TWI685782B - 電容式觸控感測電路及其電荷補償方法 - Google Patents

電容式觸控感測電路及其電荷補償方法 Download PDF

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Abstract

一種電容式觸控感測電路，包含第一開關~第五開關、內部電容、積分器及電容。第一開關與外部電容串接於第一電壓與接地電壓之間，第二開關之一端耦接至第一開關與外部電容之間，第三開關之一端耦接至第二開關之另一端，第四開關與內部電容串接於第二電壓與接地電壓之間，第二電壓為第一電壓之負值，第五開關之一端耦接第二開關之另一端且第五開關之另一端耦接至第四開關與內部電容之間。積分器之一輸入端耦接第三開關之另一端、其另一輸入端耦接參考電壓且其輸出端輸出一輸出電壓。電容耦接於積分器之輸入端與輸出端之間。

Description

電容式觸控感測電路及其電荷補償方法
本發明係與觸控面板有關，尤其是關於一種應用於電容式觸控面板的電容式觸控感測電路及其電荷補償方法。
一般而言，電容式觸控面板之結構設計可採用內嵌式(In-cell)、On-cell或Out-cell等不同型式。於電容式觸控面板使用過程，一般需要針對外部電容做抵銷動作以提高內部電荷偵測範圍。
然而，隨著外部電容增加，內部預先填載電容亦須隨著等量提高，導致電容式觸控感測電路內所需的補償電容面積大幅增加，亟待克服。
有鑑於此，本發明提出一種應用於電容式觸控面板的電容式觸控感測電路及其電荷補償方法，以有效解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。
根據本發明之一具體實施例為一種電容式觸控感測電路。於此實施例中，電容式觸控感測電路應用於電容式觸控面 板。電容式觸控感測電路耦接欲偵測之外部電容，電容式觸控感測電路包含一第一開關、第二開關、第三開關、內部電容、第四開關、第五開關、積分器及電容。第一開關與外部電容串接於第一電壓與接地電壓之間，第二開關之一端耦接至第一開關與外部電容之間，第三開關之一端耦接至第二開關之另一端，第四開關與內部電容串接於第二電壓與接地電壓之間，第二電壓為第一電壓之負值，第五開關之一端耦接第二開關之另一端且其另一端耦接至第四開關與內部電容之間。積分器之一輸入端耦接第三開關之另一端、其另一輸入端耦接參考電壓且其輸出端輸出一輸出電壓。電容耦接於積分器之輸入端與輸出端之間。
於一實施例中，電容式觸控感測電路依序運作於第一相、第二相、第三相及第四相。
於一實施例中，當電容式觸控感測電路運作於第一相時，導通第一開關與第四開關且不導通第二開關、第三開關及第五開關。
於一實施例中，當電容式觸控感測電路運作於第二相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關。
於一實施例中，當電容式觸控感測電路運作於第三相時，導通第二開關與第四開關且不導通第一開關、第三開關及第五開關。
於一實施例中，當電容式觸控感測電路運作於第四 相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關。
於一實施例中，電容式觸控感測電路重複運作於第三相及第四相，直至第二開關與第五開關之間的電壓值接近參考電壓值時，導通第三開關且不導通第一開關、第二開關、第四開關及第五開關。
根據本發明之另一具體實施例為一種電荷補償方法。於此實施例中，電荷補償方法應用於電容式觸控感測電路。電容式觸控感測電路包含第一開關、第二開關、第三開關、內部電容、第四開關、第五開關、積分器及電容。第一開關與外部電容串接於第一電壓與接地電壓之間。第二開關之一端耦接至第一開關與外部電容之間。第三開關之一端耦接至第二開關之另一端。第四開關與內部電容串接於第二電壓與接地電壓之間。第二電壓為第一電壓之負值。第五開關之一端耦接第二開關之另一端且其另一端耦接至第四開關與內部電容之間。積分器之輸入端耦接第三開關之另一端、其另一輸入端耦接參考電壓且其輸出端輸出一輸出電壓。電容耦接於積分器之輸入端與輸出端之間。
