CN103759824A - 用于可见光传感器的光电转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可见光传感器芯片的光电转换电路，主要解决现有技术暗电流噪声影响可见光感测准度的问题。其包括光电二极管阵列(1)，暗电流光电二极管阵列(2)，滤噪电路(3)；外部控制逻辑控制光电二极管阵列和暗电流二极管阵列实际接入电路的二极管数目；滤噪电路的第一输入端连接光电二极管阵列的输出，其第二输入端连接暗电流二极管阵列的输出，光电二极管阵列产生的包含暗电流的光电流与暗电流光电二极管阵列产生的暗电流通过滤噪电路进行相减，得到不含暗电流的可见光电流，输出给外部电荷平衡式模数转换电路。本发明提高了光电转换的精度，抑制了暗电流噪声对可见光感测结果的影响，提高了可见光感测的准度。

Description

用于可见光传感器的光电转换电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及光电转换电路，可用于可见光传感器中。

背景技术

许多诸如智能手机、游戏机、电脑、电视等电子设备都使用了可见光传感器将光照度量化输出后经控制逻辑调整背光灯，改善用户视觉体验，达到延长电池寿命，提高电源效率的目的。光电转换电路作为可见光传感器的最重要的组成部分之一，其转换精度极大程度上制约了整个可见光传感器系统的精度。

图1所示为传统的用于可见光传感器的光电转换系统框图。它包括控制逻辑电路，光电二极管，模数转换电路。在可见光检测期间，通过控制逻辑电路控制，使光电二极管接入电路中，光电二极管在光照下产生电流，该电流输入到模数转换电路中被转换为二进制数字量后输出，输出的数字量指示可见光的照度大小。

然而，由于可见光传感器的光源一般是自然光，灯光等，均具有较宽光谱，因而光电二极管会对可见光波段外的其他光谱产生响应，如对红外光产生响应，使得图1所示结构中光电二极管产生的电流中不仅包含了可见光转换而来的电流，还包含了非可见光转换而来的电流，这些电流均输入模数转换电路会导致可见光传感器对可见光照度大小感测不准确。同时由于光电二极管本身会产生随温度变化而与光照度无关的暗电流，使光电二极管所产生的光电流并不完全正比于光照度，图1所示结构中，光电二极管产生的暗电流未经处理直接输入模数转换电路也会导致可见光传感器对可见光照度大小感测不准确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于可见光传感器的光电转换电路，以避免非可见光噪声和暗电流的影响，提高可见光传感器对可见光照度感测的准确性。

为实现上述目的，本发明包括：光电二极管阵列1，暗电流二极管阵列2，其特征在于：还包括滤噪电路3

所述光电二极管阵列1，其正极接地电位，负极连接滤噪电路3的第一输入端；

所述暗电流二极管阵列2，其正极接地电位，负极连接滤噪电路3的第二输入端；

所述滤噪电路3，用于将光电二极管阵列1输出的光电流I₁与暗电流二极管阵列2输出的暗电流I₂相减，输出不含暗电流的环境光电流I₃。

上述的光电转换电路，其中光电二极管阵列1，包含64个并联的光电二极管，这些光电二极管上方均设有光学镀膜，其光学响应类似照度计，该64个并联的光电二极管按照控制逻辑选择接入滤噪电路3的第一输入端，每个光电二极管输出含有暗电流的光电流I₁₀，I₁₀=I₁/n₁，I₁为光电二极管阵列1输出的光电流，n₁为光电二极管阵列1接入滤噪电路3的第一输入端的光电二极管数目。

上述的光电转换电路，其中暗电流二极管阵列2，包含64个设有金属屏蔽层的并联光电二极管，这些光电二极管通过控制逻辑选择接入滤噪电路3的第二输入端，且每个光电二极管的输出仅包含暗电流I₂₀，I₂₀=I₂/n₂，I₂为暗电流二极管阵列2输出的暗电流，n₂为暗电流二极管阵列2接入滤噪电路3的第二输入端的光电二极管数目。

上述的光电转换电路，其中滤噪电路3，包含失配校正单元4、运算放大器OP、四个NMOS管和六个PMOS管，即第一NMOS管M₁,第二NMOS管M₂，第三NMOS管M₃，第四NMOS管M₄；第一PMOS管M₅，第二PMOS管M₆，第三PMOS管M₇，第四PMOS管M₈，第五PMOS管M₁₃，第六PMOS管M₁₄。

