TWI686058B - 類比前端電路、指紋辨識裝置及資訊處理裝置 - Google Patents

Abstract

一種類比前端電路，具有：至少一開關單元，其中各所述開關單元均具有一訊號接收端、一訊號傳送端及一偏置端，且均包括：一第一開關，其一端係作為該訊號接收端以接收一類比訊號；一第二開關，其一端電性連接該第一開關的另一端，且其另一端係作為該訊號傳送端；及一第三開關，其一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且其另一端係作為該偏置端；以及一類比前端單元，其包括：一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，其中該負輸入端電性連接至該訊號傳送端，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓；一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間；及一偏置電壓提供單元，電性連接至該正輸入端及該偏置端，且係用以將該共模偏置電壓傳送至該第三開關。

Description

類比前端電路、指紋辨識裝置及資訊處理裝置

本發明係關於類比訊號取樣之技術領域，尤指可維持高訊號雜訊比(Signal to Noise Ratio, SNR)之一種類比前端電路。

眾所周知，類比前端電路(Analog front-end, AFE)，例如:取樣與保持電路，其係用於對一類比訊號進行訊號採樣，以供後端的控制與處理單元能夠進一步地將複數個採樣點處理成數位資料。所述類比訊號轉換例如是電荷訊號、電流訊號、或電壓訊號。圖1顯示現有的類比前端電路的架構圖。如圖1所示，一類比前端電路2’包括一運算放大器21’、一電容22’以及一開關單元23’，其中，該電容22’電性連接於該運算放大器21’的負輸入端21A與輸出端21C之間，且該運算放大器21’的正輸入端21B耦接一共模偏置電壓VCOM。另一方面，該開關單元23’電性連接於該運算放大器21’的負輸入端21A與一輸入訊號之間。該開關單元23’可為一N-type MOSFET元件、一P-type MOSFET元件、或一CMOS開關電路。

舉例而言，以N-type MOSFET元件作為所述開關單元23’。在非理想的情況下，在MOSFET元件關斷時，其源極端到汲極端(即，開關單元23’的輸入端到輸出端)的阻抗(RS)不會是無窮大。這表示，只要MOSFET元件的源極端與汲極端之間具有一電壓差Vdiff，便會產生一個與該電壓差及該阻抗有關的漏電流Ileak流入該運算放大器21’的負輸入端21A 。補充說明的是，當所述輸入訊號為電壓訊號Vin(t)時，圖1中的負輸入端21A的電壓Va(t)會因為運算放大器21’的虛短路(Virtual short)而等於共模偏置電壓VCOM。

然而，必須注意的是，若所述輸入訊號為電流訊號Iin(t)，則該漏電流Ileak便會成為一雜訊源，造成類比前端電路2’於處理所述電流訊號之時顯示出訊號雜訊比(Signal to Noise Ratio, SNR)下降的狀況。由漏電流Ileak引發的雜訊源Qn由如下數學式(1’)所表示，與該雜訊源Qn相對應的一輸出雜訊訊號Vn,out由如下數學式(2’)所表示，且下式(2’)之中的CF指的是電容22’的電容值。 …(1’)

……………………………….…………………………..(2’)

由上述說明可知，在處理類比電流訊號之時，現有的類比前端電路1’會受到由開關23’漏電流Ileak所形成的雜訊源Qn之影響而無法維持理想的SNR。因此，本領域亟需一種新穎的類比前端電路。

本發明之主要目的在於提出一種類比前端電路，其特別包含可消除開關元件的漏電流之設計，因此不管其應用於對電荷訊號、電流訊號、或電壓訊號進行類比採樣處理，皆能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成所述類比採樣處理。

為達成上述目的，本發明提出一種類比前端電路，其具有：

至少一開關單元，其中各所述開關單元均具有一訊號接收端、一訊號傳送端及一偏置端，且均包括：

一第一開關，其一端係作為該訊號接收端以接收一類比訊號；

一第二開關，其一端電性連接該第一開關的另一端，且其另一端係作為該訊號傳送端；及

一第三開關，其一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且其另一端係作為該偏置端；以及

一類比前端單元，其包括：

一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，其中該負輸入端電性連接至該訊號傳送端，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓；

