一种开关电容积分器失调电压消除电路及其消除方法与流程

本发明涉及指纹识别技术领域，具体涉及一种开关电容积分器失调电压消除电路及其消除方法。

背景技术：

在手机、电脑等消费类电子产品中，在其关键部件，指纹识别系统中，常用集成度较高的电容式指纹传感器，来实现指纹的识别。由于指纹纹理中存在谷和脊，当手指按压互电容传感器阵列时，电场线穿过谷和脊时因为介质不一样，形成互电容大小也不同。互电容式指纹传感器正是根据谷脊互电容的差异来进行指纹识别。由于单次的发射信号经过谷脊电容时，产生的接收信号信噪比较差。我们通常采用连续发射信号、积分的方式提高信噪比。由于工艺失配的影响，不同通道的开关电容积分器输出结果会产生较大差异，影响指纹芯片的正常工作。在传统的cmos工艺中，电容的失配较小，一般10um*10um的电容可以达到千分之一的精度。开关电容积分器的失配主要由运放引起，传统的开关电容积分器并没有考虑到放大器存在的失配，实际制造过程中，由于制造工艺的偏差，运放的输出并不是理想的等于输入乘以增益。因而存在开关电容积分器中放大器失配对积分器的影响，积分器精度低。

基于上述提出的缺陷，现提供一种开关电容积分器失调电压消除电路及其消除方法。

技术实现要素：

本发明提供一种开关电容积分器失调电压消除电路及其消除方法，对电路中第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容进行合理设置，使积分和复位过程中a点电位保持不变，从而消除失调电压对积分的影响，解决了现有技术中开关电容积分器中放大器失配对积分器的影响，积分器精度低等技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种开关电容积分器失调电压消除电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、参考电压、vos失调电压源、积分器，所述第一电容c1的一端接输入信号，第二端接第二电容c2的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；所述第一电容c2的一端接补偿信号，第二端接第一电容c1的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；第三电容cload的第二端接地；第四电容cf的第二端接第一开关s1的第一端；第一开关s1的第二端、第二开关s2的第二端、第三开关rst_pga的第二端和第四开关s1d的第一端接运放输出；vos失调电压源的第二端接运放av反向输入端；参考电压vref_pga接运放av同向输入端；第四开关s1d的第二端接积分器输出vout。

本技术方案所述的开关电容积分器失调电压消除电路主要应用于手机、电脑等消费类电子产品中，常用集成度较高的电容式指纹传感器，来实现指纹的识别。由于指纹纹理中存在谷和脊，当手指按压互电容传感器阵列时，电场线穿过谷和脊时因为介质不一样，形成互电容大小也不同。互电容式指纹传感器正是根据谷脊互电容的差异来进行指纹识别。

由于单次的发射信号经过谷脊电容时，产生的接收信号信噪比较差。我们通常采用连续发射信号、积分的方式提高信噪比。由于工艺失配的影响，不同通道的开关电容积分器输出结果会产生较大差异，影响指纹芯片的正常工作。在传统的cmos工艺中，电容的失配较小，一般10um*10um的电容可以达到千分之一的精度。开关电容积分器的失配主要由运放引起，传统的开关电容积分器并没有考虑到放大器存在的失配。

在实际制造过程中，由于制造工艺的偏差，运放的输出并不是理想的等于输入乘以增益。现有的一种开关电容，rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位，整体复位完成后rst_pga断开。s1、s2为非交叠时钟，tx、txn为差分输入。s2断开，s1闭合1/4个时钟周期时，tx下降沿、txn上升沿到来；s1断开，s2闭合1/4个时钟周期时，tx上升沿、txn下降沿到来。tx、txn发射周期性方波的个数由积分次数n决定。我们可以得出：

s2先断开，s1后闭合，积分，输入信号到来时，输出向下跳变：

vstep＝(δvtxn*c2-δvtx*c1)/cf±vos*(cload+c1+c2)/cf(1-1)

此时a点电位等于b点电位：va＝vb＝vref_pga±vos

s1先断开，s2后闭合，复位，输入信号到来时，输出vout保持不变

此时a点点位va＝vref_pga，b点电位vb＝vref_pga±vos

vout＝vstep*n(1-2)

公式(1-1)、(1-2)根据电荷守恒得到，n为积分步数。通过以上计算结果可知，每一步积分步长里都包含了失调电压vos。失调电压对积分结果产生了较大的影响。且失调电压对积分步长产生影响的根本原因是从复位状态到积分状态a点的电位发生了变化，变化量为vos，对应的电荷变化量为vos*(cload+c1+c2)，根据电荷守恒，a点电位变化引起的输出变化为δv＝vos*(cload+c1+c2)/cf。

为了消除传统开关电容积分器中放大器失配对积分器的影响，因此，针对此进行研究，本技术方案创新性采用了将开关后置的方法，将复位开关和积分开关放在后面，使积分和复位过程中a点电位保持不变，从而消除失调电压对积分的影响，具体的工作过程如下：

