CN112865714B

CN112865714B - 一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路

Info

Publication number: CN112865714B
Application number: CN202110146930.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Changsha Ruiyi Microelectronics Co ltd
Current assignee: Changsha Ruiyi Microelectronics Co ltd
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2041-02-03
Also published as: CN112865714A

Abstract

本发明公开了一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，包括前置放大级（101）、跨导放大级（102）、积分电容组（103）以及输出跨导级（104）；其中前置放大级将输入电流信号转换为电压信号进行预放大并输出给跨导放大级，跨导放大级将前置放大级输出的电压信号转换为电流信号并输出到积分电容组进行积分，积分电容组将跨导放大级输出的电流进行积分放大并转换为电压输出到输出跨导级，输出跨导级将积分产生的电压转换为电流输出。本发明在保证大动态范围的前提下提高了接收灵敏度，同时采用低成本的方式解决了对低频背景干扰信号的滤除。

Description

一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路

技术领域

本发明主要涉及红外触摸领域，尤其指一种抗干扰强、接收灵敏度高的红外触摸接收电路结构，该结构采用多级隔直斩波积分的接收架构，在保证电路动态范围的基础上，同时提高了接收电路抗干扰能力与灵敏度。

背景技术

红外触摸屏作为触摸屏技术的一种，其原理为：通过分布于屏幕四周的红外发光、接收器件构成横竖交叉的红外线扫描矩阵，对触摸动作进行检测与追踪。当有触摸动作时，触摸物遮挡红外光线，红外接收器接收到的信号发生变化，从而计算定位出触摸接触点。

红外触摸屏依赖红外光作为工作媒介，其中所使用的红外接收管器件的响应峰值对应的光波长一定，但响应的光谱范围较宽，如型号PD204-6B的红外接收管的响应峰值光波长为940nm，响应波长范围为700~1200nm。在室外环境，太阳光为主要背景干扰源，其光谱范围会完全覆盖红外接收管的响应波长范围，由于红外波段的能量在太阳光的总能量中占比达到50%，所以其对接收电路产生的背景干扰电流非常大，会达到有用信号的一万倍以上，太阳光产生的背景干扰电流可近似为直流。在室内环境，白炽灯与荧光灯所发出的光也会对红外接收管产生背景干扰电流，其中白炽灯在红外接收管上产生的背景干扰电流频率为100Hz，电流的大小达到有用信号的1000倍，荧光灯产生的背景干扰电流频率为几十到一百KHz不等，电流大小约为有用信号的几十倍。

因此，要使红外触摸屏能够在恶劣环境中正常工作，必须要对各种背景干扰进行滤除。对干扰进行滤除的技术主要有两种：一种为通过增加滤光条，利用滤光条的光谱选通特性阻挡非信号光谱范围的光线进入，该方法不能滤除与信号光谱重叠的干扰信号进入，同时会导致信号衰减，增加发送管的负担，降低发送管的使用寿命；另一种为电气抗干扰，即通过对红外接收电路的选通特性进行设计，以达到对背景干扰电流信号进行滤除的效果，该方法可以对所有频谱的光线产生的背景干扰电流进行滤除，但是环境光线产生的背景干扰电流会严重降低接收电路的动态范围，使接收电路进入饱和状态而不能检测到有用信号。在实际的产品中，两种技术通常都会采用。

在现有的电气抗干扰技术中，对背景直流干扰的消除主要有两种方法：一种为电容隔离法，即将输入电流流过电阻产生的电压通过电容隔离送到后级放大，利用电容的隔直通交的特性实现对背景直流干扰的消除，该方法的缺点为如果输入的感应电阻太大会直接导致接收电路饱和，如果太小又会导致灵敏度不够，存在明显的局限性；另一种为有源主动消除法，即通过检测到背景直流干扰的大小后用有源器件在输入端提供一个反向的电流来抵消背景直流干扰电流，该方法因为在输入端引入的有源器件在大电流工况下会产生非常大的噪声，导致在存在大背景直流干扰的情况下输入信号的信噪比显著恶化，需要通过后续复杂的滤波处理来进行恢复，这将导致成本增加以及接收速度降低。对于低频背景干扰电流的处理方法也有两种：一种为采用高通模拟滤波器进行滤波处理，由于高阶的高通模拟滤波器的架构复杂，代价高，设计难度大，所以通常只能采用一阶的高通模拟滤波器进行处理，这样就导致对低频背景干扰的衰减幅度有限；另一种为数字滤波的方式进行处理，该方法为采用ADC对接收信号进行较长时间的重复采样，从而得到足够的数据，然后利用数字信号处理技术进行滤波，该方法可以实现选通特性非常好的滤波器，但是会导致接收速度非常慢以及成本的显著增加。

