CN104571750A - 触摸感测装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种触摸感测装置及其驱动方法。该触摸感测装置包括信号源，该信号源被配置为输出驱动信号；触摸面板，该触摸面板被配置为由信号源所输出的驱动信号驱动并输出使用驱动信号产生的电流信号；电荷放大器，该电荷放大器被配置为将由所述触摸面板输出的所述电流信号转换成电压信号；以及控制器，该控制器被配置为控制电荷放大器被周期性地重置。

Description

触摸感测装置及其驱动方法
技术领域
本发明涉及触摸感测装置及其驱动方法。
背景技术
目前，主要使用电阻式触摸屏、表面声波(SAW)触摸屏和电容式触摸屏。电容式触摸屏能够感测多个触摸并具有极好的耐久性、灵敏性等。因此，目前的趋势是采用电容式触摸屏作为移动装置的主要的输入单元。
电容式触摸屏感测因触摸屏面板上电容式传感器中的用户干扰而造成的电荷量的变化，从而识别用户的输入。电容式触摸屏根据电荷累积法分为自电容式和互电容式。在自电容式触摸屏中，各个电容式传感器构成一个电导体并与触摸屏面板之外的参考地表面一起形成带电表面。另一方面，在互电容式触摸屏中，触摸屏面板上的两个电导体形成带电表面并且用作一个电容式传感器。
一般的自电容式触摸屏采用电导体的正交X/Y排列，并且在这种情况下，各个电容式传感器起到线传感器的作用。因此，每当触摸屏尝试感测触摸时，就分别由X线传感器组和Y线传感器组提供仅一个X感测信息和一个Y感测信息。因此，一般的自电容式触摸屏能够感测并跟踪单个触摸，但无法支持多个触摸。互电容式触摸屏也采用电导体的正交X/Y排列，但是与自电容式触摸屏的区别在于，各个电容式传感器在电导体以直角交叉的每个位置处被配置为栅格传感器的形式，并且在尝试检测触摸屏上的用户输入时，分开感测所有栅格传感器的响应。因为各个栅格传感器对应于不同的X/Y坐标并且提供分开的响应，所以互电容式触摸屏可以从由X/Y栅格传感器组提供的X/Y感测信息提取用户的输入信息，以感测并跟踪用户的多个触摸。
一般的互电容式触摸屏面板具有以下电导体构造和感测方法。由沿任意一个方向延伸的电导体组成的第一电极和由沿以直角与第一电极交叉的方向延伸的电导体组成的第二电极形成互电容式传感器，介电材料插入在第一电极与第二电极之间。当第一电极与第二电极之间的距离是d、带电表面的面积是a并且带电表面之间的所有介电材料的等效渗透率是时，各个传感器的电容C被定义为C＝a/d，并且与传感器中累积的电荷量Q和施加于两个电极/带电表面的电势差(电压)V具有Q＝CV的关系。当用户接近传感器时，干扰出现在两个电极之间所形成的电场中，并且妨碍传感器中电荷的累积。然后，传感器中累积的电荷量减少，因此，电容减小。这可以被理解为由带电表面之间的等效渗透率的变化(该等效渗透率的变化由用户的接近造成)而造成的电容变化，但实际上是一种带电表面之间的电场的一部分由于用户的接近而分流并且电荷/累积电荷量减小的物理现象。当交流(AC)波形通过将AC电压源连接到第一电极而应用于传感器的一个带电表面时，对应于Q＝CV的电荷量的变化Q相对于根据用户的接近程度而变化的C而出现，并且连接到第二电极的读出电路将变化Q转换为电流或电压。这样转换的信息通常经过信号处理操作(诸如噪声过滤、解调、数字化和累积)，然后用于坐标跟踪算法和姿势识别算法。美国专利第7,920,129号公开了这种电容式触敏面板。
发明内容
当物体触摸触摸面板时由触摸面板输出的信号是通过物体分流形成在驱动电极与感测电极之间的电场通量而产生的、并且由从信号源施加于驱动电极的驱动信号来调制的电流信号。现有的触摸感测装置利用积分器来积分从触摸面板输出的电流信号，从而将电流信号转换成电压的形式。而且，触摸感测装置用于各种环境，由此基于使用触摸感测装置的环境受到噪声影响。
为了提高信噪比(SNR)，与噪声相比，施加了经由触摸物体获得的触摸信号的积分器的输出信号应当摆动到最大程度。根据相关技术，为了获得大SNR，使用充电泵来放大驱动信号的幅度，然后将驱动信号施加于驱动电极。然而，当如相关技术中使用充电泵时，应当在芯片外部准备多个大容量电容器，并且应当进一步形成用于将电容器与芯片连接的多个芯片针脚，这是不经济的。
另外，由触摸面板输出的电流信号经由积分器被转换为电压信号，并且电压信号施加于模数转换器(ADC)并且被转换为数字信号，或者利用解调器被解调成直流(DC)域，然后被ADC转换。
为了将由这种相关技术的积分器输出的电压信号直接施加于ADC并且将电压信号转换成数字信号，需要以高工作频率工作的高性能ADC，这在芯片尺寸和功耗方面是不经济的。而且，即使在解调由积分器输出的信号以便下转换，然后将下转换后的信号输入到ADC并转换成数字信号时，芯片区域需要形成解调器，并且在功耗方面是不经济的。
本发明致力于提供一种触摸感测装置，该触摸感测装置包括电荷放大器，该电荷放大器能够获得以大幅度摆动的信号并且产生高信噪比(SNR)，而不增大驱动信号的幅度，也不需要形成在芯片外部的充电泵。
本发明还致力于提供一种能够在不使用高性能模数转换器(ADC)或混合器的情况下下转换由高频调制的触摸信号的触摸感测装置。
