CN109642819B - 光学传感器装置和用于光学感测的方法 - Google Patents

Abstract

光学传感器装置包括光电二极管(11)、虚设光电二极管(12)、模数转换器(13)、第一开关(15)和第二开关(16)，第一开关(15)将光电二极管(11)耦合到模数转换器(13)的输入(14)，第二开关(16)虚设光电二极管(12)耦合到模数转换器(13)的输入(14)。

Description

光学传感器装置和用于光学感测的方法

本专利申请涉及光学传感器装置和用于光学感测的方法。

光学传感器装置通常包括光传感器，例如光电二极管和模数转换器，其中光电二极管向模数转换器提供光电二极管电流。然而，光电二极管电流可以包括与光电二极管接收到的光无关的并且可以由泄漏引起的部分。

本专利申请的目的是提供一种减小漏电流的影响的光学传感器装置和用于光学传感的方法。

该目的通过独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求中描述了其他发展和实施例。

在实施例中，光学传感器装置包括光电二极管、虚设光电二极管、模数转换器以及第一和第二开关。第一开关将光电二极管耦合到模数转换器的输入。此外，第二开关将虚设光电二极管耦合到模数转换器的输入。

有利地，由光电二极管提供的光电二极管电流包括漏电流和由光子生成的光子电流。此外，由虚设光电二极管生成的虚设电流主要由漏电流组成。光电二极管和虚设光电二极管选择性地连接到模数转换器的输入。因此，光电二极管电流和虚设电流由相同的模数转换器分别测量。光电二极管电流和虚设电流的数字值能够用于减小漏电流对光学传感器装置的测量结果的影响。

在实施例中，第一开关在测量阶段中设置在导通状态，并且在参考阶段中设置在非导通状态。此外，第二开关在参考阶段中设置在导通状态，并且在测量阶段中设置在非导通状态。

在实施例中，光学传感器装置包括第三开关和第四开关，第三开关将光电二极管耦合到参考电位端子，第四开关将虚设光电二极管耦合到参考电位端子。

在实施例中，第三开关在参考阶段中设置在导通状态，并且在测量阶段中设置在非导通状态。此外，第四开关开关在测量阶段中设置在导通状态，并且在参考阶段中设置在非导通状态。

在实施例中，模数转换器被实现为电荷平衡模数转换器。

在进一步的发展中，模数转换器包括放大器、积分电容器、比较器和参考电容器电路。例如由虚设光电二极管的虚设电流和/或光电二极管的光电二极管电流提供的、提供给放大器的输入的电荷被由参考电容器电路提供给放大器的输入的一个电荷包或多于一个的电荷包平衡。

在实施例中，模数转换器在参考阶段生成具有第一值的数字输出信号，并且在测量阶段生成具有第二值的数字输出信号，第一值表示虚设光电二极管的虚设电流的值，第二值表示光电二极管的光电二极管电流的值。可以在第一值之后确定第二值。可替代地，可以在第一值之前确定第二值。

在实施例中，模数转换器包括具有输入和输出的放大器。

在实施例中，第一和第二开关经由模数转换器的输入耦合到放大器的输入。

在实施例中，模数转换器包括输入开关，该输入开关将放大器的输入耦合到参考电位端子。

在实施例中，模数转换器包括积分电容器，该积分电容器布置在放大器的输出和放大器的输入之间。

在实施例中，模数转换器包括初始化开关，该初始化开关将积分电容器的电极耦合到电压端子。

在实施例中，模数转换器包括开环开关，该开环开关将积分电容器的电极耦合到放大器的输出。

在实施例中，模数转换器包括比较器，该比较器具有连接到放大器的输出的输入。

在实施例中，模数转换器包括参考电容器电路，该参考电容器电路耦合到放大器的输入并将电荷包提供给放大器的输入。

在实施例中，光学传感器装置包括至少一个其他光电二极管、至少一个其他模数转换器、至少一个其他第一开关和至少一个其他第二开关，该至少一个其他第一开关将至少一个其他光电二极管耦合到至少一个其他模数转换器的输入，该至少一个其他第二开关将虚设光电二极管或至少一个其他虚设光电二极管耦合到至少一个其他模数转换器的输入。

在实施例中，虚设光电二极管被实施为附加光电二极管。附加光电二极管由光屏蔽盖覆盖。光屏蔽盖可以直接布置在虚设光电二极管的顶部上。

虚设光电二极管的面积或大小可以与光电二极管的面积或大小相同。虚设光电二极管的面积或大小也可以与至少一个其他光电二极管的面积或大小相同。

在可替代实施例中，虚设光电二极管的面积或大小可以与光电二极管的面积或大小或者至少一个其他光电二极管的面积或大小不同。

在进一步的发展中，虚设光电二极管的面积或大小可以小于光电二极管的面积或大小。

在实施例中，模数转换器根据虚设电流生成具有第一值的数字输出信号，以及根据光电二极管电流生成具有第二值的数字输出信号。可以在第一值之前或之后确定第二值。可以将数字输出信号的第一和第二值提供给逻辑电路。在光电二极管和虚设光电二极管的大小相等的情况下，逻辑电路通过从数字输出信号的第二值中减去数字输出信号的第一值来计算光学信号。在光电二极管和虚设光电二极管的区域或大小不同的情况下，逻辑电路通过将数字输出信号的第一值乘以因子然后从数字输出信号的第二值减去该结果来计算光学信号。

