CN104199581B

CN104199581B - 一种基于大ctp、小ctp的电容检测电路和电容检测装置

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Publication number: CN104199581B
Application number: CN201410437122.7A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 程泰毅; 张存鹏
Original assignee: Silead Inc
Current assignee: Silead Inc
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104199581A

Abstract

本发明涉及电子领域，公开了一种基于大C_TP、小C_TP的电容检测电路和电容检测装置。本发明中，包含：屏上电容C_TP、反馈电容C_f和一运算放大器；还包含：可编程电容阵列Cs、第一充电开关、第二充电开关、第一转换开关和第二转换开关；C_TP的一端通过第一充电开关与第一偏置电压连接，且通过第一转换开关与运算放大器的负输入端连接，C_TP的另一端接地；Cs的一端通过第二充电开关与第二偏置电压连接，且通过第二转换开关与运算放大器的负输入端连接，Cs的另一端接地；其中，第一偏置电压小于第二偏置电压。通过新增的Cs调节运放的输出共模电平，扩大输出共模电平摆幅，提高电容检测灵敏度。

Description

一种基于大CTP、小CTP的电容检测电路和电容检测装置

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及基于大C_TP的电容检测电路、基于小C_TP的电容检测电路和电容检测装置。

背景技术

近年来，电容式触摸屏由于其操作简单方便，透光率高，耐磨等优势，在智能终端的设计中得到广泛运用，如单点触摸、多点触摸等等。电容式触摸屏主要通过检测屏上电容的变化来检测是否有触摸的发生。随着电容技术的发展，对其灵敏度和精度都提出了更高的要求，如何准确的判断出轻微触摸点的位置成为当前需要解决的问题。

现有技术中，如图1所示，检测电路主要包括一个屏上电容C_TP，反馈电容C_f以及一个运算放大器101，电容检测过程主要分为充电和转换两种模式，利用充电开关104、转换开关105和充电开关106进行控制。具体的说，充电模式中，充电开关104和充电开关106闭合，转换开关105打开，其电路连接如图2所示，此模式中，内置偏置电压V_TP对屏上电容C_TP进行充电，而反馈电容C_f处于清零状态；而在转换模式中，充电开关104和充电开关106打开，转换开关105闭合，电路结构如图3所示，利用电荷守恒定律可以得到运放的输出为：

此时如果屏上电容变化△C_TP，运放的输出变化为：

由于在实际设计应用中，考虑到芯片的成品，C_TP都会远大于C_f，所以的值就较大，又由于V_OUT的变化范围最大为(0，V_DD)，根据上式(1)可以得到，为保证V_OUT不超出运放输出范围，(V_TP-V_CM)需很小，再根据△Q＝(V_CM-V_TP)△C_TP可以得到，△Q的变化范围即会由于(V_TP-V_CM)的限制而变得很小，使得触摸检测时的输入信噪比降低，抗干扰能力下降，导致电容检测的灵敏度受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大C_TP、小C_TP的电容检测电路和电容检测装置，使得电容检测电路可以扩大输出共模电平摆幅，提高电容检测灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于大C_TP的电容检测电路，包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf和一运算放大器；所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：可编程电容阵列Cs、第一充电开关、第二充电开关、第一转换开关和第二转换开关；

所述C_TP的一端通过所述第一充电开关与第一偏置电压连接，且通过所述第一转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述C_TP的另一端接地；

所述Cs的一端通过所述第二充电开关与第二偏置电压连接，且通过所述第二转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述Cs的另一端接地；

其中，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

本发明的实施方式还提供了一种基于小C_TP的电容检测电路，包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf和一运算放大器；所述基于小C_TP的电容检测电路还包含：可编程电容阵列Cs、第一充电开关、第二充电开关、第一转换开关和第二转换开关；

所述C_TP的一端通过所述第一充电开关与第二偏置电压连接，且通过所述第一转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述C_TP的另一端接地；

所述Cs的一端通过所述第二充电开关与第一偏置电压连接，且通过所述第二转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述Cs的另一端接地；

其中，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

本发明的实施方式还提供了一种电容检测装置，包含：如上述的基于大C_TP的电容检测电路和如上述的基于小C_TP的电容检测电路，还包含一选择器；

在屏上电容C_TP的值大于可编程电容阵列Cs的值时，所述选择器连通所述基于大C_TP的电容检测电路；

在屏上电容C_TP的值小于可编程电容阵列Cs的值时，所述选择器连通所述基于小C_TP的电容检测电路。

本发明实施方式相对于现有技术而言，增加了可编程电容阵列Cs，在电容检测的充电阶段，利用不同的偏置电压对C_TP和Cs分别充电，在电容检测的转换阶段，可以利用Cs吸收屏上电容C_TP的部分电荷，以此调节运放的输出共模电平，扩大输出共模电平摆幅，提高电容检测灵敏度。

