CN110914653B - 光学传感器装置及用于光感测的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器装置包括光电二极管(11)和模数转换器(12)。所述模数转换器(12)包括：积分器(13)，其具有耦合到所述光电二极管(11)的积分器输入(15)；比较器(14)，其具有耦合到所述积分器(13)的输出的第一输入；以及数模转换器(39)，其耦合到比较器(14)的控制端子。

Description

光学传感器装置及用于光感测的方法

本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实现为光电二极管的光传感器和简称为AD转换器的模数转换器。光学传感器装置能够用于环境光感测。例如在用于移动通信的设备中，光学传感器装置可以掩藏在深色玻璃下面。因此，在弱入射光的情况下的高准确度是有利的。特别地，光学传感器装置在测量阶段开始时的状态对准确度有影响。

本申请的目的是提供一种光学传感器装置和用于光感侧的具有改进准确度的方法。

该目的通过独立权利要求的主题解决。从属权利要求中限定进一步的实施例和改进。

除非另有说明，否则上述限定也适用于以下描述。

在一实施例中，光学传感器装置包括光电二极管和模数转换器(简称为AD转换器)。AD转换器包括：积分器，所述积分器具有耦合到光电二极管的输入；比较器，所述比较器具有耦合到积分器的输出的第一输入；以及数模转换器，所述数模转换器耦合到比较器的控制端子。

有利地，数模转换器(简称为DA转换器)将输入信号提供给比较器的控制端子。因此，比较器的失调能够由DA转换器提供的模拟输入信号控制。在校准阶段能够确定模拟输入信号，使得比较器的切换点具有适当的值。在校准阶段之后的测量阶段期间，在校准阶段确定的模拟输入信号的值将保持不变。因此，改善了光感测的准确度。

在一实施例中，光学传感器装置包括将光电二极管耦合到积分器输入的输入开关。在将输入开关设置为非导通状态的情况下，光电二极管不向积分器输入提供任何电流。在将输入开关设置为导通状态的情况下，将由光电二极管产生的传感器电流提供给积分器输入。

在一实施例中，光学传感器装置包括将积分器输入耦合到参考电位端子的另一输入开关。有利地，当另一输入开关设置为导通状态时，另一输入开关将参考电位提供给积分器输入。参考电位在参考电位端子处分接。

在一实施例中，AD转换器包括耦合到积分器输入的参考电容器电路。参考电容器电路配置成将一个或多于一个的电荷包提供给积分器输入。

在进一步的改进中，参考电容器电路包括参考电容器和至少两个开关。参考电容器电路配置成对参考电容器进行充电并且将存储在参考电容器上的电荷提供给积分器输入。由参考电容器电路提供的电荷与由光电二极管提供给积分器输入的电荷的符号相反。因此，能够通过由参考电容器电路提供的电荷包来减少积分器根据传感器电流存储的电荷。

在一实施例中，光学传感器装置包括耦合到比较器的比较器输出的控制逻辑。有利地，比较器输出信号由比较器提供并且被施加到控制逻辑。控制逻辑可以包括用于对比较器输出信号的脉冲进行计数的计数器。控制逻辑提供结果信号。结果信号是传感器电流的数字值。结果信号表示由光电二极管检测到的光。该数字值可以是由计数器计数的脉冲数量的函数。控制逻辑可以连接到输入开关的控制端子、另一输入开关的控制端子以及参考电容器电路的多个开关的控制端子。

此外，控制逻辑可以连接到DA转换器的输入。另外，控制逻辑可以包括用于存储数字输入信号的存储器，所述数字输入信号被提供给DA转换器。

在一实施例中，积分器包括放大器，所述放大器具有连接到积分器输入的第一放大器输入和耦合到积分器的输出的放大器输出。

在一实施例中，积分器包括第一积分电容器，所述第一积分电容器具有耦合到第一放大器输入的第一电极和耦合到放大器输出的第二电极。第一积分电容器的第一电极可以直接并永久地连接到放大器输入。第一积分电容器的第二电极可以直接并永久地连接到放大器输出。

在一实施例中，积分器包括将第一积分电容器的第二电极耦合到放大器输出的第一开关。

在一实施例中，积分器包括将第一积分电容器的第二电极耦合到参考电压端子的第一参考开关。

在一实施例中，模数转换器包括耦合到放大器的控制端子的校准数模转换器。有利地，校准数模转换器(简称为校准DA转换器)将模拟信号提供给放大器的控制端子。因此，通过校准DA转换器来设置放大器的失调。

在一实施例中，积分器包括第二积分电容器，所述第二积分电容器具有耦合到第一放大器输入的第一电极和耦合到放大器输出的第二电极。

在一实施例中，积分器包括将第二积分电容器的第二电极耦合到放大器输出的第二开关。

在一实施例中，积分器包括将第二积分电容器的第二电极耦合到参考电压端子的第二参考开关。

有利地，能够通过使用第一积分电容器和第二积分电容器来设置积分器的特性。积分器在积分器的输出处提供输出电压。在第一电容器和积分电容器中仅一个设置为有效的情况下，输出电压对于传感器电流具有高灵敏度。与之相反，在两个积分电容器均设置为有效的情况下，输出电压相对于传感器电流具有低灵敏度。通过将第一开关和第二开关设置为导通状态，将两个积分电容器都设置为有效。控制逻辑控制第一开关和第二开关。

