CN207458027U - 与触摸面板一起使用的电路 - Google Patents

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CN207458027U CN201720708378.6U CN201720708378U CN207458027U CN 207458027 U CN207458027 U CN 207458027U CN 201720708378 U CN201720708378 U CN 201720708378U CN 207458027 U CN207458027 U CN 207458027U
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黄英杰
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Abstract

根据本公开的一个方面，提供一种与触摸面板一起使用的电路，其特征在于，所述电路包括：电源；第一感测线电容器，所述第一感测线电容器通过第一晶体管开关耦合至所述电源；第二感测线电容器，所述第二感测线电容器与所述第一电容器并联耦合，所述第二电容器经由第二晶体管开关耦合至地；第一电荷共享开关，所述第一电荷共享开关在所述第一与第二感测线电容器之间成一直线；输出缓冲器；以及第二电荷共享开关，所述第二电荷共享开关将所述第一和第二电容器耦合至所述输出缓冲器。

Description

与触摸面板一起使用的电路
技术领域
本公开涉及触摸屏技术，具体地涉及提高触摸屏灵敏度。
背景技术
触摸屏充当了目前正在使用中的许多种类型的电子设备(包括例如智能电话、平板计算机、信息亭、车辆控制面板等)的用户界面。触摸屏包括覆盖在显示器上的触敏面板。显示器向电子设备的用户提供视觉输出。显示器还呈现了指示可通过与覆盖的触敏面板进行接触来激活的选择(例如网络链接、播放按钮等)的文本和图形。显示器利用各种显示技术，如例如，液晶(LCD)、等离子体、有机发光二极管(OLED)等。
触敏面板(或“触摸面板”)通常包括驱动线和感测线的矩阵，这些驱动线和感测线被相互横向安排并且在彼此分离一小段距离的平面内。传感器电极放置于驱动线与感测线相交的接点处。这些传感器电极可通过电容性机构来感测触摸。当手指在电极位置处与触敏面板产生接触时，该手指的电容增大了电极相对于地的电容。因此，检测到这种“自电容”增大表明了触摸事件。但是，在某些情况下，触摸事件可能会被错过，或者非事件可能会被错误判断为触摸事件。例如，某些触摸面板可能无法同时检测多个触摸事件。此外，自电容检测方法可能无法检测到在触摸面板上方悬停的手指。落在触摸面板上的水滴可能被错误判断为触摸事件。为改善这种情况下的精确度，期望的是增大自电容式触摸面板的信噪比。
实用新型内容
根据本公开的一个方面，提供一种与触摸面板一起使用的电路，其特征在于，所述电路包括：电源；第一感测线电容器，所述第一感测线电容器通过第一晶体管开关耦合至所述电源；第二感测线电容器，所述第二感测线电容器与所述第一感测线电容器并联耦合，所述第二感测线电容器经由第二晶体管开关耦合至地；第一电荷共享开关，所述第一电荷共享开关在所述第一感测线电容器与所述第二感测线电容器之间成一直线；输出缓冲器；以及第二电荷共享开关，所述第二电荷共享开关将所述第一感测线电容器和所述第二感测线电容器耦合至所述输出缓冲器。
附图说明
图1A是根据如本文所描述的实施例的自电容感测触摸面板的电路简图。
图1B是根据如本文所描述的实施例的自电容感测触摸面板在触摸感测事件期间的电路简图。
图2是根据如本文所描述的实施例的示出触摸屏的结电容的电路简图。
图3是根据如本文所描述的实施例示出在一种操作自电容传感器的方法中一系列步骤的流程图。
图4A是根据如本文所描述的实施例的具有一定放大率的电荷共享电路的电路简图。
图4B是在图4A中所示的电荷共享电路的操作期间在感测线S1 和S2上的电荷的时序图。
图5A-5B根据如本文所描述的实施例示出了用于扫描奇数感测线的电荷共享差分自模式时发生的操作。
图5C-5D根据如本文所描述的实施例示出了用于扫描偶数感测线的电荷共享差分自模式时发生的操作。
图6A是根据如本文所描述的实施例的电荷共享自模式的差分电容曲线。
图6B是常规的规范化信号值电容曲线绘图。
图7-11是根据如本文所描述的各种实施例用于实现电荷共享差分自模式的触摸面板的电路原理图。
