本发明有关一种触控装置，更特别有关一种触控装置及其信号处理电路和运作方法，其可降低运算放大器的偏移电压所导致的偏移错误，以增加信号动态范围。
背景技术：
触控装置或触控面板用于检测因触碰事件或按压事件所形成的触控信号。所述触控面板输出的检测信号通过模拟前端及数字后端的依序处理，以判断所述触控面板是否受到使用者的操作。
所述模拟前端可以使用如图1所示的积分可程序化增益放大电路(ipga)来放大所述检测信号。所述积分可程序化增益放大电路包含运算放大器(operationalamplifier)，该运算放大器受制程的影响在两个输入端之间会存在偏移(offset)，而这种偏移造成的偏移电压会降低连接在其下游(downstream)的数字后端的信号动态范围(dynamicrange)，而降低信噪比(snr)和触控面板的运作效能。
有鉴于此，本发明提出一种可消除或至少大幅降低运算放大器的偏移电压所造成的信号动态范围的缩减的触控装置及其信号处理电路和运作方法。
技术实现要素：
本发明提供一种使用衰减电路减少积分可程序化增益放大电路中的补偿电容的占用面积的触控装置及其信号处理电路和运作方法。
本发明还提供一种使用步进电流电路来减轻运算放大器的偏移电压的影响的触控装置及其信号处理电路和运作方法，以维持信号动态范围。
本发明提供一种触控装置的信号处理电路，该信号处理电路包含积分可程序化增益放大电路、衰减电路以及步进电流电路。所述积分可程序化增益放大电路包含第一运算放大器、反馈电阻、补偿电容及输入电阻。所述第一运算放大器具有正输入端、负输入端及输出端。所述反馈电阻跨接于所述第一运算放大器的所述负输入端及所述输出端之间。所述补偿电容跨接于所述第一运算放大器的所述负输入端及所述输出端之间。所述输入电阻的第一端耦接所述第一运算放大器的所述负输入端。所述衰减电路耦接所述输入电阻的第二端，用于分流部分流经所述输入电阻的电流。所述步进电流电路耦接所述第一运算放大器的所述负输入端，用于提供步进电流至所述积分可程序化增益放大电路或从所述积分可程序化增益放大电路汲取步进电流。
本发明还提供一种触控装置，该触控装置包含电容触控板以及控制芯片。所述电容触控板包含多个检测电极分别用以输出检测信号。所述控制芯片包含多个积分可程序化增益放大电路、多个衰减电路及多个步进电流电路。所述多个积分可程序化增益放大电路分别耦接所述多个检测电极以放大所述检测信号。所述多个积分可程序化增益放大电路的每一者包含第一运算放大器、反馈电阻、补偿电容及输入电阻。所述第一运算放大器具有正输入端、负输入端及输出端。所述反馈电阻跨接于所述第一运算放大器的所述负输入端及所述输出端之间。所述补偿电容跨接于所述第一运算放大器的所述负输入端及所述输出端之间。所述输入电阻的第一端耦接所述第一运算放大器的所述负输入端。所述多个衰减电路的每一者耦接所述多个积分可程序化增益放大电路其中之一的所述输入电阻的第二端，用于分流部分流经所述输入电阻的电流。所述多个步进电流电路的每一者耦接所述多个积分可程序化增益放大电路其中之一的所述第一运算放大器的所述负输入端，用于提供步进电流至耦接的所述积分可程序化增益放大电路或从耦接的所述积分可程序化增益放大电路汲取步进电流。
本发明还提供一种触控装置的运作方法。所述触控装置包含电容触控板、积分可程序化增益放大电路、衰减电路、步进电流电路、模拟数字转换单元及数字后端。所述电容触控板，所述衰减电路，所述步进电流电路及所述模拟数字转换单元耦接所述积分可程序化增益放大电路。所述衰减电路用于衰减所述积分可程序化增益放大电路的增益。所述模拟数字转换单元耦接于所述积分可程序化增益放大电路与所述数字后端之间。所述运作方法包含下列步骤：进入校正阶段；以所述积分可程序化增益放大电路接收所述电容触控板输出的检测信号并输出放大后检测信号；以所述模拟数字转换单元将所述放大后检测信号转换为数字信号；以及以所述数字后端根据所述数字信号控制所述步进电流电路提供步进电流至所述积分可程序化增益放大电路或从所述积分可程序化增益放大电路汲取步进电流，以降低所述积分可程序化增益放大电路与所述衰减电路之间的偏移电压差所形成的偏移电流值。
本发明实施方式的步进电流电路可以是电流镜(currentmirror)电路。该电流镜电路提供步进电流至积分可程序化增益放大电路或从所述积分可程序化增益放大电路汲取步进电流，以降低流经运算放大器的反馈电阻的电流。藉此，可消除或降低至少一部分运算放大器的偏移电压(offsetvoltage)所造成的信号动态范围的缩减。
