KR101318447B1

KR101318447B1 - 터치 센싱 장치와 그 더블 샘플링 방법

Info

Publication number: KR101318447B1
Application number: KR1020120028468A
Authority: KR
Inventors: 강형원; 전재훈
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-10-16
Also published as: KR20130106715A; US20130249825A1; CN103324367A; CN103324367B; US9134824B2

Abstract

본 발명은 터치 센싱 장치와 그 더블 샘플링 방법에 관한 것으로, 그 터치 센싱 장치는 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Rx 라인들을 통해 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 Rx 구동회로를 포함한다. 상기 Rx 구동회로는 제1 및 제2 신호를 입력 받고 상기 제1 및 제2 신호의 신호 전송 경로를 스위칭하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서로부터 입력되는 제1 및 제2 신호를 샘플링하여 적분하는 적분기를 포함한다.

Description

터치 센싱 장치와 그 더블 샘플링 방법{TOUCH SENSING APPARATUS AND DOUBLE SAMPLING METHOD THEREOF}

본 발명은 터치 센싱 장치와 그 더블 샘플링 방법에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 기기를 쉽게 자신이 원하는 대로 제어할 수 있게 한다. 이러한 유저 인터페이스의 대표적인 예로는 키패드, 키보드, 마우스, 온스크린 디스플레이(On Screen Display, OSD), 적외선 통신 혹은 고주파(RF) 통신 기능을 갖는 원격 제어기(Remote controller) 등이 있다. 유저 인터페이스 기술은 사용자 감성과 조작 편의성을 높이는 방향으로 발전을 거듭하고 있다. 최근, 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.

터치 UI는 휴대용 정보기기에 필수적으로 채택되고 있는 추세에 있으며, 나아가 가전 제품에도 확대 적용되고 있다. 터치 UI를 구현하기 위한 터치 스크린의 일예로서, 터치 뿐 아니라 근접 여부도 센싱하고 멀티 터치(또는 근접) 각각을 인식할 수 있는 상호 용량(mutual capacitance) 방식의 터치 스크린이 각광받고 있다.

터치 스크린을 센싱하는 방법은 터치 센서에 출력 전압을 샘플링하여 그 터치 센서의 상호 용량에 축적된 전하의 변하량을 전압 변화로 변환한 다음, 터치 전후의 전압 변화량을 소정의 문턱전압과 비교하거나 카운트하는 등 여러 가지 방법이 알려져 있다. 상호 용량 방식의 터치 스크린에서 터치 센서에 혼입된 노이즈의 영향을 줄이기 위한 방안은 일반적으로 디지털-아날로그 변환기(Digital to analog Converter, DAC)를 이용하여 수신된 터치 센서의 전압에 포함된 직류 옵셋(DC offset)을 제거하는 방법이었다. 상호 용량 방식의 터치 스크린에서 노이즈는 고주파 노이즈, 직류 옵셋(DC offset), 및 Tx/Rx 채널들 간 간섭 등을 포함한다. 이러한 노이즈는 터치 센서로부터 읽어 들인 신호의 신호 대 잡음비(Signal to noise ratio, SNR)를 떨어 뜨려 터치 센서 감도를 저하시킨다. 손가락과 같은 터치 객체의 그라운드(ground)가 흔들리게 되면 터치 포인트를 지나는 Tx 라인을 따라 노이즈가 발생하며 멀티 터치시에 터치 개수가 많아질수록 노이즈가 많아지고 커지기 때문에 터치 포인트들 각각을 구별하기가 어렵게 된다.

본 발명은 터치 스크린의 신호 대 잡음비(SNR)를 높일 수 있는 터치 스크린의 센싱 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 터치 센싱 장치는 Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들의 교차부에 형성된 터치 센서들을 포함하는 터치 스크린; 상기 Tx 라인들 각각에 Tx 펄스를 N(N은 2 이상의 양의 정수) 회 공급하는 Tx 구동회로; 및 상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 Rx 라인들을 통해 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 Rx 구동회로를 포함한다.

상기 Rx 구동회로는 제1 및 제2 신호를 입력 받고 상기 제1 및 제2 신호의 신호 전송 경로를 스위칭하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서로부터 입력되는 제1 및 제2 신호를 샘플링하여 적분하는 적분기를 포함한다.

상기 터치 센싱 장치의 더블 샘플링 방법은 상기 Tx 라인들 각각에 Tx 펄스를 N 회 공급하는 단계: 및 상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 Rx 라인들을 통해 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 단계를 포함한다.

