TW201118387A - Capacitance measurement circuit and method therefor - Google Patents

Description

201118387 TW5552PA ‘ ‘ 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電容值測量電路與其方法，且特 別有關於一種利用轉換單元而不需額外耦合電容之電容 值測量電路與其方法。 【先前技術】 傳統上，多半以機械式開關來實現使用者控制介面。 但，傳統機械式裝置容易壞損。目前，已發展出觸控式開 關。觸控式開關例如是電容式開關等。 為了提升使用上的便利性，目前已研發出的觸控面板 (touch panel)或顯示觸控面板（同時具有顯示與觸控的功 能）可接受使用者的輸入、點選等操作。觸控面板或顯示觸 控面板可應用於各樣電子裝置當中，例如行動電話中。如 此，可讓使用者直接在觸控面板或顯示觸控面板上點選畫 面來進行操作，藉此提供更為便捷且人性化的操作模式。 觸控面板或顯示觸控面板有數種，電容式觸控面板，電容 式顯示觸控面板係屬其中。 當使用者操作電容式觸控面板、電容式顯示觸控面 板、或電容式開關時，其内部的待測電容的電容值會隨使 用者操作而發生變化。故而，如果能偵測待測電容的電容 值與其變化，即可偵測（感覺）使用者的操作。然而，如何 設計出可有效地偵測待測電容之電容值與其變化之電容 值測量電路，以提升電容式觸控面板、電容式顯示觸控面 板、或電容式開關之性能乃為業界不斷致力的方向之一。 然而，現有電容值測量電路除轉換單元外，更需要耦 201118387 • i 合電容（coupling capacitor)，導致電路面積不易縮小且電 路成本不易縮減。 【發明内容】 本發明之一例有關於一種電容值測量電路與其方 法，其不需要耦合電容，縮小電路面積及降低電路成本。 本發明之一範例提出一種電容值測量電路，包括：一 參考電容，具有一第一端與一第二端，該第一端選擇性連 接至一第一參考電壓或一第二參考電壓；一待測電容，具 有一第一端與一第二端，該第一端選擇性連接至該第一參 • 考電壓或該第二參考電壓；一操作放大器，具有一第一輸 入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端連接至該 參考電容之該第二端與該待測電容之該第二端，該第二輸 入端連接至一第三參考電壓；一逼近單元，具有一輸入端 與一輸出端，該輸入端連接至該操作放大器之該輸出端； 以及一轉換單元，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端連 接至該逼近單元之該輸出端，且該輸出端直接連接至該操 作放大器之該第一輸入端。該參考電容與該待測電容分別 耦合一第一電荷量與一第二電荷量至該操作放大器之該 第一輸入端，該第一電荷量與該第二電荷量於該操作放大 器之該第一輸入端形成一輸入電壓，該轉換單元直接耦合 一第三電荷量至該操作放大器之該第一輸入端或者該轉 換單元對該操作放大器之該第一輸入端充放電，直到該輸 入電壓趨近於該第三參考電壓。 本發明之另一範例提出一種電容值測量方法，包括： 初始化一操作放大器；選擇性切換一參考電容至一第一參 201118387

TW5552PA 考电[或—第二參考電壓’以耦合-第-電ί… 第—輸人端’其中該操作放 =壓選擇性切換-待測電=第 操作放大心Γί ，以耦合―第二電荷量至該 I 弟；比較該操作敌大器之Π 輸入端之一輸入電壓與該第三參考電壓；° Μ 么士果，用i車痒七』 ，乂及根據該比較 :=、·ΓΓ :直接麵合—第三電荷量至該操作 〜二 &或者以充放電該操作放大写之該 弟輸入端’直到該輸入電壓趨近於該第三苴 中，一連續逼近結果反應該待測電容之該電容值。i ，、 例 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉實施 並配合所附圖式’作詳細說明如下： 【實施方式】 請參考第1圖，其顯示根據本發明第—實施例之電容 值測量電路之電路示意圖。如第！