CN108509094B - 电容检测方法和使用该方法的电容检测装置 - Google Patents

电容检测方法和使用该方法的电容检测装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种电容检测装置，该电容检测装置包括面板、补偿电容器、开关单元和输出电压调整单元，其中，面板中形成有寄生电容器并且面板包括与对象形成自电容器的电极，补偿电容器配置为与寄生电容器和自电容器共享电荷，以输出补偿寄生电容器的影响的检测信号，开关单元包括多个开关，多个开关被接通或断开以使补偿电容器补偿寄生电容器的影响，且输出电压调整单元连接到补偿电容器，并且配置为调整由补偿电容器输出的检测信号的输出范围。

Description

电容检测方法和使用该方法的电容检测装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月23日提交的第10-2017-0023972号韩国专利申请的优先权和权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种电容检测方法和使用该方法的电容检测装置。
背景技术
目前，触摸屏中所使用的感测方法主要包括电阻感测方法、表面声波感测方法和电容感测方法。电容感测方法倾向于被用作便携式移动设备的主要输入手段，这是由于该方法能够实现多点触摸检测并且具有优异的耐用性和可视性。
电容式触摸屏检测由于用户干扰触摸屏面板上的电容传感器中所荷载的电荷而导致的变化，以识别用户输入。根据电荷存储方法，电容式触摸屏分为自电容触摸屏和互电容触摸屏。自电容触摸屏配置成使得对于每个电容传感器可形成一个导体，以在触摸屏面板外部形成参考接地和充电表面，而互电容触摸屏配置成使得触摸屏面板上的两个导体可形成互充电表面以用作一个电容传感器。
典型的自电容触摸屏使用X/Y正交的导体布置。在这种情况下，每个电容传感器用作线传感器，因此每当在触摸屏中执行输入检测时，X线传感器组和Y线传感器组分别仅提供一条X感测信息和一条Y感测信息。相应地，常用的自电容触摸屏能够检测并跟踪单点触摸，但无法支持多点触摸。互电容触摸屏也使用X/Y正交的导体布置。然而，互电容触摸屏与自电容触摸屏的不同之处在于，每个电容传感器以网格传感器的形式形成在相应的导体正交位置处，并且当在触摸屏上检测到用户输入时，独立地感测网格传感器的各个响应。由于每个网格传感器对应于不同的X/Y坐标并提供独立的反应结果，互电容触摸屏可以从由一组X/Y网格传感器提供的X/Y感测信息集中提取用户输入信息，以感测并跟踪用户的多点触摸。
发明内容
为了减小形成在面板中的寄生电容器的影响，可以通过增加提供至面板的电压来提高检测灵敏度。但是，由于与面板连接的电路以低电压驱动，当提供高电压时不能保证操作的可靠性。为了在向与面板连接的电路提供高电压时也能够可靠地操作，该电路应具有高耐受电压，但这不具有经济性。
本实施例旨在解决上述问题，并且旨在允许将高电压提供至面板以便提高电容检测灵敏度，并且还允许以低电压操作的电路与面板连接。
根据本发明的一方面，提供一种电容检测装置，该电容检测装置包括面板、补偿电容器、开关单元和输出电压调整单元，其中，面板中形成有寄生电容器并且面板包括与对象形成自电容器的电极，补偿电容器配置为与寄生电容器和自电容器共享电荷，以输出补偿寄生电容器的影响的检测信号，开关单元包括多个开关，多个开关被接通或断开，以使得补偿电容器补偿寄生电容器的影响，且输出电压调整单元连接到补偿电容器并且配置为调整由补偿电容器输出的检测信号的输出范围。
根据本发明的另一方面，提供一种电容检测方法，该方法包括：利用第一电压对形成在面板中的寄生电容器和自电容器进行预充电，并利用第二电压对补偿电容器进行预充电；将自电容器、寄生电容器和补偿电容器电连接以在自电容器、寄生电容器和补偿电容器之间共享电荷；向补偿电容器提供偏移电压，以调整由补偿电容器输出的信号的范围；以及输出具有经调整的范围的信号。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他目的、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加明显，在附图中：
