KR20130024768A - 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법 - Google Patents

터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터치 패널의 정전용량을 검출하기 위한 제어 회로 및 제어 방법에 관한 것이다. 상기 제어 회로는, 상기 터치 패널의 감지 와이어를 충전하여 상기 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는 신호-검출 회로; 상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하는 강도/주파수 변환 유닛으로서, 상기 주파수 신호의 주파수는 상기 강도 신호의 레벨에 상응하는, 강도/주파수 변환 유닛; 및 상기 주파수 신호를 분석하여 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하는 주파수-분석 유닛;을 포함한다. 상기 정전용량 타입의 터치 패널의 제어 회로는 회로 환경에서 잡음 신호들에 영향을 받지 않게 하거나 회로 환경에서 잡음 신호들에 의해 낮춰지지 않게 되는 양호한 SNR을 지니며, 점유된 칩 면적을 감소시키며 비용을 낮추도록 간단한 구성요소들로 구성된다.

Description

터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법{Control circuit and control method for touch panel}
본 발명은 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법에 관한 것이며, 좀더 구체적으로 기술하면 터치 패널의 정전용량의 변화를 검출하는 제어 회로 및 제어 방법에 관한 것이다.
터치 패널들에서 사용되는 터치 제어 기술은 터치 패널들을 감지하는 원리들에 따라 저항 타입, 정전용량 타입, 표면 탄성파 타입, 및 광학 타입으로 분류될 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 종래의 정전용량 터치 패널의 제어 회로의 블록 다이어그램 및 회로 다이어그램이다. 상기 제어 회로(10)는 정전용량 타입의 터치 패널(12)에 전기적으로 접속되어 있으며, 펄스 생성기(20), 멀티플렉서(22), 멀티플렉서(24), 적분기(26), 샘플 홀드 회로(sampling and holding circuit; 28), 및 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter; 이하 'ADC'로 언급됨)(32)를 포함한다.
상기 펄스 생성기(20)에 의해 생성된 펄스는 상기 멀티플렉서(22)를 통해 상기 정전용량 타입의 터치 패널(12)의 X-축 구동 와이어들 및 Y-축 구동 와이어들로 전송되는 구동 신호로서의 기능을 수행하며, 상기 정전용량 타입의 터치 패널(12)의 Y-축 및 X-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 정전용량의 변화 값은 상기 멀티플렉서(24)를 통해 상기 적분기(26)로 전달되는 터치 제어 감지 신호로서의 기능을 수행한다.
도 2에서는, 상기 멀티플렉서(24)를 통해 상기 적분기(26)로 전달되는 정전용량 타입의 터치 패널(12)의 터치 제어 감지 신호는 펄스 신호이며, 상기 적분기(26)는 여러 펄스 신호를 사다리형 계단파 신호로 적분하고 이를 샘플 홀드 회로(28)로 전달한다.
이때, 도 1에서, 상기 샘플 및 홀드 회로(28)는 상기 적분기(26)에 의해 적분된 사다리형 계단파 신호를 샘플링하고 직류(DC) 전압 레벨로 샘플링된 신호를 유지한다. 상기 ADC(32)는 앞서 언급한 샘플링된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 신호 처리를 수행하기 위해 상기 디지털 신호를 마이크로프로세서(도시되지 않음)로 전달한다.
종래의 정전용량 타입의 터치 패널(12)에서 사용되는 앞서 언급한 제어 회로(10)에는 적어도 다음과 같은 단점들이 있다:
a. 회로 환경에서 생성되는 잡음 신호가 존재하며 상기 잡음 신호는 또한 상기 신호의 일부로서 상기 적분기(26)에 의해 적분되고, 결과적으로는 전체 시스템의 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio; SNR)가 낮아지게 된다.
b. 상기 적분기(26)가 상기 정전용량 타입의 터치 패널(12) 상의 전하들을 후단(rear-end) 회로에 의해 처리될 수 있는 전압으로 전환 및 축적하는데 일정 시간 이 소요된다. 그러한 장시간의 적분 시간은 상기 정전용량 타입의 터치 패널(12)의 프레임 레이트(frame rate)에 영향을 주게 된다. 이러한 문제는 특정 하드웨어(예를 들면, 샘플 홀드 회로(28))로 보상될 수 있지만, 그에 대한 비용이 증가하게 된다.
c. 상기 적분기(26), 샘플 홀드 회로(28), 및 디지털-아날로그 변환기(32)의 사용은 큰 칩 면적을 점유하게 된다.
본 발명의 목적은 위에서 언급한 종래의 문제를 해결할 수 있는 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 시스템이 양호한 SNR을 갖게 할 수 있으며 제어 회로가 SNR을 낮추도록 하는 환경에서 생성되는 잡음 신호에 의해 영향을 받지 않게 할 수 있는 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법을 제공한다. 또한, 상기 제어 회로는 점유된 칩 면적을 효과적으로 감소시키고 전체 시스템의 비용을 낮추도록 간단한 구성요소들로 이루어져 있다.
