TWI470527B - An integrated circuit that achieves touch capacitance sensing with charge sharing - Google Patents

Description

一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化的電路

本發明係有關一種觸控電容感測的電路，尤指一種以電荷分享來達成觸控電容感測的可積體化的電路。

隨著各式各樣3C產品的普及化，觸控面板的需求也日益增加。一般來說，觸控面板依感應原理可大致分為電阻式、電容式、超音波式、或紅外線式等。目前市場上成本最為低廉的觸控面板技術是電阻式系統，全球觸控面板市佔率也是以電阻式最高。電阻式系統是一片標準的玻璃面板，包含由上下兩組ITO導電層疊合而成；兩層間利用一間隔器區分隔開，並且電流能夠在兩層間流動。使用時利用壓力使上下兩組ITO導電會接觸在一起，而電場的改變就會被當作是一接觸事件，最後再將訊號傳送到一控制器進行處理，經由控制器測知面板電壓變化而計算出接觸點位置進行輸入。

另一方面，電容式觸控面板採用的是一電容感測器，以感測排列之透明電極與人體之間的靜電結合所產生之電容變化，從所產生之誘導電流來檢測其座標。當使用者的手指接觸面板時，電流會連續地通過感測器，使感測器能夠在水平和垂直方向儲存電子，形成一精密控制的電容場。當手指接觸到不同的位置時，感測器的所謂正常電容場則被另外一個電容場改變，這時設置在面板每個角落中的 電路就會計算出電場的改變程度，然後將此接觸事件訊號傳送到控制器進行處理。與電阻式觸控面板比，電容式觸控面板表現出了更加良好的性能，使用也更方便。然而，電容式觸控面板由於製程步驟較為繁複，且其驅動IC與電路也較複雜，因此在成本及技術進展上不利應用於中小尺寸產品。

第一圖所示為習知技術中利用弛張振盪器(relaxation oscillator)來達到電容感測之電路示意圖。如第一圖所示，該弛張振盪器101對一電容Cx週期性地充放電。其中，其振盪頻率與Cx電容值大小和充放電電流有關，意即，CdV=I dt。在充放電的電流不變的狀況下，Cx的改變就會就會改變弛張振盪器101的頻率，由一頻率比較器103比較弛張振盪器101的輸出頻率Fro與一固定參考時脈102的參考頻率Fref的差異。由於弛張振盪器101是對電容Cx上作充放電，且Cx上的阻抗通常不低，因此方法的Cx易受外界環境雜訊的干擾。

第二圖所示是習知技術中利用電荷轉移的方式來達到電容感測之電路示意圖。如第二圖所示，電荷轉移的電路包括一電容Csum、一電容Cx、一比較器201、及三個開關S1、S2、S3，分別連接如下：電容Cx的一端透過開關S1與一電壓源VDD連接，另一端則接地。電容Csum的一端則接地，另一端透過開關S2與電容Cx的與開關S1相接的一端相接，其電壓值以Vsum表示；再者，電容Csum的兩端分別透過開關S3相連接。電壓值Vsum輸入至比較器201的正向輸入端，而反向輸入端則輸入一參考電壓值Vref。比較器201的輸出則以Vo表示。

上述電路的操作方式如下：先透過開關S3將電容 Csum放電至接地準位後，再由開關S1、S2交互以非重疊(Non-overlapping)的時脈，將電容Cx上的電荷逐漸轉移至電容Csum上，因此，電壓值Vsum漸漸增加；當電壓值Vsum高於電壓值Vref後，輸出Vo就會由低準位轉態至高準位，如第三圖所示。從Csum放電後開始計算到Vo轉態的時間Tcf。電容Cx的電容值越大，則轉態時間越短。此電路的優點是具有較佳的抗外界環境雜訊干擾能力，因為電容Cx在充電時是保持在低阻抗，且在電荷轉移時，電容Csum的電容值較大，通常為電容Cx電容值的數百倍，所以也是低阻抗元件。因此電容Cx都保持在低阻抗的狀態就有較佳的抗射頻干擾能力。另一方面，此電路的缺點是電容Csum的電容值必須是電容Cx電容值的數百倍到千倍(例如，數百pF至nF大小的電容值)，因此無法積體電路化。另一缺點是此電荷轉移的方式，電壓值Vsum的累積並非線性，而是電壓值Vsum與電容Cx電容值為指數關係，換言之，。如需計算電容Cx電容值的差異，也較不線性。

因此，如何改善上述習知技術之缺點，也成為發展電容式觸控面板技術的重要議題。

基於上述習知技術之缺失，本發明之主要目的在於提供一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，藉由設計時脈的方式來控制分享電容之充放電，以降低分享電容之電容值的大小，來達到可積體化之目的。

