(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋センサ用の信号処理回路であって、前記指紋センサは、指のタッチに応じてセンシング信号を生成するセンシング素子を備え、前記信号処理回路は、
バイアス信号を生成するためのバイアス回路と、
前記センシング信号に基づいてアナログ出力信号を生成するための増幅器と、
前記アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器と、
を備え、
前記信号処理回路は、ノイズ検出モードと画像取得モードで動作し、
前記ノイズ検出モードにおいて、前記増幅器は、前記センシング信号及び前記バイアス信号の重畳信号を増幅して第１アナログ出力信号を生成し、
前記バイアス信号の周波数は、前記増幅器の動作周波数であり、前記第１アナログ出力信号に基づく前記Ａ／Ｄ変換器のデジタル出力信号が所定の範囲から外れる場合、前記増幅器の動作周波数を異なる動作周波数に調節し、前記第１アナログ出力信号に基づく前記Ａ／Ｄ変換器のデジタル出力信号が所定の範囲内になるまで前記増幅器の動作周波数の調節を繰り返し、
前記画像取得モードにおいて、前記増幅器は、前記センシング信号を増幅して第２アナログ出力信号を生成し、前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成する、ことを特徴とする信号処理回路。
【請求項２】
前記センシング素子はセンシング電極である、ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項３】
第１交流信号源をさらに備え、前記第１交流信号源は前記センシング電極に接続されて、前記センシング電極に第１交流信号を駆動信号として供給する、ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理回路。
【請求項４】
前記バイアス回路は、前記増幅器の入力端子と接地との間に順に直列接続された第１スイッチ、第２コンデンサ及び第２交流信号源を備え、前記第２交流信号源は前記第２コンデンサに第２交流信号を供給し、
前記ノイズ検出モードにおいて、前記第１スイッチがオンされ、
前記画像取得モードにおいて、前記第１スイッチがオフされる、ことを特徴とする請求項３に記載の信号処理回路。
【請求項５】
前記バイアス回路は、前記増幅器の入力端子と接地との間に順に直列接続された第２コンデンサ、第１スイッチ及び第２交流信号源、並びに前記第２コンデンサと前記第１スイッチの中間ノードと接地との間に接続された第２スイッチを備え、
前記ノイズ検出モードにおいて、前記第１スイッチがオンされ且つ前記第２スイッチがオフされ、前記第２交流信号源は前記第２コンデンサに第２交流信号を供給し、
前記画像取得モードにおいて、前記第１スイッチがオフされ且つ前記第２スイッチがオンされることによって、前記第２コンデンサは前記第２スイッチを介して接地される、ことを特徴とする請求項３に記載の信号処理回路。
【請求項６】
前記信号処理回路はさらに初期化モードで動作し、前記初期化モードにおいて、前記増幅器は、第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅し、かつ前記第３アナログ出力信号が初期値を有するように、前記第３アナログ出力信号に基づいて前記バイアス回路を調節する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の信号処理回路。
【請求項７】
前記初期化モードにおいて、指がタッチしていないときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出し、前記第２交流信号の振幅を設定することで、前記第３アナログ出力信号が前記初期値を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の信号処理回路。
【請求項８】
前記指紋センサは複数のセンシング素子を備え、前記第２交流信号の振幅は前記複数のセンシング素子に対してそれぞれ設定される、ことを特徴とする請求項７に記載の信号処理回路。
【請求項９】
前記複数のセンシング素子中の第１組のセンシング素子及び第２組のセンシング素子に対して、前記第３アナログ出力信号は、第１初期値及び第２初期値をそれぞれを有する、ことを特徴とする請求項８に記載の信号処理回路。
【請求項１０】
前記ノイズ検出モードにおいて、指がタッチするときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出することによって、前記増幅器の動作周波数を調節して、前記画像取得モードでの動作周波数を設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の信号処理回路。
