电容检测电路、触控芯片和电子设备的制作方法

本申请实施例涉及电容检测领域，并且更具体地，涉及一种电容检测电路、触控芯片和电子设备。

背景技术：

电容式传感器广泛应用于电子产品中，用来实现触摸检测。在电容式传感器中，电容值会随着用户手指的触摸而发生变化。通过电容检测电路可以读取电容的变化，从而基于电容的变化判断用户的操作，达到更好的人机交互体验。随着触摸屏尺寸的增加和屏体技术的更新，触摸屏的电容值也在增大，如何有效地提取微小的电容变化量并且不增加电容检测电路的成本，成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种电容检测电路、触控芯片和电子设备，能够有效地提取微小的电容变化量，并且不增加电容检测电路的成本。

第一方面，提供了一种电容检测电路，包括：

cca电路，所述cca电路的第一输入端和第二输入端分别连接待测电容和抵消电容，所述cca电路的第三输入端连接打码电压，所述cca电路的第一输出端和第二输出端分别输出第一电流和第二电流，其中，所述抵消电容小于所述待测电容的初始值；

pga电路，所述pga电路的两个输入端分别与所述cca电路的所述第一输出端和所述第二输出端相连；

其中，所述第一电流与所述第二电流之间的比例被设置为等于所述待测电容的初始值和所述抵消电容之间的比例，以在所述待测电容为所述初始值时所述pga电路的输出为0，以及在所述待测电容相对于所述初始值变化时所述pga电路的输出与所述待测电容的电容变化量相关联。

在一种可能的实现方式中，所述cca电路的输出级包括第一电路单元和第二电路单元。所述第一电路单元包括第一ｐ沟道金属氧化物半导体（p-channelmetaloxidesemiconductor，pmos）管和第一n沟道金属氧化物半导体（n-channelmetaloxidesemiconductor，pmos）管，所述第一pmos管的漏极、所述第一nmos管的漏极、以及所述cca电路的所述第一输出端相连。所述第二电路单元包括第二pmos管和第二nmos管，所述第二pmos管的漏极、所述第二nmos管的漏极、以及所述cca电路的所述第二输出端相连。所述第一pmos管和所述第二pmos管的栅极电压相同，所述第一nmos管和所述第二nmos管的栅极电压相同。

在一种可能的实现方式中，通过设置所述第一pmos管和第一nmos管的宽长比，与所述第二pmos管和所述第二nmos管的宽长比之间的比例，得到所述第一电流与所述第二电流之间的比例。

在一种可能的实现方式中，通过设置所述cca电路中包括的所述第一电路单元的数量与所述第二电路单元的数量之间的比例，得到所述第一电流与所述第二电流之间的比例。

在一种可能的实现方式中，所述cca电路输出的所述第一电流和所述第二电流之间的比例是可调的，所述抵消电容为可调电容，其中，通过调节所述第一电流和所述第二电流之间的比例和/或所述抵消电容，使得所述待测电容为所述初始值时所述pga电路的输出为0。

在一种可能的实现方式中，所述第一电流与所述第二电流之间的比例位于5：1至10：1之间。

在一种可能的实现方式中，所述pga电路包括差分放大器、以及跨接在所述差分放大器的输入端和输出端之间的反馈电容和反馈电阻。

在一种可能的实现方式中，所述打码电压为方波信号或者正弦波信号。

第二方面，提供了一种触控芯片，包括第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的电容检测电路。

第三方面，提供了一种电子设备，包括：

触摸屏；以及，

第二方面或第二方面的任意可能的实现方式中的触控芯片。

基于上述技术方案，电容检测电路中设置有cca电路和与cca电路相连的pga电路。该cca电路的输入端分别与待测电容和抵消电容相连，该cca电路的输出端分别输出对应的第一电流和第二电流。抵消电容小于待测电容的初始值，且该第一电流和该第二电流之间的比例被设置为等于待测电容的初始值和抵消电容之间的比例。从而在待测电容为该初始值时，该pga电路的输出为0，而在待测电容相对于该初始值变化时，该pga电路的输出与该待测电容的电容变化量相关联。因此，通过该pga电路的输出的信号即可获取待测电容的电容变化量，并且由于可以采用较小的抵消电容抵消较大的待测电容的初始值，也降低了电容检测电路的成本。

