供电信号产生装置、供电装置和被动电容式指纹识别系统的制作方法

本公开涉及指纹识别领域，具体地，涉及供电信号产生装置、包括供电信号产生装置的供电装置和包括供电装置的被动电容式指纹识别系统。

背景技术：

电容式指纹识别技术根据是否直接在手指上施加激励信号，可以分为主动电容式指纹识别与被动电容式指纹识别。主动电容式指纹识别的原理主要是向手指施加激励信号以增强手指表面的电荷，利用触摸面板的感应阵列接收电场信号并对信号进行放大，由于指纹凹凸不一致导致感应到的电场也不一致，可以据此提取指纹信息。被动式的工作原理是根据手指按在触摸面板上时指纹的脊和谷对触摸面板内部电容上下电极电荷分配的比例影响程度来获取指纹信息，无需额外向手指施加激励信号。在主动电容式指纹识别中，为了避免激励信号过强影响用户体验，激励幅度信号幅度一般小于4V。由于被动电容式指纹识别技术不需要在手指上外加激励信号，避免了大幅度激励信号导致的被测者不适感，所以可以通过增加激励信号的幅度来提高指纹识别系统的信噪比。被动电容式指纹识别中的激励信号幅度可以大于4V，甚至可以采用幅度在15V以上的激励信号。

但是在实际的被动电容式指纹识别系统中，由于激励信号幅度的增加以及寄生电感、寄生电容、寄生电阻等诸多因素的影响，提供给指纹传感器的供电信号会具有较大的毛刺噪声，这甚至可能会造成通讯错误。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提供了一种供电信号产生装置、供电装置和被动电容式指纹识别系统，可以减小供电电压信号中的噪声。

根据本公开的一方面，提供了一种供电信号产生装置，包括：浮地电源，所述浮地电源包括功率模块和信号模块，所述功率模块由系统电源电压和系统地电压供电，并在控制信号的控制下产生同步时变的第一供电电压信号和第二供电电压信号；以及片外电容器，在浮地电源所在的芯片外连接在浮地电源的提供第一供电电压信号的引脚与提供第二供电电压信号的引脚之间，其中，功率模块的功率电源节点与信号模块的信号电源节点连接在一起，以提供第一供电电压信号；并且功率模块的功率地节点与信号模块的信号地节点分离，并且将与第一供电电压信号中的噪声等同的噪声引入信号地节点以提供第二供电电压信号。

在一些实施例中，功率模块的功率电源节点与信号模块的信号电源节点连接在一起，通过第一引脚引出，以在第一引脚处提供第一供电电压信号；功率模块的功率地节点通过第二引脚引出；信号模块的信号地节点通过第三引脚引出，所述第三引脚在浮地电源所在的芯片外与第二引脚接合在一起，以在第三引脚处提供第二供电电压信号；并且片外电容器连接在第二引脚P2和第三引脚P3的接合点与第一引脚P1之间。

在一些实施例中，所述第三引脚和第二引脚在浮地电源所在的芯片外单点接合在一起，实现第一引脚、第二引脚和第三引脚产生相同或相近的电路寄生参数。

在一些实施例中，所述第三引脚与第二引脚通过印刷电路板PCB单点接合在一起，或者通过接合线单点接合在一起。

通过印刷电路板PCB单点接合在一起。

在一些实施例中，所述第一供电电压信号为被动电容式指纹识别系统中的指纹传感器模块的传感器电源电压信号，所述第二供电电压信号为被动电容式指纹识别系统中的指纹传感器模块的传感器地电压信号。

根据本公开的另一方面，提供了一种供电装置，包括：以上描述的供电信号产生装置；供电控制装置，所述供电控制装置由系统电源电压和系统地电压供电，与供电信号产生装置相连，用于向供电信号产生装置提供控制信号以控制供电信号产生装置产生同步时变的第一供电电压信号和第二供电电压信号；以及电源域转换装置，所述电源域转换装置由系统电源电压和系统地电压供电，与供电信号产生装置和供电控制装置相连，用于接收来自供电信号产生装置的第一供电电压信号和第二供电电压信号，并且实现在由系统电源电压和系统地电压形成的第一电源域与由第一供电电压信号和第二供电电压信号形成的第二电源域之间的信号转换。