【請求項１１】
前記増幅器は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記センシング素子と前記バイアス回路は前記反転入力端子に接続され、前記非反転入力端子は基準電圧を受ける、ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項１２】
指紋センサ用の信号処理方法であって、前記指紋センサは、指のタッチに応じてセンシング信号を生成するセンシング素子を備え、前記方法は、
第１アナログ出力信号を生成するように、前記センシング信号とバイアス信号の重畳信号を増幅するステップと、
前記第１アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するステップと、
前記第１アナログ出力信号に基づいて増幅器の動作周波数を調節するステップと、
第２アナログ出力信号を生成するように、前記センシング信号を増幅するステップと、
前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成するステップと、を含み、
前記バイアス信号の周波数は、前記増幅器の動作周波数であり、前記第１アナログ出力信号に基づいて増幅器の動作周波数を調節するステップは、
前記第１アナログ出力信号に基づくデジタル出力信号が所定の範囲から外れる場合、前記増幅器の動作周波数を異なる動作周波数に調節し、前記第１アナログ出力信号に基づくデジタル出力信号が所定の範囲内になるまで前記増幅器の動作周波数の調節を繰り返し、前記動作周波数を選択して指のタッチによるコモンモードノイズを抑制する、ことを特徴とする指紋センサ用の信号処理方法。
【請求項１３】
第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅するステップ、及び前記第３アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するステップをさらに含み、ここで、前記第３アナログ出力信号が初期値を有するように、指がタッチしていないときに前記デジタル出力信号を検出し、前記重畳信号の大きさを設定する、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記指紋センサは複数のセンシング素子を備え、前記複数のセンシング素子に対してそれぞれ前記バイアス信号の大きさが設定される、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のセンシング素子中の第１組のセンシング素子及び第２組のセンシング素子に対して、前記第３アナログ出力信号は、第１初期値及び第２初期値をそれぞれを有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
動作周波数を調節する場合、指がタッチするときに前記デジタル出力信号を検出することによって、画像取得モードでの動作周波数を設定する、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１６年２月２３日に出願された「指紋センサ用の信号処理回路及び方法」を名称とする中国特許出願第２０１６１００９９６０１．１号の優先権を主張し、前述の特許出願の内容全体を参照により本願に援用する。  
【０００２】
本発明は信号処理技術に関し、詳しくは、指紋センサ用の信号処理回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
指紋センサは、ユーザの身元を確認するために、アクセス制御システム、出退勤システム、携帯電話やタブレットＰＣなどの移動端末に幅広く使用されている指紋を撮像するためのセンサ装置である。指紋センサは、光学センサ及び静電容量式センサを含む。光学指紋センサは、指紋の光学像を取得するための光走査素子である。静電容量式指紋センサは、指の有効領域の各局所的な位置の容量特性を取得して、静電容量の変化量を用いて指紋画像を形成する。光学指紋センサの信号取得と処理回路は指から分離されているので、帯電防止能力が強く、使用寿命が長いが、環境の中の埃と指の清潔さの影響を受けやすい。静電容量式指紋センサは、サイズがコンパクトで、解像度が高いが、帯電防止能力は劣る。そのため、移動端末における静電容量式指紋センサの使用がより一般的である。
【０００４】
