CN205507802U - 一种指纹检测电路及电容型指纹检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于集成电路领域，提供了一种指纹检测电路及电容型指纹检测装置，该电路包括：检测单元；积分器单元，其输入端与检测单元的输出端连接；ADC单元输入端与积分器单元的第二输出端连接；数据处理单元，其第一、二输入端分别与积分器单元的第一输出端、ADC单元的输出端连接，其检测反馈端与检测单元的控制端对应连接，其积分反馈端与积分器单元的控制端对应连接。本实用新型采用积分器加ADC对检测单元检测到的信号进行量化，提高了系统的信噪比、灵敏度和抗干扰能力，并且电路设计简单可靠，对ADC单元转换速率没有过高要求，从而降低系统的实现难度和工艺要求，降低成本。

Description

一种指纹检测电路及电容型指纹检测装置

技术领域

本实用新型属于集成电路领域，尤其涉及一种指纹检测电路及电容型指纹检测装置。

背景技术

目前，由于电容型指纹传感器使用方便快捷，而且具有很高的安全性，能够实现安全支付，被越来越多地应用于各种电子产品中，尤其是各种智能终端中。

现有的电容型指纹检测装置，不管是滑动式还是按压式，主要实现方法大多如图1所示，检测电路11得到的检测信号，或直接经过ADC单元12量化给数据处理单元13，或先对检测信号进行进一步处理后再给ADC单元12量化，而对检测信号进行处理一般是采用可编程增益放大器(PGA)和相关双采样(CDS)电路14，来提高信号的动态范围，去掉各种低频噪声。

但是，在实际电路和芯片实现中，如果直接对检测电路输出的检测信号进行量化，那么会降低系统的灵敏度，影响用户体验；而采用可编程增益放大器(PGA)和相关双采样(CDS)电路对检测信号进行处理，虽然可以提高系统的信噪比，但由于为了满足足够的响应速度，会提高对ADC单元转换速率的要求，从而增加了电路设计难度和对工艺的要求标准，增加了芯片的成本。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种指纹检测电路，旨在解决现有指纹检测灵敏度低，对ADC转换速率和工艺要求高的问题。

本实用新型实施例是这样实现的，一种指纹检测电路，所述电路包括：

检测指纹信号，输出表征指纹信息的检测电压信号的检测单元；

对所述检测电压信号进行采样和积分，对应生成数字检测信号和模拟检测信号的积分器单元，所述积分器单元的输入端与所述检测单元的输出端连接；

对所述模拟检测信号进行量化，生成量化信号的ADC单元，所述ADC单元的输入端与所述积分器单元的第二输出端连接；

对所述数字检测信号和所述量化信号进行处理，得到表征指纹信息的数字信号的数据处理单元，所述数据处理单元的第一输入端与所述积分器单元的第一输出端连接，所述数据处理单元的第二输入端与所述ADC单元的输出端连接，所述数据处理单元的多个检测反馈端分别与所述检测单元的多个控制端对应连接，所述数据处理单元的多个积分反馈端分别与所述积分器单元的多个控制端对应连接。

进一步地，所述检测单元包括：

电容指纹传感器、第一开关、第二开关、第三开关、电容C_F和放大器；

所述放大器的正向输入端连接预设共模电压，所述放大器的反向输入端与所述第一开关的一导通端连接，所述第一开关的另一导通端通过所述第三开关接地，所述第一开关的另一导通端还通过所述电容指纹传感器接地，所述放大器的反向输入端还通过第二开关与所述放大器的输出端连接，所述放大器的输出端为所述检测单元的输出端通过所述电容C_F与所述放大器的反向输入端连接，所述第一、第二、第三开关的控制端分别为所述检测单元的多个控制端。

更进一步地，所述第一、第二、第三开关均为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第一、第二、第三开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第一、第二、第三开关的控制端。