本发明还致力于提供一种能够克服上述相关技术的缺点的触摸感测装置的驱动方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种触摸感测装置，该触摸感测装置包括：信号源，该信号源被配置为输出驱动信号；触摸面板，该触摸面板被配置为由所述信号源所输出的所述驱动信号驱动并输出使用所述驱动信号产生的电流信号；电荷放大器，该电荷放大器被配置为将由所述触摸面板输出的所述电流信号转换成电压信号；以及控制器，该控制器被配置为控制所述电荷放大器被周期性地重置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种驱动触摸感测装置的方法，该方法包括以下步骤：向触摸面板施加驱动信号；输出使用所述施加的驱动信号产生的电流信号；以及使用电荷放大器来转换所述电流信号。所述电荷放大器被周期性地重置，以转换所述电流信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种触摸感测装置，该触摸感测装置包括：信号源，该信号源被配置为输出具有边沿的驱动信号；触摸面板，该触摸面板被配置为接收所述驱动信号并且输出由所述驱动信号调制的电流信号；信号转换单元，该信号转换单元被配置为将由所述触摸面板输出的所述电流信号转换成电压信号；以及控制器，该控制器被配置为控制所述信号转换单元，使得所述驱动信号的所述边沿施加于所述触摸面板的时间点包括在信号转换单元重置时段中。所述信号转换单元周期性地重置，以将所述电流信号下转换成电压信号，并且输出所述电压信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种驱动触摸感测装置的方法，该方法包括以下步骤：向触摸面板施加具有边沿的驱动信号；生成由施加于所述触摸面板的所述驱动信号调制的电流信号；以及使用信号转换单元将所述电流信号转换成电压信号。将所述电流信号转换成所述电压信号的步骤包括控制所述信号转换单元，使得所述驱动信号的所述边沿施加于所述触摸面板的时间点包括在信号转换单元重置时段中，并且将所述电流信号下转换成所述电压信号。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其他目的、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得更加显而易见，附图中：
图1是示出根据示例性实施方式的触摸感测装置的概观的图；
图2是示意性地示出触摸面板的结构的图；
图3是示出一些可用驱动信号的图；
图4是根据本发明的示例性实施方式的触摸感测装置所发送和接收的信号的时序图的示例；
图5是示出根据相关技术的积分器的输出信号和根据示例性实施方式的电荷放大器的输出信号的图；
图6是例示根据本发明的示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法的概述的流程图；
图7是根据本发明的另一个示例性实施方式的由触摸感测装置所发送和接收的信号的时序图的示例；以及
图8是例示根据本发明的另一个示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法的概述的流程图。
具体实施方式
本文公开的具体结构和功能细节仅是用于描述本发明的示例性实施方式的目的的代表，并且本发明可以以许多替代形式具体实施，并且不应当被解释为限于本文阐述的本发明的示例性实施方式。因此，虽然本发明容许各种修改和替代形式，但是其具体实施方式在附图中以示例的方式示出，并且在本文中详细描述。然而，应当理解的是，不旨在将本发明限于所公开的具体形式，而是相反，本发明涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换物。
本说明书中使用的术语应当如下理解。
措辞“第一”、“第二”等用于描述各种元件。然而，因为这些措辞仅用于将一个元件和其他元件区分开来，所以本发明的范围不应当由这些措辞限制。例如，第一元件可以称作第二元件，反之亦然。
将理解，当提及一个元件在另一个元件“上”时，该元件可以直接在另一个元件上，并且也可以存在中间元件。另一方面，将理解当提及一个元件与另一个元件“接触”时，没有介入元件。同时，将以相同方式理解用于描述元件之间的关系的其它措辞，即，“插入在之间”和“直接插入在之间”、“之间”和“直接在之间”、“相邻”和“直接相邻”等。
除非上下文以其他方式清楚地指示，否则单数形式“一”、“一种”、“所述”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”、“包含”在本文中使用时，指定存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件、部件或其组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件或其组合。
还应当注意的是，在一些替代实现中，框中注释的功能/操作可以不以流程图中注释的顺序出现。例如，根据所涉及的功能/步骤，连续示出的两个框实际上可以大致同时执行，或这两个块可以有时以颠倒顺序执行。
在用于描述本公开的示例性实施方式的参考附图中，为了方便描述和容易理解，特意夸大尺寸、高度和厚度，但未根据比例放大或缩小。而且，在附图中，可以特意缩小一些元件，并可以特意放大其他元件。
除非以其他方式限定，否则本文所使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如常用词典中限定的术语应当被解释为具有与相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不是理想地或过于正式地进行解释(除非本文中限定)。
