专利名称：用以感测待测电容的电路及其方法
技术领域：
本发明是有关ー种电容感测电路，特別是关于ー种用以感测待测电容的电路及其方法。
背景技术：
现有的电容感测电路通常是将待测电容充至一定电压，再与一已知的參考电容做电荷平衡，再由參考电容得到的电荷量反推待测电容的电容值。但为了达到电荷平衡，需要等待较长的时间，因此现有技术只能应用在反应速度较低的电路上。因此，ー种具有较快反应速度的电容感测电路乃为所翼。

发明内容
本发明的目的在于提出一种用以感测待测电容的电路及其方法。根据本发明，ー种用以感测待测电容的电路，待测电容具有第一及第ニ电极，所述电路包括切換电路连接所述第一电极，用以改变所述第一电极的电压准位，互导放大镜射电路包括第一输出端及第ニ输出端，所述第一输出端耦接所述第二电极，使所述第一输出端的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第一输出端的电压变化于所述第二输出端造成电荷变化量，以及电荷计算电路耦接所述第二输出端，因应所述电荷变化量产生感测信号。根据本发明，ー种用以感测待测电容的电路，所述待测电容具有电极，所述电路包括切換电路连接所述电扱，用以改变所述电极的电压准位，感测开关耦接所述电扱，互导放大镜射电路包括第一输出端及第ニ输出端，所述第一输出端耦接所述感测开关，使所述第 ー输出端的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第一输出端的电压变化于所述第二输出端造成电荷变化量，以及电荷计算电路耦接所述第二输出端，因应所述电荷变化量产生感测信号。根据本发明，ー种用以感测待测电容的方法，所述待测电容具有第一及第ニ电极， 所述方法包括改变所述第一电极的电压准位，使所述第二电极的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第二电极的电压变化另外造成电荷变化量，以及因应所述电荷量产生感测信号。根据本发明，ー种用以感测待测电容的方法，所述待测电容具有电极，所述方法包括改变所述电极的电压准位，使所述电极的电压准位維持在參考电压，并且因应所述电极的电压变化另外造成电荷变化量；以及因应所述电荷变化量产生感测信号。


图1是本发明第一实施例的电路图；图2是本发明第二实施例的电路图；图3是图1或图2的信号时序图4是本发明第三实施例的电路图；图5是本发明第四实施例的电路图；图6是图4或图5的信号时序图；图7是本发明第五实施例的电路图；图8是图7的信号时序图；图9是本发明第六实施例的电路图；图10是图9的信号时序图；图11是本发明第七实施例的电路图；图12是图11的信号时序图；图13是本发明第八实施例的电路图；图14是图13的信号时序图；图15是互导放大镜射电路的一实施例；图16是互导放大镜射电路的另ー实施例；图17是将图15与图16结合成的互导放大镜射电路的实施例；图18则是利用两组运算放大器的互导放大镜射电路的实施例；以及图19是将本发明应用于电容式触控板的实施例。附图标号10 电极12 电极14切換电路16互导放大镜射电路18互导放大器20互导放大器22电荷计算电路24测量单元26电荷计算电路28电荷计算电路30电荷计算电路32电荷计算电路34类比加法器36切換电路38 电极40 电极42电荷计算电路44切換电路46电荷计算电路48切換电路50电荷计算电路52类比加法器
54比较元件56比较元件58比较元件60控制单元62多エ器64交互模式感测电路66自身模式感测电路
具体实施例方式图1是本发明第一实施例的电路图。本实施例的待测电容是电极10、12之间存在的电容Cm，感测待测电容Cm的电路包括切換电路14、互导放大镜射电路16、电荷计算电路 22以及测量単元(Measure Unit)24。切換电路14具有开关S1、S2连接电极10，使电极10 的电压在高电压准位与低电压准位之间切換，在此实施例中，高电压准位为电源电压VDD， 低电压准位为接地电压GND。开关S3连接在电极12与互导放大镜射电路16之间，互导放大镜射电路16包括互导放大器(Transconductance Amplifier) 18、20，两者的输入端彼此相连接，输入相同的输入信号，其中，ー输入端连接互导放大器18的输出端，另ー输入端输入參考电压VREF，而互导放大器18的输出端连接至开关S3，互导放大器20的输出端则连接电荷计算电路22。电荷计算电路22中包括电容Cint及开关S4，电容Cint连接于互导放大器20的输出端及接地端GND之间，而开关S4在互导放大器18、20的输出端之间，在感测电容Cm前，会先导通开关S4将电容Cint的电压Vo初始化至參考电压VREF。