发明内容

本发明要主要解决的问题在于：红外触摸屏在直流背景下的电路动态范围与接收灵敏度之间相互矛盾的问题；红外触摸屏抗低频背景干扰性能低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：包括前置放大级（101）、跨导放大级（102）、积分电容组（103）以及输出跨导级（104）。其中前置放大级将输入电流信号转换为电压信号进行预放大并输出给跨导放大级，跨导放大级将前置放大级输出的电压信号转换为电流信号并输出到积分电容组进行积分，积分电容组将跨导放大级输出的电流进行积分放大并转换为电压输出到输出跨导级，输出跨导级将积分产生的电压转换为电流输出。

前置放大级（101）包括电流感应电阻（R1）、前置放大隔直电容（C1）、前置放大偏置开关（SW1）以及前置放大器（FOPA），其中电流感应电阻作为输入电流信号的负载，将输入电流信号转换为电压信号，感应电阻转换的电压信号通过前置放大隔直电容（C1）耦合到前置放大器输入，前置放大器（FOPA）将耦合进来的信号放大输出，前置放大偏置开关用于动态建立前置放大器的输入直流电平，即在前置放大器不工作时闭合，将前置放大器输入直流电平建立到指定参考电平（VREF1），在前置放大器工作时断开。

跨导放大级（102）包括跨导放大隔直电容（C2）、跨导放大偏置开关（SW2）以及跨导放大器（AGM1），其中跨导放大隔直电容（C2）将前置放大级（101）输出的电压耦合到跨导放大器，跨导放大器（AGM1）将电容耦合进来的电压信号转换为电流信号输出，跨导放大偏置开关（SW2）用于动态建立跨导放大级（102）的输入直流电平，即在积分电容组（103）每次积分之间的间隔时间段内处于闭合状态，将跨导放大器（AGM1）输入直流电平建立到指定参考电平（VREF2），在积分电容组（103）积分的过程中断开。

积分电容组（103）包括正向积分电容（C3）、正向积分电容开关（SW3）、正向积分电容初始化开关（SW5）、负向积分电容（C4）、负向积分电容开关（SW4）以及负向积分电容初始化开关（SW6），正向积分电容开关（SW3）一端连接到跨导放大级，另一端同时连接到正向积分电容（C3）与正向积分电容初始化开关（SW5），正向积分电容（C3）的另一端连接到地电平，正向积分电容初始化开关（SW5）另一端连接直流偏置电压（VREF3），负向积分电容开关（SW4）一端连接到跨导放大级，另一端同时连接到负向积分电容（C4）与负向积分电容初始化开关（SW6），负向积分电容（C4）的另一端连接到地电平，负向积分电容初始化开关（SW6）另一端连接直流偏置电压（VREF3），正向积分电容（C3）与负向积分电容（C4）的积分电流输入端作为积分电容组（103）的电压输出端。

输出跨导级（104）为差分输入跨导放大器（AGM2），将积分电容组（103）输出的电压信号转化成电流信号输出。

该接收电路采用前置放大级对输入信号进行放大，提高信号的强度，然后经过跨导放大电路转换为电流进行积分，对有用信号进行放大，对噪声信号进行滤除，从而实现低输入感应电阻条件下对接收灵敏度的改善。同时通过多次换向积分操作实现对低频背景干扰信号的滤除，增加了抗低频背景干扰的能力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、在大动态范围的输入情况下实现了较高接收灵敏度。

2、采用较低的成本实现了对低频背景干扰的滤除，同时保持了较高接收速度。

3、具有非常高的灵活性，同一套接收电路在不同的控制信号配置下即可实现接收速度、接收灵敏度以及抗干扰能力之间的灵活变化。

附图说明

图1是本发明一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路的架构图；

图2是本发明的接收电路的控制信号时序图；

图3是本发明背景干扰滤除示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，包括前置放大级（101）、跨导放大级（102）、积分电容组（103）以及输出跨导级（104）。