本發明之一實施例揭露一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，包括：一電荷分享電路、一壓控振蕩器(VCO)， 一參考頻率(Reference frequency)產生器、一開關時脈產生器(Switch clock generator)及一個頻率比較電路(Frequency compare circuit)；其中，該電荷分享電路更包含一感測電容、及一分享電容，且透過電荷分享將已充電的該感測電容的電荷與已放電完成該分享電容進行電荷分享，在該分享電容上累積電壓；該壓控振盪器係耦接到該電荷分享電路的分享電容，產生與該電荷分享電路的感測電容大小線性相關的輸出頻率；該參考頻率產生器係提供一參考頻率；該開關時脈產生器，藕接於該壓控振盪器的輸出端，該依壓控振盪器的輸出產生非重疊的開關時脈；以及該頻率比較電路係耦接於該壓控振盪器的輸出端與該參考頻率產生器係提供的參考頻率，分別計數該壓控振盪器的輸出頻率與該參考頻率，當該壓控振盪器的輸出頻率因為手指觸摸而產生頻率的改變，就能判斷是否有觸碰狀況。

為期能對本發明之目的、功效及構造特徵有更詳盡明確的瞭解，茲舉可實施例併配合圖示說明如後：

101‧‧‧弛張振盪器

102‧‧‧參考時脈

103‧‧‧頻率比較器

201‧‧‧比較器

410‧‧‧電荷分享電路

4101‧‧‧感測電容

4102‧‧‧觸摸電容

4103‧‧‧電荷分享電容

4104‧‧‧充電開關

4105‧‧‧電荷分享開關

4106‧‧‧放電開關

420‧‧‧壓控振蕩器

430‧‧‧參考頻率產生器

440‧‧‧開關時脈產生器

4401‧‧‧除頻器

4402‧‧‧非重疊時脈產生器

450‧‧‧頻率比較電路

第一圖所示為習知技術中利用弛張振盪器來達到電容感測之電路示意圖。

第二圖所示為習知技術中利用電荷轉移的方式來達到電容感測之電路示意圖。

第三圖所示為第二圖中之習知技術中的電容感測電路從Csum放電後開始計算到Vo轉態的時間Tcf的示意圖。

第四圖所示為本發明一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路。

第五圖所示為第四圖中之開關致能訊號的波型示意圖。

第六圖所示為開關時脈產生器的結構示意圖。

第七圖所示為本發明之開關時脈產生器Fo、Fod、EN1、EN2、及EN3的波形之實施例。

第四圖所示為本發明一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，包括：一電荷分享電路410、一壓控振蕩器(VCO)420，一個參考頻率(Reference frequency)產生器430、一開關時脈產生器(Switch clock generator)440及一個頻率比較電路(Frequency compare circuit)450；其中，該電荷分享電路410更包含一感測電容4101、一觸摸電容4102、一電荷分享電容4103、一充電開關4104、一電荷分享開關4105、及一放電開關4106，且透過電荷分享將已充電的該感測電容4101的電荷與已放電完成該分享電容4103進行電荷分享，在該分享電容4103上累積電壓；該壓控振盪器420係耦接到該電荷分享電路410的分享電容4103，產生與該電荷分享電路410的感測電容4101大小線性相關的輸出頻率Fo；該參考頻率產生器420係提供一參考頻率Fref；該開關時脈產生器440，係藕接於該壓控振盪器420的輸出端，該依壓控振盪器420的輸出頻率Fo產生非重疊的開關時脈，以控制該電荷分享電路410的充電開關4104、電荷分享開關4105、及放電開關4106，其中，該充電開關4104係連接於一外部電源VDD與該感測電容4101之間，以控制該感測電容4101的充電；該電荷分享開關4105係分別連接於該感測電容4101與該電荷分享電容4103未接地的一端之間， 以控制電荷的分享；以及，該放電開關4106係與該電荷分享電容4103並聯，以控制該電荷分享電容的放電；以及該頻率比較電路450係耦接於該壓控振盪器420的輸出端與該參考頻率產生器係提供的參考頻率，分別計數該壓控振盪器的輸出頻率與該參考頻率430，當該壓控振盪器420的輸出頻率Fo因為手指觸摸而產生頻率的改變，就能判斷是否有觸碰狀況。

值得注意的是，在一般電容式觸控的應用中，電荷分享電路410的感測電容4101的電容值Cx的範圍約在5~100pF；因此，在本實施例中，分享電容4103的電容值Csh係設計成可調整電容值(5~100pF)的電容器，以針對不同的觸控應用產生的Cx，來調整適當的Csh。並且，除了感測電容值Cx與觸摸電容值Cf外，不需大電容，也同時避免使用外接大電容，以達到積體電路化的目標。