圖所示，根據本發明第 一實施例之電容值測量電路100包括：參考電容cR，待 測電容CS’操似大器11G，連續逼近暫存器（Successive Approximation Register，SAR)120，數位類比轉換器 (DAC)130，開關S1、開關S2與開關Sc。此外，'^代 表此電容值測量電路100之寄生電容。暫存器140是選擇 性元件，其可暫存由SAR 120所輸出的數位信號，亦可 輸入參數至SAR 120。 參考電容CR連接於開關S1與操作放大器11〇之反 相輸入端之間。參考電容CR之電容值為已知°。待測電六 CS連接於開關S2與操作放大器11〇之反相輸入端之間， 201118387 • * 1 待測電容CS之電容值為未知，且其電容值可能隨著使用 者之操作（比如按壓）而變化。在本發明其他實施例中，參 考電容CR與待測電容CS則可連接至操作放大器110之 非反相輸入端。 操作放大器110之反相輸入端連接至參考電容CR與 待測電容CS ;其非反相輸入端連接至參考電壓VREF3 ; 其輸出端則連接至SAR 120。SAR 120接收操作放大器 110之類比輸出電壓，並據以輸出數位信號給DAC 130。 DAC 130接收SAR 120所輸出之數位信號，並據以耦合 ® 電荷量至操作放大器110之反相輸入端。 開關S1之一端連接至參考電容CR，其另一端則選 擇性連接至參考電壓VREF1與VREF2之一。原則上，參 考電壓VREF1與VREF2之電壓值不同。開關S2之一端 連接至待測電容CS，其另一端則選擇性連接至參考電壓 VREF1與VREF2之一。開關SC之一端連接至操作放大 器110之反相輸入端，其另一端則連接至操作放大器110 之輸出端（但於本發明其他實施例中，開關SC之另一端則 連接至參考電壓VREF3)。參考電壓VREF1比如可為操作 電壓；參考電壓VREF2比如可為接地電壓。為求設計方 便，參考電壓VREF3比如可為操作電壓或接地電壓，但 本實施例並不受限於此。 現說明本實施例之電容值測量電路100之操作原 理。首先，於初始狀態下，開關S1連接至參考電壓 VREF2 ;開關S2貝q連接至參考電壓VREF1 ;開關SC連 接至第三參考電壓VREF3或操作放大器110之輸出端， 201118387 TW5552PA u · 對該操作放大器之反相輸入端充電或放電至參考電壓 VREF3,此時的操作放大器可視為單增益放大器，其兩個 輸入端電壓與輸出端電壓原則上彼此相等。在底下，VX 皆可同時代表節點與節點電壓。此操作可稱為對該操作放 大器之初始化。詳細地說，對比較器之反相輸入端電壓及 非反相輸入端電壓進行初始化，使兩端電壓相等。當然， 本實施例與其他實施例並不受限於此。此外，本發明的底 下實施例與其他實施例亦進行初始化操作，使得操作放大 器的兩輸入端電壓相等。 接著，於開始測量時，開關S1由參考電壓VREF2 切換至參考電壓VREF1 ;開關S2則由參考電壓VREF1 切換至參考電壓VREF2 ;而開關SC則斷路。由於開關 S1由參考電壓VREF2切換至參考電壓VREF1，透過參 考電容CR之耦合效應，參考電容CR會耦合電荷量QR 至節點VX，其中，電荷量QR如下式（1)所示： QR=(VREF1-VREF2)*CR (1) 相似地，開關S2由參考電壓VREF1切換至參考電 壓VREF2，透過待測電容CS之耦合效應，待測電容CS 會耦合電荷量QS至節點VX，其中，電荷量QS如下式（2) 所示： QS=(VREF2-VREF1)*CS (2) 如果待測電袁CS與參考電容CR之電容值不同，則 VX不等於VREF3。當成電壓比較器的操作放大器110會 比較節點電壓VX與VREF3，並將其電壓差值傳送給SAR 120。根據操作放大器110之類比輸出電壓，SAR 120會 201118387 1 1 逼近/調整其數位輸出信號，並將調整後之數位輸出信號送 至DAC 130。之後，DAC 130會根據SAR 120之數位輸 出信號而直接耦合電荷量QC至操作放大器110之反相輸 入端；或是DAC 130對節點電壓VX進行充放電。