CN114627514A - 指纹检测放大电路以及指纹识别装置 - Google Patents

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CN114627514A CN202210187865.8A CN202210187865A CN114627514A CN 114627514 A CN114627514 A CN 114627514A CN 202210187865 A CN202210187865 A CN 202210187865A CN 114627514 A CN114627514 A CN 114627514A
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程珍娟
孙天奇
张靖恺
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Abstract

本发明提供一种指纹检测放大电路包括全差分放大器、开关组、第一反馈电路及第二反馈电路。开关组控制全差分放大器的第一输入端与第二输入端交替与感测电极电性连接。第一反馈电路对输入至第一输入端的感测电容的电容值转换为电压信号。第二反馈电路对输入至第二输入端的感测电容的电容值转换为电压信号。指纹检测放大电路内的信号工作在指定电压域。在指定电压域中的低电平信号为浮动信号。低电平信号在第一低电压和第二低电压之间切换。低电平信号在第一低电压和第二低电压之间切换时，全差分放大器的第一输出端和第二输出端交替输出；第一输出端的电压和第二输出端的电压具有共模电压。本发明还提供了一种指纹识别装置。

Description

指纹检测放大电路以及指纹识别装置
技术领域
本发明涉及一种指纹检测放大电路以及指纹识别装置。
背景技术
随着智能手机全面屏普及，指纹采集与识别方案趋于光学式屏下指纹识别和电容式指纹识别两种方案。其中，电容式式指纹识别方案不受光源影响，主动解锁的体验尤佳。现有的指纹采集与识别方案中，通过感应手指的谷和脊与感应电极的形成的感应电容，而判断指纹信息。感应电容的电容值通过指纹检测放大电路进行放大处理后提供给模数转换器(Analog to digital converter,ADC)转换为数字信号，通过数字处理恢复为指纹图像。由于感应电容的电容值通常非常小，且容易受到盖板厚度影响。同时，存在噪声信号与感应电容一并输入给指纹检测放大电路。通常指纹检测放大电路中采用单端输入的模式，使得噪声信号与感应电容同时被放大，进而导致信号通路上的噪音信号无法被有效抑制。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种指纹检测放大电路以及指纹识别装置，旨在解决现有技术中单端输入的指纹检测放大电路无法有效抑制噪音信号的技术问题。
一种指纹检测放大电路，用于检测感测电极与手指之间形成的感测电容的电容值转换为电压信号；所述指纹检测放大电路包括：
全差分放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端；
开关组，电性连接在所述感测电极和所述全差分放大器之间，用于控制所述第一输入端与所述第二输入端交替与所述感测电极电性连接；
第一反馈电路，与所述第一输入端和所述第一输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第一输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；以及
第二反馈电路，与所述第二输入端和所述第二输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第二输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；
所述指纹检测放大电路内的信号工作在指定电压域；在所述指定电压域中的低电平信号为浮动信号；所述低电平信号可在第一低电压和第二低电压之间切换；其中，所述第一低电压大于第二低电压；所述低电平信号在所述第一低电压和所述第二低电压之间切换时，所述全差分放大器的第一输出端和所述第二输出端交替输出；所述第一输出端的电压和所述第二输出端的电压具有共模电压。
一种指纹识别装置，包括指纹感测电路、指纹检测放大电路、数模转换电路以及数据处理电路；所述指纹检测放大电路用于检测感测电极与手指之间形成的感测电容的电容值转换为电压信号；所述指纹检测放大电路包括：
全差分放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端；
开关组，电性连接在所述感测电极和所述全差分放大器之间，用于控制所述第一输入端与所述第二输入端交替与所述感测电极电性连接；
第一反馈电路，与所述第一输入端和所述第一输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第一输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；以及
第二反馈电路，与所述第二输入端和所述第二输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第二输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；
所述指纹检测放大电路内的信号工作在指定电压域；在所述指定电压域中的低电平信号为浮动信号；所述低电平信号可在第一低电压和第二低电压之间切换；其中，所述第一低电压大于第二低电压；所述低电平信号在所述第一低电压和所述第二低电压之间切换时，所述全差分放大器的第一输出端和所述第二输出端交替输出；所述第一输出端的电压和所述第二输出端的电压具有共模电压。
