CN104731425B - 电容式传感器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可使用在诸如触摸板的应用程序的电容式传感器电路。电容式传感器电路包含跨阻放大器、滤波模块、整流器、积分器及模拟数字转换器，由于输入电容式传感器电路的发送信号已通过整流器与积分器预处理，因此模拟数字转换器可为低速模拟数字转换器，其跟高速模拟数字转换器比起来具有低功耗及较低的制造成本。

Description

电容式传感器电路
技术领域
本发明公开了一种电容式传感器电路，尤指一种应用于需要人机界面应用程序的电容式传感器电路。
背景技术
触摸板被广泛地使用在移动设备，如平板计算机和智能手机，而采用电容感应的触摸板实现人机界面已经普遍化。
现有的技术的电容感应集成电路应用在人机界面需要使用高速模拟数字转换器，高速模拟数字转换器用于将电容式传感器的模拟信号转换为数字信号，然后数字信号再通过混频电路来对数字信号进行解调。
现有的技术的制造成本很高，因为高速模拟数字转换器需要复杂的电路，因此用于高速模拟数字转换器的芯片面积也比较大，除了制造成本，高速模拟数字转换器与低速模拟数字转换器相比，高速模拟数字转换器也需要较高的功耗，高速模拟数字转换器的性能也会受制造工艺影响，其会增加制造高速模拟数字转换器的难度，由于精度要求，除了高速模拟数字转换器，现有技术还需要使用混频电路，混频电路通常包括乘法器，因此采用混频电路并不适合用于生产低成本的集成电路。
发明内容
本发明公开了一种电容式传感器电路，包含跨阻放大器、滤波模块、整流器、积分器及模拟数字转换器。所述跨阻放大器包含运算放大器及电容，所述运算放大器包含负输入端耦接于接收端，正输入端用以接收参考电压，及输出端，所述电容包含第一端耦接于所述接收端，及第二端耦接于所述运算放大器的所述输出端。所述滤波模块包含输入端耦接于所述运算放大器的所述输出端，及输出端；所述整流器包含输入端耦接于所述滤波模块的所述输出端，及输出端；所述积分器包含输入端耦接于所述整流器的所述输出端，及输出端；所述模拟数字转换器包含输入端耦接于所述积分器的所述输出端，及输出端。
附图说明
图1所示为本发明实施例所揭露的电容式传感器电路的示意图。
图2所示为图1的电容式传感器电路的电容式传感器的示意图。
图3所示为图1的电容式传感器电路的跨阻放大器的示意图。
图4所示为图1的电容式传感器电路的整流器的示意图。
图5所示为图1的电容式传感器电路的实施例一的积分器的示意图。
图6所示为图1的电容式传感器电路的实施例二的积分器的示意图。
图7所示为图1的电容式传感器电路的实施例三的积分器的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100 电容式传感器电路
110 电容式传感器
120 跨阻放大器
130 滤波模块
140 整流器
150、1502、1504 积分器
160 模拟数字转换器
121、151 运算放大器
141 比较器
142 反相器
152 开关电容电路
CF 手指电容
CM 互电容
Ca、CI、CSC 电容
RI、ROFF 电阻
Tx 发送端
Rx 接收端
Vref 参考电压
VCM 共模电压
VOFF 补偿电压
VO_TIA、VO_REC、VO_INT 输出端
VIN_REC、VIN_INT 输入端
S1、SSC1 第一开关
S2、SSC2 第二开关
SSC3 第三开关
SSC4 第四开关
SRI 重置开关
具体实施方式
本发明揭露了一种具有整流器和积分器的电容式传感器电路。本发明的实施例可应用在任何移动装置的触摸板，如平板计算机及智能手机的触摸板。
图1为本发明实施例所揭露的电容式传感器电路100的示意图。电容式传感器电路100包含电容式传感器110、跨阻放大器(transimpedance amplifier,TIA)120、滤波模块130、整流器(rectifier,REC)140、积分器(integrator,INT)150及模拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)160。电容式传感器110的发送端用以收信号源产生的发送信号，跨阻放大器120的输入端耦接于电容式传感器110的接收端，滤波模块130的输入端耦接于跨阻放大器120的输出端，整流器140的输入端耦接于滤波模块130的输出端，积分器150的输入端耦接于整流器140的输出端，模拟数字转换器160的输入端耦接于积分器150的输出端，而模拟数字转换器160的输出端所输出的信号是电容式传感器电路100输出的数字信号。
