CN116232250A - 信号放大电路、触控芯片和电子设备 - Google Patents

信号放大电路、触控芯片和电子设备 Download PDF

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CN116232250A CN202310203046.2A CN202310203046A CN116232250A CN 116232250 A CN116232250 A CN 116232250A CN 202310203046 A CN202310203046 A CN 202310203046A CN 116232250 A CN116232250 A CN 116232250A
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Abstract

本申请实施例提供一种信号放大电路、触控芯片和电子设备。信号放大电路应用于包括多个检测电极的触摸屏。信号放大电路包括：多个检测运算放大器和反馈电路。检测运算放大器的第一输入端连接对应的检测电极，第二输入端连接共模电压，第一输出端输出第一放大信号，第二输出端输出第二放大信号。反馈电路根据多个检测运算放大器的第一放大信号和第二放大信号产生反馈信号，并将反馈信号提供到检测运算放大器的第一输入端。反馈电路减小了噪声对信号放大电路的影响。

Description

信号放大电路、触控芯片和电子设备
技术领域
本发明涉及一种电路，尤其涉及一种信号放大电路、触控芯片和电子设备。
背景技术
触摸屏和显示屏广泛应用于电子设备。触摸屏通常使用电容式传感器来实现触控检测。当有导体例如手指或主动笔触摸电子设备的触摸屏时，触摸位置附近的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，就可以确定触摸位置，以及判断用户的操作。触控屏的检测会受到噪声的影响，因此如何降低噪声对触摸屏的电容检测的影响成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的之一在于提供一种信号放大电路、触控芯片和电子设备以解决上述问题。
根据本发明的第一方面，提供一种信号放大电路，应用于包括多个检测电极的触摸屏。所述信号放大电路用于对所述检测电极的检测信号进行放大处理。所述信号放大电路包括：多个检测运算放大器和反馈电路。
所述检测运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端连接对应的所述检测电极，所述第二输入端连接共模电压，所述第一输出端输出第一放大信号，所述第二输出端输出第二放大信号，所述第一放大信号和所述第二放大信号反相。
反馈电路包括多个第一输入端，多个第二输入端。所述反馈电路的多个第一输入端分别连接所述多个检测运算放大器的第一输出端，所述反馈电路的多个第二输入端分别连接所述多个检测运算放大器的第二输出端，所述反馈电路用于根据所述第一放大信号和所述第二放大信号产生反馈信号，并将所述反馈信号提供到所述多个检测运算放大器的第一输入端。
在一种可能的实现方式中，所述反馈电路包括：第一平均电路、第二平均电路和反馈运算放大器。所述第一平均电路连接所述多个检测运算放大器的第一输出端，用于对所述多个检测运算放大器的第一放大信号进行平均处理，获得第一平均电压。所述第二平均电路连接所述多个检测运算放大器的第二输出端，用于对所述多个检测运算放大器的第二放大信号进行平均处理，获得第二平均电压。反馈运算放大器，接收所述第一平均电压和所述第二平均电压，并输出反馈电压。所述反馈电压与所述第一平均电压和所述第二平均电压的电压差成比例。
在一种可能的实现方式中，所述反馈电路还包括：多个反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述反馈运算放大器的输出端和所述检测运算放大器的第一输入端之间，用于根据所述反馈电压输出反馈电流，所述反馈电流为所述反馈信号。
在一种可能的实现方式中，所述反馈运算放大器为差分运算放大器，所述差分运算放大器用于进行所述第二平均电压和第一平均电压的减法。
在一种可能的实现方式中，所述信号放大电路还包括第一反馈路径和第二反馈路径，所述第一反馈路径设置在所述检测运算放大器的第一输入端和第二输出端之间，所述第二反馈路径设置在所述检测运算放大器的第二输入端和第一输出端之间。
在一种可能的实现方式中，所述检测运算放大器的第一输入端为同相输入端，第二输入端为反相输入端，第一输出端为同相输出端，第二输出端为反相输出端；或者，所述检测运算放大器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为同相输入端，第一输出端为反相输出端，第二输出端为同相输出端。
根据本发明的第二方面，提供一种信号放大电路，应用于包括多个检测电极的触摸屏。所述信号放大电路包括：
多个检测运算放大器，所述检测运算放大器包括第一输入端、第二输入端、和输出端，所述第一输入端连接对应的所述检测电极，所述第二输入端连接共模电压，所述输出端输出放大信号；
第三平均电路，所述第三平均电路用于获得所述多个检测运算放大器的多个放大信号的平均电压；
反馈运算放大器，用于提供与所述多个放大信号的平均电压成比例的反馈电压；以及
多个反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述反馈运算放大器的输出端和所述检测运算放大器的第一输入端之间。
在一种可能的实现方式中，所述信号放大电路还包括第三反馈路径，所述第三反馈路径设置在所述检测运算放大器的输出端和第一输入端之间。
根据本发明的第三方面，提供一种触控芯片。所述触控芯片包括第一方面和第二方面的信号放大电路。
根据本发明的第四方面，提供一种电子设备。该电子设备包括：触摸屏；以及第三方面的触控芯片。所述触摸屏包括多个检测电极。所述触控芯片的信号放大电路用于对所述检测电极的检测信号进行放大处理。