上述指纹检测放大电路以及指纹识别装置，所述指定电压域的所述低电平信号为浮动信号，在所述低电平信号的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器输出信号，以提高所述指纹检测放大电路的输出增益，可提高所述指纹检测放大电路的共模噪声抑制能力，可有效降低噪音，进而提高所述指纹检测放大电路的信噪比。
附图说明
图1为本发明较佳实施例之指纹识别装置的立体示意图。
图2为图1中较佳实施方式之所述指纹识别装置的模块示意图。
图3为图1中较佳实施方式之所述指纹感测电路的模块示意图。
图4为图2中第一实施方式之所述指纹检测放大电路的等效电路示意图。
图5为图4中重置信号、预充电信号、第一感测使能信号、第二感测使能信号、控制信号以及低电平信号的时序示意图。
图6为图4中所述全差分放大器的第一输出端和第二输出端的电压变化示意图。
图7为图2中第二实施方式之所述指纹检测放大电路的等效电路示意图。
图8为图7中重置信号、反向重置信号、预充电信号、第一感测使能信号、第二感测使能信号、控制信号以及低电平信号的时序示意图。
图9为图7中所述全差分放大器的第一输出端和第二输出端的电压变化示意图。
主要元件符号说明
指纹识别装置 100
指纹感测电路 10
指纹检测放大电路 20、20a、20b
数模转换电路 30
数据处理电路 40
感测电极 12
高电平信号 NVDDA
低电平信号 NVSS
感测电容 Cf
第一输出信号 VOUTP
第二输出信号 VOUTN
参考电压 VCM
差分放大器 21
开关组 23
第一反馈电路 25a、25b
第二反馈电路 27a、27b
第一开关 K1
第二开关 K2_1
第三开关 K2_2
第一反馈电容 CFB1
第二反馈电容 CFB2
第一主控制开关 K3_1
第二主控制开关 K3_2
重置信号 RST
反向重置信号 NRST
预充电信号 PRE
第一感测使能信号 SENSOR_EN_P
第二感测使能信号 SENSOR_EN_N
控制信号 TX
重置阶段 T1
预充电阶段 T2
第一电荷转移阶段 T3
第二电荷转移阶段 T4
第一辅助开关 K4_1
第二辅助开关 K5_1
第三辅助开关 K6_1
第四辅助开关 K7_1
第五辅助开关 K4_2
第六辅助开关 K5_2
第七辅助开关 K6_2
第八辅助开关 K7_2
电源电压 VDC_OS
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接连接，也可以通过中间没接间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况立即上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。此外，术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合附图对本发明的指纹检测放大电路以及指纹识别装置的具体实施方式进行说明。
请参照图1，其为本发明一实施方式的指纹识别装置100的立体示意图。在本发明的至少一个实施方式中，所述指纹识别装置100可以为个人计算机、平板电脑、智能手机、个人数字助理(PersonalDigitalAssistant，PDA)、游戏机、交互式网络电视(InternetProtocolTelevision,IPTV)、智能式穿戴式设备、导航装置等等的可移动设备，也可以为台式电脑、服务器、数字电视等等的固定设备。所述指纹识别装置100可进一步包括触控功能、显示功能以及摄像功能中的一种或多种的结合。
请一并参阅图2，其为所述指纹识别装置100的模块示意图。所述指纹识别装置100包括指纹感测电路10、指纹检测放大电路20、数模转换电路30以及数据处理电路40。所述指纹感测电路10用于在检测到用户的指纹时产生感测电容Cf(如图4所示)。所述指纹检测放大电路20用于对所述感测电容Cf的电容值进行积分放大后输出感测电压给所述数模转换电路30。所述数据处理电路40对所述感测电压进行处理以转换成用户的指纹图像。
所述指纹感测电路10按照一定的时序控制进行扫描以检测用户的指纹以产生所述感测电容Cf。如图3所示，所述指纹感测电路10包括呈m*n矩阵排列的所述感测电极12。其中，m，n为正整数，且二者可以相同也可以不同。用户手指触摸后，触摸区域的所述感测电极12与手指进行感应，以形成对应的感测电容Cf。所述感测电极12通过感测线(图未示)与所述指纹检测放大电路20电性连接。
所述指纹检测放大电路20与所述指纹感测电路10电性连接。所述指纹检测放大电路20检测所述感测电容Cf的电容并转换为电压信号后进行积分操作，然后输出感测电压给所述数模转换电路30，再通过所述数据处理电路40实现对所述感测电容Cf的电容值的检测。
请参阅图4，其为本发明第一实施方式之所述指纹检测放大电路20a的等效电路示意图。所述指纹检测放大电路20a内的信号工作在指定电压域。所述指定电压域限定所述指纹识别装置100的电压变化范围，所述指定电压域以高电平信号NVDDA为上限电压，低电平信号NVSS为下限电压。其中，所述高电平信号NVDDA还可作为所述指纹识别装置100的工作电压，所述低电平信号NVSS还可作为接地电压。在所述指定电压域中，所述低电平信号NVSS为浮动信号。即，所述低电平信号NVSS的电压为周期性变化的脉冲信号。同时，所述高电平信号NVDDA和所述低电平信号NVSS之间的电压差保持不变。所述低电平信号NVSS在控制信号TX的控制下进行切换。所述低电平信号NVSS可在第一低电压和第二低电压之间切换。其中，所述第一低电压大于第二低电压。所述低电平信号NVSS和所述控制信号TX为互补的脉冲信号。换句话说，所述低电平信号NVSS和所述控制信号TX具有相同的脉冲宽度以及脉冲频率，在所述控制信号TX处于高电平时，控制所述低电平信号NVSS处于所述第二低电压；在所述控制信号TX处于低电平时，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在本发明的至少一个实施方式中，所述第一低电压可以为0伏特，所述第二低电压为负电压，其电压值可根据用户的需求进行设置。
