一种基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路的制作方法

本发明涉及半导体芯片领域，尤其涉及一种半导体指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路。

背景技术：

现有的半导体指纹传感器大多是由采集阵列和信号处理电路组成。通过逐点扫描的方式，采集阵列逐一将指纹信息转化成模拟电压信号，经过信号处理电路的滤波，放大，模数转换和数据传输，上位机在收到每一个点的数据之后，按采集顺序进行重新拼接，得到一幅代表指纹信息的灰度图像。根据不同指纹算法的处理能力、安全等级和相关行业标准，采集阵列的大小也有所不同，常见的采集阵列大小有160×160、192×192等。在采集阵列中，每个采集点都由行地址和列地址信号进行选中控制。行、列地址同时使能的点，被选中进行图像采集。每个采集点都包括一个独自的输出驱动管，所有采集点的输出驱动管最终汇聚到一起，形成一个输出公共节点。由于采集阵列中的采集点数量巨大，输出驱动管和输出导线累积在公共节点的寄生电容很大，输出驱动管的任务就是能够单独驱动这个电容，将有效的指纹小信号(采集点与手指指纹之间电容量直接转化出来的电压信号，由于信号的幅度小，在信号变化的范围内，后级电路的增益可近似为恒定值。相对于该信号的变化，后级电路可等效为线性电路)传输出来。所有输出驱动管的输出共用一个有源负载，该有源负载的主要作用是给被选中采集点中的输出驱动管提供必要的偏置(即使电路处于正常放大状态的静态工作电压值，在该电压值附近，电路的增益近似恒定)，保证每个选中的采集点在复位状态和指纹采集状态时，输出级的正常偏置。现有的有源负载电路，通常是由一个普通的电流源形成。在被选中采集点处于复位状态时，电流源对公共节点进行放电，由于普通的电流源只能提供恒定的电流偏置，公共节点上的电荷放电速度有限，大大延长了每个采集点的复位时间，降低了采集阵列的采集速度。设阵列输出公共节点上的电荷为q，最小放电时间tmin＝q/i，i为电流偏置。在采集阵列中，每个采集点的物理位置不同，到有源负载的物理距离也不同，导致了每个采集点到有源负载的寄生电阻和电容都不同，有源负载对每一个选中采集点的放电速度也不同。如果没有留够足够的复位时间，会导致距离公共节点远，寄生电阻和寄生电容大的采集点复位不充分，造成采集输出的指纹小信号失真。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路，达到提高指纹图像的采集速度，降低图像的失真度的目的。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题如何提高指纹图像的采集速度，降低图像的失真度。

为实现上述目的，发明人经研究发现，现有的有源负载电路，通常是由一个普通的电流源形成。在被选中采集点处于复位状态时，电流源对指纹传感器采集阵列的放电节点进行放电，由于普通的电流源只能提供恒定的电流偏置，放电节点上的电荷放电速度有限，大大延长了每个采集点的复位时间，降低了采集阵列的采集速度。要想提高指纹图像的采集速度，需要从提高放电节点上的电荷放电速度着手。发明人考虑在电流源基础上增加辅助放电通路，以提高放电节点上的电荷放电速度，缩短每个采集点的复位时间。因而，在本发明的实施例一中，提供了一种基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路，包括电流源和辅助放电通路，辅助放电通路和电流源并联，辅助放电通路一端连接指纹传感器采集阵列的放电节点，另一端接地，辅助放电通路在指纹传感器采集阵列复位状态下对放电节点进行快速放电。

可选地，在上述实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，上述电流源包括电源、电流源pmos管和电流镜，电流镜包括电流镜输入nmos管和电流镜输出nmos管，电流源pmos管的源极连接电源，电流源pmos管的栅极接入偏置电压vbp，电流源pmos管的漏极连接电流镜输入nmos管的漏极，电流镜输入nmos管栅极和电流镜输出nmos管的栅极相连，电流镜输出nmos管的漏极连接上述放电节点，电流镜输入nmos管和电流镜输出nmos管的源极接地。

在本发明的实施例二中，辅助放电通路的一种结构为强放电通路，包括强放电nmos管，强放电nmos管的栅极接入控制信号，强放电nmos管的源极接地，强放电nmos管的漏极连接放电节点。

