CN111460882A - 电容式图像感测装置与电容式图像感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电容式图像感测装置与电容式图像感测方法。电容式图像感测装置包括传感器阵列、第一电荷放大器、第二电荷放大器、差动放大器以及第一开关电路。传感器阵列包括多个感测电极与一个第一参考感测电极。第一电荷放大器的输入端耦接至这些感测电极中的一个感测电极。差动放大器的第一输入端选择性耦接至第一电荷放大器的输出端。差动放大器的第二输入端耦接至第二电荷放大器的输出端。第一开关电路用以选择性地电性连接与断开第一参考感测电极与第二电荷放大器的输入端。

Description

电容式图像感测装置与电容式图像感测方法
技术领域
本发明涉及一种图像感测装置，且特别涉及一种电容式图像感测装置与电容式图像感测方法。
背景技术
在电容式图像感测装置(例如指纹感测装置)的技术领域常会采用模拟前端(Analog Front End，AFE)电路阵列来读取电容式图像传感器阵列的感测结果。电容式图像感测装置包括传感器阵列，该传感器阵列包括感测电极、读出电路(readout circuit)与模拟数字转换器(analog-to-digital converter)，感测电极承载手指电容的电荷，读出电路将电荷转换为感测信号，以及模拟数字转换器将感测信号转换为相对于指纹图像的数字信号。然而，一般的读出电路容易受到系统电压的噪声(又称power noise)的影响，导致抓取到不正确的感测信号。
发明内容
本发明提供一种电容式图像感测装置与电容式图像感测方法，通过对称式读出电路架构来消除电源噪声(power noise)的干扰。
本发明的实施例提供一种电容式图像感测装置，包括传感器阵列、第一电荷放大器、第二电荷放大器、差动放大器以及第一开关电路。传感器阵列包括多个感测电极与一个第一参考感测电极。第一电荷放大器的输入端耦接至这些感测电极中的一个感测电极。差动放大器具有第一输入端、第二输入端以及差动输出端对。差动放大器的第一输入端选择性耦接至第一电荷放大器的输出端。差动放大器的第二输入端耦接至第二电荷放大器的输出端。第一开关电路耦接在第一参考感测电极与第二电荷放大器的输入端之间。第一开关电路用以选择性地电性连接与断开第一参考感测电极与第二电荷放大器的输入端。
本发明的实施例提供一种电容式图像感测方法，用以藉由一传感器阵列感测一图像。传感器阵列包括多个感测电极与一个参考感测电极群。参考感测电极群位于传感器阵列的中心区域内。所述电容式图像感测方法包括：接收相对于第一行感测电极和第二行感测电极的多个感测信号，其中所述第一行感测电极和所述第二行感测电极是所述多个感测电极的部分并且位于与所述参考感测电极群相邻的位置；基于这些感测信号确定传感器阵列是否被重按压；响应于确定该传感器阵列被重按压，电性断开所述参考感测电极群中的第一数量的多个参考感测电极与相应的电荷放大器，并且电性并联连接所述参考感测电极群中的第二数量的多个参考感测电极；以及藉由使用从并联连接的这些参考感测电极接收的参考电压信号而产生图像。
基于上述，本发明诸实施例所述电容式图像感测装置与电容式图像感测方法使用电路架构相似的两个电荷放大器。第一电荷放大器用以接收对应于传感器阵列的一个感测电极的感测结果，并将感测信号提供给差动放大器的第一输入端。第二电荷放大器用以提供参考电压信号给差动放大器的第二输入端。通过对称式读出电路架构，所述电容式图像感测装置可以有效消除电源噪声的干扰。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是电容式图像感测装置的电路方块(circuit block)示意图。
图2是依照本发明的一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置的电路方块示意图。
图3是依照本发明的一实施例说明图2所示第一电荷放大器与第二电荷放大器的电路方块示意图。
图4是依照本发明的另一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置的电路方块示意图。
图5和图6是用来比较在不同实施例中的差动放大器的操作。
图7是依照本发明的另一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置的电路方块示意图。
图8是依照本发明的又一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置的电路方块示意图。
图9是依照本发明的又一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置的电路方块示意图。
图10是依照本发一实施例说明一种电容式图像感测方法的流程示意图。
具体实施方式
在本申请说明书全文(包括权利要求书)中所使用的“耦接(或连接)”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接(或连接)于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。
图1是电容式图像感测装置100的电路方块(circuit block)示意图。电容式图像感测装置100包括传感器阵列(sensor array)110与读出电路120。传感器阵列110包括多个感测电极。读出电路120包括分别对应于感测电极的多个电荷放大器(charge amplifier)121和一个单端转差动放大器(single-to-differential amplifier，以下称差动放大器)123。为了说明方便，在图1中仅绘示一个电荷放大器121。每一个感测电极各自电性耦接到一个对应的电荷放大器121的输入端。举例来说，图1所示感测电极111可以电性耦接到相应的电荷放大器121的输入端。在一些实施例中，读出电路120可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列110可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读出电路120与传感器阵列110可以被整合为同一个集成电路。
