CN110366823B - 光频转换器装置和用于光频转换的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光‑频转换的方法，包括借助于光电二极管(11)产生光电流(IPD)并在电荷平衡操作中根据第一时钟信号(CLK1)将光电流(IPD)转换成数字比较器输出信号(LOUT)。异步计数(C1)根据数字比较器输出信号(LOUT)中确定并且包括根据第一时钟信号(CLK1)的整数计数。根据数字比较器输出信号(LOUT)中确定分数时间计数(C2)，所述分数时间计数(C2)取决于第二时钟信号(CLK2)。最后，根据异步计数(C1)和分数时间计数(C2)计算表示光电二极管(11)产生的光电流的数字输出信号(ADC‑COUNT)。该方法可以由配备有光电二极管的示例性光‑频转换器实现。

Description

光频转换器装置和用于光频转换的方法

本发明涉及一种光频转换器装置和一种用于光频转换的方法。

诸如环境光传感器的光学传感器在诸如智能电话、平板电脑移动设备中或与电视或室内照明相关的各种电子设备中得到越来越多的应用。在正常光照条件下，光学传感器及其专用信号处理电路已达到允许在光照变化的情况下精确测量照明条件甚至照明颜色的发展状态。然而，在低光照条件下，光学传感器装置中内嵌的光频转换经常不能提供对入射光的精确估计。通常，与在明亮的光照条件下相比，仅检测到少量计数并且丢失一些计数可能显现更大的误差。

本发明的目的是提供一种改善低计数精度的光学传感器装置和方法。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述了进一步的改进和实施例。

应当理解，除非明确地描述为替代方案，否则下文中关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与下文描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或多个特征组合使用，或者任何其他实施例的任何组合。此外，在不脱离如所附权利要求中限定的光-频转换器装置和光频转换方法的范围的情况下，也可以采用下面未描述的等同物和修改。

在至少一个实施例中，一种用于光频转换的方法包括以下步骤。该方法可以由下面进一步详细讨论的配备有光电二极管的示例性光频转换器来实现。

首先，通过光电二极管产生光电流。在根据第一时钟信号的电荷平衡操作中将光电流转换成数字比较器输出信号。从数字比较器输出信号确定异步计数。所述异步计数包括取决于第一时钟信号的整数数量的计数。另外，从数字比较器输出信号确定取决于第二时钟信号的分数时间计数。最后，从所述异步计数和从所述分数时间计数计算表示所述光电二极管产生的光电流的数字输出信号。

在至少一个实施例中，在积分时间的持续时间内将所述光电流积分到一个或更多个参考电荷包中。对电荷包的检测确定积分循环。例如，从开始状态到结束状态累积电荷。在该过程中累积的电荷可以认为是电荷包。第一时钟信号用于在积分时间内对参考电荷包的数量进行计数。异步计数从根据第一时钟信号计数的电荷包的数量来确定的。

在至少一个实施例中，通过根据第二时钟信号测量所述异步计数中的相邻计数来从时间计数中确定积分循环。例如，在时间周期中测量这些计数并且时间计数是所述时间周期的表示。

在至少一个实施例中，当已经确定计数时，复位时间计数。

在至少一个实施例中，将第一积分循环的时间周期确定为第一积分周期。通过表示第一积分循环的开始的第一时间戳和表示所述异步计数中第一计数的时间的第二时间戳来确定所述第一积分周期。

在至少一个实施例中，将一个或更多个完整积分周期的时间周期确定为完整积分周期。例如，可以将异步计数中两个相邻计数之间的任何时间周期认为是完整积分周期。通过表示异步计数中的计数的第三时间戳和表示异步计数中的相邻计数的第四时间戳来确定完整积分周期。

在至少一个实施例中，确定多于一个的完整积分周期。从确定的完整积分周期来确定平均完整积分周期。

在至少一个实施例中，将最后的完整积分循环与积分的结束之间的时间周期确定为剩余时间周期。通过表示异步计数中的最后的计数的时间戳和表示积分的结束的时间戳，即，当积分时间已过而终止信号采集时，来确定剩余积分周期，。

在至少一个实施例中，通过计算第一分数计数来解决第一计数误差。第一分数计数基于第一积分周期和完整积分周期。第一分数计数是对第一积分循环期间产生的光电流的度量。

在至少一个实施例中，通过计算第二分数计数来解决剩余计数误差。第二分数计数基于最后的积分周期、完整积分周期和剩余时间周期。完整积分周期可以是表示完整积分循环的时间的任何周期。例如，完整积分周期指的是最后的完整积分循环的周期。第二分数计数是对最后的积分循环期间产生的光电流的度量。