图1是示出根据本实施例的触摸检测装置的示意性电路图；
图2是示出根据本实施例的触摸检测方法的示意性流程图；
图3(a)至图3(c)是示出输出电压调整单元的示例的示意图；
图4(a)和图4(b)是示出信号转换单元的示例的框图；
图5是根据本实施例的电容检测装置的时序图；以及
图6至图12示出了根据本实施例的电容检测装置在不同阶段的等效电路。
具体实施方式
本发明的描述仅提供结构和功能性说明的示例，因此本发明的范围不应解释为受这些示例的限制。也就是说，由于本发明可以进行各种修改并且具有多个示例性实施例，因此本发明的范围应当理解为包括能够实现本发明的精神的等同物。
本文使用的术语应该以如下方式理解。
术语“第一”、“第二”等可以仅用于将一个元件与另一个元件区分开，并且因此本发明的范围不应受到这些术语的限制。例如，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。
应理解，当一个元件被称为位于另一个元件“上方”时，其可以直接位于该另一个元件上，或者二者之间可插置有其他元件。另一方面，应理解，当一个元件被称为位于另一个元件“上”时，二者之间不存在中间元件。此外，描述元件之间的关系的其它表述应以相同的方式解释(例如，“插入”与“直接插入”、“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“紧邻”等)。
除非上下文另外明确地指出，否则单数形式旨在包括复数形式。还应理解，本文使用的术语“包括(comprise)”、“包括(include)”或“具有”指定所阐述的特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合。
除非具体阐述了顺序，否则各步骤可以以不同的顺序执行。也就是说，各个步骤可以以与所述顺序相同的顺序、基本上同时或以相反的顺序执行。
为了便于描述，在本公开的实施例中提到的附图在尺寸、高度、厚度等方面被有意夸大，而并未根据比率放大或缩小。而且，附图中示出的任何元件可以被有意地缩小，或者其他元件可以被有意地放大。
除非另有定义，否则本文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相同的含义。通常使用的术语(例如在词典中定义的术语)应解释为具有与本领域的背景含义相匹配的含义。在本说明书中，除非明确定义，否则术语不应理想地或过度解释为具有正式含义。
此处，用户用于向面板施加输入的实体被限定为对象。这种对象是指能够触摸面板100或悬停在面板100的上方以提供电容变化的实体，例如手、手掌或触控笔。然而，这些示例旨在描述该对象，而不是限制对象的范围。因此，脸颊、脚趾等也可以用作对象。
在下文中，将参照附图描述本实施例。图1是示出根据实施例的触摸检测装置1的示意性电路图。图2是示出根据本实施例的触摸检测方法的示意性流程图。参照图1和图2，根据本实施例的触摸检测装置1包括面板100、补偿电容器Cc、开关单元200和输出电压调整单元300，其中，面板100中形成有寄生电容器Cp，并且面板100包括与对象O形成自电容器Cs的电极E；补偿电容器Cc配置为与寄生电容器Cp和自电容器Cs共享电荷，以输出补偿寄生电容器Cp的影响的检测信号；开关单元200包括多个开关，多个开关接通或断开，以使补偿电容器Cc补偿寄生电容器Cp的影响；以及输出电压调整单元300连接到补偿电容器Cc并配置为调整由补偿电容器Cc输出的检测信号的输出范围。
根据本实施例的触摸检测方法包括：利用第一电压对形成在面板100中的寄生电容器Cp和自电容器Cs进行预充电，并且利用第二电压对补偿电容器Cc进行预充电(S100)；将自电容器Cs、寄生电容器和补偿电容器Cc电连接，以在自电容器Cs、寄生电容器和补偿电容器Cc之间共享电荷(S200)；向补偿电容器Cc提供偏移电压，以调整由补偿电容器Cc输出的检测信号的范围(S300)；以及输出通过执行共享电荷的步骤形成的检测信号(S400)。
面板100包括至少一个电极E。电极E用作自电容器Cs的一个电极，并且对象O用作自电容器Cs的另一电极。
实际面板100具有若干种电容，诸如形成在接地电压和电极之间的寄生电容、形成在相邻电极之间的寄生电容等。在下文中，寄生电容Cp表示等效寄生电容，其包括形成在与对象O形成自电容Cs的电极E中的所有寄生电容。
