CN106598362A - 互电容感测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互电容感测电路。电子设备包括分别连接至触摸板发射电极和接收电极的发射模块和接收模块。接收模块包括非线性电压-电流转换器、预充电电压发生器和积分器。在发射电极和接收电极之间的互电容是C_m。发射模块在分别对发射电极充电和放电的第一状态和第二状态之间改变。接收电极和预充电电压发生器向电压-电流转换器提供控制电压。控制电压取决于互电容、发射模决的状态和由预充电电压发生器提供的预充电电压。电压-电流转换器取决于第一电压向积分器提供充电电流。积分器基于充电电流确定用于互电容的值。

Description

互电容感测电路

技术领域

本发明涉及电容感测电路，并且更具体地，涉及用于电容性触摸板界面的互电容感测电路。

背景技术

传统的电容性触摸板具有一个或多个发射电极以及一个或多个接收电极，其中每个发射电极通过非导电间隙与相应的接收电极隔离开。电子电路间歇地测量所述发射电极和接收电极对之间的互电容。当诸如手指的物体移至接近发射电极和接收电极对时(这里指触摸)，发射电极和接收电极之间的互电容被改变，且这个改变可被电子电路检测到，因此可确定，若电容的改变超过某阈值，则发生了触摸。传统电路通过测量对应的电压以及使用线性电压-电流转换器以馈至电流积分器来检测互电容的上述改变，其中电流积分器的参数被监控以确定互电容。

例如，积分器可包括集成电容、比较器和计数器，其中当集成电容器的电压从地或公共电压升至参考电压时，计数器计数时钟周期的数目，从而提供发射电极和接收电极之间的互电容的指示。随后计数数目与阈值比较以确定是否发生了触摸。

具有敏感的互电容检测电路是有优势的。

附图说明

从下面的详细说明书、所附权利要求书和附图中，本发明的其他方面、特征和优点将变得更加明显，其中附图中类似的附图标记表示类似或相同的元件。注意附图中的元件不是按照比例来绘制的。

图1是根据本发明的一个实施例的互电容感测电路的简化的、示意性框图；

图2是图1的互电容感测电路的更详细的示意性框图；

图3是根据本发明的一个实施例的图2的互电容感测电路的示意性电路图；

图4是用于图3的电路的选择信号和节点的示例性时序图；

图5是图3的互电容感测电路的放电电路的示意性框图；以及

图6是根据本发明的另一实施例的图2的互电容感测电路的示意性电路图。

具体实施方式

本文公开了本发明的详细的说明性实施例。然而，本文公开的具体结构性和功能性细节仅仅展示来描述本发明的示例实施例。本发明的实施例可以以多种替换形式实现，且不应解释为仅限于这里阐述的实施例。另外，本文使用的术语仅是为了描述具体实施例，而不是打算限制本发明的示例实施例。

如在此使用的，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也意在包括复数，除非上下文明确另有指示。还应当理解术语“包括”、“具有”、“有”、包括”和/或“包含”指定存在所述的特征、步骤、或组件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、步骤、或组件。还应指出，在一些可选实施方式中，也可以不按照附图中指出的顺序发生所指出的功能/动作。

现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的互电容感测电路100的简化框图。电路100包括电容性触摸板101和控制器102。电容性触摸板101包括发射电极103和接收电极104。注意，发射电极也可被称作为驱动或发送电极，而接收电极也可被称作为感测电极。在发射电极103和接收电极104之间的互电容被称作为互电容C_m。控制器102分别经由导电通道102t和102r连接至发射电极103和接收电极104。

控制器102间接地操控发射电极103和接收电极104上的电荷并且测量接收电极104的相关参数，如下面进一步解释的，以检测在发射电极103和接收电极104之间的互电容C_m中的改变，改变可指示诸如手指的物体的移动更接近还是远离发射电极103和接收电极104。注意，手指接近发射电极103和接收电极104的方法，即，触摸，降低了在发射电极103和接收电极104之间的互电容C_m。检测互电容C_m中改变的一种方式是随着时间追踪互电容C_m的值，但是可替代使用其他方式。

电容性触摸板101可被实施在例如印刷电路板(PCB)上，其中电极103和104包括印刷在PCB的FR-4基板上的铜垫。触摸板101还包括含有铜迹线的接地面(未示出)。接地面分别与发射电极103和接收电极104形成寄生电容C_p1和C_p2。由于各自的几何构型，寄生电容C_p1和C_p2是互电容C_m的几倍大。在一种实施方式中，寄生电容C_p1和C_p2每一个至少是互电容C_m的五倍大。

