[導讀]智慧型手機薄型化設計，使得觸控面板控制器容易受到顯示器產生的雜訊干擾。為解決此一問題，觸控晶片開發(fā)商已著手改良觸控感測器設計，并加強觸控模組與LCD面板運作頻率的同步化。目前新的設計方案，已獲得In-cell內
智慧型手機薄型化設計，使得觸控面板控制器容易受到顯示器產生的雜訊干擾。為解決此一問題，觸控晶片開發(fā)商已著手改良觸控感測器設計，并加強觸控模組與LCD面板運作頻率的同步化。目前新的設計方案，已獲得In-cell內嵌式電容觸控螢幕開發(fā)商導入。
顯示器產生的雜訊會干擾電容式觸控螢幕的感測功能，要進一步改善就須了解液晶顯示(LCD)技術的基本原理及雜訊產生的原因，方能找出因應之道。
首先須整理出現(xiàn)今市面上有哪些種類的顯示器，如主動矩陣有機發(fā)光二極體(AMOLED)、薄膜電晶體(TFT)LCD等智慧型手機常用方案。一般來說，AMOLED的畫質較佳，對觸控晶片產生的雜訊干擾也少于LCD，但AMOLED面板較昂貴，制造難度也高于LCD；因此，LCD至今仍主宰整個市場。由于LCD顯示器是最受歡迎的技術，但產生的雜訊也最多，因此本文將把焦點放在LCD。
觸控薄型化加劇LCD雜訊
為了解LCD何以產生雜訊，須掌握LCD基本運作原理。如圖1所示，從LCD顯示器的最底層開始，光線在此產生后再朝上反射，每個畫素含有紅、綠、藍三個子畫素，每個子畫素又包含一個液晶疊層(Sandwich)，疊層頂部則貼合氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜，其頂層與底層中間夾著液晶材料。
圖1 LCD與觸控面板架構圖
其中，頂層為所有子畫素的共極，通常稱為VCOM層；底層則專為子畫素配置，稱作子畫素電極，當電壓導通到LC疊層，液晶材料就會扭轉白光的極性(Polarity)，在疊層上方的偏光板，只讓特定極性的光線通過。若光線的極性與偏光板的極性一致，子畫素就會達到最高亮度。若光線極性與偏光板相反，子畫素的亮度就降到最低。
此外，每個子畫素都有一層彩色濾光片(R、G、或B)，其作用類似彩繪玻璃窗，藉由把電壓導至三個子畫素的液晶疊層，畫素就能設定成任何RGB組成色。每個子畫素還含有一個TFT，做為導至液晶疊層電壓的on/off開關，這樣的設計在刷新全螢幕影像時能有效對螢幕上的畫素進行排序。
如圖2顯示，畫素在TFT閘極(Gate)被開啟，TFT的源極(Source)連結到彩色數(shù)位類比轉換器(DAC)輸出端，TFT汲極(Drain)則連結到ITO子畫素電極。由于液晶材料無法承受直流(DC)電壓，因此偏壓必須是交流電。ACVCOM與DCVCOM兩種類型的LCD顯示器也有所差異，前者主要透過一個差分電壓主動驅動VCOM與子畫素電極，因VCOM層系由AC推動，故稱為ACVCOM方案。后者則透過DC驅動共極層，而子畫素由AC驅動，此訊號以DC值為中心進行偏擺，兩種VCOM方案各有不同的效能與成本優(yōu)劣勢。
圖2 LCD與觸控面板電路圖
業(yè)界都知道ACVCOM因主動驅動大面積的ITO(VCOM)層，將造成大量雜訊；DCVCOM則以低雜訊的表現(xiàn)為業(yè)界所熟知，然而事實不一定如此。以往感測器與LCD表面之間有一層薄的空隙(Air Gap)。但現(xiàn)今手機做得更薄，因此大多不再有這層空隙，將ITO感測器直接貼合到LCD表面的方式逐漸為大多數(shù)廠商采用，造成雜訊耦合更加嚴重。
更有甚之，業(yè)界當前設計方向是要求觸控面板控制器能直接感測VCOM和子畫素電極，也就是內嵌式(In-Cell)觸控技術，此來，觸控螢幕與LCD控制器之間須進行同步化，才能在掃描觸控螢幕時免除雜訊干擾；現(xiàn)在大多數(shù)智慧型手機的LCD也逐漸淘汰ACVCOM，轉用更高品質的DCVCOM與AMOLED顯示器，并朝向直接貼合或In-Cell發(fā)展，藉以降低制造成本與產品厚度。
LCD雜訊將耦合至觸控感測器
