TWI737216B - 自電容檢測電路以及具有該電容檢測電路的資訊處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明主要揭示一種自電容檢測電路，用以耦接一觸控面板的一觸控檢測端，且包含至少一電荷放大單元用以通過該觸控檢測端而與該觸控面板之中的至少一感測電容耦接。本發明特別令所述自電容檢測電路更包含一第一電流源以及一第二電流源，其係用以減去該感測電容之電容初始值，從而提升自電容檢測電路所測得之電容變化量的值，達到放大輸出電壓信號的有效範圍之最終效果。本發明之自電容檢測電路不包含任何pF量級的基準電容，因此在進行芯片化之時可以大幅節省電路面積，從而節省芯片製作成本。

Description

自電容檢測電路以及具有該電容檢測電路的資訊處理裝置

本發明係關於觸控檢測電路之技術領域，尤指應用於觸控檢測芯片之中的一種自電容檢測電路。

投射電容式觸控面板目前已被廣泛應用在中小尺寸之可攜式電子裝置、平板電腦以及中大尺寸之觸控控顯示器之中，其包含自電容型(Self capacitance)和互電容型(Mutual capacitance)。圖1顯示習知的一種自電容檢測電路的電路架構圖。習知的自電容檢測電路1’係耦接至一觸控面板2’(或一觸控顯示面板模塊)的一觸控檢測端，用以感測該觸控面板2’內的至少一感測電容21’之電容值變化。如圖1所示，習知的自電容檢測電路1’包括：一運算放大器11’、一反饋電容12’、一第一開關13’、一第二開關14’、一第三開關15’、一第四開關16’、一第五開關17’、一第六開關18’、一基準電容19’、一第七開關1A’、一第八開關1b’、以及一第九開關1C’。

如圖1所示，自電容檢測電路1’通過對感測電容21’充/放電的方式，將感測電容21’所存儲的感測電荷讀出。進一步地，在對所述感測電荷進行放大處理之後，由運算放大器11’的輸出端提供一個輸出電壓信號Vo。更詳細地說明，當手指沒有觸摸到觸控面板2’時，感測電容21’之感測電容C_SEN的值為C1。並且，當手指觸摸觸控面板2’時，感測電容C_SEN的值則為C2。因此，感測電容21’的電容變化量C_change即為C2-C1。

實務經驗顯示，C1的值過大會導致輸出電壓信號Vo之有效範圍太窄。因此，如圖1所示，自電容檢測電路1’通常會同時包含一個基準電容19’，其係用以在感測電荷進行放大處理的過程中將C1的值減去。如此設計，當手指觸摸觸控面板2’時，自電容檢測電路1’所測得之電容變化量的值便大幅提升，從而放大輸出電壓信號Vo之有效範圍。通過圖2所示之自電容檢測電路的工作時序圖可以進一步地理解，增設的基準電容19’如何達成大幅提升所 述電容變化量之最終效果。

參照圖1和圖2，激勵信號V_STIM的一個完整週期即為自電容檢測電路1’的一個完整工作周期。並且，圖2繪示激勵信號V_STIM包含正相位階段與負相位階段。在正相位階段之中，令第一控制信號PH1為高電平可令由運算放大器11’和反饋電容12’組成的電荷放大器操作在重置(Reset)模式。此時，重置電荷Q_RESET=Q_Cbase=V_H*C_base，其中C_base即為基準電容19’的電容值荷。

如圖2所示，通過令第一控制信號PH1為低電平、第二控制信號PH2為高電平、激勵信號V_STIM為高電平、且驅動信號V_DRV為高電平，可使得由運算放大器11’和反饋電容12’組成的電荷放大器操作在積分模式。在此模式下，該反饋電容12’所儲存之積分電荷Q_INTERG=Q_Csen+Q_Cbase+Q_CF；其中，Q_Csen=V_H*C_SEN，C_SEN為感測電容21’的電容值。另一方面，Q_Cbase=0，且Q_CF=(V_H-V_O)*C_F，C_F為反饋電容12’的電容值。最終，Q_INTERG=Q_RESET，因此可計算出輸出電壓信號Vo=V_H(C_SEN+C_F-C_base)/C_F=1-V_H(C_base-C_SEN)/C_F。

