TWI818744B

TWI818744B - 指紋感測電路以及顯示面板

Info

Publication number: TWI818744B
Application number: TW111136334A
Authority: TW
Inventors: 李家倫; 林志隆; 簡靈櫻; 施立偉
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2023-10-11

Abstract

本發明揭示一種指紋感測電路以及顯示面板。指紋感測電路包括光感測元件、驅動電路、補償電路、調變電路以及重置與讀取電路。光感測元件具有第一端耦接第一節點。驅動電路耦接第一節點以及第二節點。補償電路以及調變電路串接於第一節點以及第二節點之間。重置與讀取電路耦接第二節點以及輸出節點。在感測階段的期間內，在第一圖像框週期中，光感測元件在第一節點上產生光感測信號。在感測階段的期間內，在第二圖像框週期中，調變電路受控於控制信號而被關斷以使光感測元件持續在第一節點上產生光感測信號。

Description

指紋感測電路以及顯示面板

本發明是有關於一種指紋感測電路以及顯示面板，特別是關於一種能夠在低亮度的環境下進行感測的指紋感測電路以及顯示面板。

光學式指紋辨識可應用於顯示裝置中，以透過指紋感測電路在顯示裝置上實現指紋辨識功能。然而，目前的指紋感測電路中的驅動電晶體的控制端上的電壓變化不夠大，使得指紋感測電路在低亮度的環境中進行感測時，指紋感測電路無法輸出足夠大的輸出電流而造成指紋感測的精準度下降。

本發明提供一種指紋感測電路以及顯示面板，能夠延長感測期間以在低亮度的環境下提高指紋感測的精準度。

本發明的指紋感測電路包括光感測元件、驅動電路、補償電路、調變電路以及重置與讀取電路。光感測元件具有第一端耦接第一節點。驅動電路耦接第一節點以及第二節點。補償電路以及調變電路串接於第一節點以及第二節點之間。重置與讀取電路耦接第二節點以及輸出節點。在感測階段的期間內，在第一圖像框週期中，光感測元件在第一節點上產生光感測信號。在感測階段的期間內，在第二圖像框週期中，調變電路受控於第一控制信號而被關斷以使光感測元件持續在第一節點上產生光感測信號。

本發明另提供一種顯示面板。顯示面板包括畫素陣列以及多個指紋感測電路。此些指紋感測電路形成區域並與畫素陣列重疊。

基於上述，本發明實施例的指紋感測電路以及顯示面板透過調變電路被關斷使得感測階段自第一圖像框週期延長至第二圖像框週期，並使得光感測元件持續在產生光感測信號。因此，指紋感測電路能夠在低亮度的環境下增加光感測信號的電壓變化，以提高指紋感測的精準度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200、500:指紋感測電路

110、210:光感測元件

120、220:驅動電路

130、230:補償電路

140、240:調變電路

150、250:重置與讀取電路

50:顯示面板

560:畫素陣列

AA:區域

F1~F4:圖像框週期

FREF:第一控制信號

FVDD:第一參考信號

FVSS:第二參考信號

N1:第一節點

N2:第二節點

N3:第三節點

NOUT:輸出節點

P_CT:補償階段的期間

P_HD:維持階段的期間

P_RD:讀取階段的期間

P_RT:重置階段的期間

P_SN1~P_SN2:感測階段的期間

PD:光電二極體

S1[N]:第三控制信號

S2[N]:第二控制信號

S2[N-1]:前級第二控制信號

T1~T4:電晶體

t1~t8:時間

VGH:禁能電壓準位

VGL:致能電壓準位

圖1是依照本發明一實施例所繪示的指紋感測電路的方塊圖。

圖2是依照本發明一實施例所繪示的指紋感測電路的電路圖。

圖3是依據本發明圖2實施例所繪示的指紋感測電路的動作示意圖。

圖4A至圖4F是依據本發明圖3實施例所繪示的指紋感測電路的動作示意圖。

圖5是依據本發明一實施例所繪示的顯示面板的方塊圖。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

圖1是依照本發明一實施例所繪示的指紋感測電路的方塊圖。請參考圖1，指紋感測電路100可設置於顯示裝置(可例如是顯示面板)中。顯示裝置可包括以陣列排列的多個指紋感測電路100，以在多個感測列以及多個感測行所形成的區域中執行光學式指紋辨識功能，並顯示指紋影像。

於圖1實施例中，指紋感測電路100包括光感測元件110、驅動電路120、補償電路130、調變電路140以及重置與讀取電路150。在本實施例中，光感測元件110具有第一端耦接第一節點N1。光感測元件110可操作於感測階段以在第一節點N1上產生光感測信號。