在实施例中，一种用于光学感测的方法包括：由虚设光电二极管生成虚设电流，在参考阶段中将虚设电流提供给模数转换器，并由模数转换器根据虚设电流确定数字输出信号的第一值。该方法包括：由光电二极管生成光电二极管电流，在测量阶段中将光电二极管电流提供给模数转换器，并由模数转换器根据光电二极管电流确定数字输出信号的第二值。

有利地，能够由虚设光电二极管确定漏电流，并且能够使用漏电流的值来校正光电二极管的光电二极管电流。

在实施例中，光学传感器装置实现为低暗计数的光传感器。

在实施例中，虚设光电二极管被实施为由光屏蔽盖覆盖的附加光电二极管。

在实施例中，在测量阶段，由至少一个其他模数转换器确定具有第二值的至少一个其他数字输出信号，该第二值表示至少一个其他光电二极管的至少一个其他光电二极管电流。

在进一步的发展中，在至少一个其他参考阶段中，虚设光电二极管将虚设光电流提供给至少一个其他模数转换器。因此，在至少一个其他参考阶段中，由至少一个其他模数转换器确定具有第一值的至少一个其他数字输出信号，该第一值表示虚设光电二极管的虚设电流。

在实施例中，在测量阶段中，将虚设光电二极管的虚设电流提供给至少一个模数转换器。因此，在参考阶段中，由至少一个其他模数转换器确定具有第一值的至少一个其他数字输出信号，该第一值表示虚设光电二极管的虚设电流。

在进一步的发展中，在参考阶段中，将至少一个其他光电二极管的至少一个其他光电二极管电流施加到至少一个其他模数转换器。因此，在参考阶段中，由至少一个其他模数转换器确定具有第二值的至少一个其他数字输出信号，该第二值表示至少一个其他光电二极管的至少一个其他光电二极管电流。

在实施例中，数字信号处理器生成其他光学输出信号，该其他光学输出信号是其他数字输出信号的第一和第二值的函数。

在实施例中，光学传感器装置具有例如在消费性电子产品中的应用。光学传感器装置可以实现为环境光传感器——简写为ALS。一种应用可以是显示管理，其中，光学传感器装置能够用于测量环境光亮度。如果环境光亮，则需要用于显示面板的更高背光照度。如果环境光暗，则显示面板的较低背光照度就足够了。通过动态调节显示面板亮度，光学传感器装置帮助显示面板优化操作功率。

实现环境光传感器的光学传感器装置可以埋藏在(例如，在移动电话应用中)用于时尚的方式的暗眼镜的下面。为了从弱入射光获得更多信号，可以使用更大的感测区域。但是，更大的感测区域可能增加固有的漏电流，并且可能限制低光测量。光学传感器装置可以实现具有测量弱光的能力的环境光传感器架构。

对示例性实施例的附图的以下描述可以进一步说明和解释本申请的方面。具有相同结构和相同效果的器件和电路部件分别具有相同的参考符号。在不同附图中，就器件或电路部件在其功能方面彼此对应而言，对于以下附图中的每一个，不再重复其描述。

图1A和1B示出了光学传感器装置的示例性实施例。

图2A和2B示出了光学传感器装置的其他示例性实施例。

图3A至3D示出了光电二极管和虚设光电二极管的示例性实施例。

图1A示出了光学传感器装置10的示例性实施例，该光学传感器装置包括光电二极管11、虚设光电二极管12和模数转换器13——简写为AD转换器。光电二极管11和虚设光电二极管12都耦合到AD转换器13的输入14。光学传感器装置10包括第一开关15，该第一开关布置在光电二极管11和AD转换器13的输入14之间。此外，光学传感器装置10包括第二开关16，该第二开关布置在虚设光电二极管12和AD转换器13的输入14之间。另外，光学传感器装置10的第三开关17将光电二极管11耦合到参考电位端子18。光学传感器装置10的第四开关19将虚设光电二极管12耦合到参考电位端子18。AD转换器13可以包括放大器单元20和模数转换器单元21，放大器单元20和模数转换器单元21串联连接在AD转换器13的输入14和AD转换器13的信号输出22之间。

