KR102322306B1 - 터치 센싱 장치 및 이를 이용한 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 센싱 장치와 이를 이용한 표시장치에 관한 것이다. 이 터치 센싱 장치는 터치 스크린으로부터의 입력 신호가 수신되는 입력 노드, 아날로그-디지털 변환기의 입력 단자에 연결된 출력 노드, 상기 입력 노드와 제1 노드 사이에 연결되어 제1 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제1 스위치 소자, 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 제2 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제2 스위치 소자, 제3 노드에 접속된 입력 단자와 상기 출력 노드에 접속된 연산 증폭기, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 샘플링 커패시터, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 폴딩 커패시터,상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되어 제3 스위치 신호에 온/오프되는 제3 스위치 소자, 상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제4 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제4 스위치 소자, 및 상기 제3 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제5 스위치 신호에 온/오프되는 제5 스위치 소자를 포함한다.

Description

터치 센싱 장치 및 이를 이용한 표시장치{TOUCH SENSING SYSTEM AND DISPLAY USING THE SAME}

본 발명은 터치 센싱 장치와 이를 이용한 표시장치에 관한 것이다.

유저 인터페이스(User Interface, UI)는 사람(사용자)과 각종 전기, 전자 기기 등의 통신을 가능하게 하여 사용자가 자신이 원하는 대로 기기를 쉽게 제어할 수 있게 한다. 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. 유저 인터페이스는 터치 UI, 음성 인식 UI, 3D UI 등으로 진화되고 있다.

정전 용량 방식의 터치 스크린은 정전 용량(capacitance) 센서들로 구현될 수 있다. 정전 용량 센서는 자기 용량 타입 센서 또는 상호 용량 타입 센서로 나뉘어질 수 있다.

상호 용량 센서는 도 1과 같이 두 전극들(Tx, Rx) 사이에 형성된 상호 용량(Mutual capacitance, Cm)을 포함한다. 센싱부(12)는 Tx 라인(Tx1~Tx5)에 구동신호(또는 자극신호)를 인가하고 Rx 라인(Rx1~Rx6)을 터치 전후 상호 용량의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력을 감지한다. 상호 용량(Cm)에 도전체가 가까이 접근하면 상호 용량(Cm)이 감소된다. 센싱부(12)는 터치 센서 신호를 샘플링하여 증폭하는 샘플 & 홀드 증폭부(Sample & Hold Amp. SHA)와, 샘플 & 홀드 증폭부(SHA)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(Analog to digital converter, 이하 "ADC"라 함)로 나뉘어 진다. ADC는 샘플 & 홀드 증폭부의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환함으로써 터치 로 데이터(Touch Raw Data, Tdata)를 출력한다.

자기 용량 센서는 도 2와 같이 센서 전극 각각에 형성되는 자기 용량(Self capacitance, Cs)을 포함한다. 센싱부(14)는 센서 전극 각각에 전하를 공급하고 자기 용량(Cs)의 전하 변화량을 바탕으로 터치 입력을 감지한다. 자기 용량에 도전체가 가까이 접근하면, 자기 용량이 증가한다. 센싱부(14)는 터치 센서 신호를 샘플링하여 증폭하는 샘플 & 홀드 증폭부(SHA)와, 샘플 & 홀드 증폭부(SHA)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하는 ADC로 나뉘어 진다. ADC는 샘플 & 홀드 증폭부(SHA)의 출력 신호를 디지털 데이터로 변환함으로써 터치 로 데이터(Tdata)를 출력한다.

터치 센싱 장치는 센싱부(12, 14)로부터의 터치 로 데이터(Tdata)를 분석하여 터치 입력 여부를 판단하고 터치 입력 각각의 좌표 정보를 계산하는 디지털 처리부를 더 포함한다. 터치 센싱 장치의 터치 감도를 높이기 위해서는 터치 센서의 전하 변화량을 정확하게 감지하여야 한다. 이를 위하여, ADC의 입력 범위가 넓어야 하지만, ADC의 입력 범위가 충분히 넓지 않기 때문에 터치 센싱 장치의 성능을 개선하기가 쉽지 않다. 샘플 & 홀드 증폭부(SHA)의 출력 신호가 ADC의 입력 범위를 초과하면 그 초과분의 데이터는 같은 값으로 포화(saturation)되기 때문에 ADC의 입력 범위를 초과한 신호를 표현할 수 없다. ADC의 전원 전압이 낮으면, ADC의 입력 범위가 좁은 범위로 제한된다. FADC(Flash ADC)의 기준값을 높여 입력 범위를 강제로 증가시키면 증폭기의 동작 범위를 벗어나기 때문에 FADC의 선형성이 나빠진다.

