TWI818459B - 指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置 - Google Patents

指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種指紋檢測放大電路及指紋識別裝置，其包括全差分放大器、開關組、第一反饋電路及第二反饋電路。開關組控制全差分放大器的第一輸入端與第二輸入端交替與感測電極電連接。第一反饋電路和第二反饋電路分別對在第一輸入端或第二輸入端的感測電容值轉換為電壓信號。指紋檢測放大電路內的信號工作在指定電壓域。在指定電壓域中的低電平信號為浮動信號。低電平信號在第一低電壓和第二低電壓之間切換時，全差分放大器的第一輸出端和第二輸出端交替輸出；第一輸出端和第二輸出端具有共模電壓。

Description

指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置
本發明涉及一種指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置。
隨著智慧手機全面屏普及，指紋採集與識別方案趨於光學式屏下指紋識別和電容式指紋識別兩種方案。其中，電容式式指紋識別方案不受光源影響，主動解鎖的體驗尤佳。習知的指紋採集與識別方案中，藉由感應手指的穀和脊與感應電極的形成的感應電容，而判斷指紋資訊。感應電容的電容值藉由指紋檢測放大電路進行放大處理後提供給模數轉換器(Analog to digital converter,ADC)轉換為數位信號，藉由數字處理恢復為指紋圖像。由於感應電容的電容值通常非常小，且容易受到蓋板厚度影響。同時，存在雜訊信號與感應電容一併輸入給指紋檢測放大電路。通常指紋檢測放大電路中採用單端輸入的模式，使得雜訊信號與感應電容同時被放大，進而導致信號通路上的噪音信號無法被有效抑制。
有鑒於此，有必要提供一種指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置，旨在解決習知技術中單端輸入的指紋檢測放大電路無法有效抑制噪音信號的技術問題。
一種指紋檢測放大電路，用於檢測感測電極與手指之間形成的感測電容的電容值轉換為電壓信號；所述指紋檢測放大電路包括：全差分放大器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端；開關組，電性連接在所述感測電極和所述全差分放大器之間，用於控制所述第一輸入端與所述第二輸入端交替與所述感測電極電性連接；第一反饋電路，與所述第一輸入端和所述第一輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第一輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；以及第二反饋電路，與所述第二輸入端和所述第二輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第二輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；所述指紋檢測放大電路內的信號工作在指定電壓域；在所述指定電壓域中的低電平信號為浮動信號；所述低電平信號可在第一低電壓和第二低電壓之間切換；其中，所述第一低電壓大於第二低電壓；所述低電平信號在所述第一低電壓和所述第二低電壓之間切換時，所述全差分放大器的第一輸出端和所述第二輸出端交替輸出；所述第一輸出端的電壓和所述第二輸出端的電壓具有共模電壓。
一種指紋識別裝置，包括指紋感測電路、指紋檢測放大電路、數位類比轉換電路以及數據處理電路；所述指紋檢測放大電路用於檢測感測電極與手指之間形成的感測電容的電容值轉換為電壓信號；所述指紋檢測放大電路包括：全差分放大器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端； 開關組，電性連接在所述感測電極和所述全差分放大器之間，用於控制所述第一輸入端與所述第二輸入端交替與所述感測電極電性連接；第一反饋電路，與所述第一輸入端和所述第一輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第一輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；以及第二反饋電路，與所述第二輸入端和所述第二輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第二輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；所述指紋檢測放大電路內的信號工作在指定電壓域；在所述指定電壓域中的低電平信號為浮動信號；所述低電平信號可在第一低電壓和第二低電壓之間切換；其中，所述第一低電壓大於第二低電壓；所述低電平信號在所述第一低電壓和所述第二低電壓之間切換時，所述全差分放大器的第一輸出端和所述第二輸出端交替輸出；所述第一輸出端的電壓和所述第二輸出端的電壓具有共模電壓。
上述指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置，所述指定電壓域的所述低電平信號為浮動信號，在所述低電平信號的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器輸出信號，以提高所述指紋檢測放大電路的輸出增益，可提高所述指紋檢測放大電路的共模雜訊抑制能力，可有效降低噪音，進而提高所述指紋檢測放大電路的信噪比。
100:指紋識別裝置
10:指紋感測電路
20、20a、20b:指紋檢測放大電路
30:數位類比轉換電路
40:數據處理電路
12:感測電極
NVDDA:高電平信號
NVSS:低電平信號
Cf:感測電容
VOUTP:第一輸出信號
VOUTN:第二輸出信號