电荷放大器121包括运算放大器A1、反馈电容C2以及重置开关SW1。运算放大器A1具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器A1的反相输入端作为电荷放大器121的输入端。运算放大器A1的非反相输入端耦接至参考电压V1。运算放大器A1的输出端耦接至差动放大器123的第一输入端。反馈电容C2耦接在运算放大器A1的反相输入端与运算放大器A1的输出端之间。重置开关SW1耦接在运算放大器A1的反相输入端与运算放大器A1的输出端之间，用于使反馈电容C2放电。在电荷放大器121测量由感测电极111承载的电荷的期间，重置开关SW1断开(turn off)。
电荷放大器121被配置为接收输入电压信号Vin(接触了电容式图像感测装置100的手指上的信号)，并且放大输入电压信号Vin以产生输出电压信号Vout。当周期性驱动信号或恒定电压(constant voltage)通过诸如电容式图像感测装置100的金属环(边框)的导电元件耦合到手指时，可以产生输入电压信号Vin。输入电压信号Vin被视为，对应于感测电极111的感测结果，并且与手指和感测电极111之间形成的电容C1的电荷相关联。更准确地说，电容C1形成在指纹峰(或指纹谷)与感测电极111之间。输出电压信号Vout作为电荷放大器121输出的感测信号。电荷放大器121的放大比例由电容C1与反馈电容C2的电容值来决定，亦即所述输出电压信号Vout＝Vin*(C1/C2)。
差动放大器123的第一输入端经由多工电路(开关)124耦接至多个感测电极所对应的多个电荷放大器的输出端。举例来说，当多工电路124将电荷放大器121的输出端电性耦接至差动放大器123的第一输入端时，电荷放大器121可以将关于感测电极111的感测信号(输出电压信号Vout)经由多工电路124传送至差动放大器123的第一输入端。差动放大器123的第二输入端耦接到由参考电压产生器122产生的参考电压信号V2。差动放大器123可以将电荷放大器121所输出的感测信号(单端信号)转换为差模输出信号(differentialoutput signal)OUTdiff1，然后将此差模输出信号OUTdiff1提供给下一级电路。所述下一级电路可以是另一差动放大器或模拟数字转换器。
然而，任何非理想共模扰动都会造成单端电路(例如电荷放大器121)的输出的异常抖动。电荷放大器121与参考电压产生器122被提供系统电压AVDD，但二者具有不同的运作特性。电荷放大器121被被配置为接收输入电压信号Vin(其为来自感测电极的感测结果)，而参考电压产生器122则是被用来产生稳定的参考电压信号V2。一般而言，参考电压产生器122可以是单元增益缓冲器(unity gain buffer)。参考电压产生器122的电源拒斥比例(Power Supply rejection Ratio，PSRR)不同于电荷放大器121的电源拒斥比例。因此，差动放大器123的输入信号容易受系统电压AVDD中的噪声所干扰，进而导致差动放大器123的差模输出信号OUTdiff1也受系统电压AVDD的噪声所干扰。
请参照图1，系统电压AVDD可以供电给电荷放大器121、参考电压产生器122与其他元件。当系统电压AVDD发生负脉冲噪声时，参考电压产生器122的参考电压信号V2会出现负脉冲噪声，而电荷放大器121所输出的感测信号(即输出电压信号Vout)会出现正脉冲噪声。参考电压V2与感测信号二者之间的电压差(即，差动放大器123的差模输入信号)会被差动放大器123加以放大，如图1所示，从而由噪声引起的电压差也被放大。亦即，读出电路120很容易会将系统电压AVDD的噪声放大，致使差动放大器123所输出的差模输出信号OUTdiff1承载很大的噪声。
图2是依照本发明的一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置200的电路方块示意图。电容式图像感测装置200包括传感器阵列210与读出电路220。图2所示传感器阵列210可以参照图1所示传感器阵列110的相关说明来类推，故不再赘述。读出电路220包括多个第一电荷放大器221、一个第二电荷放大器222以及一个差动放大器223，这些第一电荷放大器221分别对应于传感器阵列210的感测电极。为了说明方便，图2中仅示出一个电荷放大器221。每个感测电极电各自电性耦接至一个对应的电荷放大器221的输入端。例如，图2中所示的感测电极211电性耦接至相应的电荷放大器221。在一些实施例中，读出电路220可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读出电路220与传感器阵列210可以被整合至同一个集成电路中。
尽管未在图2中示出，第一电荷放大器221可以包括运算放大器、反馈电容和重置开关，它们类似于图1的电荷放大器121。第一电荷放大器221被配置为接收输入电压信号，该输入电压信号是接触了电容式图像感测装置100的手指上的信号，并且第一电荷放大器221放大输入电压信号以产生输出电压信号。输入电压信号作为对应于感应电极211的感应结果，且有关于手指与感应电极211之间形成的电容的电荷。输出电压信号作为第一电荷放大器221输出的感应信号。差动放大器223具有第一输入端、第二输入端以及差动输出端对。在一些实施例中，读出电路220可以仅具有一个差动放大器223，并且来自多个第一电荷放大器221的感测信号经由多工电路(multiplex circuit，图2中未示出)被时分地输出到差动放大器223的第一输入端。例如，在某一段时间中，差动放大器223的第一输入端耦接至第一电荷放大器221的输出端，以接收感测信号221a。在另一些实施例中，读出电路220可以具有多个差动放大器223，每个差动放大器时分地接收从多个第一电荷放大器221的一部分所输出的感测信号。
