本發(fā)明涉及觸摸感應(yīng)功能的有源矩陣液晶顯示(LCD)面板(或觸摸屏)。更具體地說(shuō)，涉及一種電容觸摸屏的電容觸摸感應(yīng)電路。

背景技術(shù)：

觸摸感應(yīng)功能的有源矩陣LCD顯示面板(或觸摸屏)，是一個(gè)有源矩陣LCD面板，它具有一個(gè)額外的功能，即檢測(cè)可能的手指和/或點(diǎn)指設(shè)備在面板上的觸碰位置。一個(gè)電容觸摸屏包括涂有透明導(dǎo)體的絕緣體，例如玻璃。因?yàn)槿梭w也能導(dǎo)電，觸摸到屏幕的表面會(huì)導(dǎo)致屏幕上的靜電場(chǎng)失真，并產(chǎn)生可測(cè)量的電容變化。各種各樣的技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)觸碰點(diǎn)的位置，例如投射式電容觸摸(PCT)技術(shù)。

與LCD面板的像素網(wǎng)格相比，PCT使用的是一種X-Y(或縱列-橫排)網(wǎng)格的電極。相同電壓應(yīng)用于每個(gè)縱列或橫排電極(驅(qū)動(dòng)線)上，從而創(chuàng)建了一個(gè)統(tǒng)一的靜電場(chǎng)。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體，例如人類手指或?qū)щ姽P，接近電極網(wǎng)格上的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致這個(gè)點(diǎn)的靜電場(chǎng)失真，這個(gè)失真是可測(cè)量的，具體體現(xiàn)為電容變化。每個(gè)電容網(wǎng)格點(diǎn)上電容變化能夠被準(zhǔn)確的測(cè)量，從而通過(guò)測(cè)量其他電極軸(感應(yīng)線)的感應(yīng)信號(hào)電壓電荷來(lái)確定觸摸位置。

在傳統(tǒng)PCT型電容觸摸屏面板中，在用于觸摸控制器應(yīng)用之前，感應(yīng)信號(hào)電壓電荷通過(guò)一個(gè)模擬前端電路的電壓電荷放大器被放大。圖1展示了一個(gè)傳 統(tǒng)的電壓電荷放大器。電壓放大率通過(guò)下列的方程表征:

其中，i_Δcm是當(dāng)檢測(cè)到觸摸時(shí)的感應(yīng)信號(hào)電流，i_cm是共模電流，i_noise是噪聲電流。

通過(guò)方程(1)可以得知，傳統(tǒng)的電壓電荷放大器至少存在兩個(gè)問(wèn)題：

1.輸出電壓V_out的電壓空間受限于運(yùn)算放大器的電源電壓和積分電容C的大小。在許多情況下，與運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍相比，共模電流和噪聲電流占據(jù)了電源電壓90％以上的空間。這使得其信噪比(SNR)低，需要較大的電壓范圍來(lái)調(diào)節(jié)噪音，且只有一小部分電壓范圍供感應(yīng)信號(hào)電流i_Δcm使用。

2.為了適應(yīng)共模電流、噪聲電流和感應(yīng)信號(hào)電流i_Δcm，積分電容C必須足夠大以減弱運(yùn)算放大器輸出電壓。這導(dǎo)致了模擬前端電路需要大型的芯片尺寸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種模擬前端電路，該電路使得電容觸摸屏的電容觸摸感應(yīng)功能具有以下優(yōu)勢(shì)：較小的模擬前端電路芯片尺寸，提升SNR，在所有的感應(yīng)線路中提供有效的并行差分感應(yīng)，更好的共模噪音抑制，以及更穩(wěn)定的可編程信號(hào)電流增益。

本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種模擬前端電路，它以電流模式處理感應(yīng)信號(hào)，只允許感應(yīng)信號(hào)電流通過(guò)其積分電容。通過(guò)這種方式，不再需要大型積分電容來(lái)儲(chǔ)存過(guò)多的共模電荷，因此，模擬前端電路的芯片尺寸可以顯著減少。通過(guò)噪音抑制，輸出電壓的整個(gè)電壓范圍可以用于代表感應(yīng)信號(hào)，從而顯著提 升信噪比。

本發(fā)明的另一目的是提供一種適用于電容觸摸屏面板中的互電容、自電容和混合電容式觸摸感應(yīng)器的模擬前端電路。

本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述模擬前端電路包括電流模式差動(dòng)電荷放大器和差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器。電流模式差動(dòng)電荷放大器從邏輯上可以分為兩個(gè)階段。第一階段包括帶有電流復(fù)制電路的單位增益緩沖器。第二階段包括電流鏡像和放大電路。

