TW201907282A - 指紋感測電路及指紋感測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種指紋感測電路及指紋感測裝置，該指紋感測電路包括感測電極，還包括：第一轉換電路，該第一轉換電路用於連接該感測電極，將該感測電極感測的耦合電容轉換為驅動電壓；該驅動電壓等於該耦合電容轉化的電壓變化量與一參考電壓之和；第二轉換電路，該第二轉換電路用於基於該驅動電壓產生感測電流，並將該感測電流發送給指紋信號處理器；該感測電流等於該第二轉換電路的跨導增益與該電壓變化量的乘積；其中，該指紋信號處理器基於該感測電流進行指紋感測。本發明技術方案便於指紋信號處理器基於感測電流進行指紋感測，提高了檢測精度。
Description
本發明涉及指紋檢測技術領域，更具體的是涉及一種指紋感測電路及指紋感測裝置。
隨著科學技術的不斷發展，越來越多的電子設備被用於人們的日常生活以及工作當中，為人們的日常生活以及工作帶來了巨大的便利，成為當今人們不可或缺的重要工具。隨著電子設備的功能日益強大，電子設備中存儲的個人資訊也越來越多，且越來越重要，為了保證電子設備中存儲資訊的安全，電子設備的身份識別功能成為其重要的安全保護方式。其中，指紋識別由於具有終身不變性、唯一性、方便性以及安全性高等優點，成為當今電子設備進行身份識別的主要方式之一。
電子設備實現指紋識別的主要元件是指紋感測電路以及指紋信號處理器，指紋感測電路用於進行獲取包括指紋資訊的電信號，指紋信號處理器用於基於所述電信號進行指紋感測。指紋感測電路具有驅動電極以及感測電極，感測電極與感測電極相耦合形成多個耦合電容。當使用者觸摸電子設備的指紋識別區域時，由於指紋紋路中谷線以及脊線的高低變化，導致耦合電容的改變，指紋感測電路通過檢測所述耦合電容，並將所述耦合電容轉變為電壓信號，以便於指紋信號處理器進行指紋識別。
一般的，由於使用者的指紋中谷線以及脊線的高度變化較小，故進行指紋識別時，使用者的觸摸操作導致的耦合電容的變化量較小，需要指紋感測電路具有較高的感測精度，但是現有的指紋感測電路的感測精度較低。
為了解決上述問題，本發明提供了一種指紋感測電路及指紋感測裝置，提高了感測精度。
為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種指紋感測電路，所述指紋感測電路包括感測電極，還包括：
第一轉換電路，所述第一轉換電路用於連接所述感測電極，將所述感測電極感測的耦合電容轉換為驅動電壓；所述驅動電壓等於所述耦合電容轉化的電壓變化量與一參考電壓之和；
第二轉換電路，所述第二轉換電路用於基於所述驅動電壓產生感測電流，並將所述感測電流發送給指紋信號處理器；所述感測電流等於所述第二轉換電路的跨導增益與所述電壓變化量的乘積；
其中，所述指紋信號處理器基於所述感測電流進行指紋感測。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第一轉換電路包括：
運算放大器，所述運算放大器具有正相輸入端、負相輸入端、接地控制端以及輸出端；所述正相輸入端用於輸入所述參考電壓；所述輸出端輸出所述驅動電壓；
回饋電路，所述回饋電路連接於所述負相輸入端和所述輸出端之間；
第一控制開關，所述第一控制開關一端連接所述感測電極，另一端連接所述負相輸入端。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述回饋電路包括：
第一電容，所述第一電容的一端連接所述輸出端，另一端連接所述負相輸入端；
重定開關，所述重定開關一端連接所述輸出端，另一端連接所述負相輸入端。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第一轉換電路還包括：第二電容，所述第二電容的一端用於輸入第一電壓信號，另一端與所述第一控制開關和所述感測電極的公共節點連接。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第一轉換電路還包括：第二控制開關，所述第二控制開關的一端用於輸入第二電壓信號，另一端與所述公共節點連接。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第二轉換電路包括：第一NMOS電晶體、第二NMOS電晶體以及第三NMOS電晶體；