VCM:參考電壓
21:差分放大器
23:開關組
25a、25b:第一反饋電路
27a、27b:第二反饋電路
K1:第一開關
K2_1:第二開關
K2_2:第三開關
CFB1:第一反饋電容
CFB2:第二反饋電容
K3_1:第一主控制開關
K3_2:第二主控制開關
RST:重置信號
NRST:反向重置信號
PRE:預充電信號
SENSOR_EN_P:第一感測使能信號
SENSOR_EN_N:第二感測使能信號
TX:控制信號
T1:重置階段
T2:預充電階段
T3:第一電荷轉移階段
T4:第二電荷轉移階段
K4_1:第一輔助開關
K5_1:第二輔助開關
K6_1:第三輔助開關
K7_1:第四輔助開關
K4_2:第五輔助開關
K5_2:第六輔助開關
K6_2:第七輔助開關
K7_2:第八輔助開關
VDC_OS:電源電壓
圖1為本發明較佳實施例之指紋識別裝置的立體示意圖。
圖2為圖1中較佳實施方式之所述指紋識別裝置的模組示意圖。
圖3為圖1中較佳實施方式之所述指紋感測電路的模組示意圖。
圖4為圖2中第一實施方式之所述指紋檢測放大電路的等效電路示意圖。
圖5為圖4中重置信號、預充電信號、第一感測使能信號、第二感測使能信號、控制信號以及低電平信號的時序示意圖。
圖6為圖4中所述全差分放大器的第一輸出端和第二輸出端的電壓變化示意圖。
圖7為圖2中第二實施方式之所述指紋檢測放大電路的等效電路示意圖。
圖8為圖7中重置信號、反向重置信號、預充電信號、第一感測使能信號、第二感測使能信號、控制信號以及低電平信號的時序示意圖。
圖9為圖7中所述全差分放大器的第一輸出端和第二輸出端的電壓變化示意圖。
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
本發明的說明書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」和「第三」等是用於區別不同物件，而非用於描述特定順序。此外，術語「包括」以及它們任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或模組的過程、方法、系統、產品或設備沒有限定於已列出的步驟或模組， 而是可選地還包括沒有列出的步驟或模組，或可選地還包括對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或模組。
下面結合附圖對本發明的指紋檢測放大電路以及指紋識別裝置的具體實施方式進行說明。
請參照圖1，其為本發明一實施方式的指紋識別裝置100的立體示意圖。在本發明的至少一個實施方式中，所述指紋識別裝置100可以為個人電腦、平板電腦、智慧手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)、遊戲機、互動式網路電視(Internet Protocol Television,IPTV)、智慧式穿戴式設備、導航裝置等等的可移動設備，也可以為臺式電腦、伺服器、數位電視等等的固定設備。所述指紋識別裝置100可進一步包括觸控功能、顯示功能以及攝像功能中的一種或多種的結合。
請一併參閱圖2，其為所述指紋識別裝置100的模組示意圖。所述指紋識別裝置100包括指紋感測電路10、指紋檢測放大電路20、數位類比轉換電路30以及數據處理電路40。所述指紋感測電路10用於在檢測到用戶的指紋時產生感測電容Cf(如圖4所示)。所述指紋檢測放大電路20用於對所述感測電容Cf的電容值進行積分放大後輸出感測電壓給所述數位類比轉換電路30。所述數據處理電路40對所述感測電壓進行處理以轉換成使用者的指紋圖像。
所述指紋感測電路10按照一定的時序控制進行掃描以檢測使用者的指紋以產生所述感測電容Cf。如圖3所示，所述指紋感測電路10包括呈m*n矩陣排列的所述感測電極12。其中，m，n為正整數，且二者可以相同也可以不同。使用者手指觸摸後，觸摸區域的所述感測電極12與手指進行感應，以形成對應的感測電容Cf。所述感測電極12藉由感測線(圖未示)與所述指紋檢測放大電路20電性連接。
所述指紋檢測放大電路20與所述指紋感測電路10電性連接。所述指紋檢測放大電路20檢測所述感測電容Cf的電容並轉換為電壓信號後進行積分操作，然後輸出感測電壓給所述數位類比轉換電路30，再藉由所述數據處理電路40實現對所述感測電容Cf的電容值的檢測。
請參閱圖4，其為本發明第一實施方式之所述指紋檢測放大電路20a的等效電路示意圖。所述指紋檢測放大電路20a內的信號工作在指定電壓域。所述指定電壓域限定所述指紋識別裝置100的電壓變化範圍，所述指定電壓域以高電平信號NVDDA為上限電壓，低電平信號NVSS為下限電壓。其中，所述高電平信號NVDDA還可作為所述指紋識別裝置100的工作電壓，所述低電平信號NVSS還可作為接地電壓。在所述指定電壓域中，所述低電平信號NVSS為浮動信號。即，所述低電平信號NVSS的電壓為週期性變化的脈衝信號。同時，所述高電平信號NVDDA和所述低電平信號NVSS之間的電壓差保持不變。所述低電平信號NVSS在控制信號TX的控制下進行切換。所述低電平信號NVSS可在第一低電壓和第二低電壓之間切換。其中，所述第一低電壓大於第二低電壓。所述低電平信號NVSS和所述控制信號TX為互補的脈衝信號。換句話說，所述低電平信號NVSS和所述控制信號TX具有相同的脈衝寬度以及脈衝頻率，在所述控制信號TX處於高電平時，控制所述低電平信號NVSS處於所述第二低電壓；在所述控制信號TX處於低電平時，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在本發明的至少一個實施方式中，所述第一低電壓可以為0伏特，所述第二低電壓為負電壓，其電壓值可根據使用者的需求進行設置。
