專利名稱：電容式感測(cè)模擬前端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式感測(cè)觸摸屏系統(tǒng)，且更具體地，本發(fā)明涉及觸摸屏系統(tǒng)及相關(guān)的穩(wěn)健的操作方法，在其中剔除手指噪聲(finger noise)并提取最精確的可能的觸摸信肩、ο
背景技術(shù)：
1.本發(fā)明的領(lǐng)域在許多電子應(yīng)用中，能夠通過(guò)給定電容的變化監(jiān)測(cè)物理參數(shù)。這對(duì)于壓力感測(cè)器、 運(yùn)動(dòng)感測(cè)器、加速度計(jì)以及其他感測(cè)器電路都是適用的。在投影電容式觸摸技術(shù)的情況中， 通過(guò)電容器的兩端可獲得要測(cè)量的電容。圖1示出了投影電容式觸摸矩陣100，下面對(duì)其進(jìn)行描述。實(shí)際觸摸屏102的一部分104示出為包括多個(gè)可由R線(行)及C線(列)獲得的電容器。按壓觸摸屏部分104 的手指106牽涉4個(gè)邊緣電容108。能夠在C線及R線上感測(cè)到手指106引起的擾動(dòng)。邊緣電容在沒(méi)有觸摸手指的擾動(dòng)的情況下即已獨(dú)自存在。觸摸手指的出現(xiàn)改變了邊緣電容的值。觸摸屏通常為堆疊在顯示裝置的頂部上的“透明觸摸矩陣”。這被稱為“單元上 (on-cell)”技術(shù)。觸摸矩陣也能夠“并入”顯示裝置內(nèi)，而這稱為“單元內(nèi)(in-cell)”技術(shù)。在圖1的示例中，觸摸矩陣是一層ITO菱形類型。其他類型的觸摸屏系統(tǒng)為本領(lǐng)域已知。諸如觸摸屏的觸摸設(shè)備是用于檢測(cè)是否有某物(例如手指、指甲、筆或者別的東西)正在觸摸(觸摸檢測(cè))或者靠近(接近檢測(cè))觸摸屏的裝置。觸摸設(shè)備還必須檢測(cè)觸摸事件的位置。觸摸事件的讀取是通過(guò)測(cè)量Ci和Rj電容(Cs)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電容Cs 由四個(gè)邊緣電容組成，如在圖2中進(jìn)一步詳細(xì)示出的那樣。觸摸屏的一部分204示出為表示四個(gè)邊緣電容208、手指206的電容Cfinge,以及與來(lái)自用戶身體的噪聲相關(guān)聯(lián)的噪聲VNPP。有許多種不同的測(cè)量Cs電容變化的方式，但是這些方式都基于相同的原理。將預(yù)
先知道的電量(電壓、電流、電荷......)強(qiáng)加進(jìn)觸摸矩陣中且，作為響應(yīng)，從矩陣讀出某些
經(jīng)調(diào)制的電值。手指的出現(xiàn)(以及指甲、筆或者其他可能與觸摸屏一起使用的物品)局部地影響由“強(qiáng)加電量”及邊緣電容值的調(diào)制產(chǎn)生的電場(chǎng)，這被檢測(cè)為觸摸事件?？杉俣ㄊ种负陀|摸矩陣之間的接觸為電容式接觸(如圖2示出的CfingJ，以及存在于用戶身體中的電噪聲注入到觸摸矩陣內(nèi)。在所有觸摸屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，期望的是剔除手指噪聲的能力及提取最精確的觸摸信息的能力。感測(cè)實(shí)際上是否存在觸摸以及該觸摸的強(qiáng)度和位置的能力是設(shè)計(jì)電容式感測(cè)模擬前端的主要挑戰(zhàn)。2.相關(guān)
背景技術(shù)：
電容式觸摸感測(cè)器技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)、計(jì)算以及甚至消費(fèi)者應(yīng)用中。其工作原理是當(dāng)物體即手指靠近電容器時(shí)，觸摸屏的電容減小。電容的改變由感測(cè)器電路檢測(cè)以指示所述物體的存在。電容值在IpF到5pF范圍內(nèi)，且電容的變化大約為10%。因此電容值的檢測(cè)對(duì)于任何引入到系統(tǒng)的噪聲都很敏感。更確切地說(shuō)，在其中測(cè)量互電容的投影電容技術(shù)的情況下電容減小。然而，一些其他技術(shù)測(cè)量自身電容(相對(duì)于地)，且在這些情況下，當(dāng)發(fā)生觸摸時(shí)，電容實(shí)際上增加。在現(xiàn)有技術(shù)中已知各種形式的電容式接觸感測(cè)器架構(gòu)。下面列舉一些示例美國(guó)專利公開(kāi)No. 2009/0M4014教示了一種使用電荷放大器的方法(參見(jiàn)其中的圖 3A)；美國(guó)專利公開(kāi)No. 2010/0097077教示了一種使用電荷轉(zhuǎn)移以及時(shí)鐘時(shí)段計(jì)數(shù)器的方法(參見(jiàn)其中的圖3)；美國(guó)專利公開(kāi)No. 2008/0007534教示了一種使用張弛振蕩器以及數(shù)字計(jì)數(shù)器的方法(參見(jiàn)其中的圖3B)；美國(guó)專利No. 5，邪4，625教示了一種使用振蕩器的方法(參見(jiàn)其中的圖幻；以及美國(guó)專利公開(kāi)No. 2009/032M10教示了一種使用充電時(shí)段比較的方法(參見(jiàn)其中的圖6)。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有改善的信噪比的、用于觸摸屏系統(tǒng)的電容式感測(cè)模擬前端，包括電容到電壓轉(zhuǎn)換器，具有用于耦合到外部采樣電容器的輸入；加法器，具有耦合到所述電容到電壓轉(zhuǎn)換器的輸出的第一輸入；低通濾波器，具有耦合到所述加法器的輸出的輸入及用于提供輸出信號(hào)的輸出。該系統(tǒng)還包括采樣和保持電路，具有耦合到所述低通濾波器的輸出的輸入以及耦合到所述加法器的第二輸入的輸出。通過(guò)在監(jiān)測(cè)時(shí)段期間提取觸摸信號(hào)的DC移位，且然后在對(duì)所述觸摸信號(hào)進(jìn)行積分之前減去所述DC移位，觸摸屏系統(tǒng)的信噪比得以改
業(yè)
口 ο本發(fā)明的方法包括在其中復(fù)位輸入電容的復(fù)位階段、在其中對(duì)噪聲進(jìn)行積分的監(jiān)測(cè)階段以及發(fā)生在積分階段開(kāi)始早期且持續(xù)一小段時(shí)間的“瞬時(shí)”消除事件。在這個(gè)特定時(shí)間，先前積分的噪聲被消除。所述方法還包括在其中對(duì)噪聲和信號(hào)都進(jìn)行積分的積分階段。


圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一層氧化銦錫(ITO)菱形類型觸摸屏的平面圖。圖2為圖1的相同平面圖，但是示出由來(lái)自用戶身體的外部觸摸的出現(xiàn)而產(chǎn)生的
噪聲信號(hào)。圖3為根據(jù)本發(fā)明的觸摸屏感測(cè)系統(tǒng)的整體方框圖。圖4為現(xiàn)有技術(shù)的電荷放大器(C2V轉(zhuǎn)換器)的示意圖。
