TWI692716B - 電容式觸控偵測電路 - Google Patents

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Abstract

一種電容式觸控偵測電路，包含第一開關至第十四開關、運算放大器、比較器、偵測電容、回授電容、放大器電容及互感電容。第十開關耦接於第一接點與第二接點之間。第一接點及第二接點分別耦接運算放大器之負輸入端及輸出端。放大器電容耦接於第三接點與第四接點之間。第十一開關耦接於第一接點與第三接點之間。第十二開關耦接於第二接點與第四接點之間。第十三開關耦接於第三接點與第二接點之間。第十四開關耦接於第四接點與第一接點之間。電容式觸控偵測電路依序運作於第一充電相位、第一導通相位、第二充電相位及第二導通相位下。

Description

電容式觸控偵測電路
本發明係與觸控偵測有關，尤其是關於一種電容式觸控偵測電路。
於自電容觸控偵測電路中，如圖1所示，在充電相位(Charge phase)下，由於偵測電容Cb耦接於輸入電壓VIN與接地端GND之間，且回授電容Cfb耦接於補償電壓Vc與接地端GND之間，因此，輸入電壓VIN對偵測電容Cb充電且補償電壓Vc對回授電容Cfb充電，運算放大器10的負輸入端-所接收的電壓為0且運算放大器10的正輸入端+耦接共模電壓VCM，運算放大器10輸出的輸出電壓Vout等於共模電壓VCM。
如圖2所示，在導通相位(Transfer phase)下，偵測電容Cb耦接於運算放大器10的負輸入端-與接地端GND之間，可得下列公式1：VIN×Cb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VIN-VCM)×Cb/Cop]----------------公式1
接著，如圖3所示，當在導通相位下進行單一次補償時，回授電容Cfb亦耦接於運算放大器10的負輸入端-與接地端GND之間，則可得下列公式2： VIN×Cb+Vc×Cfb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop+VCM×Cfb亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VIN-VCM)×Cb/Cop]+[(VCM-Vc)×Cfb/Cop]-------公式2
由於偵測電容Cb在上述動作中會使輸出電壓Vout與共模電壓VCM有差異，此時可利用電容數位轉換器(Capacitance-to-digital converter,CDC)中之比較器輸出控制另一計數電容，在導通相位結束前讓輸出電壓Vout等於共模電壓VCM。
假設在導通相位下進行K次補償後可使得輸出電壓Vout等於共模電壓VCM，其中K為正整數，則K可作為基準(Baseline)計數值：VIN×Cb+N×Vc×Cfb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop+K×VCM×Cfb亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VIN-VCM)×Cb/Cop]+[K×(VCM-Vc)×Cfb/Cop]----公式3且基準計數值K=(VIN-VCM)×Cb/(VCM-Vc)×Cfb----------------公式4
當偵測電容Cb產生變化，會在導通相位時使電荷變化，導致運算放大器10輸出的輸出電壓從Vout變為Vout’，Vout’與Vout之間的差值Vout’-Vout即為可偵測電位，並可利用電容數位轉換器(CDC)得到相對應的偵測計數值K’，而偵測計數值K’與基準計數值K之間的差值即為偵測計數變化值：Vout’-Vout=VCM-[(VIN-VCM)×(Cb+△Cb)/Cop]-[VCM-(VIN-VCM)×(Cb+△Cb)/Cop]=-(VIN-VCM)×△Cb/Cop------------------------公式5
K’=[(VIN-VCM)×(Cb+△Cb)]/[(VCM-Vc)×Cfb]-------------------公式6
傳統的電容數位轉換器(CDC)用於電容偵測方式如圖4所示。因為要達到消除低頻同相雜訊，於此使用兩相位並探討自電容的情況，一為PAD=低電壓VL(RX)，另一為PAD=高電壓VH(RX)。
於上述公式1-6代入輸入電壓VIN=低電壓VL與補償電壓Vc=高電壓VH，可得到低電壓VL狀態下的基準計數值K(VL)=[(VCM-VL)×Cb/Cop]/[(VH-VCM)×Cfb/Cop]=[(VCM-VL)×Cb]/[(VH-VCM)×Cfb]-----------------------------------------------------公式7
於上述公式1-6代入輸入電壓VIN=高電壓VH與補償電壓Vc=低電壓VL，可得到高電壓VH狀態下的基準計數值K(VH)=[(VH-VCM)×Cb/Cop]/[(VCM-VL)×Cfb/Cop]=[(VH-VCM)×Cb]/[(VCM-VL)×Cfb]-----------------------------------------------------公式8
