CN104423761A - 具有集成带通滤波器的低噪声电容性传感器 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及具有集成带通滤波器的低噪声电容性传感器。本发明揭示一种带通读出放大器电路(图2A)。所述电路包含具有经耦合以接收输入信号(Vin)的第一端子及第二端子的电容器(C0)。电流输送器电路(200到206、212)具有耦合到所述电容器的所述第二端子的第三端子(X)及经布置以将电流镜射到所述第三端子中的第四端子(Z)。电压跟随器电路(214)具有耦合到所述电流输送器电路的所述第四端子的输入端子及输出端子。

Description

具有集成带通滤波器的低噪声电容性传感器

技术领域

本发明的实施例涉及具有集成带通滤波器的低噪声电流模式电容性传感器。

背景技术

触摸屏输入面板广泛地用于移动电话、平板计算机、膝上型计算机及桌上型计算机、视频游戏及其它电子装置中。这些面板可为电阻性类型的、光感测类型的或电容性感测类型的。参考图1，存在如由蒋(Jang)等人(第8,477,120号美国专利)所揭示的现有技术的电容性感测触摸屏输入系统。触摸屏系统包含形成于液晶显示器(LCD)上方的触摸屏单元阵列。触摸屏单元通常形成于驱动电极的行接近感测电极的列绝缘地安置的地方。每一驱动电极包含寄生电容CD_X102。此处，X为从0到N-1的行数，其中阵列包含N行。同样地，每一感测电极包含寄生电容CS_Y106。此处，Y为从0到M-1的列数，其中阵列包含M列。互电容形成于行与列的每一相交点处。举例来说，互电容CM_XY104形成于行X与列Y的相交点处。驱动信号产生器100在行X上产生驱动电压VD，所述驱动电压经由互电容CM_XY104施加到读出放大器108。当触摸屏单元由手指或高介电常数手写笔触摸时，互电容CM_XY104增加且在读出放大器108处产生高电平输入信号Vin。读出放大器108随后放大此输入信号并将其施加到处理器110，在所述处理器处，所述信号由应用软件处理。

然而，关于此触摸屏系统存在几个问题。首先，触摸屏阵列中的行及列选择产生耦合到读出放大器108的显著阵列噪声。第二，触摸屏阵列的行电极及列电极充当小天线且将来自各种源(例如微波炉及电器)的电磁干扰(EMI)发射到读出放大器108。最后，读出放大器108产生其自身噪声。因此，期望在读出放大器108中包含带通滤波器以减弱EMI。转到图1B，存在具有现有技术的集成带通滤波器的读出放大器。电路包含与配置为带通滤波器的萨伦-凯(Sallen-Key)放大器串联耦合的跨阻抗放大器(TIA)。TIA及萨伦-凯带通放大器的传递函数的拉普拉斯(Laplace)变换分别由方程式[1]及[2]而给出，其中K为1+Rf2/Rf3。因此，图1B的电路的传递函数是方程式[1]与[2]的乘积。

$H{\left(s\right)}_{\mathrm{TIA}}=\frac{\mathrm{sC}0\mathrm{Rf}1}{\mathrm{sCf}1\mathrm{Rf}1+1}---\left[1\right]$

${H\left(s\right)}_{S-K}=\frac{\frac{\mathrm{Ks}}{R1C1}}{s^2+s(\frac{1}{R1C1}+\frac{1}{R2C1}+\frac{1}{R2C2}-\frac{\mathrm{Rf}2}{\mathrm{Rf}3\mathrm{RfC}1})+\frac{R1+\mathrm{Rf}}{R1\mathrm{RfR}2C1C2}}---\left[2\right]$

以下在方程式[3]及[4]中分别给出图1B的电路的中心频率及带宽。增益及Q因子分别由方程式[5]及[6]给出。

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{R1+\mathrm{Rf}}{R1\mathrm{RfR}2C1C2}}---\left[3\right]$

