TW201303687A - 用於高系統抗擾性之低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法 - Google Patents

用於高系統抗擾性之低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種用於高系統抗擾性之低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法。電容式觸控螢幕驅動及感測電路之各種實施例被揭示。在第一時間段期間，一給定驅動電極與一給定感測電極之間之互電容被充電至第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於驅動電壓乘以該互電容。在第二時間段期間，電荷儲存電容器被充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值。該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。暗框訊號可自該觸控螢幕中採集，以校準觸控螢幕電容網路電荷之差值。

Description

用於高系統抗擾性之低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系 統、電路及方法
本文所述本發明之各種實施例是關於電容式感測輸入裝置之領域；更具體而言，是關於用於電容式觸控螢幕及觸控面板之電荷採集或讀出電路。
目前，在大多數觸控板及觸控螢幕裝置中，主要採用二種電容感測及量測技術。第一種稱為自電容(self-capacitance)技術。SYNAPTICSTM所製造之許多裝置以及CYPRESS PSOCTM之積體電路(Integrated Circuit；IC)裝置即是採用自電容量測技術。自電容涉及使用例如在以下專利文獻中所述之技術來量測一系列電極焊墊(pad)之自電容值：1996年8月6日頒予Bisset等人之發明名稱為「觸控板驅動之手持式計算裝置(Touch Pad Driven Handheld Computing Device)」之美國專利第5,543,588號。
自電容可藉由偵測在一處於給定電壓之物體上累積之電荷量(Q=CV)而量測。自電容通常藉由以下方式量測：施加一已知電壓至一電極，接著使用一電路來量測有多少電荷流至該同一電極。當外部物體接近該電極時，會有額外之電荷被吸引至該電極。因此，該電極之自電容增大。在觸控螢幕中所使用之許多觸摸感測器被配置成以一手指作為接地物體。人體實質上相對於一電場趨於零之表面係為一電容器，且通常具有100微微法拉(pF)左右之電容值。
自電容式觸控板中之各電極通常以列及行形式排列。藉由首先 掃描列、然後掃描行，可確定因例如一手指之存在而引起之各個電容變化之位置。然而，為達成對一觸控板中之多個觸摸之精確量測，可能需要同時量測若干個手指觸摸。在此一情形中，用於自電容量測之列技術及行技術可導致不確定性(inconclusive)結果。
欲減少一自電容系統中電極數目可藉由以一鋸齒形圖案使電極交錯之方式完成。此種交錯方式會形成一較大之區域，在此較大區域中藉由一有限數目之鄰近電極來感測一手指，藉此能夠達成更佳之內插(interpolation)、進而達成更少之電極。此種圖案在一維(one dimensional)感測器(例如於IPOD點擊式轉盤(click-wheel)中所採用者)中尤其有效，例如2005年4月12日頒予Sinclair等人之發明名稱為「電容觸控滑動塊(Capacitance touch slider)」之美國專利第6,879,930號所述。
在觸控板及觸控螢幕裝置中所採用之第二種主要電容感測及量測技術稱為互電容技術，其中使用一交叉之電極網格來執行量測，例如1999年1月19日頒予Gerpheide之發明名稱為「用於資料輸入之方法及設備(Methods and Apparatus for Data Input)」之美國專利第5,861,875號所述。CIROUETM所製造之觸控板裝置即採用互電容技術。與自電容量測中量測單個可受到附近其他物體影響之導體之電容之方式不同，互電容量測是量測二導體間之電容。
在許多電容式觸控螢幕應用中，系統抗擾性高、耗散功率低之整合式電容式觸控螢幕控制器是業界所期望的。然而，在許多已 知電容式觸控螢幕控制器中，低功率耗散與高系統抗擾性通常為互相矛盾之目標。最成功之電容式觸控螢幕控制器通常採用高電壓驅動訊號，該等高電壓驅動訊號是藉由使用一整合式電荷幫浦而自低電壓電源而獲得，其中該整合式電荷幫浦是利用積體電路外部之大容量電容器。因此，此等控制器中之大多數系統雜訊實際上來自觸控螢幕本身之電磁干擾(Electro-Magnetic Interference；EMI)。
綜上所述，一種採用相對低的驅動電壓但保持高抗擾性之電容式觸控螢幕系統是迫切所需的。