若高電壓VH與低電壓VL的平均值等於共模電壓VCM，亦即(VH+VL)/2=VCM，則可得出基準計數值K(VH)=K(VL)=Cb/Cfb。一旦偵測電容Cb無法被回授電容Cfb整除時，就會出現多一次的計數值，在重覆進行P次下，計數值最多會有P×1的錯誤量。同理，當電容變化時，可得出相對應的偵測計數值K’(VH)=K’(VL)=(Cb+△Cb)/Cfb，在重覆進行P次下，計數值最多會有P×1的錯誤量。
上述問題仍待進一步加以克服，以提升於雙方向準位偵測(Dual edge sensing)進行多次計數時之準確度。
有鑑於此，本發明提出一種電容式觸控偵測電路，以有效解決先前技術所遭遇到之上述問題。
根據本發明之一具體實施例為一種電容式觸控偵測電路。於此實施例中，電容式觸控偵測電路包含第一開關至第十四開關、運算放大器、比較器、偵測電容、回授電容、放大器電容及互感電容。第一開關與第二開關串接於第一電壓與第二電壓之間，且第一電壓高於第二電壓；偵測電容之一端耦接至第一開關與第二開關之間且其另一端耦接至接地端；第三開關之一端耦接至第一開關與第二開關之間、互感電容及第七開關且其另一端耦接至運算放大器之負輸入端；第四開關之一端耦接至運算放大器之負輸入端且其另一端分別耦接五開關、該第六開關及回授電容；第五開關耦接於第一電壓與第四開關之間；第六開關耦接於第二電壓與第四開關之間；第七開關之一端耦接參考電壓且其另一端耦接第三開關及互感電容；第八開關及第九開關串接於第一電壓與第二電壓之間；互感電容之一端耦接至第八開關與第九開關之間且其另一端耦接第三開關及第七開關；第十開關耦接於第一接點與第二接點之間；第一接點耦接至運算放大器之負輸入端與第三開關之間；第二接點耦接至運算放大器之輸出端與比較器之正輸入端之間；放大器電容耦接於第三接點與第四接點之間；第十一開關耦接於第一接點與第三接點之間；第十二開關耦接於第二接點與第四接點之間；第十三開關耦接於第三接點與第二接點之間；第十四開關耦接於第四接點與第一接點之間；運算放大 器之負輸入端耦接第三開關、第四開關及第一接點；運算放大器之正輸入端耦接共模電壓；運算放大器之輸出端耦接比較器之正輸入端及第二接點並輸出一輸出電壓；比較器之正輸入端耦接運算放大器之輸出端及第二接點；比較器之負輸入端耦接共模電壓；比較器之輸出端輸出比較器輸出訊號至補償單元，且補償單元包含第四開關、第五開關、第六開關及回授電容；電容式觸控偵測電路可依序運作於第一充電相位、第一導通相位、第二充電相位及第二導通相位下。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路運作於第一充電相位下時，第二開關、第五開關、第十開關、第十一開關及第十二開關導通且第一開關、第三開關、第四開關、第六開關至第九開關、第十三開關及第十四開關未導通。
於一實施例中，由於第二開關導通，偵測電容耦接於第二電壓與接地端之間，並且由於第五開關導通，回授電容耦接於第一電壓與接地端之間，運算放大器之負輸入端所接收的電壓為0且運算放大器之正輸入端耦接共模電壓，運算放大器之輸出端所輸出的輸出電壓等於共模電壓。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路運作於第一導通相位下時，第三開關、第五開關、第十一開關及第十二開關導通且第一開關、第二開關、第四開關、第六開關至第十開關、第十三開關及第十四開關未導通。
於一實施例中，由於第三開關導通，使得測電容耦 接於該運算放大器的負輸入端與接地端之間，輸出電壓等於共模電壓-[(第二電壓-共模電壓)×偵測電容/放大器電容]。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路於第一導通相位下進行計數時，第三開關、第四開關、第十一開關及第十二開關導通且第一開關、第二開關、第五開關至第十開關、第十三開關及第十四開關未導通。
於一實施例中，由於第四開關導通，使得回授電容耦接運算放大器之負輸入端，若自電容觸控偵測電路於第一導通相位結束前進行K次計數，輸出電壓等於共模電壓-[(第二電壓-共模電壓)×偵測電容/放大器電容]+[K×(共模電壓-第一電壓)×回授電容/放大器電容]，K為正整數。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路運作於第二充電相位下時，第一開關、第六開關及第十開關導通且第二開關至第五開關、第七開關至第九開關、第十一開關至第十四開關未導通。
於一實施例中，由於第一開關導通，偵測電容耦接於第一電壓與接地端之間，並且由於第六開關導通，回授電容耦接於第二電壓與接地端之間，經K次計數後，放大器電容儲存的電荷量為[K×(第一電壓-共模電壓)×回授電容/放大器電容-(共模電壓-第二電壓)×偵測電容/放大器電容]×放大器電容且運算放大器之輸出端所輸出的輸出電壓等於共模電壓。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路運作於第二 導通相位下時，第三開關、六開關、該第十三開關及第十四開關導通，第一開關至第二開關、第四開關至第五開關、第七開關至第十二開關未導通。
