Bildskärmar producerar brus som kan störa de kapacitiva givarna i en pekskärm. I den här artikeln tar Erik Anderson från Cypress Semiconductor upp grunderna för tekniken i LCD-skärmar, varför de orsakar brus och vad du kan göra åt det.

Till en början är det viktigt att förstå vilka typer av skärmar som finns tillgängliga ute på marknaden idag. De två vanligaste smartphone-skärmarna är AMOLED (Active Matrics Organic Light Emitting Diode) och LCD (Liquid Crystal Display). AMOLED-skärmar är normalt de bästa skärmarna när det gäller visningskvalitet (med några få undantag). AMOLED-skärmar producerar också betydligt mindre brus för styrkretsarna än LCD-skärmar.
Men AMOLED-skärmar är något dyrare och svårare att tillverka än LCD-skärmar och därför fortsätter LCD-skärmar att dominera på marknaden. Eftersom LCD-skärmar är den populäraste tekniken på marknaden och eftersom de producerar mest brus kommer vi att fokusera enbart på dem i den här artikeln.
För att förstå varför LCD-skärmar producerar brus måste vi först förstå hur de fungerar på en grundläggande nivå. Fig 1 visar en förenklad mekanisk ritning av en LCD-pixel.

Fig 1. Förenklad mekanisk ritning av en LCD-pixel

Allra längst ner på skärmen genereras vitt ljus som reflekteras uppåt. Varje pixel innehåller tre underpixlar: röd (R), grön (G) och blå(B). Varje underpixel innehåller två skikt med flytande kristaller (Liquid Crystal – LC), med ett ledande skikt som består av indiumtennoxid (ITO) på de övre och undre skikten och LC-materialet i mitten. Det övre skiktet är gemensamt för alla underpixlar och kallas normalt för VCOM. Det undre skiktet används för en underpixel och kallas för en underpixelelektrod. När spänning tillförs till LC-skikten vrider LCD-materialet det vita ljusets polaritet.

Polarisering
Ovanför skikten släpper ett skikt med polariserare enbart igenom ljus med en viss polaritet. Om ljusets polaritet är inriktat med polariserarens polaritet är underpixelns ljus så starkt som det kan bli. Om ljusets polaritet är motsatt mot polariserarens är underpixelns ljus så svagt som det kan bli. Varje underpixel har ett skikt med färgfilter (R, G eller B) som fungerar på ungefär samma sätt som ett blyglasfönster.
Genom att förse de tre LC-skikten med underpixlar med spänning kan pixeln ställas in till vilken färg som helst som går att skapa från R, G och B. Varje underpixel innehåller även en tunnfilmstransistor (TFT) som används som strömbrytare för spänningen som tillförs till LC-skikten. Detta gör det möjligt att sekvensera pixlarna över skärmen på ett effektivt sätt medan hela skärmbilden uppdateras. Fig 2 visar ett förenklat kretsschema över kretsen med LCD-underpixlar.

Fig 2. Förenklad LCD- och pekskärmskrets

Pixeln slås på vid TFT-porten. Källan till TFT kopplas till en DAC-utmatning för färg (normalt 8-bitars R, G eller B). Återledaren till TFT:n är kopplad till ITO-underpixelelektroden. LC-material klarar inte av likström, så gallerförspänningen måste vara växelström. Det är här som två tydliga typer av LCD-skärmar träder fram: ACVCOM och DCVCOM.
ACVCOM driver aktivt både VCOM och underpixelelektroden med en differentialspänning. Eftersom VCOM-skiktet drivs med växelström, kallas den för ACVCOM. DCVCOM driver det gemensamma skiktet med ett likströmsvärde medan underpixeln drivs med en växelströmssignal som svänger omkring likströmsvärdet. Det finns olika prestanda- och kostnadsfördelar/-nackdelar med att använda ACVCOM jämfört med DCVCOM men vi behandlar inte dessa i den här artikeln.

