CN106599769A - 一种减base实现触控/指纹类ic高效识别的方法及实现电路 - Google Patents

Abstract

一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法及实现电路，涉及到触控或指纹类芯片技术领域，解决现有的指纹识别信号在量化过程中存在的技术不足，导致后期识别精确度差的技术问题，在电荷放大器与模数转换器之间通过采样电容Csample进行减BASE处理；当IC处于采集状态时，电荷放大器的待量化电平输出端经采样电容Csample接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2；当IC转换至非采集状态时，采样电容Csample由连接电荷放大器的待量化电平输出端切换至模数转换器输入端，同时，电容Csample由连接信号基量VBASE2切换至信号地。最大化的利用模数转换器ADC的有效量程，保证对指纹纹路的精确识别。

Description

一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法及实现电路

技术领域

本发明涉及到触控或指纹类芯片技术领域，具体涉及到触控或指纹类芯片采集信号的量化精度处理电路改进方面。

背景技术

本发明使用缩略语和关键术语定义：

CA:电荷放大器

ADC:模数转换器

BASE:信号基量

Finger Vally：手指谷

Finger Ridge 手指脊

CDS:相关双采样

参照图1中所示，目前常用的方案是在常用的触控或指纹类IC中，信号经过电荷放大器CA放大后送到模数转换器ADC进行量化，供数字模块进行处理。

其中电容CS为手指到指纹传感器极板之间的等效电容，对于手指来说，电容CS=Cridge或者Cvalley，Cridge=∆C+Cvalley，指纹感应电路需要将∆C尽可能的量化；CF为电路内部的反馈电容，VCM为电荷放大器CA输入的公共电平，VIN为系统端发送的方波信号，VOUT为待量化的电平。

在CA工作阶段，根据电荷守恒原理可以得到:

VOUT=VCM-VIN*CS/CF

对于手指中的谷来说：

VOUT(valley)=VCM-VIN*Cvalley/CF

对于手指中的脊来说：

VOUT(ridge)=VCM-VIN*Cridge/CF

=VCM-VIN*(∆C+Cvalley)/CF=VOUT(Valley)-VIN*∆C/CF

可以看到，对于后续模数转换器ADC来说，需要量化的最大电压如图2中所示：

其实系统需要量化的是∆V，但因为BASE的存在（此时BASE量为VOUT(vally)） ADC的最大量程VREF需要满足：

VREF>VOUT(ridge)

∆V的等效输出为：

Dout=256*∆V/VREF

为了能够对脊和谷能够尽量的分开，要求Dout越大越好，因此在∆V固定的情况下，需要尽量的降低VREF。

为了能够尽量的提高对∆V的量化精度，常用的方案主要采取了如参照图3中所的解决办法：

即在电荷放大器CA的输入端加入一个电容CB，以及一个信号基量，降低待量化的电平VOUT，根据电荷守恒可以得到：

VOUT=VCM-VIN*CS/CF-(V2-V1)*CB/CF

参照图4中所示，即等效为在最出版输出的基础上往下减了（V2-V1）*CB/CF，调整V2，V1以及电容CB能够满足

VOUT(Vally) ≈0

这样，模数转换器ADC需要量化的最大电压为：

VREF≈∆V

∆V的经过模数转换器ADC之后等效输出为：

Dout=256*∆V/VREF=256

指纹的脊和谷就得到最大化的区分。

上述改进方案，存在如下问题：

（1）正常的电容CA输出只能接近0，减BASE量就不干净，这样就存在一定的残留，浪费了ADC的量化空间。

（2）需要额外的电压信号以及精确的电容CB。

（3）在电容CB存在运放失调的情况下，减BASE的量变化较大，导致CA的输出有可能过小或者输出饱和，偏移过大，不利于后续ADC的量化。

以上描述是针对指纹的纹理进行了分析，事实上，在触控技术的方案中，不需要对手指脊和谷进行区分，只需要装置判断是否有电容触摸，即对手指容值的大小比较敏感，在这种情况下，手指脊和谷之间的差异基可以忽略。