一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間；及

一偏置電壓提供單元，電性連接至該正輸入端及該偏置端，且係用以將該共模偏置電壓傳送至該第三開關。

在一實施例中，該偏置電壓提供單元為一單位增益運算放大器或一單位增益緩衝器。

在可能的實施例中，該第一開關、該第二開關及該第三開關皆可為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一該P型MOSFET與一N型MOSFET對接而成的一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關。

為達成上述目的，本發明進一步提出一種類比前端電路，其具有：

至少一開關單元，其中各所述開關單元均具有一訊號接收端及一訊號傳送端，且均包括：

一第一開關，其一端係作為該訊號接收端以接收一類比訊號；

一第二開關，其一端係電性連接該第一開關的另一端，且其另一端係作為該訊號傳送端；及

一電壓保持電容，其一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且其另一端接地；以及

一類比前端單元，包括：

一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，其中該負輸入端電性連接至該訊號傳送端，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓；及

一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間。

在可能的實施例中，該第一開關和該第二開關皆可為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一該P型MOSFET與一N型MOSFET對接而成的一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關。

另外，本發明亦提出一種指紋辨識裝置，其包括一指紋感測器陣列與一感測模組，其中該感測模組具有如前述之類比前端電路。

在一實施例中，所述之指紋辨識裝置係一光學式指紋辨識裝置。

另外，本發明進一步提出一種資訊處理裝置，其包括如前述之指紋辨識裝置。

在可能的實施例中，該資訊處理裝置之中，且該資訊處理裝置可為下列任一者：智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、或門禁裝置。

為使  貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

第一實施例

圖2顯示本發明之類比前端電路的第一實施例架構圖，其中，由於該類比前端電路特別包含本發明的可消除開關元件漏電流的設計，因此，不管該類比前端電路應用於電荷訊號、電流訊號、或電壓訊號的類比採樣處理，皆能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成任務。如圖2所示，一類比前端電路1具有一開關單元11、包括一運算放大器12與一電容13的一類比前端單元、以及一偏置電壓提供單元14。特別地，開關單元11係被設計為具有一訊號接收端111、一訊號傳送端112及一偏置端113，且其包括一第一開關114、一第二開關115及一第三開關116。

承上述說明，第一開關114的一端係作為訊號接收端111以接收一類比訊號；第二開關115的一端電性連接第一開關114的另一端，且其另一端係作為訊號傳送端112；以及，第三開關116的一端耦接於第一開關114與第二開關115之間，且其另一端係作為偏置端113。再者，運算放大器12具有一負輸入端12A、一正輸入端12B及一輸出端12C，其中負輸入端12A電性連接至訊號傳送端112，且正輸入端12B耦接一共模偏置電壓VCOM。另外，電容13係耦接於負輸入端12A與輸出端12C之間。另外，偏置電壓提供單元14係用以提供共模偏置電壓VCOM，並將共模偏置電壓VCOM耦接至正輸入端12B及與偏置端113。

圖3A、圖3B與圖3C分別顯示一P型MOSFET 30、一N型MOSFET 40及一CMOS開關的電路圖。在類比前端電路1的實際設計中，第一開關114、第二開關115及第三開關116皆可為一P型MOSFET 30、一N型MOSFET 40或一P型MOSFET 30與一N型MOSFET 40對接而成的一CMOS開關。例如，以N型MOSFET 40實施上述各開關時，第一開關114會以一源極耦接輸入訊號Vin(t)，並以一汲極電性連接第二開關115的一源極；第二開關115的一汲極會電性連接至負輸入端12A；以及，第三開關116的一源極會電性連接至偏置電壓提供單元14，且其一汲極會電性連接至第一開關114、第二開關115與該第三開關116之間的一共接點A。