図１は、静電容量式指紋センサの動作原理の模式図を示す。静電容量式指紋センサ１１０は、複数のセンシング電極からなるアレイを備える。指１２０が静電容量式指紋センサ１１０をタッチすると、指とセンシング電極との間には第１コンデンサＣｆが形成される。指１２０の指紋隆線と指紋谷線により形成された第１コンデンサＣｆは異なるため、信号処理回路は、第１コンデンサＣｆの静電容量を電気信号に変換することによって、指紋隆線と指紋谷線の間の差を定量化する。複数のセンシング電極を使用して、接触領域の静電容量を取得し、即ち指紋画像を形成することができる。
【０００５】
指が指紋センサと接触するとき、システムノイズが信号処理回路に導入されて、指紋画像が正常に取得できなくなることで、識別率が低下し、正常の使用さえ不可能になる。図２に示されるように、指が指紋認識センサの表面と接触するとき、指の人体接地電位ＶＧＮＤ１とセンサの基準接地電位ＶＧＮＤ２とは一致しない。指のタッチは、センサの基準接地電位ＶＧＮＤ２に変動を導入することに相当する。この変動は、センシング電極によって受信され、信号処理回路に送信される。
【０００６】
従って、静電容量式指紋センサ用の信号処理回路においては、指のタッチによるノイズを抑制することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、バイアス回路により増幅器の動作周波数を調節し、選択される動作周波数を用いて指のタッチによるコモンモードノイズを抑制する指紋センサ用の信号処理回路及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、指紋センサ用の信号処理回路が提供される。前記指紋センサは、指のタッチに応じてセンシング信号を生成するセンシング素子を備える。前記信号処理回路は、バイアス信号を生成するためのバイアス回路と、前記センシング信号に基づいてアナログ出力信号を生成するための増幅器と、前記アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器とを備える。ここで、前記信号処理回路は、ノイズ検出モードと画像取得モードで動作する。前記ノイズ検出モードにおいて、前記増幅器は、前記センシング信号及び前記バイアス信号の重畳信号を増幅して第１アナログ出力信号を生成し、前記第１アナログ出力信号に基づいて前記増幅器の動作周波数を調節する。前記画像取得モードにおいて、前記増幅器は、前記センシング信号を増幅して第２アナログ出力信号を生成し、前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成する。
好ましくは、前記センシング素子はセンシング電極である。
好ましくは、前記信号処理回路は第１交流信号源をさらに備える。前記第１交流信号源は前記センシング電極に接続されて、前記センシング電極に第１交流信号を駆動信号として供給する。
【０００９】
好ましくは、前記バイアス回路は、前記増幅器の入力端子と接地との間に順に直列接続された第１スイッチ、第２コンデンサ及び第２交流信号源を備え、前記第２交流信号源は前記第２コンデンサに第２交流信号を供給する。前記ノイズ検出モードにおいて、前記第１スイッチがオンされる。前記画像取得モードにおいて、前記第１スイッチがオフされる。
【００１０】
好ましくは、前記バイアス回路は、前記増幅器の入力端子と接地との間に順に直列接続された第２コンデンサ、第１スイッチ及び第２交流信号源、並びに前記第２コンデンサと前記第１スイッチの中間ノードと接地との間に接続された第２スイッチを備える。前記ノイズ検出モードにおいて、前記第１スイッチがオンされ且つ前記第２スイッチがオフされ、前記第２交流信号源は前記第２コンデンサに第２交流信号を供給する。前記画像取得モードにおいて、前記第１スイッチがオフされ且つ前記第２スイッチがオンされることによって、前記第２コンデンサは前記第２スイッチを介して接地される。
【００１１】
好ましくは、前記信号処理回路はさらに初期化モードで動作する。前記初期化モードにおいて、前記増幅器は、第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅し、かつ前記第３アナログ出力信号が初期値を有するように、前記第３アナログ出力信号に基づいて前記バイアス回路を調節する。
【００１２】
好ましくは、前記初期化モードにおいて、指がタッチしていないときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出し、前記第２交流信号の振幅を設定することで、前記第３アナログ出力信号が前記初期値を有する。
【００１３】
好ましくは、前記指紋センサは複数のセンシング素子を備え、前記第２交流信号の振幅は前記複数のセンシング素子に対してそれぞれ設定される。
【００１４】
好ましくは、前記複数のセンシング素子中の第１組のセンシング素子及び第２組のセンシング素子に対して、前記第３アナログ出力信号は、第１初期値及び第２初期値をそれぞれを有する。
【００１５】
