KR101715850B1 - 터치 센서를 위한 리드아웃 회로 - Google Patents

터치 센서를 위한 리드아웃 회로 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 터치 센서의 공정 편차 및 구동 전압에 관계없이 터치 센싱 감도를 증가시킬 수 있는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로를 제공하는 것이다.
본원 발명의 리드아웃 회로는 리드아웃 라인으로부터 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함과 아울러 상기 리드아웃 신호를 필요한 구동 범위로 스케일링하여 터치 센싱 신호로 출력하는 비교 회로와; 상기 비교 회로로부터 출력되는 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터를 구비한다.

Description

터치 센서를 위한 리드아웃 회로{READOUT CIRCUIT FOR TOUCH SENSOR}
본원 발명은 터치 센서를 위한 리드아웃(Readout) 회로에 관한 것으로, 특히 터치 센서의 특성 편차에 따라 센싱 신호의 센싱 범위를 가변시킬 수 있는 리드아웃 회로에 관한 것이다.
오늘날 각종 표시 장치의 화면상에서 터치로 정보 입력이 가능한 터치 스크린이 컴퓨터 시스템의 정보 입력 장치로 널리 적용되고 있다. 터치 스크린은 사용자가 손가락 또는 스타일러스를 통해 화면을 단순히 터치하여 표시 정보를 이동시키거나 선택하므로, 남녀노소 누구나 쉽게 사용할 수 있다.
터치 스크린은 표시 장치 화면상에서 발생된 터치 및 터치 위치를 감지하여 터치 정보를 출력하고, 컴퓨터 시스템은 터치 정보를 분석하여 명령을 수행한다. 표시 장치로는 액정 표시 장치, 플라즈마 디스플레이 패널, 유기 발광 다이오드 표시 장치 등과 같은 평판 표시 장치가 주로 이용된다.
터치 스크린 기술로는 센싱 원리에 따라 저항막 방식, 커패시티브(Capacitive) 방식, 광학 방식, 적외선 방식, 초음파 방식, 전자기 방식 등이 존재한다. 일반적으로, 터치 스크린은 패널 형태로 제작되어서 표시 장치의 상부에 부착되어 터치 입력 기능을 수행한다. 그러나, 터치 패널이 부착된 표시 장치는 터치 패널을 표시 장치와 별도로 제작하여 표시 장치에 부착해야 하므로, 제조 비용이 높아짐과 아울러 시스템 전체의 두께 및 무게가 증가하여 이동성이 떨어지거나, 디자인상 제약이 따르는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 최근에는 터치 센서를 액정 표시 장치 또는 유기 발광 다이오드 표시 장치 등과 같은 표시 장치 내에 내장한 인-셀 터치 센서(In-cell Touch Sensor)가 개발되고 있다. 인-셀 터치 센서로는 포토 트랜지스터를 이용하여 광세기에 따라 터치를 인식하는 포토 터치 센서와, 커패시티브 가변에 따라 터치를 인식하는 커패시티브 터치 센서가 주로 이용된다.
포토 터치 센서는 터치 물체에 의한 입사광 또는 반사광으로부터 발생되는 포토 트랜지스터의 광 누설 전류를 통해 터치를 인식한다. 커패시티브 터치 센서는 인체나 스타일러스와 같은 도전체가 터치할 때 소량의 전하가 터치점으로 이동하여 발생되는 커패시턴스의 변화를 통해 터치를 인식한다.
리드아웃 회로는 터치 센서로부터의 출력 신호를 기준 전압과 비교하여 터치 여부를 나타내는 터치 센싱 신호를 발생하는 증폭기와, 증폭기로부터의 아날로그 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 변환하여 신호 처리부로 출력하는 아날로그-디지털 컨버터(Analog to Digital Converter; 이하 ADC)를 구비한다.
일반적으로, ADC의 동작 범위는 도 1에 나타낸 바와 같이 기준 전압(Vref)를 기준으로 1V 범위를 갖게 되어 있다. 그러나, 인-셀 터치 센서는 공정 편차 및 구동 전압에 따라 도 1과 같이 터치가 없을 때의 베이스 레벨(Base Level)이 가변하는 문제점이 있다. 예를 들면, 터치 센서의 위치에 따른 저항 및 기생 커패시턴스의 편차에 따라 베이스 레벨이 가변하거나, 도 1과 같이 터치 센서의 구동 전압이 클수록 베이스 레벨이 증가하게 된다.
