JP6228019B2 - 静電容量検出回路及び入力デバイス - Google Patents
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Description
これにより、切替スイッチの寄生容量等の影響により積分電荷に誤差成分が累積されないようにできる。
が可能となる。
図1には、本実施の形態1に係る静電容量検出回路1に対して、タッチパッド、タッチセンサ等のセンサ電極2が接続されている状態が示されている。センサ電極2は、2次元の平面に形成され、互いに直交するX電極群3とY電極群4とがマトリックス状に配置されている。センサ電極2のX電極群3とY電極群4をマトリックス状に配置することで、人間の指の近接の位置を検出できるようにしている。
回路モジュールMODでは、演算増幅器11の出力から負入力への帰還経路には信号φ1でON/OFF制御される切替スイッチSW
4−1、4−2、及び信号φ2でON/OFF制御される切替スイッチSW5−1、5−2の4つが設けられている。これらの切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2が切替回路を構成する。この切替回路に帰還キャパシタCfbの2つの端子が正と逆の向きに切り替え接続できる構成となっている。演算増幅器11の正入力には参照電位VRが接続される。参照電位VRは出力信号のダイナミックレンジを大きく取れるように、例えば、演算増幅器11の電源の中点付近に設定される。
すなわち、回路モジュールMODでは切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2の両端信号線に寄生容量Cogがぶら下がる。この寄生容量Cogによる蓄積電荷Q(Cog)は帰還キャパシタCfbに供給される。そして、切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2のスイッチング動作により、帰還キャパシタCfbの方向が反転するため、蓄積電荷Q(Cog)が帰還キャパシタCfbに累積して蓄積されようとする。補正キャパシタClcは蓄積電荷Q(Cog)が帰還キャパシタCfbに蓄積されることを抑制する機能を果たす。
本実施形態においての式において、Cfbは、帰還キャパシタCfbの容量を示している。
図5に示すように、図3に示すチャージアンプ10には、主にスイッチSW4−2,SW5−2に起因する寄生容量Cogが生じる。
最初のチャージアンプ10の積分電荷量をQとする。このときAin=VR, Q(Cfb)=Q, Aout=Q/Cfbである。
寄生容量Cogの蓄積電荷Q(Cog)は、下記の式(2)で示される。
これにより、帰還キャパシタCfbの蓄積電荷は下記式(3)のようになる。
すなわち、帰還キャパシタCfbの電荷は反転により、Qから−Q に変化している。そこに
上記式(2)の電荷のQ(Cog)が加わる。
=−Q*(Cfb+Cog)/Cfb ・・・(3)
すなわち、帰還キャパシタCfbの蓄積電荷Q(Cfb)の誤差成分が増大してしまう。この誤差成分の増大は、帰還キャパシタCfbの両端の電圧の絶対値に比例して増大する。
チャージアンプ10の最初の積分電荷量をQとする。このときAin=VR,Q(Cfb)+Q(Clc)=Qとなる。Qは、帰還キャパシタCfbと補正キャパシタClcとに分配され、その分配比は容量比と等しいため、下記式(4),(5)が成り立つ。
本実施形態においての式において、Clcは、補正キャパシタClcの容量を示している。
図7において、太い線は図3に示すチャージアンプ10の出力電圧の波形60、細線は図3に示す構成において補正キャパシタClcを備えていない場合の出力電圧の波形62を示している。
図7に示すように、補正キャパシタClcを備えてない場合の波形62は、電圧レベルが指数関数的に増加し、飽和レベルに達する。このような電圧レベルの増加は、オフセット変動及び周波数特性に悪影響を及ぼすと共に、リニアリティにも悪影響を与える。
一方、補正キャパシタClcを備えているチャージアンプ10の出力電圧の波形60は、初期だけ変化が発生し、以降は反転のみの繰り返しとなり、積分電荷はほとんど変動せずに反転している。
次に、チャージアンプ10の一部を変形した実施の形態2について説明する。
信号φ1、φ2で制御される切替回路(切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2)は通常はスイッチが互いに同時にONしないように制御されるため、信号φ1、φ2は、図11に示すようなノンオーバーラップ信号となる。また、実際のスイッチはデータ信号が搬送され、スイッチに対して入出力されるデータ信号入出力部とスイッチを制御する制御信号が入力される制御信号入力部との間に静電容量結合が生じる。設計上その結合をキャンセルするためにダミートランジスタを設けるなどの手法がとられるが、無視できない影響が残る場合がある。この場合、図11、図12に示すように、スパイク状のノイズNinが発生する可能性がある。ノイズ発生時に信号φ1、φ2がともにOFFとなっている期間では、演算増幅器11には負帰還がかからずオープンループとなってしまう事から、出力Aoutに大きな出力変化が起こってしまう。この状態から次に信号φ1ないしφ2がONすると帰還キャパシタCfbに不要な電荷が流入してチャージアンプ出力のSN比の劣化が生じる場合がある。