所述指紋檢測放大電路20a在所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓和所述第二低電壓時對所述感測電容Cf進行電荷轉移操作並分別輸出第一輸出信號VOUTP和第二輸出信號VOUTN。所述第一輸出信號 VOUTP和所述第二輸出信號VOUTN的電壓變化方向相反。在本實施方式中，所述第一輸出信號VOUTP為遞減信號，所述第二輸出信號VOUTN為遞增信號。所述第一輸出信號VOUTP和所述第二輸出信號VOUTN具有共模電壓。在本實施方式中，所述共模電壓為參考電壓VCM。
所述指紋檢測放大電路20a包括全差分放大器21、開關組23、第一反饋電路25a以及第二反饋電路27a。所述全差分放大器21藉由所述開關組23與所述感測電極12電性連接，用於藉由所述開關組23感測所述感測電容Cf並將所述感測電容Cf的電容值轉換為所述電壓信號後進行積分操作，以實現放大處理。
所述開關組23包括第一開關K1、第二開關K2_1以及第三開關K2_2。所述第一開關K1的一端與所述感測電極12電性連接，另一端接收所述參考電壓VCM。所述第一開關K1受控於預充電信號PRE。所述第二開關K2_1的一端與所述感測電極12電性連接，另一端與所述全差分放大器21的第一輸入端211電性連接。所述第二開關K2_1受控於第一感測使能信號SENSOR_EN_P。所述第三開關K2_2的一端與所述感測電極12電性連接，另一端與所述全差分放大器21的第二輸入端213電性連接。所述第三開關K2_2受控於第二感測使能信號SENSOR_EN_N。
所述全差分放大器21具有所述第一輸入端211、所述第二輸入端213、第一輸出端215以及第二輸出端217。其中，所述第一輸出端215作為所述第一輸出信號VOUTP的輸出端，所述第二輸出端217作為所述第二輸出信號VOUTN的輸出端。在本實施方式中，所述第一輸入端211為反向輸入端，所述第二輸入端213為正向輸入端。所述第一輸出端215為正向輸出端，所述第二輸出端217為反向輸出端。其中，所述共模電壓大於所述第一 輸出端215的最小值且小於所述第一輸出端215的最大值；所述共模電壓大於所述第二輸出端217的最小值且小於所述第二輸出端217的最大值。
所述第一反饋電路25a電性連接在所述第一輸入端211和所述第一輸出端215的兩端。所述第一反饋電路25a用於將藉由所述第二開關K2_1輸入的所述感測電容Cf的電容值轉換為所述電壓信號後進行積分操作。所述第一反饋電路25a包括第一反饋電容CFB1以及第一主控制開關K3_1。所述第一反饋電容CFB1的兩端分別與所述第一輸入端211和所述第一輸出端215電性連接。所述第一主控制開關K3_1的兩端分別與所述第一輸入端211和所述第一輸出端215電性連接。所述第一主控制開關K3_1受控於重置信號RST。
所述第二反饋電路27b電性連接在所述第二輸入端213和所述第二輸出端217的兩端。所述第二反饋電路27a用於將藉由所述第三開關K2_2輸入的所述感測電容Cf的電容值轉換為所述電壓信號後進行積分操作。所述第二反饋電路27a包括第二反饋電容CFB2以及第二主控制開關K3_2。所述第二反饋電容CFB2的兩端分別與所述第二輸入端213和所述第二輸出端217電性連接。所述第二主控制開關K3_2的兩端分別與所述第二輸入端213和所述第二輸出端217電性連接。所述第二主控制開關K3_2受控於所述重置信號RST。在本實施方式中，所述第二反饋電容CFB2和所述第一反饋電容CFB1具有相同的電容值。
請一併參閱圖5，其為第一實施方式中所述重置信號RST、預充電信號PRE、第一感測使能信號SENSOR_EN_P、第二感測使能信號SENSOR_EN_N、控制信號TX以及低電平信號NVSS的時序示意圖。所述指紋檢測放大電路20a的具體工作原理如下： 所述指紋檢測放大電路20a可工作在重置階段T1、預充電階段T2、第一電荷轉移階段T3以及第二電荷轉移階段T4。其中，所述指紋檢測放大電路20首先依次工作在所述重置階段T1和所述預充電階段T2，然後所述指紋檢測放大電路20a交替工作在第一電荷轉移階段T3和所述第二電荷轉移階段T4。在本實施方式中，所述重置階段T1和所述預充電階段T2之間存在預設時間間隔。在所述預設時間間隔裡，所述指紋檢測放大電路20a不執行任何操作。
在所述重置階段T1，所述預充電信號PRE、所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P、所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N以及所述控制信號TX處於低電平，所述重置信號RST處於高電平，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在所述預充電信號PRE的控制下，所述第一開關K1斷開。在所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P的控制下，所述第二開關K2_1斷開。在所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N的控制下，所述第三開關K2_2斷開。在所述重置信號RST的控制下，所述第一主控制開關K3_1和所述第二主控制開關K3_2閉合。因此，所述第一反饋電容CFB1和所述第二反饋電容CFB2兩端的電荷分別為0。即，QCFB1=0，QCFB2=0。其中，QCFB1表示所述第一反饋電容CFB1上的電荷，QCFB2表示所述第二反饋電容CFB2上的電荷。
在所述預充電階段T2，所述重置信號RST、所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P、所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N以及所述控制信號TX處於低電平，所述預充電信號PRE處於高電平，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在所述預充電信號PRE的控制下，所述第一開關K1閉合，使得所述參考電壓VCM對所述感測電容Cf進行預充電操作。此時， 所述指紋檢測放大電路20b內的總電荷為所述感測電容Cf上的電荷。所述感測電容Cf上的電荷可藉由公式一進行計算得到。
