TWI779534B - 電容感測電路 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關一種電容感測電路，其取樣並保持一參考訊號，以產生一輸入參考訊號，藉此產生一輸入訊號至一感測電路，因而讓感測電路依據該輸入訊號與一感測訊號，而產生一輸出訊號，用於電容感測。

Description

電容感測電路
本發明係有關一種感測電路，尤其是一種電容感測電路。
現今大部分電子裝置設置有觸控電路及用於控制射頻電路之發射功率的近接感測器(Proximity Sensor)。觸控電路用於偵測使用者觸碰電子裝置之觸控面板的位置，以執行對應的事件。近接感測器用於偵測使用者是否接近電子裝置，若使用者接近電子裝置，則可降低射頻電路之發射功率，以控制特定吸收比率(Specific Absorption Rate，SAR)於規範內，而避免影響人體健康。電容式觸控電路與近接感測器可偵測電子裝置之一感測電極之電容的變化量，而判斷使用者是否有觸碰觸控面板或者接近電子裝置。電容感測電路用於偵測感測電極之電容量，一般電容感測電路為利用一輸入訊號驅動感測電極上的電荷轉移至電容感測電路，以偵測感測電極上的電容量，進而得知感測電極之電容的變化量。由於輸入訊號來自於電子裝置的內部電路，例如電源供應電路，因此輸入訊號會夾雜額外之雜訊，此輸入訊號之雜訊會造成訊噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，即會影響電容感測電路感測感測電極上的電容量的準確性，尤其當感測電極上的電容量很大時。
基於上述之問題，本發明提供一種電容感測電路，其可降低雜訊對於電容感測電路之影響，以加強訊噪比，而提高感測電容量之準確性。
本發明之一目的，提供一種電容感測電路，其取樣並保持輸入至電容感測電路之一參考訊號，而產生一輸入參考訊號，依輸入參考訊號產生一輸入訊號，此輸入訊號之雜訊於一週期內為固定，不隨時間而改變，使得大部分雜訊可以處理而去除，因而提升訊噪比。
本發明揭示了一種電容感測電路，其包含一取樣保持電路、一訊號產生電路與一感測電路，取樣保持電路取樣並保持一參考訊號，而產生一輸入參考訊號至訊號產生電路，訊號產生電路依據輸入參考訊號產生一輸入訊號，感測電路依據輸入訊號與一感測訊號產生一輸出訊號。
10:電容感測電路
12:取樣保持電路
122:開關
124:儲能元件
14:訊號產生電路
16:感測電路
162:電容
19:時序控制電路
22:感測電極
222:電容
ADC:類比數位轉換電路
ADC_CLK:時脈訊號
DSP:訊號處理電路
OP:運算放大器
PRO:近接偵測電路
Raw_data:偵測資料
SD:數位訊號
SPRO:近接訊號
t1:第一時間
t2:第二時間
t3:第三時間
t4:第四時間
VINR:輸入參考訊號
VINS:輸入訊號
VRef:參考訊號
VSAM:取樣訊號
VSEN:感測訊號
VOUT:輸出訊號
第一圖：其為本發明之一實施例之電容感測電路之方塊圖；第二圖：其為本發明之一實施例之電容感測電路之電路圖；第三圖：其為本發明之一實施例之訊號時序圖；以及第四圖：其為本發明之另一實施例之電路圖。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：在說明書及請求項當中使用了某些詞彙指稱特定的元件，然，所屬本發明技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞稱呼同一個元件，而且，本說明書及請求項並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在整體技術上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及請求項當中所提及的「包含」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。再者，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接一第二裝置，則代表第一裝置可直接連接第二裝置，或可透過其他裝置或其他連接手段間接地連接至第二裝置。