图2是图1的互电容感测电路100的示意性框图。触摸板101包括上述接地面200、互电容C_m以及寄生电容C_p1和C_p2的表示。注意，触摸板101没有使用标为C_m、C_p1或C_p2的任何实际的电容器。更恰当地，这些标签表示在触摸板101的上述金属组件之间的电容值。

控制器102包括发射模块201，其经由通道102t连接至发射电极103，以及接收模块202，其经由通道102r连接至接收电极104。发射模块201包括连接在第一电源轨205和节点201t之间的第一开关203，以及连接在第二电源轨206和节点201t之间的第二开关204，第二电源轨206处于与第一电源轨205不同的电压。节点201t经由通道102t连接至发射电极103。电源轨205和206以及开关203和204操作以间歇性地对发射电极103充电和放电。

发射电极103的充电和放电导致接收电极104对应地充电和放电至幅度取决于互电容C_m的电压电平。由接收模块202经由通道102r检测接收电极104的电压电平中改变的幅度ΔV。

接收模块202包括预充电电压(V_pre)发生器207、非线性电压-电流转换器208以及积分器模块209。V_pre发生器207生成预充电电压V_pre，其被提供至通道102r。预充电电压V_pre被用于确保转换器208的正确操作。节点202r处的电压V₁₀₄是预充电电压V_pre和接收电极104的电压改变ΔV的和，其中电压改变ΔV由发射电极103的充电和放电导致。基于可以认为用于非线性转换器208的控制电压的电压V₁₀₄，非线性转换器208经由通道208a向积分器模块209输出对应的电流。

积分器模块209追踪对应于通道208a上的经过预定数目的时钟周期的电流的积分的值。基于此追踪的积分的值，额外的电路(未示出)确定互电容C_m的值是否指示手指靠近和/或远离触摸板101的逼近和/或缩回。如下所述，额外的电路可以将确定的互电容值或对应的值与一个或多个阈值进行比较，且取决于比较的结果，确定手指是否存在。

图3是根据本发明的实施例的互电容感测电路300的示意性电路图，而图4是用于电路300的选择信号和节点电压的示意性时序图400。

在发射模块201中，第一电源轨205处于电源电压V_DD，而第二电源轨206处于地电压。第一开关203被时钟信号F1控制，而第二开关204被时钟信号F2控制。时序图400包括对应的示例性时钟信号F1和F2。时钟信号F1和F2是可由一个或多个对应的时钟发生器(未示出)生成的非重叠非对称的时钟信号。

时钟信号F1和F2被认为是非重叠的，因为在正常操作中，它们不具有重叠高状态，因为重叠高状态将通过开关203和204创建从第一电源轨205至第二电源轨206的短路。时钟信号F1和F2是非对称的，因为对于每个信号，经过一个时钟周期的时段，其高的时间与其低的时间不同。注意，在可选实施例中，时钟信号F1和/或时钟信号F2可以是对称的。随着开关203和204的导通和关断，节点201t处以及相应地发射电极103的电压V₁₀₃，在V_DD和地之间变化。

V_pre发生器207包括经由第三开关301连接至节点202r的V_pre电压源(未示出)。V_pre电压源可以例如包括固定的或可调的电压调节器。注意，因为可调的电压调节器允许预充电电压V_pre的动态调整，所以使用它在调整电路300的敏感性上提供了更大的弹性。第三开关301由在发射模块201中使用的相同的时钟信号F2控制。V_pre发生器207运行来在正常操作期间保持节点202r处的电压V₁₀₄处于V_pre的最小电压。

在此实施例中，如图3中所示，电压-电流转换器208包括第一晶体管302，其具有连接至触摸板101的接收电极104以及同样连接至第三开关301的栅极。第一晶体管302具有连接至地的源极和连接至第二晶体管303的漏极和栅极两者的漏极。第二晶体管303的栅极也连接至第三晶体管304的栅极。第二晶体管303和第三晶体管304的源极连接在一起。第三晶体管304的漏极连接至积分器209的第四开关305。第一晶体管302可以是NMOS晶体管，而第二晶体管303和第三晶体管304可以是形成电流镜电路的相同尺寸的PMOS晶体管。

电压V_pre是一个常量电压，其被设置为使得V_pre和ΔV的和大于第一晶体管302的阈值电压V_th。换句话说，V_pre+ΔV＞V_th。因为，在正常操作中，ΔV总是正的，电压V_pre可以被设为等于电压V_th，并且因此满足以上不等式。注意，尽管足够稳定，在操作期间电压V_pre有时可能被改变，如以下进一步描述。

