TWI712932B

TWI712932B - 具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路以及具有其之資訊處理裝置

Info

Publication number: TWI712932B
Application number: TW108145155A
Authority: TW
Inventors: 曲孔寧
Original assignee: 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202122978A

Abstract

本發明主要揭示一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路，其包含：一源極驅動單元、一閘極驅動單元、一時序控制單元、一類比前端單元、一類比數位轉換單元、一微控制器、以及一光感測單元。其中，該光感測單元整合在一觸控顯示屏幕之中，用以依據一環境光而產生一光感測電流。該類比前端單元接收所述光感測電流且輸出一類比信號，且該類比數位轉換單元接收該類比信號且輸出一數位信號。並且，該微控制器依據該數位信號而產生一背光控制信號至該觸控顯示屏幕，進而調整該觸控顯示屏幕之一背光強度。

Description

具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路以及具有其之資訊處理裝置

本發明係關於顯示驅動和觸控整合單晶片(Touch and Display Driver Integration, TDDI)的技術領域，尤指將環境光感測元件整合在觸控顯示屏幕之中的一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路。

目前，智能手機搭載了許多感測器，包括：環境光感測器(ambient light sensor)、距離感測器(proximity sensor)、重力感測器(G-sensor)、加速度感測器(accelerometer Sensor)、陀螺儀(gyroscope)、和全球定位系统(Global Positioning System, GPS)。除了前述列出的幾種基本感測器之外，高階智能手機還會搭載血氧感測器、心率感測器、指紋感測器等用以感測使用者之個人資訊的感測器。

請參閱圖1，其顯示習知的一種智能手機的正視圖。通常，環境光感測器10’常為一獨立的電子組件，且其整合在智能手機1’的一遮光蓋板CP’之下。如圖1所示，環境光感測器10’具有一收光孔101’開設於該遮光蓋板CP’之上，且其內部設有至少一光感測元件(例如光感測二極體)以及一信號處理晶片。正常工作時，該光感測元件透過收光孔101’感測外部一環境光的強度，且該信號處理晶片在經過一些必要的信號處理之後，傳送一環境光之感測信號至智能手機1’內部的微處理器。最終，該微處理器便會依據所述環境光的強度而自動調整智能手機1’的螢幕的背光強度。

目前，智能手機的顯示幕已朝向全屏設計發展。圖2顯示現有的一種全屏智能手機的正視圖。由圖2可發現，現有的全屏智能手機1a並非真正達到全屏設計，其仍保留一小塊的蓋板CPa，用以遮蓋前鏡頭以及環境光感測器10’，且露出環境光感測器10’之收光孔101’。因此，具有瀏海設計的智能手機之屏幕於是被稱為瀏海屏。應可理解的是，製作瀏海屏智能手機之時，必須在屏幕上預留一個挖空區域用以放置環境光感測器，其中，此挖空區域的尺寸會與所述蓋板CPa相互匹配。然而，這種方式會增加手機製造工藝的複雜度。此外，具瀏海屏之智能手機也會降低使用者對於全面屏之用戶體驗。

由上述說明可知，本領域亟需一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路。

本發明之主要目的在於提供一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路，用以應用在具有觸控顯示屏幕的一智能手機之中，從而達到以單晶片同時實現環境光檢測、觸控和顯示等多種功能。

本發明之另一目的在於將環境光感測元件整合在採用全屏設計的觸控顯示屏幕之中，使得所述全屏設計的觸控顯示屏幕不需要任何收光孔即可進行環境光檢測，從而達到簡化手機製造工藝程序、降低組裝成本、以及提高使用者對於全面屏之用戶體驗。

