顯示器產(chǎn)生的噪聲會(huì)干擾電容式觸控屏幕的感測(cè)功能，而智能手機(jī)的觸控薄型化加劇了LCD噪聲，要進(jìn)一步改善就須了解液晶顯示(LCD)技術(shù)的基本原理及噪聲產(chǎn)生的原因，方能找出因應(yīng)之道。

 

 

為了解LCD何以產(chǎn)生噪聲，須掌握LCD基本運(yùn)作原理。如圖1所示，從LCD顯示器的最底層開始，光線在此產(chǎn)生后再朝上反射，每個(gè)像素含有紅、綠、藍(lán)三個(gè)子像素，每個(gè)子像素又包含一個(gè)液晶疊層(Sandwich)，疊層頂部則貼合氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)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(gòu)圖

 

其中，頂層為所有子像素的共極，通常稱為VCOM層；底層則專為子像素配置，稱作子像素電極，當(dāng)電壓導(dǎo)通到LC疊層，液晶材料就會(huì)扭轉(zhuǎn)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，子像素就會(huì)達(dá)到最高亮度。若光線極性與偏光板相反，子像素的亮度就降到最低。

 

此外，每個(gè)子像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(dǎo)至三個(gè)子像素的液晶疊層，像素就能設(shè)定成任何RGB組成色。每個(gè)子像素還含有一個(gè)TFT，做為導(dǎo)至液晶疊層電壓的on/off開關(guān)，這樣的設(shè)計(jì)在刷新全屏幕影像時(shí)能有效對(duì)屏幕上的像素進(jìn)行排序。

 

如圖2顯示，像素在TFT閘極(Gate)被開啟，TFT的源極(Source)鏈接到彩色數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出端，TFT汲極(Drain)則連結(jié)到ITO子像素電極。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(gè)差分電壓主動(dòng)驅(qū)動(dòng)VCOM與子像素電極，因VCOM層系由AC推動(dòng)，故稱為ACVCOM方案。后者則透過DC驅(qū)動(dòng)共極層，而子像素由AC驅(qū)動(dòng)，此信號(hào)以DC值為中心進(jìn)行偏擺，兩種VCOM方案各有不同的效能與成本優(yōu)劣勢(shì)。

圖2 LCD與觸控面板電路圖

 

業(yè)界都知道ACVCOM因主動(dòng)驅(qū)動(dòng)大面積的ITO(VCOM)層，將造成大量噪聲；DCVCOM則以低噪聲的表現(xiàn)為業(yè)界所熟知，然而事實(shí)不一定如此。以往傳感器與LCD表面之間有一層薄的空隙(Air Gap)。但現(xiàn)今手機(jī)做得更薄，因此大多不再有這層空隙，將ITO傳感器直接貼合到LCD表面的方式逐漸為大多數(shù)廠商采用，造成噪聲耦合更加嚴(yán)重。

 

更有甚之，業(yè)界當(dāng)前設(shè)計(jì)方向是要求觸控面板控制器能直接感測(cè)VCOM和子像素電極，也就是內(nèi)嵌式(In-Cell)觸控技術(shù)，此來，觸控屏幕與LCD控制器之間須進(jìn)行同步化，才能在掃描觸控屏幕時(shí)免除噪聲干擾；現(xiàn)在大多數(shù)智能型手機(jī)的LCD也逐漸淘汰ACVCOM，轉(zhuǎn)用更高質(zhì)量的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(chǎn)品厚度。

 

至于LCD噪聲如何耦合到觸控屏幕傳感器，主要是其電路噪聲將耦合到觸控屏幕電路的兩個(gè)電容。第一個(gè)電容為CLC，這個(gè)電容是在子像素與VCOM表面之間形成，其間液晶材料的作用相當(dāng)于一個(gè)介電質(zhì)。

 