进一步地，在上述实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，该辅助放电通路的结构在指纹传感器采集阵列复位状态下，使能该强放电通路，也就是强放电nmos管的栅极的控制信号变成高电平，控制强放电nmos管导通，使该强放电nmos管处于三极管区，此时该强放电nmos管等效于一个小电阻，快速地将上述放电节点的电荷通过该强放电nmos管快速泄放到地；在进入指纹采集状态前(复位状态的后半段时间)，关闭该强放电通路，也就是该强放电nmos管的栅极的控制信号变成低电平，在电流镜输出nmos管的正常偏置下，指纹传感器采集阵列被选中采集点中的输出驱动管驱动寄生电容快速回到正常偏置状态，为下一阶段的指纹采集状态做好准备。可以看出，该类型辅助放电通路在使能该强放电通路时，会产生较大的瞬态电流，该瞬态电流会对指纹传感器的电源和地注入噪声。不过，较大的瞬态电流并不会影响指纹采集传感器的正常使用，只是在理论上存在的缺陷。

在本发明的实施例三中，辅助放电通路的另一种改进结构包括虚拟采集点(dummypixel)、虚拟采集点输出级电流源nmos管、运算放大器和辅助导通nmos管，虚拟采集点(dummypixel)和虚拟采集点输出级电流源nmos管的漏极连接并产生参考电压vref，参考电压vref作为运算放大器的反向输入，运算放大器的正向输入接放电节点，运算放大器的输出连接辅助导通nmos管的栅极，辅助导通nmos管的漏极连接放电节点，虚拟采集点输出级电流源nmos管的栅极和电流镜输出nmos管的栅极相连，虚拟采集点输出级电流源nmos管的源极和辅助导通nmos管的源极接地。

进一步地，在上述实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，辅助导通nmos管为n型金属氧化物半导体管，运算放大器的输出控制该辅助导通nmos管的导通状态，具体地，运算放大器计算放电节点的电压与参考电压vref的差值，当差值大于0时，运算放大器的输出电压加大辅助导通nmos管的导通能力，增强对所述放电节点的放电能力，响应于差值逐渐变小，运算放大器的输出电压减小辅助导通nmos管的导通能力，减弱对放电节点的放电能力，当差值等于0时，指纹传感器采集阵列选中的采集点输出驱动管进入正常的偏置状态。

在本发明的实施例四中，对上述辅助放电通路进一步优化，将电流镜输出nmos管和辅助导通nmos管合并为电源/导通nmos管，采用开关进行分时切换控制。

进一步地，在上述实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，辅助放电通路包括虚拟采集点(dummypixel)、虚拟采集点输出级电流源nmos管、运算放大器、加速放电开关、正常偏置开关和电源/导通nmos管，虚拟采集点(dummypixel)和虚拟采集点输出级电流源nmos管的漏极连接并产生参考电压vref，参考电压vref作为运算放大器的反向输入，运算放大器的正向输入接所述放电节点，运算放大器的输出连接电源/导通nmos管的栅极，电源/导通nmos管的漏极连接放电节点，虚拟采集点输出级电流源nmos管的栅极和电源/导通nmos管的栅极相连，虚拟采集点输出级电流源nmos管的源极和电源/导通nmos管的源极接地，加速放电开关设置于运算放大器的输出和电源/导通nmos管的栅极之间，正常偏置开关设置于虚拟采集点输出级电流源nmos管的栅极和电源/导通nmos管的栅极之间。

进一步地，在上述实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，开关进行分时切换控制是指当指纹传感器采集阵列选中的采集点进入复位状态时，加速放电开关闭合，正常偏置开关断开，运算放大器和电源/导通nmos管组成负反馈环路，电源/导通nmos管充当辅助导通nmos管，对上述放电节点进行快速放电，使所述放电节点的电压快速恢复到所述参考电压vref；当所述指纹传感器采集阵列选中的采集点进入指纹采集状态时，加速放电开关断开，正常偏置开关闭合，电源/导通nmos管充当电流镜输出nmos管，为指纹传感器采集阵列选中的采集点提供恒定电流偏置。

可选地，在上述实施例三和四中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路中，虚拟采集点(dummypixel)包括虚拟采集点比例放大电容、虚拟采集点内部放大电路、虚拟采集点行选择控制管、虚拟采集点列选择控制管、虚拟采集点输出驱动管和虚拟采集点电源，虚拟采集点比例放大电容和虚拟采集点内部放大电路并联连接，虚拟采集点比例放大电容两端被短路，虚拟采集点内部放大电路连接虚拟采集点输出驱动管的栅极，所述虚拟采集点输出驱动管的漏极连接所述虚拟采集点电源，所述虚拟采集点输出驱动管的源极连接所述虚拟采集点行选择控制管的漏极，所述虚拟采集点行选择控制管的源极连接所述虚拟采集点列选择控制管的漏极，所述虚拟采集点列选择控制管的源极连接所述虚拟采集点输出级电流源nmos管的漏极，所述虚拟采集点行选择控制管和所述虚拟采集点列选择控制管的栅极连接所述虚拟采集点电源，所述虚拟采集点行选择控制管和所述虚拟采集点列选择控制管处于常导通状态。

