TWI392877B - 電容感測電路以及電容差異感測方法 - Google Patents

電容感測電路以及電容差異感測方法 Download PDF

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Description

電容感測電路以及電容差異感測方法
本發明係有關於電容感測電路以及電容差異感測方法，特別有關於不須計算出待測電容的實際電容值之電容感測電路以及電容差異感測方法。
在現代電子裝置中，電容式感測器是一種很普遍的技術，常被使用在類似觸控面板的元件上。然而，習知技術中的電容式感測器可能面臨許多不同的問題。舉例來說，若作為觸控面版使用時，透明導電膜(ITO)的貼合可能會造成電容不均勻的問題。此外，各種電子裝置中也可能存在著寄生電容、系統背景電容(background capacitance)或系統干擾的問題，造成良率下降，或者必須花費大量人力時間來檢查產品的缺陷。除此之外，若系統背景電容過大，而感測電容的變化量(例如，手指接觸後所引起的電容變化)過小，則難以判斷出感測電容的變化，須要較高解析度才能有效判斷。
第1圖繪示了習知技術之電容感測電路其中一例。在第1圖中電容感測電路100係利用弛張振盪感測器(relaxation oscillator)的方式來求得電容值。其係針對電容101和電容103不斷的充放電，並利用振盪器的頻率和電流ID1的值來求出電容101和電容103的電容值。其關係式可如方程式(1)所示，其中FOSC 代表振盪器頻率，Cstay代表電容101的值，而CS代表電容103的值。
由於此類技術之詳細技術內容為熟知此項技藝者所知悉，故在此不再贅述。然而，此類的電容感測方式需要使用到類比數位轉換器(未繪示，因轉換器種類繁多，不易一一表示)來感測，而類比數位轉換器的感測範圍須依不同的寄生電容和背景電容而有所不同。隨著感測範圍不同，類比數位轉換器的動態範圍和靈敏度會有所不同，因此產品的良率和出貨時間亦會受到影響。
第2圖繪示了習知技術之電容感測電路另外一例。在第2圖所示的電容感測電路200中，亦使用了類比數位轉換器201來感測電壓，其感測的電壓如同方程式(2)所示。
其中Cs 係表示電容203之電容值，Cstray 係表示電容205的值。與第1圖中所述的例子類似，第2圖所示的電路亦需要高解析度的類比數位轉換器201。但在第2圖所示的例子中，類比數位轉換器201大部份的解析位元(resolution bit)卻得浪費在Cstray +Cs 上，會降低感測的零敏度和動態範圍。此外，在方程式(2)中，系統的雜訊會影響到Vs，相對的影響到類比數位轉換器201的輸出。
綜上所述，在習知技術中皆為偵測電容之絕對值，因此容易受到寄生電容、系統背景電容或是各種雜訊的影響造成誤判。
因此，本發明之一目的為提供一種電容感測電路以及電容感測方法，其可不須偵測電容絕對值只需感測到電容值的變化。
本發明之一實施例揭露了一種電容感測電路，包含：一控制電路，用以根據一第一電壓以及一第二電壓以產生一控制訊號；一第一待測電容；一第二待測電容；以及一電壓控制單元，用以根據該控制訊號配合該第一待測電容以及該第二待測電容來控制該第一電壓以及該第二電壓。
本發明之另一實施例揭露了一種電容差異感測方法，包含：(a)使用一電壓控制單元配合一第一待測電容以及一第二待測電容來產生一第一電壓以及一第二電壓；以及(b)根據該第一電壓以及該第二電壓之值，以及該電壓控制單元的參數來計算出該第一待測電容以及該第二待測電容的差異。
根據前述之實施例，可在不用感測確切電容值的情況下感測到待測電容的電容變化，且可以忽略掉比較器的偏移。此外，差動輸入可以有效抑制共模干擾，且電容差值跟電源無關，可以改善電源抑制比。更好的是，僅使用一比較器以及一簡易的數位邏輯控制器可達到省電卻高解析度的好處。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第3圖繪示了根據本發明之一實施例的電容感測電路300。如第3圖所示，電容感測電路300包含一控制電路301、一第一待測電容303、一第二待測電容305、一電壓控制單元307以及固定電容309、311。控制電路301用以根據一第一電壓V1 以及一第二電壓V2 以產生一控制訊號CSI。電壓控制單元307用以根據控制訊號CSI配合一第一待測電容303、一第二待測電容305、一電壓控制單元307以及固定電容309、311來控制第一電壓V1 以及第二電壓V2 。在此實施例中，電壓控制單元307可為一可變電容或一電容矩陣，而控制電路301包含一比較器313以及一控制訊號產生器315。比較器313第一電壓V1 以及第二電壓V2 於輸出端輸出一比較結果訊號。控制訊號產生器315(可為一數位邏輯控制器)，並根據比較結果訊號來產生控制訊號CSI。然而，電壓控制單元307可由其他元件來施行，而控制電路301亦可以包含其他的元件。此外，固定電容309、311在此例中係為系統中必然會存在的背景電容或其他固定電容，但亦可為另外提供的電容。
