TWI550478B - Capacitance voltage conversion circuit, the use of its input device, electronic equipment, and capacitor voltage conversion method - Google Patents

Capacitance voltage conversion circuit, the use of its input device, electronic equipment, and capacitor voltage conversion method Download PDF

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Description

電容電壓轉換電路、使用其之輸入裝置、電子機器、及電容電壓轉換方法
本發明係關於一種用於靜電電容測定之電容電壓轉換電路。
近年而電腦或行動電話終端、PDA(Personal Digital Assistant，個人數位助理)等電子機器中，具備藉由手指接觸或接近而操作電子機器之輸入裝置成為主流。作為此種輸入裝置，眾所周知有操縱桿、觸控板等。
作為此種感測器，已知有一種利用靜電電容之靜電電容感測器。靜電電容感測器包含感測器電極。若使用者接近或接觸感測器電極，則感測器電極形成之靜電電容(以下亦僅稱為電容)發生變化。藉由使用電容電壓轉換電路將上述電容變化轉換成電信號，判定使用者有無接觸。
觸控板係由複數之感測器電極構成。X-Y矩陣式觸控板包括對應矩陣各列而設之列感測器電極、以及對應各行而設之行感測器電極。藉由檢測複數之感測器電極各自之電容變化，可將使用者接觸之座標特定。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2001-325858號公報
先前之電容檢測電路通常係對複數之感測器電極之電容 進行分時檢測。例如，於上述X-Y矩陣式觸控板中，係依序檢測複數之行感測器電極各自之電容，且依序檢測複數之列感測器電極各自之電容。上述手法中，由於各感測器電極之電容檢測時序不同，因此存在各感測器電極所受雜訊影響不同此種問題。
本發明係鑒於此種問題研究而成者，其某一形態之例示目的之一在於提供一種可同時檢測複數之感測器電極之電容之電容電壓轉換電路。
本發明之一形態係關於一種將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓之電容電壓轉換電路。電容電壓轉換電路包括：複數之電容電流轉換電路，其分別對應各感測器電容而設，產生與對應之感測器電容之電容值相應之檢測電流；電流平均化電路，其使由複數之電容電流轉換電路產生之檢測電流平均化，而產生平均電流；以及複數之電流電壓轉換電路，其分別對應各感測器電容而設，將對應之檢測電流與平均電流之差分電流轉換成電壓。
上述形態中，各檢測電流係與對應之感測器電容之電容值相應，平均電流係與複數之感測器電容之電容值之平均值相應。因此，由各通道之電流電壓轉換電路產生之電壓係表示各通道之感測器電容與所有通道之平均電容之間的差。根據上述構成，可同時檢測複數之感測器電容之電容值。
本發明另一形態亦係一種電容電壓轉換電路。該電容電 壓轉換電路包括：複數之重置開關，其分別對應各感測器電容而設，使對應之感測器電容之電荷初始化；複數之積分用電容器，其分別對應各感測器電容而設，且各自一端之電位固定；初始化電路，其使複數之積分用電容器各自之電壓初始化；複數之電流反射鏡電路，其分別對應各感測器電容而設，且各自輸入側之第1電晶體與對應之感測器電容連接，將各自輸出側之第2電晶體中流動之電流以第1朝向供給至對應之積分用電容器；以及電流平均化電路，其產生複數之感測器電容各自中流動之檢測電流之平均電流，以第2朝向將該平均電流分別供給至複數之積分用電容器。
根據上述形態，於各通道中以本通道之檢測電流對積分用電容器進行充電(或放電)，且利用平均電流進行放電(或充電)，由此可同時檢測複數之感測器電容之電容值。
本發明之另一形態亦係一種電容電壓轉換電路。該電容電壓轉換電路包括：複數之積分用電容器，其分別對應各感測器電容而設，且各自一端之電位固定；複數之重置開關，其分別對應各感測器電容而設，且分別與對應之感測器電容並列連接；複數之感測開關，其分別對應各感測器電容而設，且各自一端與對應之感測器電容連接；複數之作為MOSFET之第1電晶體，其分別對應各感測器電容而設，且分別設於對應之感測開關之路徑上；複數之作為MOSFET之第2電晶體，其分別對應各感測器電容而設，各自之閘極與對應之第1電晶體之閘極連接，且各自之汲 極與對應之積分用電容器連接；複數之作為MOSFET之第5電晶體，其分別對應各感測器電容而設，各自之閘極與對應之第1電晶體之閘極連接；複數之第3電晶體，其分別對應各感測器電容而設，分別設於對應之第5電晶體之路徑上；以及複數之第4電晶體，其分別對應各感測器電容而設，分別以與對應之第3電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接，且各自之汲極與對應之積分用電容器連接。
根據上述形態，可同時檢測複數之感測器電容之電容值。
本發明之又一形態係一種輸入裝置。該輸入裝置包括：複數之感測器電容；以及上述任一形態之電容電壓轉換電路，其將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓。複數之感測器電容亦可實質上配置成矩陣狀。