具体实施方式
在以下说明中，阐述了某些具体细节以便提供对所公开的主题的各个方面的全面理解。然而，所公开的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些实例中，尚未详细描述包括在此所公开的主题的实施例的公知结构和方法以免模糊本公开的其它方面的描述。
除非上下文另有要求，否则贯穿说明书和所附权利要求书，“包括”一词及其多种变体(诸如，“包括了(comprises)”和“包括着 (comprising)”)将以一种开放式、包含性的意义来进行解释，也就是作为“包括，但不限于(including,but not limited to)”。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一种实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现的短语“在一个实施例中”或“在一种实施例中”不一定都是指相同的方面。此外，可以将这些特定的特征、结构、或特性以任何适当的方式在本公开的一个或多个方面中进行组合。
在附图中，除非在上下文中特别表明，完全相同的参考号标识类似的元件或操作。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。
在此参照已经生产的触摸屏描述了具体实施例；然而，本公开以及对某些材料、尺寸的引用、以及处理步骤的细节和顺序是示例性的并且不应局限于所示出的那些。
在附图中，相同的附图标记表示相似的特征或者元件。附图中特征的尺寸和相对位置不一定按照比例绘制。
现在转向附图，图1A根据实施例展示了自电容传感器80。作为触摸面板的一部分，该自电容传感器80被配置成用于检测触摸事件，例如，手指接触触摸面板。该自电容传感器80包括交流电源82以及单个触摸面板电极84。感测线电容器Cs表示该触摸面板电极84的电容。自电容传感器80通过监测Cs相对于地86的值来检测触摸事件。图1A中没有发生触摸事件。
图1B展示了触摸事件90，其中，人类手指91被引入，悬停在上述触摸面板电极84上方距离d。人类手指91与轴94对齐，该轴相对于触摸面板的平面成角度Φ定向。人类手指91的存在增大了触摸面板电极84相对于地86的电容。电容器CH表示通过人类手指91引入的触摸面板电极84电容的变化。因此，除了感测与触摸面板接触的手指外，自电容传感器80还能够感测悬停的手指。此外，自电容传感器80可以区分人类手指91和已经落在触摸面板上的水滴，因为，触摸面板上所存在的水滴改变了触摸面板电极84的电容，但是改变与CH的值不同的量。其他类型的触摸面板传感器(例如，测量一对电极之间的电容的互电容传感器)可以检测与触摸面板的接触。但是，互电容传感器不能检测悬停手指或提供“拒水”功能。
图2根据本公开所描述的实施例表示了基于自电容式触摸面板96 的一部分。基于自电容式触摸面板96由玻璃制成，其中，驱动线Tx和感测线Sx的矩阵被形成为嵌入在触摸面板96中的细导线。示出了感测线的两个示例S1和S2(垂直定向)以及驱动线的一个示例Tx(水平定向)。在全基于自电容式触摸面板96中，将会存在几十或几百条这种线Sx和Tx。感测线Sx在节点98处跨越驱动线Tx，从而形成平行板电容器，其中，玻璃触摸面板充当分离导体的介电材料。触摸控制器向驱动线Tx施加驱动信号并且从感测线Sx中读取信号。因此，每条感测线Sx与对应相邻驱动线Tx之间存在面板电容Cpx，其中，x＝1，2，等等。另外，当触摸事件发生时，每条感测线与地之间会产生自电容Csx。当无触摸事件时，自电容等于零。面板电容Cpx和自电容Csx被建模为平板电容器。可以通过扫描和比较相邻的感测线来监测Cpx和Csx的值。
悬停手指造成较小的电容波动。为了将灵敏度提高到这样的小变化，可进行差分电容测量|CS1-CS2|。在一般情况下，使用差分测量结果比绝对测量结果更容易检测到小变化。这是因为波动相对于差分测量而言较大。因此，差分电容测量对于触摸事件将比绝对电容测量更灵敏。更灵敏的测量还通过增大信噪比来提高噪声性能。也就是说，差分信号与噪声测量结果的比率将大于绝对信号与噪声测量结果的比率。
