CN104216580A - 一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，包括：一电荷分享电路、一压控振荡器、一参考频率产生器、一开关时脉产生器及一个频率比较电路；电荷分享电路还包含一感测电容、一触摸电容、一电荷分享电容、一充电开关、一电荷分享开关及一放电开关，且通过电荷分享将已充电的感测电容的电荷与已放电完成分享电容进行电荷分享，在分享电容上累积电压；分享电容的电容值设计成可调整电容值的电容器，以针对不同的触控应用产生的感测电容值，来调整适当的分享电容值。充电开关、放电开关与电荷分享开关是以非重叠的时脉控制，将充电开关关闭的时间拉长，且将电荷分享开关与放电开关关闭的时间缩到最短的用以减少外界环境杂讯的干扰。

Description

一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化的电路

技术领域

本发明有关一种触控电容感测的电路，尤指一种以电荷分享来达成触控电容感测的可集成化的电路。

背景技术

随着各式各样3C产品的普及化，触控面板的需求也日益增加。一般来说，触控面板依感应原理可大致分为电阻式、电容式、超音波式、或红外线式等。目前市场上成本最为低廉的触控面板技术是电阻式系统，全球触控面板市占率也是以电阻式最高。电阻式系统是一片标准的玻璃面板，包含由上下两组ITO导电层叠合而成；两层间利用一间隔器区分隔开，并且电流能够在两层间流动。使用时利用压力使上下两组ITO导电会接触在一起，而电场的改变就会被当作是一接触事件，最后再将信号传送到一控制器进行处理，经由控制器测知面板电压变化而计算出接触点位置进行输入。

另一方面，电容式触控面板采用的是一电容感测器，以感测排列的透明电极与人体之间的静电结合所产生的电容变化，从所产生的诱导电流来检测其座标。当使用者的手指接触面板时，电流会连续地通过感测器，使感测器能够在水平和垂直方向储存电子，形成一精密控制的电容场。当手指接触到不同的位置时，感测器的所谓正常电容场则被另外一个电容场改变，这时设置在面板每个角落中的电路就会计算出电场的改变程度，然后将此接触事件信号传送到控制器进行处理。与电阻式触控面板比，电容式触控面板表现出了更加良好的性能，使用也更方便。然而，电容式触控面板由于制程步骤较为繁复，且其驱动IC与电路也较复杂，因此在成本及技术进展上不利应用于中小尺寸产品。

图1所示为现有技术中利用弛张振荡器(relaxation oscillator)来达到电容感测的电路示意图。如图1所示，该弛张振荡器101对一电容Cx周期性地充放电。其中，其振荡频率与Cx电容值大小和充放电电流有关，意即，CdV=I dt。在充放电的电流不变的状况下，Cx的改变就会就会改变弛张振荡器101的频率，由一频率比较器103比较弛张振荡器101的输出频率Fro与一固定参考时脉102的参考频率Fref的差异。由于弛张振荡器101是对电容Cx上作充放电，且Cx上的阻抗通常不低，因此方法的Cx易受外界环境杂讯的干扰。

图2所示是现有技术中利用电荷转移的方式来达到电容感测的电路示意图。如图2所示，电荷转移的电路包括一电容Csum、一电容Cx、一比较器201、及三个开关S1、S2、S3，分别连接如下：电容Cx的一端通过开关S1与一电压源VDD连接，另一端则接地。电容Csum的一端则接地，另一端通过开关S2与电容Cx的与开关S1相接的一端相接，其电压值以Vsum表示；再者，电容Csum的两端分别通过开关S3相连接。电压值Vsum输入至比较器201的正向输入端，而反向输入端则输入一参考电压值Vref。比较器201的输出则以Vo表示。

上述电路的操作方式如下：先通过开关S3将电容Csum放电至接地电平后，再由开关S1、S2交互以非重叠(Non-overlapping)的时脉，将电容Cx上的电荷逐渐转移至电容Csum上，因此，电压值Vsum渐渐增加；当电压值Vsum高于电压值Vref后，输出Vo就会由低电平转态至高电平，如图3所示。从Csum放电后开始计算到Vo转态的时间Tcf。电容Cx的电容值越大，则转态时间越短。此电路的优点是具有较佳的抗外界环境杂讯干扰能力，因为电容Cx在充电时是保持在低阻抗，且在电荷转移时，电容Csum的电容值较大，通常为电容Cx电容值的数百倍，所以也是低阻抗元件。因此电容Cx都保持在低阻抗的状态就有较佳的抗射频干扰能力。另一方面，此电路的缺点是电容Csum的电容值必须是电容Cx电容值的数百倍到千倍(例如，数百pF至nF大小的电容值)，因此无法集成电路化。另一缺点是此电荷转移的方式，电压值Vsum的累积并非线性，而是电压值Vsum与电容Cx电容值为指数关系，换言之，如需计算电容Cx电容值的差异，也较不线性。