本发明实施方式的衰减电路连接积分可程序化增益放大电路，用以降低所述积分可程序化增益放大电路的增益，以避免所述积分可程序化增益放大电路的输出饱和。藉此，由于无须通过增大积分可程序化增益放大电路的补偿电容来降低所述积分可程序化增益放大电路的增益，故可有效降低补偿电容在控制芯片中的占用面积。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
图1显示已知的触控面板的信号处理电路的方块示意图；
图2显示本发明实施例的触控装置的方块示意图；
图3显示本发明实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图；
图4显示本发明另一实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图；
图5显示本发明再一实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图；
图6显示本发明实施例的触控装置的运作方法的流程图。
附图标记说明
231积分可程序化增益放大电路
233衰减电路
235模拟数字转换单元
237数字后端
239步进电流电路。
具体实施方式
请参照图2所示，其显示本发明实施例的触控装置的方块示意图。所述触控装置包含电容触控板21和控制芯片23。所述触控装置可用于检测导体接近所述电容触控板21或施加于所述电容触控板21的外力所形成的电容变化。所述控制芯片23包含用以处理所述电容触控板21输出的检测信号y(t)的信号处理电路；其中，所述检测信号y(t)例如为交流电压信号。所述控制芯片23例如通过至少一个总线(busline)电性连接所述电容触控板21，以于其间传递检测信号y(t)及控制信号。
所述电容触控板21例如包含多个驱动电极211及多个检测电极213。例如，所述多个检测电极213与所述多个驱动电极211交错的设置，以于其间形成互感电容cm。所述多个驱动电极211用于接收驱动信号vsig，所述多个检测电极213用于根据所述互感电容cm的感应输出所述检测信号y(t)。当导体(例如手指或触控笔)接近或碰触所述电容触控板21时，所述互感电容cm的电容值产生变化而影响所述检测信号y(t)，所述控制芯片23则可根据所述检测信号y(t)的变化判断触控位置、手势等并进行相对应控制；其中，所述控制芯片23执行的相对应控制根据不同应用而定，例如控制光标动作、启动应用软件、移动图像(icon)等，并无特定限制。所述控制芯片23根据互感电容值变化判断电容触控板21上的触控的方式已为已知，例如判断电压信号变化、充放电时间变化等，故于此不再赘述。
必须说明的是，虽然图2中显示所述多个驱动电极211延伸于横向方向而所述多个检测电极213延伸于纵向方向，然其仅用以说明而并非用以限定本发明。所述多个驱动电极211与所述多个检测电极213的空间关系可根据不同配置而定，只要能于所述多个驱动电极211与所述多个检测电极213之间形成互感电容cm即可。
此外，所述检测信号y(t)并不限于根据互感电容cm的感应所产生，也可能是根据所述多个驱动电极211和/或所述多个检测电极213的自感电容的感应所产生。关于自容模式和互容模式的运作，例如可参照申请人所共同拥有并于2015年4月28日所申请的美国专利申请第14/697,923号，其内容在此并入以作为参考。
所述控制芯片23包含用于驱动所述电容触控板21的多个驱动电路230及用于处理所述电容触控板21输出的检测信号y(t)的信号处理电路。所述多个驱动电路230例如为信号产生器。所述多个驱动电路230的每一者分别连接所述多个驱动电极211其中之一，并以驱动信号vsig驱动所连接的驱动电极211。某些实施例中，所述多个驱动电路230的每一者通过开关组件(未绘示)连接相对应的驱动电极211，所述开关组件用于控制所述驱动信号vsig是否被输入至所连接的驱动电极211。例如，所述驱动信号vsig在正常阶段被输入所述电容触控板21，但于校正阶段则不被输入所述电容触控板21。
此处所述信号处理电路是指连接于所述电容触控板21下游的电路，例如包含多个积分可程序化增益放大电路(ipga)231、多个衰减电路(说明于后)、模拟数字转换单元235以及数字后端237等；其中，所述多个积分可程序化增益放大电路231例如通过多个开关组件或多任务器(mux)耦接所述模拟数字转换单元235。所述多个积分可程序化增益放大电路231分别耦接(例如透过多个开关组件)所述多个检测电极213以放大所述检测信号y(t)。本发明实施例中，由于多个衰减电路的每一者相对耦接一个积分可程序化增益放大电路231，也可以考虑为所述多个衰减电路的每一者包含于一个积分可程序化增益放大电路231中。
