CN115601795B - 电容指纹检测电路、电容指纹检测装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电容指纹检测电路、电容指纹检测装置和电子设备，能够采集到更多的指纹信息，具有更好的检测性能。所述电容指纹检测电路用于检测感应极板上方的手指与所述感应极板之间形成的待测电容，包括：驱动电路，与所述感应极板连接，用于对所述待测电容进行充放电；运算放大器，与所述感应极板连接，用于接收所述待测电容转移的电荷量，以将所述待测电容的电容信号转换为电压信号，所述电压信号用于获取所述手指的指纹图案；电容器电路，与所述运算放大器连接，用于存储所述待测电容向所述运算放大器转移的电荷量，并用于在所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量之前，调整所述运算放大器的初始输出电压。

Description

电容指纹检测电路、电容指纹检测装置和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及指纹识别领域，并且更具体地，涉及一种电容指纹检测电路、电容指纹检测装置和电子设备。

背景技术

电容指纹识别技术是通过检测手指不同位置与感应基板之间的电容的差异，确定手指的指纹图案。电容指纹识别的性能与电容指纹检测电路能够采集到的指纹信息的多少密切相关，因此，如何使电容指纹检测电路采集到更多的指纹信息，以提升电容指纹检测的性能，成为需要解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种电容指纹检测电路、电容指纹检测装置和电子设备，能够采集到更多的指纹信息，具有更好的检测性能。

第一方面，提供一种电容指纹检测电路，所述电容指纹检测电路用于检测感应极板上方的手指与所述感应极板之间形成的待测电容，包括：驱动电路，与所述感应极板连接，用于对所述待测电容进行充放电；运算放大器，与所述感应极板连接，用于接收所述待测电容转移的电荷量，以将所述待测电容的电容信号转换为电压信号，所述电压信号用于获取所述手指的指纹图案；电容器电路，与所述运算放大器连接，用于存储所述待测电容向所述运算放大器转移的电荷量，并用于在所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量之前，调整所述运算放大器的初始输出电压。

本申请实施例中，在电容指纹检测电路中设置了与运算放大器连接的电容器电路，不仅能够存储待测电容向运算放大器转移的电荷量，还能够在电荷转移之前对运算放大器的初始输出电压进行调整，以改善运算放大器输出的动态范围。这样，就能够提升电荷转移的次数，以采集更多的指纹信息，提升指纹检测的性能。

在一种实现方式中，所述电容器电路包括至少一个电容器、以及与所述至少一个电容器连接的开关单元，所述至少一个电容器用于存储所述待测电容向所述运算放大器转移的电荷量，所述开关单元用于在所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量之前，控制对所述至少一个电容器的充放电，以调整所述初始输出电压。

由于电容器电路中的至少一个电容器既能够实现存储电荷的功能，又能够在开关单元的控制下进行充放电以实现对初始输出电压的调整，即复用积分电容实现了电压变换功能，因此节省了电路面积，降低了成本。

在一种实现方式中，所述至少一个电容器包括第一电容器和第二电容器，所述开关单元包括第一开关、第二开关和第三开关。其中，所述第一开关连接在所述运算放大器的第一输入端和地之间，所述第一电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第一电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，所述第二开关连接在所述第一电容器的第一端与所述第二电容器的第一端之间，所述第二电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，第三开关连接在所述第二电容器的第一端和第一预定电压之间。

在一种实现方式中，所述初始输出电压为：

；其中，V_OUT0为所述初始输出电压，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V_DD为电源电压，V_TX为所述第一预定电压，C0为所述第一电容器的电容值，C1为所述第二电容器的电容值。

在一种实现方式中，所述第一预定电压等于所述电容指纹检测电路的电源电压。

在一种实现方式中，所述至少一个电容器包括第一电容器和第二电容器，所述开关单元包括第一开关、第二开关和第三开关。其中，所述第一开关连接在所述运算放大器的第一输入端和输出端之间，所述第一电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第一电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，所述第二电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第二开关连接在所述第二电容器的第二端和所述运算放大器的输出端之间，所述第三开关连接在所述第二电容器的第二端与电源电压之间。

在一种实现方式中，所述初始输出电压为：；其中，V_OUT0为所述初始输出电压，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V_DD为所述电源电压，C0为所述第一电容器的电容值，C1为所述第二电容器的电容值。

在一种实现方式中，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：在第一时段，控制所述第一开关和所述第三开关闭合，所述第二开关断开；在第二时段，控制所述第一开关和所述第三开关断开，所述第二开关闭合。

在一种实现方式中，所述第一电容器的第一端为所述第一电容器的下极板，所述第一电容器的第二端为所述第一电容器的上极板；所述第二电容器的第一端为所述第二电容器的下极板，所述第二电容器的第二端为所述第二电容器的上极板；所述运算放大器的第一输入端为所述运算放大器的负输入端，所述运算放大器的第二输入端为所述运算放大器的正输入端。