面板100的电极E形成自电容器Cs的一个电极，对象O形成自电容器Cs的另一电极。对象O电连接到接地电压，并且自电容器Cs并联连接到寄生电容器Cp。从开关单元200查看的等效电容是通过将自电容Cs并联连接到寄生电容Cp而形成的电容Cp+Cs。
[等式1]
Figure BDA0001579498560000051
其中，C是电容，A是电极的面积，d是电极之间的距离，且ε是介电常数。
参照等式1(其用于计算电容器的电容)，可以看出，自电容器的电容根据对象O和电极E之间的分隔距离而变化，并且当自电容器的电容大于或等于某一值时，对象O触摸面板100以提供触摸输入。
开关单元200包括第一预充电开关SWpc1、第二预充电开关SWpc2、电荷共享开关SWcs和输出开关SWo，其中，第一预充电开关SWpc1被接通以对自电容器Cs和寄生电容器Cp进行预充电；第二预充电开关SWpc2被接通以对补偿电容器Cc进行预充电；电荷共享开关SWcs被接通以在自电容器Cs、寄生电容器Cp和补偿电容器Cc之间共享电荷；且输出开关SWo配置为提供由补偿电容器Cc输出的检测信号。在图1所示的实施例中，开关单元200包括第三预充电开关SWpc3，该第三预充电开关SWpc3配置为在预充电(pc)步骤(参见图5)中提供用于连接补偿电容器Cc和接地电压的预充电路径。在另一个实施例中，输出电压调整单元300可提供用于将接地电压连接到补偿电容器Cc的预充电路径。
用于对自电容器Cs和寄生电容器Cp进行预充电的第一电压V1的电压值和用于对补偿电容器Cc进行预充电的第二电压V2的电压值由控制单元500控制。作为示例，在第一阶段P1的预充电步骤中(参见图5)，控制单元500提供驱动电压Vdd作为第一电压V1，并提供接地电压Vgnd作为第二电压V2。在第二阶段P2的预充电步骤中(参见图5)，控制单元500提供接地电压Vgnd作为第一电压V1，并提供驱动电压Vdd作为第二电压V2。
图3(a)至图3(c)是示出输出电压调整单元300的示例的示意图。参照图3(a)所示的示例，输出电压调整单元300包括偏移电容器Coffset(C偏移)和偏移开关SWoffset(SW偏移)，其中偏移电容器Coffset配置为与补偿电容器Cc共享电荷，且偏移开关SWoffset配置为将补偿电容器Cc电连接到偏移电容器Coffset或断开补偿电容器Cc与偏移电容器Coffset的电连接。
作为实施例，偏移电容器Coffset可使用偏移电压Voffset(V偏移)进行预充电，当偏移开关SWoffset接通并电连接到补偿电容器Cc时，补偿电容器Cc和偏移电容器Coffset可以彼此共享电荷，以增加或减小由补偿电容器Cc输出的检测信号的电压。
通过接通反向偏移开关SWoffsetB(SW偏移B)，偏移电容器Coffset可使用偏移电压Voffset进行预充电，反向偏移开关SWoffsetB由通过将提供至偏移开关SWoffset的偏移信号进行反转而获得的信号驱动。当偏移开关SWoffset被接通时，偏移电容器Coffset可串联连接到补偿电容器Cc并且配置为与补偿电容器Cc共享电荷以调整节点a的电压Va(参见图1)。
作为示例，提供至偏移电容器Coffset的偏移电压Voffset可以是处于接地电压和驱动电压Vdd之间的范围内的任何电压。作为另一示例，提供至偏移电容器Coffset的偏移电压Voffset可以是通过将在接地电压和驱动电压Vdd之间的范围内的任何电压进行反转而获得的负电压。
当偏移开关SWoffset接通时，补偿电容器Cc和偏移电容器Coffset可彼此共享电荷以调整由补偿电容器Cc输出的电压。
参照图3(b)所示的示例，输出电压调整单元300包括偏移电容器Coffset和偏移开关SWoffset，其中，偏移电容器Coffset与补偿电容器Cc并联连接并配置为与补偿电容器Cc共享电荷，且偏移开关SWoffset配置为将补偿电容器Cc电连接到偏移电容器Coffset或者断开补偿电容器Cc与偏移电容器Coffset的电连接。作为实施例，偏移电容器Coffset可通过与偏移电压Voffset1(V偏移1)与Voffset2(V偏移2)之差对应的电压进行预充电，并且当偏移开关SWoffset接通并电连接到补偿电容器Cc时，补偿电容器Cc和偏移电容器Coffset可彼此共享电荷以增加或减少补偿电容器Cc所输出的电压。