有鑑於習知電容感測電路因輸入訊號具有時變雜訊，而導致習知電容感測電路具較差之訊噪比，據此，本發明遂提出一種電容感測電路，以解決習知技術所造成之訊噪比較差之問題。
以下，將進一步說明本發明揭示之電容感測電路所包含之特性、所搭配之電路結構：首先，請參閱第一圖，其為本發明之一實施例之電容感測電路之方塊圖。如圖所示，本發明之電容感測電路10包含一取樣保持電路12、一訊號產生電路14與一感測電路16。取樣保持電路12耦接訊號產生電路14，而訊號產生電路14更耦接至感測電路16。取樣保持電路12取樣並保持一參考訊號VRef，而產生一輸入參考訊號VINR。訊號產生電路14依據輸入參考訊號VINR產生一輸入訊號VINS，感測電路16依據輸入訊號VINS與來自於一感測電極22之一感測訊號VSEN產生一輸出訊號VOUT。於本發明之一實施例中，感測電極22設置於電子裝置，例如電子裝置之面板。如第三圖所示，因為參考訊號VRef夾雜隨時間改變的雜訊，因此參考訊號VRef之準位隨著時間而改變。取樣保持電路12取樣參考訊號VRef，並保持參考訊號VRef被取樣時的訊號準位，而產生輸入參考訊號VINR，如此輸入參考訊號VINR之準位於取樣保持電路12的保持期間(HOLD)不會隨時間改變。因此，訊號產生電路14依據輸入參考訊號VINR產生之輸入訊號VINS的準位(高準位或者低準位)於取樣保持電路12的保持期間(HOLD)也不會隨時間改變。此外，感測電路16進一步耦接一類比數位轉換電路ADC，類比數位轉換電路ADC接收輸出訊號VOUT並轉換類比之輸出訊號VOUT而輸出一數位訊號SD。
為了較清楚了解本發明上述實施例之電容感測電路10，更進一步參閱第二圖作說明。取樣保持電路12包含一開關122與一儲能元件124(例如：電容)，開關122耦接於儲能元件124與參考訊號VRef間。開關122耦接一時序控制電路19，並受控於時序控制電路19產生之取樣訊號VSAM，以依據取樣訊號VSAM而導通或截止，在開關122導通時取樣參考訊號VRef至儲能元件124中，儲能元件124保持參考訊號VRef在開關122導通時的訊號準位，因而產生輸入參考訊號VINR。儲能元件124耦接訊號產生電路14，以提供輸入參考訊號VINR至訊號產生電路14。
訊號產生電路14接收取樣保持電路12所產生之輸入參考訊號VINR，而依據輸入參考訊號VINR產生感測電路16所需之輸入訊號VINS。如第三圖所示，輸入訊號VINS之準位可於一固定週期改變為高準位或者低準位，於本發明之一實施例中，輸入訊號VINS可為一方波訊號。感測電路16包含一運算放大器OP與一電容162，運算放大器OP具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，第一輸入端接收來自於訊號產生電路14之輸入訊號VINS，第二輸入端耦接感測電極22，以接收感測訊號VSEN，感測電極22相當於一電容222，其電容量會隨物體靠近感測電極22而變化，即電容量會隨物體靠近電子裝置而變化，此物體為觸控物，例如使用者手指或者觸控筆等，因此感測電極22可相當於感測電容用於感測物體是否靠近電子裝置。電容162耦接於運算放大器OP之第二輸入端與輸出端間。透過輸入訊號VINS傳輸至運算放大器OP之第一輸入端可驅動電容222之電荷轉移到電容162，即電容222之感測訊號VSEN的電荷轉移至電容162。藉此，感測電路16依據輸入訊號VINS與感測訊號VSEN產生輸出訊號VOUT於輸出端。類比數位轉換電路ADC接收輸出訊號VOUT，並將輸出訊號VOUT轉換而產生數位訊號SD。由於上述電荷轉移是透過輸入訊號VINS驅動，所以電荷的轉移量正比於輸入訊號VINS的準位，因此輸出訊號VOUT之準位可表示為如下：
Figure 110110947-A0305-02-0006-9
 其中，CP為感測電極22之電容222的電容量，CREF為感測電路16之電容162的電容量。