在一种实现方式中，所述驱动电路包括充放电开关，所述充放电开关连接在所述感应极板和第一预定电压之间，所述感应极板与所述运算放大器之间连接有电荷转移开关，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：在第三时段，控制所述充放电开关闭合、所述电荷转移开关断开，以由所述第一预定电压向所述待测电容充电；在第四时段，控制所述充放电开关断开、所述电荷转移开关闭合，以使所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量。

在一种实现方式中，所述电容指纹检测电路与所述感应极板之间设置有屏蔽层，所述屏蔽层与所述感应极板之间形成第一寄生电容，所述电容指纹检测电路还包括屏蔽层电路，所述屏蔽层电路与所述屏蔽层连接，用于阻止所述第一寄生电容向所述运算放大器转移电荷量。

由于增加了屏蔽层电路，在待测电容向运算放大器转移电荷的过程中，屏蔽层电路能够阻止屏蔽层与感应基板之间的第一寄生电容不向外传递电荷，避免第一寄生电容影响对待测电容的检测，并且还能够消除电容偏差引起的电容指纹检测单元阵列的一致性问题。

在一种实现方式中，所述屏蔽层电路包括第四开关和第五开关，所述第四开关连接在第一预定电压和所述屏蔽层之间，所述第五开关连接在第二预定电压与所述屏蔽层之间，所述第二预定电压等于所述运算放大器的第二输入端的电压。

在一种实现方式中，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：在第三时段，控制所述第四开关闭合，所述第五开关断开；在第四时段，控制所述第四开关断开，所述第五开关闭合。

在一种实现方式中，所述电容指纹检测电路还包括抵消电路，所述抵消电路与所述感应极板连接，所述抵消电路用于抵消所述感应极板与地之间形成的第二寄生电容。

由于增加了抵消电路，在待测电容向运算放大器转移电荷的过程中，抵消电路能够抵消感应极板与屏蔽层之间的第一寄生电容、以及感应极板301与地之间的第二寄生电容上“无效”的电荷量向电容器电路转移，避免其占用运算放大器输出的动态范围，并且还能够调整不同电容指纹检测单元之间的固定偏差，提升电容指纹检测单元阵列的一致性。

在一种实现方式中，所述抵消电路包括抵消电容、第六开关、第七开关、第八开关和第九开关，所述第七开关连接在所述抵消电容的第一端与第三预定电压之间，所述第八开关连接在所述抵消电容的第一端与第一预定电压之间，所述第九开关连接在所述抵消电容的第二端和地之间，所述第六开关连接在所述抵消电容的第二端和所述感应极板之间。

在一种实现方式中，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：在第三时段，控制所述第八开关和第九开关闭合，所述第六开关和所述第七开关断开；在第四时段，控制所述第八开关和所述第九开关断开，所述第六开关和所述第七开关闭合。

在一种实现方式中，所述第三预定电压为：

；其中，V_DAC为所述第三预定电压，Cp1和Cp2分别为第一寄生电容和所述第二寄生电容的电容值，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V0为第二预定电压，Cx为所述抵消电容的电容值，V_TX为第一预定电压。

在一种实现方式中，所述抵消电容的第一端为所述抵消电容的下极板，所述抵消电容的第二端为所述抵消电容的上极板。

在一种实现方式中，所述运算放大器为斩波运算放大器。

在一种实现方式中，所述运算放大器输出的所述电压信号为：V_OUT=V_OUT0-N*△V_OUT；其中，V_OUT为所述电压信号，V_OUT0为所述初始输出电压，N为所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量的次数，△V_OUT为单次转移电荷量前后所述运算放大器输出的电压差，N为大于1的正整数。

第二方面，提供一种电容指纹检测装置，包括：多个第一方面或第一方面的任一实现方式中所述的电容指纹检测电路组成的阵列；以及处理电路，用于根据多个电容指纹检测电路输出的电压信号，获取手指的指纹图案。

第三方面，提供一种电子设备，包括第二方面或第二方面的任一实现方式中所述的电容指纹检测装置。

附图说明

图1是电容指纹检测的原理的示意图。

图2是本申请实施例的电容指纹检测电路的示意图。

图3是图2所示的电容指纹检测电路的一种可能的具体实现方式的等效电路图。

图4是图3所示的电容指纹检测电路中开关的时序图。

图5是图3所示的电容指纹检测电路中电容器电路的另一种可能的实现方式的示意图。

图6是图3所示的电容指纹检测电路中电容器电路的另一种可能的实现方式的示意图。

图7是电容指纹检测电路形成的阵列的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

图1示出了电容指纹检测的原理，当手指200按压电容指纹识别装置100的表面时，指纹谷与感应极板之间的电容Cf1、以及指纹脊与感应极板之间的电容Cf2之间存在差异，电容指纹检测电路100通过检测手指不同位置与感应极板之间的电容的差异，便可以得到手指的指纹图案。

图2示出了本申请实施例的电容指纹检测电路100。电容指纹检测电路100用于检测感应极板301上方的手指200与感应极板302之间形成的待测电容201。如图2所示，电容指纹检测电路100包括驱动电路110、运算放大器120和电容器电路130。

