TWI693545B

TWI693545B - 觸控晶片、觸控顯示裝置及資訊處理裝置

Info

Publication number: TWI693545B
Application number: TW108114760A
Authority: TW
Inventors: 劉成
Original assignee: 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-05-11
Also published as: TW202040347A

Abstract

一種觸控晶片，具有一自電容感測電路，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路及一補償電路，該補償電路係用以在該自電容感測電路對一觸控面板之一觸控點進行一自電容感測操作時，提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路以抵消由該觸控點之一基礎電容輸入該電荷轉電壓電路之一基礎電荷；其特徵在於該補償電路具有：一N阱電容，係依該基礎電容決定其面積；以及一開關電路，與該N阱電容耦接，用以在該自電容感測操作的期間使該N阱電容的兩端具有相同的電位。

Description

觸控晶片、觸控顯示裝置及資訊處理裝置

本發明係關於一種觸控面板的基礎電容補償電路，尤指一種設在一觸控晶片中以抵消一觸控面板的基礎電容對一電容感測信號的影響的補償電路。

電容式觸控面板主要觸控的原理在於藉由人體的靜電改變電容式觸控面板被觸碰位置的電容變化值，進而透過電容的變化值以辨識使用者的觸碰位置。

然而，由於觸控螢幕的對地電容很大，因此一般的自電容觸控螢幕控制器都設有電容補償機制以消除觸控螢幕內固有的基礎電容，以達到檢測手指或其他導電體電容的目的。

一般的電容補償機制會採用金屬絕緣體金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)電容或金屬氧化物金屬(Metal-Oxide-Metal, MOM)電容對觸控螢幕的基礎電容進行補償。然而，由於MIM電容及MOM電容的單位面積容值不大，因此，在遇到基礎電容很大的觸控螢幕時，往往需要使用很多個MIM電容或MOM電容做為補償，如此會佔用大量的晶片面積，提高製造成本。

請參照圖1，其繪示設置於一觸控晶片內之一習知自電容感測電路之電路圖，如圖1所示，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路10及一補償電路20。

電荷轉電壓電路10具有一放大器11、一回授電容12、受一第六開關信號S6控制之一開關13及受一第二開關信號S2控制之一開關14，其中，回授電容12係與開關13之通道並聯於放大器11之輸出端與負輸入端之間，放大器11之正輸入端係用以與一激勵信號V _STIM耦接，且開關14之通道係耦接於放大器11之負輸入端與一觸控面板之一觸控點X之間。

補償電路20具有一補償電容21、受一第一開關信號S1控制之一第一開關22、受第二開關信號S2控制之一第二開關23、受一第三開關信號S3控制之一第三開關24、受一第四開關信號S4控制之一第四開關25及受一第五開關信號S5控制之一第五開關26，其中，補償電容21係一MIM電容或MOM電容，且其具有一第一電極A和一第二電極B；第一開關22之通道係耦接於一正電壓VDP和第一電極A之間；第二開關23之通道係耦接於觸控點X和第一電極A之間；第三開關24之通道係耦接於一接地電壓VSS和第一電極A之間；第四開關25之通道係耦接於接地電壓VSS和第二電極B之間；第五開關26之通道係耦接於正電壓VDP和第二電極B之間。當該電荷轉電壓電路10對該觸控面板之觸控點X進行一自電容感測操作時，補償電路20係用以提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路10以抵消由該觸控點X之一基礎電容31輸入該電荷轉電壓電路10之一基礎電荷。

請一併參照圖2及圖3a-d，其中，圖2為圖1之自電容感測電路之一工作時序圖，該工作時序分為T₁、T₂、T₃及T₄等四個階段；圖3a為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T₁階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(1,0,0,1,0,1,0)所組態而成之一等效電路，其中，“1”代表高電位，“0”代表低電位；圖3b為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T₂階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,1,0,0,1,0,1)所組態而成之一等效電路；圖3c為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T₃階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,0,1,0,1,1,1)所組態而成之一等效電路；以及圖3d為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T₄階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,1,0,1,0,0,0)所組態而成之一等效電路。