所述第一NMOS電晶體的控制端與所述第一轉換電路連接，以輸入所述驅動電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二NMOS電晶體的控制端用於輸入所述參考電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三NMOS電晶體的控制端用於輸入第一控制電壓，其第二電極用於接地。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第二轉換電路包括：第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體以及第三PMOS電晶體；
所述第一PMOS電晶體的控制端與所述第一轉換電路連接，以輸入所述驅動電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二PMOS電晶體的控制端用於輸入所述參考電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三PMOS電晶體的控制端用於輸入第二控制電壓，其第二電極用於輸入第三電壓信號。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第二轉換電路包括：第一NMOS電晶體、第二NMOS電晶體、第三NMOS電晶體、第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體以及第三PMOS電晶體；
所述第一NMOS電晶體的控制端與所述第一轉換電路連接，以輸入所述驅動電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二NMOS電晶體的控制端用於輸入所述參考電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三NMOS電晶體的控制端用於輸入第一控制電壓，其第二電極用於接地；
所述第一PMOS電晶體的控制端通過一電位轉換器與所述第一NMOS電晶體的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二PMOS電晶體的控制端通過另一電位轉換器與所述第二NMOS電晶體的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三PMOS電晶體的控制端用於輸入第二控制電壓，其第二電極用於輸入第三電壓信號。
優選的，在所述指紋感測電路中，所述第二轉換電路包括：第一NMOS電晶體、第二NMOS電晶體、第三NMOS電晶體、第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體以及第三PMOS電晶體；
所述第一PMOS電晶體的控制端與所述第一轉換電路連接，以輸入所述驅動電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二PMOS電晶體的控制端用於輸入所述參考電壓，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三PMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三PMOS電晶體的控制端用於輸入第二控制電壓，其第二電極用於輸入第三電壓信號；
所述第一NMOS電晶體的控制端通過一電位轉換器與所述第一PMOS電晶體的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極用於與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第二NMOS電晶體的控制端通過另一電位轉換器與所述第二PMOS電晶體的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體的第一電極連接；
所述第三NMOS電晶體的控制端用於輸入第一控制電壓，其第二電極用於接地。
本發明還提供了一種指紋感測裝置，所述指紋感測裝置包括：上述任一所述的指紋感測電路。
通過上述描述可知，本發明技術方案提供的指紋感測電路及指紋感測裝置中，通過第一轉換電路獲取感測電極感測的耦合電容，進而獲取驅動電壓，所述驅動電壓等於所述耦合電容轉化的電壓變化量與一參考電壓之和；通過第二轉換電路基於所述驅動電壓產生感測電流，所述感測電流等於所述第二轉換電路的跨導增益與所述電壓變化量的乘積。
可見，本發明技術方案在進行指紋感測時，可以將感測電極的耦合電容轉換為電壓變化量，並使之增加一個已知的參考電壓，獲取較大的所述驅動電壓，以便於驅動所述第二轉換電路產生所述感測電流，進而便於指紋信號處理器基於感測電流進行指紋感測，提高了感測精度。
