CN106648198B - 用于电容触摸感应触摸屏面板的差动电流模式模拟前端电路 - Google Patents

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Abstract

一种模拟前端电路，包括用于第一感应线的第一电流模式差动电荷放大器，它又包括：带有电流复制电路的单位增益缓冲器，其中，第一感应线电流被输入带有电流复制电路的单位增益缓冲器以产生一个上拉和下拉输出电流，一个电流镜像和放大电路，其中上拉和下拉输出电流被输入电流镜像和放大电路以产生一个正比例和一个负比例输出电流；该模拟前端电路还包括一个电流合成电路，用于把为第一感应线产生的正比例输出和为第二个感应线产生的负比例输出电流进行合成以生成差动电流；该模拟前端电路还包括一个差动电流‑电压变换器，用于把所述差动电流转换为可供触摸控制器应用使用的输出电压。

Description

用于电容触摸感应触摸屏面板的差动电流模式模拟前端电路
技术领域
本发明涉及触摸感应功能的有源矩阵液晶显示(LCD)面板(或触摸屏)。更具体地说，涉及一种电容触摸屏的电容触摸感应电路。
背景技术
触摸感应功能的有源矩阵LCD显示面板(或触摸屏)，是一个有源矩阵LCD面板，它具有一个额外的功能，即检测可能的手指和/或点指设备在面板上的触碰位置。一个电容触摸屏包括涂有透明导体的绝缘体，例如玻璃。因为人体也能导电，触摸到屏幕的表面会导致屏幕上的静电场失真，并产生可测量的电容变化。各种各样的技术可以用来检测触碰点的位置，例如投射式电容触摸(PCT)技术。
与LCD面板的像素网格相比，PCT使用的是一种X-Y(或纵列-横排)网格的电极。相同电压应用于每个纵列或横排电极(驱动线)上，从而创建了一个统一的静电场。当一个导体，例如人类手指或导电笔，接近电极网格上的一个点时，会导致这个点的静电场失真，这个失真是可测量的，具体体现为电容变化。每个电容网格点上电容变化能够被准确的测量，从而通过测量其他电极轴(感应线)的感应信号电压电荷来确定触摸位置。
在传统PCT型电容触摸屏面板中，在用于触摸控制器应用之前，感应信号电压电荷通过一个模拟前端电路的电压电荷放大器被放大。图1展示了一个传统的电压电荷放大器。电压放大率通过下列的方程表征:
Figure BDA0000942032790000021
其中，iΔcm是当检测到触摸时的感应信号电流，icm是共模电流，inoise是噪声电流。
通过方程(1)可以得知，传统的电压电荷放大器至少存在两个问题：
1.输出电压Vout的电压空间受限于运算放大器的电源电压和积分电容C的大小。在许多情况下，与运算放大器的动态范围相比，共模电流和噪声电流占据了电源电压90％以上的空间。这使得其信噪比(SNR)低，需要较大的电压范围来调节噪音，且只有一小部分电压范围供感应信号电流iΔcm使用。
2.为了适应共模电流、噪声电流和感应信号电流iΔcm，积分电容C必须足够大以减弱运算放大器输出电压。这导致了模拟前端电路需要大型的芯片尺寸。
发明内容
本发明提供一种模拟前端电路，该电路使得电容触摸屏的电容触摸感应功能具有以下优势：较小的模拟前端电路芯片尺寸，提升SNR，在所有的感应线路中提供有效的并行差分感应，更好的共模噪音抑制，以及更稳定的可编程信号电流增益。
本发明的一个目的是，提供一种模拟前端电路，它以电流模式处理感应信号，只允许感应信号电流通过其积分电容。通过这种方式，不再需要大型积分电容来储存过多的共模电荷，因此，模拟前端电路的芯片尺寸可以显著减少。通过噪音抑制，输出电压的整个电压范围可以用于代表感应信号，从而显著提升信噪比。
本发明的另一目的是提供一种适用于电容触摸屏面板中的互电容、自电容和混合电容式触摸感应器的模拟前端电路。
本发明的优选方案中，所述模拟前端电路包括电流模式差动电荷放大器和差动电流-电压转换器。电流模式差动电荷放大器从逻辑上可以分为两个阶段。第一阶段包括带有电流复制电路的单位增益缓冲器。第二阶段包括电流镜像和放大电路。
应用于带有互电容触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板时，每个感应线连接至单位增益缓冲器的负输入，并由单位增益缓冲器内的单位增益反馈运算放大器驱动，单位增益反馈运算放大器的正输入端连接至一个恒定参考电压。共模电流(从驱动线到感应互电容之间的电流)、噪声电流、以及从感应线接收的感应信号电流(有触碰发生时)，被复制并输入到电流镜像和放大电路。根据比例因子，电流镜像和放大电路产生一个正比例和负比例输出电流。然后，将正比例输出电流与相邻感应线的负比例输出电流进行合成。最后，将所生成的差动电流输入差动电流-电压转换器，生成用于触摸控制器应用的输出电压。
应用于带有自电容触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板时，每个感应线连接至单位增益缓冲器的负输入，并由单位增益缓冲器内的单位增益反馈运算放大器驱动，单位增益反馈运算放大器的正输入端连接至一个输入到单位增益缓冲器正输入端的切换驱动源电压。共模电流(电容充电与放电之间的电流)、噪声电流、以及从感应线接收的感应信号电流(有触碰发生时)，被复制并输入到电流镜像和放大电路。根据比例因子，电流镜像和放大电路产生一个正比例和负比例输出电流。然后，将正比例输出电流与相邻感应线的负比例输出电流进行合成。最后，将所生成的差动电流输入差动电流-电压转换器，生成用于触摸控制器应用的输出电压。
