專利名稱：電容值測量電路與電容值測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容值測量電路與電容值測量方法，且特別涉及一種以差動方式 進(jìn)行測量的電容值測量電路與電容值測量方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，多半以機械式開關(guān)來實現(xiàn)使用者控制接口。由于使用者需直接接觸到傳 統(tǒng)機械開關(guān)，傳統(tǒng)機械開關(guān)才可響應(yīng)于使用者的控制指令而進(jìn)行操作，傳統(tǒng)機械式裝置容 易在使用者操作過程中發(fā)生損壞。目前，已開發(fā)出觸控式開關(guān)。觸控式開關(guān)例如是電容式 開關(guān)等。為了提升使用上的便利性，目前已研發(fā)出的觸控面板(touch panel)或顯示觸控 面板(同時具有顯示與觸控的功能)可接受使用者的輸入、點選等操作。觸控面板或顯示 觸控面板可應(yīng)用于各種電子裝置當(dāng)中，例如移動電話中。如此，可讓使用者直接在觸控面板 或顯示觸控面板上點選畫面來進(jìn)行操作，藉此提供更為便捷且人性化的操作模式。觸控面 板或顯示觸控面板有多種，電容式觸控面板，電容式顯示觸控面板均屬其中。當(dāng)使用者操作電容式觸控面板、電容式顯示觸控面板、或電容式開關(guān)時，其內(nèi)部的 待測電容的電容值會隨使用者操作而發(fā)生變化。故而，如果能檢測待測電容的電容值與其 變化，即可檢測(感覺)使用者的操作。然而，如何設(shè)計出可有效地檢測待測電容的電容值 與其變化的電容值測量電路，以提升電容式觸控面板、電容式顯示觸控面板、或電容式開關(guān) 的性能仍為業(yè)界不斷致力的方向之一。然而，以現(xiàn)有的電容值測量電路而言，如果在輸入電壓源出現(xiàn)噪聲，此噪聲會耦合 至電容值測量電路的內(nèi)部，進(jìn)而影響到電容值的測量結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種電容值測量電路與電容值測量方法，其以差動方式進(jìn)行電容值測 量，故而可以提高抗噪聲能力。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，提出了一種電容值測量電路，其包括操作放大器， 具有第一輸入端，第二輸入端與輸出端；參考電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接該 操作放大器的該第一輸入端，該第二端選擇性耦接第一參考電壓或第二參考電壓；待測電 容，具有第一端與第二端，該第一端耦接該操作放大器的該第二輸入端，該第二端選擇性耦 接該第一參考電壓或該第二參考電壓；逼近單元，具有輸入端與輸出端，該輸入端耦接該操 作放大器的該輸出端；轉(zhuǎn)換單元，具有輸入端與輸出端，該輸入端耦接該逼近單元的該輸出 端；以及耦合電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接該操作放大器的該第一輸入端或該 第二輸入端，該第二端耦接該轉(zhuǎn)換單元的該輸出端。在一種實施方式中，本發(fā)明的電容值測量電路還包括第一開關(guān)，具有第一端與第 二端，該第一端耦接至該參考電容的該第二端，該第二端則耦接至該第一參考電壓或該第 二參考電壓；第二開關(guān)，具有第一端與第二端，該第一端耦接至該待測電容的該第二端，該第二端則耦接至該第一參考電壓或該第二參考電壓；第三開關(guān)，具有第一端與第二端，該第 一端耦接至該操作放大器的該第二輸入端，該第二端則選擇性耦接至該第二參考電壓；第 四開關(guān)，具有第一端與第二端，該第一端耦接至該操作放大器的該第一輸入端，該第二端則 選擇性耦接至該第二參考電壓；第一寄生電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接該操作 放大器的該第一輸入端，該第二端耦接至該第二參考電壓；第二寄生電容，具有第一端與第 二端，該第一端耦接該操作放大器的該第二輸入端，該第二端耦接至該第二參考電壓；以及 匹配耦合電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接該操作放大器的該第一輸入端或該第 二輸入端，該第二端耦接該第二參考電壓。在本發(fā)明的一種實施方式中，在電容值測量電路中，在初始狀態(tài)下，該第一開關(guān)、 該第二開關(guān)、該第三開關(guān)與該第四開關(guān)皆耦接至該第二參考電壓。