CN106940199B - 具有漏电流抑制的光频传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有漏电流抑制的光频传感器，包括光电流产生模块、镜像电流模块、漏电流模块，放大器Aau、施密特电路、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器和或非门。光频传感器的功能也是第一步检测光强，转化为光电流，第二步电流转为电压信号，第三步电压信号通过整形，延迟后得到频率信号。本发明提出了抑制开关MOS管的漏电流技术，实现了在芯片上仅采用单个光电二极管就能满足高动态线性范围的需求。本发明极大减小了作为开关的MOS管的漏电流，在极低光强下，该光频转换器也能有效工作。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体的说是一种高线性动态范围光频传感器设计。
背景技术
应用于血氧仪的光频传感器，必须对波长660nm和940nm的光有高的动态线性响应。如图1所示，传统技术通过电流镜将光电二极管产生的电流Ipfm复制出来给电容Ci充电，用一个比较器将电容上的电压和标准电压Vbgr比较，输出高低电平，实现电流转频率的功能。但是缺点是很难将动态范围扩展到低光照条件下，因为低光照时，光电二极管产生的光电流非常小，理想情况下，控制电容的开关MOS管关断时，光电流应该给电容充电，但因为开关MOS管在关断时还存在漏电流，导致光电流泄漏掉，不能给电容有效充电达到需要的电压。因此，许多业界产品在低光照高温条件下工作时表现不佳。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种具有漏电流抑制的光频传感器，该光频传感器光电传感器产品，动态范围和线性度不高的特点，特别是在低光照以及高温度条件下，性能明显退化，创造性的提出了抑制开关MOS管的漏电流技术，实现了在芯片上仅采用单个光电二极管就能满足高动态线性范围的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种具有漏电流抑制的光频传感器，包括光电流产生模块、镜像电流模块、漏电流模块，放大器Aau、施密特电路、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器和或非门；所述镜像电流模块接收光电流产生模块产生的光电流，镜像电流模块产生的电流输入到漏电流抑制模块中，漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端连接，放大器Aau的反向输入端与信号VBGR连接，所述漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端间连接接地电容C1，放大器Aau的输出端与施密特电路的输入端连接，施密特电路的输出端与第一反相器连接，第一反相器连接第二反相器，第二反相器连接第三反相器，第二反相器与第三反相器间连接接地电容C2，第三反相器的输出端与或非门的其中一个输入端连接，或非门的另一个输入端为复位端，或非门的输出端连接第五反相器，第五反相器连接第六反相器，第六反相器的输出端连接漏电流抑制模块的其中一个输入端，第五反相器的输出端连接漏电流抑制模块的另一个输入端。
进一步，所述光电流产生模块包括光电二极管PD、放大器A1、MOS管M9和MOS管M10；光电二极管PD的阳极接地，阴极分别与MOS管M10的源极、放大器A1的反向输入端连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M9的源极连接，MOS管M10的栅极分别与MOS管M9的栅极、放大器A1的输出端连接，放大器A1的正向输入端接地，MOS管M9的漏极与镜像电流模块的输入端连接。
进一步，所述镜像电流模块包括MOS管M1～MOS管M8，MOS管M1的源极、MOS管M2的源极、MOS管M5的源极和MOS管M6的源极连接，MOS管M1的栅极分别与MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、MOS管M3的漏极连接，MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的源极、MOS管M5的栅极连接，MOS管M2的漏极分别与MOS管M6的栅极、MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极与漏电极抑制模块的输入端连接，MOS管M4的栅极分别与MOS管M6的漏极、MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地；MOS管M3的漏极与MOS管M9的漏极连接，MOS管M5的漏极分别与MOS管M7的漏极、栅极连接，MOS管M7的栅极接地，MOS管M7的栅极与MOS管M8的栅极连接。
进一步，所述漏电流抑制模块包括放大器A2、MOS管M11、MOS管M12和MOS管M13，所述MOS管M13的源极分别与放大器A2的输入端、反向输入端连接；MOS管M13的栅极与第六反相器的输出端连接，MOS管M13的漏极分别与MOS管M11的源极、MOS管M12的漏极连接，MOS管M12的源极接地，所述MOS管M12的栅极分别与MOS管M11的栅极、第五反相器的输出端连接，MOS管M11的漏极分别与电容C1的一端、放大器Aau的正向输入端连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明极大减小了作为开关的MOS管的漏电流，在极低光强下，该光频转换器也能有效工作。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为传统光频传感器结构；
