(jiǎn)化使得降低執(zhí)行線性乘法相關(guān)的復(fù)雜性。使用簡(jiǎn)化的描述，混合器可以包括運(yùn)算放大器和包含可變電阻器的電阻器對(duì)，其中混合器的輸出電壓取決于輸入電壓乘以兩個(gè)電阻器之比。積分器包括運(yùn)算放大器、耦合到運(yùn)算放大器的輸入和輸出的反饋電容器以及耦合到運(yùn)算放大器的輸入的電阻器，其中積分器的輸出電壓等于電阻器和電容器乘積的倒數(shù)乘以在一段時(shí)間內(nèi)輸入電壓的積分。注意到量值1/R是前面提到的積分器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。由于需要乘法功能來(lái)混合調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)，例如由在圖6中的混合器10執(zhí)行的功能。如果量值1/R能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)制，則電阻元件就可以用于執(zhí)行乘法功能。可編程電阻元件可以用于執(zhí)行這個(gè)功能。代替分立的混合和積分器電路，這兩個(gè)功能結(jié)合為一個(gè)單一的集成電路，該單一的集成電路包括單一的運(yùn)算放大器、電容器和可編程電阻元件。圖9示出了根據(jù)第二實(shí)施例的使用相干檢測(cè)的模擬前端電路的簡(jiǎn)化示意方框圖?？删幊屉娮柙in、放大器14以及積分反饋電容器Ci形成具有結(jié)合了混合器和積分器的功能性的集成電路?？删幊屉娮柙趫D9中表示為帶有箭頭的Rin。在一些實(shí)施例中，可編程電阻元件Rin實(shí)現(xiàn)為數(shù)字電阻器陣列，在圖9的放大區(qū)域中顯示為電阻器陣列Rl-Rx。陣列中的每個(gè)電阻器Rl-Rx都耦合到相應(yīng)的通斷開(kāi)關(guān)Sl-Sx。陣列中的一個(gè)或多個(gè)電阻器Rl-Rx可以接通以使得可編程電阻元件Rin的總電導(dǎo)率模擬一個(gè)希望的波形，例如正弦波。以這種方式，電阻器陣列Rl-Rx中的電阻器的合適結(jié)合可以接通以表示調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)相乘，由此執(zhí)行之前由圖6中的混合器10執(zhí)行的乘法功能。開(kāi)關(guān)Sl-Sx由數(shù)字化波形控制，例如數(shù)字化正弦波?？删幊屉娮柙in的電導(dǎo)率G(t)等于1/R(t)，該電導(dǎo)率與正弦波成比例，其中R(t)是電阻器陣列Rl-Rx中所有接
通的電阻器的總電阻。待數(shù)字化的信號(hào)是一個(gè)相關(guān)信號(hào)，它與由信號(hào)產(chǎn)生器18產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)相關(guān)。在示例性的應(yīng)用中，正弦波sin(cot)被數(shù)字化。所得的數(shù)字化字用于控制數(shù)字開(kāi)關(guān)Sl-Sx。這導(dǎo)致可編程電阻器Rin的電導(dǎo)率具有正弦波特性，其被表示為數(shù)字化正弦波sin(nT)，如圖7所示，其中“nT”表明正弦波在數(shù)值上和時(shí)間上均被量化。數(shù)字化正弦波sin(ηΤ)是可編程電阻器陣列在積分時(shí)間周期T的片斷狀分量的總和。時(shí)間周期T是周期Ι/f的倍數(shù)。數(shù)字化正弦波Sin(IiT)可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并且隨后獲取以應(yīng)用于數(shù)字開(kāi)關(guān)Sl-Sx。輸入到可編程電阻元件Rin的調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)，其形狀也像是正弦波，因此可編程電阻元件Rin的輸出處的結(jié)果是個(gè)乘積值，其然后被根據(jù)運(yùn)算放大器14和積分反饋電容器Ci進(jìn)行積分。從積分器輸出的電壓Vout作為輸入提供到ADC(未示出)并隨后處理。ADC在每個(gè)時(shí)間周期采樣電壓Vout，例如每10微秒。在采樣電壓Vout之后，積分反饋電容器Ci通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)16而被放電。放電之后，為由積分時(shí)間周期T定義的下一個(gè)周期打開(kāi)開(kāi)關(guān)16。