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，都屬於本發明保護的範圍。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
參考圖1，圖1為本發明實施例提供的一種指紋感測電路的模組示意圖，所述指紋感測電路具有感測電極13，觸摸物體如手指、腳趾等含指紋的部位靠近指紋感測裝置時，觸摸物體會和感測電極13產生耦合電容CF。本實施例以手指為例進行說明。所述指紋感測電路包括：第一轉換電路11，所述第一轉換電路11用於連接所述感測電極13，將所述感測電極13感測的耦合電容轉換為驅動電壓VOUT；第二轉換電路12，所述第二轉換電路12用於基於所述驅動電壓VOUT產生感測電流IOUT，並將所述感測電流IOUT發送給指紋信號處理器14。所述指紋信號處理器14可以再基於所述感測電流IOUT獲得指紋資訊從而進行指紋辨識。
如下述公式（1）和公式（2）所示，所述驅動電壓VOUT等於所述耦合電容轉化的電壓變化量△V與一參考電壓VREF之和。所述感測電流IOUT等於所述第二轉換電路12的跨導增益G與所述驅動電壓VOUT的乘積。 VOUT=VREF+△V (1) IOUT=G×△V (2)
可見，本發明實施例所述指紋感測電路中，進行指紋感測時，第一轉換電路11可以將手指與感測電極13的耦合電容轉換為電壓變化量△V，並使之增加一個已知的參考電壓VREF，獲取較大的所述驅動電壓VOUT，以便於驅動所述第二轉換電路12產生所述感測電流IOUT，進而便於指紋信號處理器14基於感測電流IOUT進行指紋感測，提高了感測精度。
本發明實施例所述指紋感測電路中，第一轉換電路11為積分器，第二轉換電路12為電壓電流轉換器。所述第一轉換電路11以及所述第二轉換電路12的實現方式可以如圖2所示。
參考圖2，圖2為本發明實施例提供的一種指紋感測電路的結構示意圖，該實施方式中，所述第一轉換電路11包括：運算放大器OP，所述運算放大器OP具有正相輸入端、負相輸入端、接地控制端以及輸出端；所述正相輸入端用於輸入所述參考電壓VREF；所述輸出端輸出所述驅動電壓VOUT；回饋電路111，所述回饋電路111連接於所述負相輸入端和所述輸出端之間；第一控制開關CH_SEL，所述第一控制開關CH_SEL一端連接所述感測電極13，另一端連接所述負相輸入端。運算放大器OP的接地控制端輸入接地控制電壓NGND。
第一轉換電路11可包含多個第一控制開關CH_SEL，每個第一控制開關CH_SEL對應連接一個感測電極13，第一控制開關CH_SEL根據控制信號進行斷開或閉合，閉合時的第一控制開關CH_SEL形成完整的指紋感測電路，實現與閉合第一控制開關CH_SEL相連接的感測電極13產生耦合電容的手指指紋偵測。本實施例圖2示意了僅包含一個第一控制開關CH_SEL的指紋感測電路。
其中，所述回饋電路111包括：第一電容CFB，所述第一電容CFB的一端連接所述輸出端，另一端連接所述負相輸入端；重定開關RST，所述重定開關RST一端連接所述輸出端，另一端連接所述負相輸入端。重定開關RST用於按預定時間間隔閉合與斷開，起到重置回饋第一電容CFB兩端電荷的作用。
當重定開關RST閉合時，所述運算放大器OP處於虛短狀態，即正相輸入端與負相輸入端相當於短接，二者電位相同，即正相輸入端的電位VX等於參考電壓VREF。進一步地，所述參考電壓VREF隨接地控制端電壓NGND的變化而變化。
當手指接近或觸摸感測電極13時，則發生的電荷變化通過與負相輸入端相連接的回饋電路111輸出給第二轉換電路12進而輸出給指紋信號處理器14。指紋信號處理器14根據IOUT對應獲得指紋資訊。
每個感測電極13可以檢測手指與其相耦合的電容的大小。手指指紋存在脊線和谷線，脊線相比谷線更靠近所述感測電極13，因而電容更大；谷線相比脊線更遠離所述感測電極13，因而電容更小。根據感測電極13與手指指紋形成電容的大小，可以檢測每一感測電極13所對應區域上的指紋的脊線和谷線。
所述第二轉換電路12包括：第一NMOS電晶體MN1、第二NMOS電晶體MN2以及第三NMOS電晶體MN0。所述第一NMOS電晶體MN1的控制端與所述第一轉換電路11連接，以輸入所述驅動電壓VOUT，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。所述第二NMOS電晶體MN2的控制端用於輸入所述參考電壓VREF，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。所述第三NMOS電晶體MN0的控制端用於輸入第一控制電壓BIASN，其第二電極接到至地NGND，NGND的電位可不固定於0V。且與運算放大器OP的接地控制端連接。第一NMOS電晶體MN1和第二NMOS電晶體MN2構成一差動電路。