好ましくは、前記ノイズ検出モードにおいて、指がタッチするときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出することによって、前記増幅器の動作周波数を調節して、前記画像取得モードでの動作周波数を設定する。
【００１６】
好ましくは、前記増幅器は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記センシング素子と前記バイアス回路は前記反転入力端子に接続され、前記非反転入力端子は基準電圧を受ける。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、指紋センサ用の信号処理方法が提供される。前記指紋センサは、指のタッチに応じてセンシング信号を生成するセンシング素子を備える。前記方法は、第１アナログ出力信号を生成するように前記センシング信号とバイアス信号の重畳信号を増幅するステップと、前記第１アナログ出力信号に基づいて動作周波数を調節するステップと、第２アナログ出力信号を生成するように前記センシング信号を増幅するステップと、前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成するステップを含み、ここで、動作周波数を調節するとき、指のタッチによるコモンモードノイズを抑制するために、前記動作周波数を選択する。
【００１８】
好ましくは、前記方法は、第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅するステップ、及び前記第３アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するステップをさらに含み、ここで、前記第３アナログ出力信号が初期値を有するように、指がタッチしていないときに前記デジタル出力信号を検出し、前記重畳信号の大きさを設定する。
【００１９】
好ましくは、前記指紋センサは複数のセンシング素子を備え、前記複数のセンシング素子に対してそれぞれ前記バイアス信号の大きさが設定される。
【００２０】
好ましくは、前記複数のセンシング素子中の第１組のセンシング素子及び第２組のセンシング素子に対して、前記第３アナログ出力信号は、第１初期値及び第２初期値をそれぞれを有する。
【００２１】
好ましくは、前記第１アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するステップをさらに含み、ここで、動作周波数を調節する場合、指がタッチするときに前記デジタル出力信号を検出することによって、前記画像取得モードでの動作周波数を設定する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施形態の信号処理回路によれば、バイアス回路を用いてセンシング信号にバイアス信号を重畳するため、増幅器の動作周波数を調節できることによって、信号処理回路によりアナログ出力及びＡ／Ｄ変換器により定量化された後に出力されたデジタル値は、合理的な範囲内で変動する。前記信号処理回路は、前記増幅器の動作周波数を選択することで、コモンモードノイズのセンシング信号への影響を低減して、指のタッチによるコモンモードノイズを抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明することによって、本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点はより明らかになる。
【図１】図１は、静電容量式指紋センサの原理の模式図を示す。
【図２】図２は、人体接地電位とセンサの基準接地電位の波形図を示す。
【図３】図３は、従来技術による信号処理回路の模式的な回路図を示す。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態による信号処理回路の模式的な回路図を示す。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態による信号処理回路の模式的な回路図を示す。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態による信号処理方法のフローチャートを示す。
【図７】図７は、信号処理方法における複数のセンシング素子の初期化信号の分布図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。各図面において、同一の要素は類似の符号によって示される。明確にするために、図面における各部分は縮尺通りに描かれていない。また、幾つかの周知の部分を示していないことがある。
【００２５】
