TWI512588B - 電容感測電路 - Google Patents

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TWI512588B
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Yu Ren Liu
Ping Pao Cheng
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Ite Tech Inc
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Description

電容感測電路
本發明揭露了一種電容感測電路，尤指一種應用於需要人機界面應用程序的電容感測電路。
觸控面板被廣泛地使用在移動設備，如平板電腦和智慧型手機，而採用電容感應的觸控面板實現人機界面已經普遍化。
先前技術的電容感應積體電路應用在人機界面需要使用高速類比數位轉換器，高速類比數位轉換器用於將電容感測器的類比信號轉換為數位信號，然後數位信號再通過混頻電路來對數位信號進行解調。
先前技術的製造成本很高，因為高速類比數位轉換器需要複雜的電路，因此用於高速類比數位轉換器的芯片面積也比較大，除了製造成本，高速類比數位轉換器與低速類比數位轉換器相比，高速類比數位轉換器也需要較高的功耗，高速類比數位轉換器的性能也會受製造工藝影響，其會增加製造高速類比數位轉換器的難度，由於精度要求，除了高速類比數位轉換器，現有技術還需要使用混頻電路，混頻電路通常包括乘法器，因此採用混頻電路並不適合用於生產低成本的積體電路。
本發明之實施例提供一種電容感測電路，包含一跨阻放大器、一濾波模組、一整流器、一積分器及一類比數位轉換器。該跨阻放大器包含一 運算放大器及一電容，該運算放大器包含一負輸入端耦接於一接收端，一正輸入端用以接收一參考電壓，及一輸出端，該電容包含一第一端耦接於該接收端，及一第二端耦接於該運算放大器之該輸出端。該濾波模組包含一輸入端耦接於該運算放大器之該輸出端，及一輸出端；該整流器包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸出端，及一輸出端；該積分器包含一輸入端耦接於該整流器之該輸出端，及一輸出端；該類比數位轉換器包含一輸入端耦接於該積分器之該輸出端，及一輸出端。
100‧‧‧電容感測電路
110‧‧‧電容感測器
Tx‧‧‧發送端
Rx‧‧‧接收端
CF ‧‧‧手指電容
CM ‧‧‧互感電容
120‧‧‧跨阻放大器
121、141、151‧‧‧運算放大器
Ca、CI 、CSC ‧‧‧電容
Vref‧‧‧參考電壓
VO(TIA) 、VO(REC) 、VO(INT) ‧‧‧輸出端
130‧‧‧濾波模組
140‧‧‧整流器
142‧‧‧反向器
S1 ‧‧‧第一開關
S2 ‧‧‧第二開關
VCM ‧‧‧共模電壓
VIN(REC) 、VIN(INT) ‧‧‧輸入端
150、1502、1504‧‧‧積分器
RI ‧‧‧電阻
SRI ‧‧‧重置開關
SSC1 ‧‧‧第一開關
SSC2 ‧‧‧第二開關
SSC3 ‧‧‧第三開關
SSC4 ‧‧‧第四開關
ROFF ‧‧‧補償電阻
VOFF ‧‧‧補償電壓
160‧‧‧類比數位轉換器
第1圖為根據本發明之一實施例所揭露之電容感測電路的示意圖。
第2圖為第1圖電容感測電路之電容感測器的示意圖。
第3圖為第1圖電容感測電路之跨阻放大器的示意圖。
第4圖為第1圖電容感測電路之整流器的示意圖。
第5圖為第1圖電容感測電路之積分器的示意圖。
第6圖為第1圖電容感測電路之另一種積分器的示意圖。
第7圖為第1圖電容感測電路之另一種積分器的示意圖。
本發明揭露了一種具有整流器和積分器的電容感測電路。本發明的實施例可應用在任何移動裝置之觸控面板，如平板電腦及智慧型手機的觸控面板。