為達成上述目的，本發明提出所述具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路之一實施例，包括：

一源極驅動單元，耦接至一觸控顯示屏幕的一源極驅動端；

一閘極驅動單元，耦接至該觸控顯示屏幕的一閘極驅動端；

一時序控制單元，耦接該閘極驅動單元和該源極驅動單元，用以傳送一時脈信號與一資料信號至該源極驅動單元，且傳送該時脈信號至該閘極驅動單元；

一光感測單元，係整合在該觸控顯示屏幕之中，用以偵測一環境光且具有至少一光感測信號輸出端；

一類比前端單元，耦接至該觸控顯示屏幕的一觸控檢測端和該至少一光感測信號輸出端，用以自該觸控檢測端接收至少一觸控檢測信號，且自該至少一光感測信號輸出端接收至少一光感測信號；

一類比數位轉換單元，耦接該類比前端單元接收對應於該至少一觸控檢測信號的一第一類比信號以及對應於該至少一光感測信號的一第二類比信號；以及

一微控制器，耦接該類比數位轉換單元以接收對應於該第一類比信號的一第一數位信號以及對應於該第二類比信號的一第二數位信號；

其中，該微控制器依據該第二數位信號而產生一背光控制信號至該觸控顯示屏幕，進而調整該觸控顯示屏幕之一背光強度。

在一實施例中，該微控制器具有用以暫存該第二數位信號的一靜態隨機存取記憶體以及一查閱資料表，其中該微控制器基於所述第二數位信號而查閱該查閱資料表，進而獲得對應於該環境光的一光強度數據。

在一實施例中，該光感測單元包含至少一光感測元件，且該光感測元件為一光感測二極體(Photo diode)或一氧化銦鎵鋅薄膜電晶體(IGZO TFT)。

在一實施例中，該類比前端單元包括：

一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端與一輸出端，其中該正輸入端耦接一共模偏置電壓；

一第一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間；

一第一開關，具有二電性端分別耦接該負輸入端與該輸出端；

一第二開關，具有二電性端，並以其中一個所述電性端耦接該負輸入端；

一第二電容，耦接於該第二開關的另一個所述電性端與一地端之間；

一第三開關，具有二電性端，並以其中一個所述電性端耦接該第二電容；以及

一第三電容，耦接於該第三開關的另一個所述電性端和該地端之間；其中，通過所述光感測信號輸出端，該光感測單元基於該環境光之強度而傳送對應的所述光感測信號至該第三電容。

在一實施例中，該第三電容的電容值大於該第二電容的電容值，使得該第三電容與該第二電容分別作為一電荷儲存電容和一電荷再分配電容。

在一實施例中，所述具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路更包括：

一參考光感測單元，係整合在該觸控顯示屏幕之中，且包含至少一參考光感測元件、至少一參考光感測信號輸出端、與至少一遮罩；

其中，該遮罩遮蓋該至少一參考光感測元件，進而防止該環境光照射該至少一參考光感測元件；

其中，該參考光感測元件為一光感測二極體(Photo diode)或一氧化銦鎵鋅薄膜電晶體(IGZO TFT)。

在一實施例中，該類比前端單元包括：

一第一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間；

一電流鏡，具有一電流接收端與一電流輸出端，其中該電流輸出端耦接該負輸入端；

一第一切換元件，具有二電性端，並以其中一個所述電性端耦接該負輸入端，且其另一個所述電性端耦接該光感測信號輸出端；以及

一第二切換元件，具有二電性端，並以其中一個所述電性端耦接該電流接收端，且其另一個所述電性端耦接該參考光感測信號輸出端。

在一實施例中，該參考光感測單元通過該參考光感測信號輸出端傳送一暗電流至該電流鏡；在對該暗電流進行放大比例至少為1的複製之後，該電流鏡傳送所述參考光感測信號至該運算放大器的該負輸入端。

本發明同時提供一種資訊處理裝置，其具有一觸控顯示屏幕以及如前所述之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路。