由通过将提供至偏移开关SWoffset的偏移信号进行反转而获得的信号驱动的反向偏移开关SWoffsetB被接通，以向偏移电容器Coffset的一端提供偏移电压Voffset1，并向偏移电容器Coffset的另一端提供偏移电压Voffset2。在这种情况下，偏移电容器Coffset通过处于偏移电压Voffset1和偏移电压Voffset2之间的范围内的电压进行预充电。当偏移开关SWoffset接通时，偏移电容器Coffset可并联连接到补偿电容器Cc并配置为与补偿电容器Cc共享电荷以调整节点a的电压。
作为示例，偏移电容器Coffset所荷载的偏移电压可以是处于接地电压Vgnd和驱动电压Vdd之间的范围内的任何电压。作为另一示例，偏移电容器Coffset所荷载的偏移电压可以是通过将处于接地电压Vgnd和驱动电压Vdd之间的范围内的任何电压进行反转而获得的负电压。
当偏移开关SWoffset接通时，补偿电容器Cc和偏移电容器Coffset可彼此共享电荷，以调整由补偿电容器Cc输出的检测信号的电压。
参照图3(c)所示的示例，输出电压调整单元300包括偏移电压供给单元310和偏移开关SWoffset，其中，偏移电压供给单元310配置为向补偿电容器Cc的一端提供偏移电压Voffset，且偏移开关SWoffset，配置为将偏移电压供给单元310连接到补偿电容器Cc或者断开偏移电压供给单元310与补偿电容器Cc的连接。
作为示例，当电压被充电到补偿电容器Cc中或从补偿电容器Cc被放电时，偏移开关SWoffset闭合以将偏移电压添加到形成在补偿电容器Cc中的电压，并输出添加有偏移电压的电压。由偏移电压供给单元310提供的偏移电压Voffset可以是用于增加补偿电容器Cc所输出的电压的正电压。作为另一示例，由偏移电压供给单元310提供的偏移电压可以是用于减小补偿电容器Cc所输出的电压的负电压。
图4(a)和图4(b)是示出信号转换单元400的示例的框图。参照图4(a)，信号转换单元400包括电荷放大器410，电荷放大器410接收对寄生电容器Cp的影响进行补偿的检测信号，对接收到的检测信号进行积分，然后输出经积分的检测信号Vout。电荷放大器包括连接到输出节点和反向输入节点的反馈电容器Cf，并且包括配置为对反馈电容器Cf所荷载的电荷进行刷新(flush)的刷新开关SWf。
在图4(b)所示的示例中，信号转换单元400将由补偿电容器Cc提供的检测信号转换为伪差分信号并输出伪差分信号。信号转换单元400包括电荷放大器410和延迟单元420，电荷放大器410配置为对补偿电容器Cc所提供的检测信号进行积分和输出，延迟单元420配置为对电荷放大器410的输出信号进行延迟和输出。
补偿电容器Cc向电荷放大器410提供检测信号，并且电荷放大器410累积所提供的检测信号，然后输出所累积的检测信号。在电荷放大器410输出信号VoutB以前，延迟单元420保持并输出由电荷放大器410提供的信号。在第一阶段P1(参见图5)中由开关单元200保持并输出的信号Vout与在第二阶段P2(参见图5)中由开关单元200输出的信号VoutB是互补的。然而，在第一阶段中执行的形成信号Vout的电荷共享过程和在第二阶段中执行的形成信号VoutB的电荷共享过程是在不同的时间执行，因此信号Vout和VoutB是伪差分信号。
在一实施例中，信号转换单元400还可包括放大器(未示出)，根据本实施例的触摸检测装置1还可包括模数转换器(ADC)(未示出)，模数转换器配置为接收信号转换单元400的一对输出信号Vout和VoutB，并将输出信号对转换成数字信号。
控制单元500控制包括在开关单元200、输出电压调整单元300和信号转换单元400中的开关。在实施例中，包括在开关单元200中的第一预充电开关SWpc1、第二预充电开关SWpc2和第三预充电开关SWpc3、电荷共享开关SWcs、输出开关SWo和包括在信号转换单元400中的刷新开关SWf通过由控制单元500提供的控制信号Spc1、Spc2、Spc3、Scs、So、Soffset和Sf控制并被接通或断开。