圖6和圖9的模擬前端電路在電容檢測(cè)應(yīng)用中使用相干檢測(cè)。在一個(gè)示例性應(yīng)用中，模擬前端電路使用相干檢測(cè)測(cè)量觸摸屏顯示器的電容。模擬前端電路提供了良好的抗噪聲和抗干擾性，并提供了更高的信噪比。圖9的模擬前端電路通過(guò)使用可編程電阻元件而結(jié)合了傳統(tǒng)的混合器和積分器的功能。該結(jié)合電路使用數(shù)字化波形代替模擬波形執(zhí)行乘法功能。數(shù)字化波形比模擬波形更容易產(chǎn)生。另外，結(jié)合的功能性使用單一的運(yùn)算放大器執(zhí)行，而不是使用具有第一運(yùn)算放大器的分立混合器和具有第二運(yùn)算放大器的分立積分器。圖6和圖9的模擬前端電路提供了連續(xù)時(shí)間信號(hào)路徑，在執(zhí)行采樣的情形中不執(zhí)行離散采樣功能，然后電容上的電荷被放電。信號(hào)連續(xù)地流過(guò)圖6的混合器和積分器，或者流過(guò)圖9的可編程電阻元件和積分電容器，并且因此由于即時(shí)采樣而沒(méi)有混疊。在相關(guān)器內(nèi)進(jìn)行反混疊。無(wú)需單獨(dú)設(shè)置反混疊濾波器。圖9的模擬前端電路具有良好的線性，因?yàn)榭删幊屉娮柙in中的電阻器和積分反饋電容器Ci都是非常線性的。圖6和圖9的模擬前端電路使用的電能少于傳統(tǒng)的模擬前端電路，例如圖4和5的模擬前端電路。耦合到圖6和圖9的模擬前端電路的ADC不需要與采樣活躍的模擬信號(hào)的ADC(例如圖4中使用的ADC) —樣多的電能。耦合到圖6和圖9的模擬前端電路的ADC可以慢一些且精度低一些。并且，如圖9中的使用可編程電阻元件執(zhí)行乘法功能，比如圖6中使用分立混合電路使用更少的電能并具有更小的區(qū)域。上面描述的是應(yīng)用到觸摸屏應(yīng)用中的模擬前端電路。并可可以預(yù)期替代的應(yīng)用。圖9示出的集成的混合器和積分器包括耦合到放大器和反饋電容器的可編程電阻器陣列。這個(gè)概念可以推廣為使用時(shí)變阻抗元件，該時(shí)變阻抗元件響應(yīng)于輸入控制而改變。時(shí)變阻抗元件耦合到放大器和反饋電容器。圖10描述了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括跨導(dǎo)體作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的示意圖。該跨導(dǎo)體具有使用數(shù)字或模擬控制 C控制的可編程跨導(dǎo)gm?？鐚?dǎo)gm可以隨時(shí)間改變以實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。圖11示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器v2i和電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的示意圖。電壓到電流轉(zhuǎn)換器v2i將輸入電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，并輸入到IDAC。IDAC具有使用數(shù)字或模擬控制C控制的可編程增益。有效阻抗可以隨時(shí)間改變以實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。圖12示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括可編程電容元件作為時(shí)變阻抗元件的集成混合和積分電路的示意圖?？删幊屉娙菰墓δ茴愃朴趫D9的可編程電阻元件，除了使用電容器代替電阻器。接通和斷開(kāi)可編程電容元件中的電容器以獲得希望的時(shí)變?cè)鲆?，其功能就是集成混合和積分電路中的乘法運(yùn)算。圖9-圖12中示出的集成混合和積分電路可以使用在替代觸摸屏的應(yīng)用中，包括但不限于射頻應(yīng)用和熱應(yīng)用。圖9中的可編程電阻元件Rin、開(kāi)關(guān)16、放大器14和積分反饋電容器Ci統(tǒng)稱為相關(guān)器。積分反饋電容器Ci是固定電容器?？删幊屉娮柙in是時(shí)變的且表示為R(t)。輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的關(guān)系是SC(3)其中C表示積分反饋電容器Ci的電容。等式(3)可以重新寫為