본 발명은 Rx 라인들을 통해 수신되는 제1 및 제2 신호들의 신호 전송 경로를 주기적으로 스위칭하여 적분기에 동일 극성의 신호 전압들을 누적하여 Tx 펄스의 1 주기 내에서 더블 샘플링을 구현할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 적분기의 누적 전압을 크게 하고 노이즈를 줄여 신호 대 잡음비(SNR)를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 보여 주는 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 터치 스크린과 표시패널의 다양한 실시예들을 보여 주는 도면들이다.
도 5는 도 1에 도시된 Rx 구동회로의 동작을 단계적으로 보여 주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Rx 구동회로를 보여 주는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 Rx 구동회로를 보여 주는 회로도이다.
도 8은 터치 스크린의 Tx 라인들에 공급되는 Tx 펄스의 일 예를 보여 주는 파형도이다.
도 9는 종래 기술과 본 발명의 샘플링 타이밍을 Tx 펄스에서 비교한 파형도이다.
도 10은 전형적인 적분기의 일 예를 보여 주는 도면이다.
도 11은 종래 기술과 본 발명의 샘플링 타이밍과 적분 파형을 비교하여 보여 주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 Rx 구동회로를 상세히 보여 주는 회로도이다.
도 13은 본 발명의 Rx 구동회로의 제어 신호를 보여 주는 파형도이다.
도 14 및 도 15는 멀티플렉서의 동작을 보여 주는 회로도들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표시장치는 표시패널(DIS), 디스플레이 구동회로, 디스플레이 타이밍 콘트롤러(20), 터치 스크린(TSP), 터치 스크린 구동회로, 터치 좌표 계산부(30) 등을 포함한다.

본 발명의 표시장치는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광 다이오드 표시장치(Organic Light Emitting Display, OLED), 전기영동 표시소자(Electrophoresis, EPD) 등의 평판 표시소자 기반으로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 평판 표시소자의 일 예로서 표시장치를 액정표시소자 중심으로 설명하지만, 본 발명의 표시장치는 액정표시소자에 한정되지 않는다는 것에 주의하여야 한다.

표시패널(DIS)은 두 장의 기판들 사이에 액정층이 형성된다. 표시패널(DIS)의 하부 기판에는 다수의 데이터라인들(D1~Dm, m은 자연수), 데이터라인들(D1~Dm)과 교차되는 다수의 게이트라인들(G1~Gn, n은 자연수), 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성되는 다수의 TFT들(Thin Film Transistor), 액정셀들에 데이터전압을 충전시키기 위한 다수의 화소전극, 화소전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor) 등을 포함한다.

표시패널(DIS)의 픽셀들은 데이터라인들(D1~Dm)과 게이트라인들(G1~Gn)에 의해 정의된 픽셀 영역에 형성되어 매트릭스 형태로 배치된다. 픽셀들 각각의 액정셀은 화소전극에 인가되는 데이터전압과, 공통전극에 인가되는 공통전압의 전압차에 따라 인가되는 전계에 의해 구동되어 입사광의 투과양을 조절한다. TFT들은 게이트라인(G1~Gn)으로부터의 게이트펄스에 응답하여 턴-온되어 데이터라인(D1~Dm)으로부터의 전압을 액정셀의 화소전극에 공급한다.

표시패널(DIS)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등을 포함할 수 있다. 표시패널(DIS)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 블랙매트릭스와 컬러필터는 표시패널(DIS)의 하부 기판에 형성될 수 있다.

표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(DIS)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정셀의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(DIS)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(DIS)에 빛을 조사한다. 표시패널(DIS)은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 등 공지된 어떠한 액정 모드로도 구현될 수 있다.

디스플레이 구동회로는 데이터 구동회로(12), 스캔 구동회로(14) 및 디스플레이 타이밍 콘트롤러(20)를 포함하여 입력 영상의 비디오 데이터전압을 표시패널(DIS)의 픽셀들에 기입한다. 데이터 구동회로(12)는 디스플레이 타이밍 콘트롤러(20)로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동회로(12)로부터 출력된 데이터전압은 데이터라인들(D1~Dm)에 공급된다. 스캔 구동회로(14)는 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 게이트라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(DIS)의 라인을 선택한다.

디스플레이 타이밍 콘트롤러(20)는 외부의 호스트 시스템으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동회로(12)와 스캔 구동회로(14)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 스캔 타이밍 제어신호와 데이터 타이밍 제어신호를 발생한다. 스캔 타이밍 제어신호는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse, GSP), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블신호(Gate Output Enable, GOE) 등을 포함한다. 데이터 타이밍 제어신호는 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock, SSC), 극성제어신호(Polarity, POL), 소스 출력 인에이블신호(Source Output Enable, SOE) 등을 포함한다.

터치 스크린(TSP)은 도 2와 같이 표시패널(DIS)의 상부 편광판(POL1) 상에 접합되거나, 도 3과 같이 상부 편광판(POL1)과 상부 기판(GLS1) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 터치 스크린(TSP)의 터치 센서들은 도 4와 같이 표시패널(DIS) 내에서 픽셀 어레이와 함께 인셀(In-cell) 타입으로 하부기판에 형성될 수 있다. 도 2 내지 도 4에서 "PIX"는 액정셀의 화소전극, "GLS2"는 하부 기판, "POL2"는 하부 편광판을 각각 의미한다.