그러나, 인-셀 터치 센서의 공정 편차 및 구동 전압에 따라 베이스 레벨이 가변하는 경우, 터치가 있을 때 발생되는 터치 피크치가 ADC의 구동 범위(Vref~Vref+1V)를 벗어나 오버플로우됨으로써 오버플로우된 부분이 양자화되지 못하여 센싱 감도가 저하되는 문제점이 있다.
이러한 터치 센싱 감도의 저하 문제점은 표시 장치 상에 부착되는 터치 패널에서도 표시 장치로부터의 노이즈에 의해 동일하게 발생될 수 있다.
본원 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본원 발명이 해결하려는 과제는 터치 센서의 공정 편차 및 구동 전압에 관계없이 터치 센싱 감도를 증가시킬 수 있는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본원 발명의 실시예에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 리드아웃 라인으로부터 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함과 아울러 상기 리드아웃 신호를 필요한 구동 범위로 스케일링하여 터치 센싱 신호로 출력하는 비교 회로와; 상기 비교 회로로부터 출력되는 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터를 구비한다.
상기 비교 회로는 상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 제1 기준 전압과 제2 기준전압 사이로 제한하는 제1 및 제2 증폭기와; 상기 리드아웃 신호를 상기 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제1 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제1 게인 커패시터 및 상기 제2 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제2 게인 커패시터를 구비한다.
상기 리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압이 조절되고; 상기 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제1 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제2 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절된다.
본원 발명의 실시예에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 리드아웃 라인으로부터 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 서로 다르게 설정함과 아울러 상기 리드아웃 신호를 필요한 구동 범위로 스케일링하여 복수의 터치 센싱 신호로 출력하는 복수의 비교 회로와; 상기 복수의 비교 회로로부터 각각 출력되는 복수의 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 각각 변환하여 출력하는 복수의 아날로그-디지털 컨버터를 구비한다.
상기 복수의 비교 회로는 상기 리드아웃 라인과 공통 접속된 제1 및 제2 비교 회로를 구비하고, 상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터는 상기 제1 및 제2 비교 회로와 각각 접속된 제1 및 제2 아날로그-디지털 컨버터를 구비한다.
상기 제1 비교 회로는, 상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 제1 기준 전압과 제2 기준전압 사이로 제한하는 제1 및 제2 증폭기와; 상기 리드아웃 신호를 상기 제1 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제1 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제1 게인 커패시터 및 상기 제2 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제2 게인 커패시터를 구비한다.
상기 제2 비교 회로는, 상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 상기 제2 기준 전압과 제3 기준전압 사이로 제한하는 제3 및 제4 증폭기와; 상기 리드아웃 신호를 상기 제2 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제3 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제3 게인 커패시터 및 상기 제4 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제4 게인 커패시터를 구비한다.
상기 리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 상기 제1 내지 제3 기준 전압이 개별적으로 조절되고; 상기 제1 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제1 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제2 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절되며; 상기 제2 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제3 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제4 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절된다.
상기 리드아웃 회로는 상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터를 통해 개별적으로 출력되는 복수의 터치 센싱 데이터를 조합하여 하나의 터치 센싱 데이터를 출력한다.
본원 발명에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 복수의 기준 전압에 의해 리드아웃 신호의 피크치를 고려하여 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함으로써 리드아웃 신호가 오버플로우되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본원 발명에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)의 커패시턴스에 의한 스케일 펙터(Scale factor)를 적용하여 양자화율을 "1V/2n-1×스케일 펙터"로 가변시킴으로써 터치 센싱 신호의 양자화율을 극대화할 수 있다.
또한, 본원 발명에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 리드아웃 라인(ROL)의 위치에 따른 특성 편차(기생 커패시턴스 및 저항)에 따라 리드아웃 신호의 입력 전압 범위가 가변(증대)되는 경우에도 각 리드아웃 라인(ROL)과 공통 접속된 복수의 비교 회로 및 복수의 ADC를 이용하여 복수의 전압 범위(Vref1~Vref2, Vref2~Vref3)로 구분하여 복수의 디지털 데이터로 변환함으로써 리드아웃 신호의 가변 수용폭을 극대화할 수 있다.
따라서, 본원 발명에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로는 리드아웃 신호의 입력 범위 및 양자화율이 증가됨으로써 터치 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 리드아웃 회로의 구동 파형도이다.