電荷補償方法包含下列步驟：(a)當電容式觸控感測電路運作於第一相時，導通第一開關與第四開關且不導通第二開關、第三開關及第五開關；(b)當電容式觸控感測電路運作於第二相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關；(c)當電容式觸控感測電路運作於第三相時，導通第二 開關與第四開關且不導通第一開關、第三開關及第五開關；以及(d)當電容式觸控感測電路運作於第四相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關。
相較於先前技術，根據本發明之應用於電容式觸控面板的電容式觸控感測電路及其電荷補償方法可透過多次且反覆補償外部電容的電荷補償機制來有效利用電路內部相對較小的電容抵銷電路外部相對較大的電容，故可適用於重載的電容感測環境下，有效減少電容式觸控感測電路內所需的補償電容面積並確實提升內部電容感測範圍。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧電容式觸控感測電路
SW1~SW5‧‧‧第一開關~第五開關
Cext‧‧‧外部電容
ADC‧‧‧類比數位轉換器
Cin‧‧‧內部電容
INT‧‧‧積分器
Cf‧‧‧電容
PH1‧‧‧第一控制訊號
PH2‧‧‧第二控制訊號
PH3‧‧‧第三控制訊號
PH(K)‧‧‧第四控制訊號
PH(K+1)‧‧‧第五控制訊號
V1‧‧‧第一電壓
-V1‧‧‧第二電壓
GND‧‧‧接地電壓
VREF‧‧‧參考電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vn’‧‧‧位於第二開關與第五開關之間的電壓值
Vn”‧‧‧位於第一開關與外部電容之間的電壓值
K‧‧‧輸出端
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
t1~t4‧‧‧第一時間~第四時間
S10~S20‧‧‧步驟
圖1繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之電容式觸控感測電路的示意圖。
圖2繪示本發明之另一較佳具體實施例中之電荷補償方法的流程圖。
圖3分別繪示於一實施例中之第一控制訊號PH1、第二控制訊號PH2、第三控制訊號PH3、第四控制訊號PH(K)、第五控制訊號PH(K+1)、位於第二開關與第五開關之間的電壓值Vn’及輸出電壓Vout的時序圖。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種應用於電容 式觸控面板的電容式觸控感測電路。於此實施例中，電容式觸控感測電路係用以感測欲偵測的外部電容於電容式觸控面板受觸控時所產生之電容變化量並抑制外部環境雜訊。電容式觸控面板之結構設計可採用內嵌式(In-cell)、On-cell或Out-cell等不同型式。
請參照圖1，圖1繪示此實施例中之電容式觸控感測電路的示意圖。
如圖1所示，電容式觸控感測電路1耦接欲偵測之外部電容Cext與類比數位轉換器ADC。電容式觸控感測電路1包含第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、第四開關SW4、第五開關SW5、內部電容Cin、積分器INT及電容Cf。第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、第四開關SW4及第五開關SW5分別受控於第一控制訊號PH1、第二控制訊號PH2、第三控制訊號PH3、第四控制訊號PH(K)及第五控制訊號PH(K+1)。
第一開關SW1與外部電容Cext串接於第一電壓V1與接地電壓GND之間。第二開關SW2之一端耦接至第一開關SW1與外部電容Cext之間。第三開關SW3之一端耦接至第二開關SW2之另一端。第四開關SW4與內部電容Cin串接於第二電壓(-V1)與接地電壓GND之間，且第二電壓(-V1)為第一電壓V1之負值。第五開關SW5之一端耦接第二開關SW2之另一端且第五開關SW5之另一端耦接至第四開關SW4與內部電容Cin之間。積分器INT之輸入端+耦接第三開關SW3之另一端、輸入端-耦接參考電壓VREF且輸出端K輸出一輸出電壓Vout至類比數位轉換器ADC。電容Cf耦接於積 分器INT之輸入端+與輸出端K之間。
於此實施例中，電容式觸控感測電路1將會依序運作於第一相、第二相、第三相及第四相，分別說明如下：