更进一步地，所述积分器单元包括：

积分器、电容C_S、电容C_D、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关和输出饱和抑制模块；

所述第四开关的一导通端为所述积分器单元的输入端，所述第四开关的另一导通端同时与所述电容C_S的一端和所述第六开关的一导通端连接，所述第六开关的另一导通端连接预设共模电压，所述电容C_S的另一端同时与所述第五开关的一导通端和所述第七开关的一导通端连接，所述第五开关的另一导通端与所述积分器的输入端连接，所述第七开关的另一导通端连接预设共模电压，所述第五开关的另一导通端还与电容C_D的一端连接，所述电容C_D的另一端同时与所述第八、第九、第十开关的一导通端连接，所述第八、第九、第十开关的另一导通端分别连接所述ADC单元的量程上限电压、预设共模电压、所述ADC单元的量程下限电压，所述积分器的输出端为所述积分器单元的第二输出端与所述输出饱和抑制模块的输入端连接，所述输出饱和抑制模块的输出端为所述积分器单元的第一输出端，所述第四至第十开关的控制端分别为所述积分器单元的多个控制端。

更进一步地，所述第四至第十开关均为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第四至第十开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第四至第十开关的控制端。

更进一步地，所述积分器包括：

电容CI、第十一开关和运算放大器；

所述运算放大器的反向输入端为所述积分器的输入端通过所述第十一开关与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端为所述积分器的输出端通过所述电容CI与所述运算放大器的反向输入端连接，所述运算放大器的正向输入端连接预设共模电压，所述第十一开关的控制端为所述积分器单元的控制端之一。

更进一步地，所述第十一开关为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第十一开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第十一开关的控制端。

更进一步地，所述积分器单元还包括第三输出端与所述数据处理单元的第三输入端连接，所述输出饱和抑制模块包括：

第一比较器和第二比较器；

所述第一比较器和所述第二比较器的正向输入端同时为所述输出饱和抑制模块的输入端，所述第一比较器和所述第二比较器的反向输入端分别连接第一参考电压和第二参考电压，所述第一比较器的输出端为所述积分器单元的第一输出端，所述第二比较器的输出端为所述积分器单元的第三输出端。

更进一步地，所述第一参考电压为所述第二参考电压为

其中，V_RH为所述ADC单元的量程上限电压，V_RL为所述ADC单元的量程下限电压。

本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种包括上述指纹检测电路的电容型指纹检测装置。

本实用新型实施例采用积分器加ADC对检测单元检测到的信号进行量化，提高了系统的信噪比和灵敏度，提高了抗干扰能力，改善用户体验，并且电路设计简单可靠，对ADC单元转换速率没有过高要求，从而降低系统的实现难度，可选择的工艺种类更多，有益于降低成本。

附图说明

图1为现有的电容型指纹检测结构图；

图2为本实用新型实施例提供的指纹检测电路的结构图；

图3为本实用新型实施例提供的指纹检测电路的示例电路结构图；

图4为本实用新型实施例提供的指纹检测电路的开关控制时序图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例采用积分器加ADC对检测单元检测到的信号进行量化，提高了系统的信噪比和灵敏度，提高了抗干扰能力，改善用户体验，并且电路设计简单可靠，对ADC单元转换速率没有过高要求，从而降低系统的实现难度，可选择的工艺种类更多，有益于降低成本。

图1示出了本实用新型实施例提供的指纹检测电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。

作为本实用新型一实施例，该指纹检测电路可以应用于任何指纹检测芯片及电容型指纹检测装置中。

该指纹检测电路包括：

检测单元21，用于检测指纹信号，输出表征指纹信息的检测电压信号；

积分器单元22，用于对检测电压信号进行采样和积分，对应生成数字检测信号和模拟检测信号，积分器单元22的输入端与检测单元21的输出端连接；

ADC(Analog-to-digital converter，模数转换)单元23，用于对模拟检测信号进行量化，生成量化信号，ADC单元23的输入端与积分器单元22的第二输出端连接；

