TW201804728A

TW201804728A - 使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路

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Publication number: TW201804728A
Application number: TW105122850A
Authority: TW
Inventors: 巫松翰; 劉昌淵
Original assignee: 原相科技股份有限公司
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-02-01

Abstract

一種使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，可程式化帶通濾波電路包含一運算放大器、一輸入電阻、一回授電阻、一回授電容，運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，第一輸入端耦接至參考電位，輸入電阻具有一第一端耦接至一感測電容值及一第二端耦接至運算放大器之第二輸入端，回授電阻耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，以及回授電容耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間。

Description

使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路

本發明係關於一種電容感測機制，尤指一種使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路。

一般而言，傳統的電容感測機制係分別採用一可程式化增益放大器及一反鋸齒濾波器，以執行將一感測電容之電容值轉換為一電壓值以及執行反鋸齒的操作，然而，這樣的電路成本相對較高。此外，傳統的電容感測機制也可能會產生模糊效應的現象，造成被觸控之感測單元（touched cell）鄰近的未被觸控之感測單元（non-touched cell）的電容值亦有可能增加的現象而誤判。

因此本發明之目的之一在於提供一種使用於電容感測之一類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，以解決傳統電容感測機制的問題。

根據本發明之實施例，其係揭露了一種使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路。可程式化帶通濾波電路包含一運算放大器、一輸入電阻、一回授電阻、一回授電容，運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，第一輸入端耦接至參考電位，輸入電阻具有一第一端耦接至一感測電容值及一第二端耦接至運算放大器之第二輸入端，回授電阻耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，以及回授電容耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間。

此外，根據本發明之實施例，另揭露了一種使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，可程式化帶通濾波電路包含一運算放大器、一回授電阻、一回授電容及一分流電路，運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，第一輸入端耦接至參考電位，第二輸入端耦接至感測電容值，回授電阻耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，回授電容耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，分流電路具有一第一端耦接於運算放大器之第二輸入端與感測電容值之間及具有一第二端耦接至參考電位，其用以降低位於運算放大器之第二輸入端之一訊號的電壓振幅。

此外，根據本發明之實施例，另揭露了一種使用於電容感測之類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，可程式化帶通濾波電路包含一運算放大器、一回授電阻、一回授電容、一電壓緩衝電路、一分流電阻。運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，第一輸入端耦接至參考電位，第二輸入端耦接至感測電容值，回授電阻耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，回授電容耦接於運算放大器之第二輸入端與運算放大器之輸出端之間，電壓緩衝電路耦接至參考電位並用以緩衝並輸出參考電位，分流電阻具有一第一端耦接於運算放大器之第二輸入端與感測電容值之間以及具有一第二端耦接至電壓緩衝電路之輸出端以耦接至緩衝後的參考電位。

根據以上實施例，該可程式化帶通濾波電路可兼具根據感測電容值產生對應電壓值、高通濾波及低通濾波的功能與操作，使類比前端電路的電路面積尺寸較小，並通過分流電路來降低一般電容感測機制可能造成之模糊效應的現象及增加訊號的動態處理範圍。若分流電路採用分流電阻與電壓緩衝電路之作法並通過另一運算放大器來實現電壓緩衝電路，電路成本也會較小並且系統效能也會相對穩定。

第1圖為本發明之一實施例使用於一電容值偵測領域之類比前端電路100的電路示意圖。類比前端電路100包括一可程式化帶通濾波電路（Programmable Band-Pass Filter, PBPF）105以及一類比數位轉換器110，可程式化帶通濾波電路105耦接於一觸控面板101與一數位後端電路102，其整合兼具有根據一感測電容值產生一對應電壓值、高通濾波及低通濾波的功能與操作，因此相較傳統的機制來說，本案之類比前端電路100的電路面積尺寸較小。類比前端電路100的輸入端係耦接至觸控面板101而其輸出端係耦接至數位後端電路102，觸控面板101可執行自容感測及/或互容感測來偵測使用者的觸控操作，可程式化帶通濾波電路105係用以耦接於觸控面板101所形成之自容及/或互容，以偵測出使用者的觸控事件，可程式化帶通濾波電路105可根據所形成之自容值及/或互容值來產生對應的電壓訊號，並通過高通濾波的功能以濾除該電壓訊號中的低頻雜訊成份、以及通過低通濾波的功能以濾除其高頻雜訊成份以減小或避免訊號中存在反鋸齒（anti-aliasing）的現象，之後可程式化帶通濾波電路105所產生之類比輸出訊號由類比數位轉換器110轉換為一數位輸出訊號，後續的數位後端電路102可根據該數位輸出訊號進行訊號處理。

