CN110869722B - 光学传感器装置和用于光感测的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器装置具有：积分器；用于提供与第一极性对应的电流的光电二极管；耦合到积分器，用于将电压与阈值电压比较以提供比较输出的比较器；基准充电电路以及控制单元。基准充电电路(14)耦合到积分器(15)，用于选择性地提供第一尺寸的第一电荷包或第二尺寸的第二电荷包。控制单元(21)配置成在校准阶段、积分阶段以及残差测量阶段中控制操作。在校准阶段期间，基准充电电路将第一电荷包中的一个和第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器，直到比较输出变化为止。确定与提供的第二电荷包的数量对应的基准数量。在积分阶段期间，光电二极管连接到积分器，并且响应于比较输出的相应变化，基准充电电路将第一电荷包中的一个提供给积分器。确定与比较输出的变化数量对应的积分数量。在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间，基准充电电路将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器，直到比较输出变化为止。确定与提供的第二电荷包的数量对应的残差数量。

Description

光学传感器装置和用于光感测的方法

本发明专利申请涉及一种光学传感器装置和用于光感测的方法。

光学传感器装置通常包括作为光检测器的光电二极管，并测量流过光电二极管的光电流。光学传感器装置可以将光电流转换成数字信号。例如，光学传感器装置可以实现为光-频电路，也称为光-频机，缩写为LTF机。LTF电路可以通过对光电流进行积分并将积分信号与阈值比较来产生数字信号。检测到的数字信号的准确度取决于在进行积分和比较期间使用的基准值。

待实现的目的是提供用于具有提高的准确度的光感测的改进的构思。

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

在光-频转换中，当对光电流进行积分时，通常每当积分信号跨越阈值时，将具有与光电流相反的极性的明确限定的电荷包提供给积分器的输入，用于将积分过程设置到限定状态。在预定积分时间期间重复该过程，并在积分阶段对每次跨越阈值进行计数。计数的准确度受限于明确限定的电荷包的尺寸。改进的构思所基于的理念为，使用不一定明确限定的第二电荷包来确定在积分阶段结束时的充电状态和对应的阈值之间的这种较小的电荷包的残差计数。可以在紧随积分阶段之后的残差测量阶段中执行这种测量。然而，为了避免需要另一个明确限定的电荷包，能够通过计数未明确限定的第二电荷包的等效数量以实现明确限定的第一电荷包中的一个来确定第一电荷包和第二电荷包之间的关系。这可以在校准阶段完成。可以在实际测量之前(即，在积分阶段之前)、或者在积分阶段之后、或者甚至独立于实际测量来执行校准阶段。对给定的一系列积分阶段，仅执行一次校准就足够了。

例如，根据改进的构思的光学传感器装置的实施例包括具有积分器输入和积分器输出的积分器、用于提供与第一极性对应的电流的光电二极管、以及具有耦合到积分器输出的比较器输入的比较器。比较器配置成比较比较器输入处的电压与阈值，用于提供比较输出。基准充电电路耦合到积分器输入，用于选择性地提供第一尺寸的第一电荷包或第二尺寸的第二电荷包，其中第一电荷包对应于与第一极性相反的第二极性，并且第二电荷包对应于第一极性。优选地，第二电荷包小于第一电荷包。

在本文中，极性限定了由相应的元件提供的电荷的符号。例如，第二电荷包对应于具有与光电二极管提供的电流相同的极性的电流。

光学传感器装置的控制单元配置成在校准阶段期间，控制基准充电电路将第一电荷包中的一个提供给积分器输入，并将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出变化为止。控制单元还确定与在所述校准阶段期间提供的第二电荷包的数量对应的基准数量。在校准阶段期间，控制单元优选地将光电二极管与积分器输入断开。断开可以实现在计数期间基准数量不受光电流的影响。然而，在一些实施方式或配置中，控制单元还可以配置成在校准阶段期间保持光电二极管连接到积分器输入，例如如果光电流可忽略不计和/或如果切换光电二极管将引起不可忽略的电流。例如，校准阶段相对于常规积分阶段的时间较短。

控制单元还被配置成在积分阶段期间将光电二极管连接到积分器输入，以响应于比较输出的相应变化，控制基准充电电路将第一电荷包中的一个提供给积分器输入，并确定与比较输出的所述变化的数量对应的积分数量。因此，在积分阶段期间，对积分器输出处每次对阈值的超过提供第一电荷包中的一个并且增加检测到的脉冲数量。

控制单元还配置成在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间，控制基准充电电路将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出变化为止，并确定与在残差测量阶段期间提供的第二电荷包的数量对应的残差数量。也就是说，对应于在光电二极管与积分器输入断开之后光电二极管不提供电流时，为达到阈值而丢失的部分。