其中，驱动电路110与感应极板301连接，用于对待测电容201进行充放电；运算放大器120与感应极板301连接，用于接收待测电容201转移的电荷量，以将待测电容201的电容信号转换为电压信号V_OUT。

电容器电路130与运算放大器120连接，用于存储待测电容201向运算放大器120转移的电荷量，并用于在待测电容201向运算放大器120转移电荷量之前，调整运算放大器120的初始输出电压V_OUT0。

例如，如图2所示，驱动电路110包括充放电开关S10，充放电开关S10连接在感应极板301和第一预定电压V_TX之间，感应极板301与运算放大器120之间连接有电荷转移开关S11。

电容指纹检测电路100还包括控制电路160，其中，控制电路160用于：控制充放电开关S10闭合、电荷转移开关S11断开，以对向待测电容201充电；以及，控制充放电开关S10断开、电荷转移开关S11闭合，以使待测电容201的电荷量进行重新分配，从而对运算放大器120的初始输出电压V_OUT0进行调整。

本申请实施例中的指纹检测过程包括电荷转移阶段、以及位于电荷转移阶段之前的电压变换阶段。在电压变换阶段，电容器电路130用于实现电压变换的功能，以对运算放大器120的输出电压进行复位并提供初始输出电压V_OUT0；在电荷转移阶段，电容器电路130用于实现积分电路的功能，驱动电路110向待测电容201注入电荷并将其转移至电容器电路130中进行存储，最终由运算放大器120输出与该电荷量对应的电压信号V_OUT。由于电压信号V_OUT与手指的指纹信息相关联，因此可以基于电压信号V_OUT确定手指的指纹图案。

其中，在电荷转移阶段，控制电路160通过控制充放电开关S10和电荷转移开关S11，可以使待测电容201向运算放大器120进行多次电荷转移，相当于对指纹信息进行了多次采集，能够获取更多的指纹信息，提高指纹识别的精度。

通常，可以采用“向上积分”或者“向下积分”的方式累积多次转移的电荷量，本申请实施例是以“向下积分”为例进行描述。在进行指纹检测时，若采用“向下积分”，运算放大器120输出的电压信号V_OUT=V_OUT0-N*△V_OUT，其中，V_OUT0为运算放大器120的初始输出电压，即积分起始电压，N为待测电容201器向运算放大器120进行电荷转移的次数，N为大于1的正整数，△V_OUT为每次电荷转移前后运算放大器120输出的电压差，也称打码电压差。

运算放大器120输出的电压信号V_OUT通常应当高于地，且低于电容指纹检测电路100的电源电压V_DD。N越大，电容器电路130累积的电荷量越多，采集到的指纹信息越多。因此，在保证运算放大器120输出的电压信号V_OUT位于地与电源电压V_DD之间的情况下，需要增大运算放大器120的初始输出V_OUT0，才能提升运算放大器120输出的动态范围，进而增加所能够采集指纹信息的次数，即电荷转移的次数N。

从图2可以看出，根据电荷守恒，待测电容201向运算放大器120单次转移的电荷量为-Cf*(V1-V_TX)=Cf*(V_TX-V1)，其中，Cf为待测电容201的电容值，V1为运算放大器120的第二输入端（例如正输入端“+”）的电压，即共模电压。可见，增加打码电压差即V_TX与V1之间的电压差，例如增大V_TX和减小V1，能够提高单次转移的电荷量，其中，第一预定电压V_TX最高可以增加至等于电源电压V_DD，而减小共模电压V1会压缩运算放大器120输出的动态范围，从而限制电荷转移的次数N。

为此，本申请实施例的电容指纹检测电路100中设置有电容器电路130，电容器电路130跨接在运算放大器的第一输入端和输出端之间，其不仅能够用于存储待测电容201向运算放大器120转移的电荷量，还能够在电荷转移之前对运算放大器120的初始输出电压V_OUT0进行调整，以改善运算放大器120输出的动态范围。例如，如图2所示，电容器电路130能够作为电荷泵电路，在电荷转移之前对运算放大器120的输出电压进行复位，这样，在降低共模电压V1的同时，还能够将运算放大器120的初始输出电压V_OUT0复位到较高水平，提升了运算放大器120输出的动态范围，既提高了单次转移的电荷量，又能够增加电荷转移的次数N，因此能够获取更多的指纹信息，无需额外设置高压打码芯片，即节约了物料成本，又节省了空间，且能够适用于厚盖板。

如图2所示，为了避免电容指纹检测电路100对感应极板301造成影响，在感应极板301与电容指纹检测电路100之间设置有屏蔽层302。屏蔽层302与感应极板301之间会形成第一寄生电容202。同时，感应极板301与地之间会形成第二寄生电容203。在待测电容201向运算放大器120转移电荷的过程中，第一寄生电容202和第二寄生电容203中不携带指纹信息，第一寄生电容202和第二寄生电容203上的电荷量属于“无效”的电荷量，会占用运算放大器120输出的动态范围。为此，如图2所示，本申请实施例的电容指纹检测电路100中还设置有屏蔽层电路140和抵消电路150，以消除第一寄生电容202和第二寄生电容203对指纹检测的影响。