於一實施例中，由於第三開關導通，使得偵測電容耦接於運算放大器之負輸入端與接地端之間，輸出電壓等於共模電壓-[(第一電壓-共模電壓)×偵測電容/放大器電容]+[K×(第一電壓-共模電壓)×回授電容/放大器電容-(共模電容-第二電壓)×偵測電容/放大器電容]。
於一實施例中，當自電容觸控偵測電路於第二導通相位下進行計數時，第三開關、第四開關、第十三開關及第十四開關導通，第一開關、第二開關、第五開關至第十二開關未導通。
於一實施例中，由於第四開關導通，使得回授電容耦接運算放大器之負輸入端，輸出電壓等於共模電壓-[(第一電壓-共模電壓)×偵測電容/放大器電容]+[K×(第一電壓-共模電壓)×回授電容/放大器電容-(共模電壓-第二電壓)×偵測電容/放大器電容]+[(共模電壓-第二電壓)×回授電容/放大器電容]。
於一實施例中，若自電容觸控偵測電路於第二導通相位結束前進行M次計數，輸出電壓等於共模電壓-[(第一電壓-共模電壓)×偵測電容/放大器電容]+[K×(第一電壓-共模電壓)×回授電容/放大器電容-(共模電壓-第二電壓)×偵測電容/放大器電容]+[M×(共模電壓-第二電壓)×回授電容/放大器電容]，其中M為正整數。
於一實施例中，在(第一電壓+第二電壓)/2等於共模電壓的情況下，當[(共模電壓-第二電壓)×偵測電容]/[(第一電壓-共模電壓)×回授電容]不為整數時，則M與K不相等。
相較於先前技術，根據本發明之電容式觸控偵測電路提供一種創新的自電容偵側方式，於電容數位轉換器(CDC)中增加開關切換放大器電容(Cop)之極性並搭配具自動電荷補償機制的超取樣電路，可達到下列功效及優點：
(1)有效減少電容數位轉換器(CDC)於雙方向準位偵測(Dual edge sensing)進行多次計數時之錯誤量，以提升雙方向準位偵測進行多次計數時之準確度。
(2)當此次導通相位之時間不足以完成計數時，位於放大器上之殘餘電荷能夠不被清除而留待下次導通相位時繼續進行計數。
(3)由於雜訊的錯誤變小，可直接提升訊雜比(Signal-to-noise ratio)。
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。
4、5‧‧‧電容式觸控偵測電路
10、40、50‧‧‧運算放大器
42、52‧‧‧比較器
44、54‧‧‧補償單元
S1~S14‧‧‧第一開關~第十四開關
Cb‧‧‧偵測電容
Cfb‧‧‧回授電容
Cm‧‧‧互感電容
Cop‧‧‧放大器電容
N1~N4‧‧‧第一接點~第四接點
VREF‧‧‧參考電壓
VCM‧‧‧共模電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
CPOUT‧‧‧比較器輸出訊號
GND‧‧‧接地端
VH(TX)‧‧‧高電壓(發送端)
VL(TX)‧‧‧低電壓(發送端)
VH(RX)‧‧‧高電壓(接收端)
VL(TX)‧‧‧低電壓(接收端)
SH、ST、SL、SRES、SC‧‧‧開關
PAD(未觸控)‧‧‧未觸控時之輸入電壓
Vout(未觸控)‧‧‧未觸控時之輸出電壓
CPOUT(未觸控)‧‧‧未觸控時之比較器輸出訊號
PAD(觸控)‧‧‧觸控時之輸入電壓
Vout(觸控)‧‧‧觸控時之輸出電壓
CPOUT(觸控)‧‧‧觸控時之比較器輸出訊號
圖1係繪示傳統的自電容觸控偵測電路運作於充電相位(Charge phase)下的示意圖。
圖2係繪示傳統的自電容觸控偵測電路運作於導通相位(Transfer phase)下的示意圖。
圖3係繪示傳統的自電容觸控偵測電路於導通相位下進行補償的示意圖。
圖4係繪示傳統的電容數位轉換器用於電容偵測方式的示意圖。
圖5係繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之自電容觸控偵測電路的示意圖。
圖6係繪示本發明之自電容觸控偵測電路運作於第一充電相位下的示意圖。
圖7係繪示本發明之自電容觸控偵測電路運作於第一導通相位下的示意圖。
圖7A係繪示圖7中之輸出電壓Vout的變化情形。
圖8係繪示本發明之自電容觸控偵測電路於第一導通相位下進行計數的示意圖。
圖8A係繪示圖8中之輸出電壓Vout的變化情形。
圖9係繪示本發明之自電容觸控偵測電路運作於第二充電相位下的示意圖。
圖9A係繪示圖9中之第四接點N4的電壓變化情形。
圖10係繪示本發明之自電容觸控偵測電路運作於第二導通相位下的示意圖。
圖10A及圖10B係分別繪示圖10中之第三接點N3及第四接點N4的電壓變化情形。
圖11係繪示本發明之自電容觸控偵測電路於第二導 通相位下進行計數的示意圖。
圖11A及圖11B係分別繪示圖11中之第三接點N3及第四接點N4的電壓變化情形。
圖12及圖13係分別繪示本發明之自電容觸控偵測電路的模擬設定及其模擬結果的時序圖。
圖14及圖15係分別繪示傳統的自電容觸控偵測電路的模擬設定及其模擬結果的時序圖。
根據本發明之一具體實施例為一種電容式觸控偵測電路。於此實施例中，電容式觸控偵測電路為自電容(Self-capacitive)觸控偵測電路，但不以此為限。
請參照圖5，圖5係繪示此實施例中之電容式觸控偵測電路5的示意圖。
如圖5所示，電容式觸控偵測電路5可包含第一開關S1~第十四開關S14、運算放大器50、比較器52、偵測電容Cb、回授電容Cfb、放大器電容Cop及互感電容Cm。