差动放大器223的第二输入端耦接至第二电荷放大器222的输出端，以接收参考电压信号222a(例如电压信号)。差动放大器223可以将第一电荷放大器221所输出的感测信号221a转换为差模输出信号OUTdiff2，然后经由差动放大器223的差动输出端对将此差模输出信号OUTdiff2提供给下一级电路(未绘示，例如模拟数字转换器和/或是处理器)。图2所示差动放大器223可以参照图1所示差动放大器123的相关说明来类推，故不再赘述。
第一电荷放大器221与第二电荷放大器222的运作特性是相似的。举例来说，第二电荷放大器222的电源拒斥比例相近于第一电荷放大器221的电源拒斥比例。系统电压AVDD可以供电给第一电荷放大器221、第二电荷放大器222与其他元件。当在系统电压AVDD中发生负脉冲噪声时，在第一电荷放大器221所输出的感测信号221a中会出现正脉冲噪声，而在第二电荷放大器222所输出的参考电压信号222a中亦会出现正脉冲噪声。换句话说，在差动放大器223的两个输入信号中出现共模噪声。基于差动放大器223的差模特性，此共模噪声可相抵消，因此所述共模噪声并不会影响差动放大器223输出的差模输出信号OUTdiff2。因此，图2所示读出电路220可以有效地消除电源噪声的干扰。
图3是依照本发明的一实施例说明图2所示第一电荷放大器221与第二电荷放大器222的电路方块示意图。图3所示实施例的部分内容可以参照图2的相关说明来类推，故不再赘述。图3所示传感器阵列210包括多个感测电极(例如感测电极211)与一个参考感测电极群212。依照设计需求，参考感测电极群212位于传感器阵列210的中心区域(或是其他区域)内。参考感测电极群212的位置可以依照设计需求来决定。参考感测电极群212包括多个参考感测电极，例如图3所示参考感测电极RS1、参考感测电极RS2与参考感测电极RS3。在参考感测电极群212内的参考感测电极的数量可以视设计需求来决定。在一些实施例中，位于传感器阵列210内的这些参考感测电极可能被称为假感测电极(dummy sensing electrode)。须注意的是，在一些实施例中，参考感测电极的材质、布局结构均相同于感测电极(例如感测电极211)。
依照设计需求，传感器阵列210可以配置一个屏蔽(shielding)网格(未绘示)。屏蔽网格可以被设置在这些感测电极之间。依照设计需求，屏蔽网格可以接地或连接到其他电压电平。在传感器阵列中的屏蔽网格已为已知技术，故不在此赘述。在另一些实施例中，所述屏蔽网格可以依照设计需求而予以省略。
电容式图像感测装置200还包括第一开关电路225。在图3所示实施例中，第一开关电路225包括开关SW11。第一开关电路225的开关SW11的第一端耦接在参考感测电极RS1。基于设计要求，在其他实施例中，参考感测电极RS1可以设置在传感器阵列210的外部。第一开关电路225的开关SW11的第二端耦接在第二电荷放大器222的输入端。第一开关电路225的开关SW11可以选择性地电性连接与断开参考感测电极RS1与第二电荷放大器222的输入端。举例来说，在第一操作模式中，开关SW11将参考感测电极RS1电性连接至第二电荷放大器222的输入端；以及在第二操作模式中，开关SW11电性断开参考感测电极RS1与第二电荷放大器222的输入端。
在图3所示实施例中，第一电荷放大器221包括运算放大器A3、反馈电容C3以及重置开关SW3。运算放大器A3具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器A3的反相输入端耦接至传感器阵列210的感测电极211。运算放大器A3的非反相输入端耦接至参考电压信号VCOM。所述参考电压信号VCOM的电平可以依照设计需求来决定。运算放大器A3的输出端耦接至差动放大器223的第一输入端。反馈电容C3耦接在运算放大器A3的反相输入端与运算放大器A3的输出端之间。重置开关SW3耦接在运算放大器A3的反相输入端与运算放大器A3的输出端之间。图3所示第一电荷放大器221可以参照图1所示电荷放大器121的相关说明来类推，故不再赘述。
在图3所示实施例中，第二电荷放大器222包括运算放大器A4、反馈电容C4以及重置开关SW4。运算放大器A4具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器A4的反相输入端耦接至第一开关电路225的开关SW11的第二端。运算放大器A4的非反相输入端耦接至参考电压信号VCOM。运算放大器A4的输出端耦接至差动放大器223的第二输入端。反馈电容C4耦接在运算放大器A4的反相输入端与运算放大器A4的输出端之间。重置开关SW4耦接在运算放大器A4的反相输入端与运算放大器A4的输出端之间。
依照设计需求，读出电路220可以藉由时分复用机制，让同一个差动放大器223时分接收多个第一电荷放大器输出的感测信号。举例来说，可以在多个第一电荷放大器221的输出端与差动放大器223的第一输入端之间，设置时分控制的多工电路(开关)224。对于电路对称性，开关227可以设置在第二电荷放大器222的输出端和差分放大器223的第二输入端之间。读出电路220可以有一个或多个第二电荷放大器222，每一个第二电荷放大器222可各自供应参考电压信号给相对应的一个差动放大器。请注意，对于第二电荷放大器222的数量及读出电路220中的差动放大器223与第二电荷放大器222的对应关系，本发明实施例未有限制。
举例来说，差动放大器223的第一输入端经由多工电路(开关)224而选择性地耦接至多个感测电极所对应的多个第一电荷放大器的输出端的其中一个。当多工电路224将第一电荷放大器221的输出端电性耦接至差动放大器223的第一输入端时，第一电荷放大器221可以将关于感测电极211的感测信号经由多工电路224传送至差动放大器223的第一输入端。
