LCD技術(shù)的工作原理及噪聲產(chǎn)生的原因與解決方案

顯示器產(chǎn)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(shù)的基本原理及噪聲產(chǎn)生的原因，方能找出因應(yīng)之道。

基本運作原理

為了解LCD何以產(chǎn)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(chǎn)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(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(dǎo)至三個子像素的液晶疊層，像素就能設(shè)定成任何RGB組成色。每個子像素還含有一個TFT，做為導(dǎo)至液晶疊層電壓的on/off開關(guān)，這樣的設(shè)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(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，前者主要透過一個差分電壓主動驅(qū)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(qū)動共極層，而子像素由AC驅(qū)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(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(qū)動大面積的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(nèi)嵌式（In-Cell）觸控技術(shù)，此來，觸控屏幕與LCD控制器之間須進行同步化，才能在掃描觸控屏幕時免除噪聲干擾；現(xiàn)在大多數(shù)智能型手機的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。

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(dāng)于一個介電質(zhì)。

就DCVCOM顯示器來說，驅(qū)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(jié)點；但事實上則會削弱噪聲，因為VCOM層是由電阻相當(dāng)高的ITO制成，此處將發(fā)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(qū)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(dāng)簡單，可用一個導(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，但要注意噪聲強度會隨著導(dǎo)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?；l頻率會對應(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間關(guān)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(yīng)到子像素電極驅(qū)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(wù)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(guān)系圖

五大招降低LCD噪聲

設(shè)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(dǎo)入數(shù)字濾波器、改良觸控傳感器設(shè)計或加強觸控屏幕與LCD面板的同步化。

一般來說，設(shè)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(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(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電路過度飽和，有助達成降噪聲的目標(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)把觸控屏幕運作頻率設(shè)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屏幕運作頻率，還能同時監(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(yīng)用各有優(yōu)缺點。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，但在追蹤屏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噪聲，尤其針對含有高強度但不常出現(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(chǎn)品加分不少，因能節(jié)省噪聲處理的時間與功耗。

由于觸控傳感器對整體產(chǎn)品的效能而言相當(dāng)重要，因此，許多新型傳感器設(shè)計也紛紛朝向能降低顯示噪聲的研發(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），所有真正多點觸控的傳感器都能驅(qū)動TX，并在RX上接收信號。在曼哈頓傳感器設(shè)計中，TX占位相當(dāng)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(xiàn)今業(yè)界均采用許多精密的曼哈頓衍生技術(shù)。

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，亦是降低顯示噪聲的選項之一。事實上，這絕對須仰賴In-Cell設(shè)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(qū)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(jiān)看LCD驅(qū)動器的HSYNC與VSYNC信號；此種ACVCOM的同步化相當(dāng)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(zhǔn)的時序調(diào)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(jié)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。

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