I TFoui=-Jo G(t)Vin(t)dt(4)其中G(t)是可編程電阻元件的跨導(dǎo)，G(t) = 1/R(t)。圖13示出了在電阻R(t)和輸入電壓V(t)是恒定的簡(jiǎn)化條件下，圖9的相關(guān)器的輸出電壓Vout相對(duì)于時(shí)間的曲線。由于等式(4)中對(duì)于常數(shù)值積分，因此結(jié)果是線性函數(shù)。由于放大器14(圖9)的正輸入?yún)⒖冀拥?，所以?dāng)積分反饋電容器Ci放電時(shí)輸出電壓Vout被重置到0V，這對(duì)應(yīng)于從t = O開(kāi)始的新積分周期。時(shí)間周期越長(zhǎng)，輸出電壓Vout越大。在實(shí)現(xiàn)中，輸出電壓Vout被限制為提供到放大器14的系統(tǒng)電源電壓Vdd。這樣，一旦輸出電壓Vout達(dá)到電源電壓Vdd，輸出電壓Vout不再隨時(shí)間增加，而是在電源電壓電平保持恒定。分歧在于如果應(yīng)用需要比輸出電壓達(dá)到電源電壓Vdd的時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)間周期t，則圖9的相關(guān)器對(duì)于積分反饋電容器Ci的給定值是不起作用的。然而，輸出電壓Vout相對(duì)于時(shí)間的曲線的斜率與電容Ci成反比關(guān)系。如果電容Ci增加，則曲線的斜率減小，這意味著輸出電壓達(dá)到電源電壓限制要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)的時(shí)間段。因此，更大的電容器的實(shí)現(xiàn)使更長(zhǎng)時(shí)間的積分周期得以實(shí)現(xiàn)。然而，更大的電容器具有更大的物理面積。更大的電容器也導(dǎo)致靈敏度降低，因?yàn)樵谕瑯拥姆e分時(shí)間周期內(nèi)，更大的電容器比小的電容器導(dǎo)致更小的積分輸出電壓電平。一般而言，依賴于應(yīng)用和相應(yīng)的積分時(shí)間周期，積分反饋電容器Ci的大小被優(yōu)化以獲得最大的可能輸出電壓Vout。如果積分時(shí)間周期越短，則電容器的尺寸就越小。如果積分時(shí)間周期越長(zhǎng)，則電容器的尺寸就越大。具有固定的電容不能提供多種應(yīng)用的靈活性。在示例性的觸摸屏顯示器應(yīng)用中，頻率響應(yīng)相對(duì)低，例如幾百kHz，因此積分時(shí)間周期相對(duì)長(zhǎng)并且RC乘積相對(duì)大。大的RC導(dǎo)致大的物理區(qū)域以及使用大量電能去操作。為了解決與具有固定電容的相關(guān)器關(guān)聯(lián)的限制，圖9的相關(guān)器可適于包括電荷調(diào)整電路。相關(guān)器和電荷調(diào)整電路統(tǒng)稱為混合信號(hào)相關(guān)器。如上所述，圖9的相關(guān)器具有混合和積分兩個(gè)功能性。在一些實(shí)施例中，相關(guān)器配置作為一個(gè)單純的積分器。作為一個(gè)單純的積分器，可以使用諸如電阻器的固定阻抗元件，代替諸如可編程電阻元件的時(shí)變阻抗元件。盡管隨后描述的是混合信號(hào)相關(guān)器，但可以理解該構(gòu)思可以應(yīng)用到積分器。圖14示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的混合信號(hào)相關(guān)器的簡(jiǎn)化示意方框圖?；旌闲盘?hào)相關(guān)器包括圖9的相關(guān)器，該相關(guān)器包含放大器14、積分反饋電容器Ci和可編程電阻元件Rin。圖14中的放大器14的正輸入耦合到已知電壓Vcm，例如一半的電源電壓Vdd。混合 信號(hào)相關(guān)器還包括兩個(gè)比較器19和20、開(kāi)關(guān)22、24、26、28和30、電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd和邏輯/計(jì)數(shù)器32。圖15示出了對(duì)應(yīng)于圖14中的混合信號(hào)相關(guān)器的操作的示例性時(shí)序圖。該時(shí)序圖顯示了輸出電壓Vout與時(shí)間的關(guān)系。圖14中的開(kāi)關(guān)22-30都顯示為斷開(kāi)，這僅僅是為了描述。正如將會(huì)聯(lián)系下面的時(shí)序圖進(jìn)行描述的，在混合信號(hào)相關(guān)器的操作期間，開(kāi)關(guān)的各種組合被斷開(kāi)和閉合。