此外，光学传感器装置10包括数字信号处理器23，该数字信号处理器23具有连接到AD转换器13的信号输出22的输入。

另外，光学传感器装置10包括至少一个其他光电二极管30、至少一个其他虚设光电二极管31、至少一个其他模数转换器32、至少一个其他第一开关33和至少一个其他第二开关34。此外，光学传感器装置10可以包括至少一个其他第三开关35以及至少一个其他第四开关36，该至少一个其他第三开关35将至少一个其他光电二极管30耦合到参考电位端子18，该至少一个其他第四开关36将至少一个其他虚设光电二极管31耦合到参考电位端子18。至少一个其他模数转换器32、简写为至少一个其他AD转换器，包括至少一个其他放大器单元37和至少一个其他模数转换器单元38的串联电路，该至少一个其他放大器单元37和至少一个其他模数转换器单元38串联连接在至少一个其他AD转换器32的输入和至少一个其他AD转换器32的输出之间。

图1A中所示的点表示光学传感器装置10可以包括两个光电二极管11、30和两个虚设光电二极管12、31或多于两个光电二极管11、30以及多于两个虚设光电二极管12、31以及相应的开关和AD转换器。

光电二极管11提供光电二极管电流IP，而虚设光电二极管12提供虚设电流ID。在测量阶段中，第一开关15设置在导通状态，并且第三开关17设置在非导通状态。因此，在测量阶段中，光电二极管电流IP被提供给AD转换器13的输入14。

在测量阶段中，第二开关16设置在非导通状态，并且第四开关19设置在导通状态。因此，在测量阶段中，虚设电流ID从虚设光电二极管12提供到参考电位端子18。

在参考阶段中，虚设电流ID被施加到AD转换器13的输入14。因此，在参考阶段中，第二开关16设置在导通状态，并且第四开关19设置在非导通状态。

此外，在参考阶段中，第一开关15设置在非导通状态，并且第三开关17设置在导通状态。因此，在参考阶段中，光电二极管11将光电二极管电流IP提供给参考电位端子18。

AD转换器13生成数字输出信号SADC。在参考阶段结束时，数字输出信号SADC提供有表示虚设电流ID的值的第一值。在测量阶段结束时，生成具有表示光电二极管电流IP的值的第二值的数字输出信号SADC。数字输出信号SADC被施加到数字信号处理器23的输入。

数字信号处理器23生成光学输出信号SALS。该光学输出信号SALS表示环境光传感器读数。光学输出信号SALS是数字输出信号SADC的第一和第二值的函数。

在参考阶段中，可以确定具有第一值的至少一个其他数字输出信号SADC'，该第一值表示至少一个其他虚设光电二极管31的虚设电流ID'。相应地，在测量阶段中，可以确定具有第二值的至少一个其他数字输出信号SADC'，该第二值表示至少一个其他光电二极管30的光电二极管电流IP'。

因此，可以并行执行对几个光电二极管11、30的测量。也可以并行执行对几个虚设光电二极管12、31的虚设电流ID、ID'的检测。

光学传感器装置10包括可以被实现为相同或相似的至少两个通道。每个通道包括光电二极管11、30，AD转换器13、32，第一开关15、33，第二开关16、34和第三开关17、35。每个通道可以包括虚设光电二极管12、31和第四开关19、36。

在图1A中，光学传感器装置10示出了光传感器架构。光学传感器装置10的每个通道由其自身单独校准以获得更好的精度。对于每个通道，匹配的覆盖的虚设光电二极管12、31首先用于测量其光电二极管两端的电压，并且首先校准通道的暗计数。然后在正常环境光测量期间，每个测量的暗计数将用于补偿其对应于每个通道的正常环境光测量。

在每个光电二极管11、30上测量不同的输入电压VD1、VD'(VD1对应第一通道，VD'对应至少一个其他通道)。即使通过单独的偏移DAC校正使每个光电二极管11、30的每个电压(VD1至VD')最小化，但残余电压仍然保持存在，并且各个通道的残余电压是不同的。不同光电二极管11、30两端的该电压差(VD1-VD')可能导致暗计数差异。由于每个通道具有单独的电压和暗计数测量，因此暗计数补偿将变得准确并且可以进行更低的光测量。

对于每个通道，除了虚设光电二极管12、31对入射光(包括不可见光谱，例如红外光)不可见之外，虚设光电二极管12、31和光电二极管11、30可以是相同的。例如，虚设光电二极管12、31的参数、面积/周长/结类型可以与光电二极管11、30的完全相同，使得漏电流相同。而且，由于与二极管连接相关联的晶体管开关也是泄漏的，因此可以可选地实现第一和第三开关15、17以及第二和第四开关16、19之间的匹配。

在可替代的、未示出的实施例中，光电二极管11的测量阶段可以与至少一个其他光电二极管30的测量阶段不同。而且，用于测量虚设光电二极管12的参考阶段可以与至少一个其他虚设光电二极管31的参考阶段不同。

在可替代的、未示出的实施例中，光学传感器装置10仅包括一个光电二极管(即光电二极管11)、仅一个虚设光电二极管(即光电二极管12)和仅一个AD转换器(即AD转换器13)和相应的开关。

