CN109074182B

CN109074182B - 具有间歇性电压驱动和感测的触控笔

Info

Publication number: CN109074182B
Application number: CN201780027875.2A
Authority: CN
Inventors: R·萨哈尔
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: EP3452887B1; US20170322644A1; EP3452887A1; CN109074182A; WO2017192368A1; US9971423B2

Abstract

公开了一种用于与计算机交互的触控笔设备。所述触控笔设备包括操作电路、用于激活和停用所述操作电路的操作开关、以及驱动和感测电路，所述驱动和感测电路被配置用于驱动给所述操作电路的供电电压并且感测所述操作开关的状态，其中所述驱动和感测经由电导体间歇地执行。

Description

具有间歇性电压驱动和感测的触控笔

背景技术

已经很好地建立起对于具有触摸屏接口的触控笔的使用。触摸屏设计已经结合了许多不同的技术，包括电阻型、电容型、电感型以及射频型感测阵列。例如，电阻型触摸屏是非常适合与无源触控笔一起使用的无源设备。

已经实现了与触摸屏一起使用的各种有源触控笔设备，并且存在于许多消费者应用场景中，诸如销售点终端(例如，用于零售商店中的信用卡交易的签名板)以及其他公共用途。

有源触控笔设备大致可分为两类：感应式和静电式。在感应式触控笔设备中，产生AC信号并将其馈送到触控笔的笔尖，并且触摸屏背后或周围的传感器接收该信号。每个传感器处的接收到的信号的相对量值被用于插入触控笔笔尖的位置。在静电式触控笔设备中，静电场在触控笔的笔尖处生成并且由自电容触摸屏检测。

发明内容

本公开描述了用于与计算机交互的触控笔设备的实施例。触控笔设备可包括操作电路和用于激活和停用操作电路的操作开关。驱动和感测电路可选地且优选地驱动操作电路并感测操作开关的状态。在一些实施例中，驱动和感测电路向操作电路提供升压。驱动和感测可选地并且优选地经由电导体(例如，电线)间歇地执行。

触控笔设备还可以包括书写尖端，以及驱动书写尖端(例如，向书写尖端提供升压)的书写尖端驱动电路。操作电路提供可选地且优选地除了书写之外的功能。例如，操作电路可以包括擦除器电路，在这种情况下，所提供的功能是擦除。在一些实施例中，操作开关在书写尖端的相对端。

驱动和感测电路可选地并且优选地感测电导体上的电压，并且响应于感测来传送指示操作开关的状态的信号。在本公开的一些实施例中，触控笔设备包括电阻型电子元件。在这些实施例中，当电流流过电阻路径时，驱动和感测电路可以感测电导体上的电压降，并且响应于该感测，传送指示操作开关闭合的信号(即，操作电路处于其开状态)。在本公开的一些实施例中，触控笔设备包括电容型电子元件，该电容型电子元件形成从电导体经由操作开关到参考点的电容路径。在这些实施例中，当电容型电子元件被充电时，驱动和感测电路可以感测电导体上的电压降，并且响应于该感测，传送指示操作开关闭合的信号。

触控笔设备可选地且优选地包括控制器，该控制器用于将经同步的控制信号传送到驱动和感测电路以间歇地执行驱动和感测。当驱动包括升压时，可以在升压的峰值处、升压的峰值之后或升压的峰值之前执行感测。替代地，感测可以在两个电压驱动循环之间的时间间隔期间执行。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可用于实践或测试本公开的实施方案，但下文描述了示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，包括定义的专利申请将优先。此外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不一定旨在限制。

附图的若干视图的简要描述

此处参考附图描述本公开的一些实施例，仅作为示例。现在专门详细地参考附图，强调的是，所示的细节是举例而言的并且只是出于对本公开的各实施例的说明性讨论的目的。就此而言，参考附图所进行的描述使得本领域技术人员显见该如何实践本公开的各实施例。

在附图中：

图1是触控笔设备的示意图，该触控笔设备具有跨该设备的在长度方向上对齐的数字导体；

图2是根据本公开的一些实施例的触控笔设备的示意图，该触控笔设备具有跨该设备的在长度方向上对齐的电压驱动导体；

图3A和3B是在操作开关未被按下时电导体上的电压作为时间的函数的示意图；

图4A和4B是根据本公开的一些实施例的可用于感测电导体上的电压的电路组件的示意图；

图5A和5B是在操作开关被按下时执行的电压升压循环期间电导体上的电压作为时间的函数的示意图；

图6是解说根据本公开的一些实施例的用于电压升压的驱动电路的方框图；

图7A是根据本公开的一些实施例的两个单元和驱动器电路的简化示意图；

图7B和7C是根据本公开的一些实施例的可以传送到各单元和单元间开关电路的控制信号的示意图；

图8A是更详细地示出根据本公开的一些实施例的单元间开关电路的示意图；以及

图8B和8C是根据本公开的一些实施例的可以传送到各单元和单元间开关电路内的开关的控制信号的示意图。

详细描述

本公开的一些实施例提供了一种具有间歇电压驱动(例如，升压)和开关的触控笔设备。

在详细地解释各示例性实施例中的至少一个实施例之前，应当理解本公开在其应用中不必受到在以下描述中阐述并且/或者在附图和/或示例中解说的构造的细节以及组件和/或方法的布置的限制。本公开能够具有其他实施例或者能够以各种方式来被实践或执行。

