TWI505161B - 觸控螢幕控制器傳送電荷以轉接電容為電壓之系統及方法 - Google Patents

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Ashutosh Ravindra Joharapurkar
Karthikeya Kodur
Venugopal Reddy
Patrick Chan
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Description

觸控螢幕控制器傳送電荷以轉接電容為電壓之系統及方法
相關申請案
此申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)主張同時申請的美國臨時專利申請案號第61/326,830號之優先權，申請日2010年4月22日，以及案名“差動電容性觸控面板電路及方法”，其整體於此併入做為參考。
接下來同時擁有、同時提出申請、同時申請中的申請案的整體亦全部併入做為參考，美國專利申請案第XX/XXX,XXX號，案名“改善觸控螢幕控制器動態範圍方法及裝置(Method and Apparatus for Improving Dynamic Range of a Touchscreen Controller)”，代理人檔號MAXIM-04400；美國專利申請案第XX/XXX,XXX號，案名“使用差動感測供電容性觸控螢幕控制器雜訊消除技術(Noise Cancellation Technique for Capacitive Touchscreen Controller Using Differential Sensing)”，代理人檔號MAXIM-04600；美國專利申請案第XX/XXX,XXX號，案名“用於近零時延觸覺介面播出的觸覺回饋及觸控螢幕控制器系統整合(System Integration of Tactile Feedback and Touchscreen Controller for Near-Zero Latency Haptics Playout)”，代理人檔號MAXIM-04700；美國專利申請案第XX/XXX,XXX號，案名“以隨 機取樣技術降低指叉耦合雜訊的使用(Use of Random Sampling Technique to Reduce Finger-Coupled Noise)”，代理人檔號MAXIM-04800；以及美國專利申請案第XX/XXX,XXX號，案名“利用升壓轉換器產生壓電傳感器激發波長的方法及裝置(Method and Apparatus for Generating Piezoelectric Transducer Excitation Waveforms Using A Boost Converter)”，代理人檔號MAXIM-04900。
本發明相關於人機介面，更特別地是，本發明相關於電容式觸控螢幕。
觸控螢幕、或觸控面板提供顯示輸出以及接收輸入的一介面，以及使它們適用於行動電話、個人數位助理、數位音樂播放器、以及其他小型裝置的一結構，利用觸控螢幕，使用者可以選擇、或操作顯示在該觸控螢幕上的項目，例如，按鍵、滑塊(slider)、滾輪(scroll wheel)、或其他螢幕圖示。
習知的系統使用不同的方法來偵測物體的出現，例如，電容式電荷傳送方法(Capacitive charge transfer method)，以及弛張OSC方法(relaxation OSC method)，在電容式觸控螢幕中，舉例而言，電荷被傳送至感測元件以及與其相鄰的物體，然後，結合的已儲存電荷被讀取，而高於一臨界值的電荷則表示該物體位在目前正在讀取的感測元件的上方，藉由將感測元件配置成具有複數個列以及複數個行的格狀圖案，就可決定在格上的物體的特定位置。
第1圖為習知電容式觸控螢幕100的一方塊圖，該觸控螢幕100包括一表面，包含多個感測元件101，每一個皆被配 置為可感測與其相鄰之一物體(例如，一手指105)的出現，藉由偵測該物體105所鄰近的是哪一個感測元件，就可以決定該物體沿著該觸控螢幕100表面的位置，電容式觸控螢幕100的作用方式是，藉由打開以及關閉開關A，A’，B，B’，以及C’而來傳送測量電路110以及115所測量的以及計算裝置120所計算的電荷，本領域具通常知識者將可理解地是，該電容式觸控螢幕100需要多個時脈相位以及多個電荷傳送循環來決定一物體是否與其表面相鄰近。
該觸控螢幕100具有數個缺點，舉例而言，電荷必須被傳送至外部電容器CS1以及CS2數次，以測量電容改變，此將增加時延(latency)以及因此降低可支援的最大訊框率(frame rate)，如此的結果是，該觸控螢幕100具有受限的靈敏性以及減少的訊號雜訊比。
該觸控螢幕100，就像其他習知的電容式觸控螢幕一樣，亦遭受“鬼影(ghosting)”的影響，在此期間，將無法解析出同時間發生之觸控的真實位置，當同時間觸控發生在多個位置時，系統僅能夠決定數個觸控已發生(“真實”觸控以及“鬼影”觸控)，系統無法輕易地辨識真實以及鬼影觸控，此不確定性以及解決所需的程序隨著同時間觸控的數量而呈指數地增加。