在一实施例中，积分器包括将第一积分电容器的第二电极耦合到另一参考电压端子的另一第一开关。积分器可以包括将第二积分电容器的第二电极耦合到附加参考电压端子的另一第二开关。参考电压在参考电压端子处分接。另一参考电压在另一参考电压端子处分接。附加参考电压在附加参考电压端子处分接。有利地，另一参考电压和附加参考电压都可以与参考电压不同。附加参考电压可以与另一参考电压不同。可替代地，附加参考电压和另一参考电压可以相等。

在一实施例中，在校准阶段和测量阶段期间，另一第一开关和另一第二开关设置为非导通状态。在残差量化阶段期间，将另一第一开关和另一第二开关选择性地设置为导通状态或非导通状态。通过将另一第一开关和/或另一第二开关设置为导通状态或非导通状态，在残差数字化阶段能够改变输出电压。能够将两个开关设置为导通状态或非导通状态，使得比较器改变其比较器输出信号。通过在残差量化化阶段期间将另一第一开关和另一第二开关适当设置为导通状态或非导通状态，来实现比较器的切换。

积分器可以包括另外的积分电容器和将另外的电容器的第二电极耦合到放大器输出的相应的另外的开关。另外，积分器可以包括将另外的积分电容器的第二电极耦合到参考电压端子的另外的参考开关。此外，积分器可以包括将另外的积分电容器的第二电极耦合到另外的参考电压端子的另外的开关。

积分器可以包括第一数量N的积分电容器。第一数量N可以是例如8。第一数量N的电容器的电容值可以相等。可替代地，对第一数量N的电容器的电容值进行二进制编码。

在一实施例中，比较器的第二输入耦合到参考电压端子。

光学传感器装置实现了环境光传感器。光学传感器装置实现为具有改善的第一计数准确度的光传感器。

在一实施例中，光学传感器装置被配置用于消费电子产品中的应用。可选的应用是显示管理，其中环境光传感器(ALS)能够用于测量环境光亮度。光学传感器装置实现为环境光传感器。如果环境光较亮，则显示面板将使用更高的背光照明。如果环境光线较暗，则对显示面板设置更低的背光照明。通过动态调整显示面板的亮度，环境光传感器有助于优化显示面板的运行功率。

在一实施例中，例如在移动电话应用中为了时尚，环境光传感器被掩藏在深色玻璃下面。为了从弱入射光中获得更多信号，更高的ALS的量化分辨率是有利的。本公开内容中描述的环境光传感器在第一计数产生中实现了改进的准确度。

在一实施例中，在光学传感器装置中没有消除与开关相关联的基本寄生电荷注入，而是这些寄生电荷注入仅包含在AD转换器的每个计数产生中并且是相等的。因此，实现了电路架构和比较器输入失调校准方案，并因此达到了更高的量化分辨率。

光学传感器装置可以使用两个失调校准。光学传感器装置可以使用子计数量化方案。

在一实施例中，一种用于光感测的方法包括：通过数模转换器将模拟输入信号提供给比较器的控制端子；由光电二极管产生传感器电流并将传感器电流提供给积分器的输入；由积分器产生输出电压并将输出电压提供给比较器的第一输入；以及根据比较器产生的比较器输出信号确定传感器电流的数字值。

用于光感测的方法可以例如通过根据以上限定的实施例之一的光学传感器装置来实现。

有利地，比较器的切换点取决于模拟输入信号。因此，通过调整模拟输入信号的适当值来改善光感测的准确度。

在一实施例中，传感器电流的数字值取决于比较器输出信号。

在一实施例中，由比较器提供的比较器输出信号被施加到控制逻辑。控制逻辑提供结果信号。结果信号是传感器电流的数字值。结果信号表示光电二极管检测到的光。

比较器输出信号可以是脉冲信号或脉冲形状的信号。

在一实施例中，控制逻辑包括计数器，所述计数器对比较器输出信号的脉冲进行计数。结果信号或传感器电流的数字值可以是计数器计数的脉冲数量的函数。结果信号或传感器电流的数字值可以取决于计数器计数的脉冲数量。结果信号或传感器电流的数字值可以等于计数器计数的脉冲数量。可替代地，结果信号或传感器电流的数字值可以是在测量阶段期间比较器输出信号的脉冲和通过残差输出值的量化确定的比特位的函数。

在一实施例中，在校准阶段确定模拟输入信号的值，并且在校准阶段之后的测量阶段期间使该值保持恒定。

在一实施例中，输入开关将光电二极管耦合到积分器输入。在测量阶段，将输入开关设置为导通状态。在测量阶段，光电二极管连接到积分器输入。在校准阶段期间，输入开关可以设置为非导通状态。因此，在校准阶段，光电二极管可以不连接到积分器输入。可替代地，例如在低光情况下，输入开关可选地可以在校准阶段或部分校准阶段处于导通状态。

在一实施例中，可选地，采样和保持阶段和/或残差量化阶段可以在测量阶段之后。在此阶段或这些阶段期间，输入开关可以设置为非导通状态，并因此光电二极管可以不连接到积分器输入。

在一实施例中，比较器的第二输入耦合到参考电压端子。参考电压在参考电压端子处分接，并将其施加到比较器的第二输入。

在一实施例中，比较器的失调由模拟输入信号控制。比较器的失调可以由模拟输入信号设置。

在一实施例中，比较器输出信号取决于输出电压、参考电压以及模拟输入信号。

在一实施例中，在校准阶段(例如，在校准阶段的第二部分)，更改提供给数模转换器的数字输入信号。因为数模转换器产生模拟输入信号，所以模拟输入信号随数字输入信号变化。更改数字输入信号并因此更改模拟输入信号，直到比较器输出信号改变其值为止。因此，在校准阶段(例如，在校准阶段的第二部分)，确定比较器切换时的数字输入信号的值，并因此确定模拟输入信号的值。该数字输入信号的值在测量阶段存储和使用。当比较器输出信号一次或多于一次改变其值时，比较器可能会切换。