控制单元500控制提供为第一电压V1和第二电压V2的电压。作为示例，控制单元500可以提供驱动电压Vdd作为第一电压V1，并且还提供接地电压Vgnd作为第二电压V2。作为另一示例，控制单元500可以提供接地电压Vgnd作为第一电压V1，并且还提供驱动电压Vdd作为第二电压V2。
此处，参照图5至图12描述根据本实施例的电容检测装置的操作。图5是根据本实施例的电容检测装置的时序图，图6至图12是示出根据本实施例的电容检测装置的根据各阶段的等效电路的视图。
下文将描述电容检测装置1通过使用伪差分信号来输出电容检测结果的示例。这并不意图限制本发明，而仅仅旨在描述实施例。电容检测装置1可以通过使用单端信号来输出电容检测结果。
参照图5，根据实施例的电容检测过程包括第一阶段P1和第二阶段P2。第一阶段P1包括预充电(pc)步骤、电荷共享步骤(cs)和输出步骤，第二阶段P2包括预充电(pc)步骤、电荷共享(cs)步骤、输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。根据本文未示出的另一实施例，第一阶段和第二阶段均可包括预充电(pc)步骤、电荷共享(cs)步骤、输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。根据本文未示出的又一实施例，第一阶段和第二阶段均可包括预充电(pc)步骤、电荷共享(cs)步骤和输出步骤。
在图5所示的实施例中，示出了在第一阶段P1结束之后立即执行第二阶段P2。然而，第二阶段P2可在第一阶段P1结束之后延迟预定时间而执行。而且，第二阶段P2被描述为在第一阶段P1之后执行。然而，第一阶段P1可以在第二阶段P2之后执行。
图6是第一阶段(P1)预充电(pc)步骤中的等效电路。参照图5和图6，在第一阶段(P1)预充电(pc)步骤中，控制单元500提供驱动电压Vdd作为第一电压V1，提供接地电压作为第二电压V2，并且提供预充电信号Spc1和Spc2以及预充电信号Spc3，使得由对象O和电极E形成的自电容器Cs以及寄生电容器Cp可以通过驱动电压Vdd进行预充电，并且补偿电容器Cc可以通过接地电压Vgnd进行预充电。
在图6所示的实施例中，在预充电(pc)步骤中，预充电开关SWpc3可以闭合以形成补偿电容器Cc的预充电路径。在本文未示出的实施例中，控制单元500可以控制包括在输出电压调整单元300中的偏移电压和偏移开关以形成补偿电容器Cc的预充电路径。在预充电(pc)步骤中，补偿电容器Cc的输出节点a处的电压Va等于接地电压Vgnd。
图7是第一阶段(P1)电荷共享(cs)步骤中的等效电路。参照图5和图7，在第一阶段电荷共享(cs)步骤中，控制单元500提供电荷共享信号Scs，使得寄生电容器Cp、自电容器Cs和补偿电容器Cc可以彼此共享电荷。由于预充电开关SWpc1和SWpc2断开，所以提供为第一电压V1和第二电压V2的电压彼此不相关。
在图7所示的电荷共享(cs)步骤的实施例中，预充电开关SWpc3接通以提供供寄生电容器Cp、自电容器Cs和补偿电容器Cc彼此共享电荷的路径。在本文未示出的实施例中，控制单元500可以控制包括在输出电压调整单元300中的偏移电压和偏移开关以形成电荷共享路径。
由于电荷共享，并联连接的寄生电容器Cp、自电容器Cs和补偿电容器Cc可以具有相同的电压。通过在第一阶段中执行电荷共享而形成的输出节点a的电压Va大于接地电压Vgnd并且小于驱动电压Vdd。Va可通过以下等式2表示：
[等式2]
Figure BDA0001579498560000101
图8是第一阶段(P1)输出步骤中的等效电路。参照图5和图8，补偿电容器Cc通过输出开关SWo将输出电压Va提供至电荷放大器410。由补偿电容器Cc提供的输出电压与等式2中所述的相同。
在第一阶段P1输出步骤中，控制单元500断开电荷共享开关SWcs并执行控制，使得寄生电容器Cp、自电容器Cs和补偿电容器Cc彼此不发生电连接，并且提供信号使得输出开关SWo接通。由于预充电开关SWpc1和SWpc2断开，所以提供为第一电压V1和第二电压V2的电压彼此不相关。
如图8所示的实施例，在输出步骤中，预充电开关SWpc3可被接通，以将接地电压提供至补偿电容器Cc的一端。在本文未示出的实施例中，控制单元500可以控制包括在输出电压调整单元300中的偏移电压和偏移开关，以将接地电压提供至补偿电容器Cc的一端。
