一種有源矩陣觸摸屏的驅動電路設計

艾凱旋 ,劉云婷 ,劉 洋

(1.中國工程物理研究院 計量測試中心,四川 綿陽 621999;2.電子科技大學電子科學與工程學院,四川 成都 610054)

如今,多點觸摸屏是移動應用設備中的主流交互技術之一,按工作原理可分為電阻式觸摸屏、光學式觸摸屏、投射電容式觸摸屏等[1]。其中,投射電容式觸摸屏中的互電容觸摸屏因其成本較低、精確度較高等特點而被廣泛使用[2-3],伴隨著觸摸屏分辨率要求的不斷提高,有源矩陣(Active-Matrix,AM)自電容觸摸屏成為了提高觸摸屏分辨率的新的研究方向之一。有源矩陣自電容觸摸屏將薄膜晶體管(TFT)集成到自電容觸摸屏的觸摸元件中,每個觸摸元件均由薄膜晶體管單獨控制,可以很容易實現觸摸屏的高分辨率,且避免了“鬼點”問題[4]。針對有源矩陣自電容觸摸屏的驅動問題,目前主流的驅動電路可以輸出的電壓只有+5 V 和-5 V[5]。而在實際使用中,隨著觸摸屏中觸摸元件尺寸的不斷減小,觸摸屏觸摸元件與薄膜晶體管之間的串行通路寄生電阻顯著增大,造成薄膜晶體管導通時串行通路寄生電阻的分壓顯著增大,因此薄膜晶體管往往需要提供一個遠大于TFT 的閾值電壓。目前已知應用于驅動控制的TFT 的導通電壓為+15～+30 V,且該驅動用途為驅動顯示器像素點控制,而為了快速關斷TFT,需提供一個反向電壓使TFT 快速進入截止狀態,通常提供-10～-5 V 的關斷電壓[6]。目前主流的有源矩陣觸摸屏驅動電路無法滿足絕大部分有源矩陣自電容觸摸屏的驅動,對有源矩陣自電容觸摸屏的研究驗證造成了極大限制。

為便于有源矩陣觸摸屏的研究驗證,設計了一種有源矩陣自電容觸摸屏驅動電路。可以根據觸摸屏中不同類型薄膜晶體管的導通特性動態輸出范圍為+5～+15 V的導通電壓和-15～-5 V 的關斷電壓,且可選擇控制單個觸摸元件工作狀態。

1 驅動電路的設計及仿真

有源矩陣觸摸屏驅動電路的工作電壓為+5 V,主要功能模塊劃分為多路復用模塊、正向電壓模塊、反向電壓模塊、電壓選擇模塊以及降壓模塊,驅動電路系統連接框圖如圖1 所示。相比于已有觸摸屏驅動電路輸出固定電壓的設計,有源矩陣觸摸屏驅動電路可以根據有源矩陣觸摸屏的需求輸出+5～+15 V 的導通電壓和-15～-5 V 關斷電壓,有效提高有源矩陣觸摸屏中TFT 的開關速度,增強觸摸屏人機交互的精確度。

圖1 驅動電路系統連接框圖Fig.1 The connection block diagram of the drive circuit system

該驅動電路以24 個觸摸點的觸摸屏為原型設計,可以同時控制24 個觸摸元件的工作狀態。多路復用器模塊采用SN74AHCT139 和CD74HC4515M 組合而成,可實現24 位數據選擇控制,且可以通過合理配置SN74AHCT139 以及增加CD74HC4515M 的數量,實現拓展控制觸摸屏中更多觸摸點的功能。降壓模塊以AMS1117 為核心,用于將+5 V 轉換為+3.3 V 驅動多路復用器模塊。而電壓選擇模塊以MAX333ACUP 為核心,用于控制輸出正反向電壓,該驅動電路共包含6 個電壓選擇模塊。驅動電路中的正向電壓模塊和反向電壓模塊設計分別以TPS61175-Q1 和PTN04050A為核心設計,設計過程中需要考慮各元器件參數選擇。

1.1 反向電壓模塊設計

反向電壓模塊可以將+5 V 正向電壓轉換為-15～-5 V 反向電壓,根據驅動電路實際需求,共需兩個反向電壓模塊。其中一個輸出固定-15 V 電壓,用來提供MAX333ACUP 的負電壓源,另一個輸出可調節-15～-5 V 電壓,用于提供有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的關斷電壓。反向電壓模塊電路設計原理圖如圖2 所示,輸出反向電壓的大小由RAJ來決定。

