CN117590968A - 一种差分触摸感测单元及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种差分触摸感测单元及系统，所述差分触摸感测单元包括接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块；接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对Vrx信号进行调制，使得GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；第一输出端连接至电容C1，电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过调制模块连接至计数模块，调制模块用于调整电容C1的电压稳定在设定范围内。本发明能够平衡相邻差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，使得整个通路电流消耗较小，降低了功耗，同时减少了电荷补偿电路等面积的开销。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种差分触摸感测单元及系统。
背景技术
触摸传感器因其简单、直接、人性化设计成为一种重要的人机交互方式。而电容式触摸感测在手机、平板、可穿戴等电子产品中已成为主流技术，相较于电阻式触控、红外式触控、超声波式触控，电容式触控在耐用、多指、轻便等方面优势明显。传感器接收电极与地（自电容）或与传输电极（互电容）之间存在电容，人手指靠近传感器导致这个电容容值发生变化，感测芯片检测到电容变化，并将检测信号传送到上位机实现对触摸、手势等动作的判断。触控感测模拟前端对触控体验非常重要，决定了触摸感测的灵敏度、精准度及抗干扰等性能。
目前，现有的技术中常常需要积分电荷放大、电荷转电压以及滤波等，再通过模数转换器，将需要感测的电容大小转换成数字信号，并将其送入处理器进行有无触摸、手势、运动轨迹等判断。而积分电容较大会限制积分器带宽，积分电容较小容易导致积分器饱和，使用大的积分电容并获得大的带宽需要消耗较大芯片面积及功耗。另外，如果每一个感测通道使用一个ADC会增加芯片面积及功耗，多通道复用一个ADC，增加了控制的复杂性，对ADC转换速率也有更高的要求，芯片功耗较大或需要更先进的工艺。此外，模拟前端检测电路越复杂、信号链路越长会导致引入噪声越多、芯片面积越大。另外，还随着触摸屏幕的发展，柔性以及可折叠屏幕自身电容急剧增大，对自电容测量带来了很大的挑战。
为此，亟需提出一种差分触摸感测单元及系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种差分触摸感测单元及系统，能够以较小的芯片面积与功耗，实现自电容触摸感测的高灵敏度、高精准度以及高抗噪性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种差分触摸感测单元，包括接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块；
所述接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；所述第一输出端连接至所述电容C1，所述电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过所述调制模块连接至所述计数模块，所述调制模块用于调整所述电容C1的电压稳定在设定范围内，所述计数模块用于对所述调制模块进行计数。
进一步的，所述第一输出端输出的电流Iout_p和第二输出端输出的电流Iout_n大小相同方向相反。
进一步的，所述调制模块还用于将调整所述电容C1的次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中。
进一步的，所述GM模块通过Vcm的来回摆动，驱动所述Vrx随着Vcm变化，并通过所述GM模块转化成电流输出。
进一步的，所述GM模块将变化后的Vrx转化成电流之后，先对所述电流大小进行复制，电流大小为：，再分别从对应的所述第一输出端和第二输出端进行输出。
进一步的，所述Vcm的摆动在固定电平之间跳变，跳变的电压大小为，每次跳变，所述待测系统的自电容Crx上发生电荷量变化为/>，再通过所述Gm模块转化为电流输出，其输出的总电荷大小满足/>，其中，K为常数。
进一步的，所述调制模块包括比较器CMP、电流源IMS_SRC、电流沉IMS_SNK和反相器；所述比较器CMP的同相输入端接入参考电压Vref，反向输入端与所述电容C1相连，输出端通过反相器与所述电流源IMS_SRC和电流沉IMS_SNK相连；所述电流源IMS_SRC通过第一开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流沉IMS_SNK通过第二开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流源IMS_SRC远离所述电容C1的一端连接电源电压；所述电流沉IMS_SNK远离所述电容C1的一端接地；所述比较器CMP的输出端与所述计数模块相连。
此外，本发明还提出一种差分触摸感测系统，包括如上述所述的差分触摸感测单元，还包括待测系统和数字处理模块；一个所述差分触摸感测单元与所述待测系统的一个通道对应连接；每一个所述差分触摸感测单元的电容C1与相邻所述差分触摸感测单元的第二输出端相连；多个所述差分触摸感测单元的计数模块均连接至所述数字处理模块。