传统的触控笔设备包括细长的壳体10，壳体10具有头部32和尾部34，如图1中示意性解说的。书写尖端12位于头部32处，而擦除器14位于尾部34的端部。触控笔的操作由主集成电路26控制和同步，主集成电路26通常位于头部32处。书写尖端12和擦除器14都被构造成传送与触摸屏的数字化仪传感器交互的信号(分别被整体地在16和18处示出)。电压升压通过驱动电路22和24提供给书写尖端12和擦除器14，其中驱动电路22纳入在主集成电路26中，而驱动电路24纳入在尾部34处的副集成电路28中。

通常，擦除器端14与开关20(诸如压力操作开关)相关联，当用户将擦除器14按压在触摸屏上时，该开关20感测施加在擦除器14上的压力。当开关20被激活(例如，被按下)时，仅擦除器14传送其信号18，而当开关20未被激活(例如，被释放)时，仅书写尖端12传送其信号16。由于信号16和18的传输响应于开关20的状态，因此需要将指示开关状态的信号从位于尾部34的集成电路28传输到位于头部32的主集成电路26。这通常通过从尾部34穿过壳体10到主电路26的一对数字导体36来实现，其中数字导体中的一个将信息(例如，开关的状态)从电路28传送到主电路26，而另一个数字导体将来自主电路26的信息(例如控制信号)传送到电路28。然而，由于壳体10的机械限制，难以将导线在长度方向上布线穿过壳体。

本实施例的触控笔设备通常包括驱动电压并感测电导体(例如，电线)上的开关状态的电路。这允许将两个电压驱动器集成在同一集成电路中，并减少在触控笔的外壳上在长度方向上布线的导线数量。因此，在一些实施例中，触控笔设备的尾部没有任何电压驱动器。优选地，单个电导体(例如，导线)促成电压驱动和开关状态感测两者。

图2是根据本公开的一些实施例的用于与计算机交互的触控笔设备50的示意图。触控笔设备50可以实现为感应式或静电式触控笔。触控笔设备50可选地且优选地包括具有头部32和尾部34的壳体10，并且可选地由装在壳体10中的电源72供电。电源72可包括一个或多个电池和/或超级电容器，例如锂电池和/或碱性电池。如果需要，该一个或多个电池可以是可再充电的。电源72通常提供从约1.5V至约3.5V的电压，例如约1.5V或约3.2V。也构想了其它电压值。还可以采用电源管理方案(例如DC到DC转换器)来稳定电压。可选地，调节转换器被用于整个电池的寿命期间获得稳定的电压，例如，用以保持稳定的性能。

壳体10封装操作电路52和用于激活和停用操作电路52的操作开关54。操作电路52优选地被配置用于传送与触摸屏的数字化仪传感器相交互的信号58。操作电路52经由信号58提供除书写以外的功能。可以借助信号58提供的功能的代表性示例包括但不限于擦除、标记、绘制宽线、用所选颜色绘制、用选定的线图案绘制等等。在本公开的各种示例性实施例中，操作电路是擦除器电路，在这种情况下，借助信号58提供的功能是擦除。

设备50可选地且优选地包括驱动和感测电路56，其被配置用于将供电电压驱动到操作电路52并且感测操作开关54的状态。

驱动和感测电路56可选地且优选地能够生成来自操作电路52的电流的流入和流出。在一些实施例中，驱动和感测电路56被配置用于对供给操作电路52的供电电压进行升压。

如本文中所用的，“电压升压循环”是指其中电压被增加达到预定水平、并随后被降低以恢复到其初始水平的循环。其中电压被增加的时间段被称为“电压升压循环的累积时间段”，而其中电压被降低的时间段被称为“电压升压循环的下降时间段”。

虽然以下的实施例以对电压升压的特别强调来描述，但是应该理解，对电压提升的较详细的提及不应被解释为将本公开的范围限制于这种类型的电压驱动，并且可以采用任何能够产生电流的流入和流出的电压驱动。

可选地并且优选地，感测电路56被集成在触控笔设备50的主集成电路60中，该集成电路60可以是例如专用集成电路(ASIC)。集成电路60可以被放置在壳体10的头部32处。电压驱动的电导体(例如，导线)62提供操作电路52、操作开关54以及驱动和感测电路56之间的通信。根据本公开的一些实施例，驱动和感测电路56执行导体(例如，导线)62上的驱动(例如，升压)和感测两者。典型地，驱动(例如，升压)和感测根据预定协议间歇地执行。在本公开的一些实施例中，驱动和感测电路56感测电导体62上的电压，并且响应于感测到的电压直接或经由专用CPU(未示出)向主集成电路60传送指示开关54的操作状态的信号。以下更详细地提供代表性的同步协议和电压感测技术。