본 발명은 터치 감도를 높일 수 있는 터치 센싱 장치를 제공한다.

본 발명의 터치 센싱 장치는 터치 스크린으로부터의 입력 신호가 수신되는 입력 노드, 아날로그-디지털 변환기의 입력 단자에 연결된 출력 노드, 상기 입력 노드와 제1 노드 사이에 연결되어 제1 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제1 스위치 소자, 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 제2 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제2 스위치 소자, 제3 노드에 접속된 입력 단자와 상기 출력 노드에 접속된 연산 증폭기, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 샘플링 커패시터, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 폴딩 커패시터, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되어 제3 스위치 신호에 온/오프되는 제3 스위치 소자, 상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제4 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제4 스위치 소자, 및 상기 제3 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제5 스위치 신호에 온/오프되는 제5 스위치 소자를 포함한다.

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본 발명의 표시장치는 터치 스크린을 가지는 표시패널, 입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 디스플레이 구동회로, 및 상기 터치 센싱 장치를 포함한다.

본 발명은 폴딩 커패시터를 이용하여 ADC에 입력될 신호의 전압 범위를 ADC의 입력 범위 이내로 조정한다. 그 결과, 본 발명은 ADC로부터 출력되는 디지털 값으로 표현할 수 있는 ADC의 입력 범위를 증가시킬 수 있으므로 터치 감도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 상호 용량 방식의 터치 스크린을 보여 주는 도면이다.
도 2는 자기 용량 방식의 터치 스크린을 보여 주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 터치 센서 구동부의 센싱부를 보여 주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부의 제1 실시예를 보여 주는 회로도이다.
도 6은 도 5 및 도 9에 도시된 스위치 소자들의 온/오프 타이밍을 보여 주는 파형도이다.
도 7은 종래 기술에서 ADC의 입력 범위를 초과하여 ADC에 입력되는 신호에서 포화 구간을 보여 주는 도면이다.
도 8은 본 발명을 적용하여 ADC의 입력 범위를 초과하는 신호의 전압을 ADC의 입력 범위 내로 변환하여 ADC의 입력 신호의 모든 전압을 디지털 값으로 표현한 예를 보여 주는 도면이다.
도 9는 도 4에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부의 제2 실시예를 보여 주는 회로도이다.
도 10은 도 5 및 도 9에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부의 폴딩 커패시터를 샘플링 커패시터로 활용하는 방법을 보여 주는 스위치 신호의 파형도이다.

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

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 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 표시장치는 표시패널(100)과, 터치 스크린(TSP)을 포함한다. 터치 스크린(TSP)은 정전 용량 방식의 터치 센서들을 포함한다.

터치 센서들은 상호 용량 또는 자기 용량을 이용하여 터치 입력을 감지한다. 터치 센서들이 형성된 기판은 표시패널(100) 상에 접합될 수 있다. 이와 다른 방법으로 터치 센서들은 픽셀 어레이와 함께 표시패널(100)의 하부 기판 상에 형성되어 표시패널(100)에 인셀(In-cell) 타입으로 내장될 수 있다.

본 발명의 표시장치는 입력 영상의 픽셀 데이터를 픽셀들에 기입하는 디스플레이 구동회로(102, 104, 106)와, 터치 입력을 감지하는 터치 센서 구동부(110)를 포함한다.

표시패널(100)의 픽셀 어레이는 데이터 라인들(S1~Sm, m은 양의 정수)과 게이트 라인들(G1~Gn, n은 양의 정수)에 의해 정의된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은 데이터 라인들(S1~Sm)과 게이트 라인들(G1~Gn)의 교차부들에 형성된 TFT(Thin Film Transistor), TFT를 통해 데이터전압을 공급받는 화소전극, 터치 센서의 전극들로 분할된 공통 전극, 화소 전극에 접속되어 액정셀의 전압을 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함한다.

표시패널(100)의 상부 기판에는 블랙매트릭스, 컬러필터 등이 형성될 수 있다. 표시패널(100)의 하부 기판은 COT(Color filter On TFT) 구조로 구현될 수 있다. 이 경우에, 컬러필터는 표시패널(100)의 하부 기판에 형성될 수 있다. 표시패널(100)의 상부 기판과 하부 기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 표시패널(100)의 상부 기판과 하부 기판 사이에는 액정층의 셀갭(Cell gap)을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 형성된다.

