TWI466028B - 具有反相積分器與非反相積分器的積分器電路 - Google Patents

具有反相積分器與非反相積分器的積分器電路 Download PDF

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TWI466028B
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Seon-Woong Jang
Hyung-Cheol Shin
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Description

具有反相積分器與非反相積分器的積分器電路
本發明是有關於一種積分器電路(integrator circuit)，且特別是有關於一種抗雜訊(noise-robust)之積分器電路。
諸如液晶顯示器(liquid crystal display)及有機發光顯示器(organic light emitting display)之顯示裝置、可攜式通訊裝置(portable communication device)、及資訊處理裝置等是利用各種輸入裝置來執行其功能。作為一種此類輸入裝置，觸控螢幕(touch screen)裝置廣泛用於可攜式電話、智慧型電話(smart phone)、掌上型(palm-size)PC及自動櫃員機(automated teller machine，ATM)中。
觸控螢幕藉由使手指、觸摸筆(touch pen)或尖筆(stylus)觸摸其螢幕以進行文字寫入或繪畫來執行所期望之命令，並藉由選擇圖符(icon)來執行程式碼。觸控螢幕裝置可感測手指或觸摸筆是否已觸碰於其表面上，並判斷觸碰位置。
觸控螢幕可根據其觸摸感測方法而被分類為電阻式(resistive type)觸控螢幕與電容式(capacitive type)觸控螢幕。
電阻式觸控螢幕之配置是將電阻材料塗覆於玻璃或透明塑膠板上，然後在上面覆蓋聚酯膜(polyester film)。在其螢幕受到觸摸時，電阻式觸控螢幕偵測電阻之變化來感測觸摸點。電阻式觸控螢幕之侷限性在於，當觸摸壓力較 弱時，其不能夠感測觸摸輸入。
電容式觸控螢幕可藉由在玻璃或透明塑膠板之兩側或一側上形成電極來提供。電容式觸控螢幕可藉由以下方式偵測觸摸點：在兩個電極之間施加電壓，然後在諸如手指之物體觸摸其螢幕時，分析此二電極之間電容的變化。
電容式觸控螢幕需要具有一種用於量測在一個電極處或兩個電極之間所形成之電容之電路才能感測一觸摸點。此種電容量測電路一直主要用於量測各種電路或裝置之電容。然而，由於各種可攜式裝置現在提供觸摸輸入介面，故用於感測使用者之觸摸或接近(proximity)之電容量測電路之應用範圍正在擴大。
典型的可攜式電話之觸控螢幕所用之電容量測電路之侷限性在於，周圍環境之變化所造成之各種雜訊會引起故障(malfunction)。
本發明之實施例提供電容式抗雜訊積分器電路以及使用所述積分器電路中之一的輸入感測電路。
本發明提供一種抗雜訊之積分器電路。
本發明亦提供一種使輸入感測誤差減少的方法，所述方法藉由對用於感測觸控螢幕輸入之感測器區塊(sensor block)使用所述抗雜訊積分器電路來減少因觸摸輸入所產生之雜訊而造成之輸入感測誤差。
根據本發明之一態樣，提供一種積分器電路，包括：第一運算放大器；第二運算放大器；以及電容器。所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之反相輸入端子被配置成分別經由第一開關與第二開關而連接至所述電容器之第一端子。所述電容器之第二端子被配置成分別經由第三開關與第四開關而連接至第一電位與第二電位。所述第一運算放大器之所述反相輸入端子與輸出端子被配置成經由第一反饋電容器而相互連接，所述第二運算放大器之所述反相輸入端子與輸出端子則被配置成經由第二反饋電容器而相互連接。且所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之非反相輸入端子被配置成連接至第三電位。
所述第三電位可相同於所述第二電位。
第一重設開關可被配置成與第一反饋電容器並聯地連接於第一運算放大器之反相輸入端子與輸出端子之間，且第二重設開關可被配置成與第二反饋電容器並聯地連接於所述第二運算放大器之反相輸入端子與輸出端子之間。
所述第一開關與所述第三開關可由第一時脈驅動，且所述第二開關與所述第四開關可由第二時脈驅動。
所述第一時脈與所述第二時脈之接通間隔(on-interval)可交替地顯示於時間軸上。第一時脈之這些接通間隔之一部分與第二時脈之這些接通間隔之一部分可同時出現。另一選擇為，當第一時脈與第二時脈其中之一處於接通狀態時，另一者可處於斷開狀態。
所述電容器可由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案 及驅動圖案形成。
所述電容器之兩個端子中連接至所述第一運算放大器及所述第二運算放大器的一個端子可對應於所述感測圖案。
所述感測圖案可相較於所述驅動圖案而設置於所述觸控螢幕之外側。換言之，所述感測圖案可設置成較所述驅動圖案更靠近諸如手指之類的觸摸物體。
所述電容器之兩個端子中連接至所述第一運算放大器及所述第二運算放大器的一個端子可為藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
根據本發明之另一態樣，提供一種電容式觸控螢幕之輸入感測電路，在所述電容式觸控螢幕中形成有感測圖案及驅動圖案。所述輸入感測電路包括：第一運算放大器；以及第二運算放大器。所述感測圖案被配置成分別經由第一開關而連接至所述第一運算放大器之反相輸入端子、以及經由第二開關而連接至所述第二運算放大器之反相輸入端子。所述驅動圖案被配置成分別經由第三開關與第四開關而連接至第一電位與第二電位。所述第一運算放大器之所述反相輸入端子與輸出端子被配置成經由第一反饋電容器而相互連接，且所述第二運算放大器之所述反相輸入端子與輸出端子經由第二反饋電容器而相互連接。且所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之非反相輸入端子連接至第三電位。