在每個(gè)積分周期之后，閉合開(kāi)關(guān)16并且積分反饋電容器Ci被放電。然后在下一個(gè)積分周期期間斷開(kāi)開(kāi)關(guān)16。時(shí)序圖顯示了積分周期在時(shí)間點(diǎn)t = O開(kāi)始。在積分周期的開(kāi)始，輸出電壓Vout等于放大器14的正輸入處提供的電壓Vcm，在這種情況下是一半的電源電壓Vdd。比較器19比較瞬時(shí)輸出電壓Vout和閾值高電壓Vth，比較器20比較瞬時(shí)輸出電壓Vout和閾值低電壓Vtl。隨著時(shí)間從t = O增加，輸出電壓Vout上升直到在tl時(shí)刻到達(dá)閾值高電壓Vth。當(dāng)輸出電壓Vout等于或超出閾值高電壓Vth時(shí)，比較器19信號(hào)指示邏輯/計(jì)數(shù)器32執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)或電壓調(diào)整操作以使得輸出電壓Vout減小并保持在電源電壓范圍內(nèi)。設(shè)置閾值高電壓Vth的值小于電源電壓Vdd,并設(shè)置閾值低電壓Vtl的值大于O。邏輯/計(jì)數(shù)器32控制開(kāi)關(guān)22-30。當(dāng)輸出電壓Vout在閾值高電壓和閾值低電壓(分別是Vth和Vtl)范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)關(guān)26和30閉合而開(kāi)關(guān)22、24和28斷開(kāi)以使得電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd被放電。當(dāng)比較器19信號(hào)指示輸出電壓Vout等于或超出閾值高電壓Vth，例如在tl時(shí)刻，開(kāi)關(guān)30和26斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)24保持?jǐn)嚅_(kāi)，此外開(kāi)關(guān)22和28閉合。轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器充電到參考電壓Vr并且電荷Vr*Cd被轉(zhuǎn)儲(chǔ)到運(yùn)算放大器14的負(fù)端子，這將引起輸出電壓Vout的負(fù)電壓調(diào)整_Vj。電壓降-Vj的量根據(jù)參考電壓Vr以及電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd和積分反饋電容器Ci的電容而確定。具體地，電壓降-Vj = Vr(Cd/Ci)。在圖15的時(shí)序圖示出的示例性應(yīng)用中，電壓調(diào)整Vj等于閾值高電壓Vth和閾值低電壓Vtl之間的差的一半，從而將輸出電壓Vout降低到兩個(gè)閾值電壓之間的中點(diǎn)。時(shí)序圖顯示了應(yīng)用電壓調(diào)整作為當(dāng)達(dá)到閾值電壓時(shí)的瞬時(shí)響應(yīng)，例如在時(shí)間點(diǎn)11。這僅僅是出于說(shuō)明的目的。實(shí)際上，存在對(duì)應(yīng)于充電轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd的延遲。
在時(shí)刻tl的輸出電壓調(diào)整之后，開(kāi)關(guān)22和28斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)24保持?jǐn)嚅_(kāi)，而開(kāi)關(guān)26和30閉合以致電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd放電。隨著時(shí)間增加，t > tl，輸出電壓Vout增加直到在時(shí)刻t2再一次達(dá)到高電壓閾值Vth，并且再一次觸發(fā)并初始化輸出電壓向下調(diào)整，-Vj0時(shí)序圖中的第二曲線3反映了如果電路沒(méi)有配置電壓調(diào)整的輸出電壓Vout，如圖9的相關(guān)器中那樣，并且該電路不受電源電壓Vdd的限制。實(shí)際上，輸出電壓Vout將無(wú)法超出電源電壓Vdd。在時(shí)刻t2的第二次輸出電壓調(diào)整之后，開(kāi)關(guān)22和28斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)24保持?jǐn)嚅_(kāi)，而開(kāi)關(guān)26和30閉合以致電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd放電。