本發明特別設計令第三開關116在第一開關114與第二開關115同時斷開時被切換至閉合狀態。此時，偏置電壓提供單元14會透過第三開關116將共模偏置電壓VCOM傳送至共接點A，同時圖2中的負輸入端12A的電壓Va(t)會因為運算放大器12的虛短路(Virtual short)而等於共模偏置電壓VCOM。在這種情況下，第二開關115的兩端的電壓差便為VCOM-VCOM=0，因此可以計算第二開關115的漏電流為Ileak2=0/RS2，其中RS2為第二開關115(即，NMOSFET)之源極至汲極的內阻。由此可知，在第一開關114與第二開關115同時被斷開的情況下，透過閉合第三開關116的方式可以控制第二開關115不會產生任何的開關漏電流。值得注意的是，偏置電壓提供單元14將共模偏置電壓VCOM進行比例為1:1的複製；簡單地說，所述偏置電壓提供單元14為單位增益運算放大器或一單位增益緩衝器(Unity gain buffer)。圖4即顯示一單位增益運算放大器50的電路圖。

必須補充說明的是，此處所稱斷開開關，如圖2所示，為open switch之意；相反地，閉合開關則為close switch之意。以NMOSFET作為開關之時，斷開開關指的是關斷NMOSFET，且閉合開關指的是導通NMOSFET。另一方面。由圖2亦可知第一開關114兩端的電壓分別為Vin(t)(即，輸入訊號)和共模偏置電壓VCOM。因此可以計算第一開關114的漏電流為Ileak1=(Vin(t)-VCOM)/RS1，其中RS1為第一開關114(即，NMOSFET)之源極至汲極的內阻。然而，由於第二開關115處於斷開狀態，因此第一開關114的漏電流Ileak1流至共接點A之後，便會接著透過第三開關116進一步地流向偏置電壓提供單元14的輸出端，最終被偏置電壓提供單元14所消除。

圖5顯示圖4之類比前端電路的另一工作狀態。於圖5中，第三開關116被斷開，且第一開關114與第一開關115皆被閉合。此時，圖5中的負輸入端12A的電壓Va(t)會因為運算放大器12的虛短路而等於共模偏置電壓VCOM。在這種情況下，共接點A的電壓會等於VCOM，因此第三開關116的兩端的電壓差便為VCOM-VCOM=0；進一步地，可以計算出第三開關116的漏電流為Ileak3=0/RS3，其中RS3為第三開關116之源極至汲極的內阻。由此可知，在第一開關114與第二開關115同時被閉合的情況下，即使第三開關116被斷開也不會有任何開關漏電流產生。

第一實施例的應用例

圖6顯示包含本發明之類比前端電路的一種光學式指紋辨識裝置的第一架構圖。如圖6所示，光學式指紋辨識裝置包括：一指紋感測器陣列與一感測模組。其中，該指紋感測器陣列由複數組感測器21組成，且每一組感測器21皆包括一光二極體(Photo diode)與一寄生電容(Source capacitor)。並且，對應於所述複數組感測器21的數量，本發明之類比前端電路1也被配置相同數量的開關單元11，且各所述開關單元11皆電性連接到由運算放大器12與電容13組成的類比前端單元。同時，偏置電壓提供單元14係用以提供共模偏置電壓VCOM至各開關單元11。在此特別要指出的是，上述說明已經配合圖2與圖5的輔助而完整說明，因此，無論在開關單元11斷開或閉合的情況下，本發明之類比前端電路1皆可完美地消除開關單元11的漏電流。也就是說，本發明之類比前端電路1能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成對複數組所述感測器21所傳送的每一筆(類比)輸入訊號Vin(t)的採樣處理。