与带有互电容触摸感应器和自电容触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板相似，本发明可用于混合式触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板，每个感应线连接至单位增益缓冲器负输入端，并由单位增益缓冲器中的单位增益反馈运算放大器驱动，其中，单位增益反馈运算放大器的正输入端按时间复用方式连接着一个恒定参考电压和切换驱动源电压。
附图说明
下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述，其中：
图1是一种用于PCT型电容触摸屏面板的传统模拟前端电路中的传统的电压电荷放大器；
图2是本发明一个实施例中用于带有互电容触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板的模拟前端电路；
图3是本发明一个实施例中用于带有自电容触摸感应器的PCT型电容触摸屏面板的模拟前端电路；
图4是本发明中实现带有电流复制电路的单位增益缓冲器的一个MOSFET电路示例；
图5是本发明中实现带有电流复制电路的单位增益缓冲器的另一个MOSFET电路示例；
图6是本发明中实现带有电流复制电路的单位增益缓冲器的又一个MOSFET电路示例；
图7是本发明中实现电流镜像和放大电路的一个MOSFET电路示例；
图8A是本发明中实现差动电流-电压转换器的一个RC低通放大器示例；
图8b是本发明中实现差动电流-电压转换器的一个跨电阻放大器示例；
图8c是本发明中实现差动电流-电压转换器的一个电荷积分器示例。
具体实施方式
以用于实现电容触摸屏之电容触摸感应功能的模拟前端电路为例进行说明。对本领域的技术人员来说，在此基础上的修改，包括增添或替代，均未脱离本发明的范围。
如图2所示，本发明的一个实施例中，模拟前端电路包括电流模式差动电荷放大器101和差动电流-电压转换器102。电流模式差动电荷放大器101在逻辑上可以分为两个阶段。第一阶段包括带有电流复制电路103的单位增益缓冲器。第二阶段包括电流镜像和放大电路104。
参照图2，当应用于带互电容触控感应器的PCT型电容触屏面板时，每根感应线105连接到单位增益缓冲器103的负输入端，且由单位增益缓冲器103中的单位增益反馈运算放大器106驱动。单位增益反馈运算放大器106的正输入终端被连接到一个恒定参考电压107。从驱动线到感应互电容的共模电流icm是，噪声电流inoise和感应信号电流iΔcm(当有触碰发生时)被合成为一个输入电流iin，其方程式为：
iin＝icm+inoise+iΔcm (2)
该输入电流iin由感应线105接收，并被复制以产生一个上拉输出电流108以及一个下拉输出电流109，再输入到电流镜像和放大电路104。基于一个比例因子，电流镜像和放大电路104根据上拉输出电流108和下拉输出电流109，分别产生了一个正比例和一个负比例输出电流，分别表示为+β×iin和-β×iin，其中β是比例因子。然后，正比例输出电流+β×iin与相邻感应线的负比例输出电流-β×iin(n-1)进行合成，产生一个差动电流idiff(m)，其方程式为：
idiff(m)＝β×(iin(n)-iin(n-1)) (3)
当有触碰发生于第n线，与方程式(2)结合，会有
idiff(m)＝β×(iΔcm(n)) (3.1)(3.1)
最终，生成的差动电流idiff(m)被注输入到差动电流-电压变换器102以生成用于触摸控制器应用的输出电压Vout。
参照图3，当应用于带自电容触控感应器的PCT型电容触屏面板时，每根感应线205连接到单位增益缓冲器103的负输入端，且由单位增益缓冲器103中的单位增益反馈运算放大器106驱动。单位增益反馈运算放大器106的正输入终端被连接到一个切换驱动源电压207。感应自电容充电或放电的共模电流iCself，噪声电流inoise和感应信号电流iΔcm(当有触碰发生时)被合成为一个输入电流iin，其方程式为：
iin＝iCself+inoise+iΔcm (4)
该输入电流iin由感应线205接收，并被复制以产生一个上拉输出电流108以及一个下拉输出电流109，再输入到电流镜像和放大电路104。基于一个比例因子，电流镜像和放大电路104根据上拉输出电流108和下拉输出电流109，分别产生了一个正比例和一个负比例输出电流，分别表示为+β×iin和-β×iin，其中β是比例因子。然后，正比例输出电流+β×iin与相邻感应线的负比例输出电流-β×iin(n-1)进行合成，产生一个差动电流idiff(m)，可由方程式(3)表示。最终，生成的差动电流idiff(m)被注输入到差动电流-电压变换器102以生成用于触摸控制器应用的输出电压Vout。