Q cf =VCM＊C f 公式一
其中，Qcf表示在所述預充電階段T2時所述感測電容Cf上的電荷，VCM表示所述參考電壓VCM，Cf表示所述感測電容Cf的電容值。
同時，在所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P的控制下，所述第二開關K2_1斷開。在所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N的控制下，所述第三開關K2_2斷開。在所述重置信號RST的控制下，所述第一主控制開關K3_1和所述第二主控制開關K3_2斷開。
在所述第一電荷轉移階段T3，所述重置信號RST、所述預充電信號PRE以及所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N處於低電平，所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P處於高電平，所述控制信號TX由低電平切換為高電平，所述低電平信號NVSS由所述第一低電壓切換至所述第二低電壓。所述感測電容Cf上的電荷向所述第一反饋電路25a內的所述第一反饋電容CFB1轉移，對所述全差分放大器21的第一輸入端211進行充電，以實現一次所述積分操作。在所述第一電荷轉移階段T3時，所述指紋檢測放大電路20a的總電荷由所述感測電容Cf上的電荷和所述第一反饋電容CFB1上的電荷構成。即，所述指紋檢測放大電路20a內的總電荷可藉由公式二計算得出。
Q cf1=VCM＊C f =(VCM-V OUTP)＊C FB1+(VCM-NVDDA)＊C f 公式二
其中，Qcf1表示在所述第一電荷轉移階段T3進行電荷轉移之前所述感測電容Cf的總電荷，VCM表示所述參考電壓，VOUTP表示所述第一輸出端215的電壓，CFB1表示所述第一反饋電容CFB1的電容值，NVDDA表示系統供電電壓，Cf表示所述感測電容Cf的電容值。
所述第一反饋電容CFB1兩端的電壓差為所述參考電壓VCM和所述第一輸出端215的電壓差。同時，由於所述低電平信號NVSS切換至所述第二低電壓，使得所述感測電容Cf與所述第一輸入端211電性連接的一端的電壓發生變化為所述參考電壓VCM和所述第二低電壓之和。
根據電荷守恆定律，即，QCf1=QCf。因此，結合公式一和公式二，所述第一輸出端215的電壓可根據公式三計算得出。
Figure 111108276-A0305-02-0013-1
其中，VOUTP表示所述第一輸出端215的電壓，VCM表示所述參考電壓，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB1表示所述第一反饋電容CFB1的電容值，NVDDA表示所述系統供電電壓。
在所述第二電荷轉移階段T4，所述重置信號RST、所述預充電信號PRE以及所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P處於低電平，所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N處於高電平，所述控制信號TX由高電平切換為低電平，所述低電平信號NVSS由所述第二低電壓切換至所述第一低電壓。將所述感測電容Cf上存儲的電荷向所述第二反饋電路27內的所述第二反饋電容CFB2轉移，對所述全差分放大器21的第二輸入端213進行充電，以實現一次所述積分操作。在所述第二電荷轉移階段T4時，所述指紋檢測放大電路20a的總電荷由所述感測電容Cf上的電荷和所述第一反饋電容CFB1上的電荷構成。即，所述指紋檢測放大電路20a內的總電荷可藉由公式四計算得出。
Q cf2=(VCM-NVDDA)＊C f =(VCM-V OUTN )＊C FB2+VCM＊C f 公式四
其中，Qcf2表示在所述第二電荷轉移階段T4進行電荷轉移之前所述感測電容Cf的總電荷，VCM表示所述參考電壓VCM，NVDDA表示所述系 統供電電壓，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，VOUTN表示所述第二輸出端217的電壓，CFB2表示所述第二反饋電容CFB2的電容值。
所述第二反饋電容CFB2兩端的電壓差為所述參考電壓VCM和所述第二輸出端217的電壓差。同時，由於所述低電平信號NVSS切換至所述第一低電壓，使得所述感測電容Cf與所述第一輸入端211電性連接的一端的電壓發生變化為所述參考電壓VCM。
根據電荷守恆定律，即，QCf=QCf2。因此，結合公式一和公式四，所述第一輸出端215和第二輸出端217的電壓可藉由如下公式五計算得出。
Figure 111108276-A0305-02-0014-2
其中，VOUTN表示所述第二輸出端217的電壓，VCM表示所述參考電壓，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB2表示所述第二反饋電容CFB2的電容值，NVDDA表示所述系統供電電壓。
因此，所述第一輸出端215和所述第二輸出端217的差值可如下公式六所示。
Figure 111108276-A0305-02-0014-3
重複N次所述第一電荷轉移階段T3和所述第二電荷轉移階段T4時，所述第一輸出端215和所述第二輸出端217的差值可如下公式七所示。
Figure 111108276-A0305-02-0014-4
從上述公式七中可以看出，所述全差分放大器21的所述第一輸出端215的電壓和所述第二輸出端217的電壓存在共模電壓，所述共模電壓為所述高電平信號NVDDA的一半。如圖6所示，所述第一輸出信號VOUTP由所述共模電壓遞減變化，所述第二輸出信號VOUTN由所述共模電壓遞增變化。