在至少一个实施例中，通过锁存比较器产生数字比较器输出信号。通过计算多于单个完整积分周期的平均积分周期来解决比较器-锁存器同步误差。平均积分周期是对由锁存比较器在数字比较器输出信号中引入的调制的度量。

在至少一个实施例中，使用平均积分周期而不是单个完整积分周期，例如，最后的完整积分周期。使用平均积分周期来校正第一计数误差、剩余计数误差和/或比较器-锁存器同步误差。

在至少一个实施例中，数字输出信号基于一个或更多个完整积分周期和/或所述平均积分周期包括基于异步计数和第一及第二分数计数的总和。

在至少一个实施例中，一种光频转换器装置包括模拟数字转换器装置和信号处理单元。模拟数字转换器装置包括用于连接光电二极管的传感器输入和用于提供数字比较器输出信号的结果输出。信号处理单元连接到模拟数字转换器的结果输出。

在操作期间，模拟数字转换器根据第一时钟信号执行电荷平衡操作。模拟数字转换器适用于将由光电二极管产生的光电流转换为数字比较器输出信号。信号处理单元适用于从数字比较器输出信号确定包括异步计数和分数时间计数的数字输出信号。异步计数包括取决于第一时钟信号的整数的计数。分数时间计数取决于第二时钟信号。数字输出信号指示由光电二极管产生的光电流。

在至少一个实施例中，信号处理单元包括第一计数器、第二计数器和逻辑/计算引擎。第一计数器具有连接到结果输出的第一时钟输入并且包括第一复位输入。第二计数器包括第二时钟输入和第二复位输入。逻辑/计算引擎包括分别连接到第一计数器的第一计数器输出和第二计数器的第二计数器输出的计算输入。

在工作期间，第一计数器在第一时钟输入处接收第一时钟信号，并根据第一时钟信号产生异步计数。第二计数器在第二时钟输入处接收第二时钟信号，并根据第二时钟信号产生时间计数。最后，逻辑/计算引擎接收异步计数和时间计数，并根据异步计数和时间计数重新计算数字输出信号。

在至少一个实施例中，模拟数字转换器装置包括提供数字比较器输出信号的锁存比较器。此外，信号处理单元适用于确定平均积分周期以校正数字比较器输出信号中的调制。

改进的概念基于通过从小数计算误差估计来解决在光频转换装置中的几个误差源。所提出的方法和架构可以精确地解析和测量模拟-数字转换器的最后积分循环的剩余信号。这样即使转换器的计数很少，也可以实现精确的测量。数字输出信号可以使用乘法器进行缩放而不会在较大范围内显著降低精度。

通过使用所提出的方法和架构可以测量和校正剩余计数误差和第一计数误差。可以纠正更多的误差源，例如比较器-锁存器同步误差引起的误差。可以根据较少的计数(计数<200)准确地测量非常低的光电流，并且动态的工作范围可以以低模拟增益延长工作至六十年。事实上，由于在改进的概念中建议的但是在较少积分时间内的测量策略，可以实现与没有分数计数的现有技术解决方案类似的测量精度。因此，可以节省电力并可以提高数据速率。在较短的积分时间(Atime)内的更高测量精度也可以通过使用更低的积分时间来节省功耗。所提出的方法和架构通过使用平均值来计算先前计数的周期(C2_P)在很大程度上不受调制的影响，例如由于电源为50Hz/60Hz，。例如，为了校正50/60Hz调制的影响，可以计算平均计数值并且积分时间应该是50/60Hz周期的倍数，例如20m/16.66m。通常，可以通过对调制频率的一个循环或多个循环进行积分来消除任何调制频率。

在下文中，参考附图更详细地描述了上面呈现的原理，附图中示出了示例性实施例。

在下面的示例性实施例和附图中，相似或相同的元件可以各自设置有相同的附图标记。然而附图中示出的元件及其彼此之间的尺寸关系不应被视为真实比例。相反可夸张例如层、组件和区域等各个元素以实现更好的说明或改进的理解。

图1示出了光学传感器装置的示例性实施例，

图2示出了光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图，

图3示出了光学传感器装置的另一示例性实施例，以及

图4示出了信号的另一示例性时序图。

图1示出了光学传感器装置10的示例性实施例。光学传感器装置10包括光电二极管11和模拟-数字转换器装置12(下文简称为转换器)。此外，光学传感器装置10包括信号处理单元40。转换器12和信号处理单元40组合成可以设计为集成电路的光频转换器。通常，光电二极管11作为外部部件连接到集成电路，但在一些实施例中光电二极管11也可以是集成电路的一部分。在下文中，光频转换器和光电二极管可以被认为是光学传感器装置。在一个或多个实施例中，光学传感器装置用作环境光传感器。在EP 2863192 A1和EP 2787331 A1中描述了类似的电路，通过引用的方式将EP 2863192 A1和EP 2787331 A1包括在本文中。

