CN209373626U - 一种指纹采集芯片及包括该芯片的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种指纹采集芯片及包括该芯片的电路，涉及半导体芯片领域，包括感应电极阵列、采集器阵列、总线、PGA阵列、数据选择器MUX、ADC电路、控制逻辑电路、输出逻辑电路、输出接口，感应电极阵列、采集器阵列、总线、PGA阵列、数据选择器MUX、ADC电路、输出逻辑电路和输出接口依次电连接；控制逻辑电路控制分别连接采集器阵列和ADC电路；PGA阵列由m条PGA通路并联而成，m为大于1的整数。本实用新型通过增加多路PGA通道，通过MUX轮询实现ADC的数据切换，提高ADC的转换速度，最终提高了指纹采集的速度。

Description

一种指纹采集芯片及包括该芯片的电路

技术领域

本实用新型涉及半导体芯片领域，尤其涉及一种指纹采集芯片。

背景技术

随着指纹传感器市场的普及，现在对指纹传感器的需求越来越多样化，指纹采集传感器的阵列大小也各种各样，现在的技术基本上是单点采集，在大阵列的时候采集速度比较慢，严重影响了采集的速度和客户的体验。

现在的传感器基本上采用了点扫描方式，每一点采集的速度固定，比如说常用的1us一个点，即速度1MHz，这种采集速度在阵列比较小的时候不影响采集速度和用户体验，如果阵列比较大，比如256X360的时候，由于采集的点多，需要92160us才能完成一帧数据采集，也就是接近0.9s的采集一帧。

中国发明专利申请《一种指纹采集架构》，申请号为201610810522.7，公开了一种指纹采集架构，包括保护层和指纹采集芯片，保护层通过粘胶层粘接并包裹于指纹采集芯片外层，指纹采集芯片包括内部感应电极阵列、采集器阵列、逻辑控制电路、信号测试电路一、信号测试电路二、逻辑输出电路、指纹图像缓存设备、PGA电路组、 denoise电路一、denoise电路二、denoise电路三和ADC电路；denoise电路一设置在采集器阵列的信号输出端，denoise电路一、PGA电路组、denoise电路二、ADC电路和denoise电路三依次串联，PGA电路组由若干个PGA电路串联而成，每个PGA电路的控制输入端均与逻辑控制电路连接。该专利使用一个ADC，采用单点轮询采集的方式，一次采集一个点，按照指纹采集的典型频率，一个点的采集时间为1微秒，所以此电路采集n个点需要n微秒。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种指纹采集芯片，达到提高指纹采集速度的目的，改善大阵列采集器阵列的用户感受。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是在大阵列采集器阵列情况下，指纹采集时间长，影响用户感受。

为实现上述目的，发明人经研究发现，对于单点轮询采集的方式是影响采集速度的主要原因，要想提高采集速度，需要从并发采集方面着手。因而，在本实用新型的一个实施例中，提供了一种指纹采集芯片，包括感应电极阵列、采集器阵列、总线、PGA(可编程增益放大器)阵列、数据选择器MUX、ADC电路、控制逻辑电路、输出逻辑电路、输出接口，上述感应电极阵列、上述采集器阵列、上述总线、上述PGA阵列、上述数据选择器MUX、上述ADC电路、上述输出逻辑电路和上述输出接口依次电连接；上述控制逻辑电路控制分别连接上述采集器阵列和上述 ADC电路；上述PGA阵列由m条PGA通路并联而成，m为大于1的整数。