본 발명은 터치 패널의 제어 회로를 제공하며, 상기 터치 패널의 제어 회로는,
상기 터치 패널의 감지 와이어를 충전하여 상기 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는 신호-검출 회로;
상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하는 강도/주파수 변환 유닛으로서, 상기 주파수 신호의 주파수는 상기 강도 신호의 레벨에 상응하는, 강도/주파수 변환 유닛; 및
상기 주파수 신호를 분석하여 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하는 주파수-분석 유닛;
을 포함한다.
본 발명에 따른 제어 회로에서는, 상기 감지 와이어가 제1 축 방향의 감지 와이어 또는 제2 축 방향의 감지 와이어이다.
본 발명에 따른 제어 회로에서는, 상기 신호-검출 회로가 상기 감지 와이어의 등가 커패시터를 충전하도록 전력 공급을 제공하고, 그에 대응하여 상기 강도 신호를 획득하기 위해 내부 커패시터를 충전하도록 동일한 크기를 갖는 전력 공급을 제공하는 정전용량-검출 회로이다.
본 발명에 따른 제어 회로에서는, 상기 정전용량-검출 회로에 의해 생성된 강도 신호의 전압(Vout)은 이하의 수학식 1과 같이 표기될 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서,
Figure pat00002
는 상기 정전용량-검출 회로의 트랜지스터(
Figure pat00003
)의 게이트 길이이며,
Figure pat00004
는 상기 트랜지스터(
Figure pat00005
)의 게이트 폭이고,
Figure pat00006
는 상기 정전용량-검출 회로의 트랜지스터(
Figure pat00007
)의 게이트 길이이며,
Figure pat00008
는 상기 트랜지스터(
Figure pat00009
)의 게이트 폭이고,
Figure pat00010
는 공급 전압이며,
Figure pat00011
는 상기 트랜지스터의 임계 전압이고,
Figure pat00012
는 감지 와이어의 등가 정전용량 및 상기 제어 회로의 회로 보드의 표유 정전용량(stray capacitance)의 합이며, 그리고
Figure pat00013
는 상기 정전용량-검출 회로의 내부 정전용량이다.
본 발명에 따른 제어 회로에서는, 상기 정전용량-검출 회로가,
상기 정전용량-검출 회로의 강도 신호를 안정화시키는 버퍼 단 회로; 및
상기 정전용량-검출 회로의 강도 신호의 레벨을 조정 및 증폭하는 레벨 시프터(level shifter);
를 포함한다.
본 발명에 따른 제어 회로에서는, 상기 강도/주파수 변환 회로가 전압 제어 발진기이며, 상기 주파수-분석 유닛은 주파수 카운터 또는 주파수 식별기이다.
본 발명에 따른 제어 회로는,
상기 감지 와이어를 번갈아 선택하기 위해 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된 제1 멀티플렉서; 및
상기 강도 신호를 번갈아 선택하여 이를 상기 강도/주파수 변환 유닛에 전달하기 위해 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된 제2 멀티플렉서;
를 부가적으로 포함한다.
본 발명은 또한 터치 패널을 제어하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
상기 터치 패널의 감지 와이어를 충전하여 상기 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는 단계;
상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하는 단계로서, 상기 주파수 신호의 주파수는 대응하는 감지 와이어의 강도 신호의 레벨에 비례하는, 단계; 및
상기 주파수 신호를 분석하여 상기 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하는 단계;
를 포함한다.
본 발명에 따른 터치 패널을 제어하는 방법에서는, 상기 충전함에 있어서, 전력 공급이 상기 감지 와이어의 등가 커패시터를 충전하도록 신호-검출 회로에 의해 제공되며, 그에 대응하여 동일한 크기를 갖는 상기 전력 공급은 상기 강도 신호를 획득하기 위해 내부 커패시터를 충전하도록 제공된다.
본 발명에 따른 터치 패널을 제어하는 방법은,
충전하기 위한 전력 공급을 상기 감지 와이어에 번갈아 전달하는 단계; 및
상기 강도 신호를 번갈아 전달하는 단계;
를 부가적으로 포함한다.
본 발명은 시스템이 양호한 SNR을 갖게 할 수 있으며 제어 회로가 SNR을 낮추도록 하는 환경에서 생성되는 잡음 신호에 의해 영향을 받지 않게 할 수 있는 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법을 제공한다. 또한, 상기 제어 회로는 점유된 칩 면적을 효과적으로 감소시키고 전체 시스템의 비용을 낮추도록 간단한 구성요소들로 이루어져 있다.
도 1은 종래의 정전용량 타입의 터치 패널의 제어 회로의 블록 다이어그램이다.
도 2는 종래의 정전용량 타입의 터치 패널의 제어 회로의 회로 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 타입의 터치 패널 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량 타입의 터치 패널에 의해 감지된 정전용량의 변화를 보여주는 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량-검출 회로의 회로 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 정전용량-검출 회로의 등가 회로 다이어그램이다.
