CN206863767U - 一种用于指纹传感器的信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于指纹传感器的信号处理电路，包括：第一输入电路、第二输入电路和差分放大器；第一输入电路用于与第一指纹感测模块电性连接，以将第一指纹感测模块生成的第一感测信号提供给差分放大器；第二输入电路用于与第二指纹感测模块电性连接，以将第二感测信号提供给差分放大器；所述差分放大器包括第一输入端和第二输入端，以及与所述第一输入端电性连接的第一信号处理单元，与所述第二输入端电性连接的第二信号处理单元；所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一感测信号和第二感测信号进行差分放大处理，所述差分放大器还包括将所述处理后的信号输出的输出端。本实用新型所公开的信号处理电路能够消除共模噪声的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及指纹传感技术领域，特别涉及一种用于指纹传感器的信号处理电路。
背景技术
目前，指纹传感器已广泛应用于具有指纹识别功能的客户端设备中，所述客户端设备例如可以包括移动智能电话、计算机(包括笔记本电脑，台式电脑)、平板电子设备、个人数字助理(PDA)或者智能可穿戴设备等。
图1是现有技术中电容式指纹传感器的应用示意图，如图1所示，手指与指纹传感器的触摸绝缘层接触时，手指与触摸绝缘层之间形成耦合电容Cfinger，由于手指的指纹脊和指纹谷至所述触摸绝缘层的距离不同，因此，手指各个部分与所述触摸绝缘层之间形成的耦合电容值也不相同。为了识别手指每个部分的指纹信息，通常将所述触摸绝缘层分成一个个单元，所述单元组成指纹感测单元阵列。指纹传感器的重要作用即采集所述指纹感测单元阵列中每个单元的耦合电容值，并根据所述电容值识别出该单元所对应的指纹信息。
基于上述电容传感器的应用方式，下面通过图2介绍传统的电容式指纹传感器的基于电荷转换(charge transfer)的信号处理方式。如图2所示，在时钟PH1相位(即图2中开关PH1导通、开关PH2断开)，指纹传感器处于复位模式。在时钟PH2相位(即图2中开关PH2导通、开关PH1断开)，指纹传感器处于取样模式，电压信号Vcharge用于减弱或者消除图1中触摸绝缘层与导电层之间的寄生电容Cs所产生的固定失调。为了增强差分放大器AMP1输入端的容性负载，可以在电压信号Vcharge和AMP1的反向输入端接入电容C0，但是，由于耦合电容Cfinger的值不固定，导致Vcharge和电容C0的取值难以设置，进而导致电压信号Vcharge并不能完全消除寄生电容Cs所带来的固定失调。另外，在时钟PH2相位，某些频段上电源或者地上产生的噪声影响到基准电压Vref，在差分放大器AMP1的作用下，将噪声传递至AMP1的输出电压Vo1上，进而影响采样耦合电容Cfinger和基准电容Cref之间的电荷转换，导致指纹图像质量变差。电源或地上的噪声一般为共模噪声，类似图1中触摸绝缘层和导电层之间寄生电容Cs的影响，但是寄生电容Cs为固定值，而电源或地上的共模噪声具有随机性。为了避免电源或者地上的共模噪声对指纹识别传感器造成的影响，提出一种改进的指纹传感器的信号处理单元显得尤为重要。图3是现有技术中基于图2改进的指纹传感器的信号处理电路结构图。如图3所示，图3相对于图2的改进点在于将图2中差分放大器AMP2反向输入端连接的共模电压Vcom替换成固定的参考输入电路，所述参考输入电路具有和图2所示的指纹输入电路相同的结构。具体在工作过程中，同样地，可以通过开关PH1和PH2控制指纹传感器的复位模式或者取样模式。在图3所示的电路结构中，虽然基准电压Vref或者其他连接电源或者地的电路模块依然携带有共模噪声，并且经过差分放大器AMP3和AMP4放大处理，但是第一输入电路和第二输入电路均存在相同的共模噪声，经过差分放大器AMP5的共模信号抑制之后，可以减弱甚至消除共模噪声对输出结果的影响。但是上述减弱或者消除共模噪声影响只是基于与指纹输入电路连接的指纹感测模块有手指接触的场景。若指纹输入电路没有手指接触或者手指接触不充分，则共模噪声干扰无法通过charge transfer结构传递至差分放大器AMP5的输入端，即使经过AMP5的差分处理之后，共模噪声依然无法消除甚至减弱，其效果与图2所示的传统的信号处理方式类似。
因此，现有技术中亟需一种能够消除共模噪声的指纹传感器的信号处理电路。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种电路结构简单的用于指纹传感器的信号处理电路，能够有效地消除共模噪声的影响。
本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种用于指纹传感器的信号处理电路，包括：第一输入电路、第二输入电路和差分放大器；
所述第一输入电路用于与所述指纹传感器的第一指纹感测模块电性连接，以将所述第一指纹感测模块生成的第一感测信号提供给所述差分放大器；
所述第二输入电路用于与所述指纹传感器的第二指纹感测模块电性连接，以将所述第二指纹感测模块生成的第二感测信号提供给所述差分放大器；所述第一指纹感测模块和所述第二指纹感测模块为所述指纹传感器的指纹感测模块阵列中任意两个不同的感测模块；