第三开关rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位，整体复位完成后rst_pga断开，s1、s2为非交叠时钟，tx、txn为差分输入。第二开关s2断开，第一开关s1闭合1/4个时钟周期时，tx下降沿、txn上升沿到来；第一开关s1断开，第二开关s2闭合1/4个时钟周期时，tx上升沿、txn下降沿到来。tx、txn发射周期性方波的个数由积分次数n决定。具体为：

1、第三开关rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位；

2、第二开关s2先断开，第一开关s1后闭，积分：vstep＝(δvtxn*c2-δvtx*c1)/cf(2-1)

a、b点电位va＝vb＝vref_pga±vos

3、第一开关s1先断开，第二开关s2后闭合，复位：vout保持不变

a、b点电位va＝vb＝vref_pga±vos

4、vout＝vstep*n(2-2)

公式(2-1)、(2-2)根据电荷守恒得到，运放失配没有影响积分步长。积分前后a点电位不变，失配不会对积分步长造成影响，且通过相关双采样，消除直流失配，可完全消除失配对开关电容积分器的影响，且该方法没有增加额外的电路，时序简单。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述第一电容c1、第二电容c2、第三电容cload、第四电容cf结构相同。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述第一开关s1、第二开关s2、第三开关rst_pga、第四开关s1d结构相同。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述积分器为开关电容积分器。

本技术方案中所述的第一电容c1的第一端可理解为第一电容c1的一端，第一电容c1的第二端可理解为另一端，其他元器件的连接方式可按此理解，均为本领域技术人员所公知，不再详述。

本发明另一目的还提供一种开关电容积分器失调电压消除方法，包括以下操作步骤：

s100：通过操作第三开关rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位，使积分电路有一个积分初始电压；

s200：输入信号tx发射连续脉冲，积分器通过开关控制在tx的下降沿积分，上升沿复位或txn的上升沿积分，txn的下降沿复位；

s300：所述步骤s200在积分和复位的过程中保持输入电容靠近运放av处dc点不变，dc点存在vos的失调电压；

s400：采用相关双采样技术，进行两次积分相减，将dc点vos失调电压消除。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s200中tx发射连续脉冲，积分器通过断开第二开关s2，第一开关s1闭合1/4个时钟周期，txn的上升沿积分，txn的下降沿复位。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s200中tx发射连续脉冲，积分器通过断开第一开关s1，第二开关s2闭合1/4个时钟周期，tx的上升沿积分，txn的下降沿复位。

即工作过程为：第三开关rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位，整体复位完成后第三开关rst_pga断开。第一开关s1、第二开关s2为非交叠时钟，tx、txn为差分输入。第二开关s2断开，第一开关s1闭合1/4个时钟周期时，tx下降沿、txn上升沿到来；第一开关s1断开，第二开关s2闭合1/4个时钟周期时，tx上升沿、txn下降沿到来。tx、txn发射周期性方波的个数由积分次数n决定。

1、rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位

2、s2先断开，s1后闭合，积分：vstep＝(δvtxn*c2-δvtx*c1)/cf(2-1)

a点电位va＝vref_pga+vos

3、s1先断开，s2后闭合，复位：vout保持不变

a点电位va＝vref_pga+vos

4、vout＝vstep*n(式2-2)

(式2-1)、(式2-2)根据电荷守恒得到，运放失配没有影响积分步长。积分前后a点电位不变，失配不会对积分步长造成影响，且通过相关双采样，消除直流失配，可完全消除失配对开关电容积分器的影响。该方法没有增加额外的电路，时序简单。

本技术方案中所述的采用相关双采样技术的具体方法为本领域人员所公知，不再详述。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明所述技术方案一种开关电容积分失调电压消除电路及其消除方法通过优化开关结构、对第一开关s1、第二开关s2、第三开关rst_pga、第四开关s1d的位置进行创新性设置，且同时采用相关双采样技术来消除失配对开关电容积分器的影响，同时相关双采样技术来消除失配对开关电容积分器的影响，且本发明所述的电路实现结构简单、功耗低，在单端和差分电路中均可使用，应用范围广。

附图说明

图1为现有技术中开关电容积分器结构示意图；

图2为本发明的消除失调电压的开关电容积分器示意图；

图3为本发明的关电容积分器对应的工作时序示意图；

其中：s1-第一开关，s2-第二开关，rst_pga-第三开关，s1d-第四开关，vos-失调电压源，av-运放，vref_pga-参考电压，tx-输入信号，txn-补偿信号，c1-第一电容，c2-第二电容，cload-第三电容，cf-第四电容。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本实施例中所述一种开关积分器失调电压消除电路中元件符号说明如下：c1第一电容，c2第二电容，cload第三电容，第三定容包括pixel寄生电容和io电容，cf第四电容，s1第一开关，s2第二开关，rst_pga第三开关，s1d第四开关，vos失调电压源，av运放，vref_pga参考电压，tx输入信号，txn补偿信号。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，一种开关电容积分器失调电压消除电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、参考电压、vos失调电压源、积分器，所述第一电容c1的一端接输入信号，第二端接第二电容c2的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；所述第一电容c2的一端接补偿信号，第二端接第一电容c1的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；第三电容cload的第二端接地；第四电容cf的第二端接第一开关s1的第一端；第一开关s1的第二端、第二开关s2的第二端、第三开关rst_pga的第二端和第四开关s1d的第一端接运放输出；vos失调电压源的第二端接运放av反向输入端；参考电压vref_pga接运放av同向输入端；第四开关s1d的第二端接积分器输出vout。