光电二极管11连接到转换器12的输入14。转换器12包括放大器15，放大器15具有连接到转换器12的输入14的放大器输入16。在该实施例中，放大器输入16实现为反相输入。放大器15例如包括设计为非反相输入的另外的放大器输入17。光电二极管11将转换器装置12的输入14连接到参考电位端子19。第一偏置源18将另外的放大器输入17耦合到参考电位端子19。转换器12的积分电容器20将放大器输入16连接到放大器15的放大器输出21。

转换器12包括比较器22，比较器22具有连接到放大器输出21的比较器输入23。比较器输入23例如实现为非反相输入。比较器22的另外的比较器输入24例如被设计为反相输入。参考电压源25将另外的比较器输入24连接到参考电位端子19。比较器22的输出连接到数字控制电路26。数字控制电路26包括控制输入27和控制逻辑以及一个或更多时钟发生器。

此外，转换器12包括参考电容器29。参考电容器29经由转换器装置12的参考开关30耦合到转换器12的输入14。因此，参考电容器29通过参考开关30耦合到放大器输入16。数字控制电路26的控制输出31连接到参考开关30的控制端。第一偏置源18耦合到参考电容器29。

信号处理单元40连接到转换器12的结果输出28。信号处理单元40还包括第一计数器41、第二计数器42和逻辑/计算引擎50。第一计数器41具有连接到结果输出28的第一时钟输入43。此外，第一计数器41具有第一复位输入44。类似地，第二计数器42具有第二时钟输入45和第二复位输入46。第一计数器41的第一计数器输出47和第二计数器42的第二计数器输出48各自连接到逻辑/计算引擎50的计算输入49。最后，逻辑/计算引擎50包括计算输出51。信号处理单元40能够至少部分地实施为微控制器。

通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到数字控制电路26的控制输入27来初始化传感器信号采集。另外，可以将第一时钟信号CLK1提供给控制输入27。第一时钟信号CLK1可以由时钟发生器(未示出)提供和/或由数字控制电路26产生。优选地，在信号采集进行之前清零光学传感器装置10。当将输入控制信号ADC_ON提供给控制输入27时，触发转换器12工作。第一偏置源18将放大器参考电压VREFIN提供给参考电容器29。参考电容器29产生电荷包QREF。电荷包QREF具有根据以下公式的值：

Q_ref＝V_ref，in·C_ref，

其中，C_ref是参考电容器29的电容值，V_ref,in是放大器参考电压的电压值。数字控制电路26将参考开关信号S2提供给参考开关30。在关闭参考开关30之后，将电荷包QREF施加到积分节点32。此外，通过将复位信号SRESET分别施加到第一和第二复位输入44、46来复位第一和第二计数器41、42。

根据输入控制信号ADC_ON并且在将光学传感器装置设定或清零到初始条件之后，光电二极管11开始采集信号并产生光电流IPD。光电流的值取决于入射在光电二极管11上的光的强度。光电流IPD流过光电二极管11和转换器12的输入14。光电二极管11、放大器输入16和积分电容器20各自连接到积分节点32。参考电容器29经由参考开关30也耦合到积分节点32。传感器电流IPD以正值从积分节点32流到参考电位端子19。输入电压VNEG在放大器输入端16处被分接，并且因此也在积分节点32处被分接。第一偏置源18将放大器参考电压VREFIN提供给另外的放大器输入17。放大器15在放大器输出21产生输出电压VOUT。

在参考开关30断开的情况下，光电流IPD在积分电容器20上积分。输出电压VOUT随时间t上升，如下式所示：

V_OUT＝I_PD·t·C_INT，

其中，I_PD是光电流的值，C_INT表示积分电容器20的电容值。

将放大器15的输出电压VOUT施加到比较器输入23。参考电压源25产生偏置电压VREF2，然后将偏置电压VREF2作为比较器参考电压VREFC施加到另外的比较器输入24。比较器22根据输出信号VOUT和比较器参考电压VREFC的值产生比较器输出信号LOUT。如果输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC，则比较器输出信号LOUT具有第一逻辑值，并且如果输出电压VOUT小于比较器参考电压VREFC，则比较器输出信号LOUT具有第二逻辑值。将比较器输出信号LOUT提供给数字控制电路26。

在信号采集期间，信号处理单元40对比较器输出信号LOUT的脉冲进行计数。基本上，该计数由第一计数器41完成。转换器12和第一计数器41一起可以认为是产生异步计数COUNT-1的第一阶调制器，COUNT-1下文简称为C1。异步计数C1与积分电容器20上积分的光电流IPD成正比。然而，这只是在误差裕度内的情况。如将参考图2更详细地讨论的，异步计数C1易于出错，这些误差由信号处理引擎40进行解决。第一计数器41提供异步计数C1。然而，该计数仅包括整数数量的单独计数。