图1是示出根据示例性实施方式的触摸感测装置的概观的图，并且图2是示意性地示出触摸面板100的结构的图。参照图1和图2，根据本发明的示例性实施方式的触摸感测装置包括：信号源，该信号源输出驱动信号；触摸面板，该触摸面板由信号源所输出的驱动信号驱动并输出使用驱动信号产生的电流信号；电荷放大器，该电荷放大器将由触摸面板输出的电流信号转换成电压信号；以及控制器，该控制器控制电荷放大器被周期性地重置。
参照图1和图2，触摸面板100包括感测电极120、驱动电极140和基板160。在示例性实施方式中，基板160由透明介电材料形成，并且保护玻璃形成在基板160的上表面上，由此允许由布置在基板160的下表面上的显示设备(诸如，液晶显示器(LCD)或有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器)显示的图像穿过基板160和保护玻璃。作为示例，基板160由玻璃形成。布置在基板160上的感测电极120和驱动电极140都形成为透明，由此可以在通过自身显示图像的同时检测物体。作为另一个示例，基板160可以由不透明介电材料形成，以仅检测物体的触摸。
在本说明书中，用户能够使用、以向触摸面板施加输入的物体被定义为“物体”。这种物体表示可以分流形成在第一电极与第二电极之间的电场通量并向触摸面板100施加触摸输入的实体(诸如手指、手掌或铁笔)。然而，这些仅旨在描述物体，并且不旨在限制物体的范围。因此，除了上述手指、手掌或铁笔之外，物体可以是用户的脸颊、脚趾等。
参照图2，沿第一方向延伸的多个感测电极120布置在基板160的一个表面上。沿以直角与第一方向交叉的第二方向延伸并平行排布的多个驱动电极140布置在基板160的另一个表面上。驱动电极140与感测电极120形成互电容器。作为示例，驱动电极140和感测电极120可以由透明导电材料形成，由此允许布置在基板160的下表面上的显示设备所显示的图像穿过自身。在一示例中，驱动电极140和感测电极120由透明导电材料(诸如，铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)和铟镉氧化物(ICO))形成。在另一个示例中，驱动电极140和感测电极120可以由碳纳米管(CNT)形成。CNT可以承载比诸如ITO等这样的透明导电材料更高密度的电流。
另选地，虽然图中未示出，但是感测电极120和驱动电极140都可以布置在基板160的一个表面上，以在彼此绝缘的同时以直角交叉。
信号源Vsig向触摸面板100的驱动电极140施加驱动信号VTX(t)，并且驱动信号VTX(t)是脉冲串(pulse train)。图3的(a)示出驱动信号VTX(t)是矩形脉冲串的情况。图3的(b)示出驱动信号VTX(t)是斜坡脉冲串的情况，并且图3的(c)示出驱动信号VTX(t)是三角形脉冲串的情况。图3的(d)示出驱动信号VTX(t)是正弦脉冲串的情况。除此之外，可以使用附图中未示出的各种形状的脉冲串。
由信号源Vsig施加的驱动信号VTX(t)施加于触摸面板100的任意一个驱动电极140，并且用感测电极120产生电场通量。物体触摸触摸面板100，以分流在驱动电极140与感测电极120之间产生的电场通量，并且所产生的电场通量的变化以具有电流变化的电流信号的形式输出。电流信号通过感测电极120输入到电荷放大器200。
电荷放大器200将由触摸面板100输出的电流信号转换成电压信号。电荷放大器也称作Q-V转换器，并且下面将称作电荷放大器或信号转换单元。作为电荷放大器的实现的示例，电荷放大器200包括运算放大器220；电容器C，该电容器C连接到运算放大器220的反向输入端子和输出端子；以及开关SW，该开关SW与电容器C平行连接，以提供用于对电容器C进行放电的路径。运算放大器220的反向输入端子电连接到触摸面板的感测电极120，并且运算放大器220的输出信号通过电容器C反馈回到反向输入端子。运算放大器220的非反向输入端子连接到基准电势Vref。基准电势Vref不仅表示地电势，还表示在电子装置中充当基准的电势，该基准电势根据电子装置的设计可以与地电势相同或不同。
开关SW可以是能够利用施加于其控制电极的电信号来控制是否电连接两个电极、而开关的类型无关的任意开关。作为示例，场效应晶体管(FET)可以用作使用其栅极作为控制电极来控制是否将其漏极与其源极电连接的开关。作为另一个示例，双极性结型晶体管(BJT)可以用作使用其基极作为控制电极来控制是否将其发射极与其集电极电连接的开关。而且，可以使用包括至少一个FET、至少一个BJT或至少一个FET和至少一个BJT的开关。
控制器300将开关信号VSW(t)施加于连接在运算放大器220的反向输入端子与输出端子之间的开关SW的控制电极，从而控制接通或断开开关SW。当接通开关SW时，对电荷放大器200的电容器C中存储的电荷进行放电，并且控制器300施加开关信号Vsw(t)，使得开关SW接通达充足的时间以完全对电容器C中存储的电荷进行放电。根据诸如电容器C的电容等这样的因子来确定电容器C中所存储的电荷量，并且本领域技术人员会没有任何问题地通过普通测试来确定足够的时间。
作为示例，控制器300接收由信号源Vsig输出的驱动信号VTX(t)，以生成并向开关SW的控制电极施加能够控制开关SW的开关信号Vsw(t)。作为另一个示例，控制器300可以生成并在预定时段向开关SW的控制电极施加开关信号Vsw(t)。
在下面描述的示例性实施方式中，作为示例，将描述当高信号施加于控制电极时电连接开关SW的两个电极，并且当施加低信号时不电连接两个电极的构造。然而，该示例旨在简洁并清楚的描述，而不旨在限制本发明的范围。换言之，根据附图中未示出的另一个示例性实施方式，还可以通过向控制电极施加低信号来电连接开关的两个电极，并且通过施加高信号来切断开关的两个电极之间的电连接。
