專利名稱：一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電路架構，特別涉及一種用于電容式觸摸傳感器的高精度電容觸摸傳感控制電路架構。
背景技術：
電容式觸摸傳感器適用于目前采用傳統機械開關的任何產品之中，特別是小巧的便攜式產品，如新款手機或媒體播放器的菜單控制按鈕，利用可靠性高并具有成本效益的電容觸摸傳感器，可以輕松地改變這些高級菜單控制開關的式樣，給人一種全新的操作感覺。而應用于白色家電中的電容觸摸傳感器可以避免水和油污對按鍵以及家電本身的損壞，提升家電的人性化和安全性。電容式觸摸傳感器取代傳統的機械開關的另一個好處是，制造與裝配工藝更加簡單。傳統的機械開關需要手工把每個開關插入到塑料殼體上面的專門孔洞之中，而一個包含所有這些開關的單一的電容觸摸傳感器板可以一步到位，放置在這個塑料殼體下面。含有一個定位槽口的傳感器板安裝孔和一些膠水就足以完成傳感器板的安裝與位置校準。隨著混合信號技術的發展，電容式觸摸傳感器正成為各種電子產品中機械式開關的一種實用、增值型替代方案。
如
圖1(a)所示，簡單的平行板電容器具有兩個極板，其間隔著一層電介質，于是上下極板間就有一個固有的感應電容CSENSOR(這里感應電容表示觸摸極板在觸摸前固有的對地電容)。如圖1(b)所示，當人的手指接觸極板時候，人體相當于地，等效于增大了極板對地面積，于是產生了一個電容增量ΔC(虛線電容)。
電容式觸摸傳感器的工作原理就是感應這個電容增量ΔC，把它轉換成數據供處理器處理。目前的電容傳感器有電荷轉移法，張馳振蕩計數法以及sigma-delta ADC法。這些方法有其各自優點，但是普遍存在結構復雜，功耗大，處理時間長，外圍元件多等缺點。電容傳感器關鍵是感應電容的變化量，而無需精確計量其電容值。
為此，現有的電容觸摸傳感控制電路多采用具有感應電容變化量上有結構簡單，功耗小，實時處理，外圍元件少等特點的恒流源充電原理感應觸摸電容變化。
如圖2所示為基于恒流源充電原理的電容觸摸傳感控制電路，它包括電流設置電阻(101)，引腳電容(102)，起始比較器(103)，結束比較器(104)，時間數字轉換器TDC(105)，電壓緩沖器(106)和電流鏡(107)。其中CS是該引腳處的總電容，包括芯片引腳寄生電容和感應電容。參考電壓VREF經過電壓緩沖器(106)與電流設置電阻(101)產生一路參考電流I1，其中電壓緩沖器(106)由一個誤差放大器和一個源跟隨連接的NMOS管構成。參考電流I1由電流鏡(107)轉換成充電電流I2對電容RS充電，電容RS引腳達到額定電平VSTA時，起始比較器(103)翻轉，時間數字轉換器TDC(106)開始計時；當電容RS引腳達到一個更高的額定電平VEND時，結束比較器(104)翻轉，TDC結束計時。該時間間隔被轉換成數據交給處理器處理。
T1＝(VEND-VSTA)CS/I2I2＝mI1＝mVREF/RST1＝RSCS*(VEND-VSTA)/mVREF其中m是電流鏡的鏡像系數，電壓VEND，VSTA和VREF由同一個基準電壓分壓產生，所以(VEND-VSTA)/mVREF為常數，設該常數為β。
T1＝βRSCST2＝βRS(ΔC+CS)ΔT＝T2-T1＝βRSΔC如圖3所示，Charge Line1和Charge Line2分別是表示感應電容改變前后的充電曲線，說明了該充電過程。
實際應用中，人手觸摸能夠引起的電容變化大約1pF，也就是說ΔC＝1pF。芯片引腳寄生電容大約10pF，外部感應電容大約5pF，ΔT的讀數只是T2讀數的1/16；某些情況下引腳寄生電容和感應電容可能更大，而人手觸摸引起的電容變化可能更小，滑動感應或絕對位置判斷等更高級應用中需要從這個微小的電容變化獲得相對較大的讀數，也就是說需要很高的感應電容變化的精度。但是設置電阻不可能取太大，因為太小的電流容易受到干擾，時間數字轉換器TDC的讀數也有一定位數的限制，所以現有電容觸摸傳感控制電路結構在固有電容值較大的情況下感應微小的電容變化難以實現高精度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構，采用恒流源充電原理感應觸摸電容變化，實現了感應電容變化的高精度。