在一實施例中，本發明提供一種電容式觸控螢幕系統。該電容式觸控螢幕系統包含：一觸控螢幕，包含複數個導電性驅動電極以及複數個導電性感測電極，該複數個導電性驅動電極排列成複數個列或行，該複數個導電性感測電極與該複數個導電性驅動電極之該等列或行成一角度排列成複數個列或行，在該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極相交之位置，該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間存在複數個互電容，當一手指、多個手指或一觸摸裝置靠近該觸控螢幕時，該等互電容發生變化；複數個驅動電路，各該複數個驅動電路可操作地連接至該複數個導電性驅動電極其中之一對應者，各該導電性驅動電極可操作地連接至一第三開關及一第四開關，該第三開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至一驅動電壓，該第四開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至地電位，各該導電性 驅動電極具有一與其相關聯之驅動雜散電容；以及複數個感測電路，各該複數個感測電路可操作地連接至該複數個導電性感測電極其中之一對應者，各該感測電路包含一第一開關、一第二開關、以及一電荷採集電路，該電荷採集電路包含一與一第五開關並聯排列之電荷儲存電容器，該第一開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至地電位，該第二開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至該電荷採集電路，各該導電性感測電極具有一與其相關聯之感測雜散電容；其中於該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之一給定相交點，於一給定導電性驅動電極與一給定導電性感測電極之間存在一互電容、與該給定導電性驅動電極相關聯之該驅動雜散電容以及與該給定導電性感測電極相關聯之該感測雜散電容一起界定一觸控螢幕電容網路，在一第一時間段(phase)期間，該第三開關閉合，該第四開關斷開，該第一開關閉合，該第二開關斷開，該給定導電性感測電極之一第一電位對應至地電位，且該給定導電性驅動電極與該給定導電性感測電極之間之該互電容被充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於該驅動電壓乘以該互電容，在一第二時間段期間，該第三開關斷開，該第四開關閉合，該第一開關斷開，該第二開關閉合，該給定導電性驅動電極之一第二電位對應至地電位，且該電荷儲存電容器被充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值，該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。
在另一實施例中，本發明提供一種在一電容式觸控螢幕系統中採集電荷之方法，該電容式觸控螢幕系統包含：一觸控螢幕，包 含複數個導電性驅動電極以及複數個導電性感測電極，該複數個導電性驅動電極排列成複數個列或行，該複數個導電性感測電極與該複數個導電性驅動電極之該等列或行成一角度排列成複數個列或行，在該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極相交之位置，該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間存在複數個互電容，當一手指、多個手指或一觸摸裝置靠近該觸控螢幕時，該等互電容發生變化；複數個驅動電路，各該複數個驅動電路可操作地連接至該複數個導電性驅動電極其中之一對應者，各該導電性驅動電極可操作地連接至一第三開關及一第四開關，該第三開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至一驅動電壓，該第四開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至地電位，各該驅動電極具有一與其相關聯之驅動雜散電容；複數個感測電路，各該複數個感測電路可操作地連接至該複數個導電性感測電極其中之一對應者，各該感測電路包含一第一開關、一第二開關、以及一電荷採集電路，該電荷採集電路包含一與一第五開關並聯排列之電荷儲存電容器，該第一開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至地電位，該第二開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至該電荷採集電路，各該感測電極具有一與其相關聯之感測雜散電容；其中於該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間之一給定相交點，於一給定導電性驅動電極與一給定導電性感測電極之間存在一互電容、與該給定導電性驅動電極相關聯之該驅動雜散電容以及與該給定導電性感測電極相關聯之該感測雜散電容一起界定一觸控螢幕電容網路，該方法包含：在一第一時間段期間，閉合該第三開關，斷開該第 四開關，閉合該第一開關，及斷開該第二開關，將該給定導電性感測電極之一第一電位對應至地電位，且將該給定導電性驅動電極與該給定導電性感測電極之間之該互電容充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於該驅動電壓乘以該互電容，以及在一第二時間段期間，斷開該第三開關，閉合該第四開關，斷開該第一開關，及閉合該第二開關，將該給定導電性驅動電極之一第二電位對應至地電位，且將該電荷儲存電容器充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值；其中該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。