第一開關S1與第二開關S2串接於高電壓(接收端)VH(RX)與低電壓(接收端)VL(RX)之間；偵測電容Cb之一端耦接至第一開關S1與第二開關S2之間且其另一端耦接至接地端GND；第三開關S3之一端耦接至第一開關S1與第二開關S2之間、互感電容Cm及第七開關S7且其另一端耦接至運算放大器50的負輸入端-；第四開關S4之一端耦接至運算放大器50的負輸入端-且其另一端 分別耦接第五開關S5、第六開關S6及回授電容Cfb。
第五開關S5耦接於高電壓(接收端)VH(RX)與第四開關S4之間；第六開關S6耦接於低電壓(接收端)VL(RX)與第四開關S4之間；第七開關S7之一端耦接參考電壓VREF且其另一端耦接第三開關S3及互感電容Cm；第八開關S8及第九開關S9串接於高電壓(發送端)VH(TX)與低電壓(發送端)VL(TX)之間；互感電容Cm之一端耦接至第八開關S8與第九開關S9之間且其另一端耦接第三開關S3及第七開關S7。
第十開關S10耦接於第一接點N1與第二接點N2之間；第一接點N1耦接至運算放大器50的負輸入端-與第三開關S3之間；第二接點N2耦接至運算放大器50的輸出端與比較器52的正輸入端+之間；放大器電容Cop耦接於第三接點N3與第四接點N4之間；第十一開關S11耦接於第一接點N1與第三接點N3之間；第十二開關S12耦接於第二接點N2與第四接點N4之間；第十三開關S13耦接於第三接點N3與第二接點N2之間；第十四開關S14耦接於第四接點N4與第一接點N1之間。
運算放大器50之負輸入端-耦接第三開關S3、第四開關S4及第一接點N1；運算放大器50之正輸入端+耦接共模電壓VCM；運算放大器50之輸出端耦接比較器52的正輸入端+及第二接點N2並輸出一輸出電壓Vout；比較器52之正輸入端+耦接運算放大器50之輸出端及第二接點N2；比較器52之負輸入端-耦接共模電壓VCM；比較器52之輸出端輸出一比較器輸出訊號CPOUT至補償單 元54，且補償單元54包含第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6及回授電容Cfb。
需說明的是，電容式觸控偵測電路5可依序運作於第一充電相位、第一導通相位、第二充電相位及第二導通相位下，並可在第一導通相位及第二導通相位下進行多次計數。接下來將分別針對上述各相位進行詳細說明。
首先，請參照圖6，圖6係繪示自電容觸控偵測電路5運作於第一充電相位下的示意圖。為了方便觀看起見，圖6省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖6所示，當自電容觸控偵測電路5運作於第一充電相位下時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第二開關S2、第五開關S5、第十開關S10、第十一開關S11及第十二開關S12導通，其餘的第一開關S1、第三開關S3、第四開關S4、第六開關S6至第九開關S9、第十三開關S13及第十四開關S14均未導通。
由於第二開關S2導通，使得偵測電容Cb耦接於低電壓(接收端)VL(RX)與接地端GND之間，並且由於第五開關S5導通，使得回授電容Cfb耦接於高電壓(接收端)VH(RX)與接地端GND之間，因此，低電壓VL對偵測電容Cb充電而使得偵測電容Cb儲存的電荷量為VL×Cb；高電壓VH對回授電容Cfb充電而使得回授電容Cfb儲存的電荷量為VH×Cfb。運算放大器50的負輸入端-所接收的電壓為0且運算放大器50的正輸入端+耦接共模電壓VCM，運算放大器50之輸出端所輸出的輸出電壓Vout等於共模電壓VCM。
接著，請參照圖7，圖7係繪示自電容觸控偵測電路5運作於第一導通相位下的示意圖。為了方便觀看起見，圖7省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖7所示，當自電容觸控偵測電路5運作於第一導通相位下時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第三開關S3、第五開關S5、第十一開關S11及第十二開關S12導通，其餘的第一開關S1、第二開關S2、第四開關S4、第六開關S6至第十開關S10、第十三開關S13及第十四開關S14均未導通。
由於第三開關S3導通，使得偵測電容Cb耦接於運算放大器50的負輸入端-與接地端GND之間，可得下列公式9：VL×Cb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VL-VCM)×Cb/Cop]------------------公式9
至於回授電容Cfb儲存的電荷量仍為VH×Cfb。
如圖7A所示，運算放大器50所輸出的輸出電壓Vout會由原本第一充電相位下的VCM上升至第一導通相位下的VCM+[(VCM-VL)×Cb/Cop]。
接著，請參照圖8，圖8係繪示自電容觸控偵測電路5於第一導通相位下進行計數的示意圖。為了方便觀看起見，圖8省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖8所示，當自電容觸控偵測電路5於第一導通相位下進行計數時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第三開關S3、第四開關S4、第十一開關S11及第十二開關S12導通，其餘 的第一開關S1、第二開關S2、第五開關S5至第十開關S10、第十三開關S13及第十四開關S14均未導通。