附图说明

图1是基于全差分的电容检测电路。

图2是基于抵消电容的电容检测电路。

图3是本申请实施例的电容检测电路的示意图。

图4是本申请实施例的cca电路的一种可能的电路结构的示意图。

图5是本申请实施例的cca电路的一种可能的电路结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

对于电容式传感器来说，触摸屏本身的电容值越大，提取触摸所引起的微小的电容变化量越难。为了加大电容变化量的检测的灵敏度，输入到触摸屏的电压往往选取的更大。在检测电容变化量时，检测到的触摸屏的电容值也同样变大。在这种情况下，电容检测电路很容易饱和。为了防止电容检测电路发生饱和，需要更高的电路动态范围，这会导致电容检测电路的功耗成倍增加。

而且，电容检测电路读取到的数据中很大一部分是触摸屏本身的大电容，这部分数据对于触摸所引起的电容变化而言是不携带有效信息的冗余数据。为了达到更低功耗和更高信噪比的电容检测电路，以及提高存储有效信息的效率，目前可以采用一些方式来规避大动态范围的需求。

一种方式是，电路前端对相邻读取通道的数据进行全差分。这样，在差分的正负两端分别接相邻的触摸屏电容，通过差分运算放大器来放大两端差模的电流或者电荷，从而抑制共模的信号、干扰以及噪声。由于相邻通道受到的干扰信号是基本一样的，且相邻通道上的触摸屏本身电容也相近，那么干扰信号和触摸屏本身的电容信号就会作为共模而得到有效的抑制，电容检测电路的动态范围的要求也就降低了很多。但是，由于这种差分电路要求对相邻通道同时读取数据，往往需要分时做两次差分以获得所有相邻通道的差，保存并且还原所有通道的电容变化量。例如图1所示，假设差分运算放大器对三个检测通道进行差分，需要分时进行两次差分，才能得到全部检测通道对应的电容变化量。可见，分时读取数据会损失触摸屏信号读取的刷新率，所以在高刷新率的电子设备中是很难接受的，并且，差分数据在触摸检测的定位算法中的使用也有待验证。

另外一种方式是，对触摸屏本身的大电容进行抵消。在该方案中，在电容检测电路读取电容值之前，抵消电路会针对触摸屏本身电容进行抵消，在电压、电荷或者电流域减去触摸屏本身电容。减去触摸屏大电容后，触摸引起的微小的电容变化量会被作为有效信号读取出来。例如图2所示，当待测电容cs1接打码电压vdd时，用于抵消电荷量的电容ct接地，则待测电容cs1与电容ct上的电荷量分别为cs1×vdd和0。在进行电荷抵消时，待测电容cs1与电容ct的上极板相连，总的电荷量为cs1×vdd=（cs1+ct）×vcm，其中vcm是前端电路gm的输入端的共模电压，即1/2vdd。那么，电容ct需要等于cs1，才可以使抵消后的电压为前端电路的共模电压。随着触摸屏本身电容越来越大，所需要的用于抵消的电容ct也随之增大，电容检测电路所在芯片的面积随之增大，就导致芯片成本很高。

为此，本申请提供了一种电容检测电路，能够利用较小的抵消电容抵消较大的触摸屏电容，以在有效地提取微小的电容变化量的同时不增加电容检测电路的成本。

图3是本申请实施例的电容检测电路的一种可能的电路结构。如图3所示，该电容检测电路300包括共模控制放大器（commonmodecontrolamplifier，cca）电路310和可编程增益放大器（programmablegainamplifier，pga）电路320。

