CN102072739A - 电容感测电路以及电容差异感测方法 - Google Patents

Abstract

一种电容感测电路，包含：一控制电路，用以根据一第一电压以及一第二电压以产生一控制信号；一第一待测电容；一第二待测电容；以及一电压控制单元，用以根据该控制信号配合该第一待测电容以及该第二待测电容来控制该第一电压以及该第二电压。

Description

电容感测电路以及电容差异感测方法

技术领域

本发明是有关于电容感测电路以及电容差异感测方法，特别有关于不须计算出待测电容的实际电容值的电容感测电路以及电容差异感测方法。

背景技术

在现代电子装置中，电容式传感器是一种很普遍的技术，常被使用在类似触控面板的元件上。然而，已知技术中的电容式传感器可能面临许多不同的问题。举例来说，若作为触控面版使用时，透明导电膜(ITO)的贴合可能会造成电容不均匀的问题。此外，各种电子装置中也可能存在着寄生电容、系统背景电容(background capacitance)或系统干扰的问题，造成良率下降，或者必须花费大量人力时间来检查产品的缺陷。除此之外，若系统背景电容过大，而感测电容的变化量(例如，手指接触后所引起的电容变化)过小，则难以判断出感测电容的变化，须要较高分辨率才能有效判断。

图1绘示了已知技术的电容感测电路其中一例。在图1中电容感测电路100利用弛张振荡传感器(relaxation oscillator)的方式来求得电容值。其是针对电容101和电容103不断地充放电，并利用振荡器的频率和电流ID1的值来求出电容101和电容103的电容值。其关系式可如方程式(1)所示，其中FOSC代表振荡器频率，Cstay代表电容101的值，而CS代表电容103的值。

Fosc∝dV·(C_stray+C_S)/I_D1--------------(1)

由于此类技术的详细技术内容为本领域技术人员所知悉，故在此不再赘述。然而，此类的电容感测方式需要使用到模拟数字转换器(未绘示，因转换器种类繁多，不易一一表示)来感测，而模拟数字转换器的感测范围须依不同的寄生电容和背景电容而有所不同。随着感测范围不同，模拟数字转换器的动态范围和灵敏度会有所不同，因此产品的良率和出货时间亦会受到影响。

图2绘示了已知技术的电容感测电路另外一例。在图2所示的电容感测电路200中，亦使用了模拟数字转换器201来感测电压，其感测的电压如同方程式(2)所示。

$V_S=\mathrm{VDD}\·\frac{C_S}{C_S+C_{\mathrm{Stray}}}----------------\left(2\right)$

其中C_s表示电容203的电容值，C_stray表示电容205的值。与图1中所述的例子类似，图2所示的电路亦需要高分辨率的模拟数字转换器201。但在图2所示的例子中，模拟数字转换器201大部份的解析位(resolution bit)却得浪费在C_stray+C_s上，会降低感测的零敏度和动态范围。此外，在方程式(2)中，系统的噪声会影响到Vs，相对的影响到模拟数字转换器201的输出。

综上所述，在已知技术中皆为检测电容的绝对值，因此容易受到寄生电容、系统背景电容或是各种噪声的影响造成误判。

发明内容

因此，本发明的一目的为提供一种电容感测电路以及电容感测方法，其可不须检测电容绝对值只需感测到电容值的变化。

本发明的一实施例揭露了一种电容感测电路，包含：一控制电路，用以根据一第一电压以及一第二电压以产生一控制信号；一第一待测电容；一第二待测电容；以及一电压控制单元，用以根据该控制信号配合该第一待测电容以及该第二待测电容来控制该第一电压以及该第二电压。

本发明的另一实施例揭露了一种电容差异感测方法，包含：(a)使用一电压控制单元配合一第一待测电容以及一第二待测电容来产生一第一电压以及一第二电压；以及(b)根据该第一电压以及该第二电压的值，以及该电压控制单元的参数来计算出该第一待测电容以及该第二待测电容的差异。

根据前述的实施例，可在不用感测确切电容值的情况下感测到待测电容的电容变化，且可以忽略掉比较器的偏移。此外，差动输入可以有效抑制共模干扰，且电容差值跟电源无关，可以改善电源抑制比。更好的是，仅使用一比较器以及一简易的数字逻辑控制器可达到省电却高分辨率的好处。

附图说明

图1和图2分别绘示了已知技术的电容感测电路的其中一例。

图3绘示了根据本发明的一实施例的电容感测电路。

图4绘示了根据本发明的一实施例的电容感测方法。

[主要元件标号说明]

