KR20200081133A

KR20200081133A - 전류구동방식의 터치센싱장치 및 터치센싱장치 구동방법

Info

Publication number: KR20200081133A
Application number: KR1020180171297A
Authority: KR
Inventors: 이희진; 이재환; 남정권; 이규태; 정현수; 장진윤; 윤희라; 신경민; 강문석
Original assignee: 주식회사 실리콘웍스
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07
Also published as: CN111381733A; US20200210046A1; US10942606B2; CN111381733B

Abstract

전하량 조절부를 이용하여 기생용량을 별도로 구동할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치는 충전기간 동안 터치센싱라인에 접속되어 상기 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키는 기생용량 충전부; 및 제1 구동기간 동안 상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 기생용량에 충전되는 제1 전압과 터치 발생시 상기 기생용량에 충전되는 제2 전압간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 제1 센싱기간 동안 상기 제1 구동전류에 의한 상기 정전용량의 제1 터치전압을 센싱하는 센싱유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류구동방식의 터치센싱장치 및 터치센싱장치 구동방법{Touch Sensing Device of Current Driving Type and Method for Operating That Device}

본 발명은 터치센싱장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 터치 스크린 패널 상의 터치를 감지할 수 있는 터치센싱장치에 관한 것이다.

정보화 사회가 발전함에 따라 화상을 표시하기 위한 디스플레이장치에 대한 요구가 다양한 형태로 증가하고 있으며, 근래에는 액정디스플레이장치(LCD: Liquid Crystal Display Device)나 유기발광 디스플레이장치(OLED: Organic Light Emitting Display Device) 등과 같은 여러 가지 타입의 디스플레이장치가 활용되고 있다.

최근에는 버튼, 키보드, 마우스 등의 통상적인 입력방식에서 탈피하여, 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜 등에 의한 터치입력을 감지할 수 있는 터치스크린 패널(Touch Screen Panel)을 구비한 디스플레이장치가 널리 이용되고 있다. 이러한 터치스크린 패널을 구비한 디스플레이장치는 터치유무 및 터치좌표(터치 위치)를 정확하게 검출하기 위한 터치센싱장치를 포함한다.

터치센싱장치는 터치스크린 패널에 배치된 터치전극들을 구동하여 터치센싱신호를 검출하고, 이를 이용하여 터치 유무 또는 터치 위치와 같은 터치정보를 검출한다.

일반적인 터치센싱장치는, 터치스크린 패널을 구동하여 센싱하는 과정에서 터치스크린 패널의 내부 또는 외부에서 터치구동패턴들과 주변도체들 간에 불필요한 기생용량이 발생할 수 있다. 이와 같이, 터치스크린 패널의 내부 또는 외부에서 기생용량이 발생하게 되면 정전용량방식으로 터치를 감지하는 경우 기생용량으로 인해 터치감도가 크게 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

특히, 최근 스마트 폰 등에 그 사용이 증대되고 있는 플라스틱 OLED(Plastic Organic Light Emitting Diode: pOLED) 디스플레이의 경우, 스마트 폰의 두께가 점점 얇아짐에 따라 터치스크린 패널과 플라스틱 OLED의 캐소드 전극 사이에 큰 기생용량이 발생하게 된다.

상술한 바와 같이, 기생용량이 발생하게 되면 기생용량에 의한 오프셋(Offset)으로 인해 터치를 센싱하는 센싱앰프의 출력이 포화(Saturation)될 수 있어 센싱앰프의 출력 레인지(Range)에 제약이 발생할 수 밖에 없다.

이를 해결하기 위해 센싱앰프의 피드백 커패시터(Feedback Capacitor)를 크게 증가시키거나 센싱앰프 내부에 오프셋 제거회로를 추가하는 방법을 고려해 볼 수 있지만, 센싱앰프의 피드백 커패시터를 증가시키게 되면 센싱앰프의 출력이 감소하게 되고, 센싱앰프 내부에 오프셋 제거회로를 추가하게 되면 오프셋 제거회로의 추가로 인해 내부 노이즈가 증가하게 되어, 결과적으로 높은 SNR(Signal Noise Ratio)의 출력신호를 얻기가 어렵다는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전하량 조절부를 이용하여 기생용량을 별도로 구동할 수 있는 전류구동방식의 터치센싱장치 및 터치센싱장치의 구동방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 양방향 센싱이 가능한 전류구동방식의 터치센싱장치 및 터치센싱장치의 구동방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

또한, 터치감도를 개선할 수 있는 전류구동방식의 터치센싱장치 및 터치센싱장치의 구동방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치는 충전기간 동안 터치센싱라인에 접속되어 상기 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키는 기생용량 충전부; 및 제1 구동기간 동안 상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 기생용량에 충전되는 제1 전압과 터치 발생시 상기 기생용량에 충전되는 제2 전압간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 제1 센싱기간 동안 상기 제1 구동전류에 의한 상기 정전용량의 제1 터치전압을 센싱하는 센싱유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치는 터치센싱라인에 접속되어 상기 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키거나 미리 정해진 방전전류로 방전시켜 상기 기생용량의 전하량을 조절하는 전하량 조절부; 상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제1 전압과 터치 발생시 상기 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제2 전압간의 차전압에 해당하는 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 상기 구동전류에 의한 상기 정전용량의 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력하는 버퍼; 상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제1 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제2 미러전류를 이용하여 출력신호를 생성하는 전류미러부; 및 상기 출력신호와 기준신호의 차이를 적분하여 출력하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치는 복수개의 터치센싱라인에 각각 접속되고, 각 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키거나 미리 정해진 방전전류로 방전시켜 상기 기생용량의 전하량을 조절하는 복수개의 전하량 조절부; 상기 각 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 각 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제1 전압과 터치 발생시 상기 각 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제2 전압간의 차전압에 해당하는 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 상기 구동전류에 의한 상기 정전용량의 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력하는 복수개의 버퍼; 상기 복수개의 버퍼에 각각 연결되고, 상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제1 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제2 미러전류를 이용하여 제1 출력신호를 생성하고, 상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제3 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제4 미러전류를 이용하여 제2 출력신호를 생성하는 복수개의 전류미러부; 및 상기 복수개의 전류미러부들 중 n-1번째 전류미러부에서 출력되는 제2 출력신호와 n번째 전류미러부에서 출력되는 제1 출력신호의 차이를 적분하여 출력하는 복수개의 적분기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치 구동방법은 미리 정해진 충전전류를 터치전극의 기생용량에 공급하여 상기 기생용량을 충전시키는 단계; 터치 미발생시 상기 충전전류에 의해 상기 기생용량에 충전되는 제1 전압과 터치 발생시 상기 충전전류에 의해 상기 기생용량에 충전되는 제2 전압간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류를 상기 터치전극의 정전용량에 공급하여 상기 정전용량을 충전시키는 단계; 및 상기 제1 구동전류에 의해 충전된 상기 정전용량의 제1 터치전압을 센싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 터치전극을 센싱하기 이전에 별도의 전하량 조절부를 이용하여 기생용량을 구동함으로써 기생용량에 의한 오프셋이 제거되기 때문에, 기생용량에 의한 오프셋이 센싱앰프의 출력으로 나타나지 않아서 기생용량으로 인한 센싱앰프의 출력 레인지 제약을 완화시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기생용량은 별도의 전하량 조절부를 통해 구동되고 센싱앰프는 터치전극의 정전용량만을 구동하면 되므로, 센싱앰프의 내부 구동전류를 최소화할 수 있고, 이로 인해 내부 노이즈를 감소시킬 수 있으며 센싱앰프의 동작을 안정시켜 높은 SNR을 갖는 터치센싱신호를 획득할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 터치전극의 센싱 이전에 기생용량이 별도의 전하량 조절부를 통해 구동되기 때문에 피드백 커패시터의 크기를 감소시킬 수 있어 센싱앰프의 설계면적을 감소시킴과 동시에 출력전압의 크기를 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 센싱앰프가 제1 방향으로의 센싱을 통해 포지티브 출력전압을 출력하고 제2 방향으로의 센싱을 통해 네거티브 출력전압을 출력할 수 있어 출력전압을 디지털 처리시 다양한 필터의 적용이 가능해진다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 높은 구동 주파로 터치전극을 구동할 수 있어 단위 시간 대비 많은 양의 데이터를 획득할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 버퍼 및 전류미러부를 이용하여 첫 번째 스테이지를 구성하고 인접채널의 전류미러부 출력들을 차동센싱하는 센싱앰프를 이용하여 두 번째 스테이지를 구성함으로써, 공통으로 발생되는 디스플레이 노이즈 및 외부 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 터치센싱장치에 구현된 버퍼들 각각이 터치스크린 패널의 터치센싱라인들 각각과 일대일로 직접 연결되므로, 버퍼들 각각과 터치센싱라인들 각각의 사이에 추가적인 회로, 예컨대 먹스가 불필요하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 터치센싱장치에 구현된 버퍼들 각각이 터치 스크린 패널의 터치센싱라인들 각각과 일대일로 직접 연결되므로, 모든 채널들에서 동시에 신호들을 생성하거나 처리할 수 있다는 효과가 있다. 이에 따라, 터치센싱장치가 각 채널의 신호를 순차적으로 센싱하는 종래의 타임 시퀀스 방식에 비해 센싱시간의 증가를 감소시킬 수 있고, 타임 시퀀스별 센싱시간 차이에 의한 신호품질의 저하를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 첫 번째 스테이지를 버퍼들로 구성함으로써 큰 커패시턴스 로드에 의한 피드백 팩터의 제한이 완화되어 센싱앰프의 설계가 용이해지고, 피드백 커패시터의 증가가 요구되지 않기 때문에 설계면적 증가 및 센싱앰프의 출력신호 감소를 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 두 번째 스테이지에서의 출력신호의 게인을 첫 번째 스테이지에 포함된 전류미러부를 이용하여 조절할 수 있어 두 번째 스테이지에 포함된 센싱앰프의 피드백 커패시터의 값을 감소시킬 수 있어 센싱앰프의 설계면적 효율성을 극대화할 수 있다는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센싱장치를 포함하는 디스플레이 장치의 블록도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치센싱장치를 포함하는 디스플레이 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 터치센싱장치를 구동하기 위한 타이밍도이다.
도 4a 내지 도 4d는 터치센싱장치의 각 구동 타이밍에 따른 스위치들의 온오프 상태와 그에 따른 전류의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 버퍼 및 전류미러부의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 버퍼 및 전류미러부의 구성을 보여주는 회로도이다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명의 핵심 구성과 관련이 없는 경우 및 본 발명의 기술분야에 공지된 구성과 기능에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.