开关S5连接在电荷计算电路22与测量单元M之间，测量単元M将电容Cint的电压Vo转换为数位信号。当感测开始时，电极10的电压Vl随着切換电路14中的开关Sl及S2的切換而改变。 当电压Vl降低吋，互导放大镜射电路16为了维持电压V2在參考电压VREF，互导放大器18 会根据电压V2与參考电压VREF的差异补充电荷给电极12，而因应电压V2的变化，互导放大器20也会补充等比例的电荷至电荷计算电路22，电荷计算电路22会将电荷储存在电容 Cint中。感测结束后，电容Cint的电压Vo会与待测电容Cm相关，导通开关S5，经由测量単元M将电压Vo转换为数位信号。关于电极10、12可能会因为线路或PCB绕线的连接产生非电极10、12本身形成的寄生电容Cpl与Cp2，由于互导放大镜射电路16的回授机制，使寄生电容Cp2的电压准位于测量前后皆为參考电压VREF，不会影响到电荷计算电路22。图2是本发明第二实施例的电路图。此实施例与图1的第一实施例的操作模式与操作原理近似。此实施例是将电荷计算电路沈中的开关S4与电容Cint并联于接地端GND 及互导放大器20的输出端之间，因此在感测待测电容Cm前，导通开关S4会将电容Cint的电压Vo初始化至接地电压GND。图3是图1或图2的信号时序图。开关Sl及S2受控于两个互不重叠 (non-overlap)的时脉。ー开始于时相PO吋，先导通开关S2、S4，使电极10的电压Vl等于电源电压VDD，电极12的电压V2等于參考电压VREF，而电容Cint的电压Vo是如图1被初始化至參考电压VREF或如图2被初始化至接地电压GND，此时开关S3为导通，于时相Pl时导通开关Si，电压Vl下降为接地电压GND，电压V2跟着电压Vl下降，造成待测电容Cm的电荷改变为
1
Q = (VDD-GND) *Cm公式 1而互导放大镜射电路16侦测到电压V2的下降，为了使电压V2维持于參考电压VREF互导放大器18马上对待测电容Cm补充电荷，于此同吋，互导放大器20也补充等比例的电荷储存于电容Cint中。若互导放大器18的互导(Gm，transconductance)Gms 等于互导放大器20的互导Gmi，则互导放大器20对电容Cint补充的电荷量Q同样等于 (VDD-GND) *Cm。时相Pl可操作一次，或可再进行时相P2导通开关S2电压Vl变回至电源电压VDD，并维持电压V2于參考电压VREF，重新进行时相Pl导通开关Sl改变电压V2对电容Cint充电重复多次操作，电压Vo会呈阶梯式的变动。最后，于时相P3关闭开关S3导通开关S5，测量单元M測量电压Vo的变化量，由公式Q = CV得知互导放大镜射电路20对电容Cint所补充的电荷量Q为(Vo-VREF) *Cint (图1的实施例)或(Vo-GND) *Cint (图2 实施例)，再利用公式1即可计算出待测电容Cm的电容值。于另ー实施例中，互导放大电路16的互导放大器18、20中的互导Gms与Gmi具有m η的比例关系，因此每次补充电容 Cint 的电荷量 Q 为(m/n) * (VDD-GND) *Cm。图4是本发明第三实施例的电路图。此实施例与图1的第一实施例相同具有切換电路14，互导放大镜射电路16及测量单元对，但是此实施例的电荷计算电路观则是将电容Cint连接于互导放大器20的输出端及电源VDD之间，开关S4连接在互导放大器18、20 的输出端之间。在感测电容Cm前，会先导通开关S4将电容Cint的电压Vo初始化至參考电压VREF。当感测开始时，电极10的电压Vl随着切換电路14中的开关Sl及S2的切換而改变。当电压Vl上升吋，为了维持电压V2在參考电压VREF，互导放大器18会根据电压V2 与參考电压VREF的差异泄放电极12上的电荷，而因应电压V2的变化，互导放大器20也由电荷计算电路观泄放等比例的电荷，改变电容Cint的电荷量。感测结束后导通开关S5，此时电容Cint的电压Vo即为与待测电容Cm相关的感测信号，再经由后方的测量单元对将电压Vo转换为数位信号。图5是本发明第四实施例的电路图。此实施例与图4的第三实施例的操作模式与操作原理近似。此实施例是将电荷计算电路30中的开关S4与电容Cint并联于电源端VDD 及互导放大器20的输出端之间，因此在感测电容Cm前，导通开关S4会将电容Cint的电压 Vo初始化至电源电压VDD。图6是图4或图5的信号时序图。开关Sl及S2受控于两个互不重叠的时脉。于时相PO时初始化，导通开关S1、S4，使电极10的电压Vl等于接地电压GND，电极12的电压 V2等于參考电压VREF，电容Cint的电压Vo是如图4被初始化至參考电压VREF或如图5 被初始化至电源电压VDD，此时开关S3导通，于时相Pl时导通开关S2，电压Vl上升为电源电压VDD，电极12的电压V2跟着电压Vl上升。