所述第一開關與所述第三開關可由第一時脈驅動，且 所述第二開關與所述第四開關由第二時脈驅動。
根據本發明之又一態樣，提供一種開關電容器式積分器電路。所述開關電容器式積分器電路包括：反相開關電容器式積分器電路；以及非反相開關電容器式積分器電路，其連接至所述反相開關電容器式積分器電路。所述反相開關電容器式積分器電路之取樣電容器被所述非反相開關電容器式積分器電路共用。
所述反相開關電容器式積分器電路可對充電於所述取樣電容器中之電荷進行時間積分，以輸出負電壓，且所述非反相開關電容器式積分器電路可對充電於所述取樣電容器中之電荷進行時間積分，以輸出正電壓。
所述反相開關電容器式積分器電路之積分時間間隔之至少一部分可不交疊於所述非反相開關電容器式積分器電路之積分時間間隔。
所述取樣電容器可由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案與驅動圖案形成。
所述取樣電容器之兩個端子中連接至所述反相開關電容器式積分器電路與所述非反相開關電容器式積分器電路的一個端子可為藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
根據本發明之再一態樣，提供一種積分器電路。所述積分器電路包括：電容器；充電/放電電路，連接至所述電容器，以對所述電容器進行充電/放電；反相積分器電路，連接至所述充電/放電電路；以及非反相積分器電路，連接 至所述充電/放電電路。
所述反相積分器電路可對充電於所述電容器中之電荷進行時間積分，以輸出負電壓，且所述非反相積分器電路可對充電於所述電容器中之電荷進行時間積分，以輸出正電壓。
所述電容器可由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案與驅動圖案形成。
所述電容器之兩個端子中連接至所述反相積分器電路與所述非反相積分器電路的一個端子可為藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
所述反相積分器電路之積分時間間隔之至少一部分可不交疊於所述非反相積分器電路之積分時間間隔。
所述電容器之兩個端子中連接至所述第一運算放大器及所述第二運算放大器的一個端子可對應於所述感測圖案。
所述感測圖案可相較所述驅動圖案而設置於所述觸控螢幕之外側。
根據本發明之另一態樣，提供一種積分器電路。所述積分器電路包括：第一運算放大器；第二運算放大器；以及電容器。所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之反相輸入端子被配置成分別連接至所述電容器之第一端子。所述第一運算放大器之所述反相輸入端子與輸出端子被配置成經由串聯連接之第一反饋電容器與第一開關而相互連接，且所述第二運算放大器之所述反相輸入端子與輸 出端子則經由串聯連接之第二反饋電容器與第二開關而相互連接。所述電容器之第二端子被配置成分別經由第三開關與第四開關而連接至第一電位與第二電位。且所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之非反相輸入端子連接至第三電位。
所述第三電位可相同於所述第二電位。
第一重設(reset)開關可被配置成與第一反饋電容器並聯地連接於第一運算放大器之反相輸入端子與輸出端子之間，且第二重設開關可被配置成與第二反饋電容器並聯地連接於所述第二運算放大器之反相輸入端子與輸出端子之間。
根據本發明之一實施例，當利用來自開關電容器式積分器電路之輸出時，可減輕雜訊積分效應(noise-integration effect)。
結合附圖閱讀下文的說明，可更詳細地理解本發明之實例性實施例。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下，將參照附圖來描述本發明之某些實施例。儘管是參照具體實施例來描述本發明，然而，本發明之範圍並非僅限於此。因此，熟習此項技術者將易於理解，可在不 脫離由隨附申請專利範圍所界定之本發明精神及範圍之條件下對所述具體實施例作出各種潤飾及更動。在下文的說明中，技術用語僅用於解釋具體實例性實施例，而非用於限制本發明。除另有說明外，單數形式之用語亦可包含複數形式。
圖1繪示觸控螢幕裝置，所述觸控螢幕裝置用於應用本發明之實施例。
如圖1所示，所述觸控螢幕裝置可包括觸控面板(touch panel)1、電容量測電路200及觸摸確定部件300。
觸控面板1可包括多條感測信號線Y1 、Y2 、Y3 、...、Yn 以及多條驅動信號線X1 、X2 、X3 、...、Xn ，這些感測信號線Y1 、Y2 、Y3 、...、Yn 與驅動信號線X1 、X2 、X3 、...、Xn 被形成為相互絕緣。為方便起見，感測信號線與驅動信號線在圖1中被顯示為線，但實際上可被實施為電極圖案。術語「感測信號線」可與術語「感測線」及「感測電極」互換使用，且術語「驅動信號線」可與術語「驅動線」及「驅動電極」互換使用。在圖1中，顯示所述多條感測信號線與驅動信號線相互絕緣並相交，但本發明並非僅限於此。視具體實施方案而定，這些感測信號線與驅動信號線可不彼此相交。
用來表示觸摸點之感測節點(sensing node)110可被定義為一條感測信號線與一條驅動信號線之組合，且每一感測節點110均包括節點電容器112。節點電容器112可由相互絕緣且分離之感測信號線與驅動信號線形成。在圖 1中，將由第i 條驅動信號線與第j 條感測信號線形成之節點電容器112之電容表示為C ij 。
電容量測電路200電性連接至所述多條感測信號線Y1 、Y2 、Y3 、...、Yn 以及驅動信號線X1 、X2 、X3 、...、Xn ，以量測節點電容器112之電容C ij 。
該觸摸確定部件300根據由電容量測電路200所量測之節點電容器112之電容來分析電容變化，以感測使用者所觸摸之觸摸點。
圖2繪示圖1之觸控螢幕裝置之實例。
