核心提示：智能手機(jī)薄型化設(shè)計(jì)，使得觸控面板控制器容易受到顯示器產(chǎn)生的雜訊干擾。為解決此一問(wèn)題，觸控芯片開發(fā)商已著手改良觸控傳感器設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)觸控模組與LCD面板運(yùn)作頻率的同步化。目前新的設(shè)計(jì)方桉，已獲得In-cell內(nèi)嵌式電容式觸摸屏開發(fā)商導(dǎo)入。

　　顯示器產(chǎn)生的雜訊會(huì)干擾電容式觸摸屏的感測(cè)功能，要進(jìn)一步改善就須了解液晶顯示（LCD）技術(shù)的基本原理及雜訊產(chǎn)生的原因，方能找出因應(yīng)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(dòng)矩陣有機(jī)發(fā)光二極體（AMOLED）、薄膜電晶體（TFT）LCD等智能手機(jī)常用方桉。一般來(lái)說(shuō)，AMOLED的畫質(zhì)較佳，對(duì)觸控芯片產(chǎn)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(gè)市場(chǎng)。由于LCD顯示器是最受歡迎的技術(shù)，但產(chǎn)生的雜訊也最多，因此本文將把焦點(diǎn)放在LCD。

　　觸控薄型化加劇LCD雜訊

　　為了解LCD何以產(chǎn)生雜訊，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)畫素含有紅、綠、藍(lán)三個(gè)子畫素，每個(gè)子畫素又包含一個(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(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(guò)。若光線的極性與偏光板的極性一致，子畫素就會(huì)達(dá)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(gè)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(dǎo)至三個(gè)子畫素的液晶疊層，畫素就能設(shè)定成任何RGB組成色。每個(gè)子畫素還含有一個(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)屏幕上的畫素進(jìn)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(jié)到彩色數(shù)字類比轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出端，TFT汲極（Drain）則連結(jié)到ITO子畫素電極。由于液晶材料無(wú)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(guò)一個(gè)差分電壓主動(dòng)驅(qū)動(dòng)VCOM與子畫素電極，因VCOM層係由AC推動(dòng)，故稱為ACVCOM方桉。后者則透過(guò)DC驅(qū)動(dòng)共極層，而子畫素由AC 驅(qū)動(dòng)，此信號(hào)以DC值為中心進(jìn)行偏擺，兩種VCOM方桉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，將造成大量雜訊；DCVCOM則以低雜訊的表現(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，造成雜訊耦合更加嚴(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和子畫素電極，也就是內(nèi)嵌式（In-Cell）觸控技術(shù)，此來(lái)，觸摸屏與LCD控制器之間須進(jìn)行同步化，才能在掃描觸摸屏?xí)r免除雜訊干擾；現(xiàn)在大多數(shù)智能手機(jī)的LCD也逐漸淘汰ACVCOM，轉(zhuǎn)用更高品質(zhì)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。

　　LCD雜訊將耦合至觸控傳感器

　　至于LCD雜訊如何耦合到觸摸屏傳感器，主要是其電路雜訊將耦合到觸摸屏電路的兩個(gè)電容。第一個(gè)電容為CLC，這個(gè)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(dāng)于一個(gè)介電質(zhì)。

　　就DCVCOM顯示器來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)子畫素的AC信號(hào)耦合到VCOM層就會(huì)變成雜訊，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)削弱雜訊，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)雜訊耦合電容的情況--CSNS。

　　CSNS在VCOM層與電容傳感器之間形成，VCOM層剩馀的雜訊電壓會(huì)透過(guò)CSNS耦合到電容式觸摸屏傳感器，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雜訊也會(huì)透過(guò)CSNS直接耦合到觸摸屏傳感器。

　　量測(cè)與分析LCD雜訊的方法相當(dāng)簡(jiǎn)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（不要附加觸摸屏傳感器）。另外也可用大銅板或一片銅帶，但要注意雜訊強(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，通常基頻頻率會(huì)對(duì)應(yīng)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(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)到子畫素電極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(gè)屏幕上以棋盤狀排列的黑白交錯(cuò)畫素（看起來(lái)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顯示器耦合雜訊電壓與時(shí)間關(guān)系圖

　　降低LCD雜訊　觸控IC商祭出五大招

　　設(shè)計(jì)者要確實(shí)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(qiáng)度、避開雜訊的頻率、導(dǎo)入數(shù)字濾波器、改良觸控傳感器設(shè)計(jì)或加強(qiáng)觸摸屏與LCD面板的同步化。

　　一般來(lái)說(shuō)，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，直接連結(jié)電路接地端，因此顯示雜訊會(huì)直接傳到接地端而不是觸控面板控制器。遮蔽層在減少雜訊方面通常效率頗高，不過(guò)，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品質(zhì)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雜訊頻率則是最佳選項(xiàng)之一。對(duì)此種方法而言，導(dǎo)入能應(yīng)付大量尖峰雜訊的觸控控制器，并且避免觸摸屏感測(cè)電路過(guò)度飽和，有助達(dá)成降雜訊的目標(biāo)。

　　此外，窄頻接收器有助于配合雜訊尖波（Spikes）進(jìn)行調(diào)整，還能幫助在擷取到的波形產(chǎn)生快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT），以便了解應(yīng)把觸摸屏運(yùn)作頻率設(shè)定在哪裡，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摸屏運(yùn)作頻率，還能同時(shí)監(jiān)視雜訊。

　　圖5 DCVCOM耦合雜訊與頻率FFT關(guān)系圖

　　此外，數(shù)字濾波器對(duì)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(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(wú)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，雖然在降低雜訊方面表現(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(lái)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(duì)含有高強(qiáng)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(shí)LCD雜訊，并把雜訊從實(shí)際信號(hào)分離出來(lái)。含有硬體濾波器的觸控控制器會(huì)為產(chǎn)品加分不少，因能節(jié)省雜訊處理的時(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雜訊的研發(fā)方向邁進(jìn)。其中一種熱門方桉就是曼哈頓（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少雜訊耦合。

　　總而言之，曼哈頓傳感器讓TX傳感器能削減大部分的雜訊，且不會(huì)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(shù)。

　　In-cell實(shí)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(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(guò)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解決方桉中，有些觸控面板控制器能直接從觸摸屏傳感器挑出雜訊，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)殡s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(zhǔn)的時(shí)序調(diào)整。

　　隨著手機(jī)做得愈來(lái)愈薄，觸控面板控制器會(huì)暴露在更多的顯示雜訊下，這是因?yàn)轱@示器與觸摸屏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，顯示雜訊究竟來(lái)自哪裡，如何量測(cè)顯示雜訊，以及有哪些降低顯示雜訊的選項(xiàng)。