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顯示器產生的噪聲會干擾電容式觸控屏幕的感測功能，而智能手機的觸控薄型化加劇了LCD噪聲，要進一步改善就須了解液晶顯示(LCD)技術的基本原理及噪聲產生的原因，方能找出因應之道。 基本運作原理 為了解LCD何以產生噪聲，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，每個像素含有紅、綠、藍三個子像素，每個子像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，子像素就會達到最高亮度。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，藉由把電壓導至三個子像素的液晶疊層，像素就能設定成任何RGB組成色。每個子像素還含有一個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屏幕影像時能有效對屏幕上的像素進行排序。 如圖2顯示，像素在TFT閘極(Gate)被開啟，TFT的源極(Source)鏈接到彩色數字模擬轉換器(DAC)輸出端，TFT汲極(Drain)則連結到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，前者主要透過一個差分電壓主動驅動VCOM與子像素電極，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，而子像素由AC驅動，此信號以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劣勢。 圖2 LCD與觸控面板電路圖 業界都知道ACVCOM因主動驅動大面積的ITO(VCOM)層，將造成大量噪聲；DCVCOM則以低噪聲的表現為業界所熟知，然而事實不一定如此。以往傳感器與LCD表面之間有一層薄的空隙(Air Gap)。但現今手機做得更薄，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廠商采用，造成噪聲耦合更加嚴重。 更有甚之，業界當前設計方向是要求觸控面板控制器能直接感測VCOM和子像素電極，也就是內嵌式(In-Cell)觸控技術，此來，觸控屏幕與LCD控制器之間須進行同步化，才能在掃描觸控屏幕時免除噪聲干擾；現在大多數智能型手機的LCD也逐漸淘汰ACVCOM，轉用更高質量的DCVCOM與AMOLED顯示器，并朝向直接貼合或In-Cell發展，藉以降低制造成本與產品厚度。 LCD噪聲將耦合至觸控傳感器 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電容。第一個電容為CLC，這個電容是在子像素與VCOM表面之間形成，其間液晶材料的作用相當于一個介電質。 就DCVCOM顯示器來說，驅動子像素的AC信號耦合到VCOM層就會變成噪聲，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電壓維持這個節點；但事實上則會削弱噪聲，因為VCOM層是由電阻相當高的ITO制成，此處將發生第二個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ACVCOM顯示器而言，由于以AC波型驅動VCOM，因此LCD噪聲也會透過CSNS直接耦合到觸控屏幕傳感器。 量測與分析LCD噪聲的方法相當簡單，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信號波形，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，通常基頻頻率會對應到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間關系圖 圖4則顯示實際擷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形類似數個尖銳的高頻脈沖，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像素電極驅動信號。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屏幕上以棋盤狀排列的黑白交錯像素(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顯示器耦合噪聲電壓與時間關系圖 五大招降低LCD噪聲 設計者要確實降低影響觸控面板控制器的顯示噪聲，可利用幾種方法，包括削減噪聲強度、避開噪聲的頻率、導入數字濾波器、改良觸控傳感器設計或加強觸控屏幕與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傳感器之間，直接鏈接電路接地端，因此顯示噪聲會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，由于會增加觸控面板制造成本，加上會減少面板的透光度使影像質量略受影響，因此較不受業者青睞。 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噪聲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噪聲的觸控控制器，并且避免觸控屏幕感測電路過度飽和，有助達成降噪聲的目標。 此外，窄頻接收器有助于配合噪聲尖波(Spikes)進行調整，還能幫助在擷取到的波形產生快速傅立葉變換(FFT)，以便了解應把觸控屏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屏幕運作頻率，還能同時監視噪聲。 圖5 DCVCOM耦合噪聲與頻率FFT關系圖 此外，數字濾波器對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，對不同的應用各有優缺點。線性濾波器方面，傳統無限脈沖響應(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脈沖響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器，雖然在降低噪聲方面表現不錯，但在追蹤屏幕上手指碰觸點的速度會有點遲鈍。 如今業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噪聲，尤其針對含有高強度但不常出現的噪聲尖波的脈沖噪聲。另外有少數濾波器能聰明的辨識LCD噪聲，并把噪聲從實際信號分離出來。含有硬件濾波器的觸控控制器會為產品加分不少，因能節省噪聲處理的時間與功耗。 由于觸控傳感器對整體產品的效能而言相當重要，因此，許多新型傳感器設計也紛紛朝向能降低顯示噪聲的研發方向邁進。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示意圖 觸控傳感器包含發送器(TX)與接收器(RX)，所有真正多點觸控的傳感器都能驅動TX，并在RX上接收信號。在曼哈頓傳感器設計中，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，且不會讓噪聲傳到RX，現今業界均采用許多精密的曼哈頓衍生技術。 In-cell實現觸控面板與LCD同步化 最后，觸控面板與LCD之間的同步化，亦是降低顯示噪聲的選項之一。事實上，這絕對須仰賴In-Cell設計才能實現。觸控面板控制器要進行同步化，可透過監看LCD驅動器的水平與垂直同步信號，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屏幕傳感器挑出噪聲，隨即開始掃描，不須藉由監看LCD驅動器的HSYNC與VSYNC信號；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，因為噪聲頻率較高，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噪聲下，這是因為顯示器與觸控屏幕傳感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，顯示噪聲究竟來自哪里，如何量測顯示噪聲，以及有哪些降低顯示噪聲的選項。 |