また、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、補正キャパシタClcを設けたことで、切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2が切り替わる度に帰還キャパシタCfbの蓄積電荷が増大して飽和レベルに達してしまうことを回避し、ノイズ耐性とリニアリティを改善することができる。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3は、出力Aoutを駆動電極ノードSinの立ち上りエッジの時はサンプリング容量Csnにサンプリングし、駆動電極ノードSinの立ち下がりエッジの時はサンプリング容量Cspにサンプリングする。
φ1、φ2より短い期間に設定する事で捕捉スイッチSW3(APT)の機能を代用することも可能である。
また、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、補正キャパシタClcを設けたことで、切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2が切り替わる度に帰還キャパシタCfbの蓄積電荷が増大して飽和レベルに達してしまうことを回避し、ノイズ耐性とリニアリティを改善することができる。
次に、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態4は、アナログ/ディジタル変換器20として、1ビット出力のコンパレータ24を用いてデルタシグマ型のアナログ/ディジタル変換器を実現したものである。
Qds=VDD×Cds ・・・(9)
また、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、補正キャパシタClcを設けたことで、切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2が切り替わる度に帰還キャパシタCfbの蓄積電荷が増大して飽和レベルに達してしまうことを回避し、ノイズ耐性とリニアリティを改善することができる。
次に、本発明の実施の形態5について説明する。本実施の形態5は、アナログ/ディジタル変換器20として、1ビット出力のコンパレータ24を用いてデルタシグマ型のアナログ/ディジタル変換器を実現したものである。基本的な構成及び動作は実施の形態4と同様であるので、ここでは主に実施の形態4との相違点について説明する。
また、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、補正キャパシタClcを設けたことで、切替スイッチSW4−1、5−1、4−2、5−2が切り替わる度に帰還キャパシタCfbの蓄積電荷が増大して飽和レベルに達してしまうことを回避し、ノイズ耐性とリニアリティを改善することができる。
2 センサ電極
3 X電極群
4 Y電極群
10 チャージアンプ
11 演算増幅器
12 抵抗素子
20 アナログ/ディジタル変換器
21、24、121 コンパレータ
22 ラッチ回路
23 トラック/ホールド回路 25 ディジタルフィルタ
30 デルタシグマ帰還制御ロジック
110 電荷積分回路
111 差動増幅器
112 帰還経路
Cfb 帰還キャパシタ
Clc 補正キャパシタ
SW3 捕捉スイッチ
SW4−1、SW5−1、SW4−2、SW5−2、SWf1、SWf2、SWr1、SWr2 切替スイッチ(切替回路)
Cm 電極間容量
Cp GND容量
Csn、Csp サンプリング容量
Cds デルタシグマ帰還容量
gmA 第1の電流出力回路
gmB 第2の電流出力回路
gm1、gm2、gm1’、gm2’ 相互コンダクタンス素子
Claims (9)
- センサ電極の電極間容量の検出電荷に応じた電荷が蓄積されるチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換器と、
を備え、
前記チャージアンプは、
第1の帰還経路と第2の帰還経路とを有する演算増幅器と、
前記第1の帰還経路に設けられ、前記電極間容量との間で転送される電荷を蓄積する第1のキャパシタと、
前記第1の帰還経路において前記センサ電極の検出側電極から前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きを切り替える複数の切替スイッチを有し、前記センサ電極の駆動側電極に印加される駆動信号に応じて、前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きが交互に逆になるように前記切替スイッチを制御して前記検出電荷を前記第1のキャパシタで順次積分する切替回路と、
前記第2の帰還経路に設けられた補正用の第2のキャパシタと
を具備し、