표시패널(100)의 배면 아래에는 백라이트 유닛이 배치될 수 있다. 백라이트 유닛은 에지형(edge type) 또는 직하형(Direct type) 백라이트 유닛으로 구현되어 표시패널(100)에 빛을 조사한다. 표시패널(100)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. 유기발광 다이오드 표시장치와 같은 자발광 표시장치에서 백라이트 유닛은 필요 없다.

터치 센서들이 픽셀 어레이에 내장되면, 터치 센서들은 공통 전극의 분할 패턴들로 형성될 수 있다. 터치 센서들이 픽셀 어레이에 내장되면, 픽셀 어레이와 터치 센서들은 디스플레이 기간과 터치 센서 구동 기간으로 시분할 구동된다. 터치 센서는 디스플레이 기간 동안 공통 전압(Vcom)을 픽셀들에 공급하고, 터치 센서 기간 구동 기간 동안 터치 입력을 감지한다.

디스플레이 구동회로(102, 104, 106)는 데이터 구동부(102), 게이트 구동부(104), 및 타이밍 콘트롤러(106)를 포함한다.

데이터 구동부(102)는 타이밍 콘트롤러(106)로부터 수신되는 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압을 출력한다. 데이터 구동부(102)로부터 출력된 데이터전압은 데이터 라인들(S1~Sm)에 공급된다.

게이트 구동부(104)는 데이터전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔펄스)를 게이트 라인들(G1~Gn)에 순차적으로 공급하여 데이터 전압이 기입되는 표시패널(100)의 라인을 선택한다.

타이밍 콘트롤러(106)는 호스트 시스템(108)으로부터 입력되는 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(Data Enable, DE), 메인 클럭(MCLK) 등의 타이밍신호를 입력받아 데이터 구동부(102), 게이트 구동부(104) 및 터치 센서 구동부(110)의 동작 타이밍을 동기시킨다. 도 6에서, SDC는 데이터 구동부(102)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 데이터 타이밍 신호이다. GDC는 게이트 구동부(104)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 게이트 타이밍 신호이다.

호스트 시스템(108)은 텔레비젼 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 호스트 시스템(108)은 스케일러(scaler)를 내장한 SoC(System on chip)을 포함하여 입력 영상의 디지털 비디오 데이터를 표시패널(100)의 해상도에 적합한 포맷으로 변환한다. 호스트 시스템(108)은 입력 영상의 디지털 비디오 데이터(RGB)와 함께 타이밍 신호들(Vsync, Hsync, DE, MCLK)을 타이밍 콘트롤러(106)로 전송한다. 또한, 호스트 시스템(108)은 터치 센서 구동부(110)로부터 입력되는 터치 입력의 좌표 정보(XY)와 연계된 응용 프로그램을 실행한다.

터치 센서 구동부(110)는 터치 스크린(TSP)의 출력 채널들로부터의 신호를 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터(Tdata)를 발생한다. 터치 센서 구동부(110)는 디지털 연산 로직 회로를 이용하여 터치 인식 알고리즘을 실행시킨다. 터치 인식 알고리즘은 터치 로 데이터(Tdata)를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 터치 입력을 판정하고, 터치 입력 각각에 식별 코드와 좌표 정보(XY)를 부가하여 호스트 시스템(108)으로 전송한다.

터치 센서 구동부(110)의 센싱부는 샘플 & 홀드 증폭부(SHA, 112)와, ADC(114)를 포함한다. 터치 스크린(TSP)의 출력 채널들과 샘플 & 홀드 증폭부(112) 사이에 차동 증폭기(10)가 연결될 수 있다.

차동 증폭기(10)는 반전 입력 단자(-)에 입력되는 제i(i는 양의 정수) 센서 신호와 비반전 입력 단자(+)에 입력되는 제i+1 센서 신호의 차를 증폭하여 제i 센서 신호( S1~S4)를 출력한다. 차동 증폭기(10)는 터치 스크린(TSP)에서 이웃한 출력 채널들을 통해 수신된 신호들의 차를 증폭함으로써 노이즈에 비하여 신호 성분을 더 크게 하여 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)를 개선할 수 있다. 차동 증폭기(10)는 풀리 디퍼런셜 앰플리파이어(Fully differential amplifier)로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 풀리 디퍼런셜 앰플리파이어는 차 신호를 증폭하여 정극성 신호(P)와 부극성 신호(N)를 출력한다.