圖2繪示激勵信號V_STIM包含正相位階段與負相位階段。在負相位階段之中，令第一控制信號PH1為高電平可令由運算放大器11’和反饋電容12’組成的電荷放大器操作在重置模式。此時，重置電荷Q_RESET=Q_Cbase=V_H*C_base。進一步地，通過令第一控制信號PH1為低電平、第二控制信號PH2為高電平、激勵信號V_STIM為低電平、且驅動信號V_DRV為低電平，可使得由運算放大器11’和反饋電容12’組成的電荷放大器操作在積分模式。在此模式下，該反饋電容12’所儲存之積分電荷Q_INTERG=Q_Csen+Q_Cbase+Q_CF；其中，Q_Csen=(-V_H)*C_SEN，Q_Cbase=0，且Q_CF=(V_O)*C_F。最終，Q_RESET=Q_INTERG，因此可計算出輸出電壓信號Vo=V_H(C_base-C_SEN)/C_F。

應可理解，無論是在激勵信號V_STIM的正相位階段或負相位階段，輸出電壓信號Vo的數學運算式之中都含有(C_base-C_SEN)此項。因此，數學推算的結果證實，在自電容檢測電路1’之中增設基準電容19’之後，感測電容C_SEN的初始值(亦即，C1)便會在電荷放大器對感測電荷進行放大處理的過程中被減去，從而放大輸出電壓信號Vo之有效範圍。

可惜的是，前述基準電容19’的電容值C_base的大小與感測電容21’的電容值C_SEN相關，為pF量級。因此，當自電容檢測電路1’的檢測通道非常多的時候，每個通道都需要一個獨立的基準電容19’，導致自電容檢測電路1’之芯片需要使用大量的基準電容19’，占用大量的芯片面積。

由上述說明可知，現有的用於提升自電容檢測電路之輸出信號的有效範圍的方法顯然具有其實務上的缺失。因此，本領域亟需一種新式的自電容檢測電路。

本發明之主要目的在於提供一種自電容檢測電路，其利用電流源取代傳統使用的基礎電容進以達成減去觸控面板之感測電容的電容初始值之效果，使得自電容檢測電路所測得之電容變化量的值可以被大幅提升，達到放大輸出電壓信號的有效範圍之最終效果。

本發明之另一目的在於提供一種自電容檢測電路，其電路結構不包含任何pF量級的基準電容，因此在進行芯片化之時可以大幅節省電路面積，從而節省芯片製作成本。

為達成上述目的，本發明提出所述自電容檢測電路的一實施例，其用以耦接一觸控面板的一觸控檢測端，且包含至少一電荷放大單元用以通過該觸控檢測端而與該觸控面板之中的至少一感測電容耦接，進以接收一電容檢測信號；其特徵在於，所述自電容檢測電路更包括：一第一開關元件，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元和該感測電容之間的一共接點；一第一電流源，耦接於一高電平電壓信號和該第一開關元件的該第二端之間，用以向該第一開關元件提供一第一電流；一第二開關元件，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元和該感測電容之間的該共接點；以及一第二電流源，耦接於一低電平電壓信號和該第二開關元件的該第二端之間，用以向該低電平電壓信號提供一第二電流； 其中，當所述感測電容的一電容電壓等於或低於一第一門限電壓時，一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的該控制端以將該第一開關元件切換至一短路狀態，從而利用該第一電流對該感測電容進行充電且持續一充電時間；以及當所述感測電容的一電容電壓等於或高於一第二門限電壓時，一第二開關元件控制信號傳送至該第二開關元件的該控制端以將該第二開關元件切換至一短路狀態，從而利用該第二電流對該感測電容進行放電且持續一放電時間。

在一實施例中，該第一電流和該充電時間之乘積與該高電平電壓信號和一基準電容值之乘積相等。

在一實施例中，該第二電流和該放電時間之乘積與該高電平電壓信號和一基準電容值之乘積相等。

在一實施例中，該第二電流的值相等於該第一電流的值。

在一實施例中，該電荷放大單元包括：一運算放大器，具有耦接一激勵信號壓的一正輸入端、一負輸入端、和一輸出端；以及一反饋電容，耦接於該運算放大器的該負輸入端和該輸出端之間。

在一實施例中，所述自電容檢測電路更包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第一開關通過其所述第一端及所述第二端與該電容並聯；一第二開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器的該負輸入端和該反饋電容之間的一共接點，其所述第二端耦接至該第一開關元件12和至少一所述感測電容之間的一共接點；以及一第三開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該第二開關的該第二端與至少一所述感測電容之間的一共接點，其所述第二端耦接至該激勵信號。

在可能的實施例中，該第一開關元件、該第二開關元件、該第一開關、該第二開關、與該第三開關皆可為一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關或一CMOS開關。

本發明同時提供一種資訊處理裝置，其具有一觸控模塊，且該觸控模塊包含一觸控面板、一觸控檢測電路以及內嵌一觸控辨識運算函式的一微控制器；其中，該觸控檢測電路具有如前所述本發明之自電容檢測電路。