圖5為圖4的示意圖，由外部引起的噪聲信號(hào)擾動(dòng)。圖6為根據(jù)本發(fā)明第一方面的通過(guò)噪聲的模擬消除而改善SNR的電路圖及對(duì)應(yīng)圖。圖7是用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的圖6的電路的更詳細(xì)電路圖。圖8為示出了 RC濾波器及RC積分器的輸出電壓對(duì)頻率的波特圖。圖9為根據(jù)本發(fā)明第二方面的觸摸屏系統(tǒng)的電路圖。圖10為與圖9中的電路相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖11為與本發(fā)明第二方面相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖12為示出了其行和列的電容式觸摸板的示意圖。圖13為圖12所示電容式觸摸板的電路表示的示意圖。圖14為根據(jù)本發(fā)明的觸摸屏系統(tǒng)的一部分的示意圖，圖示了與分布式RC電容式觸摸板的感測(cè)相關(guān)的問(wèn)題。圖15為與圖14所示出的相同部分的示意圖，但是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了修改以包括用于處理分布式RC電容式觸摸板問(wèn)題的另外的開(kāi)關(guān)。圖16是供在本發(fā)明第一及第二方面中使用的C2V轉(zhuǎn)換器的實(shí)際實(shí)施方式的示意圖，C2V轉(zhuǎn)換器包括未要求保護(hù)的偏移消除。圖17是供在本發(fā)明第一及第二方面中使用的低通濾波器或者RC積分器的實(shí)際實(shí)施方式的示意圖，低通濾波器或者RC積分器包括未要求保護(hù)的偏移消除。圖18為根據(jù)本發(fā)明第三方面的觸摸屏感測(cè)系統(tǒng)的電容到電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖， 電容到電壓轉(zhuǎn)換器包括未要求保護(hù)的偏移消除。圖19為根據(jù)本發(fā)明第三方面的觸摸屏感測(cè)系統(tǒng)的低通濾波器的示意圖，低通濾波器包括未要求保護(hù)的偏移消除。圖20為與本發(fā)明第三方面相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖21為與本發(fā)明第三方面相關(guān)聯(lián)的另外的時(shí)序圖。圖22為與本發(fā)明第三方面相關(guān)聯(lián)的又一時(shí)序圖。圖23為與本發(fā)明第四方面相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖M為與本發(fā)明第四方面相關(guān)聯(lián)的另外的時(shí)序圖。圖25為與本發(fā)明第五方面相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，圖3示出了觸摸屏感測(cè)系統(tǒng)300的整體方框圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式感測(cè)模擬前端的整體架構(gòu)。值得注意的是，前端的架構(gòu)以及相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖將本發(fā)明與上述描述的其他已知技術(shù)區(qū)別開(kāi)來(lái)。任何前端的主要性能與尺寸(尺寸必須要小，以限制相應(yīng)成本)、速度(操作速度必須盡可能快以便精確地跟隨人類手勢(shì))及功耗 (功耗必須要低以便如果需要的話在移動(dòng)設(shè)備中使用)相關(guān)。同時(shí)，噪聲剔除性能也非常關(guān)鍵以確保使用該觸摸屏系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備能夠在任何惡劣環(huán)境中工作。根據(jù)本發(fā)明的電容式觸摸感測(cè)器包括四個(gè)主要部分，關(guān)于它們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)而對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行描述。電路900是用于將電容Cs轉(zhuǎn)換為電壓的電荷放大器。電荷放大器包括Chold電容器，且電荷放大器在正輸入上接收VCM電壓。在所述放大器的負(fù)輸入上接收感測(cè)電壓，以及在所述放大器的輸出處提供OUT 1電壓。電路901是用于濾除HF噪聲并提供LF噪聲信息的RC電荷積分器。電路901包括也在正輸入處接收VCM電壓的放大器，且電路901通過(guò)開(kāi)關(guān)SWl切換到電路900的輸出。在放大器的負(fù)輸入與輸出電壓0UT2之間提供電容器 CFi0電路902為積分器輸出電平移位器，其用于對(duì)積分器輸出DC電壓進(jìn)行移位以便使用模擬到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(ADC)來(lái)測(cè)量噪聲電平，如以下所描述的。電路902包括用于接收動(dòng)態(tài)Voffset偏移電壓的緩沖放大器，并且還包括輸出電容器Coffset。電路903為強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)放大器，其用于驅(qū)動(dòng)電容器Cs。電路904為ADC和CDS電路，用于操作ADC及執(zhí)行相關(guān)雙采樣操作以便(數(shù)字地)消除LF噪聲。需要注意，CDS操作也能夠在模擬域中進(jìn)行，如以下將進(jìn)一步詳細(xì)解釋的。圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)的電荷放大器400 (標(biāo)準(zhǔn)C2V轉(zhuǎn)換器)。開(kāi)關(guān)矩陣1004包含用于把將要監(jiān)測(cè)的Cs外部電容1006連接到監(jiān)測(cè)電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)。監(jiān)測(cè)電子設(shè)備包括開(kāi)關(guān) Si、S2、S3、S4及S5、放大器1002以及保持電容器Chold。開(kāi)關(guān)矩陣1004耦合到強(qiáng)制和感測(cè)線(如圖所示)。C2V轉(zhuǎn)換器400在電容上操作強(qiáng)制和感測(cè)周期，如下所描述?，F(xiàn)在將描述C2V操作以及ADC轉(zhuǎn)換，其中Φ2、Φ 1、Φ0為C2V操作的子階段。在Φ2階段(采樣)期間復(fù)位Cs 及 Chold(將強(qiáng)制和感測(cè)“強(qiáng)加”到Vdd和Vcm)在Φ1階段(積分)期間電荷從Cs轉(zhuǎn)移到Chold(在感測(cè)到“感測(cè)”時(shí)，將強(qiáng)制“強(qiáng)加”到地)在Φ0階段(保持)期間與Φ 2階段類似地復(fù)位C S，但是不復(fù)位CholdADC開(kāi)始其操作。所述操作可持續(xù)整個(gè)Φ0。