請一併參閱第三圖，其為本發明之電容感測電路之訊號的時序圖。如圖所示，本實施例中，取樣訊號VSAM每隔固定週期致能(高準位)一次，即取樣保持電路12每隔固定週期取樣一次參考訊號VRef，以產生輸入參考訊號VINR。訊號產生電路14依據輸入參考訊號VINR產生輸入訊號VINS。於本實施例中，類比數位轉換電路ADC分別在輸入訊號VINS之正半週期與負半週期對輸出訊號VOUT取樣一次，因此時序控制電路19分別在輸入訊號VINS之正半週期與負半週期產生一時脈訊號ADC_CLK至類比數位轉換電路ADC，以控制類比數位轉換電路ADC取樣輸出訊號VOUT，以轉換輸出訊號VOUT產生數位訊號SD，例如在第二時間t2及 第四時間t4。如圖所示，輸入訊號VINS之準位在時間t1由低準位轉變為高準位，而在時間t3由高準位轉變為低準位。
如第二圖與第三圖所示，由於類比數位轉換電路ADC於正半週期與負半週期取樣輸出訊號VOUT，即是在第二時間t2取樣輸出訊號VOUT(t2)與第四時間t4取樣輸出訊號VOUT(t4)，而輸出訊號VOUT(t2)與VOUT(t4)可表示如下：
Figure 110110947-A0305-02-0007-2
Figure 110110947-A0305-02-0007-3
由於參考訊號VRef包含有雜訊，所以取樣保持電路12取樣參考訊號VRef產生之輸入參考訊號VINR亦包含同樣雜訊，因此輸入訊號VINS也包含有同樣雜訊，其可表示為VINS(t)=VINS0(t)+VINSN(t)，並帶入上述式(一)與式(二)中，推得含有雜訊之輸出訊號如下：
Figure 110110947-A0305-02-0007-4
Figure 110110947-A0305-02-0007-5
其中，VINS0(t)表示無雜訊之輸入訊號；VINSN(t)表示輸入訊號之雜訊。
其中VOUT0(t2)、VOUT0(t4)表示無雜訊之輸出訊號，其可表示如下：
Figure 110110947-A0305-02-0007-6
Figure 110110947-A0305-02-0007-7
由於本發明之取樣保持電路12針對參考訊號VRef於第一時間t1前進行取樣以及在第二時間t2與第三時間t3之間進行取樣，以產生輸入參考訊號VINR，並保持輸入參考訊號VINR，其表示輸入參考訊號VINR之準位不會受到後續 參考訊號VRef之準位影響而改變，直至取樣保持電路12重新取樣參考訊號VRef，因此訊號產生電路14依據此輸入參考訊號VINR產生輸入訊號VINS之高準位或者低準位，也不會受到後續參考訊號VRef之準位影響而改變，因此相當於在第一時間t1之輸入訊號VINS(t1)包含之雜訊VINSN(t1)相等於在第二時間t2之輸入訊號VINS(t2)包含之雜訊VINSN(t2)，即VINSN(t1)=VINSN(t2)。而相同情況下，輸入訊號VINS於第三時間t3與第四時間t4亦具有相同雜訊，即VINSN(t3)=VINSN(t4)。如此VINSN(t1)=VINSN(t2)與VINSN(t3)=VINSN(t4)代入式(三)與式(四)，獲得下式(七)與式(八)：VOUT(t2)=VOUT0(t2)+VINSN(t2) 式(七)
VOUT(t4)=VOUT0(t4)+VINSN(t4) 式(八)
如此由式(七)與式(八)可知，本發明之感測電路16產生之輸出訊號VOUT(t)包含較少雜訊成份，而提高訊噪比。由上述說明可知，取樣保持電路12取樣參考訊號VRef，可供後續抵銷大部分輸入訊號VINS之雜訊，藉此讓輸出訊號VOUT大幅降低雜訊。第三圖之標號VIN為習知技術之輸入訊號，明顯可知，輸入訊號VIN之準位會隨時受到參考訊號VRef之準位影響而一直都在改變。
於此實施例中，類比數位轉換電路ADC在輸入訊號VINS之正半週期與負半週期分別取樣輸出訊號VOUT，並將此兩輸出訊號VOUT轉換為兩數位訊號SD，而後續的訊號處理電路(如第四圖所示)會相減此兩數位訊號SD，而得到的結果即為一偵測資料，其可表示感測電極22之電容量。除此之外，本發明類比數位轉換電路ADC更可以僅在輸入訊號VINS之正半週期或負半週期取樣一次輸出訊號VOUT而產生一數位訊號SD，而後續訊號處理電路即可直接以此數位訊號SD作為偵測資料。於本發明之另一實施例中，訊號處理電路可平均多個數位訊號SD而作為一筆偵測資料，如此可提高感測電容量的精確度。