在本實施例中，驅動電路120耦接第一節點N1以及第二節點N2。重置與讀取電路150耦接第二節點N2以及輸出節點NOUT。驅動電路120可將第一節點N1上的光感測信號提供至重置與讀取電路150，以透過重置與讀取電路150輸出光感測信號至輸出節點NOUT。

在本實施例中，補償電路130以及調變電路140串接於第一節點N1以及第二節點N2之間。調變電路140接收第一控制信號FREF。補償電路130可對第一節點N1進行補償。

在本實施例中，在感測階段的期間內，在第一圖像框週期中，光感測元件110在第一節點N1上產生光感測信號。在感測階段的期間內，在第二圖像框週期中，調變電路140受控於第一控制信號FREF而被關斷以使光感測元件110持續在第一節點N1上產生光感測信號。第二圖像框週期為接續在第一圖像框週期之後的連續圖像框週期。也就是說，指紋感測電路100的感測階段的期間包括多個連續的圖像框週期，並且指紋感測電路100可在此期間內進行指紋感測以產生光感測信號。

在此值得一提的是，從第一圖像框週期接續至第二圖像框週期的期間內，透過控制調變電路140以使光感測元件110持續進行感測，而非僅在單一圖像框週期內進行感測，能夠延長光感測元件110的感測時間。如此一來，在低亮度的環境下，指紋感測電路100能夠增加光感測信號的電壓變化，藉以增加驅動電路120在操作時的電壓變化範圍而能夠精確地將光感測信號提供至輸出節點NOUT，以提高指紋感測的精準度。

圖2是依照本發明一實施例所繪示的指紋感測電路的電路圖。請參考圖2，光感測元件210、驅動電路220、補償電路230、調變電路240以及重置與讀取電路250可以參照指紋感測電路100的相關說明並且加以類推，故在此不另重述。

在本實施例中，補償電路230可包括第一電晶體T1。第一電晶體T1可例如是以P型金氧半場效電晶體(p-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET)來被實現。第一電晶體T1的控制端(即，閘極端)接收第二控制信號S2[N]。第一電晶體T1的第一端(即，源極端)耦接第一節點N1。第一電晶體T1的第二端(即，汲極端)在第三節點N3上耦接調變電路240。

在本實施例中，調變電路240可包括第二電晶體T2。第二電晶體T2可例如是以PMOSFET來被實現。第二電晶體T2的控制端(即，閘極端)接收第一控制信號FREF。第二電晶體T2的第一端(即，源極端)在第三節點N3上耦接第一電晶體T1的第二端(即，汲極端)。第二電晶體T2的第二端(即，汲極端)耦接在第二節點N2。

在本實施例中，第一控制信號FREF為整個顯示面板所共用的控制信號。也就是說，第一控制信號FREF還可用以控制指紋感測電路200以外的其他電路(例如是畫素電路)，以提高指紋感測電路200應用的整合性。

在本實施例中，重置與讀取電路250可包括第三電晶體 T3。第三電晶體T3可例如是以PMOSFET來被實現。第三電晶體T3的控制端(即，閘極端)接收第三控制信號S1[N]。第三電晶體T3的第一端(即，源極端)耦接第二節點N2。第三電晶體T3的第二端(即，汲極端)耦接輸出節點NOUT。

在本實施例中，驅動電路220可包括第四電晶體T4。第四電晶體T4可例如是以PMOSFET來被實現。第四電晶體T4的控制端(即，閘極端)耦接第一節點N1。第四電晶體T4的第一端(即，源極端)接收第一參考信號FVDD。第四電晶體T4的第二端(即，汲極端)第二節點N2。

在本實施例中，光感測元件210可包括光電二極體PD。光電二極體PD的第一端耦接第一節點N1。光電二極體PD的第二端接收第二參考信號FVSS。

在一些實施例中，第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3以及第四電晶體T4可例如是以N型金氧半場效電晶體(n-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET)來被實現。在一些實施例中的信號反向於本實施例中對應的信號。

圖3是依據本發明圖2實施例所繪示的指紋感測電路的動作示意圖。圖4A至圖4F是依據本發明圖3實施例所繪示的指紋感測電路的動作示意圖。在圖3中，橫軸為指紋感測電路200的操作時間，縱軸為電壓值。

關於指紋感測電路200在重置階段的期間P_RT內的操作細節，請同時參照圖3以及圖4A。在時間t1，在第一圖像框週期F1中，前級第二控制信號S2[N-1]產生上升緣以由致能電壓準位VGL被拉至禁能電壓準位VGH，第二控制信號S2[N]產生下降緣以由禁能電壓準位VGH被拉至致能電壓準位VGL，並且開始重置階段。在時間t2，在第一圖像框週期F1中，第三控制信號S1[N]產生上升緣，並且結束重置階段。