터치 스크린(TSP)은 Tx 라인들(T1~Tj, j는 n 보다 작은 양의 정수), Tx 라인들(T1~Tj)과 교차하는 Rx 라인들(R1~Ri, i는 m 보다 작은 양의 정수), 및 Tx 라인들(T1~Tj)과 Rx 라인들(R1~Ri)의 교차부들에 형성된 i×j 개의 터치 센서들(TSN)을 포함한다. 터치 센서들(TSN) 각각은 상호 용량을 포함한다.

터치 스크린 구동회로는 Tx 라인들(T1~Tj)에 Tx 펄스를 인가하고 그 Tx 펄스의 1 주기 내에서 2 차례 연속 터치 센서 출력을 샘플링하여 터치 센서의 변화량을 센싱한다. 이러한 터치 스크린 구동회로는 Tx 구동회로(32), Rx 구동회로(34), 및 TSP 타이밍 콘트롤러(36)를 포함한다. Tx 구동회로(32), Rx 구동회로(34) 및 TSP 타이밍 콘트롤러(36)는 하나의 ROIC(Read-out IC) 내에 집적될 수 있다. 터치 좌표 계산부(30)도 ROIC 내에 집적될 수 있다.

Tx 라인들(T1~Tj)은 Tx 구동회로(32)의 Tx 채널들에 연결된다. Tx 구동회로(32)는 TSP 타이밍 콘트롤러(36)로부터 입력된 Tx 셋업신호에 응답하여 Tx 펄스를 출력할 Tx 채널을 선택하고, 선택된 Tx 채널과 연결된 Tx 라인들(T1~Tj)에 Tx 펄스를 인가한다. Tx 라인들(T1~Tj)은 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 충전되어 터치 센서들(TSN)에 전하를 공급하고, Tx 펄스의 저전위 구간에 방전된다. Tx 펄스는 도 8과 같이 Rx 채널을 통해 터치 센서 출력 전압이 적분기에서 누적될 수 있도록 Tx 라인들(T1~Tj) 각각에 N(N은 2 이상의 양의 정수) 회 연속 공급된다.

Rx 라인들(R1~Ri)은 Rx 구동회로(34)의 Rx 채널들에 연결된다. Rx 구동회로(34)는 TSP 타이밍 콘트롤러(36)로부터 입력된 Rx 셋업신호에 응답하여 터치 센서의 출력 전압을 수신할 Rx 채널을 선택한다. Rx 구동회로(34)는 Rx 채널들을 통해 수신된 신호들을 Tx 펄스의 1 주기 마다 2 차례 연속 샘플링하여 적분기(Integrator)에 누적한다.(도 5의 S1 및 S2)

종래의 Rx 구동회로는 Tx 펄스 당 1회 터치 센서의 출력 전압을 샘플링하였다. 이에 비하여, 본 발명의 Rx 구동회로(34)는 Tx 펄스에 의해 Tx 라인들(T1~Tj)이 고전위로 충전될 때 터치 센서의 출력 전압을 샘플링하고 Tx 라인들(T1~Tj)이 저전위로 방전될 때 터치 센서의 출력 전압을 샘플링한다. 그 결과, 본 발명의 터치 센싱 장치는 종래 기술에 비하여 적분기에 누적되는 전압을 크게 하여 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있다.

Rx 구동회로(34)는 적분기의 출력단에 연결된 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter, 이하 "ADC"라 함)를 이용하여 적분기에 누적된 전압을 소정 시간 주기로 디지털 데이터(Tdata)로 변환한다.(도 5의 S3) Rx 구동회로(34)는 디지털 데이터(Tdata)를 터치 원시 데이터(touch raw data)로서 터치 좌표 계산부(30)에 공급한다.(도 5의 S4)

TSP 타이밍 콘트롤러(36)는 Tx 구동회로(32)에서 Tx 펄스가 출력될 Tx 채널을 설정하기 위한 Tx 셋업 신호와, Rx 구동회로(34)에서 터치 센서 전압을 수신할 Rx 채널을 설정하기 위한 Rx 셋업 신호를 발생한다. 또한, TSP 타이밍 콘트롤러(36)는 Tx 구동회로(32)와 Rx 구동회로(34)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들을 발생한다.

터치 좌표 계산부(30)는 Rx 구동회로(34)로부터 수신된 디지털 데이터(Tdata)를 미리 설정된 문턱치와 비교하여 그 문턱치 이상의 데이터를 실제 터치 입력 위치의 터치 센서들로부터 얻어진 터치 데이터로 판단한다. 터치 좌표 계산부(30)는 터치 입력들 각각에 대하여 식별코드(ID)를 부여하고, 미리 설정된 터치 인식 알고리즘으로 터치 데이터를 분석하여 터치 입력들 각각의 좌표를 계산한다. 터치 좌표 계산부(30)는 터치 입력들 각각의 좌표를 포함한 터치 맵 데이터(Txy)를 호스트 시스템으로 전송된다. 터치 좌표 계산부(30)는 MCU(Micro Controller Unit, MCU)로 구현될 수 있다.