所述差分放大器包括极性相反且分别与所述第一输入电路和所述第二输入电路电性连接的第一输入端和第二输入端，以及与所述第一输入端电性连接的第一信号处理单元，与所述第二输入端电性连接的第二信号处理单元；所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一感测信号和第二感测信号进行差分放大处理，所述差分放大器还包括将所述处理后的信号输出的输出端。
进一步地，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元具有行选择开关、列选择开关，当所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元的行选择开关、列选择开关均被导通时，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元耦合生成所述差分放大器。
进一步地，所述行选择开关、所述列选择开关由数字电路控制导通或者断开。
进一步地，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元中用于放大所述第一感测信号和第二感测信号的输入晶体管的面积不小于第一预设阈值。
进一步地，在所述差分放大器中，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元共用尾电流源以及输出负载。
进一步地，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元中具有共模反馈回路，所述共模反馈回路用于控制所述尾电流源，以稳定所述差分放大器的共模工作电压。
进一步地，所述输出端包括用于输出第一输出电压的第一输出端和输出第二输出电压的第二输出端，所述第一输出信号用于确定所述第一指纹感测模块对应的指纹信息，所述第二输出信号用于确定所述第二感测模块对应的指纹信息。
进一步地，所述信号处理电路还包括：
第一控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于复位功能；
第二控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于取样功能。
进一步地，所述第一指纹感测模块、所述第二指纹感测模块还包括相互连接的触摸绝缘层和导电层，所述导电层与所述第一输入端、第二输入端连接；当所述指纹传感器被设置为取样模式时，手指或者所述导电层被施加预设数值的电压，手指触摸所述触摸绝缘层时，手指与所述导电层之间产生耦合电容；所述第一指纹感测模块、所述第二指纹感测模块分别基于所述施加的电压生成与所述耦合电容值相匹配的所述第一感测信号和所述第二感测信号。
进一步地，当所述指纹传感器被设置为复位模式时，在所述第一输入端和所述第二输入端施加固定电压，以调整所述差分放大器的电路工作点。
进一步地，所述第一控制模块包括：
两个反馈电容，所述反馈电容的一端分别连接于所述第一输入端、第二输入端，另一端分别与所述输出端连接；
两个第一复位开关，所述第一复位开关分别连接于所述反馈电容的两端；
两个第二复位开关，所述第二复位开关的一端相互连接，另一端分别与所述第一输入端、第二输入端连接；
两个第三复位开关，所述第三复位开关的一端分别与所述第一指纹感测模块、第二指纹感测模块连接，另一端分别接地；
所述第一复位开关、第二复位开关、第三复位开关的导通或者断开一致。
进一步地，所述第二控制模块包括：
两个取样开关，所述取样开关的一端分别与所述第一指纹感测模块、第二指纹感测模块连接，另一端分别与所述第一输出端、第二输入端连接。
进一步地，所述第一输入电路包括第一加法器，所述第一加法器分别与所述第一指纹感测模块以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第一感测信号以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第一求和感测信号；
对应地，所述第二输入电路包括第二加法器，所述第二加法器分别与所述第二指纹感测模块以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第二感测信号以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第二求和感测信号；
相应地，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一求和感测信号和第二求和感测信号进行差分放大处理。一种指纹传感器，所述指纹传感器包括权利要求1-12中任意一项所述的信号处理电路，其中，所述指纹感测模块的数量与所述信号处理单元的数量相匹配。
进一步地，所述指纹传感器中包括预设数量的尾电流源、输出负载，所述预设数量小于所述信号处理单元的数量。
一种电子设备，所述电子设备中包括指纹传感器，所述指纹传感器包括权利要求1-12中任意一项所述的信号处理电路。
进一步地，所述电子设备中具有快速充电的功能。
进一步地，所述电子设备包括下述中的任意一种：移动智能电话、笔记本电脑、台式电脑、平板电子设备、个人数字助理(PDA)、智能可穿戴设备。
本申请提供的用于指纹传感器的信号处理电路，可以利用指纹传感器中的信号处理单元，将任意的两个信号处理单元耦合成差分放大器，所述差分放大器具有一定的增益，可以对微弱的感测信号进行放大，还可以减弱或者消除电路中电源或地带来的共模噪声。对于电容式传感器，还可以减弱或者消除触摸绝缘层与导电层之间的寄生电容Cs带来的失调影响。另外，相对于现有技术中的信号处理电路结构，连接至差分放大器输入端的两个输入电路均连接至指纹感测模块，手指是否接触或者充分接触所述手指接触面对差分放大器消除共模噪声或者失调等没有较大的影响。