数据处理单元24，用于对数字检测信号和量化信号进行处理，得到表征指纹信息的数字信号，数据处理单元24的第一输入端与积分器单元22的第一输出端连接，数据处理单元24的第二输入端与ADC单元23的输出端连接，数据处理单元24的多个检测反馈端分别与检测单元21的多个控制端对应连接，数据处理单元24的多个积分反馈端分别与积分器单元22的多个控制端对应连接。

本实用新型实施例采用积分器加ADC对检测单元检测到的信号进行量化，提高了系统的信噪比和灵敏度，提高了抗干扰能力，改善用户体验，并且电路设计简单可靠，对ADC单元转换速率没有过高要求，从而降低系统的实现难度，可选择的工艺种类更多，有益于降低成本。

图2示出了本实用新型实施例提供的指纹检测电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。

作为本实用新型一实施例，检测单元21包括：

电容指纹传感器C_finger、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、电容C_F和放大器CA；

放大器CA的正向输入端连接预设共模电压V_CM，放大器CA的反向输入端与第一开关SW1的一导通端连接，第一开关SW1的另一导通端通过第三开关SW3接地，第一开关SW1的另一导通端还通过电容指纹传感器C_finger接地，放大器CA的反向输入端还通过第二开关SW2与放大器CA的输出端连接，放大器CA的输出端为检测单元21的输出端通过电容C_F与放大器CA的反向输入端连接，第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3的控制端分别为检测单元21的多个控制端。

在本实用新型实施例中，电容指纹传感器C_finger在电路中等效为电容。第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3均为可控开关，其控制端可以通过数据处理单元24输出的逻辑时序信号控制。

优选地，第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3均为MOS管，MOS管的电流输入端、电流输出端分别为第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3的两导通端，MOS管的栅极为第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3的控制端。

作为本实用新型一实施例，积分器单元22包括：

积分器221、电容C_S、电容C_D、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、第九开关SW9、第十开关SW10和输出饱和抑制模块222；

第四开关SW4的一导通端为积分器单元22的输入端，第四开关SW4的另一导通端同时与电容C_S的一端和第六开关SW6的一导通端连接，第六开关SW6的另一导通端连接预设共模电压V_CM，电容C_S的另一端同时与第五开关SW5的一导通端和第七开关SW7的一导通端连接，第五开关SW5的另一导通端与积分器221的输入端连接，第七开关SW7的另一导通端连接预设共模电压V_CM，第五开关SW5的另一导通端还与电容C_D的一端连接，电容C_D的另一端同时与第八开关SW8、第九开关SW9、第十开关SW10的一导通端连接，第八开关SW8、第九开关SW9、第十开关SW10的另一导通端分别连接ADC单元23的量程上限电压V_RH、预设共模电压V_CM、ADC单元23的量程下限电压V_RL，积分器221的输出端为积分器单元22的第二输出端与输出饱和抑制模块222的输入端连接，输出饱和抑制模块222的输出端为积分器单元22的第一输出端，第四开关SW4至第十开关SW10的控制端分别为积分器单元22的多个控制端。

在本实用新型实施例中，输出饱和抑制模块222可以有多个输出端分别与数据处理单元24的多个输入端对应连接。

优选地，第四开关SW4至第十开关SW10均为MOS管，MOS管的电流输入端、电流输出端分别为第四开关SW4至第十开关SW10的两导通端，MOS管的栅极为第四开关SW4至第十开关SW10的控制端。

作为本实用新型一优选实施例，积分器221包括：

电容C_I、第十一开关SW11和运算放大器OP；

运算放大器OP的反向输入端为积分器221的输入端通过第十一开关SW11与运算放大器OP的输出端连接，运算放大器OP的输出端为积分器221的输出端通过电容C_I与运算放大器OP的反向输入端连接，运算放大器OP的正向输入端连接预设共模电压V_CM，第十一开关SW11的控制端为积分器单元22的控制端之一。

