一種指紋識(shí)別動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法與設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及指紋識(shí)別和處理領(lǐng)域，具體涉及一種指紋檢測(cè)識(shí)別的方法及設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]指紋檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)是一種可靠而且廣泛應(yīng)用的個(gè)人識(shí)別驗(yàn)證技術(shù)。CMOS指紋識(shí)別傳感器具有體積小、功耗低、模組輕薄等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足移動(dòng)終端領(lǐng)域?qū)π⌒突?、低功耗的要求，因此廣泛應(yīng)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備中，如手機(jī)，平板設(shè)備、PAD等。電容式指紋識(shí)別傳感器具有由多個(gè)電極組成的指紋傳感像素電極陣列，其能夠響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并基于電極電容的變化產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，在手指接觸傳感器表面時(shí)，感應(yīng)電極和手指指紋脊和指紋谷之間所形成的電容不同。傳感器電路的每一個(gè)像素點(diǎn)感應(yīng)手指和感應(yīng)電極間的電容變化量，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化量，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為含有灰度信息的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)后續(xù)處理后形成指紋圖像。
[0003]指紋脊和指紋谷與感應(yīng)電極形成的電容值的大小取決于手指和傳感器之間介質(zhì)的厚度以及介電常數(shù)。一般應(yīng)用情況下該電容小于IfF，因此指紋脊和指紋谷與感應(yīng)電極形成的電容變化量會(huì)更小。這就意味著指紋識(shí)別傳感器需要將差別非常小的信號(hào)放大并區(qū)分出來，而且系統(tǒng)需要具有較高的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。傳感器輸出數(shù)據(jù)擁有越高的動(dòng)態(tài)范圍，恢復(fù)得到的指紋圖像擁有更高的對(duì)比度，指紋識(shí)別方法更容易比對(duì)識(shí)別，具有更高的辨識(shí)精度。
[0004]—般而言傳感器的輸入信號(hào)(對(duì)應(yīng)于手指與感應(yīng)電極之間形成的電容值)經(jīng)傳感器放大電路之后的輸出信號(hào)范圍會(huì)遠(yuǎn)小于后級(jí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，無法充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍。如果不做處理對(duì)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)整，采集的指紋圖像會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度差的缺陷，導(dǎo)致影響指紋識(shí)別準(zhǔn)確率的降低。
[0005]因此，現(xiàn)有的指紋識(shí)別傳感器需要對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍做優(yōu)化處理，通過調(diào)整參數(shù)，盡可能使得輸入信號(hào)達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程。充分利用系統(tǒng)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，提高采集圖像的整體質(zhì)量。
[0006]現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有如下缺陷:通常為了提高系統(tǒng)的共模抑制，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)—般米用差分架構(gòu)，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓為Vrefh，那么模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入動(dòng)態(tài)范圍為[-VREFH，0]以及[0，VREFH]。指紋識(shí)別傳感設(shè)備經(jīng)過前端放大器放大之后，輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)均為正值，因此對(duì)于指紋設(shè)備本身，只需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的正向輸入范圍[0，VREFH]。因此當(dāng)系統(tǒng)要求256灰階的圖像質(zhì)量時(shí)，ADC需要9-bit的精度。需要注意的是，本說明書用“[下限，上限]”的形式表示某一范圍，且該范圍包含端點(diǎn)值。
[0007]現(xiàn)有的指紋傳感設(shè)備電路的多個(gè)參數(shù)都會(huì)動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生影響。比如前端放大電路(一級(jí)或者多級(jí))的增益，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益以及偏移量。這些變量的調(diào)整存在依賴關(guān)系。
[0008]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入信號(hào)和輸出數(shù)字代碼(即數(shù)字輸出信號(hào))之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。轉(zhuǎn)換曲線可以理解為下面的表達(dá)式:
[0009]code=Aadc(Vin+Soffset)；
[0010]其中code為不同輸入下ADC的數(shù)字輸出，Aadc為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益，Vin表示ADC的輸入分量，Soffset為偏移量。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益Aad。改變轉(zhuǎn)換曲線的斜率，偏移量參數(shù)Soffset使曲線發(fā)生平移。