圖2是概念性的配置圖，用於描述整個觸控螢幕裝置中被直接觸摸之觸控螢幕面板的操作以判斷物體是否進行觸摸輸入。感測圖案100及驅動圖案101可由導電材料形成，並電性連接至觸控螢幕驅動電路及其他在判斷是否存在觸摸輸入時所將使用之元件。因此，可根據感測圖案100及驅動圖案101之形狀而提供各種觸控螢幕面板。介電層102可設置於感測圖案100與驅動圖案101之間。因此，由導電材料形成之感測圖案100與驅動圖案101可與其間之介電層102一起形成電容器。可於感測圖案100上形成保護視窗103，以保護該感測圖案100、驅動圖案101及介電層102。當一觸摸物體處於保護視窗103上或附近時，感測圖案100與驅動圖案101間之電容可發生變化。
圖3是圖2之觸控螢幕裝置之概念性的配置圖之平面視圖。
圖3同時繪示感測圖案100與驅動圖案101。
在觸控螢幕裝置中可形成多個寬的矩形驅動圖案101。當施加電壓至驅動圖案101時，在感測圖案100與驅動圖案101之間便產生電場。感測圖案100可具有較驅動圖案101為窄之形狀。因此，當施加電壓至驅動圖案101時，感測圖案100不能完全覆蓋驅動圖案101。電場自驅動圖案101流動至感測圖案100。當出現觸摸輸入時，所述電場之至少一部分流動至觸摸物體，換言之，當出現觸摸輸入時，電場會發生變化。因此，在感測圖案100與驅動圖案101之間形成之電場會隨觸摸輸入而變化。電場之此種變化導致在感測圖案100與驅動圖案101之間形成之電容發生變化。感測器可感測此電容值以判斷是否具有觸摸輸入。
為便於說明及清楚起見，圖3之圖案是觸控螢幕之各種電極圖案之一實例。應理解，本發明之精神及範圍並非僅限於此。
圖4是沿圖3中的線203截取之剖視圖。
參見圖4，當在保護視窗103上方由電場(即，虛線)所佔據之區域中進行觸摸輸入時，因經由所述區域進入感測圖案100之電場路徑之至少一部分發生變化，故在電容器中積聚之電荷之總量相較於無觸摸輸入時減少。因此，若感測到驅動圖案101與感測圖案100間之電容減小，則可確定已在此點發生觸摸輸入。
至此，已描述了用於判斷是否對觸控螢幕進行觸摸輸入之原理中的一種。現在，將描述用於量測電容變化的本 發明之某些實施例。
圖5是繪示根據本發明實施例之驅動電路之示意圖，所述驅動電路可用於驅動觸控螢幕。
如圖5所示，驅動電路10可包括充電/放電電路11、感測部件12及電容器C ij 。因「感測部件」12具有積分功能，故其在本說明書中可被稱為「積分部件」。充電/放電電路11可電性連接至電容器C ij 之兩個端子，以作為用於將電容器C ij 充電至電源電壓V cc 以及將電容器C ij 放電至地電壓(ground voltage)GND 之電路。在下文中，「電容器C ij 」可被稱為「取樣電容器(sampling capacitor)」。
若使用驅動電路10來驅動一觸控螢幕，則圖5之電容器C ij 可對應於上文所述之節點電容器112。換言之，電容器C ij 可電性連接至驅動信號線Xi 及感測信號線Yj ，且充電/放電電路11可重複進行N 次充電/放電操作。
雜訊可經由感測信號線Yj 而被輸入至圖5之驅動電路。在此種情形中，感測部件12可對雜訊進行積分，進而不利地影響感測部件12之輸出。以下，將描述根據本發明實施例之抗雜訊積分器之配置。
圖6繪示根據本發明實施例之積分器之配置。
參見圖6，所述積分器包括第一運算放大器OA1、第二運算放大器OA2及電容器C ij 。第一運算放大器OA1與第二運算放大器OA2之反相輸入端子分別經由第一開關S1與第二開關S2而連接至電容器C ij 之第一端子Yj 。電容器C ij 之第二端子Xi 經由第三開關S1' 而連接至第一電位Vcc ，並經由第四開關S2' 而連接至第二電位GND 。在下文中，為方便起見，假定第二電位GND 為零。第一運算放大器OA1之反相輸入端子及輸出端子可經由第一反饋電容器C fb1 而相互連接。第二運算放大器OA2之反相輸入端子與輸出端子可經由第二反饋電容器C fb2 而相互連接。第一運算放大器OA1與第二運算放大器OA2之非反相輸入端子可連接至第三電位。第三電位可為地電位GND ，儘管其並非僅限於此。
一個重設開關S3可連接於第一運算放大器OA1之反相輸入端子與輸出端子之間。重設開關S3' 可連接於第二運算放大器OA2之反相輸入端子與輸出端子之間。當重設開關S3與S3' 接通時，被充電於第一反饋電容器C fb1 與第二反饋電容器C fb2 中之電荷全部放電，進而使兩個端子間之電壓為0。根據本發明之某些實施例，該重設開關S3與S3' 可以相同之時序(timing)來運作。
開關S1及S1' 與開關S2及S2' 可分別根據圖7(a)中第一時脈CLK1與圖7(b)中第二時脈CLK2之時序而同步進行開關。然而，本發明並非僅限於此。
圖7(a)至圖7(e)是時序圖，其顯示圖6之積分器之每一節點狀態隨時間之變化。
圖7(a)顯示開關S1及S1' 之通斷(On-off)時序。圖7(b)顯示開關S2及S2' 之通斷時序。圖7(c)繪示第二端子Xi 之電位。圖7(d)繪示第一運算放大器OA1之輸出電壓V o1 。圖7(e)繪示第二運算放大器OA2之輸出電壓V o2 。
參見圖7(a)及圖7(b)，開關S1及S1' 與開關S2及S2' 在非交疊之時間間隔中可交替地處於接通狀態。換言之，開關S1及S1' 可在時間間隔[t1,t2]及[t1' ,t2' ]中處於接通狀態，而在時間間隔[t2,t1' ]中處於斷開狀態。開關S2及S2' 可在時間間隔[t3,t4]及[t3' ,t4' ]中處於接通狀態，而在時間間隔[t4,t3' ]中處於斷開狀態。可連續地重複開關S1及S1' 與開關S2及S2' 在時間間隔[t1,t1' ]中之運作狀態。在圖7(a)~圖7(e)中，時間間隔[t2,t3]及[t4,t1' ]不為零，但可被實質上設定為接近於零。
在本說明書之下文中，可將緊處於t時刻之前的時刻稱為「t-」，並將緊處於t時刻之後的時刻稱為「t+」。舉例而言，可將緊處於t1時刻之前的時刻稱為「t1-」，並將緊處於t1時刻之後的時刻稱為「t1+」。在下文中，將參照圖8至圖10所示積分器之運作狀態圖來描述根據本發明實施例之積分器在圖7(a)~圖7(e)所示每一時間點之運作。