隨著時(shí)間增加，t > t2，輸出電壓Vout增力口。然而，在這種情況下輸出電壓Vout最終并不達(dá)到觸發(fā)閾值高電壓Vth就開(kāi)始在數(shù)值上減小。輸出電壓Vout的降低是由于輸入電壓Vin的符號(hào)的改變,例如在時(shí)刻t3。隨時(shí)間增加，t > t3，輸出電壓Vout—直減小直到在時(shí)刻t4達(dá)到閾值低電壓電平Vtl。當(dāng)輸出電壓 Vout等于或小于閾值低電壓Vtl，比較器20信號(hào)指示邏輯/計(jì)數(shù)器32執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)操作使得輸出電壓Vout增加并保持在電源電壓范圍之內(nèi)。當(dāng)比較器20信號(hào)指示輸出電壓Vout等于或小于閾值低電壓Vtl時(shí)，開(kāi)關(guān)26和30斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)22保持?jǐn)嚅_(kāi)，而開(kāi)關(guān)24和28閉合從而適當(dāng)充電轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd。轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器充電到參考電壓-Vr并且電荷-Vr*Cd轉(zhuǎn)儲(chǔ)到運(yùn)算放大器14的負(fù)端子，這引起對(duì)輸出電壓Vout的正電壓調(diào)整+Vj。電壓增益+Vj的量根據(jù)參考電壓Vr以及電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd和積分反饋電容器Ci的電容而確定。具體地，電壓降+Vj = Vr (Cd/Ci)。在時(shí)刻t4的第三次輸出電壓調(diào)整之后，開(kāi)關(guān)24和28斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)22保持?jǐn)嚅_(kāi)，而開(kāi)關(guān)26和30閉合從而電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd放電。隨著時(shí)間增加，t > t4，輸出電壓Vout增加直到在時(shí)刻t5再一次達(dá)到高電壓閾值Vth，并且再一次觸發(fā)并初始化輸出電壓向下調(diào)整，-Vj。在時(shí)刻t5的第四次輸出電壓調(diào)整之后，開(kāi)關(guān)22和28斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)24保持?jǐn)嚅_(kāi)，而開(kāi)關(guān)26和30閉合從而電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器Cd放電。隨著時(shí)間增加，t > t5，輸出電壓Vout增加直到積分周期在時(shí)刻T結(jié)束?？梢岳斫庥糜诋a(chǎn)生輸出電壓調(diào)整+Vj和-Vj的電路只是一個(gè)例子，并且可以使用其他電路結(jié)構(gòu)來(lái)獲得相同的輸出電壓調(diào)整。邏輯/計(jì)數(shù)器32保持在積分周期內(nèi)所作出的輸出電壓調(diào)整的數(shù)目的連續(xù)計(jì)數(shù)值Cn。在電壓調(diào)整降-Vj的情況下，當(dāng)輸出電壓Vout達(dá)到閾值高電壓Vth時(shí)，計(jì)數(shù)值加一，+1。在電壓調(diào)整增益+Vj的情況下，當(dāng)輸出電壓Vout達(dá)到閾值低電壓Vtl時(shí)，計(jì)數(shù)值減一，-I。如應(yīng)用到圖15的時(shí)序圖，由于三個(gè)電壓降，+3，以及一個(gè)電壓增益，-1，時(shí)刻T的計(jì)數(shù)值等于