图4是当根据本示例性实施方式的触摸感测装置采用矩形脉冲串作为驱动信号时发送和接收的信号的时序图的示例。将参照图4描述具有上述组件的触摸感测装置的操作。在图4中，在用于感测触摸和获得信息(诸如，触摸坐标和触摸强度)的触摸感测(通道评估)时段之前，执行用于对触摸面板100和电荷放大器200的电容器C中存储的不必要的信息进行初始化的通道初始化(通道重置)。
图4的(a)是从信号源Vsig向驱动电极140施加的驱动信号VTX(t)的时序图。参照图4的(a)，在通道初始化(通道重置)时段期间，信号源Vsig向驱动电极140不断地施加低电平或高电平，从而初始化触摸面板100的互电容CM、寄生电容等。随后，在触摸感测(通道评估)时段期间，信号源Vsig向触摸面板100的驱动电极140施加驱动信号VTX(t)。
如上所述，在触摸感测(通道评估)时段期间施加的驱动信号VTX(t)可以是脉冲串，该脉冲串是矩形脉冲串、斜坡脉冲串、三角形脉冲串和正弦脉冲串中的任意一种。使用若干形状的脉冲串，可以驱动触摸面板100。
如图2所示，其中CM指示形成在驱动电极140与感测电极120之间的互电容器的电容，并且VTX(t)指示施加于驱动电极140的驱动信号，通过使驱动信号VTX(t)穿过各个互电容器而产生的电流信号i(t)由下面的等式1表示。
[等式1]
i ( t ) = C M d V TX ( t ) dt
换言之，当由物体进行触摸时，改变互电容，由此改变从触摸面板100向电荷放大器200施加的电流。而且，可以知道由触摸面板100向电荷放大器200输出的电流信号i(t)通过将驱动信号VTX(t)相对于时间进行微分而获得。因此，在通道初始化(通道重置)时段期间施加于驱动电极140的驱动信号VTX(t)被固定在高电平或低电平，而不随时间变化，并且在通道初始化(通道重置)时段期间没有从触摸面板100向电荷放大器200输出信号。
然而，在完成通道初始化之后的触摸感测(通道评估)时段期间，信号源Vsig如图所示施加随时间改变的脉冲串，作为驱动信号VTX(t)，以检测触摸。当驱动电极140、感测电极120、线路、电容器CM等都是理想的时，由于驱动信号VTX(t)的上升沿和下降沿的微分，通过向触摸面板110施加驱动信号VTX(t)而产生的电流信号i(t)具有狄拉克得尔塔(Dirac-delta)函数的形状。然而，因为传递驱动信号VTX(t)的路径、驱动电极140、感测电极120和电容器CM都不是理想的，所以电流信号i(t)实际上具有如图4的(b)所示的尖峰形状。换言之，电流信号i(t)由于驱动信号VTX(t)的上升沿的微分而具有向上尖峰的形状，而由于驱动信号VTX(t)的下降沿的微分而具有向下尖峰的形状。这样产生的电流信号i(t)施加于电荷放大器200。
如图4的(b)所示，通过向触摸面板施加驱动信号VTX(t)的上升沿和下降沿而产生由触摸面板100以尖峰形式输出的电流信号i(t)，即，被驱动信号VTX(t)调制。当由物体进行触摸时，相应的触摸信息以被驱动信号VTX(t)调制的电流信号i(t)的形式向电荷放大器200传递。
然而，图4示例示了当信号源Vsig向驱动电极140施加矩形脉冲串时获得的信号，作为驱动信号VTX(t)，并且即使通过施加图3中所示的脉冲串或图中未示出的若干脉冲串，信号源Vsig也可以获得类似的输出信号并执行相同的功能。
当电流信号i(t)从感测电极120施加于电荷放大器200时，电流信号i(t)经由电荷放大器200中包括的电容器C的电荷累积操作转换为电压信号，通过在电容器C的两个端子处的转换而获得的电压VC(t)由以下等式2给出。
[等式2]
V C ( t ) = 1 C ∫ 0 t i ( τ ) dτ + V C ( 0 )
在通道初始化(通道重置)时段期间，控制器300控制开关SW，使得对电容器C中存储的所有电荷进行放电。因此，当完成通道初始化(通道重置)时段并且在相应的通道中尝试触摸感测的时间点是t＝0时，在电容器C的两个端子处的初始电压信号值VC(0)是0。
随后，当触摸感测(通道评估)时段开始时，控制器300控制断开开关SW。从感测电极120施加的电流信号i(t)在穿过电容器C的同时被积分，由此被转换成电压信号。当电流信号i(t)具有理想的狄拉克得尔塔函数的形状时，通过积分电流信号i(t)而获得的电压信号具有脉冲形式。然而，由于面板、发送线路等的不理想特性，电流信号i(t)不具有狄拉克得尔塔函数的形状，而具有尖峰形状，由此实际获得的输出波形不是完美的脉冲形状而是类似于脉冲的形状。
如从上面的等式2可看到的，两个电容器端子处的电压VC(t)基于前一状态的初始值而变化。换言之，当通道初始化时段在t＝0处结束、并且施加电流以在两个电容器端子处产生电压VC(0)时，两个电容器端子处的电压VC(t)基于VC(0)(t＝0处的电压)而改变。而且，当驱动信号VTX(t)从高电平转变到低电平或反之亦然时，基于在驱动信号VTX(t)处于紧挨转变前的电平时所获得的电压，通过转变改变两个电容器端子处的电压VC(t)。
根据运算放大器220的虚短路原理，运算放大器220的非反向输入端子连接到基准电势Vref，由此反向输入端子的电势与作为非反向输入端子的电势的基准电势Vref大致相同。因此，电容器C的连接到反向输入端子的一个端子的电势与基准电势Vref大致相同。电容器C的另一个端子连接到电荷放大器200的输出端子，由此在电容器C形成的电势差作为电荷放大器200的输出信号Vout(t)而被输出，其如图4的(d)所示基于基准电势Vref变化。
