CN102261953B - 照度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消耗电流不依赖于入射光照度的高低的照度传感器。其中，放大器(21～24)以及减法电路(25)由恒流源(未图示)驱动。减法电路(25)输出光检测元件(15)与光检测元件(16)的输出电压的差分电压。采样保持电路(30)进行基于该差分电压的电容(13)另一端的电压的采样或保持。开关(28)在减法电路(25)的输出电压开始变化的状态下接通，由此将电容(13)另一端的电压固定为基准电压。

Description

照度传感器

技术领域

本发明涉及电压输出型的照度传感器。

背景技术

对现有的照度传感器进行说明。图5是示出现有的照度传感器的电路图。

根据入射光，光电二极管PD1、PD2分别流出光电流Ipd1、Ipd2。从PNP场效应晶体管53的集电极引出由NPN场效应晶体管51、52的电流镜电路放大后的光电流Ipd1和光电流Ipd2的差分电流。该差分电流通过PNP场效应晶体管53、54的电流镜电路放大，作为表示入射光照度的高低的输出电流Iout流向PNP场效应晶体管54。输出电流Iout通过电阻(未图示)变换为电压(例如，参照专利文献1)。

【专利文献1】日本特开2006-148014号公报(图4)

但是，在现有技术中，当入射光的照度变高时，光电流Ipd1、Ipd2分别相应地增多，由此输出电流Iout也变多。从而导致照度传感器的消耗电流变多。即，照度传感器的消耗电流依赖于入射光照度的高低。

发明内容

本发明正是鉴于上述课题而完成的，提供一种消耗电流不依赖于入射光照度的高低的照度传感器。

为了解决上述课题，本发明提供一种电压输出型的照度传感器，其特征在，该照度传感器具有：第一光检测元件和第二光检测元件，其流过基于入射光的光电流，由此输出光电压；减法电路，其由恒流源驱动，输出上述第一光检测元件与上述第二光检测元件的输出电压的差分电压；电容，其一端被设置在上述减法电路的输出端子，另一端被设置在采样保持电路的输入端子；开关，其设置在提供基准电压的节点与上述电容的另一端之间；以及上述采样保持电路，其进行基于上述差分电压的上述电容的另一端的电压的采样或保持。

在本发明中，照度传感器的消耗电流大致依赖于减法电路的恒流源流出的电流，因而几乎不依赖于入射光照度的高低。

附图说明

图1是示出第1实施方式的照度传感器的电路图。

图2是示出第1实施方式的照度传感器的各电压的时序图。

图3是示出第2实施方式的照度传感器的电路图。

图4是示出第2实施方式的照度传感器的各电压的时序图。

图5是示出现有的照度传感器的电路图。

符号说明

11～14电容

15～16光检测元件

21～24放大器

25减法电路

26～29开关

30采样保持电路

31振荡电路

32逻辑电路

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

<第一实施方式>

图1是示出第1实施方式的照度传感器的电路图。

照度传感器具有：电容11～13、光检测元件15、16、放大器21～24、减法电路25、开关26～28、采样保持电路30、振荡电路31以及逻辑电路32。另外，照度传感器具有：复位端子、控制端子、输出端子以及基准电压输入端子。采样保持电路30具有开关29以及电容14。另外，采样保持电路30具有输入端子以及输出端子。

开关26设置在照度传感器的复位端子与放大器21的输入端子之间。电容11设置在开关26的一端与放大器21的输入端子的连接点和接地端子之间。光检测元件15设置在开关26的一端与放大器21的输入端子的连接点和接地端子之间。开关27设置在照度传感器的复位端子与放大器22的输入端子之间。电容12设置在开关27的一端与放大器22的输入端子的连接点和接地端子之间。光检测元件16设置在开关27的一端与放大器22的输入端子的连接点和接地端子之间。

减法电路25的非反转输入端子与放大器22的输出端子连接，反转输入端子与放大器21的输出端子连接，基准电压输入端子与照度传感器的基准电压输入端子连接，输出端子与电容13的一端连接。

开关28设置在电容13的另一端与放大器23的输入端子的连接点和照度传感器的基准电压输入端子之间。开关29设置在放大器23的输出端子与放大器24的输入端子之间。电容14设置在开关29的一端与放大器24的输入端子的连接点和接地端子之间。放大器24的输出端子与照度传感器的输出端子连接。

逻辑电路32的输入端子与振荡电路31的输出端子连接，控制端子与照度传感器的控制端子连接，第一输出端子的信号ΦR控制开关26、27，第二输出端子的信号ΦCL控制开关28，第三输出端子的信号ΦSH控制开关29。

