CN103488362B - 触控单元电路、触控面板阵列和显示面板 - Google Patents

Abstract

一种触控单元电路，包括第一晶体管（T1）、放大电路（AMP）、第二晶体管（T2）、触控电容（C_F）和自举电容（C_B）。第一晶体管（T1）在第一栅极扫描信号线（V_G ^N‑1）提供的第一栅极扫描信号的控制下通过预充电电压线（V_B）输出的预充电电压对第一节点（V_X）进行充电或放电；放大电路（AMP）将第一节点（V_X）的触控信号放大后输出到放大电路（AMP）的输出端（V_Y）；第二晶体管（T2）在第二栅极扫描信号线（V_G ^N）提供的第二栅极扫描信号的控制下将放大电路（AMP）的输出端（V_Y）的信号输出到输出节点（V_OUT）。该触控单元电路适合于集成到显示面板内部，并且结构简单、控制灵敏、响应速度快。

Description

触控单元电路、触控面板阵列和显示面板

技术领域

本申请涉及触摸屏领域，尤其涉及一种触控单元电路、触控面板阵列和显示面板。

背景技术

近年来，触摸屏技术发展迅速。由于其可以提供良好的人机交互界面，因此被广泛地应用于消费类以及工用电子产品中。对于移动电话等消费类电子产品，触摸屏的设计要求包括：响应灵敏、低噪声、易于与显示面板集成。从而，具有触控功能的显示面板仍然保持质量轻、厚度薄、显示对比度高、低功耗等特征。现有的触摸屏技术是out-cell类型的，即具有触摸控制功能的膜层是通过贴合的方式与显示面板结合在一起。采用这种方式实现触摸控制功能是以增加显示面板的厚度、牺牲显示亮度或者增加功耗以及降低成品率等为代价。近年来，in-cell型触摸屏开始受到研究者们的广泛关注。不同于out-cell技术，in-cell型触控屏在TFT面板的内部集成了触控功能模块，不再需要在外部贴合触控屏等，因此有可能减少工艺步骤，提高成品率，而且整个显示模组更加轻薄、紧凑。

但是，现在还没有适合于大规模生产、技术成熟的in-cell技术。当触控电路集成到显示面板的内部之后，手指与触控感应电极之间的距离更远，触摸动作在触控模块的输入端口引起的信号量的幅度更小。而且对于in-cell技术而言，还需要考虑显示信号对于触控模块工作的干扰等问题。此外值得一提的是，in-cell的触控电路只能由TFT等适合于面板制造的器件构成。而传统的非晶硅或者多晶硅TFT由于迁移率、均匀性等原因并不适合于in-cell触控电路的实现。而幸运的是，金属氧化物TFT因为具有迁移率高、均匀性好、制造成本低廉、稳定性好等优势，有可能成为主流的TFT技术，而逐步地取代硅基的TFT，例如非晶硅或者多晶硅TFT等。因此，金属氧化物TFT有可能促成in-cell型触控技术的实现。然而迄今为止，还很少见到基于氧化物TFT的in-cell电路。

基于氧化物TFT的电路设计仍然存在一些挑战。首先，较实用的氧化物TFT仍然是电子导电类型(N型)。虽然有研究表明，氧化亚铜，氧化锡等材料有可能制成空穴导电类型的TFT(P型)，但是这些氧化物TFT工艺与当今主流的TFT工艺难于兼容，而且空穴的迁移率还远低于电子的迁移率，因此还难于用于电路设计。总之，对于氧化物TFT的电路设计而言，也只能用到N型器件，于是不能采用现在最主流的CMOS集成电路的设计方法。其次，氧化物TFT虽然较之于a-Si TFT迁移率高出1～2个数量级，但是还是显著地小于单晶硅器件。同时，氧化物TFT的稳定性虽然比a-Si TFT明显地改善，但是还是比单晶硅器件差。由于以上这些原因，如何设计新结构的基于氧化物TFT的触控电路，使得其具有较简单的结构、响应灵敏、抗噪声能力强，仍然是一个亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种适合于集成到显示面板内部，而且结构简单、控制灵敏、响应速度快的触控单元电路、触控面板阵列和显示面板。