而互导放大镜射电路16 —侦测到电压V2 的上升，为了将电压V2拉回至參考电压VREF，互导放大器18会泄放电极12的电荷，于此同吋，互导放大器20也对电容Cint泄放成比例的电荷量，其比列由互导放大器18、20的互导決定。时相Pl可操作一次，或可再进行时相P2导通开关Sl电压Vl变回至接地电压GND， 并维持电压V2于參考电压VREF，重新进行时相Pl导通开关S2改变电压V2，使电容Cint 再次放电，重复多次操作，电压Vo会呈阶梯式的变动。最后，于时相P3关闭开关S3导通开关S5，测量单元M測量电压Vo的变化量，得知电容Cint所泄放的电荷量，进而计算出电容 Cm的电容值。
图7是本发明的第五实施例，图8是图7的信号时序图。此实施例结合图2及图5 的实施例，利用切換电路14中的开关Sl及S2受控于两个互不重叠的时脉，于不同时相进行图2的充电步骤或图5的放电步骤，最后再将电荷的变化量加总，计算出待测电容Cm的电容值。ー开始于时相PO先导通开关S4初始化电荷计算电路32中的电容Cintl、Cint2， 使电容Cintl正端电压为接地电压GND，电容Cint2正端电压为电源电压VDD，同时电极12 的电压V2也充到參考电压VREF，且此时开关S3为导通，于时相Pl时导通开关S2、S6，电极 10的电压Vl变为电源电压VDD，互导放大镜射电路16控制电容Cint2放电，于时相P2时导通开关S1、S5，极板10的电压Vl变为接地电压GND，互导放大镜射电路16对电容Cintl 充电。之后，经由类比加法器34将电容Cint 1与Cint2的电容端点电压相加产生与待测电容Cm相关的加总电压Vsum。最后，于时相P3关闭开关S3导通开关S7,由后方测量单元M 将加总电压Vsum转换为数位信号，计算出电容Cm的电容值。图9是本发明的第六实施例。本实施例的待测电容为电极38对地GND之间存在的电容Cs，而地GND可视为另ー个接地的大电极40。感测待测电容Cs的电路包括切換电路36、互导放大镜射电路16、电荷计算电路42以及测量単元24。切換电路36具有开关Sl 连接电极38，电极38的电压Vl会随着开关Sl的导通而改变为低电压准位，在一实施例中， 低电压准位为接地电压GND。开关S3连接在电极38与互导放大镜射电路16之间，当开关 S3导通时，互导放大镜射电路16会如同图1的实施例对电极38补充电荷使电压Vl維持在參考电压VREF，同时补充等比例的电荷至电荷计算电路42。电荷计算电路42中包括电容 Cint及开关S4,电容Cint连接互导放大器20的输出端及接地端GND之间，而开关S4与电容Cint并联，在感测待测电容Cs前，会先导通开关S4将电容Cint的电压Vo初始化至接地电压GND。开关S5连接在电荷计算电路42与测量单元M之间，测量単元M用以将电容Cint的电压Vo转换为数位信号。但是电极38可能会因为线路与PCB绕线的连接因素产生非电极38本身形成的寄生电容Cpl，进而产生偏移(offset)电荷影响待测电容Cs的感测，因此，在侦测待测电容Cs变化时，由于寄生电容Cpl造成偏移值在此电路为固定的， 只要藉由测量単元M将偏移值扣除就可以将寄生下地电容Cpl产生感度下降的影响降到最低。图10是图9的信号时序图。ー开始于时相PO时先导通开关S4,将电容Cint的电压Vo初始化至接地电压GND。接着于时相Pl将开关Sl导通，清除待测电容Cs的电荷， 使电压Vl为接地电压GND，随后于时相P2将开关Sl断路，导通开关S3，让互导放大镜射电路16侦测到电压Vl并不是在參考电压VREF，因此互导放大器18对待测电容Cs补充电荷， 于此同吋，互导放大器20也对电容Cint补充等比例的电荷。而将待测电容Cs由接地电压 GND充至參考电压VREF的电荷变化量为Q = (VREF-GND) *Cs公式 2若互导放大器18、20的互导相等，则电容Cint所补充的电荷将与公式2的电荷Q 相等。时相Pl及时相P2可操作一次或重复多次操作。最后，于时相P3关闭开关S3，导通开关S5，测量单元M測量电压Vo的变化量，得知互导放大镜射电路16对电容Cint所补充的电荷量，再扣除寄生电容Cpl产生的偏移电荷Qoff = (VREF-GND) *Cpl，计算出待测电容 Cs的电容值。图11是本发明的第七实施例。本实施例与图9实施例近似，以电极38对地之间存在着的电容Cs为本实施例的待测电容，包括切換电路44、互导放大镜射电路16、电荷计算电路46以及测量単元对。切換电路44具有开关S2连接电极38，使电极38的电压Vl 会随着开关S2的导通而改变为高电压准位，在一实施例中，高电压准位为电源电压VDD。