도 2는 본원 발명에 따른 터치 센서를 갖는 표시 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 터치 센서 어레이의 일 예로 광 터치 센서를 나타낸 등가 회로도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 터치 센서 어레이의 다른 예로 커패시티브 터치 센서를 나타낸 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로를 나타낸 등가 회로도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 리드아웃 회로의 구동 파형도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로를 나타낸 등가 회로도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 리드아웃 회로의 구동 파형도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터치 센서를 갖는 표시 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2에 나타낸 터치 센서를 갖는 표시 장치는 터치 센서 어레이(14) 및 리드아웃 회로(15)와, 표시 패널(10) 및 데이터 드라이버(12)와 게이트 드라이버(13)를 구비한다.
표시 패널(10)로는 액정 표시 장치, 플라즈마 디스플레이 패널, 유기 발광 다이오드 표시 장치와 같은 평판 표시 장치가 주로 이용될 수 있다. 이하에서는 액정 표시 장치를 예로 들어 설명하기로 한다. 표시 패널(10)로 액정 표시 장치가 이용되는 경우, 액정 표시 장치는 컬러 필터 어레이가 형성된 컬러 필터 기판과, 박막 트랜지스터 어레이가 형성된 박막 트랜지스터 기판과, 컬러 필터 기판 및 박막 트랜지스터 기판 사이의 액정층과, 컬러 필터 기판 및 박막 트랜지스터 기판의 외측면에 각각 부착된 편광판을 구비한다. 액정 표시 장치는 화상 신호에 따른 수평 전계 또는 수직 전계로 액정층을 구동하여 화상을 표시한다.
게이트 드라이버(13)는 표시 패널(10)의 박막 트랜지스터 어레이에 형성된 다수의 게이트 라인(GL)을 순차 구동한다. 게이트 드라이버(13)는 게이트 온 전압의 스캔 펄스를 공급하여 각 게이트 라인(GL)을 구동하며, 나머지 기간에는 게이트 오프 전압을 공급한다.
데이터 드라이버(12)는 표시 패널(10)의 박막 트랜지스터 어레이에 형성된 다수의 데이터 라인(DL)에 데이터 신호를 공급한다. 데이터 드라이버(12)는 입력 디지털 데이터를 감마 전압을 이용하여 아날로그 데이터 신호로 변환하여 각 게이트 라인(GL)이 구동될 때마다 데이터 신호를 데이터 라인(DL)으로 공급한다.
터치 센서 어레이(14)는 다수의 터치 센서(미도시)와, 다수의 터치 센서와 접속된 다수의 리드아웃 라인(ROL)를 구비한다. 터치 센서 어레이(14)는 표시 패널(10) 상에 부착되거나, 표시 패널(10)의 화소 어레이 내에 내장되어 표시 패널(10)과 일체화될 수 있다. 리드아웃 회로(15)는 터치 센서를 구동함과 아울러 리드아웃 라인(ROL)를 통해 출력되는 신호를 기준 전압과 비교하여 터치 여부를 나타내는 터치 센싱 신호를 생성하고, 터치 센싱 신호를 디지털 데이터로 변환하여 신호 프로세서(미도시)출력한다. 리드아웃 회로(15)는 신호 프로세서와 함께 하나의 터치 컨트롤러 IC(Integrated Circuit)로 집적화될 수 있다. 리드아웃 회로(15)는 기존의 단일 기준 전압이 아닌 서로 다른 제1 및 제2 기준 전압을 각각 이용한 복수의 증폭기를 이용하여 입력 전압 범위를 가변적으로 설정함과 아울러 게인 커패시터를 이용하여 전압 범위를 스케일링한다. 이에 따라, 터치 신호의 피크치가 오버플로우되는 것을 방지함과 아울러 터치 센싱 신호의 양자화율(Quantization Rate)을 극대화할 수 있다. 이러한 리드아웃 회로(15)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
도 3은 도 2에 나타낸 터치 센서 어레이(10)의 일 예로 인-셀 타입의 광 터치 센서의 등가 회로도이다.