$\mathrm{BW}=\frac{1}{R1C1}+\frac{1}{R2C1}+\frac{1}{\mathrm{Rf}}(1-K)+\frac{1}{R2C2}---\left[4\right]$

$\mathrm{GAIN}=\frac{\mathrm{KC}0}{R1C1\mathrm{Cf}1\mathrm{BW}}---\left[5\right]$

$Q=\frac{\sqrt{(R1+R3)R1R3C1C2}}{R1R3(C1+C2)+R2C2(R3-\frac{\mathrm{Rf}2}{\mathrm{Rf}3}R1)}---\left[6\right]$

存在对图1B的电路的几个显著限制。带宽(BW)及中心频率(ω₀)两者均随无源组件R1、R2、Rf、C1及C2而变。以比较方式，增益随K、C0而变且随R1、C1、Cf及BW相反地变化。因此，轻微过程变化可显著更改电路性能。尽管放大器增益随K而增加，但其不可为极高的，否则电路变得变得不稳定。此外，当K大于1时，电路不以单位反馈进行操作，且总谐波失真(THD)增加。

虽然前述方法在触摸屏感测及噪声减小方面已提供改进，但本发明人认识到，进一步改进仍是可能的。因此，下文所描述的优选实施例是针对在现有技术上的改进。

发明内容

在本发明的一个实施例中，揭示一种第一带通读出放大器电路。所述电路包含电流输送器电路，所述电流输送器电路具有经耦合以接收输入信号的第一端子及经布置以将电流镜射到所述第一端子中的第二端子。电压跟随器电路具有耦合到所述电流输送器电路的所述第二端子的输入端子且具有输出端子。

在本发明的另一实施例中，揭示一种第二带通读出放大器电路。所述电路包含第一电流输送器电路，所述第一电流输送器电路具有经耦合以接收输入信号的第一端子及经布置以将电流镜射到所述第一端子中的第二端子。第二电流输送器电路具有耦合到所述第一电流输送器电路的所述第二端子的输入端子且具有经布置以将电流镜射到所述输入端子中的输出端子。

在本发明的又一实施例中，揭示一种触摸屏系统。所述系统包含经布置以产生驱动电压的电压源。多个第一电极经布置以选择性地接收所述驱动电压。多个第二电极接近所述多个第一电极而形成。包含电流输送器电路及电压跟随器电路的带通读出放大器选择性地耦合到所述多个第二电极。模/数转换器经耦合以接收来自所述带通读出放大器的输出信号。处理器经耦合以接收来自所述模/数转换器的输出信号。

附图说明

图1A是现有技术的触摸屏系统的电路图；

图1B是现有技术的可与图1A的触摸屏系统一起使用的读出放大器的电路图；

图2A是本发明的带通读出放大器的第一实施例的电路图；

图2B是图2A的电路的图式，其展示高通及低通电流路径；

图2C是图2A的电路的带通特性的图式；

图3是本发明的带通读出放大器的第二实施例的电路图；

图4A到5B是可与图2A及3的带通读出放大器一起使用的本发明的电路图；

图6是可使用图2A及3的带通读出放大器电路的本发明的触摸屏系统的电路图；且

图7是比较图1B的电路的特性与图2A及3的电路的图式。

具体实施方式

本发明的优选实施例提供优于现有技术的触摸屏电路的显著优点，此从以下详细说明将显而易见。

参考图6，存在本发明的触摸屏系统的电路图。所述系统包含由驱动电极的多行与感测电极的多列形成的触摸屏单元阵列。触摸屏单元形成于驱动电极的行接近感测电极的列绝缘地安置的地方。每一驱动电极包含寄生电容CD_X604。此处，X为从0到N-1的行数，其中阵列包含N行。同样地，每一感测电极包含寄生电容CS_Y608。此处，Y为从0到M-1的列数，其中阵列包含M列。互电容形成于行与列的每一相交点处。举例来说，互电容CM_XY606形成于行X与列Y的相交点处。行电极及列电极优选地形成于例如液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器或其它适合显示器的常规视觉显示器上方。所述系统进一步包含驱动信号产生器600、行驱动电路602及列感测电路610。带通读出放大器电路612经耦合以接收且放大选定输入信号Vin，如将详细阐释。模/数转换器614接收经放大信号且将其转换为数字信号，所述数字信号随后施加到数字信号处理器616。