通过断开电荷共享开关SWcs，能够阻止噪声通过面板100流入检测电路单元，从而增强了输出信号Va的信噪比。
当补偿电容器的电容Cc与自电容器的电容Cs和寄生电容器的电容Cp的总和之比为某个值N时，第一阶段中输出节点a的电压Va可通过以下等式3进行估计：
[等式3]
Figure BDA0001579498560000111
也就是说，当补偿电容器的电容大于自电容器的电容与寄生电容器的电容之和的两倍时，第一阶段中输出节点a的电压Va1计算为驱动电压Vdd的1/3。
图9是示出第二阶段(P2)预充电(pc)步骤中的等效电路的视图。参照图5和图9，在第二阶段(P2)预充电(pc)步骤中，控制单元500提供接地电压Vgnd作为第一电压V1，提供驱动电压Vdd作为第二电压V2，并且提供预充电信号Spc1、Spc2和Spc3，使得自电容器Cs和寄生电容器Cp通过接地电压Vgnd进行预充电，且使得补偿电容器Cc通过驱动电压Vdd进行预充电。
在本文未示出的实施例中，控制单元500可以控制包括在输出电压调整单元300中的偏移电压和偏移开关以形成补偿电容器Cc的预充电路径。在预充电(pc)步骤中，输出节点a处的电压Va等于驱动电压Vdd。
图10是第二阶段(P2)电荷共享(cs)步骤中的等效电路。参照图5和图10，在第一阶段电荷分享(cs)步骤中，控制单元500提供电荷共享信号Scs以接通电荷共享开关SWcs，使得寄生电容器Cp、自电容器Cs以及补偿电容器Cc可以彼此共享电荷。由于预充电开关SWpc1和SWpc2断开，所以提供为第一电压V1和第二电压V2的电压彼此不相关，并且预充电开关SWpc3可被接通。
由于电荷共享，并联连接的寄生电容器Cp、自电容器Cs和补偿电容器Cc可以具有相同的电压。通过执行电荷共享而形成的输出节点a的电压Va大于接地电压Vgnd且小于驱动电压Vdd。输出电压Va可以由以下等式4表示：
[等式4]
Figure BDA0001579498560000121
图11是第二阶段(P2)输出电压调整(oc)步骤的示意性等效电路。参照图11和图5，在第二阶段(P2)输出电压调整(oc)步骤中，控制单元500控制输出电压调整单元300以调整补偿电容器Cc所输出的信号的范围。如图5所示，通过执行第二阶段(P2)电荷共享(cs)步骤而获得的电压可能与信号转换单元400的输入动态范围Vdr不匹配。然而，通过执行输出电压调整(oc)步骤，输出电压可被转换为目标电压电平。
参照图11所示的实施例，控制单元500接通偏移开关SWoffset，使得偏移电压供给单元310可将偏移电压Voffset提供至补偿电容器Cc的另一端。作为示例，当偏移电压供给单元310向补偿电容器Cc的一端提供负电压时，可以通过降低由补偿电容器Cc输出的输出信号Va的电压来调整输出信号。在实施例中，可通过调整偏移电压Voffset来调整输出电压。
在图3(a)至图3(c)所示的实施例中，控制单元500接通偏移开关SWoffset，使得偏移电容器Coffset和补偿电容器Cc可以彼此共享电荷。当补偿电容器Cc和偏移电容器Coffset彼此共享电荷时，补偿电容器Cc所荷载的电荷量可以改变，由此补偿电容器Cc所输出的电压Va可以改变。因此，能够调整输出电压Va的范围。在实施例中，可根据动态范围Vdr调整偏移电压Voffset和/或偏移电容器的电容Coffset，从而调整输出电压的范围。
为了提高自电容器Cs的电容检测灵敏度，在面板100中形成的寄生电容器Cp、自电容器Cs或补偿电容器Cc中预充电的驱动电压Vdd的电压值是作为驱动电压提供至信号转换单元400的电压Vdd,LOW(Vdd,低)的若干倍。信号转换单元400可以形成为具有以高密度集成的多个有源器件和多个无源器件的集成电路。信号转换单元400通过低于驱动电压Vdd的电压Vdd,LOW来驱动，以获得低功耗和高集成度，因此信号转换单元400具有比接地电压Vgnd和驱动电压Vdd之间的差值较窄的输入动态范围。
如图5所示，在第二阶段(P2)电荷共享(cs)步骤中获得的输出节点a的电压Va超过信号转换单元400的输入动态范围Vdr。因此，当输出信号Va被直接提供至信号转换单元400时，信号转换单元400应形成为具有高耐受电压的器件，使得信号转换单元400不被形成信号转换单元400的高电压的驱动电压Vdd破坏。然而，将信号转换单元400形成为具有高耐受电压的器件在芯片尺寸方面不具有经济性。