以下，结合图3，对电容指纹检测电路100检测待测电容201的过程进行详细描述。图3为图2中电容指纹检测电路100的等效电路图，图3中未示出屏蔽层302和控制电路160。

在一种实现方式中，电容器电路130包括至少一个电容器、以及与至少一个电容器连接的开关单元，该至少一个电容器用于存储待测电容201向运算放大器120转移的电荷量，该开关单元用于在待测电容201向运算放大器120转移电荷量之前，控制对该至少一个电容器的充放电，以调整运算放大器120的初始输出电压V_OUT0。电容器电路130中的至少一个电容器既能够作为积分电容器以存储待测电容201转移的电荷量，又能够在开关单元的控制下进行充放电以实现对初始输出电压V_OUT0的调整。可见，本申请利用电荷泵原理实现对初始输出电压V_OUT0的调整，且复用积分电容器实现了电荷泵的功能，既节省了电路面积，又降低了成本。

例如，如图3所示，电容器电路130中的该至少一个电容器包括第一电容器131和第二电容器132，该开关单元包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3。其中，第一开关S1连接在运算放大器120的第一输入端和地之间，第一电容器131的第一端连接运算放大器120的第一输入端，第一电容器131的第二端连接运算放大器120的输出端，第二开关S2连接在第一电容器131的第一端与第二电容器132的第一端之间，第二电容器132的第二端连接运算放大器120的输出端，第三开关S3连接在第二电容器132的第一端和第一预定电压V_TX之间。

作为示例，图3中所示的第一电容器131的第一端为第一电容器131的下极板，第一电容器131的第二端为第一电容器131的上极板；第二电容器132的第一端为第二电容器132的下极板，第二电容器132的第二端为第二电容器132的上极板；运算放大器120的第一输入端为运算放大器120的负输入端，负输入端“-”的电压记作V_IN，运算放大器120的第二输入端为运算放大器120的正输入端“+”，正输入端的电压记作V1。

如图4所示的图3中电容指纹检测电路100的开关时序图，电压变换阶段包括第一时段t1~t2和第二时段t3~t4，其中，在第一时段t1~t2，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2断开。这时，第一电容器131的下极板接地，第二电容器132的下极连接至第一预定电压V_TX，由于运算放大器120的第一输入端（例如负输入端“-”）接地，运算放大器120输出高电平即V_DD，因此第一电容器131和第二电容器132的上极板的电压是V_DD，运算放大器120对第一电容器131和第二电容器132的上极板进行充电。

在第二时段t3~t4，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3断开，第二开关S2闭合。运算放大器120与第一电容器131和第二电容器132形成积分电路，第一电容器131和第二电容器132上的电荷进行再分配，确定了运算放大器120的起始输出电压V_OUT0。根据运算放大器120的虚短虚断的特性，第一输入端的电压V_IN将上升至等于第二输入端（例如正输入端“+”）的电压V1，并且，根据第一电容器131和第二电容器132的下极板的电荷守恒，可以得到：

（1）；

根据公式（1），可以得到运算放大器120的初始输出电压V_OUT0为：

（2）；

其中，V_OUT0为运算放大器120的初始输出电压，V1为运算放大器120的第二输入端的电压，V_DD为电源电压，V_TX为第一预定电压，C0为第一电容器131的电容值，C1为第二电容器132的电容值。

第一预定电压V_TX不会超过电源电压V_DD，即V1≤V_DD，如前所述，为了增加打码电压差即V_TX与V1之间的电压差，优选地，第一预定电压V_TX最大可以设置为等于电源电压V_DD。从公式（2）中可以看出，C1/(C0+C1)＜1，因此V_OUT0＞V1。

第一时段t1~t2和第二时段t3~t4之间可以留有缓冲时段t2~t3，为开关切换操作预留时间。

可见，相关技术中采用单位增益的运算放大器，即运算放大器的输出端与负输入端短接，其初始输出电压V_OUT0仅为运算放大器的共模电压V1，而本申请实施例中，运算放大器120的第一输入端与输出端之间跨接有电容器电路130，电容器电路130实现了电荷泵的电压倍增功能，能够提高运算放大器120的初始输出电压V_OUT0，从而在电容器电路130收集待测电容201转移的电荷量时有更大的电压空间。

图3所示的电容器电路130还可以具有其他结构，例如，在其他实现方式中，电容器电路130中的该至少一个电容器包括第一电容器131和第二电容器132，该开关单元包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3。其中，第一开关S1连接在运算放大器120的第一输入端（例如负输入端“-”）和输出端之间，第一电容器131的第一端连接运算放大器120的第一输入端，第一电容器131的第二端连接运算放大器120的输出端，第二电容器132的第一端连接运算放大器120的第一输入端，第二开关S2连接在第二电容器132的第二端和运算放大器120的输出端之间，第三开关S3连接在第二电容器132的第二端与电源电压V_DD之间。