圖8至圖10是運作狀態圖，其分別繪示所述積分器在圖7(a)~圖7(e)之t1+時刻、圖7(a)~圖7(e)之t2+時刻及t4+時刻、以及圖7(a)~圖7(e)之t3+時刻處之運作。此時，假定電容器C fb1 、C fb2 及C ij 皆在t1-時刻處放電，即，所有電容器中之初始狀態皆為零累計電荷。
參見圖7(a)~圖7(e)及圖8，在t1+時刻處，開關S1及S1' 處於接通狀態，開關S2及S2' 則處於斷開狀態。電容器C ij 之第一端子Yj 連接至第一運算放大器OA1之反相輸入端子。此後，因第一運算放大器OA1之非反相輸入端 子連接至第二電位GND ，故第一端子Yj 之電位相同於第二電位。因電容器C ij 之第二端子Xi 之電位為第一電位V cc ，故電容器C ij 之兩個端子間之電位差相同於第一電位V cc 。
因流經電容器C ij 之電流將流經第一反饋電容器C fb1 ，故第一運算放大器OA1之輸出端子o1處之電位V o1,1 如方程式1所示。
第一端子Yj 處之電位保持於第二電位GND ，且第二運算放大器OA2之輸出端子處之電位亦保持於第二電位GND 。
在下文中，假定藉由N次積分來完成一個積分循環(integration cycle)，則在新積分循環開始之後剛剛完成第k 次積分時，第一運算放大器OA1之輸出端子o1處的電位可表示為V o1,k 。
參見圖7(a)~圖7(e)及圖9，開關S1及S1' 與開關S2及S2' 在t2+時刻皆處於斷開狀態。電容器C ij 之兩個端子間之電位差保持成相同於第一電位V cc 。此時，儘管第一端子Yj 與第二端子Xi 處於浮動狀態(floating state)，為方便起見，在圖7(c)及圖7(d)中仍將第一端子Yj 處之電位表示為第二電位GND 。
參見圖7(a)~圖7(e)及圖10，在t3+時刻，開關S1及S1' 處於斷開狀態，且開關S2及S2' 處於接通狀態。第二端子Xi 處之電位立刻變為第二電位GND ，且第一端子Yj 處之電位立刻變為-V cc 。因第一端子Yj 連接至第二運算放大器OA2之反相輸入端子，故第一端子Yj 處之電位迅速升高至第二電位GND 。因在第一端子Yj 處之電位立刻發生變化之時間間隔中，電流自第二運算放大器OA2之輸出端子流出並對第二反饋電容器C fb2 進行充電，故第二運算放大器OA2之輸出端子o2處之電位V o2,1 如方程式2所示。
重新參見圖7(a)~圖7(e)及圖9，在t4+時刻，開關S1及S1' 與開關S2及S2' 皆處於斷開狀態。電容器C ij 之兩個端子間之電位差變為零。此時，第一端子Yj 與第二端子Xi 處於浮動狀態(floating state)，但為方便起見，在圖7(c)及圖7(d)中仍將第一端子Yj 處之電位表示為第二電位GND 。
若將在執行圖8至圖10所述操作時之時間間隔[t1,t1' ]定義為一個循環，則所述循環可重複N 次。在這N 次循環期間，因被充電於第一反饋電容器C fb1 與第二反饋電容器C fb2 中之電荷未放電，故第一運算放大器OA1之輸出端子o1之電位V o1 與第二運算放大器OA2之輸出端子o2之電 位V o2 分別如圖7(d)及圖7(e)所示升高及降低。當N 次循環完成時，藉由將電位V o2,N 減去電位V o1,N 而獲得之值△V 可被表示為方程式3。
在此種情形中，假定第一反饋電容器C fb1 與第二反饋電容器C fb2 具有相同之值C fb 。
參見方程式3，因第一反饋電容器與第二反饋電容器之值C fb 可具有恆定值，故可以看出，值△V 正比於電容器C ij 之值。
當將圖6之積分器應用於觸控螢幕驅動電路時，由於在存在觸摸輸入時電容器C ij 之值發生變化，因而可量測電容器C ij 之電容作為對該值△V 之量測，並因而可判斷是否存在觸摸輸入。
在完成N次積分循環並量測出該值△V 後，可將重設開關S3及S3' 變為接通狀態，以對第一反饋電容器及第二反饋電容器之所有電荷進行放電。藉此，若將電容器C ij 之N 次充電/放電所用之時間定義為一個積分循環，則在重設開關S3及S3' 改變成接通狀態之後，可重新開始新的積分循環。
至此，已參照圖6至圖10描述了根據本發明實施例之積分器之操作。然而，如在圖5中所述，雜訊可能會流入積分器之第一端子Yj 。
舉例而言，當所述積分器用作觸控螢幕驅動電路時，雜訊可經第一端子Yj 而流入觸控螢幕驅動電路中。換言之，上述感測圖案100可對應於電容器C ij 之第一端子Yj 。當諸如手指之類的物體被置於感測圖案100附近以進行觸摸輸入時，雜訊可流入第一端子Yj 中。
根據圖6中之本發明實施例，則可有效地消除雜訊輸入。在下文中，將參照圖11(a)~圖11(f)至圖14(a)~圖14(f)來描述消除的原理。
圖11(a)~圖11(f)至圖14(a)~圖14(f)是繪示根據本發明實施例來消除積分器之雜訊輸入之原理的圖式。
基本上，經第一端子Yj輸入之雜訊可被積分後加至第一運算放大器OA1及第二運算放大器OA2之輸出電壓上。第一運算放大器OA1僅於開關S1及S1' 處於接通狀態時對雜訊進行積分，而第二運算放大器OA2則僅於開關S2及S2' 處於接通狀態時對雜訊進行積分。
圖11(a)~圖11(f)繪示輸入僅具有DC分量之雜訊的情形。
參見圖11(a)~圖11(f)，在第一時脈CLK1的包括時間點n1,k (k =1 ，2 ，3 ，...，N )之接通間隔中所輸入之雜訊被積分後加至第一運算放大器OA1之輸出電位V o1 上。若將在每一接通間隔中被積分後加至輸出電位V o1 的雜訊 之大小定義為A 1,nk (k =1 ，2 ，3 ，...，N )，則在一個積分循環中被積分後加至第一運算放大器OA1之輸出電位V o1 的雜訊之大小A 1 可表示為方程式4。
[方程式4]A 1 =A 1,n 1 +A 1,n 2 +A 1,n 3 +…+A 1,nN
同樣，在第二時脈CLK2的包括時間點n2,k (k =1 ，2 ，3 ，...，N )之接通間隔中所輸入之雜訊被積分後加至第二運算放大器OA2之輸出電位V o2 上。若將在每一接通間隔中被積分後加至輸出電位V o2 的雜訊之大小定義為A 2,nk (k =1 ，2 ，3 ，...，N )，則在一個積分循環中被積分後加至第二運算放大器OA2之輸出電位V o2 的雜訊之大小A 2 可表示為方程式5。
