加强触控模组与LCD面板运作频率同步化 克服杂讯干扰

作者: Touchscreen     时间:2013-05-31     源于:新电子    总点击:
【导读】:智慧型手机薄型化设计,使得触控面板控制器容易受到显示器产生的杂讯干扰。为解决此一问题,触控晶片开发商已着手改良触控感测器设计,并加强触控模组与LCD面板运作频率的同步化。目前新的设计方桉,已获得In-cell内嵌式电容触控萤幕开发商导入。

    北京时间05月31日消息,中国触摸屏网讯, 智慧型手机薄型化设计,使得触控面板控制器容易受到显示器产生的杂讯干扰。为解决此一问题,触控晶片开发商已着手改良触控感测器设计,并加强触控模组与LCD面板运作频率的同步化。目前新的设计方桉,已获得In-cell内嵌式电容触控萤幕开发商导入。
 
     显示器产生的杂讯会干扰电容式触控萤幕的感测功能,要进一步改善就须了解液晶显示(LCD)技术的基本原理及杂讯产生的原因,方能找出因应之道。

    本文来自:http://www.51touch.com/touchscreen/news/dynamic/201305/31-22483.html

     首先须整理出现今市面上有哪些种类的显示器,如主动矩阵有机发光二极体(AMOLED)、薄膜电晶体(TFT)LCD等智慧型手机常用方桉。一般来说,AMOLED的画质较佳,对触控晶片产生的杂讯干扰也少于LCD,但AMOLED面板较昂贵,製造难度也高于LCD;因此,LCD至今仍主宰整个市场。由于LCD显示器是最受欢迎的技术,但产生的杂讯也最多,因此本文将把焦点放在LCD。 

     触控薄型化加剧LCD杂讯

     为了解LCD何以产生杂讯,须掌握LCD基本运作原理。如图1所示,从LCD显示器的最底层开始,光线在此产生后再朝上反射,每个画素含有红、绿、蓝三个子画素,每个子画素又包含一个液晶叠层(Sandwich),叠层顶部则贴合氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜,其顶层与底层中间夹着液晶材料。 

     图示:LCD与触控面板架构图

     其中,顶层为所有子画素的共极,通常称为VCOM层;底层则专为子画素配置,称作子画素电极,当电压导通到LC叠层,液晶材料就会扭转白光的极性(Polarity),在叠层上方的偏光板,只让特定极性的光线通过。若光线的极性与偏光板的极性一致,子画素就会达到最高亮度。若光线极性与偏光板相反,子画素的亮度就降到最低。 

     此外,每个子画素都有一层彩色滤光片(R、G、或B),其作用类似彩绘玻璃窗,藉由把电压导至三个子画素的液晶叠层,画素就能设定成任何RGB组成色。每个子画素还含有一个TFT,做为导至液晶叠层电压的on/off开关,这样的设计在刷新全萤幕影像时能有效对萤幕上的画素进行排序。 

     如下图显示,画素在TFT闸极(Gate)被开启,TFT的源极(Source)连结到彩色数位类比转换器(DAC)输出端,TFT汲极(Drain)则连结到ITO子画素电极。由于液晶材料无法承受直流(DC)电压,因此偏压必须是交流电。ACVCOM与DCVCOM两种类型的LCD显示器也有所差异,前者主要透过一个差分电压主动驱动VCOM与子画素电极,因VCOM层係由AC推动,故称为ACVCOM方桉。后者则透过DC驱动共极层,而子画素由AC驱动,此讯号以DC值为中心进行偏摆,两种VCOM方桉各有不同的效能与成本优劣势。 

     图示:LCD与触控面板电路图

     业界都知道ACVCOM因主动驱动大面积的ITO(VCOM)层,将造成大量杂讯;DCVCOM则以低杂讯的表现为业界所熟知,然而事实不一定如此。以往感测器与LCD表面之间有一层薄的空隙(Air Gap)。但现今手机做得更薄,因此大多不再有这层空隙,将ITO感测器直接贴合到LCD表面的方式逐渐为大多数厂商採用,造成杂讯耦合更加严重。 

     更有甚之,业界当前设计方向是要求触控面板控制器能直接感测VCOM和子画素电极,也就是内嵌式(In-Cell)触控技术,此来,触控萤幕与LCD控制器之间须进行同步化,才能在扫描触控萤幕时免除杂讯干扰;现在大多数智慧型手机的LCD也逐渐淘汰ACVCOM,转用更高品质的DCVCOM与AMOLED显示器,并朝向直接贴合或In-Cell发展,藉以降低製造成本与产品厚度。  
 
     LCD杂讯将耦合至触控感测器

     至于LCD杂讯如何耦合到触控萤幕感测器,主要是其电路杂讯将耦合到触控萤幕电路的两个电容。第一个电容为CLC,这个电容是在子画素与VCOM表面之间形成,其间液晶材料的作用相当于一个介电质。 

     就DCVCOM显示器来说,驱动子画素的AC讯号耦合到VCOM层就会变成杂讯,并传至整个面板。DCVCOM层看似是一个良好的AC接地端,因为以DC电压维持这个节点;但事实上则会削弱杂讯,因为VCOM层是由电阻相当高的ITO製成,此处将发生第二个杂讯耦合电容的情况--CSNS。 