控制单元还可以配置成在残差测量阶段期间将光电二极管与积分器输入断开。断开可以实现在计数期间残差数量不受光电流的影响。然而，在一些实施方式或配置中，控制单元还可以配置成在残差测量阶段期间保持光电二极管连接到积分器输入，例如如果光电流可忽略不计和/或如果切换光电二极管将引起不可忽略的电流。例如，残差测量阶段相对于积分阶段的时间较短。

不使用更细小的第二尺寸的电荷包进行正常积分的原因是，该电荷未修整并且在温度和过程中未明确限定。在校准阶段期间，未明确限定的第二尺寸的电荷被校准成第一尺寸的电荷包。

例如，控制单元配置成提供基于积分数量和残差数量与基准数量之间的比率的总积分值。例如，总积分值可以由与积分数量对应的整数值和与基准数量和残差数量之间的差的比率对应的分数值组成，与基准数量相关。

例如，以下等式给出了分数残差，即丢失的第二电荷包，所述分数残差被校准成参考电荷，即第一电荷包：

因此，由在积分阶段和残差测量阶段期间进行的测量形成的总积分值的精度被改进到较小的第二电荷包的尺寸。利用该构思，可以例如进一步改进在给定积分时间内的ALS测量，当处理非常低的光照条件、例如将传感器安装在手机显示屏中墨水后面的应用时，这是有利的。

在各种实施例中，积分阶段起始于将电荷包中的一个提供给积分器输入。

在一些实施方式中，控制单元配置成在紧接积分阶段之前的初始化阶段期间，将积分器输入预置成与具有小于第二尺寸的容差的阈值对应的电压。因此，在限定的起始点的情况下，能够进一步提高整个测量过程的准确度。

例如，控制单元配置成在初始化阶段期间通过将积分器的积分电容器充电到阈值来预置积分器输入。因此，在积分阶段的开始，来自光电二极管的电流不会损失。

在替代实施方式中，控制电路配置成在初始化阶段期间通过控制基准充电电路将第一电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出第一次变化为止，并且通过控制基准充电电路将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出第二次变化为止来预置积分器输入。

因此，从未限定的起始点，将第一电荷包提供给积分器输入，直到第一次超过阈值为止。然后，提供具有相反极性的第二电荷包，直到明显地沿相反方向再次超过阈值为止。因此，随着第二次超过阈值电压，积分器输入呈现与阈值的差距小于与第二电荷包的第二尺寸对应的电压的值。

第一电荷包和第二电荷包的产生或提供可以以多种方式实现。例如，可以使用单个电容器，所述电容器利用两个不同的基准电压充电，以便根据相应的要求将两个不同量的电荷存储在电容器上。在替代方案中，使用利用相同或不同的基准电压充电的两个不同电容器。在每种情况下，可以控制两个不同量的电荷以切换方式提供给积分器输入。

例如，基准充电电路包括基准电容器，特别是单个基准电容器。为了提供第一电荷包，基准电容器利用第一基准电压充电，同时将基准电容器与积分器输入断开。在充电之后，基准电容器连接到积分器输入，从而能够将电荷量转移到积分器输入。为了以类似的方式提供第二电荷包，基准电容器利用第二基准电压充电，同时将基准电容器与积分器输入断开。在充电之后，基准电容器连接到积分器输入，用于提供存储的电荷。

在替代实施方式中，基准充电电路包括第一基准电容器和第二基准电容器。为了提供第一电荷包，第一基准电容器利用第一基准电压充电，同时将第一基准电容器与积分器输入断开。在充电之后，第一基准电容器连接到积分器输入。为了提供第二电荷包，第二基准电容器利用第一基准电压或利用第二基准电压充电，同时第二基准电容器与积分器输入断开。在充电之后，第二基准电容器连接到积分器输入。

例如，通过控制单元提供的相应的切换信号可以控制将存储的电荷分别提供给积分器输入的充电和放电。此外，第一电荷包和第二电荷包的充电和提供可以基于参考时钟信号。因此，实现了允许稳定操作的限定的定时。

在一些实施方式中，在校准阶段和/或残差测量阶段期间能够降低参考时钟信号的时钟速度，特别地与积分阶段相比。这允许更好地设置在积分器中可能使用的放大器。

在一些实施方式中，在校准阶段和/或残差测量阶段期间以较低噪声的操作模式来操作积分器的放大器，特别地与积分阶段相比。这可以进一步提高在利用第二电荷包操作设备时实现的准确度。

因为例如通过降低放大器的带宽和/或降低时钟频率能够在残差测量阶段期间强制放大器进入低噪声模式，所以在正常积分时间内允许设置系统而不会影响动态范围。

在一些实施方式中，控制单元配置成多次进入校准阶段，并且根据在所述校准阶段的每个中确定的相应基准数量来确定平均值。平均值然后可以用作最终基准数量。因此，可以以更高的确定性来确定第二电荷包和第一电荷包或它们的尺寸之间的比率。这还改进了整体测量的准确性。