进一步的，还包括：接收电极将来自所述待测系统的Vrx信号输入至GM模块的第一输入端，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号并对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端输出电流Iout_p至所述电容C1中，第二输出端输出电流Iout_n至相邻所述差分触摸感测单元的电容C1中；所述电容C1将所述电流Iout_p和来自相邻所述差分触摸感测单元的电流Iout_n传输至所述调制模块进行调整，平衡相邻两个所述差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，所述调制模块将所述电容C1的调整次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中进行计数，所有所述计数模块均将计数后的数据传输至所述数字处理模块进行数据分析。
进一步的，所述待测系统包括自电容Crx，所述自电容Crx的一端与所述差分触摸感测单元的接收电极相连。
通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
通过接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块的设置；以及接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对Vrx信号进行调制，使得GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；第一输出端连接至电容C1，电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过调制模块连接至计数模块，调制模块用于调整电容C1的电压稳定在设定范围内，计数模块用于对调制模块进行计数。本方案无需复杂的积分放大器、ADC、滤波器和补偿电路，保证了整体结构的简单实用。
另外，还通过一个差分触摸感测单元与待测系统的一个通道对应连接；每一个差分触摸感测单元的电容C1与相邻差分触摸感测单元的第二输出端相连；多个差分触摸感测单元的计数模块均连接至数字处理模块。本系统通过多个差分触摸感测单元与待测系统的多个通道一一对应，能够平衡相邻差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，使得整个通路电流消耗较小，降低了功耗，同时减少了电荷补偿电路等面积的开销。
综上所述，本系统能够以较小的芯片面积与功耗，实现自电容触摸感测的高灵敏度、高精准度以及高抗噪性。
附图说明
图1为本发明一实施例中差分触摸感测单元的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例中差分触摸感测单元的时序图；
图3为现有技术中差分触摸感测单元的结构示意图；
图4为本发明一实施例中差分触摸感测系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种差分触摸感测单元及系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明实施例提出了一种差分触摸感测单元，包括接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块。
具体的，所述接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；所述第一输出端连接至所述电容C1，所述电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过所述调制模块连接至所述计数模块，所述调制模块用于调整所述电容C1的电压稳定在设定范围内，所述计数模块用于对所述调制模块进行计数。
进一步的，结合图2所示，所述第一输出端输出的电流Iout_p和第二输出端输出的电流Iout_n大小相同方向相反。
在本实施例中，所述调制模块还用于将调整所述电容C1的次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中。由于每次调整的电荷大小由单位时间tclk和电流的大小Isnk（或Isrc）决定，通常为了简化一般取Isnk与Isrc的大小相等。其中，电流Isnk对应电流沉IMS_SNK的电流，电流Isrc对应电流源IMS_SRC的电流。
其中，计数模块对调制模块的比较器CMP的输出进行计数和累加等，得到与触摸屏两个通道自电容差值大小相关的计数值（这时为数字信号），从而实现模拟信号到数字信号的转换，不仅结构简单，通过累加还实现了滤波效果。另外，将计数模块输出的数字信号输出至数字处理模块，进行数据分析处理，包括存储、滤波、数据提取等，能够实现判断是否有触摸发生、运动轨迹跟踪以及手势识别等。
在本实施例中，结合图2所示，所述GM模块通过Vcm的来回摆动，驱动所述Vrx随着Vcm变化，并通过所述GM模块转化成电流输出，从而对所述接收电极的自电容Crx（例如，可以为触摸屏感测电极自身的电容大小）进行充电和放电。
具体的，所述GM模块将变化后的Vrx转化成电流之后，先对所述电流大小进行复制，电流大小为：，再分别从对应的所述第一输出端和第二输出端进行输出。