本発明をより明確に理解するために、本発明の様々な特定の詳細、例えば、部品の構造、材料、サイズ、処理プロセス及び技術は以下に記載される。しかし、当業者が理解できるように、本発明を実現するために、これらの特定の詳細に従わなくてもよい。
【００２６】
本発明は様々な形態で表すことができ、その幾つかの例が以下に説明される。
【００２７】
図３は、従来技術による信号処理回路の模式的な回路図を示す。この信号処理回路２００は、センシング素子に関連する第１コンデンサＣｆ、第１交流信号源２１０、基準電圧源２２０、増幅器２３０、Ａ／Ｄ変換器２４０を備える。第１コンデンサＣｆの第１端子は増幅器２３０の反転入力端子に接続され、第２端子は第１交流信号源２１０に接続される。基準電圧源２２０は増幅器２３０の非反転入力端子に接続される。増幅器２３０の出力端子はＡ／Ｄ変換器２４０の入力端子に接続される。
【００２８】
指がセンサと接触すると、指とセンサのセンシング電極の間には第１コンデンサＣｆが形成される。指の指紋隆線と指紋谷線により形成される第１コンデンサＣｆは異なる。この第１コンデンサＣｆのセンシング電極は、集積回路技術により金属層又はポリシリコン層を用いて形成することができる。第１交流信号源２１０は交流信号を生成する。交流信号は、例えば、正弦波、矩形波及び三角波の中の一種又は組み合わせである。第１交流信号源２１０によってセンシング素子は駆動される。増幅器２３０は、反転入力端子と非反転入力端子がそれぞれセンシング信号と基準電圧Ｖｒｅｆを受け、両方を比較し、出力端子で増幅信号を供給する。増幅器２３０は、指紋隆線と指紋谷線の間の差を定量化するために、第１コンデンサＣｆの変化をセンシング信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器２４０は増幅信号をデジタル信号に変換する。
【００２９】
指がセンサと接触すると、上記の第１コンデンサＣｆの変化が発生するだけでなく、システムノイズも導入される。指がセンサの表面にタッチすることは、ノイズ源がＣｆコンデンサを介して信号検出回路内に接続されることに相当し、これによって、信号検出及び後段処理回路の出力に影響を与える。
【００３０】
システムノイズは、ディファレンシャルモードノイズとコモンモードノイズという２種類に分けることができる。ディファレンシャルモードノイズは、システムの電源電圧変動除去比を高めるなどの方法によって抑制することができる。コモンモードノイズは、システムの電源及び基準接地に同時に同じノイズが存在することを意味する。このようなノイズは、人体とシステムが同じ接地を有していない場合、システムの性能への影響がより深刻である。コモンモードノイズは、一般に、一定の周波数スペクトル特性を有する狭い帯域幅の信号である。それは指のタッチに伴ってシステムに導入されるため、正常に受信されるセンシング信号と区別することができない。
【００３１】
指紋認識センサは、ディジタルフィルタリング／アナログフィルタリング等の方法によって、一定の振幅と周波数のノイズを抑制することができるが、センサの処理能力を超える特定の周波数又は高振幅の干渉信号又はノイズが出現する場合、指紋認識センサは指紋画像を正確に取得することができない。
【００３２】
図４は、本発明の第１実施形態による信号処理回路の模式的な回路図を示す。この信号処理回路３００は、センシング素子に関連する第１コンデンサＣｆ、第１交流信号源２１０、基準電圧源２２０、増幅器２３０、Ａ／Ｄ変換器２４０を備える。第１コンデンサＣｆの第１端子は増幅器２３０の反転入力端子に接続され、第２端子は第１交流信号源２１０に接続される。基準電圧源２２０は増幅器２３０の非反転入力端子に接続される。増幅器２３０の出力端子はＡ／Ｄ変換器２４０の入力端子に接続される。
【００３３】
図３に示される従来技術の信号処理回路２００とは異なり、この実施形態による信号処理回路３００はバイアス回路３１０をさらに備える。このバイアス回路３１０は、増幅器２３０の反転入力端子と接地の間に順に直列接続された第１スイッチＳ１、第２コンデンサＣｂ、及び第２交流信号源２５０を備える。
【００３４】
第２交流信号源２５０は交流信号Ｖｄｒｖを生成する。交流信号は、例えば、正弦波、矩形波及び三角波の中の一種である。この実施形態では、第２交流信号源２５０が予め設定された振幅の交流信号Ｖｄｒｖを生成し、第２コンデンサＣｂが予め設定された静電容量値を有するため、第２コンデンサＣｂに予め設定された電荷量をバイアス信号として生成する。
【００３５】
指がセンサと接触すると、指とセンサのセンシング電極の間には第１コンデンサＣｆが形成される。増幅器２３０は、指紋隆線と指紋谷線の間の差を定量化するために、第１コンデンサＣｆの変化をセンシング信号に変換する。
【００３６】
信号処理回路３００は、ノイズ検出モードと画像取得モードで動作することができる。