至于LCD雜訊如何耦合到觸控螢幕感測器，主要是其電路雜訊將耦合到觸控螢幕電路的兩個電容。第一個電容為CLC，這個電容是在子畫素與VCOM表面之間形成，其間液晶材料的作用相當于一個介電質。
就DCVCOM顯示器來說，驅動子畫素的AC訊號耦合到VCOM層就會變成雜訊，并傳至整個面板。DCVCOM層看似是一個良好的AC接地端，因為以DC電壓維持這個節(jié)點；但事實上則會削弱雜訊，因為VCOM層是由電阻相當高的ITO制成，此處將發(fā)生第二個雜訊耦合電容的情況--CSNS。
CSNS在VCOM層與電容感測器之間形成，VCOM層剩余的雜訊電壓會透過CSNS耦合到電容式觸控螢幕感測器，并傳至觸控面板控制器的接腳。對ACVCOM顯示器而言，由于以AC波型驅動VCOM，因此LCD雜訊也會透過CSNS直接耦合到觸控螢幕感測器。
量測與分析LCD雜訊的方法相當簡單，可用一個導電金屬連結到示波器探棒，或采用一片面朝下的銅片，然后直接覆蓋在顯示器的表面(不要附加觸控螢幕感測器)。另外也可用大銅板或一片銅帶，但要注意雜訊強度會隨著導體尺寸縮小而降低，因此最好覆蓋整個表面，藉以把示波器的耦合誤差減至最小。
圖3顯示擷取到的ACVCOM訊號波形，其中通常含有一個高強度基頻，其波形接近方波。ACVCOM運作頻率一般介于5k~25kHz之間，通?；l頻率會對應到LCD每列畫素更新(掃描線頻率)的速度。
圖3 ACVCOM顯示器耦合雜訊與時間關系圖
圖4則顯示實際擷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形類似數(shù)個尖銳的高頻脈沖，沒有類似ACVCOM的高強度基頻，但其諧波量可輕易沖高到50k~300kHz，短暫的脈沖對應到子畫素電極驅動訊號。DCVCOM雜訊的特性和顯示影像有高度相依性，最糟狀況的影像通常是整個螢幕上以棋盤狀排列的黑白交錯畫素(看起來接近灰色)；但是在分析DCVCOM顯示器特性之前，請務必測試多種不同影像。
圖4 DCVCOM顯示器耦合雜訊電壓與時間關系圖
降低LCD雜訊觸控IC商祭出五大招
設計者要確實降低影響觸控面板控制器的顯示雜訊，可利用幾種方法，包括削減雜訊強度、避開雜訊的頻率、導入數(shù)位濾波器、改良觸控感測器設計或加強觸控螢幕與LCD面板的同步化。
一般來說，設計工程師可以用一層強固的ITO覆蓋住整個顯示器，此遮蔽層置放于顯示器與觸控面板感測器之間，直接連結電路接地端，因此顯示雜訊會直接傳到接地端而不是觸控面板控制器。遮蔽層在減少雜訊方面通常效率頗高，不過，由于會增加觸控面板制造成本，加上會減少面板的透光度使影像品質略受影響，因此較不受業(yè)者青睞。 [!--empirenews.page--]
相形之下，挑選適合的運作頻率，讓觸控控制器的頻率不同于LCD雜訊頻率則是最佳選項之一。對此種方法而言，導入能應付大量尖峰雜訊的觸控控制器，并且避免觸控螢幕感測電路過度飽和，有助達成降雜訊的目標。
此外，窄頻接收器有助于配合雜訊尖波(Spikes)進行調整，還能幫助在擷取到的波形產生快速傅立葉轉換(FFT)，以便了解應把觸控螢幕運作頻率設定在哪里，如圖5顯示DCVCOM時域波形的FFT。目前觸控控制器制造商也以開發(fā)出許多自動工具，能幫助挑選理想的運作頻率，其中許多工具能掃描觸控螢幕運作頻率，還能同時監(jiān)視雜訊。
圖5 DCVCOM耦合雜訊與頻率FFT關系圖
此外，數(shù)位濾波器對降低雜訊亦有很大幫助。工程師有許多線性與非線性濾波器可挑選，對不同的應用各有優(yōu)缺點。線性濾波器方面，傳統(tǒng)無限脈沖響應(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脈沖響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器，雖然在降低雜訊方面表現(xiàn)不錯，但在追蹤螢幕上手指碰觸點的速度會有點遲鈍。
