CN104579170A - 弛张振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种弛张振荡器，包括：一第一放大器，具有一第一输入端以接收一输出电压信号、一第二输入端以接收一参考电压信号、以及一输出端，用以比较输出电压信号及参考电压信号，并且响应比较的结果输出一控制信号；一第二放大器，具有一第一输入端以接收输出电压信号、一第二输入端，连接至第一放大器的输出端以接收控制信号、以及一输出端，连接至第一放大器的第一输入端以及第二放大器的第一输入端，用以比较控制信号及输出电压信号，并且响应比较的结果输出该输出电压信号。该输出电压信号为一具有非正弦波波形的周期性振荡信号。本发明能够彻底解决时脉馈入的问题，并能够减少电路板的使用面积与减少成本以及降低电路中的噪声。

Description

弛张振荡器
技术领域
本发明有关于一种弛张振荡器，特别是有关于一种用于触控面板中的弛张振荡器。
背景技术
振荡器(oscillator)一般是用来产生具有周期性的模拟信号的电子电路。一般来说，振荡器主要分成两种，一种是谐波振荡器(harmonic oscillator)，其是依靠电路的自激振荡而产生正弦波输出电压的电路;另外一种是弛张振荡器(relaxation oscillator)。弛张振荡器用来产生非正弦波的输出电压，例如方波、锯齿波或三角波的输出电压，其内含有如晶体管之类的非线性组件，以便将储存于电容或电感中的能量周期性地释放出来，使得输出信号波形瞬间改变。另一方面，由于智能型手机与平板式计算机的兴起，触控面板(touchpanel)也逐渐被广泛应用作为用户输入信号至主机的接口。现今一般的触控面板通常会采用弛张振荡器的技术，来感测使用者在触控面板上的触控点之上的电容所产生的电压的频率变化，提供予后级的处理器进行分析。
近年来，已经有许多弛张振荡器的技术研究报告被发表。这些技术研究结果的出版物包含，例如，库兹(Kutz et al.)的美国专利US7375535，史耐德(Snyder et al.)的美国专利US7307485，塞裘恩(Seguine)的美国专利US8159462，以及秦(Qin et al.)的美国专利US8058937。然而，上述这些参考文献所提出的弛张振荡器的电路结构，在输出节点上都会设置一个场效应晶体管开关(field-effect transistor switch,FET switch)，其信号输入端及信号输出端分别连接于用来对电容充电/放电的电流源、以及用来产生周期性的振荡信号的电容之间。因此，前述的参考文献所揭露的弛张振荡器都会产生时脉馈入(clock feedthrough)的问题，造成场效应晶体管开关的输出信号的电压偏移(offset)，进而影响振荡器的操作准确度。
另外，陈(Chen)在美国专利US8373502中揭露一种弛张振荡器。这篇参考文献中的弛张振荡器由一个运算转导放大器(operational transconductanceamplifier)和一个运算放大器(operational amplifier)所组成，并且包含了六个开关来切换输入到运算转导放大器的一对输入端和运算放大器的非反相输入端的一对参考电压。在这篇参考文献中，运算转导放大器的输出电流信号对一电容进行充电/放电操作，以产生周期性振荡信号，并且其输出电流信号在电容上所形成的电压信号，会输入到运算放大器的反相输入端。运算放大器的一对输出频率信号彼此互补且传送到六个开关的控制端，以控制他们的开关操作。虽然这篇参考文献并未将开关连接于用来充电/放电的电流源与用来产生周期性的振荡信号的电容之间，而可以避免时脉馈入的问题。然而，这篇参考文献所揭露的弛张振荡器需要多达六个晶体管开关来选择欲输入的参考电压，而会占用许多电路板面积以及增加成本，并且会增加电路中的噪声。
针对上述问题，本发明提出一种弛张振荡器，其可以在采用最少开关组件的电路设计下，解决时脉馈入所引起的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种弛张振荡器，其中弛张振荡器的输出节点上并没有设置任何开关，且能够彻底解决时脉馈入(clock feedthrough)的问题。