所述指纹检测放大电路20a在所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压和所述第二低电压时对所述感测电容Cf进行电荷转移操作并分别输出第一输出信号VOUTP和第二输出信号VOUTN。所述第一输出信号VOUTP和所述第二输出信号VOUTN的电压变化方向相反。在本实施方式中，所述第一输出信号VOUTP为递减信号，所述第二输出信号VOUTN为递增信号。所述第一输出信号VOUTP和所述第二输出信号VOUTN具有共模电压。在本实施方式中，所述共模电压为参考电压VCM。
所述指纹检测放大电路20a包括全差分放大器21、开关组23、第一反馈电路25a以及第二反馈电路27a。所述全差分放大器21通过所述开关组23与所述感测电极12电性连接，用于通过所述开关组23感测所述感测电容Cf并将所述感测电容Cf的电容值转换为所述电压信号后进行积分操作，以实现放大处理。
所述开关组23包括第一开关K1、第二开关K2_1以及第三开关K2_2。所述第一开关K1的一端与所述感测电极12电性连接，另一端接收所述参考电压VCM。所述第一开关K1受控于预充电信号PRE。所述第二开关K2_1的一端与所述感测电极12电性连接，另一端与所述全差分放大器21的第一输入端211电性连接。所述第二开关K2_1受控于第一感测使能信号SENSOR_EN_P。所述第三开关K2_2的一端与所述感测电极12电性连接，另一端与所述全差分放大器21的第二输入端213电性连接。所述第三开关K2_2受控于第二感测使能信号SENSOR_EN_N。
所述全差分放大器21具有所述第一输入端211、所述第二输入端213、第一输出端215以及第二输出端217。其中，所述第一输出端215作为所述第一输出信号VOUTP的输出端，所述第二输出端217作为所述第二输出信号VOUTN的输出端。在本实施方式中，所述第一输入端211为反向输入端，所述第二输入端213为正向输入端。所述第一输出端215为正向输出端，所述第二输出端217为反向输出端。其中，所述共模电压大于所述第一输出端215的最小值且小于所述第一输出端215的最大值；所述共模电压大于所述第二输出端217的最小值且小于所述第二输出端217的最大值。
所述第一反馈电路25a电性连接在所述第一输入端211和所述第一输出端215的两端。所述第一反馈电路25a用于将通过所述第二开关K2_1输入的所述感测电容Cf的电容值转换为所述电压信号后进行积分操作。所述第一反馈电路25a包括第一反馈电容CFB1以及第一主控制开关K3_1。所述第一反馈电容CFB1的两端分别与所述第一输入端211和所述第一输出端215电性连接。所述第一主控制开关K3_1的两端分别与所述第一输入端211和所述第一输出端215电性连接。所述第一主控制开关K3_1受控于重置信号RST。
所述第二反馈电路27b电性连接在所述第二输入端213和所述第二输出端217的两端。所述第二反馈电路27a用于将通过所述第三开关K2_2输入的所述感测电容Cf的电容值转换为所述电压信号后进行积分操作。所述第二反馈电路27a包括第二反馈电容CFB2以及第二主控制开关K3_2。所述第二反馈电容CFB2的两端分别与所述第二输入端213和所述第二输出端217电性连接。所述第二主控制开关K3_2的两端分别与所述第二输入端213和所述第二输出端217电性连接。所述第二主控制开关K3_2受控于所述重置信号RST。在本实施方式中，所述第二反馈电容CFB2和所述第一反馈电容CFB1具有相同的电容值。
请一并参阅图5，其为第一实施方式中所述重置信号RST、预充电信号PRE、第一感测使能信号SENSOR_EN_P、第二感测使能信号SENSOR_EN_N、控制信号TX以及低电平信号NVSS的时序示意图。所述指纹检测放大电路20a的具体工作原理如下：
所述指纹检测放大电路20a可工作在重置阶段T1、预充电阶段T2、第一电荷转移阶段T3以及第二电荷转移阶段T4。其中，所述指纹检测放大电路20首先依次工作在所述重置阶段T1和所述预充电阶段T2，然后所述指纹检测放大电路20a交替工作在第一电荷转移阶段T3和所述第二电荷转移阶段T4。在本实施方式中，所述重置阶段T1和所述预充电阶段T2之间存在预设时间间隔。在所述预设时间间隔里，所述指纹检测放大电路20a不执行任何操作。
在所述重置阶段T1，所述预充电信号PRE、所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P、所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N以及所述控制信号TX处于低电平，所述重置信号RST处于高电平，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在所述预充电信号PRE的控制下，所述第一开关K1断开。在所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P的控制下，所述第二开关K2_1断开。在所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N的控制下，所述第三开关K2_2断开。在所述重置信号RST的控制下，所述第一主控制开关K3_1和所述第二主控制开关K3_2闭合。因此，所述第一反馈电容CFB1和所述第二反馈电容CFB2两端的电荷分别为0。即，QCFB1＝0，QCFB2＝0。其中，QCFB1表示所述第一反馈电容CFB1上的电荷，QCFB2表示所述第二反馈电容CFB2上的电荷。
