CN111902801B - 电容检测电路、触控芯片和电子设备 - Google Patents

电容检测电路、触控芯片和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电容检测电路，能够降低屏幕噪声对电容检测的影响。所述电容检测电路用于检测屏幕中的第一通道的自电容，所述电容检测电路包括：驱动电路，用于向所述第一通道输入驱动信号；以及，放大电路，包括差分放大器，所述差分放大器的一个输入端与所述第一通道相连，所述差分放大器的另一个输入端与所述屏幕中未输入驱动信号的第二通道相连，所述差分放大器用于根据所述第一通道的自电容的第一电容信号和所述第二通道的自电容的第二电容信号，输出电压信号，其中，所述第二电容信号用于抵消所述第一电容信号中包括的来自所述屏幕的噪声信号，所述电压信号表示抵消噪声后的所述第一通道的自电容。

Description

电容检测电路、触控芯片和电子设备
技术领域
本申请实施例涉及电容检测领域，并且更具体地，涉及一种电容检测电路、触控芯片和电子设备。
背景技术
电容式传感器广泛应用于电子产品中，用来实现触摸检测。当有导体例如手指，靠近或触摸检测电极时，检测电极对应的电容会发生变化，通过检测该电容的变化量，就可以获取手指靠近或触摸检测电极的信息，从而判断用户的操作。但是，电子设备的屏幕产生的噪声，会对上述检测结果造成影响。因此，如何降低显示屏噪声对电容检测的影响，成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种电容检测电路、触控芯片和电子设备，能够降低屏幕噪声对电容检测的影响。
第一方面，提供了一种电容检测电路，用于检测屏幕中的第一通道的自电容，所述电容检测电路包括：
驱动电路，用于向所述第一通道输入驱动信号；以及，
放大电路，包括差分放大器，所述差分放大器的一个输入端与所述第一通道相连，所述差分放大器的另一个输入端与所述屏幕中未输入驱动信号的第二通道相连，所述差分放大器用于根据所述第一通道的自电容的第一电容信号和所述第二通道的自电容的第二电容信号，输出电压信号，其中，所述第二电容信号用于抵消所述第一电容信号中包括的来自所述屏幕的噪声信号，所述电压信号表示抵消噪声后的所述第一通道的自电容。
在一种可能的实现方式中，所述放大电路还包括跨接在所述差分放大器的每个输入端与输出端之间的电阻，以及连接在所述差分放大器的每个输入端的电阻。
在一种可能的实现方式中，所述电容检测电路还包括第一电阻、第二电阻、第一缓冲器以及第二缓冲器。所述第一电阻连接在所述驱动电路和所述第一通道的一端之间，所述第一通道的另一端与所述第一缓冲器的输入端相连。所述第二电阻连接在参考电压和所述第二通道的一端之间，所述第二通道的另一端与所述第二缓冲器的输入端相连。所述第一缓冲器和所述第二缓冲器的输出端分别连接在所述放大电路的两个输入端。
在一种可能的实现方式中，所述屏幕包括N个通道，依次编号为1至N，N为偶数。其中，在一个检测周期中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为奇数的通道作为所述第二通道；在第二时刻，编号为奇数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为偶数的通道作为所述第二通道。
在一种可能的实现方式中，所述屏幕包括M个通道，依次编号为1至M，M为大于1的奇数，所述M个通道中编号为奇数的通道的数量为K。其中，所述电容检测电路在连续K个检测周期中的第i个检测周期，检测除编号2i-1之外的各个通道，1≤i≤K。
在一种可能的实现方式中，在第i个检测周期中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为奇数的通道作为所述第二通道；在第二时刻，编号为奇数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为偶数的通道作为所述第二通道。
在一种可能的实现方式中，所述电容检测电路还包括：滤波电路，与所述放大电路相连，用于对所述放大电路输出的所述电压信号进行滤波处理。
在一种可能的实现方式中，所述电容检测电路还包括：模数转换电路，与所述滤波电路相连，用于将滤波后的所述电压信号转换为数字信号。
第二方面，提供了一种触控芯片，包括：前述第一方面以及第一方面的任一种可能的实现方式中的电容检测电路。
第三方面，提供了一种电子设备，包括：屏幕；以及，前述第二方面以及第二方面的任一种可能的实现方式中的触控芯片。