第二计数器42可以被认为是在第二时钟输入45处接收的第二时钟信号CLK2上工作的自由运行计数器。第二时钟信号CLK2可以由时钟发生器(未示出)和/或数字控制电路26提供。通过在第二复位输入46处接收比较器输出信号LOUT来复位第二计数器42。第二计数器42产生时间计数COUNT-2，或者下文简称为C2，其解决异步计数C1的相邻周期之间的时间周期或时间间隔。优选地，与第一时钟信号CLK2相比，第二时钟信号CLK2以更高的频率实现。例如，第一时钟信号CLK1具有频率为737kHz的矩形函数，第二时钟信号CLK2具有频率为2MHz的矩形函数。

逻辑/计算引擎50在计算输入49处接收异步计数C1和时间计数C2。逻辑/计算引擎50使用这些计数C1和C2来产生分数计数C-ERROR，下文简称为CE，CE可以用于解决各种错误。下面将分别参考图2和图4讨论更多的细节。最后，逻辑/计算引擎50提供数字输出信号ADC-COUNT，其解决上述错误并且与测量的光电流以较高的精度成比例。换句话说，逻辑/计算引擎50产生数字输出信号ADC-COUNT，其可表示为

ADC-COUNT＝C1+CE＝C1+CE(C1,C2)

其中，术语CE(C1、C2)表示分数计数CE是计数C1和C2两者的函数。

数字控制电路26不仅初始化信号采集，还在积分时间结束后终止信号采集。在数字控制电路26处根据积分时间信号STINT设置积分时间。

在未示出的替代实施例中，省略了第一偏置源18。放大器参考电压VREFIN为零。

图2示出了光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图。该图示出了光频转换器的不同信号和操作。描述的是第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2。这些时钟信号分别实现为具有737kHz和2MHz频率的矩形函数。这些值应仅视为示例，并不局限于这些确切的值。通常，将第一时钟信号CLK1的频率选择为低于第二时钟信号CLK2的频率。此外，该图示出了放大器15的输出电压VOUT。最后，图2示出了异步计数C1和时间计数C2。这些信号被表示为时间t的函数。随着信号采集持续一定的积分时间TINT，积分时间示出为参考的手段。

光学传感器装置的基本工作原理是基于电荷平衡转换器的概念。转换器12收集从光电二极管11转换成光电流IPD的光，该光电流IPD通过几个步骤转换成计数。理想地，在积分时间TINT期间测量的计数C1的数值是光电流IPD的直接度量。由可以从时间计数C2导出的各种误差估计来补偿得到的异步计数C1。

该基本工作原理由光学传感器装置的各种部件实现。转换器12设计为电荷平衡转换器，并且用于将光电流IPD转换为以数字输出信号ADC-COUNT形式的数字计数。将光电流IPD积分到积分节点32，并且积分电容器20产生输入电压VNEG。如果积分到积分电容器20中的电荷大于单位电荷包QREF，则积分电容器20上的电荷将减少一个单位电荷包并且计数器40将增加一个逻辑值。积分时间信号STINT确定积分时间TINT。通过在积分时间TINT期间对光电流IPD进行积分，异步计数C1将给出入射在光电二极管11上的光强度的测量结果。积分时间TINT可以是例如100ms。积分时间TINT是第一时钟信号CLK1的周期的倍数。在该实施例中，比较器参考电压VREFC是恒定的并且等于偏置电压VREF2。

示例性测量循环可以包括以下步骤。首先，当输入控制信号ADC_ON为低时，转换器12复位。复位转换器12可以涉及清零光电二极管11；清零积分电容器20；将输入电压VNEG复位为放大器参考电压VREFIN；将输出电压VOUT复位为第一参考电压VREF1，并因此低于比较器参考电压VREFC。结果，比较器输出信号LOUT为低。参考电容器29由电荷包QREF完全充电并与积分节点32断开。将第一和第二计数器41、42清零，使得计算输出51处的数字输出信号为0。施加到参考开关30的第二参考开关信号S2为低。

转换器复位后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来初始化信号采集。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器12开始工作。由光电二极管11产生的光电流IPD由包括放大器15和积分电容器20的积分器积分。光电流IPD在积分节点32处积分，并且输出电压VOUT在积分期间斜升。比较器22监测积分器的输出电压VOUT，即放大器15的输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器输出信号LOUT为高并且电荷包Qref＝V_ref，in·C_ref被释放到积分节点32。在第一计数器处接收输出信号LOUT，并且异步计数C1递增一个计数。