所述运算放大器OP，其同相端接基准电压VREF，反相端与自身输出端相接，并接到第三NMOS管M₃与第二PMOS管M₆的漏端；

所述失配校正单元4，包括四个PMOS管，即第七PMOS管M₉，第八PMOS管M₁₀，第九PMOS管M₁₁，第十PMOS管M₁₂。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明由于使用了光学镀膜的光电二极管阵列，抑制了非可见光成分噪声。

2.本发明中由于添加了暗电流光电二极管阵列和减法滤噪电路抑制了暗电流噪声。

3.本发明中由于添加了失配校正单元减小了减法滤噪电路中因失配造成的误差。

附图说明

图1为传统光电转换系统框图；

图2为是本发明光电转换电路框图；

图3为滤噪电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本发明的光电转换电路，包括光电二极管阵列1，暗电流二极管阵列2和滤噪电路3；

所述光电二极管阵列1，包含64个光电二极管，这些光电二极管上方均设有光学镀膜，其光学响应类似照度计。该64个光电二极管以并联的方式连接，通过控制逻辑选择接入电路的实际数目，其正极接地电位，负极接滤噪电路3的第一输入端；在有光照时从负极输出包含暗电流的光电流I₁给滤噪电路3。

所述暗电流光电二极管阵列2，包含64个并联的光电二极管，这些光电二极管上方均设有金属屏蔽层，对光不响应。该64个光电二极管以并联的方式连接，通过控制逻辑选择接入电路的实际数目，其正极接地电位，负极接滤噪电路3的第二输入端；该暗电流光电二极管阵列2仅输出暗电流I₂。

参照图3，本发明的滤噪电路3，包括失配校正单元4、运算放大器OP、四个NMOS管和六个PMOS管，即第一NMOS管M₁,第二NMOS管M₂，第三NMOS管M₃，第四NMOS管M₄；第一PMOS管M₅，第二PMOS管M₆，第三PMOS管M₇，第四PMOS管M₈，第五PMOS管M₁₃，第六PMOS管M₁₄；

所述失配校正单元4，包含4个PMOS管，即第七PMOS管M₉，第八PMOS管M₁₀第九PMOS管M₁₁，第十PMOS管M₁₂；第七PMOS管M₉和第九PMOS管M₁₁的栅极与外部数字逻辑的控制信号N连接，该信号N为周期是可见光电流检测周期n^-1倍的方波，n为正整数，占空比为50%；第七PMOS管M₉的源极与第八PMOS管M₁₀的源极连接，并作为失配校正单元4的第一输入端，第七PMOS管M₉的漏极接第十PMOS管M₁₂的漏极，作为失配校正单元4的第一输出端；第九PMOS管M₁₁的源极接第十PMOS管M₁₂源极，作为失配校正单元4的第二输入端，第九PMOS管M₁₁的漏极与第八PMOS管M₁₀的漏极相连作为失配校正单元4的第二输出端；第八PMOS管M₁₀和第十PMOS管M₁₂的栅极均与外部数字逻辑的控制信号N的反相信号XN连接。

所述运算放大器OP，其同相端接基准电压VREF，反相端与自身输出端相接，并连接到第三NMOS管M₃与第二PMOS管M₆的漏极；

所述第五PMOS管M₁₃和第六PMOS管M₁₄，其源极接高电位VDD，其栅极相连并接于第三PMOS管M₇的漏极，第五PMOS管M₁₃的漏级接失配校正单元4的第一输入端,第六PMOS管M₁₄的漏级接失配校正单元4的第二输入端；

所述第三PMOS管M₇和第四PMOS管M₈，其栅极相连并接于偏置电压Vbias，第三PMOS管M₇的漏极接第一NMOS管M₁的漏极，第三PMOS管M₇的源极接失配校正单元4的第一输出端，第四PMOS管M₈的漏极接第一PMOS管M₅和第二PMOS管M₆的漏极，其源极接失配校正单元4的第二输出端；

所述第一PMOS管M₅和第二PMOS管M₆，其源极接第四PMOS管M₈的漏极；第一PMOS管M₅的栅极与外部数字逻辑的控制信号M连接，其漏极接第一NMOS管M₂与第四NMOS管M₄的漏极；第二PMOS管M₆的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M的反相信号XM连接；