与带有互电容触控感应器的PCT型电容触屏面板和带自电容触控感应器的PCT型电容触屏面板类似，本发明还可应用于带有混合式电容触控感应器的PCT型电容触屏面板，每个感应线连接至单位增益缓冲器负输入端，并由单位增益缓冲器中的单位增益反馈运算放大器驱动，其中，单位增益反馈运算放大器的正输入端按时间复用方式连接着一个恒定参考电压和切换驱动源电压。
带有电流复制电路103的单位增益缓冲器，可由图4所示的MOSFET电路来实现。可以理解的是，本领域技术人员还可做出其他电路设计，以实现本发明实施例中所述带有电流复制电路的单位增益缓冲器的相同功能和属性。
电流镜像和放大电路104可由图5所示的MOSFET电路来实现。该电路的501部分会镜像上拉输出电流108和下拉输出电流109。该电路的502部分会基于比例因子放大该两个电流，所述比例因子可通过控制输出比例开关503进行调节。
电流镜像和放大电路104还可由图6所示的MOSFET电路来实现。该电路的601部分会镜像上拉输出电流108和下拉输出电流109。该电路的602部分会基于比例因子放大该两个电流，所述比例因子可通过控制输出比例开关603进行调节。
电流镜像和放大电路104还可由图7所示的MOSFET电路来实现。该电路的701部分会镜像上拉输出电流108和下拉输出电流109。该电路的702部分会基于比例因子放大该两个电流，所述比例因子可通过控制输出比例开关703进行调节。
可以理解的是，本领域技术人员还可做出其他电路设计，以实现本发明实施例中所述电流镜像和放大电路的相同功能和属性。
上述典型的电流镜像和放大电路中，允许一个电流增益带有可调的比例因子，从
Figure BDA0000942032790000071
到β＝2，通过控制输出比例开关按每步
Figure BDA0000942032790000072
的方式调整。小电流增益水平在单端或共模噪声输入的大电流条件下可以降低饱和度和削波，大电流增益水平可以提高小感应信号电流的电压余量利用率从而提高SNR，所以，可通过控制输出比例开关，在对模拟前端电路进行初始配置时确定一个优选电流增益。
差动电流-电压变换器102可由一个如图8A所示的RC低通放大器实现，或由如图8B所示的跨电阻放大器实现，或由如图8C所示的电荷积分器实现。可以理解的是，本领域技术人员还可做出其他电路设计，以实现本发明实施例中所述差动电流-电压变换器的相同功能和属性。
因为在将正比例输出电流+β×iin(n)与相邻感应线的负比例输出电流-β×iin(n-1)进行合成，在生成差动电流idiff(m)的过程中，已消除了共模电流和噪声电流分量，所以差动电流-电压变换器的输出电压Vout现在是：
Figure BDA0000942032790000081
这样可放宽电压余量，允许可配置电流增益的感应信号电流占据差动电流-电压变换器的运算放大器的全动态范围。这大大地提升了SNR(实验显示达到30到40dB)。其结果是不再需要大积分电容C(实验显示电容需要的减少量达到50pF到10pF)，并让模拟前端电路的管芯尺寸得以减小。
由于差动电流-电压变换器可同时满足于所有感应线，因此没有必要把感应线和参考感应线的处理分成两个不同的阶段，从而不必牺牲帧率。
在实际的应用中，上述实施例中的装置可制成一个集成器件或一个集成电路。
在工业的应用中，该装置可能被制造成一个有触碰感应功能的显示驱动器，或一个有控制图象显示和侦测屏幕触碰功能的集成控制器。该装置也可能被集成在一个交互显示系统、智能手机或是平板电脑上。
上述实施例中的装置可由以下方式实现：通用的或专门的计算设备，计算机处理器，或电子电路包括但不局限于专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他根据本发明方案配置的可编程逻辑设备。运行在通用的或专门的计算机设备，计算机处理器，或可编程逻辑器件中的计算机指令或软件代码，可由本领域技术人员很轻松地编写。
本发明的以上描述用于提供示意性说明和描述，而不应构成对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，许多修改和变化均是显而易见的。
本发明所选择和描述的实施例，都是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员可以理解还可根据实际使用需求而作出其他实施例和其他修改。本发明的范围以权利要求中的内容及其同等方案为准。

Claims (7)

1.一种为投射式电容触摸感应提供感应信号的装置，其特征在于，包括：
第一感应线的第一电流模式差动电荷放大器，其中包括：
一个带有电流复制电路的第一单位增益缓冲器，其中由触碰发生所生成的第一感应线电流被输入到带有电流复制电路的所述第一单位增益缓冲器，以产生一个第一上拉输出电流和一个第一下拉输出电流；
一个第一电流镜像和放大电路，所述第一电流镜像和放大电路包括多个第一输出比例开关，其中所述第一上拉输出电流和第一下拉输出电流被输入到所述第一电流镜像和放大电路，再基于第一电流增益因子被放大并产生一个第一正比例输出电流和一个第一负比例输出电流，其中所述第一电流增益因子通过所述多个第一输出比例开关配置；
第二感应线的第二电流模式差动电荷放大器，其中包括：
