CN106130526B - 供电信号产生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置及其控制方法，所述供电信号产生装置包括：串联在抬升电压节点与系统地电压节点之间的第一开关模块和第二开关模块和串联在第一开关模块和第二开关模块之间的节点与系统电源电压节点之间的第三开关模块和电容器，其中，第一开关模块包括并联的N个第一开关单元，每个第一开关单元包括串联的第一晶体管和第一电阻器，第二开关模块包括分别对应于N个第一开关单元的并联的N个第二开关单元，每个第二开关单元包括串联的第二晶体管和第二电阻器，并且第三开关模块包括第三晶体管。通过设置至少一个包括晶体管和电阻器的开关单元，可以减小供电信号产生装置产生内的供电电压信号中的噪声。

Description

供电信号产生装置及其控制方法

技术领域

本公开涉及指纹识别领域，具体地，涉及被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置及其控制方法。

背景技术

电容式指纹识别技术根据是否直接在手指上施加激励信号，可以分为主动电容式指纹识别与被动电容式指纹识别。主动电容式指纹识别的原理主要是向手指施加激励信号以增强手指表面的电荷，利用触摸面板的感应阵列接收电场信号并对信号进行放大，由于指纹凹凸不一致导致感应到的电场也不一致，可以据此提取指纹信息。被动式的工作原理是根据手指按在触摸面板上时指纹的脊和谷对触摸面板内部电容上下电极电荷分配的比例影响程度来获取指纹信息，无需额外向手指施加激励信号。在主动电容式指纹识别中，为了避免激励信号过强影响用户体验，激励幅度信号幅度一般小于4V。由于被动电容式指纹识别技术不需要在手指上外加激励信号，避免了大幅度激励信号导致的被测者不适感，所以可以通过增加激励信号的幅度来提高指纹识别系统的信噪比。被动电容式指纹识别中的激励信号幅度可以大于4V，甚至可以采用幅度在15V以上的激励信号。

但是在实际的被动电容式指纹识别系统中，由于激励信号幅度的增加以及寄生电感、寄生电容、寄生电阻等诸多因素的影响，提供给指纹传感器的供电信号会具有较大的毛刺噪声，这甚至可能会造成通讯错误。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置，可以减小供电电压信号中的噪声。

根据本公开的一方面，提供了一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置，包括：

串联在抬升电压节点与系统地电压节点之间的第一开关模块和第二开关模块，其中所述第一开关模块连接系统地电压节点，用于在第一阶段导通，在第二阶段关断，所述第二开关模块连接抬升电压节点，用于在第一阶段关断，在第二阶段导通；

串联在第一开关模块和第二开关模块之间的节点与系统电源电压节点之间的第三开关模块和电容器，其中所述第三开关模块连接系统电源电压节点，用于在第一阶段导通，在第二阶段关断；

其中，

第一开关模块包括并联的N个第一开关单元，N为大于等于1的整数，每个第一开关单元包括串联的第一晶体管和第一电阻器，所述第一晶体管连接到所述系统地电压节点，所述第一电阻器连接到第二开关模块；

第二开关模块包括分别对应于N个第一开关单元的并联的N个第二开关单元，每个第二开关单元包括串联的第二晶体管和第二电阻器，所述第二晶体管连接到所述抬升电压节点，所述第二电阻器连接到第一开关模块；并且

第三开关模块包括第三晶体管。

在一些实施例中，N等于1，所述第一电阻器和第二电阻器具有非零电阻值。

在另一些实施例中，N大于1，至少一个第一开关单元的第一电阻器和对应的第二开关单元的第二电阻器具有非零电阻值。

在一些实施例中，所述第一电阻器和第二电阻器的电阻值在50Ω至1000Ω的范围内。

在又一些实施例中，N大于1，所有第一电阻器和第二电阻器的电阻值均为零。

在一些实施例中，N＝2，一个第一晶体管和一个第二晶体管的导通电阻在100Ω至1000Ω的范围内，另一个第一晶体管和另一个第二晶体管的导通电阻在1Ω至2Ω的范围内。

在一些实施例中，每个第一开关单元用于在第一阶段按照各自导通电阻从大到小的顺序导通，并在第二阶段关断；并且每个第二开关单元用于在第一阶段关断，并在第二阶段按照各自导通电阻从大到小的顺序导通。

在一些实施例中，第一晶体管为N型晶体管，第二晶体管和第三晶体管为P型晶体管。

根据本公开实施例的另一方面，提供了一种以上描述的供电信号产生装置的控制方法，包括：

在第一阶段，将第一开关模块和第三开关模块导通，并将第二开关模块关断；

在第二阶段，将第一开关模块和第三开关模块关断，并将第二开关模块导通；

重复以上第一阶段和第二阶段。

在一些实施例中，N大于1；所述将第一开关模块导通包括：将第一开关模块中的N个第一开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通；所述将第二开关模块导通包括：将第二开关模块中的N个第二开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1示出了被动电容式指纹识别系统的示例结构图；