一些電容式觸控螢幕利用“互電容(mutual capacitance)”(一種在列與行線的交叉點處感測電容的程序)來決定同時發生的觸控，支援互電容測量的系統需要複雜許多的類比硬體，這導致較高的功率消耗、較低的生產速度、較大的晶粒尺寸、以及更複雜的訊號處理。
根據本發明的觸控螢幕控制器系統支援感測器間的互電容消除以及選擇性互電容測量，降低對於偏移消除電容的需求，這些觸控螢幕控制器系統亦能夠移除在一面板上的鬼影觸控，此為在無不確定性下偵測多點觸控時相當關鍵的一特徵，且其是在不需要於列與行的每一個組合間使用互電容測量的情形下完成。
根據本發明的觸控螢幕控制器系統僅需要一單獨的電荷傳送循環來偵測指示一物體之出現的電容改變，這些觸控螢幕控制器系統使用晶載積分電容器，其較外部積分電容器小上許多，且可更迅速地被充電以及放電，這些觸控螢幕控制器系統可支援更快速的訊框率，可改善靈敏度，以及不需要感測器的外部組件。
根據本發明的觸控螢幕控制器系統將一觸控螢幕面板的感測器電容轉換為成正比的電壓，在一重設相位中，該等系統被驅動至接地，並且，將不會拾起外部來源的雜訊，在一實施例中，除了在反饋路徑中的一個開關以外，所有的節點電壓皆負載參考電壓、或接地，此結構降低了電荷注入效應(effect of charge injection)，這是因為大部分的電荷注入造成系統的固定偏移(可藉由校正而獲得適應的偏移)。
在本發明的一構想中，一種用於感測相鄰於、及/或接觸於該觸控螢幕控制器的一表面的一、或多個物體的觸控螢幕控制器系統，其包括配置為相鄰於該觸控面板的該表面的複數個感測線，相鄰的感測線具有一互電容，複數個電容感測元件的每一個皆耦接至該等感測線的其中之一，一控制邏輯被建構為在一自電容測量階段期間將已選擇以及未選擇感測線間的互電容驅動 至相同的電位，以及在一互電容測量階段期間將已選擇以及未選擇感測線間的互電容驅動至不同的電位，在一實施例中，該觸控螢幕控制器系統包括一電壓測量電路，其將位於一已選擇電容感測元件上的一電荷轉換成為指示一物體是否與其相鄰的一相對應電壓。
在本發明一第二方面的構想中，一種感測同時出現在一觸控板的一表面上、或與其相鄰的複數個物體的方法，包括個別地選擇該觸控面板的列與行線，以決定該等物體沿著該表面的一、或多個候選位置，以及僅由該等候選位置中讀取該觸控面板之列與行線的組合，以決定該等物體沿著該表面的一、或多個實際位置，在一實施例中，個別地選擇列與行線以及讀取列與行線的組合等多個步驟是在一單獨的積體電路上執行，該方法亦包括，當個別讀取所選擇列與行線時，消除列與行線間的互電容，以及當讀取所選擇之列與行線的組合時，致能相鄰列與行線間的互電容。
在一實施例中，決定一、或多個實際位置的步驟包括，比較該等候選位置的自電容測量以及相對應互電容測量。
100‧‧‧電容式觸控螢幕
101‧‧‧感測元件
105‧‧‧物體
A、A'、B、B'、C'、S1A~S1F、S2A~S2D、S3、SC1~SCN‧‧‧開關
110、115‧‧‧測量電路
120‧‧‧計算裝置
CS1、CS2‧‧‧外部電容器
200‧‧‧行動電話
211‧‧‧揚聲器元件
212‧‧‧整合型液晶顯示器(LCD)/觸控板
213‧‧‧麥克風
214‧‧‧微處理器(μP)
215‧‧‧記憶體
216‧‧‧顯示器控制器
217‧‧‧音頻編解碼器
218‧‧‧無線電電路
220‧‧‧觸控板電路
225‧‧‧控制邏輯電路
240‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
260A、260B‧‧‧多工器
280‧‧‧觸控板元件
270A、270B‧‧‧電容測量電路
Rst‧‧‧重設訊號
Sel1、Sel2‧‧‧選擇數值
Sample‧‧‧取樣控制訊號
400‧‧‧示意圖、電容測量電路
CU‧‧‧電容
CX‧‧‧感測器電容
CXOFF‧‧‧感測器偏移電容
CINT‧‧‧積分電容器、反饋電容器
420‧‧‧運算放大器
VREF‧‧‧參考電壓
COFF‧‧‧偏移消除電容器
Meas‧‧‧測量控制訊號
QF‧‧‧電荷
C1-CN‧‧‧電容元件
VCF、VCX、Vo‧‧‧電壓
500‧‧‧感測器電路
Cc‧‧‧耦接電容器
VX‧‧‧節點
VOUT‧‧‧輸出
700‧‧‧觸控板
R1-R4‧‧‧列線
C1-C4‧‧‧行線
705、710‧‧‧曲線
801、805、810、815、820、825、830、835、840、850、851、852、853、854、855、856‧‧‧步驟
第1圖：其為習知觸控螢幕的一示意圖；第2圖：其為用以解釋本發明原理之具有一觸控螢幕的行動電話的方塊圖；第3圖：其為用以解釋本發明原理之一觸控螢幕的數個組件的示意圖；第4圖：其為用以解釋本發明原理之模擬一電容式觸控螢幕的組件以及寄生電容元件的高階圖(high level diagram)； 第5A圖以及第5B圖：其顯示根據本發明一實施例，分別於重設以及測量相位期間的一感測器組件；第6圖：其為根據本發明一實施例，一偏移電容器的示意圖；第7圖：其顯示第5A圖以及第5B圖的感測器組件於重設以及測量相位期間的電壓圖；第8A圖至第8C圖：其為根據本發明一實施例，使用積分操作的一感測器組件的示意圖；第9圖：其顯示在不同操作相位期間，於第8A圖至第8C圖中之感測器組件的電壓圖；第10圖：其顯示用以解釋根據本發明原理之在一觸控螢幕上的多點觸控的真實以及鬼影位置；第11圖：其顯示根據本發明，一種利用自電容以及互電容兩者來移除鬼影、進而測量感測元件上之電壓的方法的步驟；以及第12圖：其顯示一種選擇性致能如第11圖所舉例說明之互電容結合自電容的方法的步驟。