其中，cca电路310的第一输入端和第二输入端分别连接待测电容331和抵消电容332，cca电路310的第三输入端连接打码电压，cca电路310的第一输出端和第二输出端分别输出第一电流i1和第二电流i2。

该打码电压例如可以是方波信号或者正弦波信号。

其中，pga电路320的两个输入端分别与cca电路310的该第一输出端和该第二输出端相连。

抵消电容332小于该待测电容331的初始值。

该第一电流i1与该第二电流i2之间的比例被设置为等于该待测电容331的初始值和抵消电容332之间的比例，以在该待测电容为该初始值时pga电路320的输出为0，以及在该待测电容相对于该初始值变化时pga电路320的输出与该待测电容的电容变化量相关联。

应理解，在实际应用中，本申请实施例中所描述的pga电路320的输出为0，可以指pga电路320输出的信号值为0；或者指pga电路320输出的该信号值在所允许的范围内，可认为输出基本为0。

该实施例中，cca电路310输出的第一电流i1和第二电流i2之间的比例被设置为等于待测电容331的初始值和抵消电容332之间的比例。一方面，可以通过设置该第一电流i1和该第二电流i2之间的比例，使抵消电容332小于待测电容331的初始值；另一方面，由于第一电流i1和第二电流i2之间的比例等于待测电容331的初始值和抵消电容332之间的比例，因此当待测电容331等于该初始值时，pga电路320的输出为0，而当待测电容331相对于该初始值变化时，pga电路320的输出与待测电容331的电容变化量相关联。这样，根据pga电路320的输出的信号即可获取待测电容331的电容变化量，并且由于可以采用较小的抵消电容332抵消较大的待测电容331的初始值，也降低了电容检测电路的成本。

当电容检测电路300应用在触摸领域时，例如应用在互容检测的触摸屏中，那么待测电容331的初始值，例如可以是手指未触摸该触摸屏时，该触摸屏的横向电极和纵向电极之间的电容值；而待测电容331的电容变化量，例如可以是有手指触摸该触摸屏时，该触摸屏的横向电极和纵向电极之间的互电容值相对于该初始值的电容变化量，该电容变化量是由手指触摸引入的。

下面结合图3，对cca电路310的工作原理进行详细说明。

如图3所示，cca电路310的两个输入端口分别连接待测电容331和抵消电容332。cca电路310的两个输出端口可以输出共模电流i1和i2，以使待测电容331和抵消电容332上的电压等于共模电压。当cca电路310的另一输入端口连接打码电压vdrv时，如果抵消电容332的电容值cc等于待测电容331的电容值cs，即cc=cs，则待测电容331上的共模电流is=scs×vdrv，抵消电容332上的共模电流ic=scc×vdrv。电流is和ic会由cca电路310流出或者流入，后级的pga电路320看不到共模电流，所以pga电路320的输出接近于0。其中，cs为待测电容331的初始值，或者说是基础值，例如可以是触摸屏本身的电容。当待测电容331的电容值在初始值cs的基础上发生变化时，例如由cs变化至cs+△c，则会产生差模电流，该电流会输入至pga电路320，pga电路320的差分输出端的电压变化就反映了待测电容331的电容变化量△c。通过pga电路320输出的电压信号vout，就可以获取待测电容331的电容变化量△c。

进一步地，当电流i1和电流i2的电流比例设置为m：n时，待测电容331的初始值cs与抵消电容332的电容值cc之间的比例就可以为m：n。当n＜m时，可以实现用n/m倍的抵消电容332去抵消触摸屏本身的大电容cs，即，使用cc=(n/m)×cs抵消cs。假设m=10n，则只有1/10的cs需要做到芯片内部，实现了利用小面积低成本的芯片去抵消触摸屏的大电容负载。

本申请实施例对cca电路310的具体结构不做限定，能够实现上述功能的其他共模控制电路均适用于本申请。图4所示为cca电路310的一种可能的电路结构。图4中的vni和vn2即为图3中cca电路310的第一输入端和第二输入端对应的电压；vp为第三输入端对应的电压，即图3中的vdrv；vo1和vo2分别为图3中cca电路310的两个输出端对应的电压，对应的电流分别为上述i1和i2。