因此，如何改善上述现有技术的缺点，也成为发展电容式触控面板技术的重要议题。

发明内容

基于上述现有技术的缺失，本发明的主要目的在于提供一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，通过设计时脉的方式来控制分享电容的充放电，以降低分享电容的电容值的大小，来达到可集成化的目的。

本发明的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，包括：一电荷分享电路、一压控振荡器(VCO)，一参考频率(Reference frequency)产生器、一开关时脉产生器(Switch clock generator)及一个频率比较电路(Frequencycompare circuit)；其中，该电荷分享电路还包含一感测电容、及一分享电容，且通过电荷分享将已充电的该感测电容的电荷与已放电完成该分享电容进行电荷分享，在该分享电容上累积电压；该压控振荡器耦接到该电荷分享电路的分享电容，产生与该电荷分享电路的感测电容大小线性相关的输出频率；该参考频率产生器提供一参考频率；该开关时脉产生器，藕接于该压控振荡器的输出端，该依压控振荡器的输出产生非重叠的开关时脉；以及该频率比较电路系耦接于该压控振荡器的输出端与该参考频率产生器系提供的参考频率，分别计数该压控振荡器的输出频率与该参考频率，当该压控振荡器的输出频率因为手指触摸而产生频率的改变，就能判断是否有触碰状况。

为期能对本发明的目的、功效及构造特征有更详尽明确的了解，兹举可实施例并配合图示说明如后：

附图说明

图1所示为现有技术中利用弛张振荡器来达到电容感测的电路示意图。

图2所示为现有技术中利用电荷转移的方式来达到电容感测的电路示意图。

图3所示为图2中的现有技术中的电容感测电路从Csum放电后开始计算到Vo转态的时间Tcf的示意图。

图4所示为本发明一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路。

图5所示为图4中的开关致能信号的波型示意图。

图6所示为开关时脉产生器的结构示意图。

图7所示为本发明的开关时脉产生器Fo、Fod、EN1、EN2、及EN3的波形的实施例。

其中，附图标记说明如下：

弛张振荡器       101

参考时脉         102

频率比较器       103

比较器           201

电荷分享电路     410

感测电容         4101

触摸电容         4102

电荷分享电容     4103

充电开关         4104

电荷分享开关     4105

放电开关         4106

压控振荡器       420

参考频率产生器   430

开关时脉产生器   440

除频器           4401

非重叠时脉产生器 4402

频率比较电路     450

具体实施方式

图4所示为本发明一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，包括：一电荷分享电路410、一压控振荡器(VCO)420，   一个参考频率(Reference  frequency)  产生器430、一开关时脉产生器(Switch  clock  generator)440及一个频率比较电路  (Frequency  compare  circuit)450；其中，该电荷分享电路410还包含一感测电容4101、一触摸电容4102、一电荷分享电容4103、一充电开关4104、一电荷分享开关4105、及一放电开关4106，且通过电荷分享将已充电的该感测电容4101的电荷与已放电完成该分享电容4103进行电荷分享，在该分享电容4103上累积电压；该压控振荡器420耦接到该电荷分享电路410的分享电容4103，产生与该电荷分享电路410的感测电容4101大小线性相关的输出频率Fo；该参考频率产生器420提供一参考频率Fref；该开关时脉产生器440，藕接于该压控振荡器420的输出端，该依压控振荡器420的输出频率Fo产生非重叠的开关时脉，以控制该电荷分享电路410的充电开关4104、电荷分享开关4105、及放电开关4106，其中，该充电开关4104连接于一外部电源VDD与该感测电容4101之间，以控制该感测电容4101的充电；该电荷分享开关4105分别连接于该感测电容4101与该电荷分享电容4103未接地的一端之间，以控制电荷的分享；以及，该放电开关4106与该电荷分享电容4103并联，以控制该电荷分享电容的放电；以及该频率比较电路450耦接于该压控振荡器420的输出端与该参考频率产生器提供的参考频率，分别计数该压控振荡器的输出频率与该参考频率430，当该压控振荡器420的输出频率Fo因为手指触摸而产生频率的改变，就能判断是否有触碰状况。