在上述各种实施方式中，可以修整第一电荷包的第一尺寸，同时不修整第二电荷包的第二尺寸。因此，因为仅必须修整电荷包中的一个，所以降低了用于具有明确限定的电荷包的工作量。

在这种装置的各种配置中，其中光电二极管连接到积分器输入或与其断开，切换过程可以向积分器输入提供额外的电流，所述电流可以对测量结果造成影响，例如在残差测量阶段和校准阶段期间。为此，改进的构思可选地引入了开-关补偿阶段，在所述开-关补偿阶段期间，测量连接和断开光电二极管的作用。例如，在这种开-关补偿阶段期间，控制单元控制基准充电电路将第一电荷包中的一个提供给积分器输入。然后，控制单元首先将光电二极管连接到积分器输入，然后与其断开，或反之亦然，这可以得到开-关误差。然后，控制单元控制基准充电电路将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出变化为止。控制单元确定与提供的第二电荷包的数量对应的开-关数量。

开-关补偿阶段可以实现为仅允许打开和关闭光电二极管的短积分阶段与在该情况下提供开-关数量的残差测量阶段的组合。

在校准阶段的基准数量和开-关补偿阶段的开-关数量之间的差与开-关误差对应。当提供总积分值时，可以考虑开-关误差的这种数字表示，所述总积分值然后还基于开-关数量或开-关误差。

另外已经发现，诸如泄漏电流的内部状态也能够影响测量结果。为了考虑诸如泄漏电流的内部状态，改进的构思提出了以第二电荷包在预定的时间内测量泄漏电流。术语泄漏电流在下文中用于概括出现在积分器输入处的任何额外电流。例如，能够对泄漏电流积分完整的积分时间或者常规的积分阶段、或这种积分时间的限定部分。在这种积分期间，可以将光电二极管与积分器输入断开，或者可以在不暴露于光的情况下连接光电二极管。通过断开光电二极管，可以仅考虑由例如电子电路得到的内部状态。

例如，可以在泄漏积分阶段期间执行泄漏电流的积分。在泄漏积分阶段之后，可以启动与残差测量阶段大致对应的泄漏补偿阶段。因此，控制单元控制基准充电电路提供第二电荷包中的一个或更多个，直到比较输出变化为止，并确定与在泄漏补偿阶段提供的第二电荷包的数量对应的泄漏数量。

在校准阶段的基准数量和泄漏补偿阶段的泄漏数量之间的差与内部误差对应。当提供总积分值时，可以考虑内部误差的这种数字表示，所述总积分值然后还基于泄漏数量或内部误差。特别地，如果泄漏积分阶段具有与常规积分阶段相同的长度，则能够直接使用基准数量和泄漏数量之间的差值，假设在常规积分阶段将提供相同的泄漏电流。然而，如果泄漏积分阶段仅持续常规积分阶段的一部分，例如一半的时间，差应该根据泄漏数量乘以常规积分时间和泄漏积分阶段时间之比率得出，在本示例中为二。

为了能够考虑正和负的泄漏电流，可以在泄漏积分阶段期间，优选在泄漏积分阶段的开始将第一电荷包的一个或更多个提供给积分器输入。当确定泄漏数量时显然必须考虑这种第一电荷包。

根据上述实施例之一的装置可以在例如移动设备、特别是移动电话中使用，例如用于环境光感测。特别地，改进的构思允许即使在光电二极管仅提供小的光电流的低光照条件下进行准确的测量。

本公开内容还涉及根据改进的构思的光感测方法。这种方法可以利用具有以下的装置来执行：提供与第一极性对应的电流的光电二极管、具有积分器输入和积分器输出的积分器、以及具有耦合到积分器输出的比较器输入的比较器，所述比较器配置成将比较器输入处的电压与阈值比较，用于提供比较输出。该方法包括校准阶段、积分阶段以及残差测量阶段。

在校准阶段期间，优选地将光电二极管与积分器输入断开，将第一尺寸的第一电荷包中的一个提供给积分器输入，并将第二尺寸的第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出变化为止。提供了与多个第二电荷包的数量对应的附图标记，其中第一电荷包对应于与该极性相反的第二极性，并且第二电荷包对应于第一极性。

在积分阶段期间，光电二极管连接到积分器输入，响应于比较输出的相应变化，将第一电荷包中的一个提供给积分器输入，并确定与比较输出的所述变化的数量对应的积分数量。

在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间，优选地将光电二极管与积分器输入断开，将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出变化为止，并确定与第二电荷包的数量对应的残差数量。