图2为图1的电容式传感器电路100的电容式传感器110的示意图。电容式传感器110包含手指电容CF及互电容CM，手指电容CF及互电容CM是以并联的方式相耦接，手指电容CF及互电容CM的第一端耦接于发送端Tx，而手指电容CF及互电容CM的第二端耦接于接收端Rx。当手指电容CF上感测到手指或导电材料，跨阻放大器120会根据手指电容CF及互电容CM的等效电容处理发送信号。
电容式传感器110采取人体电容作为输入，也可以感测任何导体或与空气的介电值具有差异的材料，电容式传感器110的等效电容是通过量测流经电容式传感器110的交流电流(发送信号)而得知，即，当检测到手指在手指电容CF上方时，电容式传感器110的等效电容会有变化，在触摸板上，其具有多个电容式传感器110，如果一个电容式传感器110的等效电容发生变化时，等效电容发生变化的电容式传感器110会对应到触摸板上的坐标，该坐标可能是触摸板上显示的使用者介面的其中一个控制按键，其可对应于由移动装置执行的命令，因此电容式传感器110的等效电容的变化将产生一个信号，作为一个指令来控制触摸板执行对应的动作。
图3为图1的电容式传感器电路100的跨阻放大器120的示意图。跨阻放大器120包含运算放大器121及电容Ca，电容Ca的第一端耦接于运算放大器121的负输入端，电容Ca的第二端耦接于运算放大器121的输出端，运算放大器121的输出端耦接于跨阻放大器120的输出端VO_TIA，运算放大器121的正输入端用以接收参考电压Vref，运算放大器121的负输入端耦接于接收端Rx，跨阻放大器120使用电容Ca将输入信号转换成具有参考电压Vref的电压值的输出信号，跨阻放大器120的输入信号是从接收端Rx接收的发送信号，跨阻放大器120的输出信号的振幅是与电容式传感器110的等效电容和参考电压Vref成正比，跨阻放大器120可还包含重置开关，用以提升稳定性，重置开关的第一端耦接于运算放大器121负输入端，重置开关的第二端耦接于运算放大器121的输出端，重置开关的控制端用以接收重置信号。
电容式传感器电路100的滤波模块130包含输入端耦接于跨阻放大器120的输出端VO_TIA，及输出端耦接于整流器140的输入端，滤波模块130包含两个不同的滤波器，第一滤波器可是低通滤波器或带通滤波器，第二滤波器可是采样保持电路、开关电容带通滤波器或开关电容高通滤波器，滤波模块130的两滤波器(第一及第二滤波器)的第一种组合包含低通滤波器及开关电容带通滤波器，第二种组合包含低通滤波器及采样保持电路，第三种组合包含低通滤波器及开关电容高通滤波器，第四种组合包含带通滤波器及采样保持电路，每一个滤波器组合产生的功能相当于带通滤波器。
在第一种组合，滤波模块130的输入端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于开关电容带通滤波器的输入端，开关电容带通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。在第一种组合的还一实施例，滤波模块130的输入端耦接于开关电容带通滤波器的输入端，开关电容带通滤波器的输出端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。
在第二种组合，滤波模块130的输入端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端耦接于滤波模块130的输出端。在第二种组合的还一实施例，滤波模块130的输入端耦接于采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。
在第三种组合，滤波模块130的输入端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于开关电容高通滤波器的输入端，开关电容高通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。在第三种组合的还一实施例，滤波模块130的输入端耦接于开关电容高通滤波器的输入端，开关电容高通滤波器的输出端耦接于低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。
在第四种组合，滤波模块130的输入端耦接于带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端耦接于采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端耦接于滤波模块130的输出端。在第四种组合的还一实施例，滤波模块130的输入端耦接于采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端耦接于带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端耦接于滤波模块130的输出端。
