如何在電容式觸摸屏應用中處理噪聲問題

雖然較低噪聲的充電器產生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動范圍則達到20–40Vpp，這就會產生巨量電荷轉移。注入電荷的量取決于噪聲的電壓幅度（Q=C*V）。雖然噪聲量很大，但觸摸屏控制器仍必須能檢測到引發幅度較小的電荷變化的手指。

電容式觸摸屏手機還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動高清鏈接（MHL），這是用來從手機向HDTV傳輸音頻視頻的標準接口。手機通過MHL適配器連接到HDTV，該適配器將手機的USB接口轉換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來源于電視電源，并會通過HDMI和USB線纜傳遞給手機。

更輕薄設備帶來的挑戰

現如今，輕薄即時尚。積極推出越來越薄的觸摸屏設備，特別是觸摸屏手機，面臨雙重問題：一是從顯示屏耦合到傳感器的噪聲增加；二是傳感器的寄生電容提高。

顯示屏生成的噪聲相對于充電器噪聲而言強度要低很多，但對觸摸性能產生的影響很大，因為其距離觸摸傳感器很近。雖然AMOLED顯示屏很安靜（但比LCD更昂貴），但如今市場上大多數還都是噪聲更高的ACVCOM和DCVCOM型LCD顯示屏。這種顯示屏的常用電極VCOM層就是噪聲的來源。讓我們回過頭來再討論一下方程式（1），這次是要確定平行板電容器在觸摸傳感器中指定接收電極和顯示屏VCOM層之間所產生的電容的大小。這里，面積“A”就是接收電極的全部面積，由于顯示屏覆蓋整個屏幕，因此距離“d”就是接收電極和VCOM層之間的距離。

此前，觸摸屏設備采用氣隙或屏蔽層來保護觸摸傳感器不受顯示屏噪聲耦合至接收電極的影響。不過，這些解決方案會增加厚度和成本（4英寸顯示屏的屏蔽層增加了多達1.00美元的成本）。現在，隨著設備變得越來越薄，氣隙和屏蔽層都被取消，而且觸摸傳感器采用光學透明膠（OCA）直接連接至顯示屏。這就導致傳感器的接收電極更靠近噪聲較高的VCOM層，從而就會縮短“d”、增加電容，并耦合更多噪聲。由于OCA（電介質常量 為3）取代氣隙（電介質常量 為1），因此電容會進一步提升。輕薄式產品的下一個發展趨勢就是觸摸傳感器的部分或全部都需要集成在顯示屏中，也就是所謂的in-cell（內嵌式觸控）、On-cell（外掛式觸控）。這樣的顯示屏集成協議棧會讓傳感器的接收電極更接近顯示屏的VCOM層，從而耦合更多噪聲。

外形更輕薄產品發展的第二個問題就是觸摸傳感器的寄生電容（CP）增加。為了想辦法讓整體協議棧變得更薄，ITO基板層（由玻璃或PET制成）需要越來越薄。這就縮短了傳感器發射和接收電極之間的距離，從而增加了電容。CP升高在掃描觸摸面板時就需要更長時間的充電和放電，這就減小了掃描面板的最大頻率。這樣做的問題在于，我們希望掃描頻率更高，因為較高頻段的噪聲通常較小。此外，掃描時間延長也意味著功耗增加和刷新率下降。

解決噪聲問題

由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應于在既定時間內系統中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩健性的抗噪性，首要關注的因素就是信噪比（SNR）。我們可通過以下幾種不同特性來提高信噪比。

提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的發射電壓來掃描觸摸屏的傳感器。原始SNR與發射電壓成正比，因而越大越好。過去，高電壓發射對于許多觸摸屏控制器來說都一直是個挑戰，只能通過采用外部高電壓模擬電源（有時這會大幅增加功耗，而且大多數消費類手持設備都無法支持）才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關穩壓器等。上述兩種方法都會額外增加設備的成本。而現在，新型觸摸屏控制器能通過內部電荷泵生成片上高電壓發射。

另一個提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機制。雖然要確保噪聲條件下的觸摸性能非常重要，但占用很多CPU的資源來運行噪聲過濾算法會降低刷新率，進而提高功耗。通過采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標刷新率和功耗，同時提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術就是一個典范，能將現有的SNR提升到3倍高。

觸摸傳感器的掃描頻率會對噪聲環境下的觸摸性能產生很大影響。如果噪聲頻率接近掃描面板的頻率，就可能造成觸摸數據損壞。在此情況下，我們可通過自適應跳頻技術來將掃描頻率更改到噪聲幅度足夠低的水平，避免數據損壞。但是，跳頻的效果有限，取決于可選的發射頻率范圍以及存在噪聲的頻率范圍。一些充電器會在整個頻率范圍內釋放大量噪聲，因而難以找到無干擾的區域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時諧波幅度則較低。我們可在300kHz到500kHz范圍內采用高頻掃描來解決這個問題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠離LCD噪聲頻率范圍的情況下改進顯示屏的抗噪性。

雖然提高SNR的技術很多，但如果噪聲確實非常高，高到完全飽和觸摸屏控制器的接收通道，那么上述改進并不能避免觸摸數據損壞。信號處理需要依靠輸出線性結果的模擬前端。如果受噪聲源耦合到大量電荷的影響，輸出持續鎖定為最大值，那么觸摸屏可能根本就無法使用。要解決這個問題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應對更大量的電荷。這通常會增加額外的芯片面積，也就是說電容更大。解決這個問題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會將信號與手指本身分離。

顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問題。為了應對更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來提高信噪比，盡可能避免噪聲。說到底，消費者希望設備的觸摸性能保持一致，不會因連接充電器或靠近噪聲較大的熒光燈而影響性能。隨著噪聲難題的不斷變化，觸摸屏控制器也將持續發展，確保提供始終一致的性能。