LCD技术基本原理及其噪声对触控屏的影响

显示器产生的噪声会干扰电容式触控屏幕的感测功能，而智能手机的触控薄型化加剧了LCD噪声，要进一步改善就须了解液晶显示(LCD)技术的基本原理及噪声产生的原因，方能找出因应之道。

基本运作原理

为了解LCD何以产生噪声，须掌握LCD基本运作原理。如图1所示，从LCD显示器的最底层开始，光线在此产生后再朝上反射，每个像素含有红、绿、蓝三个子像素，每个子像素又包含一个液晶叠层(Sandwich)，叠层顶部则贴合氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜，其顶层与底层中间夹着液晶材料。

图1 LCD与触控面板架构图

其中，顶层为所有子像素的共极，通常称为VCOM层;底层则专为子像素配置，称作子像素电极，当电压导通到LC叠层，液晶材料就会扭转白光的极性(Polarity)，在叠层上方的偏光板，只让特定极性的光线通过。若光线的极性与偏光板的极性一致，子像素就会达到最高亮度。若光线极性与偏光板相反，子像素的亮度就降到最低。

此外，每个子像素都有一层彩色滤光片(R、G、或B)，其作用类似彩绘玻璃窗，藉由把电压导至三个子像素的液晶叠层，像素就能设定成任何RGB组成色。每个子像素还含有一个TFT，做为导至液晶叠层电压的on/off开关，这样的设计在刷新全屏幕影像时能有效对屏幕上的像素进行排序。

如图2显示，像素在TFT闸极(Gate)被开启，TFT的源极(Source)链接到彩色数字模拟转换器(DAC)输出端，TFT汲极(Drain)则连结到ITO子像素电极。由于液晶材料无法承受直流(DC)电压，因此偏压必须是交流电。ACVCOM与DCVCOM两种类型的LCD显示器也有所差异，前者主要透过一个差分电压主动驱动VCOM与子像素电极，因VCOM层系由AC推动，故称为ACVCOM方案。后者则透过DC驱动共极层，而子像素由AC驱动，此信号以DC值为中心进行偏摆，两种VCOM方案各有不同的效能与成本优劣势。

图2 LCD与触控面板电路图

业界都知道ACVCOM因主动驱动大面积的ITO(VCOM)层，将造成大量噪声;DCVCOM则以低噪声的表现为业界所熟知，然而事实不一定如此。以往传感器与LCD表面之间有一层薄的空隙(Air Gap)。但现今手机做得更薄，因此大多不再有这层空隙，将ITO传感器直接贴合到LCD表面的方式逐渐为大多数厂商采用，造成噪声耦合更加严重。

更有甚之，业界当前设计方向是要求触控面板控制器能直接感测VCOM和子像素电极，也就是内嵌式(In-Cell)触控技术，此来，触控屏幕与LCD控制器之间须进行同步化，才能在扫描触控屏幕时免除噪声干扰;现在大多数智能型手机的LCD也逐渐淘汰ACVCOM，转用更高质量的DCVCOM与AMOLED显示器，并朝向直接贴合或In-Cell发展，藉以降低制造成本与产品厚度。

至于LCD噪声如何耦合到触控屏幕传感器，主要是其电路噪声将耦合到触控屏幕电路的两个电容。第一个电容为CLC，这个电容是在子像素与VCOM表面之间形成，其间液晶材料的作用相当于一个介电质。

就DCVCOM显示器来说，驱动子像素的AC信号耦合到VCOM层就会变成噪声，并传至整个面板。DCVCOM层看似是一个良好的AC接地端，因为以DC电压维持这个节点;但事实上则会削弱噪声，因为VCOM层是由电阻相当高的ITO制成，此处将发生第二个噪声耦合电容的情况--CSNS。

CSNS在VCOM层与电容传感器之间形成，VCOM层剩余的噪声电压会透过CSNS耦合到电容式触控屏幕传感器，并传至触控面板控制器的接脚。对ACVCOM显示器而言，由于以AC波型驱动VCOM，因此LCD噪声也会透过CSNS直接耦合到触控屏幕传感器。

量测与分析LCD噪声的方法相当简单，可用一个导电金属连结到示波器探棒，或采用一片面朝下的铜片，然后直接覆盖在显示器的表面(不要附加触控屏幕传感器)。另外也可用大铜板或一片铜带，但要注意噪声强度会随着导体尺寸缩小而降低，因此最好覆盖整个表面，藉以把示波器的耦合误差减至最小。

图3显示撷取到的ACVCOM信号波形，其中通常含有一个高强度基频，其波形接近方波。ACVCOM运作频率一般介于5k~25kHz之间，通常基频频率会对应到LCD每列像素更新(扫描线频率)的速度。

图3 ACVCOM显示器耦合噪声与时间关系图

图4则显示实际撷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形类似数个尖锐的高频脉冲，没有类似ACVCOM的高强度基频，但其谐波量可轻易冲高到50k~300kHz，短暂的脉冲对应到子像素电极驱动信号。DCVCOM噪声的特性和显示影像有高度相依性，最糟状况的影像通常是整个屏幕上以棋盘状排列的黑白交错像素(看起来接近灰色);但是在分析DCVCOM显示器特性之前，请务必测试多种不同影像。

图4 DCVCOM显示器耦合噪声电压与时间关系图