本發明包含降低、或移除電容式感測器陣列(例如，觸控板，觸控螢幕，觸控滑塊，以及類似者)的輸出中之錯誤的技術，包括偵測筆尖的出現以及位置的感測器，以及偵測與決定手指位置的感測器，雖然在此所敘述的舉例說明實施例是應用於一行動電話，但可以瞭解地是，電容式觸控感測器亦可被用於廣泛的各種裝置中，如此之裝置的實例為可攜式裝置，例如，個人數位助理(PDA5)，全球定位系統(GPS)接收器，以及較大的裝 置，例如，可使用觸控螢幕的顯示器以及電腦系統，以及電器。
現在，請參閱第2圖，所顯示的是根據本發明一實施例的一行動電話200，該行動電話200包括一微處理器(μP)214，耦接至儲存有該微處理器214所執行之程式指令的一記憶體215，以及一般而言包括，用於這樣的程式指令的非揮發性儲存，以及該微處理器214所使用的暫時性儲存，儲存在記憶體215中的程式指令包括，形成依照本發明實施例之電腦程式產品的程式指令，其可決定位在被包含於一整合型(integrated)液晶顯示器(LCD)/觸控板212中的一觸控感測器的表面處之一、或多個手指、及/或筆尖的位置，該LCD/觸控板212被耦接至根據本發明一實施例的一觸控板電路220，其包括可同時測量該LCD/觸控板212範圍內之觸控板的二、或多個元件的電容的能力，替代地，正如將於接下來進行更詳盡敘述的一樣，本發明可對出現在該二、或多個元件上之通常是藉由提供一參考電位至另一層而產生的一電壓進行積分，(多個)積分電路可提供來執行該積分，或者本發明可在該記憶體215中包括測量出現在該二、或多個元件上的多個電壓(由該些電壓的同時間取樣)、並積分該些電壓的程式指令，該行動電話200亦包括一顯示器控制器216，以將該微處理器214耦接至該整合型LCD/觸控板212內的LCD，以及無線電電路218，以提供無線電話通信連接，該行動電話200亦包括一音頻編解碼器(audio codec)217，耦接至可提供與一使用者間之聲音通信的一麥克風213以及一揚聲器元件211。
依照本發明，一二維觸控板陣列的二、或多個列/行、或一一維觸控板陣列(例如，一滑塊)的二、或多個元件的電容可直接地、或藉由測量出現在元件上的一電壓而同時進行測量， 測量會被減去，以產生無共模誤差(common-mode error)的測量，其中，共模誤差主要是起因於入射雜訊(例如，LCD的操作所產生者)、在整合型LCD/觸控板212下的任何背光或其他電力供應以及其他外部環境雜訊源。
現在，請參閱第3圖，其顯示根據本發明一實施例，第2圖的該行動電話200中該觸控板電路220的詳細內容，正如在所有的圖式中一樣，相同的標示表示相同、或類似的元件，該觸控板電路220包括一對多工器260A以及260B，耦接至八列觸控板元件280的每一列，雖然所舉例說明的是單獨的觸控板元件280，但可理解地是，相等、或不相等數量的更多、或更少列與行，以及一維與二維觸控板兩者都可利用本發明的技術，該多工器260A從觸控板元件280中選擇一第一列/元件，該多工器260B從觸控板元件280中選擇一另一第二列/元件，一對電容測量電路270A以及270B的每一個分別測量於多工器260A以及260B的輸出處、因靠近所選擇元件的一手指/筆尖的出現而改變的電容，並將電容轉換為相對應的電壓訊號。
一控制邏輯電路225提供用以重設電容測量電路270A以及270B的一重設訊號Rst，其使電容測量電路270A以及270B做好電容測量的準備，該控制邏輯可與該微處理器214為一體成形，在這樣的例子中，該訊號Rst將會是藉由該微處理器214而提供，選擇數值Sel1以及Sel2被設定在多工器260A以及260B的位址輸入處，以在執行測量前選擇測量元件，該重設訊號Rst被去斷言(de-asserted)，以藉此允許該電容測量電路270A以及270B測量個別的已選擇觸控板元件280的電容，在一取樣控制訊號Sample之後，電容測量電路270A以及280B的輸出差異地被施 加至一類比數位轉換器(ADC)240的輸入，其中，該ADC 240提供對應於在多工器270A以及270B的輸出處所測量之電容間的差異的數位數值，且訊號進行斷言以取樣電容測量電路270A以及270B的輸出，因此，出現在多工器260A以及260B的輸出處的任何共模雜訊以及偏移都將在ADC 240的輸出中被實質地刪除。
第4圖為用以解釋本發明原理則之模擬第3圖之該觸控板電路220的示意圖400，該示意圖400顯示形成該觸控板212的每一相交的列與行線(例如，R1以及C1)皆包含了一個互電容CU，每一個列線皆包含一感測器電容(CX)以及一感測器偏移電容(CXOFF)，兩者皆耦接至地，為了模擬的目的，可理解地是，CXOFF可與其相對應的CX相結合。