在可行的實施例中，所述資訊處理裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶或門禁裝置。

在可行的實施例中，該觸控模塊進一步和一顯示面板一同組成一觸控顯示模塊。

<本發明>

1:自電容檢測電路

11:電荷放大單元

111:運算放大器

112:反饋電容

113:第一開關

114:第二開關

115:第三開關

12:第一開關元件

13:第一電流源

14:第二開關元件

15:第二電流源

2:觸控面板

21:感測電容

<習知>

1’:自電容檢測電路

11’:運算放大器

12’:反饋電容

13’:第一開關

14’:第二開關

15’:第三開關

16’:第四開關

17’:第五開關

18’:第六開關

19’:基準電容

1A’:第七開關

1B’:第八開關

1C’:第九開關

2’:觸控面板

21’:感測電容

圖1為習知的一種自電容檢測電路的電路架構圖；圖2為習知的自電容檢測電路的工作時序圖；圖3為本發明之一種自電容檢測電路的電路架構圖；以及圖4為本發明之自電容檢測電路的工作時序圖。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

圖3顯示本發明之一種自電容檢測電路的電路架構圖。已知，觸控檢測芯片已經被廣泛地應用在各種電子裝置(例如：智能手機)之中，且其包括一觸控面板、一觸控檢測電路以及內嵌一觸控辨識運算函式的一微控制器。本發明之自電容檢測電路1即應用在該觸控檢測電路之中。如圖3所示，本發明之自電容檢測電路1耦接一觸控面板2的一觸控檢測端，且包含至少一電荷放大單元11用以通過該觸控檢測端而與該觸控面板2之中的至少一感測電容21耦接，進以接收一電容檢測信號。

如圖3所示，該電荷放大單元11包括一運算放大器111以及一 反饋電容112，其中該運算放大器111具有耦接一激勵信號壓V_STIM的一正輸入端、一負輸入端、和一輸出端，且該反饋電容112耦接於該運算放大器111的該負輸入端和該輸出端之間。圖3繪示本發明之自電容檢測電路1同時包含一第一開關113、一第二開關114以及一第三開關115。更詳細地說明，該第一開關113具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第一開關113通過其所述第一端及所述第二端與該反饋電容112並聯。另一方面，該第二開關114具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器111的該負輸入端和該反饋電容112之間的一共接點，其所述第二端耦接至該第一開關元件12和至少一所述感測電容21之間的一共接點。並且，該第三開關115具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該第二開關114的該第二端與至少一所述感測電容21之間的一共接點，其所述第二端耦接至該激勵信號V_STIM。

特別地，本發明在所述自電容檢測電路1之中增設一第一開關元件12、一第一電流源13、一第二開關元件14、以及一第二電流源15。如圖3所示，該第一開關元件12具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元11和該感測電容21之間的一共接點。並且，該第一電流源13耦接於一高電平電壓信號V_H和該第一開關元件12的該第二端之間，用以向該第一開關元件12提供一第一電流。另一方面，該第二開關元件14具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元11和該感測電容21之間的該共接點。並且，該第二電流源15耦接於一低電平電壓信號V_L和該第二開關元件14的該第二端之間，用以向該低電平電壓信號V_L提供一第二電流。

補充說明的是，圖3所示之第一開關元件12、該第二開關元件14、該第一開關113、該第二開關114、與該第三開關115皆可為一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關、或一CMOS開關。

依據本發明之設計，在所述感測電容21的一電容電壓等於或高於一門限電壓的情況下，一第二開關元件控制信號PH3N傳送至該第二開關元 件14的該控制端以將該第二開關元件14切換至一短路狀態，從而利用該第二電流I_S2對該感測電容21進行放電且持續一放電時間。舉例而言，當感測電容21的電容電壓為一高電壓V1時，利用該第二電流源15之第二電流I_S2對該感測電容21進行放電且持續一放電時間，如此可以令該感測電容21所儲存的一感測電荷量被減去一特定電荷量Q=I_S2*T_DSC=V1*C_base。其中，T_DSC為所述放電時間，且C_base為一基準電容值，其與感測電容21的電容值C_SEN相關，為pF量級。

相反地，在所述感測電容21的一電容電壓等於或低於一門限電壓的情況下，一第一開關元件控制信號PH3P傳送至該第一開關元件12的該控制端以將該第一開關元件12切換至一短路狀態，從而利用該第一電流對該感測電容21進行充電且持續一充電時間。舉例而言，當感測電容21的電容電壓為一低電壓V2時，利用該第一電流源13之第一電流I_S1對該感測電容21進行充電且持續一充電時間，如此可以令該感測電容21所儲存的一感測電荷量被減去一特定電荷量Q=I_S1*T_C=(V1-V2)*C_base，其中T_C為所述充電時間。