更为具体的，例如，Gm模块通过RX电极（接收电极）与电容触摸屏的电子连接：实现了电容-电压-电流转换。具体的，所述Vcm的摆动在固定电平之间跳变，跳变的电压大小为，每次跳变，待测系统的自电容Crx上发生电荷量变化为/>，再通过所述Gm模块转化为电流输出，其输出的总电荷大小满足/>，其中，K为常数（可设置有缩放作用）；所述Gm模块输出的电流经过所述调制模块调制后，每次Vcmr跳变，无论Vcm是高到低还是低到高，均输出/>，且方向一致。即Iout_p一直是source电流（拉电流），Iout_n一直是sink电流（灌电流）。
在一具体示例中，电容C1，连接感测通道Gm模块的输出电流Iout_p（即第一输出端），同时也连接另一通道（表示相邻的差分触摸感测单元）Gm模块的电流Iout_n（即第二输出端）。由于Iout_p与Iout_n具有相反的方向，使得输入到电容C1的电流大大减小（更为具体的，例如存储的电荷不再是，而是/>，Crx（i）与Crx（i+1）相差不大，意味着电荷量（电流）将有数量级的减小），不再需大的电容C1来存储电荷。同时实现积分将电流转化成电压输出到下一级（即调制模块），并且这一结构具有滤波的效果，能够抑制噪声。
在本实施例中，所述调制模块包括比较器CMP、电流源IMS_SRC、电流沉IMS_SNK和反相器。
具体的，所述比较器CMP的同相输入端接入参考电压Vref，反向输入端与所述电容C1相连，输出端通过反相器与所述电流源IMS_SRC和电流沉IMS_SNK相连；所述电流源IMS_SRC通过第一开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流沉IMS_SNK通过第二开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流源IMS_SRC远离所述电容C1的一端连接电源电压；所述电流沉IMS_SNK远离所述电容C1的一端接地；所述比较器CMP的输出端与所述计数模块相连。
其中，所述电流源IMS_SRC和电流沉IMS_SNK对所述电容C1进行充放电，使得Vcap电压与所述比较器CMP的参考电压Vref达到平衡。
更为具体的，例如，差分触摸感测单元为两个时，通过调制模块可以控制电流源IMS_SRC或电流沉IMS_SNK对电容C1进行充放电，使其电压Vcap逐渐靠近比较器CMP的参考电压Vref，最终稳定时在Vref附近来回波动，总的来说能够将两个差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷通过开关电流源IMS_SRC或电流沉IMS_SNK来平衡测量。
在一具体实施例中，例如对于电容触摸屏，特别是OLED屏来说，电极上的电容极大，常常高达200~800pF，这意味着Vcm控制Vrx每次电压跳变需要提供的电荷，而触摸时Crx的改变量ΔCrx很小，通常要求小于100fF；即信号量很小，共模量很大，相差可高达40dB以上。由于传统的做法是做一个补偿模块将共模量减小，而这个补偿模块将消耗很在芯片面积，功耗，并且会引入噪声，如图3所示。而在本实施例中，可以不再需要这一补偿模块，通过引入其它电极通道反向电流来抵消，从而可以有效减小芯片面积和功耗，同时还可以减少噪声。
此外，结合图4所示，本实施例还提出一种差分触摸感测系统，包括如上述所述的差分触摸感测单元，还包括待测系统和数字处理模块。
具体的，一个所述差分触摸感测单元与所述待测系统的一个通道对应连接；每一个所述差分触摸感测单元的电容C1与相邻所述差分触摸感测单元的第二输出端相连；多个所述差分触摸感测单元的计数模块均连接至所述数字处理模块。
更为具体的，接收电极将来自所述待测系统的Vrx信号输入至GM模块的第一输入端，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号并对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端输出电流Iout_p至所述电容C1中，第二输出端输出电流Iout_n至相邻所述差分触摸感测单元的电容C1中；所述电容C1将所述电流Iout_p和来自相邻所述差分触摸感测单元的电流Iout_n传输至所述调制模块进行调整，平衡相邻两个差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，所述调制模块将所述电容C1的调整次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中进行计数，所有所述计数模块均将计数后的数据传输至所述数字处理模块进行数据分析。
其中，所述待测系统包括自电容Crx，所述自电容Crx的一端与所述差分触摸感测单元的接收电极相连。
在本实施方式中，接收电极将来自待测系统的Vrx信号输入至GM模块的第一输入端，GM模块的第二输入端接入Vcm信号并对Vrx信号进行调制，使得GM模块的第一输出端输出电流Iout_p至电容C1中，第二输出端输出电流Iout_n至相邻差分触摸感测单元的电容C1中；电容C1将电流Iout_p和来自相邻差分触摸感测单元的电流Iout_n传输至调制模块进行调整，平衡相邻两个差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，调制模块将电容C1的调整次数和调整的电荷大小传输至计数模块中进行计数，所有计数模块均将计数后的数据传输至数字处理模块进行数据分析。
综上所述，本发明提出的一种差分触摸感测单元及系统，具有如下优势：