通过第一晶体管302的电流取决于节点202r处的电压V₁₀₄，因为接收电极104经由通道102r连接至第一晶体管302的棚极。通过第一晶体管302的电流必然与通过第二晶体管303的电流相同。由于第二晶体管303和第三晶体管304镜像的电流，可能的时候实质上相同的电流流过第三晶体管304和通道208a。然而，注意在可选实施方式中，晶体管303和304可具有不同尺寸以生成成比例的镜像电流，其中通过晶体管303和304的电流的比率等于晶体管303和304的尺寸的比率。例如如果更大或更小的电流将增强或有用地影响积分器模块209的操作，这可以是有用的。

积分器模块209包括第四开关305、电容器306以及放电电路307。第四开关305连接在通道208a和节点306n之间。第四开关305由在发射模块201中使用的相同时钟信号F1控制。电容器306连接在节点306n和地之间。放电电路307与电容器306并联连接，放电电路307确定互电容C_m的当前值以及对电容器306放电。电容器306具有电容C_int。电压V_int是如在节点306n处测量的电容器306两端的电压电平。

当时钟信号F1为高时，第四开关305关闭，并且与通过第三晶体管304的镜像电流对应的充电电流I_chg流入电容器306，从而为电容器306充电并且增加电压V_int。当时钟信号F1为低时，第四开关305打开，充电电流I_chg为0，并且电容器306中的电荷不改变。

在时间t₀，时钟信号F2为高而时钟信号F1为低。结果，第二开关204导通(关闭)而第一开关203关断(打开)，这导致发射电极103的电压V₁₀₃接地，即，第二电源轨206的电压。此外，V₁₀₄处于电压V_pre，V₁₀₄为接收电极104的电压和到电压-电流转换器208的输入电压。在时间t₀和t₁之间，没有电流流入电容器306，并且因此，电压V_int保持不变。

在时间t₁，时钟信号F2从高降至低，其打开第二开关204和第三开关301。因为电压V₁₀₃、V₁₀₄和V_int的对应节点在时间t₁和t₂之间的小间歇悬浮，所以它们在间歇期间中不改变。

在时间t₂，时钟信号F1从低升至高，其关闭第一开关203和第四开关305。发射电极103的电压V₁₀₃升至第一电源轨205的电压V_DD。此外，由于互电容C_m，接收电极104处以及相应地第一晶体管302的栅极的电压V₁₀₄，升高了ΔV至V_pre+ΔV，其中ΔV＝C_m＊V_DD/(C_m+C_p2)。在时间t₂和t₃之间，时钟信号F1为高并且第四开关305关闭，电容器306由来自转换器208的充电电流I_chg充电，且结果，电压V_int在时间t₂和t₃之间稳定地上升。

在时间t₃，时钟信号F1从高降至低。因此，第一开关203和第四开关305打开。结果，电容器306的充电停止，且V_int保持常量直到下次在时间t₅处时钟信号F1变高。。因为电压V₁₀₃和V₁₀₄的对应节点在时间t₃和t₄之间的小间歇悬浮，所以它们在间歇期间中不改变。

在时间t₄，时钟信号F2从低升到高。因此，第二开关204和第三开关301关闭。结果，(i)电压V₁₀₃降至地电压(第二电源轨206的电压)以及(ii)电压V₁₀₄降至V_pre(V_pre发生器207的预充电电压源的电压)。时钟信号F1和F2以及电压V₁₀₃和V₁₀₄回到它们各自在时间t₀时的电平，且周期重复。然而注意，因为电压改变ΔV取决于互电容C_m，其是可变的，当时钟信号F1变高时，进一步地迭代可发现电压V₁₀₄升至对应的不同电平。如下所解释的，当时钟信号F1为高时，ΔV的电压电平(等于C_m＊V_DD/(C_m+C_p2))确定电压V_int的增长的速率。

当时钟信号F1为高时，进入电容器306的电流I_chg可由下面的等式(1)表示，其中，对于晶体管302，μ表示迁移率参数，C_ox表示栅极每单位面积的电容，W是沟道的宽度，L是沟道的长度，以及V_th是阈值电压。

如果我们假设V_pre＝V_th且C_p2＞＞C_m，则等式(1)可被简化成等式(2)。

当有触摸事件时，互电容C_m减少ΔC_m，并且且新充电电流Γ_chg可由等式(3)表示。

注意等式(3)也可用于确定由于手指缩回事件互电容C_m的增加。注意改变ΔC_m越大，充电电流I_chg中的对应改变越大，如由等式(4)所示。

注意非线性(例如二次的或指数的)电压-电流转换的使用导致互电容的改变比线性电压-电流转换的传统使用有更大的敏感性。注意将电压V_pre设置为比阈值电压V_th低，可以进一步增加电路300在互电容C_m中改变的敏感性，其中增加的敏感性意味着对于在互电容C_m中给定的改变将在充电电流I_chg中的更大的改变。然而回想，V_pre应当被选择为使得V_pre＞V_th-ΔV。具体地，V_pre应当被选择为使得V_pre＞V_th-ΔV_min，其中ΔV_min是最小期望的ΔV值，其对应于C_m的最小期望的值。