根据本申请的第一方面，本申请提供了一种触控单元电路，包括：

第一晶体管，其第一电极耦合到预充电电压线，预充电电压线用于提供预充电电压，第二电极耦合到第一节点，栅极耦合到第一栅极扫描信号线，第一栅极扫描信号线用于提供第一栅极扫描信号，所述第一晶体管在第一栅极扫描信号的控制下通过预充电电压对第一节点进行充电或放电。

放大电路，其包括阈值电压为负的上拉负载晶体管和阈值电压为正的下拉驱动晶体管，上拉负载晶体管的第一电极耦合到高电平端，第二电极耦合到放大电路的输出端，栅极耦合到第二电极；下拉驱动晶体管的第一电极耦合到放大电路的输出端，第二电极耦合到地电平端，栅极作为放大电路的输入端耦合到第一节点；所述放大电路用于将第一节点的触控信号放大后输出到放大电路的输出端。

第二晶体管，其第一电极耦合到放大电路的输出端，第二电极耦合到用于输出触控信号的输出节点，栅极耦合到第二栅极扫描信号线，第二栅极扫描信号线用于提供第二栅极扫描信号，所述第二晶体管在和第二栅极扫描信号的控制下将放大电路的输出端的信号输出到输出节点；所述第一栅极扫描信号的高电平先于第二栅极扫描信号的高电平到来。

触控电容，其第一端耦合到第一节点，第二端耦合到地电平端。

自举电容，其第一端耦合到第一节点，第二端耦合到第二栅极扫描信号线。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种触控面板阵列，包括：

触控阵列，所述触控阵列包括M*N个阵列排布的上述的触控单元电路，M、N为正整数。

行驱动电路，用于输出行扫描信号作为触控阵列中触控单元电路的栅极扫描信号，实现对触控单元电路的逐行寻址。

触控信号读出电路，用于并行地将触控阵列同一行上的触控单元电路的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将所述模拟触控信号转换成数字触控信号。

根据本申请的第三方面，本申请提供了一种显示面板，包括：

用于显示的TFT阵列板，其上制作有控制电压或电流的TFT阵列。

触控阵列，所述触控阵列包括M*N个阵列排布的上述的触控单元电路，M、N为正整数；所述触控阵列制作在TFT阵列板上。

触控信号读出电路，用于并行地将触控阵列同一行上的触控单元电路的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将所述模拟触控信号转换成数字触控信号。

本申请提供的触控单元电路、触控面板阵列和显示面板，该触控单元电路中的放大电路采用零栅-源电压偏置的负阈值电压晶体管作为恒流源型负载（上拉负载晶体管），用正栅-源电压偏置的正阈值电压晶体管作为跨导放大管（下拉驱动晶体管），因此其具有较大的小信号放大倍数，能够将较小的触摸信号快速地放大后输出，因此该触控单元电路适合于集成到显示面板内部。另外，本申请提供的触控单元电路、触控面板阵列和显示面板还具有结构简单、控制灵敏、响应速度快的优点。

附图说明

图1为本申请一种实施例中触控单元电路的示意图；

图2为本申请一种实施例中放大电路AMP的示意图；

图3为本申请一种具体实施例中放大电路AMP的直流分析图；

图4为本申请一种具体实施例中放大电路AMP的交流分析图；

图5为本申请一种具体实施例中放大电路AMP的幅度-频率响应曲线；

图6为本申请一种具体实施例中放大电路AMP的相位-频率响应曲线；

图7为本申请另一种具体实施例中采用的双栅TFT的结构图；

图8为本申请另一种具体实施例中放大电路AMP的示意图；

图9为本申请另一种具体实施例中放大电路AMP的示意图；

图10为本申请实施例中触控单元电路的瞬态响应的时序图；

图11本申请一种实施例中有触摸行为和没有触摸行为时，第一节点V_X上以及输出节点V_OUT上的电压变化示意图；

图12为本申请一种实施例中触控面板阵列的示意图。

具体实施方式

TFT：Thin Film Transistor，薄膜晶体管。

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本实施例中，晶体管的第一电极和第二电极可以分别是源极和漏极，也可以分别是漏极和源极，本实施例中以第一电极和第二电极分别是漏极和源极进行说明。