就DCVCOM顯示器來說，驅(qū)動(dòng)子像素的AC信號(hào)耦合到VCOM層就會(huì)變成噪聲，并傳至整個(gè)面板。DCVCOM層看似是一個(gè)良好的AC接地端，因?yàn)橐訢C電壓維持這個(gè)節(jié)點(diǎn)；但事實(shí)上則會(huì)削弱噪聲，因?yàn)閂COM層是由電阻相當(dāng)高的ITO制成，此處將發(fā)生第二個(gè)噪聲耦合電容的情況--CSNS。

 

CSNS在VCOM層與電容傳感器之間形成，VCOM層剩余的噪聲電壓會(huì)透過CSNS耦合到電容式觸控屏幕傳感器，并傳至觸控面板控制器的接腳。對(duì)ACVCOM顯示器而言，由于以AC波型驅(qū)動(dòng)VCOM，因此LCD噪聲也會(huì)透過CSNS直接耦合到觸控屏幕傳感器。

 

量測(cè)與分析LCD噪聲的方法相當(dāng)簡單，可用一個(gè)導(dǎo)電金屬連結(jié)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(不要附加觸控屏幕傳感器)。另外也可用大銅板或一片銅帶，但要注意噪聲強(qiáng)度會(huì)隨著導(dǎo)體尺寸縮小而降低，因此最好覆蓋整個(gè)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信號(hào)波形，其中通常含有一個(gè)高強(qiáng)度基頻，其波形接近方波。ACVCOM運(yùn)作頻率一般介于5k~25kHz之間，通?；l頻率會(huì)對(duì)應(yīng)到LCD每列像素更新(掃描線頻率)的速度。

圖3 ACVCOM顯示器耦合噪聲與時(shí)間關(guān)系圖

 

圖4則顯示實(shí)際擷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形類似數(shù)個(gè)尖銳的高頻脈沖，沒有類似ACVCOM的高強(qiáng)度基頻，但其諧波量可輕易沖高到50k~300kHz，短暫的脈沖對(duì)應(yīng)到子像素電極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DCVCOM噪聲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(gè)屏幕上以棋盤狀排列的黑白交錯(cuò)像素(看起來接近灰色)；但是在分析DCVCOM顯示器特性之前，請(qǐng)務(wù)必測(cè)試多種不同影像。

圖4 DCVCOM顯示器耦合噪聲電壓與時(shí)間關(guān)系圖

 

設(shè)計(jì)者要確實(shí)降低影響觸控面板控制器的顯示噪聲，可利用幾種方法，包括削減噪聲強(qiáng)度、避開噪聲的頻率、導(dǎo)入數(shù)字濾波器、改良觸控傳感器設(shè)計(jì)或加強(qiáng)觸控屏幕與LCD面板的同步化。

 

一般來說，設(shè)計(jì)工程師可以用一層強(qiáng)固的ITO覆蓋住整個(gè)顯示器，此遮蔽層置放于顯示器與觸控面板傳感器之間，直接鏈接電路接地端，因此顯示噪聲會(huì)直接傳到接地端而不是觸控面板控制器。遮蔽層在減少噪聲方面通常效率頗高，不過，由于會(huì)增加觸控面板制造成本，加上會(huì)減少面板的透光度使影像質(zhì)量略受影響，因此較不受業(yè)者青睞。

 

相形之下，挑選適合的運(yùn)作頻率，讓觸控控制器的頻率不同于LCD噪聲頻率則是最佳選項(xiàng)之一。對(duì)此種方法而言，導(dǎo)入能應(yīng)付大量尖峰噪聲的觸控控制器，并且避免觸控屏幕感測(cè)電路過度飽和，有助達(dá)成降噪聲的目標(biāo)。

 