在电荷释放之后，输出电压VOUT减小了值V_ref，in·C_ref/C_int。输出电压VOUT返回到低电平，即第一参考电压VREF1的电平，其低于比较器参考电压VREFC，并再次斜升。电荷包电路29与积分节点32断开并返回到再充电模式。释放的次数N增加一个计数。输出电压VOUT在第一参考电压VREF1和偏置电压VREF2之间摆动。该过程的特征在于电荷释放周期CDP，并且将重复进行直到积分时间TINT结束，信号STINT从高转变为低。在积分时间TINT期间，信号STINT为高，数量计数由第一计数器41累加。计数器值C1等于释放的次数N，并提供对入射光强度的第一测量。异步计数C1等于由第一计数器41计数的释放的次数N。电荷释放的次数N等于在积分时间TINT限定的周期上转换器12第一计数器41产生的计数。

然而，异步计数C1可以不与入射光的强度成正比。多个误差源可以影响光电流IPD转换到以数字输出信号ADC-COUNT形式的数字计数的准确性。图2示出了可以产生误差的两个源，尤其是在例如低光照的低计数条件下。

在信号积分结束时，积分时间信号STINT从高变低。这导致输出电压VOUT必须中断斜升到小于比较器参考电压VREFC的值。信息不完整积分不包括在异步计数C1中，因此，如果不采取额外的步骤，则不包括在数字输出信号ADC-COUNT中。在积分时间终止后留有剩余电荷QRES。换句话说，转换器12的最后一个不完整的积分循环在异步计数C1中引入了测量误差。随着计数值减小，误差的幅度越来越大。这可能妨碍根据低计数值获得准确的测量。以下将该错误称为剩余计数误差RCE。另一个误差源可能是由于复位期间转换器的不正确初始化。第一循环的积分并不总是从期望值开始。这种不确定性也可能在异步计数C1中引入测量误差。特别是如果寻求来自低计数的准确信息，则对该影响进行校正会是有益的，下文将其称为第一计数误差FCE。下面将参考图4来更详细地讨论称为比较器-锁存器同步误差CLSE的另一误差源。

可以通过生成分数计数来解决各种误差。因为分数计数不限定完整计数，因此分数计数介于0和1之间。实际上，将完整计数与异步计数C1相加。可以通过使用第二计数器42来确定分数计数。第二计数器42在第二时钟输入45处接收第二时钟信号CLK2。每当完整的电荷释放周期CDP完成时，经由第二复位输入46来复位时间计数C2。第二计数器42解决异步计数C1中相邻计数之间的时间周期。换句话说，每当完成积分循环并且电荷被释放时，由第一计数器41在异步计数C1中将释放的次数N增加一个计数。第二计数器42产生时间计数C2，其为确定相应积分循环的时间周期或持续时间的数字值。

最后的积分循环在特定的时间戳tR4开始，通过在异步计数C1中产生计数来定义该时间戳(参见图中的循环C1)。如上所述，通过复位转换器12再次开始积分循环。但是，在这种情况下，积分在另一个完整的电荷释放周期CDP完成之前终止。这可以通过另一个时间戳tR5来表征。两个时间戳之间的差异定义了时间计数C2中的剩余时间周期C2_L。剩余时间周期C2_L由第二计数器C2根据第二时钟信号CLK2确定。将剩余时间周期C2_L提供给逻辑/计算引擎50的计算输入49。

此外，第二计数器42确定由连续时间戳tR3、tR4定义的一个或多个完整的积分周期C2_P，时间戳tR3、tR4表示异步计数C1中的连续计数。两个连续时间戳之间的差异定义了时间计数C2中的完整积分周期C2_P。完整积分周期C2_P由第二计数器C2根据第二时钟信号CLK2确定。

类似地，开始时间戳tR1可以被定义为例如通过输入控制信号ADC_ON初始化第一积分的时刻。在完整电荷释放周期CDP完成之前，第一积分循环可以通过释放电荷终止(参见图中的循环C2)。第一积分循环完成的时刻可以用另一个时间戳tR2来表征。前两个连续时间戳tR1、tR2之间的差异定义了时间计数C2中的第一积分周期C2_F。第一积分周期C2_F由第二计数器C2根据第二时钟信号CLK2确定。

将第一积分周期C2_F、一个或多个完整积分周期C2_P和剩余时间周期C2_L提供给逻辑/计算引擎50。逻辑/计算引擎50包括诸如控制逻辑或微控制器之类的装置来保持包括特征周期C2_F、C2_P和C2_L的时间计数C2并且根据时间计数C2计算误差估计。

通过计算剩余信号估计并将结果加到第一计数器41的异步计数C1来校正剩余计数误差RCE。剩余信号估计可以近似为剩余时间周期C2_L除以完整积分周期C2_P。因此，可以针对剩余计数误差RCE来校正数字输出信号ADC-COUNT并产生值