在本發(fā)明的一種實施方式中，在電容值測量電路中，在開始測量時，該第一開關(guān)切 換至該第一參考電壓，該參考電容耦合第一電荷量至該操作放大器的該第一輸入端；該第 二開關(guān)切換至該第一參考電壓，該待測電容耦合第二電荷量至該操作放大器的該第二輸入 端；以及該第三開關(guān)與該第四開關(guān)則斷路于該第二參考電壓。在本發(fā)明的一種實施方式中，在電容值測量電路中，如果該待測電容與該參考電 容的電容值不同，該操作放大器的該第一輸入端的第一輸入電壓不同于該第二輸入端的第 二輸入電壓，該操作放大器比較并傳送一輸出電壓給該逼近單元；根據(jù)該操作放大器的該 輸出電壓，該逼近單元據(jù)而輸出一數(shù)字輸出信號至該轉(zhuǎn)換單元；該轉(zhuǎn)換單元將該逼近單元 的該數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓；經(jīng)由該逼近單元的連續(xù)逼近，該逼近單元的該數(shù)字輸 出信號反應(yīng)該待測電容與該參考電容間的電容差值，以得知該待測電容的電容值。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，提出了一種電容值測量方法，其包括通過參考電 容，耦合第一電荷量至比較器的第一輸入端，以在該比較器的該第一輸入端形成第一輸入 電壓；通過該待測電容，耦合第二電荷量至該比較器的第二輸入端，以在該比較器的該第二 輸入端形成第二輸入電壓；差動式比較該第一輸入電壓與該第二輸入電壓；以及根據(jù)該比 較結(jié)果，連續(xù)逼近模擬電壓，該模擬電壓通過耦合電容而耦合第三電荷量至該比較器的該 第一輸入端或該第二輸入端，使得該第一輸入電壓接近于該第二輸入電壓，其中，連續(xù)逼近 結(jié)果反應(yīng)該待測電容的該電容值。本發(fā)明的電容值測量方法還包括使該參考電容與該待測電容放電。在一種實施方式中，本發(fā)明的電容值測量方法還包括利用匹配耦合電容以達(dá)到負(fù) 載匹配。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，提出了一種電容值測量方法，其包括放電比較器 的第一輸入端與第二輸入端；耦接參考電容的第二端至第一參考電壓，其中，該參考電容的 第一端耦接至該比較器的該第一輸入端；耦接待測電容的第二端至該第一參考電壓，其中， 該待測電容的第一端耦接至該比較器的該第二輸入端；停止放電該比較器的該第一輸入端 與該第二輸入端；切換該參考電容的該第二端至第二參考電壓；切換該待測電容的該第二 端至該第二參考電壓；以及根據(jù)該比較器的比較結(jié)果，連續(xù)逼近模擬電壓，該模擬電壓通過 耦合電容而耦合至該比較器的該第一輸入端或該第二輸入端，使得該比較器的該第一輸入 端的第一輸入電壓接近于該第二輸入端的該第二輸入電壓，其中，連續(xù)逼近結(jié)果反應(yīng)該待 測電容的該電容值。
在一種實施方式中，本發(fā)明的電容值測量方法中的該第一參考電壓為接地電壓， 該第二參考電壓為參考電壓。在一種實施方式中，本發(fā)明的電容值測量方法還包括利用匹配耦合電容以達(dá)到負(fù) 載匹配。為了使本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特通過實施例，并配合附圖作詳細(xì) 說明如下。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電容值測量電路的電路示意圖。圖2示出了當(dāng)參考電壓VREF有噪聲時的示意圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電容值測量電路的電路示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例的電容值測量電路與電容值測量方法中，以差動方式進(jìn)行電容值測 量，故而可以提高抗噪聲能力。請參考圖1，其示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電容值測量電路的電路示意圖。 如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電容值測量電路100包括參考電容CR，待測電 容(sensor capacitor) CS，耦合電容CC，操作放大器110，連續(xù)逼近寄存器(Successive Approximation Register, SAR) 120，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 130，開關(guān) Si、開關(guān) S2、開關(guān) SCl 與開關(guān)SC2。此外，CPl與CP2代表此電容值測量電路100的寄生電容。而寄存器140是選 擇性元件，其可暫存由SAR 120所輸出的數(shù)字信號，也可輸入?yún)?shù)至SAR 120。