제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

"X축 방향", "Y축 방향" 및 "Z축 방향"은 서로 간의 관계가 수직으로 이루어진 기하학적인 관계만으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 구성이 기능적으로 작용할 수 있는 범위 내에서보다 넓은 방향성을 가지는 것을 의미할 수 있다.

"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류구동방식의 터치센싱장치를 포함하는 디스플레이 장치의 블록도이다. 도 1a를 참조하면, 디스플레이 장치(100)는 터치 스크린 패널 (103, Touch Screen Panel: TSP) 및 전류구동방식의 터치센싱장치(110, 이하. '터치센싱장치'라 함)를 포함한다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해, 데이터 터치 스크린 패널(103) 및 터치센싱장치(110)만을 도시하였을 뿐, 본 발명에 따른 디스플레이 장치(100)는 디스플레이 장치(100)의 구동을 위한 일반적인 다른 구성들, 예컨대, 데이터 구동부(미도시), 게이트 구동부(미도시), 타이밍 컨트롤러(미도시), 또는 전원공급부(미도시) 등과 같은 구성을 추가로 포함할 수 있다.

디스플레이 장치(100)는 모바일 장치일 수 있고, 모바일 장치는 랩탑 컴퓨터, 스마트 폰, 모바일 인터넷 장치(Mobile Internet Device: MID), 또는 사물 인터넷(Internet of Things: IoT) 장치로 구현될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 디스플레이 장치(100)는 플라스틱 OLED(Plastic OLED: pOLED) 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치일 수 있다.

터치스크린 패널(103)은 터치스크린 패널(103) 상에 발생되는 터치를 정전용량 방식으로 센싱한다. 일 실시예에 있어서, 터치스크린 패널(103)은 자기정전용량(Self-Capacitance) 방식으로 터치스크린 패널(103) 상에 발생되는 터치를 센싱하는 자기정전용량 방식의 터치스크린 패널(103)일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 터치스크린 패널(103)은 디스플레이 장치(100)에 내장된 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 터치 스크린 패널(103)은 디스플레이 장치(100)에 온셀(On-cell) 타입으로 배치될 수 있다.

터치스크린 패널(103)은 복수개의 터치전극들(107) 및 복수개의 터치센싱라인들(105-1~105n)을 포함한다.

복수개의 터치전극들(107)은 터치객체(핑거 또는 펜)에 의한 터치를 입력 받는다. 복수개의 터치전극들(107)은 복수개의 수평라인과 복수개의 수직라인을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수개의 터치전극들(107)의 크기는 터치객체와의 접촉면적에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 터치스크린 패널(103)이 자기정전용량 방식의 터치스크린 패널(103)인 경우, 복수개의 터치전극(107)은 터치객체와 터치스크린 패널(103) 간의 최소 접촉 크기보다 큰 크기를 가지도록 형성될 수 있다.

복수개의 터치센싱라인들(105-1~105n; n은 2 이상의 자연수)은 해당 터치센싱라인(105-1~105n)이 연결된 터치전극(107)으로 터치구동신호를 각각 전송하고, 해당 터치전극(107)들로부터의 전압들(또는 전하들)을 터치센싱장치(110b)로 전송한다. 이를 위해, 복수개의 터치센싱라인들(105-1~105-n) 각각은 복수개의 터치전극(107) 각각에 개별적으로 연결될 수 있다.

터치센싱장치(110)는 터치스크린 패널(103) 상에 발생되는 터치를 센싱하는 터치센싱기능을 수행한다. 일 실시예에 있어서, 터치센싱장치(110)는 터치전극(107)들로 구동전류를 공급하여 터치전극들을 구동하는 전류구동방식의 터치센싱장치일 수 있다. 전류구동방식의 터치센싱장치(110B)는 구동전류를 터치센싱라인(105-1~105~n)을 통해 터치전극(107)으로 공급하고, 터치시 터치전극(107)에 발생되는 발생되는 정전용량의 변화를 센싱한다.

한편, 도 1a에서는 터치스크린 패널(103)이 터치전극(107)과 터치전극(107)에 연결된 터치센싱라인(105-1)만으로 구성된 자기정전용량(Self Capacitance) 방식의 터치스크린 패널(103)인 것으로 설명하였다. 하지만, 다른 실시예에 있어서 터치스크린 패널(103)은 도 1b에 도시된 바와 같이 터치구동라인들(TX1-TXm)을 추가로 포함하는 상호정전용량(Mutual Capacitance) 방식의 터치스크린 패널(103)일 수도 있다. 이러한 경우 각 터치전극(107)은 상호 커패시터를 포함한다.

터치스크린 패널(103)이 도 1b에 도시된 바와 같이 상호정전용량(Mutual Capacitance) 방식의 터치스크린 패널(103)인 경우에도 본 발명에 따른 터치센싱장치(110)는 자기정전용량 방식으로 터치를 센싱할 수 있다. 터치센싱장치(110)는 터치센싱라인(105-1~105-n)을 이용하여 터치를 센싱하는 동안 터치구동라인(TX1-TXm, m은 2 이상의 자연수)은 플로팅(Floating)시키고 터치구동라인(TX1-TXm)을 이용하여 터치를 센싱하는 동안 터치센싱라인(105-1~105n)은 플로팅(Floating)시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 터치센싱장치를 구동하기 위한 타이밍도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터치센싱장치(110)는 기생용량 충전부(200), 기생용량 방전부(210), 및 센싱유닛(220)을 포함한다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 터치센싱장치(110)가 하나의 기생용량 충전부(200), 하나의 기생용량 방전부(210), 및 하나의 센싱유닛(220) 만을 포함하는 것으로 도시하였지만, 본 발명에 따른 터치센싱장치(110)는 각각의 터치센싱라인(105-1~105-n) 별로 기생용량 충전부(200), 기생용량 방전부(210), 및 센싱유닛(220)을 각각 포함할 수 있다.

기생용량 충전부(200)는 미리 정해진 충전기간(t1) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치센싱라인(105-1)에 연결된 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 미리 정해진 충전전류(ICR_P)로 충전시킨다.

본 발명에 따른 터치센싱장치(110)가 제1 구동기간(t2) 및 제1 센싱기간(t3)이전의 충전기간(t1) 동안 충전전류를 이용하여 터치전극(107)을 미리 충전시키는 이유는, 자기정전용량 터치센싱방식의 경우 터치전극(107)의 정전용량(CT)과 기생용량(CP)이 동일 경로(Path) 상에 존재하게 되므로, 센싱유닛(220)이 구동전류를 이용하여 터치전극(107)을 구동할 때 정전용량(CT) 보다 큰 용량을 갖는 기생용량(CP)도 구동전류에 의해 함께 구동되기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 터치센싱장치(110)는 기생용량 충전부(200)를 이용하여 터치센싱 이전에 미리 기생용량(CP)을 충전함으로써 센싱유닛(220)은 터치전극(107)의 정전용량(CT)만을 구동하면 되고 기생용량(CP)을 구동할 필요가 없게 된다.

이에 따라, 기생용량 충전부(200)에 의한 기생용량(CP)의 충전을 통해 기생용량(CP)에 의한 오프셋이 제거될 수 있게 된다.

일 실시예 있어서, 본 발명에 따른 기생용량 충전부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 전류소스(202) 및 제1 스위치(S1)를 포함한다.

전류소스(202)는 제1 스위치(S1)를 통해 터치센싱라인(105-1)에 접속되고, 터치센싱라인(105-1)을 통해 미리 정해진 충전전류(ICR_P)를 터치전극(107)의 기생용량(CP)에 공급한다.

일 실시예에 있어서, 전류소스(202)에 의해 터치전극(107)으로 공급되는 충전전류(ICR_P)의 양은 아래의 수학식 1에 기재된 바와 같이, 기생용량(CP)이 제1 전압(VrefP)으로 구동되는 경우 기생용량(CP)에 충전될 전하량에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 1]

ICR_P*t1=CP*(VrefP-VrefN)

수학식 1에서 ICR_P은 전류소스(202)에 의해 공급되는 전류양을 나태내고, t1은 충전기간을 나타내며, CP는 기생용량을 나타내고, VrefP는 제1 전압을 나타낸다.

즉, 충전전류(ICR_P)의 양은 터치 미발생시 충전기간(t1) 동안 기생용량(CP)의 전압이 제1 전압(VrefP)이 되게 하는 값으로 결정될 수 있다.

제1 스위치(S1)는 충전기간(t1) 동안 턴온되어 전류소스(202)를 터치센싱라인(105-1)에 접속시키고 충전기간이 종료되면 턴오프되어 전류소스(202)를 터치센싱라인(105-1)으로부터 분리시킨다.