第二實施例

圖7A與圖7B顯示本發明之類比前端電路的第二實施例架構圖。比較圖2與圖7A可知，圖7A的類比前端電路1的第二實施例同樣具有一開關單元11和包括一運算放大器12與一電容13的一類比前端單元。不同的是，第二實施例不包含所述偏置電壓提供單元14。並且，在第二實施例中，開關單元11係被設計成具有一訊號接收端111與一訊號傳送端112，且其包括一第一開關114、一第二開關115及一電壓保持電容117。其中，第一開關114的一端係作為訊號接收端111以接收一類比訊號；第二開關115的一端電性連接第一開關114的另一端，且其另一端係作為訊號傳送端112；以及，電壓保持電容117的一端耦接於第一開關114與第二開關115之間，且其另一端接地。

如圖7A所示，當在第一開關114與第二開關115同時被閉合時，(類比)輸入訊號Vin(t)由第一開關114傳送至共接點A，再由第二開關115傳送至負輸入端12A。值得注意的是，電壓保持電容117的電容值為Cp，其成為類比前端單元之輸入端的一個寄生電容，且這個寄生電容的大小遠小於類比前端單元的輸入電容，因此不會影響類比前端單元的正常工作。如圖7B所示，當在第一開關114與第二開關115同時被斷開的瞬間，中間點A的電壓會因為電壓保持電容117的保持作用而為VCOM，因此可計算出第一開關114與第二開關115的漏電流可利用以下式(1)、式(2)與式(3)計算而得。

……………………………………(1)

……………….…………(2)

…………………(3)

由式(1)可知，第一開關114的漏電流Ileak1(t)會因為於RS1的值很大而趨近於0。其中，VA(t)為電壓保持電容117的電壓，亦為中間點A的電壓。並且， Vdiff2(t)為第二開關115的兩端點的電壓差。當ΔVA(t)=0時，VA(t)的值會趨近於VCOM，亦即Vdiff2(t)會趨近於0。此時，由式(3)可知第二開關115的漏電流Ileak2(t)也會趨近於0。另一方面，由式(2)與式(3)亦可同時得知，透過增大電壓保持電容117的電容值Cp的方式，是可以顯著地消除第一開關114與第二開關115的漏電流。

第二實施例的應用例

圖8顯示包含本發明之類比前端電路的光學式指紋辨識裝置的第二架構圖。比較圖6與圖8可以得知，所述光學式指紋辨識裝置的第二架構亦同樣包括一指紋感測器陣列與一感測模組。其中，該指紋感測器陣列由複數組感測器21組成，且每一組感測器21皆包括一光二極體(Photo diode)與一寄生電容(Source capacitor)。不同地，於所述光學式指紋辨識裝置的第二架構之中，該感測模組包括本發明之類比前端電路1的第二實施例之架構。上述說明已經配合圖7A與圖7B的輔助而完整說明，無論在開關單元11斷開或閉合的情況下，本發明之類比前端電路1的第二實施例皆可完美地消除開關單元11的漏電流。也就是說，本發明之類比前端電路1能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成對複數組所述感測器21所傳送的每一筆(類比)輸入訊號Vin(t)的採樣處理。

依上述的說明，本發明進一步提出一資訊處理裝置，其具有如前述之光學式指紋辨識裝置，且該資訊處理裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、或門禁系統。簡單地說，本發明之類比前端電路可應用在上述任一種電子產品中。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之類比前端電路、指紋辨識裝置、及資訊處理裝置；並且，經由上述可得知本發明係具有下列之優點：

(1)本發明以至少一開關單元11、包括一運算放大器12與一電容13的一類比前端單元、及一偏置電壓提供單元14組成新式的一種類比前端電路。特別地，本發明係以該偏置電壓提供單元14提供一共模偏置電壓VCOM至該開關單元11，藉此方式消除該開關單元11於關斷狀態時所衍生的漏電流。因此，不管本發明之類比前端電路被應用於對電荷訊號、電流訊號、或電壓訊號進行類比採樣處理，皆能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成所述類比採樣處理。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請  貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