附图说明
图1是现有技术中电容式指纹传感器的应用示意图；
图2是传统的电容式指纹传感器的基于电荷转换的信号处理电路结构示意图；
图3是现有技术中基于图2改进的指纹传感器的信号处理电路结构示意图；
图4是本申请提供的信号处理电路的模块结构示意图；
图5是本申请提供的信号处理电路的一种电路结构示意图；
图6是图5的所述指纹传感器在PH2相位时的电路结构示意图；
图7是图5所示指纹传感器在PH1相位时的电路结构示意图；
图8是本申请提供的信号处理电路的另一种电路结构示意图；
图9是本申请提供的信号处理单元的电路结构示意图；
图10是本申请提供的差分放大器的一个实施例的结构示意图；
图11是本申请提供的信号处理电路的另一种电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
下面介绍本申请技术方案的技术环境，目前，很多智能手机等客户端设备可以支持高电压和/或大电流充电模式，高电压和/或大电流充电模式的一个优点在于能够实现快速充电。客户端设备利用高电压和/或大电流充电模式进行充电时，充电器的电源或者地上的噪声容易干扰客户端设备的电源和地，从而影响到指纹传感器的正常工作状态。在一个典型的应用环境中，用户手机的充电器为高电压充电模式，还具有指纹传感器，在对手机进行充电时，当用户使用指纹进行手机界面解锁、支付等操作时，发现手机无法识别指纹，导致用户无法完成手机界面解锁、支付等操作。
基于上述的技术环境，本申请提供的用于指纹传感器的信号处理电路可以在具有指纹传感器的客户端设备在进行高电压和/或大电流充电时，去除由于高电压和/或大电流充电而导致的噪声干扰，使得客户端设备即使在进行高电压和/或大电流充电时，也能够进行指纹识别，保证客户端设备指纹识别功能的正常使用。
下面请参阅图4，具体介绍本申请的技术方案。如图4所示，本申请实施方式中提供的用于指纹传感器的信号处理电路可以包括：第一输入电路402、第二输入电路404和差分放大器405。
所述第一输入电路402用于与所述指纹传感器的第一指纹感测模块401电性连接，以将所述第一指纹感测模块401生成的第一感测信号提供给所述差分放大器405。
所述第二输入电路404用于与所述指纹传感器的第二指纹感测模块403电性连接，以将所述第二指纹感测模块403生成的第二感测信号提供给所述差分放大器405；所述第一指纹感测模块401和所述第二指纹感测模块403为所述指纹传感器的指纹感测模块阵列408中任意两个不同的感测模块。
所述差分放大器405包括极性相反且分别与所述第一输入电路402和所述第二输入电路404电性连接的第一输入端和第二输入端，以及与所述第一输入端电性连接的第一信号处理单元406，与所述第二输入端电性连接的第二信号处理单元407；所述第一信号处理单元406和所述第二信号处理单元407相耦合，以将所述第一感测信号和第二感测信号进行差分放大处理，所述差分放大器405还包括将所述处理后的信号输出的输出端。
本实施例中，所述指纹感测模块阵列408可以包括多个感测模块，例如所述指纹感测模块阵列可以包括64×64、128×128、50×50、120×60等多种数量规格的感测模块。在本申请的一个实施例中，所述感测模块可以具有手指接触面，所述手指接触面例如可以包括图1所示的触摸绝缘层。当手指接触所述手指接触面时，手指与所述手指接触面之间产生一定的物理量变化。例如，若所述指纹传感器为电容式传感器时，手指触摸所述手指接触面时，手指与所述手指接触面之间产生耦合电容的变化。若所述指纹传感器为光学传感器时，手指与所述手指接触面之间产生光线明暗的变化。基于此，所述感测模块可以用于采集所述物理量变化，并将所述物理量变化转化成感测信号，所述感测信号例如可以包括易于处理的电压信号。而本申请中的所述第一指纹感测模块401和所述第二指纹感测模块403为所述指纹传感器的指纹感测模块阵列408中任意两个不同的感测模块。
本实施例中的所述第一输入电路402和所述第二输入电路404具有信号传递的作用，一端分别与所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403电性连接，另一端分别与差分放大器405的正向输入端和反向输入端连接。具体用于将第一指纹感测模块401生成的第一感测信号、第二指纹感测模块403生成的第二感测信号提供给所述差分放大器405。
本实施例中的信号处理单元与所述指纹感测模块阵列408中的感测模块可以具有一一对应的关系，所述第一信号处理单元406、第二信号处理单元407可以分别对应于所述第一指纹感测模块401和所述第二指纹感测模块403。所述第一信号处理单元406和所述第二信号处理单元407可以耦合成所述差分放大器405。所述差分放大器405用于将所述第一感测信号和所述第二感测信号进行差分放大处理，并输出所述处理之后的信号。具体地，所述差分放大器405具有一定的增益，可以对微弱的感测信号进行放大，另外，相对于图3所示的差分放大器单端输入的结构，本实施例中的所述第一输入电路402和所述第二输入电路404同时接入所述差分放大器405的正、负两端，形成双端输入的结构，对于电容式传感器，不仅可以减弱或者消除触摸绝缘层与导电层之间的寄生电容Cs带来的失调影响，还可以减弱或者消除电路中电源或地带来的共模噪声。同时，所述第一输入电路402和所述第二输入电路404均为连接指纹感测模块的输入电路，手指是否接触或者充分接触所述手指接触面对差分放大器405消除共模噪声或者失调等没有较大的影响。