請參閱第1圖，第1圖為本發明之一實施例所揭露之電容感測電路100之示意圖。電容感測電路100包含一電容感測器110、一跨阻放大器(TIA)120、一濾波模組130、一整流器140、一積分器150及一類比數位轉換器(ADC)160。電容感測器110之發送端用以收一信號源產生的發送信號， 跨阻放大器(TIA)120之輸入端耦接於電容感測器110之接收端，濾波模組130之輸入端耦接於跨阻放大器(TIA)120之輸出端，整流器140之輸入端耦接於濾波模組130之輸出端，積分器150之輸入端耦接於整流器140之輸出端，類比數位轉換器160之輸入端耦接於積分器150之輸出端，而類比數位轉換器160之輸出端所輸出的信號是電容感測電路100輸出的數位信號。
請參閱第2圖，第2圖為第1圖之電容感測電路100之電容感測器110的示意圖。電容感測器110包含一手指電容CF 及一互感電容CM ，手指電容CF 及互感電容CM 是以並聯的方式相耦接，手指電容CF 及互感電容CM 之第一端耦接於發送端Tx，而手指電容CF 及互感電容CM 之第二端耦接於接收端Rx。當手指電容CF 上感測到手指或導電材料，跨阻放大器(TIA)120會根據手指電容CF 及互感電容CM 之等效電容處理發送信號。
電容感測器110採取人體電容作為輸入，也可以感測任何導體或與空氣的介電值具有差異的材料，電容感測器110的等效電容是藉由量測流經電容感測器110之交流電流(發送信號)而得知，即，當檢測到手指在手指電容CF 上方時，電容感測器110的等效電容會有變化，在觸控面板上，其具有多個電容感測器110，如果一個電容感測器110的等效電容發生變化時，等效電容發生變化的電容感測器110會對應到觸控面板上的坐標，該坐標可能是觸控面板上顯示的使用者介面的其中一個控制按鍵，其可對應於由移動裝置執行的命令，因此電容感測器110的等效電容的變化將產生一個信號，作為一個指令來控制觸控面板執行對應的動作。
請參閱第3圖，第3圖為第1圖之電容感測電路100之跨阻放大器(TIA)120的示意圖。跨阻放大器(TIA)120包含一運算放大器121及一電容Ca，電容Ca之第一端耦接於運算放大器121之負輸入端，電容Ca之第二端 耦接於運算放大器121之輸出端，運算放大器121之輸出端耦接於跨阻放大器(TIA)120之輸出端VO(TIA) ，運算放大器121之正輸入端用以接收參考電壓Vref ，運算放大器121之負輸入端耦接於接收端Rx，跨阻放大器(TIA)120使用電容Ca將輸入信號轉換成具有參考電壓Vref 之電壓值的輸出信號，跨阻放大器(TIA)120的輸入信號是從接收端Rx接收的發送信號，跨阻放大器(TIA)120之輸出信號的振幅係與電容感測器110的等效電容和參考電壓Vref 成正比，跨阻放大器(TIA)120可另包含一重置開關，用以提升穩定性，重置開關之第一端耦接於運算放大器121負輸入端，重置開關之第二端耦接於運算放大器121之輸出端，重置開關之控制端用以接收重置信號。
電容感測電路100的濾波模組130包含一輸入端耦接於跨阻放大器(TIA)120之輸出端VO(TIA) ，及一輸出端耦接於整流器140之輸入端，濾波模組130包含兩個不同的濾波器，第一濾波器可是低通濾波器或帶通濾波器，第二濾波器可是取樣保持電路、開關電容帶通濾波器或開關電容高通濾波器，濾波模組130的兩濾波器(第一及第二濾波器)之第一種組合包含低通濾波器及開關電容帶通濾波器，第二種組合包含低通濾波器及取樣保持電路，第三種組合包含低通濾波器及開關電容高通濾波器，第四種組合包含帶通濾波器及取樣保持電路，每一個濾波器組合產生的功能相當於一帶通濾波器。
在第一種組合，濾波模組130之輸入端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於開關電容帶通濾波器之輸入端，開關電容帶通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。在第一種組合的另一實施例，濾波模組130之輸入端耦接於開關電容帶通濾波器之輸入端，開關電容帶通濾波器之輸出端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。