光感测方法还可以包括紧接积分阶段之前的初始化阶段。在这种初始化阶段期间，积分器输入被预置为与具有小于第二尺寸的容差的阈值对应的电压。

根据上面对光学传感器装置描述的各种实施例和实施方式，所述方法的其他实施方式对于技术人员而言是直接显而易见的。

在光学传感器装置和光感测方法的一些实施方式中，可以省略第二电荷包相对于第一电荷包的校准已经执行残差测量，同时第二电荷包用于在初始化阶段期间预置积分器输入。特别地，初始化阶段可以利用校准的第二电荷包和未校准的第二电荷包执行。

例如，光学传感器装置的对应实施例包括具有积分器输入和积分器输出的积分器、用于提供与第一极性对应的电流的光电二极管、以及具有耦合到积分器输出的比较器输入的比较器。比较器配置成将比较器输入处的电压与阈值比较，用于提供比较输出。基准充电电路耦合到积分器输入，用于选择性地提供第一尺寸的第一电荷包或第二尺寸的第二电荷包，其中第一电荷包对应于与第一极性相反的第二极性，并且第二电荷包对应于第一极性。第二电荷包小于第一电荷包。

控制单元配置成在紧接积分阶段之前的初始化阶段期间预置积分器输入，通过控制基准充电电路将第一电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出第一次变化为止，并且通过控制基准充电电路将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入，直到比较输出第二次改变为止。

关于积分阶段，参照上面的描述。

因此，从未限定的起始点，将第一电荷包提供给积分器输入，直到第一次超过阈值为止。然后，提供具有相反极性的第二电荷包，直到明显地沿相反方向再次超过阈值为止。因此，随着第二次超过阈值电压，积分器输入呈现与阈值的差距小于与第二电荷包的第二尺寸对应的电压的值。因此，能够实现积分阶段的更准确的起始值。

示例性实施例的附图的以下描述可以进一步示出和说明改进的构思的各方面。具有相同结构和相同作用的设备和电路部分分别以等效的附图标记显示。只要设备或电路部分在不同附图中的功能彼此对应，则不对以下每个附图重复其描述。

在附图中：

图1示出了根据改进的构思的光学传感器装置的示例性实施方式，

图2示出了图1装置中的信号的示例性信号图，

图3示出了根据改进的构思的基准充电电路的示例性实施方式，

图4示出了根据改进的构思的基准充电电路的另一个示例性实施例，

图5示出了图1装置中的信号的另一示例性信号图，以及

图6示出了根据改进的构思的光学传感器装置的示例性细节，

图7示出了图1装置中的信号的另一示例性信号图，以及

图8示出了图1装置中的信号的另一示例性信号图。

图1示出了光学传感器装置10的示例性实施例，其包括光电二极管11、积分器12、比较器13以及基准充电电路14。装置10可以用作LTF机10。

在图1中，示出了LTF机10的简单框图。积分器12包括积分器输入15和积分器输出16。积分器输入15耦合到光电二极管11。积分器输出16连接到比较器13的比较器输入18。此外，光学传感器装置10包括控制电路21，所述控制电路的输入耦合到比较器13的输出。

光学传感器装置10包括布置在光电二极管11和积分器输入15之间的第一开关22。光电二极管11的阳极连接到基准电位端子17。光电二极管11的阴极经由第一开关22耦合到积分器输入15。此外，光学传感器装置10包括第二开关23，所述第二开关将光电二极管11耦合到基准电位端子17。因此，第二开关23将第一开关22和光电二极管11之间的节点耦合到基准电位端子17。另外，在积分器输入15和基准电位端子17之间布置有放电开关24。

因此，光电二极管11将第一极性的光电流IPD提供给积分器输入15。

积分器12包括放大器26和积分电容器27。放大器26的一个输入直接连接到积分器输入15。放大器26的输出直接连接到积分器输出16。放大器26的输入可以实现为反相输入。放大器26的另一输入连接到基准电位端子17。该放大器的该另一输入可以实现为同相输入。积分电容器27的第一电极连接到积分器输入15，并因此连接到放大器26的输入。积分电容器的第二电极耦合到放大器26的输出，并因此耦合到积分器输出16。

积分器12包括积分器开关28。积分器开关28将积分电容器27的第二电极耦合到放大器26的输出，并因此使其耦合到积分器输出16。积分电容器27和积分器开关28之间的节点经由另一积分器开关29耦合到电压端子30。例如，电压端子30可以连接到比较器13的第二输入19。

控制电路21的输出连接到第一开关22的控制端子、第二开关23的控制端子、放电开关24的控制端子、积分器开关28的控制端子以及另一积分器开关29的控制端子。此外，控制电路21包括信号输出49。