图2为本发明光频传感器系统架构；
图3为光电流产生模块；
图4为镜像电流模块；
图5为漏电流抑制模块；
图6为反相器电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
一种具有漏电流抑制的光频传感器，包括光电流产生模块、镜像电流模块、漏电流模块，放大器Aau、施密特电路、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器和或非门；所述镜像电流模块接收光电流产生模块产生的光电流，镜像电流模块产生的电流输入到漏电流抑制模块中，漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端连接，放大器Aau的反向输入端与信号VBGR(该信号是由基准电路产生的一个稳定的电压信号)连接，所述漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端间连接接地电容C1，放大器Aau的输出端与施密特电路的输入端连接，施密特电路的输出端与第一反相器连接，第一反相器连接第二反相器，第二反相器连接第三反相器，第二反相器与第三反相器间连接接地电容C2，第三反相器的输出端与或非门的其中一个输入端连接，或非门的另一个输入端为复位端，或非门的输出端连接第五反相器，第五反相器连接第六反相器，第六反相器的输出端连接漏电流抑制模块的其中一个输入端，第五反相器的输出端连接漏电流抑制模块的另一个输入端。
所述光电流产生模块包括光电二极管PD、放大器A1、MOS管M9和MOS管M10；光电二极管PD的阳极接地，阴极分别与MOS管M10的源极、放大器A1的反向输入端连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M9的源极连接，MOS管M10的栅极分别与MOS管M9的栅极、放大器A1的输出端连接，放大器A1的正向输入端接地，MOS管M9的漏极与镜像电流模块的输入端连接。
所述镜像电流模块包括MOS管M1～MOS管M8，MOS管M1的源极、MOS管M2的源极、MOS管M5的源极和MOS管M6的源极连接，MOS管M1的栅极分别与MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、MOS管M3的漏极连接，MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的源极、MOS管M5的栅极连接，MOS管M2的漏极分别与MOS管M6的栅极、MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极与漏电极抑制模块的输入端连接，MOS管M4的栅极分别与MOS管M6的漏极、MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地；MOS管M3的漏极与MOS管M9的漏极连接，MOS管M5的漏极分别与MOS管M7的漏极、栅极连接，MOS管M7的栅极接地，MOS管M7的栅极与MOS管M8的栅极连接。
所述漏电流抑制模块包括放大器A2、MOS管M11、MOS管M12和MOS管M13，所述MOS管M13的源极分别与放大器A2的输入端、反向输入端连接；MOS管M13的栅极与第六反相器的输出端连接，MOS管的漏极分别与MOS管M11的源极、MOS管M12的漏极连接，MOS管M12的源极接地，所述MOS管M12的栅极分别与MOS管M11的栅极、第五反相器的输出端连接，MOS管M11的漏极分别与电容C1的一端、放大器Aau的正向输入端连接。
所述的第一反相器～第六反相器采用同样的结构，包括两个MOS管，以第二反向器为例，包括MOS管M23和MOS管M14。所述MOS管M23的源极接电源，MOS管M23的栅极与MOS管M14的栅极连接并作为该反相器的输入端，MOS管M14的源极接地，MOS管M23的漏极和MOS管M14的漏极连接并作为该反相器的输出端。
根据MOS管的I/V特性函数关系，当栅源电压一定时，MOS管的漏极电流和漏源电压有关，当MOS管工作在三极管区时，即2(VGS-VTH)＞＞VDS，式(1)可以改写成式(2)
上式中ID代表漏极电流，μn代表MOS管的表面迁移率，COX代表单位面积栅氧化物电容，W代表有效沟道宽度，L代表有效沟道长度，VDS代表漏源电压，VGS代表栅源电压，VTH代表MOS管阈值电压。
从式(2)可知，漏极电流是漏源电压VDS的线性函数。所以为了在MOS管关断时减小漏极电流，必须使VDS趋近于0。
图2是改进后光频传感器的整体结构，功能也是第一步检测光强，转化为光电流，第二步电流转为电压信号，第三步电压信号通过整形，延迟后得到频率信号。