在本實施例中，第一參考信號FVDD可例如是高電壓源信號。第二參考信號FVSS可例如是低電壓源信號或接地信號。禁能電壓準位VGH可高於第一參考信號FVDD的電壓值，或者可例如是邏輯高準位。致能電壓準位VGL可低於第二參考信號FVSS的電壓值，或者可例如是邏輯低準位。

詳細而言，在重置階段的期間P_RT內(即，時間t1至t2)，第一控制信號FREF、第二控制信號S2[N]以及第三控制信號S1[N]具有致能電壓準位VGL而被致能以分別導通第二電晶體T2、第一電晶體T1以及第三電晶體T3。光電二極體PD被關斷，並且第四電晶體T4被導通。在此期間P_RT內，第一節點N1上的電壓被重置。

關於指紋感測電路200在補償階段的期間P_CT內的操作細節，請同時參照圖3以及圖4B。在時間t2，在第一圖像框週期F1中，第三控制信號S1[N]產生上升緣，並且開始補償階段。在時間t3，在第一圖像框週期F1中，第二控制信號S2[N]產生上升緣，並且結束補償階段。

詳細而言，在補償階段的期間P_CT內(即，時間t2至t3)，第一控制信號FREF以及第二控制信號S2[N]具有致能電壓準位VGL而被致能以分別導通第二電晶體T2以及第一電晶體T1。第三控制信號S1[N]具有禁能電壓準位VGH而被禁能以關斷第三電晶體T3。光電二極體PD被關斷，並且第四電晶體T4被導通。

應注意的是，在此期間P_CT內，第四電晶體T4的控制端(即，閘極端)與第二端(即，汲極端)透過第二電晶體T2以及第一電晶體T1相互耦接而形成二極體連接(diode connection)架構，使得第四電晶體T4的臨界電壓值可以被補償至第一節點N1上。在此期間P_CT內，第一節點N1上的電壓可例如是第一參考信號FVDD減去第四電晶體T4的臨界電壓值(臨界電壓值的絕對值)。

在本實施例中，經補償的指紋感測電路200能夠避免驅動電晶體(即，第四電晶體T4)的臨界電壓值的變異，而使第四電晶體T4以及設置於其他指紋感測電路中的驅動電晶體的臨界電壓值皆不會影響到各自的感測操作，以提高指紋感測的精準度。

關於指紋感測電路200在感測階段的期間P_SN1的操作細節，請同時參照圖3以及圖4C。在時間t3，在第一圖像框週期F1中，第二控制信號S2[N]產生上升緣，並且開始感測階段。在時間t4，第一圖像框週期F1被切換至第二圖像框週期F2，並且第一控制信號FREF產生上升緣以沿續感測階段。

關於指紋感測電路200在感測階段的期間P_SN2的操作細節，請同時參照圖3以及圖4D。在時間t5，第二圖像框週期F2被切換至第三圖像框週期F3，並且第一控制信號FREF產生下降緣以準備結束感測階段。在時間t6，在第三圖像框週期F3中，前級第二控制信號S2[N-1]產生下降緣，並且結束感測階段。

在本實施例中，第二圖像框週期F2接續第一圖像框週期F1，並且第三圖像框週期F3接續第二圖像框週期F2，以此類推。

詳細而言，在感測階段的期間P_SN1內，在第一圖像框週期F1中(即，時間t3至t4)，第一控制信號FREF有致能電壓準位VGL而被致能以導通第二電晶體T2。第二控制信號S2[N]以及第三控制信號S1[N]具有禁能電壓準位VGH而被禁能以分別關斷第一電晶體T1以及第三電晶體T3。光電二極體PD被導通，並且第四電晶體T4被導通。光電二極體PD在第一節點N1上產生光感測信號。在此期間P_SN1內，第一節點N1上的電壓可例如是第一參考信號FVDD減去第四電晶體T4的臨界電壓值(臨界電壓值的絕對值)，再減去光感測信號(即，光電二極體PD的跨壓)。

在感測階段的期間P_SN2內，在第二圖像框週期F2中(即，時間t4至t5)，第一控制信號FREF具有禁能電壓準位VGH而被禁能以關斷第二電晶體T2。在此期間P_SN2內，當第二控制信號S2[N]以及第三控制信號S1[N]具有禁能電壓準位VGH而被禁能時，第一電晶體T1以及第三電晶體T3分別被關斷。光電二極體PD被導通以持續在第一節點N1上產生光感測信號直到結束感測階段(即時間t6)，並且第四電晶體T4被導通。在此期間P_SN2 內，第一節點N1上的電壓可例如是第一參考信號FVDD減去第四電晶體T4的臨界電壓值(臨界電壓值的絕對值)，再減去光感測信號(即，光電二極體PD的跨壓)。