[方程式5]A 2 =A 2,n 1 +A 2,n 2 +A 2,n 3 +…+A 2,nN
藉由一同考慮所積分雜訊之影響，方程式3可變成方程式6。換言之，藉由在完成N 次循環後自電位V o2,N 減去電位V o1,N 而獲得之值△V 可表示為方程式6。
[方程式6]
進而，當雜訊僅具有DC分量時，因方程式A 2,nk =A 1,nK 實質上得到滿足，故方程式6可表示為方程式7。
因此，利用根據本發明實施例之積分器，可移除僅具有DC分量之雜訊。
圖12(a)~圖12(f)繪示當提供低頻雜訊輸入時本發明實施例之運作。
第一時脈CLK1與第二時脈CLK2之運作週期及運作頻率可分別稱為T 及f( =1/T) 。圖12(a)~圖12(f)繪示雜訊週期相較於運作週期T 非常長之情形。在此種情形中，所述積分器電路中每一積分循環之積分次數N 等於14，而在每一積分循環中，雜訊僅行進一個循環。
在圖12(a)~圖12(f)中，藉由自電位V o2,N 減去電位V o1,N 而得到之值△V 亦可表示為方程式6。當雜訊如圖12(a)~圖12(f)所示不具有DC分量時，在方程式6中不滿足方程式A 2,nk =A 1,nK ，但在被積分後加至第一運算放大器OA1之輸出電位V o1 的雜訊之大小A 1 可幾乎抵消在被積分後加至第二運算放大器OA2之輸出電位V o2 的雜訊之大小A 2 ()。因此，雜訊在所具有之頻率遠低於第一時脈及第二時脈之運作頻率時幾乎不會影響該值△V 。
圖13(a)~圖13(f)是繪示在所輸入之雜訊具有與第一時脈CLK1及第二時脈CLK2之運作頻率相同之頻率時的圖式。換言之，所述積分器電路中每一積分循環之積分次數N 等於14，且在每一積分循環中，雜訊循環亦重複14次。
在圖13(a)~圖13(f)中，藉由自電位V o2,N 減去電位V o1,N 而得到之值△V 亦可表示為方程式6。在第二時脈CLK2的包含時間點n2,k 之間隔中被積分後加至第二運算放大器OA2之輸出電位V o2 的雜訊之大小A 2,nk 相同於在第一時脈CLK1的包含時間點n1,k 之間隔中被積分後加至第一運算放大器OA1之輸出電位V o1 的雜訊之大小A 1,nk 。然而，被積分後加至輸出電位V o2 的雜訊之符號與被積分後加至輸出電位V o1 的雜訊之符號相反。換言之，形成方程式A 2,nk =-A 1,nk 。因此，在圖13(a)~圖13(f)之情形中，方程式6可被表示為方程式8。
[方程式8]
如此一來，圖13(a)~圖13(f)之雜訊便被移除。
圖14(a)~圖14(f)是繪示積分器電路中每一積分循環之積分次數N 等於14、且每一積分循環中雜訊循環被重複15次之圖式。
在圖14(a)~圖14(f)中，藉由自電位V o2,N 減去電位V o1,N 而得到之值△V 亦可表示為方程式6。在圖14(a)~圖14(f)之情形中，對於方程式6而言不滿足A 2,nk =A 1,nk ，但被積分後加至第一運算放大器OA1之輸出電位V o1 的雜訊之大小A 1 可幾乎抵消被積分後加至第二運算放大器OA2之輸出電位V o2 的雜訊之大小A 2 ()。假定每一積分循環之積分次數N 為N ，則當經端子Yj 而輸入正弦波雜訊且所述正弦波雜訊所具有之循環在每一積分循環中被重複k 次(k 為除N 以外之非負整數)時，可利用本發明實施例之積分器電路來實質上移除雜訊。
圖15繪示電路區域P2之頻率響應，其中電路區域P2之輸入被定義為圖6中第一端子Yj 之電位、且電路區域P2之輸出被定義為藉由自第二運算放大器OA2之輸出端子之電位V o2 減去第一運算放大器OA1之輸出端子之電位V o1 而獲得之值。圖15繪示根據本發明實施例在頻域 (frequency domain)中之雜訊移除特性，而圖11(a)~圖11(f)至圖14(a)~圖14(f)繪示在時域(time domain)中之雜訊移除特性。
圖15繪示當一積分循環之積分次數N 等於10時之實例。參見圖15，可以看出，空響應(null response)之頻率點之數目為10，包括頻率響應曲線中位於峰值頻率50,000赫茲以下之DC頻率。
如參照圖15所可理解者，當將驅動頻率f設定為足夠高時，因圖6所示電路區域P2之雜訊通帶(pass-band)與在環境中頻繁出現之臨界雜訊頻帶(critical noise band)相隔大的頻率間隙(frequency gap)，故有利於移除這些雜訊。具有大於100V之HUM雜訊及其諧波是臨界雜訊之實例。
對於如上所述滿足方程式6之情形，可根據方程式6來計算電容器C ij 之值，如方程式9所表示。
當電容器C ij 之值發生變化時，便可判斷是否已發生觸摸事件。
在下文中，描述以下情形：根據本發明實施例的圖6之電路被配置成包括反相積分器電路及非反相積分器電路。
圖16(a)至圖16(d)繪示可用於本發明實施例之反相積分器電路的實例。圖16(a)繪示自圖6所示電路移除第二運算放大器OA2後之電路。可以理解，圖6之電路包括與圖16(a)所示者實質上相同之反相積分器電路，乃因圖6之開關S2經由第二運算放大器OA2之反相輸入端及非反相輸入端而連接至第二電位GND ，而圖16(a)之開關S2則直接連接至第二電位GND 。
圖16(b)、圖16(c)及圖16(d)繪示當圖16(a)之反相積分器電路具有根據圖7(a)~圖7(b)或圖11(a)~圖11(b)所示第一時脈CLK1及第二時脈CLK2之開關時序時，分別在t1+時刻、t2+及t4+時刻、以及t3+時刻之運作狀態。藉由將圖16(b)、圖16(c)及圖16(d)分別與圖8、圖9及圖10相比較，亦可以看出，圖6之電路包括與圖16(a)至圖16(d)所示者實質上相同之反相積分器電路。
圖16(a)至圖16(d)之電路可被稱為反相開關電容器式積分器電路(inverting switched capacitor integrator circuit)。