开关S3连接在电极38与互导放大镜射电路16之间，当开关S3导通吋，互导放大镜射电路16 会如同图4的实施例对电极38泄放电荷使电压Vl維持在參考电压VREF，同时对电荷计算电路46泄放等比例的电荷。电荷计算电路46中包括电容Cint及开关S4，电容Cint连接于互导放大器20的输出端及电源端VDD之间，而开关S4与电容Cint并联，在感测电容Cs 前，会先导通开关S4将电容Cint的电压Vo初始化至电源电压VDD。开关S5连接在电荷计算电路46与测量单元M之间，测量単元M用以将电容Cint的电压Vo转换为数位信号， 并扣除寄生电容Cpl所造成的偏移值。图12是图11的信号时序图。ー开始于时相PO时先导通开关S4，将电容Cint的电压Vo初始化至电源电压VDD。接着于时相Pl将开关S2导通，使待测电容Cs电压Vl为电源电压VDD，随后于时相P2将开关S2断路，导通开关S3，让互导放大镜射电路16侦测到电压Vl并不是在參考电压VREF，因此互导放大器18对待测电容Cs泄放电荷，于此同时互导放大器20也对电容Cint泄放等比例的电荷。而将待测电容Cs由电源电压VDD放至參考电压VREF的电荷变化量为Q = (VREF-VDD) *Cs公式 3若互导放大器18、20的互导相等，则流入电容Cint的电荷将与公式3的电荷Q相等。时相Pl及时相P2可操作一次或重复多次操作。最后，于时相P3关闭开关S3导通开关S5，由后方测量单元M測量电压Vo的变化量，得知互导放大镜射电路16对电容Cint所放的电荷量，再扣除寄生电容Cpl产生的偏移电荷Qoff = (VREF-VDD) *Cpl，计算出待测电容Cm的电容值。图13是本发明的第八实施例，图14是图13的信号时序图。此实施例结合图9及图11的实施例，利用切換电路48中的开关S1、S2以及开关S3、S5、S6，于不同时相进行图 9的充电步骤或图11的放电步骤，最后再将电荷变化量加总，计算出待测电容Cs的电容值。 ー开始于时相PO先导通开关S4初始化电荷计算电路50中的电容Cintl、Cint2,使电容 Cintl正端电压为接地电压GND，电容Cint2正端电压为电源电压VDD。接着于时相Pl时导通开关Si，使待测电容Cs电压Vl为接地电压GND，随后于时相P2将开关Sl断路，导通开关S3、S5，让互导放大镜射电路16同时对待测电容Cs及电容Cintl充电。再于时相P3时导通开关S2，使待测电容Cs电压Vl为电源电压VDD，随后于时相P4将开关S2断路，导通开关S3、S6，让互导放大镜射电路16同时对待测电容Cs及电容Cint2放电。之后，经由类比加法器52将电容Cintl与Cint2的电容端点电压相加产生加总电压Vsum。最后，于时相 P3关闭开关S3，导通开关S5，由后方测量单元M測量加总电压Vsum，计算出待测电容Cm 的电容值。如上述的实施例，其中的互导放大镜射电路16皆是由两组独立互导放大器18、20 来实现。但是在此发明的实际应用上，为了避免两组独立的互导放大器在制程上产生偏移 (offset)电压效应，可共用相同的输入级来实现互导放大镜射电路16。如图15的实施例中，互导放大镜射电路16以比较元件M为输入级，比较电极12上的电压V2 (或电极38上的电压VI)与參考电压VREF的差异产生误差信号，用以控制两组比例为m η的PMOS晶体管，其中比较元件M与m倍PMOS晶体管形成Gms，而比较元件M与η倍PMOS晶体管形成Gmi，可应用在如图1、图2或图9等只对电容Cint补充电荷的实施例中。而图16的另一实施例中，互导放大镜射电路16同样利用比较元件M产生误差信号，用以控制两组比例为m η的NMOS晶体管，其中比较元件M与m倍NMOS晶体管形成Gms，而比较元件M与 η倍NMOS晶体管形成Gmi，可应用在如图4、图5或图11等只对电容Cint泄放电荷的实施例中。图17是将图15与图16的PMOS晶体管与NMOS晶体管两种型态结合成平衡式的互导放大镜射电路，其中开关SP控制PMOS晶体管的操作，开关SN则控制NMOS晶体管的操作， 图18则是利用两个比较元件56、58，分别控制PMOS晶体管补充电荷的程序及NMOS晶体管泄放电荷的程序，在一实施例中，图18中的比较元件56、58使用不同的參考电压VREF，在充电或放电的过程中増加电压的差异，使计算的电荷量増加，进而使感度上升。图17、18皆可应用在如图7或图13等需要对电容Cint进行充电及放电的实施例中。上述的比较元件 54、56、58 可由运算放大器(Operational Amplifier，ΟΡΑ)、跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier7OTA)或误差万文大器(,error amplifier；来实现。