101、103、203、205电容        100、200、300电容感测电路

201模拟数字转换器             301控制电路

303第一待测电容               305第二待测电容

307电压控制单元               309，311固定电容

313比较器                     315控制信号产生器

317、319、321、323、325以及327开关

具体实施方式

在说明书及上述的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及上述的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及上述的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。以外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图3绘示了根据本发明的一实施例的电容感测电路300。如图3所示，电容感测电路300包含一控制电路301、一第一待测电容303、一第二待测电容305、一电压控制单元307以及固定电容309、311。控制电路301用以根据一第一电压V₁以及一第二电压V₂以产生一控制信号CSI。电压控制单元307用以根据控制信号CSI配合一第一待测电容303、一第二待测电容305、一电压控制单元307以及固定电容309、311来控制第一电压V₁以及第二电压V₂。在此实施例中，电压控制单元307可为一可变电容或一电容矩阵，而控制电路301包含一比较器313以及一控制信号产生器315。比较器313第一电压V₁以及第二电压V₂于输出端输出一比较结果信号。控制信号产生器315(可为一数字逻辑控制器)，并根据比较结果信号来产生控制信号CSI。然而，电压控制单元307可由其它元件来施行，而控制电路301亦可以包含其它的元件。此外，固定电容309、311在此例中为系统中必然会存在的背景电容或其它固定电容，但亦可为另外提供的电容。

在这样的结构下，若通过控制电路301将第一电压V₁以及第二电压V₂调整成相同，则可测得第一待测电容303以及第二待测电容305的差异值，如底下方程式(3)和(4)所示。

其中C_ST表示背景电容值、C_S1表示第一待测电容303的电容值，C_S2表示第二待测电容305，C_df表示第一待测电容303和第二待测电容305的差异的均值、C_DA表示电压控制单元307的电容值、C_ST1表示电容309的值，且C_ST2表示电容311的值。由下列方程式可看出，当把第一电压V₁和第二电压V₂的差异设成0时，C_df可如方程式(3)一般，由C_S、C_S1、C_S2、C_ST1、C_ST2、C_df和C_DA计算而出。而且，当第一待测电容303和第二待测电容305因为系统噪声或其它原因产生变化时，可如方程式(4)一般由C_ST1、C_ST2、C_DA1和C_DA2计算而出第一待测电容303和第二待测电容305的电容变化2(C_df2-C_df1)。

Let

C_S1＝C_S+C_df，C_S2＝C_S-C_df，C_S1-C_S2＝2·C_df

Vdiff＝V1-V2

$\mathrm{Vdiff}=\mathrm{VDD}\·(\frac{C_S+C_{\mathrm{df}}}{C_S+C_{\mathrm{df}}+C_{\mathrm{ST}1}}-\frac{C_S-C_{\mathrm{df}}+C_{\mathrm{DA}}}{C_S-C_{\mathrm{df}}+C_{\mathrm{DA}}+C_{\mathrm{ST}2}})$

$=0$

$\⇒C_{\mathrm{df}}=(\frac{C_{\mathrm{ST}1}}{C_{\mathrm{ST}1}+C_{\mathrm{ST}2}}\·C_{\mathrm{DA}}+C_S\·\frac{C_{\mathrm{ST}1}-C_{\mathrm{ST}2}}{C_{\mathrm{ST}1}+C_{\mathrm{ST}2}})------------\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔC}=2\·(C_{\mathrm{df}2}-C_{\mathrm{df}1})=2\·\frac{C_{\mathrm{ST}1}}{C_{\mathrm{ST}1}+C_{\mathrm{ST}2}}\·(C_{\mathrm{DA}2}-C_{\mathrm{CA}1})-----------\left(4\right)$

在上述实施例中，C_ST1、C_ST2是系统中的寄生电容值，在制造完成时就已经固定，可视为一定值。且C_DA的变化跟背景电容Cs无关，不用浪费解析位去表示C_S。而且，可有效改善传感器的灵敏度。因为只要C_DA够小，就能反映相对小的电容变化。而且，比较器的固定偏移(offset)会被等效成固定C_S1跟C_S2的差值，在两次电容变化相减时，会被自然减掉，而不会造成传感器的误判，因此这样的架构不用去考虑比较器偏移的影响，可以有效降低电路设计的难度以及改善模拟数字转换器(ADC)的线性度。且由方程式(3)也可得知电容的变化跟系统电压V_DD无关，因此可以提高电源抑制比(PSRR)，改善手机系统对电源切换噪声干扰的抑制能力。而且，在上述架构中可利用差动输入来抑制共模噪声的特性，有效改善传感器的抗噪声能力，增加传感器的信号噪声比。须注意的是，本发明的范围不限于方程式(3)和(4)的操作，若将第一电压V₁和第二电压V₂设计成相差0以外的一预定值，亦可推得C_df。。

电容感测电路300除了上述元件之外，亦可包含开关317、319、321、323、325以及327，并借着控制开关317、319、321、323、325以及327来控制电容的充放电动作。而方程式(4)中的ΔC，可以由微处理器之类的控制器(例如微处理器)计算而得。