충전기간(t1)동안 제1 스위치(S1)가 턴온되어 전류소스(202)가 충전전류(ICR_P)를 기생용량(CP)에 공급함에 따라 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전압(VrefP)까지 충전된다. 하지만, 터치가 발생하게 되면 충전전류(ICR_P)가 해당 터치전극(107)에 발생되는 정전용량(CT)도 함께 충전시키기 때문에 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전압(VrefP)까지 충전되지 못하고 제1 전압(VrefP)보다 낮은 전압레벨의 제2 전압(V2)까지만 충전된다.

이때, 터치 미발생시 충전기간 동안(t1) 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제1 전압(VrefP)은 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있고, 터치 발생시 충전기간 동안(t1) 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제2 전압(V2)은 아래의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 2]

(VrefP- VrefN) = (ICR_P*t1)/CP

[수학식 3]

V2=(ICR_P*t1)/(CP+CT)+VrefN

다시 도 2를 참조하면, 기생용량 방전부(210)는 미리 정해진 방전기간(t4) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치센싱라인(105-1)에 연결된 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 미리 정해진 방전전류(ICR_N)로 방전시킨다.

본 발명에 따른 터치센싱장치(110)가 제2 구동기간(t5) 및 제2 센싱기간(t6)이전의 방전기간(t4) 동안 방전전류를 이용하여 터치전극(107)을 미리 방전시키는 이유는, 자기정전용량 터치센싱방식의 경우 터치전극(107)의 정전용량(CT)과 기생용량(CP)이 동일 경로(Path) 상에 존재하게 되므로, 센싱유닛(220)이 구동전류를 이용하여 터치전극(107)을 구동할 때 정전용량(CT) 보다 큰 용량을 갖는 기생용량(CP)도 구동전류에 의해 함께 구동되기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 터치센싱장치(110)는 기생용량 방전부(210)를 이용하여 터치센싱 이전에 미리 기생용량(CP)을 방전시킴으로써 센싱유닛(220)은 터치전극(107)의 정전용량(CT)만을 구동하면 되고 기생용량(CP)을 구동할 필요가 없게 된다.

이에 따라, 기생용량 방전부(210)에 의한 기생용량(CP)의 방전을 통해 기생용량에 의한 오프셋이 제거될 수 있게 된다.

일 실시예 있어서, 본 발명에 따른 기생용량 방전부(210)는 도 2에 도시된 바와 같이 전류싱크(212) 및 제2 스위치(S2)를 포함한다.

전류싱크(212)는 제2 스위치(S2)를 통해 터치센싱라인(105-1)에 접속되고, 터치센싱라인(105-1)을 통해 미리 정해진 방전전류(ICR_N)를 이용하여 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 방전시킨다.

일 실시예에 있어서, 전류싱크(212)에 의해 터치전극(107)으로 공급되는 방전전류(ICR_N)의 양은 아래의 수학식 4에 기재된 바와 같이, 기생용량(CP)이 제3 전압(VrefN)으로 구동되는 경우 기생용량(CP)에서 방전될 전하량에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 4]

ICR_N*t4=VrefP-CP*VrefN

수학식 4에서 ICR_N은 전류싱크(212)에 의해 공급되는 전류량을 나태내고, t4은 방전기간을 나타내며, CP는 기생용량을 나타내고, VrefN는 제3 전압을 나타낸다. 이때, 제3 전압(VrefN)은 제1 전압(VrefP)보다 낮은레벨의 전압일 수 있다. 일 예로, 제1 전압(VrefP)이 포지티브(Positive)값의 전압인 경우 제3 전압(VrefN)은 네거티브(Negative)값의 전압이거나 제1 전압(VrefP)은 포지티브 값의 전압이고 제3 전압(VrefN)은 접지전압일 수 있다.

즉, 방전전류(ICR_N)의 양은 터치 미발생시 방전기간(t4) 동안 기생용량(CP)의 전압이 제3 전압(VrefN)까지 방전되게 하는 값으로 결정될 수 있다.

제2 스위치(S2)는 방전기간(t4) 동안 턴온되어 전류싱크(212)를 터치센싱라인(105-1)에 접속시키고 방전기간(t4)이 종료되면 턴오프되어 전류싱크(212)를 터치센싱라인(105-1)으로부터 분리시킨다.

방전기간(t4)동안 제2 스위치(S2)가 턴온되어 전류싱크(212)가 방전전류(ICR_N)로 기생용량(CP)을 방전시킴에 따라 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 터치 미발생시 도 3에 도시된 바와 같이 제3 전압(VrefN)까지 방전된다. 하지만, 터치가 발생하게 되면 방전전류(ICR_N)가 해당 터치전극(107)에 발생되는 정전용량(CT)도 함께 방전시키기 때문에 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 도 3에 도시된 바와 같이 제3 전압(VrefN)까지 방전되지 못하고 제3 전압(VrefN)보다 높은 전압레벨의 제4 전압(V4)까지만 방전된다.

이때, 터치 미발생시 방전기간(t4) 동안 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제3 전압(VrefN)은 아래의 수학식 5와 같이 정의될 수 있고, 터치 발생시 방전기간(t4) 동안 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제4 전압(V4)은 아래의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 5]

VrefP-VrefN=(ICR_N*t4)/CP

[수학식 6]

V4=(ICR_N*t4)/(CP+CT)+VrefN

다시 도 2를 참조하면, 센싱유닛(220)은 제1 및 제2 구동기간(t2, t5) 동안 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하고, 제1 및 제2 센싱기간(t3, t6) 동안 정전용량(CT)의 구동에 따라 정전용량(CT)에 충전된 전압을 센싱한다. 센싱유닛(220)은 제1 센싱기간(t3)동안 센싱된 출력전압을 제1 터치전압으로 출력하고, 제2 센싱기간(t6)동안 센싱된 출력전압을 제2 터치전압으로 출력한다.

구체적으로, 센싱유닛(220)은 제1 구동기간(t2) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제1 전압(VrefP)과 터치 발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제2 전압(V2)간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류(ID1)로 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 충전한다. 또한, 센싱유닛(220)은 제1 구동기간(t2) 이후의 제1 센싱기간(t3) 동안 제1 구동전류(ID1)에 의한 정전용량(CT)의 전압을 센싱한 출력전압(Vout)으로 제1 터치전압을 출력한다.

또한, 센싱유닛(220)은 제2 구동기간(t5) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제3 전압(VrefN)과 터치 발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제4 전압(V4)간의 차전압에 해당하는 제2 구동전류(ID2)로 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 방전시킨다. 또한, 센싱유닛(220)은 제2 구동기간(t5) 이후의 제2 센싱기간(t6) 동안 제2 구동전류(ID2)에 의한 정전용량(CT)의 전압을 센싱한 출력전압(Vout)으로 제2 터치전압을 출력한다.

즉, 본 발명에 따르면 제1 구동기간(t2) 및 제1 센싱기간(t3) 이전에 기생용량(CP)이 별도의 기생용량 충전부(200)를 통해 충전되기 때문에 센싱유닛(220)은 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제1 전압(VrefP)과 터치 발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제2 전압(V2)간의 차전압만큼만 터치전극(107)을 구동하면 되므로, 결과적으로 센싱유닛(220)은 터치전극(107)의 정전용량(CP)만을 구동하게 된다.

또한, 제2 구동기간(t5) 및 제2 센싱기간(t6) 이전에 기생용량(CP)이 별도의 기생용량 방전부(210)를 통해 방전되기 때문에 센싱유닛(220)은 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제3 전압(VrefN)과 터치 발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX)인 제4 전압(V4)간의 차전압만큼만 터치전극(107)을 구동하면 되므로, 결과적으로 센싱유닛(220)은 터치전극(107)의 정전용량(CP)만을 구동하게 된다.

이에 따라, 센싱유닛(220)의 내부 구동전류를 최소화할 수 있게 될 뿐만 아니라 이로 인해 내부 노이즈를 감소시킬 수 있으며 센싱유닛(220)의 동작을 안정시켜 높은 SNR을 갖는 터치센싱신호를 획득할 수 있게 된다.

이를 위해, 본 발명에 따른 센싱유닛(220)은 도 2에 도시된 바와 같이, 적분기(222), 제3 스위치(S3), 제3 스위치(S4), 및 피드백 커패시터(CF)를 포함한다.

적분기(222)는 반전입력단자(IN1)와, 비반전입력단자(IN2), 및 출력단자(OP)를 포함한다. 반전입력단자(IN1)는 터치센싱라인(105-1)에 연결되어 터치센싱라인(105-1)을 통해 제1 구동전류(ID1) 또는 제2 구동전류(ID2)을 공급하고, 제1 구동전류(ID1)에 의해 구동된 정전용량(CT) 전압 또는 제2 구동전류(ID2)에 의해 구동된 정전용량(CT)의 전압이 입력된다.

비반전입력단자(IN2)에는 구동신호가 입력된다. 일 실시예에 있어서, 구동신호는 제1 전압(VrefP) 및 제3 전압(VrefN)이 미리 정해진 주기로 교번하는 펄스파일 수 있다. 이때, 제1 전압(VrefP)과 제3 전압(VrefN)간의 차전압의 크기는 VDRV로 정의될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 충전기간(t1), 제1 구동기간(t2), 및 제1 센싱기간(t3) 동안에는 비반전입력단자(IN2)에 제1 전압(VrefP)이 인가되고, 방전기간(t4), 제2 구동기간(t5), 및 제2 센싱기간(t6)동안에는 비반전입력단자(IN2)에 제3 전압(VrefN)이 인가될 수 있다.