在相对于感测电极211的重置期间，多工电路224使第一电荷放大器221的输出端不连接差动放大器223的第一输入端，而且重置开关SW3为导通(turn on)，因此反馈电容C3与反馈电容C4的电荷可以被重置。在相对于感测电极211的重置期间(相对于另一个感测电极的感测期间)，第二电荷放大器222的重置开关SW4可以关闭(turn off)，并且开关227可以导通。在相对于感测电极211的感测期间，多工电路224使第一电荷放大器221的输出端电性连接至差动放大器223的第一输入端，而且重置开关SW3为截止(turn off)，因此第一电荷放大器221形成单增益放大器(unit-gain buffer)，使得第一电荷放大器221可以接收感测电极211的感测结果，以及输出感测信号221a给差动放大器223的第一输入端。在相对于感测电极211的感测期间，重置开关SW4为截止并且开关227为导通，因此第二电荷放大器222可以提供参考电压信号222a给差动放大器223的第二输入端，致使差动放大器223可以将第一电荷放大器221所输出的感测信号221a转换为差模输出信号OUTdiff2，然后经由差动放大器223的差动输出端对将此差模输出信号OUTdiff2提供给下一级电路(未绘示)。
在图3所示实施例中，用以提供参考电压信号的第二电荷放大器222的电路结构相似(或相同)于用以接收来自感测电极感测结果的第一电荷放大器221的电路架构并产生输出到差分放大器223的感测信号。因此，第二电荷放大器222的电源拒斥比例相似(或相同)于第一电荷放大器221的电源拒斥比例。参照图3，系统电压AVDD可以供电给第一电荷放大器221、第二电荷放大器222与其他元件。当在系统电压AVDD中发生负脉冲噪声时，在第二电荷放大器222所提供的参考电压信号222a中会出现正脉冲噪声，而在第一电荷放大器221所输出的感测信号221a中亦会出现正脉冲噪声。换句话说，在差动放大器223的两个输入信号中出现共模噪声。差动放大器223的差模特性可抵消此共模噪声。因此，所述共模噪声并不会影响差动放大器223输出的差模输出信号OUTdiff2。因此，图3所示读出电路架构可以有效地消除电源噪声的干扰。
图4是依照本发明的另一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置400的电路方块示意图。电容式图像感测装置400包括传感器阵列210与读出电路420。图4所示传感器阵列210可以参照图3所示传感器阵列210的相关说明来类推，故不再赘述。在图4所示的实施例中，传感器阵列210的参考感测电极组包括参考感测电极RS1、参考感测电极RS2、参考感测电极RS3和参考感测电极RS4。
读出电路420可以接收对应于传感器阵列210的感测结果。依照设计需求，在一些实施例中，读出电路420可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读出电路420与传感器阵列210可以被整合为同一个集成电路。
电容式图像感测装置400的读出电路420包括第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、差动放大器223、多工电路224、开关227、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422与第五电荷放大器423。图4所示第一电荷放大器221可以参照图3所示第一电荷放大器221的相关说明，图4所示第二电荷放大器222、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422与第五电荷放大器423可以参照图3所示第二电荷放大器222的相关说明来类推，图4所示差动放大器223、多工电路224以及开关227可以参照图3所示差动放大器223、多工电路224以及开关227的相关说明，故不再赘述。
请参照图4，第二电荷放大器222的输出端、第三电荷放大器421的输出端、第四电荷放大器422的输出端与第五电荷放大器423的输出端共同耦接至差动放大器223的第二输入端。第二电荷放大器222的输入端耦接至参考感测电极RS1。第三电荷放大器421的输入端耦接至参考感测电极RS2。第四电荷放大器422的输入端耦接至参考感测电极RS3。第五电荷放大器423的输入端耦接至参考感测电极RS4。
在此假设传感器阵列210用来感测指纹图像。当手指接近传感器阵列210时，传感器阵列210的一些感测电极感测到手指的纹峰，而传感器阵列210的另一些感测电极感测到手指的纹谷。因此，读出电路220可以藉由多个第一电荷放大器(例如第一电荷放大器221)获得相对于纹峰位置的感应电容值(以下称纹峰电容值)和相对于纹谷位置的感应电容值(以下称纹谷电容值)。
当手指接近传感器阵列210时，此手指亦接近传感器阵列210的参考感测电极群的参考感测电极RS1、参考感测电极RS2、参考感测电极RS3和/或参考感测电极RS4。第二电荷放大器222可以读取/放大参考感测电极RS1的感测结果，第三电荷放大器421可以读取/放大参考感测电极RS2的感测结果，第四电荷放大器422可以读取/放大参考感测电极RS3的感测结果，且第五电荷放大器423可以读取/放大参考感测电极RS4的感测结果。因此，第二电荷放大器222可以输出与参考感测电极RS1相关的参考电压信号给差动放大器223的第二输入端，第三电荷放大器421可以输出与参考感测电极RS2相关的参考电压信号给差动放大器223的第二输入端，第四电荷放大器422可以输出与参考感测电极RS3相关的参考电压信号给差动放大器223的第二输入端，并且第五电荷放大器423可以输出与参考感测电极RS4相关的参考电压信号给差动放大器223的第二输入端。位于差动放大器223的第二输入端的参考电压信号形同多个纹峰电容值和多个纹谷电容值的平均值。此平均值趋近于所述纹峰电容值和所述纹谷电容值的中间值。由于参考电压信号(例如，对应于参考感测电极的参考电压信号422a)和指纹感测结果(例如，感测信号221a)都来自传感器阵列210，因此差动放大器223的第二输入端的噪声和差动放大器223的第一输入端的噪声可能近似。因此，差动放大器223可以消除此噪声(共模噪声)。