도 3에 나타낸 광 터치 센서(PTS)는 액정 표시 장치의 화소 어레이 내에 내장된다. 각 화소(PX)는 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)이 교차하여 정의된 각 화소 영역에 형성된 화소 박막 트랜지스터(Tpx)와, 화소 박막 트랜지스터(Tpx)와 병렬 접속된 액정 커패시터(Clc) 및 스토리지 커패시터(Cst)를 구비한다. 액정 커패시터(Clc)는 박막 트랜지스터(Tpx)와 접속된 화소 전극과, 공통 전극과, 화소 전극과 공통 전극에 의해 수직 전계또는 수평 전계가 인가되는 액정층으로 구성된다. 화소 박막 트랜지스터(Tpx)는 해당 게이트 라인(GL)으로부터의 게이트 신호에 응답하여, 데이터 라인(DL)으로부터의 데이터 신호를 액정 커패시터(Clc) 및 스토리지 커패시터(Cst)에 저장한다. 액정 커패시터(Clc)에 저장된 데이터 신호에 따라 액정이 구동되고, 스토리지 커패시터(Cst)는 액정 커패시터(Clc)가 데이터 신호를 안정적으로 유지시킨다.
광 터치 센서(PTS)는 광 세기에 따라 터치를 감지하는 센서 박막 트랜지스터(Tss)와, 센서 박막 트랜지스터(Tss)에 바이어스(Bias) 전압을 공급하는 바이어스 라인(BL)과, 센서 박막 트랜지스터(Tss)의 출력 신호를 저장하는 스토리지 커패시터(Cst2)와, 스토리지 커패시터(Cst2)에 저장된 신호를 출력하는 스위치 박막 트랜지스터(Tsw)와, 스위치 박막 트랜지스터(Tsw)와 접속된 리드아웃 라인(ROL)을 구비한다.
센서 박막 트랜지스터(Tss)의 게이트 전극 및 제1 전극이 바이어스 라인(BL)에 접속되고, 제2 전극은 스토리지 커패시터(Cst2)와 접속된다. 제1 및 제2 전극은 전류 방향에 따라 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 스토리지 커패시터(Cst2)는 센서 박막 트랜지스터(Tss)의 제2 전극과 게이트 전극 사이에 접속된다. 스위치 박막 트랜지스터(Tsw)는 게이트 전극이 게이트 라인(GL)에 접속되고, 제1 및 제2 전극이 각각 스토리지 커패시터(Cst2)와 리드아웃 라인(ROL)에 접속된다.
센서 박막 트랜지스터(Tss)는 터치에 의한 입사광 또는 반사광의 광 세기에 응답하여 광 누설 전류를 발생하고, 광 누설 전류를 스토리지 커패시터(Cst2)에 저장한다. 스위치 박막 트랜지스터(Tsw)는 게이트 라인(GL)의 게이트 신호에 응답하여 스토리지 커패시터(Cst2)에 저장된 전압을 리드아웃 라인(ROL)으로 출력한다. 따라서, 광 터치 센서(PTS)는 입사광 또는 반사광의 광 세기에 따라 터치 여부를 나타내는 신호를 리드아웃 라인(ROL)으로 출력한다
도 4는 도 2에 나타낸 터치 센서 어레이(10)의 다른 예로 인-셀 타입의 커패시티브 터치 센서의 등가 회로도이다.
도 3에 나타낸 커패시티브 터치 센서(CTS)는 액정 표시 장치의 화소 어레이 내에 내장된다. 각 화소(PX)는 전술한 바와 같이 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)과 접속된 화소 박막 트랜지스터(Tpx)와, 화소 박막 트랜지스터(Tpx)와 병렬 접속된 액정 커패시터(Clc) 및 스토리지 커패시터(Cst)를 구비한다.
커패시티브 터치 센서(CTS)는 터치 물체와 센싱 커패시터(Cf)를 형성하기 위한 센싱 전극(20)과, 센서 게이트 라인 쌍(SGLa, SGLb)과, 제1 센서 게이트 라인(SGLa)의 제어에 응답하여 전원 라인(PL)과 센싱 전극(20) 일측단과의 전류 패스를 형성하는 제1 스위치 박막 트랜지스터(Tsw1)와, 제2 센서 게이트 라인(SGLb)의 제어에 응답하여 리드아웃 라인(ROL)과 센싱 전극(20) 타측단과의 전류 패스를 형성하는 제2 스위치 박막 트랜지스터(Tsw2)를 구비한다.