通过重新布置上面的等式1和等式2，电荷放大器200的输出信号Vout(t)在下面被定义为等式3。
[等式3]
V out ( t ) = V ref - V C ( t ) = - C M C V TX ( t ) + V ref - V C ( 0 )
因为基于当电流施加于电容器C时的基准电势Vref来生成电荷放大器200的输出信号Vout(t)，所以其电压基于如上所述的前一个状态的电压而变化。
在通道初始化(通道重置)时段期间，控制器300接通开关SW，以对包括在电荷放大器200中的电容器C中存储的电荷进行放电，从而执行初始化。在以下触摸感测(通道评估)时段期间，控制器300控制开关SW断开并且允许由触摸面板100施加的电流信号i(t)流到电容器C，从而将电流信号i(t)转换成电压信号。然而，控制器300向开关SW的控制电极施加开关信号Vsw(t)，使得开关SW在驱动信号VTX(t)的下降沿和上升沿施加于触摸面板100之前立即接通和断开。因此，随着接通开关SW，对电容器C中存储的电荷进行放电。
控制器300通过施加开关信号Vsw(t)来控制开关SW，使得开关SW被接通达足够的时间，以对电容器C中所存储的所有电荷进行放电，并且控制开关SW在对电容器C中存储的电荷放电之后断开。因为对电容器C中存储的电荷进行放电，所以两个电容器端子之间没有电势差，由此，电荷放大器200的输出变化到基准电势Vref。
在电容器C中所存储的电荷被完全放电之后，控制器300控制开关SW断开，并且具有尖峰形状的电流信号i(t)流到电容器C并且在两个电容器端子之间形成电势差。电荷放大器200转换所施加的电流信号i(t)并且输出电压信号，并且可以知道由电荷放大器200输出的输出信号VOUT(t)基于基准电势Vref而摆动，如图4的(d)所示。
根据相关技术，在施加了具有尖峰形状的电流信号之后，电荷放大器的输出电势维持均一，直到紧挨电流信号的下一个尖峰之前为止。另一方面，根据该示例性实施方式，电容器C中存储的电荷被放电，并且，电荷放大器200的输出返回到紧挨施加电流信号i(t)的每个尖峰之前的基准电势Vref。随后，开关SW被断开，以向电荷放大器200施加具有尖峰形状的电流信号i(t)。然后，电流信号i(t)被转换为电压信号，并且输出电压信号。
因此，紧挨在向下电流尖峰施加于电荷放大器200之前，接通开关SW，以对电容器C进行放电并将电荷放大器200的输出电势返回到基准电势Vref，并且断开开关SW，以向电荷放大器200施加电流信号i(t)，使得电荷放大器200输出从基准电势Vref向上摆动的脉冲形式的信号。随后，紧挨在向上电流尖峰施加于电荷放大器200之前，接通开关SW，以对电容器C进行放电并将电荷放大器200的输出电势返回到基准电势Vref，并且断开开关SW，以向电荷放大器200施加向上电流尖峰，使得电荷放大器200输出从基准电势Vref向下摆动的脉冲形式的信号。
参照图5的(a)，当由驱动信号产生的电荷放大器的输出信号具有Δ的幅度时，根据相关技术的积分器的输出信号达到最大幅度。随后，输出信号被驱动信号的到来边沿所产生的电流信号改变Δ，以达到最小幅度，并且被跟随该边沿的反向边沿改变Δ，以达到最大幅度。换言之，根据相关技术的积分器的输出信号的最大摆动如图所示仅是Δ。
另一方面，根据图5的(b)所示的实施方式，当施加具有如图5的(a)所示的相同幅度的驱动信号的任意一个边沿时，电荷放大器200的输出电压基于基准电势Vref摆动-Δ，并且开关SW在下一个边沿到达之前被接通，并且将所存储的电荷放电，以使电荷放大器200的输出电压返回到由虚线所指示的基准电势。因此，电荷放大器200的输出电压基于基准电势Vref摆动Δ。随后，因为在断开开关SW的同时施加驱动信号的反向边沿，所以电荷放大器200的输出电势基于输出电压已经返回到的基准电势Vref改变Δ，并且开关SW在达到下降沿之前接通并对电容器C中存储的电荷进行放电，使得电荷放大器200的电势返回到由虚线所指示的基准电压Vref。因此，电荷放大器200的输出电压基于基准电势Vref摆动另一个Δ。
换言之，根据相关技术，仅在通道初始化(通道重置)时段期间，初始化电荷放大器。另一方面，根据本发明的本示例性实施方式，不仅在通道初始化(通道重置)时段期间初始化电荷放大器的电容器，还在达到驱动信号的边沿之前周期性地初始化电荷放大器的电容器。因此，电荷放大器的输出信号与在相关技术中相比以更大的宽度摆动。
因此，根据本示例性实施方式，周期性地接通开关，以将电容器中存储的电荷放电，并且可以显著改善输出信号的摆动。通过这样驱动触摸感测装置，可以增大输出信号与噪声相比的幅度，并且显著地改善SNR。
参照图6，将描述根据示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法。为了简洁并清楚的描述，可以省略与上述示例性实施方式中的描述相同的细节。图6是例示根据本发明的示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法的概述的流程图。参照图6，根据本示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法包括向触摸面板施加驱动信号的操作；输出使用施加于触摸面板的驱动信号所产生的电流信号的操作；以及使用电荷放大器来转换输出信号的操作，该电荷放大器包括运算放大器、电容器、连接到运算放大器的输出端子和输入端子的开关。开关周期性地对电容器中所存储的电荷进行放电，从而重置电荷放大器。