比较器阈值电压VCT被施加到比较器13的第二输入19。比较器阈值电压VCT设置比较器13的比较器切换点。比较器阈值电压VCT可以等于比较器切换点。比较器13产生比较器信号SC。比较器信号SC可以实现为光频输出信号。比较器信号SC被提供给控制电路21。控制电路21在信号输出49处产生作为比较器信号SC的函数的输出信号SOUT。控制电路21产生开关控制信号SW1至SW5，并且将所述控制信号提供给开关22至24、28、29的控制端子。

端子电压VC可以在电压端子30处被分接，并被施加到另一积分器开关29。未示出的电压源可以连接到电压端子30，并且可以产生端子电压VC。电压源还可以连接到比较器13的第二输入19。在这种情况下，端子电压VC可以等于比较器阈值电压VCT。

基准电位GND可以在基准电位端子17处被分接。基准电位GND被提供给放大器26的所述另一输入。

比较器输入电压VIN可以在积分器输出16处、并因此在比较器13的第一输入18处被分接。比较器信号SC是比较器输入电压VIN和比较器阈值电压VCT之间的差的函数。如果比较器输入电压VIN高于比较器阈值电压VCT，则比较器13产生具有第一逻辑值的比较器信号SC。

比较器阈值电压VCT可以与端子电压VC不同。

耦合到积分器输入15的基准充电电路14被配置成选择性地提供第一尺寸的第一电荷包或第二尺寸的第二电荷包。第一电荷包对应于与光电二极管提供的电流的第一极性相反的第二极性。第二电荷包对应于所述第一极性。第一电荷包和第二电荷包的提供由控制单元21控制。此外，基准充电电路14内的电荷包的产生也可以由控制单元21控制，这将在后面结合图3和图4更详细地说明。

控制单元21可以具有在不同的操作阶段操作的光学传感器装置10。例如，在积分阶段期间，控制单元21将光电二极管11连接或保持连接到积分器输入15，响应于比较输出SC的相应变化来控制基准充电电路14将第一电荷包中的一个提供给积分器输入，以及确定与比较输出SC的所述变化的数量相对应的积分数量。例如，变化的数量由控制单元21内的计数器计数。

根据改进的构思，为了还覆盖积分阶段结束时在积分器输入处的电压和阈值VCT之间的残差，控制单元21在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间控制基准充电电路14将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到比较输出变化为止。控制单元21确定与在残差测量阶段期间提供的所述第二电荷包的数量相对应的残差数量。控制单元21优选地在残差测量阶段期间将光电二极管11与积分器输入15断开。然而，在一些实施方式或配置中，在残差测量阶段期间，例如，如果光电流可忽略不计和/或如果切换光电二极管11将引起不可忽略的电流贡献，控制单元21也可以保持光电二极管11连接到积分器输入15。例如，残差测量阶段相对于积分阶段的时间较短。

在校准阶段，确定第二电荷包的第二尺寸和第一电荷包的第一尺寸之间的比率，在所述校准阶段期间光电二极管优选地与积分器输入断开。在校准阶段，控制单元控制基准充电电路将第一电荷包中的一个提供给积分器输入15，并将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到比较输出SC变化为止。控制单元21确定与提供的第二电荷包的数量相对应的基准数量。然而，在一些实施方式或配置中，在校准阶段期间，例如，如果光电流可忽略不计和/或如果切换光电二极管11将引起不可忽略的电流贡献，控制单元21还可以保持光电二极管11连接到积分器输入15。例如，校准阶段相对于积分阶段的时间较短。

现在参照图2，借助于示例性信号图将更详细地说明不同的操作阶段。在该示例性图中，假设在初始化(INIT)阶段结束时预置积分器12，使得在积分器输出16(分别为比较器输入18)处的信号VIN假定了阈值电压VCT。在紧随INIT阶段之后的积分阶段的开始，将第一电荷包提供给积分器输入15，得到大小为REF_CP的电压阶跃(在该示例中为负电压阶跃)。电压VIN随提供给积分器输入15的光电流IPD增加，直到达到或超过阈值电压VCT为止。响应于该状况，产生LTF脉冲，如可以在图的下部分看到的。同时，提供第一电荷包以再次降低电压VIN。仍然连接的光电二极管11的光电流进一步增加电压VIN，重复上述过程。

应该注意的是，图2的示例性图中描述的两个LTF脉冲仅用于简化构思的说明，而在实际的实施方式中，根据实际的光电流，在预定积分阶段将产生更多的积分脉冲，甚至是单个LTF脉冲。例如，这种积分阶段由50Hz或60Hz信号确定。

在积分阶段结束时(其为残差测量阶段的起始)，在电压VCT-REF_CP和VCT之间的某个位置存在形成残差电压的电压VIN。因此，根据改进的构思，在控制单元21的控制下，从基准充电电路14向积分器输入15提供与电压RES_CP相对应的第二尺寸的第二电荷包，直到达到或超过阈值电压VCT为止。在该示例中，需要四个包用于超过阈值电压VCT。该数量存储为残差数量。因此，积分数量和残差数量允许更准确地表示光电流的强度、或引发光电流的光。