제1 스위치 박막 트랜지스터(Tsw1)의 게이트 전극은 제1 센서 게이트 라인(SGLa)과 접속되고, 제1 전극은 파워 라인(PL)과 접속되며, 제2 전극은 센싱 전극(20)의 일측단과 접속된다. 제1 및 제2 전극 각각은 전류 방향에 따라 소스 전극 및 드레인 전극이 된다. 제2 스위치 박막 트랜지스터(Tsw2)의 게이트 전극은 제2 센서 게이트 라인(SGLb)과 접속되고, 제1 전극은 리드아웃 라인(ROL)과 접속되며, 제1 전극은 센싱 전극(20)의 타측단과 접속된다. 제1 및 제2 전극 각각은 전류 방향에 따라 소스 전극 및 드레인 전극이 된다.
제1 스위치 박막 트랜지스터(Tsw1)가 제1 센서 게이트 라인(SGLa)의 게이트 신호에 의해 응답하여 전원 라인(PL)으로부터의 구동 전압(Vd)을 센싱 전극(20)에 공급한다. 이때, 터치 물체가 액정 표시 장치의 표면을 터치하면 터치 물체와 센싱 전극(20) 사이에 센싱 커패시터(Cf)가 형성된다. 이어서, 제2 스위치 박막 트랜지스터(Tsw2)가 제2 센서 게이트 라인(SGLb)의 게이트 신호에 응답하여 터치 커패시터(Cf)를 통해 센싱 전극(20)에 유도된 전하량에 대응하는 신호를 리드아웃 라인(ROL)으로 출력한다.
도 2에 나타낸 터치 센서 어레이(14)에는 전술한 인-셀 타입의 광 터치 센서 또는 커패시티브 터치 센서 뿐만 아니라, 표시 패널(10) 상에 부착되는 다양한 방식의 터치 패널이 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서를 위한 리드아웃 회로를 나타낸 등가 회로도이고, 도 6은 도 5에 나타낸 리드아웃 유닛의 구동 파형도이다.
도 5에 나타낸 리드아웃 회로(30)는 각 리드아웃 라인(ROL)을 통해 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위(Vref1~Vref2)를 제한하고 스케일링하여 터치 센싱 신호를 출력하는 비교 회로(32)와, 비교 회로(32)로부터 출력된 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터(Analog to Digital Converter; 이하 ADC)(38)를 구비한다.
비교 회로(32)는 터치 센서(TS)의 리드아웃 라인(ROL)과 직렬 접속되어 리드아웃 신호의 입력 범위(Vref1~Vref2)를 설정하는 제1 및 제2 증폭기(34, 36)와, 제1 및 제2 증폭기(34, 36) 각각에 병렬 접속되어 상기 리드아웃 신호를 스케일링하여 ADC(38)의 구동 범위에 적합한 터치 센싱 신호(Vout)를 출력하는 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)를 구비한다.
터치 센서(TS)의 스위치 박막 트랜지스터(Tsw)와 접속된 리드아웃 라인(ROL)은 제1 증폭기(34)의 반전(-) 입력 단자와 접속되고, 제1 기준 전압(Vref1) 입력 라인은 제1 증폭기(34)의 비반전(+) 입력 단자와 접속된다. 제1 게인 커패시터(Cg1)는 제1 증폭기(34)의 반전(-) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다. 제1 증폭기(34)의 출력 단자는 제2 증폭기(36)의 비반전(+) 입력 단자와 직렬 접속되고, 제2 기준 전압(Vref2) 입력 라인은 제2 증폭기(36)의 반전(-) 입력 단자와 접속된다. 제2 게인 커패시터(Cg2)는 제2 증폭기(36)의 비반전(+) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다.
터치 센서(TS)로부터 리드아웃 라인(ROL)을 통해 출력되는 리드아웃 신호는 도 6과 같이 제1 증폭기(34)에 의해 제1 기준 전압(Vref1) 보다 큰 전압으로 제한되고, 제2 증폭기(36)에 의해 제2 기준 전압(Vref2) 보다 작은 전압으로 제한된다. 그리고, 제1 및 제2 기준 전압(Vref1, Vref2) 사이의 리드아웃 신호는 도 6과 같이 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)에 의해 ADC(38)의 구동 범위로 스케일링되어 터치 센싱 신호(Vout)로 출력된다. 예를 들면, 터치 센싱 신호는 1V 범위로 스케일링되어 출력될 수 있다. 리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 제1 및 제2 기준 전압(Vref1, Vref2)이 조절되고, ADC(38)의 구동 범위에 따라 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)의 커패시턴스가 각각 조절된다.