[0011]從圖1可以看出，在偏移量為0的情況下，不同增益調(diào)整下的轉(zhuǎn)換曲線的交點(diǎn)在輸入信號(hào)為0的位置。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入動(dòng)態(tài)范圍為[-Vrefh，0 ]以及[0，Vrefh]。
[0012]以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益和偏移量調(diào)整為例，當(dāng)只利用正向的輸入范圍[0，VREFH]時(shí)，如圖1所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的增益會(huì)影響轉(zhuǎn)換曲線的斜率，而偏移量會(huì)影響曲線的相對(duì)位置。當(dāng)存在固定偏移量時(shí)，不同增益調(diào)整下的轉(zhuǎn)換曲線的交點(diǎn)不再在輸入信號(hào)為0的位置。偏移量對(duì)輸出的影響和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益密切相關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的增益發(fā)生變化時(shí)，偏移量也會(huì)隨著增益的變化發(fā)生改變。因此，現(xiàn)有的指紋傳感識(shí)別設(shè)備中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整存在需要反復(fù)多次迭代調(diào)整，導(dǎo)致效率低下，或者無法找到最優(yōu)設(shè)置的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有指紋識(shí)別傳感設(shè)備存在的缺陷，提出了一種指紋識(shí)別傳感設(shè)備及動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法，能夠簡化了動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整方法和具體方法實(shí)現(xiàn)過程，減少了反復(fù)迭代的次數(shù)，從而提高指紋識(shí)別的響應(yīng)速度和辨識(shí)性能。
[0014]該指紋識(shí)別傳感設(shè)備包括一個(gè)指紋傳感像素電極陣列，以及用于驅(qū)動(dòng)所述陣列的驅(qū)動(dòng)電路，以及前端輸入放大器(AMP)，其用于接收并放大指紋傳感像素電極陣列輸出的模擬信號(hào)，并將放大后的信號(hào)傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0015]本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感設(shè)備，還包括具有可調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將前端處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定范圍的數(shù)字信號(hào)。
[0016]本發(fā)明提出了一種指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法及相關(guān)實(shí)現(xiàn)電路。該方法通過對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，分別對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益和偏移量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。
[0017]本發(fā)明提出了一種指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有參考電壓，增益的調(diào)整通過調(diào)整其參考電壓值來實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)比較器，偏移量的調(diào)整通過調(diào)整比較器差分輸入端的共模參考電壓實(shí)現(xiàn)。
[0018]本發(fā)明提出了的用于指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法，能夠調(diào)整前端輸入放大器的增益。
[0019]本發(fā)明提出了一種指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整電路，其包括前端放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)處理模塊以及動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整模塊。
[0020]本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法，通過對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益調(diào)整和偏移量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，可以使用偏移量參數(shù)和增益調(diào)整參數(shù)最大限度的利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍，根據(jù)不同的指紋和按壓的力度實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，獲得最優(yōu)的圖像質(zhì)量。該方法消除了現(xiàn)有技術(shù)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器增益和偏移量之間的依賴關(guān)系，在調(diào)整完偏移量參數(shù)后，增益參數(shù)的變化不會(huì)影響圖像輸出的平均值，從而無需再進(jìn)行偏移量參數(shù)的重新調(diào)整，減少了方法迭代次數(shù)，縮短系統(tǒng)指紋檢測(cè)的時(shí)間。
【附圖說明】
[0021]圖1示出了現(xiàn)有的指紋識(shí)別傳感設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換曲線。
[0022]圖2示出了本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感設(shè)備的電路工作原理。
[0023]圖3示出了本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法中，ADC增益的調(diào)整方法。
[0024]圖4示出了本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感設(shè)備應(yīng)用于抑制系統(tǒng)共模噪聲時(shí)的原理圖。