為深入理解本發(fā)明，必須進(jìn)一步詳細(xì)解釋系統(tǒng)的信噪比(SNI )。對(duì)于給定的Cs，輸出電壓由以下給出Vout = Vcm+Cs/Chold*Vf(Vcm即共模電壓=0. 9V) (Vf即強(qiáng)制電壓=1. 8V)且對(duì)于變化Δ Cs，輸出電壓的改變由以下給出信號(hào)=AVout= ACs/Chold*Vf以相似的方式，可以導(dǎo)出由系統(tǒng)內(nèi)噪聲的引入帶來(lái)的輸出電壓的變化。噪聲，舉例來(lái)說(shuō)可由人體觸摸Cs的“適當(dāng)端”而引入，該端為監(jiān)測(cè)電路的感測(cè)端。這樣的接觸通常為電容性質(zhì)，且圖5示出了電原理圖，其包括放大器1102、開(kāi)關(guān)矩陣1104及前電容1106，和開(kāi)關(guān)S1-S5。且從那里可估計(jì)SNR(信噪比)。現(xiàn)在參見(jiàn)圖5，源自噪聲輸入的輸出電壓由以下給出AVout = Cf inger/Cho Id^Vnpp依賴于何時(shí)閉合開(kāi)關(guān)Si，輸出電壓包括DC移位。結(jié)果，將AVoutpp影響到原來(lái)的2倍，且可以得到噪聲=AVoutpp = 2*Cfinger/Cho Id^Vnpp
且SNR由以下給出SNR = Δ Cs/(2*Cfinger)*(Vf/Vnpp)選擇Δ Cs = 0. 2pF, Cfinger = 0. 5pF, Vf = 1. 8V 且 Vpp = 2VSNR = 0. 18假定Chold = 6pF (C2V轉(zhuǎn)換器能夠處理高達(dá)Cs = 3pF)-對(duì)于2pF輸出擺幅為600mV-對(duì)應(yīng)于0.2pF變化的信號(hào)量是60mV-輸出峰峰噪聲可以達(dá)到333mV換言之，不能從嘈雜的輸出電壓中提取出“有用”信號(hào)/信息。在圖5中，信號(hào)和噪聲1108示出為具有最大值、最小值及期望值?，F(xiàn)在將描述改善SNR的方案的概述。SNR由以下給出SNR = Δ Cs/(2*Cfinger)*(Vf/Vnpp)由于Δ Cs、Cfinger依賴于環(huán)境，唯獨(dú)兩個(gè)明顯可獲得的用于改善SNR的參數(shù)為Vf 及 Vnpp0現(xiàn)有技術(shù)中已知的方案為-通過(guò)對(duì)施加到電容上的強(qiáng)制電壓使用“高”電壓(在20V范圍內(nèi))來(lái)對(duì)“信號(hào)” 進(jìn)行升壓-通過(guò)利用非DC強(qiáng)制信號(hào)及解調(diào)所述信號(hào)以用于監(jiān)測(cè)從而降低噪聲帶寬來(lái)降低 “噪聲”(減小“噪聲有用帶”)。-進(jìn)行多數(shù)據(jù)提取并對(duì)所述數(shù)據(jù)求平均。技術(shù)上證明，這些方案能夠工作，但是它們要么不是成本有效的，要么實(shí)現(xiàn)復(fù)雜， 要么對(duì)于諸如消耗和/或尺寸和/或速度的一些其他性能不合適。本發(fā)明是可以在任何低電壓CMOS技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單方案?，F(xiàn)在描述有關(guān)通過(guò)噪聲的模擬消除而改善信噪比的本發(fā)明第一方面。圖6示出了電路圖1200以及對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖。電路圖1200包括耦合到外部Cs電容器以提供0utC2V電壓的標(biāo)準(zhǔn)C2V模塊1202。將0utC2V電壓傳遞到加法器1203的正輸入。加法器1203的輸出由低通濾波器1204的輸入接收以提供0utC2VRfiltered輸出電壓，如圖所示。這個(gè)電壓由采樣和保持模塊1206接收。SH模塊1206的輸出反饋回到加法器1203的負(fù)輸入。在階段0期間，產(chǎn)生用于操作C2V模塊1202的采樣/復(fù)位脈沖。在階段1期間，產(chǎn)生AC噪聲濾波和DC噪聲監(jiān)測(cè)脈沖。在階段Tx期間，產(chǎn)生信號(hào)轉(zhuǎn)變和AC噪聲濾波脈沖。根據(jù)本發(fā)明的方法，在監(jiān)測(cè)時(shí)段期間提取LF噪聲(DC移位)且然后在進(jìn)行信號(hào)的積分之前將其減去。這是LF噪聲的模擬消除及HF噪聲的模擬濾波。在第一階段期間，復(fù)位觸摸矩陣及C2V級(jí)。這對(duì)應(yīng)于圖6中所示的Φ0及先前描述(在圖5的現(xiàn)有技術(shù)電路中)的Φ2。在第二階段期間，開(kāi)始積分，但是強(qiáng)制信號(hào)并未激活。換言之，階段Φ1分裂為兩部分。在其中開(kāi)關(guān)Sl接通(但是S2未接通)的第一子階段期間，參見(jiàn)圖5示出的現(xiàn)有技術(shù)電路，輸出電壓經(jīng)低通濾波且通過(guò)低通濾波器提取LF噪聲(即在Sl接通時(shí)刻引入的DC移位)。在第一子階段結(jié)束時(shí)，DC移位保持在電容內(nèi)且將其從C2V轉(zhuǎn)換器的輸出中直接減去。在第二子階段(叫做ΦΤχ)期間，S2接通(Si保持接通)，及C2V的輸出理想地以 DC電壓為“中心”且能夠擺動(dòng)(outC2V)，而AC由LPF濾波。DC移位消除的精確性以及在濾波器的輸出處(0utC2VRCfiltered)的剩余AC的幅度直接制約SNR值?，F(xiàn)在參看圖7進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明第一方面的第一實(shí)現(xiàn)方案。圖7示出的電路 1300為根據(jù)本發(fā)明的觸摸屏系統(tǒng)，其包括耦合到Cs電容器的開(kāi)關(guān)矩陣1302、多個(gè)具有對(duì)應(yīng)階段控制節(jié)點(diǎn)信息的開(kāi)關(guān)、具有切換Chold電容器的電荷放大器1304、包括耦合到VCM電壓的電容器CFi及電阻器RFi的低通濾波器1306。該低通濾波器耦合到采樣和保持電路 1308，該采樣和保持電路表示為切換電容器CSH = Chold0將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使得其行為在ΦΤχ上升轉(zhuǎn)變期間保持線性。這是保證噪聲信號(hào)在 ΦΤχ上升轉(zhuǎn)變期間的連續(xù)性的條件。只要放大器的回轉(zhuǎn)快于觸摸板自身的RC時(shí)間常數(shù)該條件就很容易滿足。DC移位存儲(chǔ)在值嚴(yán)格等于保持電容的電容CSH內(nèi)，且電荷在Φ Tx開(kāi)始的時(shí)候推入到Chold內(nèi)。值得注意的是，在C2V轉(zhuǎn)換器內(nèi)執(zhí)行DC移位消除。開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)階段示出如下。在感測(cè)周期的第一部分期間，Φ0為高，Φ 1為低，且ΦΤχ為低。在感測(cè)周期的第二部分期間，Φ0為低，Φ 1為高，且ΦΤχ為低。在感測(cè)周期的第三部分期間，Φ0為低，Φ1為高,且ΦΤχ為高?