CN106462309B - 电容感测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容感测电路，包括一取样保持电路，耦接于一接触电容；一积分电路，耦接于所述取样保持电路；一比较器，包含有一第一输入端，耦接于所述积分电路；一第二输入端，用来接收一参考电压；以及一比较输出端，用来输出一比较输出电压；以及一逻辑电路，耦接于所述比较输出端，当所述比较输出电压显示所述比较器转态时，所述逻辑电路输出所述积分电路的一积分时间；其中，所述积分时间相关于所述接触电容的一电容值。

Description

电容感测电路
技术领域
本发明涉及一种电容感测电路，尤其涉及一种电路构造简单的电容感测电路。
背景技术
随着科技日新月异，移动电话、数字相机、平板计算机、笔记本电脑等越来越多携带型电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于携带型电子装置一般为个人使用，而具有一定的隐私性，因此其内部储存的数据，例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。若电子装置一旦丢失，则这些数据可能会被他人所利用，而造成不必要的损失。虽然目前已有利用密码保护的方式来避免电子装置为他人所使用，但密码容易泄露或遭到破解，具有较低的安全性。并且，用户需记住密码才能使用电子装置，若忘记密码，则会带给使用者许多不便。因此，目前发展出利用个人指纹识别系统的方式来达到身份认证的目的，以提升数据安全性。
一般来说，指纹识别系统中利用一电容感测电路接受手指的接触，电容感测电路用来接受手指的接触并与手指之间形成一接触电容，电容感测电路可将接触电容的电容值转换成一模拟电压信号，模拟电压信号需转换成数字电压信号后，再传送至后端的指纹判断模块以判断电容感测电路对应于指纹的纹蜂(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley)。换句话说，模拟电压信号通过一模拟数字转换器(Analog to Digital Convertor，ADC)以转换成数字电压信号。然而，模拟数字转换器的电路结构复杂，且占据大幅电路面积，同时增加生产成本，且消耗较高功率。因此，如何提供一种电路结构简单、电路面积小、成本低且低功耗的电容感测电路也就成为业界所努力的目标之一。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种电路构造简单的电容感测电路。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一电容感测电路，用来感测一接触电容，包括一取样保持电路，耦接于所述接触电容；一积分电路，包含有一积分输入端，耦接于所述取样保持电路；以及一积分输出端；一比较器，包含有一第一输入端，耦接于所述积分输出端；一第二输入端，用来接收一参考电压；以及一比较输出端，用来输出一比较输出电压；以及一逻辑电路，耦接于所述比较输出端，当所述比较输出电压显示所述比较器转态时，所述逻辑电路输出所述积分电路的一积分时间；其中，所述积分时间相关于所述接触电容的一电容值。
优选地，当所述比较输出电压显示所述比较器转态时，所述逻辑电路产生一控制信号以终止所述积分电路的积分操作。
优选地，所述积分时间为所述积分电路自开始进行积分操作至终止积分操作所经历的时间。
优选地，所述取样保持电路包含一第一开关，其一端接收一正电压，另一端耦接于所述接触电容；以及一第二开关，其一端耦接于所述接触电容，另一端耦接于所述积分输入端；其中，于一第一时间，所述第一开关导通而所述第二开关断开；以及于一第二时间，所述第一开关断开而所述第二开关导通。
优选地，所述积分电路包含有一放大器，所述放大器的一放大输入端为所述积分输入端，所述放大器的一放大输出端为所述积分输出端；一第三开关，耦接于所述放大输入端与所述放大输出端之间；一积分电容，耦接于所述放大输入端与所述放大输出端之间；以及一第四开关，其一端耦接于所述积分电容，另一端耦接于所述放大输出端。