图2示出了被动电容式指纹识别系统中传感器电源电压信号VDD_SENS与传感器地电压信号GND_SENS的示例波形图；

图3示出了理想情况下GND_SENS、VDD_SENS以及跨电源域传输的信号的示例时序图；

图4示出了VDD_SENS、SPICLK_SENS在GND_SENS在跳变处产生毛刺噪声的波形图以及被GND_SENS解调后的波形图；

图5是图4的局部放大图；

图6示出了被动电容式指纹识别系统的供电信号产生单元中的供电信号产生电路的电路图；

图7示出了理想状况下图6的供电信号产生电路的控制信号和输出电压信号的时序图；

图8示出了考虑了寄生电感、寄生电容、寄生电阻后图6的供电信号产生电路的等效电路图。

图9示出了图8的供电信号产生电路的控制信号和输出电压信号的时序图。

图10示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置的结构图。

图11示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置的结构图。

图12示出了图11的供电信号产生电路的控制信号和输出电压信号的时序图。

图13示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置的结构图。

图14示出了图13的供电信号产生电路的控制信号和输出电压信号的时序图。

图15是图14的局部放大图。

图16示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置的结构图。

图17示出了根据本公开实施例的供电信号产生装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1示出了被动电容式指纹识别系统100的示例结构图。如图1所示，被动电容式指纹识别系统100包括指纹传感器模块101和供电模块102。供电模块102接系统电源电压VDD(下文中简称VDD)和系统地电压GND(下文中简称GND)，并且为指纹传感器模块101提供传感器电源电压信号VDD_SENS(下文中简称VDD_SENS)和传感器地电压信号GND_SENS(下文中简称GND_SENS)。本文中，以VDD为电源电压并且以GND为参考地电压的电源域称为HOST电源域，以VDD_SENS为电源电压并且以GND_SENS为参考地电压的电源域称为SENS电源域。供电模块102可以实现信号在HOST电源域与SENS电源域之间转换，以便所述信号在这两个电源域之间传输，例如，在外部主控单元与指纹传感器模块101之间传输。具体地，在HOST电源域与SENS电源域之间传输的信号要被GND_SENS或VDD_SENS调制和解调。作为示例，在HOST电源域与SENS电源域间之间传输的信号可以是SPI协议下的SPI时钟信号(由SPICLK表示)，但不局限于此，其可以任何信号，例如用于控制、通讯的信号。

在一些实施例中，如图1所示，供电模块102可以包括供电信号产生单元1021、供电控制单元1022和电源域转换单元1023，三者皆以VDD为电源电压并且以GND为参考地电压。供电信号产生单元1021与指纹传感器模块101相连，用于向指纹传感器模块101提供供电电压信号VDD_SENS和GND_SENS。供电控制单元1022与供电信号产生单元1021相连，用于向供电信号产生单元1021提供抬升电压VDDH(下文中简称VDDH)和驱动地电压GND_DRV，并控制供电信号产生单元1021产生VDD_SENS和GND_SENS。VDDH用于抬升系统供电电压，例如，对于VDD为1.8V并且GND为0V的系统供电电压，VDDH可以为13V，从而产生如图2所示的高电平为14.8V并且低电平为1.8V的VDD_SENSE以及高电平为13V并且低电平为0V的GND_SENSEGND_SENSE。

电源域转换单元1023与供电信号产生单元1021、供电控制单元1022和指纹传感器模块101相连，用于接收来自供电信号产生单元1021的VDD_SENS和GND_SENS，并且使信号在HOST电源域与SENS电源域之间转换，并与供电控制单元1022协同实现指纹传感器模块101与外部主控单元之间的跨电源域信号传输。指纹传感器模块101可以由指纹传感器芯片来实现，供电信号产生单元1021可以由浮地电源来实现，供电控制单元1022可以由电源控制电路来实现，电源域转换单元1023可以由电平移位缓冲器来实现，例如H2S&S2H电平移位缓冲器。然而本领域技术人员应清楚，以上仅为示例实现方式，本公开的实施例并不局限于此。

指纹传感器模块101和供电模块102可以集成在一起，也可以彼此独立实现。

图2示出了被动电容式指纹识别系统100中VDD_SENS与GND_SENS的示例波形图。如图2所示，VDD_SENS和GND_SENS是相对于系统地GND的一对时变信号，可以是方波，但不局限于此，例如也可以是正弦波或锯齿波等等。VDD_SENS与GND_SENS间的电压差保持恒定，即指纹传感器模块101的供电电压保持恒定。例如，如图2所示，当VDD＝1.8V，GND＝0V时，VDD_SENS是高电平为14.8V并且低电平为1.8V的方波信号，GND_SENS是高电平为13V并且低电平为0V的方波信号，二者同步跳变，从而为指纹传感器模块101供电的电压稳定在1.8V。