在本申请实施例的信号放大电路中，反馈电路基于多个检测运算放大器的第一放大信号和第二放大信号产生反馈信号，反馈信号提供到检测运算放大器的第一输入端，降低了检测运算放大器的输出信号中公共噪声的大小，避免了检测运算放大器出现输出饱和。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的电子设备的示意框图。
图2为本申请实施例的触摸屏的示意图。
图3为本申请实施例的触控芯片的示意框图。
图4为显示屏对触控屏的显示干扰噪声的示意图。
图5为本申请实施例的信号放大电路的示意图。
图6为本申请实施例的信号放大电路的电路图。
图7为图6的信号放大电路的等效反馈环路示意图。
图8A和8B分别为无反馈电路的信号放大电路中有手指触摸的通道的输出信号的时域图和无手指触摸的通道的输出信号的时域图。
图9A和9B分别为无反馈电路的信号放大电路中有手指触摸的通道的输出信号的频域图和无手指触摸的通道的输出信号的频域图。
图10A和10B分别为本申请实施例的信号放大电路中有手指触摸的通道的输出信号的时域图和无手指触摸的通道的输出信号的时域图。
图11A和11B分别为本申请实施例的信号放大电路中有手指触摸的通道的输出信号的频域图和无手指触摸的通道的输出信号的频域图。
图12为本申请实施例的另一种信号放大电路的电路图。
图13为本申请实施例的另一种信号放大电路的电路图。
图14为本申请实施例的另一种信号放大电路的电路图。
图15为无反馈电路的信号放大电路的电路图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本申请实施例中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例的电子设备的示意框图。如图1所述，电子设备包括：触摸屏20、显示屏30、触控芯片10和显示驱动芯片40。
显示屏30包括但不限于液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)，有机发光显示器(Organic Light Emitting Display，OLED)，等离子体显示器(Plasma DisplayPanel，PDP)，Micro LED和Mini LED。触摸屏20例如是基于电容检测的触摸屏。触摸屏20位于显示屏30的上方。用户可以利用手指、主动笔、或其他导体触碰触摸屏20实现相应的触控操作。显示驱动芯片40用于向显示屏30输出显示驱动信号以驱动显示屏30显示图像。触控芯片10用于向触摸屏20输出触控驱动以实现电容检测，进而实现用户在触摸屏20上的触控操作。
在一些实施例中，触控芯片10和显示驱动芯片40为分立的两个芯片，各自具有独立的封装。在一些实施例中，触控芯片10和显示驱动芯片40集成为一个芯片，例如触控与显示驱动器集成(Touch and Display Driver Integration，TDDI)。
作为示例而非限定，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的功能，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，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。
图2为本申请实施例的触摸屏的示意图。如图2所示，触摸屏20包括沿着第一方向延伸的第一电极TX1-TXm和沿着第二方向延伸的第二电极RX1-RXn，第一方向和第二方向交叉。触摸屏20可以采用自电容和互电容这两种检测方式。
在进行自电容检测时，触控芯片10向第一电极TXi(1≤i≤m)提供驱动信号，检测第一电极TXi对地的自电容Cs(即检测电容)的变化情况，第一电极TXi既是驱动电极，也是检测电极。并且，触控芯片10向第二电极RXj(1≤j≤n)提供驱动信号，检测第二电极RXj对地的自电容Cs(即检测电容)的变化情况，第二电极RXj既是驱动电极，也是检测电极。根据第一电极TXi和第二电极RXj对地的自电容Cs的变化情况识别用户的触控操作。图2以第一电极TXm的自电容Cs、第二电极RXn的自电容Cs作为示例。
在进行互电容检测时，第一电极TXi和第二电极RXj分别作为驱动电极和检测电极，第一电极TXi和第二电极RXj之间的耦合电容Cc作为检测电容。触控芯片10向第一电极TX1-TXm提供驱动信号，从第二电极RX1-RXn接收检测信号，以检测耦合电容Cc的变化情况。例如，多个第一电极TX为一组，多组第一电极TX依次驱动，直到全部第一电极TX1-TXm驱动完成，其中，每个组的第一电极数量可以相同或者不同。根据耦合电容Cc的变化情况识别用户的触控操作。耦合电容Cc即为检测电容。图2以第一电极TXm-1和第二电极RX2之间的耦合电容Cc作为示例。
在进行自电容检测时，自电容Cs为检测电容，第一电极TX和第二电极RX为检测电极。在进行互电容检测时，耦合电容Cc为检测电容，第一电极TX为驱动电极，第二电极RX为检测电极。下文以互电容检测为例进行描述。本申请的信号放大电路和触控芯片也适用于自电容检测。
图3是本申请实施例的触控芯片的示意框图。触控芯片10包括驱动电路300和信号放大电路100(又称为检测电路)。驱动电路300向第一电极TX提供驱动信号。信号放大电路从检测电极接收检测信号，对检测信号进行放大，将放大信号转换为数字信号，触控芯片10对放大信号进行进一步处理，并实现最终的触摸检测功能。信号放大电路例如是基于跨阻放大器的放大电路。该检测信号中包括了噪声，该噪声例如包括显示屏30对触摸屏20的显示干扰噪声。