+2 ο為了確定在積分周期T內(nèi)的實(shí)際積分輸出電壓，時(shí)刻T的輸出電壓Vout被加到當(dāng)前計(jì)數(shù)值Cn和電壓調(diào)整Vj的乘積。如應(yīng)用到圖15的時(shí)序圖，由于圖15的時(shí)序圖相應(yīng)的計(jì)數(shù)值Cn是+2，實(shí)際積分輸出電壓等于當(dāng)前輸出電壓Vout+2Vj。在積分周期T上的實(shí)際積分輸出電壓也稱為重建輸出電壓。圖16示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于實(shí)現(xiàn)圖9中的混合信號(hào)相關(guān)器的電路。ADC34被耦合用于接收輸出電壓Vout。ADC 34也輸入?yún)⒖茧妷篤r。ADC 34的數(shù)字輸出耦合到加法電路36。乘法器38耦合到邏輯/計(jì)數(shù)器32，以接收計(jì)數(shù)值Cn，其中計(jì)數(shù)值Cn是積分周期結(jié)束時(shí)刻T的計(jì)數(shù)值。乘法器38還接收常數(shù)G作為輸入，其中G是電壓調(diào)整Vj的數(shù)字表示。乘法器38輸出乘積Cn*G到加法電路36，其中轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出電壓被加到乘積Cn*G。加法電路36的輸出Dr是重建輸出電壓的數(shù)字表不。輸出Dr是模擬積分器輸出和數(shù)字計(jì)數(shù)器輸出的加權(quán)和。使用混合信號(hào)相關(guān)器的輸出電壓調(diào)整技術(shù)，輸出電壓Vout保持在以閾值高電壓Vth和閾值低電壓Vtl為界限的范圍內(nèi)，并且積分周期內(nèi)的實(shí)際積分輸出電壓可以重建，就像不存在電源電壓的限制一樣。使用混合信號(hào)相關(guān)器的輸出電壓調(diào)整技術(shù)也使得可以使用更小的電容器用于電容測(cè)量，這導(dǎo)致更大的靈敏度。該技術(shù)也不依賴于積分周期，積分周期可以依據(jù)需要設(shè)置的或長(zhǎng)或短。以此方式，積分時(shí)間與電容器的大小解除耦合。可以通過(guò)向計(jì)數(shù)器32增加位而增大最大積分時(shí)間。額外的計(jì)數(shù)器位也增加了最終輸出的最終分辨率。在替代的實(shí)施例中，由混合信號(hào)相關(guān)器執(zhí)行的比較器功能在軟件中執(zhí)行。例如，比較器19和20可以由例如在控制/邏輯模塊32中運(yùn)行的軟件代替，其中該軟件比較瞬時(shí)輸出電壓Vout和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的高和閾值低電壓。 上述的混合信號(hào)相關(guān)器包括單一的計(jì)數(shù)器用于保持正的和負(fù)的電壓調(diào)整二者的連續(xù)的結(jié)果計(jì)數(shù)值?？商娲?，可以使用分離的計(jì)數(shù)器，第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)正電壓調(diào)整，以及第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)負(fù)電壓調(diào)整。這兩個(gè)計(jì)數(shù)值然后可以合計(jì)在一起，其中第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值認(rèn)為是正的而第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值認(rèn)為是負(fù)的。已經(jīng)根據(jù)包含細(xì)節(jié)的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，以促進(jìn)對(duì)于混合信號(hào)相關(guān)器的建立和操作原理的理解。為了實(shí)現(xiàn)必要的結(jié)果，在各圖中顯示和描述的多個(gè)組件可以相互變換，并且閱讀說(shuō)明書(shū)也應(yīng)該包括這種相互變換。如此，本文引用的具體實(shí)施例及其細(xì)節(jié)不旨在限制所附的權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)將明白的是，可以在不脫離本申請(qǐng)精神和范圍的情況下對(duì)為了說(shuō)明而選擇的實(shí)施例作出修改。
權(quán)利要求