設定圖2所示指紋感測電路進行指紋感測時，耦合電容轉化的電壓變化量△V=△V1。此時，圖2所示指紋感測電路由積分器以及電壓電流轉換器組成。感測電極13將手指觸摸時感應的耦合電容資訊通過積分器轉換為驅動電壓VOUT，再通過差動電路生成感測電流IOUT發送至指紋信號處理器14進行信號處理。此時，指紋感測的時序圖如圖3所示，圖3為圖2所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖，指紋信號處理器14進行指紋感測的操作原理是將重定開關RST先閉合再斷開。重定開關RST閉合時VF = VX = VOUT= VREF，再將重定開關RST斷開，且接地控制電壓NGND=VTX時，產生所需要的驅動電壓VOUT，有： VOUT=VREF+△V1 (1-1)
其中，VTX為一預設的已知電壓值，可以為高電位或是低電位，△V1包含指紋資訊，可以表示為：(1-2)
第二轉換電路12通過差動電路輸出感測電流IOUT，感測電流IOUT為差動電流信號，有： IOUT=G×△V1 (1-3)
指紋信號處理器14基於公式(1-1)、(1-2)以及(1-3)，通過對感測電流IOUT進行信號處理即可進行指紋感測。
在圖3所示時序圖中，參考電壓VREF、第一控制電壓BIASN以及第一控制開關CH_SEL的控制電壓均為大於0V的固定電位。
重定開關RST的控制電壓以及接地控制電壓NGND可為方波信號，但本實施例並不限定為方波信號，如正弦波、梯形波及非週期波形信號也適用於本實施例。在接地控制電壓NGND為高電位時，重定開關RST的控制電壓為低電位。在重定開關RST的控制電壓為高電位時，接地控制電壓NGND為低電位。接地控制電壓NGND的高電位等於VTX，其低電位為VSS=0V。
驅動電壓VOUT為脈衝信號，在接地控制電壓NGND為低電位時，其為低電位，在接地控制電壓NGND的上升沿開始，其逐漸增大，在接地控制電壓NGND的下降沿，其由最大變為低電位。此時，驅動電壓VOUT的低電位為參考電壓VREF，高電位為VREF+△V1。
因第一轉換電路11內的不同導電元件之間會形成各種寄生電容，第一轉換電路11輸出的驅動電壓VOUT雖然包含了指紋資訊，但雜訊產生的干擾非常大，通過驅動電壓VOUT直接獲取的指紋信息精度非常低。本實施例再通過第二轉換電路12，將驅動電壓VOUT產生感測電流IOUT，且本實施例提供的第二轉換電路12包含差動電路，通過選擇具有合適跨導增益的差動電路，所述差分信號可以被適當的放大，第二轉換電路12提供給指紋信號處理器14的是放大的差分電流信號，差分電流信號在傳輸給指紋信號處理器14的過程中受電路中各種元器件的寄生電容的影響較小，因此，指紋信號處理器14根據差分電流信號獲得的指紋資訊精度高。
在圖2所示指紋感測電路的基礎上，所述第一轉換電路11還可以如圖4所示，圖4為本發明實施例提供的另一種指紋感測電路的結構示意圖，圖4所示指紋感測電路在圖2所示實施方式的基礎上進一步包括：第二電容CX，所述第二電容CX的一端用於輸入第一電壓信號VDAC，另一端與所述第一控制開關CH_SEL和所述感測電極13的公共節點連接。
在圖4所示指紋感測電路中，設定圖4所示指紋感測電路進行指紋感測時，耦合電容轉化的電壓變化量△V =△V2。同樣，圖4所示指紋感測電路由積分器以及電壓電流轉換器組成。感測電極13將手指觸摸時感應的耦合電容通過積分器轉換為驅動電壓VOUT，再通過差動電路生成感測電流IOUT發送至指紋信號處理器14進行信號處理。此時，指紋感測的時序圖如圖5所示，圖5為圖4所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖，指紋信號處理器14進行指紋感測的操作原理是在重定開關RST先閉合再斷開。重定開關RST閉合時， VF = VX = VOUT = VREF且VDAC = VA，再將重定開關RST斷開，NGND=VTX且VDAC = VB時，產生所需要的驅動電壓VOUT為： VOUT=VREF+△V2 (2-1)
其中，VA和VB為預設的已知電壓值，為高電位，△V2包含指紋資訊，可以表示為：(2-2)
第二轉換電路12通過差動電路輸出感測電流IOUT，感測電流IOUT為差動電流信號，有： IOUT=G×△V2 (2-3)