호스트 시스템은 네비게이션 시스템, 셋톱박스, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 방송 수신기, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 영상 데이터를 표시패널(DIS)에 표시하기에 적합한 포맷으로 변환한다. 또한, 호스트 시스템은 터치 좌표 계산부(30)로부터 입력되는 터치 입력들 각각의 좌표값과 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Rx 구동회로(34)를 보여 주는 회로도이다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 Rx 구동회로(34)를 보여 주는 회로도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, Rx 구동회로(34)는 Rx 라인들(R1~Ri)과 적분기(66) 사이에 설치된 멀티플렉서(Multiplexer, MUX)(64), 멀티플렉서(64)와 ADC(68) 사이에 설치된 적분기(66) 등을 포함한다.

멀티플렉서(64)는 Tx 라인들(T1~Tj)에 Tx 펄스에 의해 고전위로 충전될 때 Rx 라인들(R1~Ri)을 통해 수신된 입력 신호들을 적분기(66)에 공급한다. 그리고, 멀티플렉서(64)는 Tx 라인들(T1~Tj)의 전압이 저전위일 때 입력 신호들의 극성이 반전되도록 입력 신호들의 전송패스를 스위칭하여 적분기(66)에 공급한다. 적분기(66)는 멀티플렉서(64)를 통해 수신되는 신호를 Tx 펄스의 1 주기 내에서 2 차례 연속 샘플링한다. ADC(68)는 적분기(66)의 출력 전압을 디지털 데이터(Tdata)로 변환하여 터치 좌표 계산부(30)로 전송한다.

Rx 라인들(R1~Ri)과 멀티플렉서(64) 사이에는 도 7과 같이 전치 증폭기인 차동 증폭기(62)가 설치될 수 있다. 차동 증폭기(62)는 이웃한 Rx 라인들을 통해 입력되는 신호들의 차를 증폭하여 그 차 전압을 출력한다. 이러한 차동 증폭기(62)는 이웃한 Rx 라인들(R1~Ri)을 통해 입력되는 신호들의 차를 증폭함으로써 터치 스크린(TSP)의 기생용량으로 인하여 유입되는 노이즈 성분을 줄여 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있다. 차동 증폭기(62)는 정극성 출력 단자와 부극성 출력 단자를 통해 Tx 라인 방향을 따라 이웃하는 터치 센서들로부터 얻어진 전압들의 차를 증폭하여 상보적인(Complementary) 정극성 신호와 부극성 신호 전압을 출력하는 풀리 디퍼런셜 앰플리파이어(Fully defferential amplifier)로 구현될 수 있다.

도 8은 Tx 라인들(T1~Tj)에 공급되는 Tx 펄스의 일 예를 보여 주는 파형도이다. 도 9는 종래 기술과 본 발명의 샘플링 타이밍을 Tx 펄스에서 비교한 파형도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, Tx 펄스는 Tx 라인들(T1~Tj) 각각에 N 회 연속 공급되고, Tx 라인들(T1~Tj)에 순차적으로 공급된다. Tx 라인들(T1~Tj)은 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Tx 펄스의 고전위 전압에 의해 충전한 후 Tx 펄스가 인가되지 않을 때 인가되는 저전위 전압으로 방전된다.

종래의 Rx 구동회로는 도 9의 (a)와 같이 Tx 펄스에 의해 Tx 라인들(T1~Tj)의 전압이 고전위로 충전될 때에만 Rx 라인들(R1~Ri)을 통해 수신되는 신호의 전압을 샘플링하여 적분기의 커패시터에 누적한다. 이는 Rx 구동회로에서 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Tx 라인의 전압이 고전위로 충전될 때와 Tx 라인의 전압이 저전위로 방전될 때 터치 센서의 출력 전압을 더블 샘플링하면 적분기에 극성이 다른 전압이 연속으로 공급되므로 적분기에 충전된 전압이 누적되지 않고 상쇄되기 때문이다. 따라서, 종래의 Rx 구동회로는 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Tx 라인들(T1~Tj)이 고전위로 충전된 기간에만 터치 센서의 출력 전압을 샘플링하고 적분기의 전압이 상쇄되는 현상 때문에 더블 샘플링을 구현할 수 없었다.

본 발명의 Rx 구동회로(34)는 도 9의 (b)와 같이 Tx 펄스에 의해 Tx 라인들(T1~Tj)이 고전위로 충전될 때에 입력 신호를 샘플링하여 적분기(66)에 누적한다. 이어서, 본 발명의 Rx 구동회로(34)는 도 9의 (b)와 같이 Tx 라인들(T1~Tj)이 저전위로 방전될 때에 입력 신호를 샘플링하고 멀티플렉서(64)를 이용하여 입력 신호의 극성을 반전시켜 적분기(66)에 누적한다. 그 결과, 본 발명의 Rx 구동회로(34)는 Tx 펄스의 1 주기 내에서 입력 신호들을 2 회 연속 샘플링하고 샘플링한 전압을 동일 극성의 전압으로 적분기(66)에 누적하여 더블 샘플링을 구현할 수 있다.