再者，將以上構成要素任意組合、或者於方法、裝置等之間轉換本發明之表現而成之形態亦可有效作為本發明之形態。
根據本發明之電容電壓轉換電路，可同時檢測複數之感測器電容之電容值。
以下，基於較佳實施形態，一面參照圖式一面說明本發明。對於各圖式所示之相同或同等之構成要素、構件、處理附加相同符號，且適當省略重複之說明。又，實施形態係用於例示者而非用於限定發明，實施形態描述之全體特 徵及其組合並非必須為發明之本質內容。
本說明書中，所謂「構件A與構件B連接之狀態」，包括構件A與構件B物理性直接連接之情形，亦包括構件A與構件B以實質上不影響兩個構件之電氣連接狀態、或者無損兩個構件結合後實現之功能、效果之程度，藉由其他構件而間接連接之情形。
同樣地，所謂「構件C設於構件A與構件B之間之狀態」’除了包含構件A與構件C、或構件B與構件C直接連接之情形以外，亦包括以實質上不影響該等構件之電氣連接狀態、或者無損該等構件結合後實現之功能、效果之程度，藉由其他構件而間接連接之情形。
圖1係表示實施形態之具備輸入裝置2之電子機器1之構成之圖。電子機器1除了具備輸入裝置2以外，亦具備DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)6以及LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)7。輸入裝置2包括觸控板3以及控制IC4。觸控板3包含規則排列之複數之感測器電容Cs1~n。複數之感測器電容Cs1~n實質上係配置成矩陣狀。控制IC4與複數之感測器電容Cs1~n分別連接，檢測出複數之感測器電容Cs1~n各自之電容值後，將表示各電容值之資料輸出至DSP6。
電子機器1之使用者用手指5或筆等物體接觸觸控板3時，接觸座標之感測器電容Cs之電容值發生變化。DSP6基於複數之感測器電容Cs之電容值，檢測使用者接觸到之座標。例如，觸控板3可設於LCD7之表面，亦可設於其他 部位。
以上係電子機器1之全體構成。繼而，詳細說明輸入裝置2。
圖2係表示實施形態之控制IC4之構成之方塊圖。控制IC4包括C/V轉換電路100、多工器40以及A/D轉換器50，且集成於一個半導體基板上。DSP6之部分功能性組件亦可內置於控制IC4內。
C/V轉換電路100將複數之感測器電容Cs1~n各自之電容值，轉換成分別相應之檢測電壓。如下所述，同時產生各感測器電容Cs之檢測電壓並予以保持。緩衝器BUF1~BUFn接收檢測電壓Vs1~n，並將此檢測電壓Vs1~n輸出至多工器40。多工器40以分時方式依序選擇複數之檢測電壓Vs1~n。A/D轉換器50將多工器40選擇出之檢測電壓Vs依序轉換成數位值DOUT。
C/V轉換電路100將複數之感測器電容Cs1~n各自之電容值轉換成檢測電壓Vs1~n。C/V轉換電路100包括複數之C/I轉換電路101~n、電流平均化電路20以及複數之I/V轉換電路301~n。
C/I轉換電路101~n分別對應各感測器電容Cs1~n而設。C/I轉換電路10i(1≦i≦n)產生與對應之感測器電容CSi之電容值相應之檢測電流Isi，並將檢測電流Isi輸出至對應之I/V轉換電路30i以及電流平均化電路20。
電流平均化電路20使複數之C/I轉換電路101~n產生之檢測電流Is1~n平均化。經平均化後之檢測電流(以下亦稱為平 均電流)IAVE分別供給至複數之I/V轉換電路301~n。
IAVE=Σi=1：nIsi/n...(1)複數之I/V轉換電路301~n分別對應各感測器電容Cs1~n而設。I/V轉換電路301~n將對應之檢測電流Isi與檢測電流IAVE之間差分電流IDIFFi(=Isi-IAVE)轉換成電壓，並作為檢測電壓Vsi輸出。
圖3係表示控制IC4之具體構成例之電路圖。圖3中僅表示有與感測器電容Cs1、2對應之部分。
C/I轉換電路10i包括重置開關SW1、感測開關SW2、第1電晶體M1以及第2電晶體M2。
重置開關SW1之設置目的在於使對應之感測器電容Cs之電荷初始化。例如，重置開關SW1與感測器電容Cs並列設置。若重置開關SW1接通，則感測器電容Cs之電荷被放電而初始化。即，感測器電容Cs之兩端間之電位差變為零。例如，重置開關SW1包含N通道MOSFET，若輸入閘極之重置信號RST被確證(設為高位準)則接通。
感測開關SW2及第1電晶體M1係依序串列設置於感測器電容Cs與固定電壓端子(此處為電源端子)之間。感測開關SW2為P通道MOSFET，若輸入閘極之感測信號EVALB被確證(設為低位準)則接通。
第1電晶體M1為P通道MOSFET。具體而言，汲極藉由感測開關SW2而與感測器電容Cs連接，源極與電源端子連接。又，第1電晶體M1之閘極汲極之間接線。第1電晶體M1中流動有與對應的感測器電容Csi之電容值相應之充電 電流ICHGi。
第2電晶體M2係與第1電晶體M1同類型之P通道MOSFET，且以與第1電晶體M1形成電流反射鏡電路之方式連接。具體而言，第2電晶體M2之閘極與第1電晶體M1之閘極連接，第2電晶體M2之源極與電源端子連接。第2電晶體M2中流動有與對應的感測器電容Cs之電容值相應之檢測電流Is。當電晶體M1與M2之鏡比(尺寸比)設為K1時，檢測電流Isi係藉由式(2)賦予。