，F(xiàn)在將討論圖7示出的電路1300的性能。通過(guò)擺脫DC移位，SNR已經(jīng)改善了 2 倍。通過(guò)對(duì)AC噪聲進(jìn)行濾波，給定頻率f (高于RC濾波器的截止頻率)下的SNR由比率f/ fc改善SNR= Δ Cs/Cf inger* (Vf/Vnpp) *f/fcl為示例說(shuō)明改善量，給出一個(gè)示例，其中考慮噪聲為在450KHZ處的純音調(diào)，針對(duì)該噪聲，未改善的SNR = 0. 18。具有改善時(shí)(此時(shí) Δ Cs = 0. 2pF, Cfinger = 0. 5pF, Vf = 1. 8V, Vnpp = 2V, f = 450kHz, fcl =191kHz)SNR = 0. 84因此SNR改善了 4. 6倍。如先前所討論的，DC移位消除的精確性以及在濾波器輸出(outC2VRCfiltered) 處的剩余AC的幅度直接制約SNR值。使用RC濾波器主要的限制與其響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。對(duì)于 RC濾波器的給定截止頻率，需要大約6*R*C的時(shí)間來(lái)使得濾波器的輸出合適地建立其最終值。換言之，為了給定積分的持續(xù)時(shí)間，截止頻率不能設(shè)置得太低。結(jié)果是，即使完全消除 DC移位，AC剩余分量仍然存在，從而影響SNR。簡(jiǎn)單RC濾波器的一種替代方案是使用如圖8所示的RC積分器1402。RC積分器 1402包括放大器1404、輸入電阻器RFi及切換反饋電容器CFi。圖8還示出了 RC濾波器與 RC積分器的對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)對(duì)比頻率圖(波特圖1406及1408)。
需要調(diào)整積分的持續(xù)時(shí)間使得積分器的輸出從不超過(guò)最大擺幅。當(dāng)C2V轉(zhuǎn)換器的輸出在其最大擺幅(Vdd)時(shí)，在時(shí)段tint內(nèi)，積分器輸出處的輸出擺幅為AVout = Vdd/2R*tint/C，且調(diào)整tint等于RC以使得Δ Vout從不超過(guò)Vdd/2。換言之，RC積分器具有單位增益。對(duì)于RC濾波器，通過(guò)確保6*RC = tint來(lái)選擇RC，(例如)tint為5 μ s，導(dǎo)致截止頻率為191kHz，且對(duì)于fc以上的頻率，增益滾降(roll-off)為6/(tint)。對(duì)于RC積分器，增益滾降1/(tint)。這意味著在高頻處的AC衰減是RC濾波器的6倍。對(duì)于在高頻處的增益，RC積分器與32kHz的RC濾波器類似。回到450kHz噪聲音調(diào)的示例，這轉(zhuǎn)化為SNR改善6倍，導(dǎo)致SNR等于5，這意味著原始的SNR = 0. 18已經(jīng)改善了 27倍。仔細(xì)參看圖8示出的濾波器的波特圖，可以觀察到兩個(gè)系統(tǒng)行為之間根本的差別。RC濾波器表現(xiàn)出低頻時(shí)趨于OdB的波特圖，而RC積分器表現(xiàn)出在低頻處增益增加。這可能轉(zhuǎn)化為趨于低頻時(shí)SNR的損失。然而，由于噪聲包含在一定帶內(nèi)且其表現(xiàn)出一定的功率頻譜，RC積分器的整體效應(yīng)分析起來(lái)很復(fù)雜。使用噪聲模型以模擬系統(tǒng)，且結(jié)果是本發(fā)明該第二個(gè)提出的版本將SNR改善了至少兩倍，其產(chǎn)生接近10倍的總體改善。下面將參照?qǐng)D9進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明第一方面的第二實(shí)現(xiàn)方案。電路1500包括外部Csample電容器、開(kāi)關(guān)矩陣1502、電荷放大器1504和Chold電容器、RC積分器1506 以及采樣和保持及DC消除模塊1508。Φ0、Φ1、Φ2、ΦΤχ階段的時(shí)序由圖10示出。圖9的系統(tǒng)包括用于消除放大器偏移的裝置。這些裝置為標(biāo)準(zhǔn)裝置并為本領(lǐng)域已知，且在圖中并未表示出來(lái)。在RC積分器1506內(nèi)而不是C2V 1504內(nèi)執(zhí)行DC移位消除。源自噪聲的DC移位在階段ΦΤχ以及Φ 1期間積分。結(jié)果，由于預(yù)測(cè)到持續(xù)的DC移位將要在ΦΤχ階段進(jìn)一步積分，在Φ 1結(jié)束時(shí)觀察到的DC必須被減去兩次。這可通過(guò)對(duì)電容CSH(其等于積分電容Cfi 的兩倍)進(jìn)行充電并就在ΦΤχ開(kāi)始之前將電容CSH放電到Cfi來(lái)完成。替代地，積分電容 Cfi可在ΦΤχ期間簡(jiǎn)單互易(swap)，這在不需要任何額外電容代價(jià)的情況下將會(huì)產(chǎn)生精確相同的結(jié)果，但是其要求額外的開(kāi)關(guān)。“互易”意思是就在ΦΤχ轉(zhuǎn)變之前，Cfi的左/右端可以斷開(kāi)連接且反過(guò)來(lái)重新連接。積分器的輸出電壓將從V0UT2(參見(jiàn)圖9) =VCM+V (Cfi) 變化到 V0UT2 = VCM-V (Cfi)。本發(fā)明第一方面可以總結(jié)為以下描述。輸入噪聲在C2V轉(zhuǎn)換器內(nèi)引起原始DC移位，DC移位由在C2V開(kāi)始其積分時(shí)的外部噪聲的值限定。提出了一種架構(gòu)及“協(xié)議”以用來(lái)消除DC移位及有效過(guò)濾剩余的HF噪聲紋波。所述架構(gòu)由常規(guī)C2V轉(zhuǎn)換器、低通濾波器或者優(yōu)選地能夠?qū)F進(jìn)行濾波且能夠恢復(fù)DC的RC積分器組成。所述架構(gòu)還包括能夠直接在C2V轉(zhuǎn)換器內(nèi)或者RC積分器內(nèi)消除 DC移位的一種額外“偏移”結(jié)構(gòu)。所述“偏移”結(jié)構(gòu)可以由電容器加開(kāi)關(guān)或者只由電容器組成。所述協(xié)議包括在其中復(fù)位輸入電容的復(fù)位階段(R)、在其中對(duì)噪聲進(jìn)行積分的監(jiān)測(cè)(M)階段以及發(fā)生在積分階段開(kāi)始早期且持續(xù)一小段時(shí)間的“瞬時(shí)”消除(Ca)事件。在這個(gè)特定時(shí)間中，先前積分的噪聲被消除。還包括在其中對(duì)噪聲和信號(hào)都進(jìn)行積分的積分 ⑴階段。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明第二方面，除了先前已經(jīng)公開(kāi)的之外，其涉及插入轉(zhuǎn)變時(shí)間時(shí)段。這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間時(shí)段涉及本發(fā)明第一方面中并不存在的額外階段Φ3。參看圖12，其示出了具有從COL 0到COL M的列線以及從ROW 0到ROW N的行線的電容式觸摸板1800。圖 13示出了對(duì)應(yīng)的電路表示1900，其中觸摸板示出為分布式電容性和電阻性電路陣列。