[0025]圖5示出了本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)流程。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容將在以下實(shí)施例中結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，本發(fā)明具有多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，其并不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于下面提到的幾種實(shí)施方式。以下較佳實(shí)施例被提供用來解釋、澄清發(fā)明。
[0027]圖2示出了本發(fā)明提出的指紋識(shí)別傳感電路的一個(gè)實(shí)施例，其包括放大器AMP，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，數(shù)據(jù)處理模塊以及動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整模塊，放大器AMP為前端輸入放大器，實(shí)現(xiàn)電容到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。AMP可以為單級(jí)，也可以由多級(jí)級(jí)聯(lián)形成。ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成模擬電信號(hào)至數(shù)字分量的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理模塊用于將ADC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的灰階數(shù)據(jù)，通過對(duì)ADC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)系統(tǒng)的灰階顯示要求。動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法模塊接收數(shù)據(jù)處理模塊的輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整，對(duì)放大器的增益Α_，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益Aad。，偏移Soffset進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。一般指紋識(shí)別應(yīng)用中，ADC的精度為8-10bit。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)換曲線如圖1所不，橫坐標(biāo)為輸入模擬信號(hào)，橫坐標(biāo)的最小值-Vrefh和最大值Vrefh代表輸入信號(hào)的最大范圍?？v坐標(biāo)為代表模擬信號(hào)量大小的數(shù)字輸出碼，縱坐標(biāo)最小值為0，最大值為ADC轉(zhuǎn)換精度允許的最大值，如8bi t精度對(duì)應(yīng)為256，對(duì)應(yīng)編碼可表示為0000...00?code_max(llll...11)。具體碼元個(gè)數(shù)與精度有關(guān)。轉(zhuǎn)換曲線斜率的調(diào)整意味著圖像對(duì)比度的變化。一般指紋識(shí)別輸入信號(hào)范圍很小，對(duì)前端放大器的增益、ADC轉(zhuǎn)換曲線斜率進(jìn)行調(diào)整可以充分利用ADC的輸入范圍，提高整體圖像質(zhì)量。
[0028]為了增加系統(tǒng)的靈活性，該電路能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益和偏移量的調(diào)整。在相同的輸入情況下，ADC的增益變化對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換曲線的斜率發(fā)生變化;ADC的偏移量調(diào)整對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換曲線以固定的斜率進(jìn)行平移。由于在進(jìn)行增益調(diào)整時(shí)整體數(shù)據(jù)可能在數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍未達(dá)到最優(yōu)時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)單方向飽和，在這種情況下，可以通過調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏移量參數(shù)平移轉(zhuǎn)換曲線，從而消除數(shù)據(jù)飽和的現(xiàn)象。
[0029]ADC增益調(diào)整和偏移量調(diào)整的電路實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)踐中要考慮到具體的ADC電路結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同的ADC電路，ADC增益調(diào)整和偏移量調(diào)整的實(shí)現(xiàn)方式有所差別。普通ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中都存在采樣保持電路，采樣保持電路包含采樣電容，電路通過采樣電容將輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣保持，之后的電路對(duì)采樣保持電路的采樣信號(hào)進(jìn)行量化處理，而不是實(shí)時(shí)的模擬信號(hào)。
[0030]下面以電容陣列電荷重新分配式逐次逼近ADC(SAR ADC)電路為例，說明ADC偏移量調(diào)整的實(shí)現(xiàn)方式。參考電壓定義了 ADC的輸入信號(hào)范圍。ADC的增益可以通過調(diào)整其參考電壓來實(shí)現(xiàn)，ADC的偏移量調(diào)整可以通過調(diào)整ADC中的比較器差分輸入端的共模參考電壓來實(shí)現(xiàn)。
[0031]圖3為本發(fā)明提出的ADC增益調(diào)整方法的一個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明技術(shù)方案中ADC具有兩個(gè)參考電壓Vrefh和Vrefl，Vrefh電平尚于Vrefl。ADC輸入信號(hào)范圍由所述兩個(gè)參考電壓定義。從圖3可以看出，當(dāng)Vrefh-Vrefl變小時(shí)，ADC轉(zhuǎn)換的增益變大;反之ADC轉(zhuǎn)換的增益變小。因此本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法通過控制Vrefh和Vrefl的值來調(diào)整ADC的增益。該方法在調(diào)整ADC增益時(shí)，對(duì)Vrefh和Vrefl同時(shí)同步進(jìn)彳丁相同步長，且相反方向的調(diào)整。即如果Vrefh-Vrefl需要減小電壓變化量絕對(duì)值A(chǔ)，該方法設(shè)計(jì)為:Vre