KR101262837B1 - 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스 - Google Patents

정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 터치를 검출하기 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프에 의해 터치 패널 정전용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수 있다. 따라서 간단한 회로 구성으로 빠른 검출 효과를 얻을 수 있고, 집적화가 용이하기 때문에 칩 상에 구현하여 대형 터치 패널에 적용할 수가 있다.

Description

정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스{On-chip touch sensor interface using charge pump based capacitance-to-voltage converter}
본 발명은 터치 센서 인터페이스에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 터치를 검출하기 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프에 의해 터치 패널 정전용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수 있는 차지 펌프 기반 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스에 관한 것이다.
다양한 전자기기에서 화면의 출력과 함께 사용자의 명령을 입력받을 수 있는 수단으로, 터치 스크린과 같은 터치 패널의 사용이 증가하고 있으며, 멀티미디어 기술의 발전과 함께 꾸준히 성장하고 있다.
터치 패널 상에서 터치가 이루어진 위치를 검출하는 방식은, 저항막 방식, 적외선 방식, 커패시티브 방식 등 여러 가지가 있다. 초창기에는 낮은 비용으로 구현할 수 있는 저항막 방식 터치스크린이 널리 사용되었으며, 근래에는 정전용량의 변화를 검출하는 커패시티브 방식(정전용량식)이 정확도가 높아 사용량이 늘고 있다.
기본적으로 커패시티브 방식(정전용량식)에서는 터치 패널 정전용량의 변화를 검출하는 터치 센서 회로를 필요로 하고 있다.
기존의 커패시티브 방식에서 터치 센서 회로는 전하 이송(charge transfer), 이장 발진(relaxation oscillator), 직렬 용량 분압 비교 방식 등의 검출 방식을 사용하였다.
하지만 전하 이송 방식은 오프칩 커패시터와 저항을 필요로 하기 때문에, 집적화가 어려워 칩 상에 구현하는 것이 어렵다.
이장 발진 방식에서는 터치 패널 정전용량을 주파수 도메인으로 변환하여 변화를 검출하기 때문에 터치 센서 회로를 집적화 하는 것이 상대적으로 쉽다. 하지만 각 구성소자들의 미스매치로 인해 정확성이 떨어지고, 카운터와 같은 추가적인 디지털 로직이 필요하여 전력 소모와 검출 회로의 면적이 증가한다.
직렬 용량 분압 비교 방식은 전하 이송 방식의 개념을 이용한 것이다. 도10에 도시된 바와 같이 기존의 직렬 용량 분압 비교 방식의 터치 센서 회로는 저항, 충전 커패시터 CCH 및 레퍼런스 커패시터 CREF를 포함하며, 구조상의 특징은 레퍼런스 커패시터 CREF와 터치 패널 커패시터 CP가 직렬로 되어 있다는 것이다. 이러한 직렬 용량의 스위칭에 의해 충전 커패시터 CCH를 충전하고 전압이 일정값 이하로 될 때까지의 시간을 측정하는 것이 직렬 용량 분압 비교 방식의 개념이다.
이를 조금 더 살펴보면, 우선 스위치 SW1을 on, SW2와 SW3는 off 하면 VR에 의해 충전 커패시터 CCH가 충전된다. 이때 CCH, CREF 및 CP는 직렬로 연결된다. CREF와 터치가 없을 때 CP의 값이 같고, CCH가 CREF 및 CP보다 매우 크다고 가정한다면(CCH=0.1uF, CREF=CP=10pF), 노드 VX과 VR은 같은 값이라 볼 수 있고, 이에 따라 VA = [CREF/(CP+CREF)]×VR 이라 할 수 있다. 여기서 VA는 터치 여부에 따라 정전용량이 바뀌는 CREF의 값에 따라 달라진다.
이후 SW1은 off, SW2와 SW3는 on 하여 레퍼런스 커패시터 CREF와 터치 패널 커패시터 CP를 방전시킨다. 여기서 CREF와 CP는 용량이 작기 때문에 짧은 시간에 완전 방전된다. 이때, 저항을 통해 충전 커패시터 CCH도 일부 방전되므로 SW2와 SW3의 on 기간은 극히 단시간에 머물게 한다.