在這樣的結構下，若透過控制電路301將第一電壓V1 以及第二電壓V2 調整成相同，則可測得第一待測電容303以及第二待測電容305的差異值，如底下方程式(3)和(4)所示。
其中CST 係表示背景電容值、CS1 表示第一待測電容303的電容值，CS2 表示第二待測電容305，Cdf 係表示第一待測電容303和第二待測電容305之差異的均值、CDA 表示電壓控制單元307的電容值、CST1 表示電容309的值，且CST2 表示電容311的值。由下列方程式可看出，當把第一電壓V1 和第二電壓V2 的差異設成0時，Cdf 可如方程式(3)一般，由CS 、CS1 、CS2 、CST1 、CST2 、Cdf 和CDA 計算而出。而且，當第一待測電容303和第二待測電容305因為系統雜訊或其他原因產生變化時，可如方程式(4)一般由CST1 、CST2 、CDA1 和CDA2 計算而出第一待測電容303和第二待測電容305的電容變化2(Cdf2 -Cdf1 )。
在上述實施例中，CST1 、CST2 是系統中的寄生電容值，在製造完成時就已經固定，可視為一定值。且CDA 的變化跟背景電容Cs無關，不用浪費解析位元去表示CS 。而且，可有效改善感測器的靈敏度。因為只要CDA 夠小，就能反映相對小的電容變化。而且，比較器的固定偏移(offset)會被等效成固定CS1 跟CS2 的差值，在兩次電容變化相減時，會被自然減掉，而不會造成感測器的誤判，因此這樣的架構不用去考慮比較器偏移的影響，可以有效降低電路設計的難度以及改善類比數位轉換器(ADC)的線性度。且由方程式(3)也可得知電容的變化跟系統電壓VDD 無關，因此可以提高電源抑制比(PSRR)，改善手機系統對電源切換雜訊干擾的抑制能力。而且，在上述架構中可利用差動輸入來抑制共模雜訊的特性，有效改善感測器的抗雜訊能力，增加感測器的訊號雜訊比。須注意的是，本發明之範圍不限於方程式(3)和(4)的操作，若將第一電壓V1 和第二電壓V2 設計成相差0以外的一預定值，亦可推得Cdf 。
電容感測電路300除了上述元件之外，亦可包含開關317、319、321、323、325以及327，並藉著控制開關317、319、321、323、325以及327來控制電容的充放電動作。而方程式(4)中的ΔC，可以由微處理器之類的控制器(例如微處理器)計算而得。
第4圖繪示了根據本發明之一實施例的電容感測方法。如第4圖所示，根據本發明之一實施例的電容感測方法包含：
步驟401
使用一電壓控制單元(307)配合一第一待測電容(303)以及一第二待測電容(305)來產生一第一電壓V1 以及一第二電壓V2 。
步驟403
根據第一電壓V1 以及第二電壓V2 之值，以及電壓控制單元的參數(例如：可變電容的電容值或電容矩陣的電容和)來計算出第一待測電容(303)以及第二待測電容(305)的差異。
當包含了待感測電容的電路包含第一固定電容以及第二固定電容(例如CST1 和CST2 )時，步驟403可根據第一電壓V1 以及第二電壓V2 之值、電壓控制單元的參數(例如CDA )以及第一固定電容(CST1 )以及第二固定電容(CST1 )來計算出第一待測電容(303)以及第二待測電容(305)的差異，其中一種作法為以前述方程式(3)和(4)計算而出。其他詳細的技術特徵已揭露於上述的實施例中，故在此不再贅述。
根據前述之實施例，可在不用感測確切電容值的情況下感測到待測電容的電容變化，且可以忽略掉比較器的偏移。此外，差動輸入可以有效抑制共模干擾，且電容差值跟電源無關，可以改善電源抑制比。更好的是，僅使用一比較器以及一簡易的數位邏輯控制器可達到省電卻高解析度的好處。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
101、103、203、205．．．電容
100、200、300．．．電容感測電路
201．．．類比數位轉換器
301．．．控制電路
303．．．第一待測電容
305‧‧‧第二待測電容
307‧‧‧電壓控制單元
309,311‧‧‧固定電容
313‧‧‧比較器
315‧‧‧控制訊號產生器
317、319、321、323、325以及327‧‧‧開關
第1圖和第2圖分別繪示了習知技術之電容感測電路的其中一例。
第3圖繪示了根據本發明之一實施例的電容感測電路。
第4圖繪示了根據本發明之一實施例的電容感測方法。
300．．．電容感測電路
301．．．控制電路
303．．．第一待測電容
305．．．第二待測電容
307．．．電壓控制單元
309,311．．．固定電容
313．．．比較器
315．．．控制訊號產生器
317、319、321、323、325以及327．．．開關