值得注意的是，在一般电容式触控的应用中，电荷分享电路410的感测电容4101的电容值Cx的范围约在5～100pF；因此，在本实施例中，分享电容4103的电容值Csh设计成可调整电容值(5～100pF)的电容器，以针对不同的触控应用产生的Cx，来调整适当的Csh。并且，除了感测电容值Cx与触摸电容值Cf外，不需大电容，也同时避免使用外接大电容，以达到集成电路化的目标。

电荷分享电路410的运作方式如下：当Fo输出为1时，充电开关4104的致能信号EN1=1，因此充电开关4104关闭，而电荷分享开关4105与放电开关4106的致能信号EN2、EN3=0，因此电荷分享开关4105与放电开关4106开启；在此情况下，将感测电容4101被充电至VDD的电平。图5所示为图4中的开关致能信号的波型示意图。如图5所示，Fo大部份的周期都维持在高电平(1)的状态。当Fo由高电平(1)转成低电平(0)之前，放电开关4106的致能信号EN3=1，因此放电开关4106关闭。将分享电容4103放电到接地电平后，Fo由高电平(1)转成低电平(0)，EN1、EN3=0，充电开关4104与放电开关4106同时开启。接着致能信号EN2=1，将电荷分享开关4105关闭，以进行电荷分享。当电荷分享完成后，致能信号EN2=0，电荷分享开关4105开启，随即致能信号EN1=1，充电开关4104关闭。

另一方面，当Fo由低电平(0)转态成高电平(1)时，维持致能信号EN1=1，充电开关4104关闭。电荷分享开关4105与放电开关4106关闭的时间需介于一个Fo周期的十分之一到万分之一。充电开关4104、放电开关4106与电荷分享开关4105是以非重叠的时脉控制，将充电开关4104关闭的时间拉长，且将电荷分享开关4105与放电开关4106关闭的时间缩到最短的用意在于减少外界环境杂讯的干扰。因此，电荷分享电路410通过缩短电荷分享时间的方式，可大大降低外界环境杂讯的干扰。电荷分享电路410只需在一个Fo的时脉周期就可以完成电荷分享，且立即将Vsh的电压根据有无手指触摸，在电荷分享后立即改变完成。下一个Fo的时脉频率也会根据Vsh的变更而改变。如图4所示，Fo与Vsh会因为手指触摸后改变；再者，Vsh的电压如下列公式所示：Vsh=VDD*(Cx+Cf))／((Cx+Cf)+Csh)；由上述公式可知Vsh与Cx、Cf是线性相关的。换言之，感测电容值可线性地转换成量测电压。

该压控振荡器420为一个输出频率与输入电压呈现线性相关的转换器。由电荷分享产生的电压Vsh就可以通过压控振荡器420产生线性相关的频率。换言之，就是通过电压／频率的转换，以达到量测电容值变化的目标。在没有手指触摸时的电容值是Cx，经过电荷分享后在Csh上累积的电压Vsh；有手指触摸时的电容值Cx+Cf，经过电荷分享后在Csh上累积的电压Vsh’，由公式可知Vsh’>Vsh，然后再经过压控振荡器420也会产生Fo’>Fo的频率。Fo与Fo’的差异可以使用参考频率产生器430所产生的参考频率Fref作基准，再由频率比较电路450判断出频率的差异。

图6所示为开关时脉产生器(Switch clock generator)440的结构示意图。如图6所示，开关时脉产生器440还包含一除频器(Frequency divider)4401，与一非重叠时脉产生器(Non-overlapping clock generator)4402。该除频器4401的功能是在于让压控振荡器420的频率在不变化的状况下，将电荷分享电路410的次数，由原本的每一个Fo周期进行一次电荷分享(除频器除以一)，转变成每N个Fo周期进行一次电荷分享(除频器除以N)。藉此，可通过使用除频器于开关时脉产生器，可在压控振荡器频率不变的状况下，让整体电路在慢速触控的应用达到低耗电的目标。该非重叠时脉产生器4402可由经过除频后的频率Fod的时脉产生充电开关4104、电荷分享开关4105、放电开关4106的控制致能时脉，且达到在充电开关4104关闭的时间尽可能的拉长，电荷分享开关4105在可以完成电荷分享的状况下关闭的时间尽可能的缩短。放电开关4106在可以将Csh完全放电到接地电平的状况下关闭的时间尽可能的短，以达到将外界环境杂讯的干扰降到最低的目标。并且电荷分享开关4105与充电开关4104、放电开关4106必须是一非重叠的时脉。其中，Fo、Fod、EN1、EN2、及EN3的波形，可如图7所示且图中除频器为除二。

