CN110806228A - 用于感测器的校正电路与相关感测器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于感测器的校正电路与相关感测器。本发明公开一种校正电路，用以校正一感测单元上的信号以产生一读出信号。校正电路包含：放大器、第一阻抗元件以及第二阻抗元件。放大器具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中第一输入端耦接于感测单元的一第一端，第二输入端耦接于一参考电压，输出端反馈至第一输入端并输出读出信号。第一阻抗元件的第一端耦接于放大器的第一输入端，以及第一阻抗元件的第二端耦接于一校正电压。第二阻抗元件的第一端耦接于该第一阻抗元件的第一端，以及第二阻抗元件的第二端耦接于放大器的输出端。

Description

用于感测器的校正电路与相关感测器
技术领域
本发明涉及感测器领域，特别涉及一种用于校正感测单元上的信号的校正电路。
背景技术
感测器一般由以阵列形式排列的感测单元所组成，而感测单元中主要包含可随物理现象(如：光、热、压力等)改变其阻抗的可变阻抗元件，如常见的图像感测器中的光敏元件。一般来说，感测单元可以由图1所示的电路模型来表示。当感测单元10为电阻式(如：光敏电阻)时，电阻11用于模拟感测单元10中的阻抗，其电阻值随着所观测的物理现象的强度而改变，而电容12则用于模拟感测单元10的寄生电容。当感测单元10为电容式时，则电阻11的电阻值可能趋近无穷大，电容12的电容值随着所观测的物理现象的强度而改变。
当感测单元10为光敏电阻时，光敏电阻的阻抗随着受光而变化，因此通过读取感测单元10上的信号变化便可确定光的强度。然而，现今的感测器在设计上常面临到的问题便是感测单元10的基础值过大，导致信号变化不容易被检测。举例来说，在电阻式感测的情形中，若电阻11在不受影响的情形下，电阻值为1MΩ(此例中感测单元10的基础值)，而在受到物理现象影响(例如，光照)后，可能仅产生100Ω的电阻值变化。此时，电阻值的变化仅有0.01％；又或者在电容式感测的情形中，若电容12在不受影响的情形下，电容值为100fF(此例中感测单元10的基础值)，而在受到物理现象的影响后，产生0.1fF的电容值改变，此时，电容值的变化仅有0.1％。
由上述的范例可以看出，过大的基础值会让信号改变难以被判别，因此在后端的电路设计中，必须提升电路的动态范围或分辨率，才能准确地根据信号改变判断出特定物理现象的强度，又或者是通过较长时间的积分，从而让信号变化量增加，以准确地判断出物理现象的强度。然而，提升电路的动态范围或分辨率将提高硬件成本，而长时间积分则会限制感测器的输出帧率(frame rate)。因此，需要提出一种创新的技术方案来解决感测元件基础值过大的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种校正电路，该校正电路以放大器为基础，并且基于阻抗元件以及校正电压的设置，消除感测单元的基础值对于放大器所读出信号的影响。
本发明的实施例提供一校正电路，该校正电路用以校正一感测单元上的信号以产生一读出信号。该校正电路包含：放大器、第一阻抗元件以及第二阻抗元件。该放大器具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端耦接于该感测单元的一第一端，该第二输入端耦接于一参考电压，该输出端反馈至该第一输入端并输出该读出信号。该第一阻抗元件的第一端耦接于该放大器的第一输入端，以及该第一阻抗元件的第二端耦接于一校正电压。该第二阻抗元件的第一端耦接于该第一阻抗元件的第一端，以及该第二阻抗元件的第二端耦接于该放大器的输出端。
本发明的实施例提供一感测器，该感测电路包含：一感测单元阵列以及一校正电路。该感测单元阵列由多个感测单元所组成。该校正电路用以校正一感测单元上的信号以产生一读出信号。该校正电路包含：放大器、第一阻抗元件以及第二阻抗元件。该放大器具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端耦接于该感测单元的一第一端，该第二输入端耦接于一参考电压，该输出端反馈至该第一输入端并输出该读出信号。该第一阻抗元件的第一端耦接于该放大器的第一输入端，以及该第一阻抗元件的第二端耦接于一校正电压。该第二阻抗元件的第一端耦接于该第一阻抗元件的第一端，以及该第二阻抗元件的第二端耦接于该放大器的输出端。