現在，請參閱第5A圖，其顯示第3圖的電容測量電路270A以及270B(全體稱之為270)的詳細內容，一電容測量電路，正如在本發明一實施例中所提供的，包括由開關S1A~S1D、開關S2A~S2C、以及開關S3所形成的一切換網路，一反饋、或積分電容器CINT具選擇性地藉由開關S1C以及S2B而被耦接至一運算放大器420，正如在第5A圖中所顯示的，當該重設訊號Rst被斷言時，開關S3將互電容CU的輸入耦接至接地，而開關S1B將放大器420的反相輸入耦接至一參考電壓VREF，同樣地，在該重設訊號Rst的斷言期間，開關S2B為打開，而開關S1C為關閉，造成該積分電容器CINT被充電至該參考電壓VREF，同樣地，在該重設訊號Rst的斷言期間，開關S1A為關閉，使得該多工器260的輸出耦接至接地，其將所選擇元件的電容CX以及沿著該所選擇元件路徑的任何雜散偏移電容(stray offset capacitance)CXOFF進行放電，當該重設訊號Rst藉由使一偏移消除電容器COFF的第二 終端接地的開關S1D的啟動而被斷言時，該偏移消除電容器COFF被耦接至該運算放大器420的該反相輸入，以及被充電至該參考電壓VREF，因此，在一建立時間(settling time)後，在該電容測量電路270中的電容的狀況是，該積分電容器CINT以及該偏移消除電容器COFF被充電至該參考電壓VREF，而該元件電容CX以及任何雜散偏移電容CXOFF於實質上被放電。
如在第5B圖中所顯示的，當一測量控制訊號Meas在該重設訊號Rst被去斷言後受到斷言(通常是藉由確定該邏輯控制225所產生的非部分重疊(non-overlapping)控制訊號來執行)時，開關S1C以及S1B因該重設訊號Rst的去斷言而打開，而開關S3將該互電容CU耦接至該參考電壓VREF，開關S2B藉由該測量控制訊號Meas的斷言而被關閉，造成該積分電容器CINT被耦接於該運算放大器420的輸出以及該反相輸入之間，由於該積分電容器CINT相對於該輸入終端而被充電至一電壓VREF，且由於該運算放大器420的該反相輸入亦參考該參考電壓VREF，因此，該運算放大器420的初始輸出將於實質上為零，在該測量控制訊號Meas的斷言期間，開關S2A為關閉，而開關S1A在該重設訊號Rst的去斷言時已事先打開，同樣地，在該重設訊號Rst造成開關S1D打開時，該偏移消除電容器COFF自接地去耦，以及在該測量控制訊號Meas造成開關S2C關閉時，被耦接至在先前接地的終端之該參考電壓VREF，關閉開關S2A以及S2C的結果是，相等於COFF * VREF的一正電荷量(其中，COFF是偏移消除電容器COFF的電容)自該偏移消除電容器COFF被傳送至該積分電容器CINT，以及相等於-CX*VREF的一負電荷量自該多工器260的輸出終端被傳送至該積分電容器CINT，其中，CX是元件電容CX以及任何雜散 偏移電容CXOFF的電容總和(基於特殊的上下文關係，本領域具通常知識者將可理解一標示，例如，COFF，所指為一元件、一元件的一數值、在一元件上的一電荷等的情形)。
該運算放大器420的輸出電壓V0相等於跨越該積分電容器CINT的輸出參考電壓加上VREF，其可由V0=QF/CINT+VREF計算而得，其中，QF為在該積分電容器CINT上的電荷，當該測量控制訊號Meas被斷言時，被傳送至該積分電容器CINT的總電荷為CX * VREF-COFF * VREF=△QF，由於在該積分電容器CINT上的初始電荷為-CINT * VREF，因此，電荷QF的最終數值可由等式(1)獲得：-CINT * VREF+CX * VREF=COFF * VREF 等式(1)
而該輸出電壓0可由等式(2)獲得：V0=(-CINT * VREF+CX * VREF-COFF * VREF)/CINT+VREF=(CX/CINT-COFF/CINT)* VREF 等式(2)
藉由在該運算放大器420的該反相輸入終端處應用電荷守恆(charge conservation)，可獲得相同的結果，因此，該輸出電荷V0正比於元件的電容加上任何的雜散偏移電容，該偏移消除電容器COFF提供該測量之偏向(biasing)，其中該測量之偏向遠離一總為負之結果，以及該積分電容器CINT的相關電容設定該測量的動態範圍，在本發明的一實施例中，該積分電容器CINT可具有相對於電容CX以及CXOFF而言高上許多的電容，而開關S1A以及S2A是藉由具有比該測量控制訊號Meas以及該重設訊號Rst更高之頻率的分開時脈訊號(separate clock signals)而進行操作，接著，該運算放大器420以及該積分電容器CINT將作為一積分器，以對傳送自位在該多工器260輸出處之電容的電荷進行積分，進 而提供額外的雜訊濾波。
該運算放大器420的反饋因子是由CX以及COFF對CINT的比例所決定，CX為設計者無法控制的一外部電容器，其可由一非常小的數值變化至一大的數值，COFF被用來消除寄生電容CXOFF的效應，在一實施例中，如第6圖中所示，COFF是由單元尺寸(unit-sized)之電容器所組成的一電容式數位類比控制元件，不來來去去地切換單元電容器，而是於測量相位期間被驅動至VREF、或接地的COFF的底板處的指叉數量，可取決於CX的數值而被改變，若COFF的一些指叉的底板在該測量相位中被驅動至接地，則當跨越這些指叉的電壓於二個循環中維持定值時，就不會有淨電荷傳送自這些指叉，該反饋因子將是藉由該COFF電容器以及該外部電容器CX的所有指叉而進行設定，此將顯著地降低該運算放大器的該反饋因子的變化。
