Touch-Screen Panels (TSPs) have recently come into wide use due to their intuitive user interface and demands for high area-usability of displays. Several methods such as resistive, capacitive, and infrared TSPs are primarily used. Among them, capacitive TSPs are applied to most mobile devices and tablet PCs owing to their multi-touch function and superior visibility. However, the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the analog-front-end is deteriorated by various noise sources leading to wrong decisions by the TSP controller. This thesis focuses on the novel read-out methods to resolve critical noise issues in the capacitive touch-screen panels.
In Chapter 1, Delta-Integration, a novel readout method, is introduced in an effort to solve the noise and speed issues impeding the performance of in-cell type TSPs. In the proposed method, a differential sens-ing scheme effectively cancels common noise components and locally occurring noise is spatially low-pass filtered. Due to the consequently enhanced SNR, the proposed scheme is simply implemented by a comparator and a counter only in place of a complex ADC. The comparator is designed to have a ‘dead-zone’ for noise-immune characteristics. In addition, a new global charge amplifier that has much wider bandwidth and higher current-driving capability than the conventional one is proposed for high speed operation. The prototype chip consumes a static power of 1.15mW and the total chip area without panel loads is $2.5mm^2$.
In Chapter 2, Delta-Integration method for add-on (or on-cell) type TSPs is introduced to improve the SNR of the readout circuit. The architecture shows better performance in spite of requiring less power consumption and using an integration capacitor that is roughly half in size compared with a previous work. It averages noises by repeated integration and substantially mitigates the effect of display noise through a differential sensing technique. Furthermore, it does not require additional calibration circuitry to correct the settling error by different delay paths because two adjacent lines in differential sensing have almost the same R-C time constant. The circuit is designed in a 0.35μm CMOS technology.
In Chapter 3, Filtered-Delta-Integration, a new method for add-on (or on-cell) type TSPs, is pro-posed to resolve the weak points of the structure in Chapter 2. The proposed scheme incorporated with a charge-interpolation technique provides solutions for all kinds of noise in add-on (or on-cell) type capacitive TSPs including the battery-charger noise. The proposed controller for 10.1-inch TSPs demonstrates state-of-art SNR of 39dB at 120Hz scan frequency with excellent multi-touch performance. The proposed controller consumes a total power of 18.7mW and the total chip area is $10.4mm^2$.
본 논문에서는 정전용량 방식 터치스크린을 위한 컨트롤러 IC 의 설계에 대해서 다루고 있다.
정전용량 방식 터치스크린에서 터치 영역 판별에 악영향을 끼치는 여러 가지 noise 에 대해 분석하였고, 이러한 noise 를 효과적으로 제거할 수 있는 회로 설계 기법들을 제안하였다.
제 1 장에서는 In-cell 터치스크린을 위한 Delta-Integration 리드아웃 기법을 제안하였다. In-cell
터치스크린은 터치센서가 디스플레이 패널 내부에 집적되어 있으므로 각종 noise 의 영향을 많이 받으며, 많은 센서를 읽어내야 하므로 빠른 속도의 리드아웃 회로가 필요하다. 제안된 방법에서는 differential sensing 구조를 이용해 common noise 를 효과적으로 제거하였으며, 공간적인 low-pass filtering 을 이용해 local noise 까지 제거하여 SNR 을 높일 수 있었다. 이렇게 증가된 SNR 로 인해, dead-zone 을 가진 comparator 와 counter 만으로 복잡한 고해상도 ADC 를 대체할 수 있다. 또한, 새롭게 제안된 global charge amplifier 는 빠른 리드아웃 속도를 만족시키기 위해 넓은 bandwidth 와 높은 current-driving 능력을 가지도록 설계되었다.
제 2 장에서는 제 1 장에서 소개된 Delta-Integration 기법을 Add-on (On-cell) 터치스크린에 적용하였다. Differential sensing 을 통해 common noise 인 display noise 를 효과적으로 제거하였고, 차이 전하의 반복적인 적분을 통해 나머지 noise 를 moving average 시킨다. Add-on (On-cell) 터치스크린을 위한 기존의 다른 방식에 비해 전력 소모를 줄였고, integration capacitor 의 크기를 절반으로 줄였다. 게다가 제안된 회로는 항상 인접한 두 라인을 이용하므로, R-C delay 가 비슷하여 터치스크린의 서로 다른 delay path 로 인한 settling error 를 보상하는 추가적인 회로가 필요 없다.
제 3 장에서는 제 2 장에서 소개된 Delta-Integration 기법의 단점을 보완하여 noise 제거 능력을 월등히 향상시킨 Filtered-Delta-Integration 기법을 소개하였다. 제안된 기법은 delta-integration 에
앞서 band-pass filtering 을 이용해 self noise 의 영향을 훨씬 더 줄일 수 있었으며, chargeinterpolation 기법을 이용하여 현 업계에서 최대의 난제로 여겨지던 charger noise 문제를
효과적으로 해결하였다. 제안된 방식을 이용한 터치 컨트롤러는 10.1 인치 정전용량 방식 터치스크린에 적용하여 검증을 마쳤으며, 39dB SNR, 120Hz scan frequency 의 뛰어난 성능을 보여준다.