<本發明>

1‧‧‧類比前端電路

11‧‧‧開關單元

12‧‧‧運算放大器

13‧‧‧電容

14‧‧‧偏置電壓提供單元

111‧‧‧訊號接收端

112‧‧‧訊號傳送端

113‧‧‧偏置端

114‧‧‧第一開關

115‧‧‧第二開關

116‧‧‧第三開關

12A‧‧‧負輸入端

12B‧‧‧正輸入端

12C‧‧‧輸出端

117‧‧‧電壓保持電容

30‧‧‧P型MOSFET

40‧‧‧N型MOSFET

50‧‧‧單位增益運算放大器

<習知>

2’‧‧‧類比前端電路

21’‧‧‧運算放大器

22’‧‧‧電容

23’‧‧‧開關單元

21A‧‧‧負輸入端

21C‧‧‧輸出端

21B‧‧‧正輸入端

圖1顯示現有的類比前端電路的架構圖； 圖2顯示本發明之一種類比前端電路的第一實施例架構圖； 圖3A顯示P型MOSFET電路圖； 圖3B顯示N型MOSFET的電路圖； 圖3C顯示CMOS開關的電路圖； 圖4顯示單位增益運算放大器的電路圖； 圖5顯示本發明之類比前端電路的第一實施例架構圖； 圖6顯示包含本發明之類比前端電路的一種光學式指紋辨識裝置的第一架構圖； 圖7A與圖7B顯示本發明之類比前端電路的第二實施例架構圖；以及 圖8顯示包含本發明之類比前端電路的光學式指紋辨識裝置的第二架構圖。

1‧‧‧類比前端電路

11‧‧‧開關單元

12‧‧‧運算放大器

13‧‧‧電容

14‧‧‧偏置電壓提供單元

111‧‧‧訊號接收端

112‧‧‧訊號傳送端

113‧‧‧偏置端

114‧‧‧第一開關

115‧‧‧第二開關

116‧‧‧第三開關

12A‧‧‧負輸入端

12B‧‧‧正輸入端

12C‧‧‧輸出端

Claims (6)

1. 一種類比前端電路，其具有：至少一開關單元，其中各所述開關單元均具有一訊號接收端、一訊號傳送端及一偏置端，且均包括：一第一開關，其一端係作為該訊號接收端以接收一類比訊號；一第二開關，其一端電性連接該第一開關的另一端，且其另一端係作為該訊號傳送端；及一第三開關，其一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且其另一端係作為該偏置端；其中，該第一開關、該第二開關和該第三開關皆為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一該P型MOSFET與一N型MOSFET對接而成的一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關；以及一類比前端單元，其包括：一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，其中該負輸入端電性連接至該訊號傳送端，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓；一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間；及一偏置電壓提供單元，為一單位增益運算放大器或一單位增益緩衝器(Unity gain buffer)，且其電性連接至該正輸入端及該偏置端，用以將該共模偏置電壓進行比例為1：1的複製，進而提供所述共模偏置電壓至該第三開關。
2. 一種類比前端電路，其具有：至少一開關單元，其中各所述開關單元均具有一訊號接收端及一訊號傳送端，且均包括：一第一開關，其一端係作為該訊號接收端以接收一類比訊號；一第二開關，其一端係電性連接該第一開關的另一端，且其另一端係作為該訊號傳送端；其中，該第一開關和該第二開關皆為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一該P型MOSFET與一N型MOSFET對接而成的一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關；及 一電壓保持電容，其一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且其另一端接地；以及一類比前端單元，包括：一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，其中該負輸入端電性連接至該訊號傳送端，且該正輸入端耦接一共模偏置電壓；及一電容，耦接於該負輸入端與該輸出端之間。
3. 一種指紋辨識裝置，其包括一指紋感測器陣列與一感測模組，其中該感測模組具有如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之類比前端電路。
4. 如申請專利範圍第3項所述之指紋辨識裝置，其係一光學式指紋辨識裝置。
5. 一種資訊處理裝置，其包括如申請專利範圍第3項所述之指紋辨識裝置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之資訊處理裝置，其係由智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶和門禁裝置所組成群組所選擇的一種電子裝置。

Images