本申请提供的用于指纹传感器的信号处理电路，可以利用指纹传感器中的信号处理单元，将任意的两个信号处理单元耦合成差分放大器，所述差分放大器具有一定的增益，可以对微弱的感测信号进行放大，还可以减弱或者消除电路中电源或地带来的共模噪声。对于电容式传感器，还可以减弱或者消除触摸绝缘层与导电层之间的寄生电容Cs带来的失调影响。另外，相对于现有技术中的信号处理电路结构，连接至差分放大器输入端的两个输入电路均连接至指纹感测模块，手指是否接触或者充分接触所述手指接触面对差分放大器消除共模噪声或者失调等没有较大的影响。
在一个具体的示例中，为了清楚的示出本方案的细节，因此非限制性地将指纹传感器构建为电容式指纹传感器，但是，本领域技术人员可以理解到，本方案的指纹传感器可以任何感应方式的传感器。下面通过电容式指纹传感器的信号走向流程说明本申请提供的信号处理电路。
一指纹传感器具有由64×64个指纹感测模块组成的指纹感测模块阵列，其中每个指纹感测模块均有供用户手指接触的手指接触面。当手指触摸所述手指接触面时，手指与所述手指接触面之间产生耦合电容的变化。所述感测模块采集所述耦合电容，并将所述耦合电容转换成易于处理的感测信号，所述感测信号例如可以包括电压信号、电流信号等。
对应地，所述指纹传感器具有64×64个信号处理单元与所述64×64个指纹感测模块进行一一对应，每个信号处理单元处理得到的输出数据即为与之对应的指纹感测模块所采集的指纹信息。如上所述，共模噪声可以通过电源或者地干扰所述指纹干扰模块、所述输入电路、所述信号处理单元等等。为了能够减弱甚至去除所述共模噪声，由于每个信号处理单元的结构相同，因此可以将64×64个信号处理单元中的任意两个耦合成差分放大器，所述差分放大器不仅可以对微弱的感测信号进行放大处理，还可以抑制共模噪声，消除失调影响。
在另一个具体示例中，用户手机的充电器为高电压充电模式，还具有指纹传感器，如以上技术环境所述，在对手机进行充电时，当用户使用指纹进行手机界面解锁、支付等操作时，发现手机无法识别指纹，导致用户无法开启手机界面或者使用指纹进行支付等。
基于上述技术环境，安装于用户手机中的用于指纹传感器的信号处理电路可以在手指触摸手机的按键时，开启手机中指纹传感器，使得所述指纹传感器开始采集用户的指纹信息。手机按键对应于所述指纹感测模块的手指接触面，当手指触摸手机按键时，手指与手机按键下方的金属片(即图1中的导电层)之间产生耦合电容，此时，所述信号处理电路可以采集所述耦合电容，并将所述耦合电容转换成电压信号或者电流信号之后传递给手机内部的差分放大器。该差分放大器由任意两个信号处理单元耦合而成，所述差分放大器不仅可以对微弱的感测信号进行放大处理，还可以抑制共模噪声，消除失调影响。
因此，即使在对手机进行快速充电时，所述信号处理单元也能够进行指纹识别，减弱因快速充电而导致的共模噪声的影响，提高指纹识别成像的准确性，保证手机指纹识别功能的正常使用，从而进一步提高手机处理的准确性以及用户对手机的体验感。
在本申请的一个实施例中，如图4所示，所述输出端可以包括用于输出第一输出电压的第一输出端和输出第二输出电压的第二输出端，所述第一输出信号可以用于确定所述第一指纹感测模块401对应的指纹信息，所述第二输出信号可以用于确定所述第二指纹感测模块403对应的指纹信息。
本实施例中的第一输出信号、第二输出信号可以直接用于确定所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403对应的指纹信息。例如，所述第一输出信号、第二输出信号均为电压值时，当所述第一输出信号在第一预设电压值范围内时，确定所述第一指纹感测模块401的指纹信息为指纹谷；当在第二预设电压值范围内时，确定所述第一指纹感测模块401的指纹信息为指纹脊，根据所述指纹信息可以对指纹进行成像。具体的第一输出信号、第二输出信号的处理可以在图4所示的数据读取电路中实现。例如，所述数据读取电路可以包括可编程增益放大器、模数转换器等。相对于图3所示的现有技术中的信号处理电路生成的Vo1和Vo2由于存在共模噪声干扰而不能用来直接确定指纹信息，本实施例中的信号处理结构只需要一级差分放大器，即可以放大感测信号、减弱甚至消除共模噪声和失调。
如图4所示在本申请的一个实施例中，所述信号处理电路还可以包括：
第一控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于复位功能；
第二控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于取样功能。
本实施例中，所述复位模式主要用于对所述指纹传感器进行参数重置，所述取样模式主要用于对指纹信息进行采集。通过所述第一控制模块和所述第二控制模块完成所述指纹传感器两种工作模式的切换。
在本申请的一个实施例中，图5是本申请提供的信号处理电路的一种实施例的结构示意图，如图5所示，所述第一控制模块可以包括：
两个反馈电容Cref，所述反馈电容Cref分别连接于所述第一输入端与所述第一输出端、第二输入端与所述第二输出端之间；
两个第一复位开关PH1-1，所述第一复位开关PH1-1分别连接于所述反馈电容Cref的两端；
