TWI721661B - 具殘留電荷清除功能之讀出電路以及具有該讀出電路的資訊處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明主要揭示一種具殘留電荷清除功能之讀出電路，該讀出電路包含至少一類比前端單元，用以耦接至少一光檢測器；其特徵在於，所述讀出電路更包括一開關元件，其受控於一殘留電荷清除信號。當讀出電路操作於睡眠模式時，該光檢測器之一光二極體的正極端耦接具有正電位的一偏置電壓，該光檢測器之一TFT元件的閘極端耦接一閘極控制信號，且所述殘留電荷清除信號將所述開關元件切換至一短路狀態，使得該光二極體所帶有的殘留電荷通過該TFT元件的通道以及該開關元件的通道而傳送被至地端。本發明之讀出電路的殘留電荷清除功能可以消除因電荷殘留而形成於指紋圖像之中的殘影，令採集的指紋圖像之質量顯著提升。

Description

具殘留電荷清除功能之讀出電路以及具有該讀出電路的資訊處理裝置

本發明係關於指紋採集電路之技術領域，尤指應用於一指紋採集電路之中的一種具殘留電荷清除功能之讀出電路。

已知，光學指紋辨識裝置已經被廣泛地應用在各種電子裝置(例如：智能手機)之中，且其包括一光學指紋採集電路以及一指紋辨識運算函式，其中該光學指紋採集電路包含一光檢測器陣列及一讀出電路。圖1顯示習知的一種光學指紋採集電路的電路架構圖。如圖1所示，該光學指紋採集電路1’包含一光檢測器陣列和一讀出電路12’；其中，該光檢測器陣列係整合在一觸控顯示屏幕2’之中，其主要由複數個光檢測器11’組成，且各所述光檢測器11’包含一光二極體111’、一電荷儲存電容112’和一TFT元件113’。另一方面，該讀出電路12’包含一類比前端(Analog front end, AFE)單元和一類比數位轉換單元(圖1未繪出)，且該類比前端單元包括：一運算放大器121’、一電容122’、一第一開關123’、以及一第二開關124’。

應用在例如智能手機之可攜式電子產品時，該讀出電路12’包含複數個工作階段。操作在睡眠階段(Sleep mode)時，該讀出電路12’處於睡眠待機狀態。並且，操作在上電階段時，讀出電路12’的芯片的主電源上電。進一步地，操作在復位階段時，該光二極體111’的正極端耦接一偏置電壓V _B，且TFT元件113’的閘極端耦接一感測信號RX，該感測信號RX之電平等於或大於一開啟電壓V _GH。同時，一第一開關控制信號SRC_SEL和一第二開關控制信號rst被分別傳送至該第一開關123’和該第二開關124’，從而讓該第一開關123’和該第二開關124’被切換至一短路狀態。此時，該光二極體111’ 的正極端和負極端之間的一電壓差為V _{REF_TFT}-V _B，且電荷儲存電容112’之中的電荷Q ₀。其中，V _{REF_TFT}為耦接至該運算放大器121’之負輸入端的一共模電壓。

進入曝光階段時，耦接TFT元件113’的閘極端的該感測信號RX的電平被調降至等於或小於一關閉電壓V _GL。此時，受到曝光的各所述光二極體111’產生光電流以對各所述電荷儲存電容112’充電，從而令電荷儲存電容112’之中的電荷為Q ₀＋ΔQ。進一步地，在(電荷)採集階段，耦接TFT元件113’的閘極端的該感測信號RX的電平又再度調升至等於或大於所述關閉電壓V _GH，同時該第二開關控制信號rst控制該第二開關124’切換至一開路狀態。此時，ΔQ自電荷儲存電容112’轉移至該電容122’之中，使得電荷儲存電容112’ 之中的電荷恢復為Q ₀。最終，ΔQ在電容122’上形成一電壓，令該運算放大器121’對應地輸出一類比信號至後端的類比數位轉換單元，該類比數位轉換單元依據該類比信號而產生一數位信號，並將該數位信號送至內建有指紋辨識運算函式的一微控制器(圖1未繪出)。