以下对实施例的附图的描述可以进一步示出和说明光学传感器装置和用于光感测的方法的各方面。具有相同结构和相同效果的设备和电路部件分别以等效的附图标记显示。就设备或电路部件在不同图中彼此相对应的功能而言，以下各图不再对其重复描述。

图1A和1B示出了光学传感器装置和光学传感器装置的信号的实施例。

图2A至图2M示出了处于不同阶段的光学传感器装置和光学传感器装置的对应信号的实施例；以及

图3示出了比较器的实施例。

图1A示出了光学传感器装置10的实施例，所述光学传感器装置10包括光电二极管11和模数转换器12(简称为AD转换器)。AD转换器12包括积分器13和比较器14。积分器13包括耦合到光电二极管11的积分器输入15。光电二极管11连接到参考电位端子17。另外，光学传感器装置10包括将光电二极管11耦合到积分器输入15的输入开关16。光电二极管11的阳极连接到参考电位端子17，并且光电二极管11的阴极经由输入开关16耦合到积分器输入15。

此外，光学传感器装置10包括将转换器输入15耦合到参考电位端子17的另一输入开关18。另外，光学传感器装置10包括控制逻辑19，所述控制逻辑具有连接到比较器14的比较器输出的输入。控制逻辑19包括通过未示出的连接线连接到输入开关16的控制端子和另一输入开关18的控制端子的输出。

另外，AD转换器12包括耦合到积分器输入15的参考电容器电路20。参考电容器电路20包括参考电容器21和至少两个参考电容器开关。第一参考电容器开关22将参考电容器21的第一电极耦合到积分器输入15。第二参考电容器开关23将参考电容器21的第一电极耦合到参考电位端子17。第三参考电容器开关24将参考电容器21的第二电极耦合到增益电压端子26。第四参考电容器开关25将参考电容器21的第二电极耦合到参考电位端子17。控制逻辑19包括连接到第一参考电容器开关22至第四参考电容器开关25的控制端子的输出。

积分器13包括放大器30和第一积分电容器31。第一积分电容器31布置在放大器30的第一放大器输入32与放大器30的放大器输出33之间。第一积分电容器31的第一电极直接且永久地连接到第一放大器输入32。第一积分电容器31的第二电极耦合到放大器输出33。积分器13包括将第一积分电容器31的第二电极耦合到放大器输出33的第一开关34。积分器13的第一参考开关35将第一积分电容器31的第二电极耦合到参考电压端子36。

另外，AD转换器12包括校准数模转换器37(简称校准DA转换器)。校准DA转换器37在其输出侧连接到放大器30的控制端子。在输入侧，校准DA转换器37通过未示出的总线线路耦合到控制逻辑19的输出。控制逻辑19包括存储器27。此外，控制逻辑19包括在其输入侧耦合到比较器14的输出的计数器28。放大器30和比较器14都连接到电源电压端子38和参考电位端子17。

放大器输出33连接到比较器14的第一输入。参考电压端子36连接到比较器14的第二输入。比较器14的第一输入实现为同相输入，比较器14的第二输入实现为反相输入。

第一放大器输入32实现为反相输入。放大器30还包括第二放大器输入。第二放大器输入实现为同相输入。第二放大器输入连接到参考电位端子17。

光电二极管11产生传感器电流IP。积分器13在放大器输出33处产生输出电压VOUT。输出电压VOUT也能够称为积分器输出电压或放大器输出电压。输出电压VOUT被提供给比较器14的第一输入。参考电压VREF在参考电压端子36处分接。未示出的参考电压源可以连接或耦合到参考电压端子36。参考电压源可以可选地实现为带隙电路。参考电压VREF被提供给比较器14的第二输入。当第一参考开关35设置为导通状态时，参考电压VREF能够被施加到第一积分电容器31的第二电极。当第一参考开关35和第一开关34设置为导通状态时，参考电压VREF能够被提供给放大器输出33和比较器14的第一输入。

比较器14在比较器输出处产生比较器输出信号SCO。比较器输出信号SCO被提供给控制逻辑19。计数器28在测量时间TINT期间对比较器输出信号SCO的脉冲进行计数。测量时间TINT也能够称为积分时间。积分器13在测量时间TINT期间执行积分。控制逻辑19产生结果信号ADC_COUNT。结果信号ADC_COUNT是在测量时间TINT结束时存储在计数器28中的值的函数。结果信号ADC_COUNT可以称为计数器信号。控制逻辑接收时钟信号CLK。另外，控制逻辑19接收控制信号ADC_C。控制逻辑19产生数字信号DAC1，并将其提供给校准DA转换器37。数字信号DAC1存储在存储器27中。校准DA转换器37产生模拟信号SAN1并将其施加到放大器30的控制端子。

控制逻辑19产生控制信号Φ1、Φ8、Φ10、ΦAZ、Φ3至Φ6，所述控制信号被提供给第一参考开关35的控制端子、第一开关34的控制端子、输入开关16的控制端子、另一输入开关18的控制端子以及第一参考电容器开关22至第四参考电容器开关25的控制端子。控制信号也能够称为时钟相位或时钟信号。参考电容器电路20向积分器输入15提供电荷包CP。电荷包CP也能够称为电荷包。电荷包CP具有根据以下等式的值：