同樣，指紋信號處理器14基於公式(2-1)、(2-2)以及(2-3)，通過對感測電流IOUT進行信號處理即可進行指紋感測。
在圖5所示時序圖中，第一電壓信號VDAC為方波信號，其高電位為VA，其低電位為VB。在圖4所示指紋感測電路的基礎上，所述第一轉換電路11還可以如圖6所示，圖6為本發明實施例提供的另一種指紋感測電路的結構示意圖，圖6所示第一轉換電路11在圖4所示實施方式的基礎上進一步包括：第二控制開關PCH，所述第二控制開關PCH的一端用於輸入第二電壓信號VPRE，另一端與所述公共節點連接。
在圖6所示指紋感測電路中，設定圖6所示指紋感測電路進行指紋感測時，耦合電容轉化的電壓變化量△V =△V3。同樣，圖6所示指紋感測電路由積分器以及電壓電流轉換器組成。通過感測電極13將手指觸摸時感應的耦合電容資訊通過積分器轉換為驅動電壓VOUT，再通過差動電路生成感測電流IOUT發送至指紋信號處理器14進行信號處理。此時，指紋感測的時序圖如圖7所示，圖7為圖6所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖，指紋信號處理器14進行指紋感測的操作原理是在重定開關RST的控制電壓為高電位時，CH_SEL的控制電壓為低且PCH的控制電壓為高，使VF = VPRE，VX = VOUT = VREF且VDAC保持在VA，在重定開關RST的控制電壓為低，PCH的控制電壓為低且CH_SEL的控制電壓為高時產生所需要的電壓訊號VOUT，有： VOUT=VREF+△V3 (3-1)
其中，△V2包含指紋資訊，可以表示為：(3-2)
第二轉換電路12通過差動電路輸出感測電流IOUT，感測電流IOUT為差動電流信號，有： IOUT=G×△V3 (3-3)
同樣，指紋信號處理器14基於公式(3-1)、(3-2)以及(3-3)，通過對感測電流IOUT進行信號處理即可進行指紋感測。
在圖7所示時序圖中，第一控制開關CH_SEL的控制電壓為方波信號。接地端控制電壓NGND等於VSS=0V。第一電壓信號VDAC為直流信號，等於VA，大於VB。第二控制開關PCH的控制電壓為方波。
在圖2、圖4以及圖6所示指紋感測電路中，所述第二轉換電路12包括：第一NMOS電晶體MN1、第二NMOS電晶體MN2以及第三NMOS電晶體MN0，由三個NMOS電晶體構成電壓電流轉換器。此時，感測電流IOUT包括：第一NMOS電晶體MN1的第二電極以及第二NMOS電晶體MN2的第二電極輸出的電流，兩個電流大小相同，方向相反。
在其他實施方式中，所述第二轉換電路12還可以如圖8所示，圖8為本發明實施例提供的一種第二轉換電路12的結構示意圖，圖8所示第二轉換電路12包括：第一PMOS電晶體MP1、第二PMOS電晶體MP2以及第三PMOS電晶體MP0。
所述第一PMOS電晶體MP1的控制端與所述第一轉換電路11連接，以輸入所述驅動電壓VOUT，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第二PMOS電晶體MP2的控制端用於輸入所述參考電壓VREF，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第三PMOS電晶體MP0的控制端用於輸入第二控制電壓BIASP，其第二電極用於輸入第三電壓信號VDD。
在圖8所示實施方式中，此時，感測電流IOUT包括：第一PMOS電晶體MP1的第二電極以及第二PMOS電晶體MP2的第二電極輸出的電流，兩個電流大小相同，方向相反。
在其他實施方式中，所述第二轉換電路12還可以如圖9所示，圖9為本發明實施例提供的另一種第二轉換電路12的結構示意圖，圖9所示第二轉換電路12包括：第一NMOS電晶體MN1、第二NMOS電晶體MN2、第三NMOS電晶體MN0、第一PMOS電晶體MP1、第二PMOS電晶體MP2以及第三PMOS電晶體MP0。
所述第一NMOS電晶體MN1的控制端與所述第一轉換電路11連接，以輸入所述驅動電壓VOUT，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。
所述第二NMOS電晶體MN2的控制端用於輸入所述參考電壓VREF，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。
所述第三NMOS電晶體MN0的控制端用於輸入第一控制電壓BIASN，其第二電極接地。
