LCD技术的工作原理及噪声产生的原因与解决方案

显示器产生的噪声会干扰电容式触控屏幕的感测功能，而智能手机的触控薄型化加剧了LCD噪声，要进一步改善就须了解液晶显示（LCD）技术的基本原理及噪声产生的原因，方能找出因应之道。

基本运作原理

为了解LCD何以产生噪声，须掌握LCD基本运作原理。如图1所示，从LCD显示器的最底层开始，光线在此产生后再朝上反射，每个像素含有红、绿、蓝三个子像素，每个子像素又包含一个液晶叠层（Sandwich），叠层顶部则贴合氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜，其顶层与底层中间夹着液晶材料。

图1 LCD与触控面板架构图

其中，顶层为所有子像素的共极，通常称为VCOM层；底层则专为子像素配置，称作子像素电极，当电压导通到LC叠层，液晶材料就会扭转白光的极性（Polarity），在叠层上方的偏光板，只让特定极性的光线通过。若光线的极性与偏光板的极性一致，子像素就会达到最高亮度。若光线极性与偏光板相反，子像素的亮度就降到最低。

此外，每个子像素都有一层彩色滤光片（R、G、或B），其作用类似彩绘玻璃窗，藉由把电压导至三个子像素的液晶叠层，像素就能设定成任何RGB组成色。每个子像素还含有一个TFT，做为导至液晶叠层电压的on/off开关，这样的设计在刷新全屏幕影像时能有效对屏幕上的像素进行排序。

如图2显示，像素在TFT闸极（Gate）被开启，TFT的源极（Source）链接到彩色数字模拟转换器（DAC）输出端，TFT汲极（Drain）则连结到ITO子像素电极。由于液晶材料无法承受直流（DC）电压，因此偏压必须是交流电。ACVCOM与DCVCOM两种类型的LCD显示器也有所差异，前者主要透过一个差分电压主动驱动VCOM与子像素电极，因VCOM层系由AC推动，故称为ACVCOM方案。后者则透过DC驱动共极层，而子像素由AC驱动，此信号以DC值为中心进行偏摆，两种VCOM方案各有不同的效能与成本优劣势。

图2 LCD与触控面板电路图

业界都知道ACVCOM因主动驱动大面积的ITO（VCOM）层，将造成大量噪声；DCVCOM则以低噪声的表现为业界所熟知，然而事实不一定如此。以往传感器与LCD表面之间有一层薄的空隙（Air Gap）。但现今手机做得更薄，因此大多不再有这层空隙，将ITO传感器直接贴合到LCD表面的方式逐渐为大多数厂商采用，造成噪声耦合更加严重。

更有甚之，业界当前设计方向是要求触控面板控制器能直接感测VCOM和子像素电极，也就是内嵌式（In-Cell）触控技术，此来，触控屏幕与LCD控制器之间须进行同步化，才能在扫描触控屏幕时免除噪声干扰；现在大多数智能型手机的LCD也逐渐淘汰ACVCOM，转用更高质量的DCVCOM与AMOLED显示器，并朝向直接贴合或In-Cell发展，藉以降低制造成本与产品厚度。

LCD噪声将耦合至触控传感器

至于LCD噪声如何耦合到触控屏幕传感器，主要是其电路噪声将耦合到触控屏幕电路的两个电容。第一个电容为CLC，这个电容是在子像素与VCOM表面之间形成，其间液晶材料的作用相当于一个介电质。

就DCVCOM显示器来说，驱动子像素的AC信号耦合到VCOM层就会变成噪声，并传至整个面板。DCVCOM层看似是一个良好的AC接地端，因为以DC电压维持这个节点；但事实上则会削弱噪声，因为VCOM层是由电阻相当高的ITO制成，此处将发生第二个噪声耦合电容的情况--CSNS。

CSNS在VCOM层与电容传感器之间形成，VCOM层剩余的噪声电压会透过CSNS耦合到电容式触控屏幕传感器，并传至触控面板控制器的接脚。对ACVCOM显示器而言，由于以AC波型驱动VCOM，因此LCD噪声也会透过CSNS直接耦合到触控屏幕传感器。

量测与分析LCD噪声的方法相当简单，可用一个导电金属连结到示波器探棒，或采用一片面朝下的铜片，然后直接覆盖在显示器的表面（不要附加触控屏幕传感器）。另外也可用大铜板或一片铜带，但要注意噪声强度会随着导体尺寸缩小而降低，因此最好覆盖整个表面，藉以把示波器的耦合误差减至最小。

图3显示撷取到的ACVCOM信号波形，其中通常含有一个高强度基频，其波形接近方波。ACVCOM运作频率一般介于5k~25kHz之间，通常基频频率会对应到LCD每列像素更新（扫描线频率）的速度。