优选地，第十一开关SW11为MOS管，MOS管的电流输入端、电流输出端分别为第十一开关SW11的两导通端，MOS管的栅极为第十一开关SW11的控制端。

作为本实用新型一优选实施例，积分器单元22还包括第三输出端与数据处理单元24的第三输入端连接，输出饱和抑制模块222包括：

第一比较器Comp1和第二比较器Comp2；

第一比较器Comp1和第二比较器Comp2的正向输入端同时为输出饱和抑制模块222的输入端，第一比较器Comp1和第二比较器Comp2的反向输入端分别连接第一参考电压和第二参考电压，第一比较器Comp1的输出端为积分器单元22的第一输出端，第二比较器Comp2的输出端为积分器单元22的第三输出端。

在本实用新型实施例中，第一参考电压为第二参考电压为

其中，V_RH为ADC单元的量程上限电压，V_RL为ADC单元的量程下限电压。

在本实用新型实施例中，通过电容指纹传感器C_finger采集指纹信息，生成表征指纹信息的检测电压信号，首先对该检测电压信号进行放大，V_CM为预设共模电压，其值可以根据放大器CA的工作状态调节设置，V_RH和V_RL是ADC单元23的量程的上、下限值，即V_RH－V_RL即为ADC单元23的量程，V_CM1＝0.5(V_RH-V_RL)；电容C_F的值可以根据指纹电容的大小和电路的抗干扰性能进行调节，电容C_D和电容C_I的值可以调节积分器超出设计阈值后的回调量，即回调量为

以一帧数据采集为例，结合图4的时序，说明电路的工作原理：

当开关SW3和开关SW2为高电平导通时，放大器CA处于复位状态，电容指纹传感器C_finger上的电荷被放干净；当开关SW1、开关SW4和开关SW7为高电平导通时，放大器CA处于放大状态，同时积分器221开始对放大器CA的输出进行采样，在采样结束前，开关SW7提前关闭，以减小电荷注入。

当开关SW21和开挂SW22为高电平导通时，积分器221开始对放大器CA的输出信号进行积分。在积分器221开始积分前，积分器221要先进行复位，即控制复位开关SW27为高，之后积分器221一直处于积分工作状态，直至电容指纹传感器C_finger采集下一帧数据时才进行相应的复位。

积分器221在进行积分的时候，为了防止积分器的输出饱和，积分器的输出会连接两个比较器Comp1、Comp2，当积分器的输出超过一定值，例如时，开关SW10会闭合，使积分器的输出减去相应的值，即同时，数据处理单元24会根据两比较器Comp1、Comp2的比较结果D0和D1，加上倍的ADC单元23的量程V_RH－V_RL；反之，当积分器的输出小于一定值，如时，开关SW8会闭合，使积分器的输出减去相应的值，同时，数据处理单元24会根据比较器的比较结果D0和D1，减去倍的ADC单元23的量程V_RH－V_RL；如果积分器的输出值在所设定的区间内，如至之间，则开关SW9关闭，积分器只对放大器CA的输出结果进行积分；

积分器完成当前帧的最后一次积分后，把模拟检测信号送给ADC单元23进行量化。数据处理单元24结合ADC单元23的量化结果和之前比较器送出的D0和D1的变化情况进行计算，以得到能够表征指纹电容大小的数值。

值得注意的是，开关SW3、开关SW2与开关SW1、开关SW4要求非交叠，开关SW5、开关SW6与开关SW1、开关SW4也要求非交叠，开关SW7和开关SW1、开关SW4可以同时导通，但开关SW7要求比开关SW1、开关SW4提前关断。

本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种包括上述指纹检测电路的电容型指纹检测装置。

本实用新型实施例采用积分器加ADC对检测单元检测到的信号进行量化，提高了系统的信噪比和灵敏度，提高了抗干扰能力，改善用户体验，并且电路设计简单可靠，对ADC单元转换速率没有过高要求，从而降低系统的实现难度，可选择的工艺种类更多，有益于降低成本。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种指纹检测电路，其特征在于，所述电路包括：