本文將進一步揭示本發明之其他實施例，而熟習此項技術者亦可於閱讀並理解本說明書及附圖之後，輕易思及未揭露之其他實施例。根據以下實施方式、圖式及申請專利範圍，本發明之各種實施例之不同態樣將可輕易被理解。基於說明減化原則，該等圖式未必按實際比例繪製，且圖式中相同編號除特別說明外將表示相同部件或步驟。
如第1圖所示，一電容式觸控螢幕系統110通常由以下組成：一LCD或OLED顯示器112、一覆蓋至LCD或OLED顯示器112上方之觸摸敏感面板或觸控螢幕90、一設置於觸控螢幕90上方之保護罩或介電板95、以及一觸控螢幕控制器、微處理器、應用專用積體電路(application specific integrated circuit；ASIC)或中央處理裝置(CPU)100。應理解，亦可於觸控螢幕90下方設置除 LCD或OLED顯示器112之外之其他影像顯示器。
第2圖顯示一觸控螢幕控制器100之一實施例之方框圖。在一實施例中，觸控螢幕控制器100可為根據本文之教示內容而修改之一Avago TechnologiesTM之AMRI-5000 ASIC或晶片100。在一實施例中，觸控螢幕控制器係為一低功率電容式觸控面板控制器，其被設計成為一觸控螢幕系統提供高精確度之螢幕導航。
第3圖及第4圖所示之電容式觸控螢幕或觸控面板90可藉由對一介電板之一或多個表面塗敷例如氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)等導電材料而形成，該介電板通常包含玻璃、塑膠或另一適宜之電絕緣材料且較佳地為光學透射性材料，且該介電板通常被構造成呈一電極網格(grid)之形狀。該網格之電容保持一電荷，且當使用一手指觸摸該面板時會出現通往使用者身體之一電路通道，此會引起該電容之一變化。
觸控螢幕控制器100感測並分析電容之發生此等變化之座標。當觸控螢幕90固定至具有一圖形使用者介面之一顯示器時，可藉由追蹤該等觸摸座標而達成螢幕導航，其中經常需要偵測多個觸摸。該網格之尺寸藉由該等觸摸所需之解析度而被驅動。通常地，存在一額外罩板95來保護觸控螢幕90之頂部ITO層，進而形成一完整之觸控螢幕解決方案(例如第1圖所示之態樣)。
一種形成一觸控螢幕90之方式為僅於一介電板或基板之一側上塗敷一ITO網格。當觸控螢幕90與一顯示器配合時，將不需要一額外保護罩。如此將具有形成一改良之透射率(>90%)且更輕薄之顯示系統之益處，進而能夠實現更明亮且更輕薄之手持式裝 置。觸控螢幕控制器100之應用包括但不限於：智慧型電話(smart phone)、可攜式媒體播放器(portable media player)、行動網際網路裝置(Mobile Internet Device；MID)、及全球定位系統(GPS)裝置。
現在參照第3圖及第4圖，在一實施例中，觸控螢幕控制器100包含一類比前端(analog front end)，該類比前端具有16條驅動訊號線及9條感測線連接至一觸控螢幕上之一ITO網格。觸控螢幕控制器100對該等驅動電極施加一激發(excitation)，例如一方波(square wave)、一彎折線訊號(meander signal)或其他適宜類型之驅動訊號，該等訊號可具有選自約40千赫茲至約200千赫茲範圍之一頻率。AC訊號經由互電容而耦合至該等感測線。使用一手指觸摸觸控螢幕或觸控面板90會改變該觸摸位置處之電容。觸控螢幕控制器100可同時解析並追蹤多個觸摸。一高再新率(refresh rate)容許主機無明顯延遲地追蹤快速觸摸及任何另外之移動。該嵌入式處理器對資料進行濾波、辨識觸摸座標並將該等觸摸座標報告至主機。可經由修補程式(patch)下載來更新所嵌入之韌體。應理解，亦可考慮其他數目之驅動線及感測線，例如8×12陣列及12×20陣列。
觸控螢幕控制器100具有功耗位準不同之多個運作模式。在靜態模式中，控制器100可以由靜態速率暫存器(register)所程式化之一速率來週期性地搜尋觸摸。在多個靜態模式中，每一靜態模式皆具有順次減小之功耗。當某一時間間隔中不存在觸摸時，控制器100將自動地變換至次最低(next-lowest)功耗模式。
根據一實施例，及如第4圖所示，觸控螢幕90上之一ITO網格或其他電極配置可包含：感測行20a至20p及驅動列10a至10i，其中感測行20a至20p可操作地連接至對應之感測電路，且驅動列10a至10i可操作地連接至對應之驅動電路。第4圖中顯示一種用於將ITO或其他驅動及感測電極路由至觸控螢幕控制器100之線之配置。