도 7은 본 발명에 따른 정전용량 타입의 터치 패널의 감지 와이어들의 정전용량(Cx) 및 정전용량-검출 회로의 출력 단자에 걸린 전압(Vout) 간의 관계를 보여주는 다이어그램이다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 한 정전용량-검출 회로의 회로 다이어그램이다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 정전용량 타입의 터치 패널 시스템의 블록 다이어그램이다.
본 발명에 따른 터치 패널의 제어 회로는, 신호-검출 회로, 강도/주파수 변환 유닛, 주파수-분석 유닛, 및 멀티플렉서들을 포함한다.
상기 신호-검출 회로는 상기 터치 패널 상에서 제1 축 방향 및 제2 축 방향의 감지 와이어들을 충전하여, 각각의 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는데 사용된다. 상기 강도/주파수 변환 유닛은 상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하고, 상기 주파수 신호의 주파수는 대응하는 강도 신호의 레벨에 상응한다. 상기 주파수-분석 유닛은 상기 주파수 신호를 분석하여 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하고, 상기 신호량을 상기 제어 회로 외부에 있는 마이크로컨트롤러에 전달한다. 제1 멀티플렉서는 상기 감지 와이어들을 번갈아 선택하도록 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된다. 제2 멀티플렉서는 상기 강도 신호를 번갈아 선택하여, 이를 상기 강도/주파수 변환 유닛에 전달하도록 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된다.
본 발명에 따른 터치 패널의 제어 회로의 내부 동작은 첨부도면들을 참조하여 이하에서 좀더 세부적으로 설명될 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 타입의 터치 패널 시스템의 블록 다이어그램이다. 도 3에서는, 상기 제어 회로(42)가 멀티플렉서(44), 앞서 언급한 신호-검출 회로로서의 기능을 수행하는 정전용량-검출 회로(46), 멀티플렉서(48), 앞서 언급한 강도/주파수 변환 유닛으로서의 기능을 수행하는 전압 제어 발진기(50), 및 앞서 언급한 주파수-분석 유닛으로서의 기능을 수행하는 주파수 카운터(52)를 포함한다. 상기 멀티플렉서들(44,48)은 다수 대 일(many-to-one) 스위치 또는 복수 개의 일 대 일(one-to-one) 스위치들일 수 있으며, 주파수 식별자는 또한 상기 주파수-분석 유닛으로서 사용될 수 있다.
도 4를 또한 참조하기로 한다. 손가락 따위로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 터치 지점(P)을 터치하게 되면, X-축 및 Y-축 감지 와이어들의 등가 커패시터의 정전용량의 변화가 상기 터치 지점(P)에서 그리고 상기 터치 지점(P) 주변에서 생기며, 상기 터치 지점(P)의 좌표 위치가 그러한 변화를 토대로 이후의 마이크로컨트롤러(54)에 의해 계산될 수 있다. 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 중앙 위치에서 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터의 정전용량이 최대이며, X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터의 정전용량은 상기 중앙 위치로부터 멀어질수록 작아지게 된다.
상기 멀티플렉서(44)는 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 모든 X-축 및 Y-축 감지 와이어들과 전기적으로 접속되어 있다. 상기 멀티플렉서(44)의 스위칭은 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 모든 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지된 등가 커패시터의 정전용량을 순차적으로 상기 정전용량-검출 회로(46)에 전달하도록 상기 제어 회로(42) 외부에 있는 마이크로컨트롤러(54)에 의해 제어된다.
상기 정전용량-검출 회로(46)는 상기 멀티플렉서(44)를 통해 충전 전력을 상기 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 공급하고, 모든 X-축 및 Y-축 감지 와이어에 의해 감지된 등가 커패시터의 정전용량을 수용한다. 상기 X-축 및 Y-축 감지 와이어들 중 어느 하나를 충전할 때, 상기 정전용량-검출 회로(46)는 상기 감지 와이어를 충전하는 전류를 토대로 내부 커패시터를 충전하도록 동일한 충전 전류를 공급하고, 상기 충전된 내부 커패시터는 양단에서, 본 발명에 따른 정전용량-검출 회로의 회로 다이어그램인 도 5, 및 본 발명에 따른 정전용량-검출 회로의 등가 회로 다이어그램인 도 6에 도시된 바와 같이, 강도 신호인 전압을 형성하게 된다. 상기 정전용량-검출 회로(46)의 내부 커패시터(C1)는 가변 커패시터일 수 있으며, 이러한 가변 커패시터에 의해 상기 정전용량-검출 회로(46)의 강도 신호의 레벨이 조정될 수 있다.
