CN104469193B - 具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法，具有暗电流补偿的感测装置包含：感测电路，用以将待测物理量或待测化学量转换为模拟感测讯号；暗电流补偿电路，与感测电路耦接，并根据参考讯号而对模拟感测讯号进行运算，以产生模拟补偿讯号；以及转换电路，根据模拟补偿讯号，产生数字感测讯号。

Description

具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法，特别是指一种对模拟感测讯号进行运算，以产生模拟补偿讯号的具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法。

背景技术

图1A显示一种典型的感测装置100的示意图。如图1A所示，感测装置100包含感测电路11、模拟增益电路13、模拟数字转换电路15、与数字处理电路18。感测电路11用以感测待测物理量或化学量，而产生模拟感测讯号。模拟增益电路13接收模拟感测讯号，并产生模拟增益讯号。模拟数字转换电路接收模拟增益讯号，并将其转换为数字增益讯号。数字处理电路接收数字增益讯号，将其中的噪声与暗电流去除后，产生数字感测讯号。如图1B所示，模拟感测讯号包含功率噪声PN、暗电流DC、与目的讯号SIG。

以影像感测装置为例，感测电路11例如为影像感测电路。影像感测电路感测影像而产生模拟影像感测讯号，经过模拟增益电路13的放大，而产生模拟增益讯号。模拟增益讯号包括放大功率噪声PN、暗电流DC、与目的讯号SIG后而分别产生的功率噪声PN1、暗电流DC1、与目的讯号SIG1。模拟增益讯号再经过模拟数字转换电路15，而产生数字增益讯号。数字处理电路18将数字增益讯号中的功率噪声PN2与暗电流DC2扣除后，产生数字感测讯号。请参阅图1B，模拟感测讯号除了目的讯号SIG之外，还包含功率噪声PN与暗电流DC，经过模拟增益电路13放大之后，可能会超过溢流位准，例如在高温的操作环境中，当温度每升高约6-7度，会使暗电流增为2倍。举例而言，车用电子仪器可能在摄氏80～100度的环境下操作，比起常温摄氏25度时，因环境温度而产生的暗电流会增为摄氏25度的数十倍以上。因此，经过放大后，模拟增益讯号可能会因为暗电流过高，而超过溢流位准，进而使超出溢流位准的部分被舍弃。请参阅图1B，在经过模拟数字转换后，数字增益讯号被输入数字处理电路18。数字处理电路18扣除数字增益讯号中，分别由功率噪声PN1、暗电流DC1转换后的功率噪声PN2与暗电流DC2之后，得到的数字感测讯号，就会无法包含原来的目的讯号SIG，这是因为目的讯号SIG在模拟增益讯号超过溢流位准时，被截掉了。

功率噪声PN来自电源电压的噪声，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。现有技术感测装置100在例如高温环境的操作下，可能因模拟增益讯号中的暗电流过高，而超过溢流位准，而造成目的讯号SIG散失，进而无影像输出。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法，可在暗电流过高情况下，保持目的讯号，使模拟感测讯号在转换为数字感测讯号后，不致失去目的讯号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种具有暗电流补偿的感测装置及其控制方法，可在暗电流过高情况下，保持目的讯号，使模拟感测讯号在转换为数字感测讯号后，不致失去目的讯号。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种具有暗电流补偿的感测装置，包含：一感测电路，用以将一待测物理量或一待测化学量转换为一模拟感测讯号；一暗电流补偿电路，与该感测电路耦接，并根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号；以及一转换电路，与该暗电流补偿电路耦接，并根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号。

为达上述目的，就另一观点言，本发明也提供了一种具有暗电流补偿的感测装置控制方法，包含：将一待测物理量或一待测化学量转换为一模拟感测讯号；根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号；以及根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该参考讯号根据以下至少一项参数或其变化量而产生：一环境温度；一增益讯号；以及一曝光时间讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该栅极于正常操作时与一接地电位电性连接。

在其中一种较佳的实施型态中，该暗电流补偿电路根据该参考讯号而对该模拟感测讯号所进行的运算，包括以下至少一项方式：一线性运算；一非线性运算；一查表运算；以及一比例运算。

在其中一种较佳的实施型态中，该感测电路包括：至少一感测元件，用以感测该待测物理量或化学量，而产生一感测物理讯号或一感测化学讯号，以及一物理背景讯号或一化学背景讯号；以及一相关性双取样电路，与该感测元件耦接，用以根据该感测物理讯号或感测化学讯号，以及该物理背景讯号或该化学背景讯号，产生该感测讯号。