在本公开的各种示例性实施例中，设备50包括具有细长发射器70的书写尖端64，以及对给书写尖端64的供电电压进行驱动(例如，升压)的书写尖端驱动电路66。任选地，操作开关54在书写尖端64的相对端。例如，书写尖端64可以位于头部32处，而操作开关54可以位于尾部34处，如图2中所示。书写尖端64优选地被配置用于传送与触摸屏的数字化仪传感器相交互的信号68。

可选地，操作电路52所传送的信号58与书写尖端64所传送的信号不同，使得触摸屏的数字化仪可以区分电路52操作时从触控笔设备10接收的输入和书写尖端64操作时从触控笔设备10接收的输入。区别可以是相位、频率、振幅和/或脉冲重复率的修改。可选地，幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)和频移键控(FSK)中的至少一个被用于修改所传送的信号。

与书写尖端64借助信号68提供的功能相比，操作电路52借助信号58提供的功能通常较少被使用和/或被使用较短的时间段。另外，由操作电路52提供的功能所需的精度可选地且优选地低于书写所要求的以及由书写尖端64提供的精度。因此，在本公开的一些实施例中，信号58的振幅低于信号68的振幅。从电池寿命延长的观点来看，这些实施例是有利的，因为当信号的振幅被减小时功耗降低。通常但非必要地，信号58的振幅比信号68的振幅小2-20倍。为了在数字化仪上保持足够的信噪比(SNR)，操作电路52的天线优选地比书写尖端64的天线粗。例如，操作电路52的天线或其它发射部分的直径和/或至少一个尺寸可以比书写尖端64的天线或其它发射部分的直径大大约2-10倍。

以下是适用于本实施例的同步协议和电压感测技术的代表性示例的描述。

图3A是当操作开关未被按下时，在电路56执行的电压升压循环期间电导体62上的电压作为时间的函数的示意图。

如本文所用，“电导体上的电压”是指沿电导体的电势(其沿电导体实际上大致相同)与参考点(例如，接地点)处的电势之间的差。

当操作开关未被按下时电导体62上的电压在本文中称为“不间断”电压。

参考图3A，示例性的不间断电压示出从时间t₀到时间t_a的累积时间段和从时间t_b到时间t_c的下降时间段，其中t₀<t_a<t_b<t_c。在时间t₀和t_c，导体62上的电压处于其最小电平v_最小(通常为零)，而在从时间t_a到时间t_b的时间段期间，导体62上的电压基本恒定在其峰值(最大)电平v_最大。v_最小的典型值是0伏特，并且v_最大的典型值是从约10伏到约30伏或从约15伏到约25伏。以下提供适合于提供电压升压循环的电路(诸如图3A中所示的循环)。

电路56可选地并且优选地在电压驱动(例如，升压)循环期间停止电压驱动(例如，升压)达一足够短的感测时间段Δt_感测。在这一时间段期间，电路56感测导体62上的电压，并将感测到的电压与不间断电压(即同一时刻若操作开关54未被按下时在导体62上将呈现的电压)进行比较。当感测到的电压与不间断电压相同时，电路56向主电路60传送指示开关54处于其打开状态的信号。当感测到的电压与不间断电压不同时(通常低于不间断电压，如以下进一步详细描述的)，电路56向主电路60传送指示开关54处于其闭合状态的信号。

感测时间段的典型持续时间Δt_感测为从约20μs至约200μs，或从约50μs至约150μs，或从约75μs至约125μs。感测时间段可以是在电压升压循环的累积时间段期间(在图3A中的时间t₀和t_a之间)、在电压升压循环的下降时段期间(在图3A中的时间t_b和t_c之间)、或者当导体62上的不间断电压预期达到其最大值时(在图3A中的时间t_a和t_b之间)。从动态范围的观点来看，当导体62上的不间断电压预期达到其峰值电平时感测是优选的，因为电压较高。当感测在循环的累积或下降时间段期间时，可选地且优选地在导体62上的不间断电压预期达到其峰值的至少5％或至少10％或至少20％的时间段期间。

还考虑了其中电路56不停止电压驱动(例如，升压)来进行感测的实施例。在这些实施例中，电路56在两个连续的电压驱动(例如，升压)循环之间的时间间隔期间生成专用电压峰值，并且感测时间段Δt_感测是在这一专用电压峰值的累积、下降或更优选地在峰值期间。图3B中解说了这些实施例的代表性示例，其中示出了在两个相继电压升压循环之间的电压v_感测处的专用峰值(以相对于图3A的缩小的比例示出)，其中感测时间段Δt_感测在峰值v_感测期间。v_感测的值典型的为v_最大的约20％。

在其中生成专用电压峰值的实施例中，峰值的电压优选地由整体在77处示出的调节放大器提供。当v_感测较小(例如，v_最大的约20％)时，这是特别有用的，因为与电源72相比，调节放大器77可以提供更精确的电压电平。