應注意的是，在此期間P_SN2內，透過第一控制信號FREF關斷第二電晶體T2，能夠使光電二極體PD繼續進行感測而延長並調整感測時間。如此一來，指紋感測電路200能夠增加第一節點N1上的電壓的變化，以使後續操作於讀取階段時，第四電晶體T4能夠讀取更大的電壓變化範圍(即，閘極端與源極端之間的電壓差V_GS)以提高指紋感測的精準度。

此外，在此期間P_SN2內，透過第二電晶體T2、第一電晶體T1以及第三電晶體T3之間的串接電路架構，能夠使第一控制信號FREF產生下降緣以準備結束感測階段時不影響第一節點N1上的電壓。也就是說，前述的串接電路架構能夠避免第一節點N1上的電壓在進入第三圖像框週期F3時被重置或被補償。

在本實施例中，期間P_SN2的長短受控於第一控制信號FREF而為可被調整的。期間P_SN2的長短僅為範例，並不以此為限。在一些實施例中，由第一控制信號FREF所延續的感測期間P_SN2止於第二圖像框週期F2之前或第二圖像框週期F2的結束當下，而未沿續至第三圖像框週期F3。

關於指紋感測電路200在維持階段的期間P_HD內的操作細節，請同時參照圖3以及圖4E。在時間t6，在第三圖像框週期F3中，前級第二控制信號S2[N-1]產生下降緣，並且開始維持階段。在時間t7，在第三圖像框週期F3中，第三控制信號S1[N]產生下降緣，並且結束維持階段。

詳細而言，在維持階段的期間P_HD內(即，時間t6至t7)，第一控制信號FREF具有致能電壓準位VGL而被致能以導通第二電晶體T2。第二控制信號S2[N]以及第三控制信號S1[N]具有禁能電壓準位VGH而被禁能以分別關斷第一電晶體T1以及第三電晶體T3。光電二極體PD被關斷，並且第四電晶體T4被導通，以使第一節點N1上的信號維持在第二圖像框週期F2中的信號。也就是說，在維持階段的期間P_HD內，第一節點N1上的信號被維持在感測階段的期間P_SN2中的信號，以使第一節點N1上的電壓可例如是第一參考信號FVDD減去第四電晶體T4的臨界電壓值(臨界電壓值的絕對值)，再減去光感測信號(即，光電二極體PD的跨壓)。

關於指紋感測電路200在讀取階段的期間P_RD內的操作細節，請同時參照圖3以及圖4F。在時間t7，在第三圖像框週期F3中，第三控制信號S1[N]產生下降緣，並且開始讀取階段。在時間t8，在第三圖像框週期F3中，前級第二控制信號S2[N-1]產生上升緣，第二控制信號S2[N]產生下降緣，並且結束讀取階段。

詳細而言，在讀取階段的期間P_RD內(即，時間t7至t8)，第一控制信號FREF以及第三控制信號S1[N]具有致能電壓準位VGL而被致能以分別導通第二電晶體T2以及第三電晶體T3。第二控制信號S2[N]具有禁能電壓準位VGH而被禁能以關斷第一電晶體T1。光電二極體PD被關斷，並且第四電晶體T4被導通，以使第一節點N1上的信號被輸出至輸出節點NOUT。

在本實施例中，在此期間P_RD內，第一節點N1上的電壓(即，第一參考信號FVDD減去第四電晶體T4的臨界電壓值，再減去光感測信號)透過第四電晶體T4以及第三電晶體T3被輸出至輸出節點NOUT，以使指紋感測電路200的輸出電流與第四電晶體T4的臨界電壓值無關並具有足夠大的電流值以供指紋辨識。

圖5是依據本發明一實施例所繪示的顯示面板的方塊圖。請參考圖5，顯示面板50包括畫素陣列560以及多個指紋感測電路500。在本實施例中，顯示面板50可透過多個指紋感測電路500執行光學式指紋辨識功能，並可透過畫素陣列560顯示影像。各個指紋感測電路500可以參照指紋感測電路100的相關說明並且加以類推，故在此不另重述。

在本實施例中，多個指紋感測電路500形成區域AA並與畫素陣列560重疊。多個指紋感測電路500可呈陣列排列，並分別對應畫素陣列560中的多個畫素電路(未繪示)。在一些實施例中，多個指紋感測電路500所形成的區域AA可與畫素陣列560完全重疊。