图1B示出了光学传感器装置10的其他示例性实施例，其是图1A中所示实施例的进一步发展。在图1B中所示的光学传感器装置10中，省略了至少一个其他虚设光电二极管31。因此，虚设光电二极管12用于参考光电二极管11和至少一个其他光电二极管30。虚设光电二极管12经由至少一个其他第二开关34耦合到至少一个其他AD转换器32的输入。光电二极管11和至少一个其他光电二极管30都可以在测量阶段中被测量。因此，在测量阶段结束时，AD转换器13生成具有第二值的数字输出信号SADC，该第二值是光电二极管11的光电二极管电流IP的函数，并且并联的至少一个其他AD转换器32生成数字输出信号SADC'，该数字输出信号SADC'表示至少一个其他光电二极管30的光电二极管电流IP'。在那种情况下，虚设光电二极管12在参考阶段中将虚设光电流ID提供给AD转换器13，并且在至少一个其他参考阶段中将虚设光电流ID提供给至少一个其他AD转换器32。

可替代地，在光电流IP被提供给AD转换器13的测量阶段中，虚设电流ID被提供给至少一个其他AD转换器32。相应地，在参考阶段中，在将虚设电流ID提供给AD转换器13的同时，将至少一个其他光电二极管电流IP'施加到至少一个其他AD转换器32。

通道可以实现为相同的或相似的。每个通道包括光电二极管11、30，AD转换器13、32，第一开关15、33，第二开关16、34和第三开关17、35。虚设光电二极管12和第四开关19在至少两个通道之间共享。

其他AD转换器32可以实现为例如图2A或2B中所示的AD转换器13。

在图1B中，校准覆盖的虚设光电二极管12在通道之间共享。有利的是虚设光电二极管12、31上的保存区域。在某些应用中，普通光电二极管11、30在各通道之间可能是不同的。在那种情况下，必须相应地缩放来自共享的虚设光电二极管12的暗计数的校准读数，来对每个通道进行适当的补偿。

图2A示出了光学传感器装置10的其他示例性实施例，其是图1A和1B中所示实施例的进一步发展。AD转换器13包括具有输入51和输出52的放大器50。放大器50可以实现为运算放大器。此外，AD转换器13包括积分电容器53，积分电容器53将放大器50的输入51耦合到放大器50的输出52。放大器50和积分电容器53形成积分器。放大器50的输入51直接连接到AD转换器13的输入14。因此，光电二极管11经由第一开关15和AD转换器13的输入14耦合到放大器50的输入51。此外，虚设光电二极管12经由第二开关16和AD转换器13的输入14耦合到放大器50的输入51。放大器50的输入51可以实现为反相输入。

光电二极管11的阳极和虚设光电二极管12的阳极连接到参考电位端子18。光电二极管11的阴极经由第一开关15耦合到放大器50的输入51。虚设光电二极管12的阴极经由第二开关16耦合到放大器50的输入51。AD转换器13的输入14可以被称为积分节点。

放大器50可以包括其他输入54。其他输入54可以连接到参考电位端子18。放大器50的其他输入54可以实施为非反相输入。

另外，AD转换器13包括比较器55，该比较器55具有连接到放大器50的输出52的输入。该输入可以实现为非反相输入。此外，比较器55包括其他输入。其他输入可以实现为反相输入。比较器55的输出连接到AD转换器13的控制逻辑56的输入。控制逻辑56的输出连接到AD转换器13的信号输出22。控制逻辑56包括计数器64。比较器55的输出经由计数器64耦合到信号输出22。

另外，AD转换器13包括参考电容器电路57。参考电容器电路57可以实现为电荷包电路或电荷包装电路。参考电容器电路57包括具有第一和第二电极的参考电容器58。参考电容器电路57的第一参考开关59将参考电容器58的第一电极耦合到放大器50的输入51。第二参考开关60将参考电容器58的第一电极耦合到参考电位端子18。此外，参考电容器电路57包括将参考电容器58的第二电极耦合到参考源端子63的第三参考开关61。此外，参考电容器电路57的第四参考开关62将参考电容器58的第二电极耦合到参考电位端子18。

控制逻辑56的输出连接到第一至第四参考开关59至62的控制端子。此外，控制逻辑56的其他输出连接到第一至第四开关15、16、17、19的控制端子。

输入电压VD1在放大器50的输入端51处分接。放大器50生成输出电压VOUT，其被提供给比较器55的输入。比较器参考电压VREFC被施加到比较器55的其他输入。比较器参考电压VREFC设置比较器55的比较器开关点。比较器参考电压VREFC可以等于比较器55的开关点。比较器55生成比较器信号SC。比较器信号SC被提供给控制逻辑56。控制逻辑56根据比较器信号SC在信号输出22处生成数字输出信号SADC。可以将比较器信号SC施加到计数器64，计数器64可以生成数字输出信号SADC。控制逻辑56生成时钟相位Φ0至Φ5，并将所述时钟相位提供给开关15至17、19、59至62的控制端子。控制逻辑56接收时钟信号CL并根据时钟信号CL生成时钟相位Φ0至Φ5。参考电压VREF被施加到参考源端子63。参考电容器58具有电容值CREF。当对参考电容器58充电时，参考电压VREF被施加在参考电容器58的两个电极之间。