图4是显示屏对触控屏的显示干扰噪声的示意图。显示屏30包括扫描线、数据线等信号线。触摸屏20位于显示屏30的上方。由于耦合作用，显示屏30的信号线上的信号会对触摸屏20的信号造成干扰。例如，在显示屏30的扫描线上施加扫描信号时，扫描信号可能耦合到触摸屏20上。触摸屏20的和显示屏20的距离越小，耦合作用越强。例如，显示干扰噪声通过显示屏30的系统地对触摸屏20的电容检测带来噪声干扰，降低电容检测的信噪比，影响触控检测结果。如果显示干扰噪声过大，还会造成信号放大电路100中运算放大器输出饱和，导致检测不出检测电容Cs和/或Cc的变化。如图4所示，显示屏30的信号线和显示屏30的系统地之间存在等效电容Cd，第一电极TX和显示屏30的系统地之间存在等效电容C2，第二电极RX和显示屏30的系统地之间存在等效电容C3，显示干扰噪声通过等效电容Cd、C2和C3进入触控芯片10，使得检测信号带有显示干扰噪声。因此，如图4所示，第一电极TX接收到的信号VIN包含显示干扰噪声和驱动电路300提供的驱动信号。如图4所示，从第一电极TX到信号放大电路100的等效阻抗记为ZIN。
图5为本申请实施例的信号放大电路100的电路图。如图5所示，信号放大电路100包括：多个检测运算放大器1101-110n、以及反馈电路14。在图5中，C11-C1n分别为第一电极TX和第二电极RX1-RXn的耦合电容或者说是驱动电极TX和检测电极RX1-RXn之间的耦合电容，VIP1-VIPn为多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1处的电压。检测电极RX1-RXn及对应的检测运算放大器1101-110n又称为检测通道。
检测运算放大器110j包括：第一输入端N1、第二输入端N2、第一输出端O1、和第二输出端O2。其中，检测运算放大器110j为多个检测运算放大器1101-110n中的一者，1≤j≤n。第一输入端N1和第二输入端N2中的一个是同相输入端(Non-inverting Input)，另一个是反相输入端(Inverting Input)。第一输出端O1和第二输出端O2中的一个是同相输出端，另一个是反相输出端。同相输入端的相位和同相输出端的相位相同，同相输出端的相位和反相输出端的相位相反。
第一输入端N1连接对应的检测电极RX并接收检测电极RX提供的检测信号，第二输入端N2连接提供共模电压VCM的端子，从该端子到第二输入端N2的等效阻抗为Z3。第二输入端N2的电压为VN。检测运算放大器110j对第一输入端N1的电压和第二输入端N2的电压的电压差进行放大。第一输出端O1输出第一放大信号VOPj，第二输出端O2输出第二放大信号VONj。其中，第一放大信号VOPj为多个第一放大信号VOP1-VOPn中的一者，第二放大信号VONj为多个第二放大信号VON1-VONn中的一者，1≤j≤n。第一放大信号VOPj和第二放大信号VONj都是第一输入端N1的电压和第二输入端N2的电压的电压差的放大信号。第一放大信号VOPj的相位和第二放大信号VONj的相位相反。信号放大电路100的输出信号包括第一放大信号和第二放大信号。
信号放大电路100还包括多个第一反馈路径111和多个第二反馈路径112。第一反馈路径111设置在检测运算放大器110j的第一输入端N1和第二输出端O2之间。例如，第一输入端N1为同相输入端，第二输出端O2为反相输出端；或者，第一输入端N1为反相输入端，第二输出端O2为同相输出端。第一反馈路径111包括电阻和/或电容。例如，第一反馈路径111包括并联在第一输入端N1和第二输出端O2之间电阻和电容。第一反馈路径111的等效阻抗为Z1。第二反馈路径112设置在检测运算放大器110j的第二输入端N2和第一输出端O1之间。例如，第二输入端N2为同相输入端，第一输出端O1为反相输出端；或者，第二输入端N2为反相输入端，第一输出端O1为同相输出端。第二反馈路径112包括电阻和/或电容。例如，第二反馈路径112包括设置在第二输入端N2和第一输出端O1之间的电阻或者包括并联在第二输入端N2和第一输出端O1之间电阻和电容。第二反馈路径112的等效阻抗为Z2。
检测运算放大器110j、第一反馈路径111、第二反馈路径112、以及耦合电容C1j构成第一放大级，第一放大级对接收到的检测信号进行放大，或者说，第一放大级对驱动电极TX上的信号VIN进行放大，1≤j≤n。第一放大级的放大系数和耦合电容C1j有关。当有手指接触触摸屏20时，耦合电容C1j的大小改变，第一放大级的放大系数改变。例如，手指接触触摸屏20导致耦合电容C1j变小，第一放大级的放大系数变小。因此，检测运算放大器110j的输出信号(第一放大信号和第二放大信号)相对于多个检测运算放大器1101-110n的输出信号的平均的偏离量可以表征检测运算放大器110j对应的耦合电容C1j是否被手指触摸影响，进而判断出触摸位置。
检测运算放大器输出的第一放大信号和第二放大信号均包括检测信号的放大信号，也可以说，该放大信号中包括驱动信号的放大信号和噪声的放大信号。因此，第一放大信号VOPj可以表示为平均量和变化量的和：VOPj＝VOP_AVERAGE+VOPj_variation。其中，平均量VOP_AVERAGE是多个第一放大信号VOP1-VOPn的平均电压，VOP_AVERAGE＝(VOP1+VOP2+…VOPn)/n。变化量VOPj_variation是该第一放大信号VOPj相对于平均量VOP_AVERAGE的偏离量。因此，多个第一放大信号VOP1-VOPn的变化量VOP1_variation-VOPn_variation满足VOP1_variation+VOP2_variation+…+VOPn_variation＝0。平均量VOP_AVERAGE包括噪声的放大信号，变化量VOPj_variation可以表征该检测运算放大器110j对应的耦合电容是否发生变化，从而确认触摸位置。类似地，第二放大信号VONj也可以表示为平均量VON_AVERAGE和变化量VONj_variation的和。