可选地，在上述实施例中的指纹采集芯片中，上述感应电极阵列包括m*n个感应电极，上述采集器阵列包括m*n个采集器，上述感应电极和上述采集器对应连接。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述控制逻辑电路连接上述采集器阵列，并控制上述采集器阵列向上述PGA阵列输入电信号，上述控制逻辑电路连接上述ADC电路，并控制上述ADC电路切换采集上述数据选择器MUX 的多路信号。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述控制逻辑电路由数字电路逻辑产生上述采集器阵列的采集时序和上述PGA通路控制时序。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述输出逻辑电路通过上述输出接口输出信号。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述PGA通路的数量和上述总线的位数相应，上述采集器阵列和上述PGA通路通过上述总线按位连接。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述PGA通路由n个PGA 电路串联而成，n为大于1的整数。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述采集器阵列把电容信号转化为电信号，可以是电流或者电压信号。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述输出接口为通信接口，具体为SPI接口，串口或者并口等。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述数据选择器MUX通过轮询方式切换接收上述m条PGA通路的信号，即在T1时刻接收PGA通道一的信号，在T2时刻接收PGA通道一的信号，以此类推，最后在Tm时刻接收PGA通道m的信号。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述ADC电路把采集的模拟信号转换为数字信号。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述ADC电路的结构可以是pipeline结构，也可以是sigma-delta结构，或者SAR结构或者其他的ADC可用结构。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述控制逻辑电路控制上述采集器阵列、上述m条PGA通路及上述ADC电路的采集时序或控制时序。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集芯片中，上述输出逻辑电路通过上述输出接口向外输出信号至数字功能模块或者MCU芯片。

本实用新型提供了一种使用上述任一实施例中的指纹采集芯片的指纹采集方法，包括如下步骤：

S10、响应于手指和上述指纹采集芯片的接触，上述感应电极阵列产生相应数量的电容信号；

S20、上述采集器阵列把所述m*n个电容信号转化为m*n个电信号；

S30、响应于上述控制逻辑电路的控制信号，上述采集器阵列把上述m*n个电信号在一个周期T内规则化通过m位总线发送到对应的PGA通路；

S40、上述PGA通路对进入本通道的电信号进行调整；

S50、上述PGA通路把经过调整的电信号发送到上述数据选择器MUX；

S60、上述数据选择器MUX在一个周期T内通过轮询方式向上述ADC电路发送信号；

S70、响应于上述控制逻辑电路的控制信号，上述ADC电路把采集的模拟信号转换为数字信号；

S80、上述数字信号由上述输出逻辑电路通过上述输出接口输出。

可选地，在上述实施例中的指纹采集方法中，上述感应电极阵列包括m*n个感应电极，产生m*n个电容信号。

进一步地，在上述实施例中的指纹采集方法中，步骤S30还包括如下步骤(即规则化的步骤)：

S31、在t1时刻所述采集器阵列把电信号1至m通过第1位总线发送到PGA 通路一；

S32、在t2时刻所述采集器阵列把电信号m+1至2m通过第2位总线发送到 PGA通路二；

S33、以此类推，在tm时刻所述采集器阵列把电信号m*(n-1)+1至m*n通过第m位总线发送到PGA通路m。

可选地，在上述任一实施例中的指纹采集方法中，步骤S60还包括如下步骤：

S61、在t1时刻所述数据选择器MUX把PGA通路一的电信号发送到所述ADC 电路；

S62、在t2时刻所述数据选择器MUX把PGA通路二的电信号发送到上述ADC 电路；

S63、以此类推，在tm时刻所述数据选择器MUX把PGA通路m的电信号发送到上述ADC电路。

本实用新型提供了一种电路，使用上述任一实施例中的指纹采集芯片。

本实用新型提供了一种电路，使用上述任一实施例中的指纹采集方法。

本实用新型通过增加多路PGA通道，通过MUX轮询实现ADC的数据切换，提高ADC的转换速度，最终提高了指纹采集的速度，改善了用户体验。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是图示根据示例性实施例的常规指纹采集架构图；

图2是图示根据示例性实施例的采集器阵列的常规指纹采集过程示意图；

图3是图示根据示例性实施例的指纹采集芯片架构图；

图4是图示根据示例性实施例的PGA阵列组成示意图；

图5是图示根据示例性实施例的采集器阵列的指纹采集过程示意图；

图6是图示根据示例性实施例的指纹采集方法流程图；

图7是图示根据示例性实施例的电路图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方示意性地适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，是常规指纹采集架构图，包括内部感应电极阵列、采集器阵列、逻辑控制电路、信号测试电路一、信号测试电路二、逻辑输出电路、指纹图像缓存设备、 PGA电路组、denoise电路一、denoise电路二、denoise电路三和ADC电路；denoise 电路一设置在采集器阵列的信号输出端，denoise电路一、PGA电路组、denoise电路二、ADC电路和denoise电路三依次串联，PGA电路组由若干个PGA电路串联而成，每个PGA电路的控制输入端均与逻辑控制电路连接。采用单点轮询采集的方式进行采集，采用轮询方式，一次采集一个点，按照指纹采集的典型频率，一个点的采集时间为1微秒，所以此电路采集n个点需要n微秒，当采集点比较多时，全部采集一次需要的时间就比较长了。