上述所述指紋檢測放大電路20a以及所述指紋識別裝置100，所述指定電壓域的所述低電平信號NVSS為浮動信號，在所述低電平信號NVSS的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器21輸出信號，以提高所述指紋檢測放大電路20a的輸出增益。即，相較於常規差分放大器在相同的積分操作次數下，採用所述全差分放大器21的輸出信號的增益增加一倍。同時，可提高所述指紋檢測放大電路20a的共模雜訊抑制能力，可有效降低噪音，進而提高所述指紋檢測放大電路20a的信噪比。
請參閱圖7，其為本發明第二實施方式之所述指紋檢測放大電路20b的等效電路示意圖。所述指紋檢測放大電路20b內的信號工作在指定電壓域。所述指定電壓域限定所述指紋識別裝置100的電壓變化範圍，所述指定電壓域以高電平信號NVDDA為上限電壓，低電平信號NVSS為下限電壓。其中，所述高電平信號NVDDA還可作為所述指紋識別裝置100的工作電壓，所述低電平信號NVSS還可作為接地電壓。在所述指定電壓域中，所述低電平信號NVSS為浮動信號。即，所述低電平信號NVSS的電壓為週期性變化的脈衝信號。同時，所述高電平信號NVDDA和所述低電平信號NVSS之間的電壓差保持不變。所述低電平信號NVSS在控制信號TX的控制下進行切換。所述低電平信號NVSS可在第一低電壓和第二低電壓之間切換。其中，所述第一低電壓大於第二低電壓。所述低電平信號NVSS和所述控制信號為互補的脈衝信號。換句話說，所述低電平信號NVSS和所述控制信號TX具有相同的脈衝寬度以及脈衝頻率，在所述控制信號TX處於高電平時，控制所述低電平信號NVSS處於所述第二低電壓；在所述控制信號TX處於低電平時，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在本發明的至少一個實施方式中，所述第一低電壓可以為0伏特，所述第二低電壓為負電壓，其電壓值可根據使用者的需求進行設置。
所述指紋檢測放大電路20b基於所述低電平信號NVSS的上升沿和下降沿將所述感測電容Cf轉換為電壓信號後進行兩次積分操作並採用全差分電路產生第一輸出信號VOUTP和第二輸出信號VOUTN。所述第一輸出信號VOUTP和所述第二輸出信號VOUTN的電壓變化方向相反。在本實施方式中，所述第一輸出信號VOUTP為遞減信號，所述第二輸出信號VOUTN為遞增信號。所述第一輸出信號VOUTP和所述第二輸出信號VOUTN具有相同的起始電壓。在本實施方式中，所述起始電壓為參考電壓VCM。
所述指紋檢測放大電路20b包括全差分放大器21、開關組23、第一反饋電路25b以及第二反饋電路27b。所述全差分放大器21藉由所述開關組23與所述感測電極12電性連接，用於藉由所述開關組23感測所述感測電容Cf並將所述感測電容Cf的電容值轉換為電壓信號後進行積分處理，以實現放大處理。
所述開關組23包括第一開關K1、第二開關K2_1以及第三開關K2_2。所述第一開關K1的一端與所述感測電極12電性連接，另一端接收所述參考電壓VCM。所述第一開關K1受控於預充電信號PRE。所述第二開關K2_1的一端與所述感測電極12電性連接，另一端與所述全差分放大器21的第一輸入端211電性連接。所述第二開關K2_1受控於第一感測使能信號SENSOR_EN_P。所述第三開關K2_2的一端與所述感測電極12電性連接，另一端與所述全差分放大器21的第二輸入端213電性連接。所述第三開關K2_2受控於第二感測使能信號SENSOR_EN_N。
所述全差分放大器21具有所述第一輸入端211、所述第二輸入端213、第一輸出端215以及第二輸出端217。其中，所述第一輸出端215作為所述第一輸出信號VOUTP的輸出端，所述第二輸出端217作為所述第二輸出信號VOUTN的輸出端。在本實施方式中，所述第一輸入端211為反向輸 入端，所述第二輸入端213為正向輸入端。所述第一輸出端215為正向輸出端，所述第二輸出端213為反向輸出端。在所述低電平信號NVSS的上升沿和下降沿，所述全差分放大器21的第一輸出端215和所述第二輸出端217交替輸出。
所述第一反饋電路25b電性連接在所述第一輸入端211和所述第一輸出端215的兩端。所述第一反饋電路25b用於將藉由所述第二開關K2_1輸入的所述感測電容Cf的電容值轉換為電壓信號後進行積分操作。所述第一反饋電路25b包括第一反饋電容CFB1、第一主控制開關K3_1、第一輔助開關K4_1、第二輔助開關K5_1、第三輔助開關K6_1以及第四輔助開關K7_1。所述第一主控制開關K3_1的兩端分別與所述全差分放大器21的第一輸入端211和所述第一輸出端215電性連接。所述第一反饋電容CFB1的一端藉由所述第一輔助開關K4_1與所述全差分放大器21的第一輸入端211電性連接，且藉由所述第三輔助開關K6_1接收所述低電平信號NVSS；所述第一反饋電容CFB1的另一端藉由所述第二輔助開關K5_1與所述全差分放大器21的第一輸出端215電性連接，且藉由所述第四輔助開關K7_1接收電源電壓VDC_OS。所述第一主控制開關K3_1、所述第三輔助開關K6_1以及所述第四輔助開關K7_1受控於重置信號RST。所述第一輔助開關K4_1以及所述第二輔助開關K5_1受控於反向重置信號NRST。其中，所述重置信號RST和所述反向重置信號NRST為互補的脈衝信號。換句話說，所述重置信號RST和所述反向重置信號NRST具有相同的脈衝寬度以及脈衝頻率，在所述重置信號RST處於高電平時，所述反向重置信號NRST處於所述低電平；在所述重置信號RST處於低電平時，所述反向重置信號NRST處於高電平。