【００３７】
ノイズ検出モードにおいて、第１スイッチＳ１がオンされることによって、増幅器２３０は、センシング信号とバイアス信号の重畳信号を増幅して第１アナログ出力信号を生成し、前記第１アナログ出力信号に基づいて増幅器２３０の動作周波数を調節する。
【００３８】
画像取得モードにおいて、第１スイッチＳ１がオフされることによって、増幅器２３０は、前記センシング信号を増幅して第２アナログ出力信号を生成し、前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成する。
【００３９】
この実施形態では、バイアス回路３１０はノイズ検出モードで増幅器２３０の動作周波数を調節して、画像取得モードでノイズの指紋画像への影響を抑制するために用いられる。
【００４０】
この実施形態では、増幅器２３０は離散時間領域の電荷転送増幅器として、センシング信号を取得するために用いられる。代替の実施形態では、連続時間領域の各種の信号処理回路を用いてセンシング信号を取得することができる。
【００４１】
好ましい実施形態では、信号処理回路３００は、初期化モードで動作することもできる。前記初期化モードにおいて、増幅器２３０は、第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅し、且つ第３アナログ出力信号が初期値を有するように、前記第３アナログ出力信号に基づいてバイアス回路３１０を調節する。
【００４２】
例えば、前記初期化モードにおいて、第１スイッチＳ１がオンされ、指がタッチしていないときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出することによって、交流信号Ｖｄｒｖの振幅を設定することで、前記第３アナログ出力信号は前記初期値を有することができる。
【００４３】
図５は、本発明の第２実施形態による信号処理回路の模式的な回路図を示す。この信号処理回路４００は、センシング素子に関連する第１コンデンサＣｆ、第１交流信号源２１０、基準電圧源２２０、増幅器２３０、Ａ／Ｄ変換器２４０を備える。第１コンデンサＣｆの第１端子は増幅器２３０の反転入力端子に接続され、第２端子は第１交流信号源２１０に接続される。基準電圧源２２０は増幅器２３０の非反転入力端子に接続される。増幅器２３０の出力端子はＡ／Ｄ変換器２４０の入力端子に接続される。
【００４４】
図４に示されるような本発明の第１実施形態による信号処理回路３００とは異なり、本発明の第２実施形態による信号処理回路４００はバイアス回路４１０を備える。このバイアス回路４１０は、増幅器２３０の反転入力端子と接地との間に順に直列接続された第２コンデンサＣｂ、第１スイッチＳ１及び第２交流信号源２５０、並びに、第２コンデンサＣｂと第１スイッチＳ１の中間ノードと接地との間に接続された第２スイッチＳ２を備える。
【００４５】
信号処理回路４００は、ノイズ検出モードと画像取得モードで動作することができる。
【００４６】
ノイズ検出モードにおいて、第１スイッチＳ１がオンされ且つ第２スイッチＳ２がオフされ、第２コンデンサＣｂが第１スイッチＳ１を介して第２交流信号源２５０に接続されることによって、増幅器２３０は、センシング信号とバイアス信号の重畳信号を増幅して第１アナログ出力信号を生成し、前記第１アナログ出力信号に基づいて増幅器２３０の動作周波数を調節する。
【００４７】
画像取得モードにおいて、第１スイッチＳ１がオフされ且つ第２スイッチＳ２がオンされ、第２コンデンサＣｂが第２スイッチＳ２を介して接地されることによって、増幅器２３０は、センシング信号を増幅して第２アナログ出力信号を生成し、前記第２アナログ出力信号に基づいて指紋画像を生成する。第２コンデンサＣｂにおける電荷量が一定であるため、それは、指紋画像を取得する際に指紋画像に影響を与えない。
【００４８】
この実施形態では、バイアス回路４１０はノイズ検出モードで増幅器２３０の動作周波数を調節して、画像取得モードでノイズの指紋画像への影響を抑制するために用いられる。
【００４９】
好ましい実施形態では、信号処理回路４００はさらに初期化モードで動作することができる。前記初期化モードにおいて、増幅器２３０は、第３アナログ出力信号を生成するように前記バイアス信号を増幅し、且つ第３アナログ出力信号が初期値を有するように、前記第３アナログ出力信号に基づいてバイアス回路４１０を調節する。
【００５０】
例えば、前記初期化モードにおいて、第１スイッチＳ１がオンされ且つ第２スイッチＳ２がオフされ、指がタッチしていないときに前記Ａ／Ｄ変換器の出力を検出することによって、交流信号Ｖｄｒｖの振幅を設定することで、前記第３アナログ出力信号は前記初期値を有することができる。
【００５１】