CP＝CREF·VGAIN，

其中，CREF是参考电容器21的电容值，VGAIN是在增益电压端子26处分接的端子电压的电压值。在积分器输入15处分接输入电压VN。控制信号ADC_C在校准阶段A具有第一逻辑值并且在测量阶段B具有第二逻辑值。第一逻辑值可以是低的或0V，第二逻辑值可以是高的或电源电压AVDD的值。在电源电压端子38处分接电源电压AVDD。

图1B示出了图1A中所示的光学传感器装置10的信号的实施例。用B标记的测量阶段在用A标记的校准阶段之后。在校准阶段A期间，将输入开关16设置为非导通状态。因此在校准阶段A，光电二极管11未连接到积分器输入15。另一输入开关18设置为导通状态，使得积分器输入15连接到参考电位端子17。当另一输入开关18和第一参考开关35闭合(所述开关设置为导通状态)时，第一积分电容器31首先充电到参考电压VREF。此后，将第一开关34设置为导通状态，并且将第一参考开关35设置为非导通状态。因此，参考电压VREF被提供给第一积分电容器31的第二电极和放大器输出33。因此，在校准阶段A的开始，输出电压VOUT具有参考电压VREF值。

在校准阶段A期间，另一输入开关18和第一参考开关35再次被设置为非导通状态。因此，输出电压VOUT的值可以下降值VOUT_失调。

在图1B所示的示例的测量阶段B中，输出电压VOUT高于比较器14的切换点。因此，参考电容器电路20将电荷包CP提供给积分器输入15。输出电压VOUT下降与电荷包CP的值对应的预定值。

传感器电流IP被从光电二极管16提供给积分器输入15。因此，输出电压VOUT再次升高。当输出电压VOUT达到比较器14的切换点时，第二电荷包CP被从参考电容器电路20提供给积分器输入15。

测量阶段B的测量时间TINT是预定的。从图1B中能够看出，比较器切换点低于参考电压VREF。在参考电压VREF和比较器14的切换点之间，存在具有比较器失调值的差值。在测量阶段B结束时，输出电压VOUT具有残差输出值VOUTR。

如图1A和1B所示，光学传感器装置10实现了环境光传感器(简称ALS)。AD转换器12实现为电荷平衡模数转换器。AD转换器12从光电二极管11收集可以称为光子电流的传感器电流IP，并且将其转换成ALS计数。传感器电流IP被积分到第一积分电容器31中，并且输出电压VOUT上升。如果输出电压VOUT大于参考电压VREF(或更精确地大于比较器14的切换点，所述切换点是参考电压VREF的函数)，则控制逻辑19将使计数器28的结果信号ADC_COUNT递增并且积分电容器31上的电荷将减少一个单位电荷包CP＝CREF·VGAIN。通过在一定时间量(例如100ms)的测量时间TINT内对传感器电流IP进行积分，结果信号ADC_COUNT将给出环境光的亮度。放大器30实现为运算放大器。下面将详细说明电学操作。

初始，当控制信号ADC_C为低时：将光电二极管11清零；将第一积分电容器31清零；将放大器30的输出电压VOUT复位为低于参考电压VREF的电压；比较器输出信号SCO为低；将电荷包CP完全清零并与积分器输入15断开；将结果信号ADC_COUNT清零为0。

当控制信号ADC_C为高时：传感器电流IP被积分到第一积分电容器31中，并且输出电压VOUT上升。当输出电压VOUT大于参考电压VREF(或更确切地大于比较器14的切换点)时，比较器输出信号SCO为高，并且由控制信号Φ3至Φ6控制的电荷包CP＝CREF·VGAIN从积分器输入15处的输入电压VN上移除，并且结果信号ADC_COUNT将增加一个计数。结果信号ADC_COUNT可以是计数器28的输出信号。在电荷移除之后，输出电压VOUT低于参考电压VREF，并且参考电容器电路20与积分器输入15断开并且返回到充电模式。参考电容器电路20能够称为电荷包电路。在一定时段(即测量时间TINT)中，将根据以下电荷守恒等式产生电荷移除的数量，所述数量等于结果信号ADC_COUNT的值并且也称为环境光计数：

ADC_COUNT＝(TINT·IP)/(CREF·VGAIN)

在图1B中描述了上述过程，其中结果信号ADC_COUNT＝3。为了获得更高的量化分辨率，能够进一步量化放大器输出的剩余残差输出值VOUTR。该残余或残差由于两个原因可能不准确：1.放大器输出的初始化和第一ALS计数可能不准确；2.比较器输入可能具有有限的失调。

电荷包CP＝CREF·VGAIN可以非常小(例如约3个毫微微库仑)。第一ALS计数准确度受限于相关联的开关16、18、22至25的寄生电荷的注入，所述开关由控制信号ΦAZ、Φ3至Φ6、Φ10等控制。

图2A示出了光学传感器装置10的实施例，所述装置是图1A和1B说明的实施例的进一步改进。另外，AD转换器12包括DA转换器39，所述DA转换器在其输出侧耦合到比较器14的控制端子40。DA转换器39在其输入侧连接到控制逻辑19的输出。

另外，积分器13包括布置在第一放大器输入32和放大器输出33之间的第二积分电容器41。积分器13包括第二开关43。第二积分电容器41的第一电极连接到放大器输入32。第二积分电容器41的第二电极经由第二开关43连接到放大器输出33。另外，积分器13包括第二参考开关44，所述第二参考开关将参考电压端子36耦合到第二积分电容器41的第二电极。

此外，积分器13包括将第一积分电容器31的第二电极耦合到另一参考电压端子46的另一第一开关45。积分器13包括将第二积分电容器41的第二电极耦合到附加参考电压端子48的另一第二开关47。附加参考电压端子48可以直接连接到另一参考电压端子46。