在第二種組合，濾波模組130之輸入端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於取樣保持電路之輸入端，取樣保持電路之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。在第二種組合的另一實施例，濾波模組130之輸入端耦接於取樣保持電路之輸入端，取樣保持電路之輸出端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。
在第三種組合，濾波模組130之輸入端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於開關電容高通濾波器之輸入端，開關電容高通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。在第三種組合的另一實施例，濾波模組130之輸入端耦接於開關電容高通濾波器之輸入端，開關電容高通濾波器之輸出端耦接於低通濾波器之輸入端，低通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。
在第四種組合，濾波模組130之輸入端耦接於帶通濾波器之輸入端，帶通濾波器之輸出端耦接於取樣保持電路之輸入端，取樣保持電路之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。在第四種組合的另一實施例，濾波模組130之輸入端耦接於取樣保持電路之輸入端，取樣保持電路之輸出端耦接於帶通濾波器之輸入端，帶通濾波器之輸出端耦接於濾波模組130之輸出端。
濾波模組130之輸入端接收跨阻放大器(TIA)120之輸出信號，濾波模組130並將跨阻放大器(TIA)120之輸出信號轉換成離散正弦信號，跨阻放大器(TIA)120輸出的類比信號可以通過開關電容器帶通濾波器、開關電容高通濾波器或取樣保持電路轉換成離散正弦信號。
取樣保持電路是一類比裝置，其係先從一個連續變化的類比信號取樣電壓並在指定的時間內保持在恆定的電壓，再以離散的信號作為輸出。
開關電容濾波器是採用開關電容模擬電阻的濾波器，開關電容濾波器的開關被打開和關閉時可對應地移動電容裏的電荷，開關電容濾波器使用的控制信號不會重疊，以在不同時間關閉所使用的開關，使用開關電容濾波器的優點在於使類似的元件互相匹配，以在積體電路實現高精度類比濾波器，開關電容濾波器以離散信號作為輸出。
請參閱第4圖，第4圖為電容感測電路100之整流器140的示意圖。整流器140包含一運算放大器141、一反向器142、一第一開關S1 、及一第二開關S2 ，運算放大器141之正輸入端耦接於整流器140之輸入端VIN(REC) ，運算放大器141之負輸入端耦接於共模電壓VCM ，運算放大器141之輸出端耦接於反向器142之輸入端，反向器142之輸出端耦接於第一開關S1 之控制端，第一開關S1 之第一端耦接於共模電壓VCM ，第一開關S1 之第二端耦接於整流器140之輸出端VO(REC) ，第二開關S2 之控制端耦接於運算放大器141之輸出端，第二開關S2 之第一端耦接於運算放大器141之正輸入端，第二開關S2 之第二端耦接於整流器140之輸出端VO(REC) ，整流器140之輸入信號是濾波模組130之輸出的離散正弦信號。
整流器140是用來將週期性反轉極性方向的正弦信號轉換成同一極性的直流電流信號，本發明可使用單相整流器實現半波整流或全波整流，半波整流採用單相正弦信號作為其輸入，正弦信號的正半週期才會被傳遞，正弦信號的負半週期會被濾除，或正弦信號的負半週期才會被傳遞，正弦信號的正半週期會被濾除。全波整流取單相正弦信號作為其輸入，正弦信號的正負半週期皆會轉換為正極性或皆會轉換成負極性的脈波直流信號，其會具有較高絕對值的平均輸出電壓。