在操作中，驱动信号产生器600在行X上产生具有恒定频率的驱动电压VD。此恒定频率约等于带通读出放大器612的中心频率。对应于视觉显示器上的行的行地址(RA)施加到行驱动电路602。行驱动电路将驱动电压VD选择性地施加到如由行地址所确定的N行中的一者。驱动电压沿着行X经由互电容CM_XY606施加到M列感测电极中的每一者。当触摸屏单元在阵列位置XY处由手指或高介电常数手写笔触摸时，互电容CM_XY606增加且在寄生电容CS_Y608处产生高电平信号。列感测电路610针对每一行地址接收一列地址(CA)序列且将每一列感测电极上的相应信号电压依序施加到带通读出放大器612。列Y处的信号电压因经增加互电容CM_XY606而显著大于其它列处且在读出放大器612处产生输入信号Vin。读出放大器612随后放大此输入信号并将其施加到模/数转换器614。数字信号处理器616接收对应于每一列感测电极的相应数字信号且依据振幅确定已触摸仅行X及列Y上的感测电极。数字信号处理器将所检测到屏幕地址发送到处理其的适当应用软件，如由对应视觉显示器的地址所确定。

参考图2A，存在本发明的带通读出放大器电路，其可用作用于放大来自触摸屏输入装置的信号的带通读出放大器612(图6)。输入电容器C0将列感测电路610(图6)耦合到读出放大器。读出放大器包含由电流源200到206及电压跟随器电路212形成的电流输送器电路。电流输送器电路具有耦合到参考电压Vref的高阻抗输入端子Y。电压跟随器电路212在低阻抗端子X处再生电压Vref，因此命名为电压跟随器。电流源200及204产生由电流源202及206镜射到端子Z中的到端子X中的电流，因此命名为电流输送器。端子Z耦合到电压跟随器电路214的输入端子及解耦电容器C1。电压跟随器214在耦合到电阻器R3的一个端子的低阻抗输出端子处再生端子Z上的电压。电阻器R3的其它端子耦合到解耦电容器C4。电阻器R2耦合于端子X与电容器C4之间且与电压跟随器214一起产生输出信号Vout。

现在将参考图2B及2C阐释图2A的电路的操作。输入电容器C0经由电阻器R2耦合到电容器C4处的输出端子且沿着信号路径208在Vin与Vout之间形成高通滤波器。图2C处指示高通滤波器特性208。如先前所提及，电流输送器电路的端子X具有类似于交流电流(AC)接地的低输出阻抗。因此，电流输送器电路充当沿着电流路径210的低通滤波器且与高通滤波器C0串联。图2C处指示低通滤波器特性210。由图2C的实线指示的经组合低通及高通滤波器特性形成带通读出放大器的带通特性。到端子Z中的电流由电容器C1集成以在电压跟随器电路214处产生输入电压。高通滤波器信号208与低通滤波器信号210在电容器C4处组合以产生输出信号Vout。图2A的带通读出放大器的传递函数的拉普拉斯变换由方程式[7]给出。

$H\left(s\right)=\frac{-\mathrm{sR}2C0}{s^{2}R2R3C1C4+s\left(R2R3\right)C1+1}---\left[7\right]$

以下在方程式[8]及[9]中分别给出图2A的电路的中心频率及带宽。增益及Q因子分别由方程式[10]及[11]给出。

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{1}{R2R3C1C4}}---\left[8\right]$