图2是一个8x8的采集器阵列，从采集的时间线21可以看出，从像素采集点1 至像素采集点64，经过64次采集才能完成8x8的阵列。在阵列比较小的时候，时间是比较短的，如果是在大阵列，如256x360大小的阵列中，采集整个阵列的时间就是 256x360微秒，需要92160微秒。接近一秒钟，时间非常的长，再加上实际的算法时间，处理一次的时间会超过一秒钟。一秒钟已经是人可以感知的时间，所以会导致比较差的用户体验。

发明人为了提升芯片采集速度，提高用户体验，考虑并行采集像素点。如图3所示，设计一种指纹采集芯片，包括：感应电极阵列32、采集器阵列33、总线34、 PGA阵列35、数据选择器MUX39、ADC电路40、控制逻辑电路41、输出逻辑电路42、输出接口43，其中感应电极阵列32、采集器阵列33、总线34、PGA阵列 35、数据选择器MUX39、ADC电路40、输出逻辑电路42和输出接口43依次电连接；控制逻辑电路42连接采集器阵列33，并通过数字电路逻辑控制采集器阵列 33向PGA阵列35输入电信号，控制逻辑电路42连接ADC电路40，并通过数字电路逻辑控制ADC电路40切换采集数据选择器MUX39的多路信号；输出逻辑电路42通过输出接口43向外输出；PGA阵列35由m条PGA通路并联而成，定义为PGA通路一38，PGA通路二37，PGA通路n 36，m为大于1的整数。当手指接触传感器时产生电容，把该电容认为是等效电容32，作为本实施例指纹采集芯片的输入。

设计感应电极阵列32，优选包括m*n个感应电极，采集器阵列33包括m*n 个采集器，感应电极和采集器对应连接。

控制逻辑电路42由数字电路逻辑产生采集器阵列的采集时序和PGA通路控制时序。

为了实现并行采集像素点，发明人设计采集器阵列33和PGA阵列35通过总线 34按位连接。设计总线34的位数和PGA通路的数量相应，总线34的位数不小于 PGA通路的数量。在实际的指纹采集中，可以认为手指是等效于一个电容二维阵列。如图3所示，采集器阵列33，把指纹的电容信号转化为电信号(电流、电压或者电荷信号)，输出到的总线34上，总线34的位宽由PGA阵列35决定，有几条PGA的通路，总线就有几位。对于PGA通路的设计，每条PGA通路由n个 PGA电路串联而成，n为大于1的整数。

优选地，m＝n，一般情况下m和n设计为8的倍数。比如m＝n＝64，此时PGA阵列35由64条PGA通路并联而成，每条PGA通路由64个PGA电路串联而成；当m＝n＝8 时，PGA阵列35由8条PGA通路并联而成，每条PGA通路由8个PGA电路串联而成，如图5所示。

在以上实施例中，采集器阵列33把电容信号转化为电信号，电信号可以是电流信号或者电压信号，通过PGA阵列35，调整电流信号或者所述电压信号的幅度值和直流偏移量。

在以上实施例中，为了方便对外连接，输出接口43设计为通信接口，具体为SPI 接口，串口、并口或其他用于通信使用的接口。

在以上实施例中，设计数据选择器MUX39能够通过轮询方式在不同时刻切换接收m条PGA通路的信号，即在一个周期T内，T1时刻接收PGA通道一38的信号，在T2时刻接收PGA通道一37的信号，以此类推，最后在Tm时刻接收PGA通道m36 的信号，取值T1、T2、…Tm<＝T/m。

