전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로{Charge Integration Analog Digital Converting Circuit}
본 발명은 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터치 입력이 가능한 영상표시장치의 터치 인식 정확성을 더 높이고, 사용자의 이용 편의성을 향상시킬 수 있는 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
화상을 구현하는 영상표시장치로는 다양한 형태가 사용되고 있다. 예를 들어, 액정 디스플레이 패널(liquid crystal display panel), 플라스마 디스플레이 패널(plasma display panel), 유기 발광 디스플레이 패널(organic light emitting diode display panel) 등의 다양한 영상표시장치가 있다. 영상표시장치의 사용 분야가 점차 확대됨에 따라 각 사용 분야에서 다양한 특성이 요구되고 있으며, 더욱 편리하고 정확한 유저 인터페이스(User Interface), 터치 인식 방법, 음성 인식 방법 등에 대한 연구가 증가하고 있다.
본 발명의 목적은, 터치 입력이 가능한 영상표시장치의 터치 인식 정확성을 더 높이고, 사용자의 이용 편의성을 향상시킬 수 있는 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로는, 센싱부에 연결되어 센싱부의 캐패시턴스 변화에 기초하여 데이터를 발생하는 적분 회로부, 적분 회로부의 출력단에 연결되어 상기 적분 회로부의 출력 전압을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 출력값에 기초하여, 오프셋(offset) 전류를 생성, 공급하는 전류 디지털 아날로그 변환기(IDAC)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 터치 인식 정확성을 높일 수 있어, 사용자의 이용 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 터치 인식에 사용되는 종래 아날로그 디지털 변환 회로의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 적분 회로부의 출력 파형의 일예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 디지털 변환 회로를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 아날로그 디지털 변환 회로의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 디지털 변환 회로를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다. 한편, 본 명세서에서 아날로그 디지털 변환 회로는 터치 스크린 영상표시장치의 터치 인식에 사용되는 회로로써, 터치 검출(인식) 회로의 적어도 일부일 수 있다. 도 1은 영상표시장치의 터치 인식에 사용되는 종래 아날로그 디지털 변환 회로의 일예를 도시한 도면이다. 영상표시장치의 터치 인식은 다양한 형태로 구성될 수 있다. 영상표시장치의 디스플레이 패널이 터치 패널로 구성될 수 있으며, 디스플레이 패널에 있어서 센싱부, 즉 센싱 유닛(sensing unit)들의 배치 위치에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 액정 디스플레이(LCD) 패널을 터치 패널로 구현하는 경우를 예를 들면, 터치 패널은 센싱부가 컬러필터(CF) 기판의 상단면에 부착되는 형태, 이른바, 온 셀 타입(On-cell type)으로 구성될 수 있다. 또는, 영상표시장치의 슬림화 추세에 따라 장치에 적용되는 터치 스크린은 센싱부, 즉 센싱 유닛(sensing unit)들을 패널 내에 인셀 타입(In-cell type)으로 내장할 수 있다. 액정 디스플레이(LCD) 패널을 터치 패널로 구현하는 경우를 예로 구체적으로 살펴보면, 센싱부가 터치 패널을 구성하는 두 개의 전극들이 액정 디스플레이 패널을 구성하는 TFT 기판에 형성되거나, 터치 패널을 구성하는 두 개의 전극들 중 어느 하나는 액정 디스플레이 패널의 TFT 기판에 형성되고 다른 하나는 컬러필터 기판의 상단면에 형성될 수 있다. 한편, 센싱부 각각의 센싱 유닛은 손가락 또는 터치 펜 등이 근접하거나 또는 접촉하게 되는 경우 캐패시턴스 값이 가변되고, 캐패시턴스 변화에 따라 신호를 처리함으로써, 터치 패널 상의 터치 여부 및 터치 위치가 판단될 수 있다. 그러나, 터치 스크린 디스플레이 패널에 구비되는 센싱 유닛들에는 기생 캐패시턴스 성분이 존재하게 되는데, 기생 캐패시턴스로 인해 사용자의 터치에 따른 전하의 충전, 방전 시간이 지연될 수 있고, 기생 캐패시턴스로 인해 전하의 충전, 방전 시간이 지연됨에 따라 터치 성능이 저하될 수 있다. 또한 디스플레이 패널의 구조 자체에 기인한 캐패시턴스 성분의 영향을 받을 수도 있다. 도 1 등에서 센싱부(110)는 캐패시턴스 성분으로 대체하여 예시하였고, 터치 패널의 종류, 구성에 따라 센싱부(110)는 다른 형태로 구성될 수도 있을 것이다. 도 1을 참조하면, 터치 시, 터치 패널의 센싱부(110)를 손가락 또는 스타일러스 펜 등의 접촉에 의한 캐패시턴스 변화량(C T ), 디스플레이 패널에 디스플레이 패널의 상판으로 제공되는 전극 전압(VCOM)과 데이터, 게이트 측과의 캐패시턴스 성분(C B ), 기생 캐패시턴스 성분(C P )으로 간략히 도식화될 수 있다. 