图4绘示了根据本发明的一实施例的电容感测方法。如图4所示，根据本发明的一实施例的电容感测方法包含：

步骤401

使用一电压控制单元(307)配合一第一待测电容(303)以及一第二待测电容(305)来产生一第一电压V₁以及一第二电压V₂。

步骤403

根据第一电压V₁以及第二电压V₂的值，以及电压控制单元的参数(例如：可变电容的电容值或电容矩阵的电容和)来计算出第一待测电容(303)以及第二待测电容(305)的差异。

当包含了待感测电容的电路包含第一固定电容以及第二固定电容(例如C_ST1和C_ST2)时，步骤403可根据第一电压V₁以及第二电压V₂的值、电压控制单元的参数(例如C_DA)以及第一固定电容(C_ST1)以及第二固定电容(C_ST1)来计算出第一待测电容(303)以及第二待测电容(305)的差异，其中一种作法为以前述方程式(3)和(4)计算而出。其它详细的技术特征已揭露于上述的实施例中，故在此不再赘述。

根据前述的实施例，可在不用感测确切电容值的情况下感测到待测电容的电容变化，且可以忽略掉比较器的偏移。此外，差动输入可以有效抑制共模干扰，且电容差值跟电源无关，可以改善电源抑制比。更好的是，仅使用一比较器以及一简易的数字逻辑控制器可达到省电却高分辨率的好处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种电容感测电路，包含：

一控制电路，用以根据一第一电压以及一第二电压以产生一控制信号；

一第一待测电容；

一第二待测电容；以及

一电压控制单元，用以根据该控制信号配合该第一待测电容以及该第二待测电容来控制该第一电压以及该第二电压。

2.根据权利要求1所述的电容感测电路，其中该控制电路包含：

一比较器，包含一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该比较器比较该第一输入端的该第一电压以及该第二输入端上的该第二电压于该输出端输出一比较结果信号；

一控制信号产生器，根据该比较结果信号来产生该控制信号；

其中该第一待测电容具有一第一端以及一第二端，该第一端耦接至一预定电压且该第二端耦接至该第一输入端；该第二待测电容具有一第三端以及一第四端，该第三端耦接至该预定电压且该第四端耦接至该第二输入端。

3.根据权利要求2所述的电容感测电路，其中该控制信号产生器为一数字逻辑控制器。

4.根据权利要求1所述的电容感测电路，其中该电压控制单元为一可调式电容，其中该可调式电容的电容值由该控制信号决定，且其中该可调式电容的电容值，该第一待测电容的电容值以及该第二待测电容的电容值决定了该第一电压以及该第二电压。

5.根据权利要求4所述的电容感测电路，该可调式电容的电容值，该第一待测电容的电容值以及该第二待测电容的电容值使得该第一电压以及该第二电压相同。

6.根据权利要求1所述的电容感测电路，还包含：

一第一固定电容，其一端耦接于该第一待测电容的该第一端以及该第一输入端；以及

一第二固定电容，其一端耦接于该第二待测电容的该第一端以及该第二输入端；

其中该电压控制单元根据该控制信号配合该第一待测电容、该第二待测电容、该第一固定电容以及该第二固定电容来控制该第一电压以及该第二电压。

7.根据权利要求6所述的电容感测电路，其中该第一固定电容以及该第二固定电容为寄生电容。

8.一种电容差异感测方法，包含：

(a)使用一电压控制单元配合一第一待测电容以及一第二待测电容来产生一第一电压以及一第二电压；以及

(b)根据该第一电压以及该第二电压的值，以及该电压控制单元的参数来计算出该第一待测电容以及该第二待测电容的差异。

9.根据权利要求8所述的电容差异感测方法，其中该(a)步骤还包含比较该第一电压以及该第二电压，并根据比较结果来改变该电压控制单元的该参数，使得该第一电压以及该第二电压分别符合一预定值。

10.根据权利要求8所述的电容差异感测方法，其中该电压控制单元为一可调式电容，其中该参数为该可调式电容的电容值，且其中该可调式电容的电容值，该第一待测电容的电容值以及该第二待测电容的电容值决定了该第一电压以及该第二电压。

11.根据权利要求10所述的电容差异感测方法，该可调式电容的电容值，该第一待测电容的电容值以及该第二待测电容的电容值使得该第一电压以及该第二电压相同。

12.根据权利要求8所述的电容差异感测方法，还包含：

提供一第一固定电容以及一第二固定电容，且该步骤(b)根据该第一电压以及该第二电压的值、该电压控制单元的参数以及该第一固定电容以及该第二固定电容来计算出该第一待测电容以及该第二待测电容的差异。

13.根据权利要求12所述的电容感测电路，其中该第一固定电容以及该第二固定电容为寄生电容。

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