所述第一PMOS電晶體MP1的控制端通過一電位轉換器VOS與所述第一NMOS電晶體MN1的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第二PMOS電晶體MP2的控制端通過另一所述電位轉換器VOS與所述第二NMOS電晶體MN2的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第三PMOS電晶體MP0的控制端用於輸入第二控制電壓BIASP，其第二電極用於輸入第三電壓信號VDD。
在圖9所示實施方式中，感測電流IOUT包括：第一NMOS電晶體MN1的第二電極、第二NMOS電晶體MN2的第二電極輸出的電流、第一PMOS電晶體MP1的第二電極以及第二PMOS電晶體MP2的第二電極輸出的電流。第一NMOS電晶體MN1的第二電極與第二NMOS電晶體MN2的第二電極輸出的電流大小相同，方向相反，如圖中電流IOUTN所示。第一PMOS電晶體MP1的第二電極與第二PMOS電晶體MP2的第二電極輸出的電流大小相同，方向相反，如圖中電流IOUTP所示。
在其他實施方式中，所述第二轉換電路12還可以如圖10所示，圖10為本發明實施例提供的又一種第二轉換電路12的結構示意圖，圖10所示第二轉換電路12同樣包括：第一NMOS電晶體MN1、第二NMOS電晶體MN2、第三NMOS電晶體MN0、第一PMOS電晶體MP1、第二PMOS電晶體MP2以及第三PMOS電晶體MP0。
所述第一PMOS電晶體MP1的控制端與所述第一轉換電路11連接，以輸入所述驅動電壓VOUT，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第二PMOS電晶體MP2的控制端用於輸入所述參考電壓VREF，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三PMOS電晶體MP0的第一電極連接。
所述第三PMOS電晶體MP0的控制端用於輸入第二控制電壓BIASP，其第二電極用於輸入第三電壓信號VDD。
所述第一NMOS電晶體MN1的控制端通過一電位轉換器VOS與所述第一PMOS電晶體MP1的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。
所述第二NMOS電晶體MN2的控制端通過另一所述電位轉換器VOS與所述第二PMOS電晶體MP2的控制端連接，其第一電極用於和所述指紋信號處理器14連接，其第二電極與所述第三NMOS電晶體MN0的第一電極連接。
所述第三NMOS電晶體MN0的控制端用於輸入第一控制電壓BIASN，其第二電極接地。
在圖9所示實施方式中，感測電流IOUT包括：第一NMOS電晶體MN1的第二電極、第二NMOS電晶體MN2的第二電極輸出的電流、第一PMOS電晶體MP1的第二電極以及第二PMOS電晶體MP2的第二電極輸出的電流。第一NMOS電晶體MN1的第二電極與第二NMOS電晶體MN2的第二電極輸出的電流大小相同，方向相反，如圖中電流IOUTN所示。第一PMOS電晶體MP1的第二電極與第二PMOS電晶體MP2的第二電極輸出的電流大小相同，方向相反，如圖中電流IOUTP所示。
需要說明的是，本發明各個實施例中，各個NMOS電晶體的跨導增益相同，為gmn；各個PMOS電晶體的跨導增益相同，為gmp。
對於圖2、圖4以及圖6所示實施方式，第二轉換電路12的跨導增益G=gmn。第三NMOS晶體管用於產生一偏壓電流，第一NMOS電晶體MN1以及第二NMOS電晶體MN2通過比較積分器輸出的驅動電壓VOUT和參考電壓VREF的電壓差，以產生一差動形式的輸出電流，即感測電流IOUT。其中，跨導增益的單位是安培/伏特。
對於圖8所示實施方式，第二轉換電路12的跨導增益G=gmp。圖8所示第二轉換電路12為圖2、圖4以及圖6所示第二轉換電路12的互補形式，通過三個POMOS電晶體構成所示電壓電流轉換器。第三PMOS電晶體MP0用於產生一偏壓電流，第一PMOS電晶體MP1以及第二PMOS電晶體MP2通過比較積分器輸出的驅動電壓VOUT和參考電壓VREF的電壓差，以產生一差動形式的輸出電流，即感測電流IOUT。
對於圖9和圖10所示實施方式，第二轉換電路12的跨導增益G=gmp+ gmn。圖9和圖10所示第二轉換電路12的兩種實施方式中，同時使用NMOS電晶體以及PMOS電晶體，其中，電位轉換器VOS功能為固定電位，具有電壓平移的功能，以使得NMOS電晶體和PMOS電晶體可以有不同的操作電壓。
本發明實施例所述指紋感測電路中，利用差動電路的方式產生感測電流，可以得到更好的共模雜訊抑制能力，具有更好的精確度。特別的，對於圖9以及圖10所示實施方式，同時使用NOMS電晶體以及PMOS電晶體作為輸入器件，可以有效增加電壓電流轉換器的動態操作範圍。