其中，C1、C2_L、C2_P分别是异步计数C1、剩余时间周期C2_L和完整积分周期C2_P的值。例如，完整积分周期C2_P可以是完整积分周期的任何时间周期，例如最后一个时间周期。如下面将讨论的，完整积分周期C2_P可以与平均积分周期C2_A交换以校正锁存器-比较器同步误差。

还可以基于由逻辑/计算引擎50确定的第一积分周期C2_F和完整积分周期C2_P来计算另一个分数计数来解决第一计数误差FCE。第一计数误差估计遵循，对于给定的光电流IPD，借助于转换器的积分可以近似为线性的事实。因此，两个不完整周期C2_L和C2_F的总和可以由一个完整积分周期C2_P校正以产生

此外，完整积分周期C2_P可以是完整积分循环的任何时间周期，例如最后一个时间周期。如下面将讨论的，完整积分周期C2_P可以与平均积分周期C2_A交换以校正锁存器-比较器同步误差。

对剩余计数误差RCE和第一计数误差FCE的估计可以用于解决两个误差源的数字输出信号ADC-COUNT。然后，数字输出信号ADC-COUNT由下式给出

可以将完整积分周期C2_P确定为在积分时间结束并且测量终止之前的最后一个完整积分周期C2_P。然而，在第一积分周期C2_F和剩余时间周期C2_L中间的完整积分循环的任何完整积分周期可以用于确定最后的完整积分周期C2_P。在替代方案中，可以使用一个以上或所有完整积分周期来确定平均积分周期C2_A。在这种情况下，逻辑/计算引擎50设计为确定一个以上或所有完整积分周期并包括用于计算平均完整积分周期C2_P的装置。然后，将平均积分周期C2_A定义为完整积分周期C2_P，用于计算误差估计。因而，

图3示出了光学传感器装置的另一示例性实施例。该实施例是图1所示实施例的进一步发展。转换器12还包括第一和第二放电开关33、34。第一放电开关33将积分电容器20的第一电极耦合到第一偏置源18。第二放电开关34将积分电容器20的第二电极耦合到第一参考源35。积分电容器20的第一电极连接到放大器输入16。积分电容器20的第二电极连接到放大器输出21。因此，放大器参考电压VREFIN通过第一放电开关33提供给积分电容器20的第一电极。此外，第一参考电压VREF1由第一参考源35提供。第一参考电压VREF1通过第二放电开关34提供给积分电容器20的第二电极。由数字控制电路26提供的放电控制信号S4控制第一和第二放电开关33、34。积分电容器20实现为可变电容器。积分电容器20的电容值CINT可以由电容器控制信号设定。

参考电容器29获得可变电容值CREF。参考电容器29的电容值CREF由另外电容器控制信号设定。例如，积分电容器20和参考电容器29可以针对不同的环境光传感器增益进行编程。

此外，转换器12包括在积分过程中涉及复位和电荷释放的若干附加开关。参考开关30和第一至第三参考开关36、37、38。第一参考开关36将第一偏置源18耦合到参考电容器29的第一电极。参考开关30将参考电容器29的第一电极耦合到放大器输入16。第二参考开关37将参考电容器29的第二电极耦合到参考电位端子19。第三参考开关38将第二参考源39耦合到参考电容器29的第二电极。第二参考源39产生第二参考电压VREFIN'。为了对参考电容器29充电，通过第一和第二参考开关信号S1、S2，将第一和第二参考开关36、37闭合并且将第三参考开关38和参考开关30打开。例如，第一和第二参考开关信号S1、S2是非重叠时钟信号。为了将电荷包QREF释放到放大器输入16，通过第一和第二参考开关信号S1、S2，将第一和第二参考开关36、37打开并且将第三参考开关38和参考开关30闭合。

此外，比较器22实现为锁存比较器。比较器22具有连接到锁存器52的第一锁存器输入53的输出。锁存器52包括用于接收第一时钟信号CLK1的第二锁存器输入54。锁存器输出55连接到转换器12的结果输出28和数字控制电路26。

比较器22和锁存器52操作为锁存比较器。锁存器52仅在由第一时钟信号CLK1限定的特定情况下输出比较器输出信号LOUT。由于第一时钟信号CLK1，锁存比较器仅在CLK1的特定间隔处将放大器15的输出电压VOUT与偏置电压VREF2进行比较。