VOUT=VCM-VIN*CS/CF

和指纹相比，待量化的电平VOUT值与手指电容CS、反馈电容CF相关，我们需要手指电容CS值越大越好，但是，不同人的手指电容CS存在较大的差异，有可能导致有手指触摸和无手指触摸之间的差异较小，差异值为：

∆V=VIN*CS/CF

但模数转换器ADC的最大量程VREF需要为：

VREF=VCM

等效输出为：

Dout=256*∆V/VCM

比较指纹和触摸的Dout，触摸判断和指纹判断的原理与方法一致，都需要尽量的降低参考电压。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于解决现有的指纹识别信号在量化过程中存在的技术不足，导致后期识别精确度差的技术问题，而提出一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法及实现电路。

为实现本发明的目的，采用的技术方案为：

一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于所述方法为：在用于对采集信号进行放大的电荷放大器与用于模数转换的模数转换器之间通过采样电容Csample进行减BASE处理；当IC处于采集状态时，断开模数转换器输入信号，电荷放大器的待量化电平输出端经采样电容Csample接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2，采样电容Csample开始充电；当IC转换至非采集状态时，采样电容Csample由连接电荷放大器的待量化电平输出端切换至模数转换器输入端，同时，电容Csample由连接信号基量VBASE2切换至信号地，采样电容Csample开始向电荷放大器放电。

所述的在采样电容Csample与电荷放大器的待量化电平输出端之间，以及采样电容Csample与信号基量VBASE2之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S1和开关电路S3；采样电容Csample与模数转换器之间，以及采样电容Csample与信号地之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S2和开关电路S4。

所述的开关电路S1和开关电路S3在IC处于采集状态时，接高电平导通，非采集状态接低电平截止；开关电路S2和开关电路S4在IC处于采集状态时，接低电平截止，非采集状态接高电平导通。

所述的电荷放大器接入的采集信号为指纹采集信号。

所述的电荷放大器接入的采集信号为触控采集信号。

实现所述减BASE实现触控/指纹类IC高效识别方法的电路，所述电路包括有用于对指纹采集信号进行放大的电荷放大器，电荷放大器的待量化电平输出端连接有用于模数转换的模数转换器；其特征在于：所述的电荷放大器与模数转换器之间设有减BASE处理电路；所述的减BASE处理电路包括有采样电容Csample、开关电路S1、开关电路S2、开关电路S3和开关电路S4；电荷放大器的待量化电平输出端经开关电路S1连接采样电容Csample的第一端，采样电容Csample的第二端经开关电路S3连接接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2；所述采样电容Csample的第一端还经开关电路S2连接模数转换器，采样电容Csample的第二端经开关电路S4接信号地；所述的开关电路S1和开关电路S3同步控制开或关，开关电路S2和开关电路S4同步控制开或关。

所述的减BASE处理电路集成在模数转换器内。

所述的减BASE处理电路集成在电荷放大器内。

所述的电荷放大器的输入端经电容CB接一组信号基量VBASE1。

本发明的益效果为：本发明通过在电荷放大器CA之后加入减BASE功能，能够最大化的利用模数转换器ADC的有效量程，保证对指纹纹路的精确识别。此方案能够适用所有的指纹信号处理电路，而且实现简单，能够完全复用旧的方案，同时与电路的其他元器件相关性少，方便控制。

附图说明

图1为现有常用指纹信号处理电路原理图；

图2为图1的工作原理示意图；

图3为现有改进方案的信号处理电路原理图；

图4为图3的工作原理示意图；

图5为本发明的指纹信号处理电路原理图；

图6为本发明的工作原理示意图；

图7为本发明工作时序图。

具体实施方式

以下合附图和本发明优选的具体实施例对本发明的作进一步地说明。

参照图5中所示，本发明减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的电路，包括有电荷放大器CA、模数转换器ADC及减BASE处理电路，所述的减BASE处理电路设于电荷放大器CA与模数转换器ADC之间。