電荷分享電路410的運作方式如下：當Fo輸出為1時，充電開關4104的致能訊號EN1=1，因此充電開關4104關閉，而電荷分享開關4105與放電開關4106的致能訊號EN2、EN3=0，因此電荷分享開關4105與放電開關4106開啟；在此情況下，將感測電容4101被充電至VDD的準位。第五圖所示為第四圖中之開關致能訊號的波型示意圖。如第五圖所示，Fo大部份的週期都維持在高準位(1)的狀態。當Fo由高準位(1)轉成低準位(0)之前，放電開關4106的致能訊號EN3=1，因此放電開關4106關閉。將分享電容4103放電到接地準位後，Fo由高準位(1)轉成低準位(0)，EN1、EN3=0，充電開關4104與放電開關4106同時開啟。接著致能訊號EN2=1，將電荷分享開關4105關閉，以進行電荷分享。當電荷分享完成後，致能訊號EN2=0，電荷分享開關4105 開啟，隨即致能訊號EN1=1，充電開關4104關閉。

另一方面，當Fo由低準位(0)轉態成高準位(1)時，維持致能訊號EN1=1，充電開關4104關閉。電荷分享開關4105與放電開關4106關閉的時間需介於一個Fo週期的十分之一到萬分之一。充電開關4104、放電開關4106與電荷分享開關4105是以非重疊的時脈控制，將充電開關4104關閉的時間拉長，且將電荷分享開關4105與放電開關4106關閉的時間縮到最短的用意在於減少外界環境雜訊的干擾。因此，電荷分享電路410透過縮短電荷分享時間的方式，可大大降低外界環境雜訊的干擾。電荷分享電路410只需在一個Fo的時脈週期就可以完成電荷分享，且立即將Vsh的電壓根據有無手指觸摸，在電荷分享後立即改變完成。下一個Fo的時脈頻率也會根據Vsh的變更而改變。如第四圖所示，Fo與Vsh會因為手指觸摸後改變；再者，Vsh的電壓如下列公式所示：Vsh=VDD*(Cx+Cf))/((Cx+Cf)+Csh)；由上述公式可知Vsh與Cx、Cf是線性相關的。換言之，感測電容值可線性地轉換成量測電壓。

該壓控振盪器420係為一個輸出頻率與輸入電壓呈現線性相關的轉換器。由電荷分享產生的電壓Vsh就可以透過壓控振盪器420產生線性相關的頻率。換言之，就是透過電壓/頻率的轉換，以達到量測電容值變化的目標。在沒有手指觸摸時的電容值是Cx，經過電荷分享後在Csh上累積的電壓Vsh；有手指觸摸時的電容值Cx+Cf，經過電荷分享後在Csh上累積的電壓Vsh’，由公式可知Vsh’>Vsh，然後再經過壓控振盪器420也會產生Fo’>Fo的頻率。Fo與Fo’的差異可以使用參考頻率產生器430所產生的參考頻率Fref作基準，再由 頻率比較電路450判斷出頻率的差異。

第六圖所示為開關時脈產生器(Switch clock generator)440的結構示意圖。如第六圖所示，開關時脈產生器440更包含一除頻器(Frequency divider) 4401，與一非重疊時脈產生器(Non-overlapping clock generator)4402。該除頻器4401的功能是在於讓壓控振盪器420的頻率在不變化的狀況下，將電荷分享電路410的次數，由原本的每一個Fo周期進行一次電荷分享(除頻器除以一)，轉變成每N個Fo周期進行一次電荷分享(除頻器除以N)。藉此，可藉由使用除頻器於開關時脈產生器，可在壓控振盪器頻率不變的狀況下，讓整體電路在慢速觸控的應用達到低耗電的目標。該非重疊時脈產生器4402可由經過除頻後的頻率Fod的時脈產生充電開關4104、電荷分享開關4105、放電開關4106的控制致能時脈，且達到在充電開關4104關閉的時間盡可能的拉長，電荷分享開關4105在可以完成電荷分享的狀況下關閉的時間盡可能的縮短。放電開關4106在可以將Csh完全放電到接地準位的狀況下關閉的時間盡可能的短，以達到將外界環境雜訊的干擾降到最低的目標。並且電荷分享開關4105與充電開關4104、放電開關4106必須是一非重疊的時脈。其中，Fo、Fod、EN1、EN2、及EN3的波形，可如第七圖所示且圖中除頻器為除二。

因此，本發明所揭露之一種以電荷分享來完成觸控電容感測的可積體化的電路，確能藉所揭露之技藝，達到所預期之目的與功效，符合發明專利之新穎性，進步性與產業利用性之要件。

惟，以上所揭露之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例而已，非為用以限定本發明之實施，大凡熟悉該項技藝之人士其所依 本發明之精神，所作之變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。