作为示例，图5中所示的第一电容器131的第一端为第一电容器131的下极板，第一电容器131的第二端为第一电容器131的上极板；第二电容器132的第一端为第二电容器132的下极板，第二电容器132的第二端为第二电容器132的上极板；运算放大器120的第一输入端为运算放大器120的负输入端，负输入端“-”的电压记作V_IN，运算放大器120的第二输入端为运算放大器120的正输入端“+”，正输入端的电压记作V1。

如图4所示的图5中电容器电路130的开关时序图，电压变换阶段包括第一时段t1~t2和第二时段t3~t4，在第一时段t1~t2，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2断开。这时，运算放大器120被连接形成单增益运算放大器，即第一电容器131和第二电容器132的下极板的电压均为运算放大器的共模电压V1，第一电容器131的上极板的电压也为共模电压V1，而第二电容器132的上极板的电压为电源电压V_DD。在第二时段t3~t4，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3断开，第二开关S2闭合，根据第一电容器131和第二电容器132的下极板的电荷守恒，可以得到：

（3）；

根据公式（3），可以得到运算放大器120的初始输出电压V_OUT0为：

（4）；

其中，V1为运算放大器120的第二输入端的电压，V_DD为电源电压，C0为第一电容器131的电容值，C1为第二电容器132的电容值。

同样，从公式（4）可以看出，由于与V_DD≥V1，因此V_OUT0＜V1，电容器电路130实现了电荷泵的电压倍增功能，提高了运算放大器120的初始输出电压V_OUT0，从而在电容器电路130收集待测电容201转移的电荷量时有更大的电压空间。

本申请实施例中，运算放大器120例如可以为斩波运算放大器120，以消除运放失调电压的影响。

在电压变换阶段t1~t4，控制单元160控制电容器电路130将运算放大器120的初始输出电压V_OUT0调整至较高水平；之后，进入电荷转移阶段t4~t7，控制单元160控制驱动电路110、屏蔽层电路140和抵消电路150，以对待测电容201充电并将待测电容201中的电荷转移至电容器电路130进行累积，并由运算放大器120输出相应的电压信号V_OUT。最后，读出电路依次读出电容指纹检测单元阵列中各个电容指纹检测单元中的运算放大器120输出的电压信号V_OUT，根据不同电容指纹检测单元之间V_OUT的差异，便可以获取不同电容指纹检测单元的待测电容201的电容值Cf，从而获取手指的指纹图案。

如图4所示，在电压变换阶段t1~t4之后，电荷转移阶段t4~t7包括第三时段t4~t5和第四时段t5~t6。在第三时段t4~t5，控制电路160控制充放电开关S10闭合、电荷转移开关S11断开，对待测电容201进行充电；在第四时段t5~t6，控制电路160控制充放电开关S10断开、电荷转移开关S11闭合，待测电容201的电荷进行转移。其中，如图4所示，电荷转移阶段t4~t7可以包括多组第三时段t4~t5和第四时段t5~t6，第三时段t4~t5和第四时段t5~t6交替，每经历一组第三时段t4~t5和第四时段t5~t6，就能够完成一次电荷转移，经过N次电荷转移后电容器电路130中的第一电容器131和第二电容器132上可以累积足够的电荷量，从而获得足够的指纹信息。

由于屏蔽层302与感应极板301之间形成第一寄生电容202，为了消除第一寄生电容202上“无效”的电荷量转移至电容器电路130而占用运算放大器120输出的动态范围，在一些实现方式中，电容指纹检测电路100还包括屏蔽层电路140，屏蔽层电路140与屏蔽层302连接，用于阻止第一寄生电容202向运算放大器120转移电荷量。

作为示例，如图3所示，屏蔽层电路140包括第四开关S4和第五开关S5，第四开关S4连接在第一预定电压V_TX和屏蔽层302之间，第五开关S5连接在第二预定电压V0与屏蔽层302之间，第二预定电压V0等于运算放大器120的第二输入端（例如正输入端“+”）的电压V1。

如图4所示，在第三时段t4~t5，控制电路160控制第四开关S4闭合，第五开关S5断开，第一寄生电容202两端的电压均为V_TX；在第四时段t5~t6，控制电路160控制第四开关S4断开，第五开关S5闭合，这时，第一寄生电容202上的电荷量会向电容器电路130转移。

但是，通过合理地设置第二预定电压V0，使其等于运算放大器120的第二输入端的电压V1，在待测电容201向运算放大器120转移电荷的过程中，屏蔽层电路140能够阻止屏蔽层302与感应基板301之间的第一寄生电容202不向外传递电荷，避免第一寄生电容202影响对待测电容201的检测，并且还能够消除电容偏差引起的电容指纹检测单元阵列的一致性问题。

此外，感应极板301与地之间形成第二寄生电容203，为了消除第二寄生电容203上“无效”的电荷量转移至电容器电路130而占用运算放大器120输出的动态范围，在一些实现方式中，电容指纹检测电路100还包括抵消电路150，抵消电路150与感应极板301连接，用于抵消感应极板301与地之间形成的第二寄生电容203。