도 5에서는, 트랜지스터(m3) 및 트랜지스터(m4)는 예를 들면 전류 미러의 충전/방전 회로를 구성하며, 클록 레이트(ck1)는 트랜지스터(m1)의 게이트로부터 입력되고, 클록 레이트(ck2)는 트랜지스터들(m2,m5)의 게이트들로부터 입력된다. 상기 클록 레이트들(ck1,ck2)은 각각 상기 마이크컨트롤러(54)에 의해 상기 트랜지스터들(m1,m2,m5)의 게이트들 내에 입력된다. 상기 클록 레이트들(ck1,ck2)은 상기 트랜지스터들(m1,m2,m5)의 도통(conduction) 및 폐쇄를 제어한다. 이러한 실시예에서 설명되는 트랜지스터들의 타입들은 NMOS, PMOS, NPN BJT, 또는 PNP BJT의 사용에 국한되지 않는다.
상기 정전용량-검출 회로(46)의 동작 원리는 2가지 스테이지, 즉 충전 및 방전 스테이지들을 포함한다. 상기 클록 레이트(ck1)가 LOW(저 전위(low potential))이고 상기 클록 레이트(ck2)가 Low인데, 이는 충전 스테이지인 경우에, 상기 트랜지스터(m1)는 도통 상태이며 상기 트랜지스터(m2,m5)는 폐쇄 상태이고, 공급 전압(
Figure pat00014
)은 입력 단자(상기 트랜지스터들(m1,m2) 간의 접속부)로부터 상기 멀티플렉서(44)를 통해 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 감지 와이어들에 공급되도록, 즉 (회로 보드의 신호 경로에 의해 생성되는 표유 커패시터를 포함하는) 상기 감지 와이어들의 등가 커패시터를 충전하도록 상기 트랜지스터들(m3,m1)을 통해 흐르는 충전 전류로서의 기능을 수행하게 된다. 상기 트랜지스터들(m3,m4)이 전류 미러 회로를 구성하기 때문에, 상기 트랜지스터(m4)를 통해 흐르는 전류는, 상기 트랜지스터(m3)를 통해 흐르는 전류와 동일한 것이며, 상기 내부 커패시터(C1)를 충전함으로써 생성되는 전압이 상기 정전용량-검출 회로(46)에 의해 획득되는 강도 신호이고 상기 강도 신호가 상기 충전된 감지 와이어들의 등가 커패시터의 정전용량에 상응하는 경우에, 상기 내부 커패시터(C1)를 충전하게 된다. 상기 클록 레이트(ck1)가 High(고 전위(high potential))이고 상기 클록 레이트(ck2)가 High인데, 이는 방전 스테이지인 경우에, 상기 트랜지스터(m1)는 폐쇄 상태이고 상기 트랜지스터들(m2,m5)은 도통 상태이다. 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 감지 와이어들에 공급되는 전류는 상기 트랜지스터(m2)에 의해 입력 단자로부터 상기 멀티플렉서(44)를 통해 접지 단자로 방전되고, 상기 충전된 내부 커패시터(C1)는 상기 트랜지스터(m5)를 통해 접지 단자로 방전된다.
수학식의 추론을 용이하게 하기 위해, 도 5의 정전용량-검출 회로(46)는 도 6의 등가 회로 다이어그램에서 간략화된 모델로 소개되어 있는데, 이 경우에 상기 등가 커패시터(
Figure pat00015
)는 (회로 보드의 접속 와이어들에 의해 생성된 표유 커패시터를 포함하는) 정전용량 타입의 터치 패드(40)의 감지 와이어들의 등가 커패시터이다.
도 6의 등가 회로에 따른 추론 결과는 하기 수학식 2와 같이 표기될 수 있다.
Figure pat00016
상기 수학식 2에서,
Figure pat00017
는 트랜지스터의 전자 이동도(electronic mobility)이며,
Figure pat00018
는 트랜지스터의 산화물 두께에 대한 유전 상수(dielectric constant)의 비이고,
Figure pat00019
는 트랜지스터의 게이트 폭이며,
Figure pat00020
은 트랜지스터의 게이트 길이이고,
Figure pat00021
는 트랜지스터의 게이트 및 소스 간의 전압차이며, 그리고
Figure pat00022
는 트랜지스터의 임계 전압이다.
전류(
Figure pat00023
)가 일정 시간(t) 동안 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 감지 와이어들의 등가 커패시터(
Figure pat00024
)를 충전한 후에, 상기 정전용량-검출 회로(46)의 입력 단자에서 생성된 전압차(
Figure pat00025
)는 하기 수학식 3과 같이 표기될 수 있다.
Figure pat00026
상기 출력 단자에 걸리는 전압(Vout)은 트랜지스터의 특성 및 정전용량-검출 회로(46)의 회로 구성에 따라 하기 수학식 4와 같이 추론될 수 있다.
Figure pat00027
상기 수학식 4에서, Vout은 상기 정전용량-검출 회로(46)의 출력 단자에 걸리는 전압이며,
Figure pat00028
는 트랜지스터(m3)의 게이트 길이이고,
Figure pat00029
는 트랜지스터(m3)의 게이트 폭이며,
Figure pat00030
는 트랜지스터(m4)의 게이트 길이이고,
Figure pat00031
는 트랜지스터(m4)의 게이트 폭이다.