샘플 & 홀드 증폭부(112)는 차동 증폭기(10)로부터의 입력 신호(터치 센서 신호)를 샘플링하고 증폭한다. 그리고 샘플 & 홀드 증폭부(112)는 폴딩 커패시터(Folding capacitor)를 이용하여 입력 신호의 전압을 ADC(114)의 입력 범위 이내로 변환한다. 본 발명은 폴딩 커패시터를 이용하여 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 입력 신호 전압을 변환하여 종래 기술에서 표현하지 못한 터치 센서 신호의 전압을ADC로부터 출력된 터치 로 데이터(Tdata)에서 표현할 수 있다. 또한, 본 발명은 폴딩 커패시터를 이용하여 터치 센서의 표현 범위를 원하는 만큼 증가시킬 수 있다.

도 5는 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 제1 실시예를 보여 주는 회로도이다. 도 6은 스위치 소자들(S1a~S5a, S1b~S5b)의 온/오프 타이밍(on/off timing)을 보여 주는 파형도이다. 도 5에서 샘플 & 홀드 증폭부(112)는 정극성 신호(P)와 부극성 신호(N)를 입력 받고, 정극성 신호(P)와 부극성 신호(N)를 출력하지만 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 샘플 & 홀드 증폭부(112)는 도 9와 같이 하나의 입력 노드와 하나의 출력 노드를 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 샘플 & 홀드 증폭부(112)는 정극성 입력 신호(Vin(P))를 수신하는 제1 입력 노드(nin1), 부극성 입력 신호(Vin(N))를 수신하는 제2 입력 노드(nin2), 정극성 출력 신호(Vout(P))를 출력하는 정극성 출력 노드(nout1), 및 부극성 출력 신호(Vout(N))를 출력하는 부극성 출력 노드(nout2)를 포함한다. 출력 노드들(nout1, nout2)은 ADC(114)의 입력 단자들에 연결된다.

샘플 & 홀드 증폭부(112)는 다수의 스위치 소자들(S1a~S5a, S1b~S5b), 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2), 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2), 및 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함한다. 스위치 소자들(S1a~S5a, S1b~S5b)은 터치 센서 구동부(110)의 디지털 연산 로직 회로 또는 타이밍 콘트롤러(106)의 제어 하에 도 6과 같이 온/오프된다.

도 6에서, 스위치 제어 신호들(S1~S5)의 하이 로직 레벨(high logic level)은 스위치 소자들(S1a~S5a, S1b~S5b)의 온 타이밍을 제어하고, 로우 로직 레벨(low logic level)은 스위치 소자들(S1a~S5a, S1b~S5b)의 오프 타이밍을 제어한다.

제1a 스위치 소자(S1a)는 제1 입력 노드(nin1)와 제1a 노드(n1a) 사이에 연결된다. 제1a 스위치 소자(S1a)는 제1 스위치 신호(S1)에 응답하여 제1 입력 노드(nin1)와 제1a 노드(n1a) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제1b 스위치 소자(S1b)는 제2 입력 노드(nin2)와 제1b 노드(n1b) 사이에 연결된다. 제1b 스위치 소자(S1b)는 제1 스위치 신호(S1)에 응답하여 제2 입력 노드(nin2)와 제1b 노드(n1b) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제2a 스위치 소자(S2a)는 제1a 노드(n1a)와 제2a 노드(n2a) 사이에 연결된다. 제2a 스위치 소자(S2a)는 제2 스위치 신호(S2)에 응답하여 제1a 노드(n1a)와 제2a 노드(n2a) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제2b 스위치 소자(S2b)는 제1b 노드(n1b)와 제2b 노드(n2b) 사이에 연결된다. 제2b 스위치 소자(S2b)는 제2 스위치 신호(S2)에 응답하여 제1b 노드(n1b)와 제2b 노드(n2b) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제3a 스위치 소자(S3a)는 제2a 노드(n2a)와 제3a 노드(n3a) 사이에 연결된다. 제3a 스위치 소자(S3a)는 제3 스위치 신호(S3)에 응답하여 제2a 노드(n2a)와 제3a 노드(n3a) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제3b 스위치 소자(S3b)는 제2b 노드(n2b)와 제3b 노드(n3b) 사이에 연결된다. 제3a 스위치 소자(S3b)는 제3 스위치 신호(S3)에 응답하여 제2b 노드(n2b)와 제3b 노드(n3b) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제4a 스위치 소자(S4a)는 제1a 노드(n1a)와 정극성 출력 노드(nout1) 사이에 연결된다. 제4a 스위치 소자(S4a)는 제4 스위치 신호(S4)에 응답하여 제1a 노드(n1a)와 정극성 출력 노드(nout1) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제4b 스위치 소자(S4b)는 제1b 노드(n1a)와 부극성 출력 노드(nout2) 사이에 연결된다. 제4b 스위치 소자(S4b)는 제4 스위치 신호(S4)에 응답하여 제1b 노드(n1b)와 부극성 출력 노드(nout2) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제5a 스위치 소자(S5a)는 제3a 노드(n3a)와 정극성 출력 노드(nout1) 사이에 연결된다. 제5a 스위치 소자(S5a)는 제5 스위치 신호(S5)에 응답하여 제3a 노드(n3a)와 정극성 출력 노드(nout1) 사이의 전류 패스를 스위칭한다. 제5b 스위치 소자(S5b)는 제3b 노드(n3b)와 부극성 출력 노드(nout2) 사이에 연결된다. 제5b 스위치 소자(S5b)는 제5 스위치 신호(S5)에 응답하여 제3b 노드(n3b)와 부극성 출력 노드(nout2) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