作为示例，如图3所示，抵消电路150包括抵消电容204、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8和第九开关S9，第七开关S7连接在抵消电容204的第一端与第三预定电压V_DAC之间，第八开关S8连接在抵消电容204的第一端与第一预定电压V_TX之间，第九开关S9连接在抵消电容204的第二端和地之间，第六开关S6连接在抵消电容204的第二端和感应极板301之间。其中，图3作为示例，抵消电容204的第一端为抵消电容204的下极板，抵消电容204的第二端为抵消电容204的上极板。

如图4所示，在第三时段t4~t5，控制电路160控制第八开关S8和第九开关S9闭合，第六开关S6和第七开关S7断开，第二寄生电容203的上极板的充电电压为V_TX，抵消电容204的上极板接地，抵消电容204的下极板接V_TX；在第四时段t5~t6，控制第八开关S8和第九开关S9断开，第六开关S6和第七开关S7闭合，第二寄生电容203和抵消电容204上的电荷转移至电容器电路130。通过合理地设置第三预定电压V_DAC的大小，可以使抵消电容204和第二寄生电容203向运算放大器120转移极性相反的电荷，或者说是向相反的方向转移电荷量，例如，第二寄生电容203向运算放大器120转移正电荷，而抵消电容204向运算放大器120转移等量的负电荷，从而抵消第二寄生电容203向电容器电路130转移的电荷量。

由于增加了抵消电路150，在待测电容201向运算放大器120转移电荷的过程中，抵消电路150能够抵消感应极板301与地之间的第二寄生电容203向外传递的电荷量，避免第二寄生电容203影响对待测电容201的检测，并且还能够调整不同电容指纹检测单元之间的固定偏差，提升电容指纹检测单元阵列的一致性。

在上述过程中，除了待测电容201中的电荷是携带指纹信息的有效信号量，第一寄生电容202和第二寄生电容203上的电荷都是无效信号量且会占用电容器电路130的电荷存储空间，这部分“无效”的电荷量需要被清除。在第三时段t4~t5，控制电路160控制充放电开关S10、第四开关S4、第八开关S8和第九开关S9闭合，电荷转移开关S11、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7断开，待测电容201的上极板、第二寄生电容203的上极板充电电压都为V_TX，第一寄生电容202两端的电压均为V_TX，抵消电容204的上极板接地，抵消电容204的下极板接V_TX；在第四时段t5~t6，控制电路160控制充放电开关S10、第四开关S4、第八开关S8和第九开关S9断开，电荷转移开关S11、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7闭合，待测电容201、第一寄生电容202、第二寄生电容203和抵消电容204的电荷将转移至第一电容器131和第二电容器132上，根据电荷守恒，可以得到：

（5）；

根据公式（5），可以得到每次电荷转移所引起的运算放大器120的输出电压的变化量△V_OUT为：

（6）；

经过N次电荷转移，运算放大器120的输出电压V_OUT为：

（7）；

根据公式（2）、公式（6）和公式（7）可以得到：

（8）；

从公式（8）可以看出，为了避免第一寄生电容202贡献电荷量，可以设置V0=V1；或者，为了避免第二寄生电容203贡献电荷量，可以设置第三预定电压为：

（9）；

其中，V_DAC为第三预定电压，Cp1和Cp2分别为第一寄生电容202的电容值和第二寄生电容203的电容值，V1为运算放大器120的第二输入端（例如正输入端“+”）的电压，V0为第二预定电压，Cx为抵消电容204的电容值，V_TX为第一预定电压。

可以理解，设置V0=V1能够有效避免第一寄生电容202向外释放电荷量；设置能够利用抵消电容204对第一寄生电容202和第二寄生电容203向外释放的电荷量进行抵消。

这时，可以在电容指纹检测电路100中同时设置屏蔽层电路140和抵消电路150，并设置V0=V1以及，从而利用屏蔽层电路140和抵消电路150分别消除第一寄生电容202和第二寄生电容203的影响；或者，可以仅在电容指纹检测电路100中设置抵消电路150，而不设置屏蔽层电路140，利用抵消电路150中的抵消电容204同时抵消第一寄生电容202和第二寄生电容203产生的电荷量，这时，。

从上述的公式（7）中的可以看出，为了提升运算放大器120的输出电压V_OUT，需要增加V_OUT0的值、电荷转移次数N、以及△V_OUT的值，从而增加有效信号量，提高指纹检测的信噪比。

由于△V_OUT=Cf*(V_TX-V1)，为了增加V_OUT0的值，需要增大第一预定电压V_TX并降低共模电压V1，共模电压V1的减小会影响运算放大器120输出的动态范围，而本申请实施例中，电容器电路130能够起到电荷泵的作用以提升V_OUT0的值，增加运算放大器120输出的动态范围，使得能够通过减小V1来增大单次电荷转移时运算放大器120输出的打码电压差△V_OUT，且使得电荷转移次数N能够进一步增加。

同时，利用屏蔽层电路140和抵消电路150对第一寄生电容202和第二寄生电容203的电荷进行控制和抵消，能够减少无效信号量，增加运算放大器120接收到的有效信号量，提高指纹检测的信噪比。