圖17(a)至圖17(d)繪示可用於本發明實施例之非反相積分器電路之實例。圖17(a)繪示自圖6之電路移除第一運算放大器OA1後之電路。可以理解，圖6之電路包含與圖17(a)至圖17(d)所示者實質上相同之非反相積分器電路，乃因圖6之開關S1經由第一運算放大器OA1之反相輸入端子及非反相輸入端子而連接至第二電位GND ，而圖17(a)之開關S1則直接連接至第二電位GND 。
圖17(b)、圖17(c)及圖17(d)繪示當圖17(a)之非反相積分器電路具有根據圖7(a)~圖7(b)或圖11(a)~圖11(b)所示第一時脈CLK1及第二時脈CLK2之開關時序時，分別在t1+時刻、t2+及t4+時刻、以及t3+時刻之運作狀態。藉由將圖17(b)、圖17(c)及圖17(d)分別與圖8、圖9及圖10相比較，亦可以看出，圖6之電路包括與圖17(a)至圖17(d)所示者實質上相同之非反相積分器電路。
圖17(a)至圖17(d)之電路可被稱作非反相開關電容器式積分器電路(non-inverting switched capacitor integrator circuit)。
作為對圖6、圖16(a)至圖16(d)及圖17(a)至圖17(d)之概述，根據本發明實施例之積分器電路是藉由將非反相積分器電路與反相積分器電路相耦合而獲得，所述非反相積分器電路與反相積分器電路共用電容器C ij 以及用於對電容器C ij 進行充電/放電之充電/放電電路。
充電/放電電路可對應於圖6之電路區域P1、圖16(a)至圖16(d)之電路區域P3以及圖17(a)至圖17(d)之電路區域P4。
圖18(a)至圖18(d)繪示根據本發明另一實施例之積分器電路。
圖18(a)繪示可將圖16(a)至圖16(d)之積分器電路描述為多個電路模組(例如第一充電/放電電路11-1與第一積分部件12-1)之整合。第一充電/放電電路11-1對應於圖16(a)至圖16(d)之電路區域P3，且第一積分部件12-1對應 於圖16(a)至圖16(d)中第一運算放大器OA1、第一反饋電容器C fb1 與第三開關S3之組合。
圖18(b)繪示可將圖16(a)至圖16(d)之積分器電路描述為多個電路模組(例如第二充電/放電電路11-2與第二積分部件12-2)之整合。第二充電/放電電路11-2對應於圖17(a)至圖17(d)之電路區域P4，且第二積分部件12-2對應於圖17(a)至圖17(d)中第二運算放大器OA2、第二反饋電容器C fb2 與第三開關S3' 之組合。
圖18(c)可藉由將圖18(a)之電路與圖18(b)之電路相整合而獲得。充電/放電電路11對應於圖6中之電路區域P1，第一積分部件12-1對應於圖6中第一運算放大器OA1、第一反饋電容器C fb1 及第三開關S3之組合，且第二積分部件12-2對應於圖6中第二運算放大器OA2、第二反饋電容器C fb2 及第三開關S3' 之組合。
圖19繪示根據本發明另一實施例之積分器電路。
圖19所示電路以與圖6不同之方式來實施作為本發明實施例的圖18(c)之電路。然而，可易於理解者，當由圖8或圖11(a)~圖11(b)之第一時脈CLK1及第二時脈CLK2來驅動開關S1及S1' 與開關S2及S2' 時，所述電路執行與圖6所示者相同之操作。
在圖6及圖19中，開關S1設置於所述電路中是用於在開關S2' 處於接通狀態時將第一運算放大器OA1與電容器C ij 隔離。相比之下，開關S2設置於所述電路中是用於在開關S1' 處於接通狀態時將第二運算放大器OA2與電容 器C ij 隔離。
圖16(a)至圖16(d)及圖17(a)至圖17(d)繪示反相放大器與非反相放大器之實例。儘管在本說明中未揭露，然而應理解，具有圖18(a)至圖18(d)所示配置之積分器電路是藉由使具有不同配置之反相放大器與非反相放大器相耦合而獲得。因此，本發明之精神及範圍並非僅限於本文所揭露之具體電路。
圖20(a)至圖20(c)顯示作為執行模擬之結果而輸出之值△V ，在所述模擬中，對圖6之電路應用圖11(a)~圖11(b)之第一時脈CLK1及第二時脈CLK2，並對第一端子Yj 施加雜訊。在此種具有雜訊之環境中，第一運算放大器OA1之輸出端子o1之電位V o1,N 可被表示為方程式10，且第二運算放大器OA2之輸出端子o2之電位V o2,N 可被表示為方程式11。然後，可將第一反饋電容器C fb1 之值與第二反饋電容器C fb2 之值設定為相同值C fb 。
圖20(a)顯示第一運算放大器OA1之輸出端子o1處之電位V o1 隨時間之變化。圖20(b)顯示第二運算放大器OA2之輸出端子o2處之電位V o2 隨時間之變化。圖20(c)顯示藉由自電位V o2 減去電位V o1 而獲得之值。
在圖20(a)至圖20(c)中，輸入雜訊類似於正弦波，所述正弦波的循環在每一積分循環中重複5次至6次。因此，將在一個積分循環中之積分次數N設定成明顯大於5或6之值。根據本發明實施例之配置，可以看出，可如圖20(c)所示獲得已移除雜訊之波形。
當僅使用反相積分器與非反相積分器其中之一積分器來代替根據本發明的將兩種積分器相耦合之電路配置時，可僅獲得方程式10或方程式11之輸出電壓。舉例而言，當獲得方程式10之輸出電壓時，電容器C ij 之值可表示為方程式12。
因此，由於雜訊造成之誤差值，可能無法正確地量測電容器C ij 之值。
本發明之電路配置可應用於其他可利用本發明精神之應用以及觸控螢幕。因此，應理解，本發明之應用並非僅限於觸控螢幕驅動電路。
在本發明中，運算放大器代表差動放大器(differential amplifier)之一實例。本發明之運算放大器可使用差動放大器來取代。
根據本發明實施例之電容量測電路是使用包含開關之開關電容器、反饋電容器(積分電容器)以及運算放大器配置而成，從而基本上具具有限脈衝響應(finite impulse response，FIR)濾波器之特性。
在附圖之圖6、圖8、圖9、圖10、圖16(a)至圖16(d)、圖17(a)至圖17(d)及圖19中，顯示每一運算放大器之非反相端子皆連接至同一電位(即，地電壓GND )，所述同一電位可經由開關S2' 而連接至驅動信號線Xi 。然而，可以理解，即使每一運算放大器之非反相端子連接至不同於地電壓GND 之另一電壓，亦可獲得本發明上述實施例之效果。