如圖3a所示，補償電容21係偏壓於V_DP和V_SS之間以建立一電荷Q(=C_COMP*V_DP)，其中C_COMP為補償電容21之電容值；回授電容12所儲存的電荷為0；以及放大器11之輸出端的輸出電壓V_OUT=0。

如圖3b所示，補償電容21的電荷Q會經由回授電容12流向放大器11的輸出端，且放大器11的輸出端會經由回授電容12對基礎電容31及一觸摸變化電容32提供電荷V _DP*(C _B+ΔC)，以使輸出電壓V _OUT=(1+(C _B+ΔC-C _COMP)/C _F)*V _DP，其中C _B為基礎電容31之電容值，ΔC為觸摸變化電容32之電容值，及C _F為回授電容12之電容值。若C _COMP= C _B，則輸出電壓V _OUT在觸控點X有觸摸跟無觸摸的電壓差會等於(1+ΔC/C _F)*V _DP-(1+0/C _F)*V _DP=(ΔC/C _F)*V _DP。

如圖3c所示，補償電容21係偏壓於V _SS和V _DP之間以建立一電荷-Q(=C _COMP*(-V _DP))，其中C _COMP為補償電容21之電容值；回授電容12所儲存的電荷為0；以及放大器11之輸出端的輸出電壓V _OUT= V _DP。

如圖3d所示，補償電容21的電荷-Q(=C _COMP*(-V _DP))會經由回授電容12流向放大器11的輸出端，且基礎電容31及觸摸變化電容32的電荷V _DP*(C _B+ΔC)也會經由回授電容12流向放大器11的輸出端，以使輸出電壓V _OUT=(-ΔC/C _F)*V _DP。

由上述可知，雖然圖1之自電容感測電路可有效抵消基礎電容31對輸出電壓V _OUT的影響，然而，由於其補償電容21 係MIM電容或MOM電容，其會佔用大量的晶片面積，提高製造成本。

為解決上述問題，本領域亟需一種新穎的觸控螢幕基礎電容補償機制。

本發明之一目的在於提供一種具有基礎電容補償功能之觸控晶片，其可藉由一N阱電容(NCAP)大幅縮小一補償電路所佔的晶片面積。

本發明之另一目的在於提供一種具有基礎電容補償功能之觸控晶片，其可在一自電容感測期間藉由一開關電路使一N阱電容的上、下電極耦接相同的電位，以確保該N阱電容的電容一致性。

為達前述之目的，一種觸控晶片乃被提出，其具有一自電容感測電路，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路及一補償電路，該補償電路係用以在該自電容感測電路對一觸控面板之一觸控點進行一自電容感測操作時，提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路以抵消由該觸控點之一基礎電容輸入該電荷轉電壓電路之一基礎電荷；其特徵在於該補償電路具有：

一N阱電容，係依該基礎電容決定其面積；以及

一開關電路，與該N阱電容耦接，用以在該自電容感測操作的期間使該N阱電容的兩端具有相同的電位。

在一實施例中，該開關電路具有：

一第一開關電路，具有分別受一第一開關信號、一第二開關信號及一第六開關信號控制之一第一開關、一第二開關及一第六開關，該第一開關之通道係耦接於一正電壓與該N阱電容之一第一端之間，該第二開關之通道係耦接於一接地電壓與所述第一端之間，且該第六開關之通道係耦接於該觸控點與所述第一端之間；以及

一第二開關電路，具有分別受一第三開關信號、一第四開關信號及一第五開關信號控制之一第三開關、一第四開關及一第五開關，該第三開關之通道係耦接於所述正電壓與該N阱電容之一第二端之間，該第四開關之通道係耦接於所述接地電壓與所述第二端之間，且該第五開關之通道係耦接於一負電壓與所述第二端之間；