本發明實施例所述指紋信號處理器14可為指紋感測晶片，或將指紋感測功能集成的處理晶片，如將指紋感測功能和顯示驅動功能集成的處理晶片。
基於上述指紋感測電路實施例，本發明另一實施例還提供了一種指紋感測裝置，所述指紋感測裝置包括上述實施例所述的指紋感測電路。所述指紋感測裝置可以為手機、平板電腦以及可穿戴設備等具有功能的電子設備。
本發明實施例所述指紋感測裝置採用上述實施例所述指紋感測電路，具有更好的共模雜訊抑制能力，具有更好的精確度，可以有效增加電壓電流轉換器的動態操作範圍。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的指紋感測裝置而言，由於其與實施例公開的指紋感測電路相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見指紋感測電路相關部分說明即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
11‧‧‧第一轉換電路
12‧‧‧第二轉換電路
13‧‧‧感測電極
14‧‧‧指紋信號處理器
111‧‧‧回饋電路
CF‧‧‧耦合電容
VREF‧‧‧參考電壓
VOUT‧‧‧驅動電壓
IOUT‧‧‧感測電流
BIASN‧‧‧第一控制電壓
VDAC‧‧‧第一電壓信號
RST‧‧‧重定開關
VDD‧‧‧第三電壓信號
BIASP‧‧‧第二控制電壓
OP‧‧‧運算放大器
CH_SEL‧‧‧第一控制開關
CFB‧‧‧第一電容
RST‧‧‧重定開關
MN1‧‧‧第一NMOS電晶體
MN2‧‧‧第二NMOS電晶體
MN0‧‧‧第三NMOS電晶體
CX‧‧‧第二電容
PCH‧‧‧第二控制開關
MP1‧‧‧第一PMOS電晶體
MP2‧‧‧第二PMOS電晶體
MP0‧‧‧第三PMOS電晶體
VOS‧‧‧電位轉換器
[圖1]為本發明實施例提供的一種指紋感測電路的模組示意圖。 [圖2]為本發明實施例提供的一種指紋感測電路的結構示意圖。 [圖3]為圖2所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖。 [圖4]為本發明實施例提供的另一種指紋感測電路的結構示意圖。 [圖5]為圖4所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖。 [圖6]為本發明實施例提供的又一種指紋感測電路的結構示意圖。 [圖7]為圖6所示指紋感測電路進行指紋感測時的時序圖。 [圖8]為本發明實施例提供的一種第二轉換電路的結構示意圖。 [圖9]為本發明實施例提供的另一種第二轉換電路的結構示意圖。 [圖10]為本發明實施例提供的又一種第二轉換電路的結構示意圖。
Claims (10)
- 一種指紋感測電路，包括一感測電極，還包括： 一第一轉換電路，該第一轉換電路用於連接該感測電極，將該感測電極感測的一耦合電容轉換為一驅動電壓；該驅動電壓等於該耦合電容轉化的一電壓變化量與一參考電壓之和；以及 一第二轉換電路，該第二轉換電路用於基於該驅動電壓產生一感測電流，並將該感測電流發送給一指紋信號處理器；該感測電流等於該第二轉換電路的一跨導增益與該電壓變化量的乘積； 其中，該指紋信號處理器基於該感測電流進行指紋感測。
- 如請求項1所述的指紋感測電路，其中該第一轉換電路包括： 一運算放大器，該運算放大器具有一正相輸入端、一負相輸入端、一接地控制端以及一輸出端；該正相輸入端用於輸入該參考電壓；該輸出端輸出該驅動電壓； 一回饋電路，該回饋電路連接於該負相輸入端和該輸出端之間；以及 一第一控制開關，該第一控制開關一端連接該感測電極，另一端連接該負相輸入端。
- 如請求項2所述的指紋感測電路，其中該回饋電路包括： 一第一電容，該第一電容的一端連接該輸出端，另一端連接該負相輸入端；以及 一重定開關，該重定開關一端連接該輸出端，另一端連接該負相輸入端。
- 如請求項2所述的指紋感測電路，其中該第一轉換電路還包括：一第二電容，該第二電容的一端用於輸入一第一電壓信號，另一端與該第一控制開關和該感測電極的一公共節點連接。
- 如請求項4所述的指紋感測電路，其中該第一轉換電路還包括：一第二控制開關，該第二控制開關的一端用於輸入一第二電壓信號，另一端與該公共節點連接。