本發明可提供一種抗雜訊之積分器電路。此外，藉由對用於感測觸控螢幕輸入之感測器區塊應用所述抗雜訊之積分器電路，可使因觸摸輸入所產生之雜訊而造成之輸入感測誤差顯著減小。
以上所揭露之標的物應被視為例示性而非限制性的，且隨附的申請專利範圍旨在涵蓋仍處於本發明之真正精神及範圍內之所有此等潤飾、改良或其他實施例。因此，在法律所容許之最大程度上，本發明之範圍應由後附的申請專利範圍及其等價範圍之最廣解釋加以確定，而不應被限制或侷限於上文的詳細說明。
1‧‧‧觸控面板
10‧‧‧驅動電路
11‧‧‧充電/放電電路
11-1‧‧‧第一充電/放電電路
11-2‧‧‧第二充電/放電電路
12‧‧‧感測部件
12-1‧‧‧第一積分部件
12-2‧‧‧第二積分部件
100‧‧‧感測圖案
101‧‧‧驅動圖案
102‧‧‧介電層
103‧‧‧保護視窗
110‧‧‧感測節點
112‧‧‧節點電容器
200‧‧‧電容量測電路
203‧‧‧線
300‧‧‧觸摸確定部件
C ij ‧‧‧電容/電容器
C fb1 ‧‧‧第一反饋電容器
C fb2 ‧‧‧第二反饋電容器
CLK1‧‧‧第一時脈
CLK2‧‧‧第二時脈
n1,k (k =1 ，2 ，3 ，...，N )‧‧‧時間點
n2,k (k =1 ，2 ，3 ，...，N )‧‧‧時間點
OA1‧‧‧第一運算放大器
OA2‧‧‧第二運算放大器
o1‧‧‧第一運算放大器OA1之輸出端子
o2‧‧‧第二運算放大器OA2之輸出端子
P1‧‧‧電路區域
P2‧‧‧電路區域
P3‧‧‧電路區域
P4‧‧‧電路區域
S1‧‧‧第一開關
S1' ‧‧‧第三開關
S2‧‧‧第二開關
S2' ‧‧‧第四開關
S3‧‧‧重設開關/第三開關
S3' ‧‧‧重設開關/第三開關
V cc ‧‧‧電源電壓
V o1 ‧‧‧電位
V o1,N ‧‧‧電位
V o2,N ‧‧‧電位
X1 、X2 、X3 、...、Xn ‧‧‧驅動信號線
Xi ‧‧‧第二端子/驅動信號線
Y1 、Y2 、Y3 、...、Yn ‧‧‧感測信號線
Yj ‧‧‧第一端子/感測信號線
圖1至圖4繪示實例性觸控螢幕裝置之配置，本發明之實施例可應用於所述觸控螢幕裝置。
圖5為根據本發明實施例之驅動電路之示意圖，所述驅動電路可用於驅動觸控螢幕。
圖6繪示根據本發明實施例之積分器之配置。
圖7(a)至圖7(e)為時序圖，其繪示根據本發明實施例之積分器之每一節點狀態隨時間之變化。
圖8至圖10繪示根據本發明實施例之積分器之配置。
圖11(a)~圖11(f)至圖14(a)~圖14(f)是用於描述根據本發明實施例來抵消可被輸入至積分器之雜訊之原理的圖式。
圖15繪示根據本發明實施例之積分器相對於雜訊之頻率響應。
圖16(a)至圖16(d)繪示可用於本發明實施例之反相積分器電路之實例。
圖17(a)至圖17(d)繪示可用於本發明實施例之非反相積分器電路之實例。
圖18(a)至圖18(d)及圖19繪示根據本發明另一實施例之積分器電路。
圖20(a)至圖20(c)顯示根據本發明實施例之積分器之運作之模擬結果。
C ij ‧‧‧電容/電容器
C fb1 ‧‧‧第一反饋電容器
C fb2 ‧‧‧第二反饋電容器
OA1‧‧‧第一運算放大器
OA2‧‧‧第二運算放大器
o1‧‧‧第一運算放大器OA1之輸出端子
o2‧‧‧第二運算放大器OA2之輸出端子
P1‧‧‧電路區域
P2‧‧‧電路區域
S1‧‧‧第一開關
S1' ‧‧‧第三開關
S2‧‧‧第二開關
S2' ‧‧‧第四開關
S3‧‧‧重設開關/第三開關
S3' ‧‧‧重設開關/第三開關
V cc ‧‧‧電源電壓
Xi ‧‧‧第二端子/驅動信號線
Yj ‧‧‧第一端子/感測信號線

Claims (21)

  1. 一種積分器電路，包括：第一運算放大器；第二運算放大器；第一重設開關；第二重設開關以及電容器，其中所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之反相輸入端子被配置成分別經由第一開關與第二開關而連接至所述電容器之第一端子，所述電容器之第二端子被配置成分別經由第三開關與第四開關而連接至第一電位與第二電位，所述第一運算放大器之第一反相輸入端子與第一輸出端子被配置成經由第一反饋電容器而相互連接，所述第二運算放大器之第二反相輸入端子與第二輸出端子則被配置成經由第二反饋電容器而相互連接，所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之非反相輸入端子被配置成連接至第三電位，所述電容器之所述第一端子與所述第二端子之間的電壓差是當作所述積分器電路的輸出，所述第一反相輸入端子與所述第一輸出端子被配置成藉由所述第一重設開關而互相連接，所述第二反相輸入端子與所述第二輸出端子被配置成藉由所述第二重設開關而互相連接，以及所述第一重設開關與所述第二重設開關被配置成在積分循環時斷開，以及在兩個所述積分循環之間的預定期間導通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之積分器電路，其中所 述第一開關與所述第三開關是由第一時脈驅動，且所述第二開關與所述第四開關是由第二時脈驅動。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之積分器電路，其中所述第一時脈與所述第二時脈之接通間隔是交替地顯示於時間軸上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之積分器電路，其中所述電容器是由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案及驅動圖案形成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之積分器電路，其中所述電容器的兩個端子其中之一個對應於所述感測圖案，所述兩個端子的所述其中之一個連接至所述第一運算放大器及所述第二運算放大器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之積分器電路，其中相較於所述驅動圖案，所述感測圖案設置於所述觸控螢幕之外側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之積分器電路，其中所述電容器之兩個端子中連接至所述第一運算放大器及所述第二運算放大器的一個所述端子是藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之積分器電路，其中所述第二電位相同於所述第三電位。