作为进一步改进，所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：第三充电开关、第四充电开关和第三转换开关；所述Cf的一端通过所述第三充电开关接地，且通过所述第三转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述Cf的另一端通过所述第四充电开关与所述运算放大器的负输入端连接。

利用充电开关和转换开关调节Cf的连接，使得在充电阶段，利用运放的输出电压为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，可以进一步扩大输出共模电平的变化范围。

作为进一步改进，所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：第五充电开关、第六充电开关、第七充电开关、第四转换开关和第五转换开关；所述Cf的一端通过所述第五充电开关接地，且通过所述第四转换开关与所述运算放大器的负输入端连接；所述Cf的另一端通过所述第六充电开关连接第三偏置电压Vs，且通过所述第五转换开关与所述运算放大器的输出端连接；所述运算放大器的负输入端和输出端之间通过所述第七充电开关连接。

利用充电开关和转换开关调节Cf的连接，使得在充电阶段，利用一可控的偏置电压Vs为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，在进一步扩大输出共模电平的变化范围的同时，使得变化范围更为可控。

附图说明

图1是根据背景技术中的电容检测电路结构图；

图2是根据背景技术中的电容检测电路的充电状态结构图；

图3是根据背景技术中的电容检测电路的转换状态结构图；

图4是根据第一实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路结构图；

图5是根据第一实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路充电状态结构图；

图6是根据第一实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路转换状态结构图；

图7是根据第二实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路结构图；

图8是根据第三实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路结构图；

图9是根据第四实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路结构图；

图10是根据第五实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路结构图；

图11是根据第六实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路结构图；

图12是根据第七实施方式中的电容检测装置结构框图；

图13是根据第七实施方式中的电容检测装置电路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的发明人发现，在现有的电容检测电路应用中，不同的触控屏对应的电容C_TP的变化较大，为使本发明的具有较宽的应用范围。可以充分利用对C_TP充电电平的调节，使得检测的电容范围最大。另外，由于屏上电容较大或较小时，其输出共模电平的变化范围可能不同，如果设计针对不同屏上电容值的电容检测电路，即可充分放大运算放大器的输出动态范围，又由于测试人员即可根据经验获知应用的电容屏的屏上电容值大致为大还是小，所以根据不同的屏上电容电容值，设计不同的电容检测电路，可以有效扩大输出共模电平的变化范围。

本发明的第一实施方式涉及一种基于大C_TP的电容检测电路，其电路结构如图4所示，具体包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf、运算放大器101、电阻102、电容103、可编程电容阵列Cs、第一充电开关201、第二充电开关203、充电开关205、第一转换开关202和第二转换开关204。

本实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路具体连接如下：电阻102连接在运算放大器101正输入端与偏置电压V_CM间，电容103连接在运算放大器101正输入端与接地端之间；Cf连接在运算放大器101的负输入端与输出端之间，同时将充电开关205并联在Cf的两端；C_TP的一端通过第一充电开关201与第一偏置电压V1连接，且通过第一转换开关202与运算放大器101的负输入端连接，C_TP的另一端接地；Cs的一端通过第二充电开关203与第二偏置电压V2连接，且通过第二转换开关204与运算放大器101的负输入端连接，Cs的另一端接地。需要说明的是，本实施方式中的第一偏置电压V1小于第二偏置电压V2。

在实际应用中，在充电阶段，分别将第一充电开关201、第二充电开关203和充电开关205闭合，第一转换开关202和第二转换开关204打开，电路结构变化为如图5所示；此时，C_TP连接在第一偏置电压V1与接地端之间，Cf两端短路连接，第一偏置电压V1为C_TP充电，第二偏置电压V2为Cs充电，同时Cf清零。在转换阶段，分别将第一充电开关201、第二充电开关203和充电开关205打开，第一转换开关202和第二转换开关204闭合，电路结构变化为如图6所示；C_TP连接在运算放大器101的负输入端与接地端之间，Cs连接在运算放大器101的负输入端与接地端之间，Cf直接连接在运算放大器101的负输入端和输出端之间，C_TP的电荷分别传递至Cf和Cs。

