如何在電容式觸摸屏應(yīng)用中處理噪聲問題

雖然較低噪聲的充電器產(chǎn)生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動范圍則達(dá)到20–40Vpp，這就會產(chǎn)生巨量電荷轉(zhuǎn)移。注入電荷的量取決于噪聲的電壓幅度（Q=C*V）。雖然噪聲量很大，但觸摸屏控制器仍必須能檢測到引發(fā)幅度較小的電荷變化的手指。

電容式觸摸屏手機(jī)還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動高清鏈接（MHL），這是用來從手機(jī)向HDTV傳輸音頻視頻的標(biāo)準(zhǔn)接口。手機(jī)通過MHL適配器連接到HDTV，該適配器將手機(jī)的USB接口轉(zhuǎn)換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來源于電視電源，并會通過HDMI和USB線纜傳遞給手機(jī)。

更輕薄設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)

現(xiàn)如今，輕薄即時(shí)尚。積極推出越來越薄的觸摸屏設(shè)備，特別是觸摸屏手機(jī)，面臨雙重問題：一是從顯示屏耦合到傳感器的噪聲增加；二是傳感器的寄生電容提高。

顯示屏生成的噪聲相對于充電器噪聲而言強(qiáng)度要低很多，但對觸摸性能產(chǎn)生的影響很大，因?yàn)槠渚嚯x觸摸傳感器很近。雖然AMOLED顯示屏很安靜（但比LCD更昂貴），但如今市場上大多數(shù)還都是噪聲更高的ACVCOM和DCVCOM型LCD顯示屏。這種顯示屏的常用電極VCOM層就是噪聲的來源。讓我們回過頭來再討論一下方程式（1），這次是要確定平行板電容器在觸摸傳感器中指定接收電極和顯示屏VCOM層之間所產(chǎn)生的電容的大小。這里，面積“A”就是接收電極的全部面積，由于顯示屏覆蓋整個(gè)屏幕，因此距離“d”就是接收電極和VCOM層之間的距離。

此前，觸摸屏設(shè)備采用氣隙或屏蔽層來保護(hù)觸摸傳感器不受顯示屏噪聲耦合至接收電極的影響。不過，這些解決方案會增加厚度和成本（4英寸顯示屏的屏蔽層增加了多達(dá)1.00美元的成本）?，F(xiàn)在，隨著設(shè)備變得越來越薄，氣隙和屏蔽層都被取消，而且觸摸傳感器采用光學(xué)透明膠（OCA）直接連接至顯示屏。這就導(dǎo)致傳感器的接收電極更靠近噪聲較高的VCOM層，從而就會縮短“d”、增加電容，并耦合更多噪聲。由于OCA（電介質(zhì)常量 為3）取代氣隙（電介質(zhì)常量 為1），因此電容會進(jìn)一步提升。輕薄式產(chǎn)品的下一個(gè)發(fā)展趨勢就是觸摸傳感器的部分或全部都需要集成在顯示屏中，也就是所謂的in-cell（內(nèi)嵌式觸控）、On-cell（外掛式觸控）。這樣的顯示屏集成協(xié)議棧會讓傳感器的接收電極更接近顯示屏的VCOM層，從而耦合更多噪聲。

外形更輕薄產(chǎn)品發(fā)展的第二個(gè)問題就是觸摸傳感器的寄生電容（CP）增加。為了想辦法讓整體協(xié)議棧變得更薄，ITO基板層（由玻璃或PET制成）需要越來越薄。這就縮短了傳感器發(fā)射和接收電極之間的距離，從而增加了電容。CP升高在掃描觸摸面板時(shí)就需要更長時(shí)間的充電和放電，這就減小了掃描面板的最大頻率。這樣做的問題在于，我們希望掃描頻率更高，因?yàn)檩^高頻段的噪聲通常較小。此外，掃描時(shí)間延長也意味著功耗增加和刷新率下降。

解決噪聲問題

由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應(yīng)于在既定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩(wěn)健性的抗噪性，首要關(guān)注的因素就是信噪比（SNR）。我們可通過以下幾種不同特性來提高信噪比。

提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的發(fā)射電壓來掃描觸摸屏的傳感器。原始SNR與發(fā)射電壓成正比，因而越大越好。過去，高電壓發(fā)射對于許多觸摸屏控制器來說都一直是個(gè)挑戰(zhàn)，只能通過采用外部高電壓模擬電源（有時(shí)這會大幅增加功耗，而且大多數(shù)消費(fèi)類手持設(shè)備都無法支持）才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關(guān)穩(wěn)壓器等。上述兩種方法都會額外增加設(shè)備的成本。而現(xiàn)在，新型觸摸屏控制器能通過內(nèi)部電荷泵生成片上高電壓發(fā)射。

另一個(gè)提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機(jī)制。雖然要確保噪聲條件下的觸摸性能非常重要，但占用很多CPU的資源來運(yùn)行噪聲過濾算法會降低刷新率，進(jìn)而提高功耗。通過采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標(biāo)刷新率和功耗，同時(shí)提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術(shù)就是一個(gè)典范，能將現(xiàn)有的SNR提升到3倍高。

觸摸傳感器的掃描頻率會對噪聲環(huán)境下的觸摸性能產(chǎn)生很大影響。如果噪聲頻率接近掃描面板的頻率，就可能造成觸摸數(shù)據(jù)損壞。在此情況下，我們可通過自適應(yīng)跳頻技術(shù)來將掃描頻率更改到噪聲幅度足夠低的水平，避免數(shù)據(jù)損壞。但是，跳頻的效果有限，取決于可選的發(fā)射頻率范圍以及存在噪聲的頻率范圍。一些充電器會在整個(gè)頻率范圍內(nèi)釋放大量噪聲，因而難以找到無干擾的區(qū)域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時(shí)諧波幅度則較低。我們可在300kHz到500kHz范圍內(nèi)采用高頻掃描來解決這個(gè)問題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠(yuǎn)離LCD噪聲頻率范圍的情況下改進(jìn)顯示屏的抗噪性。

雖然提高SNR的技術(shù)很多，但如果噪聲確實(shí)非常高，高到完全飽和觸摸屏控制器的接收通道，那么上述改進(jìn)并不能避免觸摸數(shù)據(jù)損壞。信號處理需要依靠輸出線性結(jié)果的模擬前端。如果受噪聲源耦合到大量電荷的影響，輸出持續(xù)鎖定為最大值，那么觸摸屏可能根本就無法使用。要解決這個(gè)問題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應(yīng)對更大量的電荷。這通常會增加額外的芯片面積，也就是說電容更大。解決這個(gè)問題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會將信號與手指本身分離。

顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實(shí)是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問題。為了應(yīng)對更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來提高信噪比，盡可能避免噪聲。說到底，消費(fèi)者希望設(shè)備的觸摸性能保持一致，不會因連接充電器或靠近噪聲較大的熒光燈而影響性能。隨著噪聲難題的不斷變化，觸摸屏控制器也將持續(xù)發(fā)展，確保提供始終一致的性能。