本发明的校正电路解决了感测元件基础值过大的问题，从而有效地降低感测单元的面积，且提高感测器的输出帧率。此外，由于本发明的校正电路消除了基础值对读出信号的影响，所以当后端的电路在进行信号处理时，不会将相关于基础值的信号成分放大，从而造成电路的动态范围失真。
附图说明
图1为感测单元的电路模型。
图2为根据本发明的第一实施例示出的校正电路的架构与应用示意图。
图3为根据本发明的第二实施例示出的校正电路的架构与应用示意图。
图4为根据本发明的第三实施例示出的校正电路的架构与应用示意图。
图5为根据本发明的第四实施例示出的感测器的架构图。
附图标记说明：
10、200、400、600 感测单元
100、300、500、720 校正电路
140 放大器
11、120、130、210 电阻性元件
12、320、330、410 电容性元件
520、530 阻抗元件
SW 开关
700 感测器
710 感测单元阵列
712 感测单元
具体实施方式
请参考图2，该图示出根据本发明的一实施例的校正电路的架构与应用示意图。如图所示，校正电路100与感测单元200相连，用以校正感测单元200上的信号。其中，感测单元200可为任何能根据物理现象(如：光、热、压力等)改变其特性(如：阻抗)的元件。在一个实施例中，感测单元200可以是如光敏电阻或光敏二极管的类的光敏元件，其因光照而改变阻抗。
感测单元200的一端220耦接于一输入电压Vin，而感测单元200的另一端230则通过开关SW耦接于校正电路100的第一输入端IN1。校正电路100包含第一阻抗元件120、第二阻抗元件130以及放大器140。第一阻抗元件120的一端耦接至放大器140的第一输入端IN1，另一端则耦接于校正电压Vcal；放大器140的第二输入端IN2耦接于参考电压Vcm。放大器140的输出端OUT则通过第二阻抗元件130反馈至第一输入端IN1。请注意，以上所提到的阻抗元件120、130可分别由一个或多个具有阻抗特性的元件来替代。
如前所述，感测单元200中所包含的可变阻抗元件210，可能具有较大的基础值，从而其阻抗值变化不易反映于读出信号Vout中。因此，校正电路100的主要技术目的便是消除/降低可变阻抗元件210的基础值对于读出信号Vout的影响，从而让读出信号Vout更容易地反映出可变阻抗元件210受光照(或其他物理现象)所产生的阻抗值Z变化。
在一实施例中，当开关SW导通时，感测单元200耦接至校正电路100中的放大器140的第一输入端IN1，校正电路100所取得的读出信号Vout可表示为式1：
其中，Zcal为第一阻抗元件120的阻抗值，Rf为第二阻抗元件130的阻抗值。
此时，若将校正电压Vcal设置为反向的输入电压Vin，亦即Vcal＝-Vin；并将参考电压Vcm设置为0伏，亦即Vcm＝0，以及将第一阻抗元件120的阻抗值Zcal设置为与可变阻抗元件210的阻抗值Z相同，那么校正电路100所输出的读出信号Vout的变化可表示为式2：
Figure BDA0002275035840000042
其中，可变阻抗元件210的阻抗值Z又可进一步表示为Zo+ΔZ，Zo为可变阻抗元件210未受物理现象影响时的基础阻抗值，而ΔZ为可变阻抗元件210受到物理现象影响后的阻抗值变化。此时，若能适当地控制输入电压Vin的电压值与第二阻抗元件130的阻抗值Zf，使得两者的数量级与可变阻抗元件210的基础阻抗值Zo的数量级相同或者接近时，那么可很大程度地减轻可变阻抗元件210的基础阻抗值Zo对于校正电路100所输出的读出信号Vout的影响，从而让校正电路100的读出信号Vout得以与可变阻抗元件210的阻抗值变化ΔZ维持在接近的数量级。
另外，从以上的式1可得知，若是校正电压Vcal与输入电压Vin的数量级相同或接近，且第一阻抗元件120的阻抗值与可变阻抗元件210的基础阻抗值Zo的数量级相同或接近时，亦可让校正电路100的读出信号Vout得以与可变阻抗元件210的阻抗值变化ΔZ维持在接近的数量级。
通过以上的方式，校正电路100的读出信号Vout可以很明确地反映出可变阻抗元件210的阻抗值变化ΔZ。由于降低了基础值带来的影响，后端电路便能更容易地处理从读出信号Vout中找出可变阻抗元件210的阻抗值变化ΔZ，从而判断出可影响可变阻抗元件210的阻抗值的物理现象强度(如，光照强度等)。