本发明提供了一种指纹传感器，使用上述任一实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路。

本发明提供了一种电路，使用上述实施例中的指纹传感器。

本发明通过改进有源负载电路，在电流源基础上增加辅助放电通路，提高了放电节点上的电荷放电速度，缩短了每个采集点的复位时间，提高了指纹图像的采集速度，降低了图像的失真度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是图示根据示例性实施例的常规指纹传感器采集阵列和输出示意图；

图2是图示根据示例性实施例的常规有源负载电路示意图；

图3是图示根据示例性实施例的辅助放电通路示意图；

图4是图示根据示例性实施例的辅助放电通路示意图；

图5是图示根据示例性实施例的辅助放电通路示意图；

图6是图示根据示例性实施例的辅助放电通路示意图；

图7是图示根据示例性实施例的指纹传感器示意图；

图8是图示根据示例性实施例的电路示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方示意性地适当夸大了部件的厚度。

为了提高指纹图像的采集速度，降低图像的失真度，发明人研究了常规指纹传感器采集阵列和输出的电路结构，以及指纹采集过程中采集点电路的工作过程。图1是常规指纹传感器阵列采集和输出示意图，常规指纹传感器100包括指纹采集阵列中的单个采集点101、由若干个采集点构成的一行采集点102、由若干个采集点构成的一列采集点103、若干个列采集点构成的一个采集阵列104、手指激励信号105、手指等效电容106、比例放大电容107、采集点内部放大电路108、复位开关109、采集点输出驱动管110、行选择控制管111(row_sel)、列选择控制管113(column_sel)、放电节点115(即指纹传感器采集阵列的输出公共节点)、有源负载电路116、放电节点115上的寄生电容118、指纹传感器采集阵列后级驱动器119、指纹传感器采集阵列的输出端120、采集点电源112，另外还有指纹传感器的接地端117和121。寄生电容118的大小由指纹传感器采集阵列中采集点的数量决定，数量越大，放电节点115上的器件和走线就越多，寄生电容118的电容值就越大。行选择控制管111输出行选择控制信号112，列选择控制管113输出列选择控制信号114。

常规指纹传感器100的工作过程描述如下，当行选择控制信号112和列选择控制信号114同时为高电平时，行选择控制管111和列选择控制管113作为开关同时导通，表示当前采集点被选中。选中采集点以后，首先复位开关109导通，选中的采集点中整体电路进入复位状态，采集点输出驱动管110在有源负载电路116的正常偏置条件下，作为跟随器，使放电节点115的状态跟随采集点内部的复位电压。放电节点115跟随电压建立的过程，是有源负载电路116对上一时刻驻留在寄生电容118上的电荷进行放电的过程，放电节点115跟随电压建立的速度取决于寄生电容118的大小和有源负载电路116的电流大小。复位状态结束以后，复位开关109断开，该采集点进入指纹采集状态，加载手指激励信号105通过手指等效电容106和比例放大电容107进行比例放大(或缩小)，通过输出驱动管110将指纹小信号传递到指纹采集阵列外面，再经过指纹传感器采集阵列后级驱动器119驱动后输出。

复位开关109导通时，采集点电路处于复位状态，电路内部建立正常的静态工作点。复位开关109断开时，采集点电路进入指纹采集状态，将采集点与手指指纹间的电容转化成电压。电路工作在上一静态工作点附近。采集点在被地址信号选中(即行选择控制管111和列选择控制管113作为开关同时导通时)以后，先进入复位状态，再进行指纹采集。

具体地，指纹采集过程主要包括：1、选中采集点，即行选择控制管111和列选择控制管113同时导通选定的采集点，称为有效采集点；2、采集点电路复位，采集点电路处于复位状态，采集点电路建立正常的静态工作点，同时，将比例放大电容107上的电荷清零；3、指纹采集，采集点电路进入指纹采集状态，采集点电路在静态工作点附近实现电容到电压的转化。输出电压vo＝vi*cf/ca，其中，vi为手指激励信号105的幅度，cf为手指等效电容106，ca为比例放大电容107。