Isi=ICHGi×K1...(2)第1電晶體M1及第2電晶體M2所構成之電流反射鏡電路，將第2電晶體M2中流動之檢測電流Isi以第1朝向(圖3中之充電朝向)供給至對應之積分用電容器CINTi。
電流平均化電路20包括複數之第3電晶體M3、複數之第4電晶體M4以及複數之第5電晶體M5。
複數之第5電晶體M5分別對應各感測器電容Cs而設。第5電晶體M5係與第1電晶體M1同類型之MOSFET，以與對應之第1電晶體M1形成電流反射鏡電路之方式連接，產生與對應之檢測電流Is相應之電流Is'。
複數之第3電晶體M3分別對應各電容感測器Cs而設於與對應之檢測電流Is相應之電流Is'之路徑上。複數之第3電晶體M3之控制端子(閘極)共通連接。具體而言，第3電晶體M3之源極接地，第3電晶體M3之汲極與對應之第5電晶體M5之汲極連接。
複數之第4電晶體M4分別對應各感測器電容Cs而設。第 4電晶體M4以與對應之第3電晶體M3形成電流反射鏡電路之方式連接。所有通道之第3電晶體M3與第4電晶體M4之尺寸相等。各第4電晶體M4中流動之電流係作為經平均化後之檢測電流IAVE而供給至對應之I/V轉換電路30。具體而言，電流平均化電路20將平均電流IAVE分別以第2朝向(圖3中之放電朝向)供給至各積分用電容器CINT。
I/V轉換電路30各自包括積分用電容器CINT以及初始化開關SW3。積分用電容器CINT之一端接地，且其電位固定。積分用電容器CINTi中，以第1朝向(充電)供給對應之檢測電流Isi，以第2朝向(放電)供給平均電流IAVE。如此，積分用電容器CINTi藉由差分電流IDIFFi(=Isi-IAVE)予以充放電。
初始化開關SW3i係作為於檢測前使積分用電容器CINT之電壓初始化之初始化電路而發揮功能。初始化開關SW3i之一端與積分用電容器CINT連接，於另一端藉由緩衝器(電壓隨耦器)52而被施加基準電壓VCM。初始化開關SW3i可為轉移閘極，亦可為其他開關。若初始化信號VCM_SW經確證，則初始化開關SW3i變成接通狀態。基準電壓VCM例如可為電源電壓Vdd與接地電壓Vss之中點附近之電壓。
圖2之多工器40於圖3中表示為各通道之開關SW41~n。又，圖2之A/D轉換器50於圖3中被分割成兩個A/D轉換器ADC1、ADC2。A/D轉換器ADC1上被分配有奇數通道之檢測電壓Vs1,3,...，而A/D轉換器ADC2上則被分配有偶數通道之檢測電壓Vs2,4,...。奇數通道之開關SW41,3,...之輸出共通連接，且與A/D轉換器ADC1之輸入連接。偶數通道之開關 SW42,4,...之輸出共通連接，且與A/D轉換器ADC2之輸入連接。又，亦可藉由單一A/D轉換器將所有通道之檢測電壓Vs轉換成數位值。
以上係控制IC4之具體構成。繼而說明其動作。圖4係表示實施形態之控制IC4之動作之波形圖。
首先，緩衝器52變成接通狀態，基準電壓VCM變成特定位準。又，所有通道之初始化信號VCM_SW被確證，初始化開關SW31~n接通(時刻t0)。藉此，各通道之積分用電容器CINT1~n之電壓位準被初始化為基準電壓VCM。若積分用電容器CINT之初始化結束，則基準電壓VCM變成0V，初始化信號VCM_SW被確證，初始化開關SW31~n斷開。
繼而，重置信號RST被確證，重置開關SW11~n接通。藉此，感測器電容Cs1~n之電荷變成零，而被初始化(時刻t1)。之後，重置信號RST被確證，重置開關SW1~n斷開。
然後，感測信號EVALB被確證(設為高位準)，感測開關SW21~n接通。
著眼於第i通道。若感測開關SW2i接通，則相對於感測器電容Csi，藉由第1電晶體M1及感測開關SW2而流動充電電流ICHGi，感測器電容Csi之電位上升。然後，若電位Vxi上升至(Vdd-Vth)為止，則第1電晶體M1斷開，充電停止。Vth係第1電晶體M1之閘極源極間之閾值電壓。藉由上述充電，感測器電容Csi中被供給之電荷量變成Qsi=C‧V=Csi×(Vdd-Vth)...(3)，且依存於感測器電容Csi之電容值。即，C/I轉換電路10i向 感測器電容Cs供給電流ICHGi，直至對應之感測器電容Csi之電位達到特定位準(Vdd-Vth)為止。
C/I轉換電路10將充電電流ICHGi複製，產生與電容值相應之檢測電流Isi，對積分用電容器CINT進行充電。由於Isi=K1-ICHGi，因此供給至積分用電容器CINTi之電荷量QINTi係藉由式(4)賦予。
QINTi=Qsi×K1...(4)另一方面，電流平均化電路20藉由各通道之檢測電流Is1~n之平均電流IAVE，對積分用電容器CINTi進行放電。由電流平均化電路20而自積分用電容器CINTi放電之電荷量QINTAVE係藉由式(5)賦予。
QINTAVE=QsAVE×K1...(5)此處，QsAVE係供給至所有通道之感測器電容Cs1~n之電荷量之平均值ΣQsi/n，藉由式(6)賦予。
QsAVE=ΣQsi/n=ΣCsi/n×(Vdd-Vth)...(6)當感測器電容Csi較所有通道之感測器電容Cs1~n之平均值CsAVE大時，由於Isi>IAVE，故積分用電容器CINTi被充電，檢測電壓Vsi變得較作為初始值之基準電壓VCM高出△Vi。
△Vi=(QINTi-QINTAVE)/CINTi=(Qsi-QsAVE)×K1/CINTi=(Csi-ΣCsi/n)/CINTi×K1×(Vdd-Vth)...(7)相反，當感測器電容Csi較平均值CsAVE小時，即Qsi<QsAVE時，由於Isi<IAVE，故積分用電容器CINTi被放電，檢測電壓 Vsi變得較作為初始值之基準電壓VCM低△Vi。