所述第二反饋電路27b電性連接在所述第二輸入端213和所述第二輸出端217的兩端。所述第二反饋電路27b用於將藉由所述第三開關K2_2輸 入的所述感測電容Cf的電容值轉換為電壓信號後進行積分操作。所述第二反饋電路27b包括第二反饋電容CFB2、第二主控制開關K3_2、第五輔助開關K4_2、第六輔助開關K5_2、第七輔助開關K6_2以及第八輔助開關K7_2。所述第二主控制開關K3_2的兩端分別與所述全差分放大器21的第二輸入端213和所述第二輸出端217電性連接。所述第二反饋電容CFB2的一端藉由所述第五輔助開關K4_2與所述全差分放大器21的第二輸入端213電性連接，且藉由所述第七輔助開關K6_2接收所述低電平信號NVSS；所述第二反饋電容CFB2的另一端藉由所述第六輔助開關K5_2與所述全差分放大器21的第二輸出端217電性連接，且藉由所述第八輔助開關K7_2接收所述電源電壓VDC_OS。所述第二主控制開關K3_2、所述第七輔助開關K6_2以及所述第八輔助開關K7_2受控於重置信號RST。所述第五輔助開關K4_2以及所述第六輔助開關K5_2受控於反向重置信號NRST。在本實施方式中，所述第二反饋電容CFB2和所述第一反饋電容CFB1具有相同的電容值。
請一併參閱圖8，其為第二實施方式中重置信號RST、反向重置信號NRST、預充電信號PRE、第一感測使能信號SENSOR_EN_P、第二感測使能信號SENSOR_EN_N、控制信號TX以及低電平信號NVSS的時序示意圖。所述指紋檢測放大電路20b的具體工作原理如下： 所述指紋檢測放大電路20b可工作在重置階段T1、預充電階段T2、第一電荷轉移階段T3以及第二電荷轉移階段T4。其中，在所述重置階段T1和所述預充電階段T2後，所述指紋檢測放大電路20b交替工作在第一電荷轉移階段T3和所述第二電荷轉移階段T4。在本實施方式中，所述重置階段T1和所述預充電階段之間存在預設時間間隔。在所述預設時間間隔裡，所述指紋檢測放大電路20b不執行任何操作。
在所述重置階段T1，所述反向重置信號NRST、所述預充電信號PRE、所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P、所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N以及所述控制信號TX處於低電平，所述重置信號RST處於高電平，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在所述預充電信號PRE的控制下，所述第一開關K1斷開。在所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P的控制下，所述第二開關K2_1斷開。在所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N的控制下，所述第三開關K2_2斷開。在所述重置信號RST的控制下，所述第一反饋電路25a中的所述第一主控制開關K3_1、所述第三輔助開關K6_1以及所述第四輔助開關K7_1閉合，同時所述第二反饋電路27b中所述第二主控制開關K3_2、所述第七輔助開關K6_2以及所述第八輔助開關K7_2閉合。在所述反向重置信號NRST的控制下，所述第一反饋電路25a的所述第一輔助開關K4_1以及所述第二輔助開關K5_1斷開，同時，所述第二反饋電路27b中的所述第五輔助開關K4_2以及所述第六輔助開關K5_2斷開。所述第一反饋電容CFB1兩端的電荷藉由公式八計算得出。
Q CFB1=C FB1＊(NVSS-VDC_OS) 公式八
其中，QCFB1表示在所述重置階段T1時所述第一反饋電容CFB1上的電荷，CFB1表示所述第一反饋電容CFB1的電容值，NVSS表示所述低電平信號NVSS，VDC_OS表示所述電源電壓VDC_OS。
所述第二反饋電容CFB2兩端的電荷藉由公式九計算得出。
Q FB2=C FB2＊(VDC_OS-NVSS) 公式九
在所述預充電階段T2，所述重置信號RST所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P、所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N以及所述控制信號TX處於低電平，所述預充電信號PRE和所述反向重置信號NRST處於高電平，所述低電平信號NVSS處於所述第一低電壓。在所述預充電信號PRE的 控制下，所述第一開關K1閉合，使得所述參考電壓VCM對所述感測電容Cf進行預充電操作。此時，所述感測電容Cf的電荷可藉由上述公式一進行計算得到。
同時，在所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P的控制下，所述第二開關K2_1斷開。在所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N的控制下，所述第三開關K2_2斷開。在所述重置信號RST的控制下，所述第一反饋電路25a中的所述第一主控制開關K3_1、所述第三輔助開關K6_1以及所述第四輔助開關K7_1斷開，同時所述第二反饋電路27b中所述第二主控制開關K3_2、所述第七輔助開關K6_2以及所述第八輔助開關K7_2斷開。在所述反向重置信號NRST的控制下，所述第一反饋電路25a的所述第一輔助開關K4_1以及所述第二輔助開關K5_1閉合，同時，所述第二反饋電路27b中的所述第五輔助開關K4_2以及所述第六輔助開關K5_2閉合。由於所述第一反饋電容CFB1和所述第二反饋電容CFB2沒有放電回路，所述第一反饋電容CFB1和所述第二反饋電容CFB2上的電荷保持不變。
在所述第一電荷轉移階段T3，所述重置信號RST、所述預充電信號PRE以及所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N處於低電平，所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P和所述反向重置信號NRST處於高電平，所述控制信號TX由低電平切換為高電平，所述低電平信號NVSS由所述第一低電壓切換至所述第二低電壓。所述感測電容Cf上的電荷向所述第一反饋電路25b內的所述第一反饋電容CFB1轉移，對所述全差分放大器21的第一輸入端211進行充電，以實現一次所述積分操作。在所述第一電荷轉移階段T3時，所述指紋檢測放大電路20b的總電荷由所述感測電容Cf上的電荷和所述第一反饋電容CFB1上的電荷構成。即，所述指紋檢測放大電路20b內的總電荷可藉由公式十計算得出。