본 발명에 따른 적분기(222)가 충전기간(t1), 제1 구동기간(t2), 및 제1 센싱기간(t3) 동안 비반전입력단자(IN2)에 제1 전압(VrefP)을 인가하고, 방전기간(t4), 제2 구동기간(t5), 및 제2 센싱기간(t6)동안 비반전 입력단자(IN2)에 제3 전압(VrefN)을 인가하는 이유는 정전용량(CT)의 충전을 통해 터치여부를 센싱하는 제1 방향으로의 센싱과 터치전극(107)의 방전을 통해 터치여부를 센싱하는 제2 방향으로의 센싱을 모두 수행하기 위한 것이다. 이와 같이, 적분기(222)가 제1 및 제2 방향으로의 센싱을 모두 수행할 수 있기 때문에 출력전압의 디지털 처리시 다양한 필터의 적용이 가능해지게 된다.

제3 스위치(S3)는 충전기간(t1) 및 방전기간(t4) 동안 턴오프되어 적분기(222)를 터치센싱라인(105-1)으로부터 분리시키고, 제1 및 제2 구동기간(t2, t5)과 제1 및 제2 센싱기간(t3, t6) 동안 턴온되어 적분기(222)를 터치센싱라인(105-1)에 접속시킨다.

제4 스위치(S4)는 충전기간(t1) 및 방전기간(t4) 동안 턴온되어 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)와 출력단자(OP)를 연결시킴으로써 적분기(222)를 초기화(Reset)시킨다.

구체적으로, 충전기간(t1) 동안 제4 스위치(S4)가 턴온되면 적분기(222)의 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)의 전압이 모두 제1 전압(VrefP)로 유지된다. 또한, 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX) 또한 제1 스위치(S1)가 턴온됨에 따라 충전전류(ICR_P)에 의한 충전에 의해 제1 전압(VrefP)이 되므로, 제3 스위치(S3)가 턴온되어 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)가 터치센싱라인(105-1)에 연결되면 두 노드 사이에 전압차이가 발생하지 않아 적분기(222)의 출력단자(OP)를 통해 제1 터치전압으로써 제1 전압(VrefP)이 출력된다.

하지만, 충전기간(t1) 동안 터치가 발생되게 되면 제4 스위치(S4)의 턴온에 의해 적분기(222)의 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)의 전압이 모두 제1 전압(VrefP)로 유지되지만, 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 제1 전압(VrefP)보다 낮은 제2 전압(V2)까지만 충전되므로, 제3 스위치(S3)가 턴온되어 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)가 터치센싱라인(105-1)에 연결되면 두 노드 사이에 아래의 수학식 7과 같은 제1 차전압이 발생하게 된다.

[수학식 7]

Vdiff_1= [VrefN + (ICR_P*t1)/CP] - [VrefN + (ICR_P*t1)/(CP+CT)]

수학식 7에서 Vdiff는 제1 전압차를 나타내고, [VrefN + (ICR_P*t1)/CP] 는 제1 전압(VrefP)을 나타내고, [VrefN + (ICR_P*t1)/(CP+CT)]은 제2 전압(V2)을 나타낸다.

이에 따라, 적분기(222)는 제1 구동기간(t2)동안 제1 전압(VrefP)과 제2 전압(V2)간의 제1 차전압(Vdiff_1)만큼 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하게 된다. 즉, 적분기(222)는 제1 구동기간(t2)동안 제1 전압(VrefP)과 제2 전압(V2)간의 제1 차전압(Vdiff_1)에 해당하는 제1 구동전류(ID1)를 정전용량(CT)에 공급하여 정전용량(CT)을 추가로 충전시키게 된다. 이에 따라 적분기(222)는 제1 센싱기간(t3) 동안 정전용량(CT)에 충전된 전압을 센싱하여 아래의 수학식 8과 같이 제1 전압(VrefP)에 제1 구동전류(ID1)의 구동에 따른 전압이 추가된 제1 터치전압을 출력전압(Vout)으로 출력하게 된다.

[수학식 8]

Vout= VrefP + ((CP+CT)/CF)*((ICR_P*t1)/CP - (ICR_P*t1)/(CP+CT))

= VrefP +CT/CF*ICR_P*t1/CP

= VrefP +CT/CF*(VrefP - VrefN)

수학식 8에서 알 수 있듯이, 제1 센싱기간(t3)동안의 센싱을 통해 적분기(222)에서 출력되는 제1 터치전압에서 기생용량(CP)에 의한 성분이 제거된다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 적분기(222)는 제1 구동기간(t2) 및 제1 센싱기간(t3) 동안 제1 구동전류(ID1)를 터치전극(107)측으로 공급하여 터치전극(107)을 충전하고, 그에 따라 제1 전압(VrefP)보다 증가된 제1 터치전압을 출력하는 제1 방향의 센싱을 수행하게 된다.

한편, 방전기간(t4) 동안 제4 스위치(S4)가 턴온되면 적분기(222)의 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)의 전압이 모두 제2 전압(VrefN)으로 유지되고, 터치 미발생시 기생용량(CP)의 전압(VRX) 또한 제2 스위치(S2)가 턴온됨에 따라 방전전류(ICR_N)에 의한 방전에 의해 제3 전압(VrefN)이 되므로, 제3 스위치(S3)가 턴온되어 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)가 터치센싱라인(105-1)에 연결되면 두 노드 사이에 전압차이가 발생하지 않아 도 3에 도시된 바와 같이, 적분기(222)의 출력단자(OP)를 통해 제2 터치전압으로써 제3 전압(VrefN)이 출력된다.

하지만, 터치가 발생되게 되면 제4 스위치(S4)의 턴온에 의해 적분기(222)의 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)의 전압이 모두 제2 전압(VrefN)로 유지되지만, 기생용량(CP)의 전압(VRX)은 제3 전압(VrefN)보다 높은 제4 전압(V4)까지만 방전되므로, 제3 스위치(S3)가 턴온되어 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)가 터치센싱라인(105-1)에 연결되면 두 노드 사이에 아래의 수학식 9와 같은 제2 차전압이 발생하게 된다.

[수학식 9]

Vdiff_2= [VrefP- (ICR_N*t4)/(CP+CT)] - [VrefP- (ICR_N*t4)/CP]

수학식 9에서 Vdiff_2는 제2 차전압을 나타내고, [VrefP- (ICR_N*t4)/CP] 는 제4 전압(V4)을 나타내며, [VrefP- (ICR_N*t4)/(CP+CT)]은 제3 전압(VrefN)을 나타낸다.

이에 따라, 적분기(222)는 제2 구동기간(t5)동안 제4 전압(V4)과 제3 전압(VrefN)간의 제2 차전압(Vdiff_2)만큼 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하게 된다. 즉, 적분기(222)는 제2 구동기간(t4)동안 제4 전압(V4)과 제3 전압(VrefN)간의 제2 차전압(Vdiff_2)에 해당하는 제2 구동전류(ID2)로 정전용량(CT)을 방전시키게 된다. 이에 따라 적분기(222)는 제2 센싱기간(t6) 동안 방전 이후의 정전용량(CT)의 전압을 센싱하여 아래의 수학식 10과 같이 제3 전압(VrefN)에서 제2 구동전류(ID2)의 구동에 따른 전압이 차감된 제2 터치전압을 출력전압(Vout)으로 출력하게 된다.

[수학식 10]

Vout= VrefN - ((CP+CT)/CF)*((ICR_N*t4)/(CP+CT)- (ICR_N*t4)/CP)

= VrefN - CT/CF*ICR_N*t4/CP

= VrefN - CT/CF*(VrefP - VrefN)

수학식 10에서 알 수 있듯이, 제2 센싱기간(t6)동안의 센싱을 통해 적분기(222)에서 출력되는 제2 터치전압에서 기생용량(CP)에 의한 성분이 제거된다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 적분기(222)는 제2 구동기간(t5) 및 제2 센싱기간(t6) 동안 제2 구동전류(ID2)로 터치전극(107)을 방전시키고, 그에 따라 제3 전압(VrefN)보다 감소된 제2 터치전압을 출력하는 제2 방향의 센싱을 수행하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 기새용량(CP)이 기생용량 충전부(200) 또는 기생용량 방전부(210)를 통해 미리 구동되기 때문에 기생용량(CP)에 의한 오프셋이 제거되고, 기생용량(CP)에 의한 오프셋이 적분기(222)의 출력으로 나타나지 않아서 기생용량(CP)으로 인한 적분기(222)의 출력 레인지 제약이 완화된다.

다시 도 2를 참조하면, 피드백 커패시터는 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)와 출력단자(OP)를 연결시켜, 출력전압(Vout)의 크기를 조절한다.

본 발명에 따른 터치센싱장치(110)의 경우, 터치전극(107)의 센싱 이전에 기생용량(CP)이 기생용량 충전부(200) 또는 기생용량 방전부(210)를 통해 구동되기 때문에 피드백 커패시터(CF)의 크기를 감소시킬 수 있어 센싱장치(110)의 설계면적을 감소시킴과 동시에 출력전압의 크기를 증가시킬 수 있게 된다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 터치센싱치(110)의 구동방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는 터치센싱장치(110)의 각 구동 타이밍에 따른 스위치들의 온오프 상태와 그에 따른 전류의 흐름을 보여주는 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 충전기간(t1) 동안 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 턴온되고, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)은 턴오프된다. 제1 스위치(S1)의 턴온에 따라 전류소스(202)가 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 충전전류(ICR_P)를 기생용량(CP)에 공급함으로써 기생용량(CP)을 충전시킨다. 이때, 터치 미발생시 기생용량(CP)은 제1 전압(VrefP)까지 충전되지만 터치발생시 정전용량(CT)으로 인해 기생용량(CP)은 제1 전압보다 낮은 제2 전압(V2)까지만 충전된다. 한편, 제4 스위치(S4)가 턴온되므로 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)와 출력단자(OP)가 연결되고, 비반전입력단자(IN2)에는 제1 전압(VrefP)가 인가되므로 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)는 모두 제1 전압(VrefP)으로 유지된다.