本发明的次要目的在于提供一种弛张振荡器，其可以使用最少数目的开关组件来完成，进而减少电路板的使用面积与减少成本，以及降低电路中的噪声。
本发明提供一种弛张振荡器。该弛张振荡器包括：一第一放大器，具有用以接收一输出电压信号的一第一输入端、用以接收一参考电压信号的一第二输入端、以及一输出端，该第一放大器用以比较该输出电压信号及该参考电压信号，并且响应比较的结果输出一控制信号；一第二放大器，具有用以接收该输出电压信号的一第一输入端、连接至该第一放大器的输出端以接收该控制信号的一第二输入端、以及连接至该第一放大器的第一输入端以及该第二放大器的第一输入端的一输出端，该第二放大器用以比较该控制信号及该输出电压信号，并且响应比较的结果输出该输出电压信号。该输出电压信号为一具有非正弦波波形的周期性振荡信号。
本发明所述的弛张振荡器还包括：一开关组合，连接于该第一放大器的第二输入端，用以经由该控制信号的驱动选择性地连接一第一参考电压或一第二参考电压至该第一放大器的第二输入端，以作为该参考电压信号。
本发明所述的弛张振荡器，该第一参考电压与该第二参考电压具有不同的电平。
本发明所述的弛张振荡器，还包括：一感测电容，连接于该第二放大器的输出端以及一接地端之间，用以经由该第二放大器的输出端所驱动而进行充电与放电操作，借此产生该输出电压信号。
本发明所述的弛张振荡器，该第一放大器的第一输入端为一非反相输入端，并且该第一放大器的第二输入端为一反相输入端;以及该第二放大器的第一输入端为一非反相输入端，并且该第二放大器的第二输入端为一反相输入端。
本发明所述的弛张振荡器，该第一放大器由一运算放大器所组成，并且该第二放大器由一运算放大器所组成。
本发明所述的弛张振荡器，该第一放大器由一运算转导放大器所组成，并且该第二放大器由一运算放大器所组成。
本发明所述的弛张振荡器，该第一放大器由一运算放大器所组成，并且该第二放大器由一运算转导放大器所组成。
本发明所述的弛张振荡器，该第一放大器由一运算转导放大器所组成，并且该第二放大器由一运算转导放大器所组成。
附图说明
图1为本发明的弛张振荡器的主要电路结构图。
图2A为根据本发明的第一实施例的弛张振荡器的电路结构图。
图2B为根据本发明的第二实施例的弛张振荡器的电路结构图。
图2C为根据本发明的第三实施例的弛张振荡器的电路结构图。
图2D为根据本发明的第四实施例的弛张振荡器的电路结构图。
图3A显示图1所示的本发明的弛张振荡器的主要电路结构在第一操作模式下运作的电路连接架构。
图3B显示图1所示的本发明的弛张振荡器的主要电路结构在第二操作模式下运作的电路连接架构。
图4A为根据本发明的第一实施例及第二实施例的弛张振荡器的主要电路节点上的电压波形。
图4B为根据本发明的第三实施例及第四实施例的弛张振荡器的主要电路节点上的电压波形。
具体实施方式
下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以前附的权利要求为准。
图1为本发明的弛张振荡器的主要电路结构图。本发明的弛张振荡器可适用于触控面板中，但不限于此类应用。请参照图1，本发明的弛张振荡器包含一第一放大器AMP1、一第二放大器AMP2、一开关组合S1以及一感测电容CF。第一放大器AMP1具有一反相输入端、一非反相输入端及一输出端，其中第一放大器AMP1的输出端连接至第二放大器AMP2的一反相输入端，且第一放大器AMP1的反相输入端连接至一参考电压信号VR。开关组合S1连接到第一放大器AMP1的反相输入端，其用来将一高参考电压VH或一低压参考电压VL连接到第一放大器AMP1的反相输入端，以作为参考电压信号VR。第二放大器AMP2具有一反相输入端以接收一控制信号VC，其中控制信号VC为第一放大器AMP1的输出电压信号。此外，第二放大器AMP2另外具有一非反相输入端及一输出端，其中第二放大器AMP2的输出端反馈到第二放大器AMP2的非反相输入端且连接到第一放大器AMP1的非反相输入端。第一放大器AMP1用以比较其非反相输入端所接收的电压信号以及参考电压信号VR，并且响应比较的结果，经由其输出端输出控制信号VC。第二放大器AMP2用以比较其非反相输入端所接收的电压信号以及控制信号VC，并且响应比较的结果，经由其输出端输出一输出电压信号VO。