제2 증폭기(36)를 통해 출력되는 터치 센싱 신호(Vout)는 다음 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112016076682178-pat00010
상기 수학식 1에서, Vout은 제2 증폭기(36)로 출력되는 터치 센싱 신호의 전압을 나타내고, Vref1는 제1 기준 전압을, Vref2는 제2 기준 전압을, Cg1는 제1 게인 커패시터의 커패시턴스를, Cg2는 제2 게인 커패시터의 커패시턴스를, Iro는 터치 센서(TS)로부터 리드아웃 라인(ROL)을 통해 공급되는 리드아웃 신호의 전류를, to 및 Tf는 리드아웃 전류를 적분하기 위한 단위 시간 범위를 각각 나타낸다.
이에 따라, 비교 회로(32)는 터치 센서(TS)로부터의 리드아웃 신호의 피크치를 고려하여 제1 및 제2 기준 전압(Vref1, Vref2)과, 제1 및 제2 기생 커패시터(Cg1, Cg2)의 커패시턴스를 가변하여 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함과 아울러 리드아웃 신호를 스케일링함으로써 ADC(38)의 구동 범위에 적합한 터치 센싱 신호(Vout)를 출력할 수 있다.
이 결과, 단일 기준 전압으로부터 1V 범위가 고정된 종래의 리드아웃 회로에서는 터치 센싱 신호가 높은 경우 오버플로우되는 문제점이 있는 반면에, 본원 발명에 따른 리드아웃 회로는 제1 및 제2 기준 전압(Vref1, Vref2)에 의해 리드아웃 신호의 피크치를 고려하여 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함으로써 리드아웃 신호가 오버플로우되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 단일 기준 전압으로부터 1V 범위가 고정된 종래의 리드아웃 회로의 양자화율은 1V/2n-1(여기서, n는 터치 센싱 데이터의 비트수)로 고정된 반면에, 본원 발명에 따른 리드아웃 회로의 양자화율은 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)의 커패시턴스에 의한 스케일 펙터(Scale factor)를 적용하여 "1V/2n-1×스케일 펙터"로 가변시켜서 터치 센싱 신호의 양자화율을 극대화할 수 있다.
도 7은 본원 발명의 다른 실시예에 따른 리드아웃 회로를 나타낸 등가 회로도이고, 도 8은 도 7에 나타낸 리드아웃 회로의 구동 파형도이다.
도 7에 나타낸 리드아웃 회로(40)와 도 5에 나타낸 리드아웃 회로(30)를 대비하면, 도 5에 나타낸 리드아웃 회로(30)는 하나의 리드아웃 라인(ROL)에 하나의 비교 회로(32) 및 ADC(38)를 구비한 반면에, 도 7에 나타낸 리드아웃 회로(40)는 하나의 리드아웃 라인(ROL)에 복수의 비교 회로(42, 52) 및 복수의 ADC(48, 58)를 구비한다는 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 도 7에 나타낸 리드아웃 회로(40)는 터치 센서(TS)의 리드아웃 라인(ROL)을 통해 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 제한하고 스케일링하여 터치 센싱 신호를 출력하는 복수의 비교 회로(42, 52)와, 복수의 비교 회로(42, 52)로부터 출력된 터치 센싱 신호를 각각 디지털 센싱 데이터로 변환하여 출력하는 복수의 ADC(48, 58)를 구비한다.
제1 비교 회로(42)는 터치 센서(TS)의 리드아웃 라인(ROL)과 직렬 접속되어 리드아웃 신호의 제1 입력 범위(Vref1~Vref2)를 설정하는 제1 및 제2 증폭기(44, 46)와, 제1 및 제2 증폭기(44, 46) 각각에 병렬 접속되어 상기 리드아웃 신호를 스케일링하여 제1 ADC(48)의 구동 범위에 적합한 제1 터치 센싱 신호(Vout1)를 출력하는 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)를 구비한다. 제1 증폭기(44)의 반전(-) 입력 단자는 리드아웃 라인(ROL)과 접속되고, 비반전(+) 입력 단자는 제1 기준 전압(Vref1)의 입력 라인과 접속된다. 제1 게인 커패시터(Cg1)는 제1 증폭기(34)의 반전(-) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다. 제2 증폭기(46)의 비반전(+) 입력 단자는 제1 증폭기(44)의 출력 단자와 직렬 접속되고, 반전(-) 입력 단자는 제2 기준 전압(Vref2)의 입력 라인과 접속된다. 제2 게인 커패시터(Cg2)는 제2 증폭기(46)의 비반전(+) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다.