基于上述技术方案，放大电路中的差分放大器的两个输入端分别连接第一通道和第二通道，其中第一通道为待检测的通道，第二通道为噪声参考通道。在检测第一通道的自电容时，驱动电路向第一通道输入驱动信号，第一通道产生第一电容信号。而第二通道未输入驱动信号，因此第二通道产生的第二电容信号可以认为是由屏幕噪声引起的。这样，第一电容信号和第二电容信号在差分放大器中进行差分后，第二电容信号就可以抵消第一电容信号中携带的屏幕噪声，使放大电路输出的电压信号表示抵消噪声后的第一通道的自电容，从而降低屏幕噪声对电容检测的影响。
附图说明
图1是屏幕噪声产生的示意图。
图2是触摸检测的原理的示意图。
图3是一种电容检测电路的示意图。
图4是另一种电容检测电路的示意图。
图5是本申请实施例的电容检测电路的示意图。
图6是基于图5的RC分压自电容检测电路的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
对于电子设备的屏幕，尤其是Y-OCTA屏幕，屏幕的显示层在进行扫描时会产生较大的噪声，该噪声会影响触控层的电容检测电路，从而使电容检测电路获得的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)较低。例如图1所示，屏幕100由下至上依次包括基板101、阳极102、有机发光层103、阴极104、薄膜封装层105、触控层106和保护层107。其中，触控层106和显示阴极104之间形成电容CL。在屏幕100点亮时，屏幕100刷新所产生的噪声108被耦合至阴极104，并通过电容CL耦合至触控层106，从而使触控层106的电容检测电路的电容检测结果受到影响。
图2是触摸检测的原理的示意图。图2中示出了触控层中的横向和纵向的两层通道，采用这种图案的电容触控系统通常可以同时采用自电容和互电容这两种电容检测方式。在进行自电容检测时，触控芯片会扫描每一个横向通道和纵向通道对地的自电容的变化情况。当手指靠近或接触时，手指附近的通道的自电容会变大。例如图2所示，手指和其附近的横向通道CRXN-1会产生电容Cs，手指和其附近的纵向通道CTX1会产生电容Cd。由于人体是导体并且和地相连，手指触摸或接近的通道的自电容会发生变化，触控芯片根据检测到的自电容的变化，就可以计算出手指的触摸位置。
在进行电容检测时，例如图3所示，以通道301的检测为例，驱动信号302输入通道301时，通道301与地之间形成自电容C1，但是该自电容C1受到屏幕噪声303的影响，因此放大器304的输出信号VOUT无法准确地反映通道301的自电容C1变化情况，从而影响电容检测的结果。
采用差分式的电路结构可以消除屏幕噪声对电容检测的影响。例如图4所示，通道401和通道402分别连接在放大器403的两个输入端，驱动信号404分别输入通道401和通道402，假设通道401和通道402受到的屏幕噪声405相同，则通过放大器403的差分运算后，通道401和通道402中的屏幕噪声405因相减而抵消。但是，放大器403的输出信号VOUT为通道401的自电容C1和通道402的自电容C2的差值，因此无法获得每个通道各自的自电容的检测结果，也就是说，电容检测的结果并不具有单端特性。
为此，本申请提供一种电容检测电路，能够降低屏幕噪声对电容检测的影响，并且使电容检测结果具有单端特性。
图5是本申请实施例的电容检测电路的示意性框图。该电容检测电路500用于检测电子设备的屏幕中的第一通道531的自电容C1，也即第一通道531对地的电容。
应理解，该屏幕可以包括触控层和显示层，触控层用于实现屏幕的触摸检测功能，显示层用于实现屏幕的显示功能。显示层在进行刷新时，会产生一定的噪声，这里称为屏幕噪声。该屏幕噪声会通过显示层的阴极耦合至触控层，从而对触控层造成影响。
如图5所示，电容检测电路500包括驱动电路510和放大电路520。
驱动电路510用于向第一通道531输入驱动信号。
放大电路520可以包括差分放大器521。其中，差分放大器521的一个输入端与第一通道531相连，差分放大器521的另一个输入端与屏幕中未输入驱动信号的第二通道532相连，差分放大器521用于根据第一通道531的自电容C1的第一电容信号和第二通道532的自电容C2的第二电容信号，输出电压信号VOUT。
其中，所述第二电容信号用于抵消所述第一电容信号中包括的来自所述屏幕的噪声信号540，电压信号VOUT表示抵消噪声后的第一通道531的自电容C1。
该实施例中，差分放大器521的两个输入端分别连接第一通道531和第二通道532，其中第一通道531为当前需要检测的通道，第二通道532为噪声参考通道。在检测第一通道531的自电容C1时，驱动电路510向第一通道531输入驱动信号，第一通道531产生第一电容信号。而第二通道532未输入驱动信号，因此第二通道532产生的第二电容信号可以认为是由屏幕噪声引起的。这样，第一电容信号和第二电容信号在差分放大器521进行差分后，第二电容信号就可以抵消第一电容信号中携带的屏幕噪声，使放大电路520输出的电压信号VOUT表示抵消噪声后的第一通道531的自电容C1，从而降低屏幕噪声对电容检测的影响。