當感測器電容Csi與平均值CsAVE相等時，即Qsi=QsAVE時，由於Isi=IAVE，故積分用電容器CINTi之電荷量不發生變化，△Vi=0。
最終之檢測電壓Vsi係藉由式(8)賦予。
Vsi=VCM+△Vi=VCM+(Csi-ΣCsi/n)/CINTi×K1×(Vdd-Vth)...(8)如此，將各通道之感測器電容Cs1~n之電容變化轉換成檢測電壓Vs1~n，並保持於積分用電容器CINT1~n。
之後，藉由以適當之次序控制開關SW41~n，利用兩個A/D轉換器ADC1、ADC2而將各通道之檢測電壓Vs1~n轉換成數位值。
以上為控制IC4之動作。
根據上述C/V轉換電路100，可將感測器電容Cs1~n各自之電容值，作為與該等電容值之平均值CsAVE(=ΣCsi/n)之差成比例之電壓而予以檢測。此處，若通道數n足夠大，而各電容值之變化量較小，則可視為CsAVE固定，檢測電壓Vsi對於感測器電容Csi之變化量而言實質上呈線性變化。
於上述C/V轉換電路100中，能夠同時檢測複數之通道之感測器電容Cs之電容變化。因此，即便處於觸控板3所受雜訊時刻變化之狀況下，亦可消除普通模式雜訊，故與先前方式相比可提高耐噪性。
又，根據式(8)可明確，檢測電壓Vsi對於電容變化之靈敏度，可藉由C/I轉換電路10及電流平均化電路20之鏡比K1、以及積分用電容器CINT之電容值而調節。
以上，基於實施形態說明了本發明。本領域技術人員應認識到，上述實施形態為例示，對於各構成要素及各處理製程之組合可施加各種變形例、且此種變形例亦包含於本發明之範圍內。以下，說明此種變形例。
(第1變形例)
圖5係表示第1變形例之控制IC4之構成之電路圖。圖5中僅表示有第1通道之構成。實際電路中，控制IC4中連接有感測器電容Cs之端子Ns上，連接有保護二極體或焊墊(均未圖示)，且存在由此產生之寄生電容Cp。
具體而言，第1電晶體M1中，除了流動對感測器電容Cs之充電電流以外，亦流動有對寄生電容Cp之充電電流。寄生電容Cp中流動之電流藉由式(9)賦予。
Qpi=Cpi×(Vdd-Vth)...(9)上述電荷於內部電容器CINT中被充放電。若所有通道之寄生電容Cp1~n相等，則其等之影響被消除，但當各通道之寄生電容不同時，會對感測器電容Cs之檢測帶來惡劣影響。
因此，圖5之控制IC4a對應各通道而更包括偏移消除電路60，用以消除寄生電容Cp。偏移消除電路60對連接有對應的感測器電容Cs之節點(線)Ns，以特定期間供給特定電流Iref。
具體而言，偏移消除電路60可包括：電流源62，其產生特定之基準電流Iref；電流反射鏡電路64，其將基準電流Iref複製而供給至節點Ns；以及消除用開關SW5，其設於電流反射鏡電路64之輸出電流之路徑上，於特定期間接通。消除用開關SW5於控制信號PWMB[1]被確證(高位準)之期間接通。
繼而，說明圖5之C/V轉換電路100a之動作。圖6係表示圖5之控制IC4a之動作之波形圖。
於感測信號EVALB被確證前，各通道中於某一校準期間Ti內，控制信號PWMB[i]被確證(設為高位準)。校準期間Ti亦可對應各通道而不同。於校準期間Ti內，節點Ns上被供給Q=Iref×Ti之電荷。上述電荷量若等於Cpi×(Vdd-Vth)，便可消除寄生電容Cpi之影響。此時之Ti藉由Ti=Cpi×(Vdd-Vth)/Iref而賦予。亦可將校準期間Ti於所有通道內設為共通長度，對應各通道而調節基準電流Irefi之值。或者，亦可調節校準期間Ti與基準電流Irefi兩方。
如此，藉由設置偏移消除電路60，可消除寄生電容Cp之影響，從而能夠高精度檢測感測器電容Cs之電容變化。
(第2變形例)
搭載有輸入裝置2之電子機器能切換待機狀態(休眠狀態)與通常狀態這兩種狀態。輸入裝置2於待機狀態下設定 為待機模式，於通常狀態設定為正常模式。於正常模式下，監控觸控板3之各感測器電容Cs之電容變化。另一方面，於待機模式下，為了削減電子機器1之耗電，而監控使用者是否接觸觸控板3。並且，於待機模式下，若使用者接觸觸控板3，則恢復成正常模式，可進行正常輸入。於上述變形例中，說明有用以於待機模式下以低耗電檢測使用者有無接觸觸控板3之技術。
如上所述，各檢測電流Is係與對應之感測器電容Cs之電容值相應，平均電流IAVE係與複數之感測器電容Cs之電容值之平均值相應。並且，若使用者接觸觸控板3之任意部位，則感測器電容Cs之電容值發生變動。上述變形例之輸入裝置2a利用此原理，基於平均電流IAVE，判定使用者是否接觸複數之感測器電容Cs中之至少一個。
圖7係表示第2變形例之控制IC4a之構成之方塊圖。控制IC4a除了包括圖2之控制IC4以外，亦包括基準電容CREF、第2C/I轉換電路11、第2I/V轉換電路31、以及緩衝器BUFn+1。
第2C/I轉換電路11以與C/I轉換電路10相同之方式構成，產生與基準電容CREF之電容值相應之基準電流IREF。第2I/V轉換電路31以與I/V轉換電路30相同之方式構成，將電流平均化電路20a產生之平均電流IAVE、與基準電流IREF之差分電流IDIFF(=IREF-IAVE)轉換成電壓Vsn+1。
電流平均化電路20a除了使複數之電容電流轉換電路10產生之檢測電流Is平均化以外，亦使基準電流IREF平均 化，由此產生平均電流IAVE。