下面的例子说明了由降低V_pre低于V_th导致的增加的敏感性。使用上面的等式(1)，且假设(W/L)＝1mho，ΔV₁(无触摸)＝0.5V，ΔV₂(触摸)＝0.4V，我们得到了以下：(A)若V_pre＝V_th＝1V，则I_chg(1)＝0.25A且I_chg(2)＝0.16A，其表示了36％(即，(0.25-0.16)/0.25)的改变，以及(B)若V_pre设为0.7V，则I_chg(1)＝0.04A且I_chg(2)＝0.01A，其表示有75％的改变，且因此具有更大的敏感性。

基于将电压V_int升至参考电压V_ref所花的时间，放电电路307确定互电容C_m的当前值。随后放电电路307将电容器306放电，其将电容C_int和电压V_int设置为0，从而放电电路307能基于将电压V_int升至参考电压V_ref所花的当前时间确定互电容C_m的新的当前值。互电容C_m的连续确定被用于确定手指是否进入或退出接近发射电极103和接收电极104的区域。

图5是根据本发明实施例的图3的放电电路307的示意性框图。放电电路307包括比较器501，其将来自节点306n的电压V_int(在负输入处)与参考电压V_ref(在正输入处)进行比较。比较器501的输出被提供至控制逻辑模块502，其提供(i)输出502a至计数器504以及(ii)输出502b至放电晶体管503。计数器504是计数从先前的重置已经经过的时钟周期的数目的计数器。当输入电压V_int达到或超过参考电压V_ref时，控制逻辑模块502使得计数器504经由通道504a将其计数作为16位二进制数输出至额外的电路(未示出)。然后，控制逻辑模块502(i)重置计数器504且(ii)暂时导通晶体管503以对电容器306放电，且重置电压V_int至地电压。

指示没有触摸或手指缩回的更高的互电容C_m，导致电压V_int更快上升，并且因此有更低的计数数目。另一方面，指示有触摸的更低的互电容C_m，导致电压V_int更慢上升，并且因此有更高的计数数目。当额外的电路经由通道504a接收对应于特定互电容C_m的新的计数数目时，接收的计数数目与对应于阈值互电容值的阈值计数数目进行比较。若接收的计数数目小于该阈值，则做出没有触摸的确定，而如果接收的计数数目大于该阈值，则做出有触摸的确定。注意，可选的实施方式可以具有不同的和/或更复杂的算法来基于接收的计数数目确定是否发生触摸。

图6根据本发明的另一实施例的互电容感测电路600的示意性电路图。在电路600中，NPN BJT晶体管601被用于代替图3的电路300的FET第一晶体管302。电路600的操作实质上与先前对图3的电路300的描述基本相同。电路600可展现甚至比电路300更大的互电容C_m的改变的敏感性。

注意，图1中的电容性触摸板101仅是用于电容性触摸板的多个可能配置中的一个。可选的触摸板可以，例如，具有(i)不同形状的发射电极和/或接收电极，(ii)不同布置的发射电极和接收电极，例如，栅格的、并行线的或圆形的，(iii)不同数目的对应的发射电极和接收电极，例如，一个发射电极用于两个或多个接收电极，或两个或多个发射电极用于两个或多个接收电极，(iv)不同地隔开的发射电极和接收电极，例如，垂直地而不是横向地，以及(v)在发射电极和接收电极之间的不同材料的间隙和/或基板，例如，玻璃、玻璃纤维或环氧树脂。

例如，一个示例性实施方式包括与四个线状接收电极十字交叉的三个线状发射电极以形成十二键的键盘，其中每个键(i)对应于发射电极与接收电极的交叉(由绝缘体隔离)以及(ii)如果在其对应的发射电极和对应的接收电极之间检测到互电容的阈值改变，则被认为是激活的。

本发明的实施例被描述为包括开关。应当注意，这些开关可使用例如MOSFET或其他合适的晶体管实现。

还将理解，，本领域技术人员可作出为了解释本发明的本质而被描述和说明的细节、材料和部件布置的各种改变，而不脱离如在下面的权利要求中表述的本发明的范围。

本文涉及的“一个实施例)”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中在各种场合出现的短语“在一个实施例中”无需全涉及相同的实施例，也无需是必须与其他实施例相互排除的独立或可选的实施例。同样的用法应用于术语“实施方式”。