Claims (12)

  1. 一種電容感測電路，包含：一控制電路，包含一數位邏輯控制器，該數位邏輯控制器用以根據一第一電壓以及一第二電壓以產生一控制訊號；一第一待測電容；一第二待測電容；以及一電壓控制單元，根據該控制訊號更改本身的參數，以配合該第一待測電容以及該第二待測電容來控制該第一電壓以及該第二電壓；以及一微處理器，根據該第一電壓以及該第二電壓之值，以及該電壓控制單元的該參數來計算出該第一待測電容以及該第二待測電容的差異。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中該控制電路包含：一比較器，包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該比較器比較該第一輸入端的該第一電壓以及該第二輸入端上的該第二電壓於該輸出端輸出一比較結果訊號；該數位邏輯控制器根據該比較結果訊號來產生該控制訊號；其中該第一待測電容具有一第一端以及一第二端，該第一端耦接至一預定電壓且該第二端耦接至該第一輸入端；該第二待測電容具有一第三端以及一第四端，該第三端耦接至該預定電壓且該第四 端耦接至該第二輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，其中該電壓控制單元為一可調式電容，其中該可調式電容的電容值由該控制訊號決定，且其中該可調式電容之電容值，該第一待測電容之電容值以及該第二待測電容之電容值決定了該第一電壓以及該第二電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電容感測電路，該可調式電容之電容值，該第一待測電容之電容值以及該第二待測電容之電容值使得該第一電壓以及該第二電壓相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電容感測電路，更包含：一第一固定電容，其一端耦接於該第一待測電容的該第一端以及該第一輸入端；以及一第二固定電容，其一端耦接於該第二待測電容的該第一端以及該第二輸入端；其中該電壓控制單元根據該控制訊號配合該第一待測電容、該第二待測電容、該第一固定電容以及該第二固定電容來控制該第一電壓以及該第二電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電容感測電路，其中該第一固定電容以及該第二固定電容係為寄生電容。
  7. 一種電容差異感測方法，包含：(a)使用一電壓控制單元配合一第一待測電容以及一第二待測電容來產生一第一電壓以及一第二電壓；以及(b)根據該第一電壓以及該第二電壓之值，以及該電壓控制單元的參數來計算出該第一待測電容以及該第二待測電容的差異。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電容差異感測方法，其中該(a)步驟更包含比較該第一電壓以及該第二電壓，並根據比較結果來改變該電壓控制單元的該參數，使得該第一電壓以及該第二電壓分別符合一預定值。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電容差異感測方法，其中該電壓控制單元為一可調式電容，其中該參數為該可調式電容的電容值，且其中該可調式電容之電容值，該第一待測電容之電容值以及該第二待測電容之電容值決定了該第一電壓以及該第二電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電容差異感測方法，該可調式電容之電容值，該第一待測電容之電容值以及該第二待測電容之電容值使得該第一電壓以及該第二電壓相同。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之電容差異感測方法，更包含：提供一第一固定電容以及一第二固定電容，且該步驟(b)根據該第一電壓以及該第二電壓之值、該電壓控制單元的參數以及該第一固 定電容以及該第二固定電容來計算出該第一待測電容以及該第二待測電容的差異。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電容差異感測方法，其中該第一固定電容以及該第二固定電容係為寄生電容。
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