注意，標(biāo)識(shí)出了陣列中的第一電容器CScitl以及陣列中的最后一個(gè)電容器(^_?，F(xiàn)在參看圖14，基本如先前描述的電路2000包括包含電荷放大器2002的電荷到電壓部分以及包含放大器2004的低通濾波器或者積分器部分。圖14還示出了對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖，其中示出了輸入信號(hào)Vin并且還示出了電壓OUTl和0UT2。Vin為由開(kāi)關(guān)S2/S4(參見(jiàn)圖4/圖5)激活的強(qiáng)制信號(hào)(參見(jiàn)圖3)。OUTl電壓為電荷放大器2002的輸出，且0UT2電壓為放大器2004的輸出。從時(shí)間t0到tl為積分/檢測(cè)時(shí)間。由于在不同平板位置處的 RC負(fù)載不同，即比較CStltl和CSm，0UT2電壓將會(huì)不同?，F(xiàn)在參看圖15，基本如先前描述的電路2100包括包含電荷放大器2102的電荷到電壓部分以及包含放大器2104的低通濾波器或者積分器部分，以及用于選擇性地將OUTl 電壓耦合到低通濾波器的輸入的開(kāi)關(guān)SWl (先前并未描述)。圖15也示出了對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖， 其中示出了輸入信號(hào)Vin并且還示出了電壓OUTl和0UT2。OUTl電壓為電荷放大器2102 的輸出，且0UT2電壓為放大器2104的輸出。在M&I(監(jiān)測(cè)和積分)時(shí)段之前實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變時(shí)間 T，以便給平板時(shí)間來(lái)統(tǒng)一地建立，無(wú)論被強(qiáng)制/感測(cè)的位置如何。通過(guò)插入開(kāi)關(guān)SWl來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變時(shí)間，如圖15所示。開(kāi)關(guān)SWl —直打開(kāi)直到時(shí)間t0 ；Sffl在從時(shí)間t0到tl的時(shí)段期間為閉合的?？傊?，本發(fā)明第二方面包括在其中復(fù)位輸入電容的復(fù)位階段(R)、在其中觸摸矩陣有時(shí)間建立的轉(zhuǎn)變階段(T)、在其中對(duì)噪聲進(jìn)行積分的監(jiān)測(cè)(M)階段以及發(fā)生在積分階段開(kāi)始早期且持續(xù)一小段時(shí)間的“瞬時(shí)”消除(Ca)事件。在這個(gè)特定時(shí)間中，先前積分的噪聲被消除。轉(zhuǎn)變階段(T)是在其中觸摸矩陣有時(shí)間建立的階段，且積分(I)階段是在其中對(duì)噪聲和信號(hào)兩者都進(jìn)行積分的階段。考慮RMI協(xié)議(本發(fā)明第一方面)，由于在M之前的R(R =復(fù)位)本身具有轉(zhuǎn)變到0的效果，所以只需要一個(gè)轉(zhuǎn)變T。RMTI協(xié)議由RMI協(xié)議推導(dǎo)出。然而，如以下將要進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，也考慮RMI協(xié)議，這要求一個(gè)T在I之前以及一個(gè)T在M之前。結(jié)果是，實(shí)現(xiàn)了 RTMTI協(xié)議?，F(xiàn)在參看圖16，其示出了供在本發(fā)明第一及第二方面中使用的C2V轉(zhuǎn)換器或者電荷放大器2200的實(shí)際實(shí)施方式。電路2200基本如先前描述的。電容器CC與三個(gè)周圍開(kāi)關(guān)一起形成了如先前提到的放大器的未要求保護(hù)的偏移消除電路，且這在本領(lǐng)域中已知。 電容器CC及三個(gè)周圍開(kāi)關(guān)旨在消除放大器的偏移。這與先前描述的S/H以及DC消除不相關(guān)。給出了與每個(gè)開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的階段，基本如先前所描述的。圖16的最終開(kāi)關(guān)在本發(fā)明第一方面中由Φ 1控制，而在本發(fā)明第二方面中由Φ3控制?，F(xiàn)在參看圖17，其示出了供在本發(fā)明第一及第二方面中使用的LPF或者RC積分器2300的實(shí)際實(shí)施方式。電路2300基本如先前描述的。電容器CC的值為lpF，且電容器 Cfi的值為2pF。給出了與每個(gè)開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的階段，基本如先前所描述的。C2V輸出電壓如下最大信號(hào)=Vcm+Cs/Chold*Vdd最大 noisepp = Vnpp氺Cfinger/Chold
最大C2V 輸出=Vcm+Cs/Cho 1 d*Vdd+Vnpp*Cf inger/Cho 1 d < Vdd=> (Cs*Vdd+Cfinger*Vnpp)/Chold < Vcm=> Ci > (Cs*Vdd+Cfinger*Vnpp)/Vcm= (2pF*l. 8V+0. 5pF*2V)/0. 9V = 5. IlpF=> Chold = 6pF (Chold-15%= 5. IpF)上述方程描述了怎樣正確地確定Chold電容的大小來(lái)確保C2V轉(zhuǎn)換器的輸出從來(lái)不到達(dá)飽和。上述方程的推導(dǎo)假設(shè)給定Cs電容值、給定電源電壓Vdd、給定噪聲電壓Vnpp、 給定Cfinger電容值以及進(jìn)一步假設(shè)任何集成電容能夠在其期望值的士 15%內(nèi)改變。圖11示出了與本發(fā)明第二方面相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖，其包括Φ0信號(hào)1702、Φ 1信號(hào) 1704以及Φ2信號(hào)1706。值得注意的是，在本發(fā)明第一及第二方面中，在第一 T時(shí)段之后， RC積分器復(fù)位一次。還描述了 ΦΤχ信號(hào)1708、Φ3信號(hào)1710、C2V輸出信號(hào)1712以及低通濾波器輸出信號(hào)1714。現(xiàn)在主要參看圖18至圖22，將描述關(guān)于數(shù)字噪聲消除的本發(fā)明第三方面。定制先前呈現(xiàn)及描述的協(xié)議以適應(yīng)DC移位的模擬消除。本發(fā)明的模擬方法能夠擴(kuò)展到使用ADC。在這種特定情況下，不再使用模擬“偏移”結(jié)構(gòu)，且有利地使用先前描述的原始協(xié)議來(lái)在每個(gè)周期中執(zhí)行兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換，第一轉(zhuǎn)換(單純?cè)肼暤霓D(zhuǎn)換)在第二 T時(shí)段期間執(zhí)行，剛好在M時(shí)段之后。第二轉(zhuǎn)換(信號(hào)+噪聲的轉(zhuǎn)換)在下一周期的第一 T時(shí)段期間執(zhí)行。當(dāng)ADC執(zhí)行其轉(zhuǎn)換時(shí)，RC積分器只需在T時(shí)段期間保持信號(hào)。換言之，在M時(shí)段之后，在T時(shí)段期間在RC積分器之內(nèi)保持電壓，使得ADC能夠執(zhí)行轉(zhuǎn)換以獲得噪聲值。在T時(shí)段結(jié)束時(shí)，RC積分器復(fù)位。在I以及下一個(gè)R時(shí)段之后，再次在T時(shí)段期間在RC積分器之內(nèi)保持電壓，使得 ADC可執(zhí)行信號(hào)+噪聲轉(zhuǎn)換。需要注意到，在每個(gè)T時(shí)段之后，不論T是在M時(shí)段之前還是在I時(shí)段之前，RC積分器都將復(fù)位，因?yàn)椴辉儆姓`差的模擬消除，而所述誤差通過(guò)由ADC完成的兩個(gè)連續(xù)的讀出之間的差別來(lái)消除。這與在其中RC積分器只在第一 T時(shí)段之后復(fù)位一次的本發(fā)明第一