그러므로, 상기 정전용량-검출 회로(46)의 출력 단자에 걸리는 전압(Vout)은 본 발명에 따른 정전용량 타입의 터치 패널의 감지 와이어들의 등가 정전용량(
Figure pat00032
) 및 상기 정전용량-검출 회로의 출력 단자에 걸리는 전압(Vout) 간의 관계를 보여주는 다이어그램인 도 7에 도시된 바와 같이
Figure pat00033
에 비례한다.
도 7에서는, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치에서 상기 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터(
Figure pat00034
)의 정전용량이 더 큰 것(예를 들면, 도 7에 도시된 등가 커패시터(
Figure pat00035
)의 최대 정전용량이 2.5 pF인 것)임을 알 수 있다. 그러므로, 정전용량-검출 회로(46)가 정전용량을 검출한 후에 획득되는 전압(Vout)(즉, 강도 신호)은 비교적 크게 된다. 또한, 상기 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터(
Figure pat00036
)의 정전용량은 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치로부터 멀어짐에 따라 점차로 작아지게 된다(예를 들면, 도 7에 도시된 등가 커패시터(
Figure pat00037
)의 정전용량은 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치로부터 멀리 떨어짐에 따라 점차로 작아지게 되며 순차적으로 2.0 pF, 1.5 pF, 1.0 pF, 및 0.5 pF이 된다). 그러므로, 상기 정전용량-검출 회로(46)가 정전용량을 검출한 후에 획득되는 전압(Vout)은 상기 등가 커패시터(
Figure pat00038
)가 점차로 작아지게 됨에 따라 더욱더 낮아지게 된다.
본 발명에 따른 또 다른 정전용량-검출 회로의 회로 다이어그램인 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 정전용량-검출 회로가 양호한 회로 특성을 지니도록 하기 위해, 상기 정전용량-검출 회로(60)의 트랜지스터(m4) 및 트랜지스터(m5)가 접속되는 위치에 연결되며 그리고 (도 3에 도시된 바와 같은) 후단(rear-end) 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator; VCO)(50)와 같은 다른 부하 효과(loading effect)들에 영향을 받지 않도록 상기 정전용량-검출 회로(60)의 출력 전압(Vout)을 안정화시키기 위해 사용되는 (예를 들면, 버퍼 및 소스 폴로워(source follower)를 포함하는) 버퍼 단 회로(62)가 존재한다. 상기 버퍼 단 회로(62)는 레벨 시프터(64)와 연결되며, 상기 레벨 시프터(64)는 예를 들면 상기 정전용량-검출 회로(60)의 출력 전압(Vout)의 레벨을 조정 및 증폭하고 상기 조정 및 증폭된 출력 전압(Vout)을 상기 전압 제어 발진기(50)와 같은 후단 회로에 전달하기 위한 프로그램가능한 이득 증폭기를 부가적으로 포함할 수 있다.
도 5의 정전용량-검출 회로는 여러 NMOS, PMOS, NPNBJT, 또는 PNPBJT로 구성된 회로이다. 상기 펄스 생성기(20), 상기 적분기(26) 및 상기 샘플 및 홀드 회로(28)로 구성된 대규모 회로인 종래의 정전용량-검출 회로(10)와 비교해 볼 때, 본 발명의 실시예의 정전용량-검출 회로(46)는 비용이 적게 들며, 점유된 칩 면적이 작아지게 되고, 성능이 우수하게 되며, 낮은 공급 전압(예를 들면, 3V-1.8V)을 지원할 수 있다.
도 3에서는, 상기 멀티플렉서(48)가 상기 정전용량-검출 회로(46)의 출력 단자에 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 멀티플렉서(48)의 스위칭은 상기 정전용량-검출 회로(46)의 출력 단자에 걸린 전압(Vout)(즉, 강도 신호)를 상기 전압 제어 발진기(50)에 전달하도록 상기 마이크로컨트롤러(54)에 의해 제어된다.
상기 전압 제어 발진기(50)는 발진 주파수가 입력 전압들을 이용함으로써 제어되는 전자 발진 회로(electron oscillating circuit)이다. 다시 말하면, 상기 전압 발진기(50) 내에 입력되는 전압이 높을수록 상기 전압 제어 발진기(50)에 의해 생성되는 출력 주파수가 높아지게 된다.
상기 정전용량-검출 회로(46)의 출력 단자에 걸린, 직류 전압인 전압(Vout)은 상기 멀티플렉서(48)를 통해 상기 전압 제어 발진기(50) 내에 입력된다. 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치에서 상기 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터(
Figure pat00039
)의 정전용량은 크게 되고, 상기 정전용량-검출 회로(46)가 정전용량을 검출한 후에 획득되는 전압(Vout)은 비교적 높아지게 된다. 그러므로, 높은 전압(Vout)에 기인하여, 상기 전압 제어 발진기(50)는 높은 출력 주파수를 생성한다. 그 반면에, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치 부근에서 상기 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터(
Figure pat00040
)의 정전용량은 작아지게 되고, 상기 정전용량-검출 회로(46)가 정전용량을 검출한 후에 획득되는 전압(Vout)은 비교적 낮아지게 된다. 그러므로, 낮은 전압(Vout)에 기인하여, 상기 전압 제어 발진기(50)는 낮은 출력 주파수를 생성한다.