感测电容CF连接于第二放大器AMP2的输出端及一接地端之间，其用以感测使用者以手指触碰触控面板(未显示)的手部操作，并且其电容值为10pF至100pF之间。感测电容CF经由第二放大器AMP2的输出端对其进行充电/放电操作，而产生输出电压信号VO，输出电压信号VO为一个周期性的振荡信号，并且其波形为锯齿波或三角波。再者，控制信号VC会传送到开关组合S1的控制端，以控制开关组合S1的切换操作。开关组合S1通常是由一对晶体管开关(未显示)所组成，其中一个晶体管开关的信号输入端连接至高参考电压VH而另外一个晶体管开关的信号输入端连接至低参考电压VL，且其中一个晶体管开关的控制端连接至控制信号VC，另外一个晶体管开关的控制端经由一反向器(inverter,未显示)连接至控制信号VC。因此，第一放大器AMP1是偏压在负反馈的组态下。第二放大器AMP2的输出端上的输出电压信号VO会以正反馈的方式施加到第二放大器AMP2的非反向输入端，并且还连接到第一放大器AMP1的非反向输入端。因此，第二放大器AMP2是偏压在正反馈的组态下。
请参见图2A与图2B，其分别显示根据本发明的第一实施例的弛张振荡器的电路结构图以及根据本发明的第二实施例的弛张振荡器的电路结构图。请先参见图1与图2A，在本发明的第一实施例中，图1所示的第一放大器AMP1由一运算放大器320所组成，且图1所示的第二放大器AMP2由一运算转导放大器340所组成，如图2A所示。请参见图1与图2B，在本发明的第二实施例中，图1所示的第一放大器AMP1由一运算转导放大器340所组成，且图1所示的第二放大器AMP2亦由一运算转导放大器340所组成，如图2B所示。
请参见图2C与图2D，其分别显示根据本发明的第三实施例的弛张振荡器的电路结构图以及根据本发明的第四实施例的弛张振荡器的电路结构图。请先参见图1与图2C，在本发明的第三实施例中，图1所示的第一放大器AMP1由一运算转导放大器340所组成，且图1所示的第二放大器AMP2由一运算放大器320所组成，如图2C所示。请参见图1与图2D，在本发明的第四实施例中，图1所示的第一放大器AMP1由一运算放大器320所组成，且图1所示的第二放大器AMP2亦由一运算放大器320所组成，如图2D所示。
在本发明的较佳实施例中，第一放大器AMP1及第二放大器AMP2皆可为一运算转导放大器340或一运算放大器320所组成。无论第二放大器AMP2为运算转导放大器340或运算放大器320所组成，当第二放大器AMP2在对感测电容CF充电与放电时，其输入端可以视为一个电容。因此，倘若第一放大器AMP1为一运算放大器320所组成，如图2A所示的第一实施例与图2D所示的第四实施例一般，第一放大器AMP1的输出信号即为控制信号VC。倘若第一放大器AMP1为一运算转导放大器340所组成，如图2B所示的第二实施例与图2C所示的第三实施例一般，第一放大器AMP1的输出信号会输入到第二放大器AMP2的反相输入端而形成控制信号VC。
接下来，本发明的弛张振荡器的操作方式将详述如后。请参见图3A-3B，以及图4A-4B，其中图3A显示图1所示的本发明的弛张振荡器的主要电路结构在第一操作模式下运作的电路连接架构，而图3B显示图1所示的本发明的弛张振荡器的主要电路结构在第二操作模式下运作的电路连接架构。图4A为根据本发明的第一实施例及第二实施例的弛张振荡器的主要电路节点上的电压波形。图4B为根据本发明的第三实施例及第四实施例的弛张振荡器的主要电路节点上的电压波形。如前所述，第二放大器AMP2偏压于正反馈的组态下，亦即第二放大器AMP2的非反相输入端连接至输出端以接收输出电压信号VO，而第二放大器AMP2的反相输入端连接至第一放大器AMP1的输出端以接收控制信号VC。因此，第二放大器AMP2会比较两个输入端所接收的电压信号。当第二放大器AMP2的非反相输入端上的电压信号的电平大于反相输入端上的电压信号的电平时，第二放大器AMP2的输出端会对感测电容CF充电。反之，当第二放大器AMP2的反相输入端上的电压信号的电平大于非反相输入端上的电压信号的电平时，第二放大器AMP2的输出端会驱动感测电容CF放电。第一放大器AMP1的输出端上的控制信号VC连接至第二放大器AMP2的反相输入端，以做为控制第二放大器AMP2的输出端对感测电容CF进行充电或放电的依据。当第一放大器AMP1的输出端上的控制信号VC的电平为高时，第二放大器AMP2的输出端驱动感测电容CF进行放电。