具体的说，本实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路在转换阶段，根据电荷守恒和运放的虚短特性可以得到最终的运放输出如下式(3)：

如果屏上电容变化为C_TP+△C_TP，运放的输出变化为下式(4)

从上式(3)式可以看出，屏上电容C_TP的一部分电荷将被电容阵列C_s来吸收，因而运放的输出共模电平可以简单的调节，也就是通过调节C_s的大小来抵消电路的直流工作状态对输出共模电平的限制。因此，在电路进行检测工作的时候，需要对可编程电容阵列C_s进行一个初始化的“调频”过程，其目的就是为了使运放输出为共模电平V_CM，也就是使得式(3)中的V_OUT＝V_CM。此时，上式(4)即可变化为下式(5)：

其中的(V_CM-V₁)即可不受限制而增大，也就是说，输出共模电平的变化将不受电路的直流工作状态限制而扩大，也就提高了电容检测电路的灵敏度。

另外，由于V_OUT＝V_CM，可得到下式(6)：

在本实施方式中，一般大C_TP理解为其电容值满足C_TP>C_s，其动态输出范围为从V_CM至V_DD，即可以通过降低共模电平V_CM来调节运放的直流工作电压。

举例来说，假设此时C_TP＝80_pF(电容值较大)，同时，可以设置V₁＝0，V₂＝V_DD，V_CM＝V_DD/3，C_s＝40_pF来使得运放输出V_OUT＝V_CM。此后当有手指触摸时，屏上电容增加△C_TP，运放输出增加由于此时共模电平V_CM＝V_DD/3，其输出的动态检测范围即为从V_DD/3至V_DD，最大可有2*V_DD/3的变化量，因而可以通过调节C_f来增强检测的灵敏度，根据上式(5)可知，其大小为：

其中，△C_TP,max为屏上电容最大的变化幅度。

可以得到最终电容到电压的转换增益为

本实施方式相对于现有技术而言，增加了可编程电容阵列Cs，在电容检测的充电阶段，利用不同的偏置电压对C_TP和Cs分别充电，在电容检测的转换阶段，可以利用Cs吸收屏上电容C_TP的部分电荷，以此消除电路直流工作状态对电容检测电路的输出动态范围的影响，调节运放的输出共模电平，扩大输出共模电平摆幅，提高检测灵敏度。

本发明的第二实施方式涉及一种基于大C_TP的电容检测电路。第二实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在第一实施方式的充电阶段中，Cf两端短路连接，使得Cf清零。而在本发明第二实施方式中，利用充电开关和转换开关调节Cf的连接，使得在充电阶段，利用运放的输出电压为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，可以进一步扩大输出共模电平的变化范围。

具体的说，本实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路如图7所示，还包含：第三充电开关206、第四充电开关208和第三转换开关207；Cf的一端通过第三充电开关206接地，且通过第三转换开关207与运算放大器101的负输入端连接，Cf的另一端通过第四充电开关208与运算放大器101的负输入端连接。

由于Cf在充电阶段被连接在运放的输出端和接地端之间，也就是在充电阶段，Cf被预充了反向的电荷，同样根据电荷守恒和运放的虚短特性可以得到，V_OUT的变化下限将更低，其变化范围也就更大，本实施方式中基于大C_TP的电容检测电路的灵敏度将更高。

本发明的第三实施方式同样涉及一种基于大C_TP的电容检测电路。第三实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在第一实施方式中，充电阶段Cf两端短路连接，使得Cf清零。而在本发明第三实施方式中，利用可控的偏置电压Vs为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，在进一步扩大输出共模电平的变化范围的同时，使得变化范围更为可控。

本发明的发明人发现，在第二实施方式中，虽然运放的输出已经调节为(V_CM～V_DD)，其摆幅仍然留有一定裕量，可以通过充分利用C_f预冲的电荷量，以致进一步增加输出的摆幅。

具体的说，本实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路如图8所示，还包含：第五充电开关212、第六充电开关210、第七充电开关213、第四转换开关209和第五转换开关211。其中，Cf的一端通过第五充电开关212接地，且通过第四转换开关209与运算放大器101的负输入端连接；Cf的另一端通过第六充电开关210连接第三偏置电压Vs，且通过第五转换开关211与运算放大器101的输出端连接；运算放大器101的负输入端和输出端之间通过第七充电开关213连接。