图3根据结合了用于执行扫描序列的电荷共享技术的实施例示出了方法100中操作基于自电容式触摸面板96的步骤。如图4A所示，方法100可以由自模式电荷共享电路130执行，并且描述如下。如图 4B所示，通过时序图160来进一步展示方法100，根据该方法来操作自模式电荷共享电路130。自模式电荷共享电路130可用于循环充电，并且通过这样做，在增大触摸面板的灵敏度的同时减小了电力需求。电荷共享是一种众所周知的技术，并且已被用于许多电气设计领域，包括低功耗数字CMOS电路、LCD显示驱动器以及触摸传感器面板，例如如美国专利号8,432,364中所公开的。在此表明，电荷共享可被用于促进感测与触摸事件相关联的触摸屏的差分自电容。
图4A示出的自模式电荷共享电路130包括通过开关154和156 耦合至并联电容器CS1和CS2的输出缓冲器132。开关154具体地充当电荷共享开关，在图4A中由蝴蝶结符号表示。电荷共享开关154用于在这两条感测线S1和S2之间共享电荷。开关154通过将CS1和CS2相互耦合来允许进行电荷共享。然后，开关156将感测线S1和S2耦合至输出缓冲器132。如本领域中已知的，开关154、156可以是例如标准CMOS晶体管选通电路、或由成对的CMOS晶体管选通电路制成的传输门开关。
在实施例中，输出缓冲器132是运算放大器(运放)缓冲器。输出缓冲器132用作向这两个输入端子处的电压VC最小与节点92处的电压之间的电压差应用增益因子的差分放大器。基准电容器144连接在输出缓冲器132的反馈回路中。基准电容器144是可通过闭合开关146 来旁路的内部基准电容器。晶体管122将CS1耦合至电源VDD以便对 CS1进行充电。VDD可以是在约3.3V-12V范围内的标准电源电压。晶体管152旁路CS2或将节点92直接连接至地以用于对CS2进行放电。根据图4B所示的时序图，自模式电荷共享电路130分别监视与感测线S1和S2相关联的自电容。
如图4B所示，在方法100步骤102中，在初始时间t0，晶体管 122和152导通，使得电容器CS1被设置为电压VDD并且充电至q输入＝ CS1*VDD，同时，电容器CS2被放电并且处于0V。
在步骤104中，接合电荷共享。断开晶体管122、122C、152和 152C，并且闭合开关154，从而使得感测线S1和S2在节点92处短路在一起。在初始时间间隔162期间，电容器CS1开始放电，同时，电容器CS2开始充电。在时间间隔162结束之前，S1和S2的电压大致相同，例如，VDD/2。
在步骤106中，断开开关146，并且闭合开关156。如在开关电容电路中典型的，在与时间间隔164重合的放大周期期间，CS1和CS2所共享的电荷的一部分被转移到了电容器144中。
在步骤108中，在时间间隔164结束时，通过提取转移电荷q输出 +来确定差分电容|CS1-CS2|。例如，使用VC最小＝VDD/2以及q输出+＝ VDD/2(CS1-CS2)，则等式V输出-VDD/2＝VDD/2(CS2-CS1)可以用来计算差分电容|CS1-CS2|。可以通过作为触摸屏控制器的一部分的微处理器和相关联的存储器来进行计算。
在步骤110，如在斩波电路中所常见的，该过程可被反向以改善闪烁噪声抑制。在时间间隔166期间，断开开关146以重置输出信号的先前值，并且导通晶体管122C、152C，从而使得S1被放电至0V 且S2被预充电至VDD。在时间间隔168期间，断开晶体管122C、152C，并且使这两条感测线S1和S2短路在一起，从而使得CS2放电，同时CS1充电至公共电压。在放大和电荷共享时间间隔170期间，在这两个电容器CS1和CS2上电荷达到均衡。在时间间隔170期间，开关146 和154闭合，允许通过输出缓冲器132来转移电荷q输出-。然后可以通过在VC最小＝VDD/2时提取放大电荷q输出-并且使用等式q输出+＝ VDD/2(CS2-CS1)来在时间间隔170结束时计算差分电容|CS2-CS1|。在最后时间间隔172期间，电荷共享开关154断开，并且电容器CS2放电，同时，CS1恢复至电源电压VDD。
在电荷转移间隔16、170结束时进行的差分电容测量可以通过使用模数转换器采样来进行。通过监测随时间推移且跨触摸面板的差分电容值，可以通过触摸事件在差分电容值中所产生的干扰来检测该触摸事件。
在112中，方法100可以被重复以监视相邻的一对感测线，并且以串行方式跨触摸面板移动。替代性地，可以通过并联复制自模式电荷共享电路130以便同时监测多对感测线来执行方法100。
