This work presents a high-performance Capacitive sensing circuit for mobile handset's touch panel applications. Among the technical challenges that must be solved, low-data rate and low resolution due to external noises in harsh environment are the most critical problems.
To obtain a noise rejection of over 50dB and scanning frequency of 200Hz for hundreds of channels, time-interleaved architecture with embedded moving average filtering is proposed. Conventional capacitive readout ICs solve this problem with complicated digital circuitry, causing high power consumption. Also, it is required to compensate the aging effect of ITO patterns and process, voltage, and temperature (PVT) variations, affecting the resolution of sensing circuitry.
With the proposed simple, yet effective readout circuit as well as time interleaved system architecture, noise rejection ratio, power consumption and data-rate can be greatly enhanced. To verify its noise rejection performance, a prototype sensor circuit is implemented using single-poly six-metal 0.18 CMOS technology. To test its operation, capacitive sensing circuit with time-interleaved method is simulated and fabricated by FPGA board simultaneously. Simulation result shows that noise rejection of 50dB at the frequency of 100kHz is attained, satisfying the required specifications.
최근 이동 전화기 사용자의 증가와 유저 인터페이스 기술이 발달함에 따라 다양한 어플리케이션이 등장하고 있다. 그 중에서도 LCD 화면에 직접 입력이 가능한 터치 스크린 어플리케이션 시장이 급속도로 성장하고 있으며, 이러한 터치 패널은 대형화 및 멀티 터치로 가고 있는 추세이다.
본 논문에서는 터치 패널에 발생하는 RF 신호 및 LCD 잡음 문제, 낮은 해상도 등을 해결할 수 있는 아날로그 센서 수신 단에 대해 다루었다. 기생 커패시턴스에 강인한 스위치-커패시티브 상호 정전용량 센서를 기반으로 하고 있으며, 앞에서 언급한 잡음을 효과적으로 제거할 수 있는 이산 신호 기반의 아날로그 필터가 내재되어 있다. 아날로그 필터와 함께 디지털 영역에서의 IIR 필터를 중첩하여 100KHz 주파수에서 50dB 이상의 잡음 억제 효과를 달성하였으며, 이산 신호 필터의 특성상 전 대역에 걸쳐 반복되는 필터링 효과가 형성됨으로써 잡음 주파수에 의존하지 않는 협대역 필터 설계가 이루어졌다.
이와 동시에 제안한 시간 인터리브 방식 시스템 구조는 대형 인치 적용을 고려하여 최대 320 채널을 지원하는 동시에 멀티 터치 인식이 가능한 200Hz의 스캔 주파수를 지원하고 있다. 제안한 시스템 구조는 디지털 신호 변환을 위한 별도의 S/H 회로가 필요 없으며, S/H 회로에서 발생하는 누설 전류 문제 또한 동시에 해결하고 있다.
마지막으로 손가락이 근접함에 따라 유도 커패시턴스를 생성하는 ITO의 PVT 민감성을 해결하기 위한 보정 회로를 설계하였다. 기존의 보정 기법은 아날로그-디지털 변환기를 사용하지만, 이를 비교기와 디지털 비트 조정이 가능한 전류원의 사용으로 실시간 동작이 가능하도록 하였다.
제안한 수신단은 시뮬레이션 및 보드 제작, 측정을 통해 검증되었으며, 기존 연구와 비교해 볼 경우 채널 수 대비 가장 빠른 스캔 속도, 그리고 뛰어난 잡음 억제 효과를 보이고 있어 대형인치 추세에 걸 맞는 연구결과이다.