綜上所述，本發明實施例的指紋感測電路以及顯示面板能夠透過調變電路調整感測階段的時間，以在連續的多個圖像框週期中使光感測元件持續進行感測，藉以增加驅動電路在操作時的電壓變化範圍以提高指紋感測的精準度。在部分實施例中，透過第四電晶體、第二電晶體以及第一電晶體形成的二極體連接架構，能夠補償第四電晶體的臨界電壓值以提高指紋感測的精準度。在部分實施例中，透過第二電晶體、第一電晶體以及第三電晶體之間的串接電路架構，能夠避免第一節點上的電壓在進入下一個圖像框週期時被重置或被補償。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:指紋感測電路

110:光感測元件

120:驅動電路

130:補償電路

140:調變電路

150:重置與讀取電路

FREF:第一控制信號

N1:第一節點

N2:第二節點

NOUT:輸出節點

Claims

一種指紋感測電路，包括：一光感測元件，具有第一端耦接一第一節點；一驅動電路，耦接該第一節點以及一第二節點；一補償電路以及一調變電路，串接於該第一節點以及該第二節點之間；以及一重置與讀取電路，耦接該第二節點以及一輸出節點，其中在一感測階段的期間內，在一第一圖像框週期中，該光感測元件在該第一節點上產生一光感測信號，並且在一第二圖像框週期中，該調變電路受控於一第一控制信號而被關斷以使該光感測元件持續在該第一節點上產生該光感測信號。
如請求項1所述的指紋感測電路，其中該補償電路包括一第一電晶體，該第一電晶體的控制端接收一第二控制信號，該第一電晶體的第一端耦接該第一節點，該第一電晶體的第二端耦接該調變電路。
如請求項2所述的指紋感測電路，其中該調變電路包括一第二電晶體，該第二電晶體的控制端接收該第一控制信號，該第二電晶體的第一端耦接該第一電晶體的第二端，該第二電晶體的第二端耦接該第二節點。
如請求項3所述的指紋感測電路，其中該重置與讀取電路包括一第三電晶體，該第三電晶體的控制端接收一第三控制信號，該第三電晶體的第一端耦接該第二節點，該第三電晶體的第二端耦接該輸出節點。
如請求項4所述的指紋感測電路，其中該驅動電路包括一第四電晶體，該第四電晶體的控制端耦接該第一節點，該第四電晶體的第一端接收一第一參考信號，該第四電晶體的第二端耦接該第二節點，其中該光感測元件的第二端接收一第二參考信號。
如請求項5所述的指紋感測電路，其中在一重置階段的期間內，該第一控制信號、該第二控制信號以及該第三控制信號被致能以分別導通該第二電晶體、該第一電晶體以及該第三電晶體，並且該第四電晶體被導通。
如請求項5所述的指紋感測電路，其中在一補償階段的期間內，該第一控制信號以及該第二控制信號被致能以分別導通該第二電晶體以及該第一電晶體，該第三控制信號被禁能以關斷該第三電晶體，並且該第四電晶體被導通。
如請求項5所述的指紋感測電路，其中在該感測階段的期間內，在該第一圖像框週期中，該第一控制信號被致能以導通該第二電晶體，該第二控制信號以及該第三控制信號被禁能以分別關斷該第一電晶體以及該第三電晶體，並且該第四電晶體被導通，該光感測元件在該第一節點上產生該光感測信號。
如請求項8所述的指紋感測電路，其中在該感測階段的期間內，在該第二圖像框週期中，該第一控制信號、該第二控制信號以及該第三控制信號被禁能以分別關斷該第二電晶體、該第一電晶體以及該第三電晶體，並且該第四電晶體被關斷，該光感測元件持續在該第一節點上產生該光感測信號，其中該第二圖像框週期接續該第一圖像框週期。
如請求項9所述的指紋感測電路，其中在一維持階段的期間內，該第一控制信號被致能以導通該第二電晶體，該第二控制信號以及該第三控制信號被禁能以分別關斷該第一電晶體以及該第三電晶體，並且該第四電晶體被導通，以使該第一節點上的信號維持在該第二圖像框週期中的信號。
如請求項5所述的指紋感測電路，其中在一讀取階段的期間內，該第一控制信號以及該第三控制信號被致能以分別導通該第二電晶體以及該第三電晶體，該第二控制信號被禁能以關斷該第一電晶體，並且該第四電晶體被導通，以使該第一節點上的信號被輸出至該輸出節點。
一種顯示面板，包括：一畫素陣列；以及多個如請求項1所述之指紋感測電路，形成一區域並與該畫素陣列重疊。