在S100中，向触摸面板施加驱动信号。如上所述，施加于触摸面板的驱动信号是脉冲串。作为示例，脉冲串可以是矩形脉冲串、斜坡脉冲串、三角形脉冲串和正弦脉冲串中的任意一种。通过使用若干形状的脉冲串中的任意一种，可以驱动触摸面板。
在S200中，施加有驱动信号的触摸面板输出电流信号。例如，当驱动信号是矩形脉冲串时，由触摸面板输出的电流信号具有狄拉克得尔塔函数的形状。然而，由于线路、电容器等的不理想特性，电流信号具有尖峰的形状。
在S300中，电荷放大器转换由触摸面板施加的电流信号。例如，电荷放大器包括运算放大器，该运算放大器的非反向输入端子连接到基准电势；和电容器，该电容器连接在运算放大器的反向输入端子与输出端子之间。接收电流信号的电容器通过累积电荷在其两端之间具有电势差，由此电荷放大器产生基于基准电势摆动的输出信号。
控制器控制连接在运算放大器的反向输入端子与输出端子之间的开关，以周期性地对电容器中存储的电荷进行放电。例如，控制器控制断开开关，使得由触摸面板施加的电流信号被转换成电压信号，并且控制开关，以在驱动信号的上升沿和下降沿之前接通，使得在包括在电荷放大器的电容器中所存储的电荷被放电。控制器向开关的控制电极施加开关信号，使得至少在对电容器中所存储的电荷进行放电所需的时间接通开关。因此，随着对电容器中存储的电荷进行放电，电荷放大器的的输出电势返回到基准电势。在对电容器中存储的电荷进行放电之后，断开开关，并且具有尖峰形状的电流再次施加于电荷放大器。因此，电荷放大器从基准电势摆动到由所施加的电流造成的电势差。
如上所述，即使在施加具有相同电势差的驱动信号时，电荷放大器的输出信号的摆动也是根据相关技术的电荷放大器的输出信号的摆动的大约两倍。因此，可以获得比根据相关技术的电荷放大器更大的SNR，由此，可以获得更高的抗扰度。
另外，根据相关技术，使用电荷泵使电压加倍，以放大积分器的输出信号。另一方面，根据本示例性实施方式，即使在不使用电荷泵的情况下，也可以获得具有两倍的更高的摆动的信号。进一步地，当使用本示例性实施方式和电荷泵一起使电压加倍时，可以获得以更大宽度摆动的输出信号，并且实现具有进一步改善的SNR和抗扰度的触摸感测装置。
参照图1、图7和图8，将描述本发明的另一个示例性实施方式。图7是根据本发明的另一个示例性实施方式的信号的时序图的示例，并且图8是根据本发明的另一个示例性实施方式的触摸感测装置的驱动方法的流程图。为了简洁描述，可以省略与上述示例性实施方式中描述的相同细节。参照图1、图7和图8，根据本示例性实施方式的信号源Vsig输出并向触摸面板施加具有上升沿和下降沿的驱动信号VTX(t)(S500)。例如，驱动信号VTX(t)是矩形脉冲串。
在触摸感测(通道评估)时段期间，施加了驱动信号VTX(t)的触摸面板100利用如上所述所施加的驱动信号VTX(t)输出尖峰形状的电流信号i(t)。电流信号i(t)被驱动信号VTX(t)的频率调制，并且含有触摸信息(S600)。
参照图7，本示例性实施方式与之前的示例性实施方式的区别在于控制器300控制开关SW，使得驱动信号VTX(t)的上升沿可以在接通开关SW的时段τ2期间施加于触摸面板100。换言之，在接通开关SW的同时，将驱动信号VTX(t)的上升沿施加于触摸面板100。然而，该示例性实施方式旨在简洁并清楚的描述，而不旨在限制本发明的范围。换言之，也可以实现控制器300控制开关SW、以在驱动信号VTX(t)的下降沿施加于触摸面板100的同时接通的示例性实施方式。
图7示例出当开关信号高时接通开关SW的情况。虽然图中未示出，但是如果开关SW是由低信号接通的开关，则在开关信号是低的同时，驱动信号VTX(t)的上升沿施加于触摸面板100。因此，通过向触摸面板100施加驱动信号VTX(t)的上升沿而产生的电流信号i(t)的向上尖峰通过信号转换单元的接通的开关SW绕开电容器C，并且当接通开关SW时，电容器C中存储的电荷被放电。因此，信号转换单元200的输出电压VOUT(t)变为基准电压Vref(S700)。
控制器300控制开关SW在紧挨施加驱动信号VOUT(t)的上升沿之前接通。控制器300控制开关SW接通足够的时间τ2，以使电容器C中存储的电荷完全放电，并且使由于上升沿而具有尖峰形式的电流通过开关SW绕过电容器C，然后控制开关SW断开。
在控制器300控制开关SW断开之后，直到向下尖峰的电流信号i(t)被施加于信号转换单元200为止的时段δ期间，弱电流从触摸面板100施加于信号转换单元200，由此由转换电流信号i(t)的信号转换单元200输出的输出信号VOUT(t)在时段δ期间是弱的。
随后，具有通过向触摸面板100施加驱动信号VTX(t)的下降沿而产生的向下尖峰的形状的电流信号i(t)被施加于信号转换单元200。具有向下尖峰形状的、所施加的电流信号i(t)无法绕过电容器C(因为断开了开关SW)，反而流到电容器C。因此，电流信号i(t)被转换为电压信号VOUT(t)并且以图7的(d)所示的脉冲的形式输出。
参照图7的(d)所示的信号转换单元200的输出信号VOUT(t)，除了接通开关SW以将电容器C中存储的电荷放电、由此重置信号转换单元200的时段τ2以及直到紧挨在断开开关SW之后将向下电流尖峰施加于信号转换单元200之前为止的时段δ之外，信号转换单元200的输出信号VOUT(t)被下转换为直流(DC)域。
换言之，根据相关技术，具有相同频率和类似波形的积分器的驱动信号和输出混合到一起，以获得下转换到DC域的信号。然而，根据本示例性实施方式，在不使用混合器的情况下，通过仅在驱动信号VTX(t)的上升沿或下降沿中的任意一个到达之前周期性地重置信号转换单元200，控制器300可以容易地执行下转换。另外，当利用低通滤波器对图7的(d)所示的信号转换单元200的输出信号VOUT(t)执行滤波时，可以去除非预期的高频带的信号。