如图4所示，cca电路310的输出级包括第一电路单元311和第二电路单元312。其中，第一电路单元311包括第一pmos管3111和第一nmos管3112，该第一pmos管3111的漏极、该第一nmos管3112的漏极、以及cca电路310的第一输出端（vo1）相连。第二电路单元312包括第二pmos管3121和第二nmos管3122，该第二pmos管3121的漏极、该第二nmos管3122的漏极、以及cca电路310的第二输出端（vo2）相连。其中，第一pmos管3111和第二pmos管3121的栅极电压相同，第一nmos管3112和第二nmos管3122的栅极电压相同。

第一晶体管电路311用于输出第一电流i1，第二晶体管电路312用于输出第二电流i2。可以通过配置cca电路310的输出级的第一电路单元311和第二电路单元312，例如配置第一电路单元311和第二电路单元312中的mos管的宽长比（width/length，w/l），或者配置第一电路单元311和第二电路单元312的数量等，来控制cca电路310输出的第一电流i1和第二电流i2的大小。

例如，通过设置第一电路单元331中的第一pmos管3111和第一nmos管3112的宽长比，与第二电路单元312中的第二pmos管3121和第二nmos管3122的宽长比之间的比例，得到第一电流i1与第二电流i2之间的比例。

假设第一pmos管3111和第一nmos管3112的宽长比均为m：1，第二pmos管3121和第二nmos管3122的宽长比均为n：1，则第一电流i1和第二电流i2之间的比例i1：i2=m：n。

又例如，通过设置cca电路310中包括的第一电路单元311的数量与第二电路单元312的数量之间的比例，得到第一电流i1与第二电流i2之间的比例。

例如图5所示，假设设置cca电路310的输出级中包括并联的m个第一电路单元311以及并联的n个第二电路单元312，那么第一电路单元311和第二电路单元312分别输出的第一电流i1与第二电流i2之间的比例i1：i2=m：n。

第一电流i1与第二电流i2之间的比例可以根据触摸屏的特性和对抵消电容的要求等进行设置，例如i1：i2可以位于5：1至15：1之间比如i1：i2=10：1。相应地，抵消电容332的电容值cc可以是待测电容331的初始值cs的1/5至1/15比如1/10。

本申请实施例中，cca电路310输出的第一电流i1和第二电流i2之间的比例可以是可调的。抵消电容332也可以为可调电容。其中，通过调节第一电流i1和第二电流i2之间的比例i1：i2，和/或调节抵消电容332的电容值cc，可以使得待测电容331的电容值等于初始值cs的情况下pga电路320输出的电压vout为0。

可以在cca电路310的输出级设置多个档位。例如，针对第一电路单元311和第二电路单元312分别设置多个档位，其中不同档位对应的mos管的宽长比不同；又例如，如图5所示，通过档位开关选择当前需要并联连接的第一电路单元311的数量和第二电路单元312的数量，比如当选择m个第一电路单元311和n个第二电路单元312时，i1：i2=m：n。因此，在初始时，通过对cca电路310的档位调节，和/或对抵消电容332的电容值进行调节，可以使pga电路320输出的电压信号vout为基本0。之后，在进行电容检测时，如果有手指触摸，则根据pga电路320输出的电压信号vout的变化，就可以知道该触摸所引起的待测电容331的电容变化量。

如图3所示，pga电路320例如包括差分放大器pga、以及跨接在差分放大器pga的输入端和输出端之间的反馈电容cf和反馈电阻rf。

本申请实施例还提供一种触控芯片，包括上述本申请各种实施例中的电容检测电路。

本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：触摸屏；以及，上述本申请各种实施例中的触控芯片。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机（automatedtellermachine，atm）等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分的功能，例如：智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。