另外，当执行根据本实施例的输出电压调整(oc)过程时，可以调整由补偿电容器Cc输出的输出信号Va的范围。因此，不需要通过较大的高耐受电压器件来形成信号转换单元400。此外，能够增加驱动电压Vdd。因此，由于能够增加驱动电压Vdd，能够提高电容检测灵敏度和信噪比(SNR)，并且由于不需要形成较大的高耐受电压器件，在芯片尺寸方面也具有经济性。
图12是第二阶段(P2)输出步骤中的等效电路。参照图5和图12，补偿电容器Cc通过输出开关SWo将输出电压Va提供至电荷放大器410。如图5所示，在输出步骤中由补偿电容器Cc提供的输出信号Va处于电荷放大器410的输入动态范围Vdr内。电荷放大器410接收由补偿电容器Cc提供的输出信号Va，并对接收到的输出信号进行累积，然后输出累积的信号。
如同在第一阶段输出步骤，电荷共享开关SWcs被断开，因此如上所述能够阻止噪声通过面板流入内部电路。
在图5所示的实施例中，可以顺序地执行输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。作为实施例，当偏移电容器Coffset(参见图3(a)和图3(b))和补偿电容器Cc彼此共享电荷以调整输出电压时，可以顺序地执行输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。
在另一个实施例中，可以同时执行输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。作为实施例，在图11所示的输出电压调整(oc)步骤中，当偏移电压被提供至偏移电压供给单元310以调整输出电压时，可以同时执行输出电压调整(oc)步骤和输出步骤。
在上面的等式4中，当补偿电容器的电容Cc与寄生电容Cp和自电容器的电容Cs之和的比值是某个值N时，等式4可以表示为以下等式5：
[等式5]
Figure BDA0001579498560000141
当N＝2时，输出节点的电压是驱动电压的2/3。
在等式3中，当补偿电容器的电容Cc与寄生电容器的寄生电容Cp与自电容器的电容Cs之和的比值为N，例如N＝2时，可以看到输出节点的电压Va是驱动电压的1/3。此外，在等式5中可以看出，当N＝2时，输出节点的电压Va是驱动电压的2/3。即，在等式3和等式5中可以看出，当执行第一阶段P1时由补偿电容器输出的电压与在执行第二阶段P2时由补偿电容器输出的电压是互补的。
在实施例中，电荷放大器410接收在第一阶段(P1)输出步骤中由补偿电容器Cc输出的信号，放大该输出信号，并将将放大的信号提供至延迟单元420。另外，电荷放大器410接收在第二阶段(P2)输出步骤中由补偿电容器Cc输出的信号，放大该输出信号，并将经放大的信号输出为VoutB。延迟单元420采样并保持所提供的信号，然后当电荷放大器提供信号VoutB时输出Vout信号。
由同一放大器放大的信号Vout和VoutB是彼此互补的。然而，这些信号是在不同时间形成的一对信号，因此具有伪差分信号关系。
根据本实施例，能够通过向面板提供高驱动电压来提高电容检测灵敏度，并且还能够通过使用以低电压操作的电路来提高信噪比。此外，由于通过两个电荷共享阶段形成一对伪差分信号，因此能够降低引入噪声的程度，并且还能够通过减小电荷共享阶段之间的时间间隔来减少引入的噪声量。
根据本实施例，能够通过以高电压驱动电容检测装置来提高检测灵敏度，并且还能够通过调整由补偿电容器输出的检测信号的范围来使用以低电压驱动的电路。
因此，本发明的实施例和附图将应被认为是对本发明进行的描述而不是限制，并且不限制本发明的技术范围。本发明的范围应由所附权利要求来解释，并且在其等同范围内的所有技术构思应解释为包括在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种电容检测装置，包括：
面板，所述面板中形成有寄生电容器并且所述面板包括与对象形成自电容器的电极；
补偿电容器，配置为与所述寄生电容器和所述自电容器共享电荷，以输出补偿所述寄生电容器的影响的检测信号；