图5和图6是用来比较在不同实施例中的差动放大器223的操作。图5是说明图2所示差动放大器223的输入信号的波形示意图，图6是说明图4所示差动放大器223的输入信号的波形示意图。在图5与图6中，横轴表示感测电极位置，纵轴表示差动放大器223的输入信号的电压电平。
请参照图2与图5，差动放大器223的输入信号是感测信号221a和参考电压信号222a。在图2所示的示例中，感测信号221a的电平跟随第二电荷放大器222的运算放大器的非反相端的电压电平。假设对应于纹峰位置的感测信号221a的电平是0.5伏特，并且对应于纹谷位置的感测信号221a的电平是0.1伏特。另假设第二电荷放大器222的参考电压信号VCOM的电平是0伏特。由第二电荷放大器222输出的参考电压信号222a的电平(表示为Vref)是0V，如图5所示。因此，图2所示差动放大器223的差模输入信号包含直流偏移(DC offset)成分。此直流偏移成分会被差动放大器223放大，而此经放大的直流偏移成分需要额外电路去滤除。
请参照图4与图6，差动放大器223的输入信号是感测信号221a和参考感测信号422a。在图6所示范例中，假设对应于纹峰位置的感测信号221a的电平是+0.2伏特，而对应于纹谷位置的感测信号221a的电平是-0.2伏特。由于参考电压信号422a对应于纹峰以及纹谷的平均电容，参考电压信号422a的电平(表示为Vref)可以近似于对应于纹峰位置以及纹谷位置的感测信号221a的电平的平均值，如图6所示。在这种情况下，差动放大器223的差模输入信号中的直流偏移成分可以显著减小，并且差模输入信号近似于没有直流偏移成分的交流信号。根据图4所示的实施例，参考电压信号422a可根据传感器阵列210的应用环境而适应性改变。如此一来，不欲放大的直流偏移成分尽可能地被预先消除。
图7是依照本发明的另一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置700的电路方块示意图。电容式图像感测装置700包括传感器阵列210与读出电路720。图7所示传感器阵列210可以参照图4所示传感器阵列210的相关说明来类推，故不再赘述。读出电路720可以接收对应于传感器阵列210的感测结果。依照设计需求，在一些实施例中，读出电路720可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读出电路720与传感器阵列210可以被整合为同一个集成电路。
电容式图像感测装置700的读出电路720包括第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422、差动放大器223、多工电路224、开关227、电容C71、电容C72与电容C73。图7所示第一电荷放大器221可以参照图3所示第一电荷放大器221的相关说明，图7所示第二电荷放大器222可以参照图3所示的相关说明来类推，图7所示差动放大器223、多工电路224以及开关227可以参照图3所示差动放大器223、多工电路224以及开关227的相关说明，故不再赘述。
在图7所示实施例中，第二电荷放大器222的输入端耦接至传感器阵列210的参考感测电极群的参考感测电极RS1、RS2、RS3和RS4。第二电荷放大器222的输入端耦接至电容C71的第一端、电容C72的第一端和电容C73的第一端。第二电荷放大器222的输出端耦接至电容C71的第二端、电容C72的第二端和电容C73的第二端。与图4中所示实施例相比较，图4所示电荷放大器421、422和423的运算放大器省略了图7所示读出电路720。图7所示读出电路720可以参照图4与图6的相关说明，故不再赘述。
图8是依照本发明的又一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置800的电路方块示意图。电容式图像感测装置800包括传感器阵列210和读出电路820。图8所示传感器阵列210可以参照图4所示传感器阵列210的相关说明，故不再赘述。读出电路820可以接收对应于传感器阵列210的感测结果。基于设计要求，在一些实施例中，读出电路820可以被实现为一个集成电路，并且传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在其他实施例中，读出电路820和传感器阵列210可以被整合为同一个集成电路。
电容式图像感测装置800的读出电路820包括第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、差动放大器223、多工电路224、开关227、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422、第五电荷放大器423与第一开关电路225。在图8所示实施例中，第一开关电路225包括开关SW11、开关SW12、开关SW13以及开关SW14。图8所示第一电荷放大器221可以参照图3所示第一电荷放大器221的相关说明，图8所示第二电荷放大器222、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422与第五电荷放大器423可以参照图4的相关说明来类推，图8所示差动放大器223、多工电路224以及开关227可以参照图3所示差动放大器223、多工电路224以及开关227的相关说明，故不再赘述。
请参照图8，第二电荷放大器222的输入端耦接至第一开关电路225的开关SW11的第二端。开关SW11的第一端耦接至参考感测电极RS1。第一开关电路225的开关SW11可以选择性地电性连接和断开参考感测电极RS1和第二电荷放大器222的输入端。第三电荷放大器421的输入端耦接至开关SW12的第二端。开关SW12的第一端耦接至参考感测电极RS2。第一开关电路225的开关SW12可以选择性地电连接和断开参考感测电极RS2和第三电荷放大器421的输入端。第四电荷放大器422的输入端耦接至开关SW13的第二端。开关SW13的第一端耦接至参考感测电极RS3。第一开关电路225的开关SW13可以选择性地电性连接和断开参考感测电极RS3和第四电荷放大器422的输入端。第五电荷放大器423的输入端耦接至开关SW14的第二端。开关SW14的第一端耦接至参考感测电极RS4。第一开关电路225的开关SW14可以选择性地电性连接和断开参考感测电极RS4和第五电荷放大器423的输入端。
