一種指紋識別動態(tài)范圍調整方法與設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及指紋識別和處理領域，具體涉及一種指紋檢測識別的方法及設備。
【背景技術】
[0002]指紋檢測和識別技術是一種可靠而且廣泛應用的個人識別驗證技術。CMOS指紋識別傳感器具有體積小、功耗低、模組輕薄等優(yōu)點，能夠滿足移動終端領域對小型化、低功耗的要求，因此廣泛應用于便攜式移動設備中，如手機，平板設備、PAD等。電容式指紋識別傳感器具有由多個電極組成的指紋傳感像素電極陣列，其能夠響應驅動電路的驅動信號，并基于電極電容的變化產生感應信號，在手指接觸傳感器表面時，感應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像素點感應手指和感應電極間的電容變化量，將其轉化為電信號的變化量，并經過模數轉換器(ADC)轉換為含有灰度信息的數字信號，經后續(xù)處理后形成指紋圖像。
[0003]指紋脊和指紋谷與感應電極形成的電容值的大小取決于手指和傳感器之間介質的厚度以及介電常數。一般應用情況下該電容小于IfF，因此指紋脊和指紋谷與感應電極形成的電容變化量會更小。這就意味著指紋識別傳感器需要將差別非常小的信號放大并區(qū)分出來，而且系統(tǒng)需要具有較高的輸出信號動態(tài)范圍。傳感器輸出數據擁有越高的動態(tài)范圍，恢復得到的指紋圖像擁有更高的對比度，指紋識別方法更容易比對識別，具有更高的辨識精度。
[0004]—般而言傳感器的輸入信號(對應于手指與感應電極之間形成的電容值)經傳感器放大電路之后的輸出信號范圍會遠小于后級的模數轉換器的輸入動態(tài)范圍，無法充分利用模數轉換器的滿量程范圍。如果不做處理對動態(tài)范圍進行調整，采集的指紋圖像會出現對比度差的缺陷，導致影響指紋識別準確率的降低。
[0005]因此，現有的指紋識別傳感器需要對系統(tǒng)動態(tài)范圍做優(yōu)化處理，通過調整參數，盡可能使得輸入信號達到模數轉換器的滿量程。充分利用系統(tǒng)以及模數轉換器的輸入動態(tài)范圍，提高采集圖像的整體質量。
[0006]現有的模數轉換器具有如下缺陷:通常為了提高系統(tǒng)的共模抑制，模數轉換器(ADC)—般米用差分架構，例如模數轉換器的參考電壓為Vrefh，那么模數轉換器(ADC)的輸入動態(tài)范圍為[-VREFH，0]以及[0，VREFH]。指紋識別傳感設備經過前端放大器放大之后，輸出至模數轉換器的信號均為正值，因此對于指紋設備本身，只需要模數轉換器(ADC)的正向輸入范圍[0，VREFH]。因此當系統(tǒng)要求256灰階的圖像質量時，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，且該范圍包含端點值。
[0007]現有的指紋傳感設備電路的多個參數都會動態(tài)范圍產生影響。比如前端放大電路(一級或者多級)的增益，模數轉換器的增益以及偏移量。這些變量的調整存在依賴關系。
[0008]圖1為現有技術中的模數轉換器(ADC)輸入信號和輸出數字代碼(即數字輸出信號)之間的轉換關系。轉換曲線可以理解為下面的表達式:
[0009]code=Aadc(Vin+Soffset)；
[0010]其中code為不同輸入下ADC的數字輸出，Aadc為模數轉換器的增益，Vin表示ADC的輸入分量，Soffset為偏移量。模數轉換器的增益Aad。改變轉換曲線的斜率，偏移量參數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，不同增益調整下的轉換曲線的交點在輸入信號為0的位置。模數轉換器(ADC)的輸入動態(tài)范圍為[-Vrefh，0 ]以及[0，Vrefh]。
[0012]以模數轉換器的增益和偏移量調整為例，當只利用正向的輸入范圍[0，VREFH]時，如圖1所示，數模轉換器的增益會影響轉換曲線的斜率，而偏移量會影響曲線的相對位置。當存在固定偏移量時，不同增益調整下的轉換曲線的交點不再在輸入信號為0的位置。偏移量對輸出的影響和模數轉換器的增益密切相關。當系統(tǒng)數模轉換器的增益發(fā)生變化時，偏移量也會隨著增益的變化發(fā)生改變。因此，現有的指紋傳感識別設備中，模數轉換器動態(tài)范圍的調整存在需要反復多次迭代調整，導致效率低下，或者無法找到最優(yōu)設置的問題。
【發(fā)明內容】
[0013]本發(fā)明針對現有指紋識別傳感設備存在的缺陷，提出了一種指紋識別傳感設備及動態(tài)范圍調整方法，能夠簡化了動態(tài)范圍的調整方法和具體方法實現過程，減少了反復迭代的次數，從而提高指紋識別的響應速度和辨識性能。
[0014]該指紋識別傳感設備包括一個指紋傳感像素電極陣列，以及用于驅動所述陣列的驅動電路，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，并將放大后的信號傳送給模數轉換器。
[0015]本發(fā)明提出的指紋識別傳感設備，還包括具有可調節(jié)動態(tài)范圍的模數轉換器(ADC)，所述模數轉換器用于將前端處理后的信號轉換為一定范圍的數字信號。
[0016]本發(fā)明提出了一種指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整方法及相關實現電路。該方法通過對模數轉換器的設計，分別對模數轉換器的增益和偏移量進行獨立調整。