$\mathrm{BW}=\frac{R2+R3}{R2R3C4}---\left[9\right]$

$\mathrm{GAIN}=\frac{-C0R2}{(R2+R3)C1}---\left[10\right]$

$Q=\frac{1}{R2+R3}\sqrt{\frac{R1R3C4}{C1}}---\left[11\right]$

存在图2A的电路的优于现有技术的几个显著优点。首先，存在较少组件。需要仅两个电阻器、两个电容器及两个有源电路块。因此，图2A的带通读出放大器产生较少噪声。第二，电压跟随器212及214两者均是单位增益放大器且因此产生较少总谐波失真、较低噪声因子及较大稳定性。第三，中心频率ω₀仅随R2、R3、C1及C4而变。带宽(BW)仅随R2、R3及C4而变。增益仅随R2、R3及C1而变。存在较少无源组件且相同组件控制图2C的通带特性。因此，图2A的带通读出放大器与现有技术的电路相比对过程变化宽容得多。最后，方程式[11]的Q因子远不如方程式[6]的现有技术Q因子复杂。此在控制频率选择性与过程变化中是重要的。

现在转到图3，存在本发明的带通读出放大器的第二实施例的电路图。此实施例类似于图2A的实施例。然而，包含电流源300到306及电压跟随器电路308的第二电流输送器电路替换电压跟随器214。此处，在电压跟随器308的输出端子处再生端子Z处的电压。从电流源300及304到电压跟随器308的输出端子中的电流由电流源302及306镜射到电容器C4处的读出放大器输出端子中。此电路产生比图2A的电路稍多但少于现有技术的电路的噪声。然而，其通过降低电阻器R3或增加电阻器R2而提供增加读出放大器增益的优点。图3的带通读出放大器的传递函数的拉普拉斯变换由方程式[12]给出。

$H\left(s\right)=\frac{-\mathrm{sR}2C0}{s^{2}R2R3C1C4+\mathrm{sR}3C1+1}---\left[12\right]$

以下在方程式[13]及[14]中分别给出图3的电路的中心频率及带宽。增益及Q因子分别由方程式[15]及[16]给出。

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{1}{R2R3C1C4}}---\left[13\right]$

$\mathrm{BW}=\frac{1}{R2C4}---\left[14\right]$

$\mathrm{GAIN}=\frac{-C0R2}{R3C1}---\left[15\right]$

$Q=\sqrt{\frac{R2C4}{R3C1}}---\left[16\right]$

接下来参考图4A，存在可与图2A及3的带通读出放大器一起使用的电流输送器电路的第一实施例的电路图。所述电路包含以电流镜配置连接的p沟道晶体管402及404。所述电路进一步包含也以电流镜配置连接的n沟道晶体管406及408。晶体管402到408分别等效于电流源200到206(图2A及3)。N沟道晶体管410及414以及p沟道晶体管412及416配置为源极跟随器。与电流源400及418一起，其等效于电压跟随器212及214(图2A)以及308(图3)。

图4B是可与图2A及3的带通读出放大器一起使用的电流输送器电路的第二实施例的电路图。所述电路包含以电流镜配置连接的p沟道晶体管424及426以将端子X电流镜射到端子Z中。N沟道晶体管428及422配置为源极跟随器。与电阻器420以及电流源430及424一起，其等效于电压跟随器212及214(图2A)以及308(图3)。

图4C是可与图2A及3的带通读出放大器一起使用的电流输送器电路的第三实施例的电路图。所述电路包含以共源共栅电流镜配置连接的p沟道晶体管446到452，其中晶体管450及452的栅极接收参考电压Vr1。N沟道晶体管454到460也以共源共栅电流镜配置连接，其中晶体管454及456的栅极接收参考电压Vr2。电流源440以及p沟道晶体管442及444形成到n沟道共源共栅电流镜电路的差分输入级。N沟道晶体管462及p沟道晶体管464经耦合以接收相应栅极参考电压Vr3及Vr4。电流输送器电路的输出级由p沟道晶体管466及470且由n沟道晶体管468及472形成。