由於第四開關S4導通，使得補償單元54中之回授電容Cfb所儲存的電荷量VH×Cfb能流向運算放大器50的負輸入端-而進行單次的補償，則可得下列公式10：VL×Cb+VH×Cfb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop+VCM×Cfb亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VL-VCM)×Cb/Cop]+[(VCM-VH)×Cfb/Cop]------------公式10
在第一導通相位下進行上述的單次補償後，如圖8A所示，運算放大器50所輸出的輸出電壓Vout會由VCM+[(VCM-VL)×Cb/Cop]下降至VCM+(VCM-VL)×Cb/Cop-(VH-VCM)×Cfb/Cop。
假設自電容觸控偵測電路5於第一導通相位結束前計數K次(K為正整數)，則輸出電壓Vout=VCM-[(VL-VCM)×Cb/Cop]+[K×(VCM-VH)×Cfb/Cop]---------公式11
接著，請參照圖9，圖9係繪示自電容觸控偵測電路5運作於第二充電相位下的示意圖。為了方便觀看起見，圖9省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖9所示，當自電容觸控偵測電路5運作於第二充電相位下時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第一開關S1、第六開關S6及第十開關S10導通，其餘的第二開關S2至第五開關S5、第七開關S7至第九開關S9、第十一開關S11至第十四開關S14 均未導通。
由於第一開關S1導通，使得偵測電容Cb耦接於高電壓(接收端)VH(RX)與接地端GND之間，並且由於第六開關S6導通，使得回授電容Cfb耦接於低電壓(接收端)VL(RX)與接地端GND之間，因此，高電壓VH對偵測電容Cb充電而使得偵測電容Cb儲存的電荷量為VH×Cb；低電壓VL對回授電容Cfb充電而使得回授電容Cfb儲存的電荷量為VL×Cfb。
經前述第一導通相位結束前進行K次計數後，放大器電容Cop儲存的電荷量為[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]×Cop且運算放大器50之輸出端所輸出的輸出電壓Vout等於共模電壓VCM。
如圖9A所示，經前述第一導通相位結束前進行K次計數後，位於放大器電容Cop一側的第三接點N3之電壓等於共模電壓VCM且位於放大器電容Cop另一側的第四接點N4之電壓等於VCM+(VCM-VL)×Cb/Cop-K×(VH-VCM)×Cfb/Cop。
接著，請參照圖10，圖10係繪示自電容觸控偵測電路5運作於第二導通相位下的示意圖。為了方便觀看起見，圖10省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖10所示，當自電容觸控偵測電路5運作於第二導通相位下時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第三開關S3、第六開關S6、第十三開關S13及第十四開關S14導通，其餘的第一開關S1至第二開關S2、第四開關S4至第五開關S5、第七開關 S7至第十二開關S12均未導通。
由於第三開關S3導通，使得偵測電容Cb耦接於運算放大器50的負輸入端-與接地端GND之間，可得下列公式12：VH×Cb-[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]×Cop=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VH-VCM)×Cb/Cop]+[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]-------------------------------------公式12
至於回授電容Cfb儲存的電荷量仍為VL×Cfb。
如圖10A及圖10B所示，位於放大器電容Cop一側的第三接點N3之電壓會由共模電壓VCM下降至VCM-[(VCM-VL)×Cb/Cop-K×(VH-VCM)×Cfb/Cop]-(VH-VCM)×Cb/Cop且位於放大器電容Cop另一側的第四接點N4之電壓會由VCM+(VCM-VL)×Cb/Cop-K×(VH-VCM)×Cfb/Cop上升至共模電壓VCM。
接著，請參照圖11，圖11係繪示自電容觸控偵測電路5於第二導通相位下進行計數的示意圖。為了方便觀看起見，圖11省略未導通的開關而僅繪示導通的開關。
如圖11所示，當自電容觸控偵測電路5於第二導通相位下進行計數時，在第一開關S1至第十四開關S14中，僅有第三開關S3、第四開關S4、第十三開關S13及第十四開關S14導通，其餘的第一開關S1、第二開關S2、第五開關S5至第十二開關S12均未導通。