反馈电路14包括多个第一输入端和多个第二输入端。第一输入端连接对应的检测运算放大器的第一输出端O1，第二输入端连接对应的检测运算放大器的第二输出端O2。反馈电路14用于根据第一输出端O1输出的第一放大信号和第二输出端O2输出的第二放大信号产生反馈信号If，并将反馈信号If提供到多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1。具体的，反馈电路14用于根据第一输出端O1输出的第一放大信号得到第一平均电压，根据第二输出端O2输出的第二放大信号得到第二平均电压，再根据第一平均电压和第二平均电压产生反馈信号If。其中，第一平均电压是多个检测运算放大器1101-110n的第一放大信号VOP1-VOPn的平均电压VOP_AVERAGE，第二平均电压是多个检测运算放大器1101-110n的第二放大信号VON1-VONn的平均电压VON_AVERAGE。对于每个检测运算放大器，第一放大信号和第二放大信号是幅度相同的反相信号，因此第一平均电压VOP_AVERAGE和第二平均电压VON_AVERAGE也是幅度相同的反相信号。
本申请通过对信号放大电路的设置，利用反馈电路对检测运算放大器输出的第一放大信号和第二放大信号进行处理，并将处理后获得的反馈信号反馈到检测运算放大器的输入端，使得检测运算放大器对输入信号的变化量的增益大于输入信号的平均量的增益，因此减小了检测运算放大器的输出信号中的噪声信号，提高了触控芯片检测触摸位置的准确性。
图6是本申请实施例的信号放大电路的电路图。如图6所示，信号放大电路100包括：多个检测运算放大器1101-110n以及反馈电路。在图6中，C11-C1n分别为驱动电极TX和检测电极RX1-RXn之间的耦合电容，VIP1-VIPn为多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1处的电压。图6所示的信号放大电路中的多个检测运算放大器1101-110n和图5所示的信号放大电路中的多个检测运算放大器1101-110n相同，在此不再赘述。
如图6所示，反馈电路14包括：第一平均电路120、第二平均电路130和反馈运算放大器140。
第一平均电路120连接所述多个检测运算放大器1101-110n的第一输出端O1，第一平均电路120用于获得第一平均电压。第一平均电压是多个检测运算放大器1101-110n的第一放大信号VOP1-VOPn的平均电压VOP_AVERAGE。第一平均电路120例如由多个电阻组成，电阻的一端连接对应的检测运算放大器的第一输出端O1，电阻的另一端连接输出端。
第二平均电路130连接所述多个检测运算放大器1101-110n的第二输出端O2，第二平均电路130用于获得第二平均电压。第二平均电压是多个检测运算放大器1101-110n的第二放大信号VON1-VONn的平均电压VON_AVERAGE。第二平均电路130例如由多个电阻组成，电阻的一端连接对应的检测运算放大器的第二输出端O2，电阻的另一端连接输出端。
反馈运算放大器140例如是差分运算放大器。反馈运算放大器140包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端和反相输入端中的一个，第二输入端是同相输入端和反相输入端中的另一个。第一输入端和第二输入端分别接收第一平均电压VOP_AVERAGE和第二平均电压VON_AVERAGE。反馈运算放大器140的输出端提供与第二平均电压VON_AVERAGE和第一平均电压VOP_AVERAGE的差成比例的反馈电压Vf。反馈电压Vf的相位和检测运算放大器的第一输入端N1的电压VIP1的相位相反。例如，反馈电压Vf与第二平均电压和第一平均电压的电压差的比例为1，反馈电压Vf＝VON_AVERAGE-VOP_AVERAGE＝2*VON_AVERAGE。反馈运算放大器140例如可以实现第一平均电压VOP_AVERAGE和第二平均电压VON_AVERAGE的减法。在示例性的实现方式中，反馈运算放大器140的第一输入端连接第二平均电路130的输出端，接收第二平均电压VON_AVERAGE，反馈运算放大器140的第二输入端连接第一平均电路120的输出端，接收第一平均电压VOP_AVERAGE，反馈运算放大器140的输出端连接反馈运算放大器140的第二输入端。
反馈信号根据反馈电压Vf产生。在一些实施例中，反馈电路14还包括多个反馈电阻145。反馈电阻145连接在反馈运算放大器140的输出端和对应的检测运算放大器110j的第一输入端N1之间。反馈电阻145用于将反馈运算放大器140输出的反馈电压Vf转换为反馈电流If，并反馈到对应检测运算放大器110j的第一输入端N1。其中，反馈电流If是反馈信号。检测运算放大器的第一输入端N1的电压VIP1的相位和检测电极RX上的电压的相位相同，检测运算放大器的第一输入端N1的电压VIP1的相位和反馈电压Vf的相位相反，因此，检测电极RX和第一输入端N1之间的电流的方向和反馈电阻145上的电流的方向相反。
触控芯片10还包括模数转换器ADC。模数转换器ADC连接检测运算放大器的输出端，用于将检测运算放大器输出的放大信号转换为数字信号。在一些实施例中，信号放大电路100还包括滤波电路(未示出)，滤波电路设置在检测运算放大器和模数转换器ADC之间，用于减少放大信号的噪声。
本申请通过对信号放大电路的设置，利用第一平均电路120获得多个第一放大信号的第一平均电压，利用第二平均电路130获得多个第二放大信号的第二平均电压，反馈运算放大器140根据第一平均电压和第二平均电压获得反馈电压，反馈电阻145将反馈电压转换为反馈电流，反馈电流被反馈到检测运算放大器的第一输入端N1，使得检测运算放大器对输入信号的变化量的增益大于输入信号的平均量的增益，因此减小了检测运算放大器的输出信号中的噪声信号，提高了触控芯片检测触摸位置的准确性。
图7为图6的信号放大电路的等效反馈环路示意图。如图6和图7所示，从检测运算放大器的第二输出端O2到检测运算放大器的第一输入端N1的传递系数为D，从检测运算放大器的第一输出端O1到检测运算放大器的第二输入端N2的传递系数为B，从驱动电极TX到检测运算放大器的第一输入端N1的传递系数为C，A(F)为检测运算放大器的开环增益，VE为检测运算放大器的第一输入端N1和第二输入端N2的电压差。结合图4，从驱动电极TX到检测运算放大器的第一输入端N1的等效阻抗ZIN可以视为耦合电容Cc和等效电容C2与C3的等效阻抗。图6的信号放大电路的反馈环路抑制比推导如下。