熟習此項技術者將理解，在不背離本發明各實施例之範圍或精神之條件下，除了一修改後之AMRI-5000晶片或觸控螢幕控制器100以外，亦可採用其他觸控螢幕控制器、微處理器、ASIC或CPU。此外，除本文明確所示者之外，亦可採用不同數目之驅動線及感測線、及不同數目及不同配置之驅動電極及感測電極。
本文將闡述低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法之各種實施例，該等低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法可在每一次讀出或電荷採集週期期間，將觸控螢幕訊號乘以一大約為二之因數。對於一給定電源電壓，在電容式觸控螢幕之每一次讀出週期期間，有效訊號及訊雜比(signal-to-noise；SNR)將加倍，且無需產生輔助之高驅動電壓。因不再需要原本產生具有高電壓之驅動訊號而需要之電功率，故可減小功耗。因電容式觸控螢幕常常被用作複雜裝置及系統之間之人機介面，且觸控螢幕及觸控螢幕控制器之讀出電子器件常常暴露於多種EMI，故觸控螢幕控制器之運作常常受到雜訊損害。本文所述之低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統、電路及方法之各種實施例將針對由EMI在觸控螢幕控制器中引起之許多 問題，提供低功率及低電壓解決方案。
現在請參照第5圖，其顯示一低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統及其相關電路之一實施例。觸控螢幕90包含複數個導電性驅動電極以及複數個導電性感測電極，該複數個導電性驅動電極排列成複數個列或行，該複數個導電性感測電極與該複數個導電性驅動電極之該等列或行成一角度排列成複數個列或行。
為了清楚及避免混淆起見，在第5圖、第6圖、第8圖及第9圖中將僅顯示一個導電性驅動電極(Y或20)及一個導電性感測電極(X或10)。在所示單一導電性驅動電極與單一導電性感測電極之相交點，在導電性驅動電極Y與導電性感測電極X之間存在一互電容C pix 。當有一手指、多個手指或一觸摸裝置靠近觸控螢幕90時，此互電容C pix 發生變化。
第1圖之導電性驅動電極Y可操作地連接至複數個驅動電路其中之一驅動電路120。導電性驅動電極Y更可操作地連接至驅動電路120之一第三開關sw3及一第四開關sw4。第三開關sw3用以將導電性驅動電極Y可操作地連接至一驅動電壓V dr ，且第四開關sw4用以將導電性驅動電極Y可操作地連接至地電位。如第5圖所示，導電性驅動電極Y具有一與其相關聯之驅動雜散電容(C sy )。
如第5圖所示，在運作期間，複數個感測電路其中之一感測電路130可操作地連接至複數個導電性感測電極其中之一對應者。感測電路130包含一第一開關sw1、一第二開關sw2、以及電荷採集或讀出電路A，電荷採集或讀出電路A包含一與一第五開關sw5 (未在第5圖中顯示，但在第6圖及第8圖中顯示)並聯排列之電荷儲存電容器C store (亦未在第5圖中顯示，但在第6圖及第8圖中顯示)。第一開關sw1用以將導電性感測電極X可操作地連接至地電位，且第二開關sw2用以將導電性感測電極X可操作地連接至電荷採集或讀出電路A。導電性感測電極X具有一與其相關聯之感測雜散電容(C sx )。
與第5圖之給定導電性驅動電極Y相關聯之驅動雜散電容C sy 、與第5圖之給定導電性感測電極X相關聯之感測雜散電容C sx 、以及第5圖之互電容C pix 一起界定一觸控螢幕電容網路。在驅動電路120及感測電路130運作期間，且在一第一時間段期間，第三開關sw3閉合，第四開關sw4斷開，第一開關sw1閉合，第二開關sw2斷開，給定導電性感測電極X之一第一電位對應至地電位，且給定導電性驅動電極Y與給定導電性感測電極X之間之互電容C pix 被充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於驅動電壓V dr 乘以互電容C pix 。
在驅動電路120及感測電路130之運作期間，且在一第二時間段期間，第三開關sw3斷開，第四開關sw4閉合，第一開關sw1斷開，第二開關sw2閉合，給定導電性驅動電極Y之一第二電位對應至地電位，且電荷採集或讀出電路A之電荷儲存電容器C store 被充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值，其中該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊，以下將更詳細說明之。
在一種對應於第5圖、第6圖及第8圖之低電壓電容式觸控螢 幕電荷採集及讀出系統之方法之一實施例中，在一第一時間段期間，該方法包含：閉合第三開關sw3，斷開第四開關sw4，閉合第一開關sw1，及斷開第二開關sw2，將給定導電性感測電極X之一第一電位對應至地電位，且將給定導電性驅動電極Y與給定導電性感測電極X之間之互電容C pix 充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於驅動電壓V dr 乘以互電容C pix 。在一第二時間段期間，該方法更包含：斷開第三開關sw3，閉合第四開關sw4，斷開第一開關sw1，及閉合第二開關sw2，將給定導電性驅動電極Y之一第二電位對應至地電位，且將電荷儲存電容器C store 充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕網路電荷之一差值，其中該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。