优选地，于所述电容感测电路的一重置模式时，所述第三开关及所述第四开关导通；以及于所述积分电路进行积分操作时，所述第三开关断开而所述第四开关导通。
本发明提供的电容感测电路可将接触电容中所储存的电荷转换成一时间信号，其具有电路结构简单、电路面积小、成本低以及低功耗的优点。
附图说明
图1为本发明实施例一电容感测电路的示意图。
图2为本发明实施例中积分输出电压的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的电容感测电路将接触电容中所储存的电荷转换成一时间信号，以精准地判读接触电容的电容值，同时降低电容感测电路的电路复杂度。具体来说，请参考图1，图1为本发明实施例一电容感测电路10的示意图。电容感测电路10，用来感测一接触电容Cf，其包含一取样保持电路SH、一积分电路100、一比较器comp以及一逻辑电路102。积分电路100包含开关S3、S4、一放大器Amp及一积分电容CINT，放大器Amp的一输入端即为积分电路100的一积分输入端，放大器Amp的一输出端即为积分电路100的一积分输出端，其中积分输出端用来输出一积分输出电压VOUT。另外，比较器comp的一正输入端(标示有「+」号)耦接于积分电路100的积分输出端，用来接收积分输出电压VOUT，比较器comp的一负输入端(标示有「－」号)接收一参考电压VREF，比较器comp的一比较输出端，用来输出一比较输出电压VCMP。逻辑电路102可利用数字电路来实现，其耦接于比较器comp的比较输出端及积分电路100之间，当比较输出电压VCMP显示比较器comp转态时，逻辑电路102输出所述积分电路的一积分时间TOUT，且逻辑电路102产生一控制信号(未绘示于图1)至积分电路100，以终止积分电路100的积分操作，其中，积分时间TOUT即可代表/反映接触电容Cf的一电容值。
详细来说，取样保持电路SH包含开关S1及开关S2，开关S1的一端接收一正电压VDD，开关S1的另一端电性连接于接触电容Cf；开关S2的一端电性连接于接于接触电容Cf，开关S2的另一端电性连接于积分电路100的积分输入端。另外，于积分电路100中，开关S3耦接于积分电路100的积分输入端与积分输出端之间，积分电容CINT与开关S4串接，且积分电容CINT及开关S4也耦接于积分电路100的积分输入端与积分输出端之间。藉由控制开关S3、S4的导通状态，即可控制积分电路100(或电容感测电路10)的一操作模式。举例来说，于电容感测电路10的一重置(Reset)模式中，开关S3、S4皆导通；而于电容感测电路10的一积分模式中(即当积分电路100进行积分操作时)，开关S3断开而开关S4导通。若需终止积分电路100的积分操作，逻辑电路102可产生控制信号使开关S4断开。
当积分电路100进行积分操作时，于一时脉(Clock)周期T中的一前半周期(对应第一时间)，开关S1导通(ON)而开关S2断开(OFF)，接触电容Cf充电至正电压VDD；于时脉周期T中的一后半周期(对应第二时间)，开关S1断开而开关S2导通，储存于接触电容Cf的电荷流至积分电容CINT，换句话说，当积分电路100进行积分操作时，积分输出电压VOUT会随时间递减。另一方面，当积分电路100操作于积分模式时，积分输出电压VOUT会不断地递减，直到积分输出电压VOUT略小于参考电压VREF时，比较器comp转态，此时逻辑电路102产生控制信号以终止积分电路100的积分操作，并输出积分时间TOUT。
由于接触电容Cf的电容值与积分时间TOUT-呈反比，对相同的预定次数NTH而言，积分时间TOUT越小代表接触电容Cf的电容值越大。因此，电容感测电路10的一后端电路(未绘示于图1)即可根据积分时间TOUT判断接触电容Cf的电容值。