在操作中，p沟道晶体管466的栅极到源极电压总是与p沟道晶体管470的栅极到源极电压相同。同样地，n沟道晶体管468的栅极到源极电压总是与n沟道晶体管472的栅极到源极电压相同。因此，到端子X中的电流总是镜射到端子Z中。晶体管466及468的共同漏极端子X与p沟道晶体管444的栅极端子X相同且形成到差分输入级的反馈环路。因此，p沟道晶体管444的栅极处的电压相对于参考电压Vref的增加会增加穿过电流镜电路的左分支(446、450、454、458)的电流流量。电流流量的此增加镜射到右分支(448、452、456、460)中，从而导致输出晶体管466到472的栅极电压的增加。栅极电压的此增加使p沟道晶体管444的栅极保持处于与参考电压Vref相同的电压。同样地，p沟道晶体管444的栅极处的电压相对于参考电压Vref的降低会降低穿过电流镜电路的左分支的电流流量。电流流量的此降低导致输出晶体管466到472的栅极电压的对应降低。栅极电压的此降低再次使p沟道晶体管444的栅极保持处于与参考电压Vref相同的电压。

现在参考图5A，存在可在图2A及3的带通读出放大器中使用的电压跟随器电路的电路图。电压跟随器电路实质上与关于图4A先前所描述相同。N沟道晶体管502及508连接为电流镜。同样地，p沟道晶体管504及510也连接为电流镜。电流源500及506提供穿过晶体管502及504的偏置电流且在端子In处提供高输入阻抗。端子In处的电压的任何增加降低n沟道晶体管502的栅极到源极电压。穿过晶体管502的电流的对应降低产生n沟道晶体管508的栅极电压的增加以及端子Out处的输出电压的增加。同样地，端子In处的电压的任何降低降低p沟道晶体管504的栅极到源极电压。穿过p沟道晶体管504的电流的对应降低产生p沟道晶体管510的栅极电压的降低以及端子Out处的输出电压的降低。因此，输出端子Out处的电压遵循输入端子In处的电压。

图5B是可在图2A及3的带通读出放大器中使用的另一电压跟随器电路的电路图。N沟道晶体管524及530连接为电流镜，其中漏极端子分别由电阻器520及528连接到供应电压VDD。电流源526及532连接于n沟道晶体管524及530的相应源与供应电压VSS之间。端子In处的电压的任何增加降低n沟道晶体管524的栅极到源极电压。穿过晶体管524的电流的对应降低产生n沟道晶体管530的栅极电压以及端子Out处的输出电压的增加。端子In处的电压的任何降低增加n沟道晶体管524的栅极到源极电压。穿过晶体管524的电流的对应增加产生跨越电阻器520的电压的增加及n沟道晶体管530的栅极电压的对应降低以及端子Out处的输出电压的降低。因此，输出端子Out处的电压遵循输入端子In处的电压。

现在参考图7，存在比较图1B的电路的特性与图2A及3的电路的图式。本发明的几个显著优点从此图式将显而易见。首先，图2A及3的带通读出放大器具有比图1B的电路少的电容器及电阻器。无源组件的此减少减少噪声、电路复杂性及裸片面积。第二，115KHz的中心频率处的噪声为对于图2A及3的电路约比对于图1B的现有技术电路小的数量级。第三，从90KHz到140KHz的整个通带内的噪声为对于图2A及3的电路约比对于图1B的现有技术电路小的数量级。最后，对于图2A及3的电路，不存在显著缺点。所有其它电路特性与图1B的电路相当。