电荷放大器CA用于对指纹采集信号或触控信号进行放大，电荷放大器CA输入端可以采用于现有常用方案，也即图1所示结构，也可以采用于现有改进方案，也即是图3所示结构；当本发明是在上述现有改进方案基础上进一步改进时，也即所述的电荷放大器CA的输入端经电容CB接一组信号基量VBASE1。

模数转换器ADC用于模数转换，与现有结构相同。

减BASE处理电路用于对输入模数转换器ADC的待量化电平减BASE处理，最大化的利用模数转换器ADC的有效量程，保证对指纹纹路的精确识别。此方案能够适用所有的指纹处理电路，同样也适用于触控信号处理电路，实现简单，能够完全复用旧的方案，同时与电路的其他元器件相关性少，方便控制。减BASE处理电路的具体结构包括有采样电容Csample、开关电路S1、开关电路S2、开关电路S3和开关电路S4；电荷放大器的待量化电平输出端经开关电路S1连接采样电容Csample的第一端，采样电容Csample的第二端经开关电路S3连接接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2；所述采样电容Csample的第一端还经开关电路S2连接模数转换器，采样电容Csample的第二端经开关电路S4接信号地或一个固定值的信号基量；所述的开关电路S1和开关电路S3同步控制开或关，开关电路S2和开关电路S4同步控制开或关；开关电路S1、开关电路S3与开关电路S2、开关电路S4状态相反。开关电路S1和开关电路S3在IC处于采集状态时，接高电平导通，非采集状态接低电平截止；开关电路S2和开关电路S4在IC处于采集状态时，接低电平截止，非采集状态接高电平导通。

在具体实施过程中，可以根据需要将减BASE处理电路集成在模数转换器内，或者将减BASE处理电路集成在电荷放大器内。

本发明一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，参照图5、图6及图7中所示，本发明方法是利用上述的减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的电路上实现，其方法是在用于对采集信号进行放大的电荷放大器与用于模数转换的模数转换器之间通过采样电容Csample进行减BASE处理；当IC处于采集状态时，断开模数转换器输入信号，电荷放大器的待量化电平输出端经采样电容Csample接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2，采样电容Csample开始充电；当IC转换至非采集状态时，采样电容Csample由连接电荷放大器的待量化电平输出端切换至模数转换器输入端，同时，电容Csample由连接信号基量VBASE2切换至信号地，采样电容Csample开始向电荷放大器放电。

所述的在采样电容Csample与电荷放大器的待量化电平输出端之间，以及采样电容Csample与信号基量VBASE2之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S1和开关电路S3；采样电容Csample与模数转换器之间，以及采样电容Csample与信号地之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S2和开关电路S4。

所述的开关电路S1和开关电路S3在IC处于采集状态时，接高电平导通，非采集状态接低电平截止；开关电路S2和开关电路S4在IC处于采集状态时，接低电平截止，非采集状态接高电平导通。

本发明的工作原理，结合图6和图7中所示，在采样阶段，开关电路S1和开关电路S3打开，电容CB2上的电压是：

V（CB2）=VOUT-VBASE；

采样结束后，开关电路S2和开关电路S4打开，电容CB2的下极板电压接地，送到模数转换器ADC的电压为：

VOUT’=VOUT-VBASE

VBASE的取值可以是任意值，当

VBASE=VOUT(vally)

即可完成减base功能，此时模数转换器ADC的量化范围为

VREF= ∆V。

如图7所示，在某些情况下，模数转换器ADC的量化范围为-VREF~VREF时，这时只需要提高减BASE量，如：

VBASE= VOUT(vally)+ ∆V/2

这样也能够满足经过减BASE后，模数转换器ADC的量程能够最大化的利用。

和现有的方案相比，减BASE功能放在了电荷放大器CA之后，而且VBASE值可以根据模数转换器ADC的需要进行任意配置，实现比较简单，可操作性强，不影响电路的其它功能。此功能可以单独实现，也可以和之前的主流的解决方案进行配合使用。