實作上，可程式化帶通濾波電路105包括一運算放大器OP1、電阻Ri、回授電容Cf、回授電阻Rf，舉例來說，在互容感測模式，輸入訊號Vin為一驅動訊號，而電容Cm為因應於使用者的觸控事件而產生形成之互容值（然此並非本案的限制，可程式化帶通濾波電路105亦可於自容感測模式時因應於所形成之自容值來執行對應的操作與功能），所形成之電容Cm耦接於輸入訊號Vin與電阻Ri之間，電阻Ri耦接於運算放大器OP1之反向輸入端與電容Cm之間，運算放大器OP1之正向輸入端係耦接於一參考電位Vref，回授電容Cf、回授電阻Rf均分別耦接於運算放大器OP1之反向輸入端與其輸出端之間，運算放大器OP1於其輸出端產生輸出訊號Vout至類比數位轉換器110，可程式化帶通濾波電路105的頻率響應、轉角頻率Fc1、Fc2可表示如下：

此外，於另一實施例中，可程式化帶通濾波電路可另設置並包括一低通濾波電路以增加濾波器本身的銳利度（sharpness）。第2圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路105之另一實施例的電路示意圖。可程式化帶通濾波電路105包括運算放大器OP1、電阻Ri、回授電容Cf、回授電阻Rf以及電阻Ri1、電容Ci1，舉例來說，在互容感測模式，輸入訊號Vin為一驅動訊號，而電容Cm為因應於使用者的觸控事件而產生形成之互容值（然此並非本案的限制，可程式化帶通濾波電路105亦可於自容感測模式時因應於所形成之自容值來執行對應的操作與功能），所形成之電容Cm耦接於輸入訊號Vin與電阻Ri1之間，電阻Ri1、電容Ci1形成一低通濾波器架構，該低通濾波器架構的輸出端（亦即電阻Ri1、電容Ci1之間的節點）耦接至電阻Ri，電阻Ri耦接於運算放大器OP1之反向輸入端與電容Cm之間，運算放大器OP1之正向輸入端係耦接於一參考電位Vref，回授電容Cf、回授電阻Rf均分別耦接於運算放大器OP1之反向輸入端與其輸出端之間，運算放大器OP1於其輸出端產生輸出訊號Vout至類比數位轉換器110。

此外，於其他實施例中，前述之回授電容Cf的容值及/或回授電阻Rf的阻值均為可變的或可程式化的（programmable），可因應於不同的驅動訊號的頻率，通過回授電容Cf之可程式化的容值可適應性地調整或改變可程式化帶通濾波電路105的帶通頻帶以及類比前端電路100的增益值大小，而通過回授電阻Rf之可程式化的阻值亦可適應性地調整或改變可程式化帶通濾波電路105的帶通頻帶以及類比前端電路100的增益值大小。

再者，在其他實施例中，可程式化帶通濾波電路可另採用一分流電路（shunt circuit），以增進其訊號的動態處理範圍（dynamic range）及降低模糊效應（smearing effect）的影響。第3圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路105之另一實施例的電路示意圖。第3圖之可程式化帶通濾波電路105包括運算放大器OP1、電阻Ri、回授電容Cf、回授電阻Rf以及一分流電路106，舉例來說，電容感測的模糊效應係指在被觸控之感測單元鄰近的未被觸控之感測單元的電容值亦有可能增加的現象，本案係通過採用分流電路106以解決此一問題。實作上，於本實施例中，分流電路106包括有一電阻Rs以及一電壓緩衝電路107（可由運算放大器OP2所實現，但不限定，例如亦可由 MOSFET金屬氧化物半導體場效電晶體或BJT雙極電極體所實現），電阻Rs之第一端耦接於電容Cm與電阻Ri之間，其第二端耦接至運算放大器OP2的輸出端，電壓緩衝電路107係用以緩衝並輸出參考電位Vref至電阻Rs的第二端，運算放大器OP2之非反向輸入端耦接於參考電位Vref，其反向輸入端耦接於該運算放大器OP2的輸出端。需注意的是，分流電路106並不會影響可程式化帶通濾波電路105之頻率響應的極點大小，此外，通過運算放大器OP2來實現電壓緩衝電路107的功能與操作可具有低電路成本及穩定系統效能的優點。

此外，分流電路106亦可簡單採用一阻抗元件來實現。第4圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路105之另一實施例的電路示意圖。第4圖之可程式化帶通濾波電路105包括運算放大器OP1、電阻Ri、回授電容Cf、回授電阻Rf以及一分流電路106，實作上，簡單來說，分流電路106可直接利用一阻抗元件（例如電阻Rs）來實現。電阻Rs之第一端耦接於電容Cm與電阻Ri之間，其第二端耦接至參考電位Vref。