如今業(yè)界已針對這些濾波器進行許多改良，帶來更好的手指追蹤性能。其他非線性濾波器也能降低雜訊，尤其針對含有高強度但不常出現(xiàn)的雜訊尖波的脈沖雜訊。另外有少數(shù)濾波器能聰明的辨識LCD雜訊，并把雜訊從實際訊號分離出來。含有硬體濾波器的觸控控制器會為產品加分不少，因能節(jié)省雜訊處理的時間與功耗。
由于觸控感測器對整體產品的效能而言相當重要，因此，許多新型感測器設計也紛紛朝向能降低顯示雜訊的研發(fā)方向邁進。其中一種熱門方案就是曼哈頓(Manhattan)，取這個名字是因為它的樣式酷似紐約曼哈頓地區(qū)的街道，為完美的水平與垂直排列(圖6)。
圖6 曼哈頓觸控感測器架構示意圖
觸控感測器包含發(fā)送器(TX)與接收器(RX)，所有真正多點觸控的感測器都能驅動TX，并在RX上接收訊號。在曼哈頓感測器設計中，TX占位相當寬，位置在RX之下；RX則較窄，因為要消除寄生電容以及減少雜訊耦合。
總而言之，曼哈頓感測器讓TX感測器能削減大部分的雜訊，且不會讓雜訊傳到RX，現(xiàn)今業(yè)界均采用許多精密的曼哈頓衍生技術。
In-cell實現(xiàn)觸控面板與LCD同步化
最后，觸控面板與LCD之間的同步化，亦是降低顯示雜訊的選項之一。事實上，這絕對須仰賴In-Cell設計才能實現(xiàn)。觸控面板控制器要進行同步化，可透過監(jiān)看LCD驅動器的水平與垂直同步訊號，分別名為HSYNC(Horizontal Synchronization)與VSYNC(Vertical Synchronization)，進一步與LCD面板同步。
值得注意的是，在ACVCOM解決方案中，有些觸控面板控制器能直接從觸控螢幕感測器挑出雜訊，隨即開始掃描，不須藉由監(jiān)看LCD驅動器的HSYNC與VSYNC訊號；此種ACVCOM的同步化相當直接，因為基頻強度很高且頻率很低。
相形之下，DCVCOM就比較困難，因為雜訊頻率較高，觸控面板控制器的掃描與靜止期之間需要精準的時序調整。
隨著手機做得愈來愈薄，觸控面板控制器會暴露在更多的顯示雜訊下，這是因為顯示器與觸控螢幕感測器之間有更緊密結合的電容耦合，促使各界更專注于顯示器如何運作，顯示雜訊究竟來自哪里，如何量測顯示雜訊，以及有哪些降低顯示雜訊的選項。
(本文作者任職于賽普拉斯)
顯示器產生的雜訊會干擾電容式觸控螢幕的感測功能，要進一步改善就須了解液晶顯示(LCD)技術的基本原理及雜訊產生的原因，方能找出因應之道。
首先須整理出現(xiàn)今市面上有哪些種類的顯示器，如主動矩陣有機發(fā)光二極體(AMOLED)、薄膜電晶體(TFT)LCD等智慧型手機常用方案。一般來說，AMOLED的畫質較佳，對觸控晶片產生的雜訊干擾也少于LCD，但AMOLED面板較昂貴，制造難度也高于LCD；因此，LCD至今仍主宰整個市場。由于LCD顯示器是最受歡迎的技術，但產生的雜訊也最多，因此本文將把焦點放在LCD。
觸控薄型化加劇LCD雜訊
為了解LCD何以產生雜訊，須掌握LCD基本運作原理。如圖1所示，從LCD顯示器的最底層開始，光線在此產生后再朝上反射，每個畫素含有紅、綠、藍三個子畫素，每個子畫素又包含一個液晶疊層(Sandwich)，疊層頂部則貼合氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜，其頂層與底層中間夾著液晶材料。
圖1 LCD與觸控面板架構圖
其中，頂層為所有子畫素的共極，通常稱為VCOM層；底層則專為子畫素配置，稱作子畫素電極，當電壓導通到LC疊層，液晶材料就會扭轉白光的極性(Polarity)，在疊層上方的偏光板，只讓特定極性的光線通過。若光線的極性與偏光板的極性一致，子畫素就會達到最高亮度。若光線極性與偏光板相反，子畫素的亮度就降到最低。
此外，每個子畫素都有一層彩色濾光片(R、G、或B)，其作用類似彩繪玻璃窗，藉由把電壓導至三個子畫素的液晶疊層，畫素就能設定成任何RGB組成色。每個子畫素還含有一個TFT，做為導至液晶疊層電壓的on/off開關，這樣的設計在刷新全螢幕影像時能有效對螢幕上的畫素進行排序。