연산 증폭기(OP-AMP)는 제3a 노드(n3a)에 접속된 제1 입력 단자, 제3b 노드(n3b)에 접속된 제2 입력 단자, 정극성 출력 노드(nout1)에 접속된 제1 출력 단자, 및 부극성 출력 노드(nout2)에 접속된 제2 출력 단자를 포함한다.

제1 샘플링 커패시터(Cs1)는 제1a 노드(n1a)와 제3a 노드(n3a) 사이에 연결된다. 제2 샘플링 커패시터(Cs2)는 제1b 노드(n1b)와 제3b 노드(n3b) 사이에 연결된다.

제1 폴딩 커패시터(Cf1)는 제2a 노드(n2a)와 제3a 노드(n3a) 사이에 연결된다. 제2 폴딩 커패시터(Cf2)는 제2b 노드(n2b)와 제3b 노드(n3b) 사이에 연결된다.

이하에서, 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 동작을 도 5 및 도 6을 결부하여 설명하기로 한다.

제1 기간(t1) 동안, 제5a 및 5b 스위치 소자(S5a, S5b)는 제5 스위치 신호(S5)에 응답하여 턴-온(turn-on)되고 제1a 및 1b 스위치 소자(S1a, S1b)는 오프 상태를 유지한다. 그 결과, 연산 증폭기(OP-AMP)는 제1 기간(t1) 동안 리셋(reset)된다. 제1 기간(t1) 동안, 다른 스위치 소자들(S2a, S2b, S3a, S3b, S4a, S4b)은 도 6과 같이 오프 상태를 유지할 수 있으나 그 스위치 소자들(S2a, S2b, S3a, S3b, S4a, S4b)의 동작 상태가 어떠하든 연산 증폭기(OP-AMP)의 리셋 동작에 영향을 주지 않는다(don't catre).

제2 기간(t2) 동안, 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)는 제1 스위치 신호(S1)에 응답하여 턴-온된다. 제2 기간(t2) 동안, 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2)는 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)를 통해 공급되는 입력 신호(Vin(P, N))를 충전한다. 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)가 턴-온 되기 전에 제4 스위치 소자들(S4a, S4b)은 오프 상태이어야 한다. 제2 기간(t2) 동안, 제4a 및 제4b 스위치 소자들(S4a, S4b)은 오프 상태를 유지하고, 제3 스위치 소자들(S3a, S3b)은 온 상태를 유지한다. 제3a 및 제3b 스위치 소자들(S3a, S3b)과 제1a 및 제1b 스위치 소자들(S1a, S1b)은 동기될 필요가 없다. 제3a 및 제3b 스위치 소자들(S3a, S3b)은 제1a 및 제1b 스위치 소자들(S1a, S1b)의 온 기간(t2) 동안 한 차례 턴-온된 후에 오프될 수도 있다. 제2 기간(t2) 동안, 제3 스위치 소자들(S3a, S3b)은 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)의 전하가 모두 방전된 상태에서 턴-오프되어 플로팅된다. 제3 스위치 소자들(S3a, S3b)은 제2 기간(t1) 동안 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)이 턴-온되기 전에 턴-오프되어 플로팅 상태를 유지한다.