1.一種積分電路，包括 a.電阻元件，配置成接收輸入電壓信號(hào)； b.放大器，耦合到所述電阻元件的輸出； c.積分反饋電容器，耦合到所述放大器的輸入和所述放大器的輸出； d.電壓調(diào)整電路，耦合到所述放大器的輸入，其中所述電壓調(diào)整電路配置成如果所述放大器的輸出處的輸出電壓達(dá)到一個(gè)或多個(gè)定義的界限，通過(guò)電壓調(diào)整來(lái)調(diào)整所述輸出電壓；以及 e.邏輯電路，耦合到所述電壓調(diào)整電路，其中所述邏輯電路配置成控制所述電壓調(diào)整電路，并且計(jì)數(shù)在積分時(shí)間周期期間由所述電壓調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)的電壓調(diào)整的次數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述輸出電壓的每次調(diào)整包括固定的調(diào)整電壓Vjo
3.如權(quán)利要求2所述的積分電路，其中所述一個(gè)或多個(gè)定義的界限包括閾值高電壓Vth和閾值低電壓VtI。
4.如權(quán)利要求3所述的積分電路，其中，如果所述輸出電壓減小到閾值低電壓Vtl則所述調(diào)整電壓Vj是正值，并且如果所述輸出電壓增加到閾值高電壓Vth則所述調(diào)整電壓Vj是負(fù)值。
5.如權(quán)利要求4所述的積分電路，進(jìn)一步包括耦合到所述放大器的輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于在每個(gè)積分時(shí)間周期將所述輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。
6.如權(quán)利要求5所述的積分電路，進(jìn)一步包括耦合到所述邏輯電路的乘法電路，其中所述乘法電路接收包含所述電壓調(diào)整次數(shù)的計(jì)數(shù)的第一輸入和包含所述固定調(diào)整電壓Vj的數(shù)字表示的第二輸入，并且所述乘法電路輸出該兩個(gè)輸入的乘積。
7.如權(quán)利要求6所述的積分電路，進(jìn)一步包括耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述乘法電路的加法電路，其中所述加法電路配置用于將從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字值與從所述乘法電路輸出的乘積相加，以生成針對(duì)所述積分時(shí)間周期的重建電壓輸出。
8.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述積分反饋電容器的大小與所述積分時(shí)間周期無(wú)關(guān)，使得所述積分時(shí)間周期與所述積分電路的RC時(shí)間常數(shù)解除耦合。
9.如權(quán)利要求I所述的積分電路，進(jìn)一步包括耦合到所述積分反饋電容器、所述放大器和所述邏輯電路的比較電路，其中所述比較電路配置成接收所述輸出電壓、將所述輸出電壓和所述一個(gè)或多個(gè)定義的界限進(jìn)行比較并輸出比較結(jié)果到所述邏輯電路。
10.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述邏輯電路包括程序指令，該程序指令配置成執(zhí)行所述輸出電壓和所述一個(gè)或多個(gè)定義的界限比較的步驟，并根據(jù)比較結(jié)果控制所述電壓調(diào)整電路。
11.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述電壓調(diào)整電路包括電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器和多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中所述電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容器通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)關(guān)中的第一開(kāi)關(guān)耦合到所述積分反饋電容器，并且所述多個(gè)開(kāi)關(guān)耦合到所述邏輯電路。
12.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述電阻元件具有固定阻抗。
13.如權(quán)利要求I所述的積分電路，其中所述電阻元件具有時(shí)變阻抗。