下文以检测运算放大器1101为例进行分析。以检测运算放大器的第一输入端N1为同相输入端，第二输入端N2为反相输入端、第一输出端O1为同相输出端、第二输出端O2为反相输出端为例进行说明。根据基尔霍夫定律，流入第一输入端N1的电流等于流出第一输入端N1的电流。从第一输入端N1流入检测运算放大器1101的电流基本为0。从驱动电极TX到检测运算放大器1101的第一输入端N1的电流为
Figure SMS_1
其中，VIP1为检测运算放大器1101的第一输入端N1的电压，VIN为驱动电极TX上的电压。从第一输入端N1到第二输出端O2的电流为
Figure SMS_2
其中，VON1是第二输出端O2的电压。从第一输入端N1到反馈运算放大器140的输出端的电流即反馈电流If，反馈电流If的大小为
Figure SMS_3
2*VON_AVERAGE为反馈运算放大器140输出的反馈电压Vf。反馈电阻145的阻值为Rf。因此可以得到如下公式1。
Figure SMS_4
根据前述分析可知，手指接触触摸屏20会导致驱动电极TX和检测电极RX之间的耦合电容变化(发生变化的耦合电容数量少于没有发生变化的耦合电容的数量)，进而导致等效阻抗ZIN变化。即，触摸区域的检测通道对应的等效阻抗ZIN和非触摸区域的检测通道对应的等效阻抗ZIN不同。驱动电极TX的信号VIN可以表示为平均量VIN_average和变化量VIN_variation。变化量VIN_variation对应触摸导致的等效阻抗ZIN的变化。因此，驱动电极TX的信号VIN中的噪声部分位于平均量VIN_average，驱动电路300提供的驱动信号位于变化量VIN_variation。
第一输入端N1的电压VIP1可以表示为平均量VIP_average和变化量VIP1_variation的和。平均量VIP_average是多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1的电压的平均电压：VIP_average＝(VIP1+VIP2+…+VIPn)/n。变化量VIP1_variation是检测运算放大器1101的第一输入端N1的电压VIP1相对于平均电压VIP_average的偏离量，即：VIP1_variation＝VIP1-VIP_average。平均量VIP_average包括公共噪声经过等效阻抗Zin的传递后到达第一输入端N1的部分。
第一输出端O1输出的第一放大信号VOP1是VE的放大信号，因此也包括平均量VOP_AVERAGE和变化量VOP1_variation。平均量VOP_AVERAGE等于多个检测运算放大器1101-110n的第一放大信号的平均电压：VOP_AVERAGE＝(VOP1+VOP2+…+VOPn)/n。变化量VOP1_variation是第一放大信号VOP1相对于平均电压VOP_AVERAGE的偏离量。
第二输入端O2输出的第二放大信号VON1也是VE的放大信号，因此也包括平均量VON_AVERAGE和变化量VON1_variation。平均量VON_AVERAGE等于多个检测运算放大器1101-110n的第二放大信号的平均电压：VON_AVERAGE＝(VON1+VON2+…+VONn)/n。变化量VON1_variation是第二放大信号VON1相对于平均电压VON_AVERAGE的偏离量。
将驱动电极TX上的信号VIN和第二放大信号VON1的平均量和变化量代入公式1可以得到公式2。
Figure SMS_5
公式2可以分裂为公式3和4。
Figure SMS_6
从检测运算放大器的第二输入端N2流入检测运算放大器的电流基本为0，在第二输入端N2应用基尔霍夫定律可以得到公式5。
Figure SMS_7
对于检测运算放大器1101，第二输入端N2的电压VN包括平均量VN_average和变化量VN_variation。平均量VN_average等于多个检测运算放大器1101-110n的第二输入端N2的电压的平均电压。将第二输入端N2的电压VN的平均量和变化量代入公式5可以得到公式6。
Figure SMS_8
公式6可以分裂为公式7和8。
Figure SMS_9
Figure SMS_10
参照图6的电路图和图7的等效环路，第一输入端N1的电压VIP1可表示为VIP1＝VIN*C+VON1*D，第二输入端N2的电压VN可以表示为VN＝VOP1*B＝-VON1*B。
根据公式3和4，从检测电容的驱动电极TX到检测运算放大器的第一输入端N1的路径对平均量和变化量的传递系数相同，传递系数C为：
Figure SMS_11
根据公式3和4，从第二输出端O2到第一输入端N1的路径对平均量的传递系数D(average)和对变化量的传递系数D(variation)分别为：
Figure SMS_12
Figure SMS_13
根据公式7和8，从第一输出端O1到第二输入端N2的路径对平均量和变化量的传递系数相同，传递系数B为：
Figure SMS_14
检测运算放大器1101的第一输入端N1和第二输入端N2的电压差VE＝VIP1-VN＝VIN*C+(D+B)*VON1。检测运算放大器输出的第二放大信号VON1＝A(F)*VE。因此，可以得到公式13。
VON1*(1-A(F)*(D+B))＝VIN*A(F)*C 公式13
即
Figure SMS_15
信号放大电路100对于驱动电极TX上的信号VIN的平均量的增益可以表示为公式15。
Figure SMS_16
信号放大电路100对于驱动电极TX上的信号VIN的变化量的增益可以表示为公式16。
Figure SMS_17
为了简化分析，假设第二反馈路径112的等效阻抗Z2和共模电压VCM到第二输入端N2的等效阻抗Z3满足：Z2/Z3远大于1，从第一输出端O1到第二输入端N2的传递系数B约等于0。进一步根据公式15和16可以得到公
式17和18。
Figure SMS_18
Figure SMS_19