在可行的實施例中，所述資訊處理裝置為選自於由智能手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智能手錶、和門禁裝置所組成群組的一種電子裝置。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請參閱圖3，其顯示本發明之一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路的電路方塊圖。如圖3所示，本發明之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路1可被整合成一具環境光檢測功能的顯示驅動和觸控整合單晶片(Touch and Display Driver Integration, TDDI)，且其主要的電路結構包括：一源極驅動單元10、一閘極驅動單元11、一時序控制單元12、一類比前端單元13、一類比數位轉換單元14、一微控制器15、以及一光感測單元1D。其中，該源極驅動單元10耦接至一觸控顯示屏幕2的一源極驅動端，該閘極驅動單元11耦接至該觸控顯示屏幕2的一閘極驅動端，且該時序控制單元12耦接該閘極驅動單元11和該源極驅動單元10。補充說明的是，圖3所示的Sx＜m:0＞和CG＜n:0＞用以分別表示該源極驅動端的複數個源極驅動通道和複數個閘極驅動通道。並且，該時序控制單元12用以傳送一時脈信號與一資料信號至該源極驅動單元10，且傳送該時脈信號至該閘極驅動單元11。

特別地，本發明將該光感測單元1D整合在該觸控顯示屏幕2之中，用以偵測一環境光且具有至少一光感測信號輸出端1D1。並且，該類比前端單元13耦接至該觸控顯示屏幕2的一觸控檢測端和該至少一光感測信號輸出端1D1，用以自該觸控檢測端接收至少一觸控檢測信號，且自該至少一光感測信號輸出端1D1接收至少一光感測信號。補充說明的是，圖3所示的Sx＜y:0＞和Rx＜x:0＞用以分別表示該光感測信號輸出端1D1的至少一光感測信號傳輸通道以及該觸控檢測端的至少一觸控檢測信號傳輸通道。另一方面，該類比數位轉換單元14耦接該類比前端單元13以接收對應於該至少一觸控檢測信號的一第一類比信號以及對應於該至少一光感測信號的一第二類比信號。進一步地，該微控制器15耦接該類比數位轉換單元14以接收對應於該第一類比信號的一第一數位信號以及對應於該第二類比信號的一第二數位信號。

簡單地說，本發明係將所述光感測單元1D整合在一觸控顯示屏幕2之中，並令該觸控顯示屏幕2進一步包含至少一光感測信號輸出端1D1。值得說明的是，所述類比前端單元13除了耦接至觸控顯示屏幕2的該觸控檢測端以接收至少一觸控檢測信號以外，其同時耦接至所述至少一光感測信號輸出端1D1。如此設計，在該光感測單元1D依據一環境光之強度而產生對應的一光感測信號之後，該類比前端單元13對該光感測信號進行一前處理(通常為放大及率波處理)且輸出所述第二類比信號，且該類比數位轉換單元14接收該類比信號之後對應地輸出所述第二數位信號。最終，該微控制器15依據該第二數位信號而產生一背光控制信號CABC至該觸控顯示屏幕2，進而調整該觸控顯示屏幕2之一背光強度。

本發明同時對所述類比前端單元13的電路結構進行特別設計，使其能夠同時用以對至少一觸控檢測信號和至少一光感測信號進行前處理。圖4顯示類比前端單元的一第一電路拓樸結構圖。在一可行的實施例中，類比前端單元13的電路結構包括：一運算放大器131、一第一電容132、一第一開關133、一第二開關134、一第二電容135、一第三開關136、以及一第三電容137。其中，該運算放大器131具有一負輸入端13N、一正輸入端13P與一輸出端13O，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓V _CM。並且，該第一電容132耦接於該負輸入端13N與該輸出端13O之間，該第一開關133具有二電性端分別耦接該負輸入端13N與該輸出端13O。另一方面，該第二開關134具有二電性端並以其中一個所述電性端耦接該負輸入端13N，且該第二電容135耦接於該第二開關134的另一個所述電性端與一地端之間。再者，該第三開關136具有二電性端並以其中一個所述電性端耦接該第二電容135，且該第三電容137耦接於該第三開關136的另一個所述電性端和該地端之間。