이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 구동기간(t2) 및 제1 센싱기간(t3) 동안 제1, 제2 스위치, 및 제4 스위치(S1, S2, S4)는 모두 턴오프되고 제3 스위치(S3)는 턴온된다. 이에 따라, 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)와 터치센싱라인(105-1)이 연결된다. 터치 미발생시 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)와 기생용량(CP)은 모두 제1 전압(VrefP)상태이므로 전압차가 발생되지 않기 때문에 적분기(222)는 제1 전압(VrefP)을 제1 터치전압으로 출력한다.

하지만, 터치 발생시 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)는 제1 전압(VrefP)으로 유지되지만, 기생용량(CP)은 제1 전압(VrefeP)보다 낮은 제2 전압(V2)까지만 충전되므로 2개의 노드 사이에 상술한 수학식 7에 기재된 바와 같은 제1 차전압(Vdiff_1)만큼 의 전압차가 발생하게 된다. 이에 따라, 적분기(222)는 제1 차전압(Vdiff_1)에 해당하는 제1 구동전류(ID1)을 정전용량(CT)으로 공급함으로써 정전용량(CT)을 구동하게 된다. 이와 같이 적분기(222)가 제1 차전압(Vdiff_1)만큼만 터치전극(107)을 구동하면 되므로 기생용량(CP)에 의한 오프셋이 제거되게 된다.

적분기(222)는 제1 구동전류(ID1)로 인한 충전 이후의 정전용량(CP)에 충전된 전압을 센싱함으로써 상술한 수학식 8에 기재된 바와 같은 제1 터치전압을 출력하게 된다.

이후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 방전기간(t4) 동안 제2 및 제4 스위치(S2, S4)는 턴온되고, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)은 턴오프된다. 제2 스위치(S2)의 턴온에 따라 전류싱크(212)가 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 방전전류(ICR_N)를 이용하여 기생용량(CP)을 방전시킨다. 이때, 터치 미발생시 기생용량(CP)은 제3 전압(VrefN)까지 방전되지만 터치발생시 정전용량(CT)으로 인해 기생용량(CP)은 제3 전압(VrefN)보다 높은 제4 전압(V4)까지만 방전된다. 한편, 제4 스위치(S4)가 턴온되므로 적분기(222)의 반전입력단자(IN1)와 출력단자(OP)가 연결되고, 비반전입력단자(IN2)에는 제3 전압(VrefN)이 인가되므로 반전입력단자(IN1) 및 출력단자(OP)는 모두 제3 전압(VrefN)으로 유지된다.

이후, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제2 구동기간(t5) 및 제2 센싱기간(t6) 동안 제1, 제2 스위치, 및 제4 스위치(S1, S2, S4)는 모두 턴오프되고 제3 스위치(S3)는 턴온된다. 이에 따라, 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)와 터치센싱라인(105-1)이 연결된다. 터치 미발생시 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)와 기생용량(CP)은 모두 제3 전압(VrefN)상태이므로 전압차가 발생되지 않기 때문에 적분기(222)는 제3 전압(VrefN)을 제2 터치전압으로 출력한다.

하지만, 터치 발생시 적분기(222)의 비반전입력단자(IN1)는 제3 전압(VrefN)으로 유지되지만, 기생용량(CP)은 제3 전압(VrefeN)보다 높은 제4 전압(V4)까지만 방전되므로 2개의 노드 사이에 상술한 수학식 9에 기재된 바와 같은 제2 차전압(Vdiff_2)만큼의 전압차가 발생하게 된다. 이에 따라, 적분기(222)는 제2 차전압(Vdiff_2)에 해당하는 제2 구동전류(ID2)을 이용하여 정전용량(CT)을 추가로 방전시킴으로써 정전용량(CT)을 구동하게 된다. 이와 같이 적분기(222)가 제2 차전압(Vdiff_2)만큼만 터치전극(107)을 구동하면 되므로 기생용량(CP)에 의한 오프셋이 제거되게 된다.

적분기(222)는 제2 구동전류(ID2)로 인한 방전 이후의 정전용량(CP)에 충전된 전압을 센싱함으로써 상술한 수학식 10에 기재된 바와 같은 제2 터치전압을 출력하게 된다.

상술한 실시예에 있어서는 센싱유닛(220)이 적분기(222), 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 및 피드백 커패시터(CF)만을 포함하는 것으로 기재하였다. 하지만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치센싱장치의 센싱유닛(220)은 도 5에 도시된 바와 같이, 버퍼 및 전류미러부를 추가로 포함할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치센싱장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 터치센싱장치(510)는 전하량 조절부(520) 및 및 센싱유닛(525)를 포함한다. 도 5에서는 터치센싱장치(510)가 하나의 전하량 조절부(520) 및 하나의 센싱유닛(525)만을 포함하는 것으로 도시하였지만, 본 발명에 따른 터치센싱장치(510)는 각각의 터치센싱라인(105-1~105-n) 별로 전하량 조절부(520) 및 센싱유닛(525)을 각각 포함할 수 있다.

전하량 조절부(520)는 터치센싱라인(105-1)에 접속되고, 터치센싱이전에 터치센싱라인(105-1)에 연결된 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 미리 정해진 충전전류로 충전시키거나 미리 정해진 방전전류로 방전시켜 기생용량(CP)의 전하량을 조절한다.

이를 위해, 전하량 조절부(520)는 기생용량(CP)의 충전을 위한 기생용량 충전부(200) 및 기생용량(CP)의 방전을 위한 기생용량 방정부(210)를 포함한다.

기생용량 충전부(200)는 미리 정해진 충전기간 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치센싱라인(105-1)에 연결된 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 미리 정해진 충전전류(ICR_P)로 충전시킨다.

기생용량 방전부(210)는 미리 정해진 방전기간 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치센싱라인(105-1)에 연결된 터치전극(107)의 기생용량(CP)을 미리 정해진 방전전류(ICR_N)로 방전시킨다.

기생용량 충전부(200) 및 기생용량 방전부(210)의 기능은 도 2에 도시된 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

센싱유닛(525)은 구동기간 동안 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하고, 센싱기간 동안 정전용량(CT)의 구동에 따라 정전용량(CT)에 충전된 전압을 센싱하여 센싱된 전압을 출력한다. 이를 위해, 센싱유닛(525)은 도 5에 도시된 바와 같이, 버퍼(530), 전류미러부(540), 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 및 피드백 커패시터(CF)를 포함한다.

버퍼(530)는 제3 스위치(S3)가 턴온됨에 의해 제1 구동기간(t2) 및 제1 센싱기간(t3) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되고, 터치 미발생시 기생용량 충전부(200)의 충전에 의한 기생용량(CP)의 제1 전압(VrefP)과 터치 발생시 기생용량 충전부(200)의 충전에 의한 기생용량(CP)의 제2 전압(V2)간의 제1 차전압(Vdiff_1)에 해당하는 제1 구동전류(ID1)로 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하고, 제1 구동전류(ID1)에 의한 정전용량(CT)의 제1 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력한다.

또한, 버퍼(530)는 제3 스위치(S3)가 턴온됨에 의해 제2 구동기간(t5) 및 제2 센싱기간(t6) 동안 터치센싱라인(105-1)에 접속되어 터치 미발생시 기생용량 방전부(210)의 방전에 의한 기생용량(CP)의 제3 전압(VrefN)과 터치 발생시 기생용량 방전부(210)의 방전에 의한 기생용량(CP)의 제4 전압(V4)간의 제2 차전압(Vdiff_2)에 해당하는 제2 구동전류(ID2)로 터치전극(107)의 정전용량(CT)을 구동하고, 제2 구동전류(ID2)에 의한 정전용량(CT)의 제2 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력한다.

본 발명에 따른 버퍼(530)가 제1 및 제2 터치전압을 생성하는 것은 도 2에 도시된 적분기(222)가 제1 및 제2 터치전압을 생성하는 것과 동일하므로 제1 및 제2 터치전압 생성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 또한, 버퍼(530)가 각각의 제1 및 제2 터치전압으로부터 제1 및 제2 전류를 생성하는 것에 대해서는 전류미러부(540)의 동작과 함께 설명하기로 한다.

일 실시예에 있어서, 버퍼(530)는 1의 전압이득을 갖는 연산 증폭기(Operational Amplifier)로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 각 터치센싱라인(105-1~105-n)에 연결되어 제1 스테이지(First Stage)를 구성하는 복수개의 버퍼(530)들은 단위이득 버퍼, 단위이득 증폭기, 또는 버퍼 증폭기일 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 각 터치센싱라인(105-1~105-n)이 각 버퍼(530)들에 일대일로 직접 연결되므로, 각 터치센싱라인(105-1~105-n)과 각 버퍼들(530) 사이에는 추가적인 회로, 예컨대 먹스(MUX)가 요구되지 않게 된다.

또한, 본 발명에 따르면 각 터치센싱라인(105-1~105-n)이 각 버퍼(530)들에 일대일로 직접 연결되어 있으므로, 모든 전송채널들에서 동시에 신호들이 생성될 수 있다. 여기서 전송채널(Transmission Channel)은 전하량 조절부, 버퍼, 전류미러, 및 적분기를 포함하는 회로구성을 의미할 수 있다. 이에 따라, 터치센싱장치(510)는 각 전송채널을 순차적으로 센싱하는 종래의 타임 시퀀스 방식에 비해 센싱시간의 증가가 없거나 센싱시간이 상당히 감소할 뿐만 아니라, 타임 시퀀스별 센싱시간 차이에 의한 신호 품질의 저하가 없거나 신호품질 저하가 상당히 감소하게 된다.