检测运算放大器的开环增益AF通常很大，因此公式17和18可以进一步简化为公式19和20。
Figure SMS_20
Figure SMS_21
根据公式19和20可知，信号放大电路100对驱动电极TX的信号VIN的平均量的增益小于信号放大电路100对驱动电极TX的信号VIN的变化量的增益。即，信号放大电路对于有用信号的增益大于公共噪声的增益。
图15示出了无反馈电路的信号放大电路。图15所示的信号放大电路对驱动电极TX的信号VIN的平均量和变化量的增益都是-Z1/ZIN。由公式19和20可以看出，本申请的信号放大电路100对驱动电极TX的信号VIN的平均量的增益衰减为图15所示的电路对驱动电极TX的信号VIN的平均量的增益的1/(1+2*Z1/Rf)，本申请的信号放大电路100对驱动电极TX的信号VIN的变化量的增益和图15所示的电路对驱动电极TX的电压VIN的变化量的增益相同。
根据公式19和20，反馈电路能够减小信号放大电路对驱动电极TX的信号VIN中的噪声的增益，减小公共噪声在信号放大电路的输出信号的比例，减小驱动电极TX的信号VIN中的噪声对信号放大电路的输出信号的影响。进一步，避免了噪声过大导致检测运算放大器出现输出饱和进而导致检测不出检测电容Cs和/或Cc的变化。
由公式19和20可以看出，本申请的信号放大电路100对驱动电极TX上的信号VIN的平均量的增益的衰减系数为1/(1+2*Z1/Rf)。因此，可以根据实际场景，通过调整检测运算放大器的增益，反馈电阻145的大小，第一反馈路径111的等效阻抗Z1中的一个或多个来调整信号放大电路对公共噪声的增益，以满足场景需求。
本申请对无反馈电路的信号放大电路和图6的信号放大电路100进行了仿真和对比。图15示出了作为对比的信号放大电路的电路图。仿真结果如图8A-8B至图11A-11B所示。图8A-8B和图9A-9B为图15所示的信号放大电路的仿真结果。图10A-10B和图11A-11B为图6所示的信号放大电路100的仿真结果。在仿真中，驱动电路300提供的驱动信号的打码频率为210.94kHz。在仿真中，图15所示的信号放大电路中的等效阻抗ZIN和图6所示的信号放大电路100的等效阻抗ZIN相等，图15所示的信号放大电路中的等效阻抗Z1和图6所示的信号放大电路100的等效阻抗Z1相等，图15所示的信号放大电路中的等效阻抗Z2和图6所示的信号放大电路100的等效阻抗Z2相等，图15所示的信号放大电路中的等效阻抗Z3和图6所示的信号放大电路100的等效阻抗Z3相等。
图8A是图15所示的信号放大电路中无手指触摸的检测通道的输出信号的时域图，图8B是图15所示的信号放大电路中有手指触摸的检测通道的输出信号的时域图。图9A是图15所示的信号放大电路中无手指触摸的检测通道的频域图，图9B是图15所示的信号放大电路中有手指触摸的检测通道的频域图。图8A和8B的横坐标为时间，纵坐标为检测运算放大器输出的放大信号的幅度。图9A和9B的横坐标为频率，纵坐标为检测运算放大器输出的放大信号的幅度。如图9A所示，在打码频率210.94kHz处，无手指触摸的检测通道的检测运算放大器输出的放大信号的幅度为402.25mV，有手指触摸的检测通道的检测运算放大器输出的放大信号的幅度为397.16mV，两者之差Δ为5.1mV，两者之差Δ表示了触摸对耦合电容的大小的影响。触摸导致耦合电容的变化，耦合电容的变化导致等效阻抗ZIN变化。等效阻抗ZIN的变化导致信号放大电路对驱动电极TX上的信号VIN的增益变化。
图10A-10B和图11A-11B示出了图6所示的信号放大电路100的输出信号。具体地，图10A为信号放大电路100中无手指触摸的检测通道的输出信号的时域图，图10B为信号放大电路100中有手指触摸的检测通道的输出信号的时域图，图11A为信号放大电路100中无手指触摸的检测通道的输出信号的频域图，图11B为信号放大电路100中有手指触摸的检测通道的输出信号的频域图。在信号放大电路100的仿真中，等效阻抗Z1和反馈电阻145的阻值设置为相等。
如图8A和8B的时域图所示，图15所示的信号放大电路的输出信号的峰值大约±1.7V。如图10A和10B的时域图所示，图6所示的信号放大电路100的检测运算放大器输出的放大信号的峰值大约±650mV。相比于图15所示的信号放大电路，图6所示的检测运算放大器输出的放大信号整体被衰减。对于相同大小的噪声，图15所示的检测运算放大器比图6所示的检测运算放大器更容易发生输出饱和。
如图11A和11B所示，在打码频率210.94kHz处，无手指触摸的检测通道的检测运算放大器输出的放大信号的幅度为137.439mV，有手指触摸的检测通道的检测运算放大器输出的放大信号的幅度为132.906mV，两者之差Δ为4.5mV。该差值Δ和图15的无反馈电路的信号放大电路的差值Δ接近。根据多个检测运算放大器1101-110n的输出的放大信号之间的差异，可以确定触摸影响了哪些耦合电容，进而确定触摸位置。
结合图8A-8B和图10A-10B的时域图，相比于图15中的信号放大电路，图6中的检测运算放大器的放大信号衰减了大约60％。结合图9A-9B和图11A-11B的时域图，相比于图15中的信号放大电路，图6中差值Δ只衰减了11％。如公式19和20所指示的，反馈电路14使检测放大器对驱动电极TX的输入信号VIN中的平均量的增益衰减了，但是检测放大器对驱动电极TX的输入信号VIN中的变化量的增益衰减很少。因此，差值Δ的衰减很少。
图9A-9B和图11A-11B的频域图均包括多个峰，驱动电路300提供的驱动信号的打码频率210.94kHz对应的峰指示有用驱动信号的幅度，其他频率对应的峰代表了噪声的影响。对比图9A-9B和图11A-11B，图6的信号放大电路100的输出信号中噪声对应峰小于图15的信号放大电路的输出信号中噪声对应的峰。因此，噪声带来的干扰减小了，噪声引入的谐波分量也有衰减。