根据本公开的又一方面，提供了一种被动电容式指纹识别系统，包括：以上描述的供电装置，以及指纹传感器模块，所述指纹传感器模块与所述供电装置中的供电信号产生装置和电源域转换装置相连，以便由所述供电信号产生装置产生的第一供电电压信号和第二供电电压信号来供电，并且经由所述供电装置中的电源域转换装置和供电控制装置来实现与外部主控单元之间的跨电源域信号传输。

在一些实施例中，所述供电装置与所述指纹传感器模块集成在一起。

在一些实施例中，所述供电装置与所述指纹传感器模块是分立实现的。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1示出了被动电容式指纹识别系统的示例结构图；

图2示出了被动电容式指纹识别系统中传感器电源电压信号VDD_SENS与传感器地电压信号GND_SENS的示例波形图；

图3示出了理想情况下GND_SENS、VDD_SENS以及跨电源域传输的信号的示例波形图；

图4示出了VDD_SENS、SPICLK_SENS在GND_SENS在跳变处产生毛刺噪声的波形图以及被GND_SENS解调后的波形图；

图5是图4的局部放大图；

图6示出了被动电容式指纹识别系统的供电信号产生单元的框图；

图7示出了图6的供电信号产生单元分别在P1、P2、P1’处提供的VDD_SENS、GND_SENS、GND_SENS_EXT的波形图以及VDD_SENS-GND_SENS的波形图；

图8示出了根据本公开实施例的供电信号产生装置的框图；

图9示出了图8的供电信号产生装置分别在P1、P2、P3、P1’处提供的VDD_SENS、GND_SENS_PWR、GND_SENS、GND_SENS_EXT的波形图以及VDD_SENS-GND_SENS的波形图；

图10示出了根据本公开实施例的供电装置的框图；

图11示出了根据本公开实施例的被动电容式指纹识别系统的框图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1示出了被动电容式指纹识别系统100的示例结构图。如图1所示，被动电容式指纹识别系统100包括指纹传感器模块101和供电模块102。供电模块102接系统电源电压VDD(下文中简称VDD)和系统地电压GND(下文中简称GND)，并且为指纹传感器模块101提供传感器电源电压信号VDD_SENS(下文中简称VDD_SENS)和传感器地电压信号GND_SENS(下文中简称GND_SENS)。本文中，以VDD为电源电压并且以GND为参考地电压的电源域称为HOST电源域，以VDD_SENS为电源电压并且以GND_SENS为参考地电压的电源域称为SENS电源域。供电模块102可以实现信号在HOST电源域与SENS电源域之间转换，以便所述信号在这两个电源域之间传输，例如，在外部主控单元与指纹传感器模块101之间传输。具体地，在HOST电源域与SENS电源域之间传输的信号要被GND_SENS或VDD_SENS调制和解调。作为示例，在HOST电源域与SENS电源域间之间传输的信号可以是SPI协议下的SPI时钟信号(由SPICLK表示)，但不局限于此，其可以任何信号，例如用于控制、通讯的信号。

在一些实施例中，如图1所示，供电模块102可以包括供电信号产生单元1021、供电控制单元1022和电源域转换单元1023，三者皆以VDD为电源电压并且以GND为参考地电压。供电信号产生单元1021与指纹传感器模块101相连，用于向指纹传感器模块101提供供电电压信号VDD_SENS和GND_SENS。供电控制单元1022与供电信号产生单元1021相连，用于向供电信号产生单元1021提供抬升电压VDDH(下文中简称VDDH)和驱动地电压GND_DRV，并控制供电信号产生单元1021产生VDD_SENS和GND_SENS。电源域转换单元1023与供电信号产生单元1021、供电控制单元1022和指纹传感器模块101相连，用于接收来自供电信号产生单元1021的VDD_SENS和GND_SENS，并且使信号在HOST电源域与SENS电源域之间转换，并与供电控制单元1022协同实现指纹传感器模块101与外部主控单元之间的跨电源域信号传输。指纹传感器模块101可以由指纹传感器芯片来实现，供电信号产生单元1021可以由浮地电源来实现，供电控制单元1022可以由电源控制电路来实现，电源域转换单元1023可以由电平移位缓冲器来实现，例如H2S&S2H电平移位缓冲器。然而本领域技术人员应清楚，以上仅为示例实现方式，本公开的实施例并不局限于此。