滤波模块130的输入端接收跨阻放大器120的输出信号，滤波模块130并将跨阻放大器120的输出信号转换成离散正弦信号，跨阻放大器120输出的模拟信号可以通过开关电容器带通滤波器、开关电容高通滤波器或采样保持电路转换成离散正弦信号。
采样保持电路是模拟装置，其是先从一个连续变化的模拟信号取样电压并在指定的时间内保持在恒定的电压，再以离散的信号作为输出。
开关电容滤波器是采用开关电容模拟电阻的滤波器，开关电容滤波器的开关被打开和关闭时可对应地移动电容里的电荷，开关电容滤波器使用的控制信号不会重叠，以在不同时间关闭所使用的开关，使用开关电容滤波器的优点在于使类似的元件互相匹配，以在集成电路实现高精度模拟滤波器，开关电容滤波器以离散信号作为输出。
图4为电容式传感器电路100的整流器140的示意图。整流器140包含比较器141、反相器142、第一开关S1、及第二开关S2，比较器141的正输入端耦接于整流器140的输入端VIN_REC，比较器141的负输入端用以接收共模电压VCM，比较器141的输出端耦接于反相器142的输入端，反相器142的输出端耦接于第一开关S1的控制端，第一开关S1的第一端用以接收共模电压VCM，第一开关S1的第二端耦接于整流器140的输出端VO_REC，第二开关S2的控制端耦接于比较器141的输出端，第二开关S2的第一端耦接于比较器141的正输入端，第二开关S2的第二端耦接于整流器140的输出端VO_REC，整流器140的输入信号是滤波模块130的输出的离散正弦信号。其中，本发明可使用一运算放大器来实现比较器141。
整流器140是用来将周期性反转极性方向的正弦信号转换成同一极性的直流电流信号，本发明可使用单相整流器实现半波整流或全波整流，半波整流采用单相正弦信号作为其输入，正弦信号的正半周期才会被传递，正弦信号的负半周期会被滤除，或正弦信号的负半周期才会被传递，正弦信号的正半周期会被滤除。全波整流取单相正弦信号作为其输入，正弦信号的正负半周期皆会转换为正极性或皆会转换成负极性的脉波直流信号，其会具有较高绝对值的平均输出电压。
图4所示的整流器140是单相半波整流器，整流器140采用离散正弦信号作为比较器141的输入信号，离散正弦信号的电压与共模电压VCM相互比较的结果将决定比较器141的输出并且被用于当成第一开关S1和第二开关S2的控制信号。如果离散正弦信号的电压大于共模电压VCM，比较器141将输出一个高逻辑值，若第一开关S1及第二开关S2为正触发开关，从比较器141输出的高逻辑值会打开第二开关S2，整流器140将会输出离散正弦信号。如果离散正弦信号的电压小于共模电压VCM，比较器141将输出一个低逻辑值，若第一开关S1及第二开关S2为正触发开关，从比较器141的低逻辑值会开启第一开关S1，整流器140将会输出共模电压VCM。
如果整流器140是单相全波整流器，小于共模电压VCM的离散正弦信号电压值会被转换成比共模电压VCM高的电压值。
图5为电容式传感器电路100的实施例一的积分器150的示意图。积分器150包含运算放大器151、电容CI、电阻RI、及重置开关SRI，电阻RI的第一端耦接于积分器150的输入端VIN_INT及整流器140的输出端VO_REC，电阻RI的第二端耦接于运算放大器151的负输入端，运算放大器151的正输入端用以接收共模电压VCM，运算放大器151的输出端耦接于积分器150的输出端VO_INT，电容CI的第一端耦接于电阻RI的第二端，电容CI的第二端耦接于运算放大器151的输出端，重置开关SRI的第一端耦接于电阻RI的第二端，重置开关SRI的第二端耦接于运算放大器151的输出端，重置开关SRI的控制端用以接收重置信号，整流器140的输出信号是积分器150的输入信号。
图5所示的积分器150是根据运算放大器151来操作，积分器150相对于时间执行积分数学运算，随着时间的变化，积分器150的输出信号正比于积分器150的输入信号，共模电压VCM是一个虚拟接地电位，由积分器150的输入端流入并流经电阻RI的电流会对电容CI进行充放电，因为电阻RI和电容器CI耦接于虚拟接地端，积分器150会执行一个线性积分。积分器150可使用重置开关SRI提高精度，重置开关SRI会使积分器150根据重置信号重置到零，运算放大器151必须搭配一个直流反馈路径，其是由运算放大器151的输出端接到负输入端，如果积分器150没有重置功能，运算放大器151内部的输入补偿电流将通过电容CI被积分成一个大输出电压，使得运算放大器151的输出进入饱和状态。重置会使电容CI放电，以避免输入补偿电流造成的问题。