综上，第一平均电路120获得多个第一放大信号VOP1-VOPn的平均电压VOP_AVERAGE，第二平均电路130获得多个第二放大信号VON1-VONn的平均电压VON_AVERAGE，反馈运算放大器140基于平均电压VON_AVERAGE和VOP_AVERAGE获得反馈电压Vf，反馈电阻145将反馈电压Vf转换为反馈电流。反馈电流反馈到了检测运算放大器的第一输入端N1，使得检测运算放大器的第一放大信号和第二放大信号中的公共噪声的幅度减小，减小了公共噪声对信号放大电路的影响。此外，通过反馈，能够避免公共噪声过大导致检测运算放大器的输出饱和。
图12是本申请实施例的另一种信号放大电路的电路图。如图12所示，信号放大电路100包括：多个检测运算放大器1101-110n、第二平均电路130、反馈运算放大器141、以及多个反馈电阻145。在图12中，C11-C1n分别为驱动电极TX和检测电极RX1-RXn之间的耦合电容，VIP1-VIPn为多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1处的电压。
检测运算放大器均包括第一输入端N1、第二输入端N2、第一输出端O1和第二输出端O2。第一输入端N1连接对应的检测电极TX，第二输入端N2连接提供共模电压VCM的端子。第一输入端N1和第二输入端N2中的一个是同相输入端，另一个是反相输入端。第一输出端O1和第二输出端O2中的一个是反相输出端，另一个是同相输出端。第一输出端O1输出第一放大信号，第二输出端O2输出第二放大信号。第一放大信号和第二放大信号都是第一输入端N1和第二输入端N2的电压差的放大信号，第一放大信号和第二放大信号反相。其中，检测运算放大器1101-110n的第一输出端O1和第二输出端O2接到其他电路，例如其他电路包括滤波电路或者ADC电路。
第二平均电路130连接多个检测运算放大器1101-110n的第二输出端O2，用于获得多个检测运算放大器1101-110n的多个第二放大信号VON1-VONn的平均电压VON_AVERAGE。第二平均电路130例如包括多个电阻，电阻的一端连接对应的检测运算放大器的第二输出端O2，电阻的第二端连接第二平均电路130的输出端。
反馈运算放大器141用于提供与平均电压VON AVERAGE成比例的反馈电压Vf。反馈电压Vf等于a*VON_AVERAGE，其中，a为反馈运算放大器141的增益。反馈运算放大器141的增益a例如为2，反馈电压Vf为：Vf＝2*VON_AVERAGE。
反馈电阻145连接在反馈运算放大器141的输出端和对应的检测运算放大器的第一输入端N1之间。反馈电阻145用于将反馈电压Vf转换为电流。
反馈运算放大器141提供的反馈电压例如是2*VON_AVERAGE，图12所示的信号放大电路也可以根据公式1-20进行分析，也可以实现图6所示的信号放大电路的功能，具有图6所示的信号放大电路的效果，即降低信号放大电路的输出信号中的噪声，避免检测运算放大器出现输出饱和。
图13是本申请实施例提供的另一种信号放大电路的电路图。如图13所示，信号放大电路100包括：多个检测运算放大器1101-110n、第一平均电路120、反馈运算放大器142、以及多个反馈电阻145。在图13中，C11-C1n分别为驱动电极TX和检测电极RX1-RXn之间的耦合电容，VIP1-VIPn为多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1处的电压。
检测运算放大器均包括第一输入端N1、第二输入端N2、第一输出端O1和第二输出端O2。第一输入端N1连接对应的检测电极TX，第二输入端N2连接提供共模电压VCM的端子。第一输入端N1和第二输入端N2中的一个是同相输入端，另一个是反相输入端。第一输出端O1和第二输出端O2中的一个是反相输出端，另一个是同相输出端。第一输出端O1输出第一放大信号，第二输出端O2输出第二放大信号。第一放大信号和第二放大信号都是第一输入端N1和第二输入端N2的电压差的放大信号，第一放大信号和第二放大信号反相。其中，检测运算放大器1101-110n的第一输出端O1和第二输出端O2接到其他电路，例如其他电路包括滤波电路或者ADC电路。
第一平均电路120连接多个检测运算放大器1101-110n的第一输出端O1，用于获得多个检测运算放大器1101-110n的多个第一放大信号VOP1-VOPn的平均电压VOP_AVERAGE。第一平均电路120例如包括多个电阻，电阻的一端连接对应的检测运算放大器的第一输出端O1，电阻的第二端连接第一平均电路120的输出端。
反馈运算放大器142用于提供与平均电压VOP_AVERAGE成比例的反馈电压Vf。反馈电压Vf等于b*VOP_AVERAGE，其中，b为反馈运算放大器142的增益。反馈运算放大器142的增益b例如为-2，则反馈电压Vf为：Vf＝-2*VOP_AVERAGE＝2*VON_AVERAGE。
反馈电阻145连接在反馈运算放大器142的输出端和对应的检测运算放大器的第一输入端N1之间。反馈电阻145用于将反馈电压Vf转换为电流。
反馈运算放大器142提供的反馈电压例如是2*VON_AVERAGE，图13所示的信号放大电路可以根据公式1-20进行分析，也可以实现图6所示的信号放大电路的功能，具有图6所示的信号放大电路的效果，即降低信号放大电路的输出信号中的噪声，避免检测运算放大器出现输出饱和。
图14是本申请实施例提供的另一种信号放大电路的电路图。如图14所示，信号放大电路100包括：多个检测运算放大器1101-110n、第三平均电路150、反馈运算放大器143、以及多个反馈电阻145。在图14中，C11-C1n分别为驱动电极TX和检测电极RX1-RXn之间的耦合电容，VIP1-VIPn为多个检测运算放大器1101-110n的第一输入端N1处的电压。在本实施例中，检测运算放大器为单输出端的运算放大器。