指纹传感器模块101和供电模块102可以集成在一起，也可以彼此独立实现。

图2示出了被动电容式指纹识别系统100中VDD_SENS与GND_SENS的示例波形图。如图2所示，VDD_SENS和GND_SENS是相对于系统地GND的一对时变信号，可以是方波，但不局限于此，例如也可以是正弦波或锯齿波等等。VDD_SENS与GND_SENS间的电压差保持恒定，即指纹传感器模块101的供电电压保持恒定。例如，如图2所示，当VDD＝1.8V，GND＝0V时，VDD_SENS是高电平为14.8V并且低电平为1.8V的方波信号，GND_SENS是高电平为13V并且低电平为0V的方波信号，二者同步跳变，从而为指纹传感器模块101供电的电压稳定在1.8V。

图3示出了理想情况下GND_SENS、VDD_SENS以及跨电源域传输的信号的示例时序图，其中SPICLK_HOST表示HOST电源域中未调制的SPICLK信号，SPICLK_SENS表示被GND_SENS调制后的SPICLK信号，SPICLK_SENS–GND_SENS表示被GND_SENS解调后在SENS电源域得到的SPICLK信号。图3中在HOST电源域与SENS电源域间之间传输的信号以SPI协议下的SPICLK信号为例，但不局限于此，其可以任何信号，例如用于控制、通讯的信号。HOST电源域与SENS电源域间传输的信号的示例包括但不局限于采用各种标准通讯协议的总线的信号，例如采用SPI通讯协议或I2C通讯协议的信号，以及其它自定义但需要在HOST电源域与SENS电源域间转换的例如信号。

从图3可以看出，在理想情况下，HOST电源域与SENS电源域间可以进行准确无误的通讯。但是在实际的被动电容式指纹识别系统中，由于激励信号幅度的提高以及系统中寄生电感、寄生电容、寄生电阻等诸多因素的影响，VDD_SENS会在GND_SENS跳变处产生毛刺噪声。这种毛刺噪声可能会造成被动电容式指纹识别系统的HOST电源域与SENS电源域通讯错误，最终导致图像采集失败。

图4示出了VDD_SENS、SPICLK_SENS在GND_SENS在跳变处产生毛刺噪声的波形图，以及被GND_SENS解调后的波形图，其中SPICLK_SENS表示被GND_SENS调制后的SPICLK信号，SPICLK_SENS–GND_SENS表示被GND_SENS解调后在SENS电源域的SPICLK信号。如图4中虚线部分所示，VDD_SENS与SPICLK_SENS会在GND_SENS的跳变处产生噪声，最终导致解调后的SPICLK信号在相应位置也出现噪声。图5是图4的局部放大图。如图5所示，VDD_SENS与SPICLK_SENS会在GND_SENS的上升沿和下降沿处分别产生上跳/下跳的噪声，这样用GND_SENS去解调SPICLK_SENS而得到的解调信号SPICLK_SENS–GND_SENS会产生宽度分别为t1和t2的上跳噪声和下跳噪声。t1和t2通常在0.5ns至100ns的范围内，在一些情况下在1ns至10ns范围内，典型地在1ns至6ns范围内，这会导致HOST电源域与SENS电源域间的数据传输错误，从而导致通讯、控制等方面的错误。

虽然以上以GND_SENS作为调制和解调信号为例来进行描述，然而本领域技术人员应清楚，以上描述同样适用于以VDD_SENS作为调制信号的情况。

图6示出了被动电容式指纹识别系统的供电信号产生单元600的框图。如图6所示，供电信号产生单元600包括浮地电源601和片外电容器602，其中Lpar1和Lpar2表示寄生电感，Rpar表示寄生电阻，Cpar表示寄生电容。浮地电源601可以是相对于系统地而言的浮地电源，其可以包括功率模块6011和信号模块6012。功率模块6011由VDD和GND供电，并在控制信号的控制下产生同步时变的VDD_SENS和GND_SENS。功率模块6011的功率电源节点与信号模块6012的信号电源节点连接在一起，通过引脚P1引出，以提供VDD_SENS；功率模块6011的功率地节点与信号模块6012的信号地节点连接在一起，通过引脚P2引出，以提供GND_SENS。片外电容器602在浮地电源601所在的芯片外连接在P1与P2之间。