开关单元，包括多个开关，所述多个开关被接通或断开以使得所述补偿电容器补偿所述寄生电容器的影响；
输出电压调整单元，连接到所述补偿电容器并配置为调整由所述补偿电容器输出的所述检测信号的输出范围；
信号转换单元，配置为接收所述检测信号并将所接收到的检测信号转换为电压信号；以及
控制电压源，连接至所述信号转换单元，
其中，所述信号转换单元配置成从所述控制电压源接收第一驱动电压，所述信号转换单元具有根据所述第一驱动电压的输入动态范围，并且所述面板配置成从所述控制电压源接收大于所述第一驱动电压的第二驱动电压，以及
其中，所述输出电压调整单元配置成调整所述检测信号的输出范围以匹配所述输入动态范围。
2.根据权利要求1所述的电容检测装置，其中，所述开关单元被接通或断开，以使得所述面板的所述寄生电容器和所述自电容器以及所述补偿电容器以不同的电压进行预充电，并且经预充电的寄生电容器、自电容器和补偿电容器彼此共享电荷。
3.根据权利要求2所述的电容检测装置，其中，所述开关单元包括：
第一预充电开关，被接通以利用第一电压对所述自电容器和所述寄生电容器进行预充电；
第二预充电开关，被接通以利用第二电压对所述补偿电容器进行预充电；以及
电荷共享开关，被接通以在所述自电容器、所述寄生电容器和所述补偿电容器之间共享电荷。
4.根据权利要求1所述的电容检测装置，其中，当所述补偿电容器输出所述检测信号时，所述开关单元使所述面板与所述补偿电容器断开电连接。
5.根据权利要求1所述的电容检测装置，其中，所述输出电压调整单元包括：
偏移电压供给单元，配置为向所述补偿电容器的一个电极提供偏移电压；以及
输出电压调整开关，连接在所述补偿电容器的所述一个电极与所述偏移电压供给单元之间。
6.根据权利要求1所述的电容检测装置，其中，所述输出电压调整单元包括：
偏移电容器，配置为与所述补偿电容器共享电荷以调整所述检测信号的所述输出范围；以及
输出电压调整开关，连接在所述补偿电容器的一个电极与所述偏移电容器之间。
7.根据权利要求1所述的电容检测装置，还包括：
控制单元，配置为控制所述开关单元。
8.根据权利要求1所述的电容检测装置，还包括：
信号转换单元，配置为接收所述检测信号并将所接收到的检测信号转换成伪差分信号。
9.一种电容检测方法，包括：
利用第一电压对形成在面板中的寄生电容器和自电容器进行预充电，并利用第二电压对补偿电容器进行预充电；
将所述自电容器、所述寄生电容器和所述补偿电容器电连接以在所述自电容器、所述寄生电容器和所述补偿电容器之间共享电荷；
向所述补偿电容器提供偏移电压以调整由所述补偿电容器输出的检测信号的范围；
向信号转换电路提供第一驱动电压以限定所述信号转换电路的输入动态范围；
向所述面板提供大于所述第一驱动电压的第二驱动电压；
使用所述信号转换电路将经调整的检测信号转换为具有匹配所述输入动态范围的输出动态范围的电压信号；以及
输出具有经调整的范围的检测信号。
10.根据权利要求9所述的电容检测方法，其中，输出所述检测信号包括：当所述补偿电容器输出所述检测信号时，使所述面板与所述补偿电容器断开电连接。
11.根据权利要求9所述的电容检测方法，其中，输出所述检测信号包括：将偏移电容器连接到所述补偿电容器的一端，以调整所述检测信号的范围，并输出具有经调整的范围的检测信号。
12.根据权利要求9所述的电容检测方法，其中，输出所述检测信号包括：将偏移电压供给单元连接到所述补偿电容器的一端以调整所述检测信号的范围，并输出具有经调整的范围的检测信号。
13.根据权利要求9所述的电容检测方法，还包括：
利用所述第二电压对所述寄生电容器和所述自电容器进行预充电，并且利用所述第一电压对所述补偿电容器进行预充电；
将所述自电容器、所述寄生电容器和所述补偿电容器电连接以在所述自电容器、所述寄生电容器和所述补偿电容器之间共享电荷；以及
输出通过共享电荷的步骤形成的反向检测信号。
14.根据权利要求13所述的电容检测方法，还包括：
通过所述检测信号和所述反向检测信号形成伪差分检测信号。
15.根据权利要求9所述的电容检测方法，其中，向所述补偿电容器提供偏移电压以调整由所述补偿电容器输出的所述检测信号的所述范围和输出具有经调整的范围的检测信号是同时执行的。
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