제3 기간(t3) 동안, 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)가 턴-오프된다. 이 때, 입력 신호(Vin(P, N))가 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2)에 샘플링된다. 제3 기간(t3) 동안, 제2a, 제2b, 제4a 및 제4b 스위치 소자들(S2a, S2b, S4a, S4b)은 오프 상태를 유지하여야 한다. 제3 기간(t3) 동안, 제3a, 제3b, 제5a, 제5b 스위치 소자들(S3a, S3b, S5a, S5b)은 도 6과 같이 오프 상태일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

제4 기간(t4) 동안, 제2a 및 제2b 스위치 소자(S2a, S2b)가 제2 스위치 신호(S2)에 응답하여 턴-온된다. 이 때, 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2)의 전하가 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)와 공유(share)된다. 제3 기간(t3) 동안, 나머지 스위치들(S1a, S1b, S3a, S3b, S4a, S4b, S5a, S5b)는 오프 상태를 유지한다.

제5 기간(t5) 동안, 제2a, 제2b, 제4a 및 제4b 스위치 소자(S4a, S4b)가 제2 및 제4 스위치 신호(S2, S4)에 응답하여 턴-온된다. 이 때, 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)와 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2)에서 샘플링된 전압이 홀딩(holding)되고, 그 전압이 ADC(114)에 의해 디지털 값 즉, 터치 로 데이터(Tdata)로 변환된다. 제5 기간(t5) 동안, 나머지 스위치들(S1a, S1b, S3a, S3b, S5a, S5b)은 오프 상태를 유지한다.

샘플 & 홀드 증폭부(112)의 출력 전압(Vout)은 수학식 1과 같이 입력 신호(Vin)의 전압 범위가 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)에 의해 감소되어 ADC(114)의 입력 범위 내로 조정된다. 그 결과, 본 발명은 ADC(114)로부터 출력되는 터치 로 데이터(Tdata)에서 표현될 수 있는 ADC의 입력 범위를 증가시킬 수 있으므로 터치 감도를 향상시킬 수 있다. ADC(114)의 전원 전압이 낮은 경우 ADC(114)의 입력 범위가 제한적이 될 수 있으나, 본 발명을 적용하면 ADC(114)의 전원 전압에 무관하게 디지털값으로 표현 가능한 입력 범위를 넓게 적용 할 수 있다. 반도체 소자의 특성으로 ADC(114)의 입력 범위가 제한적이 될 경우, 본 발명을 적용하면 반도체 소자의 특성과 무관하게 디지털 값으로 표현될 수 있는 ADC(114)의 입력 범위를 넓게 할 수 있다. 또한, 본 발명은 연산 증폭기(OP-AMP)의 정상적인 동작 특성 범위 안에서 동작하므로 선형성을 충족할 수 있다.

여기서, Cs는 샘플링 커패시터이고, Cf는 폴링 커패시터의 용량이다.

도 7은 종래 기술에서 ADC(112)의 입력 범위를 초과하여 ADC(112)에 입력되는 신호에서 포화 구간을 보여 주는 도면이다. 종래 기술의 경우에, ADC(114)의 입력 범위를 초과하는 전압은 ADC에서 같은 디지털 값으로 변환되므로 디지털 값으로 표현될 수 없다. 이에 비하여, 도 8은 본 발명을 적용하여 ADC의 입력 범위를 초과하는 신호의 전압을 ADC의 입력 범위 내로 변환하여 ADC의 입력 신호의 모든 전압을 디지털 값으로 표현한 예를 보여 주는 도면이다. 도 8의 (a)는 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 입력 신호(Vin)와 출력 신호(Vout)를 예시한 것이다. 도 8의 (b)는 (a)와 같은 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 출력 신호(Vout)가 ADC(112)에 의해 디지털 값으로 변환된 터치 로 데이터(Tdata)이다.

도 9는 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 제2 실시예를 보여 주는 회로도이다. 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 스위치 소자들(S11~S55)은 도 6과 같이 제어된다.

도 9를 참조하면, 샘플 & 홀드 증폭부(112)는 다수의 스위치 소자들(S1~S5), 샘플링 커패시터(Cs), 폴딩 커패시터(Cf), 및 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함한다.