Skapar brus
ACVCOM är känd inom branschen för att orsaka mycket brus pga det stora skiktet med ITO (VCOM) som drivs aktivt. DCVCOM är känd inom branschen som en tystare skärm, men detta stämmer inte nödvändigtvis. Tidigare fanns ett tunt lager med luft som kallades "air gap" mellan givarna och LCD-ytan. Men dagens telefoner är tunnare och numera finns det i stort sett inget luftskikt. Direktlaminering (DL) av ITO-givarna direkt på LCD-ytan blir alltmer populärt (som visas i fig 1) och försämrar bruskopplingen.
Branschen håller på att bli ännu mer aggressiv och övergår nu till designer som kräver pekskärmskontrollers som känner av VCOM och underpixelelektroderna direkt. Dessa designer kallas "In-Cell" och kräver speciell synkronisering mellan pekskärmen och LCD-kontrollern för att skanna en pekskärm utan påverkan av brus.
De flesta LCD-skärmar i smartphones är nu på väg bort från ACVCOM och använder DCVCOM- och AMOLED-skärmar av högre kvalitet. Dessutom utvecklas de flesta smartphones nu mot DL eller någon annan form av In-Cell-teknik för att minska tillverkningskostnaderna och producera en tunnare telefon.

Skärmbrus
Låt oss nu undersöka närmare hur brus faktiskt kopplas in i givarna i en pekskärm. Figur 2 visar två kapacitanser som kopplar bruset från LCD-kretsen till pekskärmskretsen. Den första kapacitansen är CLC. Den formas mellan underpixeln och ytområdena på VCOM, där LC-materialet fungerar som icke-ledande material. För DCVCOM-skärmar kopplas växelströmssignalen som driver underpixeln upp till VCOM-skiktet som brus och sänds ut över hela panelen.
Det kan verka som om VCOM-skiktet är en bra grund för växelström eftersom DCVCOM håller den här noden som en likströmspotential. Men i verkligheten försvagar den bara bruset eftersom VCOM-skiktet är tillverkat av ITO som har en avsevärd resistens. Det är här som den andra kopplingskapacitansen kommer in i bilden: CSNS. CSNS bildas mellan VCOM-skiktet och de kapacitiva givarna. Den kvarvarande brusspänningen på VCOM-skiktet kopplas upp till de kapacitiva pekskärmsgivarna via CSNS och in i stiften i pekskärmskontrollern. För ACVCOM-skärmar drivs VCOM med en växelströmsvåg som kopplar direkt till pekskärmens givare via CSNS.
Det är enkelt att mäta och klassificera LCD-brus: täck ytan på skärmen (utan pekskärmsgivarna) med ett ledande material och anslut en oscilloskopsond. En kopparplatta med översidan nedåt och som täcker hela skärmen fungerar bra. Ett stort mynt eller en bit koppartejp fungerar också bra, men tänk på att brusstyrkan kan minska med storleken på ledaren. Det är bäst att täcka hela ytan för att minska risken för kopplingsfel i oscilloskopet. Fig 3 visar en verklig uppfångad ACVCOM-vågform.

Fig 3. ACVCOM-skärm, kopplat brus i förhållande till tiden

ACVCOM-vågformen innehåller normalt en stark grundfrekvens och liknar en fyrkantvåg. ACVCOM-vågor ligger normalt mellan 5 kHz och 25 kHz. Normalt motsvarar grundfrekvensen den hastighet som varje rad med LCD-pixlar uppdateras i (linjefrekvens). Fig 4 visar en verklig uppfångad DCVCOM-vågform.

Fig 4 DCVCOM-skärm, kopplat brus i förhållande till tiden

DCVCOM-vågformen ser ut som flera spetsiga högfrekvenspulser. DCVCOM-vågor har inte en stark grundfrekvens som ACVCOM, men vågornas harmoniska innehåll ger övertoner mellan 50 och 300 kHz. De korta pulserna motsvarar underpixelelektrodens drivsignaler. DCVCOM-brusets egenskaper beror till stor del på bilden som visas. Det värsta fallet av bild är normalt ett mönster som växlar mellan svarta och vita pixlar i ett schackmönster över hela skärmen (skapar en grå färg). Se till att du testar flera olika bilder medan du karaktäriserar DCVCOM-skärmar.

Minska skärmbruset
Det finns flera alternativ för att minska skärmbruset som påverkar pekskärmskontrollern:

1. Skärmning (tar bort bruset)
2. Frekvens (undviker brusfrekvens)
3. Design på pekskärmens givare
4. Digitala filter
5. Synkronisera

Skärmning – en skärm är en solid platta av ITO som täcker hela skärmen. Den placeras mellan skärmen och pekskärmens givare. Skydden fästs direkt till kretsjorden så att skärmbruset kopplas till jorden istället för till pekskärmskontrollern. Ett skyddande skikt är vanligtvis ett mycket effektivt sätt att minska brus på, men det är inte särskilt åtråvärt eftersom det ökar tillverkningskostnaderna och försämrar bildkvaliteten.