第4圖所示的整流器140是單相半波整流器，整流器140採用離散正弦信號作為運算放大器141之輸入信號，離散正弦信號的電壓與共模電壓VCM 相互比較的結果將決定運算放大器141的輸出並且被用於當成第一開關S1 和第二開關S2 的控制信號。如果離散正弦信號的電壓大於共模電壓VCM ，運算放大器141將輸出一個高邏輯值，若第一開關S1 及第二開關S2 為正觸發開關，從運算放大器141輸出的高邏輯值會打開第二開關S2 ，整流器140將會輸出離散正弦信號。如果離散正弦信號的電壓小於共模電壓VCM ，運算放大器141將輸出一個低邏輯值，若第一開關S1 及第二開關S2 為正觸發開關，從運算放大器141的低邏輯值會開啟第一開關S1 ，整流器140將會輸出共模電壓VCM 。
如果整流器140是單相全波整流器，小於共模電壓VCM 的離散正弦信號電壓值會被轉換成比共模電壓VCM 高的電壓值。
請參閱第5圖，第5圖為電容感測電路100之積分器150的示意圖。積分器150包含一運算放大器151、一電容CI 、一電阻RI 、及一重置開關SRI ，電阻RI 之第一端耦接於積分器150之輸入端VIN(INT) 及整流器140之輸出端VO(REC) ，電阻RI 之第二端耦接於運算放大器151之負輸入端，運算放大器151之正輸入端耦接於共模電壓VCM ，運算放大器151之輸出端耦接於積分器150之輸出端VO(INT) ，電容CI 之第一端耦接於電阻RI 之第二端，電容CI 之第二端耦接於運算放大器151之輸出端，重置開關SRI 之第一端耦接於電阻RI 之第二端，重置開關SRI 之第二端耦接於運算放大器151之輸出端，重置開關SRI 之控制端用以接收重置信號，整流器140之輸出信號是積分器150之輸入信號。
第5圖所示的積分器150是根據運算放大器151來操作，積分器 150相對於時間執行積分數學運算，隨著時間的變化，積分器150的輸出信號正比於積分器150的輸入信號，共模電壓VCM 是一個虛擬接地端，由積分器150的輸入端流入並流經電阻RI 的電流會對電容CI 進行充放電，因為電阻RI 和電容器CI 耦接於虛擬接地端，積分器150會執行一個線性積分。積分器150可使用重置開關SRI 提高精度，重置開關SRI 會使積分器150根據一重置信號重置到零，運算放大器151必須搭配一個直流反饋路徑，其係由運算放大器151的輸出端接到負輸入端，如果積分器150沒有重置功能，運算放大器151內部的輸入補償電流將通過電容CI 被積分成一個大輸出電壓，使得運算放大器151的輸出進入飽和狀態。重置會使電容CI 放電，以避免輸入補償電流造成的問題。
請參閱第6圖，第6圖為電容感測電路100的另一實施例之積分器1502的示意圖。電容感測電路100可以用積分器1502取代之積分器150，積分器1502包含一運算放大器151、一電容CI 、一重置開關SRI 、及一開關電容電路152，電容CI 之第一端耦接於運算放大器151之負輸入端，電容CI 之第二端耦接於運算放大器151之輸出端，運算放大器151之正輸入端耦接於共模電壓VCM ，運算放大器151之輸出端耦接於積分器1502之輸出端VO(INT) ，重置開關SRI 之第一端耦接於運算放大器151之負輸入端，重置開關SRI 之第二端耦接於運算放大器151之輸出端，重置開關SRI 之控制端用以接收重置信號，開關電容電路152之第一端耦接於積分器1502之輸入端VIN(INT) ，開關電容電路152之第二端耦接於運算放大器151之負輸入端。
開關電容電路152包含一電容CSC 、一第一開關SSC1 、一第二開關SSC2 、一第三開關SSC3 、及一第四開關SSC4 ，第一開關SSC1 之第一端耦接於開關電容電路152之輸入端，第一開關SSC1 之第二端耦接於電容CSC 之第一端，第一開關SSC1 之控制端用以接收第一時脈，第二開關SSC2 之第一端耦 接於共模電壓VCM ，第二開關SSC2 之第二端耦接於電容CSC 之第一端，第二開關SSC2 之控制端用以接收第二時脈，第三開關SSC3 之第一端耦接於電容CSC 之第二端，第三開關SSC3 之第二端耦接於開關電容電路152之第二端，第三開關SSC3 之控制端用以接收第二時脈，第四開關SSC4 之第一端耦接於電容CSC 之第二端，第四開關SSC4 之第二端耦接於共模電壓VCM ，第四開關SSC4 之控制端用以接收第一時脈，第一時脈與第二時脈是反向時脈。
