指纹采集电路、芯片及电子设备

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种指纹采集电路、芯片及具有指纹采集芯片的电子设备。

背景技术

先前的指纹采集电路架构复杂，采集指纹信号时易受外界信号干扰，影响感测的准确性。例如，指纹采集电路中采集指纹的金属层与衬底层之间存在寄生电容，会影响指纹采集电路感测指纹信号的准确性。另外，现有指纹采集电路利用高增益放大器将指纹信号进行放大处理时，灵敏度也不高。

发明内容

有鉴于此，提供一种指纹采集电路及电子设备提高指纹信号的检测准确度。

本申请一实施方式中提供一种指纹采集电路，包括相互连接的像素阵列感应电路及放大电路，像素阵列感应电路包括多个像素电路，每一像素电路包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、衬底层，所述第一金属层用于对手指指纹进行检测，所述第二金属层及所述第三金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，第二金属层和第三金属层在衬底层的投影覆盖第一金属层在衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述第一金属层被手指触碰后生成指纹信号，放大电路用于对所述指纹信号进行放大。

在本申请的一些实施例中，所述像素阵列感应电路包括第一开关组、第二开关组，所述第一开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关，所述第二开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关，所述第一金属层与所述第二金属层连接，所述第二金属层通过所述第一开关组的第一子开关与电源电压连接及通过所述第二开关组的第一子开关与接地端连接，所述第一金属层与所述第三金属层连接，所述第三金属层通过所述第一开关组的第二子开关与所述电源电压连接及通过所述第二开关组的第二子开关与第一参考电压连接，所述第一金属层通过所述第一开关组的第三子开关与电源电压连接及通过所述第二开关组的第三子开关与放大电路连接。

在本申请的一些实施例中，所述放大电路包括运算放大器及反馈环路，所述运算放大器包括同相输入端、反向输入端及输出端，所述同相输入端与所述第一参考电压相连接，通过调整所述第一参考电压来调整所述输出端的输出电压。

在本申请的一些实施例中，所述电阻通过所述第二开关组的第二子开关与所述反向输入端连接，所述输出端通过所述反馈环路与所述反向输入端连接。

在本申请的一些实施例中，所述反馈环路包括反馈电容、第三开关组及第四开关组，所述反馈电容的上极板通过所述第三开关组的第一子开关与第二参考电压连接，所述反馈电容的下极板通过所述第三开关组的第二子开关与所述电源电压连接，所述反馈电容的上极板通过所述第四开关组的第一子开关与所述反向输入端连接，所述反馈电容的下极板通过所述第四开关组的第二子开关与所述输出端连接，所述反向输入端通过所述第三开关组的第三子开关与所述输出端连接。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路还包括数模转换电路，所述数模转换电路提供所述第一参考电压及所述第二参考电压。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路提供第一时序控制信号、第二时序控制信号、第三时序控制信号及第四时序控制信号，所述第一时序控制信号与所述第二时序控制信号为相位相差180°的时钟信号，所述第三时序控制信号φ1与所述第四时序控制信号φ2是相位相差180°的非交叠时钟信号，所述第一时序控制信号用于控制所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第二时序控制信号用于控制所述第四开关组的第一子开关、第二子开关的开合与关闭，所述第三时序控制信号用于控制所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第四时序控制信号用于控制所述第二开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路工作步骤为：

(a)起始阶段；第一时序控制信号为高电平，第二时序控制信号为低电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时导通，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时断开；

(b)扫描阶段：所述第一时序控制信号为低电平，所述第二时序控制信号为高电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时断开，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时导通；

(c)预充电阶段：第三时序控制信号为高电平，所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时导通，所述第四时序控制信号为低电平，所述第二开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时关闭；

(d)电荷转移阶段，所述第三时序控制信号由高电平转变为低电平，所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时断开，所述第四时序控制信号由低电平转变为高电平，所述第二开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时导通。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路还包括模数转换电路，所述像素阵列感应电路进行一次指纹采样，所述模数转换电路进行多次模数转换；或所述像素阵列感应电路进行多次采样，所述模数转换电路进行一次模数转换；或所述像素阵列感应电路进行多次采样，所述模数转换电路进行多次模数转换。

本申请的实施例还提供一种指纹芯片，所述指纹芯片集成上述提供的指纹采集电路。

本申请的实施例还提供一种电子设备，所述电子设备采用上述提供的指纹芯片。

本申请将第二金属层及第三金属层设置在第一金属层及衬底层之间，以将第一金属层与衬底层进行隔离，从而减少第一金属层与衬底层的寄生电容的产生，提高了指纹信号的检测准确度。

附图说明

图1为本申请一实施方式中指纹采集电路的系统框体。

图2为本发明一实施方式中像素电路的电路结构图。

图3为本申请一实施方式中像素阵列感应电路与放大电路的具体连接示意图。

图4为本申请一实施方式中指纹采集电路进行指纹采集的时序图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请实施例，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请实施例。

请参考图1，所示为本申请一实施方式中指纹采集电路1的系统框体。本实施方式中，指纹采集电路1包括数模转换电路11、像素阵列感应电路12、放大电路13、缓冲器14及模数转换电路15。数模转换电路11与像素阵列感应电路12相连接，用于为像素阵列感应电路12提供参考电压。本实施方式中，数模转换电路11能够为像素阵列感应电路12提供第一参考电压V