図６は、本発明の第３実施形態による信号処理方法のフローチャートを示す。図４に示される信号処理回路３００を例として、この方法のフローを説明する。
【００５２】
ステップＳ０１では、初期値を設定する。このステップにおいて、指が指紋センサに押圧されていないため、第１コンデンサＣｆと増幅器２３０の接続は切断されている。第１スイッチＳ１がオンされることによって、バイアス回路３１０は増幅器２３０の反転入力端子にバイアス信号を供給する。
【００５３】
このステップでは、バイアス回路３１０中の回路部品のパラメータを設定し、例えば、第２コンデンサＣｂの静電容量値及び第２交流信号源２５０の交流信号Ｖｄｒｖの振幅、増幅器２３０の増幅信号を予め設定された電圧に設定することによって、Ａ／Ｄ変換器２４０のデジタル出力は、フルスケールデジタル値の約半分とする。８ビットＡ／Ｄ変換器を例として、その出力デジタルコードの範囲は（０〜２５５）である。ステップＳ０１において、第２コンデンサＣｂのみが増幅器２３０の反転入力端子に接続されている場合、Ａ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値は１２８に近い。出力デジタル値は、センサ内部集積回路素子間の比率に依存するため、集積回路の製造技術に基づいて、この出力デジタル値は比較的正確な範囲で変動するように制御することができる。
【００５４】
ステップＳ０２において、指が指紋センサにタッチして、第１コンデンサＣｆが増幅器２３０に接続される。増幅器２３０の反転入力端子の信号は、式（１）に示されるように、第１コンデンサＣｆのセンシング信号と、バイアス回路３１０によって生成されたバイアス信号との重畳信号である。
Ｖ_ｏｕｔ＝Ａ*(Ｃｆ*Ｖｎ＋Ｃｂ*Ｖｄｒｖ) ｜_(ｆ＝ｆ_０ )      （１）
【００５５】
ここで、Ｖｏｕｔは増幅器のアナログ出力電圧を表し、Ａは増幅器の増幅倍率を表し、ＣｆとＣｂはそれぞれ第１コンデンサと第２コンデンサの静電容量値を表し、ＶｎとＶｄｒｖはそれぞれ第１交流信号源と第２交流信号源の振幅を表し、ｆは増幅器の動作周波数であり、ｆ０は第２交流信号源の周波数である。
【００５６】
この信号処理回路は、連続時間的な動作方式であってもよく、スイッチ・コンデンサ形式の離散時間的な作業方式であってもよい。一般に、Ｖｄｒｖ信号の動作周波数は、検出回路の制御信号周波数と同じであるか、又は強い関連（相互に整数倍）を有する。
【００５７】
ステップＳ０３〜Ｓ０５では、ノイズに基づいて増幅器の動作周波数を検出し調節して、コモンモードノイズの影響を低減又は排除する。図４に示される実施形態において、該動作周波数は、例えば、増幅器２３０の動作周波数である。
【００５８】
コモンモードノイズの周波数が上記動作周波数と同じであるか、又は両者の間に整数倍の関係がある場合、ノイズは検出結果に直接影響することによって、Ａ／Ｄ変換器の定量化された出力デジタル値は理想的な範囲から外れる。さらに、過大なコモンモードノイズは、増幅器２３０とＡ／Ｄ変換器２４０を直接飽和させ、回路は動作状態を再確立する時間が長くなり、後続の検出結果が影響される。
【００５９】
コモンモードノイズの周波数とその調波周波数が動作周波数から大きく離れている場合、ノイズの検出結果への影響は小さくなる。また、より小さいノイズの影響は、ディジタルフィルタリングなどの方法を用いてフィルタリングすることもできる。
【００６０】
上述した動作周波数の調節プロセスは、ステップＳ０３で動作周波数を設定し、ステップＳ０４でＡ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値を検出し、ステップＳ０５でＡ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値が理想範囲から外れているか否かを判断することを含む。
【００６１】
Ａ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値が理想範囲から外れ、さらに増幅器２３０とＡ／Ｄ変換器２４０の少なくとも１つが飽和される場合、新たに異なる動作周波数が設定され、ステップＳ０３からＳ０５が繰り返される。
【００６２】
一方、Ａ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値が理想範囲内にある場合、設定された動作周波数は、コモンモードノイズの影響を低減又は排除することができるので、前記画像取得モードにおける動作周波数として使用することができる。
【００６３】
コモンモードノイズのエネルギーは、一般的に特定の周波数を中心とした狭帯域に集中しているため、システムは、上記のノイズ検出方法により周波数探索方法を用いて、コモンモードノイズのより小さい周波数を求め、この周波数を回路の動作周波数として使用して、コモンモードノイズの影響を低減又は排除する。