图2A的基本操作是电荷平衡，AD转换器13从光电二极管11收集光电二极管电流IP并将其转换成可称为ALS计数的数字输出信号SADC。光电二极管电流IP包括光子电流IPD和漏电流ILEAK。光电二极管电流IP遵循以下等式：IP＝IPD+ILEAK。光电二极管电流IP被集中到积分电容器53中，并且放大器50的输出电压VOUT上升。如果输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC，则控制逻辑56将使计数器64的数字输出信号SADC递增，并且积分电容器53上的电荷将减少一个单位电荷包QP＝CREF·VREF。通过在一定量时间，即积分时间TINT(例如100mS)中积分光电二极管电流IP，数字输出信号SADC将具有取决于环境光的亮度和漏电流的第二值。控制逻辑56接收使能信号S_ON。

将在下面解释详细的电气操作。最初，当使能信号S_ON为低时：光电二极管11被清零；积分电容器53被清零；放大器50的输出电压VOUT以低于比较器参考电压VREFC的电压复位；比较器信号SC为低；电荷包或电荷包装完全充电到QP＝CREF·VREF，并与AD转换器13的输入端14断开；数字输出信号SADC被清零。

当使能信号S_ON为高时，光电二极管11的光电二极管电流IP被集中到积分电容器53中，并且输出电压VOUT上升。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器信号SC为高，并且由时钟相位Φ4、Φ5控制的电荷包QP＝CREF·VREF被转储到AD转换器13的输入14中，并且数字输出信号SADC将递增一个计数。在电荷转储之后，输出电压VOUT低于比较器参考电压VREFC，并且参考电容器电路57与放大器50的输入51断开，并返回到再充电模式。在积分时间TINT的一定时间段内，将根据以下电荷守恒方程生成转储的电荷的数量N_P，即数字输出信号SADC的第二值(也称为环境光计数)：

N_P＝(TINT·IP)/(CREF·VREF)

在完全暗光条件期间，理想地，光电二极管11将不生成任何电流，并且数字输出信号SADC的值为零。然而，实际上，如果光电二极管11两端的电压VD1不为零，则光电二极管11将泄漏并且漏电流ILEAK为：

其中，IS是反向偏置饱和电流，k是玻尔兹曼常数，T是光电二极管11的结的绝对温度，以及q是电子的电荷量。

漏电流ILEAK随着温度T呈指数增长。例如，能够存在有限暗计数(当光为零时数字输出信号SADC的暗计数值)并且限制传感器下限性能：

N_LEAK＝(TINT·ILEAK)/(CREF·VREF)

在图2A中，解释了每个通道的暗计数补偿。图1A和1B中所示的放大器单元20能够实现为可编程增益放大器——简写为PGA，PGA能够通过参考电容器58的不同电容值CREF和参考电压VREF的不同值来实施，如下式所示：

SADC＝(TINT·IP)/(CREF·VREF)

虽然普通光电二极管11能够同时具有光子电流IPD和漏电流ILEAK，但是虚设光电二极管12只能具有漏电流ILEAK(假设两个二极管11、12具有相同的面积，否则可能使用比例因子来补偿)，因为虚设光电二极管12将被金属或黑色滤光器覆盖。如果连续进行两次单独的积分，则能够如下实现光感测计数：

步骤1：虚设光电二极管12仅用于泄漏收集：

N_DUMMY＝TINT·ILEAK/(CREF·VREF)。

步骤2：光电二极管11仅用于光子电流收集：

N_P＝TINT·(IPD+ILEAK)/(CREF·VREF)和

IP＝IPD+ILEAK。

步骤3：差异化：

SALS＝N_P-N_DUMMY＝TINT·IPD/(CREF·VREF)。

通过减法执行差异化。数字信号处理器23可以执行减法。光学传感器装置10使用通道校准方案。光输出信号SALS仅取决于光子电流IPD。

第一至第四开关15、16、17、19接收时钟相位Φ0至Φ3。当光电二极管11用于积分时，时钟相位Φ0、Φ3闭合第一和第四开关15、19，时钟相位Φ1、Φ2打开第二和第三开关16、17。当虚设光电二极管12用于积分时，时钟相位Φ0、Φ3打开第一和第四开关15、19，并且时钟相位Φ1、Φ2闭合第二和第三开关16、17。

图2B示出了光学传感器装置的其他示例性实施例，其是图1A、1B和2A中所示实施例的进一步发展。AD转换器13包括输入开关70，输入开关70将放大器50的输入51耦合到参考电位端子18。此外，积分电容器53的电极经由初始化开关71耦合到电压参考端子72。另外，积分电容器53的电极经由开环开关73耦合到放大器50的输出52。因此，积分电容器53和开环开关73的串联连接将放大器50的输入51耦合到放大器50的输出52。积分电容器53和开环开关73之间的节点经由初始化开关71耦合到电压参考端子72。数模转换器74，简写为DA转换器，的输出连接到放大器50的控制端子。控制逻辑56的输出连接到DA转换器74的输入。AD转换器13包括DA转换器74。