值得說明的是， 光二極體11’通常為一PIN二極體，其本身的晶格缺陷會在進行光感測時捕獲電子。被捕獲的電子形成電荷殘留，其在緩慢釋放一段時間之後才會消失。因此，電荷殘留會導致採集到的指紋圖像之中帶有殘影，影響指紋採集的正確性。圖2顯示運用習知的光學指紋採集電路所採得之三張採集圖像，其中圖(a)為指紋採集前的畫面(亦即，復位階段)，圖(b)為手指按壓在屏幕的畫面(亦即，曝光階段)，而圖(c)則為完成採集階段所獲得之指紋圖像的畫面。補充說明的是，圖(b)為手指按壓在屏幕的畫面，但並未繪出指紋按壓。顯然地，由圖(a)、圖(b)和圖(c)可知，電荷殘留會導致指紋採集前的畫面在採集的指紋圖像之中形成殘影，而這個殘影會持續出現幾個微秒甚至秒級的時間，造成影響指紋採集的正確性。

圖3與圖4皆顯示習知的光檢測器11’之光二極體111’的殘留電荷釋放曲線圖。如圖3所示，現有技術用於減輕殘留電荷影響的其中一種方法是將採圖時間點自原本的t ₁往後移至t ₂。易於理解的，將採圖時間點往後移勢必連帶拉長光學指紋感測和採集的整個執行時間，導致用戶體驗不佳。

如圖4所示，現有技術用於減輕電荷殘留影響的另一種方法是在讀出電路12’操作於復位模式的情況下令偏置電壓V _B為一正電壓。如此，在持續接收偏置電壓V _B一段時間(例如:20ms)之後，光二極體111’所帶有的殘留電荷便可被加速釋放。在此情況下，採圖時間點只需要自原本的t ₁往後移至t ₃。然而，這種方式並無法完全消除光二極體111’所帶有的殘留電荷。另一方面，進行殘留電荷清除程序時，讀出電路12’必須操作在復位模式，導致讀出電路12’功耗增加。

由上述說明可知，現有的兩種用於減輕電荷殘留影響之方法顯然皆有其實務操作上的缺失。因此，本領域亟需一種具殘留電荷清除功能的新式讀出電路。

本發明之主要目的在於提供一種具殘留電荷清除功能之讀出電路，其可於睡眠模式下受控於一殘留電荷清除信號，從而對設置在一觸控顯示屏幕之中的至少一光檢測器所包含的一光二極體執行殘留電荷清除。由於讀出電路是工作在睡眠模式，因此不會增加讀出電路之芯片功耗。

本發明之另一目的在於提供一種具殘留電荷清除功能之讀出電路，其應用於一光學指紋採集電路之中，特別是應用在要求較短採集時間的光學指紋採集電路之中。本發明之讀出電路的殘留電荷清除功能可以大幅縮短指紋感測和採集的整個執行時間，從而顯著提升用戶體驗。此外，本發明之讀出電路還能夠消除因電荷殘留而形成於指紋圖像之中的殘影，令採集的指紋圖像之質量顯著提升。

為達成上述目的，本發明提出所述具殘留電荷清除功能之讀出電路的一實施例，包含一類比前端單元，該類比前端單元用以耦接設置在一觸控顯示屏幕之中的至少一光檢測器，且該光檢測器包含一光二極體、一電荷儲存電容、和一TFT元件；其特徵在於，所述讀出電路更包括：

一開關元件，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該類比前端單元和至少一所述光檢測器之間的一共接點，該第二端耦接一地端，且該控制端耦接一殘留電荷清除信號；

其中，當所述讀出電路操作於一睡眠模式時，該光二極體之一正極端耦接具有正電位的一偏置電壓，該TFT元件的一閘極端耦接一閘極控制信號，且所述殘留電荷清除信號將該開關元件切換至一短路狀態，使得該光二極體所帶有的殘留電荷通過該開關元件之一通道而傳送至該地端。

在一實施例中，所述具殘留電荷清除功能之讀出電路更包括一類比數位轉換單元。

在一實施例中，所述具殘留電荷清除功能之讀出電路更包括一限流電阻，其耦接於該開關元件的該第二端和該地端之間。

在一實施例中，一限流電阻耦接於該光二極體的該正極端和該偏置電壓之間。

在一實施例中，該類比前端單元包括：

一運算放大器，具有耦接一共模電壓的一負輸入端、一正輸入端、和一輸出端；

一電容，耦接於該運算放大器的該正輸入端和該輸出端之間；

一第一開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器的該正輸入端和該電容之間的一共接端，其所述第二端耦接至該TFT元件的一汲極端，其所述控制端耦接一第一開關控制信號；以及