两个第二复位开关PH1-2，所述第二复位开关PH1-2的一端相互连接，另一端分别与所述第一输入端、第二输入端连接；
两个第三复位开关PH1-3，所述第三复位开关PH1-3的一端分别与所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403连接，另一端分别接地；
所述第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3的导通或者断开一致。
在本申请的另一个实施例中，所述第二控制模块可以包括：
两个取样开关PH2，所述取样开关PH2的一端分别与所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403连接，另一端分别与所述第一输出端、第二输入端连接。
本申请中，可以通过四组开关控制所述指纹传感器的取样模式，其中三组复位开关，分别为第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3，一组取样开关PH2。其中所述第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3可以由同一控制信号控制，以保证这三组开关的导通或者关闭的一致性。当三组复位开关导通，一组采样开关断开时，所述指纹传感器处于复位模式，所述复位模式主要用于对所述指纹传感器进行信息重置；相反地，当三组复位开关断开，一组采样开关导通时，所述指纹传感器处于取样模式，所述取样模式主要用于对指纹信息进行采集。
当手指触摸所述指纹感测模块的手指接触面时，指纹传感器或者指纹传感器所在设备可以感测到手机的接触，此时，可以通过固定频率的时钟信号控制所述四组开关，使得所述指纹传感器在复位模式和取样模式进行切换。
在本申请的一个实施例中，所述第一指纹感测模块401、所述第二指纹感测模块403还包括相互连接的触摸绝缘层和导电层，所述导电层与所述第一输入端、第二输入端连接；当所述指纹传感器处于取样模式时，导通所述取样开关PH2，断开所述第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3，手指被施加预设数值的电压，手指触摸所述触摸绝缘层时，手指与所述导电层之间产生耦合电容(参考图1)；所述第一指纹感测模块401、所述第二指纹感测模块403分别基于所述施加的电压生成与所述耦合电容值相匹配的所述第一感测信号和所述第二感测信号。
本实施例中，所述第一指纹感测模块401、所述第二指纹感测模块403还包括相互连接的触摸绝缘层和导电层。所述触摸绝缘层例如可以包括图1所示的触摸绝缘层，所述触摸绝缘层可以包括聚酰亚胺基质中的钛酸钡、氧化物、氮化物、碳化物、玻璃、陶瓷、蓝宝石的薄膜等类型的介电材料。所述导电层例如可以包括金属层等导电材料。当手指触摸所述触摸绝缘层时，手指与所述导电层之间形成耦合电容。
图6是图5的所述指纹传感器在PH2相位时的电路结构示意图，图5中的驱动电压Vdriver可以为具有固定频率的方波信号，所述方波信号的周期与开关信号PH1-1、PH1-2、PH1-3和PH2的时钟周期相一致。当开关信号PH1-1、PH1-2、PH1-3导通、PH2断开时，所述信号处理电路处于复位模式，对应地，驱动电压Vdriver提供低电平0；当开关信号PH1-1、PH1-2、PH1-3断开、PH2导通时，所述信号处理电路处于取样模式，对应地，驱动电压Vdriver提供高电平Vhigh。驱动电压Vdriver可以通过金属环等导电装置将高电平Vhigh施加于手指上，由于人体具有导电功能，所述高电平Vhigh能够通过手指与导电层形成的耦合电容在导电层的一端生成与所述耦合电容值相匹配的所述第一感测信号和所述第二感测信号。
在本申请的一个实施例中，当所述指纹传感器处于复位模式时，当所述指纹传感器处于复位模式时断开所述取样开关PH2，导通所述第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3，在所述第一输入端和所述第二输入端施加固定电压，以调整所述差分放大器405的电路工作点。
图7是图5所示指纹传感器在PH1相位时的电路结构示意图，如图7所示，当所述指纹传感器处于复位模式时，所述差分放大器405的正向输入端和反向输入端短接。本实施例中，可以在所述差分放大器405的输入端接入固定电压Vcom，所述固定电压Vcom用于调整所述查分放大器的电路工作点，以使所述指纹传感器在从复位模式切换至取样模式的时候，能够快速进入稳定状态。
在本申请的另一个实施例中，图8是本申请提供的信号处理电路的一种实施例的结构示意图，如图8所示，所述第一控制模块可以包括：
两个反馈电容Cref，所述反馈电容Cref分别连接于所述第一输入端与所述第一输出端、第二输入端与所述第二输出端之间。
两个第一复位开关PH1-1，所述第一复位开关PH1-1分别连接于所述反馈电容Cref的两端。
两个第二复位开关PH1-2，所述第二复位开关PH1-2的一端相互连接，另一端分别与所述第一输入端、第二输入端连接。
两个第三复位开关PH1-3，所述第三复位开关PH1-3的一端分别与所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403连接，另一端分别接基准电压。
所述第一复位开关PH1-1、第二复位开关PH1-2、第三复位开关PH1-3的导通或者断开一致。