注：此种减BASE方案不局限于何种形式，如是否独立使用，是否放在CDS中，是否放在模数转换器ADC内部，或者放在其他任何电荷放大器CA之后的地方，是否采用单端或者双端输入，只要在采样过程中进行了类似的处理，均属于这种案例约束的范畴

以下结合具体实施例

取指纹工作装置的电压为3V，一般VCM=VDD/2=1.5，CA对手指的脊和谷的分辨电压分别为：VOUT(Vally)=1.3，VOUT(ridge)=1.4。

CA的输出进行减base实现过程如下：

（1）取VBASE=VOUT(Vally)=1.3

（2）打开S1，这样电容上存储的电压为：V=VOUT(ridge)-VBASE=0.1

（3）断开S1，打开S2，送到ADC进行量化的电压为0.1

（4）此时仅需要ADC的参考电压VREF>0.1，取VREF=0.15

（5）这样数字端对脊和谷量化的量为：256*0.1/0.15=170，对于算法的需求来说，已经足够对指纹进行分辨了。

Claims (9)

1.一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于所述方法为：在用于对采集信号进行放大的电荷放大器与用于模数转换的模数转换器之间通过采样电容Csample进行减BASE处理；当IC处于采集状态时，断开模数转换器输入信号，电荷放大器的待量化电平输出端经采样电容Csample接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2，采样电容Csample开始充电；当IC转换至非采集状态时，采样电容Csample由连接电荷放大器的待量化电平输出端切换至模数转换器输入端，同时，电容Csample由连接信号基量VBASE2切换至信号地，采样电容Csample开始向电荷放大器放电。

2.根据权利要求1所述的一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于：所述的在采样电容Csample与电荷放大器的待量化电平输出端之间，以及采样电容Csample与信号基量VBASE2之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S1和开关电路S3；采样电容Csample与模数转换器之间，以及采样电容Csample与信号地之间分别设有一个同步控制的开启或关闭的开关电路S2和开关电路S4。

3.根据权利要求2所述的一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于：所述的开关电路S1和开关电路S3在IC处于采集状态时，接高电平导通，非采集状态接低电平截止；开关电路S2和开关电路S4在IC处于采集状态时，接低电平截止，非采集状态接高电平导通。

4.根据权利要求1所述的一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于：所述的电荷放大器接入的采集信号为指纹采集信号。

5.根据权利要求1所述的一种减BASE实现触控/指纹类IC高效识别的方法，其特征在于：所述的电荷放大器接入的采集信号为触控采集信号。

6.实现权利要求1至5任一项所述方法的电路，所述电路包括有用于对采集信号进行放大的电荷放大器，电荷放大器的待量化电平输出端连接有用于模数转换的模数转换器；其特征在于：所述的电荷放大器与模数转换器之间设有减BASE处理电路；所述的减BASE处理电路包括有采样电容Csample、开关电路S1、开关电路S2、开关电路S3和开关电路S4；电荷放大器的待量化电平输出端经开关电路S1连接采样电容Csample的第一端，采样电容Csample的第二端经开关电路S3连接接一个预设值大于信号地电平的信号基量VBASE2；所述采样电容Csample的第一端还经开关电路S2连接模数转换器，采样电容Csample的第二端经开关电路S4接信号地；所述的开关电路S1和开关电路S3同步控制开或关，开关电路S2和开关电路S4同步控制开或关。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于：所述的减BASE处理电路集成在模数转换器内。

8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于：所述的减BASE处理电路集成在电荷放大器内。

9.根据权利要求6所述的指纹类IC减BASE功能的实现电路，其特征在于：所述的电荷放大器的输入端经电容CB接一组信号基量VBASE1。