在前述实施例中，该感测元件具有：一第一感测元件，用以感测该待测物理量或化学量，而产生该感测物理讯号或该感测化学讯号；以及一第二感测元件，用以感测一背景值，而产生一第一物理背景讯号或一第一化学背景讯号；其中，该第一物理背景讯号或该第一化学背景讯号，用以产生该参考讯号。

在前述实施例中，该感测元件较佳地更具有一第三感测元件，用以感测该背景值，而产生一第二物理背景讯号或一第二化学背景讯号；其中，该转换电路，更根据该第二物理背景讯号或该第二化学背景讯号，产生该数字感测讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该暗电流补偿电路包括：一前置转换电路，与该感测电路耦接，用以根据该参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一前置模拟讯号；以及一模拟增益电路，与该前置转换电路耦接，以根据该前置模拟讯号，产生该模拟补偿讯号。

在前述实施例中，该转换电路较佳地包括：一模拟数字转换电路，与该模拟增益电路耦接，用以将该模拟补偿讯号，转换为一数字补偿讯号；一功率噪声消除电路，与该模拟数字转换电路耦接，用以将该数字补偿讯号，转换为一功率噪声消除讯号；以及一自动背景讯号消除电路，与该功率噪声消除电路耦接，用以根据该功率噪声消除讯号，产生该数字感测讯号。

在前述实施例中，该暗电流补偿电路较佳地更包括：一背景讯号分析电路，与该模拟增益电路耦接，用以根据该数字补偿讯号，产生一背景分析讯号；以及一参考讯号决定电路，与该背景讯号分析电路耦接，用以根据该背景分析讯号，产生该参考讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该暗电流补偿电路更根据一溢流位准与一下限位准，而对该模拟感测讯号进行运算，以产生该模拟补偿讯号，使得该模拟补偿讯号介于该溢流位准与该下限位准之间。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A显示现有技术的感测装置100的示意图；

图1B显示现有技术的感测装置100的讯号示意图；

图2A-2B显示本发明的第一个实施例；

图3A-3B显示本发明的第二个实施例；

图4A-4C显示本发明的第三个实施例；

图5A-5B显示本发明的第四个实施例；

图6显示本发明的第五个实施例。

图中符号说明

11,21 感测电路

13 模拟增益电路

15 模拟数字转换电路

18 数字处里电路

23 暗电流补偿电路

25 转换电路

100 感测装置

200 具有暗电流补偿的感测装置

DC,DC1,DC’ 暗电流

PN,PN1,PN2,PNd 功率噪声

SIG,SIG1,SIG2,SIGd 目的讯号

具体实施方式

请参阅图2A-2B，显示本发明第一个实施例。图2A显示具有暗电流补偿的感测装置200的示意图。如图2A所示，具有暗电流补偿的感测装置200包含感测电路21、暗电流补偿电路23、以及转换电路25。感测电路21将待测物理量或待测化学量转换为模拟感测讯号。暗电流补偿电路23与感测电路21耦接，并根据参考讯号而对模拟感测讯号进行运算，以产生模拟补偿讯号。转换电路25与暗电流补偿电路23耦接，并根据模拟补偿讯号，产生数字感测讯号。以影像感测装置为例，感测电路21例如但不限于为影像感测电路。影像感测电路感测影像而产生模拟影像感测讯号，暗电流补偿电路23根据参考讯号而对模拟影像感测讯号进行运算，而产生模拟影像补偿讯号，再经过转换电路25，而产生数字影像感测讯号。

图2B显示具有暗电流补偿的感测装置200的讯号示意图，如图2B所示，模拟感测讯号除了目的讯号SIG之外，还包含功率噪声PN与暗电流DC。与现有技术不同的是，本实施例在模拟端电路，也就是感测电路21与暗电流补偿电路23，即根据参考讯号，对模拟感测讯号直接进行运算，如图2B所示，运算后暗电流补偿电路23产生模拟补偿讯号，模拟补偿讯号经运算后可不超过溢流位准，包含目的讯号SIG1、功率噪声PN1、与暗电流DC1。如此一来，模拟补偿讯号中的目的讯号SIG1可以被保留下来。模拟补偿讯号经过转换电路25的转换，将其中的功率噪声PN1与暗电流DC1去除，而产生数字感测讯号，其中包含了由目的讯号SIG转换后的目的讯号SIG2。