  9. 一種電容式觸控螢幕之輸入感測電路，在所述電容式觸控螢幕中形成有感測圖案及驅動圖案，所述輸入感測電路包括： 第一運算放大器；第二運算放大器；第一重設開關；以及第二重設開關，其中所述感測圖案被配置成分別經由第一開關而連接至所述第一運算放大器之第一反相輸入端子、以及經由第二開關而連接至所述第二運算放大器之第二反相輸入端子，所述驅動圖案被配置成分別經由第三開關與第四開關而連接至第一電位與第二電位，所述第一運算放大器之所述第一反相輸入端子與第一輸出端子被配置成經由第一反饋電容器而相互連接，且所述第二運算放大器之所述第二反相輸入端子與第二輸出端子經由第二反饋電容器而相互連接，以及所述第一運算放大器與所述第二運算放大器之非反相輸入端子連接至第三電位，所述第一運算放大器之所述第一輸出端子與所述第二運算放大器之所述第二輸出端子之間的電壓差是當作所述輸入感測電路的輸出，所述第一反相輸入端子與所述第一輸出端子被配置成藉由所述第一重設開關而互相連接，所述第二反相輸入端子與所述第二輸出端子被配置成藉由所述第二重設開關而互相連接，以及所述第一重設開關與所述第二重設開關被配置成在積 分循環時斷開，以及在兩個所述積分循環之間的預定期期間導通。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之輸入感測電路，其中所述第一開關與所述第三開關是由第一時脈驅動，且所述第二開關與所述第四開關是由第二時脈驅動。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之輸入感測電路，其中所述第二電位相同於所述第三電位。
  12. 一種開關電容器式積分器電路，包括：反相開關電容器式積分器電路，具有第一重設開關；以及非反相開關電容器式積分器電路，連接至所述反相開關電容器式積分器電路，所述非反相開關電容器式積分器電路具有第二重設開關，其中所述反相開關電容器式積分器電路之取樣電容器被所述非反相開關電容器式積分器電路共用，所述反相開關電容器式積分器電路之第一輸出端子與所述非反相開關電容器式積分器電路之第二輸出端子之間的電壓差是當作所述開關電容器式積分器電路的輸出，以及所述第一重設開關與所述第二重設開關同時操作，以能在兩個積分循環之間的期間重設所述反相開關電容器式積分器電路與所述非反相開關電容器式積分器電路。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之開關電容器式積分器電路，其中所述反相開關電容器式積分器電路對充電於 所述取樣電容器中之電荷進行時間積分，以輸出負電壓，且所述非反相開關電容器式積分器電路對充電於所述取樣電容器中之電荷進行時間積分，以輸出正電壓。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之開關電容器式積分器電路，其中所述反相開關電容器式積分器電路之積分時間間隔之至少一部分不交疊於所述非反相開關電容器式積分器電路之積分時間間隔。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之開關電容器式積分器電路，其中所述取樣電容器是由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案與驅動圖案形成。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之開關電容器式積分器電路，其中所述取樣電容器之兩個端子中連接至所述反相開關電容器式積分器電路與所述非反相開關電容器式積分器電路的一個端子是藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
  17. 一種積分器電路，包括：電容器；充電/放電電路，連接至所述電容器，以對所述電容器進行充電/放電；反相積分器電路，連接至所述充電/放電電路；非反相積分器電路，連接至所述充電/放電電路；第一重設開關，以對所述反相積分器電路重設；以及第二重設開關，以對所述非反相積分器電路重設； 其中所述反相積分器電路之第一輸出端子與所述非反相積分器電路之第二輸出端子之間的電壓差是當作所述積分器電路的輸出，以及所述第一重設開關與所述第二重設開關同時操作，以能在兩個積分循環之間的期間重設所述反相積分器電路與所述非反相積分器電路。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之積分器電路，其中所述反相積分器電路對充電於所述電容器中之電荷進行時間積分，以輸出負電壓，且所述非反相積分器電路對充電於所述電容器中之電荷進行時間積分，以輸出正電壓。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之積分器電路，其中所述電容器是由形成於電容式觸控螢幕中之感測圖案與驅動圖案形成。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之積分器電路，其中所述電容器之兩個端子中連接至所述反相積分器電路與所述非反相積分器電路的一個端子是藉由纜線或無線而輸入之雜訊之流入路徑。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之積分器電路，其中所述反相積分器電路之積分時間間隔之至少一部分不交疊於所述非反相積分器電路之積分時間間隔。
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