图6为电容式传感器电路100的实施例二的积分器1502的示意图。电容式传感器电路100可以用积分器1502取代的积分器150，积分器1502包含运算放大器151、电容CI、重置开关SRI、及开关电容电路152，电容CI的第一端耦接于运算放大器151的负输入端，电容CI的第二端耦接于运算放大器151的输出端，运算放大器151的正输入端用以接收共模电压VCM，运算放大器151的输出端耦接于积分器1502的输出端VO_INT，重置开关SRI的第一端耦接于运算放大器151的负输入端，重置开关SRI的第二端耦接于运算放大器151的输出端，重置开关SRI的控制端用以接收重置信号，开关电容电路152的第一端耦接于积分器1502的输入端VIN_INT，开关电容电路152的第二端耦接于运算放大器151的负输入端。
开关电容电路152包含电容CSC、第一开关SSC1、第二开关SSC2、第三开关SSC3、及第四开关SSC4，第一开关SSC1的第一端耦接于开关电容电路152的输入端，第一开关SSC1的第二端耦接于电容CSC的第一端，第一开关SSC1的控制端用以接收第一时钟线，第二开关SSC2的第一端用以接收共模电压VCM，第二开关SSC2的第二端耦接于电容CSC的第一端，第二开关SSC2的控制端用以接收第二时钟线，第三开关SSC3的第一端耦接于电容CSC的第二端，第三开关SSC3的第二端耦接于开关电容电路152的第二端，第三开关SSC3的控制端用以接收第二时钟线，第四开关SSC4的第一端耦接于电容CSC的第二端，第四开关SSC4的第二端用以接收共模电压VCM，第四开关SSC4的控制端用以接收第一时钟线，第一时钟线与第二时钟线是反向时钟线。
图6的积分器1502与图5的积分器150的操作类似，差别在积分器1502的开关电容电路152取代积分器150的电阻RI，因此图6的积分器1502不进一步说明。
在图5的积分器150加补偿电阻ROFF可实现积分器1504。图7为电容式传感器电路100的实施例三的积分器1504的示意图。电容式传感器电路100可以用积分器1504取代的积分器150，补偿电阻ROFF的第一端用以接收补偿电压VOFF，补偿电阻ROFF的第二端耦接于运算放大器151的负输入端，本实施例可使用模拟数字转换器产生补偿电压VOFF，积分器150再使用补偿电压VOFF消除互电容CM的影响，以使模拟数字转换器160的输出信号与手指电容CF成正比，去除互电容CM的影响将避免运算放大器151在操作过程中达到过载状态。
模拟数字转换器160可以是任何类型的模拟数字转换器，模拟数字转换器160的输入端耦接于积分器150的输出端VO_INT，模拟数字转换器160的输出端会输出数字代码，积分器150的输出信号是模拟数字转换器160的输入信号，模拟数字转换器160会将其输入信号转换成数字代码输出，数字代码的值与电容式传感器110的等效电容成正比，当积分器150去除互电容CM的影响后，模拟数字转换器160将其输入信号转换成的数字代码会与电容式传感器110的手指电容CF成正比。
电容式传感器电路100使用发送端Tx的发送信号当输入信号，并使用跨阻放大器120根据电容式传感器110的等效电容放大发送信号，将放大的发送信号输出至滤波模块130，滤波模块130会从放大的发送信号过滤掉杂讯，并将过滤后的放大的发送信号转换为离散的正弦信号，离散的正弦信号会输入整流器140，整流器140将离散的正弦信号转换成正极性离散信号，其具有复数个大于共模电压VCM的电压值，整流器140可以是半波整流器，其只允许具有值大于共模电压VCM的离散正弦信号的部分传递，并滤除离散正弦信号的其它部分，亦可以是全波整流器，其会直接传递离散正弦信号中值大于共模电压VCM的部分，并将离散正弦信号的其余部分转换成大于共模电压VCM的值，正极性的离散信号是由积分器150作为输入信号，正极性离散信号相对于时间进行积分以产生积分信号，积分器150也可用于去除互电容CM所产生的补偿电压VOFF，以防止发生过载的现象，积分器150的积分信号被作为模拟数字转换器160的输入信号，模拟数字转换器160会把接收到的积分信号转换成数字代码，而数字代码会反映电容式传感器110的等效电容的变化。
本发明的实施例揭示一种用于移动装置的触摸板的电容式传感器电路100。电容式传感器电路100包含的积分器150是用于预处理发送信号，由于发送信号已经通过积分器150预处理，电容式传感器电路100可以利用低速模拟数字转换器产生与电容式传感器110等效电容成正比的数字代码，数字代码是对应到使用者经由触摸板下达的控制指令，因为低速模拟数字转换器的电路比高速模拟数字转换器的电路简单，因此，低速模拟数字转换器占用较小的芯面积，所以能节省制造成本并具有较低的功耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电容式传感器电路，其特征在于，包含：