在所述预充电阶段T2，所述重置信号RST、所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P、所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N以及所述控制信号TX处于低电平，所述预充电信号PRE处于高电平，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在所述预充电信号PRE的控制下，所述第一开关K1闭合，使得所述参考电压VCM对所述感测电容Cf进行预充电操作。此时，所述指纹检测放大电路20b内的总电荷为所述感测电容Cf上的电荷。所述感测电容Cf上的电荷可通过公式一进行计算得到。
Qcf＝VCM*Cf 公式一
其中，QCF表示在所述预充电阶段T2时所述感测电容Cf上的电荷，VCM表示所述参考电压VCM，Cf表示所述感测电容Cf的电容值。
同时，在所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P的控制下，所述第二开关K2_1断开。在所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N的控制下，所述第三开关K2_2断开。在所述重置信号RST的控制下，所述第一主控制开关K3_1和所述第二主控制开关K3_2断开。
在所述第一电荷转移阶段T3，所述重置信号RST、所述预充电信号PRE以及所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N处于低电平，所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P处于高电平，所述控制信号TX由低电平切换为高电平，所述低电平信号NVSS由所述第一低电压切换至所述第二低电压。所述感测电容Cf上的电荷向所述第一反馈电路25a内的所述第一反馈电容CFB1转移，对所述全差分放大器21的第一输入端211进行充电，以实现一次所述积分操作。在所述第一电荷转移阶段T3时，所述指纹检测放大电路20a的总电荷由所述感测电容Cf上的电荷和所述第一反馈电容CFB1上的电荷构成。即，所述指纹检测放大电路20a内的总电荷可通过公式二计算得出。
Qcf1＝VCM*Cf＝(VCM-VoUTP)*CFB1+(VCM-NVDDA)*Cf 公式二
其中，Qcf1表示在所述第一电荷转移阶段T3进行电荷转移之前所述感测电容Cf的总电荷，VCM表示所述参考电压，VOUTP表示所述第一输出端215的电压，CFB1表示所述第一反馈电容CFB1的电容值，NVDDA表示系统供电电压，Cf表示所述感测电容Cf的电容值。
所述第一反馈电容CFB1两端的电压差为所述参考电压VCM和所述第一输出端215的电压差。同时，由于所述低电平信号NVSS切换至所述第二低电压，使得所述感测电容Cf与所述第一输入端211电性连接的一端的电压发生变化为所述参考电压VCM和所述第二低电压之和。
根据电荷守恒定律，即，QCf1＝QCf。因此，结合公式一和公式二，所述第一输出端215的电压可根据公式三计算得出。
Figure BDA0003524359800000081
其中，VOUTP表示所述第一输出端215的电压，VCM表示所述参考电压，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB1表示所述第一反馈电容CFB1的电容值，NVDDA表示所述系统供电电压。
在所述第二电荷转移阶段T4，所述重置信号RST、所述预充电信号PRE以及所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P处于低电平，所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N处于高电平，所述控制信号TX由高电平切换为低电平，所述低电平信号NVSS由所述第二低电压切换至所述第一低电压。将所述感测电容Cf上存储的电荷向所述第二反馈电路27内的所述第二反馈电容CFB2转移，对所述全差分放大器21的第二输入端213进行充电，以实现一次所述积分操作。在所述第二电荷转移阶段T4时，所述指纹检测放大电路20a的总电荷由所述感测电容Cf上的电荷和所述第一反馈电容CFB1上的电荷构成。即，所述指纹检测放大电路20a内的总电荷可通过公式四计算得出。
Qcf2＝(VCM-NVDDA)*Cf＝(VCM-VOUTN)*CFB2+VCM*Cf 公式四
其中，Qcf2表示在所述第二电荷转移阶段T4进行电荷转移之前所述感测电容Cf的总电荷，VCM表示所述参考电压VCM，NVDDA表示所述系统供电电压，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，VOUTN表示所述第二输出端217的电压，CFB2表示所述第二反馈电容CFB2的电容值。
所述第二反馈电容CFB2两端的电压差为所述参考电压VCM和所述第二输出端217的电压差。同时，由于所述低电平信号NVSS切换至所述第一低电压，使得所述感测电容Cf与所述第一输入端211电性连接的一端的电压发生变化为所述参考电压VCM。
根据电荷守恒定律，即，QCf＝QCf2。因此，结合公式一和公式四，所述第一输出端215和第二输出端217的电压可通过如下公式五计算得出。
Figure BDA0003524359800000091
其中，VOUTN表示所述第二输出端217的电压，VCM表示所述参考电压，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB2表示所述第二反馈电容CFB2的电容值，NVDDA表示所述系统供电电压。
因此，所述第一输出端215和所述第二输出端217的差值可如下公式六所示。
Figure BDA0003524359800000092
重复N次所述第一电荷转移阶段T3和所述第二电荷转移阶段T4时，所述第一输出端215和所述第二输出端217的差值可如下公式七所示。
Figure BDA0003524359800000093