其中，可以是差分放大器521的正相输入端连接第一通道531，反相输入端连接第二通道532；也可以是差分放大器521的正相输入端连接第二通道532，反相输入端连接第一通道531。
应理解，第一电容信号可以认为是第一通道531的自电容C1产生的电信号，第二电容信号可以认为是第二通道532的自电容C2产生的电信号，这两个电信号分别被输入至差分放大器521的两个输入端，放大电路520可以对两个输入信号进行差分放大，并输出电压信号VOUT。当第一通道531的自电容C1发生变化时，放大电路520输出的电压信号VOUT也会发生变化，因此，通过放大电路520输出的电压信号VOUT，就可以判断第一通道531的自电容C1的变化情况。也就是说，该放大电路520通过将第一通道531的自电容C1的电容信号转换为电压信号VOUT，以实现对第一通道531的自电容C1的检测。
第一通道531和第二通道532可以都是横向通道、或者都是纵向通道、或者其中一个为横向通道另一个为纵向通道，本申请实施例对此不做限定。但是，考虑到两个通道越接近时，被耦合至通道的噪声大小也越相近，噪声抵消的效果越好，因此在检测第一通道531的自电容C1时，应选择距离较近例如相邻的第二通道532作为噪声参考通道，该噪声参考通道用于产生噪声抵消信号，以抵消第一通道531中的噪声信号。
本申请实施例中，在进行自电容检测时，也可以将第一通道531和第二通道532称为感应通道(sensor channel)。
图5所示的电容检测电路500仅仅为了示意本申请实施例的电容检测原理，即噪声电荷抵消(Noise Charge Cannel，NCC)。在具体实现时，可以采用各种类型的电路结构实现基于NCC的电容检测。例如可以采用电阻-电容(Resistance-Capacitance，RC)分压电路实现电容检测。下面结合图6，描述采用RC分压自电容检测电路进行电容检测的过程。
本申请实施例中，放大电路520还包括跨接在差分放大器521的每个输入端与输出端之间的电阻，以及连接在差分放大器521的每个输入端的电阻。例如图6所示，差分放大器521的第一输入端与输出端之间跨接电阻R2，差分放大器521的第二输入端与输出端之间跨接电阻R2。并且，差分放大器521的第一输入端和第二输入端处均连接电阻R1。R1和R2的大小可以确定差分放大器521的放大倍数。
在采用RC分压电路实现电容检测时，电容检测电路500还包括第一电阻RA、第二电阻RB、第一缓冲器541以及第二缓冲器542，RA＝RB。其中，例如图6所示，第一电阻RA连接在驱动电路510和第一通道531的一端之间，第一通道531的另一端与第一缓冲器541的输入端相连。第二电阻RB连接在参考电压VCMI和第二通道532的一端之间，第二通道532的另一端与第二缓冲器542的输入端相连。第一缓冲器541和第二缓冲器542的输出端分别连接在放大电路520的两个输入端。
如图6所示，差分放大器521输出的电压信号VOUT为：
VOUT＝R2/R1*[Vtx*(SC1/Z1)+Vnoise1*RA/Z1-Vnoise2*RB/Z2]。
其中，RA＝RB＝R，Z1为RA和C1串联的等效阻抗，Z2为RB和C2串联的等效阻抗，C1和C2分别为第一通道531的自电容和第二通道532的自电容。在上述表达式中，Vnoise1*RA/Z1和Vnoise2*RB/Z2分别表示屏幕噪声对第一通道531的自电容C1的影响以及对第二通道532的自电容C2的影响，Vnoise1*R/Z1-Vnoise2*R/Z2实现了对屏幕噪声的抵消。Vtx*(SC1/Z1)表示手指接近或触摸时对第一通道531的自电容C1造成的影响。因此，通过检测有用信号Vtx的分量，即可检测第一通道的自电容C1。其中，第二通道532与第一通道531越接近，Vnoise1与Vnoise2越相近，噪声抵消的越干净，噪声消除效果越好。
可见，采用图6所示的电容检测电路，放大器521输出的电压信号VOUT用于表示抵消屏幕噪声后的第一通道531自电容C1，因此电容检测电路可以直接检测到每个通道的自电容，电路信号呈现单端特性，不会对后续手指触摸位置的计算产生影响。
为了获取手指在屏幕上的触摸位置，需要检测屏幕中的全部通道的自电容。例如图1所示，需要检测横向的通道TX1至通道TXM，以及纵向的通道RX1至通道RXN。各个通道的检测时序可以基于以下两种情况分别进行设计。
情况1
屏幕包括N个通道，依次编号为1至N，N为偶数。