请参考图1，本实施例提供了一种触控单元电路，包括第一晶体管T1、放大电路AMP、第二晶体管T2、触控电容C_F和自举电容C_B。

第一晶体管T1的漏极耦合到预充电电压线V_B，预充电电压线V_B用于提供预充电电压，源极耦合到第一节点V_X，栅极耦合到第一栅极扫描信号线V_G ^N-1，第一栅极扫描信号线V_G ^N-1用于提供第一栅极扫描信号，第一晶体管T1在第一栅极扫描信号的控制下通过预充电电压对第一节点V_X进行充电或放电。在具体实例中，第一晶体管T1可以是N型晶体管也可以P型晶体管，本实施例中以第一晶体管T1为N型晶体管为例进行说明，当第一晶体管T1选择P型晶体管时，只需要将相应的第一栅极扫描信号的高低电平改变即可。

请参考图2，放大电路AMP包括阈值电压为负的上拉负载晶体管T_U和阈值电压为正的下拉驱动晶体管T_D，上拉负载晶体管T_U的漏极耦合到高电平端V_DD，源极耦合到放大电路AMP的输出端V_Y，栅极耦合到源极；下拉驱动晶体管T_D的漏极耦合到放大电路AMP的输出端V_Y，源极耦合到地电平端GND，栅极作为放大电路AMP的输入端耦合到第一节点V_X；放大电路AMP用于将第一节点V_X的触控信号放大后输出到放大电路AMP的输出端V_Y。

第二晶体管T2的漏极耦合到放大电路AMP的输出端V_Y，源极耦合到用于输出触控信号的输出节点V_OUT，栅极耦合到第二栅极扫描信号线V_G ^N，第二栅极扫描信号线V_G ^N用于提供第二栅极扫描信号，第二晶体管T2在第二栅极扫描信号的控制下将放大电路AMP的输出端V_Y的信号输出到输出节点V_OUT；第一栅极扫描信号的高电平先于第二栅极扫描信号的高电平到来。在具体实例中，第二晶体管T2可以是N型晶体管也可以P型晶体管，本实施例中以第二晶体管T2为N型晶体管为例进行说明，当第二晶体管T2选择P型晶体管时，只需要将相应的第二栅极扫描信号的高低电平改变即可。

触控电容C_F的第一端耦合到第一节点V_X，第二端耦合到地电平端GND。

自举电容C_B的第一端耦合到第一节点V_X，第二端耦合到第二栅极扫描信号线V_G ^N。

请参考图1，电容C_P为在第一节点V_X和地之间存在的寄生电容。

请参考图3，本实施例中，上拉负载晶体管T_U为耗尽型N型氧化物TFT，下拉驱动晶体管T_D为增强型N型氧化物TFT，即放大电路AMP是基于增强型-耗尽型TFT的。

此时，下拉驱动晶体管T_D作为驱动运算器件，其采用的是增强型TFT；上拉负载晶体管T_U作为电流型负载，其采用的是耗尽型TFT。由于耗尽型TFT的阈值电压为负，所以当其栅极-源极短接后，漏极接高电位的时候，仍然能够输出电流。而增强型TFT的阈值电压为正，则其必须具有正的栅极驱动电压，才能够被开启实现运算功能。

放大电路AMP的输出端V_Y耦合到下拉驱动晶体管T_D的漏极，同时也耦合到上拉负载晶体管T_U的栅极和源极。在合适的偏置条件下，即下拉驱动晶体管T_D处于饱和导通区，上拉负载晶体管T_U也处于饱和导通区时，放大电路AMP的输出端V_Y的值几乎与上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D的导通电流无关。即在直流偏置电压一定的情况下，放大电路AMP的输出端V_Y的值有可能在较大的范围内变化，从而放大电路AMP具有较大的交流放大倍数。

下面以上拉负载晶体管T_U为耗尽型N型氧化物TFT，下拉驱动晶体管T_D为增强型N型氧化物TFT的情况，对放大电路AMP进行直流分析和交流分析。

（1）直流分析：

图3为本实施例中放大电路的直流分析图，由于上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D是串联的，因此在直流稳态情况下，上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D流过的电流I_U和I_D应该相等，所以可以得到如下的关系式：

I_U=I_D

因此，进一步可得到：

$\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_I\frac{W_D}{L_D}{(V_X-V_{\mathrm{TE}})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_Y)=\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_I\frac{W_U}{L_U}{\left(V_{\mathrm{TD}}\right)}^2[1+\mathrm{\λ}(V_{\mathrm{DD}}-V_Y)]$