이후 SW2와 SW3를 모두 off 시키면, CCH, CREF 및 CP가 직렬 연결되어 충전 커패시터 CCH에 충전된 전하가 레퍼런스 커패시터 CREF 및 터치 패널 커패시터 CP로 이동하여 충전 커패시터 CCH가 방전된다.
이러한 동작을 반복하면 충전 커패시터 CCH의 전압이 저하되고, 따라서 비교기의 입력 전압 VA도 저하된다. 즉, 비교기를 통해 입력 전압 VA가 임계 전압 VTH보다 작아질 때까지의 시간을 측정하면 터치 여부를 판정할 수가 있게 된다. 만약 터치가 없으면(CP=10pF) VA>VTH가 되어 비교기의 출력은 High가 되고, 터치가 있다면(CP=20pF) VA<VTH가 되어 비교기의 출력은 low가 된다.
그러나 이러한 직렬 용량 분압 비교 방식을 구현하기 위해서는, 분배될 전하를 충전 시켜 놓을 대용량의 충전 커패시터 CCH(대략 0.1uF)가 반드시 필요하다. 따라서 회로의 면적이 커지고, 결정적으로 집적화가 불가능하여 칩 상에 구현하는 것이 불가능하고, 대형 터치 패널에 적용할 수가 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 터치를 검출하기 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프에 의해 터치 패널 정전용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수 있도록 하는 차지 펌프 기반 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스는, 터치 여부에 따라 정전용량이 변화하는 터치 패널 커패시터(CP)와 연결되어, 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 정전용량에 따라 달라지는 전압 파형(VX)을 출력하는 차지 펌프; 상기 차지 펌프에서 출력되는 전압(VX)을 임계 전압(VTH)의 크기와 비교하고, 비교 결과에 따라 서로 다른 레벨의 전압(VO)을 출력하는 비교기; 상기 비교기의 출력에 대응하여 2진 신호(High 또는 Low)를 출력함으로써, 터치 여부를 검출하는 검출 로직;을 포함하되, 상기 차지 펌프는, 기준 전압(VR)에 의해 프리차징되는 충전 커패시터(C); 및 클럭에 의해 동작되어 상기 충전 커패시터(C)에 프리차징된 전하를 상기 터치 패널 커패시터(CP)에 분배하도록 하고, 상기 충전 커패시터(C)와 상기 터치 패널 커패시터(CP)를 연결하는 노드의 전압(VX)을 상기 비교기 측으로 입력하도록 하는 스위치들;을 포함하며, 터치 여부에 따라 가변되는 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 정전용량에 따라 상기 충전 커패시터(C)에 프리차징된 전하의 분배 정도가 달라짐으로써, 서로 다른 레벨의 전압 파형(VX)을 상기 비교기 측으로 출력한다.
여기서, 상기 차지 펌프의 상기 스위치들은, 제1클럭 신호(CK)일 때, 상기 충전 커패시터(C)의 상판을 기준 전압(VR)과 연결하는 스위치(S4)와, 상기 충전 커패시터(C)의 하판을 접지시키는 스위치(S6)와, 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 접지시키는 스위치(S1); 및 제2클럭 신호(CKB)일 때, 상기 충전 커패시터(C)의 하판을 기준 전압(VR)과 연결하는 스위치(S5)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 연결하는 스위치(S2)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판이 연결되는 노드의 전압(VX)을 상기 비교기 측으로 연결하는 스위치(S3);로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 기준 전압(VR)을 연결하는 스위치(S4)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 연결하는 스위치(S2)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판이 연결된 노드의 전압(VX)를 비교기 측과 연결하는 스위치(S3)는 전하의 이송이 원활하도록 CMOS 스위치로 구현될 수 있다.
본 발명에 따르는 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 터치 검출을 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프에 의해 터치 패널 정전용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수가 있다.
또한, 정전류 소모가 전혀 없는 자기-바이어스 비교기를 사용함으로써 전력 소모를 줄일 수가 있고, 간단한 회로, 저전력 소모, 빠른 검출 시간을 갖기 때문에 칩 상에 집적화 하여 완벽한 온칩 정전용량 터치 센서 인터페이스 회로를 구현할 수가 있다.