检测指纹信号，输出表征指纹信息的检测电压信号的检测单元；

对所述检测电压信号进行采样和积分，对应生成数字检测信号和模拟检测信号的积分器单元，所述积分器单元的输入端与所述检测单元的输出端连接；

对所述模拟检测信号进行量化，生成量化信号的ADC单元，所述ADC单元的输入端与所述积分器单元的第二输出端连接；

对所述数字检测信号和所述量化信号进行处理，得到表征指纹信息的数字信号的数据处理单元，所述数据处理单元的第一输入端与所述积分器单元的第一输出端连接，所述数据处理单元的第二输入端与所述ADC单元的输出端连接，所述数据处理单元的多个检测反馈端分别与所述检测单元的多个控制端对应连接，所述数据处理单元的多个积分反馈端分别与所述积分器单元的多个控制端对应连接。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述检测单元包括：

电容指纹传感器、第一开关、第二开关、第三开关、电容C_F和放大器；

所述放大器的正向输入端连接预设共模电压，所述放大器的反向输入端与所述第一开关的一导通端连接，所述第一开关的另一导通端通过所述第三开关接地，所述第一开关的另一导通端还通过所述电容指纹传感器接地，所述放大器的反向输入端还通过第二开关与所述放大器的输出端连接，所述放大器的输出端为所述检测单元的输出端通过所述电容C_F与所述放大器的反向输入端连接，所述第一、第二、第三开关的控制端分别为所述检测单元的多个控制端。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一、第二、第三开关均为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第一、第二、第三开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第一、第二、第三开关的控制端。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述积分器单元包括：

积分器、电容C_S、电容C_D、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关和输出饱和抑制模块；

所述第四开关的一导通端为所述积分器单元的输入端，所述第四开关的另一导通端同时与所述电容C_S的一端和所述第六开关的一导通端连接，所述第六开关的另一导通端连接预设共模电压，所述电容C_S的另一端同时与所述第五开关的一导通端和所述第七开关的一导通端连接，所述第五开关的另一导通端与所述积分器的输入端连接，所述第七开关的另一导通端连接预设共模电压，所述第五开关的另一导通端还与电容C_D的一端连接，所述电容C_D的另一端同时与所述第八、第九、第十开关的一导通端连接，所述第八、第九、第十开关的另一导通端分别连接所述ADC单元的量程上限电压、预设共模电压、所述ADC单元的量程下限电压，所述积分器的输出端为所述积分器单元的第二输出端与所述输出饱和抑制模块的输入端连接，所述输出饱和抑制模块的输出端为所述积分器单元的第一输出端，所述第四至第十开关的控制端分别为所述积分器单元的多个控制端。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第四至第十开关均为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第四至第十开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第四至第十开关的控制端。

6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述积分器包括：

电容CI、第十一开关和运算放大器；

所述运算放大器的反向输入端为所述积分器的输入端通过所述第十一开关与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端为所述积分器的输出端通过所述电容CI与所述运算放大器的反向输入端连接，所述运算放大器的正向输入端连接预设共模电压，所述第十一开关的控制端为所述积分器单元的控制端之一。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第十一开关为MOS管，所述MOS管的电流输入端、电流输出端分别为所述第十一开关的两导通端，所述MOS管的栅极为所述第十一开关的控制端。

8.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述积分器单元还包括第三输出端与所述数据处理单元的第三输入端连接，所述输出饱和抑制模块包括：

第一比较器和第二比较器；

所述第一比较器和所述第二比较器的正向输入端同时为所述输出饱和抑制模块的输入端，所述第一比较器和所述第二比较器的反向输入端分别连接第一参考电压和第二参考电压，所述第一比较器的输出端为所述积分器单元的第一输出端，所述第二比较器的输出端为所述积分器单元的第三输出端。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一参考电压为所述第二参考电压为

其中，V_RH为所述ADC单元的量程上限电压，V_RL为所述ADC单元的量程下限电压。

10.一种电容型指纹检测装置，其特征在于，所述电容型指纹检测装置包括如权利要求1至9任一项所述的指纹检测电路。