前記第2のキャパシタは、前記切替スイッチが切り替え動作を行うときに、前記切替スイッチの寄生容量に起因して前記第1のキャパシタに蓄積される電荷を相殺する電荷を前記第1のキャパシタに供給することを特徴とする静電容量検出回路。 - 前記A/D変換器は、前記チャージアンプの出力電位と参照電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換することを特徴とする請求項1に記載の静電容量検出回路。
- 前記A/D変換器は、前記駆動信号の立ち上りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位と、前記駆動信号の立ち下りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換することを特徴とする請求項1に記載の静電容量検出回路。
- センサ電極の電極間容量の検出電荷に応じた電荷が蓄積されるチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換器と、
を備え、
前記チャージアンプは、
第1の帰還経路と第2の帰還経路とを有する演算増幅器と、
前記第1の帰還経路に設けられ、前記電極間容量との間で転送される電荷を蓄積する第1のキャパシタと、
前記第1の帰還経路において前記センサ電極の検出側電極から前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きを切り替える複数の切替スイッチを有し、前記センサ電極の駆動側電極に印加される駆動信号に応じて、前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きが交互に逆になるように前記切替スイッチを制御して前記検出電荷を前記第1のキャパシタで順次積分する切替回路と、
前記第2の帰還経路に設けられた補正用の第2のキャパシタと
を具備し、
前記A/D変換器は、前記チャージアンプの出力電位と参照電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換し、
前記チャージアンプの出力電位と参照電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換した出力に応じた信号を前記チャージアンプの入力に帰還する第3の帰還回路を備えたことを特徴とする静電容量検出回路。 - センサ電極の電極間容量の検出電荷に応じた電荷が蓄積されるチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換器と、
を備え、
前記チャージアンプは、
第1の帰還経路と第2の帰還経路とを有する演算増幅器と、
前記第1の帰還経路に設けられ、前記電極間容量との間で転送される電荷を蓄積する第1のキャパシタと、
前記第1の帰還経路において前記センサ電極の検出側電極から前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きを切り替える複数の切替スイッチを有し、前記センサ電極の駆動側電極に印加される駆動信号に応じて、前記第1のキャパシタに電荷を供給する向きが交互に逆になるように前記切替スイッチを制御して前記検出電荷を前記第1のキャパシタで順次積分する切替回路と、
前記第2の帰還経路に設けられた補正用の第2のキャパシタと
を具備し、
前記A/D変換器は、前記駆動信号の立ち上りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位と、前記駆動信号の立ち下りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換し、
前記駆動信号の立ち上りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位と、前記駆動信号の立ち下りエッジに対応する前記チャージアンプの出力電位との差分の電位からなるアナログ信号をディジタル信号に変換した出力に応じた信号を前記チャージアンプの入力に帰還する第3の帰還回路を備えたことを特徴とする静電容量検出回路。 - 前記第2のキャパシタは、前記切替スイッチが切り替え動作を行うときに、前記切替スイッチの寄生容量に起因して前記第1のキャパシタに蓄積される電荷を相殺する電荷を前記第1のキャパシタに供給する
請求項4又は請求項5に記載の静電容量検出回路。 - 前記センサ電極の電極間容量に比例した検出電荷及び外来ノイズによる電荷を含む信号の前記チャージアンプへの流入期間を制御する捕捉スイッチを有し、この捕捉スイッチによってチャージアンプ出力となるアナログ信号を、アナログ/ディジタル変換のタイミングにあわせて捕捉することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の静電容量検出回路。
- 前記演算増幅器の帰還経路に、抵抗素子、インピーダンス素子、能動素子又はインピーダンス素子及び能動素子を組み合わせた回路網のいずれかを前記帰還径路に対して並列に接続したことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の静電容量検出回路。
- 請求項1から請求項8のいずれかに記載の静電容量検出回路を備えたことを特徴とする入力デバイス。
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