而图 15 图18中的初始化控制单元(Initial Control Unit) 60只有在图1、图2、图4、图5、图7中測量待测电容Cm时需要使用，其目的是为了让电极12的电压V2在切換电路14在切換开关前维持在參考电压VREF，避免对电极12补充或泄放电荷的情况下，造成电压V2的偏移影响感测值的准确度，并且能在噪声的环境中操作时增加电路的稳定性。在图9、图11、图13 測量待测电容Cs的实施例中并无此问题，所以不需要初始化控制単元60。电容式触控板由多个电极及保护该些电极的保护层所組成，每个电极对地存在着自身电容(Self capacitance)，而电极彼此之间存在的电カ线则构成交互电容(Mutual Capacitance) 0当导体(例如手指)触碰电容式触控板时，电极的自体电容会因为导体接近而增加，但是电极彼此之间的交互电容则会因导体接近而降低。于上述的实施例中，图1、 图2、图4、图5、图7所示的感测方式适用于感测电容式触控板电极彼此之间的交互电容， 而图9、图11、图13所示的感测方式则适用于感测电容式触控板各电极的自身电容。图19 是将本发明应用于电容式触控板的实施例，更利用互导放大镜射电路16对电容式触控板上的电极进行交互电容与自身电容的混合侦测，图中的电容阵列(Capacitor array)CMU CM2、CM3…CMX皆为两个电极形成待测的交互电容，所有CM1、CM2、CM3…CMX的其中之一的电极会共同接到同一端点A，而另ー电极则分別接到有X条输入的多エ器(MUX)62。由于本发明的感测电路因为感测方式的不同，可分成交互模式感测电路(mutual mode sensor)64 及自身模式感测电路(self mode sensor) 66，将多エ器62与交互模式感测电路64相连接， 端点A与自身模式感测电路66相连接，CP1、CP2、CP3…CPX为CMl、CM2、CM3…CMX在端点 A产生的对地寄生电容，而在PCB绕线中，端点A的下地电容即由CPl、CP2、CP3…CPX电容所組成，形成如同大面积的电极，利用自身模式感测电路66对其做自身电容的感测可达到近距侦测(proximity sensing)的效果，再利用多エ器62的切換，利用交互模式感测电路 64各别感测电容阵列的交互电容CMl、CM2、CM3"*CMX，达到定位侦测(location sensing) 的效果。以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求的保护范围及其均等来决定。
权利要求
1.ー种用以感测待测电容的电路，其特征在干，所述待测电容具有第一及第ニ电极，所述电路包括切換电路，连接所述第一电极，用以改变所述第一电极的电压准位； 互导放大镜射电路，包括第一输出端及第ニ输出端，所述第一输出耦接所述第二电极， 所述互导放大镜射电路用以使所述第一输出端的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第一输出端的电压变化于所述第二输出端造成电荷变化量；以及电荷计算电路，耦接所述第二输出端，因应所述电荷变化量产生感测信号。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在干，所述切換电路包括切換开关使所述第一电极的电压准位为高电压准位或低电压准位，其中，所述參考电压介于所述高电压准位及所述低电压准位之间。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括第一互导放大器，根据所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异，于第一输出端补充第一电荷或泄放第三电荷；以及第二互导放大器，于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷或泄放等比例于所述第三电荷的第四电荷。
4.如权利要求2所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生误差信号； 第一 PMOS晶体管，受所述误差信号控制，于所述第一输出端补充第一电荷；第二 PMOS晶体管，受所述误差信号控制，于所述第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷；以及控制单元，于所述切換电路改变所述第一电极的电压准位前，維持所述第二电极的电压准位等于所述參考电压。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