Q cf1=VCM＊C f +C FB1＊(NVSS-VDC_OS)=(VCM-V OUTP )＊C FB1+(VCM-NVDDA) 公式十
其中，Qcf1表示在所述第一電荷轉移階段T3進行電荷轉移之前所述指紋檢測放大電路20b以及所述第一輸入端211上的總電荷，VCM表示所述參考電壓VCM，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB1表示所述第一反饋電容CFB1的電容值，NVSS表示所述低電平信號NVSS，VDC_OS表示所述電源電壓VDC_OS，VOUTP表示所述第一輸出端215的電壓，NVDDA表示所述系統供電電壓。
所述第一反饋電容CFB1兩端的電壓差為所述參考電壓VCM和所述第一輸出端215的電壓差。同時，由於所述低電平信號NVSS切換至所述第二低電壓，使得所述感測電容Cf與所述第一輸入端211電性連接的一端的電壓發生變化為所述參考電壓VCM和所述第二低電壓之和。
根據電荷守恆定律，即，QCf=QCf1。因此，結合公式一、公式八以及公式十，所述第一輸出端215的電壓可根據公式十一計算得出。
Figure 111108276-A0305-02-0021-5
其中，VOUTP表示所述第一輸出端215的電壓，VCM表示所述參考電壓，VDC_OS表示所述電源電壓，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB2表示所述第二反饋電容CFB2的電容值，NVDDA表示所述系統供電電壓。
在所述第二電荷轉移階段T4，所述重置信號RST、所述預充電信號PRE以及所述第一感測使能信號SENSOR_EN_P處於低電平，所述第二感測使能信號SENSOR_EN_N處於高電平，所述控制信號TX由高電平切換為低電平，所述低電平信號NVSS由所述第二低電壓切換至所述第一低電壓。將所述感測電容Cf上存儲的電荷向所述第二反饋電路27內的所述第二反饋電容CFB2轉移，對所述全差分放大器21的第二輸入端213進行充電，以實 現一次積分操作。在所述第二電荷轉移階段T4時，所述指紋檢測放大電路20b的總電荷由所述感測電容Cf上的電荷和所述第一反饋電容CFB1上的電荷構成。即，所述指紋檢測放大電路20b內的總電荷可藉由公式十二計算得出。
Q cf1=(VCM-NVDDA)＊C f +C FB2＊(VDC_OS-NVSS)=(VCM-V OUTP )＊C FB2+VCM＊C f 公式十二
其中，Qcf1表示在所述第二電荷轉移階段T4進行電荷轉移之前所述感測電容Cf的總電荷，VCM表示所述參考電壓VCM，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB2表示所述第二反饋電容CFB2的電容值，NVSS表示所述低電平信號NVSS，VDC_OS表示所述電源電壓VDC_OS，VOUTP表示所述第一輸出端215的電壓，NVDDA表示所述系統供電電壓。
所述第二反饋電容CFB2兩端的電壓差為所述參考電壓VCM和所述第二輸出端217的電壓差。同時，由於所述低電平信號NVSS切換至所述第一低電壓，使得所述感測電容Cf與所述第一輸入端211電性連接的一端的電壓發生變化為所述參考電壓VCM。
根據電荷守恆定律，即，QCf2=QCf。因此，結合公式一、公式九以及公式十二，所述第二輸出端217的電壓可藉由公式十三計算得出。
Figure 111108276-A0305-02-0022-6
其中，VOUTN表示所述第二輸出端217的電壓，VCM表示所述參考電壓，VDC_OS表示所述電源電壓VDC_OS，Cf表示所述感測電容Cf的電容值，CFB2表示所述第二反饋電容CFB2的電容值，NVDDA表示所述系統供電電壓。
因此，所述第一輸出端215和所述第二輸出端217的差值可如下方公式十四所示。
Figure 111108276-A0305-02-0023-7
重複N次所述第一電荷轉移階段T3和所述第二電荷轉移階段T4時，所述第一輸出端215和所述第二輸出端217的差值可如下方公式十五所示。
Figure 111108276-A0305-02-0023-8
從上述公式十五中可以看出，所述全差分放大器21的所述第一輸出端215的電壓和所述第二輸出端217的電壓存在共模電壓，所述共模電壓為所述高電平信號NVDDA的一半。如圖9所示，藉由調整所述電源電壓VDC_OS的電壓值，所述第一輸出信號VOUTP在第一預設值和第二預設值之間呈遞減線性變化，所述第二輸出信號VOUTN從第三預設值和第四預設值之間呈遞增線性變化。其中，所述第一預設值大於所述第二預設值；所述第三預設值小於所述第四預設值。在本發明的至少一個實施方式中，所述第一預設值和所述第四預設值可以相等，所述第二預設值和所述第三預設值可以相等。
上述所述指紋檢測放大電路20b以及所述指紋識別裝置100，所述指定電壓域的所述低電平信號NVSS為浮動信號，在所述低電平信號NVSS的上升沿和下降沿可控制所述全差分放大器21輸出信號，以提高所述指紋檢測放大電路20b的輸出增益。即，相較於常規差分放大器在相同的積分操作次數下，採用所述全差分放大器21的輸出信號的增益增加一倍。同時，可提高所述指紋檢測放大電路20b的共模雜訊抑制能力，可有效降低噪音，進而提高所述指紋檢測放大電路20b的信噪比。另外，藉由將所述第一反饋電路25b和所述第二反饋電路27b受控於所述電源電壓VDC_OS，可實現所述第一輸出端215從最高值呈遞減變化，所述第二輸出端217的電壓可從最低值呈遞增變化，充分利用指紋檢測放大電路20b的動態電壓範圍。