즉, 카운터와 같은 추가 구성이 필요 없고 정전용량을 주파수 도메인 또는 타임 도메인으로 변환할 필요가 없기 때문에 회로 구성이 간단하고 검출 시간이 빠른 것이며, 기존의 직렬 용량 분압 비교 방식에서 반드시 필요했던 대용량의 충전 커패시터(대략 0.1uF)가, 본원에서는 필요하지 않기 때문에 칩 상에 집적화 하는 것이 가능하다. 따라서 대형 터치 패널에 적용되는 터치 센서 인터페이스로서 최적이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면.
도2는 도1에 도시된 터치 센서 인터페이스에서 차지 펌프의 회로 구성을 설명하기 위한 도면.
도3은 도2에 도시된 차지 펌프의 구동 위상에 따른 등가 회로를 도시한 도면.
도4는 도1에 도시된 터치 센서 인터페이스에서 비교기 회로 구성을 설명하기 위한 도면.
도5는 도1에 도시된 터치 센서 인터페이스에서 검출 로직의 회로 구성을 설명하기 위한 도면.
도6은 도1에 도시된 터치 센서 인터페이스에서 차지 펌프, 비교기 및 검출 로직을 컨트롤 하기 위한 클럭을 생성하는 클럭 생성기의 회로도와 클럭 파형의 예시를 설명하기 위한 도면.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 코어 레이아웃을 설명하기 위한 도면.
도8 및 도9는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면.
도10은 종래의 직렬 용량 분압 비교 방식을 이용한 터치 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스(touch sensor interface, 이하 '터치 센서 인터페이스'라 함)를 설명하기 위한 도면이다. 도1의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스는 스위치드 커패시터 차지 펌프(Switched-capacitor charge pump, 이하 '차지 펌프'라 함)(10), 비교기(comparator)(20) 및 검출 로직(detection logic)(30)을 포함한다.
차지 펌프(10)는 터치 패널에 구비된 터치 패널 커패시터의 정전용량 CP를 전압 레벨로 변환하여 비교기(20) 측으로 출력한다. 여기서 터치 패널 커패시터는 터치 여부에 따라 정전용량이 가변되는 가변 커패시터가 사용되는데, 정전용량 CP의 변화에 따라 차지 펌프(10)에서 출력되는 전압 레벨도 서로 다르다. 즉, 도1의 (b)를 참조하면, 터치가 없을 때와 있을 때, 차지 펌프(10)에서 출력되는 전압 파형(VX)의 진폭이 다르다.
일반적으로 정전용량 방식을 사용하는 터치 패널에서는 터치가 없을 경우에는 정전용량 CP가 10pF, 터치가 있을 경우에는 정전용량 CP가 20pF인 가변 커패시터가 터치 패널 커패시터로 사용된다.
터치 패널 커패시터 CP의 일단은 차지 펌프(10)와 연결되고 나머지 일단은 접지되어 있다. 실제적으로 터치 패널을 통해 터치되는 위치에 따른 정전용량 변화를 검출해야 하기 때문에 터치 패널 커패시터는 복수개가 구비되고, 이에 따른 추가적인 회로가 요구된다. 하지만 본 발명은 터치 여부에 따른 정전용량 CP의 변화를 전압 레벨로 변환 출력함으로써 터치 여부를 판단할 수 있는 회로 구현에 특징이 있는 것이기 때문에, 복수의 터치 패널 커패시터의 동작을 위한 회로에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
비교기(20)와 검출 로직(30)은 차지 펌프(10)에서 변환되어 출력되는 전압 VX를 기 설정된 임계 전압 VTH와 비교하고, 터치 패널에서의 터치 여부에 따라 2진 신호를 출력한다.
도1의 (b)를 통해 확인할 수 있듯이, 검출 로직(30)에서 최종적으로 출력되는 신호는, 터치 패널에서 터치가 없을 시에는 High이고, 터치가 있을 때에는 Low가 될 것이다.
이하에서는 도2 내지 도5를 통해 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 각 구성인 차지 펌프(10), 비교기(20) 및 검출 로직(30)의 회로 구성과 작동을 설명하도록 한다.
