CN101806619A

CN101806619A - 可消除暗电流的光感测装置

Info

Publication number: CN101806619A
Application number: CN 201010131379
Authority: CN
Inventors: 黄浚豪; 蔡曜任
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明揭露一种可消除暗电流的光感测装置，包括第一及第二光感测器、第一及第二电流复制电路以及数字信号产生器。第一光感测器具有第一暗电流且不接收任何光信号，第二光感测器具有第二暗电流且接收光信号并根据光信号强度产生光电流。第一电流复制电路根据第一暗电流产生复制电流并注入第二光感测器，用来抵消第二光感测器的第二暗电流。第二光感测器并耦接至第二电流复制电路。第二电流复制电路根据第二光感测器的光电流产生充放电电流。第二电流复制电路耦接至数字信号产生器，根据充放电电流进行充放电动作以产生数字信号，且数字信号的电性特征与光信号的强度相关。

Description

可消除暗电流的光感测装置

技术领域

本发明是有关于一种光感测技术，且特别是有关于一种具有消除暗电流功能的光感测装置。

背景技术

在光学应用系统中，常常使用例如环境光(可见光)感测器、红外线感测器、紫外线感测器、距离感测器以及光纤光信号传递的感应器等的光感测装置，以将光信号转换成电信号。光感测装置典型地包括光电二极管(photodiode)，其在即使没有感测到光线时仍然会产生暗电流，此暗电流为噪声的来源会影响感测结果。而为了解决暗电流干扰感应结果的问题，美国案号US7323672B2的专利揭露一种具有暗电流补偿功能的光感测器结构，如图1所示，将两个光感测器31、32分别连接第一电流脉冲转换器33与第二电流脉冲转换器34，其中光感测器31、32分别包含两个光电二极管D1、D2，因此在两个光感测器31、32在无光线照射下所产生的暗电流，第一电流脉冲转换器33与第二电流脉冲转换器34各别将两个暗电流转换为脉冲信号，由于脉冲信号由两个相同的光电二极管D1与D2产生，所以其脉冲信号数量相同，脉冲处理器35可因此处理产生出零值的输出电压，藉此来消除原本从两个光电二极管D1与D2的暗电流所产生的噪声。然而，该案仍需要使用到两个电流脉冲转换器33与34来处理暗电流，因而提高其制作成本的费用。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有的光感测装置在消除暗电流时，使用的电路复杂，成本较高的技术问题。

为了达成上述目的，本发明提出一种可消除暗电流的光感测装置，包括第一光感测器、第二光感测器、第一电流复制电路、第二电流复制电路以及数字信号产生器。第一光感测器具有第一暗电流，且不接收任何光信号；而第二光感测器具有第二暗电流，且接收光信号并根据光信号的强度产生光电流。第一电流复制电路耦接至第一光感测器及第二光感测器，根据第一暗电流产生复制电流注入第二光感测器，用来抵消第二暗电流，其中第二暗电流与第一暗电流的复制电流大小相同。第二光感测器并耦接至第二电流复制电路。第二电流复制电路根据第二光感测器的光电流产生充放电电流。数字信号产生器耦接至第二电流复制电路，根据充放电电流进行充放电动作以产生数字信号，且数字信号的电性特征与光信号的强度相关。

其中，所述的第一光感测器或所述的第二光感测器为光转电元件。

其中，所述的光转电元件为光电二极管。

其中，所述的第一电流复制电路更包括由数个P型晶体管(PMOS)或N型晶体管(NMOS)所构成的电流镜电路。

其中，所述的第二电流复制电路更包括由数个P型晶体管与N型晶体管所构成的电流镜电路。第二电流复制电路的输出端分别为充电与放电端。其中充电端提供充电电流，放电端提供放电电流。