參考電容CR耦接于開關(guān)Sl與操作放大器110的輸入端(比如，非反相輸入端) 之間。參考電容CR的電容值為已知。待測電容CS耦接于開關(guān)S2與操作放大器110的另 一輸入端(比如，反相輸入端)之間。待測電容CS的電容值為未知，且其電容值可能隨著 使用者的操作(比如按壓)而變化。在本發(fā)明其它實施例中，參考電容CR可耦接至操作放 大器110的反相輸入端；而待測電容CS則耦接至操作放大器110的非反相輸入端。耦合電容CC耦接于操作放大器110與DAC 130之間。在圖1中，耦合電容CC耦 接至操作放大器110的非反相輸入端；然而，在本發(fā)明其它實施例中，耦合電容CC可耦接至 操作放大器110的反相輸入端。操作放大器110的非反相輸入端耦接至參考電容CR與耦合電容CC ；其反相輸入 端耦接至待測電容CS;其輸出端則耦接至SAR120。SAR 120接收操作放大器110的模擬輸 出電壓，并據(jù)以輸出數(shù)字信號給DAC 130。DAC 130接收SAR 120所輸出的數(shù)字信號，并將 其轉(zhuǎn)換成模擬電壓VDAC給耦合電容CC。開關(guān)Sl的一端耦接至參考電容CR，其另一端則選擇性耦接至參考電壓VREF與接 地端GND之一。開關(guān)S2的一端耦接至待測電容CS，其另一端則選擇性耦接至參考電壓VREF 與接地端GND之一。開關(guān)SCl的一端耦接至操作放大器110的反相輸入端，其另一端則耦接至接地端。 相似地，開關(guān)SC2的一端耦接至操作放大器110的非反相輸入端，其另一端則耦接至接地端。
現(xiàn)說明本發(fā)明第一實施例的電容值測量電路100的操作原理。首先，在初始狀態(tài) 下，開關(guān)Sl與S2皆耦合至接地端GND。開關(guān)SCl與SC2也耦合至接地端GND，使得節(jié)點電 壓VX與VY皆為0(亦即，對操作放大器110的兩個輸入端放電至接地端GND)。在底下，VX 與VY皆可同時代表節(jié)點與節(jié)點電壓。亦即，在初始狀態(tài)下，參考電容CR，待測電容CS與耦 合電容CC皆被放電。接著，在開始測量時，開關(guān)Sl與S2要切換至參考電壓VREF ；而開關(guān)SCl與SC2則 斷路(停止對操作放大器的兩個輸入端的放電)。由于開關(guān)Sl切換至參考電壓VREF，通過 參考電容CR的耦合效應(yīng)，參考電容CR會耦合電荷量QR至節(jié)點VX，其中，電荷量QR如下式 (1)所示QR = VREF^CR(1)相似地，開關(guān)S2切換至參考電壓VREF，通過待測電容CS的耦合效應(yīng)，待測電容CS 會耦合電荷量QS至節(jié)點VY，其中，電荷量QS如下式( 所示QS = VREF*CS(2)如果待測電容CS與參考電容CR的電容值不同，則VX不等于VY。當(dāng)成電壓比較 器的操作放大器110會比較節(jié)點電壓VX與VY，并將其電壓差值傳送給SAR 120。根據(jù)操作 放大器110的模擬輸出電壓，SAR 120會調(diào)整(逼近)其數(shù)字輸出信號，并將調(diào)整后的數(shù)字 輸出信號送至DAC 130。之后，DAC 130將SAR 120的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓VDAC。 特別是，當(dāng)參考電容CR的電容值大于待測電容CS時，VX > VY ；反之亦然。通過耦合電容CC的耦合效應(yīng)，耦合電容CC會耦合電荷量QC至節(jié)點VX，其中，電荷 量QC如下式(3)所示QC = VDAOCC(3)經(jīng)由SAR 120的連續(xù)逼近，最后將使得節(jié)點電壓VX接近于VY，亦即，電荷量QR與 QC的總和將等于QS。所以，VDAC可推導(dǎo)如下QR+QC = QSVREF*CR+VDAC*CC = VREF*CSVDAC = VREF (CS-CR) /CC (4)由上式⑷可知，VDAC可以反映待測電容CS與參考電容CR間的差值。亦即，經(jīng) 由SAR 120的輸出數(shù)字信號，可以得知待測電容CS的電容值。而且，在本發(fā)明其它實施例中，開關(guān)Sl與S2的操作方式可改為，在初始狀態(tài)下，開 關(guān)Sl與開關(guān)S2皆耦接至參考電壓VREF，而在開始測量時，開關(guān)Sl與開關(guān)S2則切換至接地 端 GND。由于操作放大器110以差動方式比較節(jié)點電壓VX與VY，故而其抗噪聲能力較好。 圖2示出了當(dāng)參考電壓VREF有噪聲時的示意圖。如圖2所示，當(dāng)參考電壓VREF有噪聲時， 參考電容CR與待測電容CS均會將此噪聲耦合至節(jié)點電壓VX與VY，造成節(jié)點電壓VX與VY 的變動。