图3示出了理想情况下GND_SENS、VDD_SENS以及跨电源域传输的信号的示例时序图，其中SPICLK_HOST表示HOST电源域中未调制的SPICLK信号，SPICLK_SENS表示被GND_SENS调制后的SPICLK信号，SPICLK_SENS–GND_SENS表示被GND_SENS解调后在SENS电源域得到的SPICLK信号。图3中在HOST电源域与SENS电源域间之间传输的信号以SPI协议下的SPICLK信号为例，但不局限于此，其可以任何信号，例如用于控制、通讯的信号。HOST电源域与SENS电源域间传输的信号的示例包括但不局限于采用各种标准通讯协议的总线的信号，例如采用SPI通讯协议或I2C通讯协议的信号，以及其它自定义但需要在HOST电源域与SENS电源域间转换的例如信号。

从图3可以看出，在理想情况下，HOST电源域与SENS电源域间可以进行准确无误的通讯。但是在实际的被动电容式指纹识别系统中，由于激励信号幅度的提高以及系统中寄生电感、寄生电容、寄生电阻等诸多因素的影响，GND_SENS和VDD_SENS会在跳变处产生毛刺噪声。这种毛刺噪声可能会造成被动电容式指纹识别系统的HOST电源域与SENS电源域通讯错误，最终导致图像采集失败。

图4示出了VDD_SENS、SPICLK_SENS在GND_SENS在跳变处产生毛刺噪声的波形图，以及被GND_SENS解调后的波形图，其中SPICLK_SENS表示被GND_SENS调制后的SPICLK信号，SPICLK_SENS–GND_SENS表示被GND_SENS解调后在SENS电源域的SPICLK信号。如图4中虚线部分所示，VDD_SENS与SPICLK_SENS会在GND_SENS的跳变处产生噪声，最终导致解调后的SPICLK信号在相应位置也出现噪声。图5是图4的局部放大图。如图5所示，VDD_SENS与SPICLK_SENS会在GND_SENS的上升沿和下降沿处分别产生上冲/下冲的噪声，这样用GND_SENS去解调SPICLK_SENS而得到的解调信号SPICLK_SENS–GND_SENS会产生宽度分别为t1和t2的上冲噪声和下冲噪声。t1和t2通常在0.5ns至100ns的范围内，在一些情况下在1ns至10ns范围内，典型地在1ns至6ns范围内，这会导致HOST电源域与SENS电源域间的数据传输错误，从而导致通讯、控制等方面的错误。

在被动电容式指纹识别系统(例如，图1所示的系统)中，对于方波形式的GND_SENS，当方波幅度一定时，GND_SENS在跳变处的噪声大小随着GND_SENS的发送和接收节点间的寄生电容、寄生电感和/或寄生电阻的不同而变化；当所述寄生电容、寄生电感和/或寄生电阻一定时，GND_SENS在跳变处的噪声大小随着方波幅度的不同而变化。所以在具有不同寄生电容、寄生电感和/或寄生电阻的被动电容式指纹识别系统中，GND_SENS的方波幅度与其引入的噪声需要折中考虑。

虽然以上以GND_SENS作为调制和解调信号为例来进行描述，然而本领域技术人员应清楚，以上描述同样适用于以VDD_SENS作为调制信号的情况。

下面参考图6至图9来进一步说明由于寄生而导致噪声的原理。

图6示出了供电信号产生单元1021的供电信号产生电路600的电路图。如图6所示，供电信号产生电路600包括第一晶体管601、第二晶体管602、第三晶体管603以及电容器604。第一晶体管601和第二晶体管602串联在抬升电压VDDH与系统地电压GND之间，其中第一晶体管601接VDD，第二晶体602管接VDDH。第三晶体管603和电容器604串联在第一晶体管601和第二晶体管602之间的节点与VDD之间。电容器604的一端与节点P1相连，另一端与所述第三晶体管603相连。第一晶体管601和第二晶体管602之间的节点P1作为第一输出节点提供传感器地电压信号GND_SENS，第三晶体管603与电容器604之间的节点P2作为第二输出节点提供传感器电源电压信号VDD_SENS。在图6所示的示例中，第一晶体管601为N型晶体管，第二晶体管602和第三晶体管603为P型晶体管。

图7示出了理想状况下图6的供电信号产生电路600的控制信号和输出电压信号的时序图，其中clk1表示第一晶体管601的控制信号，clk2表示第二晶体管602的控制信号，clk1n表示第三晶体管603的控制信号，t0是控制信号的死区时间，典型值在1～5ns；GND_SENS表示在第一输出端P1提供的传感器地电压信号，VDD_SENS表示在第二输出端P2提供的传感器电源电压信号。