结合图1所示，该红外触摸接收电路主要包括电流信号放大过程、干扰滤除过程、固定频率干扰的滤除过程以及接收电路增益、灵敏度与响应速度折中调整过程，具体实施方式如下：

1、电流信号放大过程

该接收电路首先采用感应电阻直接将输入电流信号转换为电压信号，感应电阻越大，产生电压信号的信噪比越高，但同时会导致红外接收管越容易饱和，输入感应电阻的阻值限制为：

其中I_inmax为最大的输入信号电流值，即所有的背景电流与信号电流之和的最大值。

感应电阻R1产生的电压信号经过前置放大级进行放大，提高信号的强度，然后经过跨导放大电路转换为电流进行积分，实现对有用信号进行放大，同时对噪声进行消除，然后经过输出跨导级转换为电流输出，整个链路增益表达式为：

其中A_F为前置放大器FOPA的增益，G1为跨导放大器AGM1的跨导增益，G2为输出跨导级（104）中差分输入跨导放大器AGM2的跨导增益，T为总积分时间，即SW3与SW4开启的总时间，C为积分电容C3与C4的电容值。

链路增益表达式中的T通常为十几微秒到几十微秒量级，积分电容C的大小通常为pf量级，所以T/C项提供的增益达到了一百万倍量级，为主要的增益项，该增益项不产生噪声，同时积分操作降低了噪声带宽，消除接收电路本身产生的噪声，从而提高了整个放大链路的噪声性能，增加了接收的灵敏度。

2、干扰滤除过程对于背景直流干扰，通过前置放大隔直电容C1即可实现滤除，在前置放大偏置开关SW1闭合的过程中，将前置放大器的输入偏置电压建立到合适的值，当SW1断开后，背景直流干扰产生的电压信号固定，即不能通过电容C1传输到前置放大器输入端，从而实现了隔离滤除。

对低频背景干扰电流的滤除是通过跨导放大级与积分电容组相互配合的换向积分过程来完成。结合图2所示，在正向积分电容与负向积分电容开始积分前，即SW3与SW4闭合之前，跨导放大偏置开关执行了一次闭合操作，将跨导放大器的输入初始化为相同的电压，该操作相当于将跨导放大器进行了归零，消除历史信号的影响，所以积分电容组仅对积分期间内（T₀时间段内）的低频背景干扰电流信号的变化量进行了积分。正向积分电容与负向积分电容的积分操作为连续交替进行，所以低频背景干扰电流信号在两个电容上产生的电压变化接近。积分电容组的输出电压经过后级的差分输入跨导放大器AGM2转换为电流，实现了正向积分电容与负向积分电容的电压相减的操作，相当于将连续的T0时间段内的低频背景干扰电流信号的积分电压相互抵消。经过连续多次换向积分，即实现了对低频干扰信号的滤除操作。

参照图3所示，对于低频背景干扰电流信号，当T₀远小于干扰信号周期时，每一次对低频背景干扰电流信号进行积分产生的电压可以用三角形面积进行近似，低频背景干扰电流信号的积分电压相互抵消相当于两个三角形阴影面积相减，其表达式近似为：

其中△φ为T₀积分时间对应的干扰信号相位，φ0为初始相位，该表达式的近似值为0。所以对低频干扰信号的最终的滤除效果受限于T₀的设置，T₀越小，对低频干扰信号的滤除效果越好。

3、固定频率干扰滤除在触摸屏的实际使用环境中，其干扰信号的频率通常为单一频率。通过调整单次积分时间T₀等于干扰信号周期，即可以实现对某一固定的频率进行有效滤除。其原理为：当单次积分时间T₀等于干扰信号周期后，在正向积分电容与负向积分电容上所产生的电压就完全相等，经过后级的差分跨导电路即可实现抵消滤除。

4、接收电路增益、灵敏度与响应速度折中调整过程从链路增益表达式可以看出，总积分时间T越长，信号放大倍数越大，即链路增益越大，同时对电路本身的噪声消除越多，最终效果为接收的灵敏度越高；从干扰滤除过程的原理来看，单次积分时间T₀越短对背景干扰的滤除效果越好，抗干扰的能力越强。所以对于接收电路增益、灵敏度与响应速度的折中策略为：选择较小的单次积分时间T₀，然后通过增加积分次数来达到增加总积分时间T的目的，从而提高链路增益和灵敏度；如要提高响应速度，则减少积分次数。