進一步地說明，電荷放大單元11在對感測電容21之感測電荷進行放大處理之後，由運算放大器111的輸出端提供一個輸出電壓信號Vo。當手指沒有觸摸到觸控面板2時，感測電容21之感測電容C_SEN的值為C1。並且，當手指觸摸觸控面板2時，感測電容C_SEN的值則為C2。因此，感測電容21的電容變化量C_change即為C2-C1。特別說明的是，本發明之自電容檢測電路1包含第一電流源13和第二電流源15，其係用以在該電荷放大單元11對感測電荷進行放大處理的過程中將C1的值減去。如此設計，當手指觸摸觸控面板2時，自電容檢測電路1所測得之電容變化量的值便大幅提升，從而放大輸出電壓信號Vo之有效範圍。

通過圖4所示的本發明之自電容檢測電路的工作時序圖可以進一步地理解，增設的第一電流源13以及第二電流源15如何達成大幅提升所述電容變化量之最終效果。參照圖3和圖4，激勵信號V_STIM的一個完整週期即為自電容檢測電路1的一個完整工作周期。並且，圖4繪示激勵信號V_STIM包含正相位階段與負相位階段。在正相位階段之中，令第一控制信號PH1為高電平可 令由運算放大器111和反饋電容112組成的電荷放大單元11操作在重置(Reset)模式。此時，重置電荷Q_RESET=0。

如圖4所示，通過令第一控制信號PH1為低電平、第二控制信號PH2為高電平、且激勵信號V_STIM為高電平，可使得由運算放大器111和反饋電容112組成的電荷放大單元11操作在積分模式。在此模式下，該反饋電容112所儲存之積分電荷Q_INTERG=Q_Csen+Q_CF+Q_IS；其中，Q_Csen=V_H*C_SEN，C_SEN為感測電容21的電容值。另一方面，Q_CF=(V_H-V_O)*C_F，C_F為反饋電容112的電容值。並且，I_S=I_S1=I_S2。最終，Q_RESET=Q_INTERG，因此，在令I_S*T=V_H* C_base的情況下，可計算出輸出電壓信號Vo=V_H(C_SEN+C_F-C_base)/C_F=V_H(1-(C_base-C_SEN)/C_F)。其中，T為積分時間。

補充說明的是，本發明特別令該第一電流I_S1和該充電時間T_C之乘積與該高電平電壓信號V_H和基準電容值(C_base)之乘積相等，且令該第二電流I_S2和該放電時間T_DSC之乘積與該高電平電壓信號V_L和基準電容值(C_base)之乘積相等。因此，對於本發明之自電容檢測電路1而言，只需要通過調整積分時間T、第一電流I_S1、及/或第二電流I_S2，便可以調整對於所述電容變化量(即，C2-C1)的減電容效果。

圖4繪示激勵信號V_STIM包含正相位階段與負相位階段。在負相位階段之中，令第一控制信號PH1為高電平可令由運算放大器111和反饋電容112組成的電荷放大單元11操作在重置(Reset)模式。此時，重置電荷Q_RESET=0。進一步地，通過令第一控制信號PH1為低電平、第二控制信號PH2為高電平、且激勵信號V_STIM為低電平，可使得由運算放大器111和反饋電容112組成的電荷放大單元11操作在積分模式。在此模式下，該反饋電容112所儲存之積分電荷Q_INTERG=Q_Csen+Q_CF+Q_IS；其中，Q_Csen=(-V_H)*C_SEN，且Q_CF=(-V_O)*C_F。最終，Q_RESET=Q_INTERG，因此，在令I_S*T=V_H* C_base的情況下，可計算出輸出電壓信號Vo=V_H(C_SEN+C_F-C_base)/C_F=1-V_H(C_base-C_SEN)/C_F。其中，T為積分時間。

因此，對於本發明之自電容檢測電路1而言，只需要通過調整積分時間T、第一電流I_S1、及/或第二電流I_S2，便可以調整對於所述電容變化量(即，C2-C1)的減電容效果。由前述說明可知，無論是在激勵信號V_STIM的正相位階段 或負相位階段，輸出電壓信號Vo的數學運算式之中都含有(C_base-C_SEN)此項。因此，數學推算的結果證實，在自電容檢測電路1之中增設第一電流源13以及第二電流源15之後，感測電容21之感測電容C_SEN的初始值(亦即，C1)便會在電荷放大單元11對感測電荷進行放大處理的過程中被減去，從而放大輸出電壓信號Vo之有效範圍。