电压驱动(例如，升压)循环、感测时间段和专用峰值(如果使用的话)、以及由触控笔设备10执行的其他经同步操作(例如，向书写尖端64提供升压循环，传送信号58和68)的定时优选地由控制器76控制，控制器76通常集成在触控笔设备10的主集成电路60中。通常，控制器76包括振荡器(例如多谐振荡器或晶体接口)，用于生成频率为从约2KHz至约2MHz的信号。通常，控制器76提供控制信号，该控制信号指令电路56和66每0.1-10微秒执行一次电压升压循环。

图4A和4B是根据本公开的一些实施例的可被用于在感测时间段期间感测导体62上的电压的电路组件的示意图。

在图4A所示的实施例中，电阻型电子元件74被连接以形成从电导体62经由操作开关54到参考点(例如，地)的电阻路径。电路52可选地并且优选地还被连接在导体62和同一参考点之间，使得当开关54闭合时，在元件74和电路52之间存在并联的电连接。典型地，元件74的电阻被选择成使得当开关54闭合时，流过元件74的电流为从约10nA至10μm。例如，当电源72提供小于5伏(例如，2伏或1.5伏)的电压时，元件74的电阻为从约1MΩ至约100MΩ。

根据由控制器76设定的定时协议，电路56驱动电压(例如，提供电压升压)到电路52并间歇地感测导体62上的电压。

当开关54打开时，没有经由元件74到参考点的电阻路径，使得导体62上的电压是不间断的。因此，在这种情况下，电路56在感测时间段期间向电路60传送指示开关54是打开的信号，因为导体62上的电压与预期的不间断电压相同。

当开关54闭合时，存在经由元件74到参考点的电阻路径，使得电流流过该电阻路径，从而降低导体62上的电压。因此，在这种情况下，电路56在感测时间段期间向电路60传送指示开关54是闭合的信号，因为导体62上的电压与不间断电压不同。图5A和5B中示出了在其中感测时间段处于电压升压循环的峰值处或者下降时段期间(峰值之后)的实施例中这种情况的代表性示例。图5A和5B中还示出了开关的状态，其中“开”表示开关的闭合状态，“关”表示开关的打开状态。

在图4B中，电容型电子元件78被连接以形成从电导体62经由操作开关54到参考点(例如，地)的电容路径。电路52可选地并且优选地还被连接在导体62和同一参考点之间，使得当开关54闭合时，在元件78和电路52之间存在并联的电连接。典型地，元件76的电容为从约1pF至约100pF，或从约1pF至约90pF，或从约1pF至约80pF，或从约1pF至约70pF，或从约1pF至约60pF，或从约1pF至约50pF，或从约1pF至约40pF，或从约10pF至约40pF。

根据由控制器76设定的定时协议，电路56驱动电压(例如，提供电压升压)到电路52并间歇地感测导体62上的电压。当开关54打开时，没有经由元件74到参考点的电容路径，使得导体62上的电压是不间断的。因此，在这种情况下，电路56在感测时间段期间向电路60传送指示开关54是打开的信号，因为导体62上的电压与预期的不间断电压相同。当开关54闭合时，存在经由元件76到参考点的电容路径，使得元件78被充电，从而因为元件78和电路52之间的电荷共享而降低(典型地逐步地降低)元件78上的电压。因此，在这种情况下，电路56在感测时间段期间向电路60传送指示开关54闭合的信号，因为导体62上的电压不同于不间断电压。

如本文所用，“电容式电子元件”或“电容器”是指能够响应于施加到电子部件的电压而存储电荷的任何电子部件或电子电路，并且一般不允许由于施加的电压而导致直流电流通过电子元件。

作为不被视为限制的代表性示例，场效应晶体管(FET)可以通过连接其漏极、源极和体端子并偏置其栅极端子而用作电容器。还设想了使用N阱或P阱结构。具体地，根据本公开的一些实施例的电容器可以是构建在N阱内或P阱内的晶体管。这些实施例的优点在于，它们允许将该晶体管偏置到与未被构建在N阱内或P阱内的晶体管的特征偏置电压相比更高的电压。这种配置提供了具有低面积和相对高的电压偏置(例如，高约2伏)的高效电容器。优选地，电容器经由导体62连接到电路60。

如电子电路领域的普通技术人员将理解的，其中漏极和源极端子不保持相同电位的晶体管本身不能用作电容器。例如，一些电路元件包括晶体管，该晶体管中栅极端子连接到源极或漏极端子，而另一个端子(漏极或源极)处于与栅极不同的电位。这种电路元件可以用作二极管，但一般不能存储电荷。因此，在本公开的各种示例性实施例中，术语“电容器”不包括其中漏极和源极端子不保持在相同电位的晶体管。

以下是驱动电路的描述，该驱动电路可以根据本公开的一些实施例用于升压，并且可以由电路66使用用于向书写尖端64提供电压升压和/或由电路56使用用于向操作电路52提供电压升压。