其中，根据本发明，参考讯号可根据以下至少一项参数或其变化量而产生：环境温度、增益讯号、以及曝光时间讯号。其中，以环境温度而言，例如可以量测环境温度或其变化而决定参考讯号，如前所述，环境温度越高，暗电流越大，因此，利用侦测环境温度或其变化，当温度越高时，使参考讯号越高，并将模拟感测讯号减去参考讯号或其相关参数，如此一来，就可以根据温度高低，适应性调整模拟补偿讯号，进而使模拟补偿讯号不致超过溢流位准。

所谓增益讯号，相关于转换电路中，模拟补偿讯号转换为数字感测讯号的放大比例。而曝光时间讯号，是在影像感测装置中，相关于影像感测电路中的影像感测元件相关于曝光时间的参数。此为本领域技术人员熟知，在此不予赘述。

根据本发明，暗电流补偿电路根据参考讯号而对模拟感测讯号所进行的运算，包括以下至少一项方式：线性运算、非线性运算、查表运算、以及比例运算。线性运算指模拟补偿讯号、模拟感测讯号、与参考讯号之间，存在线性函数关系。而非线性运算则指模拟补偿讯号、模拟感测讯号、与参考讯号之间，存在非线性函数关系。查表运算则是指根据参考讯号，以查表的方式，对模拟感测讯号运算，以产生模拟补偿讯号。比例运算例如但不限于设定一或多重临界值，比对参考讯号后产生运算值，以对模拟感测讯号进行运算。

图3A-3B显示本发明第二个实施例。如图3A所示，感测电路21例如但不限于包含感测元件211与相关性双取样(Correlated Double Sampling,CDS)电路213。感测元件211用以感测待测物理量或化学量(合称待测量)，而产生感测物理讯号或感测化学讯号(合称感测讯号)，以及物理背景讯号或化学背景讯号(合称背景讯号)。以影像感测电路为例，感测元件211例如为多个影像感测元件，其中部分影像感测元件感测目的影像，而产生影像感测讯号；部分感测元件以遮光层遮蔽影像讯号，以感测除目的影像外的背景值，而产生背景讯号。其中，背景讯号例如但不限于用以产生参考讯号。相关性双取样电路213根据感测讯号与背景讯号，产生模拟感测讯号。

请参阅图3B，显示感测电路21的讯号示意图，如图2B所示，感测讯号例如包含目的讯号SIG、功率噪声PN与暗电流DC。背景讯号包含功率噪声PN与暗电流DC，相较于感测讯号，背景讯号未包含目的讯号SIG。模拟感测讯号例如但不限于与感测讯号相同，包含目的讯号SIG、功率噪声PN与暗电流DC。

在第二个实施例中，部分感测元件可用以感测背景值，而产生另一背景讯号；其中，转换电路25可更根据此背景讯号，产生数字感测讯号。也就是说，一背景讯号可用以产生参考讯号，而另一背景讯号可用以产生数字感测讯号。

图4A-4B显示本发明第三个实施例。如图4A所示，暗电流补偿电路23包括前置转换电路231与模拟增益电路233。前置转换电路231与感测电路耦接，用以根据参考讯号而对模拟感测讯号进行运算，以产生前置模拟讯号。模拟增益电路233与前置转换电路231耦接，以根据前置模拟讯号，产生模拟补偿讯号。前置转换电路231主要的功能，在于将模拟感测讯号，与一预设讯号(例如为前述参考讯号)作前述的线性、非线性、查表、比例等运算。举例而言，请参阅图4B，前置转换电路231根据相关于暗电流DC的参考讯号，而扣除部分模拟感测讯号，因为参考讯号相关于暗电流DC，因此图示中以扣除部分暗电流DC而产生暗电流DC’，并使运算后所产生的前置模拟讯号如图所示，不超过溢流位准。在本实施例中，模拟增益电路233例如以增益为1将前置模拟讯号转换为模拟补偿讯号；因此，如图4B所示，前置模拟讯号与模拟补偿讯号具有相同的位准。然而，本发明并不限于此，根据本发明，在其它实施例中，模拟增益电路233可根据不同的增益，而将前置模拟讯号转换为不同位准的模拟补偿讯号，如图4C所示。