举例来说，在第一操作模式中，第一开关电路225的开关SW11将参考感测电极RS1电性连接至第二电荷放大器222的输入端，第一开关电路225的开关SW12将参考感测电极RS2电性连接至第三电荷放大器421的输入端，第一开关电路225的开关SW13将参考感测电极RS3电性连接至第四电荷放大器422的输入端，以及第一开关电路225的开关SW14将参考感测电极RS4电性连接至第五电荷放大器423的输入端。在第二操作模式中，开关SW11电性断开参考感测电极RS1与第二电荷放大器222的输入端，开关SW12电性断开参考感测电极RS2与第三电荷放大器421的输入端，开关SW13电性断开参考感测电极RS3与第四电荷放大器422的输入端，以及开关SW14电性断开参考感测电极RS4与第五电荷放大器423的输入端。
例如，在第一操作模式中，开关SW11和开关SW12接通，并且开关SW13和开关SW14断开。在第二操作模式中，开关SW11、开关SW12、开关SW13和开关SW14断开。图8所示读出电路820可以参照图4与图6的相关说明，故不再赘述。
图9是依照本发明的又一实施例所绘示的一种电容式图像感测装置900的电路方块示意图。电容式图像感测装置900包括传感器阵列210与读出电路920。图9所示传感器阵列210可以参照图3与图4所示传感器阵列210的相关说明来类推，故不再赘述。读出电路920可以接收对应于传感器阵列210的感测结果。依照设计需求，在一些实施例中，读出电路920可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读出电路920与传感器阵列210可以被整合为同一个集成电路。
电容式图像感测装置900的读出电路920包括第一电荷放大器221、第二电荷放大器922、第三电荷放大器923、第四电荷放大器924、第五电荷放大器925、差动放大器223、多工电路224、开关227、第一开关电路225与第二开关电路226。在图9所示实施例中，第一开关电路225包括开关SW11、开关SW12、开关SW13以及开关SW14，而第二开关电路226包括开关SW21、开关SW22以及开关SW223。图9所示第一电荷放大器221可以参照图3与图4所示第一电荷放大器221的相关说明，图9所示第二电荷放大器922、第三电荷放大器923、第四电荷放大器924、第五电荷放大器925与第一开关电路225可以参照图8所示第二电荷放大器222、第三电荷放大器421、第四电荷放大器422、第五电荷放大器423与第一开关电路225的相关说明来类推，图9所示差动放大器223、多工电路224以及开关227可以参照图3与图4所示差动放大器223、多工电路224以及开关227的相关说明，故不再赘述。
在图9所示实施例中，第二开关电路226的开关SW21可以选择性地电性连接与断开第二电荷放大器922的输入端与第三电荷放大器923的输入端。亦即，开关SW21可以选择性地电性并联连接与断开第二电荷放大器922的反馈电容与第三电荷放大器923的反馈电容。第二开关电路226的开关SW22可以选择性地电性连接与断开第三电荷放大器923的输入端与第四电荷放大器924的输入端。亦即，开关SW22可以选择性地电性并联连接与断开第三电荷放大器923的反馈电容与第四电荷放大器924的反馈电容。第二开关电路226的开关SW23可以选择性地电性并联连接与断开第四电荷放大器924的输入端和第五电荷放大器925的输入端。即，开关SW23可以选择性地电性并联连接与断开第四电荷放大器924的反馈电容和第五电荷放大器925的反馈电容。
举例来说，在第一操作模式中，第二开关电路226将第二电荷放大器922的输入端电性连接至第三电荷放大器923的输入端、第四电荷放大器924的输入端与第五电荷放大器925的输入端(电性并联连接电荷放大器922、923、924与925的反馈电容)。此时，电荷放大器922、923、924与925的运算放大器其中一个或多个运算放大器可以被禁能(disable)以降低电容式图像感测装置900的功耗。举例来说，在所述第一操作模式中，仅第二电荷放大器922被致能，而第三电荷放大器923、第四电荷放大器924和第五电荷放大器925被禁能。在第一操作模式中，基于设计要求，第一开关电路225的开关SW11、SW12、SW13和SW14中的一个或多个为导通。在一些其他实施例中，在第一操作模式中，第一开关电路225的开关SW11和SW12为导通，并且第一开关电路225的开关SW13和SW14为截止。
所述第一操作模式的开关切换并不限于上述方式。所述第一操作模式的开关切换可以依照设计需求来决定。举例来说，在另一些实施例中，在第一操作模式中，第二开关电路226的开关SW21为导通，但是开关SW22与开关SW23为截止。开关SW21将第二电荷放大器922的输入端电性连接至第三电荷放大器923的输入端(电性并联连接第二电荷放大器922的反馈电容与第三电荷放大器923的反馈电容)。在第一操作模式中，第一开关电路225是导通的。此时，第二电荷放大器922的运算放大器与第三电荷放大器923的运算放大器其中一个可以被禁能，仅第二电荷放大器922与第三电荷放大器923中的一个被致能，以降低电容式图像感测装置900的功耗。
在第二操作模式中，第二开关电路226的开关SW21电性断开第二电荷放大器922的输入端与第三电荷放大器923的输入端，亦即电性断开第二电荷放大器922的反馈电容与第三电荷放大器923的反馈电容。在第二操作模式中，第二开关电路226的开关SW22电性断开第三电荷放大器923的输入端与第四电荷放大器924的输入端，亦即电性断开第三电荷放大器923的反馈电容与第四电荷放大器924的反馈电容。在第二操作模式中，第二开关电路226的开关SW23电性断开第四电荷放大器924的输入端与第五电荷放大器925的输入端，亦即电性断开第四电荷放大器924的反馈电容与第五电荷放大器925的反馈电容。