现在参考附图，图6是解说根据本公开的一些实施例的用于电压升压的驱动电路610的方框图。驱动器电路610包括多个电路单元612以及多个单元间开关电路614。如果存在多个单元，则驱动器电路610可包括任何数量的单元。因此，驱动器电路610可包括2个或更多个单元。典型地但非必要地，在驱动电路610中存在至少15个单元。该系列中的最后一个电路单元表示为612n，且最后一个单元间开关电路表示为614n。

电路单元612被配置为放大电压，其中第i个单元放大第i-1个单元的中间输出电压。单元间开关电路614被布置成可控制地串联连接单元612，使得对于任何一对相邻单元(例如，图6中的单元612a和612b)，由单元612a放大的电压经由相应的单元间开关电路(例如，图6中的单元间开关电路614b)施加到单元612b。在616处示出导体，通过该导体，一个单元向另一个单元施加电压。

在本公开的各种示例性实施例中，每个单元还接收供电电压V_DD。V_DD通常用于对单元612充电，从而允许它们放大电压。参考图7A可以更好地理解这一点，图7A是根据本公开的一些实施例的驱动器电路610的两个单元612a和612b的简化示意图。

单元612a和612b中的每一个示意性地示出为包括电容器，其中单元612a的电容器指定为620a，而单元612b的电容器指定为620b。

在本公开的一些实施例中，单元612a和612b中的每一个包括可控制的单元内开关，其允许向电容器620a和620b施加电压。

如本文所使用的，“电子开关”指的是具有二元切换功能的任何电子元件或电子电路。当以数字方式操作时，这种电子元件的代表性示例是晶体管。

在单元612a和612b中的每一个中示出了两个单元内电子开关。第一电子开关622a、622b将电容器620a、620b的一个端子连接到供电电压V_DD以及从其断开，而第二电子开关624a、624b将电容器620a、620b的另一个端子连接到参考点(例如，接地GND，在图7A中)以及从其断开。

在图7B中提供了根据本公开的一些实施例的可以在单个电压升压循环的累积时间段中向电子开关622、624以及到单元间开关电路614传送的控制信号的示意图。

在如图7B所示的电压升压循环内的时间t<t₁处，电子开关622和624都处于闭合状态，而单元间开关电路614处于打开状态(即单元612a和612b的电容器620a和620b彼此断开)。这种情况下通过电荷对电容器620充电，该电荷与V_DD端子和参考点之间的电势差成比例。例如，当该电势差等于V_DD时，每个电容器620存储C·V_DD的电荷，其中C是相应电容器的特征电容。

典型但非必要地，V_DD为从约1伏至约5伏或从约1.5伏至约4伏或从约1.5伏至约3伏或从约1.5伏至约2.5伏或从约1.7伏至约2.3伏特(例如，约2伏特)，并且C为从约80pF至约300pF或从约80pF至约200pF或从约100pF至约200pF(例如，约120pF)，但是在任何一个公开的实施例中也考虑了其他值。

在如图7B所示的电压升压循环内的构建时间段623内的时间t>t₁处，电子开关622和624都处于打开状态(即电容器620与电源线V_DD的端子和参考点断开)，而单元间开关电路614转为闭合状态。在该电气配置中，电容器620基本上彼此串联连接，从而实现电压升压，因为有效电容被减小。驱动电路610的输出电压V_OUT(最后一个单元612n的输出，参见图6)因此高于V_DD，并且放大的程度增加随着放大单元614的数量而增加。对于小的或没有外部负载，V_输出可以是大约N×V_DD，其中N是驱动电路610中的单元612的数量。对于更高的外部负载(例如，大约10pF)，V_输出可以是大约0.66N×V_DD。在如图7B所示的电压升压循环的下降时间段625期间，电子开关622和624都转为其闭合状态，从而允许电压恢复其原始水平。

图7B中示意性地描述的控制信号定义了每个单元的累积时间段623和下降时间段625。在本公开的各种示例性实施例中，驱动电路610的所有单元和单元间开关电路接收如图7B中示意性描述的控制信号，除了在不同单元之间存在整体时移。通常，在单元i+1的单元间开关电路614在电压升压循环内重新打开之后，电子开关622和624对单元i打开，其中单元i+1放大单元i的电压。因此，控制信号被首先传送以操作单元612n和单元间开关电路614n，接着传送以操作单元612n-1和单元间开关电路614n-1，依此类推。图7C中解说了根据本公开的一些实施例的适用于整个驱动电路的一组控制信号。控制信号的循环被标记为“n”、“n-1”、“n-2”、...、“2”和“1”，对应于接收相应循环的控制信号的单元和单元间开关电路编号。注意，由于在串联的第一个单元之前没有单元间开关电路，所以循环“1”不具有对于单元间开关电路614的控制信号。