端电压VC被提供给电压参考端子72。控制逻辑56向数模转换器74提供偏移数模转换器代码OS，简写为偏移DAC码且也称为OSTRIM<10：0>，该数模转换器74向放大器50提供控制电压。放大器50可以是可编程增益放大器。放大器50的增益可以由控制电压设置，并且因此由偏移DAC码OS设置。

在图2B中，将自动归零功能添加到传感器架构中。图2B中添加了与图2A相关的额外硬件：

-偏移DA转换器74，以最小化放大器50的虚拟接地节点VD1处的偏移。DA转换器74可以是例如11位转换器。

-输入开关70，其由时钟相位ΦAZ控制并且布置在放大器50的输入51和参考电位端子18之间。

-初始化开关71，其由时钟相位Φ6控制以用于初始化积分电容器53。

-开环开关73，其由时钟相位Φ7控制以用于开环自动归零操作。

图2B的暗计数校准/消除方案描述如下：

1.通过自动归零程序最小化放大器50的偏移：

a.第一和第二开关15、16，第一和第四参考开关59、61以及开环开关73由时钟相位Φ0、Φ2、Φ5、Φ7设置为打开，这意味着处于非导通状态。第三和第四开关17、19，第二和第三参考开关60、62，初始化开关71以及输入开关70由时钟相位Φ1、Φ3、Φ4、Φ6、ΦAZ闭合，这意味着设置在导通状态。

b.观察放大器50的输出电压VOUT：

i.如果输出电压VOUT处于电源电压VDD，则控制逻辑56将偏移DAC码OS减少1个计数。

ii.如果输出电压VOUT接地，则控制逻辑56将偏移DAC码OS增加1个计数。

iii.在预定义的迭代次数结束之前，输出电压VOUT将在电源电压VDD和地之间切换，并且实现最佳偏移校正。

iv.将偏移DAC码OS加载到存储器中以用于下两次积分。控制逻辑56可以包括存储器。

2.为了避免负暗计数，当放大器50处于闭环时，能够将偏移DAC码OS递增1或2步，使得输入电压VD1将为正。

3.虚设光电二极管12仅用于漏电流收集。第一和第四开关15、19，初始化开关71以及输入开关70由时钟相位Φ0、Φ3、Φ6、ΦAZ设置为打开，这意味着处于非导通状态。第二和第三开关16、17和开环开关73由时钟相位Φ1、Φ2、Φ7闭合，这意味着它们设置在导通状态。数字输出信号SADC具有第一值N_DUMMY：

N_DUMMY＝TINT·ILEAK/(CREF·VREF)。

4.光电二极管11仅用于普通光子电流收集。第二和第三开关16、17，初始化开关71以及输入开关70由时钟相位Φ1、Φ2、Φ6、ΦAZ设置为打开，这意味着处于非导通状态。第一和第四开关15、19以及开环开关73由时钟相位Φ0、Φ3、Φ7闭合，这意味着它们设置在导通状态。数字输出信号SADC具有第二值N_P：

N_P＝TINT·(IPD+ILEAK)/(CREF·VREF)。

5.通过减法执行差异化：

SALS＝N_P-N_DUMMY＝TINT·IPD/(CREF·VREF)。

因此，光输出信号SALS不受漏电流ILEAK的影响。

在可替代的、未示出的实施例中，参考电容器58是可控的。控制逻辑56可以选择参考电容器58的至少两个不同电容值CREF中的一个电容值。

在可替代的、未示出的实施例中，参考电压VREF是可控的。控制逻辑56可以选择参考电压VREF的至少两个不同值中的一个值。因此，电荷包QP选择性地具有至少两个不同电荷值中的一个。

图3A示出了光电二极管11和虚设光电二极管12的横截面，并且图3B示出了光电二极管11和虚设光电二极管12的俯视图，光电二极管11和虚设光电二极管12可以用于实现图1A、1B、2A和2B中所示的光学传感器装置。光学传感器装置10包括半导体本体80。半导体本体80包括衬底81，在衬底81中形成第一和第二阱82、83。衬底81可以实施为p衬底，并且第一和第二阱82、83可以实施为n阱。光电二极管11包括第一阱82，并且虚设光电二极管12包括第二阱83。光电二极管11和虚设光电二极管12包括未在图3A中的横截面中示出的连接线。

虚设光电二极管12包括光屏蔽盖84，光屏蔽盖84布置在第二阱83的上方。因此，半导体本体80上方的一个光源或几个光源能够发射光，该光被光电二极管11吸收并检测，并被光屏蔽盖84屏蔽，从而虚设光电二极管12不会检测到该光。光屏蔽盖84可以是金属层、金属盖或黑色过滤器。尽管光子到达第一阱82，但没有光子或几乎没有光子到达第二阱83。第一和第二阱82、83通过相同的制造步骤来实现。因此，第一阱82的掺杂分布与第二阱83的掺杂分布相同。第一阱82和衬底81之间的pn结的深度具有与第二阱83和衬底81之间的pn结的深度相同的值。