當電容式觸控感測電路1運作於第一相時，透過第一控制訊號PH1及第四控制訊號PH(K)分別控制第一開關SW1及第四開關SW4導通並透過第二控制訊號PH2、第三控制訊號PH3及第五控制訊號PH(K+1)分別控制第二開關SW2、第三開關SW3及第五開關SW5不導通。由於第一開關SW1導通，使得第一電壓V1可對外部電容Cext充電，且外部電容Cext儲存的電荷量為Cext*V1。同理，由於第四開關SW4導通，使得第二電壓(-V1)可對內部電容Cin充電，且內部電容Cin儲存的電荷量為Cin*(-V1)。
當電容式觸控感測電路1運作於第二相時，透過第二控制訊號PH2及第五控制訊號PH(K+1)分別控制第二開關SW2與第五開關SW5導通且透過第一控制訊號PH1、第三控制訊號PH3及第四控制訊號PH(K)分別控制第一開關SW1、第三開關SW3及第四開關SW4不導通。由於第二開關SW2與第五開關SW5均導通，使得儲存有電荷量Cext*V1的外部電容Cext與儲存有電荷量Cin*(-V1)的內部電容Cin能夠彼此相連，致使兩者的電壓位準變為V1’且V1’=(Cext-Cin)*V1/(Cext+Cin)。
當電容式觸控感測電路1運作於第三相時，透過第二控制訊號PH2及第四控制訊號PH(K)分別控制第二開關SW2與第四開關SW4導通且透過第一控制訊號PH1、第三控制訊號PH3及第五 控制訊號PH(K+1)分別控制第一開關SW1、第三開關SW3及第五開關SW5不導通。由於第五開關SW5不導通，外部電容Cext不再與內部電容Cin彼此相連，且由於第一開關SW1不導通，第一電壓V1亦不會對外部電容Cext充電，使得外部電容Cext維持於電壓位準V1’。此外，由於第四開關SW4導通，使得第二電壓(-V1)可再次對內部電容Cin充電，故內部電容Cin的電壓位準變為(-V1)。
當電容式觸控感測電路1運作於第四相時，透過第二控制訊號PH2及第五控制訊號PH(K+1)分別控制第二開關SW2與第五開關SW5導通且透過第一控制訊號PH1、第三控制訊號PH3及第四控制訊號PH(K)分別控制第一開關SW1、第三開關SW3及第四開關SW4不導通。由於第二開關SW2與第五開關SW5均導通，使得儲存有電荷量Cext*V1’的外部電容Cext與儲存有電荷量Cin*(-V1)的內部電容Cin能夠彼此相連，致使兩者的電壓位準變為V2’且V2’=(Cext*V1’-Cin*V1)/(Cext+Cin)。
接著，電容式觸控感測電路1可重複n次運作於第三相及第四相，直至位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’接近參考電壓值VREF為止，且Vn’=[Cext*V(n-1)’-Cin*V1]/(Cext+Cin)。此時，電容式觸控感測電路1會透過第三控制訊號PH3控制第三開關SW3導通且透過第一控制訊號PH1、第二控制訊號PH2、第四控制訊號PH(K)及第五控制訊號PH(K+1)分別控制第一開關SW1、第二開關SW2、第四開關SW4及第五開關SW5不導通。由於積分器INF的正輸入端+與負輸入端 -分別接收電壓值Vn’與參考電壓值VREF且電壓值Vn’接近參考電壓值VREF，因此，積分器INF之電壓改變量會趨近於0，使得積分器INF輸出的輸出電壓Vout經過類比數位轉換器ADC轉換為數位訊號後會位於輸出中點，其可涵蓋的變化範圍最大。
需說明的是，電容式觸控感測電路1重複運作於第三相及第四相的次數n與其頻率會與電路中之整體路徑的電阻-電容值以及內部電容值與外部電容值之比率有關，不限定於特定的次數或頻率。
此外，雖然在上述實施例中，第三開關SW3導通的時間點是發生於多次電荷補償結束後，但實際上，第三開關SW3導通的時間點亦可提前至多次電荷補償之前或之間，並無特定之限制。
根據本發明之另一具體實施例為一種電荷補償方法。於此實施例中，電荷補償方法應用於電容式觸控感測電路。電容式觸控感測電路包含第一開關、第二開關、第三開關、內部電容、第四開關、第五開關、積分器及電容。第一開關與外部電容串接於第一電壓與接地電壓之間。第二開關之一端耦接至第一開關與外部電容之間。第三開關之一端耦接至第二開關之另一端。第四開關與內部電容串接於第二電壓與接地電壓之間。第二電壓為第一電壓之負值。第五開關之一端耦接第二開關之另一端且其另一端耦接至第四開關與內部電容之間。積分器之輸入端耦接第三開關之另一端、其另一輸入端耦接參考電壓且其輸出端輸 出一輸出電壓。電容耦接於積分器之輸入端與輸出端之間。