请参照图3所示，其显示本发明实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图；其中，图3仅显示图2中多个积分可程序化增益放大电路231的其中一个及其相对应的互感电容cm及驱动电路230。其他的积分可程序化增益放大电路231及其相对应的互感电容cm及驱动电路230则相同。所述多个积分可程序化增益放大电路231的每一者包含第一运算放大器op1、反馈电阻rf、补偿电容cf以及输入电阻ri，并用于接收及处理所耦接的检测电极213所输出的检测信号y(t)。
所述第一运算放大器op1具有正输入端(+)、负输入端(-)及输出端。所述正输入端耦接定电压源，例如0.9伏电压源，但并不限于此。所述输出端用于输出放大后检测信号sout至模拟数字转换单元235。
所述模拟数字转换单元235耦接所述第一运算放大器op1的所述输出端，用于将所述放大后检测信号sout转换为数字信号。所述数字后端237耦接所述模拟数字转换单元235，用于根据所述数字信号控制多个开关组件的启闭(举例说明于后)。所述模拟数字转换单元235可包含于模拟前端或数字后端，并无特定限制。
所述反馈电阻rf跨接于所述第一运算放大器op1的所述负输入端及所述输出端之间。所述补偿电容cf同样跨接于所述第一运算放大器op1的所述负输入端及所述输出端之间，以与所述反馈电阻rf形成并联。所述输入电阻ri的第一端(例如图3右端)耦接所述第一运算放大器op1的所述负输入端，所述输入电阻ri的第二端(例如图3左端)耦接所述多个检测电极213其中之一，用于接收其所输出的检测信号y(t)。
所述衰减电路233耦接所述输入电阻ri的第二端，用以分流部分流经所述输入电阻ri的电流(例如图3显示电流iatt)，以衰减所述积分可程序化增益放大电路231的增益(gain)。
可了解的是，为了避免如图1的积分可程序化增益放大电路的输出饱和，可通过增加补偿电容cf的电容值来降低其增益。然而，较大的补偿电容cf会增加在所述控制芯片23中的占用面积。为了维持或降低补偿电容cf的电容值，本发明中透过设置所述衰减电路233来降低积分可程序化增益放大电路231的增益。
本发明实施例中，所述衰减电路233可使用适当电路，并无特定限制，只要能达到衰减所述积分可程序化增益放大电路231的增益的目的即可。
例如参照图4，其显示本发明另一实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图。本实施例中，所述衰减电路233包含第二运算放大器op2以及分流电阻(shuntresistor)rs。所述第二运算放大器op2具有正输入端(+)、负输入端(-)及输出端。所述第二运算放大器op2的所述输出端直接耦接所述第二运算放大器op2的所述负输入端，以形成电压随耦器(voltagefollower)。所述分流电阻rs具有第一端(例如图4右端)耦接所述第二运算放大器op2的所述输出端及具有第二端(例如图4左端)耦接所述输入电阻ri的第二端，以与所述输入电阻ri共同耦接至所述多个检测电极213其中之一。
在某些情况下，由于制程的因素，运算放大器op1与op2可能具有不同特性，运算放大器op1与op2各自的偏移，会进而造成所述积分可程序化增益放大电路231的第一运算放大器op1与所述衰减电路233之间的不匹配而存在偏移。因而产生偏移电压在运算放大器op1与op2之间，例如节点vx与vy之间的电压差。而此偏移电压差会产生流经所述反馈电阻rf的偏移电流，进而导致放大后检测信号sout的偏移而缩减所述模拟数字转换单元235的可操作动态范围。更详言之，设置所述衰减电路233虽可降低补偿电容cf的电容值，但所述积分可程序化增益放大电路231与所述衰减电路233之间的偏移电压差所形成的偏移电流会流经所述输入电阻ri及反馈电阻rf。
例如，假设所述反馈电阻rf为100千欧姆(kohm)，输入电阻ri为32千欧姆，分流电阻rs为1千欧姆，可求得直流增益rf/(ri+rs)约为3。还假设第一运算放大器op1与第二运算放大器op2各自的偏移电压均为30毫伏(mv)，则第一运算放大器op1与第二运算放大器op2的最大偏移电压差可达到60毫伏。经过积分可程序化增益放大电路231的放大后，最大可能产生60×3＝180毫伏的偏移电压。如果所述模拟数字转换单元235的可操作动态范围为400毫伏，180毫伏的偏移电压则占了45％的可操作动态范围，明显会降低电容触控板21的运作效能。此外，为了维持所述积分可程序化增益放大电路231的截止频率1/(2π×rf×cf)，某些实施例中需要增加反馈电阻rf的数值，如此更增加了偏移电压所造成的影响。