其中，μ是TFT的等效迁移率，C_I是TFT单位面积的栅介质层电容，W_D和L_D分别是下拉驱动晶体管T_D的有效沟道宽度和长度，W_U和L_U分别是上拉负载晶体管T_U的有效沟道宽度和长度，V_X、V_Y分别是第一节点V_X和放大电路AMP的输出端V_Y的电压，V_TD和V_TE分别是上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D的阈值电压，λ是TFT的沟道长度调制因子。

于是可以求解得到：

$V_Y=\frac{1-{\left(\frac{V_X-V_{\mathrm{TE}}}{V_{\mathrm{TD}}}\right)}^2\frac{W_D/L_D}{W_U/L_U}}{\mathrm{\λ}[1+{\left(\frac{V_X-V_{\mathrm{TE}}}{V_{\mathrm{TD}}}\right)}^2\frac{W_D/L_D}{W_U/L_U}]}$

因此，通过合理地设计W_D、L_D、W_U、L_U、V_X、V_TE、V_TD等，可以确定稳态工作时的直流工作电流/电压状态，例如：输出电压V_Y的直流偏置值和直流导通电流。

（2）交流分析（小信号分析）

请参考图4，为基于增强型-耗尽型TFT的信号放大图的小信号的等效电路图。其中，上拉负载晶体管T_U近似为一个恒流源负载，其小信号等效电路是一端耦合到交流地的电阻r_U；而下拉驱动管可以等效为一个压控电流源i_d和一个一个耦合到交流地的电阻r_D。因此，当外加交流信号V_X发生变化时，会感应出一个小电流信号i_d，进而在输出端V_Y处产生一个交流电压信号。该交流电压信号将正比于电流I_D以及输出端子上的等效电阻。

可以计算得到：

$g_m=\frac{{\∂I}_D}{{\∂V}_G}=\sqrt{2\mathrm{\μ}{C}_I{W}_D/L_D{I}_D}$

$A_{\mathrm{dc}}=\frac{v_Y}{v_X}=g_m{r}_{\mathrm{OUT}}=g_m\frac{r_U{r}_D}{r_U+r_D}\≈\frac{\mathrm{gm}}{{2\mathrm{\λI}}_D}=\frac{\sqrt{2{\mathrm{\μC}}_I{W}_D/L_D}}{2\mathrm{\λ}\sqrt{I_D}}$

其中，g_m、I_D、V_G、A_dc分别为下拉驱动晶体管T_D的小信号跨导值、大信号电流值、栅极电压值和交流小信号放大倍数。r_OUT表示放大电路输出端的小信号等效电阻。上式表明，放大倍数正比于g_m，同时也正比于r_OUT。传统的放大电路结构中，一般采用二极管连接的TFT作为有源负载，于是r_U约等于1/g_m，从而输出电阻约等于1/g_m。于是传统的TFT放大电路放大倍数约为1，提高的空间受到极大的限制。而采用本申请实施例中的放大电路，以零栅-源偏置的负阈值TFT作为恒流源型的负载，r_U被提高与r_D几乎相同数值。由于r_D>>1/g_m，于是放大电路的放大倍数被显著地提升。

所以从以上分析可以知道，可能通过合理的设计，使得放大电路AMP具有较大的增益。尤其是在所制作的TFT的沟道长度调制效应较弱，即沟长调制因子λ较小时，放大电路AMP的增益将反比例地增加。因此，在器件设计中，可以探索影响氧化物TFT沟长调制效应的因素，减少沟长调制因子λ，从而增加信号放大电路AMP的增益。

请参考图5，为基于增强型-耗尽型TFT的放大电路的AC响应中，放大电路的幅度-频率响应。请参考图6，为放大电路的相位-频率响应。

图5、6说明，基于增强型-耗尽型TFT的放大电路AMP的交流信号增益大于20dB，即输出信号幅度与输入信号的幅度之比大于10倍；同时，放大电路AMP的单位增益带宽大于1MHz，而且相位裕度大于70度。

因此，本实施例提供的放大电路AMP，有望对触控信号实现大幅度的信号放大，而且该信号放大稳定可靠，没有高频率的振荡信号串入。基于增强型-耗尽型TFT的放大电路AMP的引进还可以带来下面几点好处：