먼저 도2는 차지 펌프(10)의 회로 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도3은 2개의 구동 위상에 따른 차지 펌프(10)의 동작, 즉 등가 회로를 나타낸 것이다.
차지 펌프(10)는 도2에 도시된 바와 같이 여섯 개의 스위치(S1,S2,S3,S4,S5,S6)와 충전 커패시터 C를 포함한다.
여기서 VX 노드와 연결된 스위치 S2, S3, S4는 VX 노드의 전압 레벨 변화가 크기 때문에 원활한 전하의 이송을 위해 CMOS 스위치로 구현된다. 반면 스위치 S1, S6, S5는 커패시터들의 일단을 접지시키거나 기준 전압(3.3V)에 연결하기 때문에 NMOS 또는 PMOS 스위치로 구현된다.
각 스위치(S1 내지 S6)의 폭은 저항이 대략 50Ω이 되도록 설정된다. 또한 모든 스위치(S1 내지 S6)는 기생 커패시턴스와 채널 전하 주입(channel charge injection)을 최소화하기 위해 최소 길이 트랜지스터를 사용하였다.
또, CMOS 스위치 S3는 충전 커패시터 C의 하판(bottom plate)이 기준 전압 VR에 연결될 때, 비교기(20)의 입력 노드와 차지 펌프(10)의 연결을 해제한다(즉, S5가 on일 때, S3는 off). 이는 충전 커패시터 C의 상판(top plate)의 노드 VX가 비교기(20)의 입력 노드와 연결되면 비교기(20) 입력의 기생 커패시턴스로 전하가 누설될 수 있는데, 이를 예방하기 위한 것이다.
차지 펌프(10)는 클럭 CK와 상보 클럭(complimentary clock) CKB에 의해 작동한다. CK가 논리 High 이면(S1, S4, S6는 on / S2, S3, S5는 off), 도3의 (a)에 도시된 등가 회로가 되어, C의 상판은 VR과 연결되고 하판은 접지되어 C는 VR로 프리차징 된다. 또한 CP의 하판과 상판은 모두 접지되어 CP는 방전된다.
반면, CKB가 논리 High 이면(S2, S3, S5는 on / S1, S4, S6는 off), 도3의 (b)에 도시된 등가 회로가 되어, C의 하판은 VR과 연결되고 상판은 터치 패널 커패시터 CP와 연결된다. 동시에 C의 상판과 CP의 상판을 연결하는 노드 VX는 S3의 연결에 의해 비교기(20)의 입력 단자와 연결된다. 따라서 이 기간 동안에 차지 펌프(10)의 출력이 비교기(20)에 입력되는 것이다.
다시 도3을 참조하면, 도3의 (a)에서와 같이 제1위상(CK=high일 때) 동안, C는 기준 전압 VR로 프리차징되고 CP는 방전된다. 반면 도3의 (b)에서와 같이 제2위상(CKB=high일 때) 동안, CP는 C의 상판과 연결되고, C의 하판은 VR과 연결된다. 결과적으로 전하(charge)는 CP와 C에 공유될 것이고, 노드 전압 VX가 비교기(20)에 입력되어 임계 전압 VTH와 비교될 것이다.
노드 전압 VX는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011039469748-pat00001
수학식 1에서 충전 커패시터의 정전용량 C와 기준 전압 VR은 고정된 값이기 때문에, VX는 터치 패널 커패시터의 정전용량 CP에 따라 다른 값을 갖게 된다. 즉 터치 패널에서 터치가 있느냐 없느냐에 따라 터치 패널 커패시터의 정전용량 CP의 값이 바뀌면서 VX의 값도 바뀌는 것이다.
이러한 변수를 감안한 출력 레벨 V'X는 수학식 2와 같이 나타낼 수가 있다.
Figure 112011039469748-pat00002
수학식 2에서 ΔCP는 터치 패널 커패시터의 정전용량 변화 값이다. 일반적으로 터치 패널 커패시터의 정전용량은 터치가 없을 경우 10pF, 터치가 있을 경우 20pF이기 때문에, 터치가 있을 경우의 정전용량 변화 값인 ΔCP는 대략 10pF이다.