如图7所示，在第一阶段，clk1为高，使N型的第一晶体管601导通，clk2为高，使P型的第二晶体管602关断，clk1n为低，使P型的第三晶体管603导通，第一输出端P1处电压为GND，即GND_SENS处于低电平GND，第二输出端P2处电压为VDD，即VDD_SENS处于低电平VDD。在第二阶段，clk1为低，使第一晶体管601关断，clk2为低，使第二晶体管602导通，clk1n为高，使第三晶体管603关断，第一输出端P1处电压为VDDH，即GND_SENS处于高电平VDDH，在第二输出端P2处，由于电容器604两端电压差要保持VDD不变，使第二输出端P2处电压为VDDH+VDD，即，VDD_SENS处于高电平VDDH+VDD。第一阶段和第二阶段交替往复，形成了图7所示的方波形式的VDD_SENS和GND_SENS。从图7中可以看出，在不考虑寄生电容、寄生电感、寄生电阻的情况下，VDD_SENS和GND_SENS没有毛刺噪声。

然而在实际情况中存在寄生电感、寄生电容、寄生电阻。图8示出了考虑了寄生电感、寄生电容、寄生电阻后图6的供电信号产生电路600的等效电路图。如图8所示，P1与电容器604之间存在寄生电感Lpar，电容器604与系统地GND之间存在寄生电阻Rpar和寄生电容Cpar。

图9示出了图8的供电信号产生电路600的控制信号和输出电压信号的时序图，其中clk1表示第一晶体管601的控制信号，clk2表示第二晶体管602的控制信号，clk1n表示第三晶体管603的控制信号，t0是控制信号的死区时间，典型值在1～5ns；VDD_SENS表示P2处提供的传感器电源电压信号，GND_SENS表示P1处提供的传感器地电压信号，GND_SENS_EXT表示P1’处提供的电压信号。

如图9所示，在第一阶段，第一晶体管601和第三晶体管603导通，第二晶体管602关断，当进入第二阶段时，第一晶体管601和第三晶体管603关断，第二晶体管602导通，产生从P1向P1’流动的电流，随着电流的减小，寄生电感Lpar产生电动势Vpar以阻止电流的减小，使得P1’处的电压变成VDDH+Vpar，进而使得P2处的电压变成VDDH+VDD+Vpar，从而VDD_SENS的上升沿处产生上冲噪声。反之，当从第二阶段进入第一阶段时，产生从P1’向P1的电流，寄生电感Lpar产生电动势Vpar以阻止电流减小，使P1’处电压变成GND-Vpar，进而使得P2处电压变成VDD-Vpar，从而VDD_SENS的下降沿处均产生下冲噪声。图9中GND_SENS、GND_SENS_EXT、VDD_SENS分别对应图8中P1、P1’、P2节点处的电压。以上描述了寄生导致VDD_SENS与GND_SENS_EXT节点产生噪声的原理。

基于上面的讨论，本公开实施例提出了一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置，通过设置至少一个包括晶体管和电阻器的开关单元，可以通过电阻分压和/或开关逐级控制来减小供电信号产生装置所提供的供电电压信号的波形变化率，从而减小供电电压信号中的噪声。

图10示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置1000的结构图。

如图10所示，供电信号产生装置1000包括第一开关模块1001、第二开关模块1002、第三开关模块1003和电容器1004。第一开关模块1001和第二开关模块1002串联在提供抬升电压VDDH的抬升电压节点与提供系统地电压GND的系统地电压节点之间，其中第一开关模块1001接GND，第二开关模块1002接VDDH。第三开关模块1003和电容器1004串联在第一开关模块1001和第二开关模块1002之间的节点与提供系统电源电压VDD的系统电源电压节点处，其中第三开关模块1003接VDD。第一开关模块1001和第二开关模块1002之间的节点P1作为第一输出节点提供第一供电电压信号，第三开关模块1003与电容器1004之间的节点P2作为第二输出节点提供第二供电电压信号。如图10所示，P1与P1’之间存在寄生电感Lpar，P1’与系统地GND之间存在寄生电阻Rpar和寄生电容Cpar。在一些实施例中，第一供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器地电压信号GND_SENS，第二供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器电源电压信号VDD_SENS。

在第一阶段，第一开关模块1001和第三开关模块1003导通，在第二开关模块1002关断，在第二阶段，第二开关模块1002导通，第一开关模块1001和第三开关模块1003关断，如此往复，使得在P1和P2处分别输出同步变化的方波电压信号。