在本申请的另一个实施例中，所述第二控制模块可以包括：
两个第一取样开关PH2，所述取样开关PH2的一端分别与所述第一指纹感测模块401、第二指纹感测模块403连接，另一端分别与所述第一输出端、第二输入端连接。
本实施中，在复位模式，开关信号PH1-1、PH1-2、PH1-3导通、PH2断开，此时，基准电压给电容Cin1充电，这样，电容Cin1的一端具有一定数值的电压值。在取样模式，开关信号PH1-1、PH1-2、PH1-3断开、PH2导通，此时，电容Cin1上的电压值在所述导电层上施加电压，这样，当手指触摸所述触摸绝缘层时，手指与所述导电层之间同样可以产生耦合电容，所述耦合电容包含于所述Cin1中；所述第一指纹感测模块401、所述第二指纹感测模块403分别基于所述施加的电压生成与所述耦合电容值相匹配的所述第一感测信号和所述第二感测信号。
在本申请的一个实施例中，所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407可以具有行选择开关、列选择开关，当所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407的行选择开关、列选择开关均被导通时，所述第一信号处理单元406和所述第二信号处理单元407耦合生成所述差分放大器405。
本实施例中，单个的所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407的主要作用在于对微弱的第一感测信号、第二感测信号进行放大处理。在将所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407耦合成差分放大器405之后，所述差分放大器405不仅可以放大感测信号，还可以减弱或者消除共模噪声和失调。如图9所示，本申请提供一种结构简单的信号处理单元的电路结构，其中MOS1为输入晶体管，主要用于接收感测信号、放大感测信号，晶体管MOS2为行选择开关、晶体管MOS3为列选择开关，MOS2、MOS3的输入端(即栅极)均被施加大于预设阈值的电压之后，MOS2、MOS3均被导通，此时对应的信号处理单元即被选择。当然，行选择开关、列选择开关的实现方式不限于上述MOS晶体管，例如也可以为三极管等，本申请在此不做限制。
基于此，在本申请的一个实施例中，所述行选择开关、所述列选择开关可以由数字电路控制导通或者断开。
本实施例中，可以通过数字电路控制所述行选择开关、所述列选择开关的导通或者断开，由于数字电路控制方式相对于模拟电路控制方式噪声小、速度快，可以降低开关过程中的噪声、提高指纹信息处理的效率。
在本申请的一个实施例中，所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407中用于放大所述第一感测信号和第二感测信号的输入晶体管的面积可以不小于第一预设阈值。
本实施例中，通过对比图4和图3可以发现，本申请中的信号处理电路结构相对而言简单许多，具体地在后续的集成电路版图设计中，电路占用芯片面积也会减小很多，一方面可以降低流片成本，另一方面还可以给部分晶体管的尺寸设计的优化留有余地。本实施例中，可以增大所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407中输入晶体管(如图9中的晶体管MOS1)的尺寸，使得输入晶体管的面积不小于第一预设阈值。在模拟IC领域，输入晶体管面积的增大，不仅可以降低集成电路工艺的失调，还可以大大降低噪声的影响。因此，在基于本申请提供的信号处理电路结构简单的基础上，增大输入管的尺寸，有利于降低工艺失调和噪声的影响。
在本申请的一个实施例中，在所述差分放大器405中，所述第一信号处理单元406和所述第二信号处理单元407可以共用尾电流源以及输出负载。
图10是本申请提供的差分放大器405的一个实施例的结构示意图，如图10所示，所述第一信号处理单元406和所述第二信号处理单元407可以共用尾电流源及输出负载。本实施例中，所述尾电流源、所述输出负载均可以通过MOS晶体管实现，也可以通过三极管等实现，本申请在此不做限制。如上所述，指纹感测模块阵列中的模块数量很多，对应地，信号处理单元的数量也很庞大，若每个信号处理单元均接入单独的尾电流以及输出负载，必将导致芯片面积成本的极大消耗。共用尾电流或者输出负载可以大大降低芯片设计成本。
进一步地，本实施例中，还可以在信号输出的过程中，每次只有N个差分放大器，即2N个指纹感测模块指纹信息的输出，如N为8、10、16等。这样，在不影响指纹成像的情况下，还可以进一步降低芯片的面积。
在本申请的一个实施例中，所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407中具有共模反馈回路，所述共模反馈回路用于控制所述尾电流源，以稳定所述差分放大器405的共模工作电压。
本实施例中，所述尾电流源决定所述差分放大器405共模工作电压的稳定性，为了使得尾电流源保持稳定，可以在所述第一信号处理单元406、所述第二信号处理单元407中设置共模反馈回路，以控制所述尾电流源，从而进一步稳定所述差分放大器405的共模工作电压。
在本申请的一个实施例中，所述第一输入电路可以包括第一加法器，所述第一加法器分别与所述第一指纹感测模块以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第一感测信号以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第一求和感测信号；