图5A-5B显示本发明第四个实施例。如图5A所示，转换电路25包括模拟数字转换(analog/digital converter,ADC)电路251、功率噪声消除(power noise cancellation,PNC)电路253、与自动背景讯号消除(automatic background cancellation)电路255。模拟数字转换电路251与模拟增益电路233耦接，用以将模拟补偿讯号，转换为数字补偿讯号。功率噪声消除电路253与模拟数字转换电路251耦接，用以将数字补偿讯号，转换为功率噪声消除讯号。自动背景讯号消除电路255与功率噪声消除电路253耦接，用以根据功率噪声消除讯号，产生数字感测讯号。

请参阅图5B，显示转换电路25的讯号示意图，如图5B所示，模拟补偿讯号例如包含目的讯号SIG1、功率噪声PN1与暗电流DC1。模拟数字转换电路251将模拟补偿讯号转换为数字补偿讯号，这是一个模拟讯号转换为数字讯号的程序，为本技术领域中常用的技术手段。如图所示，数字补偿讯号例如将目的讯号SIG1、功率噪声PN1与暗电流DC1数字化后转换为目的讯号SIGd、功率噪声PNd与暗电流DCd。数字补偿讯号经过功率噪声消除电路253的处理程序，将其中的功率噪声PNd去除，而产生功率噪声消除讯号。接下来，功率噪声消除讯号经过自动背景讯号消除电路255的处理程序，将其中的暗电流去除，而产生数字感测讯号，其包含目的讯号SIG2，代表待测物理量或待测化学量。当然，在模拟数字转换电路251、功率噪声消除电路253、与自动背景讯号消除电路255转换讯号的过程中，不限于如第5B图所示，亦可以加入其它运算，例如但不限于可以包含放大、线性、非线性等运算。

图6显示本发明第五个实施例。如图6所示，暗电流补偿电路23除了第三个实施例所述的前置转换电路231与模拟增益电路233外，更包括背景讯号分析电路235与参考讯号决定电路237。本实施例旨在说明，参考讯号可以经由背景讯号分析电路235的处理，产生前置模拟讯号，再由参考讯号决定电路237根据前置模拟讯号，产生参考讯号。当然参考讯号的产生或运用方式，不限于此，亦可以有其它的实施方式，只要在模拟感测讯号转换为模拟补偿讯号之前，根据本发明，使讯号不致超过溢流位准，使其中的目的讯号保留即可；举例而言，参考讯号亦可如图中虚线所示的方式，输入模拟增益电路233进行调整。此外，根据本发明，除了使讯号不致超过溢流位准之外，亦可以使暗电流补偿电路更根据下限位准，而对模拟感测讯号进行运算，以产生模拟补偿讯号，使得模拟补偿讯号介于溢流位准与该下限位准之间。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，在所示各实施例中，可插入不影响讯号主要意义的电路，如其它开关电路或逻辑电路等；又如，感测装置并不限于影像感测装置，亦可包含其它感测装置，如超音波感测装置、气体感测装置、压力感测装置、加速度感测装置等等。本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (20)

1.一种具有暗电流补偿的感测装置，其特征在于，包含：

一感测电路，用以将一待测物理量或一待测化学量转换为一模拟感测讯号，其中该模拟感测讯号中包含受暗电流影响的成分；

一暗电流补偿电路，与该感测电路耦接，并根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号，其中减少受暗电流影响的成分；以及

一转换电路，与该暗电流补偿电路耦接，并根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号。

2.如权利要求1所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该参考讯号根据以下至少一项参数或其变化量而产生：

一环境温度；

一增益讯号；以及

一曝光时间讯号。

3.如权利要求1所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该暗电流补偿电路根据该参考讯号而对该模拟感测讯号所进行的运算，包括以下至少一项方式：

一线性运算；

一非线性运算；

一查表运算；以及

一比例运算。

4.如权利要求1所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该感测电路包括：

至少一感测元件，用以感测该待测物理量或化学量，而产生一感测物理讯号或一感测化学讯号，以及一物理背景讯号或一化学背景讯号；以及

一相关性双取样电路，与该感测元件耦接，用以根据该感测物理讯号或感测化学讯号，以及该物理背景讯号或该化学背景讯号，产生该感测讯号。

5.如权利要求4所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该感测元件具有：

一第一感测元件，用以感测该待测物理量或化学量，而产生该感测物理讯号或该感测化学讯号；以及

一第二感测元件，用以感测一背景值，而产生一第一物理背景讯号或一第一化学背景讯号；

其中，该第一物理背景讯号或该第一化学背景讯号，用以产生该参考讯号。

6.如权利要求5所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该感测元件还具有一第三感测元件，用以感测该背景值，而产生一第二物理背景讯号或一第二化学背景讯号；其中，该转换电路，还根据该第二物理背景讯号或该第二化学背景讯号，产生该数字感测讯号。