所述第一NMOS管M₁，第二NMOS管M₂，第三NMOS管M₃，第四NMOS管M₄，均用作开关管；第一NMOS管M₁和第二NMOS管M₂源极相连作为滤噪电路3的第一输入端，并接到暗电流光电二极管阵列2的输出端，第一NMOS管M₁的漏极接第三PMOS管M₇的漏极，第二NMOS管M₂的漏极接第四NMOS管M₄和第二PMOS管M₆的漏极；第三NMOS管M₃和第四NMOS管M₄源极相连作为滤噪电路3的第二输入端，并接到光电二极管阵列1的输出端，第一NMOS管M₁和第四NMOS管M₄的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M的反相信号XM连接，第二NMOS管M₂和第三NMOS管M₃的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M连接，第三NMOS管M₃的漏极接第二PMOS管M₆的漏极，第四NMOS管M₄的漏极接第二NMOS管M₂与第一PMOS管M₅的漏极；

上述第一PMOS管M₅，第二PMOS管M₆，第三PMOS管M₇，第四PMOS管M₈，第五PMOS管M₁₃，第六PMOS管M₁₄，第一PMOS管M₅和第二PMOS管M₆的尺寸一致，第五PMOS管M₁₃和第六PMOS管M₁₄的尺寸一致，第三PMOS管M₇和第四PMOS管M₈的尺寸一致。Vbias为第三PMOS管M₇和第四PMOS管M₈提供合适的偏置电压。

本发明的工作原理如下：

当M=1时，第一NMOS管M₁，第四NMOS管M₄和第一PMOS管M₅关断，第二NMOS管M₂，第三NMOS管M₃和第二PMOS管M₆打开，光电流I₁流入运算放大器OP，暗电流I₂经第二NMOS管M₂流入输出节点A。

当M=0时，第一NMOS管M₁和第四NMOS管M₄打开，暗电流I₂经过由第五PMOS管M₁₃，第六PMOS管M₁₄，第三PMOS管M₇，第四PMOS管M₈构成的共源共栅电流镜结构，通过第一PMOS管M₅后在输出节点与包含暗电流的可见光转换电流I₁完成减法运算，得到可见光电流I₃，I₃=∣I₁-I₂∣；可见光电流I₃对可见光周期积分得到可见光电荷量Q，可见光电荷量Q作为整个光电转换电路的输出提供给外部的电荷平衡式模数转换器。第五PMOS管M₁₃和第六PMOS管M₁₄具有相同的尺寸，且应严格匹配，以达到镜像电流高精度的要求，然而，在工艺过程中，晶体管的工艺不匹配是不可避免的。

当外部数字逻辑的控制信号N为低电平时，第七PMOS管M₉和第九PMOS管M₁₁导通，暗电流经第五PMOS管M₁₃，第七PMOS管M₉，镜像至第六PMOS管M₁₄，再经第九PMOS管M₁₁，流入输出节点A；

当外部数字逻辑的控制信号N为高电平时，受其反相信号XN控制的第八PMOS管M₁₀和第十PMOS管M₁₂导通，暗电流经过第九PMOS管M₁₁，第六PMOS管M₁₄，镜像至第六PMOS管M₁₄，再经第一PMOS管M₅流入输出节点A。由于控制信号N为周期是可见光电流检测周期n^-1倍的方波，n为正整数，占空比为50%，因此在一个完整的可见光检测周期内，暗电流由第五PMOS管M₁₃镜像至第六PMOS管M₁₄和暗电流由第六PMOS管M₁₄镜像至第五PMOS管M₁₃的时长各占1/2个可见光检测周期；若由于工艺失配，第五PMOS管M₁₃的宽长比小于第六PMOS管M₁₄，在外部控制信号N为低电平期间，输出节点A会输出正的电荷量误差ΔQ₁，在外部控制信号N为高电平期间，输出节点A会输出负的电荷量误差-ΔQ₂，因此在整个可见光检测周期，电荷量误差ΔQ=ΔQ₁-ΔQ₂，其绝对值远远小于ΔQ₁和ΔQ₂的绝对值，达到了对第五PMOS管M₁₃和第六PMOS管M₁₄的不匹配造成的输出误差校正的目的，减小了光电转换电路输出的可见光电荷量误差。

Claims (5)

1.一种用于可见光传感器的光电转换电路，包括：光电二极管阵列（1），暗电流二极管阵列（2），其特征在于：还包括滤噪电路（3）

所述光电二极管阵列（1），其正极接地电位，负极连接滤噪电路（3）的第一输入端；

所述暗电流二极管阵列（2），其正极接地电位，负极连接滤噪电路（3）的第二输入端；

所述滤噪电路（3），用于将光电二极管阵列（1）输出的光电流I₁与暗电流二极管阵列（2）输出的暗电流I₂相减，输出不含暗电流的环境光电流I₃。

2.根据权利要求书1所述的光电转换电路，其特征在于光电二极管阵列（1），包含64个并联的光电二极管，这些光电二极管上方均设有光学镀膜，其光学响应类似照度计，该64个并联的光电二极管按照控制逻辑选择接入滤噪电路(3)的第一输入端，每个光电二极管输出含有暗电流的光电流I₁₀，I₁₀=I₁/n₁，I₁为光电二极管阵列（1）输出的光电流，n₁为光电二极管阵列（1）接入滤噪电路（3）的第一输入端的光电二极管数目。