또한, 각 전송채널의 제1 스테이지가 복수개의 버퍼(530)들로 구성됨에 따라 높은 커패시턴스 로드(High Capacitance Load)에 의한 피드백 팩터(Feedback Factor)의 제한으로 인한 증폭기 설계의 어려움(예컨대, 증폭속도 및 전류소모와 관련된 어려움)과, 큰 피드백 커패시터(CF)가 사용됨에 따라 설계 면적이 증가하게 되는 문제점을 해결할 수 있게 된다.

전류미러부(540)는 버퍼(530)로부터 제공되는 제1 전류를 미러링하여 제1 미러전류를 생성하고, 버퍼(530)로부터 제공되는 제2 전류를 미러링하여 제2 미러전류를 생성하며, 제1 미러전류 및 제2 미러전류를 이용하여 출력신호(S1)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 전류미러부(540)는 입력전하를 출력전류로 변환하는 전하-전류 변환기일 수 있다.

이때, 제1 및 제2 미러전류의 전류량은 각각 동일할 수 있고, 제1 제어신호들을 이용하여 조절될 수 있다.

적분기(550)는 미리 정해진 기준신호(REF)와 전류미러부(540)의 출력신호(S1)의 차이를 적분한다. 이에 따라, 적분기(550)를 통해 기준신호(REF)와 전류미러부(540)의 출력신호(S1)와의 차이에 해당하는 적분신호가 출력될 수 있다.

이하, 도 6을 추가로 참조하여 도 5에 도시된 터치센싱장치(510)의 동작을 구체적으로 설명한다. 도 6은 도 5에 도시된 버퍼 및 전류미러부의 구성을 보여주는 회로도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 5에 도시된 터치센싱장치(510) 중에서 버퍼(530), 전류미러부(540), 및 적분기(550)의 동작에 대해서만 간략하게 설명하기로 한다.

버퍼(530)는 도 6에 도시된 바와 같이 연산증폭기(AMP)와 출력회로(610)를 포함하고, 단위이득 버퍼 구성을 위해 연산증폭기(AMP)의 제1 출력단자(ND1)는 터치센싱라인(105-1)에 연결되는 연산증폭기(AMP)의 입력단자에 연결된다.

출력회로(610)는 풀-업 회로(PU1) 및 풀-다운 회로(PD1)를 포함한다. 풀-업 회로(PU1)와 풀-다운 회로(PD1) 각각은 캐스코드 구성(Cascode Configuration)으로 구현될 수 있다.

풀-업 회로(PU1)는 제1 전원을 공급하는 제1 전원라인(또는 전원노드, VDD)과 제1 출력단자(ND1) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터들(P1, P2)을 포함하고, 풀-업 작동(또는 전류소싱(Current Sourcing) 작동) 시에 제1 전류(I1)는 풀-업 회로(PU1)를 통해 제1 출력단자(ND1) 쪽으로 흐른다.

풀-다운 회로(PD1)는 제1 출력단자(ND1)와 제2 전원을 공급하는 제2 전원라인(VSS) 사이에 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터들(N1, N2)를 포함하고, 풀-다운 작동(또는 전류 싱킹(Current Sinking) 작동) 시에 제2 전류(I2)는 풀-다운 회로(PD1)를 통해 제2 전원라인(VSS) 쪽으로 흐른다.

전류미러부(540)는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 미러전류 생성회로(620)와 제2 미러전류 생성회로(630)를 포함한다.

제1 미러전류 생성회로(620)는 풀-업 회로(PU1)와 전류미러를 형성함으로써, 제1 전류(I1)를 미러링하여 제1 미러전류(MI1)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 제1 미러전류 생성회로(620)는 PMOS 캐스코드 전류미러회로로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 제1 미러전류 생성회로(620)는 제1 전원을 공급하는 제1 전원라인(VDD)과 제2 출력단자(ND2) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터들(P3, P4)을 포함하고, 풀-업 작동(또는 전류 소싱 작동) 시에 제1 미러전류(MI1)는 제1 미러전류 생성회로(620)를 통해 제2 출력단자(ND2) 쪽으로 흐른다.

이때, 제1 전류(I1)의 양은 제1 미러전류(MI1)의 양보다 많을 수 있다. 예컨대, 각 PMOS 트랜지스터(P1, P2, P3, P4)의 채널의 길이가 서로 동일하고, 각 PMOS 트랜지스터(P1, P2)의 채널의 폭이 서로 동일하며, 제1 PMOS 트랜지스터(P1)의 채널의 폭이 제3 PMOS 트랜지스터(P3)의 채널의 폭의 K(K는 2이상의 자연수) 배라고 가정하면, 제1 미러전류(MI1)의 양은 제1 전류(I1)의 양의 (1/K)배이다.

위와 같은 가정하에서 제어신호들을 이용하여 각 PMOS 트랜지스터(P3, P4)의 채널의 폭을 조절할 수 있다면, 제1 미러전류(MI1)의 양은 조절될 수 있다.

한편, 제2 미러전류 생성회로(630)는 풀-다운 회로(PD1)와 전류미러를 형성함으로써 제2 전류(I2)를 미러링하여 제2 미러전류(MI2)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 제2 미러전류 생성회로(630)는 NMOS 캐스코드 전류미러 회로로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 제2 미러전류 생성회로(630)는 제2 출력단자(ND2)와 제2 전원을 공급하는 제2 전원라인(VSS) 사이에 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터들(N3, N4)을 포함하고, 풀-다운 작동(또는 전류 싱크 작동) 시에 제2 미러전류(MI2)는 제2 미러전류 생성회로(630)를 통해 제2 전원라인(VSS) 쪽으로 흐른다. 이에 따라, 제2 출력단자(ND2)를 통해 제1 미러전류(MI1)와 제2 미러전류(MI2)의 차이에 해당하는 출력신호(S1)가 출력된다.

이때, 제2 전류(I2)의 양은 제2 미러전류(MI2)의 양보다 많을 수 있다. 예컨대, 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2, N3, N4)의 채널의 길이가 서로 동일하고, 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2)의 채널의 폭이 서로 동일하며, 제1 NMOS 트랜지스터(N1)의 채널의 폭이 제3 NMOS 트랜지스터(N3)의 채널의 폭의 K(K는 2이상의 자연수) 배라고 가정하면, 제2 미러전류(MI2)의 양은 제2 전류(I2)의 양의 (1/K)배이다.

위와 같은 가정하에서 제어신호들을 이용하여 각 NMOS 트랜지스터(N3, N4)의 채널의 폭을 조절할 수 있다면, 제2 미러전류(MI2)의 양은 조절될 수 있다.

상술한 실시예에 따를 때, 제2 출력단자(ND2)를 통해 출력되는 출력신호(S1)가 적분기(550)로 입력되고, 적분기(550)는 기준신호(REF)와 출력신호(S1)의 차이를 적분하게 된다.

상술한 바와 같이, 버퍼(530)의 출력회로(610)와 제1 및 제2 전류미러 생성회로(620, 630)가 캐스코드 전류 미러로 구현됨에 따라, 제1 및 제2 전류미러 생성회로(620, 630)를 구성하는 MOS 트랜지스터들의 DC전류 부정합(Mismatch)을 최소화할 수 있어 적분기(550)에 누적되는 DC전류를 최소화하여 적분기(550)의 출력 레인지를 효율적으로 이용할 수 있게 되고, 차동신호들의 왜곡이 제거되거나 상당히 감소하고, 인접 전송채널들과의 부정합(Mismatch)으로 인한 공통 노이즈 제거 기능이 향상될 수 있다.

도 5에서는 적분기(550)가 전류미러부(540)의 출력신호(S1)를 기준신호(REF)와 비교하는 것으로 설명하였다. 하지만, 다른 실시예에 있어서 적분기(550)는 인접한 채널의 전류미러부(540)들의 출력신호를 차분하여 적분할 수도 있다. 이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 이러한 제3 실시예에 따른 터치센싱장치에 대해 구체적으로 설명한다.

도 7은 제3 실시예에 따른 터친센싱장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이고, 도 8은 도 7에 도시된 버퍼 및 전류미러부의 구성을 보여주는 회로도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터치센싱장치(710)의 기본적인 구성은 도 5에 도시된 제2 실시예에 따른 터치센싱장치(510)의 구성과 동일하다.

다만, 제3 실시예에 따른 터친센싱장치(710)의 경우 도 7에 도시된 바와 같이 제2 적분기(550-2)가 제1 터치센싱라인(105-1)에 연결된 제1 전류미러부(540-1)의 출력신호와 제2 터치센싱라인(105-2)에 연결된 제2 전류미러부(540-2)의 출력신호를 차분하여 적분한다는 점과, 이를 위해 제1 전류미러부(540-1)가 2개의 출력신호(S1R, S1L)를 생성하고, 제2 전류미러부(540-2)가 2개의 출력신호(S2R, S2L)을 생성한다는 점이 상이하다.

따라서, 이하에서는 도 7 및 8을 참조하여 상술한 차이점 위주로 터치센싱장치(710)에 대해 설명하기로 한다.

제1 버퍼(530-1)는 도 8에 도시된 바와 같이 제1 연산증폭기(AMP1)와 제1 출력회로(610-1)를 포함하고, 단위이득 버퍼 구성을 위해 제1 연산증폭기(AMP1)의 제1 출력단자(ND1)는 제1 터치센싱라인(105-1)에 연결되는 제1 연산증폭기(AMP1)의 입력단자에 연결된다.

제1 출력회로(610-1)는 제1 풀-업 회로(PU1) 및 제1 풀-다운 회로(PD1)를 포함한다. 제1 풀-업 회로(PU1)와 제1 풀-다운 회로(PD1) 각각은 캐스코드 구성(Cascode Configuration)으로 구현될 수 있다.