Claims

1.一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：包括前置放大级（101）、跨导放大级（102）、积分电容组（103）以及输出跨导级（104）；其中前置放大级（101）将输入电流信号转换为电压信号进行预放大并输出给跨导放大级（102），跨导放大级将前置放大级（101）输出的电压信号转换为电流信号并输出到积分电容组（103）进行积分，积分电容组（103）将跨导放大级输出的电流进行积分放大并转换为电压输出到输出跨导级（104），输出跨导级将积分产生的电压转换为电流输出；

前置放大级（101）包括电流感应电阻（R1）、前置放大隔直电容（C1）、前置放大偏置开关（SW1）以及前置放大器（FOPA），其中电流感应电阻作为输入电流信号的负载，将输入电流信号转换为电压信号，感应电阻转换的电压信号通过前置放大隔直电容（C1）耦合到前置放大器输入，前置放大器（FOPA）将耦合进来的信号放大输出；前置放大偏置开关用于动态建立前置放大器的输入直流电平，即在前置放大器不工作时闭合，将前置放大器输入直流电平建立到指定参考电平（VREF1），在前置放大器工作时断开；

跨导放大级（102）包括跨导放大隔直电容（C2）、跨导放大偏置开关（SW2）以及跨导放大器（AGM1），其中跨导放大隔直电容（C2）将前置放大级（101）输出的电压耦合到跨导放大器，跨导放大器（AGM1）将电容耦合进来的电压信号转换为电流信号输出；跨导放大偏置开关（SW2）用于动态建立跨导放大级（102）的输入直流电平，即在积分电容组（103）每次积分之间的间隔时间段内处于闭合状态，将跨导放大器（AGM1）输入直流电平建立到指定参考电平（VREF2），在积分电容组（103）积分的过程中断开；

积分电容组（103）包括正向积分电容（C3）、正向积分电容开关（SW3）、正向积分电容初始化开关（SW5）、负向积分电容（C4）、负向积分电容开关（SW4）以及负向积分电容初始化开关（SW6）；正向积分电容开关（SW3）一端连接到跨导放大级，另一端同时连接到正向积分电容（C3）与正向积分电容初始化开关（SW5），正向积分电容（C3）的另一端连接到地电平，正向积分电容初始化开关（SW5）另一端连接直流偏置电压（VREF3）；负向积分电容开关（SW4）一端连接到跨导放大级，另一端同时连接到负向积分电容（C4）与负向积分电容初始化开关（SW6），负向积分电容（C4）的另一端连接到地电平，负向积分电容初始化开关（SW6）另一端连接直流偏置电压（VREF3），正向积分电容（C3）与负向积分电容（C4）的积分电流输入端作为积分电容组（103）的电压输出端；

2.如权利要求1所述的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：每一次接收过程中，初始状态所有的开关处于断开态，第一步闭合前置放大偏置开关（SW1）、正向积分电容初始化开关（SW5）以及负向积分电容初始化开关（SW6），等待直流电压建立稳定后全部断开，第二步闭合跨导放大偏置开关（SW2），等待直流电压建立稳定后断开，第三步闭合正向积分电容开关（SW3），积分一段时间（T₀）后断开，第四步闭合跨导放大偏置开关（SW2），等待直流电压建立稳定后断开，第五步闭合负向积分电容开关（SW4），积分一段时间（T₀）后断开，重复若干次第二步到第五步操作后即完成一次接收操作。

3.如权利要求1所述的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：正向积分电容（C3）的大小与负向积分电容（C4）的大小相等，正向积分电容（C3）的积分时间与负向积分电容（C4）的积分时间相等。

4.如权利要求1所述的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：通过对正向积分电容（C3）与负向积分电容（C4）的积分时间（T₀）和重复积分的次数的调整，可以获得不同的接收电路增益、灵敏度以及响应速度。

5.如权利要求1所述的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：流过感应电阻（R1）的输入电流中包含了有用电流信号与背景干扰电流信号，有用电流信号为连续脉冲信号，有用电流信号的脉冲宽度和相位与正向积分电容开关（SW3）的控制信号相同。

6.如权利要求1所述的一种抗干扰强灵敏度高的红外触摸接收电路，其特征在于：通过调整积分电容的单次积分时间（T₀）等于背景干扰电流信号的周期，实现对背景干扰电流信号的完全消除。