- 如請求項1至5中任一項所述的指紋感測電路，其中該第二轉換電路包括：一第一NMOS電晶體、一第二NMOS電晶體以及一第三NMOS電晶體； 該第一NMOS電晶體的控制端與該第一轉換電路連接，以輸入該驅動電壓，該第一NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一NMOS電晶體的第二電極用於與該第三NMOS電晶體的第一電極連接； 該第二NMOS電晶體的控制端用於輸入該參考電壓，該第二NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二NMOS電晶體的第二電極用於與該第三NMOS電晶體的第一電極連接；以及 該第三NMOS電晶體的控制端用於輸入一第一控制電壓，該第三NMOS電晶體的第二電極用於接地。
- 如請求項1至5中任一項所述的指紋感測電路，其中該第二轉換電路包括：一第一PMOS電晶體、一第二PMOS電晶體以及一第三PMOS電晶體； 該第一PMOS電晶體的控制端與該第一轉換電路連接，以輸入該驅動電壓，該第一PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接； 該第二PMOS電晶體的控制端用於輸入該參考電壓，該第二PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接；以及 該第三PMOS電晶體的控制端用於輸入一第二控制電壓，該第三PMOS電晶體的第二電極用於輸入一第三電壓信號。
- 如請求項1至5中任一項所述的指紋感測電路，其中該第二轉換電路包括：一第一NMOS電晶體、一第二NMOS電晶體、一第三NMOS電晶體、一第一PMOS電晶體、一第二PMOS電晶體以及一第三PMOS電晶體； 該第一NMOS電晶體的控制端與該第一轉換電路連接，以輸入該驅動電壓，該第一NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一NMOS電晶體的第二電極用於與該第三NMOS電晶體的第一電極連接； 該第二NMOS電晶體的控制端用於輸入該參考電壓，該第二NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二NMOS電晶體的第二電極用於與該第三NMOS電晶體的第一電極連接； 該第三NMOS電晶體的控制端用於輸入一第一控制電壓，該第三NMOS電晶體的第二電極用於接地； 該第一PMOS電晶體的控制端通過一電位轉換器與該第一NMOS電晶體的控制端連接，該第一PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接； 該第二PMOS電晶體的控制端通過另一電位轉換器與該第二NMOS電晶體的控制端連接，該第二PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接；以及 該第三PMOS電晶體的控制端用於輸入一第二控制電壓，該第三PMOS電晶體的第二電極用於輸入一第三電壓信號。
- 如請求項1至5中任一項所述的指紋感測電路，其特徵在於，該第二轉換電路包括：一第一NMOS電晶體、一第二NMOS電晶體、一第三NMOS電晶體、一第一PMOS電晶體、一第二PMOS電晶體以及一第三PMOS電晶體； 該第一PMOS電晶體的控制端與該第一轉換電路連接，以輸入該驅動電壓，該第一PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接； 該第二PMOS電晶體的控制端用於輸入該參考電壓，該第二PMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二PMOS電晶體的第二電極用於與該第三PMOS電晶體的第一電極連接； 該第三PMOS電晶體的控制端用於輸入一第二控制電壓，該第三PMOS電晶體的第二電極用於輸入一第三電壓信號； 該第一NMOS電晶體的控制端通過一電位轉換器與該第一PMOS電晶體的控制端連接，該第一NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第一NMOS電晶體的第二電極用於與該第三NMOS電晶體的第一電極連接； 該第二NMOS電晶體的控制端通過另一該電位轉換器與該第二PMOS電晶體的控制端連接，該第二NMOS電晶體的第一電極用於和該指紋信號處理器連接，該第二NMOS電晶體的第二電極與該第三NMOS電晶體的第一電極連接；以及 該第三NMOS電晶體的控制端用於輸入一第一控制電壓，該第三NMOS電晶體的第二電極接地。
- 一種指紋感測裝置，包括如請求項1至9中任一項所述的指紋感測電路。
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