1、对触控信号的感知更灵敏，对小幅度的触控信号也能够感应得到较大的输出信号。于是触控电极的面积可能做的较小，从而减少对有效显示面积的占用，提高显示面板的开口率。

2、受到显示面板信号的干扰更小。由于触控信号被独立地放大并读出，独立于显示面板的驱动，于是显示驱动信号与触控信号之间的串扰极大地减少。这对于提高显示效果，以及提高触控效果都有利。

3、该放大电路仅由两个TFT构成，结构简单，不需要占用太多的面板面积。

4、该放大电路全部由N型氧化物TFT构成，不需要借助于P型TFT或者采用复杂的控制时序以及自举电路等措施，具有较好的可实施性，适合于大面积制作。

5、该放大电路的交流增益等对于工艺参数的分散性具有一定的容忍度，即使有一定的阈值电压失配，电路的小信号放大倍数仍然较高，电路的输出特性仍然较好。

对于增强型TFT或者耗尽型TFT的阈值电压要求不同，而对于氧化物TFT而言，要实现阈值电压的调节，方法有很多，例如：有源层的等离子体处理，双有源层，调整有源层的厚度等等。但是如果采用单/双有源层TFT，有源层的等离子体处理，或者有源层厚度的调整等方式来实现上述放大电路，可能存在其他的问题，比如：经过等离子体处理的有源层中缺陷态增多、器件的稳定性变差等，而通过调整有源层厚度来控制阈值电压，则可能给工艺带来较大的挑战，器件甚至电路的一致性将变差等。然而，双栅TFT不仅有可能实现阈值电压的灵活、可控，而且还能够避免上述工艺或者器件方面的困难。

请参考图7，为一种双栅TFT的结构图，其中，801为底栅BG，802为有源层，803为钝化层，804为顶栅TG，805为接触孔。对于双栅TFT，除开正常的底栅801之外，还存在一个顶栅804。在双栅TFT工作过程中，可以用底栅801作为信号控制极，顶栅804作为阈值电压控制极；或者反之，用顶栅804作为信号控制极，底栅801作为阈值电压控制极。本实施例中采用前一种情况为例进行说明：当顶栅804加正电压时，沟道中感应出较多的载流子，沟道区域的导电性较强，从而对于底栅801控制的TFT而言，其阈值电压为负值；反之，当顶栅804施加负电压时，沟道中载流子被耗尽，沟道区域的导电性减弱，从而双栅TFT的阈值电压为正值。于是，对于上述实施例中的放大电路AMP，作为下拉驱动晶体管T_D的增强型TFT，可以通过在双栅TFT的顶栅上施加负的栅极电压实现，作为上拉负载晶体管T_U的耗尽型TFT，可以通过在双栅TFT的顶栅上施加正的栅极电压实现。

因此，请参考图8，在另一具体实施例中，放大电路AMP的上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D都为双栅TFT，上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D的栅极包括主栅极和控制栅极，上拉负载晶体管T_U的主栅极耦合到其源极，控制栅极耦合到正栅极控制电压源T_GD；下拉驱动晶体管T_D的主栅极耦合到第一节点V_X，控制栅极耦合到负栅极控制电压源T_GE。

本具体实施例中，上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D可以采用相同的工艺制成，具有完全相同的特性。在电路中，其区别在于，上拉负载晶体管T_U的控制栅极耦合到正栅极控制电压源T_GD；下拉驱动晶体管T_D的控制栅极耦合到负栅极控制电压源T_GE。于是上拉负载晶体管T_U的阈值电压为负，下拉驱动晶体管T_D的阈值电压为正。因此，本实施例中基于双栅TFT的放大电路AMP与上述放大电路AMP具有完全相同的特征。

然而上述具体实施例中基于双栅TFT的放大电路AMP也具有一定的缺点。该放大电路AMP需要独立地引出主栅极和控制栅极，并且还需要增加额外的电压源来给控制栅极供电，这些都将要增加电路的面积开销。此外，其上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D实际上需要有动态的阈值电压。以下拉驱动晶体管T_D为例，在放大电路AMP的输出端V_Y从高电平下拉到低电平时，需要下拉驱动晶体管T_D充分地开启；而在放大电路AMP的输出端V_Y从低电平变化到高电平时，需要下拉驱动晶体管T_D完全地关断。因此，下拉驱动晶体管T_D的最佳阈值电压是：在输入电压增大，输出电压减小时，V_TE较小；反之，在输入电压减小，输出电压增大时，V_TE较大。对于最佳的上拉负载晶体管T_U的阈值电压也希望是动态可调的。