7.如权利要求1所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该暗电流补偿电路包括：

一前置转换电路，与该感测电路耦接，用以根据该参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一前置模拟讯号；以及

一模拟增益电路，与该前置转换电路耦接，以根据该前置模拟讯号，产生该模拟补偿讯号。

8.如权利要求7所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该转换电路包括：

一模拟数字转换电路，与该模拟增益电路耦接，用以将该模拟补偿讯号，转换为一数字补偿讯号；

一功率噪声消除电路，与该模拟数字转换电路耦接，用以将该数字补偿讯号，转换为一功率噪声消除讯号；以及

一自动背景讯号消除电路，与该功率噪声消除电路耦接，用以根据该功率噪声消除讯号，产生该数字感测讯号。

9.如权利要求8所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该暗电流补偿电路还包括：

一背景讯号分析电路，与该模拟增益电路耦接，用以根据该数字补偿讯号，产生一背景分析讯号；以及

一参考讯号决定电路，与该背景讯号分析电路耦接，用以根据该背景分析讯号，产生该参考讯号。

10.如权利要求1所述的具有暗电流补偿的感测装置，其中，该暗电流补偿电路还根据一溢流位准与一下限位准，而对该模拟感测讯号进行运算，以产生该模拟补偿讯号，使得该模拟补偿讯号介于该溢流位准与该下限位准之间。

11.一种具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其特征在于，包含：

将一待测物理量或一待测化学量转换为一模拟感测讯号，其中该模拟感测讯号中包含受暗电流影响的成分；

根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号，其中减少受暗电流影响的成分；以及

根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号。

12.如权利要求11所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该参考讯号根据以下至少一项参数或其变化量而产生：

一环境温度；

一增益讯号；以及

一曝光时间讯号。

13.如权利要求11所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该暗电流补偿电路根据该参考讯号而对该模拟感测讯号所进行的运算，包括以下至少一项方式：

一线性运算；

一非线性运算；

一查表运算；以及

一比例运算。

14.如权利要求11所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该将一待测物理量或一待测化学量转换为一模拟感测讯号的步骤包括：

感测该待测物理量或化学量，而产生一感测物理讯号或一感测化学讯号，以及一物理背景讯号或一化学背景讯号；以及

根据该感测物理讯号或感测化学讯号，以及该物理背景讯号或该化学背景讯号，产生该感测讯号。

15.如权利要求14所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该感测该待测物理量或化学量的步骤包括：

感测该待测物理量或化学量，而产生该感测物理讯号或该感测化学讯号；以及

感测一背景值，而产生一第一物理背景讯号或一第一化学背景讯号；

其中，该第一物理背景讯号或该第一化学背景讯号，用以产生该参考讯号。

16.如权利要求15所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该感测该待测物理量或化学量的步骤包括：感测该背景值，而产生一第二物理背景讯号或一第二化学背景讯号；其中，该根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号的步骤，还根据该第二物理背景讯号或该第二化学背景讯号，产生该数字感测讯号。

17.如权利要求11所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号的步骤包括：

根据该参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一前置模拟讯号；以及

根据该前置模拟讯号，产生该模拟补偿讯号。

18.如权利要求17所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该根据该模拟补偿讯号，产生一数字感测讯号的步骤包括：

将该模拟补偿讯号，转换为一数字补偿讯号；

将该数字补偿讯号，转换为一功率噪声消除讯号；以及

根据该功率噪声消除讯号，产生该数字感测讯号。

19.如权利要求18所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号的步骤还包括：

根据该数字补偿讯号，产生一背景分析讯号；以及

根据该背景分析讯号，产生该参考讯号。

20.如权利要求11所述的具有暗电流补偿的感测装置控制方法，其中，该根据一参考讯号而对该模拟感测讯号进行运算，以产生一模拟补偿讯号的步骤还根据一溢流位准与一下限位准，而对该模拟感测讯号进行运算，以产生该模拟补偿讯号，使得该模拟补偿讯号介于该溢流位准与该下限位准之间。