3.根据权利要求书1所述的光电转换电路，其特征在于暗电流二极管阵列（2），包含64个设有金属屏蔽层的并联光电二极管，这些光电二极管通过控制逻辑选择接入滤噪电路（3）的第二输入端，且每个光电二极管的输出仅包含暗电流I₂₀，I₂₀=I₂/n₂，I₂为暗电流二极管阵列（2）输出的暗电流，n₂为暗电流二极管阵列（2）接入滤噪电路（3）的第二输入端的光电二极管数目。

4.根据权利要求书1所述的光电转换电路,其特征在于滤噪电路（3），包含失配校正单元（4）、运算放大器OP、四个NMOS管和六个PMOS管，即第一NMOS管M₁,第二NMOS管M₂，第三NMOS管M₃，第四NMOS管M₄；第一PMOS管M₅，第二PMOS管M₆，第三PMOS管M₇，第四PMOS管M₈，第五PMOS管M₁₃，第六PMOS管M₁₄；

所述运算放大器OP，其同相端接基准电压VREF，反相端与自身输出端相接，并接到第三NMOS管M₃与第二PMOS管M₆的漏端；

所述第五PMOS管M₁₃和第六PMOS管M₁₄的源极接高电位VDD，其栅极相连并接于第三PMOS管M₇的漏极，第五PMOS管M₁₃的漏级接失配校正单元（4）的第一输入端,第六PMOS管M₁₄的漏级接失配校正单元（4）的第二输入端；

所述第三PMOS管M₇和第四PMOS管M₈，其栅极相连并接于偏置电压Vbias，第三PMOS管M₇的漏极接第一NMOS管M₁的漏极，第三PMOS管M₇的源极接失配校正单元（4）的第一输出端，第四PMOS管M₈的漏极接第一PMOS管M₅和第二PMOS管M₆的漏极，第四PMOS管M₈的源极接失配校正单元（4）的第二输出端；

所述第一PMOS管M₅和第二PMOS管M₆，其源极相连并接到失配校正单元（4）的第二输出端；第一PMOS管M₅的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M连接，其漏极接第二NMOS管M₂与第四NMOS管M₄的漏极；第二PMOS管M₆的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M的反相信号XM连接；

所述第一NMOS管M₁和第二NMOS管M₂，其源极相连并接到暗电流二极管阵列（2）的输出端；第一NMOS管M₁的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M的反相信号XM连接，其漏极接第三PMOS管M₇的漏极；第二NMOS管M₂的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M连接，其漏极接第四NMOS管M₄和第二PMOS管M₆的漏极；

所述第三NMOS管M₃和第四NMOS管M₄，其源极相连并接到光电二极管阵列（1）的输出端；第三NMOS管M₃的栅极与来自于外部数字逻辑的控制信号M连接，其漏极接第二PMOS管M₆的漏极；第四NMOS管M₄的栅极与外部数字逻辑的控制信号M的反相信号XM连接，其漏极接第二NMOS管M₂与第一PMOS管M₅的漏极。

5.根据权利要求书4所述光电转换电路，其特征在于失配校正单元（4），包括四个PMOS管，即第七PMOS管M₉，第八PMOS管M₁₀，第九PMOS管M₁₁，第十PMOS管M₁₂；

所述第七PMOS管M₉和第九PMOS管M₁₁，其栅极与外部数字逻辑的控制信号N连接，该信号N为周期是可见光电流检测周期n^-1倍的方波，n为正整数，占空比为50%；第七PMOS管M₉的源极接第八PMOS管M₁₀的源极，并作为失配校正单元（4）的第一输入端，第七PMOS管M₉的漏极接第十PMOS管M₁₂的漏极，作为失配校正单元（4）的第一输出端；第九PMOS管M₁₁的源极接第十PMOS管M₁₂源极，作为失配校正单元（4）的第二输入端，第九PMOS管M₁₁的漏极与第八PMOS管M₁₀的漏极相连作为失配校正单元（4）的第二输出端；

所述第八PMOS管M₁₀和第十PMOS管M₁₂，其栅极与外部数字逻辑的控制信号N的反相信号XN连接。

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