上述構成中，由於基準電容CREF固定，因此無論使用者是否接觸觸控板3，基準電流IREF均取得固定值。因此，第2I/V轉換電路31產生之IREF-IAVE取得與平均電流IAVE相應之值。因此，於待機模式下，可基於第2電流電壓轉換電路31之輸出電壓Vsn+1，判定使用者是否接觸觸控板3。
於正常模式下，多工器40循環選擇複數之電壓Vs1~Vsn。並且，A/D轉換器50將複數之電壓Vs1~Vsn依序轉換成數位值。相對於此，於待機模式下，多工器40固定地選擇來自第2I/V轉換電路31之Vsn+1。並且，A/D轉換器50僅將電壓Vsn+1轉換成數位值。藉此，於待機模式下，無須多工器40之切換處理，從而能減少耗電。
又，A/D轉換器50亦只要對1個通道之電壓Vsn+1進行轉換便可，因此與對所有通道進行A/D轉換之情形相比，能夠顯著減少耗電。進而，接收A/D轉換器50之輸出資料之DSP6僅處理1個通道之電壓Vsn+1，檢測使用者是否接觸觸控板3，故亦可顯著減少DSP6之運算量。
進而，為了減少耗電，於待機模式下，可停止I/V轉換電路301~30n、及緩衝器BUF1~BUFn等無用電路區塊。
圖8係表示圖7之控制IC4a之具體構成例之電路圖。
其中包括第2重置開關SW6、第2感測開關SW7以及第2電流反射鏡電路(M6、M7)。
第2重置開關SW6與基準電容CREF並列設置，於第2重置開關SW6接通之狀態下，使基準電容CREF之電荷初始化。 第2感測開關SW7之一端與基準電容CREF連接。第6電晶體M6以及第7電晶體M7構成第2電流反射鏡電路。第6電晶體M6設於第2感測開關SW7之路徑上，藉由第2感測開關SW7而與基準電容CREF連接。第2電流反射鏡電路將輸出側之第7電晶體M7中流動之電流IREF以第1朝向供給至第2積分用電容器CINTn+1。
第2積分用電容器CINTn+1係相對於基準電容CREF而設，且一端電位被固定。作為第2初始化電路之初始化開關SW3n+1設置之目的在於使第2積分用電容器CINTn+1之電壓初始化。
電流平均化電路20a除了使複數之感測器電容Cs1~n各自中流動之檢測電流Is1~n'平均化以外，亦使基準電容CREF中流動之基準電流IREF'平均化，由此產生平均電流IAVE，將平均電流IAVE以第2朝向分別供給至複數之積分用電容器CINT1~n以及第2積分用電容器CINTn+1。
電流平均化電路20a除了具有圖3之電流平均化電路20之構成以外，亦包括第8電晶體M8、第9電晶體M9、第10電晶體M10。第10電晶體M10之閘極與第6電晶體M6之閘極連接。第8電晶體M8設於第10電晶體M10之路徑上。
第9電晶體M9以與第8電晶體M8形成電流反射鏡電路之方式連接，且汲極與第2積分用電容器CINTn+1連接。
於待機模式下，基於第2積分用電容器CINTn+1之電壓Vsn+1，判定使用者是否接觸觸控板3。
基準電容CREF宜內置於控制IC4內，且構成為可變電 容。如下所述，電壓Vsn+1係採取與基準電容CREF之電容值與感測器電容Cs之平均電容之差分相應之值。因此，藉由將基準電容CREF設為可變，能使電壓Vsn+1之範圍亦適合於後段電路。
以上為控制IC4a之構成。繼而，說明控制IC4a之動作。圖9係表示圖8之控制IC4a於待機模式下之動作之波形圖。
於待機模式下，時刻t2之前之動作係與圖4之波形圖相同。
首先，緩衝器52變成接通狀態，基準電壓VCM變成特定位準。又，所有通道之初始化信號VCM_SW被確證，初始化開關SW31~n+1接通(時刻t0)。藉此，各通道之積分用電容器CINT1~n+1之電壓位準被初始化成基準電壓VCM。若積分用電容器CINT之初始化結束，則基準電壓VCM變成0V，初始化信號VCM_SW被確證，初始化開關SW31~n+1斷開。
繼而，重置信號RST被確證，重置開關SW11~n及SW6接通。藉此，感測器電容Cs1~n之電荷變成零，而被初始化(時刻t1)。之後，重置信號RST被確證，重置開關SW11~n及SW6斷開。
然後，感測信號EVALB被確證(設為高位準)，感測開關SW21~n及SW7接通。如此，C/I轉換電路10i及11向對應之感測器電容Csi及基準電容CREF供給電流ICHGi，直至感測器電容Csi及基準電容CREF之電位達到特定位準(Vdd-Vth)為止。
著眼於n+1通道。無論使用者是否接觸觸控板3，以第1 朝向供給至第2積分用電容器CINTn+1之電流IREF均取固定值。另一方面，以第2朝向供給至第2積分用電容器CINTn+1之電流IAVE則根據使用者是否接觸觸控板3而變化。
基準電容CREF若與複數之感測器電容Cs之平均值相等，則第2積分用電容器CINTn+1之充電電流IREF與放電電流IAVE變得相等，因此其電位Vsn+1變得與基準電壓VCM相等。又，基準電容CREF若大於複數之感測器電容Cs之平均值，則IREF>IAVE，其電位Vsn+1變得較基準電壓VCM高。
相反，基準電容CREF若小於複數之感測器電容Cs之平均值，則IREF<IAVE，電位Vsn+1變得較基準電壓VCM低。
此處，若使用者接觸觸控板3，則複數之感測器電容Cs中之至少一個之電容值增大，故複數之感測器電容Cs之平均值亦增大。因此，第2積分用電容器CINTn+1之電位Vsn+1根據使用者是否接觸觸控板3而取不同位準。
當感測信號EVALB確證之後，多工器40a之開關AD_SWn+1接通，將電壓Vsn+1輸入至A/D轉換器ADC2，而被轉換成數位值。DSP6基於此數位值，判定使用者是否接觸觸控板3，當檢測出接觸時，轉向正常模式。