对应地，所述第二输入电路可以包括第二加法器，所述第二加法器分别与所述第二指纹感测模块以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第二感测信号以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第二求和感测信号；
相应地，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一求和感测信号和第二求和感测信号进行差分放大处理。
本实施例中，可以在对第一感测信号、第二感测信号进行差分处理之前，分别对所述第一感测信号、第二感测信号及其相邻感测模块生成的感测信号进行平均处理，以提升感测信号的数据一致性。具体可以参考如图11所示的示意图，在指纹感测模块阵列408中，指纹感测模块(m，n)位于所述指纹感测模块阵列408的第m行第n列，若假设所述指纹感测模块(m，n)生成的第一感测信号为finger(m，n)，与指纹感测模块(m，n)相邻的指纹感测模块指纹感测模块(m，n+1)、指纹感测模块(m+1，n)、指纹感测模块(m+1，n+1)生成的感测信号分别为finger(m，n+1)、finger(m+1，n)、finger(m+1，n+1)，则进行求和计算之后，生成的第一求和感测信号为finger(m，n)+finger(m，n+1)+finger(m+1，n)+finger(m+1，n+1)。相对应地，所述第二输入电路的处理方式与所述第一输入电路的处理方式相同，在此不做赘述。此后，可以将生成的所述第一求和感测信号和所述第二求和感测信号分别输入至所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元，以对所述第一求和感测信号和第二求和感测信号进行差分放大处理。
需要说明的是，在进行求和计算的过程中，可以对所述第一指纹感测模块的全部或者部分相邻指纹感测模块生成的感测信号进行计算，本申请在此不做限制。
本实施例中，可以在进行差分放大之前，将指纹感测模块生成的感测信号与其相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行平均处理，可以增强感测信号的数据一致性、提高指纹成像的精度。
基于上述用于指纹传感器的信号处理电路，本申请另一方面还提供一种指纹传感器，所述指纹传感器可以包括上述任一实施例所述的信号处理电路，其中，所述指纹感测模块的数量与所述信号处理单元的数量相匹配。
进一步地，所述指纹传感器中可以包括预设数量的尾电流源、输出负载，所述预设数量小于所述信号处理单元的数量。
本申请另一方面还提供一种电子设备，所述电子设备中可以包括指纹传感器，所述指纹传感器包括上述任一实施例所述的信号处理电路。
进一步地，所述电子设备中还可以具有快速充电的功能。
进一步地，所述电子设备可以包括下述中的任意一种：移动智能电话、计算机(包括笔记本电脑，台式电脑)、平板电子设备、个人数字助理(PDA)、智能可穿戴设备等，本申请在此不做限制。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
Claims (18)
1.一种用于指纹传感器的信号处理电路，其特征在于，包括：第一输入电路、第二输入电路和差分放大器；
所述第一输入电路用于与所述指纹传感器的第一指纹感测模块电性连接，以将所述第一指纹感测模块生成的第一感测信号提供给所述差分放大器；
所述第二输入电路用于与所述指纹传感器的第二指纹感测模块电性连接，以将所述第二指纹感测模块生成的第二感测信号提供给所述差分放大器；所述第一指纹感测模块和所述第二指纹感测模块为所述指纹传感器的指纹感测模块阵列中任意两个不同的感测模块；
所述差分放大器包括极性相反且分别与所述第一输入电路和所述第二输入电路电性连接的第一输入端和第二输入端，以及与所述第一输入端电性连接的第一信号处理单元，与所述第二输入端电性连接的第二信号处理单元；所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一感测信号和第二感测信号进行差分放大处理，所述差分放大器还包括将所述处理后的信号输出的输出端。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元具有行选择开关、列选择开关，当所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元的行选择开关、列选择开关均被导通时，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元耦合生成所述差分放大器。
3.根据权利要求2所述的信号处理电路，其特征在于，所述行选择开关、所述列选择开关由数字电路控制导通或者断开。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元中用于放大所述第一感测信号和第二感测信号的输入晶体管的面积不小于第一预设阈值。
5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，在所述差分放大器中，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元共用尾电流源以及输出负载。