图7示出了图6的供电信号产生单元分别在P1、P2、P1’处提供的VDD_SENS、GND_SENS、GND_SENS_EXT的波形图以及VDD_SENS-GND_SENS的波形图。如图7所示，供电信号产生单元600在P2处提供的GND_SENS是无噪声的，而由于在芯片外连接了电容器602，接合(bounding)线产生的寄生电感Lpar2导致P1’处的电压信号GND_SENS_EXT具有噪声，从而使得P1处的VDD_SENS是有噪声的。无噪声的GND_SENS和有噪声的VDD_SENS导致供电信号产生单元600提供的差电压VDD_SENS-GND_SENS有噪声。

基于上面的讨论，本公开实施例提出了一种被动电容式指纹识别系统的供电信号产生装置，通过将功率模块的功率地节点与信号模块的信号地节点分离并将与传感器电源电压信号中的噪声等同的噪声引入信号地节点以提供第二供电电压信号，可以减小供电电压信号中的噪声。

图8示出了根据本公开实施例的供电信号产生装置800的框图。

如图8所示，供电信号产生装置800包括浮地电源801和片外电容器802，其中Lpar1、Lpar2和Lpar3表示寄生电感，Rpar表示寄生电阻，Cpar表示寄生电容。

浮地电源801包括功率模块8011和信号模块8012。功率模块8011由系统电源电压VDD和系统地电压GND供电，并在控制信号的控制下产生同步时变的第一供电电压信号和第二供电电压信号，例如，如图2所示的被动电容式指纹识别系统中的指纹传感器模块的传感器电源电压信号VDD_SENS和传感器地电压信号GND_SENS。功率模块8011的功率电源节点与信号模块8012的信号电源节点连接在一起，以提供第一供电电压信号，例如VDD_SENS。功率模块8011的功率地节点与信号模块8012的信号地节点分离，将与第一供电电压信号中的噪声等同的噪声引入信号地节点，以提供第二供电电压信号，例如GND_SENS。作为示例，可以将功率模块811的功率电源节点与信号模块8012的信号电源节点连接在一起，通过第一引脚P1从浮地电源801所在的芯片引出，以在第一引脚P1处提供VDD_SENS作为第一供电电压信号；将功率模块8011的功率地节点通过第二引脚P2从浮地电源801所在的芯片引出，以提供无噪声的GND_SENS(例如，图9所示的GND_SENS_PWR)；将信号模块8012的信号地节点通过第三引脚P3从浮地电源801所在的芯片引出，并将第三引脚P3和第二引脚P2在浮地电源801所在的芯片外单点接合在一起，例如通过印刷电路板(Printed Circuit Board)PCB单点接合在一起或者通过接合线直接单点接合在一起，以在第三引脚P3处提供有噪声的GND_SENS作为第二供电电压信号。

片外电容器802在浮地电源801所在的芯片外连接在浮地电源801的提供第一供电电压信号的引脚与提供第二供电电压信号的引脚之间，例如连接在第二引脚P2和第三引脚P3的接合点与第一引脚P1之间。

图9示出了图8的供电信号产生装置分别在P1、P2、P3、P1’处提供的VDD_SENS、GND_SENS_PWR、GND_SENS、GND_SENS_EXT的波形图以及VDD_SENS-GND_SENS的波形图，其中VDD_SENS、GND_SENS_PWR、GND_SENS和GND_SENS_EXT分别表示图8中的P1、P2、P3、P1’处的电压信号，VDD_SENS-GND_SENS表示图8的供电信号产生装置800最终提供差电压信号。从图9中可以看出，由于P1与片外电容器802的接合线产生寄生电感Lpar2，使P1处提供的VDD_SENS在GND_SENS跳变处具有噪声。通过功率模块8011的功率地节点与信号模块8012的信号地节点分离后分别通过第二引脚P2和第三引脚P3从浮地电源801所在的芯片引出，并将第三引脚P3在浮地电源801所在的芯片外与第二引脚P2接合在一起，接合线产生寄生电感Lpar3将与P1处的噪声等同的噪声引入第三引脚P3，从而在P3处提供有噪声的GND_SENS，将P1和P3处提供的电压信号作为一对供电电压信号，可以使得差电压信号VDD_SENS-GND_SENS中的噪声减小甚至消除。这里需要注意的是，图9为了方便与图7对比而将差电压信号VDD_SENS-GND_SENS示为噪声被完全消除，实际情况中可以仅仅是噪声被减小而并未完全消除。

