CN109460726B - 一种电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法，通过采集片上的直流和交流分量，在二次放大之前可以方便地实现将共模量从最终信号中减去，有效地滤除了原始信号中的共模直流分量和交流分量，可以获得一个非常高的灵敏度和动态范围，并在随后对上述差模信号进行Cs/Ci倍放大；同时在二次放大阶段，通过在布图上对放大电容Cs和第二积分电容Ci2做匹配处理，可以最大程度地减小信号在二次放大过程中的失真。

Description

一种电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计及指纹检测技术领域，尤其涉及一种指纹小信号的共模补偿及信号放大电路。
背景技术
指纹认证由于其具有很高的可靠性和性价比，已经成为了当前生物认证的主流；而电容式指纹传感器由于其体积小、速度快、低功耗、高探测度和极具易用性的特点，又成为指纹认证中的主流方式，成为当前研究的重点。
在电容式指纹传感器的设计中，出于ESD和物理保护的考虑，指纹传感器上绝缘介质的厚度通常都会大于50μm。绝缘介质厚度的增加，使得能够采集到的有效指纹信号变得非常小，一方面容易被片上的各种直流信号如静态漏流、寄生等淹没；另一方面也很容易被片上的各种噪声所破坏，这成为当前电容式指纹传感器设计中的一个大的难点，不能有效地解决此问题，便不能够获得将产品推向稳定量产所要求的信号灵敏度和动态范围。采集到有效的指纹信号之后，把该信号进行有效地放大，并最大程度地抑制放大过程中的信号失真，也是一个很重要的议题。
发明内容
本发明提出的一种电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法的目的在于：1、通过差分相减的方法，可以从原始采集到的信号中有效地去除各种直流和交流分量，提高信号链路的灵敏度和动态范围；2、经过共模分量减除和二次放大等操作，得到最终的指纹模拟信号，并送到后续的模数转换电路进行处理。
为了实现上述目的，本发明提出了一种电容式指纹信号的差分采集放大电路，包括：
至少一个差分采样通道和多个普通采样通道构成的采样阵列；
其中，所述差分采样通道包括一差分采样积分器和第一开关SW1，所述普通采样通道包括一普通采样积分器、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4和放大电容Cs；
所述差分采样通道的第一开关SW1连接所述差分采样积分器的输出端和所有普通采样通道中的放大电容Cs的第二端；
所述普通采样通道的第二开关SW2连接所述普通采样积分器的负输入端和所述放大电容Cs的第一端；所述第三开关SW3连接所述普通采样积分器的输出端和放大电容Cs的第一端，所述第四开关SW4连接所述普通采样积分器的输出端和放大电容Cs的第二端。
进一步的，在所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路中，所述差分采样积分器和普通采样积分器均包括一运算放大器、复位开关和积分电容，其中所述复位开关和积分电容均跨接在所述运算放大器的输出端和负输入端，所述运算放大器的正输入端接基准电压REF_IN。
此外，在本发明的另一方面还提出了一种电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法，采用如上文所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路，所述工作方法包括步骤：
对所述电容式指纹信号的差分采集放大电路进行复位操作，将信号链路上的所有节点复位至基准电压；
进入积分阶段，对来自信号链路上的信号进行积分；
进入共模分量减去阶段，去除共模分量；
进入二次放大阶段，进行信号放大。
进一步的，在所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法中，所述复位操作包括：
将差分采样积分器和普通采样积分器的复位开关、第三开关SW3和第四开关SW4闭合，将第一开关SW1和第二开关SW2断开，使信号链路上的所有节点均被复位到基准电压REF_IN。
进一步的，在所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法中，所述积分阶段包括：
将差分采样积分器和普通采样积分器的复位开关断开，对信号链路上的信号进行积分，在普通采样通道输出端相对于基准电压REF_IN产生一ΔVi的信号输出，在差分采样通道的输出端产生一ΔVn的共模输出。