如圖2顯示，畫素在TFT閘極(Gate)被開啟，TFT的源極(Source)連結到彩色數(shù)位類比轉換器(DAC)輸出端，TFT汲極(Drain)則連結到ITO子畫素電極。由于液晶材料無法承受直流(DC)電壓，因此偏壓必須是交流電。ACVCOM與DCVCOM兩種類型的LCD顯示器也有所差異，前者主要透過一個差分電壓主動驅動VCOM與子畫素電極，因VCOM層系由AC推動，故稱為ACVCOM方案。后者則透過DC驅動共極層，而子畫素由AC驅動，此訊號以DC值為中心進行偏擺，兩種VCOM方案各有不同的效能與成本優(yōu)劣勢。
圖2 LCD與觸控面板電路圖
業(yè)界都知道ACVCOM因主動驅動大面積的ITO(VCOM)層，將造成大量雜訊；DCVCOM則以低雜訊的表現(xiàn)為業(yè)界所熟知，然而事實不一定如此。以往感測器與LCD表面之間有一層薄的空隙(Air Gap)。但現(xiàn)今手機做得更薄，因此大多不再有這層空隙，將ITO感測器直接貼合到LCD表面的方式逐漸為大多數(shù)廠商采用，造成雜訊耦合更加嚴重。
更有甚之，業(yè)界當前設計方向是要求觸控面板控制器能直接感測VCOM和子畫素電極，也就是內嵌式(In-Cell)觸控技術，此來，觸控螢幕與LCD控制器之間須進行同步化，才能在掃描觸控螢幕時免除雜訊干擾；現(xiàn)在大多數(shù)智慧型手機的LCD也逐漸淘汰ACVCOM，轉用更高品質的DCVCOM與AMOLED顯示器，并朝向直接貼合或In-Cell發(fā)展，藉以降低制造成本與產品厚度。
LCD雜訊將耦合至觸控感測器
至于LCD雜訊如何耦合到觸控螢幕感測器，主要是其電路雜訊將耦合到觸控螢幕電路的兩個電容。第一個電容為CLC，這個電容是在子畫素與VCOM表面之間形成，其間液晶材料的作用相當于一個介電質。
就DCVCOM顯示器來說，驅動子畫素的AC訊號耦合到VCOM層就會變成雜訊，并傳至整個面板。DCVCOM層看似是一個良好的AC接地端，因為以DC電壓維持這個節(jié)點；但事實上則會削弱雜訊，因為VCOM層是由電阻相當高的ITO制成，此處將發(fā)生第二個雜訊耦合電容的情況--CSNS。
CSNS在VCOM層與電容感測器之間形成，VCOM層剩余的雜訊電壓會透過CSNS耦合到電容式觸控螢幕感測器，并傳至觸控面板控制器的接腳。對ACVCOM顯示器而言，由于以AC波型驅動VCOM，因此LCD雜訊也會透過CSNS直接耦合到觸控螢幕感測器。
量測與分析LCD雜訊的方法相當簡單，可用一個導電金屬連結到示波器探棒，或采用一片面朝下的銅片，然后直接覆蓋在顯示器的表面(不要附加觸控螢幕感測器)。另外也可用大銅板或一片銅帶，但要注意雜訊強度會隨著導體尺寸縮小而降低，因此最好覆蓋整個表面，藉以把示波器的耦合誤差減至最小。
圖3顯示擷取到的ACVCOM訊號波形，其中通常含有一個高強度基頻，其波形接近方波。ACVCOM運作頻率一般介于5k~25kHz之間，通?；l頻率會對應到LCD每列畫素更新(掃描線頻率)的速度。
圖3 ACVCOM顯示器耦合雜訊與時間關系圖
圖4則顯示實際擷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形類似數(shù)個尖銳的高頻脈沖，沒有類似ACVCOM的高強度基頻，但其諧波量可輕易沖高到50k~300kHz，短暫的脈沖對應到子畫素電極驅動訊號。DCVCOM雜訊的特性和顯示影像有高度相依性，最糟狀況的影像通常是整個螢幕上以棋盤狀排列的黑白交錯畫素(看起來接近灰色)；但是在分析DCVCOM顯示器特性之前，請務必測試多種不同影像。
圖4 DCVCOM顯示器耦合雜訊電壓與時間關系圖
降低LCD雜訊觸控IC商祭出五大招
設計者要確實降低影響觸控面板控制器的顯示雜訊，可利用幾種方法，包括削減雜訊強度、避開雜訊的頻率、導入數(shù)位濾波器、改良觸控感測器設計或加強觸控螢幕與LCD面板的同步化。