其中，所述的数字信号产生器更包括第一比较器、第二比较器、一SR正反器、一电容器、第一开关器、第二开关器、第一参考电压、第二参考电压。

其中，所述的第一比较器的正极端耦接至第一参考电压，负极端耦接至电容器、第一开关器与第二开关器的共同端点。第二比较器的负极端耦接至第二参考电压，正极端耦接至电容器、第一开关器与第二开关器的共同端点。其中第一参考电压的大小大于第二参考电压。电容器的另一端接地。第一开关器的另一端耦接至第二电流复制电路的充电端，第二开关器的另一端耦接至第二电流复制电路的放电端。SR正反器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，其中第一输入端耦接至第一比较器的输出端，第二输入端耦接至第二比较器的输出端，SR正反器经过电性判断后的结果输出至第一输出端与第二输出端。第一输出端与第二输出端分别控制第一开关器与第二开关器，使得第二电流复制电路能对电容器、第一开关器与第二开关器的共同端点进行充放电的动作。上述共同端点的电压准位为一模拟电压。当该模拟电压大于第一参考电压时，第一输出端的数字信号准位为高位准，进而控制第一开关器打开，第二输出端的数字信号准位为低位准，进而控制第二开关器关闭，使得第二电流复制电路能对电容器做放电动作，当该模拟电压介于第一参考电压与第二参考电压时，第一输出端与第二输出端的数字信号准位维持前一位准，使得第二电流复制电路继续对电容器做放电或充电动作，当该模拟电压小于第二参考电压时，第一输出端的数字信号准位为低位准，进而控制第一开关器关闭，第二输出端的数字信号准位为高位准，进而控制第二开关器打开，使得第二电流复制电路能对电容器做充电动作。其中SR正反器的第一输出端与第二输出端的数字信号即为此数字信号产生器的输出。其中，所述的SR正反器为一与非门SR正反器(NAND SR Flip-Flop)或一或非门SR正反器(NOR SR Flip-Flop)。

本发明因将不接收任何光信号的第一光感测器所提供的第一暗电流通过第一电流复制电路产生复制电流注入有接收光信号的第二光感测器，此方法可消除第二光感测器所产生的第二暗电流，而第二光感测器中与光信号强度对应的光电流送到后续的第二电流复制电路及数字信号产生器产生数字信号的感测结果，达到消除暗电流对感测结果的影响的目的。

本发明的有益效果在于，提供一种可消除暗电流的光感测装置，并将光电流信号转化成具有电性特征的数字信号；以电流复制电路将一个不接受光照射的发光二极管所产生的暗电流复制后，再抵销另一个接受光照射的发光二极管的暗电流，以去除暗电流所带来的噪声，其电路结构简单，因此可降低成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术的电路方块图。

图2为依照本发明一较佳实施例所绘示的可消除暗电流的光感测装置的电路方块图。

图3为图2所示的光感测装置的实施例的电路图。

图4为本发明的SR正反器的另一实施例的电路图。

附图标记说明：

11-第一光感测器；12-第二光感测器；13-第一电流复制电路；14-第二电流复制电路；15-数字信号产生器；100-第一比较器；101-第二比较器；102-SR正反器；103-第一开关器；104-第二开关器；105-电容器；106、107-与非门(NANDGate)；206、207-或非门(NOR Gate)；31、32-光感测器；33-第一电流脉冲转换器；34-第二电流脉冲转换器；35-脉冲处理器；Ich-充电电流；Idch-放电电流；Idk1-第一暗电流；Idk1’第一暗电流的复制电流；Idk2-第二暗电流；Ip-光电流；DET-数字信号；λ-光信号；VH-第一参考电压；VL-第二参考电压；VDD-操作电压源；VSS-共同接地端；MP1、MP2、MP3、MP4、MP5-P型晶体管；MN1、MN2-N型晶体管；VC1-第一输入端；VC2-第二输入端；VO1-第一输出端；VO2-第二输出端；D1、D2光电二极管；D3第一光电二极管；D4第二光电二极管。