전체 캐패시턴스가 큰 값을 갖는 경우에는 손가락 또는 터치펜 등의 접촉에 의한 캐패시턴스 변화량이 기생 캐패시턴스에 비하여 상대적으로 작은 값을 갖게 된다. 예를 들어, 인셀 타입의 터치 패널의 경우 기생 캐패시턴스 성분(C P )은 약 100pF 내지 150pF일 수 있는데, 터치 캐패시턴스(C T )는 약 1pF에 불과할 수 있다. 이 경우에, 센싱 유닛이 높은 기생 캐패시턴스 값을 갖는 경우에는, 터치 동작에 의하여 센싱 유닛의 캐패시턴스 값이 변화하더라도, 그 변화량을 정확히 감지하지 못하여 센싱 감도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 적분 회로부(150)는 터치 패널에 구비되는 센싱부(110)와 연결되고, 센싱부(110)의 캐패시턴스 값의 변화에 기초하여, 전하를 직접하여, 전압의 형태로 터치 데이터를 출력할 수 있다. 도 2는 적분 회로부의 출력 파형의 일예를 도시한 도면이다. 적분 회로부의 캐패시터의 캐패시턴스(C F )는 20pF, 센싱부의 기본 캐패시턴스 성분(C)를 150pF, 터치 캐패시턴스(C T )는 1pF인 경우를 예로 살펴보면, 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
따라서, 적분 회로부의 출력 전압(V O )은 수학식 2와 같이 구해질 수 있고, 상기 수치예를 대입하면 출력 전압(V O )은 22.5V가 된다.
한편, 터치 동작으로 발생한 터치 캐패시턴스(C T )의 변화로 인한 전압 변화량(V T )는 유사하게 수학식 3과 같이 구해질 수 있고, 상기 수치예를 대입하면 터치에 의한 전압(V T )은 0.15V가 된다.
이후, 아날로그 디지털 변환기(ADC)가 적분 회로부의 출력 전압을 디지털 데이터로 변환하여, 즉, 아날로그-디지털 변환 동작 등을 수행하여 터치 데이터를 발생시킬 수 있다. 한편, 영상표시장치의 제어부(미도시)는 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 출력 터치 데이터에 기초하여, 터치 동작이 수행되었는지 여부와 터치 동작이 수행된 위치를 판별할 수 있다. 상기와 같이 증폭기(OP)를 통해서도 센싱부가 높은 기생 캐패시턴스 값을 가지면, 터치 동작에 의하여 캐패시턴스 값이 변화하더라도, 높은 기생 캐패시턴스 값에 의한 전압값이 상대적으로 너무 커 터치에 의한 출력 변화를 감지하기 어렵다. 따라서, 본 발명은 상기 기생 캐패시턴스에 의한 영향을 상쇄시키기 위한 오프셋 전류를 생성, 공급하는 전류 디지털 아날로그 변환기를 이용함으로써, 터치 동작시 상기 기생 캐패시턴스에 의한 영향을 제거하여, 인식률을 향상할 수 있는 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 터치 인식 회로를 제공하고자 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 디지털 변환 회로를 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 아날로그 디지털 변환 회로의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 디지털 변환 회로는, 센싱부(210)에 연결되어 상기 센싱부(210)의 캐패시턴스 변화에 기초하여 데이터를 발생하는 적분 회로부(250)를 포함할 수 있다. 상기 적분 회로부(250)는, 전압 형태로 상기 센싱부의 캐패시턴스 변화에 의한 전하량을 직접(integration)하여 집적된 전하를 전압으로 증폭하여 변환할 수 있다. 따라서, 전압 형태로 데이터를 발생, 출력할 수 있다. 한편, 실시예에 따라서, 상기 센싱부(210)는 액정 디스플레이 패널의 TFT 기판에 인셀 타입(In-cell type)으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 적분 회로부(250)는, 일단은 상기 센싱부(210)에 연결되고, 일단은 기준 전압(Vref)에 연결되는 비교기(OP), 및, 전하가 직접되고, 직접된 전하량에 따라 출력 전압을 생성하는 캐패시터(C F )를 포함할 수 있다. 상기 캐패시터(C F )는 상기 비교기(OP)의 출력단과 비교기(OP)의 센싱부(210)에 연결되는 일단에 연결연결될 수 있다. 상기에서 살펴본 것과 같이, 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜 등 터치 도구의 접촉으로 인하여 검출되는 전하량의 변화폭은 상당히 작은 값이기 때문에 상기 적분 회로부(250)는 전하량을 누적하고 누적된 전하를 전압으로 증폭하여 변환해 출력할 수 있다. 한편, 도 3에서의 상기 적분 회로부(250)는 예시적인 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 적분 회로부(250)는, 공지된 다른 형태의 적분 회로를 이용할 수 있다. 예를 들어, 캐패시터(C F )에 소정 저항을 병렬로 연결할 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로는 아날로그-디지털 변환 동작을 수행하는 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital converter : ADC, 270)를 포함할 수 있다. 