从上述公式七中可以看出，所述全差分放大器21的所述第一输出端215的电压和所述第二输出端217的电压存在共模电压，所述共模电压为所述高电平信号NVDDA的一半。如图6所示，所述第一输出信号VOUTP由所述共模电压递减变化，所述第二输出信号VOUTN由所述共模电压递增变化。
上述所述指纹检测放大电路20a以及所述指纹识别装置100，所述指定电压域的所述低电平信号NVSS为浮动信号，在所述低电平信号NVSS的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器21输出信号，以提高所述指纹检测放大电路20a的输出增益。即，相较于常规差分放大器在相同的积分操作次数下，采用所述全差分放大器21的输出信号的增益增加一倍。同时，可提高所述指纹检测放大电路20a的共模噪声抑制能力，可有效降低噪音，进而提高所述指纹检测放大电路20a的信噪比。
请参阅图7，其为本发明第二实施方式之所述指纹检测放大电路20b的等效电路示意图。所述指纹检测放大电路20b内的信号工作在指定电压域。所述指定电压域限定所述指纹识别装置100的电压变化范围，所述指定电压域以高电平信号NVDDA为上限电压，低电平信号NVSS为下限电压。其中，所述高电平信号NVDDA还可作为所述指纹识别装置100的工作电压，所述低电平信号NVSS还可作为接地电压。在所述指定电压域中，所述低电平信号NVSS为浮动信号。即，所述低电平信号NVSS的电压为周期性变化的脉冲信号。同时，所述高电平信号NVDDA和所述低电平信号NVSS之间的电压差保持不变。所述低电平信号NVSS在控制信号TX的控制下进行切换。所述低电平信号NVSS可在第一低电压和第二低电压之间切换。其中，所述第一低电压大于第二低电压。所述低电平信号NVSS和所述控制信号为互补的脉冲信号。换句话说，所述低电平信号NVSS和所述控制信号TX具有相同的脉冲宽度以及脉冲频率，在所述控制信号TX处于高电平时，控制所述低电平信号NVSS处于所述第二低电压；在所述控制信号TX处于低电平时，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在本发明的至少一个实施方式中，所述第一低电压可以为0伏特，所述第二低电压为负电压，其电压值可根据用户的需求进行设置。
所述指纹检测放大电路20b基于所述低电平信号NVSS的上升沿和下降沿将所述感测电容Cf转换为电压信号后进行两次积分操作并采用全差分电路产生第一输出信号VOUTP和第二输出信号VOUTN。所述第一输出信号VOUTP和所述第二输出信号VOUTN的电压变化方向相反。在本实施方式中，所述第一输出信号VOUTP为递减信号，所述第二输出信号VOUTN为递增信号。所述第一输出信号VOUTP和所述第二输出信号VOUTN具有相同的起始电压。在本实施方式中，所述起始电压为参考电压VCM。
所述指纹检测放大电路20b包括全差分放大器21、开关组23、第一反馈电路25b以及第二反馈电路27b。所述全差分放大器21通过所述开关组23与所述感测电极12电性连接，用于通过所述开关组23感测所述感测电容Cf并将所述感测电容Cf的电容值转换为电压信号后进行积分处理，以实现放大处理。
所述开关组23包括第一开关K1、第二开关K2_1以及第三开关K2_2。所述第一开关K1的一端与所述感测电极12电性连接，另一端接收所述参考电压VCM。所述第一开关K1受控于预充电信号PRE。所述第二开关K2_1的一端与所述感测电极12电性连接，另一端与所述全差分放大器21的第一输入端211电性连接。所述第二开关K2_1受控于第一感测使能信号SENSOR_EN_P。所述第三开关K2_2的一端与所述感测电极12电性连接，另一端与所述全差分放大器21的第二输入端213电性连接。所述第三开关K2_2受控于第二感测使能信号SENSOR_EN_N。
所述全差分放大器21具有所述第一输入端211、所述第二输入端213、第一输出端215以及第二输出端217。其中，所述第一输出端215作为所述第一输出信号VOUTP的输出端，所述第二输出端217作为所述第二输出信号VOUTN的输出端。在本实施方式中，所述第一输入端211为反向输入端，所述第二输入端213为正向输入端。所述第一输出端215为正向输出端，所述第二输出端213为反向输出端。在所述低电平信号NVSS的上升沿和下降沿，所述全差分放大器21的第一输出端215和所述第二输出端217交替输出。
所述第一反馈电路25b电性连接在所述第一输入端211和所述第一输出端215的两端。所述第一反馈电路25b用于将通过所述第二开关K2_1输入的所述感测电容Cf的电容值转换为电压信号后进行积分操作。所述第一反馈电路25b包括第一反馈电容CFB1、第一主控制开关K3_1、第一辅助开关K4_1、第二辅助开关K5_1、第三辅助开关K6_1以及第四辅助开关K7_1。所述第一主控制开关K3_1的两端分别与所述全差分放大器21的第一输入端211和所述第一输出端215电性连接。所述第一反馈电容CFB1的一端通过所述第一辅助开关K4_1与所述全差分放大器21的第一输入端211电性连接，且通过所述第三辅助开关K6_1接收所述低电平信号NVSS；所述第一反馈电容CFB1的另一端通过所述第二辅助开关K5_1与所述全差分放大器21的第一输出端215电性连接，且通过所述第四辅助开关K7_1接收电源电压VDC_OS。所述第一主控制开关K3_1、所述第三辅助开关K6_1以及所述第四辅助开关K7_1受控于重置信号RST。所述第一辅助开关K4_1以及所述第二辅助开关K5_1受控于反向重置信号NRST。其中，所述重置信号RST和所述反向重置信号NRST为互补的脉冲信号。换句话说，所述重置信号RST和所述反向重置信号NRST具有相同的脉冲宽度以及脉冲频率，在所述重置信号RST处于高电平时，所述反向重置信号NRST处于所述低电平；在所述重置信号RST处于低电平时，所述反向重置信号NRST处于高电平。