本發明所要解決的技術問題可以通過以下技術方案來實現一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構，它包括電壓緩沖器、電流設置電阻、電流鏡、起始比較器、結束比較器和時間數字轉換器，其特征在于，它還包括感應引腳等效電容和參考引腳等效電容；所述參考電壓通過電壓緩沖器和電流設置電阻產生參考電流，所述參考電流通過電流鏡產生充電電流分別對所述感應引腳等效電容和參考引腳等效電容充電；參考引腳等效電容激發所述起始比較器，時間數字轉換器開始計時，由感應引腳等效電容激發所述結束比較器，時間數字轉換器結束計時并將時間間隔轉換成數據傳輸給處理器處理。
所述電壓緩沖器由誤差放大器和源跟隨連接的NMOS管構成，所述參考電壓輸入誤差放大器輸入端的正極，誤差放大器的輸出端與所述NMOS管的柵極連接，NMOS管的漏極接入所述電流鏡，源極與所述誤差放大器輸入端的負極連接，然后接入所述電流設置電阻的一端，電流設置電阻的另一端接地。
所述感應引腳等效電容包括寄生電容I和感應電容，所述參考引腳等效電容包括寄生電容II和參考電容，所述電流鏡由MOS管MP1、MP2、MP3組成；MOS管MP1、MP2、MP3的源極互相連接，MP1、MP2、MP3的柵極互相連接，然后分別接入MOS管MP1的漏極和所述電壓緩沖器中NMOS管的漏極中；所述寄生電容I和感應電容的一端分別接地，另一端互相連接后分別接入MOS管MP2的漏極和結束比較器輸入端的正極，所述寄生電容II和參考電容一端分別接地，另一端互相連接后分別接入MOS管MP3的漏極和起始比較器輸入端的正極。
所述起始比較器和結束比較器輸入端的負極分別接參考電壓VCOMP，起始比較器和結束比較器的輸出端分別接入時間數字轉換器輸入端的STA和END端，時間數字轉換器的輸出端接處理器。
在實際應用中，考慮到本發明中需要兩個參考電壓，同時電源電壓的波動也會干擾充電電流和時間數字轉換器，為了隔離外部電源上的干擾，在所述電壓緩沖器、起始比較器和結束比較器之前接入一個低壓降電壓調節器，它由基準源、放大器、MOS管和電阻構成，所述基準源接入放大器輸入端的負極，放大器的輸出端與MOS管的柵極連接；外部電源接入MOS管的源極，MOS管的漏極依次連接三個電阻，電阻的另一端接地，放大器輸入端的正極接入參考電壓端，給內部一個干凈穩定的電源，同時基準源通過電阻分壓得到兩個參考電壓。
為了能選擇是同時對各引腳電容充電還是分別對各引腳電容充電，在本發明中，還包括一個n選1的選通器，其輸入端與多組感應引腳等效電容連接，其輸出端與結束比較器輸入端的正極連接。
本發明的原理如下由參考引腳等效電容提供參考電容CREF、感應引腳等效電容提供感應電容CSENSOR，當參考電容CREF的值達到起始比較器的比較電平VCOMP時，時間數字轉換器開始計時，當感應電容CSENSOR的值達到結束比較器的比較電平VCOMP時，時間數字轉換器計時結束，電容值被轉換成時間量；時間數字轉換器將時間量最后被轉換成可處理數據輸入處理器；兩次采樣的數據將產生一個時間差ΔT，該值即反應感應電容變化。
T1＝VCOMP(CSENSOR-CREF)/I2I2＝mI1＝mVREF/RST1＝RS(CSENSOR-CREF)VCOMP/mVREF其中m是電流鏡的鏡像系數，電壓VCOMP和VREF由一個基準電壓分壓產生，所以VCOMP/mVREF為常數，設該常數為K。
T1＝KRS(CSENSOR-CREF)T2＝KRS(ΔC+CSENSOR-CREF)ΔT＝T2-T1＝KRSΔC由于參考引腳等效電容較小，最先達到比較電平VCOMP，時間數字轉換器開始計時。當感應引腳電壓被充到VCOMP時，時間數字轉換器結束計時記為T1。當電容變化時，重復上一過程，時間數字轉換器讀數記為T2。兩次測量時間差ΔT＝T2-T1，反應電容變化。