14.一種對(duì)輸出電壓進(jìn)行積分的方法,所述方法包括 a.對(duì)積分器中包含的電容器上的電荷進(jìn)行積分，并根據(jù)所述電容器所累積的當(dāng)前電荷輸出瞬時(shí)積分輸出電壓； b.比較所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值以確定所述瞬時(shí)積分輸出電壓是否在電壓范圍之內(nèi)； c.如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓不在所述電壓范圍之內(nèi)則調(diào)整所述電容器上的電荷，由此保持所述瞬時(shí)積分輸出電壓在電壓范圍之內(nèi)； d.確定在積分周期內(nèi)施加的對(duì)應(yīng)于所有的電荷增加或減少的累加電壓改變；以及 e.在所述積分周期結(jié)束時(shí)，通過(guò)將所述累加電壓改變和所述瞬時(shí)積分輸出電壓相加而確定所述積分周期內(nèi)的總的積分電壓。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中電荷的調(diào)整包括，如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓大于或等于高閾值則減少所述電容器上的電荷，而如果所述瞬時(shí)積分輸出電壓小于或等于低閾值則增加所述電容器上的電荷，其中減少所述電容器上的電荷減小了所述瞬時(shí)積分輸出電壓，而增加所述電容器上的電荷增加了所述瞬時(shí)積分輸出電壓。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電荷在所述積分周期期間被所述電容器持續(xù)積分。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述積分周期與所述積分器的RC時(shí)間常數(shù)解除耦
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值的比較由軟件執(zhí)行。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述瞬時(shí)積分輸出電壓和一個(gè)或多個(gè)閾值的比較使用一個(gè)或多個(gè)比較器執(zhí)行。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中調(diào)整所述電容器上的電荷導(dǎo)致所述瞬時(shí)積分輸出電壓的調(diào)整。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述瞬時(shí)積分輸出電壓的每次調(diào)整包括固定的調(diào)整電壓Vj。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)閾值包括閾值高電壓Vth和閾值低電壓Vtl。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中如果所述輸出電壓減小到所述閾值低電壓Vtl則所述調(diào)整電壓Vj是正值，并且如果所述輸出電壓增加到所述閾值高電壓Vth則所述調(diào)整電壓Vj是負(fù)值。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中確定所述總的積分電壓包括，在每個(gè)積分時(shí)間周期將所述瞬時(shí)積分輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并將所述累加電壓改變和所述數(shù)字值相加。
全文摘要
本發(fā)明涉及混合信號(hào)積分器結(jié)構(gòu)。混合信號(hào)相關(guān)器在電容測(cè)量應(yīng)用中使用相干檢測(cè)。在一些應(yīng)用中，混合信號(hào)相關(guān)器用于測(cè)量觸摸屏顯示器的電容。電容待被測(cè)量的外部電容器為提高靈敏度而保持小并且可以用于各種應(yīng)用中，該各種應(yīng)用具有用于變化的測(cè)量的積分周期。通過(guò)調(diào)整輸出電壓在小于電源電壓的范圍內(nèi)，并且為之后重建積分周期的實(shí)際輸出電壓而保持所述調(diào)整的計(jì)數(shù)值，所述外部電容器保持小并且可以用于各種應(yīng)用中。輸出是模擬積分器輸出和數(shù)字計(jì)數(shù)器輸出的加權(quán)和。
文檔編號(hào)G06F3/044GK102882505SQ20121011873
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者O·E·厄爾多甘, 沈國(guó)重, R·阿南撒拉曼, A·塔帕里阿, B·賈維德, S·T·穆哈默德 申請(qǐng)人:馬克西姆綜合產(chǎn)品公司