도 10은 전형적인 적분기의 일 예를 보여 주는 도면이다.

도 11은 종래 기술과 본 발명의 샘플링 타이밍과 적분 파형을 비교하여 보여 주는 도면이다.

도 10과 같은 적분기의 출력(Vout)은 입력 신호(Vin)가 정극성 전압일 때 Vout = Vin × (Cs/Cf) + Δ 이다. 여기서, Cs는 샘플링 커패시터이고, Cf는 피드백 커패시터이다. Δ는 입력 신호(Vin)와 함께 입력되는 노이즈 성분이다. 입력 신호(Vin)의 극성이 부극성으로 변하면, 적분기의 출력(Vout)은 Vout = -Vin × (Cs/Cf) + Δ 로 변한다. 이렇게 입력 신호(Vin)의 극성이 주기적으로 반전되면, 샘플링 커패시터(Cs)에 샘플링된 전압의 극성이 도 11의 (a)와 같이 반전되고, 적분기의 커패시터(Cf)에 누적되는 전압은 샘플링 커패시터(Cs)에 충전되는 전압의 극성이 반전될 때마다 도 11의 (b)와 같이 상쇄되는 반면에, 노이즈는 누적된다. 따라서, 적분기에 주기적으로 극성이 반저되는 입력 신호(Vin)를 누적하면 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아진다. 종래에는 적분기에 누적되는 전압이 반대 극성의 전압으로 상쇄되지 않도록 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Tx 라인들(T1~Tj)의 전압이 고전위로 충전되는 구간에 1 회만 샘플링하였다.

본 발명의 Rx 구동회로(34)는 멀티 플렉서(64)를 이용하여 적분기에 입력되는 전압의 극성을 도 11의 (c)와 같이 동일 극성으로 제어함으로써 Tx 펄스의 1 주기 내에서 더블 샘플링한 전압을 적분기에 누적할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 Rx 구동회로(34)는 도 11의 (d)와 같이 Tx 펄스의 1 주기 내에서 샘플링한 전압을 적분기에 2회 연속 누적하는 더블 샘플링을 구현하여 종래 기술에 비하여 적분 효과를 2 배 이상 높일 수 있으므로 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있다.

도 12는 본 발명의 Rx 구동회로를 상세히 보여 주는 회로도이다. 도 13은 본 발명의 Rx 구동회로의 제어 신호를 보여 주는 파형도이다. 도 14 및 도 15는 멀티플렉서의 동작을 보여 주는 회로도들이다.

도 12 내지 도 15를 참조하면, 적분기(66)는 멀티플렉서(64)와 차동 증폭기(65) 사이에 접속된 샘플링 커패시터들(Cs1, Cs2) 및 스위치들(S11, S21, S31, S12, S22, S32)를 포함한다. 차동 증폭기(65)의 입력 단자들과 출력 단자들 사이에는 샘플링된 전압들을 누적하는 커패시터들(Cint1, Cint2)과, 리셋 스위치들(Srst1, Srst2)가 연결되어 있다.

멀티플렉서(64)는 제1 및 제2 입력 단자들과, 제1 및 제2 출력 단자들을 포함하고 또한, 입력 단자들과 출력 단자들 사이의 신호 전송 경로를 스위칭하기 위한 스위치소자들을 포함한다. 멀티플렉서(64)의 제1 및 제2 입력 단자들은 도 6과 같이 Rx 라인들(R1~Ri)을 통해 제1 및 제2 신호들(Vin1, Vin2)을 수신하거나, 도 7과 같이 Rx 라인들(R1~Ri)을 통해 수신되고 차동 증폭기(62)에 의해 증폭된 제1 및 제2 신호들(Vin1, Vin2)을 수신한다. 멀티플렉서(64)의 제1 입력 단자에는 제1 신호(Vin1)가 입력되고, 제2 입력 단자에는 제2 신호(Vin2)가 입력된다. 멀티플렉서(64)는 TSP 타이밍 콘트롤러(36)로부터 입력되는 MUX 제어 신호(Cmux)에 응답하여 입력 신호들의 신호 전송 경로를 스위칭한다. MUX 제어 신호(Cmux)의 주기는 도 13과 같이 Tx 펄스의 주기와 실질적으로 동일한다. MUX 제어 신호(Cmux)는 Tx 펄스에 비하여 대략 45°~ 180° 정도의 위상차 만큼 지연된다.