这里，假定放大器21的输入端子的电压是光电压V1，放大器22的输入端子的电压是输出电压V2，减法电路25的输出端子的电压是电压V3，放大器23的输入端子的电压是电压V4，放大器24的输入端子的电压是电压V5，照度传感器的复位端子的电压是复位电压Vrst，控制端子的电压是电压Vc1，输出端子的电压是输出电压Vout，基准电压输入端子的电压是基准电压Vref。

通过可检测基于人类视感度的波长的入射光这样的同一深度的PN结，分别构成光检测元件15、16。另外，光检测元件15、16由光电二极管或光电晶体管构成。

光检测元件15具有仅使基于人类视感度的波长的入射光通过的IR/UV截止滤波器(未图示)，通过流出基于入射光的光电流来输出光电压V1。另外，光检测元件16具有遮光滤波器(未图示)而不流出光电流。

光检测元件15、16分别流出漏电流。另外，光检测元件15、16由于分别误检测到照向构成照度传感器的IC侧面的红外线等，从而有时会分别流出无意图的电流。这里，光检测元件15、16分别由同一制造工艺形成且分别形成为同一形状，因而光检测元件15、16流出的漏电流大致相同，光检测元件15、16流出的无意图的电流也大致相同。

放大器21～24以及减法电路25分别由恒流源(未图示)驱动。减法电路25输出光检测元件15与光检测元件16的输出电压的差分电压。采样保持电路30进行基于该差分电压的电容13另一端的电压的采样或保持。开关28在减法电路25的输出电压开始变化的状态下接通，由此，将电容13另一端的电压固定为基准电压。

接着，对照度传感器的动作进行说明。图2是示出第1实施方式的照度传感器的各电压的时序图。这里，为了便于说明，将放大器21～24以及减法电路25的放大率设为1倍。

在时间t＝t1时，逻辑电路32进行动作，使信号ΦSH成为低电平。由此，开关29断开，电压V5以及输出电压Vout不变化。即，当信号ΦSH是低电平时，保持电压V5以及输出电压Vout。

逻辑电路32进行动作，使信号ΦR成为高电平。由此，开关26、27分别接通。此时，光电压V1根据开关26的接通电阻以及电容11，开始向复位电压Vrst变高。另外，输出电压V2也根据开关27的接通电阻以及电容12开始向复位电压Vrst变高。这里，电压V3是利用减法电路25从输出电压V2减去光电压V1而得到的电压，开始向基准电压Vref变低。

逻辑电路32进行动作，使信号ΦCL成为高电平。由此，开关28接通。电压V4根据开关28的接通电阻以及电容13，开始向基准电压Vref变低。

在时间t1＜t＜t2(光检测的复位期间)时，逻辑电路32进行动作，以维持低电平的信号ΦSH。由此，电压V5以及输出电压Vout保持不变化的状态。即，在信号ΦSH是低电平时，保持电压V5以及输出电压Vout。

逻辑电路32进行动作，以维持高电平的信号ΦR。由此，通过维持高电平的信号ΦR，光电压V1以及输出电压V2可充分地成为复位电压Vrst。另外，电压V3也可充分地成为基准电压Vref。

逻辑电路32进行动作，以维持高电平的信号ΦCL。由此，通过维持高电平的信号ΦCL，电压V4可充分地成为基准电压Vref。

在时间t＝t2时，逻辑电路32进行动作，以维持低电平的信号ΦSH。由此，电压V5以及输出电压Vout保持不变化的状态。即，在信号ΦSH是低电平时，保持电压V5以及输出电压Vout。

逻辑电路32进行动作，使信号ΦR成为低电平。由此，开关26、27分别断开。此时，光电压V1根据基于入射光的光电流、漏电流、无意图的电流以及电容11，开始从复位电压Vrst变低。另外，输出电压V2也根据漏电流、无意图的电流以及电容12，开始从复位电压Vrst变低。另外，电压V3是利用减法电路25从输出电压V2减去光电压V1而得到的电压，因而开始变高。

这里，光检测元件15、16流出的漏电流大致相同，光检测元件15、16流出的无意图的电流也大致相同，因而基于这些电流的光电压V1以及输出电压V2的电压降大致相同。减法电路25从输出电压V2减去光电压V1而输出电压V3，因而在电压V3中上述的电压降被抵消，漏电流以及无意图的电流对电压V3几乎没有影响。即，电压V3是仅基于光电流的电压。

逻辑电路32进行动作，以维持高电平的信号ΦCL。由此，电压V4保持在基准电压Vref。

在时间t2＜t＜t3(基于光检测的电荷积蓄等待期间)时，逻辑电路32进行动作，以维持高电平的信号ΦCL。由此，电压V4保持在基准电压Vref。

在此期间内，根据基于入射光的光电流，减法电路25的输出电压即电压V3逐渐变高。但是，电压V3是开始变高的状态，减法电路25的举动不稳定，因而电压V4被固定为基准电压Vref，由此不能监视此期间的电压V3。