图3 ACVCOM显示器耦合噪声与时间关系图

图4则显示实际撷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形类似数个尖锐的高频脉冲，没有类似ACVCOM的高强度基频，但其谐波量可轻易冲高到50k~300kHz，短暂的脉冲对应到子像素电极驱动信号。DCVCOM噪声的特性和显示影像有高度相依性，最糟状况的影像通常是整个屏幕上以棋盘状排列的黑白交错像素（看起来接近灰色）；但是在分析DCVCOM显示器特性之前，请务必测试多种不同影像。

图4 DCVCOM显示器耦合噪声电压与时间关系图

五大招降低LCD噪声

设计者要确实降低影响触控面板控制器的显示噪声，可利用几种方法，包括削减噪声强度、避开噪声的频率、导入数字滤波器、改良触控传感器设计或加强触控屏幕与LCD面板的同步化。

一般来说，设计工程师可以用一层强固的ITO覆盖住整个显示器，此遮蔽层置放于显示器与触控面板传感器之间，直接链接电路接地端，因此显示噪声会直接传到接地端而不是触控面板控制器。遮蔽层在减少噪声方面通常效率颇高，不过，由于会增加触控面板制造成本，加上会减少面板的透光度使影像质量略受影响，因此较不受业者青睐。

相形之下，挑选适合的运作频率，让触控控制器的频率不同于LCD噪声频率则是最佳选项之一。对此种方法而言，导入能应付大量尖峰噪声的触控控制器，并且避免触控屏幕感测电路过度饱和，有助达成降噪声的目标。

此外，窄频接收器有助于配合噪声尖波（Spikes）进行调整，还能帮助在撷取到的波形产生快速傅立叶变换（FFT），以便了解应把触控屏幕运作频率设定在哪里，如图5显示DCVCOM时域波形的FFT。目前触控控制器制造商也以开发出许多自动工具，能帮助挑选理想的运作频率，其中许多工具能扫描触控屏幕运作频率，还能同时监视噪声。

图5 DCVCOM耦合噪声与频率FFT关系图

此外，数字滤波器对降低噪声亦有很大帮助。工程师有许多线性与非线性滤波器可挑选，对不同的应用各有优缺点。线性滤波器方面，传统无限脉冲响应（Infinite Impulse Response， IIR）或有限脉冲响应（Finite Impulse Response， FIR）滤波器，虽然在降低噪声方面表现不错，但在追踪屏幕上手指碰触点的速度会有点迟钝。

如今业界已针对这些滤波器进行许多改良，带来更好的手指追踪性能。其他非线性滤波器也能降低噪声，尤其针对含有高强度但不常出现的噪声尖波的脉冲噪声。另外有少数滤波器能聪明的辨识LCD噪声，并把噪声从实际信号分离出来。含有硬件滤波器的触控控制器会为产品加分不少，因能节省噪声处理的时间与功耗。

由于触控传感器对整体产品的效能而言相当重要，因此，许多新型传感器设计也纷纷朝向能降低显示噪声的研发方向迈进。其中一种热门方案就是曼哈顿（Manhattan），取这个名字是因为它的样式酷似纽约曼哈顿地区的街道，为完美的水平与垂直排列（图6）。

图6 曼哈顿触控传感器架构示意图

触控传感器包含发送器（TX）与接收器（RX），所有真正多点触控的传感器都能驱动TX，并在RX上接收信号。在曼哈顿传感器设计中，TX占位相当宽，位置在RX之下；RX则较窄，因为要消除寄生电容以及减少噪声耦合。

总而言之，曼哈顿传感器让TX传感器能削减大部分的噪声，且不会让噪声传到RX，现今业界均采用许多精密的曼哈顿衍生技术。

In-cell实现触控面板与LCD同步化

最后，触控面板与LCD之间的同步化，亦是降低显示噪声的选项之一。事实上，这绝对须仰赖In-Cell设计才能实现。触控面板控制器要进行同步化，可透过监看LCD驱动器的水平与垂直同步信号，分别名为HSYNC（Horizontal Synchronization）与VSYNC（Vertical Synchronization），进一步与LCD面板同步。

值得注意的是，在ACVCOM解决方案中，有些触控面板控制器能直接从触控屏幕传感器挑出噪声，随即开始扫描，不须藉由监看LCD驱动器的HSYNC与VSYNC信号；此种ACVCOM的同步化相当直接，因为基频强度很高且频率很低。

相形之下，DCVCOM就比较困难，因为噪声频率较高，触控面板控制器的扫描与静止期之间需要精准的时序调整。

随着手机做得愈来愈薄，触控面板控制器会暴露在更多的显示噪声下，这是因为显示器与触控屏幕传感器之间有更紧密结合的电容耦合，促使各界更专注于显示器如何运作，显示噪声究竟来自哪里，如何量测显示噪声，以及有哪些降低显示噪声的选项。

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