用于電容觸摸感應觸摸屏面板的差動電流模式模擬前端電路的制作方法
本發明涉及觸摸感應功能的有源矩陣液晶顯示(LCD)面板(或觸摸屏)。更具體地說，涉及一種電容觸摸屏的電容觸摸感應電路。
背景技術：
觸摸感應功能的有源矩陣LCD顯示面板(或觸摸屏)，是一個有源矩陣LCD面板，它具有一個額外的功能，即檢測可能的手指和/或點指設備在面板上的觸碰位置。一個電容觸摸屏包括涂有透明導體的絕緣體，例如玻璃。因為人體也能導電，觸摸到屏幕的表面會導致屏幕上的靜電場失真，并產生可測量的電容變化。各種各樣的技術可以用來檢測觸碰點的位置，例如投射式電容觸摸(PCT)技術。
與LCD面板的像素網格相比，PCT使用的是一種X-Y(或縱列-橫排)網格的電極。相同電壓應用于每個縱列或橫排電極(驅動線)上，從而創建了一個統一的靜電場。當一個導體，例如人類手指或導電筆，接近電極網格上的一個點時，會導致這個點的靜電場失真，這個失真是可測量的，具體體現為電容變化。每個電容網格點上電容變化能夠被準確的測量，從而通過測量其他電極軸(感應線)的感應信號電壓電荷來確定觸摸位置。
在傳統PCT型電容觸摸屏面板中，在用于觸摸控制器應用之前，感應信號電壓電荷通過一個模擬前端電路的電壓電荷放大器被放大。圖1展示了一個傳 統的電壓電荷放大器。電壓放大率通過下列的方程表征:
其中，iΔcm是當檢測到觸摸時的感應信號電流，icm是共模電流，inoise是噪聲電流。
通過方程(1)可以得知，傳統的電壓電荷放大器至少存在兩個問題：
1.輸出電壓Vout的電壓空間受限于運算放大器的電源電壓和積分電容C的大小。在許多情況下，與運算放大器的動態范圍相比，共模電流和噪聲電流占據了電源電壓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調節噪音，且只有一小部分電壓范圍供感應信號電流iΔcm使用。
2.為了適應共模電流、噪聲電流和感應信號電流iΔcm，積分電容C必須足夠大以減弱運算放大器輸出電壓。這導致了模擬前端電路需要大型的芯片尺寸。
技術實現要素：
本發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功能具有以下優勢：較小的模擬前端電路芯片尺寸，提升SNR，在所有的感應線路中提供有效的并行差分感應，更好的共模噪音抑制，以及更穩定的可編程信號電流增益。
本發明的一個目的是，提供一種模擬前端電路，它以電流模式處理感應信號，只允許感應信號電流通過其積分電容。通過這種方式，不再需要大型積分電容來儲存過多的共模電荷，因此，模擬前端電路的芯片尺寸可以顯著減少。通過噪音抑制，輸出電壓的整個電壓范圍可以用于代表感應信號，從而顯著提 升信噪比。
本發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器的模擬前端電路。
本發明的優選方案中，所述模擬前端電路包括電流模式差動電荷放大器和差動電流-電壓轉換器。電流模式差動電荷放大器從邏輯上可以分為兩個階段。第一階段包括帶有電流復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。
應用于帶有互電容觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板時，每個感應線連接至單位增益緩沖器的負輸入，并由單位增益緩沖器內的單位增益反饋運算放大器驅動，單位增益反饋運算放大器的正輸入端連接至一個恒定參考電壓。共模電流(從驅動線到感應互電容之間的電流)、噪聲電流、以及從感應線接收的感應信號電流(有觸碰發生時)，被復制并輸入到電流鏡像和放大電路。根據比例因子，電流鏡像和放大電路產生一個正比例和負比例輸出電流。然后，將正比例輸出電流與相鄰感應線的負比例輸出電流進行合成。最后，將所生成的差動電流輸入差動電流-電壓轉換器，生成用于觸摸控制器應用的輸出電壓。
應用于帶有自電容觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板時，每個感應線連接至單位增益緩沖器的負輸入，并由單位增益緩沖器內的單位增益反饋運算放大器驅動，單位增益反饋運算放大器的正輸入端連接至一個輸入到單位增益緩沖器正輸入端的切換驅動源電壓。共模電流(電容充電與放電之間的電流)、噪聲電流、以及從感應線接收的感應信號電流(有觸碰發生時)，被復制并輸入到電流鏡像和放大電路。根據比例因子，電流鏡像和放大電路產生一個正比例和負比例輸出電流。然后，將正比例輸出電流與相鄰感應線的負比例輸出電流進行合成。最后，將所生成的差動電流輸入差動電流-電壓轉換器，生成用于 觸摸控制器應用的輸出電壓。