优选地，以根据由输出电压V_输出操作的电器系统所选择的频率重复上述过程。典型地但非必要地，该过程以从约1kHz至约10MHz，或从约10kHz至约10MHz，或从约50kHz至约10MHz，或从约50kHz至约5MHz的频率重复。这种频率是有用的，例如，当V_输出被用于操作触摸屏的静电笔时。

为了获得通过重复激活和停用单元间开关电路614来减少所消耗的功率的配置，允许这些开关电路的自偏置可能是有利的。使用自偏置开关电路可以显著减少实现电压升压所需的切换操作的次数。在根据本公开的一些实施例的具有自偏置开关电路的驱动电路中，需要单次切换，而无论驱动电路中的单元的数量如何。这与传统的驱动电路不同，在传统的驱动电路中，每个单个电压步长的切换操作的数量随着放大级的数量线性增长。所需的切换操作次数的这一减少可以显著降低驱动电路的功耗。

为开关电路614提供自偏置属性的一种方法是并联连接电容器和晶体管，如以下将参考图8A和8B来阐述的。对于本文所描述的任何实施例，构想了可以使用如下所述的与晶体管并联的电容器。

图8A是详细示出根据本公开的一些实施例的单元间开关电路614b的示意图。驱动器的其他单元间开关电路614的组件通常类似。在以下描述中，为了清楚地呈现，从电路614的组件中省略了附图标记“a”。

单元间开关电路614可包括彼此并联电连接的晶体管632和电容器634，使得晶体管632的源极-栅极电压V_SG始终等于电容器634上的电压降。晶体管632的栅极电压表示为V_G，晶体管632的漏极电压表示为V_D。在不被视为限制的代表性图示中，晶体管632被象征性地表示为pFET，但不一定非得是这种情况，因为对于一些应用场合，晶体管632可以不必是pFET。也可以采用其他类型的晶体管，例如nFET。优选但非强制性地，晶体管632是MOSFET类型。

电容器634可以体现为电子部件或电子电路，诸如但不限于晶体管，并且可以任选地提供在p阱或n阱结构内，如上文进一步详细描述的。典型地，电容器634的电容为从约1pF至约10pF，或从约1pF至约5pF，或从约1pF至约4pF，或从约1pF至约3pF，或约1pF至约2pF，例如约1.6pF。

单元间开关电路614还可以包括一个或多个电子开关。例如，电子开关的布置可以分别将晶体管632的源极和栅极端子连接到参考线(例如，接地点GND)和电源线(例如，V_DD)。图8A中示出了两个这样的电子开关636和638。每个电子开关的布置(例如，电子开关636和638中的每一个)可以是具有二元切换功能的任何电子元件或电子电路，诸如但不限于数字操作的晶体管。电子开关636和638被可选地且优选地连接，以便可控制地对电容器634充电和放电。在所示的不被认为是限制的实施例中，电子开关638控制晶体管632的栅极与V_DD线的端子的电通信，并且电子开关636控制晶体管632的栅极与参考线的端子(在本示例中为接地点GND)的电通信。

在本公开的各种示例性实施例中，电子开关636和638的激活与电子开关622和624的激活同步，使得当电子开关638处于其闭合状态并且电子开关636处于其打开状态时，电容器634被放电，而当电子开关638处于其打开状态并且电子开关636处于其闭合状态时，电容器634被充电。现在将更详细地阐述这一点。

当电子开关622和624处于其闭合状态时(即，当622处的电压为V_DD时)，电子开关638处于其闭合状态并且电子开关636处于其打开状态。这使电容器634放电，因为它的两个端子处于相同的电位(例如，V_DD)。在这一状态下，晶体管632没有偏置(截止状态)，因为其源极-栅极电压V_SG等于零。

当电子开关622和624转成其打开状态时，电子开关638打开并且任选地并且优选地保持打开，而电子开关636闭合达一相对短的时间段Δt。典型地但非必要地，Δt是从几个(例如，约5)纳秒到几百纳秒或从几纳秒到100纳秒，或从约10纳秒到几十纳秒，例如，大约30纳秒。在时间段Δt期间，电容器634上的电压降近似等于位于单元间开关电路614的输入侧(在本示例中为电容器620a)的电路单元的电容器上的电压。由于在电子开关622和624打开时，电容器620仍然被充电，因此电子开关636的瞬间闭合对电容器634充电。通常，电容器634被充电到大约V_DD的电压，因为电容器620也被充电到V_DD，从而导致晶体管632上的为-VDD的源极-栅极电压V_SG。这使晶体管632偏置(导通状态)并因此打开电路614两侧的单元(在本示例中为单元612a和612b)之间的电通信。