繼續參照第5圖，觸控螢幕90包含沿觸控螢幕90之Y軸及X軸所設置之二組導電性驅動電極及導電性感測電極，其中一絕緣體位於此二組導電性電極之間。該等導電性驅動電極與該等導電性感測電極之交疊區域形成觸控螢幕畫素，當有一物體(通常為手指或尖筆)靠近該等畫素時，該等觸控螢幕畫素之電容C pix 會發生變化。以第5圖所示一對所選導電性驅動電極與導電性感測電極之為實例，在任一給定時刻，藉由對導電性驅動電極Y施加驅動電壓V dr ，導電性感測電極X處將偵測到來自畫素電容C pix 之電荷，進而可導出關於物體位置之資訊。電容C sy 及電容C sx 分別為對應至系統地電位之驅動電極雜散電容及感測電極雜散電容，其中導電性驅動電極Y及導電性感測電極X經由端子Yi及端子Xi而可操作地連接至電容式觸控螢幕控制器100。在此等端子 處，根據一實施例，導體被分成二個分支，其中各該分支可藉助開關sw1至開關sw4而連接至控制器100之一內部電路。更如第5圖所示，連接至驅動線端子及感測線端子之開關sw1至開關sw4是由邏輯訊號φ1及邏輯訊號φ2控制，邏輯訊號φ1及邏輯訊號φ2用於將導電性驅動電極Y及導電性感測電極X在與其相對應之訊號採集時間段期間連接至特定電位，或連接至位於觸控螢幕控制器100中之電荷採集或讀出電路A。
根據一實施例，且如第6圖所示，閘控積分器電路A可用於採集或讀出電荷訊號，該閘控積分器電路A可包含運算放大器140、回饋環路150、及參考電壓源V ref1。
第7圖顯示一控制訊號協定之一實施例，該控制訊號協定用於支援對於觸控螢幕90上一給定畫素之電荷訊號採集。當控制訊號變至一邏輯高狀態時，常開之開關sw1至開關sw4閉合。繼續參照第7圖，現在闡述與第6圖之電路對應之一電荷訊號採集過程或方法。在一第一時間段期間，控制訊號φ1變至一邏輯高狀態，而控制訊號φ2則保持於一邏輯低狀態。因此，開關sw1將導電性感測電極X連接至系統地電位，而開關sw3則將導電性驅動電極Y連接至驅動電壓V dr ，且畫素電容C pix 被充電至電荷Q1=-C pix V dr (假設導電性感測電極X為畫素電容C pix 之上電極)。在控制訊號φ1恢復至一邏輯低狀態後，透過始控制訊號φ2_為一邏輯低狀態，電荷採集電路A之閘控積分器開關sw5將斷開。透過使控制訊號φ2為一邏輯高狀態來接通開關sw2及開關sw4之操作將被延遲時間△，致使φ2_之後緣與φ2之上升緣不重合。換言之，該第一時間 段與該第二時間段在時間上不交疊。與一邏輯高狀態之控制訊號φ2相對應之該第二時間段或電荷採集時間段期間，閘控積分器電路之回饋電容器C store 將被充電，進而可利用帶電感測電極之電荷守恆來確定該閘控積分器之輸出電壓如下：C pix (0-V dr )=C pix (V ref1-0)+C sx (V ref1-0)+C store (V ref1-V out ) (1)
其中V ref1為由該閘控積分器電路使用之參考電壓，V out 為該閘控積分器之輸出電壓。然後，在訊號採集之前及之後，該閘控積分器輸出端處之電壓差值變為：
該積分器電路之虛擬接地電壓V ref1可接近或超過V dr ，V dr 可由該閘控積分器電路之輸出之所需電壓擺動(voltage swing)而界定。對於所偵測畫素電荷C pix (V dr +V ref1)，可使用對應於感測電極之電荷C sx V dr 之訊號作為參考「地面(floor)」。因此，相較於傳統之Y電極之驅動，所偵測之電荷可加倍而無電荷儲存於畫素電容C pix 中。當畫素未被充電時，可採集該「地面」或暗框訊號，然後可自該畫素訊號減去該「地面」或暗框訊號(參見方程式2)，以下將更詳細說明之。
第8圖顯示一電荷採集或讀出電路之另一實施例，其中第二時間段由控制訊號φ2控制，且感測電極X連接至一負載電阻器RL，負載電阻器RL又連接至電壓V ref1。負載電阻器RL兩端之壓降由具有增益Gm之跨導放大器160感測，跨導放大器160之輸出被載入電容器C store ，電容器C store 用以經由控制訊號φ2_之運作而採集電荷。在第8圖所示之電荷採集或讀出電路A之實施例中，可藉由高於V ref1(MOS電晶體飽和電壓)十分之幾毫伏，供應跨導放大器之電源，且容許其SNR相較於採用一更高之電源電壓之傳統驅動器電路時近似二倍。此外，在第8圖所示之電荷採集電路A之實施例中，將不再需要一積分器電路，進而可在進行進一步訊號處理之前使用具有一開關之一簡單儲存電容器來提供暫時性訊號之儲存。
在第8圖之電路中，在一電荷採集週期結束時之儲存電容器C store 之電壓振幅可表達如下：