제1 풀-업 회로(PU1)는 제1 전원(VDD)을 공급하는 제1 전원라인(또는 전원노드)과 제1 출력단자(ND1) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터들(P1, P2)을 포함하고, 풀-업 작동(또는 전류소싱(Current Sourcing) 작동) 시에 제1 전류(I1)는 제1 풀-업 회로(PU1)를 통해 제1 출력단자(ND1) 쪽으로 흐른다.

제1 풀-다운 회로(PD1)는 제1 출력단자(ND1)와 제2 전원을 공급하는 제2 전원라인(VSS) 사이에 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터들(N1, N2)를 포함하고, 풀-다운 작동(또는 전류 싱킹(Current Sinking) 작동) 시에 제2 전류(I2)는 제1 풀-다운 회로(PD1)를 통해 제2 전원라인(VSS) 쪽으로 흐른다.

제1 전류미러부(540-1)는 도 8에 도시된 바와 같이 제1 전류미러회로(810) 및 제2 전류미러회로(820)를 포함한다. 제1 전류미러회로(810)는 제1 미러전류 생성회로(620) 및 제2 미러전류 생성회로(630)를 포함하고, 제2 전류미러회로(820)는 제3 미러전류 생성회로(640) 및 제4 미러전류 생성회로(650)를 포함한다.

제1 미러전류 생성회로(620) 및 제2 미러전류 생성회로(630)의 경우 제2 출력단자(ND2)를 통해 제1 미러전류(MI1)와 제2 미러전류(MI2)의 차이에 해당하는 제1 출력신호(S1L)를 출력한다는 점을 제외한 나머지 기본적인 동작은 도 6에 도시된 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

제3 미러전류 생성회로(640)는 제1 풀-업 회로(PU1)와 전류미러를 형성함으로써, 제1 전류(I1)를 미러링하여 제3 미러전류(MI3)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 제3 미러전류 생성회로(640)는 PMOS 캐스코드 전류미러회로로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 제3 미러전류 생성회로(640)는 제1 전원을 공급하는 제1 전원라인(VDD)과 제3 출력단자(ND3) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터들(P5, P6)을 포함하고, 풀-업 작동(또는 전류 소싱 작동) 시에 제3 미러전류(MI3)는 제3 미러전류 생성회로(640)를 통해 제3 출력단자(ND3) 쪽으로 흐른다.

이때, 제1 전류(I1)의 양은 제3 미러전류(MI3)의 양보다 많을 수 있다. 예컨대, 각 PMOS 트랜지스터(P1, P2, P5, P6)의 채널의 길이가 서로 동일하고, 각 PMOS 트랜지스터(P5, P6)의 채널의 폭이 서로 동일하며, 제1 PMOS 트랜지스터(P1)의 채널의 폭이 제5 PMOS 트랜지스터(P5)의 채널의 폭의 K(K는 2이상의 자연수) 배라고 가정하면, 제3 미러전류(MI1)의 양은 제1 전류(I1)의 양의 (1/K)배이다.

위와 같은 가정하에서 제어신호들을 이용하여 각 PMOS 트랜지스터(P5, P6)의 채널의 폭을 조절할 수 있다면, 제3 미러전류(MI3)의 양은 조절될 수 있다.

한편, 제4 미러전류 생성회로(650)는 제1 풀-다운 회로(PD1)와 전류미러를 형성함으로써 제2 전류(I2)를 미러링하여 제4 미러전류(MI4)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 제4 미러전류 생성회로(640)는 NMOS 캐스코드 전류미러 회로로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 제4 미러전류 생성회로(640)는 제3 출력단자(ND3)와 제2 전원을 공급하는 제2 전원라인(VSS) 사이에 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터들(N5, N6)을 포함하고, 풀-다운 작동(또는 전류 싱크 작동) 시에 제4 미러전류(MI4)는 제4 미러전류 생성회로(650)를 통해 제2 전원라인(VSS) 쪽으로 흐른다. 이에 따라, 제3 출력단자(ND3)를 통해 제3 미러전류(MI3)와 제4 미러전류(MI4)의 차이에 해당하는 제2 출력신호(S1R)가 출력된다.

이때, 제2 전류(I2)의 양은 제4 미러전류(MI4)의 양보다 많을 수 있다. 예컨대, 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2, N5, N6)의 채널의 길이가 서로 동일하고, 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2)의 채널의 폭이 서로 동일하며, 제1 NMOS 트랜지스터(N1)의 채널의 폭이 제5 NMOS 트랜지스터(N5)의 채널의 폭의 K(K는 2이상의 자연수) 배라고 가정하면, 제4 미러전류(MI4)의 양은 제2 전류(I2)의 양의 (1/K)배이다.

위와 같은 가정하에서 제어신호들을 이용하여 각 NMOS 트랜지스터(N5, N6)의 채널의 폭을 조절할 수 있다면, 제4 미러전류(MI2)의 양은 조절될 수 있다.

제2 버퍼(530-2)는 도 8에 도시된 바와 같이 제2 연산증폭기(AMP2)와 제2 출력회로(610-2)를 포함하고, 단위이득 버퍼 구성을 위해 제2 연산증폭기(AMP2)의 제4 출력단자(ND4)는 제2 터치센싱라인(105-2)에 연결되는 제2 연산증폭기(AMP2)의 입력단자에 연결된다.

제2 출력회로(610-2)는 제2 풀-업 회로(PU2) 및 제2 풀-다운 회로(PD2)를 포함한다. 제2 풀-업 회로(PU2)와 제2 풀-다운 회로(PD2) 각각은 캐스코드 구성(Cascode Configuration)으로 구현될 수 있다.

제2 풀-업 회로(PU2)는 제1 전원을 공급하는 제1 전원라인(또는 전원노드, VDD)과 제4 출력단자(ND4) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터들(P11, P12)을 포함하고, 풀-업 작동(또는 전류소싱(Current Sourcing) 작동) 시에 제4 전류(I3)는 제2 풀-업 회로(PU2)를 통해 제4 출력단자(ND4) 쪽으로 흐른다.

제2 풀-다운 회로(PD2)는 제4 출력단자(ND4)와 제2 전원을 공급하는 제2 전원라인(VSS) 사이에 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터들(N11, N12)를 포함하고, 풀-다운 작동(또는 전류 싱킹(Current Sinking) 작동) 시에 제4 전류(I4)는 제2 풀-다운 회로(PD2)를 통해 제2 전원라인(VSS) 쪽으로 흐른다.

제2 전류미러부(540-2)는 도 8에 도시된 바와 같이 제3 전류미러회로(830) 및 제4 전류미러회로(840)를 포함한다. 제3 전류미러회로(840)는 제5 미러전류 생성회로(660) 및 제6 미러전류 생성회로(670)를 포함하고, 제4 전류미러회로(840)는 제7 미러전류 생성회로(680) 및 제8 미러전류 생성회로(690)를 포함한다.

제5 미러전류 생성회로(660) 및 제6 미러전류 생성회로(670)의 경우 제5 출력단자(ND5)를 통해 제5 미러전류(MI5)와 제6 미러전류(MI6)의 차이에 해당하는 제3 출력신호(S2L)를 출력한다는 점을 제외한 나머지 기본적인 동작은 제1 미러전류 생성회로(620) 및 제2 미러전류 생성회로(630)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

제7 미러전류 생성회로(680) 및 제8 미러전류 생성회로(690)의 경우 제6 출력단자(ND6)를 통해 제7 미러전류(MI7)와 제8 미러전류(MI8)의 차이에 해당하는 제4 출력신호(S2R)를 출력한다는 점을 제외한 나머지 기본적인 동작은 제3 미러전류 생성회로(640) 및 제4 미러전류 생성회로(650)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

상술한 실시예에 따를 때, 제2 출력단자(ND2)를 통해 출력되는 제2 출력신호(S1R)가 제2 적분기(550-2)의 일 단자로 입력되고, 제6 출력단자(ND6)를 통해 출력되는 제3 출력신호(S2L)가 제2 적분기(550-2)의 타 단자로 입력되어 제2 적분기(550-2)에 의해 제2 출력신호(S1R) 및 제3 출력신호(S2L)의 차이가 적분된다.

이와 같이, 제3 실시예에 따르면 인접채널의 전류미러부 출력이 차동센싱되기 때문에 공통으로 발생되는 디스플레이 노이즈 및 외부 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

또한, 싱글-엔디드 변환을 위한 기준신호(REF)가 첫 번째 전송채널과 마지막 전송채널에서 사용될 수 있으므로, 출력신호의 디지털 처리시 첫 번째 전송채널과 마지 전송채널 중 노이즈 또는 터치가 없는 전송채널을 판단하여 선택적으로 차동 신호들을 싱글-엔디드 신호로 변환할 수 있어 출력신호에 대한 알고리즘 처리가 용이해지게 된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

예컨대, 상술한 실시예에 있어서는 디스플레이 장치가 플라스틱 OLED를 포함하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 액정 디스플레이 패널 등과 같은 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치에도 적용이 가능할 것이다.