6.如权利要求3或4所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括第一电容，连接所述第二输出端，用以计算所述第二电荷的多寡，产生所述感测信号；以及初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述低电压准位或所述參考电压。
7.如权利要求2所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生误差信号； 第一 NMOS晶体管，受所述误差信号控制，于所述第一输出端泄放第三电荷；第二 NMOS晶体管，受所述误差信号控制，于所述第二输出端泄放补充等比例于所述第三电荷的第四电荷；以及控制单元，于所述切換电路改变所述第一电极的电压准位前，維持所述第二电极的电压准位等于所述參考电压。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
9.如权利要求3或7所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括第一电容，连接所述第二输出端，用以计算所述第四电荷的多寡，产生所述感测信号；以及初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述高电压准位或所述參考电压。
10.如权利要求2所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生误差信号； 第一开关，连接所述比较元件；第一 PMOS晶体管，连接所述第一开关，当所述第一开关导通时，受所述误差信号控制， 于所述第一输出端补充所述第一电荷；第二 PMOS晶体管，连接所述第一开关，当所述第一开关导通吋，受所述误差信号控制， 于所述第二输出端补充所述第二电荷； 第二开关，连接所述比较元件；第一 NMOS晶体管，连接所述第二开关，当所述第二开关导通吋，受所述误差信号控制， 于所述第一输出端泄放所述第三电荷；第二 NMOS晶体管，连接所述第二开关，当所述第二开关导通时，受所述误差信号控制， 于所述第二输出端泄放所述第四电荷；以及控制单元，于所述切換电路改变所述第一电极的电压准位前，維持所述第二电极的电压准位等于所述參考电压。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
12.如权利要求2所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 第一开关及第ニ开关，连接所述第一输出端；第一比较元件，连接所述第一开关，当所述第一开关导通吋，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生第一误差信号；第二比较元件，连接所述第二开关，当所述第二开关导通吋，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生第二误差信号；第一 PMOS晶体管，受所述第一误差信号控制，当所述第一开关导通吋，于所述第一输出端补充所述第一电荷；第二 PMOS晶体管，受所述第一误差信号控制，当所述第一开关导通吋，于所述第二输出端补充所述第二电荷；第一 NMOS晶体管，受所述第二误差信号控制，当所述第二开关导通吋，于所述第一输出端泄放所述第三电荷；第二 NMOS晶体管，，受所述第二误差信号控制，当所述第二开关导通吋，于所述第二输出端泄放所述第四电荷；以及控制单元，于所述切換电路改变所述第一电极的电压准位前，維持所述第二电极的电压准位等于所述參考电压。
13.如权利要求12所述的电路，其特征在干，所述第一及第ニ比较元件为运算放大器、 跨导运算放大器或误差放大器。
14.如权利要求3、10或12所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括第三开关，连接所述第二输出端，与所述第一开关同步切換；第四开关，连接所述第二输出端，与所述第二开关同步切換；第一电容，连接所述第三开关，用以计算所述第二电荷的多寡；第一初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述低电压准位；第二电容，连接所述第四开关，用以计算所述第四电荷的多寡；第二初始化开关，用以初始化所述第二电容的电压准位为所述高电压准位；以及加法器，将所述第一及第ニ电容所计算的电荷量相加，产生所述感测信号。
15.如权利要求1所述的电路，其特征在于，更包括測量单元将所述感测信号转换为数位信号。