상기 전압 제어 발진기(50)는 상기 생성된 출력 주파수를 상기 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기) 내에 입력하고, 상기 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기)는 상기 전압 제어 발진기(50)에 의해 입력된 출력 주파수를 계수하고 대응하는 감지 와이어들에 의해 감지된 등가 커패시터(
Figure pat00041
)의 정전용량의 신호량인 계수 값(counting value)을 획득한다.
상기 마이크로컨트롤러(54)가 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 특정 감지 와이어들에 의해 감지된 등가 커패시터(
Figure pat00042
)의 정전용량을 상기 정전용량-검출 회로(46)에 전달하도록 상기 멀티플렉서(44)를 제어함에 따라, 상기 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기)는 상기 전압 제어 발진기(50)에 의해 생성된 출력 주파수를 수신하는데, 상기 출력 주파수는 상기 특정 감지 와이어들에 의해 감지된 등가 커패시터(
Figure pat00043
)의 정전용량에 상응한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치에서 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터의 정전용량은 크게 됨으로써, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치에서 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 상응하는 상기 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기)에 의해 계수되는 계수 값은 높아지게 된다. 그 반면에, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치 부근에서 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터의 정전용량은 작게 됨으로써, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치 부근에서 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 상응하는 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기)에 의해 계수되는 계수 값은 낮아지게 된다. 그러므로, 상기 마이크로컨트롤러(54)는 상기 주파수 카운터(52)(또는 주파수 식별기)로부터 수신된 계수 값들을 토대로 상기 X-축 및 Y-축 감지 와이어들의 등가 커패시터의 정전용량을 서로 비교하고, 그러한 비교 후에, 상기 마이크로컨트롤러(54)는, 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치가 결정될 수 있도록 적어도 하나의 X-축 감지 와이어 및 하나의 Y-축 감지 와이어의 등가 커패시터의 정전용량이 다른 X-축 및 Y-축 감지 와이어들의 등가 커패시터들의 정전용량들보다 큰 것을 획득한다.
본 발명의 실시예에 따른 제어 회로(42)에는 다음과 같은 이점들이 있다:
a. 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)에 대한 공급 전압이 점차로 낮아지게 되는 경우에(5V, 3V, 1.8V, 1.2V), 상기 전압 제어 발진기(50)는, 고주파 신호에서 동작하는 제어 회로(42)의 SNR이 낮은 공급 전압에 영향을 받아 낮아지지 않게 하도록 낮은 공급 전압의 조건에서 여전히 높은 주파수 신호를 생성할 수 있다.
b. 상기 전압 제어 발진기(50)가 높은 주파수(예를 들면, MHz - GHz의 범위)의 신호에서 동작할 수 있기 때문에 회로 환경에서 생성되는 잡음 신호는 상기 제어 회로(42)의 SNR을 낮추지 않게 되며, 그리고 상기 전압 제어 발진기(50)에 의해 출력되는 발진 주파수는 그러한 환경에서 상기 잡음 신호에 영향을 받지 않게 된다.
c. 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하는 손가락에 의해 감지되는 등가 커패시터의 정전용량은 결과적으로 상기 전압 제어 발진기(50)에 의해 생성되는 발진 주파수의 폭넓은 변화 범위를 초래하게 되기 때문에, 상기 환경에서 상기 잡음 신호에 영향을 받지 않게 됨으로써, 상기 제어 회로(42)가 높은 SNR을 지니게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 정전용량 타입의 터치 패널 시스템의 블록 다이어그램이다. 도 9의 정전용량 타입의 터치 패널은 도 3의 정전용량 타입의 터치 패널(40)과 동일한 기능 및 구성을 지니기 때문에, 동일한 참조번호들이 사용되며 상기 동일한 참조번호들의 설명은 생략한다. 도 9에서는, 상기 제어 회로(70)가 멀티플렉서들(721, 722,, ... 72N), 정전용량-검출 회로들(741, 742,,... 74N), 멀티플렉서들(761, 762, ... 76N), 전압 제어 발진기들(781, 782, ... 78N), 및 주파수 카운터들(801, 802, ... 80N)(주파수 식별기가 또한 사용될 수 있음)을 포함한다. 상기 멀티플렉서(721), 정전용량-검출 회로(741), 멀티플렉서(761), 전압 제어 발진기(781), 및 주파수 카운터(801)는 도 3의 제어 회로(42)의 구성요소들과 실질적으로 동일하며 동일한 기능들을 지니고; 상기 멀티플렉서(722), 정전용량-검출 회로(742), 멀티플렉서(762), 전압 제어 발진기(782), 및 주파수 카운터(802)는 도 3의 제어 회로(42)의 구성요소들과 동일하고 동일한 기능들을 지니며; 나머지 구성요소들도 마찬가지이다. 또한, N은 2보다 크거나 2와 동일한 정수이며, 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하는 손가락에 대한 전체 시스템의 처리 시간을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다.