第6圖的積分器1502與第5圖的積分器150之操作類似，差別在積分器1502之開關電容電路152取代積分器150之電阻RI ，因此第6圖的積分器1502不進一步說明。
在第5圖的積分器150加一補償電阻ROFF 可實現積分器1504。請參閱第7圖，第7圖為電容感測電路100的另一實施例之積分器1504的示意圖。電容感測電路100可以用積分器1504取代之積分器150，補償電阻ROFF 之第一端用以接收補償電壓VOFF ，補償電阻ROFF 之第二端耦接於運算放大器151之負輸入端，本實施例可使用一數位類比轉換器產生補償電壓VOFF ，積分器150再使用補償電壓VOFF 消除互感電容CM 的影響，以使類比數位轉換器160的輸出信號與手指電容CF 成正比，去除互感電容CM 的影響將避免運算放大器151在操作過程中達到過載狀態。
類比數位轉換器160可以是任何類型的類比數位轉換器，類比數位轉換器160之輸入端耦接於積分器150之輸出端VO(INT) ，類比數位轉換器160之輸出端會輸出一數位碼，積分器150之輸出信號係為類比數位轉換器160之輸入信號，類比數位轉換器160會將其輸入信號轉換成數位碼輸出，數位碼的值係與電容感測器110之等效電容成正比，當積分器150去除互感電容CM 的影響後，類比數位轉換器160將其輸入信號轉換成之數位碼會與電 容感測器110之手指電容CF 成正比。
電容感測電路100使用發送端Tx之發送信號當輸入信號，並使用跨阻放大器(TIA)120根據電容感測器110之等效電容放大發送信號，將放大的發送信號輸出至濾波模組130，濾波模組130會從放大的發送信號過濾掉雜訊，並將過濾後之放大的發送信號轉換為離散的正弦信號，離散的正弦信號會輸入整流器140，整流器140將離散的正弦信號轉換成正極性離散信號，其具有複數個大於共模電壓VCM 的電壓值，整流器140可以是半波整流器，其只允許具有值大於共模電壓VCM 的離散正弦信號的部分傳遞，並濾除離散正弦信號的其它部分，亦可以是全波整流器，其會直接傳遞離散正弦信號中值大於共模電壓VCM 的部分，並將離散正弦信號的其餘部分轉換成大於共模電壓VCM 的值，正極性的離散信號是由積分器150作為輸入信號，正極性離散信號相對於時間進行積分以產生積分信號，積分器150也可用於去除互感電容CM 所產生的補償電壓VOFF ，以防止發生過載的現象，積分器150的積分信號被作為類比數位轉換器160的輸入信號，類比數位轉換器160會把接收到的積分信號轉換成數位碼，而數位碼會反映電容感測器110之等效電容的變化。
本發明的實施例揭示一種用於移動裝置之觸控面板的電容感測電路100。電容感測電路100包含的積分器150係用於預處理發送信號，由於發送信號已經通過積分器150預處理，電容感測電路100可以利用低速類比數位轉換器產生與電容感測器110等效電容成正比的數位碼，數位碼係對應到使用者經由觸控面板下達的控制指令，因為低速類比數位轉換器的電路比高速類比數位轉換器的電路簡單，因此，低速類比數位轉換器佔用較小的芯面積，所以能節省製造成本並具有較低的功耗。
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‧‧‧電容感測電路
110‧‧‧電容感測器
120‧‧‧跨阻放大器
130‧‧‧濾波模組
140‧‧‧整流器
150‧‧‧積分器
160‧‧‧類比數位轉換器

Claims (9)

  1. 一種電容感測電路，包含：一電容感測器，包含：一手指電容，包含一第一端耦接於一發送端，及一第二端耦接於一接收端；及一互感電容，包含一第一端耦接於該發送端，及一第二端耦接於該接收端；一跨阻放大器，包含：一運算放大器，包含一負輸入端耦接於該接收端，一正輸入端用以接收一參考電壓，及一輸出端；及一電容，包含一第一端耦接於該接收端，及一第二端耦接於該運算放大器之該輸出端；一濾波模組，包含一輸入端耦接於該運算放大器之該輸出端，及一輸出端；一整流器，包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸出端，及一輸出端；一積分器，包含一輸入端耦接於該整流器之該輸出端，及一輸出端；及一低速類比數位轉換器，包含一輸入端耦接於該積分器之該輸出端，及一輸出端。