[0017]本發(fā)明提出了一種指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整方法中，模數轉換器具有參考電壓，增益的調整通過調整其參考電壓值來實現，模數轉換器包括一個比較器，偏移量的調整通過調整比較器差分輸入端的共模參考電壓實現。
[0018]本發(fā)明提出了的用于指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整方法，能夠調整前端輸入放大器的增益。
[0019]本發(fā)明提出了一種指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整電路，其包括前端放大器，模數轉換器，數據處理模塊以及動態(tài)范圍調整模塊。
[0020]本發(fā)明提出的動態(tài)范圍調整方法，通過對模數轉換器的增益調整和偏移量進行獨立調整，可以使用偏移量參數和增益調整參數最大限度的利用模數轉換器ADC輸入動態(tài)范圍，根據不同的指紋和按壓的力度實時調整系統(tǒng)參數，獲得最優(yōu)的圖像質量。該方法消除了現有技術中模數轉換器增益和偏移量之間的依賴關系，在調整完偏移量參數后，增益參數的變化不會影響圖像輸出的平均值，從而無需再進行偏移量參數的重新調整，減少了方法迭代次數，縮短系統(tǒng)指紋檢測的時間。
【附圖說明】
[0021]圖1示出了現有的指紋識別傳感設備的模數轉換器的轉換曲線。
[0022]圖2示出了本發(fā)明提出的指紋識別傳感設備的電路工作原理。
[0023]圖3示出了本發(fā)明提出的指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整方法中，ADC增益的調整方法。
[0024]圖4示出了本發(fā)明提出的指紋識別傳感設備應用于抑制系統(tǒng)共模噪聲時的原理圖。
[0025]圖5示出了本發(fā)明提出的指紋識別傳感設備動態(tài)范圍調整的方法實現流程。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明的詳細內容將在以下實施例中結合附圖進行詳細描述。然而，本發(fā)明具有多種不同的實現方式，其并不應當被視為僅限于下面提到的幾種實施方式。以下較佳實施例被提供用來解釋、澄清發(fā)明。
[0027]圖2示出了本發(fā)明提出的指紋識別傳感電路的一個實施例，其包括放大器AMP，模數轉換器ADC，數據處理模塊以及動態(tài)范圍調整模塊，放大器AMP為前端輸入放大器，實現電容到電信號的轉換，并對信號進行放大。AMP可以為單級，也可以由多級級聯形成。ADC為模數轉換器，完成模擬電信號至數字分量的轉換。數據處理模塊用于將ADC輸出信號轉換為一定的灰階數據，通過對ADC的輸出數據進行適當的動態(tài)調整，以適應系統(tǒng)的灰階顯示要求。動態(tài)范圍調整方法模塊接收數據處理模塊的輸出數據并進行動態(tài)范圍調整，對放大器的增益Α_，模數轉換器的增益Aad。，偏移Soffset進行獨立調整。一般指紋識別應用中，ADC的精度為8-10bit。模數轉換器ADC的轉換曲線如圖1所不，橫坐標為輸入模擬信號，橫坐標的最小值-Vrefh和最大值Vrefh代表輸入信號的最大范圍。縱坐標為代表模擬信號量大小的數字輸出碼，縱坐標最小值為0，最大值為ADC轉換精度允許的最大值，如8bi t精度對應為256，對應編碼可表示為0000...00?code_max(llll...11)。具體碼元個數與精度有關。轉換曲線斜率的調整意味著圖像對比度的變化。一般指紋識別輸入信號范圍很小，對前端放大器的增益、ADC轉換曲線斜率進行調整可以充分利用ADC的輸入范圍，提高整體圖像質量。
[0028]為了增加系統(tǒng)的靈活性，該電路能夠同時實現增益和偏移量的調整。在相同的輸入情況下，ADC的增益變化對應轉換曲線的斜率發(fā)生變化;ADC的偏移量調整對應轉換曲線以固定的斜率進行平移。由于在進行增益調整時整體數據可能在數據動態(tài)范圍未達到最優(yōu)時出現數據單方向飽和，在這種情況下，可以通過調整模數轉換器的偏移量參數平移轉換曲線，從而消除數據飽和的現象。
[0029]ADC增益調整和偏移量調整的電路實現方式在實踐中要考慮到具體的ADC電路結構，對于不同的ADC電路，ADC增益調整和偏移量調整的實現方式有所差別。普通ADC的模數轉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進行采樣保持，之后的電路對采樣保持電路的采樣信號進行量化處理，而不是實時的模擬信號。
[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偏移量調整的實現方式。參考電壓定義了 ADC的輸入信號范圍。ADC的增益可以通過調整其參考電壓來實現，ADC的偏移量調整可以通過調整ADC中的比較器差分輸入端的共模參考電壓來實現。
[0031]圖3為本發(fā)明提出的ADC增益調整方法的一個實施例。本發(fā)明技術方案中ADC具有兩個參考電壓Vrefh和Vrefl，Vrefh電平尚于Vrefl。ADC輸入信號范圍由所述兩個參考電壓定義。從圖3可以看出，當Vrefh-Vrefl變小時，ADC轉換的增益變大;反之ADC轉換的增益變小。因此本發(fā)明提出的動態(tài)范圍調整方法通過控制Vrefh和Vrefl的值來調整ADC的增益。該方法在調整ADC增益時，對Vrefh和Vrefl同時同步進彳丁相同步長，且相反方向的調整。即如果Vrefh-Vrefl需要減小電壓變化量絕對值A，該方法設計為:Vre