제2 비교 회로(52)는 터치 센서(TS)의 리드아웃 라인(ROL)과 직렬 접속되어 리드아웃 신호의 제2 입력 범위(Vref2~Vref3)를 설정하는 제3 및 제4 증폭기(54, 56)와, 제3 및 제4 증폭기(54, 56) 각각에 병렬 접속되어 상기 리드아웃 신호를 스케일링하여 제2 ADC(58)의 구동 범위에 적합한 제2 터치 센싱 신호(Vout2)를 출력하는 제3 및 제4 게인 커패시터(Cg3, Cg4)를 구비한다. 제3 증폭기(54)의 반전(-) 입력 단자는 리드아웃 라인(ROL)과 접속되고, 비반전(+) 입력 단자는 제2 기준 전압(Vref2)의 입력 라인과 접속된다. 제3 게인 커패시터(Cg3)는 제3 증폭기(54)의 반전(-) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다. 제4 증폭기(56)의 비반전(+) 입력 단자는 제3 증폭기(54)의 출력 단자와 직렬 접속되고, 반전(-) 입력 단자는 제3 기준 전압(Vref3)의 입력 라인과 접속된다. 제4 게인 커패시터(Cg4)는 제4 증폭기(56)의 비반전(+) 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬 접속된다.
터치 센서(TS)로부터 리드아웃 라인(ROL)을 통해 출력되는 리드아웃 신호는 도 8과 같이 베이스 레벨이 시간 경과에 따라 증가할 수 있다. 이는 인-셀 타입의 터치 센서의 위치에 따라 리드아웃 라인(ROL)의 기생 커패시턴스 및 저항이 다르기 때문이다. 예를 들면, 리드아웃 라인(ROL)의 기생 커패시턴스 및 저항이 증가할 수록 도 8과 같이 리드아웃 신호의 베이스 레벨이 점진적으로 증가한다.
이렇게 리드아웃 신호의 입력 전압 범위가 증가되는 경우를 고려하여, 제1 비교 회로(42)는 제1 증폭기(34)에 의해 제1 기준 전압(Vref1) 보다 큰 전압으로 입력 신호를 제한하고, 제2 증폭기(36)에 의해 제2 기준 전압(Vref2) 보다 작은 전압으로 입력 신호를 제한한다. 이에 따라, 제1 및 제2 기준 전압(Vref1, Vref2) 사이 전압 범위로 제한되는 리드아웃 신호가 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)에 의해 제1 ADC(48)의 구동 범위로 스케일링되어 제1 터치 센싱 신호(Vout1)로 출력된다.
제2 비교 회로(52)는 제3 증폭기(54)에 의해 제2 기준 전압(Vref2) 보다 큰 전압으로 입력 신호를 제한하고, 제4 증폭기(56)에 의해 제3 기준 전압(Vref3) 보다 작은 전압으로 입력 신호를 제한한다. 이에 따라, 제2 및 제3 기준 전압(Vref2, Vref3) 사이의 전압 범위로 제한되는 리드아웃 신호가 제3 및 제4 게인 커패시터(Cg3, Cg4)에 의해 제2 ADC(58)의 구동 범위로 스케일링되어 제2 터치 센싱 신호(Vout2)로 출력된다.
제1 ADC(48)는 제1 비교 회로(42)로부터 출력되는 제1 터치 센싱 신호(Vout1)를 제1 디지털 센싱 신호로 변환하여 출력하고, 제2 ADC(58)는 제2 비교 회로(52)로부터 출력되는 제2 터치 센싱 신호(Vout2)를 제2 디지털 센싱 신호로 변환하여 출력한다. 그리고, 제1 및 제2 ADC(48, 58)로부터 출력되는 제1 및 제2 디지털 센싱 신호를 조합(가산)하여 최종 디지털 센싱 신호로 출력된다.