在对这样获得的信号执行模数转换之后，通过累加数字化结果并接着执行附加操作，可以获得触摸信号。另外，通过累加数字化结果，使噪声最终达到平衡，由此可以减小噪声对获得触摸信号的过程的影响。
根据本示例性实施方式，在不实现混合器、斩波器、整流器等的电路的情况下，可以将由信号转换单元输出的信号下转换为DC域。换言之，当本示例性实施方式实现为集成电路(IC)时，不需要实现混合器、斩波器、整流器等的电路。因此，可以减小芯片尺寸，并且可以降低下转换所需要的元件(诸如，混合器、斩波器、整流器等)的功耗。
本发明的示例性实施方式提供一种能够获得以比现有的信号转换单元更大的幅度摆动的信号的信号转换单元、包括信号转换单元的触摸感测装置、以及驱动触摸感测装置的方法。因此，根据本发明的示例性实施方式，可以以高SNR驱动触摸感测装置，并且可以降低噪声在触摸感测中的影响。
另外，本发明的示例性实施方式提供一种电荷放大器，该电荷放大器即使在施加具有与其他电荷放大器的驱动信号相同幅度的驱动信号时，也输出以比其他电荷放大器的输出信号大的幅度摆动的信号；包括该电荷放大器的触摸感测装置；以及驱动触摸感测装置的方法。
而且，本发明的示例性实施方式提供一种触摸感测装置，该触摸感测装置包括电荷放大器，该电荷放大器的输出信号以大幅度摆动并且该电荷放大器能够在没有芯片外部形成的电荷泵的情况下产生高SNR。
本发明的示例性实施方式提供一种信号转换单元，该信号转换单元能够在不使用下转换模块(诸如混合器或斩波器)的情况下下转换由高频调制的触摸信号；包括信号转换单元的触摸感测装置和驱动触摸感测装置的方法。因此，示例性实施方式不需要下转换模块(诸如混合器)，并且在功耗降低方面提供经济的优点。
对于本领域技术人员而言，很明显，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对本发明的上述示例性实施方式做出各种修改。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的本发明所有的修改。
本申请要求2013年10月15日提交的韩国专利申请第2013-0122714号的优先权和权益，此处通过引证的方式将上述申请的公开的全部内容并入本文中。

Claims (34)

1.一种触摸感测装置，所述触摸感测装置包括：
信号源，所述信号源被配置为输出驱动信号；
触摸面板，所述触摸面板被配置为由所述信号源所输出的所述驱动信号驱动并输出使用所述驱动信号产生的电流信号；
电荷放大器，所述电荷放大器被配置为将由所述触摸面板输出的所述电流信号转换成电压信号；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述电荷放大器被周期性地重置。
2.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中，所述电荷放大器包括：
运算放大器；
电容器，所述电容器连接到所述运算放大器的输出端子和输入端子；以及
开关，所述开关被配置为对存储在所述电容器中的电荷进行放电。
3.根据权利要求2所述的触摸感测装置，其中，所述控制器通过接通所述开关以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电并接着断开所述开关，来重置所述电荷放大器。
4.根据权利要求2所述的触摸感测装置，其中，所述控制器控制所述开关接通充足的时间以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电，并接着断开所述开关。
5.根据权利要求2所述的触摸感测装置，其中，所述电容器的一个端子电连接到所述运算放大器的反向输入端子，
所述电容器的另一个端子电连接到所述运算放大器的所述输出端子，
所述开关的一个端子电连接到所述运算放大器的所述反向输入端子，
所述开关的另一个端子电连接到所述运算放大器的所述输出端子，并且
所述运算放大器的非反向输入端子连接到基准电势。
6.根据权利要求2所述的触摸感测装置，其中，所述开关包括场效应晶体管FET和双极性结型晶体管BJT中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中，由所述信号源输出的所述驱动信号是矩形脉冲串。
8.根据权利要求7所述的触摸感测装置，其中，所述控制器控制所述开关在所述矩形脉冲串的边沿施加于所述触摸面板之前接通和断开。
9.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中，由所述信号源输出的所述驱动信号是斜坡脉冲串、三角形脉冲串和正弦脉冲串中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中，所述触摸面板包括：
绝缘基板；
驱动电极，所述驱动电极形成在所述绝缘基板的一个表面上；以及
感测电极，所述感测电极形成在所述绝缘基板的所述一个表面或另一个表面上并且电连接到所述电荷放大器。
11.根据权利要求10所述的触摸感测装置，其中，所述驱动信号被施加于所述驱动电极。
12.一种驱动触摸感测装置的方法，该方法包括以下步骤：
向触摸面板施加驱动信号；
输出使用所施加的驱动信号产生的电流信号；以及
使用电荷放大器来转换所述电流信号，
其中，在转换所述电流信号期间，周期性地重置所述电荷放大器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电荷放大器包括：