具体来说，请参考图2，图2为电容感测电路10分别对一接触电容Cf_1及一接触电容Cf_2进行电容感测所产生的一积分输出电压VOUT_1及一积分输出电压VOUT_2的波形图，其中接触电容Cf_1与接触电容Cf_2具有不同的电容值，虚线代表积分输出电压VOUT_1的波形图，而实线代表积分输出电压VOUT_2的波形图。由图2可知，电容感测电路10于一时间t0开始进行积分操作(或开始进入积分模式)，当电容感测电路10对接触电容Cf_1进行电容感测时，随着积分电路100持续积分，积分输出电压VOUT持续地递减，直到一时间t1，即当积分输出电压VOUT略小于参考电压VREF时，此时比较器comp转态，积分电路100终止其积分操作，而逻辑电路102输出一积分时间TOUT_1。同样地，当电容感测电路10对接触电容Cf_2进行电容感测时，随着积分电路100持续积分，积分输出电压VOUT持续地递减，直到一时间t2，即当积分输出电压VOUT略小于参考电压VREF时，此时比较器comp转态，积分电路100终止其积分操作，而逻辑电路102输出一积分时间TOUT_2。在此情形下，电容感测电路10的后端电路即可根据积分时间TOUT_1、TOUT_2分别判断接触电容Cf_1、Cf_2的电容值。
简言之，本发明利用逻辑电路102及比较器comp，判断积分电路100所输出的积分输出电压VOUT是否小于参考电压VREF，当积分输出电压VOUT小于参考电压VREF时，逻辑电路102输出积分时间TOUT，而电容感测电路10的后端电路即可根据积分时间TOUT判断接触电容Cf的电容值。
习知电容感测电路需将接触电容中所储存的电荷转换成一模拟电压信号，并透过一模拟数字转换器(Analog to Digital Convertor，ADC)将模拟电压信号转换成数字电压信号，然而，模拟数字转换器的电路结构复杂，且占据大幅电路面积。相较之下，本发明的电容感测电路在不使用模拟数字转换器的情况下，将接触电容中所储存的电荷转换成时间信号(即积分时间TOUT)，而后端电路即可根据积分时间TOUT判断接触电容的电容值，进而判断有无触控事件发生，或判断电容感测电路对应于指纹的纹蜂(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley)，以进行指纹辨识。
综上所述，本发明的电容感测电路可将接触电容中所储存的电荷转换成时间信号，而不需使用传统模拟数字转换器，根据本发明电容感测电路所输出的积分时间，即可判断接触电容的电容值。因此，本发明的电容感测电路具有电路结构简单、电路面积小、成本低以及低功耗的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电容感测电路，用来感测一接触电容，其特征在于，所述电容感测电路包括：
一积分电路，包含有：
一积分输入端；
一积分输出端；
一放大器，所述放大器的一放大输入端为所述积分输入端，所述放大器的一放大输出端为所述积分输出端；
一第三开关，耦接于所述放大输入端与所述放大输出端之间；
一积分电容，耦接于所述放大输入端与所述放大输出端之间；以及
一第四开关，其一端耦接于所述积分电容，另一端耦接于所述放大输出端；
一取样保持电路，耦接于所述接触电容及所述积分电路，其中所述取样保持电路包含：
一第一开关，其一端接收一正电压，另一端耦接于所述接触电容；以及
一第二开关，其一端耦接于所述接触电容，另一端耦接于所述积分输入端；
其中，于一第一时间，所述第一开关导通而所述第二开关断开；以及
于一第二时间，所述第一开关断开而所述第二开关导通；
一比较器，包含有：
一第一输入端，耦接于所述积分输出端；
一第二输入端，用来接收一参考电压；以及
一比较输出端，用来输出一比较输出电压；以及
一逻辑电路，耦接于所述比较输出端，当所述比较输出电压显示所述比较器转态时，所述逻辑电路输出所述积分电路的一积分时间；
其中，所述积分时间相关于所述接触电容的一电容值。
2.如权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于，当所述比较输出电压显示所述比较器转态时，所述逻辑电路产生一控制信号以终止所述积分电路的积分操作。
3.如权利要求2所述的电容感测电路，其特征在于，所述积分时间为所述积分电路自开始进行积分操作至终止积分操作所经历的时间。
4.如权利要求1所述的电容感测电路，其特征在于，于所述电容感测电路的一重置模式时，所述第三开关及所述第四开关导通；以及于所述积分电路进行积分操作时，所述第三开关断开而所述第四开关导通。
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