为了更好地量化残差数量，在校准阶段确定在与电压阶跃RES_CP对应的第二尺寸和与电压阶跃REF_CP对应的第一尺寸之间的比率，在该示例中，这是在残差测量阶段之后。然而，校准阶段还可以在初始化阶段之前执行，或者完全独立于实际测量。

如从图2能够看到的，在校准阶段的开始，将第一电荷包提供给积分器输入15，之后提供多个第二电荷包，直到达到或超过阈值VCT为止。在该示例中，七个第二电荷包与第一电荷包中的一个对应。

图3和图4示出了用于提供第一尺寸和第二尺寸的电荷包的基准充电电路14的示例性实施方式。

在图3的实施例中，基准充电电路14包括具有第一电极和第二电极的第一基准电容器40。基准充电电路14的第一基准开关41将第一基准电容器40的第一电极耦合到积分器输入15。第二基准开关42将第一基准电容器40的第一电极耦合到基准端子43。此外，基准充电电路14包括将第一基准电容器40的第二电极耦合到基准端子43的第三基准开关44。另外，基准充电电路14的第四基准开关45将第一基准电容器40的第二电极耦合到基准源端子46。

基准信号AVSS被提供给基准端子43。基准信号AVSS可以等于基准电位GND。在基准源端子46处提供第一基准电压VR1。

以类似的方式，基准充电电路14还包括具有第一电极和第二电极的第二基准电容器50。对应的基准开关51将第二基准电容器50的第一电极耦合到基准端子43。另外，开关52将电容器50的第一电极耦合到基准端子43，开关55将电容器50的第二端子耦合到第二基准源端子56，在所述第二基准源端子56处提供第二基准电压VR2。开关54将第二基准电容器50的第二电极耦合到积分器输入15。

例如，在控制电路21的控制下，相应的切换信号被提供给基准充电电路14，以用于对第一基准电容器40和第二基准电容器50充电和放电，其中，放电对应于实际地将相应的电荷包提供给积分器输入15。

图4示出了基准充电电路的第二实施例，该基准充电电路仅使用一个基准电容器40用于产生第一电荷包和第二电荷包两者。特别地，围绕第一基准电容器40的电路连同开关41、42、44、45以及基准连接43和46对应于图3中示出的实施例。

第一基准电压VR1由连接在端子46和基准电位端子17之间的基准源60提供。基准源60可以实现为基准电压源，例如为带隙电路。基准源分压器61将基准源60耦合到基准电位端子GND，并且包括两个分压器电阻器62、63。基准源分压器61的接头位于两个分压器电阻器62、63之间，并且提供第二基准电压VR2。第二基准电压VR2因此小于第一基准电压VR1。开关64、65提供第一基准电压VR1或第二基准电压VR2作为得到的基准电压VR。

其他开关66、67、68以及69一起用作极性开关，用于将基准信号AVSS或得到的基准电压VR提供给开关42、45，以及分别提供给电容器40。例如，参照图3的实施方式，为了实现用于提供第一基准电压VR1的上电路部分，闭合开关64、66以及68，同时打开开关65、67以及69。为了提供第二基准电压VR2，反转切换状态，从而打开开关64、66以及68，同时闭合开关65、67以及69。

由图3和图4中示出的实施例得到的电荷包取决于充电电压(即基准电压VR1和/或基准电压VR2)、以及基准电容器40或电容器50的相应电容值。例如，在这两个实施例中，第一电荷包对应于电荷值Q1＝VR1·CREF1，其中，CREF1是基准电容器40的电容值。

在图3的实施例中，第二电荷包具有电荷值Q2＝VR1·CREF2，其中CREF2是基准电容器50的电容值。在图4的实施例中，第二电荷包具有电荷值Q2＝VR2·CREF1。对于图3的实施例，因为不同的电荷包可以由不同的电容值得到，因此第二基准电容器50还能够利用第一基准电压VR1充电。

如前指出的，改进的构思旨在预置积分器输入，使得其在紧接积分阶段之前的初始化阶段与阈值VCT大致相同。特别地，起始电压和阈值电压VCT之间的差应该小于与第二电荷包的第二尺寸对应的电压。