如图10所示，第一开关模块1001包括并联的N个第一开关单元，第二开关模块1002包括并联的N个第二开关单元，每个第一开关单元对应一个第二开关单元，其中N为大于等于1的整数。每个第一开关单元可以包括接GND的第一晶体管1001-Mi和与第一晶体管1001-Mi串联的第一电阻器1001-Ri，对应的第二开关单元可以包括接VDDH的第二晶体管1002-Mi和与第二晶体管1002-Mi串联的第二电阻器1002-Ri，其中1≤i≤N。第三开关模块1003可以包括第三晶体管1003-M1。在一些实施例中，第一晶体管可以为N型晶体管，第二晶体管和第三晶体管可以为P型晶体管，然而本领域技术人员应清楚，本公开的实施例并不局限于此。

在一些实施例中，N可以等于1，并且第一电阻器1001-R1和第二电阻器1002-R1具有非零电阻值，例如在50Ω至1000Ω的范围内。

在一些实施例中，N可以大于1，并且第一电阻器1001-1,1001-2,…,1001-N和第二电阻器1002-1,1001-2,…,1001-N的电阻值全部为零。

在一些实施例中，N可以大于1，并且至少一个第一电阻器1001-R1,1001-R2,…,1001-RN和对应的至少一个第二电阻器1002-R1,1002-R2,…,1002-RN具有非零电阻值，例如在50Ω至1000Ω的范围内。例如，N可以等于2，第一晶体管1001-M1和第二晶体管1002-M1的导通电阻可以设置成在100Ω至1000Ω的范围内，第一晶体管1001-M2和第二晶体管1002-M2的导通电阻可以设置成在1Ω至2Ω的范围内。

在N大于1的情况下，可以如下控制各个晶体管：在第一阶段，将第一晶体管1001-M1,1001-M2,…,1001-MN按照各自导通电阻从大到小的顺序导通，将第三晶体管1003-M1导通，并将第二晶体管1002-M1,1002-M2,…,1002-MN关断；在第二阶段，将第一晶体管1001-M1,1001-M2,…,1001-MN和第三晶体管1003-M1关断，并将第二晶体管1002-M1,1002-M2,…,1002-MN照各自导通电阻从大到小的顺序导通。

下面参考图11至图16来描述一些实施例，其中参考图11和图12来描述N＝1并且第一电阻器和第二电阻器具有非零电阻值的实施例，参考图13至图15来描述N＝2并且第一电阻器和第二电阻器的电阻值全部为0的实施例，参考图15和图16来描述N＝2并且有一个第一电阻器和对应的一个第二电阻器具有非零电阻值的实施例。本领域技术人员应清楚，本公开的实施例并不限于此，N的值、非零电阻器和零值电阻器的数目、以及晶体管的导通电阻和电阻器的电阻值是可以根据需要来任意选择的。

图11示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置1100的结构图。如图11所示，供电信号产生装置1100包括第一开关模块1101、第二开关模块1102、第三开关模块1103和电容器1104。第一开关模块1101和第二开关模块1102串联在提供抬升电压VDDH的抬升电压节点与提供系统地电压GND的系统地电压节点之间，其中第一开关模块1101接GND，第二开关模块1102接VDDH。第三开关模块1103和电容器1104串联在第一开关模块1101和第二开关模块1102之间的节点P1与提供系统电源电压VDD的系统电源电压节点处，其中第三开关模块1103接VDD。第一开关模块1101和第二开关模块1102之间的节点P1作为第一输出节点提供第一供电电压信号，第三开关模块1103与电容器1104之间的节点P2作为第二输出节点提供第二供电电压信号。如图11所示，P1与P1’之间存在寄生电感Lpar，P1’与系统地GND之间存在寄生电阻Rpar和寄生电容Cpar。在一些实施例中，第一供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器地电压信号GND_SENS，第二供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器电源电压信号VDD_SENS。

如图11所示，第一开关模块1101包括串联的第一晶体管1101-M1和第一电阻器1101-R1。第二开关模块1102包括串联的第二晶体管1102-M1和第二电阻器1102-R1。第三开关模块1103包括第三晶体管1103-M1。第一晶体管1101-M1连接VDDH和第一电阻器1101-R1，第二晶体管1102-M1连接GND和第二电阻器1102-R1。第三晶体管1103-M1和电容器1104串联在第一电阻器1101-R1和第二电阻器1102-R1之间的节点P1与VDD之间。第一电阻器1101-R1和第二电阻器1102-R1之间的节点P1作为第一输出节点提供传感器地电压信号GND_SENS，第三晶体管1103-M1与电容器1104之间的节点P2作为第二输出节点提供传感器电源电压信号VDD_SENS。在图11所示的示例中，第一晶体管1101为N型晶体管，第二晶体管1102和第三晶体管1103-M1为P型晶体管。然而本领域技术人员应清楚，本公开的实施例并不局限于此，晶体管的类型可以根据需要任意选择。第一电阻器1101-R1和第二电阻器1102-R1的电阻值可以根据需要来选择，以便减小甚至消除跳变过程中产生的毛刺噪声，例如可以在50Ω至1000Ω的范围内。