如圖9所示，於待機模式下，開關AD_SW1~AD_SWn始終斷開，多工器40a固定地選擇電壓Vsn+1。因此，無須切換開關。又，無須緩衝器BUF1~n執行動作。進而，A/D轉換亦僅進行(n+1)通道之1次。又，控制IC4向DSP6發送之資料亦僅為1個通道量。藉此，可大幅削減控制IC4之耗電。
進而，DSP6可根據1個通道量之資料，判定使用者是否接觸觸控板3。此判定為極其簡單之處理，只要將DSP6之與電壓Vsn+1相應之數位資料與閾值進行對比即可。因此，可大幅削減DSP6之運算量。
(其他變形例)
於實施形態中，以感測器電容Cs實質上配置成矩陣狀之觸控板3為例進行了說明，但C/V轉換電路100之應用並不限定於此。例如，C/V轉換電路100亦可應用X-Y型觸控板，此種情形下，可同時檢測複數之列感測器電極、與複數之行感測器電極之電容值。
實施形態所示之C/V轉換電路100亦可上下反轉。只要係本領域技術人員便可理解：此時只要將P通道MOSFET與N通道MOSFET適當置換便可。此時之充電與放電雖然相反，但本質動作相同。亦可將部分電晶體置換成雙極電晶體而代替MOSFET。
於實施形態中，對將電容電壓轉換電路100應用為利用靜電電容變化之輸入裝置之情形進行了說明，但電容電壓轉換電路100之用途並不限定於此。例如，可應用為電容器型麥克風等利用隔膜電極與背板電極形成電容器、且電容器之靜電電容根據聲壓而變化之麥克風。
又，電容電壓轉換電路100由於能將非常小之靜電電容變化放大而進行檢測，因此可用於其他各種各樣之應用。
於實施形態中，對電容電壓轉換電路100整體集成於一個半導體積體電路上之情形進行了說明，但並不限定於 此，亦可使用晶片零件或分立元件而構成各電路區塊。集成哪一區塊則根據採用之半導體製造製程及要求成本、特性等而決定即可。
實施形態之輸入裝置除了可使用實施形態中說明之行動電話終端以外，亦可使用個人電腦、PDA(Personal Digital Assistance，個人數位助理)、數位靜態相機、CD播放機等之遙控器等各種具備輸入裝置之電子機器。
1‧‧‧電子機器
2‧‧‧輸入裝置
3‧‧‧觸控板
4‧‧‧控制IC
5‧‧‧手指
6‧‧‧DSP
7‧‧‧LCD
10‧‧‧C/I轉換電路
101‧‧‧C/I轉換電路
102‧‧‧C/I轉換電路
10n‧‧‧C/I轉換電路
20‧‧‧電流平均化電路
301‧‧‧I/V轉換電路
302‧‧‧I/V轉換電路
30n‧‧‧I/V轉換電路
40‧‧‧多工器
50‧‧‧A/D轉換器
60‧‧‧偏移消除電路
100‧‧‧C/V轉換電路
BUF1~BUFn‧‧‧緩衝器
CINT‧‧‧積分用電容器
Cs1-Csn‧‧‧感測器電容
IAVE‧‧‧平均電流
Is1~Isn‧‧‧檢測電流
M1‧‧‧第1電晶體
M2‧‧‧第2電晶體
M3‧‧‧第3電晶體
M4‧‧‧第4電晶體
M5‧‧‧第5電晶體
SW1‧‧‧重置開關
SW2‧‧‧感測開關
SW3‧‧‧初始化開關
Vs1~Vsn‧‧‧檢測電壓
圖1係表示實施形態之具備輸入裝置之電子機器構成之圖。
圖2係表示實施形態之控制IC之構成之方塊圖。
圖3係表示控制IC之具體構成例之電路圖。
圖4係表示實施形態之控制IC之動作之波形圖。
圖5係表示控制IC之第1變形例之電路圖。
圖6係表示圖5之控制IC之動作之波形圖。
圖7係表示第2變形例之控制IC4a之構成之方塊圖。
圖8係表示圖7之控制IC之具體構成例之電路圖。
圖9係表示圖8之控制IC於待機模式下之動作之波形圖。
2‧‧‧輸入裝置
3‧‧‧觸控板
4‧‧‧控制IC
101‧‧‧C/I轉換電路
102‧‧‧C/I轉換電路
10n‧‧‧C/I轉換電路
20‧‧‧電流平均化電路
301‧‧‧I/V轉換電路
302‧‧‧I/V轉換電路
30n‧‧‧I/V轉換電路
40‧‧‧多工器
50‧‧‧A/D轉換器
100‧‧‧C/V轉換電路
BUF‧‧‧緩衝器
Cs1~Csn‧‧‧感測器電容
IAVE‧‧‧平均電流
Is1~Isn‧‧‧檢測電流
Vs1~Vsn‧‧‧檢測電壓

Claims (32)

  1. 一種電容電壓轉換電路，其特徵在於，其係將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓者，且其包括：複數之電容電流轉換電路，其分別對應上述各感測器電容而設，產生與對應之感測器電容之電容值相應之檢測電流；電流平均化電路，其使由上述複數之電容電流轉換電路產生之檢測電流平均化，而產生平均電流；及複數之電流電壓轉換電路，其分別對應上述各感測器電容而設，將對應之檢測電流與上述平均電流之差分電流轉換成電壓；其中上述電容電流轉換電路包括：重置開關，其將對應之感測器電容之電荷初始化；感測開關及作為MOSFET之第1電晶體，其等於對應的感測器電容與固定電壓端子之間依序串列設置；及第2電晶體，其以與上述第1電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接；且將上述第2電晶體中流動之電流作為與對應之感測器電容之電容值相應之檢測電流輸出。