另外，应当注意的是，除了第一阻抗元件120、及第二阻抗元件130可分别由一个或多个具有阻抗特性的元件来替代以外，可变阻抗元件210也可能由一个或多个能随物理现象改变其阻抗值的元件来替代。以下的实施例将进一步说明，如何通过不同类型的可变阻抗元件来实现本发明的可变阻抗元件210。
请参考图3，该图为根据本发明第二实施例示出的校正电路的架构与应用示意图。如图所示，校正电路300与感测单元400相连，用以校正感测单元400上的信号。其中，感测单元400包含至少一个可变电阻元件410，其电阻值R可随特定物理现象而改变，故可实现电阻式感测，如光敏电阻。
在一实施例中，感测单元400的一端420耦接于一输入电压Vin，而感测单元400另一端430则通过一开关SW耦接于校正电路300的第一输入端IN1。校正电路300包含第一电阻性元件320、第二电阻性元件330以及放大器140。第一电阻性元件320的一端耦接于放大器140的第一输入端IN1，另一端则耦接于校正电压Vcal，放大器140的第二输入端IN2耦接于参考电压Vcm。另外，放大器140的输出端OUT则通过第二电阻性元件330反馈至第一输入端IN1。
校正电路300的具体效果与校正电路100大体一致，通过消除/降低可变电阻元件410的电阻值R对于读出信号Vout的影响，从而让读出信号Vout更容易地反映出可变电阻元件410的电阻值R随物理现象强度所产生的变化。其中的具体手段包含：将校正电压Vcal设置为反向的输入电压Vin，亦即Vcal＝-Vin；将参考电压Vcm设置为0伏，亦即Vcm＝0；以及将第一电阻性元件320的电阻值Rcal设置为相同于可变电阻元件410的基础电阻值Ro。再者，让输入电压Vin以及第二电阻性元件330的电阻值Rf的数量级与可变电阻元件410的基础电阻值Ro相同或者接近。
又或者是，让校正电压Vcal与输入电压Vin的数量级相同或接近，且第一电阻性元件320的电阻值Rcal与可变电阻元件410的基础电阻值Ro的数量级相同或接近，便可让读出信号Vout更容易地反映出可变电阻元件410的电阻值R随特定物理现象所产生的变化。
请参考图4，该图为根据本发明另一实施例的校正电路示出的架构与应用示意图。如图所示，校正电路500与感测单元600相连，用以校正感测单元600上的信号。在此例中，感测单元600包含至少一个可变电容元件610，其电容值C可随特定物理现象而改变，故可实现电阻式感测。
感测单元600的一端620耦接于一输入电压Vin，而感测单元600的另一端620则通过开关SW耦接于校正电路500的第一输入端IN1。校正电路500包含第一电容性元件520、第二电容性元件530以及放大器140。第一电容性元件520的一端耦接至放大器140的第一输入端IN1，另一端则耦接于校正电压Vcal。放大器140的第二输入端IN2耦接于参考电压Vcm。再者，放大器140的输出端OUT则通过第二电容性元件530反馈至第一输入端IN1。
校正电路500的具体效果与校正电路100大体一致，通过消除/降低感测单元600的基础值对于读出信号Vout的影响，从而让读出信号Vout更容易地反映出可变电容元件610的电容值C随物理现象强度所产生的变化。其中的具体手段包含：将校正电压Vcal设置为反向的输入电压Vin，亦即Vcal＝-Vin；将参考电压Vcm设置为0伏，亦即Vcm＝0；以及将第一电容性元件520的电容值Ccal设置为相同于可变电容元件610的电容值C。再者，让输入电压Vin与第二电容性元件530的电容值Cf的数量级与可变电容元件610的基础电容值Co相同或者接近。
又或者是，让校正电压Vcal与输入电压Vin的数量级相同或接近，且第一电容性元件520的电容值与可变电容元件610的基础电容值Co的数量级相同或接近，便可让读出信号Vout更容易地反映出可变电容元件610的电容值C随物理现象所产生的变化。
请参考图5，该图为根据本发明一实施例的感测器的架构图。如图所示，感测器700包含一感测单元阵列710，且感测单元阵列710由多个以阵列形式排列的感测单元712所组成。其中，每一感测单元712的阻抗可根据特定的物理现象(如，光、热、压力等)所改变，从而实现对于特定的物理现象的强度的检测。再者，感测器700包含有校正电路720，其形式可能为前述的校正电路100、300或500，具体随着感测单元712的阻抗形式而定，如：电阻式或电容式。如前所述，通过校正电路720的辅助，感测器700将具备良好的输出帧率以及动态范围。