圖4同時繪示該光感測單元1D包含至少一光感測元件1D0，且該光感測元件1D0耦接於所述光感測信號輸出端1D1和地端之間。本發明並不特別限定光感測元件1D0的種類，只要是可以整合在全屏設計的觸控顯示屏幕2之中的光感測元件即可；例如，所述光感測元件1D0可以是一光感測二極體(Photo diode)或一氧化銦鎵鋅薄膜電晶體(IGZO TFT)。應可理解，通過所述光感測信號輸出端1D1，該光感測元件單元1D0基於該環境光之強度而傳送對應的所述光感測信號至該第三電容137。補充說明的是，在所述光感測元件1D0的數量為2以上的情況下，該些光感測元件1D0係採用並聯的方式整合在該觸控顯示屏幕2之中。

更詳細地說明，圖4中的V _CA用以表示對應於所述光感測信號的第二類比信號，且該第二類比信號的電壓變化為(Isen*t)/C _F。在第一電路結構設計中，Isen為光感測電流，其係等於光感測元件1D0所輸出的光電流I _PH，且其值通常落在80μA至100μA的範圍內。另一方面，t為單次檢測時間，而C _F為第一電容132的電容值。為了避免第一電容132的電容值過大，本發明進一步地令該第三電容137的電容值大於該第二電容135的電容值，使得該第三電容137與該第二電容135分別作為一電荷儲存電容和一電荷再分配電容。舉例而言，在設計第三電容137的電容值為第二電容135的電容值的9倍的情況下，該第二類比信號的電壓變化可以控制在2V以內，同時可以避免第一電容132的電容值過大。

本發明同時提出所述類比前端單元13的第二種電路結構設計。圖5顯示類比前端單元的一第二電路拓樸結構圖。在第二種電路結構設計中，額外增設的一參考光感測單元1F被整合在該觸控顯示屏幕2之中，且其包含至少一參考光感測元件1F0、至少一參考光感測信號輸出端1F1、與至少一遮罩1F2。其中，該遮罩1F2用以遮蓋該至少一參考光感測元件1F0，進而防止該環境光照射該至少一參考光感測元件1F0。在可行的實施例中，所述參考光感測元件1F0亦一光感測二極體(Photo diode)或一氧化銦鎵鋅薄膜電晶體(IGZO TFT)。補充說明的是，在所述參考光感測元件1F0的數量為2以上的情況下，該些參考光感測元件1F0同樣是採用並聯的方式整合在該觸控顯示屏幕2之中。

如圖5所示，在第二種電路結構設計中，該類比前端單元13包括：一運算放大器131、一第一電容132、一第一開關133、一電流鏡1C、一第一切換元件138、以及一第二切換元件139。其中，其中，該運算放大器131具有一負輸入端13N、一正輸入端13P與一輸出端13O，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓V _CM。並且，該第一電容132耦接於該負輸入端13N與該輸出端13O之間，該第一開關133具有二電性端分別耦接該負輸入端13N與該輸出端13O。另一方面，該電流鏡1C具有一電流接收端1C1與一電流輸出端1C2，其中該電流輸出端1C2耦接該負輸入端13N。更詳細地說明，該第一切換元件138具有二電性端並以其中一個所述電性端耦接該負輸入端13N，且其另一個所述電性端耦接該光感測信號輸出端1D1。並且，該第二切換元件139具有二電性端，並以其中一個所述電性端耦接該電流接收端1C1，且其另一個所述電性端耦接該參考光感測信號輸出端1F1。