一个带有电流复制电路的第二单位增益缓冲器，其中由触碰发生所生成的第二感应线电流被输入到带有电流复制电路的所述第二单位增益缓冲器，以产生一个第二上拉输出电流和一个第二下拉输出电流；
一个第二电流镜像和放大电路，所述第二电流镜像和放大电路包括多个第二输出比例开关，其中所述第二上拉输出电流和第二下拉输出电流被输入到所述第二电流镜像和放大电路，再基于第二电流增益因子被放大并产生一个第二正比例输出电流和一个第二负比例输出电流，其中所述第二电流增益因子通过所述多个第二输出比例开关配置；
一个电流合成电路，它将第一电流模式差动电荷放大器为第一感应线产生的第一正比例输出电流与第二电流模式差动电荷放大器为第二感应线产生的第二负比例输出电流进行合成，以产生一个差动电流；
一个差动电流-电压变换器，用来把所述差动电流转换为可供触摸控制器应用使用的输出电压；
其中，感应线电流中的共模和噪声电流分量被所述电流合成电路消除；
其中，当所述投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带互电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端被连接到一个恒定参考电压；
其中，当所述投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带自电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端被连接到切换驱动源电压；
其中，当所述投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带有混合式电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端按时间复用方式连接着一个恒定参考电压和切换驱动源电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流增益因子是可配置的，从
Figure DEST_PATH_IMAGE002
到β＝2，通过控制所述多个输出比例开关按每步
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的方式调整配置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差动电流-电压变换器是一个RC低通放大器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差动电流-电压变换器为一个跨电阻放大器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差动电流-电压变换器是一个电荷积分器。
6.一种为PCT感应提供感应信号的方法，其特征在于，包括：
用带有电流复制电路的第一单位增益缓冲器复制由触碰发生所生成的第一感应线电流，以产生第一上拉输出电流和第一下拉输出电流；
用带有多个输出比例开关的第一电流镜像和放大电路，镜像和基于电流增益因子放大第一上拉输出电流和第一下拉输出电流，从而用第一电流镜像和放大电路产生第一正比例输出电流和第一负比例输出电流，其中所述电流增益因子通过所述多个输出比例开关配置；
用带有电流复制电路的第二单位增益缓冲器复制第二感应线电流，以产生第二上拉输出电流和第二下拉输出电流；
用第二电流镜像和放大电路，镜像和基于所述电流增益因子放大第二上拉输出电流和第二下拉输出电流，从而用第二电流镜像和放大电路产生第二正比例输出电流和第二负比例输出电流；
对所述第一正比例输出电流和第二负比例输出电流进行合成，以消除共模和噪声电流分量并生成差动电流；
用差动电流-电压变换器把所述差动电流转换为可供触摸控制器应用使用的输出电压；
当投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带互电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端被连接到一个恒定参考电压；
当投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带自电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端被连接到切换驱动源电压；
当投射式电容触摸感应提供感应信号的装置为带有混合式电容触控感应器的投射式电容触摸型电容触屏面板时，所述单位增益缓冲器的正输入终端按时间复用方式连接着一个恒定参考电压和切换驱动源电压。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，包括：
所述电流增益因子是可配置的，从
Figure 234982DEST_PATH_IMAGE002
到β＝2，通过控制所述多个输出比例开关按每步
Figure 491737DEST_PATH_IMAGE004
的方式调整配置；
所述差动电流-电压变换器为RC低通放大器、跨电阻放大器、或者电荷积分器。
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