图12示出了图11的供电信号产生电路1100的控制信号和输出电压信号的时序图，其中clk1表示第一晶体管1101的控制信号，clk2表示第二晶体管1102的控制信号，clk1n表示第三晶体管1103-M1的控制信号，t0是控制信号的死区时间，典型值在1～5ns；GND_SENS表示节点P1处提供的传感器地电压信号，VDD_SENS表示在第二输出端P2提供的传感器电源电压信号，GND_SENS_EXT表示P1’处的电压信号。从图12可以看出，clk1与clk1n互为反相，这可以通过反相器来实现，例如，如图11所示在第三晶体管1103-M1的栅极上设置反相器。另外，clk2也可以是经由反相器到达第二晶体管1102的栅极的控制信号，如图11所示。

如图12所示，在第一阶段，第一晶体管1101-M1和第三晶体管1103-M1导通，第二晶体管1102-M1关断，当进入第二阶段时，第一晶体管1101-M1和第三晶体管1103-M1关断，第二晶体管1102-M1导通，产生从P1向P1’流动的电流，由于第二电阻器1102-R1的存在，减小了流经Lpar对Cpar的充电电流，从而减小了P1’处的噪声电压，进而导致P2处的噪声电压减小，所以抑制了VDD_SENS的上升沿处的上冲噪声。反之，当从第二阶段进入第一阶段时，产生从P1’向P1的电流，由于第一电阻器1101-R1的存在，减小了流经Lpar对Cpar的放电电流，从而减小了P1’处的噪声电压，进而导致P2处的噪声电压减小，所以抑制了VDD_SENS的下降沿处的下冲噪声。

可以看出，第一电阻器1101-R1和第二电阻器1102-R1的存在有效地抑制了VDD_SENS跳变处的噪声，进而可以减少甚至避免由于VDD_SENS的跳变处噪声所引起的跨电源域信号传输错误。需要指出的是，虽然图12中为了说明降噪效果而将供电信号的波形图示为完全无噪声的形式，然而在实际应用中，有少量噪声存在也是可能的。

图13示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置1300的结构图。

如图13所示，供电信号产生装置1300包括第一开关模块1301、第二开关模块1302、第三开关模块1303和电容器1304。第一开关模块1301和第二开关模块1302串联在提供抬升电压VDDH的抬升电压节点与提供系统地电压GND的系统地电压节点之间，其中第一开关模块1301接GND，第二开关模块1302接VDDH。第三开关模块1303和电容器1304串联在第一开关模块1301和第二开关模块1302之间的节点与提供系统电源电压VDD的系统电源电压节点处，其中第三开关模块1303接VDD。第一开关模块1301和第二开关模块1302之间的节点P1作为第一输出节点提供第一供电电压信号，第三开关模块1303与电容器1304之间的节点P2作为第二输出节点提供第二供电电压信号。如图13所示，P1与P1’之间存在寄生电感Lpar，P1’与系统地GND之间存在寄生电阻Rpar和寄生电容Cpar。在一些实施例中，第一供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器地电压信号GND_SENS，第二供电电压信号可以是要提供给指纹传感器模块的传感器电源电压信号VDD_SENS。

如图13所示，第一开关模块1301包括并联在VDDH与P1之间的两个晶体管1301-1和1301-2，第二开关模块1302包括并联在P1与GND之间的两个开关晶体管1302-1和1302-2，第三开关模块1303包括一个开关晶体管1303-1。在图12所示的实施例中，晶体管1301-1和1301-2为N型晶体管，晶体管1302-1和1302-2以及晶体管1203-1为P型晶体管，然而本领域技术人员应清楚，本公开的实施例不限于此，晶体管的类型可以根据需要任意选择。在一些实施例中，晶体管1301-1和1302-1的导通电阻可以设置成远大于晶体管1301-2和1302-2的导通电阻，例如晶体管1301-1和1302-1的导通电阻可以在100Ω至1000Ω的范围内，晶体管1301-2和1302-2的导通电阻可以设置成在1Ω至2Ω的范围内。虽然本实施例中第一开关模块1301和第二开关模块1302各自包括两个晶体管，然而本公开的实施例不限于此，每个开关模块中包括的晶体管的数目可以是根据需要而任意设置。

图14示出了图13的供电信号产生电路1300的控制信号和输出电压信号的时序图，其中clk1_1表示晶体管1301-1的控制信号，clk1_2表示晶体管1301-2的控制信号，clk2_1表示晶体管1302-1的控制信号，clk2_2表示晶体管1302-2的控制信号，clk1n表示晶体管1303-1的控制信号，t0是控制信号的死区时间，典型值在1～5ns；GND_SENS表示节点P1处提供的传感器地电压信号，VDD_SENS表示在第二输出端P2提供的传感器电源电压信号，GND_SENS_EXT表示P1’处的电压信号。从图14可以看出，clk1_1与clk1n互为反相，这可以通过反相器来实现，例如，如图14所示在晶体管1303-1的栅极上设置反相器。另外，clk2_1和clk2_2也可以是分别经由反相器到达晶体管1302-1和1302-2的栅极的控制信号，如图13所示。