請參照圖2，圖2繪示此實施例中之電荷補償方法的流程圖。
如圖2所示，應用於電容式觸控感測電路的電荷補償方法可包含下列步驟：步驟S10：當電容式觸控感測電路運作於第一相時，導通第一開關與第四開關且不導通第二開關、第三開關及第五開關；步驟S12：當電容式觸控感測電路運作於第二相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關；步驟S14：當電容式觸控感測電路運作於第三相時，導通第二開關與第四開關且不導通第一開關、第三開關及第五開關；步驟S16：當電容式觸控感測電路運作於第四相時，導通第二開關與第五開關且不導通第一開關、第三開關及第四開關；步驟S18：判斷位於第二開關與第五開關之間的電壓值是否接近參考電壓值；若步驟S18之判斷結果為否，則重複執行步驟S14及S16；以及若步驟S18之判斷結果為是，則執行步驟S20：導通 第三開關且不導通第一開關、第二開關、第四開關及第五開關。
請參照圖3，圖3分別繪示於一實施例中之第一控制訊號PH1、第二控制訊號PH2、第三控制訊號PH3、第四控制訊號PH(K)、第五控制訊號PH(K+1)、位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’及輸出電壓Vout的時序圖。
如圖3所示，於第一時間t1之前，第二控制訊號PH2與第三控制訊號PH3處於高位準且第一控制訊號PH1、第四控制訊號PH(K)與第五控制訊號PH(K+1)處於低位準，位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’等於參考電壓VREF(例如1.5伏特)。於第一時間t1，當第一控制訊號PH1拉起時，位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’會拉至第一電壓V1(例如3伏特)。於第二時間t2，當第二控制訊號PH2拉起時，透過第四控制訊號PH(K)與第五控制訊號PH(K+1)之反覆切換將位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’穩定地下拉至與參考電壓VREF(例如1.5伏特)接近。此時，判斷位於第二開關SW2與第五開關SW5之間的電壓值Vn’是否接近參考電壓值VREF。若判斷結果為否，持續反覆切換第四控制訊號PH(K)與第五控制訊號PH(K+1)，直至電壓值Vn’接近參考電壓值VREF為止。假設電壓值Vn’於時間t3降至與參考電壓VREF接近，則於第三時間t3將第三控制訊號PH3拉起，使得電壓值Vn’等於參考電壓VREF(例如1.5伏特)，且其造成的電荷改變會使得輸出電壓Vout產生電壓變化，如圖3中圈起處所示。
相較於先前技術，根據本發明之應用於電容式觸控面板的電容式觸控感測電路及其電荷補償方法可透過多次且反覆補償外部電容的電荷補償機制來有效利用電路內部相對較小的電容抵銷電路外部相對較大的電容，故可適用於重載的電容感測環境下，有效減少電容式觸控感測電路內所需的補償電容面積並確實提升內部電容感測範圍。
由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S10~S20‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種電容式觸控感測電路，耦接欲偵測之一外部電容，該電容式觸控感測電路包含：一第一開關，與該外部電容串接於一第一電壓與一接地電壓之間；一第二開關，其一端耦接至該第一開關與該外部電容之間；一第三開關，其一端耦接至該第二開關之另一端；一內部電容；一第四開關，與該內部電容串接於一第二電壓與該接地電壓之間，其中該第二電壓為該第一電壓之負值；一第五開關，其一端耦接該第二開關之該另一端且其另一端耦接至該第四開關與該內部電容之間；一積分器，其一輸入端耦接該第三開關之另一端、其另一輸入端耦接一參考電壓且其輸出端輸出一輸出電壓；以及一電容，耦接於該積分器之該輸入端與該輸出端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測電路，其中該電容式觸控感測電路依序運作於一第一相、一第二相、一第三相及一第四相。