如图2A中的点状线所示，积分器13可以包括至少另一积分电容器和三个另一开关，实现诸如第一积分电容器31和开关34、35、45。

控制逻辑19将数字输入信号DAC2提供给DA转换器39。DA转换器39产生模拟输入信号SAN2并将其提供给比较器14的控制输入40。

在图2A中，光学传感器装置10实现了光传感器架构。除了使用校准DA转换器37进行放大器的输入失调校正外，还有另外的功能：使用DA转换器39校准比较器输入失调。积分器13的积分电容器被细分用于子计数量化。由控制信号Φ10控制的第一开关16辅助比较器输入失调校准和子计数量化。放大器的输出失调与比较器的输入失调相同。当对比较器输入失调进行校准时，初始放大器输出失调将是准确的，因此保持第一计数准确度。

图2B至2L说明了在光学传感器装置10中使用的不同阶段。图2B至2F示出了校准阶段A，而图2G至2J示出了测量阶段B。图2K和2L示出了在测量阶段B之后的残差量化阶段D。

图2B示出了在校准阶段A的第一部分A1中的上述光学传感器装置10的状态的实施例。控制逻辑19将输入开关16设置为非导通状态，并且将另一输入开关18设置为导通状态。第一开关34和第二开关43设置为非导通状态。第一参考开关35和第二参考开关44设置为导通状态。另一第一开关45和另一第二开关46设置为非导通状态。因此，参考电压VREF被提供给第一积分电容器31和第二积分电容器41的第二电极。参考电位AVSS被提供给积分器输入15。因为输入开关16设置为非导通状态，所以光电二极管11不将传感器电流IP提供给积分器输入15。

第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24设置为非导通状态，而第二参考电容器开关23和第四参考电容器开关25设置为导通状态。因此，参考电容器21放电并且与积分器输入15解耦。

在校准阶段A的第一部分A1中，确定提供给校准DA转换器37的数字信号DAC1。更改数字信号DAC1直到比较器输出信号SCO改变其逻辑值为止。比较器14在该数字信号DAC1值处切换。因此，补偿了放大器30的失调。数字信号DAC1的值存储在控制逻辑19的存储器27中。在校准阶段的第二阶段A2和测量阶段B期间，数字信号DAC1的值保持恒定。

下面将在7步电路操作过程中说明这些功能。电路操作的第一步是放大器输入失调校准。电路配置如图2B所示：放大器30处于开环状态；其输入短接到地；放大器的输入失调由校准DA转换器37和控制逻辑19校准；断开光电二极管11，使得输入失调校准与光无关；将积分电容器31、41预充电到参考电压VREF。

图2C和2D示出了在校准阶段A的第二部分A2中的上述光学传感器装置10的状态的实施例。另一输入开关18以及第一参考开关35和第二参考开关44设置为非导通状态。第一开关34和第二开关43仍处于导通状态。

因为三个开关的断开对存储在第一积分电容器31和第二积分电容器41中的电荷以及因此对输出电压VOUT仅具有较小的影响，因而放大器30的输出电压VOUT设置为接近参考电压VREF。在校准阶段A的第二部分A2中，更改提供给DA转换器39的数字输入信号DAC2。更改数字输入信号DAC2直到比较器输出信号SCO改变其值为止。因此，比较器14在数字输入信号DAC2的确定值处切换。数字输入信号DAC2的确定值存储在控制逻辑19的存储器27中。在校准阶段A的第一部分A1和第二部分A2中，将输入开关16设置为非导通状态。因此，落在光电二极管11上的光对数字信号DAC1和数字输入信号DAC2没有任何影响。

参考电容器21放电。能够在参考电容器21的第一电极和第二电极之间分接的参考电容器电压VC为零。

在图2D中，示出了随时间t变化的输出电压VOUT。输出电压VOUT的阶跃是由三个开关的断开引起的。

电路操作的第二步如图2C和2D所示，其中放大器的输出失调通过控制信号ΦAZ、Φ0、Φ1断开另一输入开关18以及第一参考开关35和第二参考开关44并通过控制信号Φ7、Φ8闭合第一开关34和第二开关43来初始化。在该过程之后，将输出电压VOUT设置为接近具有一些失调的参考电压VREF，所述失调将在下一步中进行修整。

电路操作的第三步是对放大器输出失调和比较器的输入失调进行组合校准，如图2C所示：放大器30处于闭环状态；其输入虚拟接地；从上一步开始，将输出电压VOUT预设置为参考电压VREF；放大器的输出失调和比较器的输入失调均由DA转换器39和控制逻辑19校准；断开光电二极管11，使得失调校准与光无关。

能够在图2D中说明图2C的电路配置的电路操作过程。在放大器30切换成闭环之后，由于来自由控制信号ΦAZ等控制的另一输入开关18的电荷注入，有限放大器输出失调(在图2D中用BL标记)可能与比较器输入失调(用RE标记)不同；在DA转换器39的校准的最初几个步骤之后(例如，通过逐次逼近寄存过程)，比较器的输入失调更接近放大器失调，但是仍然不相等；在对DA转换器39进行更多的校准步骤之后，比较器的输入失调等于放大器的失调(用GR标记)，并且之后比较器输出信号SCO来回摆动。

图2E和2F示出了如上所述的光学传感器装置10的状态和在测量阶段B开始时的输出电压VOUT的实施例。在测量阶段B中，第一开关34和第二开关43设置为导通状态。第一参考开关35和第二参考开关44设置为非导通状态。另一第一开关45和另一第二开关47也设置为非导通状态。另一输入开关18设置为非导通状态。输入开关16设置为导通状态。参考电容器21放电。能够在参考电容器21处分接的电压VC为零。