應(yīng)用于帶有互電容觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板時(shí)，每個(gè)感應(yīng)線連接至單位增益緩沖器的負(fù)輸入，并由單位增益緩沖器內(nèi)的單位增益反饋運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)，單位增益反饋運(yùn)算放大器的正輸入端連接至一個(gè)恒定參考電壓。共模電流(從驅(qū)動(dòng)線到感應(yīng)互電容之間的電流)、噪聲電流、以及從感應(yīng)線接收的感應(yīng)信號(hào)電流(有觸碰發(fā)生時(shí))，被復(fù)制并輸入到電流鏡像和放大電路。根據(jù)比例因子，電流鏡像和放大電路產(chǎn)生一個(gè)正比例和負(fù)比例輸出電流。然后，將正比例輸出電流與相鄰感應(yīng)線的負(fù)比例輸出電流進(jìn)行合成。最后，將所生成的差動(dòng)電流輸入差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器，生成用于觸摸控制器應(yīng)用的輸出電壓。

應(yīng)用于帶有自電容觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板時(shí)，每個(gè)感應(yīng)線連接至單位增益緩沖器的負(fù)輸入，并由單位增益緩沖器內(nèi)的單位增益反饋運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)，單位增益反饋運(yùn)算放大器的正輸入端連接至一個(gè)輸入到單位增益緩沖器正輸入端的切換驅(qū)動(dòng)源電壓。共模電流(電容充電與放電之間的電流)、噪聲電流、以及從感應(yīng)線接收的感應(yīng)信號(hào)電流(有觸碰發(fā)生時(shí))，被復(fù)制并輸入到電流鏡像和放大電路。根據(jù)比例因子，電流鏡像和放大電路產(chǎn)生一個(gè)正比例和負(fù)比例輸出電流。然后，將正比例輸出電流與相鄰感應(yīng)線的負(fù)比例輸出電流進(jìn)行合成。最后，將所生成的差動(dòng)電流輸入差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器，生成用于 觸摸控制器應(yīng)用的輸出電壓。

與帶有互電容觸摸感應(yīng)器和自電容觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板相似，本發(fā)明可用于混合式觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板，每個(gè)感應(yīng)線連接至單位增益緩沖器負(fù)輸入端，并由單位增益緩沖器中的單位增益反饋運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)，其中，單位增益反饋運(yùn)算放大器的正輸入端按時(shí)間復(fù)用方式連接著一個(gè)恒定參考電壓和切換驅(qū)動(dòng)源電壓。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)描述，其中：

圖1是一種用于PCT型電容觸摸屏面板的傳統(tǒng)模擬前端電路中的傳統(tǒng)的電壓電荷放大器；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中用于帶有互電容觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板的模擬前端電路；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中用于帶有自電容觸摸感應(yīng)器的PCT型電容觸摸屏面板的模擬前端電路；

圖4是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)帶有電流復(fù)制電路的單位增益緩沖器的一個(gè)MOSFET電路示例；

圖5是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)帶有電流復(fù)制電路的單位增益緩沖器的另一個(gè)MOSFET電路示例；

圖6是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)帶有電流復(fù)制電路的單位增益緩沖器的又一個(gè)MOSFET電路示例；

圖7是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)電流鏡像和放大電路的一個(gè)MOSFET電路示例；

圖8A是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)RC低通放大器示例；

圖8b是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)跨電阻放大器示例；

圖8c是本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)電荷積分器示例。

具體實(shí)施方式

以用于實(shí)現(xiàn)電容觸摸屏之電容觸摸感應(yīng)功能的模擬前端電路為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在此基礎(chǔ)上的修改，包括增添或替代，均未脫離本發(fā)明的范圍。

如圖2所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模擬前端電路包括電流模式差動(dòng)電荷放大器101和差動(dòng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器102。電流模式差動(dòng)電荷放大器101在邏輯上可以分為兩個(gè)階段。第一階段包括帶有電流復(fù)制電路103的單位增益緩沖器。第二階段包括電流鏡像和放大電路104。