图4示出了信号的另一示例性时序图。该图示出了图3的光频转换器的不同信号和操作。描述了异步计数C1、数字输出信号LOUT、时间计数C2和调制的时间计数C2_MOD。锁存比较器的使用可能引入比较器-锁存器同步错误CLSE。第一时钟信号CLK1锁存异步计数器41的输出。其中的延迟可以达到CLK1的一个周期。这可以导致转换器12根据第一时钟信号CLK1连续进行积分达一个周期。这可以是另一个误差源。比较器-锁存器同步误差CLSE表现为如图所示的时间计数的调制。调制的时间计数C2_MOD示出了该影响。基本上，由于转换器在CLK1下工作和转换器根据光电流IPD输出LOUT的频率，而出现对时间计数C2的调制。

可以通过根据异步计数C1的每个周期取时间计数C2的平均值以计算完整积分周期C2_P来解决比较器-锁存器同步误差CLSE。平均值可以通过包括算术平均值、几何平均值、模式和/或滑动平均的不同方式获得。在该特定实施例中，确定了n个完整积分周期C2_P(i)，i＝1、...、n。所有n个确定的完整积分周期C2_P(n)在相应的计数数值上求和，缩写为C1(n)并通过数字n归一化。这产生了

得到的平均积分周期C2_A可以包括在上面讨论的一个或多个等式中。这样也能解决比较器-锁存器同步误差CLSE。

上面讨论的误差校正提高了光频转换的精度，特别是在低计数情况下。得到的数字输出信号ADC-COUNT可以缩放到一定量而不会缩放误差。

附图标记

10                     光学传感器装置

11                     光电二极管

12                     模拟数字转换器装置

14                     输入

15                     放大器

16                     放大器输入

17                     放大器输入

18                     第一偏置源

19                     参考电位端子

20                     积分电容器

21                     放大器输出

22                     比较器

23                     比较器输入

24                     比较器输入

25                     参考电压源

26                     数字控制电路

27                     控制输入

28                     结果输出

29                     参考电容器

30                     参考开关

31                     控制输出

32                     积分节点

33                     第一放电开关

34                     第二放电开关

35                     第一参考源

36                     第一参考开关

37                     第二参考开关

38                     第三参考开关

39                     第二参考源

40                     信号处理单元

41                     第一计数器

42                     第二计数器

43                     第一时钟输入

44                     第一复位输入

45                     第二时钟输入

46                     第二复位输入

47                     第一计数器输出

48                     第二计数器输出

49                     计算输入

50                     逻辑/计算引擎50

51                     计算输出

52                     锁存器

53                     第一锁存器输入

54                     第二锁存器输入

55                     锁存器输出

ADC_ON                 输入控制信号

ADC_COUNT              数字输出信号

CINT                   电容值

CREF                   电容值

CLK1                   时钟信号

CLK2                   时钟信号

FCE                    第一计数误差

IPD                    光电流

QREF                   电荷包

RCE                    剩余计数误差

LOUT                   比较器输出信号

S1                     第一参考开关信号

S2                     第二参考开关信号

S3                     第三参考开关信号

S4                     放电控制信号

SRESET                 复位信号

STINT                  积分时间信号

t                      时间

TINT                   积分时间

VNEG                   输入电压

VOUT                   输出电压

VREFC                  比较器参考电压

VREFIN                 放大器参考电压

VREFIN'                第二参考电压

VREF1                  第一参考电压

VREF2                  偏置电压

VREF3                  第三参考电压

Claims (16)

1.一种用于光频转换的方法，包括步骤：

-通过光电二极管(11)产生光电流(IPD)，

-在根据第一时钟信号(CLK1)的电荷平衡操作中将所述光电流(IPD)转换为数字比较器输出信号(LOUT)，

-从所述数字比较器输出信号(LOUT)确定异步计数(C1)，所述异步计数(C1)包括取决于所述第一时钟信号(CLK1)的整数数量的计数，

-从所述数字比较器输出信号(LOUT)确定取决于第二时钟信号(CLK2)的分数时间计数(C2)，以及

-从所述异步计数(C1)以及从所述分数时间计数(C2)计算表示所述光电二极管(11)产生的光电流的数字输出信号(ADC-COUNT)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

-在积分时间(TINT)期间将所述光电流(IPD)积分到一个或更多个参考电荷包(QREF)中，其中，对所述电荷包(QREF)的检测确定积分循环，

-使用所述第一时钟信号(CLK1)来计数所述积分时间(TINT)期间的参考电荷包(QREF)的数量，以及

-根据电荷包(QREF)的数量确定所述异步计数(C1)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过依据所述第二时钟信号(CLK2)测量所述异步计数(C1)中的相邻计数之间的时间来从所述分数时间计数(C2)确定积分循环的时间周期。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，当已经确定时间周期时，将所述分数时间计数(C2)复位。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，

-将第一积分循环的时间周期确定为第一积分周期(C2_F)，以及

-通过表示所述第一积分循环的开始的第一时间戳(tR1)和表示所述异步计数(C1)中第一计数的时间的第二时间戳(tR2)来确定所述第一积分周期(C2_F)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