在测量阶段B开始时，第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24设置为导通状态。因为电压VGAIN不为零，所以第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24的闭合将电荷包CP提供给积分器输入15。电荷包CP由参考电容器21提供给放大器30的输入。该电荷包CP导致输出电压VOUT的降低。

输出电压VOUT降低的阶跃具有预定值。输出电压VOUT的阶跃值取决于参考电容器21的电容值、端子电压VGAIN的值以及第一积分电容器31和第二积分电容器41的电容值。

电路操作的第四步是如图2E和2F所示从积分器输入15的积分节点移除一个计数电荷包CP＝CREF·VGAIN：由控制信号Φ3、Φ4控制的第二参考电容器开关23和第四参考电容器开关25是断开的，由控制信号Φ5、Φ6、Φ10控制的第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24以及输入开关16是闭合的。当开关设置为非导通状态时，开关断开。当开关处于导通状态时，开关闭合。在该一个计数移除的初始化中来自参考开关22至25的电荷注入将与随后的第一计数产生相同，因此将保持第一计数准确度。

图2G和2H示出了上述光学传感器装置10的状态和在测量阶段B中的对应的输出信号VOUT的实施例。因为输入开关16处于导通状态，所以光电二极管11将传感器电流IP提供给比较器输入15，并因此提供给放大器输入32，从而导致输出电压VOUT的上升。每当输出电压VOUT上升到比较器14的切换点时，比较器输出信号SCO向控制逻辑19提供一个脉冲，所述控制逻辑又会闭合第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24(如图2E所示)。通常，如图2G所示，第一参考电容器开关22和第三参考电容器开关24设置为非导通状态，并且第二参考电容器开关23和第四参考电容器开关25设置为导通状态。在测量阶段B结束时，输出电压VOUT具有残差输出值VOUTR。

电路操作的第五步是如图2G所示的积分时段：由控制信号Φ3、Φ4控制的参考电容器开关23、25是闭合的，由控制信号Φ5、Φ6控制的参考电容器开关22、24是断开的。传感器电流IP在积分电容器31、41上积分。如图2G所示，如果输出电压VOUT大于参考电压VREF(更确切地大于比较器14的切换点)，则将产生ALS计数，结果信号ADC_COUNT将增加，一次计数的电荷包CP＝CREF·VGAIN将被移除(随后ALS计数的产生与初始设置相同，因此第一计数的产生是准确的)。在该过程期间的输出电压VOUT如图2H所示，其中结果信号ADC_COUNT＝3，并且输出电压VOUT具有剩余残差输出值VOUTR。如图2H所示，放大器的输出失调与校准的比较器的输入失调相同。

图2I和2J示出了在测量阶段B之后的采样和保持阶段C中的光学传感器装置10和输出电压VOUT的实施例。在采样和保持阶段C期间，输入开关16设置为非导通状态。因此，光电二极管11不将传感器电流IP提供给放大器30的输入。输出电压VOUT保持恒定。

第六步是残余采样和保持阶段C，如图2I所示。在残余采样和保持阶段C中，由控制信号Φ10控制的输入开关16是断开的。如图2J所示，对输出电压VOUT的残差输出值VOUTR进行采样。

图2K和2L示出了在采样和保持阶段C之后的残差量化阶段D中的光学传感器装置10的状态和输出电压VOUT的状态的实施例。在残差量化阶段D期间，输入开关16设置为非导通状态。而且，第一参考电容器开关22设置为非导通状态。另外，第一参考开关35和第二参考开关44设置为非导通状态。因此，光电二极管11或参考电容器21中存储的电荷或参考电压VREF都不会对输出电压VOUT产生影响。通过适当地将第一开关34和第二开关43以及另一第一开关45和第二开关47设置为非导通状态或导通状态，修改了输出电压VOUT并确定了比较器输出电压SCO的值。因此，确定了表示残差输出值VOUTR的比特位的值。

如果积分器13恰好包括两个积分电容器，即第一积分电容器31和第二积分电容器41，则能够确定表示残差输出值VOUTR的一个比特位。在积分器13恰好包括四个积分电容器的情况下，能够确定表示残差输出值VOUTR的两个比特位。在积分器13包括八个积分电容器的情况下，能够量化残差输出值VOUTR，从而得到三个比特位。可选地，积分电容器31、41的电容值相等。

第七步是残差输出值VOUTR的量化，如图2K所示。在图2K所示的示例中，积分器13包括八个积分电容器31、41(在图2K中仅示出了两个积分电容器，六个积分电容器由点状线指示)。因此，将整个积分电容器细分成8个子单元，以进行附加的3个比特位子计数的残差量化；对于n比特位子计数量化，积分器13包括2ⁿ个积分电容器31、41。2ⁿ个积分电容器31、41的电容值相等。

通过在逐次逼近寄存过程(简称SAR过程)之后进行积分电容器31、41的重新组合流程来实现残差量化。在此，放大器30处于闭环状态，并且残余电荷牢固地保持在放大器的虚拟地中。因为比较器失调相对于参考电压VREF已经无效，所以通过在VN和量化参考电压VSAR之间重新组合积分电容器31、41的部分，这些新组合的积分电容器31、41中的电荷被迫流入其余的积分电容器31、41中(在VN和VOUT之间或在放大器输入32和放大器输出33之间)，因此能够在SAR过程中实现子计数量化。输出电压VOUT和3个比特位子计数量化过程如图2L所示。每个LSB的放大器输出摆幅可能为32mVpp。对于附加的3比特位子LSB量化，例如可能需要4mV的比较器分辨率，并且这可以通过比较器输入失调校准和合适的设计来实现。