其中，在一電容量測驅動信號的上升沿之前，該第一開關信號、該第二開關信號、該第三開關信號、該第四開關信號、該第五開關信號及該第六開關信號的狀態分別為作用、不作用、不作用、作用、不作用、不作用；在所述上升沿之後，該第一開關信號、該第二開關信號、該第三開關信號、該第四開關信號、該第五開關信號及該第六開關信號的狀態分別為不作用、不作用、作用、不作用、不作用、作用；在該電容量測驅動信號的下降沿之前，該第一開關信號、該第二開關信號、該第三開關信號、該第四開關信號、該第五開關信號及該第六開關信號的狀態分別為不作用、作用、不作用、作用、不作用、不作用；以及在所述下降沿之後，該第一開關信號、該第二開關信號、該第三開關信號、該第四開關信號、該第五開關信號及該第六開關信號的狀態分別為不作用、不作用、不作用、不作用、作用、作用。

在一實施例中，該正電壓與該負電壓的絕對值相等。

在一實施例中，該電荷轉電壓電路具有：

一放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端；

一回授電容，耦接於該輸出端與該負輸入端之間；

一第七開關，係受該第四開關信號之控制且其通道係耦接於該輸出端與該負輸入端之間；以及

一第八開關，係受該第六開關信號之控制且其通道係耦接於該觸控點與該負輸入端之間。

為達前述之目的，本發明進一步提出一種觸控顯示裝置，其具有一觸控面板及用以驅動該觸控面板之一觸控晶片，該觸控晶片具有一自電容感測電路，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路及一補償電路，該補償電路係用以在該自電容感測電路對一觸控面板之一觸控點進行一自電容感測操作時，提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路以抵消由該觸控點之一基礎電容輸入該電荷轉電壓電路之一基礎電荷；其特徵在於該補償電路具有：

一N阱電容，係依該基礎電容決定其面積；以及

在一實施例中，該開關電路具有：

在一實施例中，該正電壓與該負電壓的絕對值相等，且該電荷轉電壓電路具有：

一放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端；

一回授電容，耦接於該輸出端與該負輸入端之間；

在可能的實施例中，所述之觸控顯示裝置具有一顯示模組，且該顯示模組可為陰極射線管（cathode ray tube，CRT）顯示模組、數位光處理（digital light processing；DLP）顯示模組、液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）、發光二極體（light emitting diode；LED）顯示模組、有機發光二極體（organic light emitting diode；OLED）顯示模組、量子點發光二極體（quantum dot light emitting diode；QLED）顯示模組、Mirco-LED顯示模組或Mini-LED顯示模組。

為達前述之目的，本發明進一步提出一種資訊處理裝置，其具有一中央處理單元及如前述之觸控顯示裝置，其中該中央處理單元係用以與所述之觸控顯示裝置通信。

在可能的實施例中，所述之資訊處理裝置可為一智慧型手機或一可攜式電腦。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請參照圖4，其繪示本發明之觸控晶片之一自電容感測電路之一實施例的電路圖，如圖4所示，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路100及一補償電路200。

本發明的補償電路200係用以在該自電容感測電路對一觸控面板之一觸控點進行一自電容感測操作時，提供一補償電荷至電荷轉電壓電路100以抵消由該觸控點之一基礎電容輸入電荷轉電壓電路100之一基礎電荷，且本發明的特徵在於補償電路200具有：一N阱電容，係依該基礎電容決定其面積；以及一開關電路，與該N阱電容耦接，用以在該自電容感測操作的期間使該N阱電容的兩端具有相同的電位。以下將詳細說明本發明之自電容感測電路的工作原理。

電荷轉電壓電路100具有一放大器110、一回授電容120、受一第四開關信號S4控制之一開關130及受一第六開關信號S6控制之一開關140，其中，回授電容120係與開關130之通道並聯於放大器110之輸出端與負輸入端之間，放大器110之正輸入端係用以與一激勵信號V _STIM耦接，且開關140之通道係耦接於放大器110之負輸入端與一觸控面板之一觸控點X之間。