參照?qǐng)D2，當(dāng)應(yīng)用于帶互電容觸控感應(yīng)器的PCT型電容觸屏面板時(shí)，每根感應(yīng)線105連接到單位增益緩沖器103的負(fù)輸入端，且由單位增益緩沖器103中的單位增益反饋運(yùn)算放大器106驅(qū)動(dòng)。單位增益反饋運(yùn)算放大器106的正輸入終端被連接到一個(gè)恒定參考電壓107。從驅(qū)動(dòng)線到感應(yīng)互電容的共模電流i_cm是，噪聲電流i_noise和感應(yīng)信號(hào)電流i_Δcm(當(dāng)有觸碰發(fā)生時(shí))被合成為一個(gè)輸入電流i_in，其方程式為：

i_in＝i_cm+i_noise+i_Δcm (2)

該輸入電流i_in由感應(yīng)線105接收，并被復(fù)制以產(chǎn)生一個(gè)上拉輸出電流108以及一個(gè)下拉輸出電流109，再輸入到電流鏡像和放大電路104?；谝粋€(gè)比例因子，電流鏡像和放大電路104根據(jù)上拉輸出電流108和下拉輸出電流109，分別產(chǎn)生了一個(gè)正比例和一個(gè)負(fù)比例輸出電流，分別表示為+β×i_in和-β×i_in，其中β是比例因子。然后，正比例輸出電流+β×i_in與相鄰感應(yīng)線的負(fù)比例輸出電 流-β×i_in(n-1)進(jìn)行合成，產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電流i_diff(m)，其方程式為：

i_diff(m)＝β×(i_in(n)-i_in(n-1)) (3)

當(dāng)有觸碰發(fā)生于第n線，與方程式(2)結(jié)合，會(huì)有

i_diff(m)＝β×(i_Δcm(n)) (3.1)(3.1)

最終，生成的差動(dòng)電流i_diff(m)被注輸入到差動(dòng)電流-電壓變換器102以生成用于觸摸控制器應(yīng)用的輸出電壓V_out。

參照?qǐng)D3，當(dāng)應(yīng)用于帶自電容觸控感應(yīng)器的PCT型電容觸屏面板時(shí)，每根感應(yīng)線205連接到單位增益緩沖器103的負(fù)輸入端，且由單位增益緩沖器103中的單位增益反饋運(yùn)算放大器106驅(qū)動(dòng)。單位增益反饋運(yùn)算放大器106的正輸入終端被連接到一個(gè)切換驅(qū)動(dòng)源電壓207。感應(yīng)自電容充電或放電的共模電流i_Cself，噪聲電流i_noise和感應(yīng)信號(hào)電流i_Δcm(當(dāng)有觸碰發(fā)生時(shí))被合成為一個(gè)輸入電流i_in，其方程式為：

i_in＝i_Cself+i_noise+i_Δcm (4)

該輸入電流i_in由感應(yīng)線205接收，并被復(fù)制以產(chǎn)生一個(gè)上拉輸出電流108以及一個(gè)下拉輸出電流109，再輸入到電流鏡像和放大電路104?；谝粋€(gè)比例因子，電流鏡像和放大電路104根據(jù)上拉輸出電流108和下拉輸出電流109，分別產(chǎn)生了一個(gè)正比例和一個(gè)負(fù)比例輸出電流，分別表示為+β×i_in和-β×i_in，其中β是比例因子。然后，正比例輸出電流+β×i_in與相鄰感應(yīng)線的負(fù)比例輸出電流-β×i_in(n-1)進(jìn)行合成，產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電流i_diff(m)，可由方程式(3)表示。最終，生成的差動(dòng)電流i_diff(m)被注輸入到差動(dòng)電流-電壓變換器102以生成用于觸摸控制器應(yīng)用的輸出電壓V_out。

與帶有互電容觸控感應(yīng)器的PCT型電容觸屏面板和帶自電容觸控感應(yīng)器的PCT型電容觸屏面板類似，本發(fā)明還可應(yīng)用于帶有混合式電容觸控感應(yīng)器的 PCT型電容觸屏面板，每個(gè)感應(yīng)線連接至單位增益緩沖器負(fù)輸入端，并由單位增益緩沖器中的單位增益反饋運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)，其中，單位增益反饋運(yùn)算放大器的正輸入端按時(shí)間復(fù)用方式連接著一個(gè)恒定參考電壓和切換驅(qū)動(dòng)源電壓。

帶有電流復(fù)制電路103的單位增益緩沖器，可由圖4所示的MOSFET電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可做出其他電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例中所述帶有電流復(fù)制電路的單位增益緩沖器的相同功能和屬性。