与第二实施方式相似，由于Cf在充电阶段被连接在运放的输出端和接地端之间，也就是在充电阶段，Cf被预充了反向的电荷，同样根据电荷守恒和运放的虚短特性可以将上式(3)变化为：

可见，运放的输出变为(V_CM-V_S～V_DD)，V_OUT的下限将更低，其变化范围也就更大，灵敏度进一步提高。

举例来说，此时如果设V_CM＝V_S＝V_DD/2，运放的摆幅能达到(0～V_DD)。

本发明的第四实施方式涉及一种基于小C_TP的电容检测电路，其电路结构如图9所示，具体包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf、运算放大器101、电阻102、电容103、可编程电容阵列Cs、第一充电开关201、第二充电开关203、充电开关205、第一转换开关202和第二转换开关204。

由于本实施方式中电容检测电路是基于小C_TP的电容检测电路，其连接结构与第一实施方式相比，区别仅在于在充电阶段由第二偏置电压V2为C_TP充电，由第一偏置电压V1为Cs充电，由于在小C_TP的检测前提下，为保证运放的正常工作，需要使得为C_TP充电的偏置电压大于为Cs充电的偏置电压。其他连接结构与设计原理均与第一实施方式相类似，在此不再赘述。

本发明的第五实施方式涉及一种基于小C_TP的电容检测电路。第五实施方式是在第四实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，充电阶段Cf两端短路连接，使得Cf清零。而在本发明第五实施方式中，利用充电开关和转换开关调节Cf的连接，使得在充电阶段，利用运放的输出电压为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，可以进一步扩大输出共模电平的变化范围。

具体的说，本实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路的电路如图10所示，其连接结构与第二实施方式中的图7大致相同，主要区别在于，本实施方式中，基于小C_TP的电容检测电路还包含：第三充电开关206、第四充电开关208和第三转换开关207；Cf的一端通过第三充电开关接地，且通过第三转换开关与运算放大器的负输入端连接，Cf的另一端通过第四充电开关与运算放大器的负输入端连接。充电阶段中，为C_TP充电的偏置电压大于为Cs充电的偏置电压。也就是说，在充电阶段，利用运放的输出电压为Cf充电，Cf被反向预充一定电量；在转换阶段，其连接与第一实施方式中的图6相同，根据电荷守恒和运放的虚短特性可以得到最终的运放输出为：

此时，如果屏上电容变化为C_TP+△C_TP，运放的输出变化为：

此时为调节运放输出共模电平，需要使得C_s满足：

举例来说，假设需要检测的电容大小为C_TP＝20_pF，此时可以设置V₁＝0，V₂＝V_DD，V_CM＝V_DD/3，C_s＝40_pF来使得运放输出V_OUT＝2*V_CM。从(8)式可以看出，此时如果屏上电容增加△C_TP，运放输出将减小由于此时的运放输出直流电平为2*V_DD/3，其输出仍有2*V_DD/3的动态检测范围，此时的反馈电容C_f大小可以设置为：

其中△C_TP,max为此时屏上电容最大的变化幅度。

若设V_CM＝V_DD/2，则运放的输出摆幅即可达到从V_DD至0的最大范围。

本发明的第六实施方式同样涉及一种基于小C_TP的电容检测电路。第六实施方式是在第四实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式的充电阶段中，Cf两端短路连接，使得Cf清零。而在本发明第六实施方式中的充电阶段中，利用可控的偏置电压Vs为Cf充电，Cf被反向预充一定电量，在进一步扩大输出共模电平的变化范围的同时，使得变化范围更为可控。

具体的说，本实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路如图11所示，其连接结构与第三实施方式中的图8大致相同，主要区别在于，本实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路还包含：第五充电开关212、第六充电开关210、第七充电开关213、第四转换开关209和第五转换开关211。其中，Cf的一端通过第五充电开关212接地，且通过第四转换开关209与运算放大器101的负输入端连接；Cf的另一端通过第六充电开关210连接第三偏置电压Vs，且通过第五转换开关211与运算放大器101的输出端连接；运算放大器101的负输入端和输出端之间通过第七充电开关213连接。充电阶段中，为C_TP充电的偏置电压大于为Cs充电的偏置电压。

也就是说，在充电阶段，利用一可控的第三偏置电压Vs为Cf充电；在转换阶段，其连接与第一实施方式中的图6相同，根据电荷守恒和运放的虚短特性可以得到，V_OUT的变化下限在更低的同时将可控，其变化范围也就更大，灵敏度进一步提高。

