This work presents a highly flexible capacitive sensor read-out circuit for capacitive multi-touch panel applications. Among the technical challenges that must be solved, serious signal-to-noise ratio degradation due to external noises in harsh environment is the most critical problem.
To provide high signal-to-noise ratio at scan rate of over 100Hz for hundreds of sensor cells, all-parallel differential capacitance sensing architecture is proposed. The circuit adopted two optional operation topologies, switched-capacitor and transimpedance modes, with minimal use of resources. For the both operating modes, adaptive noise rejection function is implemented using highly reconfigurable filtering characteristics. Through active and various noise countermeasures, the circuit is expected to show robust operation with high accuracy against harsh noise environments.
The proposed circuit targets on sensor panels for 24x16 electrodes, which corresponds to ~10 inch applications. The circuit is designed in 0.18um digital CMOS technology and simulated with a realistic sensor model and verified using simplified prototype.
최근 효율적인 유저 인터페이스 기술의 필요성이 대두됨에 따라 보다 나은 입력 수단이 시장에서 요구되고 있다. 그 중에서도 디스플레이에 직접 입력이 가능한 멀티터치 스크린은 혁신적인 직관성을 제공하여 큰 주목을 받고 있다. 특히 캐패시티브 멀티터치 스크린은 휴대 정보단말 시장의 급속도로 점유해가고 있으며, 점차 대형화에 대한 요구 또한 증가하고 있다.
기존의 캐패시티브 센서들과 달리, 캐패시티브 멀티터치 센서는 잡음 민감성, 높은 직렬 저항 및 기생 캐패시턴스 등의 단점을 가진다. 따라서 기존에 연구되어 왔던 리드-아웃 회로의 활용성 및 한계를 다시 고려할 필요가 있다.
본 논문에서는 캐패시티브 멀티터치 센서가 가지는 위와 같은 문제점에 대해 강인한 리드-아웃 회로를 설계하였다. 설계된 회로는 기존 스위치드-캐패시터 전하 증폭기를 개선하여, 차동 감지 구조를 통해 외부 잡음의 영향을 줄였으며, 전 채널 병렬구조로 감지에 주어지는 시간을 최대화 하였다. 특히, 새롭게 제안된 적응형 잡읍 감쇄 기법을 통하여, 예측 불가능한 외부 잡음 환경에 자동으로 대응하여 높은 신호 대 잡음비를 확보하는 기능을 가진다. 추가적으로, 두 개의 연산 증폭기를 재활용하여 단순화된 트랜스임피던스 리드-아웃 구조를 부가적으로 구현함으로써 보다 다양하고 적극적인 노이즈 대책을 마련하였다.
설계된 회로는 최대 24x16개의 전극을 가지는 센서 회로를 지원하며, 이는 약 10인치의 센서 패널에 대응한다. 또한, 매우 넓은 범위의 이득과 동작 주파수를 지원하여, 다양한 값의 센서 캐패시턴스, 저항 및 기생 캐패시턴스를 가지는 센서들과 호환된다.
제안된 리드-아웃 회로는 합리적인 센서 모델과 함께 SPICE 시뮬레이션으로 검증되었으며, 간단한 시제품 제작을 통해 동작을 보였다.