所述第二反馈电路27b电性连接在所述第二输入端213和所述第二输出端217的两端。所述第二反馈电路27b用于将通过所述第三开关K2_2输入的所述感测电容Cf的电容值转换为电压信号后进行积分操作。所述第二反馈电路27b包括第二反馈电容CFB2、第二主控制开关K3_2、第五辅助开关K4_2、第六辅助开关K5_2、第七辅助开关K6_2以及第八辅助开关K7_2。所述第二主控制开关K3_2的两端分别与所述全差分放大器21的第二输入端213和所述第二输出端217电性连接。所述第二反馈电容CFB2的一端通过所述第五辅助开关K4_2与所述全差分放大器21的第二输入端213电性连接，且通过所述第七辅助开关K6_2接收所述低电平信号NVSS；所述第二反馈电容CFB2的另一端通过所述第六辅助开关K5_2与所述全差分放大器21的第二输出端217电性连接，且通过所述第八辅助开关K7_2接收所述电源电压VDC_OS。所述第二主控制开关K3_2、所述第七辅助开关K6_2以及所述第八辅助开关K7_2受控于重置信号RST。所述第五辅助开关K4_2以及所述第六辅助开关K5_2受控于反向重置信号NRST。在本实施方式中，所述第二反馈电容CFB2和所述第一反馈电容CFB1具有相同的电容值。
请一并参阅图8，其为第二实施方式中重置信号RST、反向重置信号NRST、预充电信号PRE、第一感测使能信号SENSOR_EN_P、第二感测使能信号SENSOR_EN_N、控制信号TX以及低电平信号NVSS的时序示意图。所述指纹检测放大电路20b的具体工作原理如下：
所述指纹检测放大电路20b可工作在重置阶段T1、预充电阶段T2、第一电荷转移阶段T3以及第二电荷转移阶段T4。其中，在所述重置阶段T1和所述预充电阶段T2后，所述指纹检测放大电路20b交替工作在第一电荷转移阶段T3和所述第二电荷转移阶段T4。在本实施方式中，所述重置阶段T1和所述预充电阶段之间存在预设时间间隔。在所述预设时间间隔里，所述指纹检测放大电路20b不执行任何操作。
在所述重置阶段T1，所述反向重置信号NRST、所述预充电信号PRE、所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P、所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N以及所述控制信号TX处于低电平，所述重置信号RST处于高电平，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在所述预充电信号PRE的控制下，所述第一开关K1断开。在所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P的控制下，所述第二开关K2_1断开。在所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N的控制下，所述第三开关K2_2断开。在所述重置信号RST的控制下，所述第一反馈电路25a中的所述第一主控制开关K3_1、所述第三辅助开关K6_1以及所述第四辅助开关K7_1闭合，同时所述第二反馈电路27b中所述第二主控制开关K3_2、所述第七辅助开关K6_2以及所述第八辅助开关K7_2闭合。在所述反向重置信号NRST的控制下，所述第一反馈电路25a的所述第一辅助开关K4_1以及所述第二辅助开关K5_1断开，同时，所述第二反馈电路27b中的所述第五辅助开关K4_2以及所述第六辅助开关K5_2断开。所述第一反馈电容CFB1两端的电荷通过公式八计算得出。
QCFB1＝CFB1*(NVSS-VDC_OS) 公式八
其中，QCFB1表示在所述重置阶段T1时所述第一反馈电容CFB1上的电荷，CFB1表示所述第一反馈电容CFB1的电容值，NVSS表示所述低电平信号NVSS，VDC_OS表示所述电源电压VDC_OS。
所述第二反馈电容CFB2两端的电荷通过公式九计算得出。
QFB2＝CFB2*(VDC_OS-NVSS) 公式九
在所述预充电阶段T2，所述重置信号RST所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P、所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N以及所述控制信号TX处于低电平，所述预充电信号PRE和所述反向重置信号NRST处于高电平，所述低电平信号NVSS处于所述第一低电压。在所述预充电信号PRE的控制下，所述第一开关K1闭合，使得所述参考电压VCM对所述感测电容Cf进行预充电操作。此时，所述感测电容Cf的电荷可通过上述公式一进行计算得到。
同时，在所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P的控制下，所述第二开关K2_1断开。在所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N的控制下，所述第三开关K2_2断开。在所述重置信号RST的控制下，所述第一反馈电路25a中的所述第一主控制开关K3_1、所述第三辅助开关K6_1以及所述第四辅助开关K7_1断开，同时所述第二反馈电路27b中所述第二主控制开关K3_2、所述第七辅助开关K6_2以及所述第八辅助开关K7_2断开。在所述反向重置信号NRST的控制下，所述第一反馈电路25a的所述第一辅助开关K4_1以及所述第二辅助开关K5_1闭合，同时，所述第二反馈电路27b中的所述第五辅助开关K4_2以及所述第六辅助开关K5_2闭合。由于所述第一反馈电容CFB1和所述第二反馈电容CFB2没有放电回路，所述第一反馈电容CFB1和所述第二反馈电容CFB2上的电荷保持不变。