16.ー种用以感测待测电容的电路，其特征在干，所述待测电容具有电极，所述电路包括切換电路，连接所述电扱，用以改变所述电极的电压准位； 感测开关，耦接所述电扱；互导放大镜射电路，包括第一输出端及第ニ输出端，所述第一输出耦接所述感测开关， 所述互导放大镜射电路用以使所述第一输出端的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第一输出端的电压变化于所述第二输出端造成电荷变化量；以及电荷计算电路，耦接所述第二输出端，因应所述电荷变化量产生感测信号。
17.如权利要求16所述的电路，其特征在干，所述切換电路包括切換开关使所述电极的电压准位为低电压准位端，其中所述參考电压大于所述低电压准位。
18.如权利要求17所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括第一互导放大器，根据所述电极的电压准位与所述參考电压的差异，于第一输出端补充第一电荷；以及第二互导放大器，于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷。
19.如权利要求17所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与參考电压的差异产生误差信号； 第一 PMOS晶体管，受所述误差信号控制，于第一输出端补充第一电荷；以及第二 PMOS晶体管，受所述误差信号控制，于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷。
20.如权利要求19所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
21.如权利要求18或19所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括第一电容，连接所述第二输出端，用以计算所述第二电荷的多寡产生所述感测信号；以及初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述低电压准位。
22.如权利要求16所述的电路，其特征在干，所述切換电路包括切換开关使所述电极的电压准位为高电压准位端，其中所述參考电压小于所述高电压准位。
23.如权利要求22所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括第一互导放大器，根据所述电极的电压准位与所述參考电压的差异，于第一输出端泄放第一电荷；以及第二互导放大器，于第二输出端泄放等比例于所述第一电荷的第二电荷。
24.如权利要求22所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生误差信号； 第一 NMOS晶体管，受所述误差信号控制，于第一输出端泄放第一电荷；以及第二 NMOS晶体管，受所述误差信号控制，于第二输出端泄放等比例于所述第一电荷的第二电荷。
25.如权利要求M所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
26.如权利要求23或M所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括第一电容，连接所述第二输出端，用以计算所述第二电荷的多寡产生所述感测信号；以及初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述高电压准位。
27.如权利要求16所述的电路，其特征在干，所述切換电路包括切換开关使所述第一电极的电压准位为高电压准位或低电压准位，其中，所述參考电压介于所述高电压准位及所述低电压准位之间。
28.如权利要求27的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括第一互导放大器，根据所述电极的电压准位与所述參考电压的差异，于第一输出端补充第一电荷或泄放第三电荷；以及第二互导放大器，于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷或泄放等比例于所述第三电荷的第四电荷。
29.如权利要求27所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 比较元件，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生误差信号； 第一开关，连接所述比较元件；第一 PMOS晶体管，连接所述第一开关，当所述第一开关导通吋，受所述误差信号控制， 于第一输出端补充第一电荷；第二 PMOS晶体管，连接所述第一开关，当所述第一开关导通时，受所述误差信号控制， 于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷； 第二开关，连接所述比较元件；第一 NMOS晶体管，连接所述第二开关，当所述第二开关导通时，受所述误差信号控制， 于第一输出端泄放第三电荷；以及第二 NMOS晶体管，连接所述第二开关，当所述第二开关导通时，受所述误差信号控制产生，于第二输出端泄放等比例于所述第三电荷的第四电荷。