特別是， 當參考電容CR的電容值大於待測電容CS時且 VREF1>VREF2，貝VX>VREF3 ;反之亦然。 經由SAR 120的連續逼近，最後將使得節點電壓VX 接近於VREF3。如此，SAR 120之輸出數位信號會反應 待測電容CS與參考電容CR間之差值，以推出得知待測 鲁電容CS之電容值。 更甚者，於本發明其他實施例中，開關S1與S2之 操作方式可改為，於初始狀態下，開關S1連接至參考電 廢VREF1，而開關S2連接至參考電壓VREF2。而於開 始測量時，開關S1由參考電壓VREF1切換至參考電壓 VREF2，而開關S2由參考電壓VREF2切換至參考電壓 VREF1。也就是說，於初始狀態下，開關S1與開關S2 I 連接至不同電壓；於開始測量時，開關S1與開關S2連接 至不同電壓。於開始量測時，切換S1及S2至不同電壓， 以利用此切換來輕合電荷量至節點VX。 DAC 130有多種實施方式。底下將分別介紹之。 第2圖顯示根據本發明第二實施例之電容值測量電 路100A之電路示意圖。如第2圖所示，DAC 130A包括 多個電容C1〜CN與多個開關B1〜BN。該些電容C1〜CN 之電容值分別為2NC、...2C、C，其中N為正整數。而該 些開關B1〜BN分別由控制信號b1〜bN所控制，以使該些 201118387 TW5552PA , e t. 電容C1〜CN連接至參考電壓VREF1或參考電壓VREF2。 DAC 130A比如為二位元陣列電荷重分配式 (binary-array charge-redistribution)DAC。由第 2 圖可以 推出DAC 130A直接耦合至操作放大器之電荷量qc如下 式(3): QC=VREF*(b1*2NC+b2*2N1C+...+bN*C) (3) 其中’當bi=1(i=l〜n)b夺，代表開關由參考電壓VREF2 切換至參考電廢VREF1 ;當bi=-1時’代表開關由參考電 壓VREF1切換至參考電壓VREF2 ;當bi = 〇時，代表開 關之切換狀態不變。於連續逼近後，節點電壓νχ會接近 於0。此時的控制信號bN〜b 1 (由SAR 120所輸出）即可反 應待測電容CS與參考電容CR間之差值，以推出得知待 測電容CS之電容值。 第3圖顯示根據本發明第三實施例之電容值測量電 路100B之電路示意圖。如第3圖所示，DAC 130B包括 多個電阻R1〜RN與多個開關B1〜BN。該些電阻R1〜rn 之電容值分別為2R、4R...2NR，其中N為正整數 。而該 些開關B1〜BN分別由控制信號b 1〜bN所控制，以使該些 電阻R1〜RN連接至參考電壓VREF1或參考電壓 VREF2。此外’於第三實施例中’參考電壓vref3可為 參考電壓VREF1與VREF2之平均值 (VREF3=0.5*(VREF1+VREF2)。 DAC 130B比如為二位元權重電阻式（bjnary weighted resistor)DAC。 亦即，DAC 130B對節點電壓νχ充放電，而使得節 201118387

* TW5552PA 點電壓VX趨近於VREF3。特別是在VREF1>VREF2，當 VX<VREF3(也就是CR<CS)時，DAC 130B對節點電壓 VX充電，使之接近VREF3 ;反之，當VX>VREF3(也就 是CR>CS)時，DAC 130B對節點電壓VX放電，使之至 接近V R E F 3。 於連續逼近後，節點電壓VX會接近於VREF3。此 時的控制信號bN〜b1 (由SAR 120所輸出）即可反應待測電 容CS與參考電容CR間之差值，以推出得知待測電容CS 之電容值。 ® 第4圖顯示根據本發明第四實施例之電容值測量電 路100C之電路示意圖。如第4圖所示，DAC 130C包括 多個定電流對與多個開關B1〜BN。該些定電流對包括：吸 收電流卜丨/2…I/2N·1的定電流源1_1 ' 2__1、…N_1與送 出電流卜丨/2…丨/2n_1的定電流源1_2、2_2、…N_2，其 中N為正整數。該些開關B1〜BN分別由控制信號b1〜bN 所控制’以使節點VX連接至參考電壓VREF1或參考電 φ壓VREF2或淨接。