該參考光感測元件1F0因受到遮罩1F2的遮蓋而無法對環境光進行感測。因此，正常工作時，參考光感測元件1F0會產生所謂的暗電流(Dark current)I _dark，亦即參考光感測元件1F0本身的漏電流。如圖5所示，該參考光感測單元1F通過該參考光感測信號輸出端1F1傳送一暗電流I _dark至該電流鏡1C。進一步地，在對該暗電流I _dark進行放大比例至少為1的複製之後，該電流鏡1C輸出一參考電流I _REF至該運算放大器131的該負輸入端13N。另一方面，正常工作時，光感測元件1D0會依據環境光的強度而產生光電流(Photo current)I _PH。應可理解，基於克希荷夫電流定律(Kirchhoffs Current Law, KCL)，所述參考電流I _REF會消除光電流I _PH之中的漏電流成分，以令該運算放大器131的負輸入端13N最終接收所述光感測信號(即，光感測電流Isen)。特別說明的是，第二電路結構設計使得第一電容132的電容值僅需10pF，且可以令第二類比信號的電壓變化(亦即，(Isen*t)/C _F)控制在2V以內。

進一步地，圖6顯示類比前端單元13和微控制器15的電路拓樸結構圖。在可行的實施例中，可令所述微控制器15具有用以暫存該第二數位信號的一靜態隨機存取記憶體151以及一查閱資料表152。特別說明的是，該查閱資料表152為一光電流-環境光強度轉換表(Photo current to light intensity look-up table, C2L LUT)。簡單地說，在接收對應於所述光感測電流Isen的第二數位信號之後，該微控制器15便可基於所述第二數位信號而查閱該查閱資料表152，進而獲得對應於該環境光的一光強度數據。最終，該微控制器15依據該光強度數據產生一背光控制信號CABC至該觸控顯示屏幕2，進而調整該觸控顯示屏幕2之一背光強度。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路；並且，經由上述可得知本發明係具有下列之優點：

(1)本發明所揭示之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路1，其用以應用在具有觸控顯示屏幕2的一智能手機之中，從而達到以單晶片同時實現環境光檢測、觸控和顯示等多種功能。

(2)將本發明所揭示之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路1整合在具有全屏設計的觸控顯示屏幕2的一智能手機內之後，係使得所述全屏設計的觸控顯示屏幕2不需要任何收光孔即可進行環境光檢測，從而達到簡化手機製造工藝程序、降低組裝成本、以及提高使用者對於全面屏之用戶體驗。

(3)並且，本發明同時揭示一種資訊處理裝置，其具有一觸控顯示屏幕2以及如前所述本發明之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路1。在可行的實施例中，所述資訊處理裝置可以是智能手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智能手錶、或門禁裝置。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

＜本發明＞

1:具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路

10:源極驅動單元

11:閘極驅動單元

12:時序控制單元

13:類比前端單元

131:運算放大器

13N:負輸入端

13P:正輸入端

13O:輸出端

132:第一電容

133:第一開關

134:第二開關

135:第二電容

136:第三開關

137:第三電容

138:第一切換元件

139:第二切換元件

14:類比數位轉換單元

15:微控制器

151:靜態隨機存取記憶體

152:查閱資料表

1C:電流鏡

1C1:電流接收端

1C2:電流輸出端

1D:光感測單元

1D0:光感測元件

1D1:光感測信號輸出端

1F:參考光感測單元

1F0:參考光感測元件

1F1:參考光感測信號輸出端

1F2:遮罩

2:觸控顯示屏幕

＜習知＞

1’:智能手機

10’:環境光感測器

101’:收光孔

CP’:遮光蓋板

1a:全屏智能手機

CPa:蓋板

圖1為習知的一種智能手機的正視圖；圖2為現有的一種全屏智能手機的正視圖；圖3為本發明之一種具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路的電路方塊圖；圖4為本發明之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路的一類比前端單元的一第一電路拓樸結構圖；圖5為本發明之類比前端單元的一第二電路拓樸結構圖；以及圖6為本發明之具環境光檢測功能的觸控和顯示驅動電路的類比前端單元和一微控制器的電路拓樸結構圖。