現在參照第9圖，其顯示用以自觸控螢幕90採集所述「暗框」資料之電路之一實施例，該「暗框」資料可隨後用於校準已自觸控螢幕90採集到之電荷訊號。藉由應用一類似於第7圖所示之採集控制協定，第9圖中之驅動電極端子及感測電極端子被依序地連接，以經由電荷採集或讀出電路A而獲得「地面」或暗框訊號。 各該畫素之暗框輸出訊號可表達如下：
藉由自畫素訊號(表示式(4)之右側部分，其係由表示式(3)之右側部分所導出)減去暗框輸出訊號，可獲得網路畫素訊號。第9圖顯示一電路，該電路藉由在一「暗框」訊號採集週期期間，使與電路A中之電容器C store 相對應之極板之連接反轉，進而提供自畫素訊號減去暗框訊號之非常簡單之手段及方法。
第10(a)圖顯示對應於第8圖之電荷採集電路之一詳細示意圖之一實施例。第10(a)圖所示之控制訊號標記相對直接，其中phi1對應於φ1，phi2對應於φ2，且phi2_對應於-φ2_。對應於雜散電容C sy 及C sx 之電容器C2及C4被選擇為具有10微微法拉(pF)之電容值。
第10(b)圖中顯示第10(a)圖之電路之模擬結果，其中C pix =2pF，C store 對應於C7=10pF，且跨導值Gm=10-4[1/歐姆]，且電阻器r=1千歐姆。在第10(b)圖中顯示對應至控制訊號以及於電路之輸出端子處提供之模擬輸出(out2)。可以看出，對於所選電壓參考電位V dr =V ref1=1.8伏，且V ref0=0伏，模擬結果與表示式(3)之分析結果相一致。
現在參照第11(a)圖，其顯示對應於第9圖之暗框訊號採集電路之一詳細示意圖之一實施例，該暗框訊號採集電路亦被模擬， 其結果顯示於第11(b)圖中。可以看出，對於所選電路參數，第11(b)圖所示模擬結果與表示式(4)所給出之分析結果一致。
上述實施例應被視為本發明之實例，而非對本發明範圍之限制。除本發明之上述實施例外，在閱讀本詳細說明及附圖後應理解本發明亦存在其他實施例。因此，本文未明確闡述之本發明上述實施例之許多組合、排列、改變及潤飾將仍然歸屬於本發明之涵蓋範圍內。
120‧‧‧驅動電路
130‧‧‧感測電路
90‧‧‧觸控面板/觸控螢幕
95‧‧‧介電板/罩板
100‧‧‧中央處理器裝置/觸控螢幕控制器/晶片/控制器
110‧‧‧電容式觸控螢幕系統/觸控螢幕系統
112‧‧‧LCD或OLED顯示器
140‧‧‧運算放大器
150‧‧‧回饋環路
160‧‧‧跨導放大器
A‧‧‧電荷採集或讀出電路/閘控積分器電路
C sy ‧‧‧驅動雜散電容
C sx ‧‧‧感測雜散電容
C pix ‧‧‧互電容/畫素電容
C store ‧‧‧電荷儲存電容器/回饋電容器
Gm‧‧‧增益
V dr ‧‧‧驅動電壓
V out ‧‧‧閘控積分器之輸出電壓
V ref1‧‧‧參考電壓源
Xj‧‧‧端子
Yi‧‧‧端子
X(10)‧‧‧感測電極
Y(20)‧‧‧驅動電極
φ1‧‧‧邏輯訊號/控制訊號
φ2‧‧‧邏輯訊號/控制訊號
sw1‧‧‧第一開關
sw2‧‧‧第二開關
sw3‧‧‧第三開關
sw4‧‧‧第四開關
sw5‧‧‧第五開關
第1圖顯示一電容式觸控螢幕系統之一實施例之剖視圖；第2圖顯示一電容式觸控螢幕控制器之方框圖；第3圖顯示一電容式觸控螢幕系統及一主機控制器之一方框圖之一實施例；第4圖顯示一電容式觸控螢幕系統之一實施例之示意性方框圖；第5圖顯示一低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統及相關電路之一實施例；第6圖顯示一低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統及相關電路之另一實施例；第7圖顯示控制訊號之一協定之一實施例；第8圖顯示一低電壓電容式觸控螢幕電荷採集及讀出系統及相關電路之再一實施例；第9圖顯示一低電壓電容式觸控螢幕暗框訊號採集及讀出系統 及相關電路之一實施例；第10(a)圖顯示對應於第8圖之電荷採集電路之一詳細示意圖之一實施例；第10(b)圖顯示自第10(a)圖之電路獲得之模擬結果；第11(a)圖顯示對應於第9圖之暗框訊號採集電路之一詳細示意圖之一實施例；以及第11(b)圖顯示自第11(a)圖之電路獲得之模擬結果。
120‧‧‧驅動電路
130‧‧‧感測電路
90‧‧‧觸控面板/觸控螢幕
A‧‧‧電荷採集或讀出電路/閘控積分器電路
C sy ‧‧‧驅動雜散電容
C sx ‧‧‧感測雜散電容
C pix ‧‧‧互電容/畫素電容
V dr ‧‧‧驅動電壓
Xj‧‧‧端子
Yi‧‧‧端子
X(10)‧‧‧導電性感測電極
Y(20)‧‧‧導電性驅動電極
φ1‧‧‧邏輯訊號/控制訊號
φ2‧‧‧邏輯訊號/控制訊號
sw1‧‧‧第一開關
sw2‧‧‧第二開關
sw3‧‧‧第三開關
sw4‧‧‧第四開關

Claims (39)