反之，当第一放大器AMP1的输出端上的控制信号VC的电平为低时，第二放大器AMP2的输出端对感测电容CF进行充电。再者，第一放大器AMP1是偏压在负反馈的组态下，且一开始时开关组合S1会切换成将高参考电压VH连接到第一放大器AMP1的反相输入端，使得参考电压信号VR的电压电平为高参考电压VH。此时弛张振荡器会在第一模式下操作，如图3A所示。第一放大器AMP1的非反相输入端连接至第二放大器AMP2的输出端以接收输出电压信号VO，其反相输入端上的参考电压信号VR的电平经过开关组合S1选择为高参考电压VH。此时输出电压信号VO的电平小于参考电压信号VR的电平，亦即当输出电压信号VO的电平小于参考电压信号VR的电平时，第一放大器AMP1的输出端上的控制信号VC的电平为低，借此驱动第二放大器AMP2的输出端向感测电容CF充电。并且，输出电压信号VO的电平会逐渐上升，如图4A与图4B中的时间点t1之前所示的电压波形一般。因此在图4A与图4B中，在时间点t1之前，参考电压信号VR的电平为高参考电压VH，控制信号VC的电平为低，而感测电容CF会进行充电使得输出电压信号VO的电平逐渐上升。当时间到达时间点t1时，输出电压信号VO的电平上升到达高参考电压VH。此时，开关组合S1会切换成将低参考电压VL连接到第一放大器AMP1的反相输入端，使得参考电压信号VR的电压电平为低参考电压VL。此时弛张振荡器会在第二模式下操作，如图3B所示。在这种情形下，第一放大器AMP1的反相输入端上的参考电压信号VR的电平经过开关组合S1选择为低参考电压VL。此时，由于低参考电压VL被选择为参考电压信号VR的电平，第一放大器AMP1的输出端上的控制信号VC的电平便会转变为高，导致第二放大器AMP2的输出端驱动感测电容CF放电，借此使得第二放大器AMP2的输出端上的输出电压信号VO逐渐开始下降，如图4A与图4B中的时间区间t1-t2所示的电压波形一般。因此在图4A与图4B中，在时间区间t1-t2内，参考电压信号VR的电平为低参考电压VL，控制信号VC的电平为高，而感测电容CF持续放电使得输出电压信号VO的电平逐渐下降。当时间到达时间点t2时，输出电压信号VO的电平下降到达低参考电压VL。此时，开关组合S1会切换成将高参考电压VH连接到第一放大器AMP1的反相输入端，使得参考电压信号VR的电压电平为高参考电压VH。此时弛张振荡器的操作模式会回到图3A所示的第一模式，使得控制信号VC的电平转变为低以驱动第二放大器AMP2的输出端向感测电容CF充电，且输出电压信号VO的电平会逐渐上升，而在时间点t3时到达高参考电压VH。此后感测电容CF便会在时间区间t3-t4、t4-t5、t5-t6内重复循环其充电与放电的过程，而形成输出电压信号VO，输出电压信号VO为一个周期性的振荡信号。因此，关于本发明的弛张振荡器在时间区间t3-t4、t4-t5、t5-t6内的操作，在此将不予以赘述。
在此需要注意的是，在图2A所示的本发明的第一实施例与图2B所示的本发明的第二实施例中，第二放大器AMP2均为由一运算转导放大器340所组成。通常而言，运算转导放大器340的输出级为一电流源。因此，若是利用运算转导放大器340的输出端上的电流源向感测电容CF充电或对感测电容CF放电，感测电容CF的充电速率及感测电容CF的放电速率会相等，因此运算转导放大器340的输出端上的输出电压信号VO在上升缘的波形斜率与在下降缘的波形斜率会相等，如图4A的波形图所示。然而，在图2C所示的本发明的第三实施例与图2D所示的本发明的第四实施例中，第二放大器AMP2均为由一运算放大器320所组成。运算放大器的输出级为一电流源偏压的NMOS共源极放大器(NMOS common-source amplifier with current source bias)或是一电流源偏压的共射极放大器(common-emitter amplifier)所组成。因此，若利用运算放大器320的输出端上的偏压电流源向感测电容CF充电，运算放大器320是利用输出端上的电流源偏压的放大器驱动感测电容CF放电，由于共源极放大器或共射极放大器的电气特性，会使得感测电容CF的放电速率加快。因此，若是利用运算放大器320的输出端上的放大器向感测电容CF放电，感测电容CF的放电速率会远远高于感测电容CF的充电速率，因此运算放大器320的输出端上的输出电压信号VO在下降缘的波形斜率会远远高于上升缘的波形斜率，如图4B的波形图所示。