假設寄生電容為10pF，感應電容5pF，參考電容4.5pF，ΔC為1pF。ΔT的讀數是T2讀數的2/3。
從上可知，引腳寄生電容被完全抵消，過大的感應電容CSENSOR也可以依靠設置一個合理的參考電容CREF被很大程度的抵消。感應電容的變化量ΔC占計時電容的比重很大，于是電容的微小變化也能得到一個較大的時間數字轉換器讀數，這樣就實現了感應電容變化的高精度。
本發明的一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構具有如下的優點1、結構簡單，功耗小，實時處理，外圍元件少。
2、電阻電容值被轉化成一個時間量，這個時間量僅與電阻電容值乘積相關，而與電源電壓以及參考電壓無關，調節外部電阻可以調節感應精度。
3、通過設置合適的參考電容使得測量電容時，固有的引腳寄生電容和感應電容被大部分抵消，電容變化量讀數比重被放大，感應精度提高。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。
圖1(a)是感應電容的示意圖；圖1(b)是觸摸感應電容的示意圖；圖2是現有的一種電容觸摸傳感控制電路架構原理圖；圖3是現有的一種電容觸摸傳感控制電路的工作時序波形的示意圖；圖4是本發明的一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構的原理圖；圖5是本發明電路的工作時序波形的示意圖；圖6是本發明中產生工作電壓和參考電壓的低壓降電壓調節器原理圖；圖7是本發明的另一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構的原理圖；圖8(a)是多通道在不同充電方式下感應電容的示意圖；圖8(b)是多通道在不同充電方式下觸摸感應電容的示意圖。
具體實施例方式
如圖4所示，本發明所提供的一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構，它包括電壓緩沖器(206)、電流設置電阻(201)、電流鏡(207)、起始比較器(203)、結束比較器(204)和時間數字轉換器(205)，還包括感應引腳等效電容(202)和參考引腳等效電容(208)；參考電壓通過電壓緩沖器(206)和電流設置電阻(201)產生參考電流，所述參考電流通過電流鏡(207)產生充電電流分別對感應引腳等效電容(202)和參考引腳等效電容(208)充電；參考引腳等效電容(208)激發起始比較器(203)，時間數字轉換器開始計時，由感應引腳等效電容(202)激發結束比較器(204)，時間數字轉換器(205)結束計時并將時間間隔轉換成數據傳輸給處理器處理。
感應引腳等效電容(202)包括寄生電容CPARA和感應電容CSENSOR。參考引腳等效電容(208)包括寄生電容CPARA和參考電容CREF，參考電容CREF取值必須小于感應電容CSENSOR的取值。參考電壓VREF經過電壓緩沖器(206)與電流設置電阻(201)產生一路參考電流I1，其中電壓緩沖器(206)由一個誤差放大器和一個源跟隨連接的NMOS管構成。參考電流I1由電流鏡(207)轉換成兩路相等的充電電流I2、I3同時對感應電容CSENSOR和參考電容CREF充電，參考電容CREF引腳達到額定比較電平VCOMP時，起始比較器(203)翻轉，時間數字轉換器TDC(206)開始計時；當感應電容CSENSOR引腳達到額定電平VCOMP時，結束比較器(204)翻轉，時間數字轉換器TDC(206)結束計時；該時間間隔被轉換成數據交給處理器處理。
電容值被轉換成時間量，時間量最后被轉換成可處理數據。若感應電容CSENSOR值發生變化，兩次采樣的TDC數據將產生一個時間差ΔT，該值即反應感應電容CSENSOR變化。