在时间t＝t3时，逻辑电路32进行动作，以维持低电平的信号ΦSH。由此，电压V5以及输出电压Vout保持不变化的状态。即，在信号ΦSH是低电平时，保持电压V5以及输出电压Vout。

逻辑电路32进行动作，以维持低电平的信号ΦR。由此，光电压V1以及输出电压V2变低。另外，电压V3变高。

逻辑电路32进行动作，使信号ΦCL成为低电平。由此，开关28断开。电压V4根据电压V3以及电容13，开始从基准电压Vref变高。

在时间t3＜t＜t4(基于光检测的电荷积蓄期间)时，逻辑电路32进行动作，以维持低电平的信号ΦCL。由此，电压V4变高。

在此期间内，根据基于入射光的光电流，减法电路25的输出电压即电压V3变高。在电压V3开始变高之后经过规定时间(从时间t2到时间t3的时间)，由此减法电路25的举动稳定，因而基于光电流的电压V4的精度较高。

在时间t4＜t＜t5(基于光检测的电荷积蓄期间)时，逻辑电路32进行动作，使信号ΦSH成为高电平。由此，开关29接通，放大器23放大电压V4后将输出电压输出，将该输出电压作为电压V5由电容14进行采样。放大器24放大电压V5后将输出电压Vout输出。

这里，根据控制端子的电压Vc1来控制信号ΦSH的定时。当信号ΦSH为高电平的定时变慢时，电荷积蓄期间相应地变长，因而照度传感器的灵敏度变高。

此外，当电容11、12的电容值都较小时，光电压V1以及输出电压V2分别容易相应地进行变化，因而照度传感器的灵敏度变高。

在时间t＝t5时，逻辑电路32进行动作，使信号ΦSH成为低电平。由此，开关29断开，电压V5以及输出电压Vout根据电压V4而固定。即，当信号ΦSH是低电平时，保持电压V5以及输出电压Vout。此时的输出电压Vout依据基于人类视感度的波长的入射光的光电流，因而具有基于人类视感度的分光灵敏度特性。

这样，照度传感器的消耗电流大致依赖于放大器21～24以及减法电路25的恒流源流出的电流，因而几乎不依赖于入射光照度的高低。

另外，光检测元件15的光电流不是从电源端子而是从电容11的一端流向接地端子，因而不会有助于照度传感器的消耗电流。由此，照度传感器的消耗电流不依赖于入射光照度的高低。

另外，照度传感器将输出电压Vout输出，因而照度传感器的输出端子不需要电流电压变换用的电阻。

此外，虽未图示，但放大器21～24可以是源极跟随器。

另外，虽未图示，但也可以通过追加根据复位电压Vrst生成基准电压Vref的电路，来削除照度传感器的基准电压输入端子。另外，虽未图示，但也可以通过追加根据基准电压Vref生成复位电压Vrst的电路，来削除照度传感器的复位端子。

另外，光检测元件15、16分别由同一深度的PN结构成，通过减法电路25算出这些光检测元件15、16的输出电压的差分电压，流向光检测元件15、16的漏电流被抵消，流向光检测元件15、16的无意图的电流也被抵消。但是，光检测元件15、16也可以分别由不同深度的PN结来构成。此时，光检测元件15、16分别检测各种入射光而将输出电压输出，通过减法电路25算出这些光检测元件15、16的输出电压的差分电压，检测基于人类视感度的波长的入射光。

<第二实施方式>

图3是示出第2实施方式的照度传感器的电路图。

与第一实施方式相比，照度传感器追加了控制电路40。控制电路40具有电压检测电路41以及PMOS晶体管42。

控制电路40的输入端子与开关26的一端和放大器21的输入端子的连接点连接，输出端子与电容13的另一端和放大器23的输入端子的连接点连接。电压检测电路41的输入端子与控制电路40的输入端子连接。PMOS晶体管42的栅极与电压检测电路41的输出端子连接，源极与电源端子连接，漏极与控制电路40的输出端子连接。这里，假定放大器23的输入端子的电压是电压V4A。

电压检测电路41由将光电压V1的饱和电压设为反转阈值电压的反相器(未图示)或将光电压V1的饱和电压设为基准电压的比较器(未图示)构成。PMOS晶体管42是漏极开路型。控制电路40检测光电压V1已达到饱和电压的情况，固定照度传感器的输出电压Vout。

接着，对照度传感器的动作进行说明。图4是示出第2实施方式的照度传感器的各个电压的时序图。

这里，假定光检测元件15被入射照度比规定值高的入射光，光电压V1在电荷积蓄期间中饱和。

在时间t3＜t＜ta时，光电压V1根据基于入射光的光电流、漏电流、无意图的电流以及电容11而急剧变低。另外，输出电压V2也根据漏电流、无意图的电流以及电容12而变低。另外，电压V3是利用减法电路25从输出电压V2减去光电压V1而得到的电压，因而急剧变高。另外，电压V4A根据电压V3以及电容13而急剧变高。