또한, 본 발명에 따른 터치센싱장치는 IC형태로 구현되고, 터치센싱장치의 기능은 프로그램 형태로 구현되어 IC 내에 탑재될 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 터치센싱장치의 기능이 프로그램으로 구현되는 경우, 터치센싱장치에 포함된 각 구성들의 기능은 특정 코드로 구현되고, 특정 기능을 구현하기 위한 코드들이 하나의 프로그램으로 구현되거나, 복수개의 프로그램으로 분할되어 구현될 수도 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 디스플레이 장치 103: 터치 스크린 패널
110, 510, 710: 터치센싱장치 200: 기생용량 충전부
202: 전류소스 210: 기생용량 방전부
212: 전류싱크 220: 센싱유닛
222: 적분기

Claims

충전기간 동안 터치센싱라인에 접속되어 상기 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키는 기생용량 충전부; 및
제1 구동기간 동안 상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 기생용량에 충전되는 제1 전압과 터치 발생시 상기 기생용량에 충전되는 제2 전압간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 제1 센싱기간 동안 상기 제1 구동전류에 의한 상기 정전용량의 제1 터치전압을 센싱하는 센싱유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제1항에 있어서,
상기 기생용량 충전부는,
상기 충전기간 동안 상기 충전전류를 상기 기생용량에 공급하여 상기 기생용량을 충전시키는 전류소스; 및
상기 충전기간 동안 턴온되어 상기 전류소스를 상기 터치센싱라인에 접속시키고 상기 충전기간이 종료되면 턴오프되어 상기 전류소스를 상기 터치센싱라인으로부터 분리시키는 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제1항에 있어서,
상기 충전전류의 양은 상기 충전기간 동안 상기 기생용량의 전압이 상기 제1 전압이 되게 하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 센싱기간 이후의 방전기간 동안 상기 터치센싱라인에 접속되어 미리 정해진 방전전류로 상기 기생용량을 방전시키는 기생용량 방전부를 더 포함하고,
상기 센싱유닛은 제2 구동기간 동안 상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 방전에 의한 상기 기생용량의 제3 전압과 터치 발생시 상기 방전에 의한 상기 기생용량의 제4 전압간의 차전압에 해당하는 제2 구동전류로 상기 정전용량을 구동하고, 제2 센싱기간 동안 상기 제2 구동전류에 의한 상기 정전용량의 제2 터치전압을 센싱하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제4항에 있어서,
상기 기생용량 방전부는,
상기 방전기간 동안 상기 방전전류로 상기 기생용량을 방전시키는 전류싱크; 및
상기 방전기간 동안 턴온되어 상기 전류싱크를 상기 터치센싱라인에 접속시키고 상기 방전기간이 종료되면 턴오프되어 상기 전류싱크를 상기 터치센싱라인으로부터 분리시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제4항에 있어서,
상기 방전전류의 양은 상기 방전기간 동안 상기 기생용량의 전압이 상기 제1 전압보다 낮은 전압레벨인 상기 제3 전압이 되게 하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제4항에 있어서,
상기 센싱유닛은,
상기 터치센싱라인에 연결되는 반전입력단자와, 상기 제1 전압 또는 상기 제3 전압으로 구동되는 비반전입력단자와, 상기 제1 터치전압 또는 상기 제2 터치전압이 출력되는 출력단자를 갖는 적분기; 및
상기 충전기간 및 방전기간 동안 턴오프되어 상기 적분기를 상기 터치센싱라인으로부터 분리시키고, 상기 제1 및 제2 구동기간과 상기 제1 및 제2 센싱기간 동안 턴온되어 상기 적분기를 상기 터치센싱라인에 접속시키는 제3 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제7항에 있어서,
상기 센싱유닛은,
상기 충전기간 및 방전기간 동안 턴온되어 상기 반전입력단자와 상기 출력단자를 연결시켜 상기 출력단자 및 상기 반전입력단자를 상기 제1 전압 또는 제3 전압으로 유지시키고, 상기 충전기간 및 방전기간이 종료되면 턴오프되어 상기 반전입력단자와 상기 출력단자를 분리시키는 제4 스위치; 및
상기 반전입력단자 및 상기 출력단자 사이에 연결된 피드백 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
터치센싱라인에 접속되어 상기 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키거나 미리 정해진 방전전류로 방전시켜 상기 기생용량의 전하량을 조절하는 전하량 조절부;
상기 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제1 전압과 터치 발생시 상기 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제2 전압간의 차전압에 해당하는 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 상기 구동전류에 의한 상기 정전용량의 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력하는 버퍼;
상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제1 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제2 미러전류를 이용하여 출력신호를 생성하는 전류미러부; 및
상기 출력신호와 기준신호의 차이를 적분하여 출력하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제9항에 있어서,
상기 버퍼는,
상기 반전입력단자, 비반전입력단자, 및 상기 반전입력단자에 연결되는 제1 출력단자를 포함하는 연산증폭기; 및
제1 전원라인과 상기 제1 출력단자 사이에 배치되어 상기 제1 전류를 도통시키는 풀-업 회로 및 상기 제1 출력단자와 제2 전원라인 사이에 배치되어 상기 제2 전류를 도통시키는 풀-다운 회로로 구성된 출력회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제9항에 있어서,
상기 전류미러부는
제1 전원라인과 제2 출력단자 사이에 배치되고, 상기 제1 전류를 미러링하여 상기 제1 미러전류를 생성하는 제1 미러전류 생성회로; 및
상기 제2 출력단자와 제2 전원라인 사이에 배치되고, 상기 제2 전류를 미러링하여 상기 제2 미러전류를 생성하는 제2 미러전류 생성회로를 포함하고,
상기 제1 미러전류와 상기 제2 미러전류의 차에 해당하는 상기 출력신호는 상기 제2 출력단자를 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 미러전류는 상기 제1 전류의 1/K(K는 자연수)배이고, 상기 제2 미러전류는 상기 제2 전류의 1/K배인 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
복수개의 터치센싱라인에 각각 접속되고, 각 터치센싱라인에 연결된 터치전극의 기생용량을 미리 정해진 충전전류로 충전시키거나 미리 정해진 방전전류로 방전시켜 상기 기생용량의 전하량을 조절하는 복수개의 전하량 조절부;
상기 각 터치센싱라인에 접속되어 터치 미발생시 상기 각 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제1 전압과 터치 발생시 상기 각 전하량 조절부에 의해 전하량이 조절된 상기 기생용량의 제2 전압간의 차전압에 해당하는 구동전류로 상기 터치전극의 정전용량을 구동하고, 상기 구동전류에 의한 상기 정전용량의 터치전압을 제1 전류 및 제2 전류로 출력하는 복수개의 버퍼;
상기 복수개의 버퍼에 각각 연결되고, 상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제1 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제2 미러전류를 이용하여 제1 출력신호를 생성하고, 상기 제1 전류를 미러링하여 생성된 제3 미러전류와 상기 제2 전류를 미러링하여 생성된 제4 미러전류를 이용하여 제2 출력신호를 생성하는 복수개의 전류미러부; 및
상기 복수개의 전류미러부들 중 n-1번째 전류미러부에서 출력되는 제2 출력신호와 n번째 전류미러부에서 출력되는 제1 출력신호의 차이를 적분하여 출력하는 복수개의 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제13항에 있어서,
상기 전류미러부는
제1 전원라인과 제2 출력단자 사이에 배치되고, 상기 제1 전류를 미러링하여 상기 제1 미러전류를 생성하는 제1 미러전류 생성회로;
상기 제2 출력단자와 제2 전원라인 사이에 배치되고, 상기 제2 전류를 미러링하여 상기 제2 미러전류를 생성하는 제2 미러전류 생성회로;
상기 제1 전원라인과 제3 출력단자 사이에 배치되고, 상기 제1 전류를 미러링하여 상기 제3 미러전류를 생성하는 제3 미러전류 생성회로; 및
상기 제3 출력단자와 상기 제2 전원라인 사이에 배치되고, 상기 제2 전류를 미러링하여 상기 제4 미러전류를 생성하는 제4 미러전류 생성회로를 포함하고,
상기 제1 미러전류와 상기 제2 미러전류의 차에 해당하는 상기 제1 출력신호는 상기 제2 출력단자를 통해 출력되고, 상기 제3 미러전류와 상기 제4 미러전류의 차에 해당하는 상기 제2 출력신호는 상기 제3 출력단자를 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
제13항에 있어서,
상기 복수개의 적분기들 중 1번째 적분기는 상기 복수개의 전류미러부들 중 1번째 전류미러부에서 출력되는 제1 출력신호와 미리 정해진 기준신호와의 차이를 적분하여 출력하고,
상기 복수개의 적분기들 중 마지막 적분기는 상기 복수개의 전류미러부들 중 마지막 전류미러부에서 출력되는 제2 출력신호와 상기 기준신호와의 차이를 적분하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치.
미리 정해진 충전전류를 터치전극의 기생용량에 공급하여 상기 기생용량을 충전시키는 단계;
터치 미발생시 상기 충전전류에 의해 상기 기생용량에 충전되는 제1 전압과 터치 발생시 상기 충전전류에 의해 상기 기생용량에 충전되는 제2 전압간의 차전압에 해당하는 제1 구동전류를 상기 터치전극의 정전용량에 공급하여 상기 정전용량을 충전시키는 단계; 및
상기 제1 구동전류에 의해 충전된 상기 정전용량의 제1 터치전압을 센싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치 구동방법.
제16항에 있어서,
상기 충전전류의 양은 미리 정해진 충전기간 동안 상기 기생용량의 전압이 상기 제1 전압이 되게 하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치 구동방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 터치전압의 센싱이 완료되면, 미리 정해진 방전전류로 상기 기생용량을 방전시키는 단계;
터치 미발생시 상기 방전전류에 의해 방전된 상기 기생용량의 제3 전압과 터치 발생시 상기 방전전류에 의해 방전된 상기 기생용량의 제4 전압간의 차전압에 해당하는 제2 구동전류를 상기 터치전극의 정전용량에 공급하여 상기 정전용량을 방전시키는 단계; 및
상기 제2 구동전류에 의해 방전된 상기 정전용량의 제2 터치전압을 센싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치 구동방법.
제18항에 있어서,
상기 방전전류의 양은 미리 정해진 방전기간 동안 상기 기생용량의 전압이 상기 제1 전압보다 낮은 전압레벨인 상기 제3 전압이 되게 하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전류구동방식의 터치센싱장치 구동방법.