如图14所示，在第一阶段，先将导通电阻较大的晶体管1301-1导通，并在延迟时间t3之后将导通电阻较小的晶体管1301-2导通，在导通晶体管1301-1的同时，将晶体管1303-1导通，并将晶体管1302-1和1302-2关断(例如，同时关断，如图14所示，但不局限于此)，如以上描述的，t0为死区时间；在第二阶段，将晶体管1301-1和1301-2关断(例如，同时关断，如图14所示，但不局限于此)，将晶体管1303-1关断，将导通电阻较大的晶体管1302-1导通，并在延迟时间t4之后将导通电阻较小的晶体管1302-2导通。延迟时间t3和t4可以根据需要来设置，二者可以相同也可以不同。从图14可以看出，通过晶体管的逐个导通，可以减缓供电电压信号的波形变化，从而起到降低供电电压信号中的噪声的作用。下面将参考图15来进一步说明。需要指出的是，虽然图14中为了说明降噪效果而将供电信号的波形图示为完全无噪声的形式，然而在实际应用中，有少量噪声存在也是可能的。

图15是图14的VDD_SENS的局部放大图。

从图15可以看出，当进入第一阶段时，通过先将导通电阻较大的晶体管1301-1导通，并在延迟时间t3之后将导通电阻较小的晶体管1301-2导通，可以使VDD_SENS先有较大幅度的下降，再有较小幅度的下降，从而使下冲噪声分两级产生，进而起到降低噪声的作用。同样，当进入第二阶段时，通过先将导通电阻较大的晶体管1302-1导通，并在延迟时间t4之后将导通电阻较小的晶体管1302-2导通，可以使VDD_SENS先有较大幅度的上升，再有较小幅度的上升，从而使上冲噪声分两级产生，进而起到降低甚至消除噪声的作用。虽然图15中为了便于描述将上冲和下冲噪声示为毛刺形式，实际情况中上冲和下冲噪声占据一定的时域宽度。

图16示出了根据本公开的实施例的被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置1600的结构图。图16的供电信号产生装置1600与图13的供电信号产生装置1300类似，区别在于晶体管1301-1和晶体管1302-1上分别串联了电阻器1601和1602。晶体管1301-1、1301-2、1302-1和1302-2可以具有相同的设计规格，例如具有相同的导通电阻，当然也可以具有不同的设计规格。通过在晶体管上串联电阻器并且相应地设计晶体管的规格，使不同开关单元具有不同的导通电阻。在本实施例中，晶体管1301-1、1301-2、1302-1和1302-2具有相同的设计规格，电阻器1601和1602的电阻值可以根据需要来选择，例如可以在50Ω至1000Ω的范围内，这样包括晶体管1301-1和电阻器1601的第一开关单元和包括晶体管1302-1和电阻器1602的第二开关单元具有较大导通电阻，而包括晶体管1301-2的第一开关单元和包括晶体管1302-2的第二开关单元具有较小的导通电阻。

供电信号产生电路1600的控制信号和输出电压信号的时序也可以如图14所示。参考图14，在第一阶段，将第一开关单元按照各自导通电阻从大到小的顺序导通(例如先导通串联有电阻器1601的晶体管1301-1，再导通晶体管1301-2)，将晶体管1303-1导通，并将晶体管1302-1和1302-2关断(例如，同时关断，如图14所示，但不局限于此)；在第二阶段，将晶体管1301-1和1301-2关断(例如，同时关断，如图14所示，但不局限于此)，将晶体管1303-1关断，将第二开关单元按照各自导通电阻从大到小的顺序导通(例如，先导通串联有电阻器1602的晶体管1302-1，再导通晶体管1302-2)。

通过使开关单元按照导通电阻从大到小的顺序来导通，可以使节点P1’处的电压信号分级跳变，进而使P2处的电压信号分级跳变，跳变幅度依次从大到小，这样减小了VDD_SENS的波形变化率，从而起到降低噪声的作用。通过在相同规格的晶体管上串联不同规格的电阻器，使不同开关单元具有不同的导通电阻，在降噪的同时还对与之串联的晶体管起到了静电放电(Electronic Static Discharge，ESD)保护作用。

图17示出了根据本公开实施例的供电信号产生装置的控制方法1700。供电信号产生装置可以是以上参考图10至图16描述的任何一个供电信号产生装置。

在步骤S1701，在第一阶段，使第一开关模块和第三开关模块导通而第二开关模块关断，进行到步骤S1702。第一阶段也可以称作低电平产生阶段，在该阶段产生供电电压信号的低电平部分。