在本公开的各种示例性实施例中，电子开关636在单个电压升压循环期间仅闭合一次(可选地并且优选地闭合一相对短的时间段Δt，如所述的)。这便于电路614中的自偏置，因为当电容器634被充电并且电子开关636处于其打开状态时，V_GS跟踪其源端子的变化，从而使晶体管632保持在其导通状态。这种跟踪是有利的，因为它不需要额外的功率来偏置晶体管632。电容器634上的电压降(因此晶体管632上的偏压也同样地)自动变化，而不在该循环期间将附加控制信号传送给电子开关636和638。电压降的变化被呈现为既是沿着一系列驱动电路610的单元间开关电路的位置的函数，也是时间的函数(分别在电压升压循环的开始和末尾时的V_输出的累积和下降期间)。图8B中提供了根据本公开的一些实施例的控制信号的示意图，该控制信号可以在单个电压升压循环的累积时段中传送给单元内电子开关622、624以及单元间开关电路614的电子开关636和638。

在电压升压循环内的时间t<t1，电子开关622、624和638处于闭合状态，而电子开关636处于打开状态。这种情况下通过电荷对电容器620充电，该电荷与V_DD端子和参考点之间的电势差成比例。这也使电容器634放电，并使晶体管632转为其截止状态，因为在这种配置下，电容器634上没有电压降。在电压升压循环的累积时间段623内的时间t>t₁，电子开关622、624和638处于打开状态并保持打开直到电压升压循环的累积时间段623结束。电子开关636在时间t1转为其闭合状态，在时间t₂＝t₁+t时打开，并保持打开直到电压升压循环结束。在时间段t期间，电容器634被充电，并且晶体管632被偏置到它们的导通状态，而在任何时间t>t₂，直到电压升压循环结束，表现出自偏置，如上文进一步详细描述的。在如图8B所示的电压升压循环的下降时间段625期间，电子开关622、624和638都转为其闭合状态，从而允许电压恢复其原始水平。

图8B中示意性地描述的控制信号定义了每个单元的电压升压循环的累积时间段623和下降时间段625。在本公开的各种示例性实施例中，驱动电路610的所有单元和单元间开关电路接收如图8B中示意性描述的控制信号，除了在不同单元之间存在整体时移。因此，控制信号被首先传送以操作最后一个单元612n和单元间开关电路614n，接着传送以操作单元612_n-1和单元间开关电路614_n-1，依此类推。图8C中解说了根据本公开的一些实施例的适用于整个驱动电路的一组控制信号。图8C中的标记类似于以上的图7C中使用的标记。

如图所示，电子开关622、624和638重新闭合以启动循环的下降时间段以恢复原始电压。然而，在累积时段之后将另一个控制脉冲传送给电子开关636不是必须的，因为如上所述，电子开关636在单个电压升压循环期间仅闭合一次，并且可选地闭合一相对短的时间段。

如本文所用，术语“约”是指±10％。

术语“包含”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”以及和它们同源的词都表示“包括但不限于”。

术语“由...组成”表示“包括且限于”。

术语“基本上由......组成”是指成分、方法或结构可包括其他配料、步骤和/或部分，但仅在其他配料、步骤和/或部分不实质上改变所要求保护的配料、步骤和/或部分的基础和新颖特征的情况下。

如本文中使用的，单数形式的“一”、“一个”以及“其”包括复数引用，除非上下文明确地以其他方式指示。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可包括多种化合物，包括其混合物。

在整个本申请中，本公开的各种实施例可以以范围格式呈现。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，并且不应该被解释为对本公开范围的死板的限制。相应地，范围的描述应当被认为也具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的个体数值。例如，诸如从1到6之类的范围的描述应被认为具体公开了诸如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等子范围以及该范围内的个体数字(例如，1、2、3、4、5以及6)。无论范围的宽度如何，这都适用。

只要本文中指示了数字范围，就意味着包括所指示的范围内的任何引用数字(分数的或整数的)。短语“范围在”第一指示数字和第二指示数字“之间”和“范围从”第一指示数字“到”第二指示数字在本文中可互换使用并且意味着包括第一和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数数字。

根据一些实施例，提供了一种用于与计算机交互的触控笔设备。所述触控笔设备包括操作电路、用于激活和停用所述操作电路的操作开关、以及驱动和感测电路，所述驱动和感测电路被配置用于驱动给所述操作电路的供电电压并且感测所述操作开关的状态，其中所述驱动和感测经由电导体间歇地执行。

根据一些实施例，提供了一种用于与具有触摸屏的计算机通信的方法。所述方法包括使用触控笔设备在所述触摸屏上形成图案。所述触控笔设备可包括操作电路、用于激活和停用所述操作电路的操作开关、以及驱动和感测电路，所述驱动和感测电路被配置用于驱动给所述操作电路的供电电压并且感测所述操作开关的状态。所述驱动和所述感测在电导体上间歇地执行。

根据一些实施例，所述驱动和感测电路被配置用于驱动给电导体上的操作电路的供电电压，并且还用于感测所述电导体上的操作开关的状态，其中所述驱动和所述感测间歇地执行。

根据一些实施例，操作电路是擦除器电路。

根据一些实施例，设备包括书写尖端以及书写尖端驱动电路，所述书写尖端驱动电路被配置用于驱动给所述书写尖端的供电电压。

根据一些实施例，所述操作开关在所述书写尖端的相对端。

根据一些实施例，所述驱动和感测电路被配置用于电压升压。

根据一些实施例，所述驱动和感测电路被配置用于感测所述电导体上的电压，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关的状态的信号。

