一种无外挂电容触摸检测电路及触控装置的制作方法

1.本实用新型涉及电容式触摸按键感应技术领域，尤其涉及一种无外挂电容触摸检测电路及触控装置。


背景技术：

2.随着触摸式按键技术的发展,特别是近几年来，触摸按键核心部件成本不断降低,而稳定性则大幅提高，这种良好的人机界面技术在各类电子产品中得到大量应用，特别是在一些数码消费电子产品和家电设备中，触摸按键的优势更加明显。传统的机械按键具有易磨损、安装复杂、受温度湿度影响变化较大等缺点,而导电薄膜式触摸按键，主要缺点有耐用性低、易磨损、安装结构复杂、透光率也差，受温度湿度影响变化大等。而电容感应式触摸按键技术完全弥补了以上两种按键的缺点，具有完全不怕磨损、防水保护、不受温度湿度影响、造价低廉等优点,因此在浴室及厨房设备中显示出传统按键几乎无法比拟的优势。
3.传统的电容式触摸检测电路中，由于nf级电容在芯片中因为面积原因难以实现，因此需要在芯片外挂一个电容器件，这样就增加了成本；同时除了必要的触摸引脚外，外挂电容还要额外占用一个引脚，这对于芯片引脚紧张的应用中难以接受。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中存在的技术问题，本实用新型提出一种无外挂电容触摸检测电路及触控装置，本方案无需芯片外挂电容，也不需要额外占用芯片引脚。
5.本实用新型提出一种无外挂电容触摸检测电路，包括：触摸电容、灵敏度调节电容、电源、充电电路、放电电路、比较电路和计数电路；
6.所述触摸电容和灵敏度调节电容并联，其一端接地，另一端与所述比较电路中比较器的正输入端连接；
7.所述充电电路包括电流源电路、第一开关控制电路和反相器，所述电流源电路一端与所述电源连接，其另一端与第一开关控制电路的输入端连接，所述第一开关控制电路的输出端与所述比较器正输入端连接，其控制端与所述反相器输出端连接；所述反相器输入端与所述比较器输出端连接；
8.所述放电电路包括第二开关控制电路，所述第二开关控制电路输入端与所述比较器正输入端连接，其控制端与所述比较器输出端连接，其输出端接地；
9.所述比较电路包括比较器、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端与电源连接，另一端与所述比较器负输入端连接；所述第二电阻一端接地，另一端与所述比较器负输入端连接；所述比较器的输出端与计数电路连接。
10.优选地，所述计数电路包括时钟触发器和计数器，所述时钟触发器输入端与所述比较器输出端连接，其输出端与所述计数器输入端连接。
11.优选地，所述时钟触发器为d触发器。
12.优选地，所述电流源电路包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第一nmos管、
第二nmos管和第三电阻；所述第一pmos管、第二pmos管和第三pmos管的源级均与所述电源连接，栅极均与所述第二pmos管的漏级连接；所述第三pmos管的漏级与所述第一开关控制电路的输入端连接；
13.所述第一nmos管的漏级与栅极连接，并与所述第一pmos管漏级连接，所述第一nmos管的源级接地；所述第二nmos管的栅极与所述第一nmos管的栅极连接，其漏级与所述第二pmos管的漏级连接，其源极与所述第三电阻一端连接，所述第三电阻另一端接地。
14.优选地，所述第一开关控制电路/第二开关控制电路包括：一个pmos管、一个nmos管、第一反相器和第二反相器；所述第一反相器输入端为所述开关控制电路的控制端，所述第二反相器输入端与第一反相器输出端连接；所述pmos管的漏级与nmos管的漏级相连接为所述开关控制电路的输入端，所述pmos管的源级与nmos管的源级相连接为所述开关控制电路的输出端；所述pmos管栅极与第一反相器的输出端连接，所述nmos管栅极与第二反相器的输出端连接。
15.本实用新型还提出一种触控装置，包括上述的触摸检测电路。
16.本实用新型所提出的触摸检测电路无需外挂电容，无需占用芯片引脚，节省了使用芯片的成本，使触摸芯片更加灵活。
附图说明
17.图1为本实用新型实施例提出的触摸按键等效电容电路图；
18.图2为传统的触摸检测电路示意图；
19.图3为本实用新型实施例提出的一种无外挂电容触摸检测电路示意图；