但由于操作放大器110以差動方式比較節(jié)點電壓VX與VY，故而，節(jié)點電壓VX與 VY的變動會彼此抵消，所以，SAR 120的輸出信號將較不受參考電壓VREF的噪聲影響。故 而，電容值測量結(jié)果將較不受參考電壓VREF的噪聲影響。所以，可以得知，本發(fā)明上述實施 例所披露的電容值測量電路具有高抗噪聲能力。請參考圖3，其示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電容值測量電路的電路示意圖。與本發(fā)明第一實施例相比，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電容值測量電路還包括另一耦合電容 CCS,以達(dá)到負(fù)載匹配。由于本發(fā)明第二實施例的操作原理基本上相同或相似于第一實施 例，故其細(xì)節(jié)于此省略。耦合電容CCS耦接于操作放大器110的反相輸入端與接地端之間； 然而，在本發(fā)明其它實施例中，耦合電容CCS可耦接至操作放大器110的非反相輸入端與接 地端之間。原則上，耦合電容CC與耦合電容CCS不會互相連接。當(dāng)然，本發(fā)明第二實施例 所披露的電容值測量電路也具有高抗噪聲能力，如圖2所示。綜上所述，雖然本發(fā)明已披露了上述實施例，但其并非用以限制本發(fā)明。本發(fā)明所 屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可作各種修改與改變。 因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以所附權(quán)利要求所限定的為準(zhǔn)。主要組件符號說明100:電容值測量電路CR:參考電容CS:待測電容CC、CCS:耦合電容CP1、CP2:寄生電容S1、S2、SC1、SC2 開關(guān)110:操作放大器120:連續(xù)逼近寄存器130:數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器140:寄存器。
權(quán)利要求
1.一種電容值測量電路，包括操作放大器，具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端；參考電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的所述第一輸入端， 所述第二端選擇性耦接第一參考電壓或第二參考電壓；待測電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的第二輸入端，所述 第二端選擇性耦接所述第一參考電壓或所述第二參考電壓；逼近單元，具有輸入端與輸出端，所述輸入端耦接所述操作放大器的輸出端； 轉(zhuǎn)換單元，具有輸入端與輸出端，所述輸入端耦接所述逼近單元的輸出端；以及 耦合電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的第一輸入端或第 二輸入端，所述第二端耦接所述轉(zhuǎn)換單元的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容值測量電路，還包括第一開關(guān)，具有第一端與第二端，所述第一端耦接至所述參考電容的第二端，所述第二 端則耦接至所述第一參考電壓或所述第二參考電壓；第二開關(guān)，具有第一端與第二端，所述第一端耦接至所述待測電容的第二端，所述第二 端則耦接至所述第一參考電壓或所述第二參考電壓；第三開關(guān)，具有第一端與第二端，所述第一端耦接至所述操作放大器的第二輸入端，所 述第二端則選擇性耦接至所述第二參考電壓；第四開關(guān)，具有第一端與第二端，所述第一端耦接至所述操作放大器的第一輸入端，所 述第二端則選擇性耦接至所述第二參考電壓；第一寄生電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的第一輸入端， 所述第二端耦接至所述第二參考電壓；第二寄生電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的第二輸入端， 所述第二端耦接至所述第二參考電壓；以及匹配耦合電容，具有第一端與第二端，所述第一端耦接所述操作放大器的第一輸入端 或第二輸入端，所述第二端耦接所述第二參考電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容值測量電路，其中在初始狀態(tài)下，所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第三開關(guān)與所述第四開關(guān)皆耦接至 