仍进一步，虽然已因此提供众多实例，但所属领域的技术人员应认识到，可对所描述实施例做出各种修改、替代或更改而仍属于如由所附权利要求书所定义的发明范围内。举例来说，尽管在本发明的优选实施例中已展示互补金属氧化物半导体(CMOS)装置，但有机会接触本说明书的所属领域的技术人员将了解，所主张本发明的等效实施例可经设计具有双极装置或双极与CMOS(BiCMOS)装置的组合。有机会接触本说明书的所属领域的技术人员将易于明了其它组合。

Claims (20)

1.一种电路，其包括：

电容器，其具有经耦合以接收输入信号的第一端子且具有第二端子；

电流输送器电路，其具有耦合到所述电容器的所述第二端子的第三端子且具有经布置以将电流镜射到所述第三端子中的第四端子；及

第一电压跟随器电路，其具有耦合到所述电流输送器电路的所述第四端子的输入端子且具有输出端子。

2.根据权利要求1所述的电路，其包括在所述第一端子与所述输出端子之间耦合到高通滤波器的低通滤波器。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述低通滤波器与所述高通滤波器串联耦合。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流输送器电路包括第二电压跟随器电路，所述第二电压跟随器电路具有作为输出端子的所述第三端子且具有经耦合以接收参考电压的第五端子。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述电压跟随器电路在所述第三端子处再生所述参考电压。

6.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流输送器电路包括经耦合以接收参考电压的第五端子。

7.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流输送器电路及所述电压跟随器电路包括单位增益放大器。

8.根据权利要求1所述的电路，其包括耦合于所述第三端子与所述输出端子之间的电阻器。

9.一种电路，其包括：

电容器，其具有经耦合以接收输入信号的第一端子且具有第二端子；

第一电流输送器电路，其具有耦合到所述电容器的所述第二端子的第三端子且具有经布置以将电流镜射到所述第三端子中的第四端子；及

第二电流输送器电路，其具有耦合到所述第一电流输送器电路的所述第四端子的输入端子且具有经布置以将电流镜射到所述输入端子中的输出端子。

10.根据权利要求9所述的电路，其包括在所述第一端子与所述输出端子之间耦合到高通滤波器的低通滤波器。

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述低通滤波器与所述高通滤波器串联耦合。

12.根据权利要求9所述的电路，其中所述第一电流输送器电路包括第一电压跟随器电路，所述第一电压跟随器电路具有作为输出端子的所述第三端子且具有经耦合以接收参考电压的第五端子。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述电压跟随器电路在所述第三端子处再生所述参考电压。

14.根据权利要求9所述的电路，其中所述第二电流输送器电路包括耦合于所述输入端子与参考电压端子之间的第二电压跟随器电路。

15.根据权利要求9所述的电路，其中所述第一电流输送器电路包括单位增益放大器。

16.一种触摸屏系统，其包括：

电压源，其经布置以产生具有一频率的驱动电压；

多个第一电极，其经布置以选择性地接收所述驱动电压；

多个第二电极，其接近所述多个第一电极；

带通读出放大器，其包括第一电流输送器电路及第一电压跟随器电路，其选择性地耦合到所述多个第二电极；

模/数转换器ADC，其经耦合以从所述带通读出放大器接收输出信号；及

处理器，其经耦合以从所述ADC接收输出信号。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述带通读出放大器包括与高通滤波器串联耦合的低通滤波器。

18.根据权利要求16所述的系统，其包括第二电流输送器电路，其中所述第一电流输送器电路包括所述第一电压跟随器电路，且其中所述第二电流输送器电路包括第二电压跟随器电路。

19.根据权利要求18所述的系统，其包括：

输入电容器，其具有选择性地耦合到所述多个第二电极的第一端子且具有耦合到所述第一电流输送器电路的第二端子；及

电阻器，其耦合于所述第二端子与所述第二电流输送器电路之间。

20.根据权利要求16所述的系统，其包括：

输入电容器，其具有选择性地耦合到所述多个第二电极的第一端子且具有耦合到所述第一电流输送器电路的第二端子；及

电阻器，其耦合于所述第二端子与所述第一电压跟随器电路之间。