상기 멀티플렉서들(721, 722, ... 72N) 각각은 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 X-축 및 Y-축 감지 와이어들과 병렬로 전기적으로 접속되며, 상기 멀티플렉서들(721, 722, ... 72N)의 스위칭은 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 X-축 및 Y-축 감지 와이어들에 의해 감지되는 등가 커패시터들의 정전용량들을 상기 정전용량-검출 회로들(741, 742, ... 74N)로 동시에 전달하여 상기 X-축 및 Y-축 감지 와이어들의 등가 커패시터들의 정전용량들에 상응하는 강도 신호들을 생성하도록 상기 제어 회로(70) 외부에 있는 마이크로컨트롤러(82)에 의해 제어된다. 상기 전압 제어 발진기들(781, 782, ... 78N) 각각은 상기 강도 신호들을 토대로 출력 주파수를 생성하고 이들을 동기적으로 상기 주파수 카운터들(801, 802, ... 80N)(또는 주파수 식별자) 내에 입력한다. 상기 주파수 카운터들(801, 802, ... 80N) 각각은 상기 출력 주파수들을 토대로 계수 값을 생성하고 이들을 동기적으로 상기 마이크로컨트롤러(82) 내에 입력한다. 상기 마이크로컨트롤러(82)는 이러한 계수 값들을 비교하여 손가락으로 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하게 되는 위치를 결정한다.
대형 크기의 정전용량 타입의 터치 패널(40)은 대량의 X-축 및 Y-축 감지 와이어들을 지닌다. 도 3의 회로 구성을 지니는 제어 회로가 상기 대형 크기의 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하는 손가락에 응답하도록 사용되는 경우에, 긴 응답 시간이 불가피하게 소요하게 된다. 다수의 동일 구성요소 집합을 지니는 도 9의 제어 회로(70)가 상기 대형 크기의 정전용량 타입의 터치 패널(40)을 터치하는 손가락에 대한 응답을 동기적으로 처리하도록 사용되는 경우에, 상기 응답 시간이 상당히 단축될 수 있다.
다른 한 실시예에서, 너무 많은 회로 구성요소들로 인해 상기 정전용량 타입의 터치 패널(40)의 공간을 너무 많이 점유하기 않게 하기 위해, N개의 멀티플렉서들(761, 762, ... 76N), N개의 전압 제어 발진기들(781, 782, ... 78N), 및 N개의 주파수 카운터들(801, 802, ... 80N)은 하나의 멀티플렉서, 하나의 전압 제어 발진기, 및 하나의 주파수 카운터(또는 하나의 주파수 식별기)로 대체될 수 있다. 그러한 다중 처리가 상기 N개의 멀티플렉서들(721, 722, ... 72N)과 병치(竝置)되는 N개의 정전용량-결정 회로들(741, 742, ... 74N)에 의해 수행되며, 상기 하나의 멀티플렉서 및 상기 하나의 전압 제어 발진기는 상기 정전용량-검출 회로(74x)에 의해 출력되는 강도 신호에 대한 시간-공유 처리를 수행하고(시간-공유 신호는 상기 N개의 멀티플렉서들(721, 722, ... 72N)을 제어하도록 상기 마이크로컨트롤러(82)에 의해 생성될 수 있음), 상기 하나의 주파수 카운터(또는 상기 하나의 주파수 식별기)는 상기 하나의 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 처리하여, 상기 마이크로컨트롤러(82)에 계수 값을 전달한다.
본 발명에 따른 터치 패널의 제어 회로 및 제어 방법은 상기 제어 회로가 양호한 SNR을 지니며 상기 SNR을 낮추도록 하는 환경에서 생성되는 잡음 신호에 영향을 받지 않고; 또한 상기 제어 회로가 점유된 칩 면적을 효과적으로 감소시키고 전체 시스템의 비용을 낮추도록 간단한 구성요소들로 구성된다는 점에서 유리하다.
본 발명이 바람직한 실시예들 및 예시적인 도면들을 참조하여 위에서 설명되었지만, 그러한 실시예들 및 예시적인 도면들에 국한되는 것으로 간주하여서는 안 된다. 본 발명의 구성 및 실시예들에 대하여 당업자에 의해 이루어지는 여러 등가의 변형, 생략, 및 수정은 본 발명의 청구범위로부터 이탈하지 않고 착상될 수 있는 것이다.