发明人进一步分析了常规有源负载电路，如图2所示，有源负载电路116通常是由一个普通的电流源形成，包括电源201、电流源pmos管202和电流镜200，电流镜200包括电流镜输入nmos管204和电流镜输出nmos管205，电流源pmos管202的源极连接电源201，电流源pmos管202的栅极接入偏置电压203(vbp)，电流源pmos管202的漏极连接电流镜输入nmos管204的漏极，电流镜输入nmos管204的栅极连接电流镜输出nmos管205的栅极，电流镜输出nmos管205的漏极连接指纹传感器采集阵列的放电节点115，为采集点输出驱动管110提供必要的偏置电流，该偏置电流与电流镜输入nmos管204电流的比例等于电流镜输出nmos管205和电流镜输入nmos管204尺寸的比例；电流镜输入nmos管204和电流镜输出nmos管205的源极接地。偏置电压203(vbp)和电流源pmos管202共同决定有源负载电路116的电流大小，电流镜输入nmos管204的电流等于电流源pmos管202的电流大小。

发明人分析发现在被选中采集点处于复位状态时，常规电流源对放电节点115进行放电，由于电流源只能提供恒定的电流偏置，放电节点115上的电荷放电速度有限，这样就大大延长了每个采集点的复位时间，降低了采集阵列的采集速度。因此要想提高指纹图像的采集速度，需要从提高放电节点115上的电荷放电速度着手。

发明人考虑对常规有源负载电路进行改进，在电流源基础上增加辅助放电通路，以提高公共节点上的电荷放电速度，缩短每个采集点的复位时间。如图3所示，改进的有源负载电路11600包括电流源和辅助放电通路3000，辅助放电通路3000和电流源并联，辅助放电通路3000一端连接指纹传感器采集阵列的放电节点115，另一端接地，辅助放电通路3000在指纹传感器采集阵列复位状态下对放电节点115进行快速放电。

电流源的常见结构之一包括电源201、电流源pmos管202和电流镜200，电流镜200包括电流镜输入nmos管204和电流镜输出nmos管205，电流源pmos管202的源极连接电源201，电流源pmos管202的栅极接入偏置电压203(vbp)，电流源pmos管202的漏极连接电流镜输入nmos管204的漏极，电流镜输入nmos管204的栅极连接电流镜输出nmos管205的栅极，电流镜输出nmos管205的漏极连接指纹传感器采集阵列的放电节点115，电流镜输入nmos管204和电流镜输出nmos管205的源极接地。

进一步地，发明人对辅助放电通路进行深入研究并展开设计，如图4所示的辅助放电通路的一种结构为强放电通路，改进的有源负载电路11601包括强放电nmos管300，强放电nmos管的栅极接入控制信号301，强放电nmos管的源极接地，强放电nmos管的漏极连接放电节点115。在指纹传感器采集阵列复位状态下，使能该强放电通路，也就是强放电nmos管300的栅极的控制信号变成高电平，控制强放电nmos管300导通，使该强放电nmos管300处于三极管区，此时强放电nmos管300等效于一个小电阻，快速的将上述放电节点115的电荷通过该强放电nmos管300快速泄放到地；在进入指纹采集状态前(复位状态的后半段时间)，关闭该强放电通路，也就是强放电nmos管300的栅极的控制信号变成低电平，在电流镜输出nmos管205的正常偏置下，指纹传感器采集阵列被选中采集点的输出驱动管110驱动寄生电容118快速回到正常偏置状态，为下一阶段的指纹采集状态做好准备。

在使能该强放电通路时，会产生较大的瞬态电流，该瞬态电流会对指纹传感器的电源和地注入噪声。不过，较大的瞬态电流并不会影响指纹采集传感器的正常使用，只是在理论上存在的缺陷。

如图5所示的辅助放电通路的另一种改进结构，改进的有源负载电路11602包括虚拟采集点(dummypixel)406、虚拟采集点输出级电流源nmos管407、运算放大器403和辅助导通nmos管400，虚拟采集点(dummypixel)406和虚拟采集点输出级电流源nmos管407的漏极连接并产生参考电压(vref)402，参考电压(vref)402作为运算放大器403的反向输入，运算放大器403的正向输入接放电节点，运算放大器403的输出连接辅助导通nmos管400的栅极，辅助导通nmos管400的漏极连接放电节点，虚拟采集点输出级电流源nmos管407的栅极连接电流镜输出nmos管205的栅极，虚拟采集点输出级电流源nmos管407的源极和辅助导通nmos管400的源极接地。