T1＝VCOMP(CSENSOR-CREF)/I2I2＝mI1＝mVREF/RST1＝RS(CSENSOR-CREF)VCOMP/mVREF其中m是電流鏡(207)的鏡像系數，電壓VCOMP和VREF由一個基準電壓分壓產生，所以VCOMP/mVREF為常數，設該常數為K。
T1＝KRS(CSENSOR-CREF)T2＝KRS(ΔC+CSENSOR-CREF)ΔT＝T2-T1＝KRSΔC圖5說明了該充電過程。由于參考引腳等效電容(208)較小，Charge Ref最先達到比較電平VCOMP，時間數字轉換器TDC(206)開始計時。當感應電容CSENSOR引腳電壓被充到VCOMP時，見Charge Line1，時間數字轉換器TDC(206)結束計時記為T1。當感應電容CSENSOR變化時，重復上一過程，Charge Line2表示感應電容CSENSOR引腳電壓，時間數字轉換器TDC(206)讀數記為T2。兩次測量時間差ΔT＝T2-T1，反應感應電容CSENSOR變化。
假設寄生電容CPARA為10pF，感應電容CSENSOR為5pF，參考電容CREF為4.5pF，ΔC為1pF。ΔT的讀數是T2讀數的2/3。
由圖形和式子易知寄生電容CPARA被完全抵消，過大的感應電容CSENSOR也可以依靠設置一個合理的參考電容CREF被很大程度的抵消。感應電容CSENSOR的變化量ΔC占計時電容的比重很大，于是感應電容CSENSOR的微小變化也能得到一個較大的時間數字轉換器TDC(206)讀數，這樣就實現了感應電容CSENSOR變化的高精度。
圖5所示的時間量T1經過時間數字轉換器TDC(206)轉換成的數據D1我們也稱作基線，當人手觸摸改變感應電容CSENSOR得到T2轉換成的數據D2，D2和D1的差ΔD即被處理成有效按鍵。實際應用不同于上述的理想情況，由于感應電容CSENSOR可能隨外部環境，如溫度濕度等條件變化，這樣就會造成基線的波動。而不同的人或者手指干濕程度的不同也會造成ΔD的不同。這就需要處理器對這些數據做特殊處理，在排除外界干擾的情況下能夠正確識別出觸摸與否(數據處理將采用基線跟蹤，門限判別，多次平均等技術，由于超出本專利范圍，不再詳細敘述)。
如圖6所示，在實際應用中，考慮到本發明中需要兩個參考電壓VREF和VCOMP，同時電源電壓VDD的波動也會干擾充電電流I2、I3和時間數字轉換器TDC(206)，為了隔離外部電源DVDD上的干擾，在電壓緩沖器(206)、起始比較器(203)和結束比較器(204)之前接入一個低壓降電壓調節器，它由基準源BANDGAP、放大器EA、MOS管和電阻構成，基準源BANDGAP接入放大器EA輸入端的負極，放大器EA的輸出端與MOS管的柵極連接；外部電源DVDD接入MOS管的源極，MOS管的漏極依次連接三個電阻，電阻的另一端接地，放大器EA輸入端的正極接入參考電壓VREF端，給內部一個干凈穩定的電源，同時基準源BANDGAP通過電阻分壓得到參考電壓VREF、VCOMP和電源電壓VDD供電壓緩沖器(206)、起始比較器(203)和結束比較器(204)使用。
圖7是一種多通道電容觸摸傳感控制電路。包括電流設置電阻(301)，若干感應引腳等效電容(302)，起始比較器(303)，結束比較器(304)，時間數字轉換器TDC(305)，電壓緩沖器(306)，多路電流鏡(307)，參考引腳等效電容(308)和n選1選通器(309)。n選1選通器(309)每次選中一個感應電容通路，也就是說某一個時刻只有一個充電通路被當作結束信號，其它工作原理同圖4結構所述。