检测运算放大器1101-110n均包括第一输入端N1、第二输入端N2、和输出端O。第一输入端N1连接对应的检测电极TX，第二输入端N2连接共模电压VCM。第一输入端N1例如是反相输入端，第二输入端N2例如是同相输入端。检测运算放大器1101-110n的输出端O输出放大信号VO1-VOn。放大信号与第一输入端N1的电压同相或者反相。信号放大电路还包括第三反馈路径113。第三反馈路径113设置在检测运算放大器的输出端O和第一输入端N1之间。第三反馈路径113包括电阻和/或电容。例如，第三反馈路径113包括设置在输出端O和第二输入端N2之间的反馈电容。驱动电极TX和检测电极RXj之间的耦合电容C1j、检测运算放大器110j、以及第三反馈路径113构成的电路对驱动电极TX上的信号VIN进行放大，1≤j≤n。放大系数与耦合电容C1j有关。当触摸导致耦合电容C1j变化时，检测运算放大器110j输出的放大信号改变。
第三平均电路150用于获得多个检测运算放大器1101-110n的多个放大信号VO1-VOn的平均电压VO_AVERAGE。第三平均电路150例如包括多个电阻，电阻的一端连接对应的检测运算放大器的输出端O，电阻的另一端连接第三平均电路150的输出端。
反馈运算放大器143用于提供与平均电压VO_AVERAGE成比例的反馈电压Vf。反馈运算放大器143的增益例如为2，则Vf＝2*VO_AVERAGE。
反馈电阻145连接在反馈运算放大器143的输出端和对应的检测运算放大器的第一输入端N1之间。
图14所示的信号放大电路也可以实现图6所示的信号放大电路的功能，具有图6所示的信号放大电路的效果，即降低信号放大电路的输出信号中的噪声，避免检测运算放大器出现输出饱和。
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种信号放大电路，其特征在于，应用于触摸屏，所述触摸屏包括多个检测电极，所述信号放大电路用于对所述检测电极的检测信号进行放大处理，所述信号放大电路包括：
多个检测运算放大器，所述检测运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端连接对应的所述检测电极，所述第二输入端连接共模电压，所述第一输出端输出第一放大信号，所述第二输出端输出第二放大信号，所述第一放大信号和所述第二放大信号反相；以及
反馈电路，所述反馈电路包括多个第一输入端和多个第二输入端，所述反馈电路的多个第一输入端分别连接所述多个检测运算放大器的第一输出端，所述反馈电路的多个第二输入端分别连接所述多个检测运算放大器的第二输出端，所述反馈电路用于根据所述第一放大信号和所述第二放大信号产生反馈信号，并将所述反馈信号提供到所述多个检测运算放大器的第一输入端。
2.根据权利要求1所述的信号放大电路，其特征在于，所述反馈电路包括：
第一平均电路，所述第一平均电路连接所述多个检测运算放大器的第一输出端，用于对所述多个检测运算放大器的第一放大信号进行平均处理，获得第一平均电压；
第二平均电路，所述第二平均电路连接所述多个检测运算放大器的第二输出端，用于对所述多个检测运算放大器的第二放大信号进行平均处理，获得第二平均电压；以及
反馈运算放大器，接收所述第一平均电压和所述第二平均电压，并输出反馈电压；
其中，所述反馈电压与所述第一平均电压和所述第二平均电压的电压差成比例。
3.根据权利要求2所述的信号放大电路，其特征在于，所述反馈电路还包括：
多个反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述反馈运算放大器的输出端和所述检测运算放大器的第一输入端之间，用于根据所述反馈电压输出反馈电流，所述反馈电流为所述反馈信号。
4.根据权利要求2所述的信号放大电路，其特征在于，所述反馈运算放大器为差分运算放大器，所述差分运算放大器用于进行所述第二平均电压和第一平均电压的减法。
5.根据权利要求1-4任一项所述的信号放大电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括第一反馈路径和第二反馈路径，所述第一反馈路径设置在所述检测运算放大器的第一输入端和第二输出端之间，所述第二反馈路径设置在所述检测运算放大器的第二输入端和第一输出端之间。
6.根据权利要求5任一项所述的信号放大电路，其特征在于，所述检测运算放大器的第一输入端为同相输入端，第二输入端为反相输入端，第一输出端为同相输出端，第二输出端为反相输出端；或者，所述检测运算放大器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为同相输入端，第一输出端为反相输出端，第二输出端为同相输出端。
7.一种信号放大电路，其特征在于，应用于触摸屏，所述触摸屏包括多个检测电极，所述信号放大电路包括：
多个检测运算放大器，所述检测运算放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端连接对应的所述检测电极，所述第二输入端连接共模电压，所述输出端输出放大信号；
第三平均电路，所述第三平均电路用于获得所述多个检测运算放大器的多个放大信号的平均电压；
反馈运算放大器，用于提供与所述多个放大信号的平均电压成比例的反馈电压；以及
多个反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述反馈运算放大器的输出端和所述检测运算放大器的第一输入端之间。
8.根据权利要求7所述的信号放大电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括第三反馈路径，所述第三反馈路径设置在所述检测运算放大器的输出端和第一输入端之间。
9.一种触控芯片，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的信号放大电路。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
触摸屏，所述触摸屏包括多个检测电极；以及
根据权利要求9所述的触控芯片，所述触控芯片的信号放大电路用于对所述检测电极的检测信号进行放大处理。
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