以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本案創作精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。
100:指紋識別裝置
10:指紋感測電路
20:指紋檢測放大電路
30:數位類比轉換電路
40:數據處理電路

Claims (10)

  1. 一種指紋檢測放大電路，用於檢測感測電極與手指之間形成的感測電容的電容值轉換為電壓信號；其改良在於，所述指紋檢測放大電路包括：全差分放大器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端；開關組，電性連接在所述感測電極和所述全差分放大器之間，用於控制所述第一輸入端與所述第二輸入端交替與所述感測電極電性連接；第一反饋電路，與所述第一輸入端和所述第一輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第一輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；以及第二反饋電路，與所述第二輸入端和所述第二輸出端的兩端電性連接，用於對輸入至所述第二輸入端的所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後進行積分；所述指紋檢測放大電路內的信號工作在指定電壓域；在所述指定電壓域中的低電平信號為浮動信號，且在控制信號的控制下進行切換；所述低電平信號可在第一低電壓和第二低電壓之間切換；其中，所述第一低電壓大於第二低電壓；所述低電平信號在所述第一低電壓和所述第二低電壓之間切換時，所述全差分放大器的第一輸出端和所述第二輸出端交替輸出；所述第一輸出端的電壓和所述第二輸出端的電壓具有共模電壓。
  2. 如請求項1所述的指紋檢測放大電路，其中，所述指紋檢測放大電路工作在重置階段、預充電階段、第一電荷轉移階段以及第二電荷轉移階段；所述指紋檢測放大電路首先依次工作在所述重置階段和所述預充電階段，然後所述指紋檢測放大電路交替工作在第一電荷轉移階段和所述 第二電荷轉移階段；所述低電平信號的上升沿或下降沿控制所述指紋檢測放大電路在所述第一電荷轉移階段和所述第二電荷轉移階段之間切換。
  3. 如請求項2中所述的指紋檢測放大電路，其中，在所述第一電荷轉移階段，所述指紋檢測放大電路將所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後執行一次積分操作，並藉由所述第一輸出端輸出感測電壓；在所述第二電荷轉移階段，所述指紋檢測放大電路對所述感測電容的電容值轉換為電壓信號後執行一次積分操作，並藉由所述第二輸出端輸出所述感測電壓。
  4. 如請求項2所述的指紋檢測放大電路，其中，在所述第一電荷轉移階段，所述第一反饋電路控制所述第一輸出端的電壓以所述共模電壓為起點呈線性變化；在所述第二電荷轉移階段，所述第二反饋電路控制所述第二輸出端的電壓以所述共模電壓為起點呈線性變化。
  5. 如請求項4所述的指紋檢測放大電路，其中，所述第一反饋電路包括第一反饋電容以及第一主控制開關；所述第一反饋電容的兩端分別與所述第一輸入端和所述第一輸出端電性連接；所述第一主控制開關的兩端分別與所述第一輸入端和所述第一輸出端電性連接；所述第二反饋電路包括第二反饋電容以及第二主控制開關；所述第二反饋電容的兩端分別與所述第二輸入端和所述第二輸出端電性連接；所述第二主控制開關的兩端分別與所述第二輸入端和所述第二輸出端電性連接；所述第一主控制開關和所述第二主控制開關均受控於重置信號。
  6. 如請求項4所述的指紋檢測放大電路，其中，所述第一輸出端的電壓遞減變化，所述第二輸出端的電壓遞增變化。
  7. 如請求項2所述的指紋檢測放大電路，其中，在所述第一電荷轉移階段，所述第一反饋電路控制所述第一輸出端的電壓在第一預設值和 第二預設值之間呈線性變化；在所述第二電荷轉移階段，所述第二反饋電路控制所述第二輸出端的電壓在第三預設值和第四預設值之間呈線性變化；其中，所述第一預設值大於所述第二預設值；所述第三預設值小於所述第四預設值。
  8. 如請求項7所述的指紋檢測放大電路，其中，所述第一反饋電路包括第一反饋電容、第一主控制開關、第一輔助開關、第二輔助開關、第三輔助開關以及第四輔助開關；所述第一主控制開關的兩端分別與所述第一輸入端和所述第一輸出端電性連接；所述第一反饋電容的一端藉由所述第一輔助開關與所述第一輸入端電性連接，且藉由所述第三輔助開關接收所述低電平信號；所述第一反饋電容的另一端藉由所述第二輔助開關與所述第一輸出端電性連接，且藉由所述第四輔助開關接收電源電壓；所述第一主控制開關、所述第三輔助開關以及所述第四輔助開關受控於重置信號；所述第一輔助開關以及所述第二輔助開關受控於反向重置信號；所述第二反饋電路包括第二反饋電容、第二主控制開關、第五輔助開關、第六輔助開關、第七輔助開關以及第八輔助開關；所述第二主控制開關的兩端分別與所述第二輸入端和所述第二輸出端電性連接；所述第二反饋電容的一端藉由所述第五輔助開關與所述第二輸入端電性連接，且藉由所述第七輔助開關接收所述低電平信號；所述第二反饋電容的另一端藉由所述第六輔助開關與所述第二輸出端電性連接，且藉由所述第八輔助開關接收所述電源電壓；所述第二主控制開關、所述第七輔助開關以及所述第八輔助開關受控於重置信號；所述第五輔助開關以及所述第六輔助開關受控於反向重置信號；所述重置信號和所述反向重置信號為互補的脈衝信號。
  9. 如請求項7所述的指紋檢測放大電路，其中，所述共模電壓大於所述第一輸出端的最小值且小於所述第一輸出端的最大值；所述共模電壓大於所述第二輸出端的最小值且小於所述第二輸出端的最大值。
  10. 一種指紋識別裝置，包括指紋感測電路、指紋檢測放大電路、數位類比轉換電路以及數據處理電路；其改良在於，所述指紋檢測放大電路採用如請求項1至9中任意一項所述的指紋檢測放大電路。
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