和第二方面有顯著差別。也需要注意的是，為某些目的，Μ&Ι時(shí)段可以互易，因?yàn)樵谛蛄袨門MTI的情況下，輸出信號(hào)可計(jì)算為S = (S+N)-N，及在序列為TITM的情況下，輸出信號(hào)可計(jì)算為S = -[N-(S+N)]。換言之，數(shù)字消除允許使用兩種不同的協(xié)議RTMTI及RTITM。這個(gè)特征在上述提及的通過(guò)參考引入的共同未決專利申請(qǐng)中得以描述。如以下將要進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，也可將兩個(gè)先前描述的協(xié)議與模擬消除一起使用，只要對(duì)Tx信號(hào)時(shí)序做一些修改。圖18示出了適用于本發(fā)明的數(shù)字噪聲消除方法的電容到電壓轉(zhuǎn)換器MOO。圖19示出了適用于本發(fā)明的數(shù)字噪聲消除方法的低通濾波器(RC積分器)2500。 注意到，開(kāi)關(guān)2504且因而RC積分器2500只在如先前關(guān)于本發(fā)明第二方面所討論的M和I 時(shí)段期間啟用。先前版本(模擬)確實(shí)包括S/H結(jié)構(gòu)，而其數(shù)字版本中不存在這樣的結(jié)構(gòu)。 如上述所討論的，階段相同但是Φ2的時(shí)序不同。現(xiàn)在參見(jiàn)圖20，其示出具有3個(gè)操作周期的RTMTI操作模式。示出了階段切換波形洸02、2604、洸06、2608及洸10，以及C2V轉(zhuǎn)換器的輸出洸12及ADC的輸出洸14。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖21，其示出具有3個(gè)操作周期的RTITM操作模式。示出了階段切換波形2702、2704、2706、2708及2710，以及C2V轉(zhuǎn)換器的輸出2712及ADC的輸出2714。現(xiàn)在參見(jiàn)圖22，其示出具有3個(gè)操作周期的組合操作模式。示出了階段切換波形 2802,2804,2806,2808及沘10，以及C2V轉(zhuǎn)換器的輸出2812及ADC的輸出2814。 任何協(xié)議RTMTI、RTITM對(duì)特定噪聲頻率敏感。示例1 :RTMTI RTMTI RTMTI RTMTI在該示例中，存在具有時(shí)段Ttl的信號(hào)S，其在每個(gè)I時(shí)段被捕獲，這使得信號(hào)S對(duì)在Ttl時(shí)段或者Ttl時(shí)段的約數(shù)或者倍數(shù)中發(fā)生的任何擾動(dòng)都很敏感。示例2:RTITM RTITM RTITM RTITM在該示例中存在相同的敏感度。示例3:RTITM RTMTI RTITM RTMTI在該示例中，協(xié)議對(duì)時(shí)段Ttl的約數(shù)或者倍數(shù)不敏感，但是對(duì)頻譜中的其他范圍敏感。注意到，對(duì)于后續(xù)操作模式，在I時(shí)段之間的時(shí)段比時(shí)段Ttl小或者大。示例4:RTITM RTITM RTMTI RTMTI RTITMRTITM在該示例中示出了另一種組合。通過(guò)選擇序列，可以確保系統(tǒng)不對(duì)特定音調(diào)的噪聲/激勵(lì)敏感。值得注意的是，不存在最佳選擇，只存在一個(gè)或者多個(gè)在特定操作環(huán)境中不敏感的優(yōu)選序列?？傊景l(fā)明第三方面的方法是一種用于操作觸摸屏系統(tǒng)前端的協(xié)議，其包括在其中復(fù)位輸入電容的復(fù)位階段(R)、在其中觸摸矩陣有時(shí)間建立的轉(zhuǎn)變階段(T)、在其中對(duì)噪聲進(jìn)行積分的監(jiān)測(cè)(M)階段、在其中觸摸矩陣有時(shí)間建立的轉(zhuǎn)變階段(T)以及在其中對(duì)噪聲和信號(hào)兩者進(jìn)行積分的積分階段(I)。Tx的下降沿用于對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行積分。通過(guò)對(duì)噪聲及信號(hào)+噪聲的雙采樣來(lái)完成噪聲消除。更確切地，這實(shí)際上是噪聲的相關(guān)雙采樣。如圖21所示，RTITM協(xié)議也是可能的。在這種情況下，Tx的下降沿用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，且 Tx的上升沿用于“移除”信號(hào)的DC分量?，F(xiàn)在將關(guān)于圖3、圖23及圖M討論關(guān)于DC移位以及使用半供給輸入范圍ADC的本發(fā)明第四方面。如圖23示出的，強(qiáng)制信號(hào)四02的單獨(dú)一個(gè)沿，或者是下降沿用于將電荷從電容器Cs轉(zhuǎn)移到電容器Chold。舉例來(lái)說(shuō)，只使用下降沿，積分器輸出0UT2Q904)將會(huì)從VCM到地。這將只要求具有從VCM到地的輸入動(dòng)態(tài)范圍的ADC?，F(xiàn)在參看圖24，在監(jiān)測(cè)階段期間，由于噪聲電平可以為正或者負(fù)，0UT2電壓將如所示那樣在VCM之上或者之下。由于ADC只具有半供給輸入范圍，0UT2需要被電平移位1/4電源電壓。在圖M的時(shí)序圖中示出了強(qiáng)制信號(hào)3002、Voffset信號(hào)3004以及 Vcm* (Coffset/Cint)信號(hào) 3006。圖3示出的電路902為了這個(gè)目的而實(shí)施。在監(jiān)測(cè)階段之前的轉(zhuǎn)變階段期間， Voffset從VCM翻轉(zhuǎn)到地，且0UT2下移了 Vcm* (Coffset/Cint)。噪聲電平正好移動(dòng)到ADC 輸入范圍的中心，且所述噪聲可在ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍從VCM到地的情況下轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼?，F(xiàn)在將討論本發(fā)明第五方面，其涉及組合了 RTMTI/RTITM協(xié)議的噪聲的模擬消除。