【００６４】
従って、本発明による信号処理回路は、Ａ／Ｄ変換器２４０の出力デジタル値を検出することによって、現在の周波数設定で画質に影響を与える干渉の有無を検出することができる。さらに、Ａ／Ｄ変換器の出力デジタル値を検出して、増幅器の動作周波数を調節することによって、前記画像取得モードにおける動作周波数は理想値になる。
【００６５】
この信号処理方法では、バイアス回路によって増幅器２３０の動作周波数を調節し、選択された動作周波数を用いて指紋画像を取得することによって、指のタッチによるコモンモードノイズを抑制する。
【００６６】
この実施形態において、指紋センサは複数のセンシング素子を備えることができ、前記複数のセンシング素子に対して交流信号Ｖｄｒｖの振幅が同じように設定することができる。代替の実施形態において、よりよい検出を実行するために、指紋センサの前記複数のセンシング素子に対して別々に交流信号Ｖｄｒｖの振幅を設定することができる。
【００６７】
例えば、上記ステップＳ０１では、指紋センサの全てのセンシング素子検出回路における交流信号Ｖｄｒｖを、２種類の振幅に設定して、複数のセンシング素子のデジタル出力値を対応する２種類のデジタル値とすることができる。図７は、信号処理方法における複数のセンシング素子の初期化信号の分布図を示す。８ビットＡ／Ｄ変換器を例として、複数のセンシング素子のデジタル出力値の平均値はいずれも約１２８である。前記複数のセンシング素子はアレイに配置され、第１組のセンシング素子と第２組のセンシング素子に分割することができる。交流信号Ｖｄｒｖの振幅が異なるため、第１組のセンシング素子のデジタル出力値の平均値は１９８であり、第２組のセンシング素子のデジタル出力値の平均値は５８である。上記の励起方式に基づいて、指紋出力画像の全てのセンシング素子の平均値、及び／又は第１組のセンシング元素と第２組のセンシング素子の平均値をそれぞれ統計することによって合理的な初期値を設定してノイズ強度を判断する。
【００６８】
上記実施形態では、動作周波数の調節に要する時間を節約するために、指が指紋センサにタッチした後且つ指紋画像を取得する前に、増幅器の動作周波数を調節するプロセスを行う。
【００６９】
平面アレイ型指紋認識センサに対して、センサの領域の一部（中心領域）を選択し、Ａ／Ｄ変換器の出力デジタル値を検出することによって、増幅器の動作周波数を調節することができる。指紋センサのセンシング電極の一部のみに対して駆動及び検出を行うため、動作周波数の調節に要する時間が節約される。
【００７０】
好ましくは、指紋センサのノイズ検出時間を更に節約するために、システムはノイズ検出領域のセンサをＮ個の領域に分けることができる。各領域内の検出回路において、第１コンデンサＣｆの一端子に印加される交流信号Ｖｎの周波数は互いに異なる。従って、単一のノイズ検出プロセスでは、Ｎ個の周波数のノイズ状況を検出することができる。複数の領域のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル値を検出することによって、信号処理回路の理想動作周波数を判断することができる。
【００７１】
なお、本明細書において、第１や第２などのような関係用語は、ある実在物又は操作を別の実在物又は操作と区別するためにのみ使用され、これらの実在物又は操作の間にこのような実際の関係又は順序が存在することは、必ずしも必要でないか又は暗示されていない。また、用語「備える」、「含む」又はその他の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図している。一連の要素を備えるプロセス、方法、物品又は装置は、これらの要素だけでなく、明示的に列挙されていない他の要素も含むか、又はそのようなプロセス、方法、物品又は装置に固有の要素も含む。より多くの制限がない場合、「を含む」という文で限定される要素は、その要素を含むプロセス、方法、物品又は装置における他の同じ要素の存在を排除するものではない。
【００７２】
上述したように、本発明の実施形態によれば、これらの実施形態は全ての詳細を説明するものではなく、記載されている具体的な実施形態のみに本発明を限定するものではない。明らかに、上記の説明によれば、多くの修正や変更を行うことができる。本明細書は、当業者が本発明及び本発明に基づく変更を好適に利用できるように、本発明の原理及び実際の用途をよりよく説明するために、これらの実施形態を選択し具体的に説明する本発明は、特許請求の範囲並びにその全範囲及び均等物によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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