具体实施方式

图2为依照本发明一较佳实施例所绘示的可消除暗电流的光感测装置的电路方块图。请参照图2，光感测装置包括第一光感测器11、第二光感测器12、第一电流复制电路13、第二电流复制电路14以及数字信号产生器15。第一光感测器11具有第一暗电流Idk1，且不接收任何光信号；而第二光感测器12具有第二暗电流Idk2，且接收光信号λ并根据光信号λ的强度产生光电流Ip。第一电流复制电路13一端耦接至第一光感测器11，而另一端耦接至第二光感测器12，根据第一暗电流Idk1产生复制电流Idk1’注入第二光感测器12，用来抵消第二光感测器12的第二暗电流Idk2，其中第二暗电流Idk2与第一暗电流Idk1的复制电流Idk1’大小相同。第二光感测器12并耦接至第二电流复制电路14。第二电流复制电路14根据第二光感测器12的光电流Ip产生充放电电流Ich/Idch。数字信号产生器15耦接至第二电流复制电路14，根据充放电电流Ich/Idch进行充放电动作以产生数字信号DET，且数字信号DET的电性特征与光信号λ的强度相关。由于第二暗电流Idk2与复制电流Idk1’大小相同，使得第二光感测器12中仅有光电流Ip提供到第二电流复制电路14，因而消除了第二光感测器12所产生的第二暗电流Idk2的影响。

图3为本发明的光感测装置的一实施例的电路图。请参照图3。光感测装置包括第一光感测器11、第二光感测器12、第一电流复制电路13、第二电流复制电路14以及数字信号产生器15。在本实施例中，第一光感测器11包括第一光电二极管D3，第二光感测器12包括第二光电二极管D4。第一电流复制电路13包括第一电流镜，其由P型晶体管MP1及MP2所组成，第二电流复制电路14包括第二电流镜、第三电流镜及第四电流镜，其中，第二电流镜由P型晶体管MP3及MP4所组成、第三电流镜由P型晶体管MP3及MP5所组成，以及第四电流镜由N型晶体管MN1及MN2组成。第一电流镜至第三电流镜均采用P型晶体管，故复制及被复制的电流为输出形式的电流；而第四电流镜采用N型晶体管，故复制及被复制的电流为吸取形式的电流。第一电流镜根据第一暗电流Idk1产生复制电流Idk1’，且复制电流Idk1’大小与第二暗电流Idk2相同。第三电流镜根据光电流Ip产生充电电流Ich，第二电流镜及第四电流镜根据光电流Ip产生放电电流Idch。

数字信号产生器15包括第一比较器100、第二比较器101，SR正反器102、电容器105、第一开关器103及第二开关器104、第一参考电压VH、第二参考电压VL。其中，SR正反器102由2个与非门(NAND)106与107所组成。第一比较器100的正极端耦接至第一参考电压VH，负极端耦接至电容器105、第一开关器103与第二开关器104的共同端点VA。第二比较器101的负极端耦接至第二参考电压VL，正极端耦接至共同端点VA。其中第一参考电压VH的电压值大于第二参考电压VL的电压值。电容器105的另一端接地VSS。第一开关器103的另一端耦接至第二电流复制电路14的充电电流Ich，第二开关器104的另一端耦接至第二电流复制电路14的放电电流Idch。SR正反器102具有第一输入端VC1、第二输入端VC2、第一输出端VO1、第二输出端VO2。SR正反器102的第一输出端VO1与第二输出端VO2分别控制第一开关器103与第二开关器104，使得充放电电流Ich/Idch能对共同端点VA进行充放电的动作。

而共同端点VA的电压准位为一模拟电压，当共同端点VA的模拟电压大于第一参考电压VH时，第一输出端VO1的数字信号准位为高位准，进而控制第一开关器103打开，第二输出端VO2的数字信号准位为低位准，进而控制第二开关器104关闭，使得第二电流复制电路14的放电电流Idch对电容器105做放电动作；当模拟电压介于第一参考电压VH与第二参考电压VL时，第一输出端VO1与第二输出端VO2的数字信号准位维持前一位准，使得第二电流复制电路14继续对电容器105做放电或充电动作；当模拟电压小于第二参考电压VL时，第一输出端VO1的数字信号准位为低位准，进而控制第一开关器103关闭，第二输出端VO2的数字信号准位为高位准，进而控制第二开关器104打开，使得第二电流复制电路14的充电电流Ich对电容器105做充电动作。如此反复的进行充放电动作，其中SR正反器102的第一输出端VO1或第二输出端VO2的数字信号即为此数字信号产生器15的输出。