상기 아날로그 디지털 변환기(270)는 상기 적분 회로부(250)의 출력단에 연결되어 상기 적분 회로부(250)의 출력 아날로그 전압을 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 즉, 터치 동작으로 인한 캐패시턴스 변화를 센싱하고, 적분 회로부(250)를 통한 출력 데이터는 아날로그 디지털 변환기(270)에 입력되어 사용자의 터치 여부가 디지털 값으로 출력될 수 있다. 한편, 상기 아날로그 디지털 변환기(270)는, 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압에 대응하는 아날로그 디지털 변환기(270) 코드값을 발생할 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로는, 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력값에 기초하여, 오프셋(offset) 전류를 생성, 공급하는 전류 디지털 아날로그 변환기(220)를 포함할 수 있다. 또한, 아날로그 디지털 변환기(270) 및/또는 영상표시장치의 제어부(미도시)는 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력값에 기초하여 전류 디지털 아날로그 변환기(IDAC, 220)를 제어할 수 있다. 한편, 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)는 상기 적분 회로부(250)의 출력, 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력값에 기초하여 전류량을 가변하여 공급할 수 있다. 한편, 전하량은 전류와 시간의 곱이므로 상기 수학식 1은 하기의 수학식 4와 같이 변형될 수 있다.
따라서, 전하량은 전류의 전체합으로 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
본 발명은 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)에서 기생 캐패시턴스 성분으로 인한 Q값만큼 오프셋 전류값(Itune)을 결정할 수 있고, 이에 따른 오프셋 전류를 공급하여 캐패시턴스 성분으로 인한 영향을 상쇄시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압이 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 전압 범위, 예를 들어, 0 내지 3V에 포함될 때까지 상기 오프셋 전류를 생성, 공급할 수 있다. 도 4를 참조하면, I1 내지 In까지의 전체 합이 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 ADC 코드 값이 될 수 있다. 한편, 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)는 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력 디지털 데이터, 최상위 비트(Most Significant Bit : msb) 내지 최하위 비트(Least Significant Bit : msb)에 기초하여 결정되는 오프셋 전류를 공급할 수 있다. 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)는, 복수의 전류원을 포함할 수 있고, 각 전류원들 및 오프셋 전류들은 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력 ADC 디지털 데이터값(코드)에 대응할 수 있다. 8A, 4A, 2A, 1A의 4개의 전류원을 가정하면 아날로그 디지털 변환기(270)로부터 출력되는 디지털 코드 1000의 코드값은 8에 대응하고, 8A 전류원(또는 8A 전류원에 대응하는 스위치)이 온(on)되어 8A가 공급될 수 있고, 0101의 코드값은 5에 대응하며 1A, 4A 전류원(또는 1A, 4A 전류원에 대응하는 스위치)이 온(on)되어 5A가 공급될 수 있으며, 0010은 2에 대응하고, 2A 전류원(또는 2A 전류원에 대응하는 스위치)이 온(on)되어 2A가 공급될 수 있다. 한편, 상기 복수의 전류원은, 일단은 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 전압보다 높은 전압에 연결되고, 타단은 상기 적분 회로부(250)에 연결되는 제1 그룹 전류원(221), 및 일단은 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 전압보다 낮은 전압에 연결되고, 타단은 상기 적분 회로부에 연결되는 제2 그룹 전류원(222)을 포함할 수 있다. 도 3은 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 전압이 0 내지 3V인 경우에, 제1 그룹 전류원(221)은 그보다 높은 6V, 제2 그룹 전류원(222)은 그보다 낮은 -3V에 연결되는 예를 도시한 것이다. 한편, 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르기 때문에, 상기 제1 그룹 전류원들(221)은 소스(source) 전류원(Isource)으로 명명될 수 있고, 상기 제2그룹 전류원들(222)은 싱크(sink) 전류원(Isink)으로 명명될 수 있다. 한편, 도 4에서 전압 파형의 출렁이는 모양 자체는, 포화(Saturation)만 되지 않으면 전체 합(Total Sum)이 결국 전체 전하양(Total Charge)이 되기 때문에, 상기 아날로그 디지털 변환기(270)에 영향을 주지 않는다. 