멀티플렉서(64)는 MUX 제어 신호(Cmux)의 전압이 로우 로직 레벨일 때 도 14와 같이 제1 입력 단자를 제1 출력 단자에 연결하고, 제2 입력 단자를 제2 출력 단자에 연결한다. 반면에, MUX 제어 신호(Cmux)의 전압이 하이 로직 레벨일 때 도 15와 같이 제1 입력 단자를 제2 출력 단자에 연결하는 반면, 제2 입력 단자를 제1 출력 단자에 연결한다. MUX 제어신호(Cmux)는 Tx 펄스의 고전위 구간 내에서 라이징되고, Tx 펄스의 저전위 구간 내에서 폴링된다.

제1 샘플링 커패시터(Cs1)는 멀티플렉서(64)의 제1 출력 단자와 차동 증폭기(65)의 제1 입력 단자(-) 사이에 연결된다. 제1 샘플링 커패시터(Cs1)는 멀티플렉서(64)의 제1 출력 단자로부터의 전압을 샘플링하여 저장하고, 샘플링한 전압을 차동 증폭기(65)의 제1 입력 단자(-)에 공급한다. 제2 샘플링 커패시터(Cs2)는 멀티플렉서(64)의 제2 출력 단자와 차동 증폭기(65)의 제2 입력 단자(+) 사이에 연결된다. 제2 샘플링 커패시터(Cs2)는 멀티플렉서(64)의 제2 출력 단자로부터의 전압을 샘플링하여 저장하고, 샘플링한 전압을 차동 증폭기(65)의 제2 입력 단자(+)에 공급한다.

제1 스위치(S11)는 멀티플렉서(65)의 제1 출력단자와 제1 샘플링 커패시터(Cs1)의 제1 전극 사이의 노드와, 기저전압원(GND) 사이에 접속된다. 제1 스위치(S11)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스에 응답하여 턴-온된다. 제2 스위치(S21)는 제1 샘플링 커패시터(Cs1)의 제2 전극과 기저전압원(GND) 사이에 접속된다. 제2 스위치(S21)는 제1 스위치 제어신호(φ1)의 펄스에 응답하여 턴-온된다. 제3 스위치(S31)는 제1 샘플링 커패시터(Cs1)의 제2 전극과 차동 증폭기(65)의 제1 입력 단자 사이에 접속된다. 제3 스위치(S31)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스에 응답하여 턴-온된다. 제4 스위치(S12)는 멀티플렉서(64)의 제2 출력단자와 제2 샘플링 커패시터(Cs2)의 제1 전극 사이의 노드와, 기저전압원(GND) 사이에 접속된다. 제4 스위치(S12)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스에 응답하여 턴-온된다. 제5 스위치(S22)는 제2 샘플링 커패시터(Cs2)의 제2 전극과 기저전압원(GND) 사이에 접속된다. 제5 스위치(S22)는 제1 스위치 제어신호(φ1)의 펄스에 응답하여 턴-온된다. 제6 스위치(S32)는 제2 샘플링 커패시터(Cs2)의 제2 전극과 차동 증폭기(65)의 제2 입력 단자 사이에 접속된다. 제6 스위치(S32)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스에 응답하여 턴-온된다.

차동 증폭기(65)는 제1 및 제2 입력 단자들과, 제1 및 제2 출력 단자들을 가지는 풀리 디퍼런셜 앰플리파이어(Fully defferential amplifier)로 구현될 수 있다. 차동 증폭기(65)의 제1 입력 단자(-)와 제1 출력 단자(+) 사이에는 제1 적분 커패시터(Cint1)와 제1 리셋 스위치(Srst1)가 병렬로 접속된다. 차동 증폭기(65)의 제2 입력 단자(+)와 제2 출력 단자(-) 사이에는 제2 적분 커패시터(Cint2)와 제2 리셋 스위치(Srst2)가 병렬로 접속된다. 적분 커패시터들(Cint1, Cint2)은 샘플링한 전압을 누적한다. 리셋 스위치들(Srst1, Srst2)은 도시하지 않은 리셋 펄스에 응답하여 적분 커패시터들(Cint1, Cint2)의 양단을 접속시켜 그 커패시터들(Cint1, Cint2)을 리셋시킨다.

제1 및 제2 스위치 제어신호(φ1, φ2)는 서로 역위상으로 발생되고, MUX 제어신호(Cmux)에 비하여 2 배 높은 주파수를 갖는다. 제2 스위치(S21)는 제1 스위치 제어신호(φ1)의 펄스가 발생될 때 턴-온되어 멀티플렉서(64)의 제1 출력 단자로부터의 전압을 제1 샘플링 커패시터(Cs1)에 공급한다. 또한, 제5 스위치(S22)는 제1 스위치 제어신호(φ1)의 펄스가 발생될 때 턴-온되어 멀티플렉서(64)의 제2 출력 단자로부터의 전압을 제2 샘플링 커패시터(Cs2)에 공급한다. 따라서, 제1 및 제2 샘플링 커패시터들(Cs1, Cs2)은 제1 스위치 제어신호(φ1)의 펄스가 발생될 때 멀티플렉서(64)를 통해 입력되는 신호들(Vin1, Vin2)의 전압을 저장하여 그 신호들(Vin1, Vin2)을 샘플링한다.