본 실시예에서 C는 4.4pF으로 설정되고, 기준 전압 VR은 3.3V라고 가정한다. 이 경우 수학식 1 및 수학식 2에 의해 VX는 대략 2.0V(터치가 없을 경우), V'X는 대략 1.2V(터치가 있을 경우)가 된다. 따라서 중간 전압인 1.65V를 비교기(20)의 임계 전압 VTH로 사용할 수가 있다.
그러나 프로세스의 변동과 기생 효과 때문에 CP와 C 사이에는 최대 20%의 미스매치가 발생할 수 있다. 이를 고려한다면 VX와 V'X의 값은 표1과 같이 정리할 수가 있다.
Figure 112011039469748-pat00003
표1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, CP와 C의 미스매치에 의해 차지 펌프(10)의 출력 레벨이 올라가거나 내려갈 수가 있다. 그러나 미스매치가 최대 20%라 할지라도 VX(최소 1.8V)와 VTH(1.65V) 사이, 또는 V'X(최대 1.4V)와 VTH(1.65V) 사이에는 0.15V 이상의 여유가 있다.
한편, 작은 사이즈의 C를 사용하면 터치센서 인터페이스의 전체 면적을 감소시킬 수 있다. 하지만 이 경우 임계전압 VTH가 낮아져 차지 펌프(10)의 동작 범위가 줄어들게 된다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 비교기(20) 회로를 설명하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 자기-바이어스 비교기(20)(self-biased comparator)가 사용되었다. 이러한 회로 구성은 정전류가 없기 때문에 낮은 전력을 소비하는 어플리케이션에 적용된다.
비교기(20)는 마스터 인버터(M1,M2,M3,M4)와 슬레이브 인버터(M5,M6,M7,M8)를 포함한다. 또한 마스터 인버터와 슬레이브 인버터는 푸시-풀 타입 증폭기(push-pull type amplifier)(M1, M2 및 M5, M6)와 액티브 로드(active load)(M3, M4 및 M7, M8)로 구분되어 트라이오드 영역(triode region)에서 작동한다.
기본적인 동작은 네거티브 피드백을 사용함으로써 비교기(20)의 전이점(transition point)을 VTH와 동일하게 설정하는 것이다. 즉, 슬레이브 인버터의 입력으로 VTH가 연결되고, 출력은 액티브 로드의 입력에 연결된다. 결과적으로 슬레이브 인버터의 출력 레벨에 의존하여 액티브 로드는 PMOS와 NMOS 로드 저항을 늘리거나 줄이는 조정을 하게 되고, 결국 전이점(transition point)을 VTH와 동일하게 만들 것이다. 더군다나 네거티브 피드백 동작 때문에 전이점은 프로세스와 온도의 변화에도 안정될 것이다.
본 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스에서 임계 전압 VTH는 1.65V, 기준 전압 VR=3.3V로 설정되었고, 비교기(20)의 출력 VO는 검출 로직(30)으로 전달된다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도4에 도시된 자기-바이어스 비교기(20) 회로에 대해 충분히 이해하고 있을 것이기 때문에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 검출 로직(30) 회로를 설명하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 네거티브 에지 트리거드 D타입 플립플랍(negative edge triggered D-type flip-flop)으로 구성된 검출 로직(30)을 사용하였다.
검출 로직(30)은 비교기(20)의 유효한 출력을 검출(CK=low 일 때)하고, 래치 출력을 생성한다. 플립플랍은 3개의 SR 래치로 구성되며, 입력 D가 high 일 때 I3와 I4가 set 되고, CLK가 low 일 때 I5와 I6가 set 된다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도5에 도시된 검출 로직(30)에 대해 충분히 이해하고 있을 것이기 때문에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스는 차지 펌프(10)의 컨트롤을 위한 클럭 CK 및 CKB와, 검출 로직(30)의 D타입 플립플랍의 컨트롤을 위한 트리거 클럭을 제공하는 클럭 생성기를 더 포함할 수 있다.
이러한 클럭 생성기의 회로도와 컨트롤 클럭 파형의 예시가 도6의 (a)와 (b)에 도시되어 있다.
차지 펌프(10)와 비교기(20)의 유효 출력은 CK가 low 일 때 얻어진다. 따라서 비교기(20)의 뒷단에 연결되는 플립플랍은 CK 파형의 주기 끝 근처에서 트리거 된다.