如此，上述已完整且清楚地說明本發明之一種自電容檢測電路；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：

(1)本發明的自電容檢測電路1主要是利用第一電流源13與第二電流源15減去所述感測電容21之電容初始值(C1)，使得自電容檢測電路1所測得之電容變化量的值可以被大幅提升，達到放大輸出電壓信號V_O的有效範圍之最終效果。

(2)本發明之自電容檢測電路1的電路結構不包含任何pF量級的基準電容，因此在進行芯片化之時可以大幅節省電路面積，從而節省芯片製作成本。

(3)並且，本發明同時揭示一種資訊處理裝置，其具有一觸控模塊，且該觸控模塊包含一觸控面板、一觸控檢測電路以及內嵌一觸控辨識運算函式的一微控制器；其中，該觸控檢測電路具有如前所述本發明之自電容檢測電路1。在一可行實施例中，所述資訊處理裝置係由智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、和門禁裝置所組成之群組所選擇的一種電子裝置。在另一可行實施例中，該觸控模塊進一步和一顯示面板一同組成一觸控顯示模塊。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

1:自電容檢測電路

11:電荷放大單元

111:運算放大器

112:反饋電容

113:第一開關

114:第二開關

115:第三開關

12:第一開關元件

13:第一電流源

14:第二開關元件

15:第二電流源

2:觸控面板

21:感測電容

Claims (10)

1. 一種自電容檢測電路，用以耦接一觸控面板的一觸控檢測端，且包含至少一電荷放大單元以通過該觸控檢測端與該觸控面板中的至少一感測電容耦接以接收一電容檢測信號，其特徵在於，所述自電容檢測電路更包括： 一第一開關元件，具有一第一端、一第二端及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元和該感測電容之間的一共接點； 一第一電流源，耦接於一高電平電壓信號和該第一開關元件的該第二端之間，用以向該第一開關元件提供一第一電流； 一第二開關元件，具有一第一端、一第二端及一控制端，其中該第一端耦接至該電荷放大單元和該感測電容之間的該共接點；以及 一第二電流源，耦接於一低電平電壓信號和該第二開關元件的該第二端之間，用以向該低電平電壓信號提供一第二電流； 其中，當所述感測電容的一電容電壓等於或低於一第一門限電壓時，一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的該控制端以將該第一開關元件切換至一短路狀態，從而利用該第一電流對該感測電容進行充電且持續一充電時間；以及當所述感測電容的一電容電壓等於或高於一第二門限電壓時，一第二開關元件控制信號傳送至該第二開關元件的該控制端以將該第二開關元件切換至一短路狀態，從而利用該第二電流對該感測電容進行放電且持續一放電時間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自電容檢測電路，其中，該第一電流和該充電時間之乘積與該高電平電壓信號和一基準電容值之乘積相等。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自電容檢測電路，其中，該第二電流和該放電時間之乘積與該高電平電壓信號和一基準電容值之乘積相等。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自電容檢測電路，其中，該第二電流的值相等於該第一電流的值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自電容檢測電路，其中，該電荷放大單元包括： 一運算放大器，具有耦接一激勵信號壓的一正輸入端、一負輸入端、和一輸出端；以及 一反饋電容，耦接於該運算放大器的該負輸入端和該輸出端之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之自電容檢測電路，更包括： 一第一開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第一開關通過其所述第一端及所述第二端與該反饋電容並聯； 一第二開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器的該負輸入端和該反饋電容之間的一共接點，其所述第二端耦接至該第一開關元件和至少一所述感測電容之間的一共接點；以及 一第三開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該第二開關的該第二端與至少一所述感測電容之間的一共接點，其所述第二端耦接至該激勵信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自電容檢測電路，其中，該第一開關元件、該第二開關元件、該第一開關、該第二開關與該第三開關皆為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關。
8. 一種資訊處理裝置，其具有一觸控模塊，且該觸控模塊包含一觸控面板、一觸控檢測電路以及內嵌一觸控辨識運算函式的一微控制器；其中，該觸控檢測電路具有如申請專利範圍第1項至第6項之任一項所述之自電容檢測電路。
9. 如申請專利範圍第8項所述之資訊處理裝置，其係由智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、和門禁裝置所組成之群組所選擇的一種電子裝置。
10. 如申請專利範圍第8項所述之資訊處理裝置，其中，該觸控模塊進一步和一顯示面板一同組成一觸控顯示模塊。

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