圖2 反向電壓模塊電路設計原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit design of the reverse voltage module

為了保證輸入輸出電壓的穩定,在反向電壓模塊電路的輸入和輸出端分別并聯一個100 μF 的陶瓷電容。輸出反向電壓-15 V 所需RAJ如下:

式中,VO為反向電壓模塊輸出電壓。輸出電壓為-5 V所需RAJ如下:

根據反向電壓模塊的輸出要求,可將兩個反向電壓模塊的RAJ用最大阻值為20 kΩ 的電位器代替,實現有源矩陣觸摸屏驅動電路可調節輸出-15～-5 V 的TFT 關斷電壓。與目前主流有源矩陣觸摸屏驅動電路相比[5],可以輸出范圍更大的關斷電壓,使有源矩陣觸摸屏中的TFT 更快進入關斷狀態。

1.2 正向電壓模塊設計與仿真

正向電壓模塊以TPS61175-Q1 為核心,用于將+5 V 轉換為+15 V,可同時提供MAX333ACUP 的正電壓源和輸出有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的導通電壓。正向電壓模塊的電路設計原理圖如圖3 所示。

圖3 正向電壓模塊電路設計原理圖Fig.3 Schematic diagram of the circuit design of the forward voltage module

正向電壓模塊中電感器L1大小選擇直接影響正向電壓模塊輸出電壓的穩定性以及瞬態行為和反饋環路的穩定性,選擇為15 μH。為了增加正向電壓模塊的輸出電壓調節裕度,正向電壓模塊設計最大輸出電壓為+15 V,可通過電位器RJ動態調節輸出電壓。當正向電壓模塊輸出電壓VO為+15 V 時,滑動變阻器RI的電阻值RI可通過式(3)計算得:

式中:VFB為TPS61175-Q1 的電壓反饋端FB 端的電壓,為常數1.229 V。根據計算結果選擇最大阻值為100 kΩ 的滑動變阻器RI滿足驅動電路需求。

正向電壓模塊的電阻R3和電容器C4通過COMP端與TPS61175-Q1 內部形成穩定的反饋環路。而COMP 端是TPS61175-Q1 內部跨導放大器的輸出,電阻R3和電容器C4組成的反饋回路放大系數如下:

式中:GEA和REA分別是TPS61175-Q1 內部放大器的跨導和輸出電阻,其值分別為340 μS 和10 MΩ。而fZ和fP1的表達式如下:

為了保證正向電壓模塊的放大增益,需fZ＞fP1,為便于計算,將C4設置為100 pF,則根據式(5)和式(6)知,需R3＜REA,故R3取值為100 kΩ。基于正向電壓模塊各元器件參數的確定,其可以通過調節數字電位器RJ實現+5～+15 V 的導通電壓。與目前主流有源矩陣觸摸屏驅動電路相比[5],更大的導通電壓輸出范圍可以滿足更多有源矩陣自電容觸摸屏的應用,正向電壓模塊+5 V 轉+15 V 仿真圖如圖4 所示。

圖4 正向電壓模塊仿真圖Fig.4 Simulation diagram of forward voltage module

1.3 有源矩陣觸摸屏驅動電路仿真

基于反向電壓模塊與正向電壓模塊設計完成,對有源驅動觸摸屏驅動電路的整體功能進行了仿真驗證,其仿真結果如圖5 所示。

圖5 驅動電路仿真圖Fig.5 Drive circuit simulation diagram

有源矩陣觸摸屏驅動電路共有6 個輸入端口。在仿真過程中,設置反向電壓模塊輸出電壓為-5 V,正向電壓模塊輸出電壓為+15 V,選擇輸入端口IN1～IN5 均輸入低電平0 V,而輸入端口IN6 輸入周期為0.1 s 的高低電平。當IN6 輸入低電平0 V 時,輸出端口OUT1 被選中,輸出+15 V 導通電壓;當IN6 輸入高電平+5 V 時,輸出端口OUT1 未被選中,輸出-5 V關斷電壓。

2 驅動電路實驗驗證

為了驗證電路設計的有效性,有源矩陣觸摸屏驅動電路經過設計仿真后,借助Arduino UNO 開發板搭建了實驗驗證平臺。Arduino UNO 開發板起到選擇控制驅動電路不同端口輸出+15 V 和-5 V 電壓進而控制有源矩陣觸摸屏觸摸元件工作狀態的作用。驅動電路的輸入端地址位由高到低依次為IN2、IN1、IN3、IN4、IN5 以及IN6,實驗驗證中示波器采用100 MHz帶寬的雙通道GWINSTEK。