此外，第3圖所示之包括分流電路106的可程式化帶通濾波電路105亦可於自容感測模式中偵測自容值及/或於互容感測模式中偵測互容值，請參照第5圖，第5圖為第3圖所示之可程式化帶通濾波電路105之實施例應用於自容感測及互容感測的電路示意圖，其中Cs為一觸控面板因應於一使用者觸控事件所形成之一自容值。

再者，可程式化帶通濾波電路105亦可設計為包括有分流電路106而不包括輸入電阻Ri的架構，請參照第6圖，第6圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路105之另一實施例的電路示意圖；其他電路元件的操作與說明均同於上述，為省略篇幅，不再贅述。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧類比前端電路
101‧‧‧觸控面板
102‧‧‧數位後端電路
105‧‧‧可程式化帶通濾波電路
106‧‧‧分流電路
107‧‧‧電壓緩衝電路
110‧‧‧類比數位轉換器
Cm、Ci1、Cs‧‧‧電容
Cf‧‧‧回授電容
Rf‧‧‧回授電阻
Ri、Ri1、Rs‧‧‧電阻
OP1、OP2‧‧‧運算放大器

第1圖為本發明之一實施例使用於一電容值偵測領域之類比前端電路的電路示意圖。第2圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路之另一實施例的電路示意圖。第3圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路之另一實施例的電路示意圖。第4圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路之另一實施例的電路示意圖。第5圖為第3圖所示之可程式化帶通濾波電路之實施例應用於自容感測及互容感測的電路示意圖。第6圖為第1圖所示之可程式化帶通濾波電路之另一實施例的電路示意圖。

100‧‧‧類比前端電路

101‧‧‧觸控面板

102‧‧‧數位後端電路

105‧‧‧可程式化帶通濾波電路

110‧‧‧類比數位轉換器

Cm‧‧‧電容

Cf‧‧‧回授電容

Rf‧‧‧回授電阻

Ri‧‧‧電阻

OP1‧‧‧運算放大器

Claims

一種使用於電容感測之一類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，包含有：一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接至一參考電位；一輸入電阻，具有一第一端耦接至一感測電容值及一第二端耦接至該運算放大器之該第二輸入端；一回授電阻，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間；以及一回授電容，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間。
如申請專利範圍第1項所述之可程式化帶通濾波電路，其另包含：一低通濾波電路，包括：一第一電阻，具有一第一端耦接至該感測電容值及一第二端耦接至該輸入電阻；以及一第一電容，具有一第一端耦接至該第一電阻之該第二端及具有一第二端耦接至一接地準位。
如申請專利範圍第1項所述之可程式化帶通濾波電路，其另包含：一分流電路，具有一第一端耦接於該輸入電阻與該感測電容值之間及具有一第二端耦接至該參考電位，用以降低位於該第一端之一訊號的電壓振幅。
如申請專利範圍第3項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該分流電路包含有：一電壓緩衝電路，耦接至該參考電位，用以緩衝並輸出該參考電位；以及一分流電阻，具有一第一端耦接至該輸入電阻與該感測電容值之間以及具有一第二端耦接至該電壓緩衝電路之一輸出端以耦接至該緩衝後之參考電位。
如申請專利範圍第4項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該電壓緩衝電路為一放大器電路。
如申請專利範圍第3項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該分流電路包含有：一分流電阻，具有一第一端耦接至該輸入電阻與該感測電容值之間以及具有一第二端耦接至該參考電位。
如申請專利範圍第1項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該感測電容值係一自容值及/或一互容值。
如申請專利範圍第1項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該回授電阻具有一可程式化之電阻值。
如申請專利範圍第1項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該回授電容具有一可程式化之電容值。
一種使用於電容感測之一類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，包含有：一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接至一參考電位，該第二輸入端耦接至一感測電容值；一回授電阻，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間；一回授電容，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間；以及一分流電路，具有一第一端耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該感測電容值之間及具有一第二端耦接至該參考電位，用以降低位於該運算放大器之該第二輸入端之一訊號的電壓振幅。
一種使用於電容感測之一類比前端電路的可程式化帶通濾波電路，包含有：一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接至一參考電位，該第二輸入端耦接至一感測電容值；一回授電阻，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間；一回授電容，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該運算放大器之該輸出端之間；一電壓緩衝電路，耦接至該參考電位，用以緩衝並輸出該參考電位；以及一分流電阻，具有一第一端耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該感測電容值之間以及具有一第二端耦接至該電壓緩衝電路之一輸出端以耦接至該緩衝後之參考電位。
如申請專利範圍第11項所述之可程式化帶通濾波電路，其中該電壓緩衝電路為一放大器電路。