由於第四開關S4導通，使得補償單元54中之回授電容Cfb所儲存的電荷量VL×Cfb能流向運算放大器50的負輸入端-而進行單次的補償，則可得下列公式13：VH×Cb-[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]+VL×Cfb=VCM×Cb+(VCM-Vout)×Cop+VCM×Cfb亦即輸出電壓Vout=VCM-[(VH-VCM)×Cb/Cop]+[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]+[(VCM-VL)×Cfb/Cop]-------------------------------------公式13
在第二導通相位下進行上述的單次補償後，如圖11A及圖11B所示，位於放大器電容Cop一側的第三接點N3之電壓會由VCM-[(VCM-VL)×Cb/Cop-K×(VH-VCM)×Cfb/Cop]-(VH-VCM)×Cb/Cop上升至VCM-[(VCM-VL)×Cb/Cop-K×(VH-VCM)×Cfb/Cop]-(VH-VCM)×Cb/Cop+(VCM-VH)×Cfb/Cop。另外，位於放大器電容Cop另一側的第四接點N4之電壓則仍維持於共模電壓VCM。
假設自電容觸控偵測電路5於第二導通相位結束前計數M次(M為正整數)，則輸出電壓Vout=VCM-[(VH-VCM)×Cb/Cop]+[K×(VH-VCM)×Cfb/Cop-(VCM-VL)×Cb/Cop]+[M×(VCM-VL)×Cfb/Cop]---------------------------------公式14
若高電壓VH與低電壓VL的平均值等於共模電壓VCM，亦即在(VH+VL)/2=VCM的情況下，當[(VCM-VL)×Cb]/[(VH-VCM)×Cfb]不為整數時，則M與K不相等(例如K大於M，但不以此為限)。
相較於傳統的自電容觸控偵測電路在偵測電容Cb無法被回授電容Cfb整除時就會出現多一次的計數值，本發明的自電容觸控偵測電路5能夠較準確得出偵測量。
舉例而言，若以無法整除的9.5為例，傳統的自電容觸控偵測電路的計數值K=10，則2×K=20明顯大於2×9.5=19，而本發明的自電容觸控偵測電路5的計數值K=10且M=9，則K+M=19與2×9.5=19相等。
請參照圖12及圖13，圖12及圖13係分別繪示本發明之自電容觸控偵測電路的模擬設定及其模擬結果的時序圖。
如圖12所示，開關SH與開關SL串接於高電壓(1.6V)與低電壓(1.4V)之間，偵測電容Cb之一端耦接至開關SH與開關SL之間且其另一端耦接至接地端GND。開關ST之一端耦接至開關SH與開關SL之間且其另一端耦接至運算放大器50之負輸入端-。運算放大器50之正輸入端+與比較器52之負輸入端-均耦接共模電壓(1.5V)。開關SRES耦接於第一接點N1與第二接點N2之間。第一接點N1耦接運算放大器50之負輸入端-。第二接點N2耦接運算放大器50之輸出端。運算放大器50之輸出端輸出一輸出電壓Vout。比較器52之輸出端輸出一比較器輸出訊號CPOUT至補償單元54。開關S1耦接於第三接點N3與第一接點N1之間。開關S2耦接於第四接點N4與第二接點N2之間。開關S3耦接於第三接點N3與第二接點N2之間。開關S4耦接於第四接點N4與第一接點N1之間。開關SC耦接至開關ST與運算放大器50之負輸入端-之間。開關SCH耦接於高電壓 (1.6V)與開關SC之間。開關SCL耦接於低電壓(1.4V)與開關SC之間。
假設耦接於第三接點N3與第四接點N4之間的放大器電容之電容值為20p；耦接於開關SC、開關SCH、開關SCL與接地端GND之間的回授電容之電容值為10p；偵測電容Cb未觸控時之電容值為51p且觸控時之電容值變為66p。
根據公式可得理想的基準(Baseline)計數值為(10×51p×0.1)/(10p×0.1)=51且由於觸控時之電容變化所造成的理想計數值變化量為(10×15p×0.1)/(10p×0.1)=15。
從圖13可知，本發明之自電容觸控偵測電路的模擬結果為：未觸控時的基準計數值為53且觸控時的偵測計數值為68，亦即未觸控時的基準計數值53僅比理想的基準計數值51多2次，且由於觸控時之電容變化所造成的計數值變化量為68-53=15與理想的計數值變化量15相等。
請參照圖14及圖15，圖14及圖15係分別繪示傳統的自電容觸控偵測電路的模擬設定及其模擬結果的時序圖。
如圖14所示，開關SH與開關SL串接於高電壓(1.6V)與低電壓(1.4V)之間，偵測電容Cb之一端耦接至開關SH與開關SL之間且其另一端耦接至接地端GND。開關ST之一端耦接至開關SH與開關SL之間且其另一端耦接至運算放大器50之負輸入端-。運算放大器50之正輸入端+與比較器52之負輸入端-均耦接共模電壓(1.5V)。開關SRES耦接於第一接點N1與第二接點N2之間。第一接點N1耦接運算放大器50之負輸入端-。第二接點N2耦接運算放大器 50之輸出端。運算放大器50之輸出端輸出一輸出電壓Vout。比較器52之輸出端輸出一比較器輸出訊號CPOUT至補償單元54。開關SC耦接至開關ST與運算放大器50之負輸入端-之間。開關SCH耦接於高電壓(1.6V)與開關SC之間。開關SCL耦接於低電壓(1.4V)與開關SC之間。