하지만, 오프셋 전류의 공급으로 인한 상쇄가 제대로 되지 않거나 타이밍(Timing) 끝부분에 큰 노이즈(Noise)가 들어오는 경우에는 경우 ADC 에러(Error)가 발생할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압이 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 전압 범위, 예를 들어, 0 내지 3V에 포함될 때까지 상기 오프셋 전류를 생성, 공급할 수 있다. 도 5를 참조하면, 출력 전압(Vo)이 상기 아날로그 디지털 변환기(270)의 상위(Upper) 내지 하위(Lower) 동작 범위(Range)에 있는 경우, 이른바 Coarse ADC로 대략적으로 러프(rough)하게 아날로그 디지털 변환기(270)동작 범위내로 출력을 조정할수 있도록 오프셋 전류값(I tune)을 결정할 수 있다. 아날로그 디지털 변환기(270)의 동작 범위 내의 출력(Vo)은 +(Positive), -(Negative) 값에 따라 DC 값으로 센터(Center) 값으로 가는 방향만 설정할 수 있다. 실시예에 따라서는, 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압의 절대값이 소정 기준값보다 큰 경우에는 상기 제1 그룹 전류원(221)이 온(on)되어 전압을 감소시키는 방향으로 오프셋 전류를 공급하고, 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압의 절대값이 소정 기준값보다 작은 경우에는 상기 제2 그룹 전류원(222)이 온(on)되어 전압을 증가시키는 방향으로 오프셋 전류를 공급 수 있다. 한편, T1 구간에서는 상기와 같이 Coarse ADC를 사용하여 대략적으로 동작 범위 내로 조정하고, T2 구간에서는 Fine ADC를 사용하여 에러를 보정할 수 있다. 이때 에러 보정시 Ierror값은 수학식 6과 같이 구해질 수 있다.
도 6을 참조하여 더욱 자세히 살펴보면, 출력 전압을 복수의 구간으로 나누고, 각 구간에는 대응하는 ADC 코드값을 설정할 수 있다. 출력 전압이 O에서 시작하여 소정 타이밍에 따른 시점에 31 코드(code)값이 설정된 구간에 있으면, +31 코드값을 적용하고, 이에 대응하는 오프셋 전류를 공급한다. 다음 구간에서는 -16 코드(code)값이 설정된 구간에 있으므로, -16 코드값을 적용하고, 이에 대응하는 오프셋 전류를 공급할 수 있다. 이런 과정을 도 6과 같이, 반복하면, Coarse ADC 코드는 35 코드가 된다. 한편, Fine ADC는 7 코드이고, Coarse ADC의 1LSB는 Fine ADC의 5배인 경우로 가정하면 전체 ADC 코드 값은 35*5+7=182 코드(code)가 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 아날로그 디지털 변환기(270)는 상기 적분 회로부(250)의 출력 전압에 대응하는 아날로그 디지털 변환기(270) 코드값을 적어도 일부 구간에서 상이한 값으로 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 7을 참조하면, 초기 제1 구간(T1)과 제2 구간(T2), 마지막 제3 구간(T3)에서 대응하는 코드값을 각각 다르게 설정한 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 정밀한 조절이 필요한 마지막 제3 구간(T3)의 레벨을 더 촘촘하고 상세하게 설정할 수 있다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 디지털 변환 회로를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로는 상기 아날로그 디지털 변환기(ADC, 270)의 출력값 및 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)에 무관하게, 오프셋(offset) 전류를 생성, 공급하는 공통 오프셋 전류원(230)을 더 포함할 수 있다. 기생 캐패시턴스 성분은 터치 캐패시턴스 성분보다 매우 큰 경우가 보통이므로, 상기 공통 오프셋 전류원(230)은 일정한 DC 전류를 공통적으로 크게 공급하고, 상기 전류 디지털 아날로그 변환기(220)는 아날로그 디지털 변환기(270)의 출력값을 피드백(feedback) 받아 더욱 세밀하게 오프셋 전류를 생성하고 공급할 수 있다. 한편, 이 경우에도, 상기 공통 오프셋 전류원은 적어도 일부 구간에서 상이한 값의 오프셋 전류를 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 터치 인식 과정에서 기생 캐패시턴스 성분의 영향을 제거할 수 있고, 터치 인식 정확성을 높일 수 있어, 사용자의 이용 편의성을 향상시킬 수 있다. 또한, 캐피시터를 이용하여 기생 캐패시턴스 성분의 영향을 감소시키는 방식보다 보다 적은 비용과 면적으로 구현 가능하다. 본 발명에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 그 동작 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로의 동작 방법은, 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로 및 전하 직접 아날로그 디지털 변환 회로를 구비하고 있는 영상표시장치의 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
210: 센싱부
220: 전류 디지털 아날로그 변환기
250 : 적분 회로부
270 : 아날로그 디지털 변환기 |