제1 스위치 소자(S11)는 입력 노드(nin)와 제1 노드(n1) 사이에 연결된다. 제1 스위치 소자(S11)는 제1 스위치 신호(S1)에 응답하여 입력 노드(nin)와 제1 노드(n1) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제2 스위치 소자(S22)는 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 연결된다. 제2 스위치 소자(S22)는 제2 스위치 신호(S2)에 응답하여 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제3 스위치 소자(S33)는 제2 노드(n2)와 제3 노드(n3) 사이에 연결된다. 제3 스위치 소자(S33)는 제3 스위치 신호(S3)에 응답하여 제2 노드(n2)와 제3 노드(n3) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제4 스위치 소자(S44)는 제1 노드(n1)와 출력 노드(nout) 사이에 연결된다. 제4 스위치 소자(S44)는 제4 스위치 신호(S4)에 응답하여 제1 노드(n1)와 출력 노드(nout) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

제5 스위치 소자(S55)는 제3 노드(n3)와 출력 노드(nout) 사이에 연결된다. 제5 스위치 소자(S55)는 제5 스위치 신호(S5)에 응답하여 제3 노드(n3)와 출력 노드(nout) 사이의 전류 패스를 스위칭한다.

연산 증폭기(OP-AMP)는 제3 노드(n3)에 접속된 제1 입력 단자, 기준 전압이 공급되는 제2 입력 단자, 출력 노드(nout)에 접속된 출력 단자를 포함한다.

도 9에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부(112)의 동작은 도 5 및 도 6에서 전술한 샘플 & 홀드 증폭부(112)와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)가 필요 없는 경우에, 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)는 샘플링 커패시터로 활용될 수 있다. 도 5 및 도 9에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부(112)를 회로 구성을 변경하지 않고 도 10과 같이 제어하면 폴딩 커패시터(Cf1, Cf2)는 샘플링 커패시터로 동작한다.

도 10은 도 5 및 도 9에 도시된 샘플 & 홀드 증폭부의 폴딩 커패시터를 샘플링 커패시터로 활용하는 방법을 보여 주는 스위치 신호의 파형도이다.

도 5 및 도 10을 참조하면, 제2 스위치 신호(S2)는 하이 로직 레벨로 유지되어 제1 내지 제4 기간(t11~t44) 동안, 제2a 및 제2b 스위치 소자들(S2a, S2b)을 온 상태로 유지한다. 제3 스위치 신호(S3)는 로우 로직 레벨로 유지되어 제1 내지 제4 기간(t11~t44) 동안, 제3a 및 제3b 스위치 소자들(S3a, S3b)을 오프 상태로 유지한다.

제1 기간(t11) 동안, 제5a 및 5b 스위치 소자(S5a, S5b)는 제5 스위치(S5)에 응답하여 턴-온되고 제1a 및 1b 스위치 소자(S1a, S1b)는 오프 상태를 유지한다. 그 결과, 연산 증폭기(OP-AMP)는 제1 기간(t11) 동안 리셋된다. 제1 기간(t11) 동안, 다른 스위치 소자들(S2a, S2b, S3a, S3b, S4a, S4b)은 어느 상태이든 문제가 없다(don't catre).

제2 기간(t2) 동안, 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)는 제1 스위치 신호(S1)에 응답하여 턴-온된다. 제2 기간(t2) 동안, 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2, Cf1, Cf2)는 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)를 통해 공급되는 입력 신호(Vin(P, N))를 충전한다. 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)가 턴-온 되기 전에 제4 스위치 소자들(S4a, S4b)은 오프 상태이어야 한다. 제2 기간(t2) 동안, 제2a, 제2b, 제3a 및 제3b 스위치 소자들(S2a, S2b, S3a, S3b)은 어느 상태이든 문제가 없다. 제2 기간(t2) 동안, 제5 스위치 소자들(S5a, S5b)은 온 상태를 유지할 수 있다.