因此，为了实现以上所描述的动态阈值电压，可以引入正反馈机制。请参考图9，在另一具体实施例中，放大电路AMP的上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D都为双栅TFT，上拉负载晶体管T_U和下拉驱动晶体管T_D的栅极包括主栅极和控制栅极，上拉负载晶体管T_U的主栅极和控制栅极都耦合到其源极；下拉驱动晶体管T_D的主栅极和控制栅极都耦合到第一节点V_X。

图9为引入正反馈机制以后的基于双栅TFT的放大电路AMP的结构图。对于上拉负载晶体管T_U，其控制栅极耦合到其源极，因此在输出电压减小时，其阈值电压较大，而在输出电压增大时，其阈值电压较小。对于下拉驱动晶体管T_D，其控制栅极耦合到第一节点V_X，于是在输入电压增大时，其阈值电压较小，在输入电压减小时，其阈值电压较大。因此本实施例提供的具有正反馈机制的放大电路AMP具有期望的动态阈值电压，从而具备更好的输出特性和更大的交流放大倍数。

请参考图10，为本实施例中触控单元电路的瞬态响应的时序图。请参考图11，为本实施例中触控单元电路有触控动作和无触控动作时第一节点V_X和放大电路AMP的输出端V_Y的瞬态响应。下面结合图1、图10和图11来说明本实施例提供的触控单元电路的工作原理。

本实施例提供的触控单元电路的工作分为以下两个阶段：（1）置位阶段；（2）触控放大阶段。

（1）置位阶段：

置位阶段是将第一节点V_X预充电到一个固定电位，放大电路AMP将要被开启的阶段。在置位阶段，第一栅极扫描信号是高电平，第二栅极扫描信号是低电平，因此，第一晶体管T1的栅极由于耦合到第一栅极扫描信号线V_G ^N-1而被打开，第二晶体管T2的栅极由于耦合到第二栅极扫描信号线V_G ^N而处于关断状态。于是，第一节点V_X被耦合到预充电电压线V_B，第一节点V_X的电压被逐步增加或者缩小，直到几乎等于预充电电压的值。由于第一节点V_X耦合到触控电容C_F、寄生电容C_P和自举电容C_B，因此，第一节点V_X的充电/放电并不是瞬间完成，而是在RC延迟下而需要一定的时间。

在置位阶段，由于第一节点V_X被充电/放电到预充电电压，于是放大电路AMP的输入端（第一节点V_X）的电压接近于预充电电压。预充电电压被设计的略小于放大电路AMP的下拉驱动晶体管T_D的静态工作电压，从而放大电路AMP处于预开启状态。

由于第二晶体管T2处于关断状态，因此放大电路AMP和输出节点V_OUT之间是隔离开的。因此，输出节点V_OUT的值不会受到放大电路AMP或者第一节点V_X变化的影响。即在置位阶段，触控单元电路还没有给输出节点V_OUT提供驱动电压，但是已经给第一节点V_X和放大电路AMP提供了合适的电压状态。

（2）触控放大阶段：

在触控放大阶段，第一节点V_X将根据是否发生触摸事件而响应自举电容C_B，进而放大电路AMP将放大第一节点V_X的电压变化量，并在输出节点V_OUT上产生一个较大的信号电压（触控信号），并且输出到外部电路中。

在触控放大阶段，第一栅极扫描信号是低电平，第二栅极扫描信号将变成高电平，于是第一晶体管T1处于关断状态，第二晶体管T2被开启。由于第二栅极扫描信号是从低电平电压跳变成高电平电压，所以根据电容守恒，第二栅极扫描信号的电压变化量将通过自举电容C_B耦合到第一节点V_X。假定第一节点V_X的电压变化量是ΔV_X，则ΔV_X的值与自举电容C_B、触控电容C_F、寄生电容C_P之间的比例相关。该关系式可以表达如下：