本实施方式中，像素阵列感应电路12包括m行n列的像素电路121，其中，m，n为正整数。本实施方式中，由于像素阵列感应电路12中每个像素电路121的结构及工作原理相同，本申请只介绍单一像素电路121的电路结构。请参考图2，所示为本发明一实施方式中像素电路121的电路结构图。像素电路121包括第一金属层1211、第二金属层1212、第三金属层1213、衬底层1214。本实施方式中，第一金属层1211用于对用户的指纹进行检测。当用户的手指触摸到第一金属层1211时，由于人体本身是良导体，可以看作是接地端GND，用户的手指与第一金属层1211的有效接触面积内形成第一寄生电容C

手指触摸第一金属层1211后，第一金属层1211与接地端GND产生C

请参考图3，为本申请一实施方式中像素阵列感应电路12与放大电路13的具体连接示意图。本实施方式中，第一金属层1211与视为GND的人体形成第一寄生电容C

第一金属层1211与第二金属层1212连接(电气连接)并形成第一电容21。第二金属层1212通过第一开关组的第一子开关φ11与电源电压V

第一金属层与第三金属层1213连接(电气连接)并形成第二电容22。第三金属层1213通过第一开关组的第二子开关φ12与电源电压V

第一金属层1211第一开关组的第三子开关φ13与电源电压VDD连接及通过所述第二开关组的第三子开关φ23与放大电路连接13连接。具体地，第一金属层1211与电阻1218的一端连接。电阻1218的另一端通过第一开关组的第三子开关φ13与电源电压VDD连接，及通过第二开关组的第二子开关φ23与放大电路13连接。

本实施方式中，放大电路13用于对指纹采集电路1检测到的指纹信号进行放大。本实施方式中，放大电路13包括运算放大器131及反馈环路132。运算放大器131包括同相输入端1311、反向输入端1312及输出端1313。同相输入端1311与第一参考电压V

本实施方式中给，反馈环路132包括反馈电容C

请参考图4，为本申请一实施方式中指纹采集电路1进行指纹采集的时序图。指纹采集电路1提供第一时序控制信号reset_a、第二时序控制信号reset_b、第三时序控制信号φ1及第四时序控制信号φ2。第一时序控制信号reset_a与第二时序控制信号reset_b是相位相差180°的时钟信号。第三时序控制信号φ1与第四时序控制信号φ2是相位相差180°的非交叠时钟信号。

第一时序控制信号reset_a用于控制第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭。第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭的时序完全相同。第二时序控制信号reset_b用于控制第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭。第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭的时序完全相同。第三时序控制信号φ1用于控制第一开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13的开合与关闭。第一开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13的开合与关闭的时序相同。第四时序控制信号φ2用于控制第二开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23的开合与关闭。第二开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23的开合与关闭的时序相同。

下面结合图4及图3具体描述本申请的指纹采集电路1的工作过程。该工作过程包括以下几个阶段。

a)起始阶段，第一时序控制信号reset_a为高电平，第二时序控制信号reset_b为低电平，此时第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时导通，第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时断开。运算放大器的输出端1313连接反相输入端1312，运算放大器131为缓冲器(buffer)结构，Vn＝VREF。反馈电容C

b)扫描阶段，第一时序控制信号reset_a为低电平，第二时序控制信号reset_b为高电平，此时第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时断开，第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时导通。反馈电容C

由于反馈电容C

Q

(c)预充电阶段，第三时序控制信号φ1为高电平，第一开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13同时导通。第四时序控制信号φ2为低电平，第二开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23同时断开，第一电容21、第二电容22、第一寄生电容C

(d)电荷转移阶段，第三时序控制信号φ1由高电平转变为低电平，第一开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13同时断开。第四时序控制信号φ2由低电平转变为高电平，第二开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23同时导通。第三子开关φ23导通时，运算放大器131的反相输入端1312通过第三子开关φ23连接至第一金属层1211，运算放大器131的输出端1313和反相输入端1312通过反馈电容C

经过N次积分，指纹信号量得到放大，有效地提高信号采集的灵敏度。运算放大器131的输出端1313的输出电压为：

进一步整理VOUT：

本实施方式中，像素阵列感应电路12在空扫时，需要保持

假设空扫时运算放大器131的输出端1313的输出电压

V

若空扫时的V

本实施例中的整个像素阵列感应电路12和放大电路1313结构简单，所需的电源电压V

本实施例中感测的指纹信号的灵敏度高，而不需要通过提高像素阵列感应电路的面积来提高灵敏度，对比一般的采集电路，本实施例中的像素阵列感应电路面积可缩小，节约芯片成本。

其它实施方式中，本申请中的放大器131的反馈电容C

其它实施方式中，指纹采集电路1的像素阵列感应电路12进行一次指纹采样后，所述模数转换电路15进行多次模数转换；或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路15进行一次模数转换；亦或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路15进行多次模数转换等不同的工作模式，以有效提升指纹的信号量。

本申请的实施例还提供了一种指纹芯片，指纹芯片包括指纹采集电路1。指纹采集电路1如上述实施方式中提供。关于指纹采集电路的具体内容，可以参见上述实施方式中的内容，此处不再赘述。

本申请的实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括上述实施方式中提供的指纹芯片。

以上实施方式仅用以说明本申请实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请实施例的技术方案的精神和范围。