顯示器產生的噪聲會幹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。

 

 

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
，光線在此產生後再朝上反射，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與觸控麵板架構圖

 

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(zai)疊(die)層(ceng)上(shang)方(fang)的(de)偏(pian)光(guang)板(ban)，隻(zhi)讓(rang)特(te)定(ding)極(ji)性(xing)的(de)光(guang)線(xian)通(tong)過(guo)。若(ruo)光(guang)線(xian)的(de)極(ji)性(xing)與(yu)偏(pian)光(guang)板(ban)的(de)極(ji)性(xing)一(yi)致(zhi)，子(zi)像(xiang)素(su)就(jiu)會(hui)達(da)到(dao)最(zui)高(gao)亮(liang)度(du)。若(ruo)光(guang)線(xian)極(ji)性(xing)與(yu)偏(pian)光(guang)板(ban)相(xiang)反(fan)，子(zi)像(xiang)素(su)的(de)亮(liang)度(du)就(jiu)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。

 

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。由於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層係由AC推動，故稱為ACVCOM方案。後者則透過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與觸控麵板電路圖

 

業界都知道ACVCOM因主動驅動大麵積的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表麵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表麵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麵板控製器能直接感測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控製器之間須進行同步化，才能在掃描觸控屏幕時免除噪聲幹擾；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
，並朝向直接貼合或In-Cell發展
，藉以降低製造成本與產品厚度。

 

至於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表麵之間形成，其間液晶材料的作用相當於一個介電質。

 

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
，並傳至整個麵板。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製成，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層剩餘的噪聲電壓會透過CSNS耦合到電容式觸控屏幕傳感器，並傳至觸控麵板控製器的接腳。對ACVCOM顯示器而言，由於以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，或采用一片麵朝下的銅片
，然後直接覆蓋在顯示器的表麵(不要附加觸控屏幕傳感器)。另(ling)外(wai)也(ye)可(ke)用(yong)大(da)銅(tong)板(ban)或(huo)一(yi)片(pian)銅(tong)帶(dai)，但(dan)要(yao)注(zhu)意(yi)噪(zao)聲(sheng)強(qiang)度(du)會(hui)隨(sui)著(zhe)導(dao)體(ti)尺(chi)寸(cun)縮(suo)小(xiao)而(er)降(jiang)低(di)，因(yin)此(ci)最(zui)好(hao)覆(fu)蓋(gai)整(zheng)個(ge)表(biao)麵(mian)，藉(ji)以(yi)把(ba)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)耦(ou)合(he)誤(wu)差(cha)減(jian)至(zhi)最(zui)小(xiao)。

 

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運作頻率一般介於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係圖

 

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衝，沒有類似ACVCOM的高強度基頻，但其諧波量可輕易衝高到50k~300kHz，短暫的脈衝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係圖

 

設計者要確實降低影響觸控麵板控製器的顯示噪聲，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麵板的同步化。

 

一般來說，設計工程師可以用一層強固的ITO覆fu蓋gai住zhu整zheng個ge顯xian示shi器qi，此ci遮zhe蔽bi層ceng置zhi放fang於yu顯xian示shi器qi與yu觸chu控kong麵mian板ban傳chuan感gan器qi之zhi間jian
，直zhi接jie鏈lian接jie電dian路lu接jie地di端duan，因yin此ci顯xian示shi噪zao聲sheng會hui直zhi接jie傳chuan到dao接jie地di端duan而er不bu是shi觸chu控kong麵mian板ban控kong製zhi器qi。遮zhe蔽bi層ceng在zai減jian少shao噪zao聲sheng方fang麵mian通tong常chang效xiao率lv頗po高gao
，不bu過guo
，由you於yu會hui增zeng加jia觸chu控kong麵mian板ban製zhi造zao成cheng本ben，加jia上shang會hui減jian少shao麵mian板ban的de透tou光guang度du使shi影ying像xiang質zhi量liang略lve受shou影ying響xiang，因yin此ci較jiao不bu受shou業ye者zhe青qing睞lai。

 

