要點(diǎn)

1.電容式觸摸屏已廣泛普及,，但它易于因產(chǎn)品的噪聲而產(chǎn)生虛假和錯(cuò)誤的響應(yīng)。

2.噪聲來源于內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)和顯示驅(qū)動(dòng)器,。

3.無論是處理顯示屏、充電器,、天線或其它來源的噪聲,，觸摸IC都必須做到相同的用戶體驗(yàn)水平。

今天的用戶都希望采用多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)做精確操作,，并仍能符合日益提高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),。設(shè)計(jì)者要滿足這些要求可不容易。隨著多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的快速改變,，爭奪觸摸屏統(tǒng)治地位的大戰(zhàn)也正在影響著新戰(zhàn)場(chǎng)的出現(xiàn),。

當(dāng)前的一個(gè)趨勢(shì)是手機(jī)做得越來越薄。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，就意味著電容觸摸傳感器要直接層壓在顯示屏上,，將傳感器移入顯示屏內(nèi)，并且要克服很多其它挑戰(zhàn),，如天線和地負(fù)載,。過去只是在傳感器結(jié)構(gòu)上放一塊屏蔽層以阻擋顯示噪聲，這種方式已不可接受了,，它會(huì)增加太多的成本和厚度,。

除了顯示屏以外，USB充電插頭的普及已使電池充電器商品化,。今天的電容觸摸屏IC可在高達(dá)40V峰峰值的AC噪聲下,，檢測(cè)出皮庫侖級(jí)的電容變化。所有這些因素都提升了對(duì)觸摸屏IC的要求，甚至比去年的要求都復(fù)雜得多,。需要新的創(chuàng)新,，于是開始了噪聲大戰(zhàn)。

充電器噪聲

在有觸摸時(shí),，充電器噪聲會(huì)通過電池充電器物理地耦合到傳感器上,。它的影響包括：降低觸摸的精度或線性度，虛假觸摸或幽靈觸摸,，甚至造成一個(gè)無響應(yīng)或不可靠的觸摸屏,。肇事者通常是一個(gè)零售的低價(jià)充電器。盡管OEM提供的充電器一般有較嚴(yán)格的噪聲規(guī)格,，但充電電路已廣泛采用了USB插頭,，從而為零售市場(chǎng)創(chuàng)造出了巨大的商機(jī)。為在這一市場(chǎng)區(qū)段中競爭,，零售市場(chǎng)的制造商們正在努力讓自己的充電器更便宜,。這些低成本的電子產(chǎn)品能夠?yàn)槭謾C(jī)充電，但可能會(huì)為觸摸屏注入大量噪聲,，使手機(jī)無法使用,。

兩種常見電池充電器是： 自激式轉(zhuǎn)換器( ringing- choke )和反激式轉(zhuǎn)換器(flyback)。反激式轉(zhuǎn)換充電器通常采用PWM電路,；而低成本自振的自激式轉(zhuǎn)換器則采用了一種反激設(shè)計(jì)的變體(圖1),。

圖1，反激式轉(zhuǎn)換充電器通常采用PWM電路(a),，而低成本自振蕩的自激式充電器則使用反激設(shè)計(jì)的一種變體(b),。

自激式轉(zhuǎn)換器既沒有微控制器也沒有電容，缺乏PWM控制,，用較低成本的變壓器,、極少的二極管，以及較小電容值的極化輸入電容,。這些減免等于為制造商節(jié)省了成本,，但卻給客戶帶來了一個(gè)高噪聲系統(tǒng)。有些自激式轉(zhuǎn)換充電器幾乎是一個(gè)寬帶噪聲發(fā)生器,，因?yàn)樗鼈儙缀踉趶?kHz~100kHz的范圍內(nèi)輻射高達(dá)40V峰峰值的噪聲,。多數(shù)充電器有帶許多諧波的循環(huán)噪聲趨勢(shì)。一個(gè)好的例子是所謂的零等待充電器(zero charger),，其噪聲輸出為10V~25V峰峰值(圖2)。