跨阻放大器，包含：
运算放大器，包含负输入端耦接于接收端，正输入端用以接收参考电压，及输出端；及
电容，包含第一端耦接于所述接收端，及第二端耦接于所述运算放大器的输出端；
滤波模块，包含输入端耦接于所述运算放大器的输出端，及输出端；
整流器，包含：
输入端，耦接于所述滤波模块的输出端，用以接收正弦信号；
比较器，包含：
正输入端，耦接于所述整流器的输入端；
负输入端，用以接收共模电压；及
输出端；
反相器，包含：
输入端，耦接于所述比较器的输出端；及
输出端；
第一开关，包含：
第一端，用以接收所述共模电压；
第二端，耦接于所述整流器的输出端；及
控制端，耦接于所述反相器的输出端；
第二开关，包含：
第一端，耦接于所述比较器的正输入端；
第二端，耦接于所述整流器的输出端；及
控制端，耦接于所述比较器的输出端；及
输出端；
积分器，包含输入端耦接于所述整流器的输出端，及输出端；及
模拟数字转换器，包含输入端耦接于所述积分器的输出端，及输出端。
2.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，还包含：
电容式传感器，包含：
传感电容器，包含第一端耦接于发送端，及第二端耦接于所述接收端；及
互电容，包含第一端耦接于所述发送端，及第二端耦接于所述接收端。
3.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述滤波模块还包含：
抗混叠低通滤波器，包含输入端耦接于所述滤波模块的输入端，及输出端；及
开关电容带通滤波器，包含输入端耦接于所述抗混叠低通滤波器的输出端，及输出端耦接于所述滤波模块的输出端。
4.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述滤波模块还包含:
抗混叠低通滤波器，包含输入端耦接于所述滤波模块的输入端，及输出端；及
采样保持电路，包含输入端耦接于所述抗混叠低通滤波器的输出端，及输出端耦接于所述滤波模块的输出端。
5.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述滤波模块还包含:
抗混叠低通滤波器，包含输入端耦接于所述滤波模块的输入端，及输出端；及
开关电容高通滤波器，包含输入端耦接于所述抗混叠低通滤波器的输出端，及输出端耦接于所述滤波模块的输出端。
6.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述滤波模块还包含:
带通滤波器，包含输入端耦接于所述滤波模块的输入端，及输出端；及
采样保持电路，包含输入端耦接于所述带通滤波器的输出端，及输出端耦 接于所述滤波模块的输出端。
7.如权利要求1所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述积分器还包含:
电阻，包含第一端耦接于所述积分器的输入端，及第二端；
运算放大器，包含负输入端耦接于所述电阻的第二端，正输入端用以接收共模电压，及输出端耦接于所述积分器的输出端；
电容，包含第一端耦接于所述运算放大器的负输入端，及第二端耦接于所述积分器的输出端；及
重置开关，包含第一端耦接于所述运算放大器的负输入端，第二端耦接于所述积分器的输出端，及控制端用以接收重置信号。
8.如权利要求7所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述积分器还包含:
开关电容电路，包含：
第一端，耦接于所述积分器的输入端；
第二端，耦接于所述运算放大器的负输入端；
第一开关，包含第一端耦接于所述积分器的输入端，第二端，及控制端耦接于第一时钟线；
第二开关，包含第一端耦接于所述第一开关的第二端，第二端用以接收所述共模电压，及控制端耦接于第二时钟线，所述第一时钟线与所述第二时钟线反向；
电容，包含第一端耦接于所述第一开关的第二端，及第二端；
第三开关，包含第一端耦接于所述电容的第二端，第二端耦接于所述运算 放大器的负输入端，及控制端耦接于所述第二时钟线；及
第四开关，包含第一端耦接于所述第三开关的第一端，第二端用以接收所述共模电压，及控制端耦接于所述第一时钟线。
9.如权利要求7所述的电容式传感器电路，其特征在于，所述积分器还包含:
补偿电阻，包含第一端用以接收补偿电压，及第二端耦接于所述运算放大器的负输入端。
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