在本發明另一實施例中，本發明之電容感測電路10可應用於控制特定吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)之晶片。如第四圖所示，電容感測電路10除了搭配類比數位轉換電路ADC，更進一步搭配一訊號處理電路DSP與 一近接偵測電路PRO，類比數位轉換電路ADC之輸出端耦接訊號處理電路DSP之輸入端，訊號處理電路DSP之輸出端耦接近接偵測電路PRO之輸入端，訊號處理電路DSP依據數位訊號SD產生一偵測資料Raw_data，近接偵測電路PRO依據偵測資料Raw_data可得知感測電極22之電容量的變化，而可判斷是否有物體靠近電子裝置，並可產生一近接訊號SPRO，以表示是否有物體靠近電容感測電路10。
除此之外，本發明之電容感測電路10更可應用於觸控感測，並非僅能用於近接感測。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:電容感測電路
12:取樣保持電路
14:訊號產生電路
16:感測電路
19:時序控制電路
22:感測電極
ADC:類比數位轉換電路
ADC_CLK:時脈訊號
SD:數位訊號
VINR:輸入參考訊號
VINS:輸入訊號
VRef:參考訊號
VSAM:取樣訊號
VSEN:感測訊號
VOUT:輸出訊號

Claims (8)

  1. 一種電容感測電路，其包含：一取樣保持電路，依據一取樣訊號取樣一參考訊號，而產生並保持一輸入參考訊號；一訊號產生電路，依據該輸入參考訊號產生一輸入訊號；以及一感測電路，依據該輸入訊號與一感測訊號產生一輸出訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中，該取樣保持電路包含：一儲能元件，耦接該訊號產生電路；以及一開關，耦接於該儲能元件與該參考訊號間，依據該取樣訊號導通而取樣該參考訊號，以產生並保持該輸入參考訊號於該儲能元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電容感測電路，其中，該開關耦接一時序控制電路，該時序控制電路產生該取樣訊號至該開關，以控制該開關取樣該參考訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中，該訊號產生電路依據該輸入參考訊號產生具高準位與低準位的該輸入訊號至該感測電路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中，該感測電路包含：一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端接收該輸入訊號，該第二輸入端接收該感測訊號，並依據該輸入訊號與該感測訊號產生該輸出訊號於該輸出端；以及一電容，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該輸出端間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中該感測電路更耦接一類比數位轉換電路，該類比數位轉換電路轉換該輸出訊號而產生一數位訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電容感測電路，其中該類比數位轉換電路耦接一訊號處理電路，該訊號處理電路依據該數位訊號產生一偵測資料。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電容感測電路，其中該數位訊號處理電路耦接一近接偵測電路，該近接偵測電路依據該偵測資料產生一近接訊號。
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