在时间t＝ta时，光电压V1急剧变低而达到饱和电压。电压检测电路41监视光电压V1，检测光电压V1已达到饱和电压的情况，将低电平的信号输出至PMOS晶体管42的栅极。由此，PMOS晶体管42导通，电压V4A被强制地固定为电源电压VDD。由此，放大器23的输出电压、电压V5以及输出电压Vout都被固定。

这里，根据照度比规定值高的入射光，当光电压V1达到饱和电压而恒定时，输出电压V2变低，因而电压V3(V3＝V2-V1)开始变低。由此，在不存在具有电压检测电路41以及PMOS晶体管42的控制电路40的第一实施方式中，根据电压V3，电压V4也开始变低。即，根据入射光照度的高低，电压V4应该变高而成为饱和电平，但在第一实施方式的情况下，当入射光的照度比规定值高时，电压V4从饱和电平变低。由此，照度传感器无法维持输出电压Vout的饱和电平。这里，在第二实施方式的情况下，当入射光的照度比规定值高时，将电压V4A强制地固定为电源电压VDD。由此，照度传感器可维持输出电压Vout的饱和电平。即，照度比规定值高的入射光被检测为具有在照度传感器可检测的范围内最高的照度的入射光。

这样，即使入射光的照度比规定值高，照度传感器也不会误检测入射光。

此外，在图3中，电压检测电路41监视放大器21的输入端子，虽未图示，但也可以监视放大器21的输出端子。此时，电压检测电路41监视放大器21的输出电压，检测放大器21的输出电压比规定电压低的情况，由此，检测光电压V1已达到饱和电压的情况。另外，虽未图示，但也可以监视减法电路25的输出端子。此时，电压检测电路41监视减法电路25的输出电压即电压V3，检测电压V3比规定电压高的情况，由此，检测光电压V1已达到饱和电压的情况。

另外，在图3中，电压检测电路41将电压V4A强制地固定为电源电压VDD，虽未图示，但也可以将放大器23的输出电压、电压V5以及输出电压Vout中的任意一个电压固定为电源电压VDD。

Claims (7)

1.一种电压输出型的照度传感器，其特征在于，该照度传感器具有：

第一光检测元件，其由阳极接地的PN结构成，输出基于入射光的光电压；

第一电容元件，其被连接在所述第一光检测元件的阴极与接地端子之间；

第二光检测元件，其由阳极接地的PN结构成，输出基于入射光的光电压；

第二电容元件，其被连接在所述第二光检测元件的阴极与接地端子之间；

减法电路，其输入端子与所述第一光检测元件和所述第二光检测元件的阳极连接，该减法电路由恒流源驱动，输出上述第一光检测元件与上述第二光检测元件的输出电压的差分电压；

电容，其一端被设置在上述减法电路的输出端子，另一端被设置在采样保持电路的输入端子；

开关，其设置在提供基准电压的节点与上述电容的另一端之间；以及

上述采样保持电路，其进行基于上述差分电压的上述电容的另一端的电压的采样或保持，

所述第一光检测元件和所述第二光检测元件分别由同一制造工艺形成，且分别形成为同一形状，

上述第一光检测元件具有仅使基于人类视感度的波长的入射光通过的截止滤波器，

上述第二光检测元件具有遮光滤波器而不流出光电流。

2.根据权利要求1所述的照度传感器，其特征在于，

上述第一光检测元件和上述第二光检测元件分别由同一深度的PN结构成。

3.根据权利要求1所述的照度传感器，其特征在于，

上述第一光检测元件和上述第二光检测元件分别由不同深度的PN结构成。

4.根据权利要求1所述的照度传感器，其特征在于，

上述开关在上述减法电路的输出电压开始变化的状态下接通，由此将上述电容的另一端的电压固定为基准电压。

5.根据权利要求1所述的照度传感器，其特征在于，

该照度传感器还具有控制电路，该控制电路检测上述光电压已达到饱和电压的情况，并固定照度传感器的输出电压。

6.根据权利要求5所述的照度传感器，其特征在于，

上述控制电路具有：

电压检测电路，其由反相器构成；以及

漏极开路型的PMOS晶体管，其栅极与上述电压检测电路的输出端子连接，源极与电源端子连接。

7.根据权利要求5所述的照度传感器，其特征在于，

上述控制电路具有：

电压检测电路，其由比较器构成；以及

漏极开路型的PMOS晶体管，其栅极与上述电压检测电路的输出端子连接，源极与电源端子连接。