與帶有互電容觸摸感應器和自電容觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板相似，本發明可用于混合式觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板，每個感應線連接至單位增益緩沖器負輸入端，并由單位增益緩沖器中的單位增益反饋運算放大器驅動，其中，單位增益反饋運算放大器的正輸入端按時間復用方式連接著一個恒定參考電壓和切換驅動源電壓。
附圖說明
下面將結合附圖對本發明的實施例作詳細描述，其中：
圖1是一種用于PCT型電容觸摸屏面板的傳統模擬前端電路中的傳統的電壓電荷放大器；
圖2是本發明一個實施例中用于帶有互電容觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板的模擬前端電路；
圖3是本發明一個實施例中用于帶有自電容觸摸感應器的PCT型電容觸摸屏面板的模擬前端電路；
圖4是本發明中實現帶有電流復制電路的單位增益緩沖器的一個MOSFET電路示例；
圖5是本發明中實現帶有電流復制電路的單位增益緩沖器的另一個MOSFET電路示例；
圖6是本發明中實現帶有電流復制電路的單位增益緩沖器的又一個MOSFET電路示例；
圖7是本發明中實現電流鏡像和放大電路的一個MOSFET電路示例；
圖8A是本發明中實現差動電流-電壓轉換器的一個RC低通放大器示例；
圖8b是本發明中實現差動電流-電壓轉換器的一個跨電阻放大器示例；
圖8c是本發明中實現差動電流-電壓轉換器的一個電荷積分器示例。
具體實施方式
以用于實現電容觸摸屏之電容觸摸感應功能的模擬前端電路為例進行說明。對本領域的技術人員來說，在此基礎上的修改，包括增添或替代，均未脫離本發明的范圍。
如圖2所示，本發明的一個實施例中，模擬前端電路包括電流模式差動電荷放大器101和差動電流-電壓轉換器102。電流模式差動電荷放大器101在邏輯上可以分為兩個階段。第一階段包括帶有電流復制電路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。
參照圖2，當應用于帶互電容觸控感應器的PCT型電容觸屏面板時，每根感應線105連接到單位增益緩沖器103的負輸入端，且由單位增益緩沖器103中的單位增益反饋運算放大器106驅動。單位增益反饋運算放大器106的正輸入終端被連接到一個恒定參考電壓107。從驅動線到感應互電容的共模電流icm是，噪聲電流inoise和感應信號電流iΔcm(當有觸碰發生時)被合成為一個輸入電流iin，其方程式為：
iin＝icm+inoise+iΔcm (2)
該輸入電流iin由感應線105接收，并被復制以產生一個上拉輸出電流108以及一個下拉輸出電流109，再輸入到電流鏡像和放大電路104。基于一個比例因子，電流鏡像和放大電路104根據上拉輸出電流108和下拉輸出電流109，分別產生了一個正比例和一個負比例輸出電流，分別表示為+β×iin和-β×iin，其中β是比例因子。然后，正比例輸出電流+β×iin與相鄰感應線的負比例輸出電 流-β×iin(n-1)進行合成，產生一個差動電流idiff(m)，其方程式為：
idiff(m)＝β×(iin(n)-iin(n-1)) (3)
當有觸碰發生于第n線，與方程式(2)結合，會有
idiff(m)＝β×(iΔcm(n)) (3.1)(3.1)
最終，生成的差動電流idiff(m)被注輸入到差動電流-電壓變換器102以生成用于觸摸控制器應用的輸出電壓Vout。
參照圖3，當應用于帶自電容觸控感應器的PCT型電容觸屏面板時，每根感應線205連接到單位增益緩沖器103的負輸入端，且由單位增益緩沖器103中的單位增益反饋運算放大器106驅動。單位增益反饋運算放大器106的正輸入終端被連接到一個切換驅動源電壓207。感應自電容充電或放電的共模電流iCself，噪聲電流inoise和感應信號電流iΔcm(當有觸碰發生時)被合成為一個輸入電流iin，其方程式為：
iin＝iCself+inoise+iΔcm (4)
該輸入電流iin由感應線205接收，并被復制以產生一個上拉輸出電流108以及一個下拉輸出電流109，再輸入到電流鏡像和放大電路104。基于一個比例因子，電流鏡像和放大電路104根據上拉輸出電流108和下拉輸出電流109，分別產生了一個正比例和一個負比例輸出電流，分別表示為+β×iin和-β×iin，其中β是比例因子。然后，正比例輸出電流+β×iin與相鄰感應線的負比例輸出電流-β×iin(n-1)進行合成，產生一個差動電流idiff(m)，可由方程式(3)表示。最終，生成的差動電流idiff(m)被注輸入到差動電流-電壓變換器102以生成用于觸摸控制器應用的輸出電壓Vout。