本发明的第七实施方式涉及一种电容检测装置。其结构框图如图12所示，具体包含：如第一实施方式至第三实施方式中任意一个基于大C_TP的电容检测电路和如第四实施方式至第六实施方式中任意一个基于小C_TP的电容检测电路，还包含一选择器。利用选择器整合基于大C_TP的电容检测电路和基于小C_TP的电容检测电路，使得电容检测芯片在生产时，其中的元器件可以大量复用，同时，也可以根据不同的C_TP值，灵活变化电容检测电路，扩大其应用场景。

具体的说，在屏上电容C_TP的值大于可编程电容阵列Cs的值时，选择器连通基于大C_TP的电容检测电路；在屏上电容C_TP的值小于可编程电容阵列Cs的值时，选择器连通基于小C_TP的电容检测电路。

需要说明的是，由于电容检测技术人员可以根据经验获知C_TP值的大致范围，也可以利用模拟开关实现本实施方式中选择器的功能，本实施方式中，以利用第一实施方式中的基于大C_TP的电容检测电路和第四实施方式中的基于小C_TP的电容检测电路为例，其结构如图13所示，具体的说，本实施方式中的选择器30可以包含：第一开关301、第二开关302、第三开关303和第四开关304；其中，第二偏置电压V2通过第一开关301与第一充电开关201连接，第二偏置电压V2通过第二开关302与第二充电开关203连接；第一偏置电压V1通过第三开关303与第一充电开关201连接，第二偏置电压V2通过第四开关304与第二充电开关203连接。

在实际应用中，在第二开关302和第三开关303闭合，第一开关301和第四开关304打开时，连通第一电容检测电路；在第二开关302和第三开关303打开，第一开关301和第四开关304闭合时，连通第二电容检测电路。

值得一提的是，本实施方式中的选择器还可以利用数控方式实现，先对C_TP的值进行检测，判断其大小，再连通不同的电容检测电路。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种基于大C_TP的电容检测电路，包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf和一运算放大器；其特征在于，所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：可编程电容阵列Cs、第一充电开关、第二充电开关、第一转换开关和第二转换开关；其中，所述C_TP的值大于所述Cs的值；

其中，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

2.根据权利要求1所述的基于大C_TP的电容检测电路，其特征在于，所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：第三充电开关、第四充电开关和第三转换开关；

所述Cf的一端通过所述第三充电开关接地，且通过所述第三转换开关与所述运算放大器的负输入端连接，所述Cf的另一端通过所述第四充电开关与所述运算放大器的负输入端连接。

3.根据权利要求1所述的基于大C_TP的电容检测电路，其特征在于，所述基于大C_TP的电容检测电路还包含：第五充电开关、第六充电开关、第七充电开关、第四转换开关和第五转换开关；

所述Cf的一端通过所述第五充电开关接地，且通过所述第四转换开关与所述运算放大器的负输入端连接；

所述Cf的另一端通过所述第六充电开关连接第三偏置电压Vs，且通过所述第五转换开关与所述运算放大器的输出端连接；

所述运算放大器的负输入端和输出端之间通过所述第七充电开关连接。

4.一种基于小C_TP的电容检测电路，包含：屏上电容C_TP、反馈电容Cf和一运算放大器；其特征在于，所述基于小C_TP的电容检测电路还包含：可编程电容阵列Cs、第一充电开关、第二充电开关、第一转换开关和第二转换开关；其中，所述C_TP的值小于所述Cs的值；

其中，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

5.根据权利要求4所述的基于小C_TP的电容检测电路，其特征在于，所述基于小C_TP的电容检测电路还包含：第三充电开关、第四充电开关和第三转换开关；

6.根据权利要求4所述的基于小C_TP的电容检测电路，其特征在于，所述基于小C_TP的电容检测电路还包含：第五充电开关、第六充电开关、第七充电开关、第四转换开关和第五转换开关；

7.一种电容检测装置，其特征在于，包含：如权利要求1至3中任意一项所述的基于大C_TP的电容检测电路和如权利要求4至6中任意一项所述的基于小C_TP的电容检测电路，还包含一选择器；

8.根据权利要求7所述的电容检测装置，其特征在于，所述选择器包含：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述第二偏置电压通过所述第一开关与所述第一充电开关连接，所述第二偏置电压通过所述第二开关与所述第二充电开关连接；

所述第一偏置电压通过所述第三开关与所述第一充电开关连接，所述第二偏置电压通过所述第四开关与所述第二充电开关连接。