這里多路充電方案采用多路電流鏡(307)還有一個額外的好處，多個通道可以選擇是同時對各引腳電容充電還是分別對各引腳電容充電。圖8(a)描述了分別充電時某引腳等效電容，該電容包括各種寄生電容和感應電容，由于實際應用中，芯片引腳，走線，感應極板位置的接近，當該引腳電位上升時候，臨近引腳保持相對低電位，這個電位差必然導致該引腳和臨近引腳之間存在寄生電容。虛線電容為人手觸摸后的電容增量ΔC(虛線電容)。圖8(b)描述了同時充電時某引腳等效電容，由于該引腳和臨近引腳不存在電位差，于是固有電容減少，當人手觸摸時，等效的接地面積較分別充電時變大，增量電容變大。固有電容讀數變小，電容改變量讀數被進一步放大，提高了感應精度。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征及其優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構，它包括電壓緩沖器、電流設置電阻、電流鏡、起始比較器、結束比較器和時間數字轉換器，其特征在于，它還包括感應引腳等效電容和參考引腳等效電容；所述參考電壓通過電壓緩沖器和電流設置電阻產生參考電流，所述參考電流通過電流鏡產生充電電流分別對所述感應引腳等效電容和參考引腳等效電容充電；參考引腳等效電容激發所述起始比較器，時間數字轉換器開始計時，由感應引腳等效電容激發所述結束比較器，時間數字轉換器結束計時并將時間間隔轉換成數據傳輸給處理器處理。
2.根據權利要求1所述的高精度電容觸摸傳感控制電路架構，其特征在于所述電壓緩沖器由誤差放大器和源跟隨連接的NMOS管構成，所述參考電壓輸入誤差放大器輸入端的正極，誤差放大器的輸出端與所述NMOS管的柵極連接，NMOS管的漏極接入所述電流鏡，源極與所述誤差放大器輸入端的負極連接，然后接入所述電流設置電阻的一端，電流設置電阻的另一端接地。
3.根據權利要求1所述的高精度電容觸摸傳感控制電路架構，其特征在于所述感應引腳等效電容包括寄生電容I和感應電容，所述參考引腳等效電容包括寄生電容II和參考電容，所述電流鏡由MOS管MP1、MP2、MP3組成；MOS管MP1、MP2、MP3的源極互相連接，MP1、MP2、MP3的柵極互相連接，然后分別接入MOS管MP1的漏極和所述電壓緩沖器中NMOS管的漏極中；所述寄生電容I和感應電容的一端分別接地，另一端互相連接后分別接入MOS管MP2的漏極和結束比較器輸入端的正極，所述寄生電容II和參考電容一端分別接地，另一端互相連接后分別接入MOS管MP3的漏極和起始比較器輸入端的正極。
4.根據權利要求1所述的高精度電容觸摸傳感控制電路架構，其特征在于所述起始比較器和結束比較器輸入端的負極分別接參考電壓VCOMP，起始比較器和結束比較器的輸出端分別接入時間數字轉換器輸入端的STA和END端，時間數字轉換器的輸出端接處理器。
5.根據權利要求4所述的高精度電容觸摸傳感控制電路架構，其特征在于在所述電壓緩沖器、起始比較器和結束比較器之前接入一個低壓降電壓調節器，它由基準源、放大器、MOS管和電阻構成，所述基準源接入放大器輸入端的負極，放大器的輸出端與MOS管的柵極連接；外部電源接入MOS管的源極，MOS管的漏極依次連接三個電阻，電阻的另一端接地，放大器輸入端的正極接入參考電壓端。
6.根據權利要求4所述的高精度電容觸摸傳感控制電路架構，其特征在于它還包括一個n選1的選通器，其輸入端與多組感應引腳等效電容連接，其輸出端與結束比較器輸入端的正極連接。
全文摘要
本發明公開了一種高精度電容觸摸傳感控制電路架構，采用恒流源充電原理感應觸摸電容變化，實現了感應電容變化的高精度；它包括電壓緩沖器、電流設置電阻、電流鏡、起始比較器、結束比較器和時間數字轉換器，它還包括感應引腳等效電容和參考引腳等效電容；所述參考電壓通過電壓緩沖器和電流設置電阻產生參考電流，所述參考電流通過電流鏡產生充電電流分別對所述感應引腳等效電容和參考引腳等效電容充電；參考引腳等效電容激發所述起始比較器，時間數字轉換器開始計時，由感應引腳等效電容激發所述結束比較器，時間數字轉換器結束計時并將時間間隔轉換成數據傳輸給處理器處理。
文檔編號H03K17/94GK101039115SQ20071003797
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月12日 優先權日2007年3月12日
發明者程劍濤, 張忠, 吳珂 申請人:啟攀微電子(上海)有限公司