在步骤S1702，在第二阶段，使第一开关模块和第三开关模块关断而第二开关模块导通，返回步骤S1701。第二阶段也可以称作高电平产生阶段，在该阶段产生供电电压信号的高电平部分。

在步骤S1703，重复第一阶段和第二阶段。通过交替执行低电平产生阶段和高电平产生阶段，使供电信号产生装置产生了一对同步时变的供电电压信号，以用于给指纹传感器模块供电。

作为示例，当第一开关模块和第二开关模块各自包括的开关单元的数目N＝1时(参考图10、11和12描述的实施例)，可以在第一阶段将第一开关模块中的单个第一开关单元和第三开关模块中的单个晶体管导通，并将第二开关模块中的单个第二开关单元关断；在第二阶段将第一开关模块中的单个第一开关单元和第三开关模块中的单个晶体管关断，并将第二开关模块中的单个第二开关单元导通。

作为另一示例，当N大于1时(参考图10以及图13至图15描述的实施例)，可以如下控制各个开关模块：在第一阶段，将第三开关模块中的单个晶体管导通，将第一开关模块中的N个第一开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通，并将第二开关模块中的N个第二开关单元关断(例如如图14所示的同时关断，当然也可以非同时关断)；在第二阶段，将第三开关模块中的单个晶体管和第一开关模块中的N个第一开关单元关断(例如，如图14所示的同时关断，当然也可以非同时关断)，并将第二开关模块中的N个第二开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通。这里，每个开关单元的导通电阻为每个开关单元中的晶体管和电阻器的电阻和。当开关单元仅包括晶体管时，开关单元的导通电阻即为晶体管的导通电阻。

本公开的实施例通过设置至少一个包括晶体管和电阻器的开关单元，可以通过电阻分压和/或开关逐级控制来减小供电信号产生装置所提供的供电电压信号的波形变化率，从而减小供电电压信号中的噪声。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域技术人员而言，本公开可以有各种改动和变化。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置，包括：

串联在抬升电压节点与系统地电压节点之间的第一开关模块和第二开关模块，其中所述第一开关模块连接系统地电压节点，用于在第一阶段导通，在第二阶段关断，所述第二开关模块连接抬升电压节点，用于在第一阶段关断，在第二阶段导通；

串联在第一开关模块和第二开关模块之间的节点与系统电源电压节点之间的第三开关模块和电容器，其中所述第三开关模块连接系统电源电压节点，用于在第一阶段导通，在第二阶段关断；

其中，

第一开关模块包括并联的N个第一开关单元，N为大于等于1的整数，每个第一开关单元包括串联的第一晶体管和第一电阻器，所述第一晶体管连接到所述系统地电压节点，所述第一电阻器连接到第二开关模块；

第二开关模块包括分别对应于N个第一开关单元的并联的N个第二开关单元，每个第二开关单元包括串联的第二晶体管和第二电阻器，所述第二晶体管连接到所述抬升电压节点，所述第二电阻器连接到第一开关模块；并且

第三开关模块包括第三晶体管。

2.根据权利要求1所述的供电信号产生装置，其中，N等于1，所述第一电阻器和第二电阻器具有非零电阻值。

3.根据权利要求1所述的供电信号产生装置，其中，N大于1，至少一个第一开关单元的第一电阻器和对应的第二开关单元的第二电阻器具有非零电阻值。

4.根据权利要求2或3所述的供电信号产生装置，其中，所述第一电阻器和第二电阻器的电阻值在50Ω至1000Ω的范围内。

5.根据权利要求1所述的供电信号产生装置，其中，N大于1，所有第一电阻器和第二电阻器的电阻值均为零。

6.根据权利要求5所述的供电信号产生装置，其中，N＝2，一个第一晶体管和一个第二晶体管的导通电阻在100Ω至1000Ω的范围内，另一个第一晶体管和另一个第二晶体管的导通电阻在1Ω至2Ω的范围内。

7.根据权利要求3或5所述的供电信号产生装置，其中，

每个第一开关单元用于在第一阶段按照各自导通电阻从大到小的顺序导通，并在第二阶段关断；并且

每个第二开关单元用于在第一阶段关断，并在第二阶段按照各自导通电阻从大到小的顺序导通。

8.根据权利要求1所述的供电信号产生装置，其中，第一晶体管为N型晶体管，第二晶体管和第三晶体管为P型晶体管。

9.根据权利要求1所述的供电信号产生装置的控制方法，包括：

在第一阶段，将第一开关模块和第三开关模块导通，并将第二开关模块关断；

在第二阶段，将第一开关模块和第三开关模块关断，并将第二开关模块导通；

重复以上第一阶段和第二阶段。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，

N大于1；

所述将第一开关模块导通包括：将第一开关模块中的N个第一开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通；

所述将第二开关模块导通包括：将第二开关模块中的N个第二开关单元按照导通电阻从大到小的顺序导通。

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