其中，所述N个通道可以是纵向通道，或者是横向通道，或者包括纵向通道和横向通道。
这时，可选地，在一个检测周期中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为第一通道531，相邻的编号为奇数的通道作为第二通道532；在第二时刻，编号为奇数的通道作为第一通道531，相邻的编号为偶数的通道作为第二通道532。
例如，结合图2，以横向通道RX1至通道RXN为例，假设N为偶数。在一个检测周期中，在第一时刻，检测编号为偶数的通道即RX2、RX4、……、RXN-2、RXN，编号为奇数的通道即RX1、RX3、……、RXN-3、RXN-1作为噪声参考通道用来产生噪声抵消信号；在第二时刻，检测编号为奇数的通道即RX1、RX3、……、RXN-3、RXN-1，编号为偶数的通道即RX2、RX4、……、RXN-2、RXN作为噪声参考通道用来产生噪声抵消信号。这样，就可以将横向通道RX1至通道RXN全部检测完。
当然，也可以在第一时刻检测编号为奇数的通道，在第二时刻检测编号为偶数的通道，这里对奇数通道和偶数通道的检测顺序不做限定。
情况2
屏幕包括M个通道，依次编号为1至M，M为大于1的奇数，所述M个通道中编号为奇数的通道的数量为K。K＝(M+1)/2。
其中，所述M个通道可以是纵向通道，或者是横向通道，或者包括纵向通道和横向通道。
这时，可选地，电容检测电路500在连续K个检测周期中的第i个检测周期，检测除编号2i-1之外的各个通道，1≤i≤K。
仍以图2为例，以纵向通道TX1至通道TXM为例，假设M为奇数。其中，M个TX通道中包括K个编号为奇数的TX通道，以及K-1个编号为偶数的TX通道。在连续K个检测周期中，第i个检测周期中检测的通道为除编号2i-1之外的各个通道。即，在K个周期中，第1个周期不检测通道TX1，第2个周期不检测通道TX3，第3个周期不检测通道TX5，……，第K个周期不检测通道TXM。这样，在K个检测周期中，K个通道中的每个通道被检测K-1次，仅有一次未检测，因此检测频率为(K-1)/K。当通道数量较多时，该检测频率不会对电容检测的结果造成较大的影响。
进一步地，在每个检测周期内，可以参考情况1中所示的检测时序对M-1个通道进行检测。其中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为第一通道531，相邻的编号为奇数的通道作为第二通道532；在第二时刻，编号为奇数的通道作为第一通道531，相邻的编号为偶数的通道作为第二通道532。
即，在第i个检测周期内，检测除通道TX2i-1之外的M-1个通道，其中，在第一时刻，检测这M-1个通道中编号为偶数的通道，而编号为奇数的通道作为噪声参考通道用来产生噪声抵消信号；在第二时刻，检测这M-1个通道中编号为奇数的通道，而编号为偶数的通道作为噪声参考通道用来产生噪声抵消信号。
以上仅为示例，在实际应用中，不同通道的检测频率也可以不相等。例如，在一个检测周期中，只检测通道TX1至通道TXM-1，在下一个检测周期中，检测通道TX2至通道TXM。这样，通道TX1和TXM的检测频率就为通道TX2至通道TXM-1的检测频率的一半。
可见，本申请实施例中，将第二通道532作为第一通道531的噪声参考通道，通过放大电路520对第一通道531和第二通道532产生的电容信号进行差分，并输出电压信号，从而通过该电压信号判断第一通道531的自电容的变化情况，以确定手指的触摸位置。
本申请实施例中，可以按照情况1和情况2示例的方式，先检测横向通道再检测纵向通道，或者先检测纵向通道再检测横向通道，也可以同时对横向通道和纵向通道进行检测。
另外，在进行自电容检测时，待测通道与噪声参考通道可以均是横向通道或者均是纵向通道，也可以其中一个是横向通道而另一个是纵向通道。
上述对各个通道的检测时序的设计仅为示例，本申请实施例对各个通道的检测时序不做任何限定。
此外，电容检测电路500还可以包括滤波电路，所述滤波电路与所述放大电路520相连，用于对放大电路520输出的所述电压信号进行滤波处理。
进一步地，电容检测电路500还可以包括模数转换电路，所述模数转换电路与所述滤波电路相连，用于将滤波后的所述电压信号转换为数字信号。
本申请实施例还提供一种触控芯片，包括上述本申请各种实施例中的电容检测电路。
本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：屏幕；以及，上述本申请各种实施例中的触控芯片。
作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分功能的设备，例如智能手表或智能眼镜等；以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用的设备，例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。