其中，所述第一电容c1、第二电容c2、第三电容cload、第四电容cf结构相同。

其中，所述第一开关s1、第二开关s2、第三开关rst_pga、第四开关s1d结构相同。

其中，所述积分器为开关电容积分器。

图1为传统的开关电容积分电路，其缺陷在于没有考虑到运放失配对积分的影响，假定运放失配为vos，即添加一个失配电压源vos对其进行分析：

s2先断开，s1后闭合积分，输入信号到来时，输出向下跳变：

vstep＝(δvtxn*c2-δvtx*c1)/cf±vos*(cload+c1+c2)/cf(1-1)

此时a点电位等于b点电位：va＝vb＝vref_pga±vos

s1先断开，s2后闭合(复位)，输入信号到来时，输出vout保持不变

此时a点点位va＝vref_pga，b点电位vb＝vref_pga±vos

vout＝vstep*n(1-2)

由上述表达式可知，每个积分周期都对失调电压源vos进行了一次积分，即使输入信号为零，积分输出都会由于失配vos朝一个固定的方向增大或减小，与vos方向相同。

由于传统的开关电容积分器存在上述问题，因此开关电容积分器通常采用差分结构运用斩波运放对其失配进行消除。但差分结构增加了面积和功耗，在面积功耗受限的情况下，我们采用单端结构运用本技术方案来消除积分器的失配，本发明的电路如图2所示：所述第一电容c1的一端接输入信号，第二端接第二电容c2的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；所述第一电容c2的一端接补偿信号，第二端接第一电容c1的第二端、第三电容cload的第一端、第四电容cf的第一端、第二开关s2的第一端、第三开关rst_pga的第一端和vos失调电压源的第一端；第三电容cload的第二端接地；第四电容cf的第二端接第一开关s1的第一端；第一开关s1的第二端、第二开关s2的第二端、第三开关rst_pga的第二端和第四开关s1d的第一端接运放输出；vos失调电压源的第二端接运放av反向输入端；参考电压vref_pga接运放av同向输入端；第四开关s1d的第二端接积分器输出vout。

作为示例：第一、第二、第三、第四开关采用nmos、pmos对称的三态门开关；

作为示例：第一、第二、第三、第四电容采用mim电容；

作为示例：运放av采用差分输入、单端输出的运放；

具体的工作时序见图3：

1、rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位

2、s2先断开，s1后闭合，s1d闭合(积分)：vstep＝(δvtxn*c2-δvtx*c1)/cf(式2-1)

a、b点电位va＝vb＝vref_pga±vos

3、s1先断开，s1d断开，s2后闭合(复位)：vout保持不变

a、b点电位va＝vb＝vref_pga±vos

4、vout＝vstep*n(式2-2)

第三开关rst_pga先闭合后断开对积分器进行整体复位，整体复位完成后第三开关rst_pga断开。第一开关s1、第二开关s2为非交叠时钟，tx、txn为差分输入。第二开关s2断开，第一开关s1闭合1/4个时钟周期时，tx下降沿、txn上升沿到来；第一开关s1断开，第二开关s2闭合1/4个时钟周期时，tx上升沿、txn下降沿到来。tx、txn发射周期性方波的个数由积分次数n决定。

本实施例中所述的积分器失调电压消除电路，与传统结构相比，从结构上来说没有增加额外的电路和功耗，只是将复位开关和积分开关后移，结构实现简单。

从以上表达式可以看出，积分步长中不包含失调电压vos，失调电压对积分器的影响完全消除。因此该发明消除了失调电压对积分精度的影响。

实施例2：

一种开关电容积分器失调电压消除电路的消除方法，包括以下具体操作步骤：

s100：通过开关进行整体复位，使积分电路有一个积分初始电压；

s200：tx发射连续脉冲，积分器通过开关控制在tx的下降沿(txn的上升沿)积分，上升沿(txn的下降沿)复位；

s300：在积分和复位的过程中保持输入电容靠近运放处dc点不变，dc点存在vos的失调电压；

s400：通过相关双采样技术，进行两次积分相减，将dc点vos失调电压消除。

其中，所述步骤s200中tx发射连续脉冲，积分器通过第二开关控制在txn的上升沿积分，txn的下降沿复位。

其中，所述步骤s200中tx发射连续脉冲，积分器通过断开第二开关s2，第一开关s1闭合1/4个时钟周期，txn的上升沿积分，txn的下降沿复位；积分器通过断开第一开关s1，第二开关s2闭合1/4个时钟周期，tx的上升沿积分，txn的下降沿复位

本实施例所述技术方案一种开关电容积分失调电压消除电路通过优化开关结构、相关双采样技术来消除失配对开关电容积分器的影响。电路实现简单、功耗低，在单端和差分电路中均可使用，应用范围广。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。