依据所述参考电压信号922a，差动放大器223可以将第一电荷放大器221的感测信号221a(经放大的感测结果)转换为差模输出信号OUTdiff2，然后经由差动放大器223的差动输出端对将此差模输出信号OUTdiff2提供给下一级电路(未绘示，例如模拟数字转换器和/或是处理器)。所述下一级电路可以依据差模输出信号OUTdiff2来判断有无物件(例如手指)碰触传感器阵列210，以及藉由传感器阵列210与读出电路920感测图像(例如指纹图像)。在手指碰触传感器阵列210的情况下，所述下一级电路可以判断传感器阵列210是否被重按压。当手指重按压传感器阵列210时，所述下一级电路可以进行下述电容式图像感测方法，以补偿在手指重按压传感器阵列210情况下的图像。
图10是依照本发一实施例说明一种电容式图像感测方法的流程示意图。所述感测方法可以藉由传感器阵列210感测图像(例如指纹图像)。请参照图9与图10。在步骤S810中，下一级电路(未绘示，例如模拟数字转换器和/或是处理器)通过读出电路920接收相对于第一行感测电极ROW1和第二行感测电极ROW2的多个感测信号。其中，所述第一行感测电极ROW1和所述第二行感测电极ROW2是在压传感器阵列210中的部分感测电极，并且所述第一行感测电极ROW1和所述第二行感测电极ROW2是位于与参考感测电极群参考感测电极群(例如图9所示参考感测电极RS1、参考感测电极RS2、参考感测电极RS3与参考感测电极RS4)相邻的位置。
在其他实施例中，差动放大器223的第二输入端可以耦合到参考电压信号VCOM。根据参考电压信号VCOM，差动放大器223可以将第一电荷放大器221的感测信号221a转换为差模输出信号OUTdiff2，然后在步骤S810中将差模输出信号OUTdiff2通过差动放大器223的差动输出端对提供给下一级电路(未示出，例如模拟数字转换器和/或处理器)。
基于相对于第一行感测电极ROW1和第二行感测电极ROW2的这些感测信号，所述下一级电路(未绘示)可以确定传感器阵列210是否被重按压(步骤S820)。举例来说，所述下一级电路(未绘示)可以判断第一行感测电极ROW1和第二行感测电极ROW2的这些感测信号的每一个是否大于阈值。所述阈值可以依照设计需求来设定。举例来说，步骤S820可以判断第一行感测电极ROW1和第二行感测电极ROW2的这些感测信号的每一个的最高有效位(mostsignificant bit，MSB)是否大于阈值。
响应于所述确定传感器阵列210被重按压，所述下一级电路(未绘示)可以电性断开所述参考感测电极群(例如图9所示参考感测电极RS1、参考感测电极RS2、参考感测电极RS3与参考感测电极RS4)中的第一数量的多个参考感测电极与相应的电荷放大器，并且电性并联连接所述参考感测电极群中的第二数量的多个参考感测电极(步骤S830)。举例来说，假设所述下一级电路(未绘示)可以判断第一行感测电极ROW1和第二行感测电极ROW2的这些感测信号中，有一半数量感测信号大于阈值，则步骤S830电性断开所述参考感测电极群中的一半数量的多个参考感测电极与相应的电荷放大器，并且电性并联连接所述参考感测电极群中的另一半数量的多个参考感测电极(步骤S830)。
在步骤S840中，读出电路920可以使用步骤S830所并联连接的参考感测电极而接收/产生一个参考电压信号。读出电路920可以藉由使用此参考电压信号来接收对应于传感器阵列210的所有感测电极的感测结果。因此在步骤S840中，所述下一级电路(未绘示)可以藉由使用从并联连接的这些参考感测电极接收的参考电压信号来产生图像(例如指纹图像)。
在手指碰触传感器阵列210的情况下，若步骤S820判断传感器阵列210没有被重按压，则所述下一级电路(未绘示)可以进行前述诸实施例的第一操作模式或是第二操作模式来产生图像(步骤S850)。
所述下一级电路(未绘示)既可通过形成于集成电路(integrated circuit)上的逻辑电路(硬件(hardware))实现，也可使用中央处理器(Central Processing Unit，CPU)而通过软件来实现。在后者的情况下，所述下一级电路(未绘示)的相关功能可以被实现为软件(即程序)的编程码(programming codes)。例如利用一般的编程语言(programminglanguages，例如C或C++)或其他合适的编程语言来实现所述下一级电路(未绘示)。所述软件(即程序)可由计算机(或CPU)读取，且可以被记录/存放在只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、存储装置(称作“记录介质”)和/或随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)。并且，通过计算机(或CPU)从所述记录介质中读取并执行所述程序，从而达成相关功能。作为所述记录介质，可使用“非临时的计算机可读介质(non-transitory computerreadable medium)”，例如可使用带(tape)、碟(disk)、卡(card)、半导体存储器、可编程设计的逻辑电路等。而且，所述程序也可经由任意传输介质(通信网络或广播电波等)而提供给所述计算机(或CPU)。所述通信网络例如是互联网(Internet)、有线通信(wiredcommunication)、无线通信(wireless communication)或其它通信介质。
在不同的应用情境中，所述下一级电路(未绘示)的相关功能可以利用一般的编程语言(programming languages，例如C或C++)、硬件描述语言(hardware descriptionlanguages，例如Verilog HDL或VHDL)或其他合适的编程语言来实现为固件或硬件。对于硬件实现，一或多个控制器、微控制器、微处理器、特殊应用集成电路(Application-specificintegrated circuit，ASIC)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和/或其他处理单元中的各种逻辑区块、模块和电路可以被用于实现或执行本文实施例所述功能。另外，本发明的装置和方法可以通过硬件、固件和/或软件的组合来实现。