因此，结果信号ADC_COUNT是在测量时间TINT期间比较器输出信号SCO的脉冲和通过残差输出值VOUTR的量化确定的比特位的函数。

比较器的输入失调经过校准以包括初始放大器的输出失调。因为校准了比较器的输入失调以包括放大器的输出失调，所以第一ALS计数是准确的。在积分和粗略ALS计数之后，随后是残差子计数量化方案。因此，在残差子计数量化之后，实现了更高的量化分辨率。

图2M示出了以上所示的光学传感器装置10的各阶段的实施例。测量阶段B在校准阶段A之后。校准阶段A包括第一部分A1和第二部分A2。残差量化阶段D在测量阶段B之后。采样和保持阶段C布置在测量阶段B和残差量化阶段D之间。采样和保持阶段C可以非常短或可以省略。

在未示出的替代实施例中，省略了校准阶段A的第一部分A1。仅通过确定数字输入信号DAC2的适当值来执行校准。

图3示出了比较器14的实施例。该比较器14的实施例能够在以上所示的图中使用。比较器14具有输入级60和输出级61。比较器14的第一输入和第二输入经由输入级60和输出级61耦合到比较器14的比较器输出。输入级60包括第一输入晶体管62和第二输入晶体管63。比较器14的第一输入连接到第一输入晶体管62的控制端子，而比较器14的第二输入连接到第二输入晶体管63的控制端子。第一输入晶体管62的第一端子和第二输入晶体管63的第一端子经由输入级60的源极晶体管64耦合到参考电位端子17。

此外，输入级60包括第三输入晶体管65和第四输入晶体管66。第三输入晶体管65将第一输入晶体管62耦合到电源电压端子38。第四输入晶体管66将第二输入晶体管63耦合到电源电压端子38。第三输入晶体管65和第四输入晶体管66形成电流镜。第三输入晶体管65的控制端子连接到第四输入晶体管66的控制端子。第二输入晶体管63和第四输入晶体管66之间的节点连接到第三输入晶体管65和第四输入晶体管66的控制端子。

输入级60包括输入控制晶体管67。输入控制晶体管67将第二输入晶体管63耦合到电源电压端子38。输入控制晶体管67的第一端子连接到第二输入晶体管63。输入控制晶体管67的第二端子连接到电源电压端子38。因此，输入控制晶体管67与第四输入晶体管66并联连接。DA转换器39的输出经由控制端子40连接到输入控制晶体管67的控制端子。

第一输入晶体管62和第三输入晶体管65之间的节点形成输入级60的输出，并连接到输出级61的输入。输出级61包括串联在电源电压端子38和参考电位端子17之间的第一输出晶体管70和第二输出晶体管71。第一输出晶体管70的控制端子连接到第二输出晶体管71的控制端子和输出级61的输入。因此，第一输出晶体管70和第二输出晶体管71的控制端子耦合到第一输入晶体管62和第三输入晶体管65之间的节点。第一输出晶体管70和第二输出晶体管71之间的节点连接到比较器输出。

比较器14的晶体管62至67、70、71实现为场效应晶体管。晶体管62至67、70、71实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(简称MOSFET)。第一输入晶体管62和第二输入晶体管63、源极晶体管64以及第一输出晶体管70实现为n沟道MOSFET。第三输入晶体管65和第四输入晶体管66、输入控制晶体管67以及第二输出晶体管71实现为p沟道MOSFET。因此，第一输出晶体管70和第二输出晶体管71形成反相器72。因此，输入级60经由输出级61的反相器72耦合到比较器输出。

输出电压VOUT被提供给第一输入晶体管62的控制端子。参考电压VREF被提供给第二输入晶体管63的控制端子。偏置电压VB被施加到源晶体管64的控制端子。由DA转换器39产生的模拟输入信号SAN2被施加到输入控制晶体管67的控制端子。模拟输入信号SAN2控制输入控制晶体管67的栅极电压。参考电位AVSS在参考电位端子17处分接。电源电压AVDD被提供给电源端子38。比较器输出信号SCO能够在反相器72的输出处并因此在输出级61的输出处分接，并且将其提供给比较器输出。比较器输出信号SCO取决于输出电压VOUT和参考电压VREF以及DA转换器39提供的模拟输入信号SAN2的值。DA转换器39影响比较器14的切换点。模拟输入信号SAN2可以具有电压的形式。比较器14的失调取决于模拟输入信号SAN2。比较器14的取决于模拟输入信号SAN2的失调可以是输入失调电压。当输出电压VOUT上升到参考电压VREF和比较器14的失调之和以上时，比较器14可以改变比较器输出信号SCO。当输出电压VOUT降低到参考电压VREF和比较器14的失调之和以下时，比较器14还可以改变比较器输出信号SCO。鉴于此，忽略比较器14的迟滞的影响，但是可以将其添加。

在未示出的实施例中，放大器30还包括输入级，模拟信号SAN1或模拟输入信号SAN2被提供给所述输入级。放大器30的失调取决于模拟信号SAN1或模拟输入信号SAN2。

在图3中，示出了比较器14的简化电路图，其中比较器输入失调能够由DA转换器39通过对控制输入晶体管67的栅极电压进行编程来控制。输入晶体管62至67是比较器14的输入级60的一部分。流过控制输入晶体管67的电流将在比较器14的两个输入处反射回去，作为其编程的输入失调。