도6의 클럭 파형을 나타낸 그림에서 트리거 포인트가 점선으로 표시되고 있다. 결과적으로 입력 클럭(CK_in)의 딜레이 버전은 차지 펌프(10)의 컨트롤 클럭 CK와 CKB로 사용된다. 반면 반전된 입력 클럭(CK_inB)은 검출 로직(30) 트리거를 위해 사용된다.
차지 펌프(10)의 컨트롤 클럭(CK, CKB)은 2개의 딜레이 셀을 사용함으로써 얻을 수 있으며, 딜레이 정도는 트랜지스터 길이를 조정함으로써 결정된다.
클럭 생성기의 구성과 동작에 대해서도 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 충분히 이해하고 잇을 것이기 때문에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도7은 차지 펌프(10), 비교기(20), 검출 로직(30) 및 클럭 생성기를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 코어 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다.
도7의 상부에 도시된 바와 같이, 폴리-실리콘 커패시터가 차지 펌프(10)의 커패시터로 사용되었다. 커패시터는 전체 면적의 약 75%를 차지하고 있다. 기생 커패시턴스를 줄이기 위해 모든 차지 펌프(10) 스위치는 단일 핑거 트랜지스터(single finger transistor)를 사용하여 레이아웃 되었다.
터치 센서 인터페이스의 코어 사이즈는 본 실시예에서의 싱글 패드 셀의 사이즈인 110um × 75um 이다. 따라서 집적화를 통해 완벽한 온칩 솔루션을 이룰 수가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터치 센서 인터페이스의 작동은 회로 레벨 시뮬레이션을 통해 검증될 수 있다. 여기서 터치 센서 인터페이스는 CMOS 0.35um 공정으로 설계되었다.
컨트롤 클럭 주파수 CK를 100KHz, VR = 3.3V로 세팅하고, 터치 패널 커패시턴스 CP가 10pF(터치가 없을 경우)일 때와 20pF(터치가 있을 경우)일 때, 차지 펌프(10)와 검출 로직(30)의 출력 전압 레벨을 측정하였다.
CP가 10pF에서 20pF으로 변화할 때, 차지 펌프(10)의 출력 파형(파란색 점선)과 검출 로직(30)의 출력 파형(빨간색 실선)을 도8에 도시하였다. 차지 펌프(10)의 출력은 도2에 도시된 차지 펌프(10) 회로의 노드 VX에 대응하며, 스위치의 컨트롤 클럭 CK가 low 일 때 VX의 값은 각각 2.02V(CP=10pF, 터치 없을 때)와 1.19V(CP=20pF, 터치 있을 경우)를 나타내고 있다. 또한 검출 로직(30)의 출력은 CP=10pF일 때 high이고, CP가 20pF으로 바뀌자마자 low가 되는 것을 확인할 수가 있다. 이러한 출력은 도6의 클럭 파형에서 CK_inB의 폴링 에지에서 트리거 된다.
도9는 CP가 20pF에서 10pF으로 변할 경우의 차지 펌프(10) 출력 파형(파란색 점선)과 검출 로직(30)의 출력 파형(빨간색 실선)을 도시한 것이다. CP가 20pF에서 10pF으로 변할 경우의 출력 변화는 도8을 통해 설명한 바를 통해 충분히 유추가 가능하기 때문에 중복되는 설명은 피하도록 한다.
한편, 클럭 생성기에서는 입력 클럭 CK_in과 CK 사이에서 11ns의 딜레이를 얻게 되는데, 이에 따라 전이(transition) 전에 검출 로직(30)이 비교기(20) 출력을 트리거하기 위한 11ns의 여유가 주어진다.
자기-바이어스 비교기(20)에서 전이점(transition point)이 최악으로 변화하더라도, 기본적인 값(1.65V)의 0.1V 이내이다. 이는 혹독한 환경에서 비교기(20)가 이상 없이 작동할 수 있음을 말해준다.