  2. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該濾波模組另包含：一抗混疊低通濾波器，包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸入端，及一輸出端；及一開關電容帶通濾波器，包含一輸入端耦接於該抗混疊低通濾波器之該輸出端，及一輸出端耦接於該濾波模組之該輸出端。
  3. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該濾波模組另包含：一抗混疊低通濾波器，包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸入端，及一 輸出端；及一取樣保持電路，包含一輸入端耦接於該抗混疊低通濾波器之該輸出端，及一輸出端耦接於該濾波模組之該輸出端。
  4. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該濾波模組另包含：一抗混疊低通濾波器，包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸入端，及一輸出端；及一開關電容高通濾波器，包含一輸入端耦接於該抗混疊低通濾波器之該輸出端，及一輸出端耦接於該濾波模組之該輸出端。
  5. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該濾波模組另包含：一帶通濾波器，包含一輸入端耦接於該濾波模組之該輸入端，及一輸出端；及一取樣保持電路，包含一輸入端耦接於該帶通濾波器之該輸出端，及一輸出端耦接於該濾波模組之該輸出端。
  6. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該整流器另包含：一運算放大器，包含一正輸入端耦接於該整流器之該輸入端，一負輸入端耦接於一共模電壓，及一輸出端；一反向器，包含一輸入端耦接於該運算放大器之該輸出端，及一輸出端；一第一開關，包含一第一端耦接於該共模電壓，一第二端耦接於該整流器之該輸出端，及一第三端耦接於該反向器之該輸出端；及一第二開關，包含一第一端耦接於該運算放大器之該正輸入端，一第二端耦接於該整流器之該輸出端，及一第三端耦接於該運算放大器之該輸出端。
  7. 如請求項1所述之電容感測電路，其中該積分器另包含：一電阻，包含一第一端耦接於該積分器之該輸入端，及一第二端；一運算放大器，包含一負輸入端耦接於該電阻之該第二端，一正輸入端耦接於一共模電壓，及一輸出端耦接於該積分器之該輸出端； 一電容，包含一第一端耦接於該運算放大器之該負輸入端，及一第二端耦接於該積分器之該輸出端；及一重置開關，包含一第一端耦接於該運算放大器之該負輸入端，一第二端耦接於該積分器之該輸出端，及一第三端耦接於一重置。
  8. 如請求項7所述之電容感測電路，其中該積分器另包含：一開關電容電路，包含：一第一端，耦接於該積分器之該輸入端；一第二端，耦接於該運算放大器之該負輸入端；一第一開關，包含一第一端耦接於該積分器之該輸入端，一第二端，及一第三端用以接收一第一時脈；一第二開關，包含一第一端耦接於該第一開關之該第二端，一第二端耦接於該共模電壓，及一第三端用以接收一第二時脈，該第一時脈與該第二時脈反向；一電容，包含一第一端耦接於該第一開關之該第二端，及一第二端；一第三開關，包含一第一端耦接於該電容之該第二端，一第二端耦接於該運算放大器之該負輸入端，及一第三端用以接收該第二時脈；及一第四開關，包含一第一端耦接於該第三開關之該第一端，一第二端耦接於該共模電壓，及一第三端用以接收該第一時脈。
  9. 如請求項7所述之電容感測電路，其中該積分器另包含：一補償電阻，包含一第一端用以接收一補償電壓，及一第二端耦接於該運算放大器之該負輸入端。
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