  1. 一種電容式觸控螢幕系統，包含：一觸控螢幕，包含複數個導電性驅動電極以及複數個導電性感測電極，該複數個導電性驅動電極排列成複數個列或行，該複數個導電性感測電極與該複數個導電性驅動電極之該等列或行成一角度排列成複數個列或行，在該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極相交之位置，該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間存在複數個互電容，當一手指、多個手指或一觸摸裝置靠近該觸控螢幕時，該等互電容發生變化；複數個驅動電路，各該複數個驅動電路可操作地連接至該複數個導電性驅動電極其中之一對應者，各該導電性驅動電極可操作地連接至一第三開關及一第四開關，該第三開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至一驅動電壓，該第四開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至地電位，各該導電性驅動電極具有一與其相關聯之驅動雜散電容；以及複數個感測電路，各該複數個感測電路可操作地連接至該複數個導電性感測電極其中之一對應者，各該感測電路包含一第一開關、一第二開關、以及一電荷採集電路，該電荷採集電路包含一與一第五開關並聯排列之電荷儲存電容器，該第一開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至地電位，該第二開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至該電荷採集電路，各該導電性感測電極具有一與其相關聯之感測雜散電容； 其中於該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之一給定相交點，於一給定導電性驅動電極與一給定導電性感測電極之間存在一互電容、與該給定導電性驅動電極相關聯之該驅動雜散電容以及與該給定導電性感測電極相關聯之該感測雜散電容一起界定一觸控螢幕電容網路，在一第一時間段(phase)期間，該第三開關閉合，該第四開關斷開，該第一開關閉合，該第二開關斷開，該給定導電性感測電極之一第一電位對應至地電位，且該給定導電性驅動電極與該給定導電性感測電極之間之該互電容被充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於該驅動電壓乘以該互電容，在一第二時間段期間，該第三開關斷開，該第四開關閉合，該第一開關斷開，該第二開關閉合，該給定導電性驅動電極之一第二電位對應至地電位，且該電荷儲存電容器被充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值，該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。
  2. 如請求項1所述之電容式觸控螢幕系統，其中該電荷採集電路包含一運算放大器。
  3. 如請求項2所述之電容式觸控螢幕系統，其中該運算放大器包含一正輸入端子、一負輸入端子、以及一輸出端子。
  4. 如請求項3所述之電容式觸控螢幕系統，其中該正輸入端子連接至一第一參考電壓。
  5. 如請求項3所述之電容式觸控螢幕系統，其中該負輸入端子可操作地連接至該第二開關。
  6. 如請求項2所述之電容式觸控螢幕系統，其中該運算放大器包含一回饋環路，該回饋環路可操作地連接至該運算放大器之一負輸入端子及一輸出端子。
  7. 如請求項6所述之電容式觸控螢幕系統，其中該回饋環路包含該第五開關及該電荷儲存電容器。
  8. 如請求項1所述之電容式觸控螢幕系統，其中該電荷採集電路包含一跨導放大器。
  9. 如請求項8所述之電容式觸控螢幕系統，其中該跨導放大器包含一正輸入端子、一負輸入端子、以及一輸出端子。
  10. 如請求項9所述之電容式觸控螢幕系統，其中該負輸入端子連接至一第一參考電壓。
  11. 如請求項9所述之電容式觸控螢幕系統，其中該正輸入端子可操作地連接至該第二開關。
  12. 如請求項9所述之電容式觸控螢幕系統，其中該正輸入端子與該負輸入端子經由一負載電阻器連接。
  13. 如請求項9所述之電容式觸控螢幕系統，其中該第五開關及該電荷儲存電容器可操作地連接至該輸出端子。
  14. 如請求項13所述之電容式觸控螢幕系統，其中該第五開關及該電荷儲存電容器可操作地連接至一第二參考電壓。
  15. 如請求項1所述之電容式觸控螢幕系統，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關之運作由一觸控螢幕控制器所控制，該觸控螢幕控制器可操作地連接至該感測電路及該驅動電路。
  16. 如請求項15所述之電容式觸控螢幕系統，其中該觸控螢幕控 制器用以提供複數個第一數位控制訊號至該第一開關及該第三開關。
  17. 如請求項15所述之觸控螢幕系統，其中該觸控螢幕控制器用以提供一第二數位控制訊號至該第二開關及該第四開關。
  18. 如請求項15所述之觸控螢幕系統，其中該觸控螢幕控制器用以提供一第三數位控制訊號至該第五開關。
  19. 如請求項15所述之觸控螢幕系統，其中該給定感測電路更包含一暗框(dark frame)電荷採集電路，該暗框電荷採集電路用以採集一對應於該給定相交點之暗框訊號。