-将一个或多个完整积分周期的时间周期确定为完整积分周期(C2_P)，以及

-通过表示所述异步计数(C1)中的计数的第三时间戳(tR3)和表示所述异步计数(C1)中的相邻计数的时间的第四时间戳(tR4)来确定所述完整积分周期(C2_P)。

7.根据权利要求6的方法，其中，

-确定多于一个的完整积分周期(C2_P)，以及

-从所述完整积分周期(C2_P)确定平均完整积分周期(C2_A)。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其中，

-将最后的完整积分循环和所述积分的结束之间的时间周期确定为剩余时间周期(C2_L)，

-通过表示所述异步计数(C1)中的最后的计数的时间的时间戳(tR4)和表示所述积分的结束的时间戳(tR5)来确定所述剩余时间周期(C2_L)。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，

-通过基于所述第一积分周期(C2_F)和所述完整积分周期(C2_P)计算第一分数计数来解决第一计数误差(FCE)，以及

-所述第一分数计数是对所述第一积分循环期间产生的光电流的度量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

-通过基于最后的所述积分周期(C2_F)和所述完整积分周期(C2_P)计算第二分数计数来解决剩余计数误差(RCE)，以及

-所述第二分数计数是对最后的积分循环期间产生的光电流(IPD)的度量。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

-通过锁存比较器(22、52)产生所述数字比较器输出信号(LOUT)，

-通过计算平均积分周期(C2_A)来解决比较器-锁存器同步误差(CLSE)，所述平均积分周期(C2_A)是从多于一个完整积分周期(C2_P)的平均值计算的，以及

-所述平均积分周期(C2_A)是对由锁存比较器(22、52)在所述数字比较器输出信号(LOUT)中引入的调制的度量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用所述平均积分周期(C2_A)而不是所述完整积分周期(C2_P)来计算第一计数误差(FCE)、剩余计数误差(RCE)和/或比较器-锁存器同步误差(CLSE)。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述数字输出信号(ADC-COUNT)基于一个或更多个完整积分周期和/或所述平均积分周期包括基于所述异步计数(C1)和所述第一分数计数及第二分数计数的总和。

14.一种光频转换器装置，包括：

-模拟数字转换器装置(12)，其包括用于连接光电二极管(11)的传感器输入(14)和用于提供数字比较器输出信号(LOUT)的结果输出(28)，以及

-信号处理单元(40)，其连接到所述模拟数字转换器装置(12)的结果输出(28)；其中，

-所述模拟数字转换器装置(12)在根据第一时钟信号(CLK1)的电荷平衡操作中工作，并且适用于将由所述光电二极管(11)产生的光电流(IPD)转换为数字比较器输出信号(LOUT)，并且

-所述信号处理单元(40)适用于从所述数字比较器输出信号(LOUT)确定包括异步计数(C1)和分数时间计数(C2)的数字输出信号(ADC-COUNT)，所述异步计数(C1)包括取决于第一时钟信号(CLK1)的整数的计数，所述分数时间计数(C2)取决于第二时钟信号(CLK2)，其中，所述数字输出信号(ADC-COUNT)表示由所述光电二极管(11)产生的光电流。

15.根据权利要求14所述的光频转换器装置，其中，所述信号处理单元(40)包括：

-第一计数器(41)，其具有连接到结果输出(28)的第一时钟输入(43)并且包括第一复位输入(44)，

-第二计数器(42)，其包括第二时钟输入(45)和第二复位输入(46)，

-逻辑/计算引擎(50)，其包括连接到所述第一计数器(41)的第一计数器输出(47)和所述第二计数器(42)的第二计数器输出(48)的计算输入(49)；其中，

-所述第一计数器(41)在所述第一时钟输入(43)处接收所述第一时钟信号(CLK1)，并根据所述第一时钟信号(CLK1)产生所述异步计数(C1)，

-所述第二计数器(42)在所述第二时钟输入(45)处接收所述第二时钟信号(CLK2)，并根据所述第二时钟信号(CLK2)产生所述分数时间计数(C2)，

-所述逻辑/计算引擎(50)接收所述异步计数(C1)和所述分数时间计数(C2)，并根据所述异步计数(C1)和所述分数时间计数(C2)计算所述数字输出信号(ADC-COUNT)。

16.根据权利要求14或15所述的光频转换器装置，其中，

-所述模拟数字转换器装置(12)包括提供数字比较器输出信号(LOUT)的锁存比较器(22、52)，并且

-所述信号处理单元(40)适用于从所述分数时间计数(C2)确定平均积分周期(C2_A)，所述平均积分周期(C2_A)是对由锁存比较器(22、52)在数字比较器输出信号(LOUT)中引入的调制的度量。

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