在电荷转移阶段t4~t7之后，控制电路160在信号读出阶段t8~t9控制读出开关S12闭合，使运算放大器120输出的电压V_OUT被读取，并对读取的电压VO进行后续的数据处理。通过对比从不同电容指纹检测单元读取的电压VO之间的差异，就可以得到不同电容指纹检测单元的待测电容201之间的差异，从而获取手指的指纹图案。

信号读出阶段t8~t9和电荷转移阶段t4~t7之间可以留有缓冲时段t7~t8，为开关切换操作预留时间。

图3至图5均是以“向下积分”作为示例，电容器电路130用于提升运算放大器120的初始输出电压V_OUT0，以更多地收集待测电容201转移过来的正电荷；相反，当采用“向上积分”时，可以降低运算放大器120的初始输出电压V_OUT0，以更多地收集待测电容201转移过来的负电荷，同样能够实现采集更多指纹信息的目的，以提升电容指纹检测电路100的检测性能，也应当落入本申请的保护范围。

例如，如图6所示的电容器电路130，在电压变换阶段的第一时段t1~t2，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2断开。这时，运算放大器120被连接形成单增益运算放大器，第一电容器131两端的电压差为0，第二电容器132两端的电压差为V1，第一电容器131和第二电容器132的总电荷量为C1*V1。在电压变换阶段的第二时段t3~t4，控制电路160控制第一开关S1和第三开关S3断开，第二开关S2闭合，第一电容器131和第二电容器132并联，根据电荷守恒，可以得到：

（10）；

根据公式（10），可以得到运算放大器120的初始输出电压V_OUT0为：

（11）；

其中，V1为运算放大器120的第二输入端的电压，C0为第一电容器131的电容值，C1为第二电容器132的电容值。从公式（11）可以看出，V_OUT0＜V1，因此降低了运算放大器120的初始输出电压V_OUT0。

图7示出了由多个电容指纹检测单元形成的阵列10，由于手指的纹路凹凸不平导致其不同位置与感应极板301之间形成的待测电容201会有所差异，运算放大器120输出的电压大小可以直接反应出不同电容指纹检测单元对应的待测电容201的差异，据此便能够反映出指纹的纹路。运算放大器120和电容器电路130形成积分电路，用以对待测电容201转移的电荷进行多次累加，尽可能多地积累有效信号量。最后将运算放大器120输出的电压送至阵列10的行输出线并被读出。列选择电路20控制每一列或多列电容指纹检测电路100对各自对应的待测电容201进行电荷注入和转移，获取各个电容指纹检测电路100检测到的指纹信息，并且能够按照例如从左至右或从右至左的顺序，控制每一列电容指纹检测电路100的读出开关S12闭合，将每一列电容指纹检测电路100的积分数据送至所在的行输出线，而行数据选择电路30将每一行的输出数据按照例如从上至下或从下至上的顺序送至模数转换器（Analog Digital Converter，ADC）40进行模数转换，之后被送入数据处理器50后进行数据处理。

本申请还提供一种电容指纹检测装置，包括多个上述任一实现方式中的电容指纹检测电路100形成的阵列；以及处理电路，用于根据多个电容指纹检测电路100输出的电压信号，获取手指的指纹图案。

本申请还提供一种电子设备，包括上述任一实现方式中的电容指纹检测装置。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机（Automated Teller Machine，ATM）等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分功能的设备，例如智能手表或智能眼镜等，以及包括只专注于某一类应用功能并且需要和其它设备如智能手机配合使用的设备，例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

本申请实施例中所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例的一些特征可以忽略或者不执行。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统。另外，各单元之间的耦合或各个组件之间的耦合可以是直接耦合，也可以是间接耦合，上述耦合包括电的、机械的或其它形式的连接。

本领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程以及产生的技术效果，可以参考前述方法实施例中对应的过程和技术效果，在此不再赘述。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路用于检测感应极板上方的手指与所述感应极板之间形成的待测电容，包括：

驱动电路，与所述感应极板连接，用于对所述待测电容进行充放电；

运算放大器，与所述感应极板连接，用于接收所述待测电容转移的电荷量，以将所述待测电容的电容信号转换为电压信号，所述电压信号用于获取所述手指的指纹图案；

电容器电路，与所述运算放大器连接，用于存储所述待测电容向所述运算放大器转移的电荷量，并用于在所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量之前，调整所述运算放大器的初始输出电压；

其中，所述电容器电路包括至少一个电容器、以及与所述至少一个电容器连接的开关单元，所述至少一个电容器用于存储所述待测电容向所述运算放大器转移的电荷量，所述开关单元用于在所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量之前，控制对所述至少一个电容器的充放电，以调整所述初始输出电压。

2.根据权利要求1所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述至少一个电容器包括第一电容器和第二电容器，所述开关单元包括第一开关、第二开关和第三开关，

其中，所述第一开关连接在所述运算放大器的第一输入端和地之间，所述第一电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第一电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，所述第二开关连接在所述第一电容器的第一端与所述第二电容器的第一端之间，所述第二电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，第三开关连接在所述第二电容器的第一端和第一预定电压之间。