在漏电流抑制(Leakage current suppression)模块中，如图5所示，采用M11和M12作为开关管，当信号VFB为低时，MOS管M11和MOS管M12关断，此时光电二极管PD如图3所示，产生的电流I0通过电流镜(Current Mirror)复制成I1后给电容C1充电，为了降低MOS管M11的漏电流，避免在关断时候，电流I1从MOS管M11和MOS管M12泄漏到地。必须使MOS管M11漏源两端即a，b两点的电压差为0，这里需要一个放大器A2和MOS管M13构成的反馈自动控制系统。VFB_n是VFB通过第六反相器得到的信号，当VFB为低时，VFB_n为高，此时MOS管M13导通，假设a点电压大于b点，存在漏电流，因为MOS管M13导通，c点电压接近b点，此时放大器A2输出一个放大的信号，就会提高c点的电压，当c点电压升高，b点电压也会升高，这就使得a，b两点电压差减小趋近于0，减小了漏电流，让电流I1全部给电容C1充电了。当电容C1上电压Vramp大于标准电压VBGR后，放大器Aau输出一个高电平信号，经过后面的施密特触发器，和第一反相器，第二反相器，第三反相器，第四反相器及电容C2构成的反相器链整形延迟后，得到输出OUT。第三反相器的输出和复位信号Reset通过或非门做逻辑运算，如果复位信号Reset一直为1，则得到输出为0，通过第五反相器后的到高电平的VFB，这时MOS管M11和MOS管M12导通，对电容C1放电。实现芯片复位。如果要使芯片正常工作，那Reset一直为0。放电后，电压Vramp小于标准电压VBGR，放大器Aau输出一个低电平信号，VFB信号又会被拉低，又能给电容C1充电，这充放电的过程，就把光电流转化为频率了。通过这个漏电流抑制技术使得在低光照环境下，电流I0很小时也能输出频率，扩大了动态响应范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种具有漏电流抑制的光频传感器，其特征在于：包括光电流产生模块、镜像电流模块、漏电流抑制模块，放大器Aau、施密特电路、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器和或非门；所述镜像电流模块接收光电流产生模块产生的光电流，镜像电流模块产生的电流输入到漏电流抑制模块中，漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端连接，放大器Aau的反向输入端与信号VBGR连接，其中信号VBGR是由基准电路产生的一个稳定的电压信号；所述漏电流抑制模块的输出端与放大器Aau的正向输入端间连接接地电容C1，放大器Aau的输出端与施密特电路的输入端连接，施密特电路的输出端与第一反相器连接，第一反相器连接第二反相器，第二反相器连接第三反相器，第二反相器与第三反相器间连接接地电容C2，第三反相器的输出端与或非门的其中一个输入端和第四反相器的输入端连接，或非门的另一个输入端为复位端，或非门的输出端连接第五反相器，第五反相器连接第六反相器，第六反相器的输出端连接漏电流抑制模块的其中一个输入端，第五反相器的输出端连接漏电流抑制模块的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的一种具有漏电流抑制的光频传感器，其特征在于：所述光电流产生模块包括光电二极管PD、放大器A1、MOS管M9和MOS管M10；光电二极管PD的阳极接地，阴极分别与MOS管M10的源极、放大器A1的反向输入端连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M9的源极连接，MOS管M10的栅极分别与MOS管M9的栅极、放大器A1的输出端连接，放大器A1的正向输入端接地，MOS管M9的漏极与镜像电流模块的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有漏电流抑制的光频传感器，其特征在于：所述镜像电流模块包括MOS管M1～MOS管M8，MOS管M1的源极、MOS管M2的源极、MOS管M5的源极和MOS管M6的源极连接；MOS管M1的栅极分别与MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极、MOS管M3的漏极连接，MOS管M1的漏极分别与MOS管M3的源极、MOS管M5的栅极连接，MOS管M2的漏极分别与MOS管M6的栅极、MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极与漏电流抑制模块的输入端连接，MOS管M4的栅极分别与MOS管M6的漏极、MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地；MOS管M3的漏极与MOS管M9的漏极连接，MOS管M5的漏极分别与MOS管M7的漏极、栅极连接，MOS管M7的源极接地，MOS管M7的栅极与MOS管M8的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有漏电流抑制的光频传感器，其特征在于：所述漏电流抑制模块包括放大器A2、MOS管M11、MOS管M12和MOS管M13，所述MOS管M13的源极分别与放大器A2的输出端、反向输入端连接；MOS管M13的栅极与第六反相器的输出端连接，MOS管M13的漏极分别与MOS管M11的源极、MOS管M12的漏极连接，MOS管M12的源极接地，所述MOS管M12的栅极分别与MOS管M11的栅极、第五反相器的输出端连接，MOS管M11的漏极分别与电容C1的一端、放大器A2的正向输入端连接。
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