20.图4为本实用新型实施例提出的电流源电路示意图；
21.图5为本实用新型实施例提出的开关控制电路示意图；
22.图6为实用新型实施例提出的检测电路无触摸时的仿真波形；
23.图7为实用新型实施例提出的检测电路有触摸时的仿真波形。
具体实施方式
24.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
25.电容式触摸是利用人体的电流感应进行工作的。其基本工作原理是当人的手指没有触摸按键时，触摸按键等效于一个触摸面板到地的一个电容c1，如图1所示。没有触摸时电容面板到地的等效总电容为ct＝c1；当人的手指触摸到触摸按键时，通过触摸面板，人的手指和地形成一个pf级的小电容c2，这时电容面板到地的等效总电容为ct＝c1+c2；只要通过一个精度较高的电路来检测到ct的变化，就能实现判断触摸按键有没有被触摸。
26.现有技术中，比较传统的触摸按键感应检测的芯片级电路如图2所示。图中101虚线框内为芯片级电路结构；ct为触摸按键等效电容，cmod为nf级芯片外挂电容，cs为pf级触摸灵敏度调节电容；108，109为同一结构的反相器；104，105，106，107为同一结构的开关；110为比较器，比较器正输入端接vp，负输入端接vref，clka为比较器输出；r1，r2，r3为电
阻，clkb为一个时钟信号；103为电路的供电电源，102为电路的地，150为计数器。
27.上述电路结构需要一个nf级电容cmod，nf级电容在芯片中因为面积原因难以实现，需要在芯片外挂一个电容器件cmod，这样就增加了成本；同时除了必要的触摸引脚外，cmod还要额外占用一个引脚，这对于芯片引脚紧张的应用中难以接受。
28.如图3所示，本实用新型实施例提出一种无外挂电容触摸检测电路，包括：触摸电容ct、灵敏度调节电容cs、电源103、充电电路、放电电路、比较电路和计数电路；
29.其中，所述触摸电容ct和灵敏度调节电容cs并联，其一端接地102，另一端与所述比较电路中比较器110的正输入端vp连接；
30.需要说明的是，本实施例中触摸电容ct为上述的触摸按键等效电容。
31.在本实施例中，所述充电电路包括电流源电路111、第一开关控制电路105和反相器108，所述电流源电路111一端与所述电源103连接，其另一端与第一开关控制电路105的输入端连接，所述第一开关控制电路105的输出端与所述比较器110的正输入端vp连接，其控制端与所述反相器108输出端连接；所述反相器108输入端与所述比较器110输出端clka连接；
32.需要说明的是，充电电路对电容ct和cs实现充电功能。
33.所述放电电路包括第二开关控制电路104，所述第二开关控制电路104输入端与所述比较器110正输入端vp连接，其控制端与所述比较器110输出端clka连接，其输出端接地102；
34.需要说明的是，放电电路对电容ct和cs实现放电功能。
35.所述比较电路包括比较器110、第一电阻r1和第二电阻r2，所述第一电阻r2一端与电源103连接，另一端与所述比较器110负输入端vref连接；所述第二电阻r2一端接地102，另一端与所述比较器110负输入端vref连接；
36.所述计数电路包括时钟触发器100和计数器150，所述时钟触发器100输入端与所述比较器110输出端clka连接，其输出端与所述计数器150输入端clka_div2连接。
37.在本实施例中，时钟触发器为d触发器。
38.需要说明的是，在本实施例中，通过在相同时间段内，通过计数器150统计clka_div2的上升沿个数的变化来判断ct电容是否发生变化；
39.具体地，充电电路对ct和cs进行充电，放电电路对ct和cs进行放电；充电时，vp升高，放电时，vp降低；当vp低于vref时，比较器110的输出信号clka变为低电平，这时第二控制开关电路104开关断开，第一控制开关电路105开关闭合，电路处于充电状态，由电流源111对ct和cs进行充电；当vp被充电到比vref高时，比较器110的输出信号clka变为高电平，这时第二控制开关电路104开关闭合，第一控制开关电路105开关断开，电路处于放电状态，将ct和cs的电位通过第二控制开关电路104拉到地102电平；当vp被放电到比vref低时，clka又变为低电平，这时第二控制开关电路104开关断开，第一控制开关电路105开关闭合，电路重新回到充电状态。电路在充电状态和放电状态循环往复，clka输出为一个时钟信号；假设111输出的电流大小为i，则clka的频率等clka_div2的频率等于因此clka_div2的频率和ct成反比，也就是说触摸按键被触摸时，ct变大，