辅助导通nmos管400可以是n型金属氧化物半导体管，运算放大器403的输出控制辅助导通nmos管400的导通状态，具体地，运算放大器403计算放电节点115的电压与参考电压(vref)402的差值，当差值大于0时，运算放大器403的输出电压加大辅助导通nmos管400的导通能力，增强对放电节点115的放电能力；响应于差值逐渐变小，运算放大器403的输出电压减小辅助导通nmos管400的导通能力，减弱对放电节点115的放电能力，当差值等于0时，指纹采集阵列中的单个采集点101进入正常的偏置状态。

发明人对图5中的辅助放电通路进一步优化，得到如图6所示的辅助放电通路的另一种改进结构，改进的有源负载电路11603将电流镜输出nmos管205和辅助导通nmos管400合并为电源/导通nmos管501，采用加速放电开关502、正常偏置开关503进行分时切换控制。

具体地，改进的有源负载电路11603包括虚拟采集点(dummypixel)406、虚拟采集点输出级电流源nmos管407、运算放大器403、加速放电开关502、正常偏置开关503和电源/导通nmos管500，虚拟采集点(dummypixel)406和虚拟采集点输出级电流源nmos管407的漏极连接并产生参考电压(vref)402，参考电压(vref)402作为运算放大器403的反向输入，运算放大器403的正向输入接放电节点115，运算放大器403的输出连接电源/导通nmos管500的栅极，电源/导通nmos管500的漏极连接放电节点，虚拟采集点输出级电流源nmos管407的栅极连接电源/导通nmos管500的栅极，虚拟采集点输出级电流源nmos管407的源极和电源/导通nmos管500的源极接地，加速放电开关502设置于运算放大器403的输出和电源/导通nmos管500的栅极之间，正常偏置开关503设置于虚拟采集点输出级电流源nmos管407的栅极和电源/导通nmos管500的栅极之间。

加速放电开关502、正常偏置开关503进行分时切换控制是指当指纹传感器采集阵列选中的采集点进入复位状态时，加速放电开关502闭合，正常偏置开关503断开，运算放大器403和电源/导通nmos管500组成负反馈环路，电源/导通nmos管500充当辅助导通nmos管，对放电节点115进行快速放电，使放电节点115的电压快速恢复到参考电压(vref)402；当所述指纹传感器采集阵列选中的采集点进入指纹采集状态时，加速放电开关502断开，正常偏置开关503闭合，电源/导通nmos管500充当电流镜输出nmos管，为指纹采集阵列中的单个采集点101提供恒定电流偏置。

对于图5和图6中的虚拟采集点(dummypixel)406的一种优选结构包括虚拟采集点比例放大电容607、虚拟采集点内部放大电路608、虚拟采集点行选择控制管611、虚拟采集点列选择控制管613、虚拟采集点输出驱动管610和虚拟采集点电源622，虚拟采集点比例放大电容607和虚拟采集点内部放大电路608并联连接，虚拟采集点比例放大电容607两端被短路，虚拟采集点内部放大电路608连接虚拟采集点输出驱动管610的栅极，所述虚拟采集点输出驱动管610的漏极连接所述虚拟采集点电源622，所述虚拟采集点输出驱动管610的源极连接所述虚拟采集点行选择控制管611的漏极，所述虚拟采集点行选择控制管611的源极连接所述虚拟采集点列选择控制管613的漏极，所述虚拟采集点列选择控制管613的源极连接所述虚拟采集点输出级电流源nmos管407的漏极，所述虚拟采集点行选择控制管611和所述虚拟采集点列选择控制管613的栅极连接所述虚拟采集点电源622，所述虚拟采集点行选择控制管611和所述虚拟采集点列选择控制管613处于常导通状态。

发明人设计了一种指纹传感器10000，使用上述任一实施例中的基于指纹传感器采集阵列输出级的有源负载电路，如图7所示，有源负载电路采用改进的有源负载电路11601，也可以替换成11602或者11603。

发明人设计了一种电路，使用上述实施例中的指纹传感器。如图8所示，指纹传感器和微控制单元(microcontrollerunit，mcu)等连接，实现指纹识别功能。其中mcu可以替换为具有计算和处理功能的单片机单元或芯片。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。