所述第二參考電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容值測量電路，其中，在開始測量時，所述第一開關(guān)切換至所述第一參考電壓，所述參考電容耦合第一電荷量至所述操作放 大器的第一輸入端；所述第二開關(guān)切換至所述第一參考電壓，所述待測電容耦合第二電荷量至所述操作放 大器的第二輸入端；以及所述第三開關(guān)與所述第四開關(guān)則斷路于所述第二參考電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容值測量電路，其中，如果所述待測電容與所述參考電容的電容值不同，所述操作放大器的第一輸入端的第 一輸入電壓不同于所述第二輸入端的第二輸入電壓，所述操作放大器比較并傳送一輸出電 壓給所述逼近單元；根據(jù)所述操作放大器的所述輸出電壓，所述逼近單元據(jù)而輸出一數(shù)字輸出信號至所述轉(zhuǎn)換單元；所述轉(zhuǎn)換單元將所述逼近單元的所述數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓； 經(jīng)由所述逼近單元的連續(xù)逼近，所述逼近單元的所述數(shù)字輸出信號反應(yīng)所述待測電容 與所述參考電容間的電容差值，以得知所述待測電容的電容值。
6.一種電容值測量方法，用于測量待測電容的電容值，所述方法包括通過參考電容，耦合第一電荷量至比較器的第一輸入端，以在所述比較器的第一輸入 端形成第一輸入電壓；通過所述待測電容，耦合第二電荷量至所述比較器的第二輸入端，以在所述比較器的 第二輸入端形成第二輸入電壓；差動式比較所述第一輸入電壓與所述第二輸入電壓；以及根據(jù)所述比較結(jié)果，連續(xù)逼近一模擬電壓，所述模擬電壓通過耦合電容而耦合第三電 荷量至所述比較器的第一輸入端或第二輸入端，使得所述第一輸入電壓接近于所述第二輸 入電壓，其中，連續(xù)逼近結(jié)果反映所述待測電容的所述電容值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容值測量方法，還包括 放電所述參考電容與所述待測電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容值測量方法，還包括 利用匹配耦合電容以達(dá)到負(fù)載匹配。
9.一種電容值測量方法，用于測量待測電容的電容值，所述方法包括 放電比較器的第一輸入端與第二輸入端；耦接參考電容的第二端至第一參考電壓，其中，所述參考電容的第一端耦接至所述比 較器的第一輸入端；耦接待測電容的第二端至所述第一參考電壓，其中，所述待測電容的第一端耦接至所 述比較器的第二輸入端；停止放電所述比較器的所述第一輸入端與所述第二輸入端； 切換所述參考電容的所述第二端至第二參考電壓； 切換所述待測電容的所述第二端至所述第二參考電壓；以及根據(jù)所述比較器的比較結(jié)果，連續(xù)逼近模擬電壓，所述模擬電壓通過耦合電容而耦合 至所述比較器的所述第一輸入端或所述第二輸入端，使得所述比較器的所述第一輸入端的 第一輸入電壓接近于所述第二輸入端的所述第二輸入電壓，其中，連續(xù)逼近結(jié)果反應(yīng)所述 待測電容的所述電容值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容值測量方法，其中，所述第一參考電壓為接地電壓，所 述第二參考電壓為參考電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容值測量方法，還包括 利用匹配耦合電容以達(dá)到負(fù)載匹配。
全文摘要
一種電容值測量電路，包括操作放大器，具有第一輸入端，第二輸入端與輸出端；參考電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接操作放大器的第一輸入端，該第二端選擇性耦接第一參考電壓或第二參考電壓；待測電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接操作放大器的第二輸入端，該第二端選擇性耦接第一參考電壓或第二參考電壓；逼近單元，具有輸入端與輸出端，該輸入端耦接操作放大器的輸出端；轉(zhuǎn)換單元，具有輸入端與輸出端，該輸入端耦接逼近單元的輸出端；以及耦合電容，具有第一端與第二端，該第一端耦接操作放大器的第一輸入端或第二輸入端，該第二端耦接轉(zhuǎn)換單元的輸出端。本發(fā)明還提供了一種用于測量待測電容的電容值的電容值測量方法。
文檔編號H03K17/96GK102043096SQ200910179848
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者光宇, 周世宗, 饒永年 申請人:瑞鼎科技股份有限公司