作为示例，图5A-5D展示了涉及多达五线条感测线S1-S5、或通道的各种电荷共享扫描序列。例如，可能有32个通道或任意数量的通道。由实线蝴蝶结开关154所指示的每个电荷共享实例表示对上述方法100的执行。虚线蝴蝶结开关表明打开的开关。所扫描的感测线的数量取决于触摸屏的大小。
图5A示出的第一次扫描中，电荷共享被应用于感测线S1和S2 以用于确定差分电容|CS2-CS1|，并且被应用于感测线S3和S4以用于确定差分电容|CS3-CS4|。图5B示出的第二次扫描中，电荷共享被应用于感测线S2和S3以用于确定差分电容|CS2-CS3|，并且被应用于感测线S4和S5以用于确定差分电容|CS4-CS5|。图5C示出的第三次扫描中，电荷共享被应用于感测线S1和S2以用于确定差分电容|CS1- CS2|，并且被应用于感测线S3和S4以用于确定差分电容|CS3-CS4|。图5D所示出的第四次扫描中，电荷共享被应用于感测线S2和S3以用于确定差分电容|CS2-CS3|。
图6A和6B将差分电容与在触摸事件期间所确定的绝对电容进行比较。触摸事件发生在原点(0)，并且可向外测量到离触摸点约两个径向单位。针对图6B中示出的示例所得到的绝对电容174的值大于图6A中示出的相应规范化差分电容测量结果173约1000倍。
图7-11示出自模式电荷共享电路130的变化，其中，面板电容 CP1和CP2被考虑在内。因此，图7-11包括平行于CS1的面板电容器 CP1、平行于CS2的面板电容器CP2、以及误差消除级CX等附加物。误差消除级CX用于消除电容器CP1、CP2上的电荷，所以其在触摸事件期间将不会影响与自电容相关联的电荷测量结果q输出+和q输出-。误差消除级CX是包括电容器和驱动器的开关电容电路，该驱动器可以移除S2线的电荷，从而补偿由差分电容|CP1-Cp2|所引入的误差。
图7根据本公开的实施例示出了低功耗自模式电路175。当触摸面板在空闲周期之后处于“唤醒”模式时，低功耗自模式电路175可取代自模式电荷共享电路130。在使用中，用于低功耗自模式电路175 的电源VDD被设置为3.3V，则到输出缓冲器132的VC最小输入为3.3V/2＝1.65V。由于电荷共享，在本文中所描述的自模式电路中使用的电压较低，并且因此错误消除迅速且有效地发生。低功耗自模式电路175的使用还会比检测电容而非差分电容的常规触摸面板电路产生更少的噪音。
图8根据实施例示出了低功耗自模式电路180。低功耗自模式电路180还旨在用于例如当触摸面板在空闲周期之后处于“唤醒”模式时的使用。低功耗自模式电路180是与低功耗自模式电路175相对应的互补反向电路，其中，电源VDD和晶体管122耦合至感测线S2，并且晶体管121耦合至感测线S1。如上文所解释的，低功耗自模式电路180可以结合斩波技术一起使用。在使用中，用于低功耗自模式电路180的电源VDD被设置为3.3V，则到输出缓冲器132的VC最小输入为VDD/2＝1.65V。
图9根据本公开的实施例示出了自模式电路200。自模式电路200 旨在用于在触摸面板的正常操作期间使用，并且提供针对更快速扫描的差分面板电容的消除。自模式电路200类似于自模式电路175，区别在于，除了已向输出缓冲器132的输出端增加了开关200，已从输出缓冲器132的反馈回路中移除开关146，并且已在输出缓冲器132 的输入端之间增加了开关192。如在开关电容电路中所常见的，这样的部件允许在运算放大器132的输出与输入共模之间进行判别。在使用中，用于自模式电路200的电源VDD被设置为5.0V，则到输出缓冲器132的VC最小输入为VDD/2＝2.5V。此外，开关202耦合至1.65V 电源。
图10根据本公开的实施例示出了自模式电路210。自模式电路 200旨在用于在触摸面板的正常操作期间使用，并且提供对差分Cp消除的替代方案。自模式电路210类似于自模式电路200，区别在于误差消除级CX被移除，并且可调谐分压器212用于产生基准电压V基准。在使用中，用于自模式电路210的电源VDD被设置为5.0V，则到输出缓冲器132的V基准输入为VDD/2＝2.5V。替代误差消除级CX， V基准耦合至分压器212，该分压器包括耦合至中间电源Vdd的电阻R 以及可变电阻R1。例如，VDD可被设置为3.3V。
图11根据本公开的实施例示出了自模式电路220。自模式电路 220旨在用于在触摸面板的正常操作期间使用。图11示出的自模式电路200类似自模式电路210，区别在于晶体管152连接到一个负电压而非接地。在使用中，用于自模式电路220的电源VDD被设置为5.0V，则VC最小节点有效地为地。此外，开关202耦合至1.65V电源。