本发明还提供一种可消除或大幅减少上述偏移电压的信号处理电路。
参照图5所示，其显示本发明再一实施例的触控装置的信号处理电路的方块示意图。本实施例中，所述信号处理电路另包含多个步进电流电路239。所述多个步进电流电路239的每一者分别耦接所述多个积分可程序化增益放大电路231其中之一的所述第一运算放大器op1的所述负输入端，用于提供步进电流至耦接的所述积分可程序化增益放大电路231或从耦接的所述积分可程序化增益放大电路231汲取步进电流；其中，此处所述步进电流是指所述步进电流电路239所提供或汲取的电流变化量不是连续的，而是以固定数值步进的改变。同理，本发明实施例中，由于所述多个步进电流电路239的每一者相对耦接一个积分可程序化增益放大电路231，也可考虑所述多个步进电流电路239的每一者是一个积分可程序化增益放大电路231的一部分。
一种实施例中，所述步进电流电路239包含电流镜电路。所述电流镜电路包含多个开关组件(例如图5显示包含6个开关组件0～5，例如可以是pmos开关组件和/或nmos开关组件)。所述电流镜电路受到所述数字后端237的控制，通过启闭所述多个开关组件以使流经所述反馈电阻rf的电流值最小(说明于后)。
例如，本发明的触控装置的运作具有校正阶段以及正常阶段；其中，所述校正阶段例如指每此开机、结束休眠或接受指示且所述触控装置并未有任何导体靠近或接触且不进行触控检测的阶段，所述正常阶段是指所述触控装置正在进行触控检测的阶段。可通过识别驱动信号vsig是否被输入来区隔此两阶段。
例如，在校正阶段中，所述控制芯片23的多个驱动电路230不输入驱动信号vsig至相对应的驱动电极211。同时，所述数字后端237预存有关于所述驱动信号vsig未被用以驱动所述驱动电极211时的预设数字值(例如于出厂前预先储存)。当上述偏移电压存在时，所述模拟数字转换单元235将放大后检测信号sout转换为数字信号并输入至所述数字后端237的数字值，则与所述预设数字值不相同(可能大于或小于)。
所述数字后端237控制所述步进电流电路239中的多个开关组件，例如发出控制信号vbp控制开关组件0～2以使电压源vdd提供步进电流ip至相对应的积分可程序化增益放大电路231，或发出控制信号vbn控制开关组件3～5以从相对应的积分可程序化增益放大电路231汲取步进电流id至接地gnd。也即，所述步进电流电路239包含电流源(currentsource)及电流槽(currentsink)。控制的目标是求得使流经所述反馈电阻rf的电流值最小的所述多个开关组件的控制编码(具有预设比特数)，也即使所述模拟数字转换单元235输出的数字值尽量接近或等于预设数字值。同时，将所述控制编码储存于数字后端237的储存装置，例如随机存取内存(ram)或闪存(flashmemory)等的挥发性储存装置中。所储存的控制编码则在正常阶段供所述数字后端237控制所述多个开关组件(例如开关组件0～5)的启闭。
延续上述实施例，当两运算放大器op1、op2的偏移电压差为60毫伏时，偏移电流值可求得为60mv/(32kohm+1kohm)＝1.818微安培(μamp)。如果使用3比特(bit)的校正，则可设定7个不同的步进电流，则可计算出校正分辨率(resolution)是1.181微安培/(7×2)＝0.13微安培，可进而计算出积分可程序化增益放大电路231的输出偏移电压为0.13μamp×100kohm＝13毫伏，其明显低于上述未经校正的数值。
可以了解的是，由于制程因素对每一个积分可程序化增益放大电路231及衰减电路233的影响不同，因此所述数字后端237较佳相对所述多个积分可程序化增益放大电路231的每一个均事先分别储存一组控制编码，以使每一个积分可程序化增益放大电路231输出的放大后检测信号sout的偏移电压达到最小，以增加检测精确度。此外，所述步进电流电路239的校正分辨率是根据开关组件的数目决定的，所使用的开关组件的数目越多，则能够进行更为精确的校正以得到较小的偏移电压。因此，实际所使用的开关组件的数目可根据实际系统的设计决定，并无特定限制。