如图3B中所示，第一阱82的第一区域和第二阱83的第二区域是矩形的。这些区域可以被称为感测区域。第一区域的大小A1与第二区域的大小A2相同。由于第一和第二阱82、83的俯视图中的区域和掺杂分布相同，所以光电二极管11和虚设光电二极管12的电气行为也相同。因此，能够预期作为光电二极管电流IP的一部分的漏电流ILEAK与虚设电流ID相同。光输出信号SALS能够根据以下等式计算：

SALS＝N_P-N_DUMMY；

其中，N_DUMMY是数字输出信号SADC的第一值，并且N_P是数字输出信号SADC的第二值。

虽然光电二极管11和虚设光电二极管12能够由不同的P-N结实施，但是在CMOS工艺中，N阱二极管可选地用于光电二极管11和虚设光电二极管12，因为其高结深度对可见光谱敏感。

对于典型的半导体工艺，预期两个N阱光电二极管之间10％的匹配误差。因此，例如，可以实现10倍的改进。因此，由于长波长光的吸收深度非常长，所以应当使用一些距离(例如50μm)用于对覆盖的虚设光电二极管12的额外光阻挡以拒绝长波光感测。

通常，光电二极管11两端的较小电压VD1导致较小的漏电流ILEAK。为了使消除尽可能有效，可以在暗计数校准之前执行偏移最小化程序(称为自动归零过程)。

光学传感器装置10实现有效的暗计数校准和消除方案。对于实际应用，可以显著减少暗计数。覆盖的虚设光电二极管12用于测量每个环境光二极管11、30两端的不同电压。

逐个通道测量每个光电二极管11两端的电压VD1及其暗计数。每个通道的暗计数信息用于补偿其相应的正常光测量。由于每个通道都具有精确的偏移电压和暗计数补偿，因此该传感器架构可能能够测量低环境光。

图3C和3D示出了光电二极管11和虚设光电二极管12的横截面和俯视图的可替代实施例，其是以上所示实施例的进一步发展。如图3D中可见，第二阱83围绕第一阱82。因此，如图3C中所示，第二阱83在第一阱82的两侧上。第一区域的大小A1不同于第二区域86的大小A2。光输出信号SALS能够根据以下等式计算：

其中，N_P是数字输出信号SADC的第二值，N_DUMMY是数字输出信号SADC的第一值，A1是第一阱82的第一区域的大小，以及A2是第二阱83的第二区域的大小。由于N阱屏蔽有时围绕N阱光电二极管11，因此有利地，屏蔽N阱的部分可以用作校准N阱虚设光电二极管12。

光学传感器装置10实现了环境光传感器架构。它实现了暗计数校准和消除方案。

参考标记

10 光学传感器装置

11 光电二极管

12 虚设光电二极管

13 模数转换器

14 输入

15 第一开关

16 第二开关

17 第三开关

18 参考电位端子

19 第四开关

20 放大器单元

21 模数转换器单元

22 信号输出

23 数字信号处理器

30 至少一个其他光电二极管

31 至少一个其他虚设光电二极管

32 至少一个其他模数转换器

33 至少一个其他第一开关

34 至少一个其他第二开关

35 至少一个其他第三开关

36 至少一个其他第四开关

37 至少一个其他放大器单元

38 至少一个其他模数转换器单元

50 放大器

51 输入

52 输出

53 积分电容器

54 其他输入

55 比较器

56 控制逻辑

57 参考电容器电路

58 参考电容器

59 第一参考开关

60 第二参考开关

61 第三参考开关

62 第四参考开关

63 参考源端子

64 计数器

70 输入开关

71 初始化开关

72 电压参考端子

73 开环开关

74 数模转换器

80 半导体本体

81 衬底

82 第一阱

83 第二阱

84 光屏蔽盖

A1、A2 大小

CL 时钟信号

ID、ID' 虚设电流

ILEAK 漏电流

IP、IP' 光电二极管电流

IPD 光子电流

OS 偏移DAC码

QP 电荷包

SADC、SADC' 数字输出信号

SALS 光输出信号

SC 比较器信号

S_ON 使能信号

VC 端电压

VD1、VD' 输入电压

VOUT 输出电压

VREF 参考电压

VREFC 比较器参考电压

ΦAZ 时钟相位

Φ0到Φ7 时钟相位

Claims (15)

1.一种光学传感器装置，包括：

-光电二极管(11)，

-虚设光电二极管(12)，其被实施为由光屏蔽盖(84)覆盖的附加光电二极管；

-模数转换器(13)；

-第一开关(15)，其将光电二极管(11)耦合到模数转换器(13)的输入(14)，以及

-第二开关(16)，其将虚设光电二极管(12)耦合到模数转换器(13)的输入(14)，

其中，所述模数转换器(13)被设计成在参考阶段生成具有第一值的数字输出信号(SADC)并且在测量阶段生成具有第二值的数字输出信号(SADC)，所述第一值表示所述虚设光电二极管(12)的虚设电流(ID)的值，所述第二值表示所述光电二极管(11)的光电二极管电流(IP)的值，