410‧‧‧電荷分享電路

4101‧‧‧感測電容

4102‧‧‧觸摸電容

4103‧‧‧電荷分享電容

4104‧‧‧充電開關

4105‧‧‧電荷分享開關

4106‧‧‧放電開關

420‧‧‧壓控振蕩器

430‧‧‧參考頻率產生器

440‧‧‧開關時脈產生器

450‧‧‧頻率比較電路

Claims (14)

1. 一種以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，包含：一電荷分享電路，更包含一感測電容以及一使用分享電容，藉由電荷分享的方式將已充電的該感測電容的電荷與已完成放電的該分享電容進行電荷分享，以在分享電容上累積電壓；一壓控振盪器，耦接到該電荷分享電路的分享電容，產生與感測電容大小線性相關的一輸出頻率；一參考頻率產生器，產生一參考頻率；一頻率比較電路，耦接於該壓控振盪器的輸出頻率與該參考頻率，分別計數該輸出頻率與該參考頻率，當該輸出頻率因為手指觸摸而產生頻率的改變，就能判斷是否有觸碰狀況；以及一開關時脈產生器，依該壓控振盪器的輸出頻率而產生一組非重疊的開關時脈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該分享電容係為可調整電容值的電容器，以針對不同的觸控應用產生的感測電容值，來調整適當的分享電容值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該電荷分享電路更包含一觸摸電容、一充電開關、一電荷分享開關、及一放電開關；該觸摸電容係與該感測電容並聯，該充電開關係連接於一外部電源與該感測電容之間，以控制該感測電容的充電；該電荷分享開關係分別連接於該感測電容與該電荷分享電容未接地的一端之間，以控制電荷的分享；以及，該放電開關係與該電荷分享電容並聯，以控制該電荷分享電容的放電。
4. 如申請專利範圍第3項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該開關時脈產生器係藕接於該壓控振盪器的輸出端，依該壓控振盪器的輸出頻率產生一組非重疊的開關時脈，以控制該電荷分享電路的充電開關、電荷分享開關、及放電開關。
5. 如申請專利範圍第4項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該電荷分享電路的運作方式如下：當該壓控振盪器的輸出為高準位(1)時，該充電開關的致能訊號為1，因此該充電開關關閉，而該電荷分享開關與該放電開關的致能訊號為0，因此該電荷分享開關與該放電開關開啟；在此情況下，將該感測電容被充電至一外接電源的準位；當該壓控振盪器的輸出由低準位(0)轉態成高準位(1)時，維持致能訊號為1，該充電開關關閉；當該壓控振盪器的輸出由高準位(1)轉成低準位(0)之前，該放電開關的致能訊號為1，因此該放電開關關閉；將該分享電容放電到接地準位後，該壓控振盪器的輸出由高準位(1)轉成低準位(0)，該充電開關與該放電開關的致能訊號為0，該充電開關與該放電開關同時開啟；接著致能訊號為1，將該電荷分享開關關閉，以進行電荷分享；當電荷分享完成後，致能訊號為0，該電荷分享開關開啟，隨即致能訊號為1，該充電開關關閉。
6. 如申請專利範圍第5項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該電荷分享開關與放電開關關閉的時間需介於一個壓控振盪器的輸出週期的十分之一到萬分之一。
7. 如申請專利範圍第5項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該電荷分享電路只需在一個壓控振盪器的輸出的時脈週期就可以完成電荷分享，並立即在該電荷分享後立 即改變分享電容的電壓；且在下一個壓控振盪器的輸出的時脈頻率也會根據分享電容的電壓的變更而改變。
8. 如申請專利範圍第5項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該感測電容值可線性地轉換成量測電壓。
9. 如申請專利範圍第6項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該充電開關、該放電開關與該電荷分享開關是以非重疊的時脈控制。
10. 如申請專利範圍第6項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，將該充電開關關閉的時間拉長，且將該電荷分享開關與該放電開關關閉的時間縮到最短的用意在於減少外界環境雜訊的干擾。
11. 如申請專利範圍第5項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該充電開關大部份的時脈週期內都保持關閉的狀態。
12. 如申請專利範圍第1項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該頻率比較電路是以參考頻率為基礎，計數壓控振盪器輸出頻率的差異，來判斷是否有手指觸摸。
13. 如申請專利範圍第1項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該開關時脈產生器更包含一除頻器，與一非重疊時脈產生器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之以電荷分享達成觸控電容感測的可積體化電路，其中，該除頻器的功能是在於讓該壓控振盪器的頻率在不變化的狀況下，將該電荷分享電路由原本的每一個該壓控振盪器的輸出頻率的周期進行一次電荷分享，轉變成每N個該壓控振盪器的輸出頻率的周期進行一次電荷分享，讓整體電 路在慢速觸控的應用達到低耗電與低雜訊的目標。