因此，本发明所揭示的一种以电荷分享来完成触控电容感测的可集成化的电路，确能藉所揭示的技艺，达到所预期的目的与功效，符合发明专利的新颖性，进步性与产业利用性的要件。

惟，以上所揭示的图示及说明，仅为本发明的较佳实施例而已，非为用以限定本发明的实施，大凡本领域技术人员其所依本发明的精神，所作的变化或修饰，皆应涵盖在本案的权利要求范围内。

Claims (14)

1.一种以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，包含：

一电荷分享电路，还包含一感测电容以及一使用分享电容，通过电荷分享的方式将已充电的该感测电容的电荷与已完成放电的该分享电容进行电荷分享，以在分享电容上累积电压；

一压控振荡器，耦接到该电荷分享电路的分享电容，产生与感测电容大小线性相关的一输出频率；

一参考频率产生器，产生一参考频率；

一频率比较电路，耦接于该压控振荡器的输出频率与该参考频率，分别计数该输出频率与该参考频率，当该输出频率因为手指触摸而产生频率的改变，就能判断是否有触碰状况；以及

一开关时脉产生器，依该压控振荡器的输出频率而产生一组非重叠的开关时脉。

2.如权利要求1所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该分享电容为可调整电容值的电容器，以针对不同的触控应用产生的感测电容值，来调整适当的分享电容值。

3.如权利要求1所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该电荷分享电路还包含一触摸电容、一充电开关、一电荷分享开关及一放电开关；该触摸电容与该感测电容并联，该充电开关连接于一外部电源与该感测电容之间，以控制该感测电容的充电；该电荷分享开关分别连接于该感测电容与该电荷分享电容未接地的一端之间，以控制电荷的分享；以及，该放电开关与该电荷分享电容并联，以控制该电荷分享电容的放电。

4.如权利要求3所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该开关时脉产生器藕接于该压控振荡器的输出端，依该压控振荡器的输出频率产生一组非重叠的开关时脉，以控制该电荷分享电路的充电开关、电荷分享开关及放电开关。

5.如权利要求4所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该电荷分享电路的运作方式如下：当该压控振荡器的输出为高电平(1)时，该充电开关的致能信号为1，因此该充电开关关闭，而该电荷分享开关与该放电开关的致能信号为0，因此该电荷分享开关与该放电开关开启；在此情况下，将该感测电容被充电至一外接电源的电平；当该压控振荡器的输出由低电平(0)转态成高电平(1)时，维持致能信号为1，该充电开关关闭；当该压控振荡器的输出由高电平(1)转成低电平(0)之前，该放电开关的致能信号为1，因此该放电开关关闭；将该分享电容放电到接地电平后，该压控振荡器的输出由高电平(1)转成低电平(0)，该充电开关与该放电开关的致能信号为0，该充电开关与该放电开关同时开启；接着致能信号为1，将该电荷分享开关关闭，以进行电荷分享；当电荷分享完成后，致能信号为0，该电荷分享开关开启，随即致能信号为1，该充电开关关闭。

6.如权利要求5所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该电荷分享开关与放电开关关闭的时间需介于一个压控振荡器的输出周期的十分之一到万分之一。

7.如权利要求5所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该电荷分享电路只需在一个压控振荡器的输出的时脉周期就可以完成电荷分享，并立即在该电荷分享后立即改变分享电容的电压；且在下一个压控振荡器的输出的时脉频率也会根据分享电容的电压的变更而改变。

8.如权利要求5所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该感测电容值可线性地转换成量测电压。

9.如权利要求6所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该充电开关、该放电开关与该电荷分享开关是以非重叠的时脉控制。

10.如权利要求6所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，将该充电开关关闭的时间拉长，且将该电荷分享开关与该放电开关关闭的时间缩到最短的用意在于减少外界环境杂讯的干扰。

11.如权利要求5所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该充电开关大部份的时脉周期内都保持关闭的状态。

12.如权利要求1所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该频率比较电路是以参考频率为基础，计数压控振荡器输出频率的差异，来判断是否有手指触摸。

13.如权利要求1所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该开关时脉产生器还包含一除频器，与一非重叠时脉产生器。

14.如权利要求13所述的以电荷分享达成触控电容感测的可集成化电路，其中，该除频器的功能是在于让该压控振荡器的频率在不变化的状况下，将该电荷分享电路由原本的每一个该压控振荡器的输出频率的周期进行一次电荷分享，转变成每N个该压控振荡器的输出频率的周期进行一次电荷分享，让整体电路在慢速触控的应用达到低耗电与低杂讯的目标。