在第6圖中所顯示之COFF的實施例允許在第3圖中的該電容測量電路270進行校正，在第6圖的實施例中，COFF可形成為可程式化，具有屏極接地(common plate)的電容器的額外指叉可回應一組數位訊號trim而藉由複數個開關SC1至SCN而進行選擇，以有效地提供可用以在校正後在靜態每個元件(static per-element)基礎上而調整COFF的一組可選擇電容元件C1-CN。在一實施例中，COFF用於偏移消除而被歸零。
請參閱第5A圖，在一實施例中，該積分電容器CINT以及該運算放大器420被形成在一單獨的積體電路上，作為一個實例，在虛線右邊的所有元件皆位在一個單獨的積體電路上，將可理解地是，因為該積分電容器CINT是晶載(on-chip)形式，因此，其比習知技術中類似功能的電容器更小，因而可降低對其進 行充電以及放電所需的時間，如此的結構減少了觸控螢幕程序的時延。
現在，請參閱第7圖，其舉例說明描繪操作第5A圖之電容測量電路400的訊號波形圖，電壓VCF是跨越反饋電容器CINT的電壓，以及電壓VCX是位在該多工器260的輸出處的電壓，在該重設訊號Rst的第一斷言期間，於時間Ta，電壓VCF被設定為VREF，以及電壓VCX被設定為零，所描繪之第一測量的條件是，CX=0.50 CINT，以及COFF=0，於時間Tb，該重設訊號Rst進行去斷言，以及測量控制訊號Meas進行斷言，電壓VCF掉至0.5VREF，以及電壓Vo上升至0.5*VREF，此與上述等式(2)一致，同樣在時間Tb，取樣控制訊號Sample進行斷言，以及對電容測量電路270A以及270B之輸出間的差異數值進行取樣，並接著在時間Tc，於取樣控制訊號Sample的下降緣(falling edge)上進行擷取，由於電容測量電路270A以及270B除了出現在其輸出處的電容以外，兩者的操作完全相同，因此，在第7圖中僅顯示一組波形，於下一個開始於時間Td的測量間隔，CX=2 CINT，以及COFF=CINT，電壓VCF掉至0，以及電壓Vo上升至VREF，此與上述等式(2)一致。
將可理解地是，電荷傳送循環的數量可增加，以增加範圍、或執行積分。
在電容感測器元件的陣列中，列與行間以及相鄰列間與相鄰行間的互電容可降低電容測量的有效動態範圍，因為該互電容將總是會存在，或者可能需要藉由如在第5A圖的電容測量電路400中增加偏移消除電容器CXOFF的技術而進行的消除，為了避免源自於對第3圖中未選擇元件280(亦即，未被選擇訊號Sel1 以及Sel2選擇的該些元件)進行充電所產生的雜散靜電雜訊，未選擇元件可藉由該多工器260A以及260B中的電路而接地，典型地，未使用的感測器被接地，若未使用的感測器被接地，則此將以互電容的形式而自該感測器接地增加電容，此將需要較大的偏移消除電容器，在第一相位中，所有的感測器皆接地，在第二相位中，當所測量的感測器被耦接至該運算放大器的負終端時，其將到達VREF，若所有未使用的感測器皆於該第二相位期間被驅動至VREF，則它們對積分器輸出將沒有電荷貢獻，此將降低在不改變該反饋因子的情形下所需要消除的偏移電容。
根據一另一實施例，電容於一感測器電路的輸入處進行測量，並且產生一成比例的電壓輸出，根據此實施例，在類比域(analog domain)中與該輸入電壓成比例的電壓進行了多個循環的積分，此將可降低微控制器所需的後程序(post-processing)。
第8A圖至第8C圖為根據本發明一實施例的一感測器電路500的示意圖，其利用一耦接電容器Cc而對在該類比域中與一輸入電容成比例的電壓進行積分，該規劃類似於在第5A圖中所顯示的該電荷傳送電路，在第5A圖以及第8A圖中之電路的不同點在於，電路500具有將該耦接電容器Cc耦接至一節點VX的一開關S2D，跨越Cc的一開關S1E，以及將電容器COFF的一頂板(top plate)耦接至參考電壓VREF的一開關S1F，正如在所有的圖式中一樣，進行類似之標示的元件代表相同、或類似的元件。
該耦接電容器Cc以及該反饋電容器CINT一起形成一積分器電路，其作用為一平均器(averager)，在每個積分循環期間，電荷自Cc傳送至CINT上，CINT隨著積分循環的數量而累積此 電荷，該運算放大器420於所有的積分循環維持跨越CINT的電荷，以及因此已積分的輸出，可執行之積分循環的數量取決於在輸出處的最大感測器電容CX以及Cc/CINT的比值，積分循環數量的增加可增加該感測器電路500變得飽和以及因此遺失資料的機會，小數值的Cc提供低的積分增益，但提供較佳的建立反應(settling response)，另一方面，大數值的Cc提供較佳的增益，但對建立時間的需求亦隨之增加。
N(積分循環數量)的選擇是系統設計層級的考量，並且，也是數位後程序時間(digital post-processing time)、額外晶粒區域(additional die area)、以及類比建立時間容忍度(analog settling time tolerance)之間的權衡取捨，若具有較少建立正確性的電路可容忍增加的晶粒區域(起因於數位後程序)，則此架構將適合於如此的一電路。