  20. 一種在一電容式觸控螢幕系統中採集電荷之方法，該電容式觸控螢幕系統包含：一觸控螢幕，包含複數個導電性驅動電極以及複數個導電性感測電極，該複數個導電性驅動電極排列成複數個列或行，該複數個導電性感測電極與該複數個導電性驅動電極之該等列或行成一角度排列成複數個列或行，在該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極相交之位置，該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間存在複數個互電容，當一手指、多個手指或一觸摸裝置靠近該觸控螢幕時，該等互電容發生變化；複數個驅動電路，各該複數個驅動電路可操作地連接至該複數個導電性驅動電極其中之一對應者，各該導電性驅動電極可操作地連接至一第三開關及一第四開關，該第三開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至一驅動電壓，該第四開關用以將該導電性驅動電極可操作地連接至地電位，各該驅動電極具有一與其相關聯之驅動雜散電容；複數個感測電路，各該複數個 感測電路可操作地連接至該複數個導電性感測電極其中之一對應者，各該感測電路包含一第一開關、一第二開關、以及一電荷採集電路，該電荷採集電路包含一與一第五開關並聯排列之電荷儲存電容器，該第一開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至地電位，該第二開關用以將該導電性感測電極可操作地連接至該電荷採集電路，各該感測電極具有一與其相關聯之感測雜散電容；其中於該複數個導電性驅動電極與該複數個導電性感測電極之間之一給定相交點，於一給定導電性驅動電極與一給定導電性感測電極之間存在一互電容、與該給定導電性驅動電極相關聯之該驅動雜散電容以及與該給定導電性感測電極相關聯之該感測雜散電容一起界定一觸控螢幕電容網路，該方法包含：在一第一時間段期間，閉合該第三開關，斷開該第四開關，閉合該第一開關，及斷開該第二開關，將該給定導電性感測電極之一第一電位對應至地電位，且將該給定導電性驅動電極與該給定導電性感測電極之間之該互電容充電至一第一電荷值，該第一電荷值實質上對應於該驅動電壓乘以該互電容，以及在一第二時間段期間，斷開該第三開關，閉合該第四開關，斷開該第一開關，及閉合該第二開關，將該給定導電性驅動電極之一第二電位對應至地電位，且將該電荷儲存電容器充電至一數值，該數值近似對應於在該第一時間段與該第二時間段期間分別出現之觸控螢幕電容網路電荷之一差值；其中該第一時間段與該第二時間段在時間上不交疊。
  21. 如請求項20所述之方法，更包含在該電荷採集電路中採用一運算放大器。
  22. 如請求項21所述之方法，其中該運算放大器包含一正輸入端子、一負輸入端子、以及一輸出端子。
  23. 如請求項22所述之方法，其中該正輸入端子連接至一第一參考電壓。
  24. 如請求項22所述之方法，其中該負輸入端子可操作地連接至該第二開關。
  25. 如請求項22所述之方法，其中該運算放大器包含一回饋環路，該回饋環路可操作地連接至該運算放大器之一負輸入端子及一輸出端子。
  26. 如請求項25所述之方法，其中該回饋環路包含該第五開關及該電荷儲存電容器。
  27. 如請求項20所述之方法，更包含在該電荷採集電路中採用一跨導放大器。
  28. 如請求項27所述之方法，其中該跨導放大器包含一正輸入端子、一負輸入端子、以及一輸出端子。
  29. 如請求項28所述之方法，其中該負輸入端子連接至一第一參考電壓。
  30. 如請求項28所述之方法，其中該正輸入端子可操作地連接至該第二開關。
  31. 如請求項28所述之方法，其中該正輸入端子與該負輸入端子經由一負載電阻器連接。
  32. 如請求項28所述之方法，其中該第五開關及該電荷儲存電容 器可操作地連接至該輸出端子。
  33. 如請求項22所述之方法，其中該第五開關及該電荷儲存電容器可操作地連接至一第二參考電壓。
  34. 如請求項20所述之方法，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關之運作由一觸控螢幕控制器所控制，該觸控螢幕控制器可操作地連接至該感測電路及該驅動電路。
  35. 如請求項34所述之方法，其中該觸控螢幕控制器用以提供複數個第一數位控制訊號至該第一開關及該第三開關，當該驅動訊號為高位凖時，該等第一數位控制訊號處於一高邏輯狀態，且當該驅動訊號為低位凖時，該等第一數位控制訊號處於一低邏輯狀態。
  36. 如請求項34所述之方法，其中該觸控螢幕控制器用以提供一第二數位控制訊號至該第二開關及該第四開關，在一高位凖驅動訊號之後緣之後且在下一高位凖驅動訊號之前緣之前，該第二數位控制訊號處於一高邏輯狀態。
  37. 如請求項34所述之方法，其中該觸控螢幕控制器用以提供一第三數位控制訊號至該第五開關，在該驅動訊號為高位凖之至少一部分時間內，該第三數位控制訊號處於一高邏輯狀態。
  38. 如請求項20所述之方法，更包含採集對應於該給定相交點之一暗框訊號。
  39. 如請求項38所述之方法，更包含自該觸控螢幕電容網路電荷之該差值減去該暗框訊號。
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