现在转到图5，示出了展示如何实现期望的初始化的示例性实施方式的信号图。在该示例中，从高于阈值VCT的任意起始值开始，将与电压阶跃REF_CP对应的第一电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到超过阈值电压VCT为止，即，第一次超过。然后，将与具有相反极性的电压阶跃RES_CP对应的第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到比较输出SC第二次变化为止。由于在最后一个第二电荷包之前，电压VIN低于阈值VCT，电压VIN可以是后来高于阈值电压VCT的第二电荷包中的仅一个，即，之后高于阈值电压VCT的一个电压阶跃RES_CP。因此，紧随初始化阶段之后的积分阶段的起始点被更准确地限定。例如，在积分阶段的开始，与电压阶跃REF_CP对应的第一电荷包中的一个被提供给积分器输入15，减小了积分阶段起始时的误差。

应该注意的是，结合图5描述的初始化不一定取决于第二电荷包相对于第一电荷包的校准。因此，可以在测量阶段或积分阶段之前执行这种初始化，而与执行的积分类型无关，即也没有残差测量阶段。

现在参照图6，示出了在可行的实施方式中的光学传感器装置的细节。例如，积分电容器27的第一端子经由第一开关连接到接地端子，同时积分电容器27的第二端子连接到比较器13内的基准端子用于提供阈值电压VCT。特别地，比较器13用作配置为缓冲器的补偿运算放大器。因此，在初始化阶段，通过闭合相应的预置开关，能够将积分电容器27或积分器12预置到阈值VCT。同样在这种情况下，能够实现高精度并且能够减小在积分阶段的开始时的电位误差。

在这种装置的各种配置中，在光电二极管11连接到积分器输入15并且与积分器输入15断开处，切换过程可以将额外的电流提供给积分器输入15，这例如在残差测量阶段和校准阶段期间能够对测量结果造成影响。

为此，改进的构思可选地引入了开-关补偿阶段，在所述开-关补偿阶段期间测量连接和断开光电二极管的效果。图7中示出了示例性实施方式。例如，在开-关补偿阶段期间，控制单元21控制基准充电电路14将第一电荷包中的一个提供给积分器输入15。然后，控制单元21首先将光电二极管11连接到积分器输入端15，然后与其断开，或反向操作，这可以得到开-关误差。在附图中，这利用控制开关SW3的开和关示出。然后，控制单元21控制基准充电电路14将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到比较输出变化为止。控制单元确定与提供的第二电荷包的数量对应的开-关数量，在该示例中所述第二电荷包的数量为八个。

开-关补偿阶段可以实现为仅允许打开和关闭光电二极管的短积分阶段连同在该情况下提供开-关数量的残差测量阶段的组合。

在校准阶段的基准数量(在图7中再次示出，但与图2中示出的对应)和开-关补偿阶段的开-关数量之间的差与开-关误差对应。当提供总积分值时，可以考虑开-关误差的这种数字表示，然后所述总积分值还基于开-关数量或开-关误差。

还可以发现，泄漏电流也能够影响测量结果。为了考虑这种泄漏电流，改进的构思提出了用第二电荷包在预定时间内测量泄漏电流。例如，能够对泄漏电流积分完整的积分时间或者常规的积分阶段、或这种积分时间的限定部分。在这种积分期间，可以将光电二极管与积分器输入断开，或者可以连接光电二极管而不暴露于光。

例如，图8示出了在泄漏积分阶段期间执行泄漏电流的积分的实施方式示例。在泄漏积分阶段之后，与残差测量阶段大致对应的泄漏补偿阶段启动，例如图2中示出的。因此，控制单元21控制基准充电电路14将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15，直到比较输出变化为止，并确定与在泄漏补偿阶段期间提供的第二电荷包的数量对应的泄漏数量，在本发明示例中为十个。

在校准阶段的基准数量和泄漏补偿阶段的泄漏数量之间的差与内部误差对应。当提供总积分值时，能够考虑内部误差的这种数字表示，所述总积分值还基于泄漏数量或内部误差。特别地，假设在常规积分阶段期间提供相同的泄漏电流，如果泄漏积分阶段具有与常规积分阶段相同的长度，则可以直接使用基准数量和泄漏数量之间的差值。然而，如果泄漏积分阶段仅持续常规积分阶段的一部分，例如一半的时间，差应该由泄漏数量乘以常规积分时间和泄漏积分阶段时间之间的比率得出，在所选示例中为二。

为了能够考虑正和负的泄漏电流，可以在泄漏积分阶段期间、优选地在泄漏积分阶段的开始，将第一电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入15。当确定泄漏数量时显然必须考虑这种第一电荷包。

Claims (17)

1.一种光学传感器装置，包括：

-积分器(12)，其具有积分器输入(15)和积分器输出(16)；

-光电二极管(11)，其用于提供与第一极性对应的电流；

-比较器(13)，其具有耦合到积分器输出(16)的比较器输入(18)，所述比较器(13)配置成将比较器输入(18)处的电压与阈值(VCT)比较以提供比较输出(SC)；

-基准充电电路(14)，其耦合到积分器输入(15)，用于选择性地提供第一尺寸的第一电荷包或第二尺寸的第二电荷包，其中，第一电荷包对应于与第一极性相反的第二极性，并且第二电荷包对应于第一极性；以及