在以上实施例中，为了便于输出，ADC电路40把采集的模拟信号转换为数字信号。ADC电路40的结构可以是pipeline结构，也可以是sigma-delta结构，或者SAR 结构，或者其他的ADC可用结构。

在以上实施例中，控制逻辑电路41协调控制采集器阵列33、PGA阵列35及 ADC电路40的采集时序和功能。

在以上实施例中，输出逻辑电路42通过输出接口43向外输出数字信号至数字功能模块或者MCU芯片。

使用以上实施例的指纹采集芯片，发明人还设计了指纹采集方法，如图6所示，包括如下步骤：

S10、响应于手指和上述指纹采集芯片的接触，感应电极阵列32产生相应数量的电容信号，对应于m*n个感应电极，产生m*n个电容信号；

S20、采集器阵列33把所述m*n个电容信号转化为m*n个电信号；

S30、响应于控制逻辑电路41的控制信号，采集器阵列33把m*n个电信号在一个周期T内规则化通过m位总线34发送到对应的PGA通路；

S40、PGA通路对进入本通道的电信号进行调整；

S50、PGA通路把经过调整的电信号发送到数据选择器MUX39；

S60、数据选择器MUX39在一个周期T内通过轮询方式向ADC电路40发送信号；

S70、响应于控制逻辑电路41的控制信号，ADC电路40把采集的模拟信号转换为数字信号；

S80、数字信号由输出逻辑电路42通过输出接口43输出。

针对步骤S30中的规则化，设计为以下步骤：

S31、在t1时刻采集器阵列33把电信号1至m通过第1位总线发送到PGA 通路一38；

S32、在t2时刻采集器阵列33电信号把m+1至2m通过第2位总线发送到PGA 通路二37；

S33、以此类推，在tm时刻采集器阵列33把电信号m*(n-1)+1至m*n通过第m位总线发送到PGA通路m36。

针对步骤S60细化为以下步骤：

S61、在t1时刻数据选择器MUX39把PGA通路一38的电信号发送到ADC 电路40；

S62、在t2时刻数据选择器MUX39把PGA通路二37的电信号发送到ADC 电路40；

S63、以此类推，在tm时刻数据选择器MUX39把PGA通路m36的电信号发送到ADC电路40。

基于以上实施例，发明人设计了一种电路，使用上述任一实施例中的指纹采集芯片，如图7所示，指纹采集芯片和微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)等连接，实现指纹识别功能。其中MCU可以替换为具有计算和处理功能的单片机单元或芯片。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种指纹采集芯片，其特征在于，包括感应电极阵列、采集器阵列、总线、PGA阵列、数据选择器MUX、ADC电路、控制逻辑电路、输出逻辑电路、输出接口，所述感应电极阵列、所述采集器阵列、所述总线、所述PGA阵列、所述数据选择器MUX、所述ADC电路、所述输出逻辑电路和所述输出接口依次电连接；所述控制逻辑电路控制分别连接所述采集器阵列和所述ADC电路；所述PGA阵列由m条PGA通路并联而成，m为大于1的整数。

2.如权利要求1所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述感应电极阵列包括m*n个感应电极，所述采集器阵列包括m*n个采集器，所述感应电极和所述采集器对应连接。

3.如权利要求1所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述PGA通路的数量和所述总线的位数相应，所述采集器阵列和所述PGA通路通过所述总线按位连接。

4.如权利要求1-3任一所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述PGA通路由n个PGA电路串联而成，n为大于1的整数。

5.如权利要求4所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述控制逻辑电路生成数字电路逻辑，产生所述采集器阵列的采集时序向所述PGA阵列输入电信号，产生所述ADC电路的控制时序轮询采集所述数据选择器MUX的多路信号。

6.如权利要求1所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述采集器阵列把电容信号转化为电信号，所述电信号为电流或者电压信号。

7.如权利要求1所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述ADC电路的结构为pipeline结构，sigma-delta结构，SAR结构中的一种。

8.如权利要求1所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述输出接口为通信接口。

9.如权利要求8所述的指纹采集芯片，其特征在于，所述通信接口为SPI接口，串口或者并口中的一种。

10.一种电路，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的指纹采集芯片。