在所述第一电荷转移阶段T3，所述重置信号RST、所述预充电信号PRE以及所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N处于低电平，所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P和所述反向重置信号NRST处于高电平，所述控制信号TX由低电平切换为高电平，所述低电平信号NVSS由所述第一低电压切换至所述第二低电压。所述感测电容Cf上的电荷向所述第一反馈电路25b内的所述第一反馈电容CFB1转移，对所述全差分放大器21的第一输入端211进行充电，以实现一次所述积分操作。在所述第一电荷转移阶段T3时，所述指纹检测放大电路20b的总电荷由所述感测电容Cf上的电荷和所述第一反馈电容CFB1上的电荷构成。即，所述指纹检测放大电路20b内的总电荷可通过公式十计算得出。
Qcf1＝VCM*Cf+CFB1*(NVSS-VDC_OS)
＝(VCM-VOUTP)*CFB1+(VCM-NVDDA) 公式十
其中，Qcf1表示在所述第一电荷转移阶段T3进行电荷转移之前所述指纹检测放大电路20b以及所述第一输入端211上的总电荷，VCM表示所述参考电压VCM，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB1表示所述第一反馈电容CFB1的电容值，NVSS表示所述低电平信号NVSS，VDC_OS表示所述电源电压VDC_OS，VOUTP表示所述第一输出端215的电压，NVDDA表示所述系统供电电压。
所述第一反馈电容CFB1两端的电压差为所述参考电压VCM和所述第一输出端215的电压差。同时，由于所述低电平信号NVSS切换至所述第二低电压，使得所述感测电容Cf与所述第一输入端211电性连接的一端的电压发生变化为所述参考电压VCM和所述第二低电压之和。
根据电荷守恒定律，即，QCf＝QCf1。因此，结合公式一、公式八以及公式十，所述第一输出端215的电压可根据公式十一计算得出。
Figure BDA0003524359800000131
其中，VOUTP表示所述第一输出端215的电压，VCM表示所述参考电压，VDC_OS表示所述电源电压，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB2表示所述第二反馈电容CFB2的电容值，NVDDA表示所述系统供电电压。
在所述第二电荷转移阶段T4，所述重置信号RST、所述预充电信号PRE以及所述第一感测使能信号SENSOR_EN_P处于低电平，所述第二感测使能信号SENSOR_EN_N处于高电平，所述控制信号TX由高电平切换为低电平，所述低电平信号NVSS由所述第二低电压切换至所述第一低电压。将所述感测电容Cf上存储的电荷向所述第二反馈电路27内的所述第二反馈电容CFB2转移，对所述全差分放大器21的第二输入端213进行充电，以实现一次积分操作。在所述第二电荷转移阶段T4时，所述指纹检测放大电路20b的总电荷由所述感测电容Cf上的电荷和所述第一反馈电容CFB1上的电荷构成。即，所述指纹检测放大电路20b内的总电荷可通过公式十二计算得出。
Qcf1＝(VCM-NVDDA)*Cf+CFB2*(VDC_OS-NVSS)
＝(VCM-VOUTP)*CFB2+VCM*Cf 公式十二
其中，Qcf1表示在所述第二电荷转移阶段T4进行电荷转移之前所述感测电容Cf的总电荷，VCM表示所述参考电压VCM，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB2表示所述第二反馈电容CFB2的电容值，NVSS表示所述低电平信号NVSS，VDC_OS表示所述电源电压VDC_OS，VOUTP表示所述第一输出端215的电压，NVDDA表示所述系统供电电压。
所述第二反馈电容CFB2两端的电压差为所述参考电压VCM和所述第二输出端217的电压差。同时，由于所述低电平信号NVSS切换至所述第一低电压，使得所述感测电容Cf与所述第一输入端211电性连接的一端的电压发生变化为所述参考电压VCM。
根据电荷守恒定律，即，QCf2＝QCf。因此，结合公式一、公式九以及公式十二，所述第二输出端217的电压可通过公式十三计算得出。
Figure BDA0003524359800000141
其中，VOUTN表示所述第二输出端217的电压，VCM表示所述参考电压，VDC_OS表示所述电源电压VDC_OS，Cf表示所述感测电容Cf的电容值，CFB2表示所述第二反馈电容CFB2的电容值，NVDDA表示所述系统供电电压。
因此，所述第一输出端215和所述第二输出端217的差值可如下方公式十四所示。
Figure BDA0003524359800000142
重复N次所述第一电荷转移阶段T3和所述第二电荷转移阶段T4时，所述第一输出端215和所述第二输出端217的差值可如下方公式十五所示。
Figure BDA0003524359800000143
从上述公式十五中可以看出，所述全差分放大器21的所述第一输出端215的电压和所述第二输出端217的电压存在共模电压，所述共模电压为所述高电平信号NVDDA的一半。如图9所示，通过调整所述电源电压VDC_OS的电压值，所述第一输出信号VOUTP在第一预设值和第二预设值之间呈递减线性变化，所述第二输出信号VOUTN从第三预设值和第四预设值之间呈递增线性变化。其中，所述第一预设值大于所述第二预设值；所述第三预设值小于所述第四预设值。在本发明的至少一个实施方式中，所述第一预设值和所述第四预设值可以相等，所述第二预设值和所述第三预设值可以相等。
上述所述指纹检测放大电路20b以及所述指纹识别装置100，所述指定电压域的所述低电平信号NVSS为浮动信号，在所述低电平信号NVSS的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器21输出信号，以提高所述指纹检测放大电路20b的输出增益。即，相较于常规差分放大器在相同的积分操作次数下，采用所述全差分放大器21的输出信号的增益增加一倍。同时，可提高所述指纹检测放大电路20b的共模噪声抑制能力，可有效降低噪音，进而提高所述指纹检测放大电路20b的信噪比。另外，通过将所述第一反馈电路25b和所述第二反馈电路27b受控于所述电源电压VDC_OS，可实现所述第一输出端215从最高值呈递减变化，所述第二输出端217的电压可从最低值呈递增变化，充分利用指纹检测放大电路20b的动态电压范围。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种指纹检测放大电路，用于检测感测电极与手指之间形成的感测电容的电容值转换为电压信号；其特征在于，所述指纹检测放大电路包括：