제1 및 제3 스위치(S11, S31)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스가 발생될 때 턴-온되어 제1 샘플링 커패시터(Cs1)와 제1 적분 커패시터(Cint1)를 직렬 연결하여 제1 샘플링 커패시터(Cs1)의 전압을 제1 적분 커패시터(Cint1)에 공급한다. 제4 및 제6 스위치(S12, S32)는 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스가 발생될 때 턴-온되어 제2 샘플링 커패시터(Cs2)와 제2 적분 커패시터(Cint2를 직렬 연결하여 제2 샘플링 커패시터(Cs2)의 전압을 제2 적분 커패시터(Cint2)에 공급한다. 따라서, 제1 및 제2 적분 커패시터들(Cint1, Cint2)은 제2 스위치 제어신호(φ2)의 펄스가 발생될 때 샘플링한 전압을 누적한다.

도 13에서 화살표는 본 발명의 더블 샘플링에서 샘플링 타이밍을 나타낸다. 도 13에서 φ01 및 φ02는 종래 기술에서 Tx 펄스의 1 주기 내에서 Tx 펄스의 고전위 구간에만 샘플링할 때 샘플링 스위치들에 인가되는 스위치 제어신호들이다.

Tx 펄스의 고전위 구간 동안 제1 신호(Vin1)의 전압은 제2 신호(Vin2) 보다 높은 정극성 전압이다. 멀티플렉서(64)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 도 14와 같이 정극성 전압의 제1 신호(Vin1)를 제1 샘플링 커패시터(Cs1)에 공급하고, 부극성 전압의 제2 신호(Vin2)를 제2 샘플링 커패시터(Cs2)에 공급한다. 따라서, 제1 샘플링 커패시터(Cs1)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 정극성의 제1 신호(Vin1)를 샘플링하고, 제1 적분 커패시터(Cint1)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 샘플링된 정극성 전압을 저장한다. 제2 샘플링 커패시터(Cs2)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 부극성의 제2 신호(Vin2)를 샘플링하고, 제2 적분 커패시터(Cint2)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 샘플링된 부극성 전압을 저장한다.

Tx 펄스의 저전위 구간 동안 제2 신호(Vin2)의 전압은 제1 신호(Vin1) 보다 높은 정극성 전압이다. 멀티플렉서(64)는 Tx 펄스의 저전위 구간 동안 도 15와 같이 정극성 전압의 제2 신호(Vin2)를 제1 샘플링 커패시터(Cs1)에 공급하고, 부극성 전압의 제1 신호(Vin1)를 제2 샘플링 커패시터(Cs2)에 공급한다. 따라서, 제1 샘플링 커패시터(Cs1)는 Tx 펄스의 저전위 구간 동안 정극성의 제2 신호(Vin2)를 샘플링하고, 제1 적분 커패시터(Cint1)는 Tx 펄스의 저전위 구간 동안 샘플링된 정극성 전압을 누적한다. 제2 샘플링 커패시터(Cs2)는 Tx 펄스의 고전위 구간 동안 부극성의 제1 신호(Vin1)를 샘플링하고, 제2 적분 커패시터(Cint2)는 Tx 펄스의 저전위 구간 동안 샘플링된 부극성 전압을 저장한다.

본 발명의 Rx 구동회로(34)는 멀티플렉서(64)를 이용하여 입력 신호의 신호 전송 경로를 스위칭함으로써 Tx 펄스의 1 주기 내에서 더블 샘플링할 때 적분기(66)의 제1 적분 커패시터(Cint1)에 정극성 전압만을 누적하고 적분기(66)의 제2 적분 커패시터(Cint2)에 부극성 전압만을 누적할 수 있다.

적분기(66)은 정극성 출력과 부극성 출력을 포함한다. 차동 증폭기(65)의 제1 출력 단자(+)를 통해 출력된 정극성 전압의 출력{Vout(+)}은 Vout(+) = Vin × (Cs/Cf) + Δ 이다. 이에 비하여, 차동 증폭기(65)의 제2 출력 단자(-)를 통해 출력된 부극성 전압의 출력{Vout(-)}은 Vout(-) = -{(-Vin) × (Cs/Cf)} - Δ 이다. Cs는 Cs1과 Cs2와 같고, Cf는 Cint1과 Cint2와 같다. Vin은 Vin1과 Vin2와 같다. Δ는 입력 신호(Vin)와 함께 입력되는 노이즈 성분이다. 따라서, 적분기(66)의 최종 출력{Vout(final)}은 Vout(final) = {Vin × (Cs/Cf) + Δ } + [-{(-Vin) × (Cs/Cf)} - Δ] = 2 Vin × (Cs/Cf) 이다. 따라서, 본 발명의 Rx 구동회로(34)는 도 11의 (d)와 같이 신호 전압을 누적하여 종래 기술에 비하여 신호 대 잡음비(SNR)에서 신호(N)를 2 배 이상 크게 하고 정극성 노이즈와 부극성 노이즈를 서로 상쇄하여 신호 대 잡음비(SNR)를 현저히 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