一第二開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第二開關通過其所述第一端及所述第二端與該電容並聯。

在一實施例中，該開關元件、該第一開關與該第二開關皆為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關。

在一實施例中，該第一開關之該第二端和該TFT元件的該汲極端之間的一共接點係與該開關元件的該第一端耦接。

在一實施例中，該第一開關之該第一端和該運算放大器之該正輸入端之間的一共接點係與該開關元件之該第一端耦接。

本發明同時提供一種資訊處理裝置，其具有一光學指紋辨識裝置，該光學指紋辨識裝置包括一光學指紋採集電路以及內嵌一指紋辨識運算函式的一微控制器，且該光學指紋採集電路包含一光檢測器陣列以及如前所述本發明之具殘留電荷清除功能之讀出電路。

在可行的實施例中，所述資訊處理裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶或門禁裝置。

為使  貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

圖5顯示本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第一電路架構圖。已知，光學指紋辨識裝置已經被廣泛地應用在各種電子裝置(例如：智能手機)之中，且其包括一光學指紋採集電路以及一指紋辨識運算函式。本發明之具殘留電荷清除功能之讀出電路12(下文簡稱“讀出電路12”)即應用在光學指紋採集電路之中。如圖5所示，該光學指紋採集電路包含一光檢測器陣列和本發明之讀出電路12；其中，該光檢測器陣列整合在一觸控顯示屏幕2之中，其主要由複數個光檢測器11組成，且各所述光檢測器11包含一光二極體111、一電荷儲存電容112、和一TFT元件113。

本發明之讀出電路12包含至少一組類比前端(Analog front end, AFE)單元和一類比數位轉換單元(圖5未繪出)，且該類比前端單元基礎包含：一運算放大器121、一電容122、一第一開關123、以及一第二開關124。其中，該運算放大器121具有耦接一共模電壓V _{REF_TFT}的一負輸入端、一正輸入端、和一輸出端，且該電容122耦接於該運算放大器121的該正輸入端和該輸出端之間。並且，該第一開關123具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器121的該正輸入端和該電容122之間的一共接端，其所述第二端耦接至該TFT元件113的一汲極端，其所述控制端耦接一第一開關控制信號SRC_SEL。另一方面，該第二開關124具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第二開關124通過其所述第一端及所述第二端與該電容122並聯。

特別地，本發明令讀出電路12進一步包含一開關元件125，其具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該類比前端單元和至少一所述光檢測器11之間的一共接點，該第二端耦接一地端，且該控制端耦接一殘留電荷清除信號LAG_SEL。更詳細地說明，如圖5所示，該第一開關123之該第二端和該TFT元件113的該汲極端之間的一共接點係與該開關元件125的該第一端耦接。

圖6顯示本發明之光檢測器之光二極體的殘留電荷釋放曲線圖。在開始進行指紋採集之前，本發明之讀出電路12的芯片是操作於睡眠模式，由於只有芯片主電源處於上電狀態，因此芯片功耗小於100 μA/MHz。如圖5與圖6所示，在本發明之讀出電路12操作於睡眠模式的情況下，該光二極體111之一正極端耦接具有正電位的一偏置電壓V _B，該TFT元件113的一閘極端耦接一閘極控制信號(亦即，感測信號RX)，且所述殘留電荷清除信號LAG_SEL經組態後用於將該開關元件125切換至一短路狀態，使得該光二極體111所帶有的殘留電荷通過該開關元件125之一通道而傳送至該地端。簡單地說，在本發明之讀出電路12操作於睡眠模式的情況下，傳送一殘留電荷清除信號LAG_SEL至該開關元件125的控制端之後，光二極體111所帶有的殘留電荷便會流經TFT元件113的通道以及開關元件125的通道，最終流入該地端。如圖6所示，由於所述殘留電荷在讀出電路12’操作於睡眠模式時被清除，因此當讀出電路12’的芯片被喚醒之後，僅需要等待一小段時間，便可於採圖時間點t ₁執行(電荷)採集。