與帶有互電容觸控感應器的PCT型電容觸屏面板和帶自電容觸控感應器的PCT型電容觸屏面板類似，本發明還可應用于帶有混合式電容觸控感應器的 PCT型電容觸屏面板，每個感應線連接至單位增益緩沖器負輸入端，并由單位增益緩沖器中的單位增益反饋運算放大器驅動，其中，單位增益反饋運算放大器的正輸入端按時間復用方式連接著一個恒定參考電壓和切換驅動源電壓。
帶有電流復制電路103的單位增益緩沖器，可由圖4所示的MOSFET電路來實現。可以理解的是，本領域技術人員還可做出其他電路設計，以實現本發明實施例中所述帶有電流復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電路來實現。該電路的501部分會鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的502部分會基于比例因子放大該兩個電流，所述比例因子可通過控制輸出比例開關503進行調節。
電流鏡像和放大電路104還可由圖6所示的MOSFET電路來實現。該電路的601部分會鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的602部分會基于比例因子放大該兩個電流，所述比例因子可通過控制輸出比例開關603進行調節。
電流鏡像和放大電路104還可由圖7所示的MOSFET電路來實現。該電路的701部分會鏡像上拉輸出電流108和下拉輸出電流109。該電路的702部分會基于比例因子放大該兩個電流，所述比例因子可通過控制輸出比例開關703進行調節。
可以理解的是，本領域技術人員還可做出其他電路設計，以實現本發明實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，允許一個電流增益帶有可調的比例因子，從到β＝2，通過控制輸出比例開關按每步的方式調整。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信號電流的電壓余量利用率從而提高SNR，所以，可通過控制輸出比例開關，在對模擬前端電路進行初始配置時確定一個優選電流增益。
差動電流-電壓變換器102可由一個如圖8A所示的RC低通放大器實現，或由如圖8B所示的跨電阻放大器實現，或由如圖8C所示的電荷積分器實現。可以理解的是，本領域技術人員還可做出其他電路設計，以實現本發明實施例中所述差動電流-電壓變換器的相同功能和屬性。
因為在將正比例輸出電流+β×iin(n)與相鄰感應線的負比例輸出電流-β×iin(n-1)進行合成，在生成差動電流idiff(m)的過程中，已消除了共模電流和噪聲電流分量，所以差動電流-電壓變換器的輸出電壓Vout現在是：
這樣可放寬電壓余量，允許可配置電流增益的感應信號電流占據差動電流-電壓變換器的運算放大器的全動態范圍。這大大地提升了SNR(實驗顯示達到30到40dB)。其結果是不再需要大積分電容C(實驗顯示電容需要的減少量達到50pF到10pF)，并讓模擬前端電路的管芯尺寸得以減小。
由于差動電流-電壓變換器可同時滿足于所有感應線，因此沒有必要把感應線和參考感應線的處理分成兩個不同的階段，從而不必犧牲幀率。
在實際的應用中，上述實施例中的裝置可制成一個集成器件或一個集成電路。
在工業的應用中，該裝置可能被制造成一個有觸碰感應功能的顯示驅動器，或一個有控制圖象顯示和偵測屏幕觸碰功能的集成控制器。該裝置也可能被集成在一個交互顯示系統、智能手機或是平板電腦上。
上述實施例中的裝置可由以下方式實現：通用的或專門的計算設備，計算機處理器，或電子電路包括但不局限于專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)和其他根據本發明方案配置的可編程邏輯設備。運行在通用的或專門的計算機設備，計算機處理器，或可編程邏輯器件中的計算機指令或軟件代碼，可由本領域技術人員很輕松地編寫。
本發明的以上描述用于提供示意性說明和描述，而不應構成對本發明的限制。對于本領域技術人員來說，許多修改和變化均是顯而易見的。
本發明所選擇和描述的實施例，都是為了解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本領域技術人員可以理解還可根據實際使用需求而作出其他實施例和其他修改。本發明的范圍以權利要求中的內容及其同等方案為準。
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