-控制单元(21)，其配置成：

-在校准阶段期间，控制基准充电电路(14)将第一电荷包中的一个提供给积分器输入(15)，并将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)变化为止，并确定与提供的第二电荷包的数量对应的基准数量；

-在积分阶段期间，光电二极管(11)连接到积分器输入(15)，控制基准充电电路(14)响应于比较输出(SC)的相应变化将第一电荷包中的一个提供给积分器输入(15)，并确定与比较输出(SC)的所述变化的数量对应的积分数量；以及

-在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间，控制基准充电电路(14)将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)变化为止，并确定与提供的第二电荷包的数量对应的残差数量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制单元(21)配置成提供基于积分数量以及残差数量与基准数量之间的比率的总积分值。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述积分阶段起始于将第一电荷包中的一个提供给积分器输入(15)。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制单元(21)配置成在紧接积分阶段之前的初始化阶段期间，将积分器输入(15)预置到与具有小于第二尺寸的容差的阈值(VCT)对应的电压。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制单元(21)配置成在初始化阶段期间通过将积分器(12)的积分电容器(27)充电到阈值(VCT)来预置积分器输入(15)。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制单元(21)配置成在初始化阶段期间通过控制基准充电电路(14)将第一电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)第一次变化为止，并且控制基准充电电路(14)将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)第二次变化为止来预置积分器输入(15)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，

-基准充电电路(14)包括基准电容器(40)；

-为了提供第一电荷包，利用第一基准电压(VR1)充电基准电容器(40)，同时将基准电容器(40)与积分器输入(15)断开，并且在充电之后，所述基准电容器(40)连接到积分器输入(15)；以及

-为了提供第二电荷包，利用第二基准电压(VR2)充电基准电容器(40)，同时将基准电容器(40)与积分器输入(15)断开，并且在充电之后，所述基准电容器(40)连接到积分器输入(15)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中

-基准充电电路(14)包括第一基准电容器(40)和第二基准电容器(50)；

-为了提供第一电荷包，利用第一基准电压(VR1)充电第一基准电容器(40)，同时将第一基准电容器(40)与积分器输入(15)断开，并且在充电之后，所述第一基准电容器(40)连接到积分器输入(15)；以及

-为了提供第二电荷包，利用第一基准电压(VR1)或利用第二基准电压(VR2)充电第二基准电容器(50)，同时将第二基准电容器(50)与积分器输入(15)断开，并且在充电之后，所述第二基准电容器(50)连接到积分器输入(15)。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一电荷包和第二电荷包的充电和提供是基于参考时钟信号的。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，在校准阶段和/或残差测量阶段期间，与积分阶段相比，参考时钟信号的时钟速度降低。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一电荷包和第二电荷包的充电和提供是基于参考时钟信号的。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，在校准阶段和/或残差测量阶段期间，与积分阶段相比，参考时钟信号的时钟速度降低。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，在校准阶段和/或残差测量阶段期间，与积分阶段相比，积分器(12)的放大器(26)在较低噪声操作模式中操作。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述控制单元(21)配置成多次进入校准阶段，并且根据在所述校准阶段的每一个中确定的相应基准数量来确定平均值，所述平均值用作最终基准数量。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述第一电荷包的第一尺寸被修整，并且所述第二电荷包的第二尺寸不被修整。

16.一种光感测方法，所述光感测方法利用一种装置来执行，所述装置具有：提供与第一极性对应的电流的光电二极管(11)、具有积分器输入(15)和积分器输出(16)的积分器(12)、以及具有耦合到积分器输出(16)的比较器输入(18)的比较器(13)，所述比较器配置成将比较器输入(18)处的电压与阈值(VCT)比较以提供比较输出(SC)，所述方法包括：

-在校准阶段期间，将第一尺寸的第一电荷包中的一个提供给积分器输入(15)，并将第二尺寸的第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)变化为止，并确定与提供的第二电荷包的数量对应的基准数量，其中，第一电荷包对应于与第一极性相反的第二极性，并且第二电荷包对应于第一极性；

-在积分阶段期间，将光电二极管(11)连接到积分器输入(15)，响应于比较输出(SC)的相应变化将第一电荷包中的一个提供给积分器输入(15)，并确定与比较输出(SC)的所述变化的数量对应的积分数量；以及

-在紧随积分阶段之后的残差测量阶段期间，将第二电荷包中的一个或更多个提供给积分器输入(15)，直到比较输出(SC)变化为止，并确定与提供的第二电荷包的数量对应的残差数量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在紧接积分阶段之前的初始化阶段期间，将积分器输入(15)预置到与具有小于第二尺寸的容差的阈值(VCT)对应的电压。

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