${\mathrm{\ΔV}}_X=\frac{C_B}{C_B+C_F\left(t\right)+C_P}{{\mathrm{\ΔV}}_G}^N$

当没有发生触摸行为时，触控电容C_F约等于0；当发生了触摸行为时，触控电容C_F的值增大。对于这两种情况，ΔV_X的值将不一样。定量的表达如下：

当发生了触摸行为时，

${\mathrm{\ΔV}}_{X1}=\frac{C_B}{C_B+C_F+C_P}{{\mathrm{\ΔV}}_G}^N$

当没有发生触摸行为时，

${\mathrm{\ΔV}}_{X2}=\frac{C_B}{C_B+C_P}{{\mathrm{\ΔV}}_G}^N$

所以ΔV_X1<ΔV_X2，该电压差将通过放大电路AMP放大，并由输出节点V_OUT输出，最终在外部电路（触控信号读出电路）里读出。

放大电路AMP可以采用上述具体实施例中的的任何一种电路结构。由于放大电路AMP的交流增益比较大，因此，放大电路AMP将感应第一节点V_X的电压差ΔV_X，并在放大电路AMP的输出端V_Y生成一个变化幅度更大的触控信号。由于第二晶体管T2在该阶段也是处于开启的，于是放大电路AMP输出的放大后的触控信号将通过第二晶体管T2耦合到外部电路。

图11中比较了在有触摸行为和没有触摸行为时，第一节点V_X上以及输出节点V_OUT上的电压变化。其中图11的上图是第一节点V_X上的电压比较，当存在触摸动作时，ΔV_X约为2.1V；当不存在触摸动作时，ΔV_X约为2.4V。于是触摸动作在第一节点V_X上感应的电压差约为0.3～0.5V。图11的下图是输出节点V_OUT上的电压变化的比较。显然，由于放大电路AMP的作用，输出端V_Y上的电压差值将被放大到约为8V。因此，在触控面板阵列之内，就将得到一个由微小的触控信号而产生的幅度较大的输出电压，这有利于减少外围信号处理电路的负担，降低触控面板阵列内部的噪声。

请参考图12，基于上述的触控单元电路，本实施例还提供了一种触控面板阵列，包括触控阵列10、行驱动电路20和触控信号读出电路30。

触控阵列10包括M*N个阵列排布的上述任一种触控单元电路U1，M、N为正整数。行驱动电路20用于输出行扫描信号作为触控阵列10中触控单元电路U1的栅极扫描信号，实现对触控单元电路U1的逐行寻址。触控信号读出电路30用于并行地将触控阵列10同一行上的触控单元电路U1的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将模拟触控信号转换成数字触控信号。

触控面板阵列上所有的触控单元电路U1需要在一定的时间内扫描并且读出完毕，例如，以60Hz的帧频为例，在约16.6ms内，要对所有的M*N个触控单元电路实现寻址和触控信号的读出。

相应的，本实施例还提供了一种显示面板，包括用于显示的TFT阵列板，其上制作有控制电压或电流的TFT阵列；触控阵列10，触控阵列10包括M*N个阵列排布的上述任一种触控单元电路U1，M、N为正整数；触控阵列10制作在TFT阵列板上；触控信号读出电路30，用于并行地将触控阵列10同一行上的触控单元电路U1的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将模拟触控信号转换成数字触控信号。TFT阵列可以用于驱动TFT-LCD或者TFT-OLED，前者是电压型，后者是电流型；在具体实施例中，TFT可以用于作为开关，也可以用于模拟信号调制。

在一具体实施例中，由于触控阵列是制作在用于显示的TFT阵列板上的，触控阵列中的每一个触控单元电路可以对应一个或多个显示像素，同时，触控单元电路所需要的第一栅极扫描信号和第二栅极扫描信号可以取自于显示面板的栅极驱动电路输出的栅极扫描信号。

本申请实施例提供的触控单元电路可以单独地集成为一触控面板，也可以与显示面板一起集成为一触控显示面板。

本申请提供的触控单元电路、触控面板阵列和显示面板，该触控单元电路中的放大电路采用零栅-源电压偏置的负阈值电压晶体管作为恒流源型负载（上拉负载晶体管），用正栅-源电压偏置的正阈值电压晶体管作为跨导放大管（下拉驱动晶体管），因此其具有较大的小信号放大倍数，能够将较小的触摸信号快速地放大后输出，因此该触控单元电路适合于集成到显示面板内部。另外，本申请提供的触控单元电路、触控面板阵列和显示面板还具有结构简单、控制灵敏、响应速度快的优点。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (7)