在操作時，該反饋電容器CINT於每個頻道轉換開始時被充電至受到VREF，對接下來N個積分循環而言，該積分電容器CINT將仍然連接為跨越該運算放大器420，於負終端以及輸出之間。
電荷傳送的發生跨越三個相位，如下所述。
第8A圖顯示在積分器重設相位(相位1)(頻道轉換的初始相位)中的電路500，如在第8A圖中所示，開關S1A-S1F皆為關閉，以及開關S2A-S2D皆為打開，一旦待轉換的頻道已受到頻道多工器260進行選擇，該輸入電容CX(CXOFF，Cparasitic，以及CTOUCH的結合)被放電至GND，該偏移電容COFF被充電至VREF，該積分電容CINT被充電至VREF的充電，以及該耦接電容器Cc藉由使其終端短路以及利用VREF對其驅動而進行放 電，該運算放大器420是位於一重設相位中，因為其二終端皆被驅動至VREF，以及其輸出因此被驅動至GND。
接下來，正如在第8B圖中所顯示，該感測器電路500被放置於該積分器測量相位(相位2)(該頻道轉換的該積分相位)中，正如在第8B圖中所示，開關S1A-S1F皆為打開，以及開關S2A-S2D皆為關閉，COFF受到VX-VREF的充電，CINT被充電至VREF-V0，Cc被充電至(VX-VREF)，以及該運算放大器420的反相終端藉由該運算放大器420的輸出而被驅動至VREF，現在，該運算放大器420處於一主動相位。
於節點VX，根據電荷守恆定律，接下來的等式可計算而得出於VX處的電壓：CX * VX+COFF *(VX-2 * VREF)+Cc *(VX-VREF)=0 等式(3)
(CX+COFF+Cc)* VX=(2 * COFF+Cc)* VREF等式(4)
VX=((2 * COFF+Cc)/(CX+COFF+Cc))* VREF 等式(5)
類似地，根據克希荷夫電流定律(Kirchoff’s Current Law)，於電路500的加總接合節點(summing junction node)處，可獲得輸出VOUT的等式：Cc *(VREF-VX)+CF *(-Vo)=0 等式(6)
Vo=(Cc/CINT)*(VREF-VX) 等式(7)
對第N個積分循環而言，輸出為： Vo=ΣN((Cc/CINT)*(VREF-VX)) 等式(8)
由等式(8)可知，從一個電荷傳送循環至下一個的輸出改變為(Cc/CINT)的比值，只要CX為定值，則該節點電壓VX於所有電荷傳送循環數量期間亦維持定值。
接下來，如於第8C圖中所示，該感測器電路500被放置在耦接電容RESET相位(相位3)(其為該耦接電容Cc的放電相位)中，如第8C圖中所示，開關S1A，S1D，S1E，S1F，以及S2B皆為關閉，以及開關S1B，S1C，S2A，S2C，以及S2D皆為打開，在該耦接電容重設相位中，該反饋電容器CINT維持連接至該運算放大器420的輸出，該偏移消除電容器COFF被充電至VREF，底板皆拴繫(tied)至GND，該運算放大器420處於中間循環重設相位(mid cycle reset phase)，因為跨越CINT的電荷並未改變，因此，該輸出在此相位期間維持定值。
第9圖為該電荷傳送電路500在N=4時的時序圖，請參閱第9圖以及第8A至8C圖，Ta表示相位1的起始，在此期間，Ph1到達HIGH，該電路500進入該積分器的該重設相位，該運算放大器420的輸出被保持在0V，跨越CX的電壓為零，以及CXOFF被充電至VREF。
Tb表示相位2的起始，在此期間，Ph2到達HIGH，Ph1到達LOW，並且，在Ph1到達LOW以及Ph2到達HIGH之間有一段非零非部分重疊時間(non-zero non-overlap time)，Ph2在N個積分循環期間皆維持HIGH，該運算放大器420反饋開關被關閉，以及該電路500透過串聯的開關以及Cc(該耦接電容器)而被連接至該感測器電路CX，該運算放大器420的輸出到達由四個電容器CX，COFF，Cc，以及CINT所決定的一數值，跨越CX的 電壓為VX，其可藉由上述等式獲得，跨越於一開始被充電至VREF之反饋電容器CINT的電壓開始下降，該積分器輸出繼續累積，以及於VOUT處的電壓繼續上升，在該輸出電壓中的階段改變可由上述等式獲得，來自積分器的取樣於N個積分器循環後進行。
仍請參閱第9圖，Tc表示相位3的起始，以及相位2的結束，在一非部分重疊時間後，該耦接電容器Cc的下一個放電相位起始，此為相位3，如上所述，在相位3期間，當該積分器的輸出被保持為來自相位2之定值的同時，該耦接電容器Cc，CXOFF，以及CX皆被重設至其初始狀態，於節點VX處的電壓強迫為VREF。
該耦接電容器Cc之此重複相位3以及相位2的循環將執行一些次數，以及該積分器的最後輸出於一類比數位轉換器上進行取樣，此即形成代表出現在該所選擇頻道處之該感測器電容的單獨平均電壓。
對第9圖的實例而言，CX=34pF，COFF=14.4pF，Cc=12.8pF，CINT=19.2pF，以及VREF=1V。
VX=((2 * COFF+Cc)/(CX+COFF+Cc))* VREF
VX=0.680V
V0=(Cc/CINT)*(VREF-VX)
在輸出電壓中隨著積分的階段改變為0.213V。
至於時間Td以及Te，相位Ta以及Tb分別於接下來的頻道重複，為了清楚起見，CX的數值(感測器電容)在二個頻道中顯示為不同。