根据一些实施例，所述设备还包括电阻型电子元件，所述电阻型电子元件形成从所述电导体经由所述操作开关到参考点的电阻路径。

根据一些实施例，所述驱动和感测电路被配置用于感测当电流流过所述电阻路径时所述电导体上的电压降，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关是闭合的信号。

根据一些实施例，所述设备包括电容型电子元件，所述电容型电子元件形成从所述电导体经由所述操作开关到参考点的电容路径。

根据一些实施例，所述驱动和感测电路被配置用于感测当所述电容型电子元件被充电时所述电导体上的电压降，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关是闭合的信号。

根据一些实施例，所述设备包括控制器，所述控制器用于将经同步的控制信号传送给所述驱动和感测电路以供间歇地执行所述驱动和感测，其中所述感测是在所述驱动的峰值处执行的。

根据一些实施例，所述设备包括控制器，所述控制器用于将经同步的控制信号传送给所述驱动和感测电路以供间歇地执行所述驱动和感测，其中所述感测是在所述驱动的峰值之后执行的。

根据一些实施例，所述设备包括控制器，所述控制器用于将经同步的控制信号传送给所述驱动和感测电路以供间歇地执行所述驱动和感测，其中所述感测是在所述驱动的峰值之前执行的。

根据一些实施例，提供了一种用于操作电子电路的方法，所述电子电路需要电压驱动，并且所述电子电路与用于激活和停用所述电子电路的操作开关相关联。所述方法包括驱动给所述电子电路的供电电压，并且感测所述操作开关的状态；其中所述驱动和所述感测间歇地在电导体上执行。

根据一些实施例，所述感测包括感测电导体和参考点之间的电阻路径上的电压。

根据一些实施例，所述感测包括感测电导体和参考点之间的电容路径上的电压。

根据一些实施例，所述感测在所述驱动的峰值处执行。

根据一些实施例，所述感测在所述驱动的峰值之后执行。

根据一些实施例，所述感测在所述驱动的峰值之前执行。

为了清楚起见在分开的实施例的上下文中描述的本文中所描述的各示例的某些特征还可在单个实施例中被组合地提供。相反，为了简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本文中所描述的各示例的各个特征还可单独地或者以任何合适的子组合的形式来被提供，或者适用于本公开的任何其他所描述的实施例。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的基本特征，除非该实施例在没有那些元素的情况下不起作用。

Claims

1.一种用于与计算机交互的触控笔设备，所述触控笔设备包括：

操作电路；

用于激活和停用所述操作电路的操作开关；

驱动和感测电路，所述驱动和感测电路被配置用于驱动给所述操作电路的供电电压并且感测所述操作开关的状态；以及

控制器，所述控制器用于将经同步的控制信号传送给所述驱动和感测电路以根据预定协议间歇地执行所述驱动和所述感测，

其中所述感测和所述驱动是经由同一电导体执行的。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述操作电路是擦除器电路。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括书写尖端以及书写尖端驱动电路，所述书写尖端驱动电路被配置用于驱动给所述书写尖端的供电电压。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述操作开关在所述书写尖端的相对端。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动和感测电路被配置用于感测所述电导体上的电压，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关的状态的信号。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括电阻型电子元件，所述电阻型电子元件形成从所述电导体经由所述操作开关到参考点的电阻路径。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述驱动和感测电路被配置用于感测当电流流过所述电阻路径时所述电导体上的电压降，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关是闭合的信号。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括电容型电子元件，所述电容型电子元件形成从所述电导体经由所述操作开关到参考点的电容路径。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述驱动和感测电路被配置用于感测当所述电容型电子元件被充电时所述电导体上的电压降，并且响应于所述感测传送指示所述操作开关是闭合的信号。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述感测是在所述驱动的峰值处执行的。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感测是在所述驱动的峰值之后执行的。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感测是在所述驱动的峰值之前执行的。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动包括升压。

14.一种用于操作需要电压驱动的电子电路的方法，所述电子电路与用于激活和停用所述电子电路的操作开关相关联，所述方法包括：

经由电导体驱动给所述电子电路的供电电压；

经由所述电导体感测所述操作开关的状态；以及

同步控制信号以根据预定协议间歇地经由同一电导体执行所述驱动和所述感测。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述感测包括感测所述电导体和参考点之间的电阻路径上的电压。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述感测包括感测所述电导体和参考点之间的电容路径上的电压。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述感测在所述驱动的峰值处执行。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述感测在所述驱动的峰值之后执行。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述感测在所述驱动的峰值之前执行。

20.一种与具有触摸屏的计算机通信的方法，所述方法包括使用触控笔设备在所述触摸屏上形成图案，所述触控笔设备具有：

操作电路；

用于激活和停用所述操作电路的操作开关；

其中所述感测和所述驱动是经由同一电导体执行的。