6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一信号处理单元、所述第二信号处理单元中具有共模反馈回路，所述共模反馈回路用于控制所述尾电流源，以稳定所述差分放大器的共模工作电压。
7.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述输出端包括用于输出第一输出电压的第一输出端和输出第二输出电压的第二输出端，所述第一输出信号用于确定所述第一指纹感测模块对应的指纹信息，所述第二输出信号用于确定所述第二感测模块对应的指纹信息。
8.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括：
第一控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于复位功能；
第二控制模块，用于启动所述指纹传感器工作于取样功能。
9.根据权利要求1或8所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一指纹感测模块、所述第二指纹感测模块还包括相互连接的触摸绝缘层和导电层，所述导电层与所述第一输入端、第二输入端连接；当所述指纹传感器被设置为取样模式时，手指或者所述导电层被施加预设数值的电压，手指触摸所述触摸绝缘层时，手指与所述导电层之间产生耦合电容；所述第一指纹感测模块、所述第二指纹感测模块分别基于所述施加的电压生成与所述耦合电容值相匹配的所述第一感测信号和所述第二感测信号。
10.根据权利要求1或3所述的信号处理电路，其特征在于，当所述指纹传感器被设置为复位模式时，在所述第一输入端和所述第二输入端施加固定电压，以调整所述差分放大器的电路工作点。
11.根据权利要求8所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一控制模块包括：
两个反馈电容，所述反馈电容的一端分别连接于所述第一输入端、第二输入端，另一端分别与所述输出端连接；
两个第一复位开关，所述第一复位开关分别连接于所述反馈电容的两端；
两个第二复位开关，所述第二复位开关的一端相互连接，另一端分别与所述第一输入端、第二输入端连接；
两个第三复位开关，所述第三复位开关的一端分别与所述第一指纹感测模块、第二指纹感测模块连接，另一端分别接地；
所述第一复位开关、第二复位开关、第三复位开关的导通或者断开一致。
12.根据权利要求8所述的信号处理电路，其特征在于，所述第二控制模块包括：
两个取样开关，所述取样开关的一端分别与所述第一指纹感测模块、第二指纹感测模块连接，另一端分别与所述第一输出端、第二输入端连接。
13.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，
所述第一输入电路包括第一加法器，所述第一加法器分别与所述第一指纹感测模块以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第一感测信号以及所述第一指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第一求和感测信号；
对应地，所述第二输入电路包括第二加法器，所述第二加法器分别与所述第二指纹感测模块以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块电性连接，用于对所述第二感测信号以及所述第二指纹感测模块相邻的指纹感测模块生成的感测信号进行求和计算，生成第二求和感测信号；
相应地，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相耦合，以将所述第一求和感测信号和第二求和感测信号进行差分放大处理。
14.一种指纹传感器，其特征在于，所述指纹传感器包括权利要求1-12中任意一项所述的信号处理电路，其中，所述指纹感测模块的数量与所述信号处理单元的数量相匹配。
15.根据权利要求14所述的指纹传感器，其特征在于，所述指纹传感器中包括预设数量的尾电流源、输出负载，所述预设数量小于所述信号处理单元的数量。
16.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备中包括指纹传感器，所述指纹传感器包括权利要求1-13中任意一项所述的信号处理电路。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备中具有快速充电的功能。
18.根据权利要求16或17所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括下述中的任意一种：移动智能电话、笔记本电脑、台式电脑、平板电子设备、个人数字助理(PDA)、智能可穿戴设备。
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2017
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Granted publication date: 20180109 Effective date of abandoning: 20240326 |
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