補充說明的是，前述芯片主電源係用於保證讀出電路12能夠自睡眠狀態中被喚醒，因此其可包含一種或多種電位。另一方面，所述具有正電位的偏置電壓V _B可為芯片主電源的其中一種電位。為了避免產生過高的功耗，所述具有正電位的偏置電壓V _B僅用於令該TFT元件113處在半通半閉狀態。在此情況下，雖然TFT元件113會具有較大的導通電阻，但是仍舊足以將光二極體111所帶有殘留電荷傳導至該開關元件125和該地端。另一方面，圖7A顯示P型MOSFET電路圖，圖7B顯示N型MOSFET的電路圖，且圖7C顯示CMOS開關的電路圖。在可行的實施例中，該開關元件125、該第一開關123與該第二開關124皆可為一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關或一CMOS開關。

必須加以說明的是，在讀出電路12操作在睡眠模式的情況下，TFT元件113的閘極端所耦接的感測信號RX之電位並無法達到一啟動電壓V _GH，導致TFT元件113處在半通半閉狀態且具有較大的導通電阻。即使如此，由於光檢測器陣列含有龐大數量的光二極體111(例如：10萬個或以上)，這些光二極體111的殘留電荷的電流總和極可能會超過100μA。對於操作在睡眠模式的讀出電路12而言，100μA的電流所造成的功耗會使得該讀出電路12無法滿足低功耗的要求[1] 。因此，必須進一步地在所述讀出電路12之中增設限流設計。

圖8顯示本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第二電路架構圖。於圖8中，本發明之讀出電路12進一步包含一限流電阻126，其耦接於該開關元件125的該第二端和該地端之間。如此設計，當光檢測器陣列具有之龐大數量的光二極體111通過該TFT元件113的通道和該開關元件125的通道釋放其殘留電荷之時，該限流電阻126便會對殘留電荷的電流起到限流作用，最終可以將殘留電荷的總電流限制在1μA至10μA之間。對於操作在睡眠模式的讀出電路12而言，1~10μA的電流所造成的功耗並不會造成讀出電路12無法滿足標準規定之情事。補充說明的是，也可以在該光二極體111的該正極端和該偏置電壓V _B之間耦接另一個現流電阻。

更詳細地說明，熟悉光學指紋採集電路之設計與製作的電子工程師應該知道，雖然圖8僅繪示所述讀出電路12的其中一組類比前端單元，實際上一個讀出電路12的芯片會包含多組類比前端單元。依據本發明之設計，所述限流電阻126可以只有一個，因此在電路設計上，可令所有類比前端單元之開關元件125的該第二端耦接至該限流電阻126的一端，且令該限流電阻126的另一端耦接至該地端。

圖9顯示本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第三電路架構圖。如圖9所示，熟悉光學指紋採集電路之設計與製作的電子工程師還應該知道，讀出電路12的單一組類比前端單元通常會同時耦接多組光檢測器11。在此情況下，該第一開關123之第一端和該運算放大器121的正輸入端之間的一共接點係與該開關元件125的第一端耦接。透過這樣的電路設計方式，可以節省開關元件125和所述殘留電荷清除信號LAG_SEL的數量。當然，在圖9所示的電路結構中，還可增加一個限流電阻126。在電路設計上，可令所有類比前端單元之開關元件125的該第二端耦接至該限流電阻126的一端，且令該限流電阻126的另一端耦接至該地端。

如此，上述已完整且清楚地說明本發明之具殘留電荷清除功能之讀出電路；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：

(1)本發明的具殘留電荷清除功能之讀出電路12可於睡眠模式下受控於一殘留電荷清除信號LAG_SEL，從而對設置在一觸控顯示屏幕2之中的至少一光檢測器11所包含的一光二極體111執行殘留電荷清除。由於讀出電路12是工作在睡眠模式，因此不會增加讀出電路12之芯片功耗。

(2)本發明之具殘留電荷清除功能之讀出電路12可應用於一光學指紋採集電路之中，特別是應用在要求較短採集時間的光學指紋採集電路之中。本發明之讀出電路12的殘留電荷清除功能可以大幅縮短指紋感測和採集的整個執行時間，從而顯著提升用戶體驗。此外，本發明之讀出電路12還能夠消除因電荷殘留而形成於指紋圖像之中的殘影，令採集的指紋圖像之質量顯著提升。