按照根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字消除協(xié)議，需要注意以下幾點(diǎn)。在每個(gè)T時(shí)段之后，RC積分器將復(fù)位。M時(shí)段提供“噪聲”而I時(shí)段提供“信號(hào)+噪聲”。無(wú)論順序如何(RTMTI或者RTITM)， 信號(hào)可由其間的差別恢復(fù)。在RTMTI協(xié)議及RTITM協(xié)議期間，信號(hào)在Tx信號(hào)的下降沿(C2V的輸出上升到上限范圍，及RC積分器的輸出下降到下限范圍)期間轉(zhuǎn)換(在C2V中)。只有在RTITM期間，在Tx信號(hào)的上升沿期間(C2V的輸出回到0) “移除”信號(hào)。當(dāng)存在信號(hào)時(shí)C2V的輸出總是去往上限范圍，而RC積分器的輸出總是去往下限范圍。根據(jù)本發(fā)明第五方面，描述了在不需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)做任何額外改變，尤其是不需要ADC輸入范圍要求有任何改變的情況下，怎樣也可以將RTITM協(xié)議擴(kuò)展到模擬消除的方法。以下討論可參見(jiàn)描述本發(fā)明第一及第二方面的圖16及圖17。根據(jù)本發(fā)明的模擬消除協(xié)議，在每個(gè)RTMCaTI或者RTICaTM周期，RC積分器只復(fù)位一次。這類似于關(guān)于本發(fā)明第一方面所描述的情形。更確切地說(shuō)，RC積分器的復(fù)位發(fā)生在第一個(gè)T結(jié)束時(shí)(如果使用RTMCaTI，其恰好在M前面，或者如果使用RTICaTM，則其恰好在I前面)。在RTMCaTI協(xié)議期間，信號(hào)在Tx信號(hào)的下降沿期間(C2V的輸出上升)轉(zhuǎn)換，這類似于關(guān)于本發(fā)明第一方面所描述的情形。在RTICaTM協(xié)議期間，信號(hào)在Tx信號(hào)的上升沿期間(C2V的輸出下降)轉(zhuǎn)換。這是與本發(fā)明第一方面的主要不同。完全如關(guān)于本發(fā)明第一方面已經(jīng)描述的那樣執(zhí)行消除。以下描述在RTICaTM協(xié)議期間基本行為的差別。由于在Tx上升時(shí)(Tl時(shí)段)，“信號(hào)+噪聲”首先積分在TI期間，C2V的輸出去往下限范圍；在I期間，RC積分器的輸出去往上限范圍；以及在I階段結(jié)束時(shí)，在Ca期間，RC積分器的輸出擺動(dòng)回到下限范圍，因?yàn)檎趫?zhí)行消除操作“信號(hào)+噪聲”-2* “信號(hào)+噪聲”=-“信號(hào)+噪聲”消除執(zhí)行一種從一個(gè)范圍(上限)到另一個(gè)范圍(下限)的“回掃”函數(shù)。在Ca之后且在TM期間，RC積分器的輸出總是保持在下限范圍，且DC移位完全如已經(jīng)關(guān)于本發(fā)明第四方面描述的那樣實(shí)現(xiàn)。C2V的架構(gòu)類似于針對(duì)本發(fā)明第二方面的圖16(使用Φ3)所描述的架構(gòu)。值得注意的是，在此階段ΦΤχ信號(hào)盡管具有相同的名稱，但就時(shí)序而言與先前討論的不同。RC積分器的架構(gòu)與圖17描述的架構(gòu)相似。值得注意的是，在第一轉(zhuǎn)變之后，Φ2 信號(hào)每個(gè)時(shí)段發(fā)生一次，而在數(shù)字消除模式中，Φ2信號(hào)在每個(gè)T時(shí)段之后發(fā)生?，F(xiàn)在參看圖25，其示出了涉及表示交替的RTMT I、RTMT I、RTITM以及RTITM操作模式的周期1到周期4的操作周期的時(shí)序圖。示出了相位信號(hào)3302、3304以及3306。也示出了 電壓節(jié)點(diǎn)信號(hào) 3308、3310、3312、3314、3316 以及 3318。圖25強(qiáng)調(diào)了在數(shù)字消除和模擬消除擴(kuò)展到RTITM協(xié)議的(或者反之亦然)的情況下ΦTx信號(hào)、V(OUT 1)、V(0UT2)的差別。Φ2信號(hào)并未表示，因?yàn)閷?duì)于模擬消除，在圖10及圖11中已經(jīng)充分地標(biāo)示，而對(duì)于數(shù)字消除，在圖20、圖21及圖22中已經(jīng)充分地標(biāo)示。V(TXAC)表示在模擬消除情況下的ΦΤχ，而V(T)(DC)表示在數(shù)字消除情況下的ΦΤχ。 V(0UT1_AC)和V(0UT2_AC)表示模擬消除。V(0UT1_DC)和V(0UT2_DC)表示數(shù)字消除?？梢宰⒁獾?，RC積分器的輸出V(0UT2_AC)可擺動(dòng)到兩個(gè)范圍。然而，在發(fā)生Ca(消除)事件時(shí)，其總是回復(fù)到下限范圍。
值得注意的是，此處并未實(shí)現(xiàn)關(guān)于本發(fā)明第四方面所描述的DC偏移結(jié)構(gòu)，且噪聲信號(hào)以VCM為中心，而不是以下限范圍的中間為中心。這對(duì)于理解該系統(tǒng)是不重要的。總之，根據(jù)本發(fā)明第五方面，使用RTMTI/RTITM操作模式的模擬消除方法的益處如下。使用RTMTI和RTITM協(xié)議的能力對(duì)于音調(diào)噪聲的剔除非常理想，如先前關(guān)于本發(fā)明第三方面所描述的。使用模擬消除的能力對(duì)于抑制每周期一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換很有用。然而，如果ADC輸入范圍需要覆蓋下限范圍和上限范圍，其將是不利的，因?yàn)檫@將使得ADC設(shè)計(jì)更復(fù)雜。本發(fā)明第五方面代表了處理上述兩個(gè)限制的方式。本發(fā)明第五方面通過(guò)使用先前描述的模擬消除架構(gòu)，以及依賴于選擇了 RTMTI還是RTITM來(lái)選取合適的TX(TXAC)時(shí)序來(lái)滿足這些要求。值得注意的是，為清楚起見(jiàn)，在先前的時(shí)序圖中并未包括監(jiān)測(cè)階段期間的DC移位。然而，如果想要使用具有半供給輸入范圍的ADC，則應(yīng)當(dāng)將其實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在參看本發(fā)明第六方面，描述用以改善SNR以及ADC分辨率的過(guò)采樣。如先前所描述的，有多種改善觸摸屏系統(tǒng)SNR的方法。這些方法中的一個(gè)是使用許多周期且對(duì)結(jié)果求平均。平均操作可使用模擬累加器在模擬域中完成，或者替代地在數(shù)字域中完成。假定使用N位ADC來(lái)執(zhí)行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，且假設(shè)執(zhí)行Nacc個(gè)周期的累積。根據(jù)過(guò)采樣理論，在ADC輸入信號(hào)的一些條件下，對(duì)每個(gè)四倍過(guò)采樣，ADC轉(zhuǎn)換的分辨率可以擴(kuò)展一位。