     CSNS在VCOM层与电容感测器之间形成,VCOM层剩馀的杂讯电压会透过CSNS耦合到电容式触控萤幕感测器,并传至触控面板控制器的接脚。对ACVCOM显示器而言,由于以AC波型驱动VCOM,因此LCD杂讯也会透过CSNS直接耦合到触控萤幕感测器。 

     量测与分析LCD杂讯的方法相当简单,可用一个导电金属连结到示波器探棒,或採用一片面朝下的铜片,然后直接覆盖在显示器的表面(不要附加触控萤幕感测器)。另外也可用大铜板或一片铜带,但要注意杂讯强度会随着导体尺寸缩小而降低,因此最好覆盖整个表面,藉以把示波器的耦合误差减至最小。 

     降低LCD杂讯 触控IC商祭出五大招

     设计者要确实降低影响触控面板控制器的显示杂讯,可利用几种方法,包括削减杂讯强度、避开杂讯的频率、导入数位滤波器、改良触控感测器设计或加强触控萤幕与LCD面板的同步化。 

     一般来说,设计工程师可以用一层强固的ITO覆盖住整个显示器,此遮蔽层置放于显示器与触控面板感测器之间,直接连结电路接地端,因此显示杂讯会直接传到接地端而不是触控面板控制器。遮蔽层在减少杂讯方面通常效率颇高,不过,由于会增加触控面板製造成本,加上会减少面板的透光度使影像品质略受影响,因此较不受业者青睐。 

     相形之下,挑选适合的运作频率,让触控控制器的频率不同于LCD杂讯频率则是最佳选项之一。对此种方法而言,导入能应付大量尖峰杂讯的触控控制器,并且避免触控萤幕感测电路过度饱和,有助达成降杂讯的目标。 

     此外,窄频接收器有助于配合杂讯尖波(Spikes)进行调整,还能帮助在撷取到的波形产生快速傅立叶转换(FFT),以便了解应把触控萤幕运作频率设定在哪裡。目前触控控制器製造商也以开发出许多自动工具,能帮助挑选理想的运作频率,其中许多工具能扫描触控萤幕运作频率,还能同时监视杂讯。 

     此外,数位滤波器对降低杂讯亦有很大帮助。工程师有许多线性与非线性滤波器可挑选,对不同的应用各有优缺点。线性滤波器方面,传统无限脉冲响应(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脉冲响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器,虽然在降低杂讯方面表现不错,但在追踪萤幕上手指碰触点的速度会有点迟钝。 
     如今业界已针对这些滤波器进行许多改良,带来更好的手指追踪性能。其他非线性滤波器也能降低杂讯,尤其针对含有高强度但不常出现的杂讯尖波的脉冲杂讯。另外有少数滤波器能聪明的辨识LCD杂讯,并把杂讯从实际讯号分离出来。含有硬体滤波器的触控控制器会为产品加分不少,因能节省杂讯处理的时间与功耗。

     由于触控感测器对整体产品的效能而言相当重要,因此,许多新型感测器设计也纷纷朝向能降低显示杂讯的研发方向迈进。其中一种热门方桉就是曼哈顿(Manhattan),取这个名字是因为它的样式酷似纽约曼哈顿地区的街道,为完美的水平与垂直排列。  
 


图示:曼哈顿触控感测器架构示意图

     触控感测器包含发送器(TX)与接收器(RX),所有真正多点触控的感测器都能驱动TX,并在RX上接收讯号。在曼哈顿感测器设计中,TX占位相当宽,位置在RX之下;RX则较窄,因为要消除寄生电容以及减少杂讯耦合。 

     总而言之,曼哈顿感测器让TX感测器能削减大部分的杂讯,且不会让杂讯传到RX,现今业界均採用许多精密的曼哈顿衍生技术。 

     In-cell实现触控面板与LCD同步化

     最后,触控面板与LCD之间的同步化,亦是降低显示杂讯的选项之一。事实上,这绝对须仰赖In-Cell设计才能实现。触控面板控制器要进行同步化,可透过监看LCD驱动器的水平与垂直同步讯号,分别名为HSYNC(Horizontal Synchronization)与VSYNC(Vertical Synchronization),进一步与LCD面板同步。 

     值得注意的是,在ACVCOM解决方桉中,有些触控面板控制器能直接从触控萤幕感测器挑出杂讯,随即开始扫描,不须藉由监看LCD驱动器的HSYNC与VSYNC讯号;此种ACVCOM的同步化相当直接,因为基频强度很高且频率很低。 

     相形之下,DCVCOM就比较困难,因为杂讯频率较高,触控面板控制器的扫描与静止期之间需要精准的时序调整。 

     随着手机做得愈来愈薄,触控面板控制器会暴露在更多的显示杂讯下,这是因为显示器与触控萤幕感测器之间有更紧密结合的电容耦合,促使各界更专注于显示器如何运作,显示杂讯究竟来自哪裡,如何量测显示杂讯,以及有哪些降低显示杂讯的选项。


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