Frekvens – ett av de bästa alternativen för att minska skärmbruset är att välja en användarfrekvens för pekskärmskontrollern som inte är samma som LCD-brusfrekvensen. Det hjälper om du använder en kontroller till pekskärmen som kan hantera stora brusintervall utan att överbelasta pekskärmens givarkrets. Dessutom är en kortvågsmottagare till nytta om du vill kunna anpassa inställningen efter brustopparna. Ibland kan det vara bra att producera en FFT om de uppfångade vågformerna för att förstå hur du bäst ställer in pekskärmens användningsfrekvens. Fig 5 visar FFT för DCVCOM-tidsdomänens vågform från Fig 4.

Figur 5 DCVCOM, kopplat brus i förhållande till frekvens (FFT)

Ofta finns automatiserade verktyg som hjälper dig att välja en bra användningsfrekvens tillgängliga från tillverkaren av pekskärmskontrollern. Detta inkluderar verktyg som gör det möjligt att svepa över pekskärmens användningsfrekvens medan du övervakar brus.

Digitala filter – digitala filter är mycket bra för att minska brus. Det finns många linjära och icke-linjära filter att välja mellan och alla har olika fördelar och nackdelar. För linjära filter fungerar ett traditionellt IIR- eller FIR-filter bra för att minska brus, men de kan leda till trög fingerföljning över skärmen. Flera anpassade modifieringar till dessa filter leder till mycket bättre fingerföljning. Andra icke-linjära filter kan också fungera bra, särskilt för impulsbrus som innehåller höga men sällsynta brustoppar. Det finns även en del filter som på ett intelligent sätt kan identifiera LCD-brus och ta bort det från signalen. Pekskärmskontroller som innehåller filtrering av maskinvara är en fördel, eftersom de sparar tid och kraft åt pekskärmskontrollerns processor.

Design av pekskärmens sensor – flera designmönster för sensorer kan leda till en avsevärd minskning i skärmbruset. En populär typ är Manhattan, döpt efter stadsdelen Manhattan i New York eftersom den har perfekta raka vågräta och lodräta linjer. Se Fig 6.

Fig 6. Manhattan-sensorn minskar brus

TX och RX står för "sänd" och "ta emot". Alla kontroller till verkliga Multi-touch-pekskärmar driver en TX-givare och tar emot på en RX-mottagare. I Manhattan-sensorn är TX-givarna breda och sitter under RX-mottagarna. RX-mottagarna är smala för att ta bort parasitisk kapacitans och även minska bruskoppling. Manhattan-sensorn gör det möjligt för TX-givarna att vidarekoppla en stor del av bruset så att det inte når fram till RX-mottagaren. Flera mer sofistikerade varianter av Manhattan används inom branschen.

Synkronisering – synkronisering mellan kontrollern till pekskärmen och LCD är också ett alternativ för att minska skärmbrus. Faktum är att det är en absolut nödvändighet för alla In-Cell-designer. En pekskärmskontroller kan synkronisera genom att lyssna på de vågräta och lodräta synksignalerna som kommer från drivrutinen till LCD-skärmen, som heter HSYNC och VSYNC. Eller för ACVCOM kan vissa pekskärmskontroller plocka upp bruset från pekskärmsgivarna och starta en skanning utan att HSCYN och VSYNC behövs. Synkronisering till ACVCOM är ganska enkelt eftersom den grundläggande frekvensen är mycket stark och låg. DCVCOM är svårare eftersom bruset är av en högre frekvens vilket kräver exakt timing mellan pekskärmskontrollerns skanningar och de tysta perioderna i skärmen.
Allteftersom telefoner blir tunnare utsätts pekskärmskontroller för mer skärmbrus pga tätare kapacitiv koppling mellan skärmen och pekskärmens givare. Detta kräver en större fokusering på hur skärmar fungerar, var exakt skärmbruset kommer ifrån, hur man mäter skärmbrus och vilka alternativ som finns för att minska skärmbrus. Jag hoppas att den här artikeln har gett dig insikt i alla dessa områden.
Erik Anderson, Systems Engineer, Cypress Semiconductor
 

Filed under: Embedded