제3 기간(t3) 동안, 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)가 턴-오프된다. 이 때, 입력 신호(Vin(P, N))가 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2, Cf1, Cf2)에 샘플링된다. 제3 기간(t3) 동안, 제1a 및 제1b 스위치 소자(S1a, S1b)가 턴-오프될 때 제2a, 제2b, 제4a 및 제4b 스위치 소자들(S2a, S2b, S4a, S4b)은 오프 상태를 유지하여야 한다. 제3 기간(t3) 동안, 제3a, 제3b, 제5a, 제5b 스위치 소자들(S3a, S3b, S5a, S5b)은 오프 상태일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

제4 기간(t4) 동안, 제2a, 제2b, 제4a 및 제4b 스위치 소자(S2a, S2b, S4a, S4b)가 제2 및 제4 스위치 신호(S2, S4)에 응답하여 턴-온된다. 이 때, 샘플링된 전압이 샘플링 커패시터(Cs1, Cs2, Cf1, Cf2)에서 홀딩(holding)되고 그 전압이 ADC(114)에 의해 디지털 값 즉, 터치 로 데이터(Tdata)로 변환된다. 제4 기간(t4) 동안, 나머지 스위치들(S1a, S1b, S3a, S3b, S5a, S5b)은 오프 상태를 유지한다.

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.

100 : 표시패널 102 : 데이터 구동부
104 : 게이트 구동부 106 : 타이밍 콘트롤러
108 : 호스트 시스템 110 : 터치 센서 구동부
112 : Tx 구동부 114 : ADC
S11~S55, S1a~S5a, S1b~S5b : 스위치 소자
Cs, Cs1, Cs2 : 샘플링 커패시터
Cf, Cf1, Cf2 : 폴딩 커패시터

Claims (6)

1. 터치 스크린으로부터의 입력 신호가 수신되는 입력 노드;
   아날로그-디지털 변환기의 입력 단자에 연결된 출력 노드;
   상기 입력 노드와 제1 노드 사이에 연결되어 제1 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제1 스위치 소자;
   상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 제2 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제2 스위치 소자;
   제3 노드에 접속된 입력 단자와 상기 출력 노드에 접속된 연산 증폭기;
   상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 샘플링 커패시터;
   상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 폴딩 커패시터;
   상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되어 제3 스위치 신호에 온/오프되는 제3 스위치 소자;
   상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제4 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제4 스위치 소자; 및
   상기 제3 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제5 스위치 신호에 온/오프되는 제5 스위치 소자를 포함하는 터치 센싱 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   제1 기간 동안, 상기 제5 스위치 소자가 상기 제5 스위치에 응답하여 턴-온되고, 상기 제1 스위치 소자는 오프 상태를 유지하고,
   제2 기간 동안, 상기 제1 스위치 소자가 상기 제1 스위치 신호에 응답하여 턴-온되고,
   제3 기간 동안, 상기 제1 스위치 소자는 턴-오프되고,
   제4 기간 동안, 상기 제2 스위치 소자가 상기 제2 스위치 신호에 응답하여 턴-온되며,
   제5 기간 동안, 상기 제2 및 제4 스위치 소자가 상기 제2 및 제4 스위치 신호에 응답하여 턴-온되는 터치 센싱 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   제1 기간 동안, 상기 제5 스위치 소자가 상기 제5 스위치에 응답하여 턴-온되고 상기 제1 스위치 소자는 오프 상태를 유지하고,
   제2 기간 동안, 상기 제1 스위치 소자가 상기 제1 스위치 신호에 응답하여 턴-온되고,
   제3 기간 동안, 상기 제1 스위치 소자가 턴-오프되며,
   제4 기간 동안, 상기 제2 및 제4 스위치 소자가 상기 제2 및 제4 스위치 신호에 응답하여 턴-온되는 터치 센싱 장치.
5. 터치 스크린을 가지는 표시패널;
   입력 영상의 픽셀 데이터를 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 디스플레이 구동회로; 및
   상기 터치 스크린의 출력 채널들로부터의 입력 신호를 디지털 데이터로 변환하여 터치 로 데이터를 발생하는 터치 센서 구동부를 포함하고,
   상기 터치 센서 구동부는,
   상기 입력 신호가 수신되는 입력 노드;
   아날로그-디지털 변환기의 입력 단자에 연결된 출력 노드;
   상기 입력 노드와 제1 노드 사이에 연결되어 제1 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제1 스위치 소자;
   상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 제2 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제2 스위치 소자;
   제3 노드에 접속된 입력 단자와 상기 출력 노드에 접속된 연산 증폭기;
   상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 샘플링 커패시터;
   상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 폴딩 커패시터;
   상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되어 제3 스위치 신호에 온/오프되는 제3 스위치 소자;
   상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제4 스위치 신호에 의해 온/오프되는 제4 스위치 소자; 및
   상기 제3 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되어 제5 스위치 신호에 온/오프되는 제5 스위치 소자를 포함하는 표시장치.
   
6. 삭제

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