相形之下，挑選適合的運作頻率，讓觸控控製器的頻率不同於LCD噪zao聲sheng頻pin率lv則ze是shi最zui佳jia選xuan項xiang之zhi一yi。對dui此ci種zhong方fang法fa而er言yan
，導dao入ru能neng應ying付fu大da量liang尖jian峰feng噪zao聲sheng的de觸chu控kong控kong製zhi器qi，並bing且qie避bi免mian觸chu控kong屏ping幕mu感gan測ce電dian路lu過guo度du飽bao和he，有you助zhu達da成cheng降jiang噪zao聲sheng的de目mu標biao。

 

此外，窄頻接收器有助於配合噪聲尖波(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裏，如圖5顯示DCVCOM時域波形的FFT。muqianchukongkongzhiqizhizaoshangyeyikaifachuxuduozidonggongju，nengbangzhutiaoxuanlixiangdeyunzuopinlv

，qizhongxuduogongjunengsaomiaochukongpingmuyunzuopinlv，hainengtongshijianshizaosheng。

圖5 DCVCOM耦合噪聲與頻率FFT關係圖

 

此(ci)外(wai)，數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)對(dui)降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)亦(yi)有(you)很(hen)大(da)幫(bang)助(zhu)。工(gong)程(cheng)師(shi)有(you)許(xu)多(duo)線(xian)性(xing)與(yu)非(fei)線(xian)性(xing)濾(lv)波(bo)器(qi)可(ke)挑(tiao)選(xuan)
，對(dui)不(bu)同(tong)的(de)應(ying)用(yong)各(ge)有(you)優(you)缺(que)點(dian)。線(xian)性(xing)濾(lv)波(bo)器(qi)方(fang)麵(mian)
，傳(chuan)統(tong)無(wu)限(xian)脈(mai)衝(chong)響(xiang)應(ying)(Infinite Impulse Response, IIR)或有限脈衝響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器，雖然在降低噪聲方麵表現不錯
，但在追蹤屏幕上手指碰觸點的速度會有點遲鈍。

 

rujinyejieyizhenduizhexielvboqijinxingxuduogailiang，dailaigenghaodeshouzhizhuizongxingneng。qitafeixianxinglvboqiyenengjiangdizaosheng，youqizhenduihanyougaoqiangdudanbuchangchuxiandezaoshengjianbodemaichongzaosheng。lingwaiyoushaoshulvboqinengcongmingdebianshiLCD噪聲，並把噪聲從實際信號分離出來。含有硬件濾波器的觸控控製器會為產品加分不少，因能節省噪聲處理的時間與功耗。

 

youyuchukongchuanganqiduizhengtichanpindexiaonengeryanxiangdangzhongyao，yinci，xuduoxinxingchuanganqishejiyefenfenchaoxiangnengjiangdixianshizaoshengdeyanfafangxiangmaijin。qizhongyizhongremenfanganjiushimanhadun(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，並在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。

 

 

最後，觸控麵板與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。觸控麵板控製器要進行同步化，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麵板同步。

 

值得注意的是
，在ACVCOM解決方案中
，有些觸控麵板控製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
，觸控麵板控製器的掃描與靜止期之間需要精準的時序調整。

 

隨(sui)著(zhe)手(shou)機(ji)做(zuo)得(de)愈(yu)來(lai)愈(yu)薄(bo)，觸(chu)控(kong)麵(mian)板(ban)控(kong)製(zhi)器(qi)會(hui)暴(bao)露(lu)在(zai)更(geng)多(duo)的(de)顯(xian)示(shi)噪(zao)聲(sheng)下(xia)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)顯(xian)示(shi)器(qi)與(yu)觸(chu)控(kong)屏(ping)幕(mu)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)間(jian)有(you)更(geng)緊(jin)密(mi)結(jie)合(he)的(de)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)
，促(cu)使(shi)各(ge)界(jie)更(geng)專(zhuan)注(zhu)於(yu)顯(xian)示(shi)器(qi)如(ru)何(he)運(yun)作(zuo)
，顯(xian)示(shi)噪(zao)聲(sheng)究(jiu)竟(jing)來(lai)自(zi)哪(na)裏(li)，如(ru)何(he)量(liang)測(ce)顯(xian)示(shi)噪(zao)聲(sheng)，以(yi)及(ji)有(you)哪(na)些(xie)降(jiang)低(di)顯(xian)示(shi)噪(zao)聲(sheng)的(de)選(xuan)項(xiang)。