  2. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其中上述電流平均化電路包括：複數之第3電晶體，其分別對應上述各感測器電容而設於與對應之檢測電流相應之電流之路徑上，且各自之控制端子共通連接；及 複數之第4電晶體，其分別對應上述各感測器電容而設，以與對應之上述第3電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接；且將各第4電晶體中流動之電流作為上述平均電流輸出。
  3. 如請求項2之電容電壓轉換電路，其中上述電流平均化電路更包括複數之第5電晶體，該複數之第5電晶體分別對應上述各感測器電容而設，且以與對應之第1電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接；且各第3電晶體設於對應之第5電晶體之路徑上。
  4. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其中上述電流電壓轉換電路包括積分用電容器，該積分用電容器其一端電位固定，且藉由上述差分電流而充放電。
  5. 如請求項4之電容電壓轉換電路，其中上述電流電壓轉換電路包括初始化開關，該初始化開關其一端與對應之上述積分用電容器連接，於另一端被施加基準電壓。
  6. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其中於待機模式下，基於上述平均電流，判定使用者是否接觸複數之感測器電容中之至少一個。
  7. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其更包括：基準電容；第2電容電流轉換電路，其與上述電容電流轉換電路 相同地構成，產生與上述基準電容之電容值相應之基準電流；及第2電流電壓轉換電路，其與上述電流電壓轉換電路相同地構成，將上述基準電流與上述平均電流之差分電流轉換成電壓；且上述電流平均化電路除了使由上述複數之電容電流轉換電路產生之檢測電流平均化以外，並藉由使上述基準電流平均化而產生上述平均電流。
  8. 如請求項7之電容電壓轉換電路，其中於待機模式下，基於上述第2電流電壓轉換電路之輸出電壓，判定使用者是否接觸複數之感測器電容中之至少一個。
  9. 如請求項8之電容電壓轉換電路，其更包括：多工器，其接收上述複數之電流電壓轉換電路之輸出電壓、與上述第2電流電壓轉換電路之輸出電壓，並選擇其中一個；及A/D轉換器，其將由上述多工器所選擇之電壓轉換成數位值；且上述多工器於上述待機模式下，僅選擇上述第2電流電壓轉換電路之輸出。
  10. 如請求項9之電容電壓轉換電路，其中上述複數之電流電壓轉換電路於上述待機模式下停止。
  11. 如請求項7至10中任一項之電容電壓轉換電路，其中 上述基準電容構成為可變動。
  12. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其更包括：複數之偏移消除電路，其分別對應上述感測器電容而設，且於特定期間向連接其各自對應之感測器電容之節點供給特定電流。
  13. 如請求項12之電容電壓轉換電路，其中上述偏移消除電路包括：電流源，其產生特定之基準電流；電流反射鏡電路，其將上述基準電流複製而供給至上述節點；以及消除用開關，其設於上述電流反射鏡電路之輸出電流之路徑上，且於上述特定期間接通。
  14. 如請求項1之電容電壓轉換電路，其係於一個半導體積體電路上一體集成而成。
  15. 一種電容電壓轉換電路，其特徵在於，其係將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓者，且其包括：複數之重置開關，其分別對應上述感測器電容而設，將對應之感測器電容之電荷初始化；複數之積分用電容器，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之一端之電位固定；初始化電路，其將上述複數之積分用電容器各自之電壓初始化；複數之電流反射鏡電路，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之輸入側之第1電晶體與對應之感測器電 容連接，將各自之第2電晶體中流動之電流以第1朝向供給至對應的積分用電容器；及電流平均化電路，其產生上述複數之感測器電容各者中流動之檢測電流的平均電流，將該平均電流以第2朝向分別供給至上述複數之積分用電容器。
  16. 如請求項15之電容電壓轉換電路，其中上述電流平均化電路包括：複數之第5電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且以與對應之電流反射鏡電路之上述第1電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接；複數之第3電晶體，其分別設於對應之第5電晶體各自之路徑上；及複數之第4電晶體，其以與各自對應之第3電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接；且將各第4電晶體中流動之上述平均電流供給至對應之積分用電容器。
  17. 如請求項15之電容電壓轉換電路，其中上述初始化電路包含複數之初始化開關，該複數之初始化開關其各自之一端與對應之上述積分用電容器連接，於各自之另一端被施加基準電壓。
  18. 如請求項15之電容電壓轉換電路，其中於待機模式下，基於上述平均電流，判斷使用者是否接觸複數之感測器電容之至少一個。