一般來說，設計工程師可以用一層強固的ITO覆蓋住整個顯示器，此遮蔽層置放于顯示器與觸控面板感測器之間，直接連結電路接地端，因此顯示雜訊會直接傳到接地端而不是觸控面板控制器。遮蔽層在減少雜訊方面通常效率頗高，不過，由于會增加觸控面板制造成本，加上會減少面板的透光度使影像品質略受影響，因此較不受業(yè)者青睞。 [!--empirenews.page--]
相形之下，挑選適合的運作頻率，讓觸控控制器的頻率不同于LCD雜訊頻率則是最佳選項之一。對此種方法而言，導入能應付大量尖峰雜訊的觸控控制器，并且避免觸控螢幕感測電路過度飽和，有助達成降雜訊的目標。
此外，窄頻接收器有助于配合雜訊尖波(Spikes)進行調整，還能幫助在擷取到的波形產生快速傅立葉轉換(FFT)，以便了解應把觸控螢幕運作頻率設定在哪里，如圖5顯示DCVCOM時域波形的FFT。目前觸控控制器制造商也以開發(fā)出許多自動工具，能幫助挑選理想的運作頻率，其中許多工具能掃描觸控螢幕運作頻率，還能同時監(jiān)視雜訊。
圖5 DCVCOM耦合雜訊與頻率FFT關系圖
此外，數(shù)位濾波器對降低雜訊亦有很大幫助。工程師有許多線性與非線性濾波器可挑選，對不同的應用各有優(yōu)缺點。線性濾波器方面，傳統(tǒng)無限脈沖響應(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脈沖響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器，雖然在降低雜訊方面表現(xiàn)不錯，但在追蹤螢幕上手指碰觸點的速度會有點遲鈍。
如今業(yè)界已針對這些濾波器進行許多改良，帶來更好的手指追蹤性能。其他非線性濾波器也能降低雜訊，尤其針對含有高強度但不常出現(xiàn)的雜訊尖波的脈沖雜訊。另外有少數(shù)濾波器能聰明的辨識LCD雜訊，并把雜訊從實際訊號分離出來。含有硬體濾波器的觸控控制器會為產品加分不少，因能節(jié)省雜訊處理的時間與功耗。
由于觸控感測器對整體產品的效能而言相當重要，因此，許多新型感測器設計也紛紛朝向能降低顯示雜訊的研發(fā)方向邁進。其中一種熱門方案就是曼哈頓(Manhattan)，取這個名字是因為它的樣式酷似紐約曼哈頓地區(qū)的街道，為完美的水平與垂直排列(圖6)。
圖6 曼哈頓觸控感測器架構示意圖
觸控感測器包含發(fā)送器(TX)與接收器(RX)，所有真正多點觸控的感測器都能驅動TX，并在RX上接收訊號。在曼哈頓感測器設計中，TX占位相當寬，位置在RX之下；RX則較窄，因為要消除寄生電容以及減少雜訊耦合。
總而言之，曼哈頓感測器讓TX感測器能削減大部分的雜訊，且不會讓雜訊傳到RX，現(xiàn)今業(yè)界均采用許多精密的曼哈頓衍生技術。
In-cell實現(xiàn)觸控面板與LCD同步化
最后，觸控面板與LCD之間的同步化，亦是降低顯示雜訊的選項之一。事實上，這絕對須仰賴In-Cell設計才能實現(xiàn)。觸控面板控制器要進行同步化，可透過監(jiān)看LCD驅動器的水平與垂直同步訊號，分別名為HSYNC(Horizontal Synchronization)與VSYNC(Vertical Synchronization)，進一步與LCD面板同步。
值得注意的是，在ACVCOM解決方案中，有些觸控面板控制器能直接從觸控螢幕感測器挑出雜訊，隨即開始掃描，不須藉由監(jiān)看LCD驅動器的HSYNC與VSYNC訊號；此種ACVCOM的同步化相當直接，因為基頻強度很高且頻率很低。
相形之下，DCVCOM就比較困難，因為雜訊頻率較高，觸控面板控制器的掃描與靜止期之間需要精準的時序調整。
隨著手機做得愈來愈薄，觸控面板控制器會暴露在更多的顯示雜訊下，這是因為顯示器與觸控螢幕感測器之間有更緊密結合的電容耦合，促使各界更專注于顯示器如何運作，顯示雜訊究竟來自哪里，如何量測顯示雜訊，以及有哪些降低顯示雜訊的選項。
(本文作者任職于賽普拉斯)
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