此外，窄頻接收器有助于配合噪聲尖波(Spikes)進(jìn)行調(diào)整，還能幫助在擷取到的波形產(chǎn)生快速傅立葉變換(FFT)，以便了解應(yīng)把觸控屏幕運(yùn)作頻率設(shè)定在哪里，如圖5顯示DCVCOM時(shí)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(dòng)工具，能幫助挑選理想的運(yùn)作頻率，其中許多工具能掃描觸控屏幕運(yùn)作頻率，還能同時(shí)監(jiān)視噪聲。

圖5 DCVCOM耦合噪聲與頻率FFT關(guān)系圖

 

此外，數(shù)字濾波器對(duì)降低噪聲亦有很大幫助。工程師有許多線性與非線性濾波器可挑選，對(duì)不同的應(yīng)用各有優(yōu)缺點(diǎn)。線性濾波器方面，傳統(tǒng)無限脈沖響應(yīng)(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波器，雖然在降低噪聲方面表現(xiàn)不錯(cuò)，但在追蹤屏幕上手指碰觸點(diǎn)的速度會(huì)有點(diǎn)遲鈍。

 

如今業(yè)界已針對(duì)這些濾波器進(jìn)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噪聲，尤其針對(duì)含有高強(qiáng)度但不常出現(xiàn)的噪聲尖波的脈沖噪聲。另外有少數(shù)濾波器能聰明的辨識(shí)LCD噪聲，并把噪聲從實(shí)際信號(hào)分離出來。含有硬件濾波器的觸控控制器會(huì)為產(chǎn)品加分不少，因能節(jié)省噪聲處理的時(shí)間與功耗。

 

由于觸控傳感器對(duì)整體產(chǎn)品的效能而言相當(dāng)重要，因此，許多新型傳感器設(shè)計(jì)也紛紛朝向能降低顯示噪聲的研發(fā)方向邁進(jìn)。其中一種熱門方案就是曼哈頓(Manhattan)，取這個(gè)名字是因?yàn)樗臉邮娇崴萍~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 曼哈頓觸控傳感器架構(gòu)示意圖

 

觸控傳感器包含發(fā)送器(TX)與接收器(RX)，所有真正多點(diǎn)觸控的傳感器都能驅(qū)動(dòng)TX，并在RX上接收信號(hào)。在曼哈頓傳感器設(shè)計(jì)中，TX占位相當(dāng)寬，位置在RX之下；RX則較窄，因?yàn)橐纳娙菀约皽p少噪聲耦合。

 

總而言之，曼哈頓傳感器讓TX傳感器能削減大部分的噪聲，且不會(huì)讓噪聲傳到RX，現(xiàn)今業(yè)界均采用許多精密的曼哈頓衍生技術(shù)。

 

 

最后，觸控面板與LCD之間的同步化，亦是降低顯示噪聲的選項(xiàng)之一。事實(shí)上，這絕對(duì)須仰賴In-Cell設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。觸控面板控制器要進(jìn)行同步化，可透過監(jiān)看LCD驅(qū)動(dòng)器的水平與垂直同步信號(hào)，分別名為HSYNC(Horizontal Synchronization)與VSYNC(Vertical Synchronization)，進(jìn)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屏幕傳感器挑出噪聲，隨即開始掃描，不須藉由監(jiān)看LCD驅(qū)動(dòng)器的HSYNC與VSYNC信號(hào)；此種ACVCOM的同步化相當(dāng)直接，因?yàn)榛l強(qiáng)度很高且頻率很低。

 

相形之下，DCVCOM就比較困難，因?yàn)樵肼曨l率較高，觸控面板控制器的掃描與靜止期之間需要精準(zhǔn)的時(shí)序調(diào)整。

 

隨著手機(jī)做得愈來愈薄，觸控面板控制器會(huì)暴露在更多的顯示噪聲下，這是因?yàn)轱@示器與觸控屏幕傳感器之間有更緊密結(jié)合的電容耦合，促使各界更專注于顯示器如何運(yùn)作，顯示噪聲究竟來自哪里，如何量測(cè)顯示噪聲，以及有哪些降低顯示噪聲的選項(xiàng)。