30.如权利要求四所述的电路，其特征在干，所述比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
31.如权利要求27所述的电路，其特征在干，所述互导放大镜射电路包括 第一开关及第ニ开关，连接所述第一输出端；第一比较元件，连接所述第一开关，当所述第一开关导通吋，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生第一误差信号；第二比较元件，连接所述第二开关，当所述第二开关导通吋，比较所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异产生第二误差信号；第一 PMOS晶体管，受所述第一误差信号控制，于第一输出端补充第一电荷； 第二 PMOS晶体管，受所述第一误差信号控制，于第二输出端补充等比例于所述第一电荷的第二电荷；第一 NMOS晶体管，受所述第二误差信号控制，于第一输出端泄放第三电荷；以及第二 NMOS晶体管，受所述第二误差信号控制，于第二输出端泄放等比例于所述第三电荷的第四电荷。
32.如权利要求31的电路，其特征在干，所述第一及第ニ比较元件为运算放大器、跨导运算放大器或误差放大器。
33.如权利要求观、四或31所述的电路，其特征在干，所述电荷计算电路包括 第三开关，连接所述第二输出端，与所述第一开关同步切換；第四开关，连接所述第二输出端，与所述第二开关同步切換；第一电容，连接所述第三开关，用以计算所述第二电荷的多寡；第一初始化开关，用以初始化所述第一电容的电压准位为所述低电压准位；第二电容，连接所述第四开关，用以计算所述第四电荷的多寡；第二初始化开关，用以初始化所述第二电容的电压准位为所述高电压准位；以及加法器，将所述第一及第ニ电容所计算的电荷量相加，产生所述感测信号。
34.如权利要求16所述的电路，其特征在于，更包括測量单元将所述感测信号转换为数位信号。
35.ー种用以感测待测电容的方法，其特征在干，所述待测电容具有第一及第ニ电极， 所述方法包括a)改变所述第一电极的电压准位；b)使所述第二电极的电压准位維持在參考电压，并且因应所述第二电极的电压变化造成电荷变化量；以及c)因应所述电荷变化量，产生感测信号。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在干，所述根据所述步骤b包括根据所述第二电极的电压准位与所述參考电压的差异，对所述第二电极补充第一电荷或泄放第三电荷；以及产生等比例于所述第一电荷的第二电荷或等比例于所述第三电荷的第四电荷。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在干，所述步骤c包括根据所述第二电荷或所述第四电荷以产生所述感测信号。
38.ー种用以感测待测电容的方法，其特征在干，所述待测电容具有电极，所述方法包括a)改变所述电极的电压准位；b)使所述电极的电压准位維持在參考电压，并且因应所述电极的电压变化造成电荷变化量；以及c)因应所述电荷变化量产生感测信号。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在干，所述根据所述步骤b包括根据所述电极的电压准位与所述參考电压的差异，对所述电极补充第一电荷或泄放第三电荷；以及产生等比例于所述第一电荷的第二电荷或等比例于所述第三电荷的第四电荷。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在干，所述根据所述步骤c包括根据所述第二电荷或所述第四电荷，产生所述感测信号。
全文摘要
本发明提供一种用以感测待测电容的电路及其方法。其中，所述待测电容具有电极，所述电路包括切换电路改变所述电极的电压准位，再利用互导放大镜射电路使所述电极的电压准位维持在参考电压，并且因应所述电极的电压变化造成电荷变化量，以及电荷计算电路因应所述电荷变化量产生与所述待测电容的电容量相关的感测信号。
文档编号G01R1/30GK102565539SQ20101060374
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月10日
发明者李一书, 许士元, 邱得盛, 黄俊中 申请人:义隆电子股份有限公司