图10示出了根据本公开实施例的供电装置1000的框图。供电装置1000包括以上描述的供电信号产生装置800、供电控制装置1001和电源域转换装置1002。供电控制装置1001可以由电源控制电路来实现，电源域转换装置1002可以由电平移位缓冲器来实现，例如H2S&S2H电平移位缓冲器。供电信号产生装置800、供电控制装置1001和电源域转换装置1002可以集成在一块芯片中，也可以分立实现。本领域技术人员应清楚，以上仅为示例实现方式，本公开的实施例并不局限于此。

如图10所示，供电控制装置1001和电源域转换装置1002均由系统电源电压VDD和系统地电压GND供电。供电控制装置1001与供电信号产生装置800相连，用于向供电信号产生装置800提供控制信号以控制供电信号产生装置800处提供同步时变的第一供电电压信号和第二供电电压信号，例如VDD_SENS和GND_SENS。例如，如图10所示，供电控制装置1001可以向供电信号产生装置800的浮地电源801提供控制信号，以控制浮地电源801在引脚P1和P3处分别提供供电电压信号VDD_SENS和GND_SENS。如以上描述的，由于浮地电源801中功率模块8011的功率地节点与信号模块8012的信号地节点分离后分别通过第二引脚P2和第三引脚P3从浮地电源801所在的芯片引出，并将第三引脚P3在浮地电源801所在的芯片(如图10中的虚线所示)外与第二引脚P2接合在一起，接合线产生寄生电感Lpar3将与P1处的噪声等同的噪声引入第三引脚P3，从而在P3处提供有噪声的GND_SENS。将P1处的有噪声的VDD_SENS和P3处有噪声的GND_SENS作为一对供电电压信号来提供，使得差电压VDD_SENS-GND_SENS中的噪声减小甚至消除。

电源域转换装置1002与供电信号产生装置1001和供电控制装置1001相连，用于接收来自供电信号产生装置1001的第一供电电压信号和第二供电电压信号，并且实现在由系统电源电压VDD和系统地电压GND形成的第一电源域与由第一供电电压信号和第二供电电压信号形成的第二电源域之间的信号转换。另外，电源域转换装置1002和供电控制装置1001可以协同实现跨第一电源域和第二电源域的信号传输。

图11示出了根据本公开实施例的被动电容式指纹识别系统1100的框图。如图11所示，被动电容式指纹识别系统1100可以包括以上描述的供电装置1000和指纹传感器模块1101。

指纹传感器模块1101可以与供电装置1000中的供电信号产生装置800和电源域转换装置1002相连。指纹传感器模块1101可以由供电信号产生装置800产生的第一供电电压信号和第二供电电压信号来供电。如以上描述的，供电信号产生装置800中的浮地电源801可以在供电控制装置1001的控制下在引脚P1和P3处向指纹传感器模块1101提供有噪声的VDD_SENS和GND_SENS，使得差电压VDD_SENS-GND_SENS中的噪声减小甚至消除。

指纹传感器模块1101可以经由供电装置1000中的电源域转换装置1002和供电控制装置1001来实现与外部主控单元之间的跨电源域信号传输。

作为示例，指纹传感器模块1101可以由指纹传感器芯片来实现。供电装置1000与指纹传感器模块1101可以集成在一颗芯片(如图11中的虚线所示)中，在这种情况下，第三引脚P3可以在整个芯片外与第二引脚P2接合在一起。供电装置1000与指纹传感器模块1101也可以分别实现在单独的芯片中，在这种情况下，第三引脚P3可以在供电装置1000所在的芯片(未示出)外与第二引脚P2接合在一起。

本公开的实施例通过将功率模块的功率地节点与信号模块的信号地节点分离并将与传感器电源电压信号中的噪声等同的噪声引入信号地节点以提供第二供电电压信号，使得第一供电电压信号与第二供电电压信号的差电压信号中的噪声减小甚至消除。

本公开的实施例通过将功率模块8011的功率地节点与信号模块8012的信号地节点分离后分别通过第二引脚P2和第三引脚P3从浮地电源801所在的芯片引出，并将第三引脚P3在浮地电源801所在的芯片外与第二引脚P2接合在一起，例如通过PCB单点接合在一起。这样芯片外的接合线产生寄生电感Lpar3简单地将与P1处的噪声等同的噪声引入第三引脚P3，使得差电压信号VDD_SENS-GND_SENS中的噪声减小甚至消除。通过改变电路的拓扑结构，以简单的方式减小了GND_SENS的跳变对VDD_SENS与GND_SENS电源域间电路的干扰。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域技术人员而言，本公开可以有各种改动和变化。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。