第一输出端VO1或第二输出端VO2的数字信号也为本发明光感测装置2的输出数字信号DET，且该数字信号DET的电性特征与光信号λ的强度相关。

图4为本发明的光感测装置中的SR正反器102的另一个实施例的电路图，其中，SR正反器102由2个或非门(NOR)206与207所组成。

综上所述，本发明的光感测装置利用第一光感测器11的暗电流Idk1将第二光感测器12的暗电流Idk2消除的方法，以及将第二光感测器12的光电流Ip经由数字信号产生器15转换为数字信号DET的方法。而且本发明的光感测装置减少一个数字信号转换器，只需一个数字转换器即能进行暗电流消除，进而转换出更精确的数字信号输出，其电路结构的成本更为低廉，因此使本发明在有关的应用产业上更具有竞争力。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：包括：

一第一光感测器，具有一第一暗电流，且不接收任何光信号；

一第一电流复制电路，一端耦接至该第一光感测器，根据该第一暗电流产生一复制电流；

一第二光感测器，耦接至该第一电流复制电路进而获得该复制电流，该第二光感测器具有一第二暗电流，且接收一光信号并根据该光信号的强度产生一光电流，其中该第二暗电流与该复制电流大小相同，进而该复制电流消除该第二暗电流；

一第二电流复制电路，一端耦接至该第二光感测器，根据该光电流产生一充电电流及一放电电流；以及

一数字信号产生器，耦接至该第二电流复制电路，该数字信号产生器根据该充电电流及该放电电流进行充放电动作以产生一数字信号，且该数字信号的电性特征与该光信号的强度相关。

2.如权利要求1所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该第一光感测器或该第二光感测器为光转电元件。

3.如权利要求2所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该光转电元件为光电二极管。

4.如权利要求1所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该第一电流复制电路包括多个P型或N型晶体管所构成的一第一电流镜，该第一电流镜根据该第一暗电流产生该复制电流注入该第二光感测器，以消除该第二暗电流。

5.如权利要求1所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该第二电流复制电路包括多个P型及N型晶体管所构成的多个电流镜，该第二电流复制电路根据该光电流产生该充电电流及该放电电流以对该数字信号产生器进行充放电动作。

6.如权利要求1所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该数字信号产生器包括：

一第一比较器，耦接一第一参考电压；

一第二比较器，耦接一第二参考电压，其中该第一参考电压大于该第二参考电压；

一电容器，其一端耦接该第一比较器与该第二比较器，且上述的耦接处为一共同端点，该共同端点的电压准位为一模拟电压，其包括大于该第一参考电压的电压、小于该第二参考电压的电压以及介于该第一参考电压与该第二参考电压之间的电压；

多个开关器，其包括第一开关器及第二开关器，所述开关器耦接该第二电流复制电路及该电容器，用以控制该充电电流及该放电电流对该电容器充放电；以及

一SR正反器，电性连接该等开关器，该SR正反器根据该模拟电压，控制该等开关器截止/导通，以使该充电电流及该放电电流对该电容器进行充放电，进而该SR正反器根据该充电电流及该放电电流产生该数字信号输出。

7.如权利要求6所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该模拟电压大于该第一参考电压时，该SR正反器控制该第一开关器截止及该第二开关器导通，进而该放电电流对该电容器放电，且该SR正反器根据该放电电流产生的数字信号为高准位；

该模拟电压小于该第二参考电压时，该SR正反器控制该第一开关器导通及该第二开关器截止，进而该充电电流对该电容器充电，且该SR正反器根据该充电电流产生的数字信号为低准位；

该模拟电压介于该第一参考电压及该第二参考电压之间时，该SR正反器仍控制该等开关器维持先前截止或导通的状态，且该SR正反器根据该充电电流或该放电电流产生的数字信号为维持先前的高或低准位。

8.如权利要求6所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该SR正反器为一与非门SR正反器或一或非门SR正反器。

9.如权利要求6所述的可消除暗电流的光感测装置，其特征在于：该SR正反器的第一输出端与第二输出端分别控制该第一开关器与该第二开关器，以对该电容器进行充放电。