通过接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块的设置；以及接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对Vrx信号进行调制，使得GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；第一输出端连接至电容C1，电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过调制模块连接至计数模块，调制模块用于调整电容C1的电压稳定在设定范围内，计数模块用于对调制模块进行计数。本方案无需复杂的积分放大器、ADC、滤波器和补偿电路，保证了整体结构的简单实用。
另外，还通过一个差分触摸感测单元与待测系统的一个通道对应连接；每一个差分触摸感测单元的电容C1与相邻差分触摸感测单元的第二输出端相连；多个差分触摸感测单元的计数模块均连接至数字处理模块。本系统通过多个差分触摸感测单元与待测系统的多个通道一一对应，能够平衡相邻差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，使得整个通路电流消耗较小，降低了功耗，同时减少了电荷补偿电路等面积的开销。
综上，本系统能够以较小的芯片面积与功耗，实现自电容触摸感测的高灵敏度、高精准度以及高抗噪性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种差分触摸感测单元，其特征在于，包括接收电极，GM模块，电容C1，调制模块和计数模块；
所述接收电极的一端与待测系统连接，另一端连接至GM模块的第一输入端并输入表征待测系统的Vrx信号，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号以对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端和第二输出端分别输出电流Iout_p和电流Iout_n；所述第一输出端连接至所述电容C1，所述电容C1能够与另一差分触摸感测单元的第二输出端相连，并通过所述调制模块连接至所述计数模块，所述调制模块用于调整所述电容C1的电压稳定在设定范围内，所述计数模块用于对所述调制模块进行计数。
2.如权利要求1所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述第一输出端输出的电流Iout_p和第二输出端输出的电流Iout_n大小相同方向相反。
3.如权利要求1所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述调制模块还用于将调整所述电容C1的次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中。
4.如权利要求1所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述GM模块通过Vcm的来回摆动，驱动所述Vrx随着Vcm变化，并通过所述GM模块转化成电流输出。
5.如权利要求4所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述GM模块将变化后的Vrx转化成电流之后，先对所述电流大小进行复制，电流大小为：，再分别从对应的所述第一输出端和第二输出端进行输出。
6.如权利要求5所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述Vcm的摆动在固定电平之间跳变，跳变的电压大小为，每次跳变，所述待测系统的自电容Crx上发生电荷量变化为/>，再通过所述Gm模块转化为电流输出，其输出的总电荷大小满足，其中，K为常数。
7.如权利要求1所述的差分触摸感测单元，其特征在于，所述调制模块包括比较器CMP、电流源IMS_SRC、电流沉IMS_SNK和反相器；所述比较器CMP的同相输入端接入参考电压Vref，反向输入端与所述电容C1相连，输出端通过反相器与所述电流源IMS_SRC和电流沉IMS_SNK相连；所述电流源IMS_SRC通过第一开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流沉IMS_SNK通过第二开关与所述电容C1和比较器CMP的反向输入端相连；所述电流源IMS_SRC远离所述电容C1的一端连接电源电压；所述电流沉IMS_SNK远离所述电容C1的一端接地；所述比较器CMP的输出端与所述计数模块相连。
8.一种差分触摸感测系统，包括如权利要求1-7中任一项所述的差分触摸感测单元，其特征在于，还包括待测系统和数字处理模块；一个所述差分触摸感测单元与所述待测系统的一个通道对应连接；每一个所述差分触摸感测单元的电容C1与相邻所述差分触摸感测单元的第二输出端相连；多个所述差分触摸感测单元的计数模块均连接至所述数字处理模块。
9.如权利要求8所述的差分触摸感测系统，其特征在于，还包括：接收电极将来自所述待测系统的Vrx信号输入至GM模块的第一输入端，所述GM模块的第二输入端接入Vcm信号并对所述Vrx信号进行调制，使得所述GM模块的第一输出端输出电流Iout_p至所述电容C1中，第二输出端输出电流Iout_n至相邻所述差分触摸感测单元的电容C1中；所述电容C1将所述电流Iout_p和来自相邻所述差分触摸感测单元的电流Iout_n传输至所述调制模块进行调整，平衡相邻两个所述差分触摸感测单元的电容差值产生的电荷，所述调制模块将所述电容C1的调整次数和调整的电荷大小传输至所述计数模块中进行计数，所有所述计数模块均将计数后的数据传输至所述数字处理模块进行数据分析。
10.如权利要求8所述的差分触摸感测系统，其特征在于，所述待测系统包括自电容Crx，所述自电容Crx的一端与所述差分触摸感测单元的接收电极相连。
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