除非另有明确说明，每个数值和范围应被解释为近似，犹如值或范围的值前面有词“大约”或“接近”一样。如在此申请中所用的，除非另有明确说明，术语“连接”旨在覆盖元件之间的直接和间接连接两者。

术语“每个”可以用于指大量先前所引用的元件的一个或多个具体的特性。当使用开放型的术语“包括”时，术语“每个”的引用不排除额外的、未引用的元件。因此，可以理解，装置可以具有额外的、未引用的元件，其中额外的、未引用的元件不具有该一个或多个具体的特性。

尽管下面方法权利要求中的步骤用对应的标号以具体顺序描述，除非权利要求的叙述指示了用于实现那些步骤中的一些或全部的特定顺序，那些步骤无需旨在被限制为以特定顺序来实现。

Claims (9)

1.一种电子设备，包括：

发射模块，连接至触摸板的发射电极；以及

接收模块，连接至所述触摸板的接收电极，所述接收模块包括非线性电压-电流转换器、预充电电压发生器和积分器，其中：

所述发射电极和所述接收电极具有互电容C_m；

所述发射模块分别在对所述发射电极充电和放电的第一状态和第二状态之间改变；

所述非线性电压-电流转换器从所述接收电极和所述预充电电压发生器接收控制电压，所述控制电压具有取决于所述互电容、所述发射模块的所述状态、以及由所述预充电电压发生器提供的预充电电压V_pre的电平；

所述控制电压在所述第一状态中处于第一电压电平，并且在所述第二状态中处于第二电压电平；

所述非线性电压-电流转换器向所述积分器提供取决于所述控制电压的充电电流I_chg；并且

所述积分器基于所述充电电流生成对应于所述互电容的值。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述非线性电压-电流转换器包括：

第一晶体管，具有第一端、第二端和第三端；以及

电流镜，具有输入和输出；

其中，

所述控制电压被提供至所述第一晶体管的所述第一端以控制所述第二端和所述第三端之间的电流流动；

所述第一晶体管的所述第二端被连接至所述电流镜的所述输入；并且

所述电流镜的所述输出被提供至所述积分器。

3.如权利要求2所述的设备，其中：

所述第一晶体管具有阈值激活电压；

所述预充电电压被设为小于所述阈值激活电压；

所述控制电压的所述第一电压电平和所述第二电压电平之间的差值ΔV是可变的，并且取决于所述互电容C_m；

最小期望的电压改变ΔV_min被设为所述差值ΔV的最小期望的值；并且

所述预充电电压被设为大于所述阈值激活电压和所述最小期望的电压改变ΔV_min之间的差值。

4.如权利要求3所述的设备，其中：

所述发射模块包括连接在电源电压V_DD轨和所述发射电极之间的第一开关；

所述接收电极和接地面具有寄生电容C_p2；并且

$\mathrm{\Δ}V=\frac{C_m\·V_{DD}}{C_m+C_{p2}}.$

5.如权利要求1所述的设备，其中所述发射模块包括：

第一开关，连接在电源电压V_DD轨和所述发射电极之间，并且由第一时钟信号控制；以及

第二开关，连接在地轨和所述发射电极之间，并且由第二时钟信号控制，

其中：

当所述第一时钟信号为高时，所述发射模块处于所述第一状态；

当所述第二时钟信号为高时，所述发射模块处于所述第二状态；并且

所述第一时钟信号和所述第二时钟信号是非重叠且非对称的。

6.如权利要求5所述的设备，其中：

所述预充电电压发生器包括电压调节器和预充电开关；

所述预充电开关被连接在所述电压调节器和所述接收电极之间；并且

所述预充电开关由所述第二时钟信号控制，以使得在所述第二状态中所述预充电开关是关闭的，并且所述控制电压处于所述预充电电压。

7.如权利要求6所述的设备，其中：

所述积分器包括积分电容器和积分器开关；

所述积分器开关被连接在所述非线性电压-电流转换器和所述积分电容器之间；

所述积分电容器被连接在所述积分器开关和地轨之间；并且

所述积分器开关由所述第一时钟信号控制以在所述第一状态中向所述积分电容器提供所述充电电流。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述积分器还包括与所述积分电容器并联连接的放电模块，其中所述放电模块响应于所述积分电容器两端的电压超过参考电压而对所述积分电容器放电。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述放电模块还包括当所述积分电容器两端的电压增加时计数时钟周期的计数器。