圖2，“零等待充電器”的噪聲在0(a),、50(b)和100%(b)負(fù)載下并不相同,。

該充電器的輸出取決于電池自身的狀態(tài)。為解決這一現(xiàn)象,，很多OEM商聯(lián)手創(chuàng)立了EN(歐規(guī))規(guī)范,，以管控一只充電器在任何頻率上輻射的最大噪聲水平。EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1就負(fù)責(zé)這些噪聲水平(圖3),。

圖3,，EN規(guī)范規(guī)定了充電器在任何頻率應(yīng)輻射的最大噪聲水平。EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1控制著這些噪聲水平,。

從1kHz~100kHz,，充電器的輸出噪聲應(yīng)不大于1V峰峰值，而隨著頻率的增加,，噪聲等級(jí)會(huì)從這一水平呈指數(shù)下降,。但是，零售市場(chǎng)上的產(chǎn)品都不滿足這么嚴(yán)格的規(guī)格,。因此,，現(xiàn)在OEM商希望能用觸摸IC應(yīng)付這么高的噪聲。有些規(guī)格要求從1kHz~400kHz之間有40V峰峰值,，而在50Hz~60Hz區(qū)間內(nèi)有95V峰峰值的抑制能力,。所幸，專門算法與方法可以滿足這些嚴(yán)格的要求,，為電池充電器提供超過95V峰峰值的噪聲抑制能力,。實(shí)現(xiàn)這些水平要采用一些方法，如非線性濾波,、跳頻以及其它硬件技術(shù),。

顯示噪聲

投射式電容觸摸顯示屏系統(tǒng)帶來了很多挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生大量噪聲,，并被直接傳導(dǎo)給電容觸摸屏傳感器,。更麻煩的是，OEM商們要求自己的手機(jī)有越來越薄的工業(yè)設(shè)計(jì),，這意味著要將觸摸屏傳感器更靠近顯示屏,，甚至放在顯示屏內(nèi),。多年來，業(yè)界一直采用一個(gè)保護(hù)屏蔽層,，防止傳感器受到顯示屏產(chǎn)生噪聲的影響,。這種方案雖然有效，但增加了手機(jī)成本和厚度,。業(yè)界亦采用過在顯示屏與傳感器之間保持一個(gè)0.3mm氣隙的方案,，通過空氣的自然特性，消散來自顯示屏的噪聲,。但是,，隨著手機(jī)越來越薄，這兩種方案都不適合于今天的設(shè)計(jì),。

所幸,，顯示屏輻射的噪聲要小于充電器，不過仍然難以處理,。當(dāng)采用傳統(tǒng)的TFT(薄膜晶體管)LCD時(shí),，可用直流電壓或交流電壓驅(qū)動(dòng)公共電極。交流公共電極層通?？山档惋@示驅(qū)動(dòng)器的工作電壓,，并保持液晶整體的恒定電壓。交流共電極層應(yīng)用于相對(duì)低成本的顯示屏,，功耗較高,，噪聲特性弱于直流共電極層(圖4)。

圖4,，交流電極層用于相對(duì)較低成本的顯示屏，功耗較高,，噪聲也高于直流共電極層,。

典型交流共電極顯示屏的噪聲特性大約在10kHz~30kHz時(shí)為500mV~3V峰峰值，而直流共電極顯示屏通常較寧靜,。測(cè)量一個(gè)顯示屏的方法很簡單,，將一臺(tái)示波器連接到顯示屏頂端的幾個(gè)銅帶上，將地連接到顯示屏的電路地,，讓顯示屏工作,，就可以捕捉到波形。

AMOLED(有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管)技術(shù)的使用正在手機(jī)中普及,，因?yàn)樗懈鼘挼囊暯?、更明亮的色彩,，以及更深的?duì)比度。AMOLED顯示屏也較安靜,，不過這要付出價(jià)格的代價(jià)(圖5),。圖中的AMOLED顯示屏輸出的尖峰為30 mV峰峰值,，這是交流共電極顯示屏噪聲的1%,，大大簡化了觸摸屏的設(shè)計(jì)。傳感器與物理顯示屏的整合產(chǎn)生了一種on-cell(像素上)和in-cell(像素內(nèi))結(jié)構(gòu),，也簡化了這種類型的顯示器,。不過，AMOLED顯示屏要比傳統(tǒng)LCD貴得多,。