補償電路200具有一補償電容210、受一第一開關信號S1控制之一第一開關220、受第二開關信號S2控制之一第二開關230、受一第三開關信號S3控制之一第三開關240、受第四開關信號S4控制之一第四開關250、受一第五開關信號S5控制之一第五開關260及受第六開關信號S6控制之一第六開關270，其中，補償電容210係一N阱電容(NCAP)，且其具有一第一電極A和一第二電極B；第一開關220、第二開關230和第六開關270組成一第一開關電路，其中，第一開關220之通道係耦接於一正電壓V_DP和第一電極A之間，第二開關230之通道係耦接於一接地電壓V_SS和第一電極A之間，且第六開關270之通道係耦接於觸控點X和第一電極A之間；以及第三開關240、第四開關250及第五開關260組成一第二開關電路，其中，第三開關240之通道係耦接於正電壓V_DP和第二電極B之間，第四開關250之通道係耦接於接地電壓V_SS和第二電極B之間，且第五開關260之通道係耦接於一負電壓V_DN和第二電極B之間。較佳地，正電壓V_DP與負電壓V_DN的絕對值相等。

當電荷轉電壓電路100對該觸控面板之觸控點X進行一自電容感測操作時，補償電路200係用以提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路100以抵消由該觸控點X之一基礎電容310輸入該電荷轉電壓電路100之一基礎電荷。

請一併參照圖5及圖6a-d，其中，圖5為圖4之自電容感測電路之一工作時序圖，該工作時序分為T₁、T₂、T₃及T₄等四個階段；圖6a為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T₁階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(1,0,0,1,0,0,0)所組態而成之一等效電路，其中，“1”代表高電位，“0”代表低電位；圖6b為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T₂階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,0,1,0,0,1,1)所組態而成之一等效電路；圖6c為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T₃階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,1,0,1,0,0,1)所組態而成之一等效電路；以及圖6d為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T₄階段中，由(S1,S2,S3,S4,S5,S6,V_STIM)=(0,0,0,0,1,1,0)所組態而成之一等效電路。

如圖6a所示，補償電容210係偏壓於V_SS和V_DP之間以建立一電荷Q(=C_COMP*V_DP)，其中C_COMP為補償電容210之電容值；回授電容120所儲存的電荷為0；以及放大器110之輸出端的輸出電壓V_OUT=0。

如圖6b所示，補償電容210的電荷Q會經由回授電容120流向放大器110的輸出端，且放大器110的輸出端會經由回授電容120對基礎電容310及一觸摸變化電容320提供電荷V_DP*(C_B+△C)，以使輸出電壓V_OUT=(1+(C_B+ΔC-C _COMP)/C _F)*V _DP，其中C _B為基礎電容310之電容值，ΔC為觸摸變化電容320之電容值，及C _F為回授電容120之電容值。若C _COMP= C _B，則輸出電壓V _OUT在觸控點X有觸摸跟無觸摸的電壓差會等於(1+ΔC/C _F)*V _DP-(1+0/C _F)*V _DP=(ΔC/C _F)*V _DP。

如圖6c所示，補償電容210係偏壓於V _SS和V _SS之間以清除其所儲存的電荷；基礎電容310及觸摸變化電容320的儲存電荷為V _DP*(C _B+ΔC)；回授電容120所儲存的電荷為0；以及放大器110之輸出端的輸出電壓V _OUT= V _DP。

如圖6d所示，放大器110的輸出端會有電荷Q(=C _COMP*(0-V _DN)) 經由回授電容120流向補償電容210，且基礎電容310及觸摸變化電容320的電荷V _DP*(C _B+ΔC)會經由回授電容120流向放大器110的輸出端，以使輸出電壓V _OUT=(-ΔC/C _F)*V _DP。

依上述的說明，本發明進一步提出一種觸控顯示裝置。請參照圖7，其繪示本發明之觸控顯示裝置之一實施例方塊圖。如圖7所示，一觸控顯示裝置400具有一觸控面板410及用以驅動該觸控面板410之一觸控晶片420，其中，該觸控晶片420具有如上述的自電容感測電路，也就是說，該自電容感測電路具有一電荷轉電壓電路及一補償電路，該補償電路係用以在該自電容感測電路對觸控面板410之一觸控點進行一自電容感測操作時，提供一補償電荷至該電荷轉電壓電路以抵消由該觸控點之一基礎電容輸入該電荷轉電壓電路之一基礎電荷，且該自電容感測電路的特徵在於該補償電路具有：一N阱電容，係依該基礎電容決定其面積；以及一開關電路，與該N阱電容耦接，用以在該自電容感測操作的期間使該N阱電容的兩端具有相同的電位。