2.1 驅動電路雙向電壓控制測試

有源矩陣觸摸屏驅動電路輸出+15 V 電壓可以使觸摸屏中控制觸摸元件的薄膜晶體管快速進入導通狀態,而輸出-5 V 反向電壓可以使控制觸摸元件的薄膜晶體管快速進入關斷狀態。當觸摸屏的觸摸元件被接觸時,被接觸觸摸元件的薄膜晶體管處于關斷狀態,觸摸元件的觸摸狀態可以被驗證平臺檢測。而未被接觸觸摸元件的薄膜晶體管進入導通狀態,相應地觸摸元件的工作狀態無法被驗證平臺檢測,有效避免了小尺寸觸摸元件被接觸時手指對周圍觸摸元件產生寄生電容和耦合電容干擾驗證平臺檢測,有利于提高有源矩陣觸摸屏的精確度。圖6 為驅動電路周期性輸出正向電壓和反向電壓的測試波形圖。

圖6 驅動電路雙向電壓輸出測試圖Fig.6 Test diagram of bidirectional voltage output of driving circuit

驅動電路雙向電壓控制測試中,選擇OUT2 輸出端口為測試端。當驅動電路的輸入端IN1～IN4 輸入低電平0 V,IN6 輸入高電平+5 V 下,控制輸入端口IN3 的輸入周期性高低電平;當端口IN3 輸入低電平0 V,即驅動電路的選擇控制端輸入“000001”時,OUT2 端口被選中,輸出+15 V 導通電壓。反之,當輸入端口IN3 輸入高電平+5 V 時,OUT3 端口被選中,OUT2 端口輸出-5 V 關斷電壓。與已有有源矩陣觸摸屏驅動電路只有固定輸出+5 V 導通電壓和-5 V 關斷電壓相比,實驗中有源矩陣驅動電路可輸出0～+15 V 導通電壓,且該驅動電路可輸出-15～-5 V 關斷電壓迅速關斷觸摸屏中的薄膜晶體管,控制觸摸屏中觸摸元件的工作狀態,滿足更多不同類型薄膜晶體管有源矩陣觸摸屏的驅動。

2.2 驅動電路輸出電壓動態調節測試

有源矩陣觸摸屏驅動電路的動態調節功能采用x9c104 數字電位器模塊作為RJ來實現。將Arduino UNO 開發板與x9c104 電位器的電阻輸出控制端相連,當有源矩陣觸摸屏驅動電路的輸出電壓低于有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的驅動電壓時,Arduino UNO 開發板會控制RJ減小電阻,直至有源矩陣觸摸屏驅動電路對應通路滿足有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的驅動電壓。圖7 為驅動電路輸出電壓動態調節測試波形圖。

圖7 驅動電路輸出電壓動態調節測試圖Fig.7 Test diagram of dynamic adjustment of the output voltage of the drive circuit

驅動電路輸出電壓動態調節測試中,選擇OUT2 輸出端口為測試端。OUT2 輸出端口輸出合理電壓依序設置為+15,+9 和+15 V 時,Arduino UNO 開發板通過編程控制電位器RJ的電阻值依次為40,33370 和40 Ω,驅動電路的OUT2 輸出端口依次輸出+15,+8.93 和+15 V。表明驅動電路具有輸出電壓動態調節功能。

3 結論

本文提出了一種有源矩陣觸摸屏驅動電路設計方法,能夠通過檢測觸摸屏中薄膜晶體管的工作狀態動態輸出+5～+15 V 的導通電壓和-15～-5 V 的關斷電壓,從而適應采用不同類型薄膜晶體管的有源矩陣觸摸屏功能研究與驗證。與現有驅動電路相比,本文中有源矩陣觸摸屏驅動電路具有更高的輸出驅動電壓,可更快使觸摸屏中的薄膜晶體管達到導通狀態和關斷狀態,且具有動態調節輸出電壓功能,有效避免了觸摸元件被接觸時對周圍觸摸元件產生的寄生電容和耦合電容,有利于提高觸摸屏的分辨率和精確度,同時也為有源矩陣觸摸屏驅動電路的設計提供了新的思路。