假設耦接於第一接點N1與第二接點N2之間的放大器電容之電容值為20p；耦接於開關SC、開關SCH、開關SCL與接地端GND之間的回授電容之電容值為10p；偵測電容Cb未觸控時之電容值為51p且觸控時之電容值變為66p。
從圖15可知，傳統的自電容觸控偵測電路的模擬結果為：未觸控時的基準計數值為60且觸控時的偵測計數值為70，亦即未觸控時的基準計數值60明顯比理想的基準計數值51多出9次，且由於觸控時之電容變化所造成的計數值變化量為70-60=10明顯小於理想的計數值變化量15。
因此，根據圖13與圖15的模擬結果可知：相較於傳統的自電容觸控偵測電路，本發明之自電容觸控偵測電路不僅能夠有效減少未觸控時的基準計數值之誤差量，亦不會造成電容變化所造成的計數值變化量變小。
綜上所述，根據本發明之電容式觸控偵測電路提供一種創新的自電容偵側方式，於電容數位轉換器中增加開關切換放大器電容(Cop)之極性並搭配具自動電荷補償機制的超取樣電路，可達到下列功效及優點：
(1)有效減少電容數位轉換器於雙方向準位偵測(Dual edge sensing)進行多次計數時之錯誤量，以提升雙方向準位偵測進行多次計數時之準確度。
(2)當此次導通相位之時間不足以完成計數時，位於放大器上之殘餘電荷能夠不被清除而留待下次導通相位時繼續進行計數。
(3)由於雜訊的錯誤變小，可直接提升訊雜比(Signal-to-noise ratio)。
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。
5‧‧‧電容式觸控偵測電路
50‧‧‧運算放大器
52‧‧‧比較器
54‧‧‧補償單元
S1~S14‧‧‧第一開關~第十四開關
Cb‧‧‧偵測電容
Cfb‧‧‧回授電容
Cm‧‧‧互感電容
Cop‧‧‧放大器電容
N1~N4‧‧‧第一接點~第四接點
VREF‧‧‧參考電壓
VCM‧‧‧共模電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
CPOUT‧‧‧比較器輸出訊號
GND‧‧‧接地端
VH(TX)‧‧‧高電壓(發送端)
VL(TX)‧‧‧低電壓(發送端)
VH(RX)‧‧‧高電壓(接收端)
VL(TX)‧‧‧低電壓(接收端)

Claims (15)

  1. 一種電容式觸控偵測電路，包含：一第一開關至一第十四開關；一運算放大器；一比較器；一偵測電容；一回授電容；一放大器電容；以及一互感電容；其中，該第一開關與該第二開關串接於一第一電壓與一第二電壓之間，且該第一電壓高於該第二電壓；該偵測電容之一端耦接至該第一開關與該第二開關之間且其另一端耦接至一接地端；該第三開關之一端耦接至該第一開關與該第二開關之間、該互感電容及該第七開關且其另一端耦接至該運算放大器之負輸入端；該第四開關之一端耦接至該運算放大器之該負輸入端且其另一端分別耦接該第五開關、該第六開關及該回授電容；該第五開關耦接於該第一電壓與該第四開關之間；該第六開關耦接於該第二電壓與該第四開關之間；該第七開關之一端耦接一參考電壓且其另一端耦接該第三開關及該互感電容；該第八開關及該第九開關串接於該第一電壓與該第二電壓之間；該互感電容之一端耦接至該第八開關與該第九開關之間且其另一端耦接該第三開關及該第七開關；該第十開關耦接於一第一接點與一第二接點之間；該第一接點耦接至該運算放大器之該負輸入端與該第三開關之間；該第二接點耦接至該運算放大器之該輸出端與該比較器之一正輸入端之間；該放大器電容耦接於該第三接點與該第 四接點之間；該第十一開關耦接於該第一接點與該第三接點之間；該第十二開關耦接於該第二接點與該第四接點之間；該第十三開關耦接於該第三接點與該第二接點之間；該第十四開關耦接於該第四接點與該第一接點之間；該運算放大器之該負輸入端耦接該第三開關、該第四開關及該第一接點；該運算放大器之該正輸入端耦接一共模電壓；該運算放大器之該輸出端耦接該比較器之該正輸入端及該第二接點並輸出一輸出電壓；該比較器之該正輸入端耦接該運算放大器之該輸出端及該第二接點；該比較器之該負輸入端耦接該共模電壓；該比較器之該輸出端輸出一比較器輸出訊號；一補償單元包含該第四開關、該第五開關、該第六開關及該回授電容，且該補償單元接收該比較器輸出訊號並根據該比較器輸出訊號選擇性地控制該第四開關、該第五開關及該第六開關是否導通；該電容式觸控偵測電路可依序運作於一第一充電相位、一第一導通相位、一第二充電相位及一第二導通相位下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路運作於該第一充電相位下時，該第二開關、該第五開關、該第十開關、該第十一開關及該第十二開關導通且該第一開關、該第三開關、該第四開關、該第六開關至該第九開關、該第十三開關及該第十四開關未導通。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第二開關導通，該偵測電容耦接於該第二電壓與該接地端之間，並且由於該第五開關導通，該回授電容耦接於該第一電壓與該接地端之間，該運算放大器之該負輸入端所接收的電壓為0且該運算放大器之該正輸入端耦接該共模電壓，該運 算放大器之該輸出端所輸出的該輸出電壓等於該共模電壓。