clka_div2的频率降低，单位时间内clka_div2的上升沿个数变少；从而通过计数器150统计clka_div2上升沿的个数来判断触摸按键是否发生触摸。
40.针对本实用新型实施例的检测效果，进一步进行说明，如图6所示，图6本实施例所提出电路在没有触摸的仿真波形，波形上部分vp和vref分别为比较器正输入端vp和负输入端vref的波形，中间部分clka为比较器输出端clka的波形，下半部分clkaa为计数器输入端clka_div2的波形，从仿真波形来看，在没有触摸的情况下clka和clka_div2的时钟周期分别为13.39μs和26.78μs，则频率分别为74.68khz和37.34khz。
41.图7为发生触摸的仿真波形，波形上部分vp和vref分别为比较器正输入端vp和负输入端vref的波形，中间部分clka为比较器输出端clka的波形，下半部分clkaa为计数器输入端clka_div2的波形，从仿真波形来看，在发生触摸的情况下clka和clka_div2的时钟周期分别为15.25μs和30.49μs，则频率分别为65.57khz和32.79khz。
42.仿真结果来看，从没有触摸到发生触摸，clka_div2的频率降低了4.55khz，说明本实用新型对于触摸按键有很好的感应检测；本实用新型相对于传统的方案省掉了芯片外挂电容，节省了成本，而且无需额外占用芯片引脚，增加了芯片应用的灵活性。
43.如图3所示，在本实施例中，所述电流源电路包括第一pmos管112、第二pmos管113、第三pmos管116、第一nmos管114、第二nmos管115和第三电阻r3；所述第一pmos管112、第二pmos管113和第三pmos管116的源级均与所述电源103连接，栅极均与所述第二pmos管113的漏级连接；所述第三pmos管116的漏级与所述第一开关控制电路的输入端连接，输出给ct和cs充电的充电电流iref；
44.所述第一nmos管114的漏级与栅极连接，并与所述第一pmos管112漏级连接，所述第一nmos管114的源级接地102；所述第二nmos管115的栅极与所述第一nmos管114的栅极连接，其漏级与所述第二pmos管113的漏级连接，其源极与所述第三电阻r3一端连接，所述第三电阻r3另一端接地102。
45.需要说明的是，在本实施例中，电流源电路中，第一pmos管112、第二pmos管113、第三pmos管116的尺寸都为第一nmos管114的尺寸为第二nmos管的尺寸为其中，输出的充电电流为其中，输出的充电电流为其中un为载流子迁移率，c
ox
为单位面积的栅氧化层电容。
46.在本实施例中，第一开关控制电路和第二开关控制电路的其控制端为高电平时，其输入端与输出端导通；当其控制端为低电平时，其输入端与输出端断开。
47.在本实施例中，第一开关控制电路与第二开关控制电路相同，如图4所示，其包括：一个pmos管124、一个nmos管125、第一反相器134和第二反相器135；所述第一反相器输入端为所述开关控制电路的控制端en，所述第二反相器输入端与第一反相器输出端enb连接；所述pmos管124的漏级与nmos管125的漏级相连接为所述开关控制电路的输入端a，所述pmos管124的源级与nmos管125的源级相连接为所述开关控制电路的输出端b；所述pmos管栅极与第一反相器的输出端enb连接，所述nmos管栅极与第二反相器的输出端ena连接，需要说明的是，当en为高电平时，开关闭合，a和b导通；当en为低电平时，开关断开，a和b断开。
48.本实用新型实施例还提出一种触控装置，包括上述的触摸检测电路。
49.本实用新型通过使用电流源取代外挂电容，计数电路中增加时钟触发器，使得芯片面积大大减小，在实现提高触摸检测电路灵敏度的基础上实现了芯片的小型化，节省了制造成本。
50.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。