在未示出的替代实施例中，输入控制晶体管67将第一输入晶体管62耦合到电源电压端子38。因此，输入控制晶体管67与第三输入晶体管65并联连接。

标记列表

10 光学传感器装置

11 光电二极管

12 模数转换器

13 积分器

14 比较器

15 积分器输入

16 输入开关

17 参考电位端子

18 另一输入开关

19 控制逻辑

20 参考电容器电路

21 参考电容器

22至25 参考电容器开关

26 增益电压端子

27 存储器

28 计数器

30 放大器

31 第一积分电容器

32 第一放大器输入

33 放大器输出

34 第一开关

35 第一参考开关

36 参考电压端子

37 校准数模转换器

38 电源电压端子

39 数模转换器

40 控制端子

41 第二积分电容器

43 第二开关

44 第二参考开关

45 另一第一开关

46 另一参考电压端子

47 另一第二开关

48 附加参考电压端子

60 输入级

61 输出级

62、63 输入晶体管

64 源晶体管

65、66 输入晶体管

67 输入控制晶体管

70、71 输出晶体管

72 反相器

A 校准阶段

ADC_C 控制信号

ADC_COUNT 结果信号

AVDD 电源电压

AVSS 参考电位

A1 第一部分

A2 第二部分

B 测量阶段

C 采样和保持阶段

CLK 时钟信号

D 残差量化阶段

DAC1 数字信号

DAC2 数字输入信号

IP 传感器电流

CP 电荷包

SAN1 模拟信号

SAN2 模拟输入信号

SCO 比较器输出信号

t 时间

TINT 测量时间

VB 偏压

VC 参考电容器电压

VGAIN 端子电压

VN 输入电压

VOUT 输出电压

VOUTR 残差输出值

VREF 参考电压

VSAR、VSAR’ 量化参考电压

Φ0至Φ10、ΦAZ 控制信号

Claims (15)

1.一种光学传感器装置，包括：

-光电二极管(11)和

-模数转换器(12)，所述模数转换器包括：

-积分器(13)，其具有耦合到所述光电二极管(11)的积分器输入(15)，

-比较器(14)，其具有耦合到所述积分器(13)的输出的第一输入，以及

-数模转换器(39)，其耦合到比较器(14)的控制端子(40)。

2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

包括将所述光电二极管(11)耦合到积分器输入(15)的输入开关(16)。

3.根据权利要求1所述的光学传感器装置，

包括将所述积分器输入(15)耦合到参考电位端子(17)的另一输入开关(18)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，

其中，所述模数转换器(12)包括参考电容器电路(20)，所述参考电容器电路耦合到积分器输入(15)并被配置为向所述积分器输入(15)提供至少一个电荷包(CP)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，

包括耦合到比较器(14)的比较器输出的控制逻辑(19)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，

其中，所述积分器(13)包括放大器(30)，所述放大器具有连接到积分器输入(15)的第一放大器输入(32)和耦合到积分器(13)的输出的放大器输出(33)，并且

所述积分器(13)包括第一积分电容器(31)，所述第一积分电容器具有耦合到第一放大器输入(32)的第一电极和耦合到放大器输出(33)的第二电极。

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(12)包括耦合到放大器(30)的控制端子的校准数模转换器(37)。

8.根据权利要求6所述的光学传感器装置，其中，所述积分器(13)包括：

-将第一积分电容器(31)的第二电极耦合到放大器输出(33)的第一开关(34)，和

-将第一积分电容器(31)的第二电极耦合到参考电压端子(36)的第一参考开关(35)。

9.根据权利要求8所述的光学传感器装置，

其中，所述积分器(13)包括：

-第二积分电容器(41)，其具有耦合到第一放大器输入(32)的第一电极，

-第二开关(43)，其将第二积分电容器(41)的第二电极耦合到放大器输出(33)，以及

-第二参考开关(44)，其将第二积分电容器(41)的第二电极耦合到参考电压端子(36)。

10.根据权利要求9所述的光学传感器装置，

其中，所述积分器(13)包括：

-将第一积分电容器(31)的第二电极耦合到另一参考电压端子(46)的另一第一开关(45)，和

-将第二积分电容器(41)的第二电极耦合到附加参考电压端子(48)的另一第二开关(47)。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，

其中，所述比较器(14)的第二输入耦合到参考电压端子(36)，以及

其中，所述数模转换器(39)向比较器(14)的控制端子(40)提供模拟输入信号(SAN2)，并且比较器(14)的失调由模拟输入信号(SAN2)控制。

12.一种用于光感测的方法，包括

-通过数模转换器(39)向比较器(14)的控制端子(40)提供模拟输入信号(SAN2)，

-由光电二极管(11)产生传感器电流(IP)并将所述传感器电流(IP)提供给积分器(13)的积分器输入(15)，

-由所述积分器(13)产生输出电压(VOUT)并将所述输出电压(VOUT)提供给比较器(14)的第一输入，以及

-根据由所述比较器(14)产生的比较器输出信号(SCO)确定传感器电流(IP)的数字值。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中，在校准阶段(A)确定所述模拟输入信号(SAN2)的值，并且在校准阶段(A)之后的测量阶段(B)期间使该值保持恒定。

14.根据权利要求12或13所述的方法，

其中，所述比较器(14)的第二输入耦合到参考电压端子(36)，并且

其中，所述比较器(14)的失调由模拟输入信号(SAN2)控制。

15.根据权利要求14所述的方法，

其中，所述比较器输出信号(SCO)取决于输出电压(VOUT)、在参考电压端子(36)处分接的参考电压(VREF)以及模拟输入信号(SAN2)的值。

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