另外，在可能的實施例中，觸控顯示裝置410具有一顯示模組，且該顯示模組可為陰極射線管（cathode ray tube，CRT）顯示模組、數位光處理（digital light processing；DLP）顯示模組、液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）、發光二極體（light emitting diode；LED）顯示模組、有機發光二極體（organic light emitting diode；OLED）顯示模組、量子點發光二極體（quantum dot light emitting diode；QLED）顯示模組、Mirco-LED顯示模組或Mini-LED顯示模組。

依上述的說明，本發明進一步提出一種資訊處理裝置。請參照圖8，其繪示本發明之資訊處理裝置之一實施例方塊圖。如圖8所示，一資訊處理裝置500具有一中央處理單元510及一觸控顯示裝置520(如前述之觸控顯示裝置400)，其中該中央處理單元510係用以與觸控顯示裝置520通信。

在可能的實施例中，所述之資訊處理裝置500可為一智慧型手機或一可攜式電腦。

藉由前述所揭露的技術方案，本發明乃可提供以下優點：

1.本發明的具有基礎電容補償功能之觸控晶片可藉由一N阱電容(NCAP)大幅縮小一補償電路所佔的晶片面積。例如，在一80nm製程中， NCAP的單位電容值為3fF/um^2，而MIM電容的單位電容值則為1.5fF/um^2，因此，採用NCAP作為補償電容後，晶片面積即可減少50%。

2.本發明的具有基礎電容補償功能之觸控晶片可在一自電容感測期間藉由一開關電路使一N阱電容的上、下電極耦接相同的電位，以確保該N阱電容的電容一致性，從而提升觸控感測的可靠度。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段或功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

10:電荷轉電壓電路

11:放大器

12:回授電容

13:開關

14:開關

20:補償電路

21:補償電容

22:第一開關

23:第二開關

24:第三開關

25:第四開關

26:第五開關

31:基礎電容

32:觸摸變化電容

100:電荷轉電壓電路

110:放大器

120:回授電容

130:開關

140:開關

200:補償電路

210:補償電容

220:第一開關

230:第二開關

240:第三開關

250:第四開關

260:第五開關

270:第六開關

310:基礎電容

320:觸摸變化電容

400:觸控顯示裝置

410:觸控面板

420:觸控晶片

500:資訊處理裝置

510:中央處理單元

520:觸控顯示裝置

圖1繪示設置於一觸控晶片內之一習知自電容感測電路之電路圖。圖2為圖1之自電容感測電路之一工作時序圖，該工作時序分為T ₁、T ₂、T ₃及T ₄等四個階段。圖3a為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T ₁階段中所組態而成之一等效電路。圖3b為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T ₂階段中所組態而成之一等效電路。圖3c為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T ₃階段中所組態而成之一等效電路。圖3d為圖1之自電容感測電路在圖2之工作時序的T ₄階段中所組態而成之一等效電路。圖4繪示本發明之觸控晶片之一自電容感測電路之一實施例的電路圖。圖5為圖4之自電容感測電路之一工作時序圖，該工作時序分為T ₁、T ₂、T ₃及T ₄等四個階段。圖6a為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T ₁階段中所組態而成之一等效電路。圖6b為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T ₂階段中所組態而成之一等效電路。圖6c為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T ₃階段中所組態而成之一等效電路。圖6d為圖4之自電容感測電路在圖5之工作時序的T ₄階段中所組態而成之一等效電路。圖7繪示本發明之觸控顯示裝置之一實施例方塊圖。圖8繪示本發明之資訊處理裝置之一實施例方塊圖。