进一步的，在所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法中，所述共模分量减去阶段包括：
首先将第三开关SW3和第四开关SW4断开，使放大电容Cs的两端悬空，再将普通采样积分器的复位开关闭合；然后将差分采样通道的第一开关SW1和复位开关闭合，使差分采样通道置于复位模式，差分采样通道的输出端从ΔVn被复位至基准电压REF_IN，放大电容Cs的第二端电压从ΔVi变化到ΔVi-ΔVn。
进一步的，在所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法中，所述二次放大阶段包括：
首先将普通采样积分器的复位开关断开，使普通采样通道离开复位阶段，之后将第二开关SW2闭合，使放大电容上Cs上存储的电荷全部转移到第二积分电容Ci2上，并在普通采样通道的输出端产生一大小等于(ΔVi-ΔVn)*Cs/Ci的输出，其中Ci为积分电容的容值，Cs为放大电容的容值。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过采集片上的直流和交流分量，在二次放大之前可以方便地实现将共模量从最终信号中减去，有效地滤除了原始信号中的直流分量和交流分量，可以获得一个非常高的灵敏度和动态范围，并在随后对上述差模信号进行Cs/Ci倍放大；同时在二次放大阶段，通过在布图上对放大电容Cs和第二积分电容Ci2做匹配处理，可以最大程度地减小信号二次放大过程中的失真。
附图说明
图1为本发明实施例中的电路原理示意图；
图2为本发明实施例中实现电路处于复位阶段的电路示意图；
图3为本发明实施例中实现电路处于信号采样、积分阶段的电路示意图；
图4为本发明实施例中实现电路处于共模量减去阶段的电路示意图；
图5为本发明实施例中实现电路处于二次放大阶段的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
请参考图1，在本实施例中，提出了一种电容式指纹信号的差分采集放大电路，至少一个差分采样通道1和多个普通采样通道2构成的采样阵列。
其中，所述差分采样通道1包括一差分采样积分器3和第一开关SW1，所述普通采样通道2包括一普通采样积分器4、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4和放大电容Cs。
所述差分采样通道1的第一开关SW1连接所述差分采样积分器3的输出端至所有普通采样通道2中的放大电容Cs的第二端。
所述普通采样通道2的第二开关SW2连接所述普通采样积分器4的负输入端和所述放大电容Cs的第一端；所述第三开关SW3连接所述普通采样积分器4的输出端和放大电容Cs的第一端，所述第四开关SW4连接所述普通采样积分器4的输出端和放大电容Cs的第二端。
所述差分采样积分器3和普通采样积分器4均包括一运算放大器5、复位开关和积分电容，其中所述复位开关和积分电容均跨接在所述运算放大器的输出端和负输入端，所述运算放大器的正输入端接基准电压REF_IN。在本实施例中，所述差分采样积分器3中的复位开关为第一复位开关SW_Res1，积分电容为第一积分电容Ci1；所述普通采样积分器4中的复位开关为第二复位开关SW_Res2，积分电容为第二积分电容Ci2；其中第一积分电容Ci1和第二积分电容Ci2可以一致，例如容值记为Ci。
在本实施例中，还提出了一种电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法，采用如上文所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路，所述工作方法包括步骤：
对所述电容式指纹信号的差分采集放大电路进行复位操作，将信号链路上的所有节点复位至基准电压；
进入积分阶段，对来自信号链路上的信号进行积分；
进入共模分量减去阶段，去除共模分量；
进入二次放大阶段，进行信号放大。
具体的，请参考图2，所述复位操作包括：将第一复位开关SW_Res1和第二复位开关SW_Res2、第三开关SW3和第四开关SW4闭合，将第一开关SW1和第二开关SW2断开，使信号链路上的所有节点均被复位到基准电压REF_IN。在复位阶段结束后，进入积分阶段。
请参考图3，所述积分阶段包括：将差第一复位开关SW_Res1和第二复位开关SW_Res2断开，开始对来自信号链路上的信号进行积分，在普通采样通道2输出端相对于基准电压REF_IN产生一ΔVi的信号输出，在差分采样通道1的输出端产生一ΔVn的共模输出。在信号积分阶段完成后，进入共模分量减去阶段。