需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。
应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电容检测电路，其特征在于，用于检测屏幕中的多个通道的自电容，其中每个通道的自电容为所述每个通道与地之间的电容，所述多个通道包括第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道为相邻的位于同一方向的检测通道，所述电容检测电路包括：
驱动电路，用于向所述第一通道和所述第二通道中被选择为待测通道的一个通道输入驱动信号，并禁止向所述第一通道和所述第二通道中被选择为参考通道的另一个通道输入驱动信号；以及，
放大电路，包括差分放大器，所述差分放大器的一个输入端与所述待测通道相连，所述差分放大器的另一个输入端与所述屏幕中未输入驱动信号的参考通道相连，所述差分放大器用于根据所述待测通道的自电容的第一电容信号和所述参考通道的自电容的第二电容信号，输出电压信号，其中，所述第二电容信号用于抵消所述第一电容信号中包括的来自所述屏幕的噪声信号，所述电压信号表示抵消噪声后的所述待测通道的自电容；
在一个检测周期中，在第一时段，所述第一通道为所述待测通道，所述第二通道为所述参考通道，在第二时段，所述第二通道为所述待测通道，所述第一通道为所述参考通道。
2.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述放大电路还包括跨接在所述差分放大器的每个输入端与输出端之间的电阻，以及连接在所述差分放大器的每个输入端的电阻。
3.根据权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路还包括第一电阻、第二电阻、第一缓冲器以及第二缓冲器，
所述第一电阻连接在所述驱动电路和所述第一通道的一端之间，所述第一通道的另一端与所述第一缓冲器的输入端相连，
所述第二电阻连接在参考电压和所述第二通道的一端之间，所述第二通道的另一端与所述第二缓冲器的输入端相连，
所述第一缓冲器和所述第二缓冲器的输出端分别连接在所述放大电路的两个输入端。
4.根据权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，所述屏幕包括N个通道，依次编号为1至N，N为偶数，
其中，在一个检测周期中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为奇数的通道作为所述第二通道，
在第二时刻，编号为奇数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为偶数的通道作为所述第二通道。
5.根据权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，所述屏幕包括M个通道，依次编号为1至M，M为大于1的奇数，所述M个通道中编号为奇数的通道的数量为K，
其中，所述电容检测电路在连续K个检测周期中的第i个检测周期，检测除编号2i-1之外的各个通道，1≤i≤K。
6.根据权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，
在第i个检测周期中，在第一时刻，编号为偶数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为奇数的通道作为所述第二通道，
在第二时刻，编号为奇数的通道作为所述第一通道，相邻的编号为偶数的通道作为所述第二通道。
7.根据权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，还包括：
滤波电路，与所述放大电路相连，用于对所述放大电路输出的所述电压信号进行滤波处理。
8.根据权利要求7所述的电容检测电路，其特征在于，还包括：
模数转换电路，与所述滤波电路相连，用于将滤波后的所述电压信号转换为数字信号。
9.一种触控芯片，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的电容检测电路。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
屏幕；以及，
根据权利要求9所述的触控芯片。
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