當開關將節點VX連接至定電流源 1_1、2_1、…N一1時，節點νχ會被放電；反之，當開關 將節點VX連接至定電流源、2_2、 N_2時，節點 VX會被充電。 DAC 130C比如為二位元電流式（bjnary current)DAC。由第4圖可以推出DAC 130C耦合至操作 放大裔110之電荷量QC如下式（5): QC=At*(b1*l + b2*(|/2)+...+bN*(,/2N-1)} (4) 其中’ 代表單位時間。當bi = 1時，代表開關連錢 201118387 TW5552PA , . 至電流源1_2、2_2、·.· N_2 ;當bi=-1時，代表開關切換 至電流源1_1、2_1、…N_1 ;當bi=0時，代表開關為浮 接。 亦即，DAC 130C藉由對節點電壓VX之充放電操作 而使得節點電壓VX趨近於VREF3。特別是在 VREF1>VREF2,當 VX<VREF3(也就是 CR<CS)時，DAC 130C對節點電壓VX充電，使之充電至接近VREF3 ;反 之，當VX>VREF3(也就是CR>CS)時，DAC 130C對節 點電壓VX放電，使之放電至接近VREF3。 連續逼近後’節點電壓VX接近於VREF3。控制信 號bN〜b1 (由SAR 120所輸出）反應待測電容與參考電 容CR間之差值，以推出得知待測電容cs之電容值。 综上所述，本發明上述實施例之優點至少在於，由於 不需要額外的耦合電容，故能縮小電路面積及降低電路成 本。 综上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，缺其並 非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常㈣ 者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動 與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視^之申請 = 圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示根據本發明貫施例之電容值測量電路之 電路示意圖。 第2〜4圖分別顯示根據本發明第二至第四實施例之 電容值測量電路之電路示意圖。 201118387 * 1 【主要元件符號說明】 100、100A、100B、100C :電容值測量電路 CR :參考電容 CS :待測電容 CP :寄生電容 S1、S2、SC :開關 110 :操作放大器 120 :連續逼近暫存器 130 :數位類比轉換器 140 :暫存器 C1〜CN :電容 B1〜BN :開關

Claims (1)

1. 201118387 TW5552PA * · 七、申請專利範圍： 1. 一種電容值測量電路，包括： 一參考電容，具有一第一端與一第二端，該第一端選 擇性連接至一第一參考電壓或一第二參考電壓； 一待測電容，具有一第一端與一第二端，該第一端選 擇性連接至該第一參考電壓或該第二參考電壓； 一操作放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與 一輸出端，該第一輸入端連接至該參考電容之該第二端與 該待測電容之該第二端，該第二輸入端連接至一第三參考 電壓； 一逼近單元，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端連 接至該操作放大器之該輸出端；以及 一轉換單元，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端連 接至該逼近單元之該輸出端，且該輸出端直接連接至該操 作放大器之該第一輸入端； 其中，該參考電容與該待測電容分別耦合一第一電荷 量與一第二電荷量至該操作放大器之該第一輸入端，該第 一電荷量與該第二電荷量於該操作放大器之該第一輸入 端形成一輸入電壓，該轉換單元直接耦合一第三電荷量至 該操作放大器之該第一輸入端或該轉換單元對該操作放 大器之該第一輸入端充放電，直到該操作放大器之該第一 輸入端之該輸入電壓趨近於該第三參考電壓。