10: 제어 회로;
12: 정전용량 타입의 터치 패널
20: 펄스 생성기
22: 멀티플렉서
26: 적분기
28: 샘플 홀드 회로
32: 아날로그-디지털 변환기
40: 정전용량 타입의 터치 패널
42: 제어 회로
44: 멀티플렉서
46: 정전용량-검출 회로
48: 멀티플렉서
50: 전압 제어 발진기
52: 주파수 카운터
54: 마이크로컨트롤러
60: 정전용량-검출 회로
62: 버퍼 단 회로
64: 레벨 시프터
70: 제어 회로
82: 마이크로컨트롤러
721: 멀티플렉서
722: 멀티플렉서
72N: 멀티플렉서
741: 정전용량-검출 회로
742: 정전용량-검출 회로
74N: 정전용량-검출 회로
761: 멀티플렉서
762: 멀티플렉서
76N: 멀티플렉서
781: 전압 제어 발진기
782: 전압 제어 발진기
78N: 전압 제어 발진기
801: 주파수 카운터
802: 주파수 카운터
80N: 주파수 카운터

Claims (10)

  1. 터치 패널의 제어 회로에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 터치 패널의 감지 와이어를 충전하여 상기 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는 신호-검출 회로;
    상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하는 강도/주파수 변환 유닛으로서, 상기 주파수 신호의 주파수는 상기 강도 신호의 레벨에 상응하는, 강도/주파수 변환 유닛; 및
    상기 주파수 신호를 분석하여 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하는 주파수-분석 유닛;
    을 포함하는, 터치 패널의 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감지 와이어는 제1 축 방향의 감지 와이어 또는 제2 축 방향의 감지 와이어인, 터치 패널의 제어 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호-검출 회로는 상기 감지 와이어의 등가 커패시터를 충전하도록 전력 공급을 제공하고, 그에 대응하여 상기 강도 신호를 획득하기 위해 내부 커패시터를 충전하도록 상기 전력 공급의 크기와 동일한 크기를 갖는 전력 공급을 제공하는 정전용량-검출 회로인, 터치 패널의 제어 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정전용량-검출 회로에 의해 생성된 강도 신호의 전압(Vout)은 하기 수학식으로 표기되며,
    Figure pat00044

    상기 수학식에서,
    Figure pat00045
    는 상기 정전용량-검출 회로의 트랜지스터(
    Figure pat00046
    )의 게이트 길이이며,
    Figure pat00047
    는 상기 트랜지스터(
    Figure pat00048
    )의 게이트 폭이고,
    Figure pat00049
    는 상기 정전용량-검출 회로의 트랜지스터(
    Figure pat00050
    )의 게이트 길이이며,
    Figure pat00051
    는 상기 트랜지스터(
    Figure pat00052
    )의 게이트 폭이고,
    Figure pat00053
    는 공급 전압이며,
    Figure pat00054
    는 상기 트랜지스터의 임계 전압이고,
    Figure pat00055
    는 감지 와이어의 등가 정전용량 및 상기 제어 회로의 회로 보드의 표유 정전용량(stray capacitance)의 합이며, 그리고
    Figure pat00056
    는 상기 정전용량-검출 회로의 내부 정전용량인, 터치 패널의 제어 회로.
  5. 제3항에 있어서, 상기 정전용량-검출 회로는,
    상기 정전용량-검출 회로의 강도 신호를 안정화시키는 버퍼 단 회로; 및
    상기 정전용량-검출 회로의 강도 신호의 레벨을 조정 및 증폭하는 레벨 시프터(level shifter);
    를 포함하는, 터치 패널의 제어 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 강도/주파수 변환 회로는 전압 제어 발진기이며, 상기 주파수-분석 유닛은 주파수 카운터 또는 주파수 식별기인, 터치 패널의 제어 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 감지 와이어를 번갈아 선택하기 위해 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된 제1 멀티플렉서; 및
    상기 강도 신호를 번갈아 선택하여 이를 상기 강도/주파수 변환 유닛에 전달하기 위해 상기 신호-검출 회로와 전기적으로 접속된 제2 멀티플렉서;
    를 부가적으로 포함하는, 터치 패널의 제어 회로.
  8. 터치 패널을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 터치 패널의 감지 와이어를 충전하여 상기 감지 와이어의 강도 신호를 획득하는 단계;
    상기 강도 신호를 주파수 신호로 변환하는 단계로서, 상기 주파수 신호의 주파수는 대응하는 감지 와이어의 강도 신호의 레벨에 비례하는, 단계; 및
    상기 주파수 신호를 분석하여 상기 대응하는 감지 와이어의 신호량을 획득하는 단계;
    를 포함하는, 터치 패널의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 충전함에 있어서, 전력 공급이 상기 감지 와이어의 등가 커패시터를 충전하도록 신호-검출 회로에 의해 제공되며, 그에 대응하여 상기 전력 공급의 크기와 동일한 크기를 갖는 전력 공급은 상기 강도 신호를 획득하기 위해 내부 커패시터를 충전하도록 제공되는, 터치 패널의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제어 방법은,
    충전하기 위한 전력 공급을 상기 감지 와이어에 번갈아 전달하는 단계; 및
    상기 강도 신호를 번갈아 전달하는 단계;
    를 부가적으로 포함하는, 터치 패널의 제어 방법.
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