3.根据权利要求2所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述初始输出电压为：

；

其中，V_OUT0为所述初始输出电压，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V_DD为电源电压，V_TX为所述第一预定电压，C0为所述第一电容器的电容值，C1为所述第二电容器的电容值。

4.根据权利要求2所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述第一预定电压等于所述电容指纹检测电路的电源电压。

5.根据权利要求1所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述至少一个电容器包括第一电容器和第二电容器，所述开关单元包括第一开关、第二开关和第三开关，

其中，所述第一开关连接在所述运算放大器的第一输入端和输出端之间，所述第一电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第一电容器的第二端连接所述运算放大器的输出端，所述第二电容器的第一端连接所述运算放大器的第一输入端，所述第二开关连接在所述第二电容器的第二端和所述运算放大器的输出端之间，所述第三开关连接在所述第二电容器的第二端与电源电压之间。

6.根据权利要求5所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述初始输出电压为：

；

其中，V_OUT0为所述初始输出电压，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V_DD为所述电源电压，C0为所述第一电容器的电容值，C1为所述第二电容器的电容值。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：

在第一时段，控制所述第一开关和所述第三开关闭合，所述第二开关断开；

在第二时段，控制所述第一开关和所述第三开关断开，所述第二开关闭合。

8.根据权利要求2至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述第一电容器的第一端为所述第一电容器的下极板，所述第一电容器的第二端为所述第一电容器的上极板；

所述第二电容器的第一端为所述第二电容器的下极板，所述第二电容器的第二端为所述第二电容器的上极板；

所述运算放大器的第一输入端为所述运算放大器的负输入端，所述运算放大器的第二输入端为所述运算放大器的正输入端。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述驱动电路包括充放电开关，所述充放电开关连接在所述感应极板和第一预定电压之间，所述感应极板与所述运算放大器之间连接有电荷转移开关，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：

在第三时段，控制所述充放电开关闭合、所述电荷转移开关断开，以由所述第一预定电压向所述待测电容充电；

在第四时段，控制所述充放电开关断开、所述电荷转移开关闭合，以使所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路与所述感应极板之间设置有屏蔽层，所述屏蔽层与所述感应极板之间形成第一寄生电容，所述电容指纹检测电路还包括屏蔽层电路，所述屏蔽层电路与所述屏蔽层连接，用于阻止所述第一寄生电容向所述运算放大器转移电荷量。

11.根据权利要求10所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述屏蔽层电路包括第四开关和第五开关，所述第四开关连接在第一预定电压和所述屏蔽层之间，所述第五开关连接在第二预定电压与所述屏蔽层之间，所述第二预定电压等于所述运算放大器的第二输入端的电压。

12.根据权利要求11所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：

在第三时段，控制所述第四开关闭合，所述第五开关断开；

在第四时段，控制所述第四开关断开，所述第五开关闭合。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路还包括抵消电路，所述抵消电路与所述感应极板连接，所述抵消电路用于抵消所述感应极板与地之间形成的第二寄生电容。

14.根据权利要求13所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述抵消电路包括抵消电容、第六开关、第七开关、第八开关和第九开关，所述第七开关连接在所述抵消电容的第一端与第三预定电压之间，所述第八开关连接在所述抵消电容的第一端与第一预定电压之间，所述第九开关连接在所述抵消电容的第二端和地之间，所述第六开关连接在所述抵消电容的第二端和所述感应极板之间。

15.根据权利要求14所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述电容指纹检测电路还包括控制电路，所述控制电路用于：

在第三时段，控制所述第八开关和第九开关闭合，所述第六开关和所述第七开关断开；

在第四时段，控制所述第八开关和所述第九开关断开，所述第六开关和所述第七开关闭合。

16.根据权利要求14所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述第三预定电压为：

；

其中，V_DAC为所述第三预定电压，Cp1和Cp2分别为第一寄生电容和所述第二寄生电容的电容值，V1为所述运算放大器的第二输入端的电压，V0为第二预定电压，Cx为所述抵消电容的电容值，V_TX为第一预定电压。

17.根据权利要求14所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述抵消电容的第一端为所述抵消电容的下极板，所述抵消电容的第二端为所述抵消电容的上极板。

18.根据权利要求1至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述运算放大器为斩波运算放大器。

19.根据权利要求1至6中任一项所述的电容指纹检测电路，其特征在于，所述运算放大器输出的所述电压信号为：

V_OUT=V_OUT0-N*△V_OUT；

其中，V_OUT为所述电压信号，V_OUT0为所述初始输出电压，N为所述待测电容向所述运算放大器转移电荷量的次数，△V_OUT为单次转移电荷量前后所述运算放大器输出的电压差，N为大于1的正整数。

20.一种电容指纹检测装置，其特征在于，包括：

多个根据权利要求1至19中任一项所述的电容指纹检测电路组成的阵列；以及，

处理电路，用于根据多个电容指纹检测电路输出的电压信号，获取手指的指纹图案。

21.一种电子设备，其特征在于，包括：根据权利要求20所述的电容指纹检测装置。

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