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電容值測量電路， 其中， 如果該待測電容與該參考電容之電容值不同，該操作 14 201118387 * ·ΐνν»：)2ΡΑ· 放大器之該第一輸入端之該輸入電壓不同於該第三參考 值，該操作放大器傳送一輸出電壓給該逼近單元； 根據該操作放大器之該輸出電壓，該逼近單元輸出一 數位輸出信號至該轉換單元； 該轉換單元根據該逼近單元之該數位輸出信號而耦 合該第三電荷量至該操作放大器之該第一輸入端，或者， 該轉換單元根據該逼近單元之該數位輸出信號而充放電 該操作放大器之該第一輸入端之該輸入電壓；以及 該逼近單元進行一連續逼近操作直到該輸入電壓趨 ® 近於該第三參考電壓，該逼近單元之該數位輸出信號反應 該待測電容與該參考電容間之一電容差值，以得知該待測 電容之電容值。 3. 如申請專利範圍第1項所述之電容值測量電路， 更包括： 一第一開關，具有一第一端與一第二端，該第一端連 接至該參考電容之該第一端，該第二端則選擇性連接至該 I 第一參考電壓或該第二參考電壓； 一第二開關，具有一第一端與一第二端，該第一端連 接至該待測電容之該第一端，該第二端則選擇性連接至該 第一參考電壓或該第二參考電壓；以及 一第三開關，具有一第一端與一第二端，該第一端連 接至該操作放大器之該第一輸入端，該第二端則選擇性連 接至該第三參考電壓或該操作放大器之該輸出端。 4. 如申請專利範圍第3項所述之電容值測量電路， 其中，於一初始狀態下， 15 201118387 TW5552PA - · 該第一開關連接至該第二參考電壓； 該第二開關連接至該第一參考電壓； 該第三開關連接該操作放大器之該第一輸入端至該 第三參考電壓或該操作放大器之該輸出端。 5. 如申請專利範圍第4項所述之電容值測量電路， 其中，於開始測量時： 該第一開關由該第二參考電壓切換至該第一參考電 壓，以耦合該第一電荷量至該操作放大器之該第一輸入 端； 該第二開關由該第一參考電壓切換至該第二參考電 壓，以耦合該第二電荷量至該操作放大器之該第一輸入 端；以及 該第三開關斷路。 6. —種電容值測量方法，包括： 初始化一操作放大器； 選擇性切換一參考電容至一第一參考電壓或一第二 參考電壓，以耦合一第一電荷量至該操作放大器之一第一 輸入端，其中該操作放大器之一第二輸入端連接至一第三 參考電壓； 選擇性切換一待測電容至該第一參考電壓或該第二 參考電壓，以耦合一第二電荷量至該操作放大器之該第一 輸入端； 比較該操作放大器之該第一輸入端之一輸入電壓與 該第三參考電壓；以及 根據該比較結果，用連續逼近方式以直接耦合一第三 16 201118387 電荷量至該操作放大哭 作放大^之料-^ 電該操 參考電壓，1中直到該輸入電壓趨近於該第三 六 /、，—連續逼近結果反應該待測電容之該電 其中 7.如申請專利範圍第6項所述之電容值測量方法， ^ 乂果該待測電容與該參考電容之電容值不同，則奸 $之料-輸人端之該輸人電壓不呆 考值，該操作放大器比較並傳送一輸出電壓；參 號；根據該操作放大器之該輸出電壓’輸出一數位輸出信 根據該數位輸出信號_合該第三 放大器之該第一輪人#妷+ 里至》亥知作 輸入端；以ί 或充放電該操作放大器之該第- 參考電進Γ:近 =直到該輪，趨近於該第= 間”電容差值，以得參考電容 於一二申;;專利範圍第6項所述之電容值測量方法， ^初始狀您下，該方法更包括： 云 連接該參考電容至該第二參考 至該第一參考電壓；以及 連接遠相電容 連接騎作放大II之該第_輸人 壓或該操作放大器之一輸出端。 °亥弟二參考電 9.如申請專利範圍第6項所述之 日 其中，於開始測量時，該方法更包括電讀測1方法， η 201118387 TW5552FA . - 切換該參考電容至該第一參考電壓，以耦合該第一電 荷量至該操作放大器之該第一輸入端； 切換該待測電容至該第二參考電壓，以耦合該第二電 荷量至該操作放大器之該第一輸入端；以及 斷路該操作放大器之該第一輸入端於該第三參考電 壓或該操作放大器之該輸出端。

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