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路運作於該第一導通相位下時，該第三開關、該第五開關、該第十一開關及該第十二開關導通且該第一開關、該第二開關、該第四開關、該第六開關至該第十開關、該第十三開關及該第十四開關未導通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第三開關導通，使得該偵測電容耦接於該運算放大器的該負輸入端與該接地端之間，該輸出電壓等於該共模電壓-[(該第二電壓-該共模電壓)×該偵測電容/該放大器電容]。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路於該第一導通相位下進行計數時，該第三開關、該第四開關、該第十一開關及該第十二開關導通且該第一開關、該第二開關、該第五開關至該第十開關、該第十三開關及該第十四開關未導通。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第四開關導通，使得該回授電容耦接該運算放大器之該負輸入端，若該自電容觸控偵測電路於該第一導通相位結束前進行K次計數，該輸出電壓等於該共模電壓-[(該第二電壓-該共模電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[K×(該共模電壓-該第一電壓)×該回授電容/該放大器電容]，K為正整數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路運作於該第二充電相位下時，該第一開關、該第六開關及該第十開關導通且該第二開關至該第五開關、該第七開關至該第九開關、該第十一開關至該第十四開 關未導通。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第一開關導通，該偵測電容耦接於該第一電壓與該接地端之間，並且由於該第六開關導通，該回授電容耦接於該第二電壓與該接地端之間，經該K次計數後，該放大器電容儲存的電荷量為[K×(該第一電壓-該共模電壓)×該回授電容/該放大器電容-(該共模電壓-該第二電壓)×該偵測電容/該放大器電容]×該放大器電容且該運算放大器之該輸出端所輸出的該輸出電壓等於該共模電壓。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路運作於該第二導通相位下時，該第三開關、該第六開關、該第十三開關及該第十四開關導通，該第一開關至該第二開關、該第四開關至該第五開關、該第七開關至該第十二開關未導通。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第三開關導通，使得該偵測電容耦接於該運算放大器之該負輸入端與該接地端之間，該輸出電壓等於該共模電壓-[(該第一電壓-該共模電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[K×(該第一電壓-該共模電壓)×該回授電容/該放大器電容-(該共模電容-該第二電壓)×該偵測電容/該放大器電容]。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控偵測電路，其中當該自電容觸控偵測電路於該第二導通相位下進行計數時，該第三開關、該第四開關、該第十三開關及該第十四開關導通，該第一開關、該第二開關、該第五開關至該第十二開關未導通。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電容式觸控偵測電路，其中由於該第四開關導通，使得該回授電容耦接該運算放大器之該負輸入端，該輸出電壓等於該共模電壓-[(該第一電壓-該共模電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[K×(該第一電壓-該共模電壓)×該回授電容/該放大器電容-(該共模電壓-該第二電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[(該共模電壓-該第二電壓)×該回授電容/該放大器電容]。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電容式觸控偵測電路，其中若該自電容觸控偵測電路於該第二導通相位結束前進行M次計數，該輸出電壓等於該共模電壓-[(該第一電壓-該共模電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[K×(該第一電壓-該共模電壓)×該回授電容/該放大器電容-(該共模電壓-該第二電壓)×該偵測電容/該放大器電容]+[M×(該共模電壓-該第二電壓)×該回授電容/該放大器電容]，其中M為正整數。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電容式觸控偵測電路，其中在(該第一電壓+該第二電壓)/2等於該共模電壓的情況下，當[(該共模電壓-該第二電壓)×該偵測電容]/[(該第一電壓-該共模電壓)×該回授電容]不為整數時，則M與K不相等。
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