圖5,，一個(gè)典型AMOLED有相對(duì)較小的顯示噪聲,。

On-cell設(shè)計(jì)一般是在顯示屏的濾色玻璃片上沉積傳感器層，使之盡量靠近顯示屏的化學(xué)組成,，因?yàn)樗幱诙询B內(nèi),。噪聲與寄生負(fù)載都會(huì)增加。不過,，AMOLED技術(shù)具有天然的寧靜性,，因此是一個(gè)好的平臺(tái)，能將oncell或in-cell傳感器做在濾色玻璃設(shè)計(jì)的下面,。

當(dāng)設(shè)計(jì)傳感器時(shí),，一種廣為接受的傳感器結(jié)構(gòu)是使用雙層傳感器，其中發(fā)射線在傳感器的下半部分,，而接收線在上半部分,。接收線對(duì)顯示噪聲敏感，但傳感器底部寬的發(fā)射線構(gòu)成了一個(gè)屏障,，阻擋住顯示屏所產(chǎn)生的噪聲,。這樣就有效地在傳感器中建立了一個(gè)屏蔽(圖6)。

圖6,，采用MH3(a),、鉆石(b)和專利技術(shù)(c) 的觸摸屏傳感器使用了不同的堆疊法和材料。

在一個(gè)MH3雙層堆疊中,，ITO(氧化銦)的底層用作顯示噪聲的屏蔽層,。不幸的是,，玻璃基傳感器很少采用這種方案，因?yàn)樗黾恿撕穸群统杀?。業(yè)界正在努力在一個(gè)沒有屏蔽的單基層上建立傳感器,。為了實(shí)現(xiàn)沒有屏蔽的真正單層傳感器，就要求觸摸屏IC能抵御顯示噪聲,。這一任務(wù)很艱巨,，因?yàn)轱@示噪聲在交流共電極和直流共電極顯示屏中都很容易達(dá)到3V峰峰值。

即使采用直接壓層法也可以減少顯示噪聲,，此時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)被壓制在顯示屏的頂面,，沒有氣隙或屏蔽，也稱顯示屏集成設(shè)計(jì),。一個(gè)例子是Cypress半導(dǎo)體公司防止顯示噪聲的Display Armor方法,。此時(shí)，觸摸IC集成了一個(gè)內(nèi)置的觸摸器件聆聽通道,，通過先進(jìn)的算法決策確定哪個(gè)信息是噪聲,，哪個(gè)信息是數(shù)據(jù)，從而消除了顯示噪聲,。通過檢測(cè)噪聲源以及與波形的鎖定,，就可以在安靜時(shí)做電容測(cè)量。這些降低顯示噪聲的方法以較低成本獲得了先進(jìn)且更薄的電容觸摸屏,。

除了高噪聲的顯示屏和充電器以外,，電容觸摸屏設(shè)計(jì)者還面臨著很多其它挑戰(zhàn)。例如,，天線是一個(gè)巨大的噪聲源挑戰(zhàn),。手機(jī)中的空間越來越緊張，各種元件(如天線和觸摸屏傳感器)實(shí)際上是相互重疊的,。在處理觸摸屏的這部分內(nèi)容時(shí)這類設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)可能帶來麻煩,。所幸，幫助降低顯示與充電器噪聲的相同創(chuàng)新也有助于減少其它來源(比如如天線)的噪聲,。無論是采用簡單的IIR(無限脈沖響應(yīng))濾波器,、先進(jìn)的非線性濾波方法、內(nèi)置降噪硬件,、跳頻功能,，或任何其它方法，電容式觸摸屏都實(shí)現(xiàn)了嵌入設(shè)備中的某些最先進(jìn)的性能,。

顯然,，噪聲抑制能力是設(shè)計(jì)者最大的關(guān)切之一。無論是處理顯示屏、充電器,、天線或其它來源的噪聲,，觸摸IC都必須獲得相同水平的用戶體驗(yàn)。在電容觸摸技術(shù)方面,，每天都在發(fā)生的創(chuàng)新,，而觸摸IC也在不斷進(jìn)行著噪聲大戰(zhàn)。