(3)並且，本發明同時揭示一種資訊處理裝置，其具有一光學指紋辨識裝置，該光學指紋辨識裝置包括一光學指紋採集電路以及內嵌一指紋辨識運算函式的一微控制器，且該光學指紋採集電路包含一光檢測器陣列以及如前所述本發明之具殘留電荷清除功能之讀出電路。在一實施例中，所述資訊處理裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、或門禁裝置。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請  貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

＜本發明＞

2:觸控顯示屏幕

11:光檢測器

111:光二極體

112:電荷儲存電容

113:TFT元件

12:具殘留電荷清除功能之讀出電路

121:運算放大器

122:電容

123:第一開關

124:第二開關

125:開關元件

126:限流電阻

＜習知＞

1’:光學指紋採集電路

11’:光檢測器

111’:光二極體

112’:電荷儲存電容

113’:TFT元件

12’:讀出電路

121’:運算放大器

122’:電容

123’:第一開關

124’:第二開關

2’:觸控顯示屏幕

圖1為習知的一種光學指紋採集電路的電路架構圖； 圖2為運用習知的光學指紋採集電路所採得之三張採集圖像； 圖3為習知的光檢測器之光二極體的殘留電荷釋放曲線圖； 圖4為習知的光檢測器之光二極體的殘留電荷釋放曲線圖； 圖5為本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第一電路架構圖； 圖6為本發明之光檢測器之光二極體的殘留電荷釋放曲線圖； 圖7A為P型MOSFET電路圖； 圖7B為示N型MOSFET的電路圖； 圖7C顯示CMOS開關的電路圖； 圖8為本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第二電路架構圖；以及 圖9為本發明之一種具殘留電荷清除功能之讀出電路的第三電路架構圖。

2:觸控顯示屏幕

11:光檢測器

111:光二極體

112:電荷儲存電容

113:TFT元件

12:具殘留電荷清除功能之讀出電路

121:運算放大器

122:電容

123:第一開關

124:第二開關

125:開關元件

Claims (9)

1. 一種具殘留電荷清除功能之讀出電路，包含至少一類比前端單元，該類比前端單元係用以耦接設置在一觸控顯示屏幕中的至少一光檢測器，且該光檢測器包含一光二極體、一電荷儲存電容、和一TFT元件；其特徵在於，所述讀出電路更包括：一開關元件，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一端耦接至該類比前端單元和至少一所述光檢測器之間的一共接點，該第二端耦接一地端，且該控制端耦接一殘留電荷清除信號；其中，當所述讀出電路操作於一睡眠模式時，該光二極體之一正極端耦接具有正電位的一偏置電壓，該TFT元件的一閘極端耦接一閘極控制信號，且所述殘留電荷清除信號將該開關元件切換至一短路狀態，使得該光二極體所帶有的殘留電荷通過該開關元件之一通道而傳送至該地端；以及其中，該類比前端單元包括：一運算放大器，具有耦接一共模電壓的一負輸入端、一正輸入端、和一輸出端；一電容，耦接於該運算放大器的該正輸入端和該輸出端之間；一第一開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且其所述第一端耦接至該運算放大器的該正輸入端和該電容之間的一共接端，其所述第二端耦接至該TFT元件的一汲極端，其所述控制端耦接一第一開關控制信號；以及一第二開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，且該第二開關通過其所述第一端及所述第二端與該電容並聯。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，更包括一類比數位轉換單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，更包括一限流電阻，耦接於該開關元件的該第二端和該地端之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，其中，該光二極體的該正極端和該偏置電壓之間係設有一限流電阻。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，其中，該開關元件、該第一開關與該第二開關皆為由一P型MOSFET開關、一N型MOSFET開關和一CMOS開關所組成的群組所選擇的一種開關。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，其中，該第一開關之該第二端和該TFT元件的該汲極端之間的一共接點係與該開關元件的該第一端耦接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路，其中，該第一開關之該第一端和該運算放大器之該正輸入端之間的一共接點係與該開關元件之該第一端耦接。
8. 一種資訊處理裝置，其具有一光學指紋辨識裝置，該光學指紋辨識裝置包括一光學指紋採集電路以及內嵌一指紋辨識運算函式的一微控制器，且該光學指紋採集電路包含一光檢測器陣列以及如申請專利範圍第1項至第7項之任一項所述之具殘留電荷清除功能之讀出電路。
9. 如申請專利範圍第8項所述之資訊處理裝置，其係由智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、和門禁裝置所組成之群組所選擇的一種電子裝置。

Images