換言之，在N= 10位的ADC以及Nacc = 16個(gè)周期的情況下，可獲得12位的分辨率。根據(jù)本發(fā)明，C2V以及RC積分器模塊以如下方式實(shí)現(xiàn)，使得RC積分器輸出處的噪聲被稱作“白”噪聲，且噪聲幅度在10位ADC的兩個(gè)LSB范圍內(nèi)。在這個(gè)條件下，過(guò)采樣理論有效且可有利地使用以降低針對(duì)給定系統(tǒng)分辨率要求的ADC分辨率要求。進(jìn)一步擴(kuò)展這個(gè)概念，且通過(guò)折中觸摸矩陣掃描速率，可以將系統(tǒng)的分辨率擴(kuò)展到14-16位。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，在不違背本發(fā)明精神或者范圍的情況下，在本發(fā)明中可以做出各種修改及變化。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，可使用替代電路實(shí)施方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的等同實(shí)施方式。另外，雖然為了幫助理解本發(fā)明而示出了代表性模塊圖， 但是模塊之間的具體邊界可以根據(jù)特定應(yīng)用或者實(shí)施方案的需要而改變、組合或者分離出來(lái)。因此，本發(fā)明旨在于覆蓋只要其在所附權(quán)利要求以及其等同方案的范圍內(nèi)的本發(fā)明的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種具有改善的信噪比的、用于觸摸屏系統(tǒng)的電容式感測(cè)模擬前端，包括 電容到電壓轉(zhuǎn)換器，具有用于耦合到外部采樣電容器的輸入；加法器，具有耦合到所述電容到電壓轉(zhuǎn)換器的輸出的第一輸入； 低通濾波器，具有耦合到所述加法器的輸出的輸入及用于提供輸出信號(hào)的輸出；以及采樣和保持電路，具有耦合到所述低通濾波器的輸出的輸入及耦合到所述加法器的第二輸入的輸出。
2.如權(quán)利要求1的前端，其中所述加法器的第一輸入包括正輸入。
3.如權(quán)利要求1的前端，其中所述加法器的第二輸入包括負(fù)輸入。
4.如權(quán)利要求1的前端，其中所述低通濾波器包括RC濾波器。
5.如權(quán)利要求1的前端，其中所述低通濾波器包括RC積分器。
6.一種用于操作電容式觸摸屏系統(tǒng)的方法，包括在監(jiān)測(cè)時(shí)段期間提取觸摸信號(hào)的DC 移位，以及然后在對(duì)所述觸摸信號(hào)進(jìn)行積分之前減去所述DC移位。
7.一種具有改善的信噪比的、用于觸摸屏系統(tǒng)的電容式感測(cè)模擬前端，包括 開(kāi)關(guān)矩陣，具有用于耦合到外部采樣電容器的輸入、第一輸出和第二輸出； 第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)，耦合到所述開(kāi)關(guān)矩陣的所述第一輸出；第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)，耦合到所述開(kāi)關(guān)矩陣的所述第二輸出； 電荷放大器，具有耦合到所述第三開(kāi)關(guān)的輸入； 低通濾波器，具有耦合到所述電荷放大器的輸出的輸入；以及采樣和保持電路，具有選擇性地耦合到所述低通濾波器的所述輸出的輸入及用于選擇性地提供輸出信號(hào)的輸出。
8.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第一開(kāi)關(guān)耦合在所述開(kāi)關(guān)矩陣的第一輸出與地之間。
9.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第二開(kāi)關(guān)耦合在所述開(kāi)關(guān)矩陣的第一輸出與VDD之間。
10.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第三開(kāi)關(guān)耦合在所述開(kāi)關(guān)矩陣的第二輸出與所述電荷放大器的輸入之間。
11.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第四開(kāi)關(guān)耦合在所述開(kāi)關(guān)矩陣的第二輸出與參考電壓之間。
12.如權(quán)利要求7的前端，進(jìn)一步包括用于切換與所述電荷放大器相關(guān)聯(lián)的保持電容器的第五開(kāi)關(guān)。
13.如權(quán)利要求7的前端，進(jìn)一步包括耦合在所述低通濾波器的輸出與所述采樣和保持電路的輸入之間的第六開(kāi)關(guān)。
14.如權(quán)利要求7的前端，其中所述低通濾波器包括RC濾波器。
15.如權(quán)利要求7的前端，其中所述低通濾波器包括RC積分器。
16.如權(quán)利要求7的前端，包括第一操作模式、第二操作模式以及第三操作模式。
17.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第二開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)在所述第一操作模式期間閉I=I O
18.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第三開(kāi)關(guān)在所述第二操作模式期間閉合。
19.如權(quán)利要求7的前端，其中所述第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)在所述第三操作模式期間閉合。
20.如權(quán)利要求7的前端，其中操作所述開(kāi)關(guān)使得在監(jiān)測(cè)時(shí)段期間提取與所述外部采樣電容器相關(guān)聯(lián)的觸摸信號(hào)的DC移位，且然后在對(duì)所述觸摸信號(hào)進(jìn)行積分之前減去所述 DC移位。
全文摘要
一種具有改善的信噪比的、用于觸摸屏系統(tǒng)的電容式感測(cè)模擬前端，包括電容到電壓轉(zhuǎn)換器，具有用于耦合到外部采樣電容器的輸入；加法器，具有耦合到所述電容到電壓轉(zhuǎn)換器的輸出的第一輸入；低通濾波器，具有耦合到所述加法器的輸出的輸入及用于提供輸出信號(hào)的輸出；采樣和保持電路，具有耦合到所述低通濾波器的輸出的輸入及耦合到所述加法器的第二輸入的輸出。通過(guò)在監(jiān)測(cè)時(shí)段期間提取觸摸信號(hào)的DC移位，且然后在對(duì)所述觸摸信號(hào)進(jìn)行積分之前減去所述DC移位，觸摸屏系統(tǒng)的信噪比得以改善。
文檔編號(hào)G06F3/044GK102207804SQ20111008257
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者K·A·尼恩格拉特, K·坦, Y·格唐, 郭佃波 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體亞太私人有限公司