总结来说，本发明的校正电路解决了感测元件基础值过大的问题，因此带来几个设计上的优势。首先，在传统的设计中，为了解决基础值过大的问题，需要在感测单元中加入额外的控制信号与缓冲器，从而让感测信号的变化准确反映出阻抗值因物理现象强度随之产生的变化量，然而这样会增加感测单元的面积。相较于此，采用本发明的校正电路，可以有效地降低感测单元的面积。再者，传统设计亦会通过长时间的积分或曝光来增加信号的变化量，来解决基础值过大的问题，但这种做法会无可避免地限制感测器的输出帧率。因此，采用本发明的校正电路，可以有效地提高感测器的输出帧率。此外，由于本发明的校正电路消除了基础值对读出信号的影响，所以当后端的电路在进行信号处理时，不会将相关于基础值的信号成分放大，从而造成电路的动态范围失真。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种校正电路，用以校正一感测单元上的信号以产生一读出信号，包含：
一放大器，该放大器具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端耦接于该感测单元的一第一端，该第二输入端耦接于一参考电压，该输出端反馈至该第一输入端并输出该读出信号；
一第一阻抗元件，该第一阻抗元件的第一端耦接于该放大器的第一输入端，以及该第一阻抗元件的第二端耦接于一校正电压；以及
一第二阻抗元件，该第二阻抗元件的第一端耦接于该第一阻抗元件的第一端，以及该第二阻抗元件的第二端耦接于该放大器的输出端。
2.如权利要求1所述的校正电路，其中该校正电压与该感测单元的一第二端上的一输入电压大小相同，相位相反。
3.如权利要求1所述的校正电路，其中该第一阻抗元件的阻抗值与该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值相同。
4.如权利要求2所述的校正电路，其中该输入电压的电压值以及该第二阻抗元件的阻抗值的数量级相同或者接近该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值的数量级。
5.如权利要求2所述的校正电路，其中该输入电压的电压值的数量级相同或者接近该校正电压的电压值，以及该第一阻抗元件的阻抗值的数量级相同或者接近该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值的数量级。
6.一种感测器，包含：
一感测单元阵列，由多个感测单元所组成；以及
一校正电路，用以校正一感测单元上的信号以产生一读出信号，包含：
一放大器，该放大器具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端耦接于该感测单元的一第一端，该第二输入端耦接于一参考电压，该输出端反馈至该第一输入端并输出该读出信号；
一第一阻抗元件，该第一阻抗元件的第一端耦接于该放大器的第一输入端，以及该第一阻抗元件的第二端耦接于一校正电压；以及
一第二阻抗元件，该第二阻抗元件的第一端耦接于该第一阻抗元件的第一端，以及该第二阻抗元件的第二端耦接于该放大器的输出端。
7.如权利要求6所述的感测器，其中该校正电压与该感测单元的一第二端上的一输入电压大小相同，相位相反。
8.如权利要求6所述的感测器，其中该第一阻抗元件的阻抗值与该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值相同。
9.如权利要求7所述的感测器，其中该输入电压的电压值以及该第二阻抗元件的阻抗值的数量级相同或者接近该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值的数量级。
10.如权利要求7所述的感测器，其中该输入电压的电压值的数量级相同或者接近该校正电压的电压值，以及该第一阻抗元件的阻抗值的数量级相同或者接近该感测单元中的一可变阻抗元件的基础阻抗值的数量级。
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