其中，所述数字输出信号(SADC)的所述第一值和所述第二值被提供给逻辑电路，

其中，所述虚设光电二极管(12)的大小(A2)与所述光电二极管(11)的大小(A1)不同，并且

其中，所述逻辑电路通过将所述数字输出信号(SADC)的所述第一值乘以因子然后从所述数字输出信号(SADC)的所述第二值减去该结果来计算光学信号，

其中，所述因子是所述光电二极管(11)的大小(A1)和所述虚设光电二极管(12)的大小(A2)的商。

2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)实现为电荷平衡模数转换器。

3.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

其中，光学传感器装置(10)包括：

-第三开关(17)，其将所述光电二极管(11)耦合到参考电位端子(18)，以及

-第四开关(19)，其将所述虚设光电二极管(12)耦合到参考电位端子(18)。

4.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括具有输入(51)和输出(52)的放大器(50)，并且

其中，所述第一开关(15)和第二开关(16)经由所述模数转换器(13)的输入(14)耦合到放大器(50)的输入(51)。

5.根据权利要求4所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括输入开关(70)，所述输入开关(70)将所述放大器(50)的输入(51)耦合到参考电位端子(18)。

6.根据权利要求4所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括积分电容器(53)，所述积分电容器(53)布置在放大器(50)的输出(52)和放大器(50)的输入(51)之间。

7.根据权利要求6所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括初始化开关(71)，所述初始化开关(71)将积分电容器(53)的电极耦合到电压端子(72)。

8.根据权利要求6所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括开环开关(73)，所述开环开关(73)将所述积分电容器(53)的电极耦合到所述放大器(50)的输出(52)。

9.根据权利要求4所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括比较器(55)，所述比较器(55)具有连接到所述放大器(50)的输出(52)的输入。

10.根据权利要求4所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(13)包括参考电容器电路(57)，所述参考电容器电路(57)被耦合到所述放大器(50)的输入(51)并且被设计成用于将电荷包(QP)提供给所述放大器(50)的输入(51)。

11.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

其中，光学传感器装置(10)包括：

-至少一个其他光电二极管(30)，

-至少一个其他模数转换器(32)，

-至少一个其他第一开关(33)，其将所述至少一个其他光电二极管(30)耦合到所述至少一个其他模数转换器(32)的输入，以及

-至少一个其他第二开关(34)，其将所述虚设光电二极管(12)耦合到所述至少一个其他模数转换器(32)的输入。

12.根据权利要求11所述的光学传感器装置，

其中，所述虚设光电二极管(12)被实施为由光屏蔽盖(84)覆盖的附加光电二极管。

13.一种用于光学感测的方法，包括：

-由虚设光电二极管(12)生成虚设电流(ID)，在参考阶段中将所述虚设电流(ID)提供给模数转换器(13)，并由所述模数转换器(13)根据所述虚设电流(ID)确定数字输出信号(SADC)的第一值，以及

-由光电二极管(11)生成光电二极管电流(IP)，在测量阶段中将所述光电二极管电流(IP)提供给模数转换器(13)，并由所述模数转换器(13)根据所述光电二极管电流(IP)确定数字输出信号(SADC)的第二值，

其中，所述虚设光电二极管(12)被实施为由光屏蔽盖(84)覆盖的附加光电二极管，

其中，所述模数转换器(13)在参考阶段生成具有第一值的数字输出信号(SADC)并且在测量阶段生成具有第二值的数字输出信号(SADC)，所述第一值表示所述虚设电流(ID)的值，所述第二值表示所述光电二极管电流(IP)的值，

其中，所述数字输出信号(SADC)的所述第一值和所述第二值被提供给逻辑电路，

其中，所述虚设光电二极管(12)的大小(A2)与所述光电二极管(11)的大小(A1)不同，并且

其中，所述逻辑电路通过将所述数字输出信号(SADC)的所述第一值乘以因子然后从所述数字输出信号(SADC)的所述第二值减去该结果来计算光学信号，

其中，所述因子是所述光电二极管(11)的大小(A1)和所述虚设光电二极管(12)的大小(A2)的商。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，在测量阶段中，由至少一个其他模数转换器(32)确定具有第二值的至少一个其他数字输出信号(SADC')，所述第二值表示至少一个其他光电二极管(30)的光电二极管电流(IP')，以及

在至少一个其他参考阶段中，所述虚设光电二极管(12)将虚设光电流(ID)提供给所述至少一个其他模数转换器(32)。

15.根据权利要求13所述的方法，

其中，在测量阶段中，将虚设电流(ID)提供给至少一个其他模数转换器(32)，以及

在参考阶段中，将至少一个其他光电二极管(30)的至少一个其他光电二极管电流(IP’)施加到所述至少一个其他模数转换器(32)。

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