请参照图6所示，其显示本发明实施例的触控装置的运作方法的流程图。该运作方法包含下列步骤：进入校正阶段(步骤s61)；以积分可程序化增益放大电路接收电容触控板输出的检测信号并输出放大后检测信号(步骤s63)；以模拟数字转换单元将所述放大后检测信号转换为数字信号(步骤s65)；以数字后端根据所述数字信号控制步进电流电路提供步进电流至所述积分可程序化增益放大电路或从所述积分可程序化增益放大电路汲取步进电流，以降低所述积分可程序化增益放大电路与衰减电路之间的偏移电压差形成的偏移电流值(步骤s67)；以及进入正常阶段，并以预存控制编码控制所述步进电流电路(步骤s69)。
本实施例的运作方法适用于包含图5的信号处理电路的触控装置。如前所述，所述触控装置包含电容触控板21、积分可程序化增益放大电路231、衰减电路233、步进电流电路239、模拟数字转换单元235及数字后端237；其中，所述电容触控板21、所述衰减电路233，所述步进电流电路239及所述模拟数字转换单元235耦接所述积分可程序化增益放大电路231。所述衰减电路233用以透过汲取部分电流来衰减所述积分可程序化增益放大电路231的增益。所述模拟数字转换单元235耦接于所述积分可程序化增益放大电路231与所述数字后端237之间。
本实施例中，所述校正阶段是用以储存正常阶段时所使用的校正参数，例如控制步进电流电路239中的多个开关组件的控制编码，而并非用以进行触控检测。所述正常阶段则根据校正阶段所储存的校正参数进行触控检测。
步骤s61：首先，在触控装置的开机程序或结束休眠程序即自动进行校正阶段。或者，所述数字后端237在接收指示信号时，例如按键被按压或应用软件被执行，才控制所述触控装置进入所述校正阶段。
步骤s63：进入校正阶段后，控制芯片23的多个驱动电路230分别对相对应的驱动电极211输入预设定电压，或不输入任何信号。每一个积分可程序化增益放大电路231从相对应的检测电极213接收检测信号y(t)并根据组件参数(例如反馈电阻rf、补偿电容cf及输入电阻ri等)决定的增益值进行放大，以输出放大后检测信号sout。
步骤s65：所述模拟数字转换单元235将每一个积分可程序化增益放大电路231输出的放大后检测信号sout进行模拟数字转换，以相对每一个积分可程序化增益放大电路231输出一个数字信号。
步骤s67：所述数字后端237接收所述数字信号(例如数字值)，将其与相对应的预设数字值进行比较。如前所述，所述数字后端237较佳预先储存有相对于每一个积分可程序化增益放大电路231的预设数字值。例如，当所接收的数字信号大于或小于所述预设数字值时，可控制开关组件0～2以提供不同的步进电流至积分可程序化增益放大电路231或控制开关组件3～5以从积分可程序化增益放大电路231汲取不同的步进电流，直到所述积分可程序化增益放大电路231与所述衰减电路233之间的偏移电压差所形成的偏移电流值最小为止。例如利用预设顺序一个一个的控制开关组件以求得所述最小值。本实施例中，是将所述控制开关组件0～5的控制方式形成预设比特的数字编码来储存，以作为所述控制编码。
当相对每一个积分可程序化增益放大电路231均预先储存一组控制编码于所述数字后端327的储存装置后，则结束校正阶段。
步骤s69：所述校正阶段结束后，则自动进入正常阶段或操作模式。所述控制芯片23控制多个驱动电路230分别对相对应的驱动电极211依序或并行的输入驱动信号vsig；其中，所述驱动信号vsig可为连续或非连续的周期或非周期性电压信号，并无特定限制。关于并行驱动的内容，例如可参照申请人所共同拥有并于2013年6月26日所申请的美国专利申请第13/928,105号，其内容在此并入以作为参考。同时，所述控制芯片23的数字后端237相对扫描信号(其依序控制读取多个检测电极213的每一个)，对应目前被扫描的检测电极213从储存装置读取预存的控制编码，以控制相对应的步进电流电路239中的切换开关(例如图5的0～5)，以降低积分可程序化增益放大电路231与衰减电路233之间的偏移电压差形成的偏移电流值。
藉此，可有效降低偏移电压所导致的可运作动态范围的缩小，藉以提升信噪比及检测性能。
可以了解的是，上述实施例中的数值，例如电阻值、电容值、电压值、电流值、切换开关的数目等均仅为例示，并非用以限定本发明。
综上所述，已知触控面板的信号处理电路因为其内的运算放大器的偏移电压导致信号动态范围降低，而具有较低的信噪比和触控效能。因此，本发明另提供一种触控装置(图2)及其信号处理电路(图4～5)与运作方法(图6)，其通过使用步进电流电路提供或汲取步进电流以抵销或降低至少一部分流经所述运算放大器的反馈电阻的电流，藉以消除运算放大器的偏移电压所造成的影响。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。