電流鏡像和放大電路104可由圖5所示的MOSFET電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路的501部分會(huì)鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的502部分會(huì)基于比例因子放大該兩個(gè)電流，所述比例因子可通過(guò)控制輸出比例開關(guān)503進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電流鏡像和放大電路104還可由圖6所示的MOSFET電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路的601部分會(huì)鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的602部分會(huì)基于比例因子放大該兩個(gè)電流，所述比例因子可通過(guò)控制輸出比例開關(guān)603進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電流鏡像和放大電路104還可由圖7所示的MOSFET電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路的701部分會(huì)鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的702部分會(huì)基于比例因子放大該兩個(gè)電流，所述比例因子可通過(guò)控制輸出比例開關(guān)703進(jìn)行調(diào)節(jié)。

可以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可做出其他電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例中所述電流鏡像和放大電路的相同功能和屬性。

上述典型的電流鏡像和放大電路中，允許一個(gè)電流增益帶有可調(diào)的比例因子，從到β＝2，通過(guò)控制輸出比例開關(guān)按每步的方式調(diào)整。小電流增益水平在單端或共模噪聲輸入的大電流條件下可以降低飽和度和削波，大電流增 益水平可以提高小感應(yīng)信號(hào)電流的電壓余量利用率從而提高SNR，所以，可通過(guò)控制輸出比例開關(guān)，在對(duì)模擬前端電路進(jìn)行初始配置時(shí)確定一個(gè)優(yōu)選電流增益。

差動(dòng)電流-電壓變換器102可由一個(gè)如圖8A所示的RC低通放大器實(shí)現(xiàn)，或由如圖8B所示的跨電阻放大器實(shí)現(xiàn)，或由如圖8C所示的電荷積分器實(shí)現(xiàn)?？梢岳斫獾氖?，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可做出其他電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例中所述差動(dòng)電流-電壓變換器的相同功能和屬性。

因?yàn)樵趯⒄壤敵鲭娏?β×i_in(n)與相鄰感應(yīng)線的負(fù)比例輸出電流-β×i_in(n-1)進(jìn)行合成，在生成差動(dòng)電流i_diff(m)的過(guò)程中，已消除了共模電流和噪聲電流分量，所以差動(dòng)電流-電壓變換器的輸出電壓V_out現(xiàn)在是：

這樣可放寬電壓余量，允許可配置電流增益的感應(yīng)信號(hào)電流占據(jù)差動(dòng)電流-電壓變換器的運(yùn)算放大器的全動(dòng)態(tài)范圍。這大大地提升了SNR(實(shí)驗(yàn)顯示達(dá)到30到40dB)。其結(jié)果是不再需要大積分電容C(實(shí)驗(yàn)顯示電容需要的減少量達(dá)到50pF到10pF)，并讓模擬前端電路的管芯尺寸得以減小。

由于差動(dòng)電流-電壓變換器可同時(shí)滿足于所有感應(yīng)線，因此沒有必要把感應(yīng)線和參考感應(yīng)線的處理分成兩個(gè)不同的階段，從而不必犧牲幀率。

在實(shí)際的應(yīng)用中，上述實(shí)施例中的裝置可制成一個(gè)集成器件或一個(gè)集成電路。

在工業(yè)的應(yīng)用中，該裝置可能被制造成一個(gè)有觸碰感應(yīng)功能的顯示驅(qū)動(dòng)器，或一個(gè)有控制圖象顯示和偵測(cè)屏幕觸碰功能的集成控制器。該裝置也可能被集成在一個(gè)交互顯示系統(tǒng)、智能手機(jī)或是平板電腦上。

上述實(shí)施例中的裝置可由以下方式實(shí)現(xiàn)：通用的或?qū)ｉT的計(jì)算設(shè)備，計(jì)算機(jī)處理器，或電子電路包括但不局限于專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和其他根據(jù)本發(fā)明方案配置的可編程邏輯設(shè)備。運(yùn)行在通用的或?qū)ｉT的計(jì)算機(jī)設(shè)備，計(jì)算機(jī)處理器，或可編程邏輯器件中的計(jì)算機(jī)指令或軟件代碼，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員很輕松地編寫。

本發(fā)明的以上描述用于提供示意性說(shuō)明和描述，而不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，許多修改和變化均是顯而易見的。

本發(fā)明所選擇和描述的實(shí)施例，都是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解還可根據(jù)實(shí)際使用需求而作出其他實(shí)施例和其他修改。本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求中的內(nèi)容及其同等方案為準(zhǔn)。