运算放大器；
电容器，所述电容器连接到所述运算放大器的输出端子和输入端子；以及
开关，所述开关被配置为对存储在所述电容器中的电荷进行放电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过接通所述开关以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电并接着断开所述开关，来周期性地重置所述电荷放大器。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述开关接通充足的时间以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电，并接着断开所述开关。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，施加所述驱动信号的步骤包括施加矩形脉冲串。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述矩形脉冲串的边沿施加于所述触摸面板之前接通和断开所述开关。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，施加所述驱动信号的步骤包括施加斜坡脉冲串、三角形脉冲串和正弦脉冲串中的任意一种。
19.一种触摸感测装置，所述触摸感测装置包括：
信号源，所述信号源被配置为输出具有边沿的驱动信号；
触摸面板，所述触摸面板被配置为接收所述驱动信号并且输出被所述驱动信号调制的电流信号；
信号转换单元，所述信号转换单元被配置为将由所述触摸面板输出的所述电流信号转换成电压信号；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述信号转换单元，使得所述驱动信号的所述边沿被施加于所述触摸面板的时间点包括在信号转换单元重置时段中，
其中，所述信号转换单元被周期性地重置，以将所述电流信号转换为经下转换的电压信号，并且输出所述电压信号。
20.根据权利要求19所述的触摸感测装置，其中，所述信号转换单元包括：
运算放大器；
电容器，所述电容器电连接到所述运算放大器的输出端子和输入端子；以及
开关，所述开关被配置为对存储在所述电容器中的电荷进行放电。
21.根据权利要求20所述的触摸感测装置，其中，所述控制器通过接通所述开关充足的时间以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电并接着断开所述开关，来重置所述信号转换单元。
22.根据权利要求20所述的触摸感测装置，其中，所述控制器控制所述开关，使得所述驱动信号的上升沿施加于所述触摸面板的时间点包括在接通所述开关的时段中。
23.根据权利要求20所述的触摸感测装置，其中，所述运算放大器的非反向输入端子连接到基准电势。
24.根据权利要求20所述的触摸感测装置，其中，所述开关包括场效应晶体管FET和双极性结型晶体管BJT中的至少一种。
25.根据权利要求19所述的触摸感测装置，其中，具有所述边沿的所述驱动信号是具有上升沿和下降沿的矩形脉冲串。
26.根据权利要求19所述的触摸感测装置，其中，所述触摸面板包括：
绝缘基板；
驱动电极，所述驱动电极形成在所述绝缘基板的一个表面上；以及
感测电极，所述感测电极形成在所述绝缘基板的所述一个表面或另一个表面上，并且电连接到所述信号转换单元。
27.根据权利要求26所述的触摸感测装置，其中，所述驱动信号被施加至所述驱动电极。
28.根据权利要求19所述的触摸感测装置，所述触摸感测装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为去除由所述信号转换单元下转换并输出的所述电压信号的高频分量。
29.一种驱动触摸感测装置的方法，该方法包括以下步骤：
向触摸面板施加具有边沿的驱动信号；
生成被施加于所述触摸面板的所述驱动信号调制的电流信号；以及
使用信号转换单元将所述电流信号转换成电压信号
其中，将所述电流信号转换成所述电压信号的步骤包括：控制所述信号转换单元，使得所述驱动信号的所述边沿施加于所述触摸面板的时间点包括在信号转换单元重置时段中，并且将所述电流信号下转换成所述电压信号。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述信号转换单元包括：
运算放大器；
电容器，所述电容器连接到所述运算放大器的输出端子和输入端子；以及
开关，所述开关被配置为对存储在所述电容器中的电荷进行放电。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，将所述电流信号下转换为所述电压信号的步骤包括：控制所述开关接通充足的时间，以对存储在所述电容器中的所述电荷进行放电，接着断开所述开关。
32.根据权利要求29所述的方法，所述方法还包括对所述电压信号进行低通滤波。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，施加所述驱动信号的步骤包括施加矩形脉冲串。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，将所述电流信号下转换为所述电压信号的步骤包括：控制所述开关，使得所述矩形脉冲串的上升沿施加于所述触摸面板的时间点包括在接通所述开关的时段中。
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