  19. 如請求項15至18中任一項之電容電壓轉換電路，其更包 括：基準電容；第2重置開關，其將上述基準電容之電荷初始化；第2積分用電容器，其相對於上述基準電容而設，且一端之電位固定；第2初始化電路，其將上述第2積分用電容器之電壓初始化；及第2電流反射鏡電路，其輸入側之第1電晶體與上述基準電容連接，將輸出側之第2電晶體中流動之電流以第1朝向供給至上述第2積分用電容器；且上述電流平均化電流構成為，除了使上述複數之感測器電容各者中流動之檢測電流平均化以外，並藉由使上述基準電容中流動之基準電流平均化而產生上述平均電流，且將該平均電流以第2朝向分別供給至上述複數之積分用電容器及上述第2積分用電容器。
  20. 如請求項19之電容電壓轉換電路，其中於待機模式下，基於上述第2積分用電容器之電壓，判定使用者是否接觸複數之感測器電容之至少一個。
  21. 如請求項20之電容電壓轉換電路，其更包括：多工器，其接收上述複數之積分用電容器之電壓、及上述第2積分用電容器之電壓，且選擇其中一個；及A/D轉換器，其將由上述多工器所選擇之電壓轉換成數位值；且上述多工器於上述待機模式下，僅選擇上述第2積分 用電容器之電壓。
  22. 如請求項19之電容電壓轉換電路，其中上述基準電容構成為可變動。
  23. 一種電容電壓轉換電路，其特徵在於，其係將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓者，且其包括：複數之積分用電容器，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之一端之電位固定；複數之重置開關，其分別對應上述感測器電容而設，且分別與對應之感測器電容並列連接；複數之感測開關，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之一端與對應之感測器電容連接；複數之作為MOSFET之第1電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且分別設於對應之感測開關之路徑上；複數之作為MOSFET之第2電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之閘極與對應之第1電晶體之閘極連接，各自之汲極與對應之積分用電容器連接；複數之作為MOSFET之第5電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且各自之閘極與對應之第1電晶體之閘極連接；複數之第3電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且分別設於對應之第5電晶體之路徑上；及複數之第4電晶體，其分別對應上述感測器電容而設，且分別以與對應之第3電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接，且各自之汲極連接於對應之積分用電容器。
  24. 如請求項23之電容電壓轉換電路，其更包括：基準電容；第2積分用電容器，其相對於上述基準電容而設，且其一端之電位固定；第2重置開關，其與上述基準電容並列連接；第2感測開關，其一端與上述基準電容連接；作為MOSFET之第6電晶體，其設於上述第2感測開關之路徑上；作為MOSFET之第7電晶體，其閘極與上述第6電晶體之閘極連接，且各自之汲極與上述第2積分用電容器連接；作為MOSFET之第10電晶體，其閘極與上述第6電晶體之閘極連接；第8電晶體，其設於上述第10電晶體之路徑上；及第9電晶體，其以與上述第8電晶體形成電流反射鏡電路之方式連接，且其汲極連接於上述第2積分用電容器。
  25. 如請求項24之電容電壓轉換電路，其中於待機模式下，基於上述第2積分用電容器之電壓，判定使用者是否接觸複數之感測器電容之至少一個。
  26. 如請求項25之電容電壓轉換電路，其更包括：多工器，其接收上述複數之積分用電容器之電壓及上述第2積分用電容器之電壓，且選擇其中一個；及A/D轉換器，其將由上述多工器所選擇之電壓轉換成 數位值；且上述多工器於上述待機模式下，僅選擇上述第2積分用電容器之電壓。
  27. 如請求項24至26中任一項之電容電壓轉換電路，其中上述基準電容構成為可變動。
  28. 一種輸入裝置，其特徵在於包括：複數之感測器電容；及如請求項1至27中任一項之電容電壓轉換電路，其將上述複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓。
  29. 如請求項28之輸入裝置，其中上述複數之感測器電容實質上配置成矩陣狀。
  30. 一種電子機器，其特徵在於具備如請求項28或29之輸入裝置。
  31. 一種方法，其特徵在於，其係將複數之感測器電容各自之電容值轉換成電壓者，且包括以下步驟：使各感測器電容之電荷初始化；對各感測器電容供給第1電流直至各感測器電容之電壓達到特定位準為止；於第1方向上，向對應各感測器電容而設之積分用電容供給與對應之第1電流相應之第2電流，並且於第2方向上，向各積分用電容供給複數之第2電流之平均電流；及將各積分用電容中產生之電壓設為與對應之電容相應之檢測電壓。
  32. 如請求項31之方法，其更包括如下步驟：於待機模式下，基於上述複數之第2電流之平均電流，判定使用者是否接觸複數之感測器電容中之至少一個。
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