综上所述，本发明诸实施例所述电容式图像感测装置与电容式图像感测方法使用电路架构相似的两个电荷放大器。第一电荷放大器用以接收对应于传感器阵列的一个感测电极的感测结果，并将感测信号提供给差动放大器的第一输入端。第二电荷放大器用以提供参考电压信号给差动放大器的第二输入端。通过对称式读出电路架构，所述电容式图像感测装置可以有效补偿、消除或降低电源噪声的干扰。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (12)

1.一种电容式图像感测装置，其特征在于，所述电容式图像感测装置包括：
传感器阵列，包括多个感测电极与第一参考感测电极；
第一电荷放大器，其输入端耦接至这些感测电极中的一个感测电极；
第二电荷放大器；
差动放大器，具有第一输入端、第二输入端以及差动输出端对，其中该差动放大器的该第一输入端选择性耦接至该第一电荷放大器的输出端，以及该差动放大器的该第二输入端耦接至该第二电荷放大器的输出端；以及
第一开关电路，耦接在该第一参考感测电极与该第二电荷放大器的输入端之间，其中该第一开关电路用以选择性地电性连接与断开该第一参考感测电极与该第二电荷放大器的该输入端。
2.如权利要求1所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述第一开关电路在第一操作模式中将该第一参考感测电极电性连接至该第二电荷放大器的该输入端，以及在第二操作模式中电性断开该第一参考感测电极与该第二电荷放大器的该输入端。
3.如权利要求1所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述第一电荷放大器包括：
运算放大器，具有反相输入端、非反相输入端与输出端，其中该运算放大器的该反相输入端耦接至该传感器阵列的该感测电极，该运算放大器的该非反相输入端耦接至参考电压信号，以及该运算放大器的该输出端耦接至该差动放大器的该第一输入端；
反馈电容，耦接在该运算放大器的该反相输入端与该运算放大器的该输出端之间；以及
重置开关，耦接在该运算放大器的该反相输入端与该运算放大器的该输出端之间。
4.如权利要求1所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述第二电荷放大器包括：
运算放大器，具有反相输入端、非反相输入端与输出端，其中该运算放大器的该反相输入端耦接至该第一开关电路，该运算放大器的该非反相输入端耦接至参考电压信号，以及该运算放大器的该输出端耦接至该差动放大器的该第二输入端；
反馈电容，耦接在该运算放大器的该反相输入端与该运算放大器的该输出端之间；以及
重置开关，耦接在该运算放大器的该反相输入端与该运算放大器的该输出端之间。
5.如权利要求1所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述传感器阵列还包括第二参考感测电极，而所述电容式图像感测装置还包括：
第三电荷放大器，具有输入端耦接至该第一开关电路，其中该第三电荷放大器的输出端耦接至该差动放大器的该第二输入端，
其中该第一开关电路用以选择性地电性连接与断开该第二参考感测电极与该第三电荷放大器的该输入端。
6.如权利要求5所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述第一参考感测电极和该第二参考感测电极位于该传感器阵列的中心区域内。
7.如权利要求5所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述第一开关电路在第一操作模式中将该第二参考感测电极电性连接至该第三电荷放大器的该输入端，以及在第二操作模式中断开该第二参考感测电极与该第三电荷放大器的该输入端。
8.如权利要求5所述的电容式图像感测装置，其特征在于，所述电容式图像感测装置还包括：
第二开关电路，用以选择性地电性连接与断开该第二电荷放大器的该输入端与该第三电荷放大器的该输入端，以及选择性地电性并联连接与断开该第二电荷放大器的反馈电容与该第三电荷放大器的反馈电容。
9.如权利要求8所述的电容式图像感测装置，其特征在于，
在第一操作模式中，该第二开关电路将该第二电荷放大器的该输入端电性连接至该第三电荷放大器的该输入端，以及电性并联连接该第二电荷放大器的该反馈电容与该第三电荷放大器的该反馈电容；以及
在第二操作模式中，该第二开关电路电性断开该第二电荷放大器的该输入端与该第三电荷放大器的该输入端，以及电性断开该第二电荷放大器的该反馈电容与该第三电荷放大器的该反馈电容。
10.如权利要求9所述的电容式图像感测装置，其特征在于，在该第一操作模式中，该第一开关电路将该第一参考感测电极电性连接至该第二电荷放大器的该输入端，以及该第一开关电路电性断开该第二参考感测电极与该第三电荷放大器的该输入端。
11.如权利要求9所述的电容式图像感测装置，其特征在于，在所述第一操作模式中仅所述第二电荷放大器和所述第三电荷放大器中的一个被致能。
12.一种电容式图像感测方法，用以藉由传感器阵列感测图像，其特征在于，所述传感器阵列包括多个感测电极与参考感测电极群，该参考感测电极群位于该传感器阵列的中心区域内，所述电容式图像感测方法包括：
接收相对于第一行感测电极和第二行感测电极的多个感测信号，其中所述第一行感测电极和所述第二行感测电极是所述多个感测电极的部分并且位于与所述参考感测电极群相邻的位置；
基于这些感测信号确定该传感器阵列是否被重按压；
响应于确定该传感器阵列被重按压，电性断开所述参考感测电极群中的第一数量的多个参考感测电极与相应的电荷放大器，并且电性并联连接所述参考感测电极群中的第二数量的多个参考感测电极；以及
藉由使用从并联连接的这些参考感测电极接收的参考电压信号而产生图像。
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