1.一种触控单元电路，其特征在于，包括：

第一晶体管（T1），其第一电极耦合到预充电电压线（V_B），预充电电压线（V_B）用于提供预充电电压，第二电极耦合到第一节点（V_X），栅极耦合到第一栅极扫描信号线（V_G ^N-1），第一栅极扫描信号线（V_G ^N-1）用于提供第一栅极扫描信号，所述第一晶体管（T1）在第一栅极扫描信号的控制下通过预充电电压对第一节点（V_X）进行充电或放电；

放大电路（AMP），其包括阈值电压为负的上拉负载晶体管（T_U）和阈值电压为正的下拉驱动晶体管（T_D），上拉负载晶体管（T_U）的第一电极耦合到高电平端（V_DD），第二电极耦合到放大电路（AMP）的输出端（V_Y），栅极耦合到第二电极；下拉驱动晶体管（T_D）的第一电极耦合到放大电路（AMP）的输出端（V_Y），第二电极耦合到地电平端（GND），栅极作为放大电路（AMP）的输入端耦合到第一节点（V_X）；所述放大电路（AMP）用于将第一节点（V_X）的触控信号放大后输出到放大电路（AMP）的输出端（V_Y）；

第二晶体管（T2），其第一电极耦合到放大电路（AMP）的输出端（V_Y），第二电极耦合到用于输出触控信号的输出节点（V_OUT），栅极耦合到第二栅极扫描信号线（V_G ^N），第二栅极扫描信号线（V_G ^N）用于提供第二栅极扫描信号，所述第二晶体管（T2）在第二栅极扫描信号的控制下将放大电路（AMP）的输出端（V_Y）的信号输出到输出节点（V_OUT）；所述第一栅极扫描信号的高电平先于第二栅极扫描信号的高电平到来；

触控电容（C_F），其第一端耦合到第一节点（V_X），第二端耦合到地电平端（GND）；

自举电容（C_B），其第一端耦合到第一节点（V_X），第二端耦合到第二栅极扫描信号线（V_G ^N）。

2.如权利要求1所述的触控单元电路，其特征在于，所述上拉负载晶体管（T_U）为耗尽型N型氧化物TFT，所述下拉驱动晶体管（T_D）为增强型N型氧化物TFT。

3.如权利要求2所述的触控单元电路，其特征在于，所述上拉负载晶体管（T_U）和下拉驱动晶体管（T_D）都为双栅TFT，所述上拉负载晶体管（T_U）和下拉驱动晶体管（T_D）的栅极包括主栅极和控制栅极，上拉负载晶体管（T_U）的主栅极耦合到其第二电极，控制栅极耦合到正栅极控制电压源（T_GD）；下拉驱动晶体管（T_D）的主栅极耦合到第一节点（V_X），控制栅极耦合到负栅极控制电压源（T_GE）。

4.如权利要求2所述的触控单元电路，其特征在于，所述上拉负载晶体管（T_U）和下拉驱动晶体管（T_D）都为双栅TFT，所述上拉负载晶体管（T_U）和下拉驱动晶体管（T_D）的栅极包括主栅极和控制栅极，上拉负载晶体管（T_U）的主栅极和控制栅极都耦合到其第二电极；下拉驱动晶体管（T_D）的主栅极和控制栅极都耦合到第一节点（V_X）。

5.一种触控面板阵列，其特征在于，包括：

触控阵列（10），所述触控阵列（10）包括M*N个阵列排布的如权利要求1-4任一项所述的触控单元电路（U1），M、N为正整数；

行驱动电路（20），用于输出行扫描信号作为触控阵列（10）中触控单元电路（U1）的栅极扫描信号，实现对触控单元电路（U1）的逐行寻址；

触控信号读出电路（30），用于并行地将触控阵列（10）同一行上的触控单元电路（U1）的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将所述模拟触控信号转换成数字触控信号。

6.一种显示面板，其特征在于，包括：

用于显示的TFT阵列板，其上制作有控制电压或者电流的TFT阵列；

触控阵列（10），所述触控阵列（10）包括M*N个阵列排布的如权利要求1-4任一项所述的触控单元电路（U1），M、N为正整数；所述触控阵列（10）制作在TFT阵列板上；

触控信号读出电路（30），用于并行地将触控阵列（10）同一行上的触控单元电路（U1）的输出节点输出的模拟触控信号读出，并将所述模拟触控信号转换成数字触控信号。

7.如权利要求6所述的显示面板，其特征在于，第一栅极扫描信号和第二栅极扫描信号取自于显示面板的栅极驱动电路输出的栅极扫描信号。