全差分放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端；
开关组，电性连接在所述感测电极和所述全差分放大器之间，用于控制所述第一输入端与所述第二输入端交替与所述感测电极电性连接；
第一反馈电路，与所述第一输入端和所述第一输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第一输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；以及
第二反馈电路，与所述第二输入端和所述第二输出端的两端电性连接，用于对输入至所述第二输入端的所述感测电容的电容值转换为电压信号后进行积分；
所述指纹检测放大电路内的信号工作在指定电压域；在所述指定电压域中的低电平信号为浮动信号，且在控制信号的控制下进行切换；所述低电平信号可在第一低电压和第二低电压之间切换；其中，所述第一低电压大于第二低电压；所述低电平信号在所述第一低电压和所述第二低电压之间切换时，所述全差分放大器的第一输出端和所述第二输出端交替输出；所述第一输出端的电压和所述第二输出端的电压具有共模电压。
2.如权利要求1所述的指纹检测放大电路，其特征在于，所述指纹检测放大电路工作在重置阶段、预充电阶段、第一电荷转移阶段以及第二电荷转移阶段；所述指纹检测放大电路首先依次工作在所述重置阶段和所述预充电阶段，然后所述指纹检测放大电路交替工作在第一电荷转移阶段和所述第二电荷转移阶段；所述低电平信号的上升沿或下降沿控制所述指纹检测放大电路在所述第一电荷转移阶段和所述第二电荷转移阶段之间切换。
3.如权利要求2所述的指纹检测放大电路，其特征在于，在所述第一电荷转移阶段，所述指纹检测放大电路将所述感测电容的电容值转换为电压信号后执行一次积分操作，并通过所述第一输出端输出所述感测电压；在所述第二电荷转移阶段，所述指纹检测放大电路对所述感测电容的电容值转换为电压信号后执行一次积分操作，并通过所述第二输出端输出所述感测电压。
4.如权利要求2所述的指纹检测放大电路，其特征在于，在所述第一电荷转移阶段，所述第一反馈电路控制所述第一输出端的电压以所述共模电压为起点呈线性变化；在所述第二电荷转移阶段，所述第二反馈电路控制所述第二输出端的电压以所述共模电压为起点呈线性变化。
5.如权利要求4所述的指纹检测放大电路，其特征在于，所述第一反馈电路包括第一反馈电容以及第一主控制开关；所述第一反馈电容的两端分别与所述第一输入端和所述第一输出端电性连接；所述第一主控制开关的两端分别与所述第一输入端和所述第一输出端电性连接；所述第二反馈电路包括第二反馈电容以及第二主控制开关；所述第二反馈电容的两端分别与所述第二输入端和所述第二输出端电性连接；所述第二主控制开关的两端分别与所述第二输入端和所述第二输出端电性连接；所述第一主控制开关和所述第二主控制开关均受控于重置信号。
6.如权利要求4所述的指纹检测放大电路，其特征在于，所述第一输出端的电压递减变化，所述第二输出信号为递增变化。
7.如权利要求2所述的指纹检测放大电路，其特征在于，在所述第一电荷转移阶段，所述第一反馈电路控制所述第一输出端的电压在第一预设值和第二预设值之间呈线性变化；在所述第二电荷转移阶段，所述第二反馈电路控制所述第二输出端的电压在第三预设值和第四预设值之间呈线性变化；其中，所述第一预设值大于所述第二预设值；所述第三预设值小于所述第四预设值。
8.如权利要求7所述的指纹检测放大电路，其特征在于，所述第一反馈电路包括第一反馈电容、第一主控制开关、第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关以及第四辅助开关；所述第一主控制开关的两端分别与所述第一输入端和所述第一输出端电性连接；所述第一反馈电容的一端通过所述第一辅助开关与所述第一输入端电性连接，且通过所述第三辅助开关接收所述低电平信号；所述第一反馈电容的另一端通过所述第二辅助开关与所述第一输出端电性连接，且通过所述第四辅助开关接收电源电压；所述第一主控制开关、所述第三辅助开关以及所述第四辅助开关受控于重置信号；所述第一辅助开关以及所述第二辅助开关受控于反向重置信号；所述第二反馈电路包括第二反馈电容、第二主控制开关、第五辅助开关、第六辅助开关、第七辅助开关以及第八辅助开关；所述第二主控制开关的两端分别与所述第二输入端和所述第二输出端电性连接；所述第二反馈电容的一端通过所述第五辅助开关与所述第二输入端电性连接，且通过所述第七辅助开关接收所述低电平信号；所述第二反馈电容的另一端通过所述第六辅助开关与所述第二输出端电性连接，且通过所述第八辅助开关接收所述电源电压；所述第二主控制开关、所述第七辅助开关以及所述第八辅助开关受控于重置信号；所述第五辅助开关以及所述第六辅助开关受控于反向重置信号；所述重置信号和所述反向重置信号为互补的脉冲信号。
9.如权利要求7所述的指纹检测放大电路，其特征在于，所述共模电压大于所述第一输出端的最小值且小于所述第一输出端的最大值；所述共模电压大于所述第二输出端的最小值且小于所述第二输出端的最大值。
10.一种指纹识别装置，包括指纹感测电路、指纹检测放大电路、数模转换电路以及数据处理电路；其特征在于，所述指纹检测放大电路采用如权利要求1至9中任意一项所述的所述指纹检测放大电路。
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