第10圖顯示根據本發明原理，用以解釋鬼影如何被移除的一觸控板700，該觸控板700包含四個部分重疊列線(R1- R4)，以及行線(C1-C4)，本領域具通常知識者將可理解地是，本發明的原理可與具有任何數量之列與行線的觸控板一起運作，以及通常是每一個皆大於4，該觸控板700為了簡化圖式，僅顯示四列以及行。
同時間的“真實”觸控發生在列R1以及行C1的交叉點(“R1C1”)，以及在列4以及行4的交叉點(4R4C4)，如實心圓所指示者，系統在依序掃瞄所有行與列線後感測到觸控，如曲線705以及710所顯示，也就是，在行C1以及C4以及列R1以及R4上，曲線705以及710表示觸控已發生在這些列與行線的任何交叉點處，也就是，在R1C1，R1C4，R4C1，以及R4C4，而未發生觸控的組合(R1C4以及R4C1)即稱之為“鬼影觸控(ghost touches)”，如斜線圓所指示者，將可理解地是，同時間真實觸控的數量越大，必須考慮進行處理以及移除之鬼影觸控的數量也就越大。
根據本發明的原理，系統依序掃瞄個別的列以及行線(自身電容(self capacitance))，以決定一組“候選”觸控位置(例如，一組包含R1C1，R1C4，R4C1，以及R4C4者)，接著，利用互電容對這些組合，且僅這些組合，進行感測，僅該等真實的觸控位置可指出一置於其上物體的出現，在此方法中，本發明的實施例僅需要以線性的順序進行尋找(例如，列的數量+行的數量，因為必須考慮之互電容觸控的數量是相同的順序)，以自鬼影觸控中消除真實觸控。
在互電容模式中，步驟是由上述改變而得，以允許互電容的消除。
再次，請參閱第5A圖以及第5B圖，在重設相位中， CX進行放電，CINT被充電至-VREF，以及COFF被充電至VREF，所有未選擇線的CU進行放電，以及已選擇線(例如，CU-K1C1)的CU被充電至-VREF，在該測量相位中，CINT被耦接為跨越該運算放大器420，以及CX被連接至該運算放大器420的負終端，所有CU的兩個末端皆被連接至VREF，因此，其電荷未改變，已選擇線的CU(經由開關S3)被充電至VREF，已選擇線的運算放大器420輸出可藉由等式(9)獲得：V0=Constant * VREF * CU-R1C1/CINT+VREF *(CX-COFF)/CINT 等式(9)
在此實例中，常數Constant等於2，因為快速改變極性(flipping polarity)放大了互電容的效應。
比較等式(2)以及(9)，明顯地是，V0包含等式(2)的自電容測量，正如接下來所要解釋的，此二個等式之間的差異(表示線間的一互電容)可用來從真實觸控中消除鬼影觸控。
在一實施例中，所選擇的感測器(亦即，行測量的一列以及列測量的一行)在該放電相位期間被驅動至VREF，以及在該積分相位期間接地，替代地，所選擇的感測器可於所有時間皆維持接地，在此情形下，Constant的數值為1。
該輸出可藉由一ADC而被轉換為一數位碼，當該互電容測量(等式(9))減去來自正常測量(例如，上述等式(2)所提供者)的數位輸出時，可推得一列以及行間的互電容，此結果可用來解決當多個同時間觸控出現時，在位置上的不確定性。
第11圖為根據本發明一實施例，一種利用自電容以及互電容兩者而決定相鄰於一觸控感測器之一物體的位置的程序的方法流程圖，在起始步驟801之後，在步驟805，程序選擇下一 條線(例如，R1)進行讀取，在步驟805，重設相位，程序重設所有線(例如，連接至R1-R4以及C1-C4的每一個的電容感測元件)的互電容，以及在步驟815，程序對目前所選擇之線上的感測器進行充電，以及讀取其上的電壓，高於一預定臨界數值的電壓表示在該所選擇線上出現有一物體，在步驟820，程序決定是否需要讀取額外的線，若是，程序回到步驟805，反之，程序繼續至步驟825，步驟805，810，以及815是一自電容測量階段的一部份，其中，所有的線皆是個別進行讀取。
在步驟825，程序決定是否在多個位置處有已感測的觸控，若程序決定物體同時地出現在多個位置，程序必須考慮以及排除任何的鬼影觸控，若僅有一個觸控，則不需考慮鬼影觸控，因此，在步驟830，若程序決定其必須辨識以及排除鬼影位置，則程序繼續至步驟835，反之，程序跳至步驟840，並於此結束，在步驟835，程序排除任何的鬼影位置，以及接著繼續至步驟840。
第12圖顯示根據本發明一實施例，步驟835的更詳細構成部件，構成部件835開始於步驟850，在此，參數被初始，例如，藉由設定“下一個”候選位置至該第一候選位置，接著，在步驟851，程序選擇性地於該下一個候選位置處致能該互電容(例如，上述等式(9))，以及在步驟852，決定當該互電容失能時，此讀取以及相對應讀取間的差異，在步驟853，程序決定是否有任何的差異，若有，繼續進行至步驟854，在此，該位置被歸類為一“真實”觸控位置，從步驟854，程序繼續至步驟855，若程序在步驟853中決定二個讀取間沒有差異，則程序將該位置辨識為一“鬼影”位置，將其排除在真實觸控位置之外，並繼續進行至步驟855，在步驟855，程序決定是否有任何更多的候選位置要進行檢查，若 有，程序回到步驟851，反之，程序繼續進行至步驟856，並於此結束。