将本发明的弛张振荡器与前述的现有弛张振荡器，例如库兹的美国专利、史耐德的美国专利、塞裘恩的美国专利，以及秦的美国专利互相比较，可以明了两者之间的主要区别特征在于，本发明的弛张振荡器是使用放大器作为弛张振荡器的输出级，来取代现有弛张振荡器使用电流源与开关的组合来做为弛张振荡器的输出级。因此，本发明的弛张振荡器便可以避免与前述的现有弛张振荡器因为产生时脉馈入效应而造成对感测电容进行充电与放电的电压误差的缺点。此外，将本发明的弛张振荡器与与陈的美国专利互相比较，可以察觉到虽然陈的弛张振荡器没有时脉馈入的问题，陈的弛张振荡器与本发明的弛张振荡器不仅具有不同的电路组态与拓朴，并且本发明只需要使用两个开关即可，而非如陈的弛张振荡器一般需要使用六个开关。因此与陈的弛张振荡器互相比较，本发明可以使用最少数目的开关组件来完成，进而减少电路板的使用面积与减少成本以及降低电路中的噪声。因此，本发明足以解决现有技术所遇到的缺点。
本发明的弛张振荡器的电路架构已经详述于此。以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
AMP1～第一放大器；AMP2～第二放大器；S1～开关组合；CF～感测电容;VH,VL～高/低参考电压；VR～参考电压信号;VC～控制信号;VO～输出电压信号;320～运算放大器;340～运算转导放大器。

Claims (9)

1.一种弛张振荡器，其特征在于，包括：
一第一放大器，具有用以接收一输出电压信号的一第一输入端、用以接收一参考电压信号的一第二输入端、以及一输出端，该第一放大器用以比较该输出电压信号及该参考电压信号，并且响应比较的结果输出一控制信号;以及
一第二放大器，具有用以接收该输出电压信号的一第一输入端、连接至该第一放大器的输出端以接收该控制信号的一第二输入端、以及连接至该第一放大器的第一输入端以及该第二放大器的第一输入端的一输出端，该第二放大器用以比较该控制信号及该输出电压信号，并且响应比较的结果输出该输出电压信号;
其中该输出电压信号为一具有非正弦波波形的周期性振荡信号。
2.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，还包括：
一开关组合，连接于该第一放大器的第二输入端，用以经由该控制信号的驱动选择性地连接一第一参考电压或一第二参考电压至该第一放大器的第二输入端，以作为该参考电压信号。
3.根据权利要求2所述的弛张振荡器，其特征在于，该第一参考电压与该第二参考电压具有不同的电平。
4.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，还包括：
一感测电容，连接于该第二放大器的输出端以及一接地端之间，用以经由该第二放大器的输出端所驱动而进行充电与放电操作，借此产生该输出电压信号。
5.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，
该第一放大器的第一输入端为一非反相输入端，并且该第一放大器的第二输入端为一反相输入端;以及
该第二放大器的第一输入端为一非反相输入端，并且该第二放大器的第二输入端为一反相输入端。
6.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，
该第一放大器由一运算放大器所组成，并且该第二放大器由一运算放大器所组成。
7.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，
该第一放大器由一运算转导放大器所组成，并且该第二放大器由一运算放大器所组成。
8.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，
该第一放大器由一运算放大器所组成，并且该第二放大器由一运算转导放大器所组成。
9.根据权利要求1所述的弛张振荡器，其特征在于，
该第一放大器由一运算转导放大器所组成，并且该第二放大器由一运算转导放大器所组成。
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