이에 따라, 리드아웃 라인(ROL)의 위치에 따른 특성 편차(기생 커패시턴스 및 저항)에 따라 리드아웃 신호의 입력 전압 범위가 가변(증대)되는 경우에도 각 리드아웃 라인(ROL)과 공통 접속된 복수의 비교 회로(42, 52) 및 복수의 ADC(48, 58)를 이용하여 복수의 전압 범위(Vref1~Vref2, Vref2~Vref3)로 구분하여 복수의 디지털 데이터로 변환함으로써, 리드아웃 신호의 가변 수용폭을 극대화할 수 있다.
리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 제1 내지 제3 기준 전압(Vref1~Vref3)이 개별적으로 조절되고, 제1 ADC(48)의 구동 범위에 따라 제1 및 제2 게인 커패시터(Cg1, Cg2)의 커패시턴스가 조절되며, 제2 ADC(58)의 구동 범위에 따라 제3 및 제4 게인 커패시터(Cg3, Cg4)의 커패시턴스가 조절된다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 표시 패널 12: 데이터 드라이버
13: 게이트 드라이버 14: 터치 센서 어레이
15: 리드아웃 회로 20: 센싱 전극
30, 40: 리드아웃 회로 32, 42, 52: 비교 회로
34, 36, 44, 46, 54, 56: 증폭기 38, 48, 58: ADC

Claims (9)

  1. 터치 센서의 각 리드아웃 라인과 접속된 리드아웃 회로에 있어서,
    상기 리드아웃 회로는
    상기 리드아웃 라인으로부터 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 설정함과 아울러 상기 리드아웃 신호를 스케일링하여 터치 센싱 신호로 출력하는 비교 회로와;
    상기 비교 회로로부터 출력되는 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터를 구비하고,
    상기 비교 회로는
    상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 제1 기준 전압과 제2 기준 전압 사이로 제한하는 제1 및 제2 증폭기를 포함하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비교 회로는
    상기 리드아웃 신호를 상기 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제1 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제1 게인 커패시터 및 상기 제2 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제2 게인 커패시터를 추가로 구비하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압이 조절되고;
    상기 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제1 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제2 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절되는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  4. 터치 센서의 각 리드아웃 라인과 접속된 리드아웃 회로에 있어서,
    상기 리드아웃 회로는
    상기 리드아웃 라인으로부터 출력되는 리드아웃 신호의 입력 범위를 서로 다르게 설정함과 아울러 상기 리드아웃 신호를 스케일링하여 복수의 터치 센싱 신호로 출력하는 복수의 비교 회로와;
    상기 복수의 비교 회로로부터 각각 출력되는 복수의 터치 센싱 신호를 디지털 센싱 데이터로 각각 변환하여 출력하는 복수의 아날로그-디지털 컨버터를 구비하고,
    상기 복수의 비교 회로는 상기 리드아웃 라인과 공통 접속된 제1 및 제2 비교 회로를 구비하고;
    상기 제1 비교 회로는 상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 제1 기준 전압과 제2 기준전압 사이로 제한하는 제1 및 제2 증폭기를 포함하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터는 상기 제1 및 제2 비교 회로와 각각 접속된 제1 및 제2 아날로그-디지털 컨버터를 구비하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 비교 회로는,
    상기 리드아웃 신호를 상기 제1 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제1 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제1 게인 커패시터 및 상기 제2 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제2 게인 커패시터를 추가로 구비하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 비교 회로는,
    상기 리드아웃 라인과 직렬 접속되어 상기 리드아웃 신호의 입력 범위를 상기 제2 기준 전압과 제3 기준전압 사이로 제한하는 제3 및 제4 증폭기와;
    상기 리드아웃 신호를 상기 제2 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위로 스케일링하기 위하여 상기 제3 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제3 게인 커패시터 및 상기 제4 증폭기의 입출력 단자 사이에 접속된 제4 게인 커패시터를 구비하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 리드아웃 신호의 전압 범위에 따라 상기 제1 내지 제3 기준 전압이 개별적으로 조절되고;
    상기 제1 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제1 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제2 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절되며;
    상기 제2 아날로그-디지털 컨버터의 구동 범위에 따라 상기 제3 게인 커패시터의 커패시턴스와 상기 제4 게인 커패시터의 커패시턴스가 조절되는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 리드아웃 회로는
    상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터를 통해 개별적으로 출력되는 복수의 터치 센싱 데이터를 조합하여 하나의 터치 센싱 데이터를 출력하는 터치 센서를 위한 리드아웃 회로.
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