在實際觸控位置已被決定後，其可被傳送至任何的下游應用程式，以使用作為其輸入。
根據本發明，一觸控螢幕控制器使用一單獨的積體電路來執行自電容以及互電容測量兩者，以在線性次數的測量(linear number of measurements)中解決多個同時間觸控，該控制器在自電容階段消除互電容，以及選擇性地在互電容階段致能互電容，在二個階段中，該控制器將該觸控螢幕中的感測器電容轉換為一成正比的電壓，根據本發明的觸控螢幕使互電容的效應無效(null)，並因此具有增加的動態範圍。
對本領域具通常知識者而言，將可輕易理解地是，可在不脫離所附申請專利範圍所定義知本發明精神以及範疇的情形下對實施例進行其他的修飾。
200‧‧‧行動電話
211‧‧‧揚聲器元件
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216‧‧‧顯示器控制器
217‧‧‧音頻編解碼器
218‧‧‧無線電電路
220‧‧‧觸控板電路

Claims (12)

  1. 一種觸控螢幕控制器系統，用於感測相鄰於一觸控板的一表面的一、或多個物體，包括：複數個感測線，配置為相鄰於該觸控板的該表面，其中相鄰的感測線具有一互電容；複數個電容感測元件，每一個皆耦接至該等感測線的其中之一；一電壓測量電路，其將在一已選擇電容感測元件上的一電荷轉換成為指示是否有一物體相鄰於該觸控板的該表面的一相對應電壓；以及控制邏輯，配置至用於讀取的複數個已選擇感測線，以及在一自電容測量階段期間將複數個已選擇以及複數個未選擇感測線間的複數個互電容驅動至相同的電位，以及在一互電容測量階段期間將複數個已選擇以及複數個未選擇感測線間的複數個互電容驅動至不同的電位，其中該電壓測量電路包括一運算放大器，其具有包括一積分電容器的一回饋迴路，該運算放大器以及該積分電容器在一單獨的積體電路上形成，且其中該電壓測量電路包括與該積分電容器並聯的一偏移消除電容器，該偏移消除電容器被配置為該運算放大器提供一最小反饋因子，以減緩因一外部寄生電容器中的變化所造成之一反饋因子的變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該等感測線被配置為形成一格狀圖案的複數個列與行線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該自電容測量階段包括個別地讀取在該等電容感測元件中的每一 個電容感測元件上的一電容，以決定是否有一物體與其相鄰。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該互電容測量階段包括讀取複數個電容感測元件的複數個組合上的一電容，以決定是否有一物體與其相鄰。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該電壓測量電路產生與該積分電容器以及該物體的一電容成比例的一電壓差值。
  6. 一種觸控螢幕控制器系統，用於感測相鄰於一觸控板的一表面的一、或多個物體，包括：複數個感測線，配置為相鄰於該觸控板的該表面，其中相鄰的感測線具有一互電容；複數個電容感測元件，每一個皆耦接至該等感測線的其中之一；一電壓測量電路，其將在一已選擇電容感測元件上的一電荷轉換成為指示是否有一物體相鄰於該觸控板的該表面的一相對應電壓；以及控制邏輯，配置至用於讀取的複數個已選擇感測線，以及在一自電容測量階段期間將複數個已選擇以及複數個未選擇感測線間的複數個互電容驅動至相同的電位，以及在一互電容測量階段期間將複數個已選擇以及複數個未選擇感測線間的複數個互電容驅動至不同的電位，其中該電壓測量電路產生與一積分電容器以及該物體的一電容成比例的一電壓差值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該等感測線被配置為形成一格狀圖案的複數個列與行線。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該自電容測量階段包括個別地讀取在該等電容感測元件中的每一個電容感測元件上的一電容，以決定是否有一物體與其相鄰。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該互電容測量階段包括讀取複數個電容感測元件的複數個組合上的一電容，以決定是否有一物體與其相鄰。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該電壓測量電路包括一運算放大器，其具有包括一積分電容器的一回饋迴路，其中該運算放大器以及該積分電容器在一單獨的積體電路上形成。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該電壓測量電路包括與該積分電容器並聯的一偏移消除電容器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的觸控螢幕控制器系統，其中該偏移消除電容器被配置為該運算放大器提供一最小反饋因子，以減緩因一外部寄生電容器中的變化所造成之一反饋因子的變化。
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