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控感測電路，其中當該電容式觸控感測電路運作於該第一相時，導通該第一開關與該第四開關且不導通該第二開關、該第三開關及該第五開關。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電容式觸控感測電路，其中當該電容式觸控感測電路運作於該第二相時，導通該第二開關與 該第五開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第四開關。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電容式觸控感測電路，其中當該電容式觸控感測電路運作於該第三相時，導通該第二開關與該第四開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第五開關。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電容式觸控感測電路，其中當該電容式觸控感測電路運作於該第四相時，導通該第二開關與該第五開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第四開關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電容式觸控感測電路，其中該電容式觸控感測電路重複運作於該第三相及該第四相，直至位於該第二開關與該第五開關之間的一電壓值接近該參考電壓值時，僅導通該第三開關且不導通該第一開關、該第二開關、該第四開關及該第五開關。
  8. 一種電荷補償方法，應用於一電容式觸控感測電路，該電容式觸控感測電路包含一第一開關、一第二開關、一第三開關、一內部電容、一第四開關、一第五開關、一積分器及一電容，該第一開關與一外部電容串接於一第一電壓與一接地電壓之間，該第二開關之一端耦接至該第一開關與該外部電容之間，該第三開關之一端耦接至該第二開關之另一端，該第四開關與該內部電容串接於一第二電壓與該接地電壓之間，該第二電壓為該第一電壓之負值，該第五開關之一端耦接該第二開關之該另一端且其另一端耦接至該第四開關與該內部電容之間，該積分器之一輸入端耦接該第三開關之另一端、其另一輸入端耦接一參考電壓且其輸出端輸出一輸出電壓，該電容耦接於該積分器之該輸入端與該輸出端之間，該電荷補償方法包含下列步驟： (a)當該電容式觸控感測電路運作於一第一相時，導通該第一開關與該第四開關且不導通該第二開關、該第三開關及該第五開關；(b)當該電容式觸控感測電路運作於一第二相時，導通該第二開關與該第五開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第四開關；(c)當該電容式觸控感測電路運作於一第三相時，導通該第二開關與該第四開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第五開關；以及(d)當該電容式觸控感測電路運作於一第四相時，導通該第二開關與該第五開關且不導通該第一開關、該第三開關及該第四開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電荷補償方法，進一步包含下列步驟：(e)判斷位於該第二開關與該第五開關之間的一電壓值是否接近該參考電壓值；以及(f)若步驟(e)之判斷結果為否，重複執行步驟(c)及步驟(d)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電荷補償方法，進一步包含：(g)若步驟(e)之判斷結果為是，導通該第三開關且不導通該第一開關、該第二開關、該第四開關及該第五開關。
TW107135639A 2017-10-11 2018-10-09 電容式觸控感測電路及其電荷補償方法 TWI685782B (zh)

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