DIS : 표시패널 TSP : 터치 스크린
12 : 데이터 구동회로 14 : 스캔 구동회로
20 : 디스플레이 타이밍 콘트롤러 30 : 터치 인식 알고리즘 실행부
32 : Tx 구동회로 34 : Rx 구동회로
36 : TSP 타이밍 콘트롤러

Claims

Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들의 교차부에 형성된 터치 센서들을 포함하는 터치 스크린;
상기 Tx 라인들 각각에 Tx 펄스를 N(N은 2 이상의 양의 정수) 회 공급하는 Tx 구동회로; 및
상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 Rx 라인들을 통해 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 Rx 구동회로를 포함하고,
상기 Rx 구동회로는,
제1 및 제2 신호를 입력 받고 상기 제1 및 제2 신호의 신호 전송 경로를 스위칭하는 멀티플렉서; 및
상기 멀티플렉서로부터 입력되는 제1 및 제2 신호를 샘플링하여 적분하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 멀티플렉서는,
상기 Tx 펄스의 고전위 구간에 상기 제1 신호를 제1 샘플링 커패시터에 공급하고 상기 제2 신호를 제2 샘플링 커패시터에 공급하고,
상기 Tx 펄스의 저전위 구간에 상기 제2 신호를 상기 제1 샘플링 커패시터에 공급하고 상기 제1 신호를 상기 제2 샘플링 커패시터에 공급하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 제1 샘플링 커패시터로부터 2 회 연속으로 공급되는 정극성 전압을 누적하는 제1 적분 커패시터;
상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 제2 샘플링 커패시터로부터 2 회 연속으로 공급되는 부극성 전압을 누적하는 제2 적분 커패시터; 및
상기 적분 커패시터들과 연결된 차동 증폭기를 포함하고,
상기 제1 적분 커패시터는 상기 차동 증폭기의 제1 입력 단자와 제1 출력 단자 사이에 연결되고,
상기 제2 적분 커패시터는 상기 차동 증폭기의 제2 입력 단자와 제2 출력 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 멀티플렉서는 MUX 제어신호에 응답하여 상기 신호 전송 경로를 스위칭하고,
상기 MUX 제어 신호의 주기는 상기 Tx 펄스의 주기와 실질적으로 동일하고, 상기 Tx 펄스에 비하여 위상 지연되고,
상기 MUX 제어신호는 Tx 펄스의 고전위 구간 내에서 라이징되고, Tx 펄스의 저전위 구간 내에서 폴링되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 멀티플렉서의 제1 출력단자와 제1 샘플링 커패시터의 제1 전극 사이의 노드와, 기저전압원 사이에 접속되어 제2 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제1 스위치;
상기 제1 샘플링 커패시터의 제2 전극과 상기 기저전압원 사이에 접속되어 제1 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제2 스위치;
상기 제1 샘플링 커패시터의 제2 전극과 상기 차동 증폭기의 제1 입력 단자 사이에 접속되어 상기 제2 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제3 스위치;
상기 멀티플렉서의 제2 출력단자와 상기 제2 샘플링 커패시터의 제1 전극 사이의 노드와, 상기 기저전압원 사이에 접속되어 상기 제2 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제4 스위치;
상기 제2 샘플링 커패시터의 제2 전극과 상기 기저전압원 사이에 접속되어 상기 제1 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제5 스위치; 및
상기 제2 샘플링 커패시터의 제2 전극과 상기 차동 증폭기의 제2 입력 단자 사이에 접속되어 상기 제2 스위치 제어신호의 펄스에 응답하여 턴-온되는 제6 스위치를 포함하고,
상기 제1 및 제2 스위치 제어신호는 서로 역위상으로 발생되고, 상기 MUX 제어신호에 비하여 2 배 높은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.
Tx 라인들, 상기 Tx 라인들과 교차하는 Rx 라인들, 및 상기 Tx 라인들과 상기 Rx 라인들의 교차부에 형성된 터치 센서들을 포함하는 터치 스크린을 포함하는 터치 센싱 장치와 그 더블 샘플링 방법에 있어서,
상기 Tx 라인들 각각에 Tx 펄스를 N(N은 2 이상의 양의 정수) 회 공급하는 단계: 및
상기 Tx 펄스의 1 주기 내에서 상기 Rx 라인들을 통해 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 단계를 포함하고,
상기 수신된 신호들을 더블 샘플링하는 단계는,
멀티플렉서를 이용하여 제1 및 제2 신호를 입력 받고 상기 제1 및 제2 신호의 신호 전송 경로를 스위칭하는 단계; 및
상기 멀티플렉서에 연결된 적분기를 이용하여 상기 제1 및 제2 신호를 샘플링하여 적분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치의 더블 샘플링 방법.