请参考图4，所述共模分量减去阶段包括：首先将第三开关SW3和第四开关SW4断开，放大电容Cs到普通采样通道2的连接被断开，使放大电容Cs的两端悬空(电压值均为ΔVi)，再将第二复位开关SW_Res2闭合；然后将第一开关SW1和第一复位开关SW_Res1闭合，使差分采样通道1置于复位模式，相应的差分采样通道1的输出端(连接到放大电容Cs的第二端)从ΔVn被复位至基准电压REF_IN，放大电容Cs的第二端电压从ΔVi变化到ΔVi-ΔVn。模分量减去完成后，进入到二次放大阶段。
请参考图5，所述二次放大阶段包括：首先将第二复位开关SW_Res2断开，使普通采样通道2离开复位阶段，之后将第二开关SW2闭合，使放大电容上Cs上存储的电荷全部转移到第二积分电容Ci2上，并在普通采样通道1的输出端产生一大小等于(ΔVi-ΔVn)*Cs/Ci(Cs为放大电容的容值)的输出，信号的二次放大阶段完成。
根据上述描述可知，在此实施例中，可以方便地实现对共模信号ΔVn的减去，得到一个滤除了当前噪声和直流量的干净信号，并在随后实现了对上述信号的Cs/Ci倍数的放大。在集成电路制造中，由于电容的匹配性十分容易控制，因而在二次放大过程中的信号失真可以得到有效的控制。
综上，在本实施例提出的电容式指纹信号的差分采集放大电路及其工作方法中，通过采集片上的直流和交流分量，在二次放大之前可以方便地实现将共模量从最终信号中减去，有效地滤除了原始信号中的直流分量和交流分量，可以获得一个非常高的灵敏度和动态范围，并在随后对上述差模信号进行Cs/Ci倍放大；同时在二次放大阶段，通过在布图上对放大电容Cs和第二积分电容Ci2做匹配处理，可以最大程度地减小信号二次放大过程中的失真。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电容式指纹信号的差分采集放大电路，其特征在于，包括：
至少一个差分采样通道和多个普通采样通道构成的采样阵列；
其中，所述差分采样通道包括一差分采样积分器和第一开关SW1，所述普通采样通道包括一普通采样积分器、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4和放大电容Cs；
所述差分采样通道的第一开关SW1连接所述差分采样积分器的输出端和所有普通采样通道中的放大电容Cs的第二端；
所述普通采样通道的第二开关SW2连接所述普通采样积分器的负输入端和所述放大电容Cs的第一端；所述第三开关SW3连接所述普通采样积分器的输出端和放大电容Cs的第一端，所述第四开关SW4连接所述普通采样积分器的输出端和放大电容Cs的第二端；
所述差分采样积分器和普通采样积分器均包括一运算放大器、复位开关和积分电容，其中所述复位开关和积分电容均跨接在所述运算放大器的输出端和负输入端，所述运算放大器的正输入端接基准电压REF_IN；
所述电容式指纹信号的差分采集放大电路能够进行复位操作，将信号链路上的所有节点复位至基准电压；能够对来自信号链路上的信号进行积分；能够进入共模分量减去阶段，去除共模分量；以及能够进入二次放大阶段，进行信号放大。
2.一种电容式指纹信号的差分采集放大电路的工作方法，采用如权利要求1所述的电容式指纹信号的差分采集放大电路，其特征在于，所述工作方法包括步骤：
对所述电容式指纹信号的差分采集放大电路进行复位操作，将信号链路上的所有节点复位至基准电压；将差分采样积分器和普通采样积分器的复位开关、第三开关SW3和第四开关SW4闭合，将第一开关SW1和第二开关SW2断开，使信号链路上的所有节点均被复位到基准电压REF_IN；
进入积分阶段，对来自信号链路上的信号进行积分；将差分采样积分器和普通采样积分器的复位开关断开，对信号链路上的信号进行积分，在普通采样通道输出端相对于基准电压REF_IN产生一ΔVi的信号输出，在差分采样通道的输出端产生一ΔVn的共模输出；
进入共模分量减去阶段，去除共模分量；首先将第三开关SW3和第四开关SW4断开，再将普通采样积分器的复位开关闭合；然后将差分采样通道的第一开关SW1和复位开关闭合，使差分采样通道置于复位模式，差分采样通道的输出端从ΔVn被复位至基准电压REF_IN，放大电容Cs的第二端电压从ΔVi变化到ΔVi-ΔVn；
进入二次放大阶段，进行信号放大；首先将普通采样积分器的复位开关断开，使普通采样通道离开复位阶段，之后将第二开关SW2闭合，使放大电容上Cs上存储的电荷全部转移到第二积分电容Ci2上，并在普通采样通道的输出端产生一大小等于(ΔVi-ΔVn)*Cs/Ci的输出，其中Ci为积分电容的容值，Cs为放大电容的容值。
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