在本说明书中所提及的和/或在申请资料表中所列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利出版物都以其全文通过引用并入本文。
将理解的是，尽管出于说明的目的在此描述了本公开的多个具体实施例，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。可以组合上文所描述的各种实施例以提供进一步实施例。如果必要则可以修改实施例的方面以运用各种专利、申请和公开文献的概念以提供更多实施例。
可以按照上文详述的描述对实施例进行这些和其它改变。总之，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书限制于本说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这种权利要求有权获得的等效物的整个范围。相应地，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (10)

1.一种与触摸面板一起使用的电路，其特征在于，所述电路包括：
电源；
第一感测线电容器，所述第一感测线电容器通过第一晶体管开关耦合至所述电源；
第二感测线电容器，所述第二感测线电容器与所述第一感测线电容器并联耦合，所述第二感测线电容器经由第二晶体管开关耦合至地；
第一电荷共享开关，所述第一电荷共享开关在所述第一感测线电容器与所述第二感测线电容器之间成一直线；
输出缓冲器；以及
第二电荷共享开关，所述第二电荷共享开关将所述第一感测线电容器和第二感测线电容器耦合至所述输出缓冲器。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述输出缓冲器包括具有两个输入端子的运算放大器。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述输出缓冲器进一步包括所述运算放大器的反馈回路中的基准电容器。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，进一步包括：
第一面板电容器，所述第一面板电容器与所述第一感测线电容器并联耦合；以及
第二面板电容器，所述第二面板电容器与所述第二感测线电容器并联耦合。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，进一步包括面板电容消除设备，所述面板电容消除设备耦合在所述感测线电容器与所述第二电荷共享开关之间。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述输出缓冲器还配备有输入开关，所述输入开关可选地将所述运算放大器的所述两个输入端子相耦合。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，进一步包括旁路开关，所述旁路开关被配置为用于可选地从所述反馈回路中移除所述基准电容器。
8.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述运算放大器的所述两个输入端子相互耦合，并且，所述输出缓冲器进一步包括所述反馈回路中的输出开关。
9.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述运算放大器的所述端子之一是接地端子。
10.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述触摸面板是移动电子设备的部件。
CN201720708378.6U 2016-06-30 2017-06-16 与触摸面板一起使用的电路 Withdrawn - After Issue CN207458027U (zh)

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US15/199,792 US10031620B2 (en) 2016-06-30 2016-06-30 Self-sensing touch panel

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