한편, 비교기(20)의 출력과 검출 로직(30)의 출력은 모두 high(3.3V) 혹은 low(0V)이다. 그러나 비교기(20) 뒤에 검출 로직(30)으로 D타입 플립플랍을 사용하는 이유는 전체 회로의 동작에서 제2위상 동안에만 차지 펌프(10)의 출력을 비교기(20)에 연결하기 때문이다. 즉 차지 펌프(10)의 출력은 제1위상 동안에는 의미 없는 값인데, 제1위상 동안 비교기(20)의 출력이 알수 없는 상태(unknown)가 되더라도 그 이전의 제2위상 동안의 비교기(20) 출력을 검출해서 유지시키기 위해 D타입 플립플랍으로 검출 로직(30)을 구현한 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스에 의하면, 터치 검출을 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프(10)에 의해 터치 패널 정전용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수가 있다.
또한, 정전류 소모가 전혀 없는 자기-바이어스 비교기(20)를 사용함으로써 전력 소모를 줄일 수가 있고, 간단한 회로, 저전력 소모, 빠른 검출 시간을 갖기 때문에 칩 상에 집적화 하여 완벽한 온칩 정전용량 터치 센서 인터페이스 회로를 구현할 수가 있다.
즉, 카운터와 같은 추가 구성이 필요 없고 정전용량을 주파수 도메인 또는 타임 도메인으로 변환할 필요가 없기 때문에 회로 구성이 간단하고 검출 시간이 빠른 것이며, 기존의 직렬 용량 분압 비교 방식에서 반드시 필요했던 대용량의 충전 커패시터(대략 0.1uF)가, 본원에서는 필요하지 않기 때문에 칩 상에 집적화 하는 것이 가능하다. 따라서 대형 터치 패널에 적용되는 터치 센서 인터페이스로서 최적이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 차지 펌프
20 : 비교기
30 : 검출 로직

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 터치 여부에 따라 정전용량이 변화하는 터치 패널 커패시터(CP)와 연결되어, 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 정전용량에 따라 달라지는 전압 파형(VX)을 출력하는 차지 펌프;
    상기 차지 펌프에서 출력되는 전압(VX)을 임계 전압(VTH)의 크기와 비교하고, 비교 결과에 따라 서로 다른 레벨의 전압(VO)을 출력하는 비교기;
    상기 비교기의 출력에 대응하여 2진 신호(High 또는 Low)를 출력함으로써, 터치 여부를 검출하는 검출 로직;을 포함하고,
    상기 차지 펌프는,
    기준 전압(VR)에 의해 프리차징되는 충전 커패시터(C); 및
    클럭에 의해 동작되어 상기 충전 커패시터(C)에 프리차징된 전하를 상기 터치 패널 커패시터(CP)에 분배하도록 하고, 상기 충전 커패시터(C)와 상기 터치 패널 커패시터(CP)를 연결하는 노드의 전압(VX)을 상기 비교기 측으로 입력하도록 하는 스위치들;을 포함하며,
    터치 여부에 따라 가변되는 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 정전용량에 따라 상기 충전 커패시터(C)에 프리차징된 전하의 분배 정도가 달라짐으로써, 서로 다른 레벨의 전압 파형(VX)을 상기 비교기 측으로 출력하되,
    상기 차지 펌프의 상기 스위치들은,
    제1클럭 신호(CK)일 때, 상기 충전 커패시터(C)의 상판을 기준 전압(VR)과 연결하는 스위치(S4)와, 상기 충전 커패시터(C)의 하판을 접지시키는 스위치(S6)와, 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 접지시키는 스위치(S1); 및
    제2클럭 신호(CKB)일 때, 상기 충전 커패시터(C)의 하판을 기준 전압(VR)과 연결하는 스위치(S5)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 연결하는 스위치(S2)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판이 연결되는 노드의 전압(VX)을 상기 비교기 측으로 연결하는 스위치(S3);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 커패시터(C)의 상판과 기준 전압(VR)을 연결하는 스위치(S4)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판을 연결하는 스위치(S2)와, 상기 충전 커패시터(C)의 상판과 상기 터치 패널 커패시터(CP)의 상판이 연결된 노드의 전압(VX)를 비교기 측과 연결하는 스위치(S3)는 전하의 이송이 원활하도록 CMOS 스위치로 구현되는 것을 특징으로 하는 정전용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스.
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