CN110926508B - 一种主动驱动式光电传感器、前端电路及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种主动驱动式光电传感器、前端电路及驱动方法，一种主动驱动式光电传感器，包括电源端、第一端子、第二端子及光感应输出部，所述电源端用于接收电源，所述第一端子用于接收外界光，所述第二端子用于接收周期性电激励信号，所述光感应输出部用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。通过该主动驱动式光电传感器可以实现对光照阈值的调整，进一步优化光电传感器的输出，实现稳定、可控的光电响应。
Description
技术领域
本申请涉及光电传感器技术领域，特别涉及一种主动驱动式光电传感器、前端电路及驱动方法。
背景技术
非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)是现在最主流的有源显示背板技术，其被广泛应用于智慧手机的小尺寸TFT液晶显示(TFT-LCD)以及大尺寸电视面板。传统意义上，a-Si TFT只是作为TFT-LCD阵列的开关元件。值得注意的是，a-Si TFT的电学特性和外界光谱及光照强度关系很大。在外界光照强度增加的情况下，它的亚阈值电流和关态电流会增加10倍甚至以上。在较强的外界光作用下，a-Si层的带尾态中更多的缺陷态电子受到激发成为了导通态电子，从而形成了较显著的光生电流。基于TFT电流与外界光之间的这种映射关系，可能通过合适的传感器电路设计，较准确地表征出外界光的强弱。这种TFT集成的传感器电路可以同TFT显示阵列一起加工出来，形成“同基板集成的光电传感器”。于是TFT显示器具有更多的光学和电学功能，这就使得5G的车联网以及物联网应用场景中，显示器的用户体验效果更好。
光照对非晶硅薄膜晶体管的影响主要体现在亚阈电流及泄漏电流，其导通电流与光照的关系较小。这也就决定了TFT集成的光电传感器结构多探测及响应亚阈值区域以及泄漏区域的电流。但是亚阈值区域及泄漏区域的电流值实际上远小于导通区的电流，这就导致了传统的TFT集成光传感电路的驱动能力较弱，响应速度较慢。尤其是a-Si TFT的元件的栅极-源极以及栅极-漏极之间存在着较大的寄生电容，这些更加导致了TFT集成光电传感器的响应速度慢。
此外，如图1所示的传统TFT光电传感器属于被动式元件，即接收外界光、相应地输出不同量的电压/电流信号。对于传统的TFT光电传感器电路而言，其光照阈值是恒定的，待TFT光电传感器电路的各个元器件制备完成之后，该光照阈值就固定下来。只有在外界光的光照强度达到该光照阈值时，在光电传感器的输出端才能读到电压/电流的变化；在外界光的光照强度未达到该光照阈值时，在光电传感器的输出端不能读到电压/电流的变化。
发明内容
本申请提供一种主动驱动式光电传感器、前端电路及驱动方法，可以调整光照阈值，且通过调整光照阈值来优化光电传感器的输出，实现稳定、可控的光电响应。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种主动驱动式光电传感器的驱动方法，包括：
接收周期性电激励信号；
根据所述周期性电激励信号调整光照阈值；
根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。
在其中一种可能实现方式中，所述根据所述周期性电激励信号调整光照阈值包括：
在所述周期性电激励信号为用于清零的电激励信号时，输出电信号为复位信号；
在所述周期性电激励信号为用于曝光工作的电激励信号时，根据该电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值。
本申请的有益效果是：
提供一种主动驱动式光电传感器的驱动方法，包括：接收周期性电激励信号，然后根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，最后根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。通过输入周期性电激励信号，调整主动驱动式光电传感器感光元件的光照阈值，最后根据调整得到的光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出，实现稳定、可控的光电响应。给出了一种新的驱动方案，通过输入周期性电激励信号，来控制光照阈值，以便根据不同的周期性电激励信号，调制优化光电传感器输出的电信号。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种主动驱动式光电传感器，包括：
电源端，用于接收电源；
第一端子，用于接收外界光；
第二端子，用于接收周期性电激励信号；
光感应输出部，用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。
在其中一种可能实现方式中，所述光感应输出部还用于在在所述周期性电激励信号为用于清零的电激励信号时，输出电信号为复位信号；在所述周期性电激励信号为用于曝光工作的电激励信号时，根据该电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值。
在其中一种可能实现方式中，所述周期性电激励信号包括脉冲信号或周期性的斜波信号。
在其中一种可能实现方式中，所述周期性电激励信号包括两个相位互补的时钟信号。
本申请的有益效果是：
本申请提供一种主动驱动式光电传感器，包括电源端、第一端子、第二端子及光感应输出部，所述电源端用于接收电源，所述第一端子用于接收外界光，所述第二端子用于接收周期性电激励信号，所述光感应输出部用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。通过该主动驱动式光电传感器可以实现对光照阈值的调整，进一步优化光电传感器的输出，实现稳定、可控的光电响应。
根据本申请的第三方面，本申请提供一种光电传感系统的前端电路，包括滤波电路、运算放大电路及如上所述的光电传感器；
所述光电传感器包括：
电源端，用于接收电源；
第一端子，用于接收外界光；
第二端子，用于接收周期性电激励信号；
光感应输出部，用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出；
所述滤波电路用于对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号；
所述运算放大电路用于对滤波信号进行放大，输出放大信号。
在其中一种可能实现方式中，所述运算放大电路还用于接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消所述运算放大电路的失调电压。
在其中一种可能实现方式中，所述滤波电路包括电阻R1和电容C1；
所述电容R1的一端接收所述电信号，所述电容R1的另一端连接电容C1的一端，并输出滤波信号；
所述电容C1的另一端接地；
所述运算放大电路包括电阻RIN、电阻RF1、电阻RF2及运算放大器；
电阻RIN的一端接收滤波信号，电阻RIN的另一端连接运算放大器的正相输入端；
运算放大器的负相输入端分别连接电阻RF1的一端及电阻RF2的一端，运算放大器的输出端连接电阻RF2的另一端，并输出放大信号；
电阻RF1的另一端接地；
所述运算放大电路还包括晶体管T11、晶体管T22、晶体管T33及耦合电容CIN；
晶体管T11的第一极接收滤波信号，晶体管T11的第二极分别连接耦合电容CIN的一端和晶体管T22的第一极，晶体管T11的控制极接收周期性电激励信号；
耦合电容CIN的另一端连接电阻RIN的一端；
晶体管T22的第二极连接电阻RF1的另一端和地面；
晶体管T33的第一极接收放大信号，晶体管T33的第二极接地；
晶体管T22的控制极与晶体管T33的控制极均接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号。
本申请的有益效果是：
本申请提供一种光电传感系统的前端电路，包括滤波电路、运算放大电路及如上所述的光电传感器；所述光电传感器包括电源端、第一端子、第二端子及光感应输出部，所述电源端用于接收电源，所述第一端子用于接收外界光，所述第二端子用于接收周期性电激励信号，所述光感应输出部，用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出，所述滤波电路用于对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号，所述运算放大电路用于对滤波信号进行放大，输出放大信号。通过控制输入至光电传感器的周期性激励信号调整光电传感器的光照阈值，进而根据光照阈值优化光电传感器的输出，实现稳定、可控的光电响应。
根据本申请的第四方面，本申请提供一种光电传感系统前端电路的驱动方法，包括：
给光电传感器施加周期性电激励信号；
光电传感器根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出；
滤波电路对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号；
给运算放大电路施加与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消运算放大电路的失调电压；
运算放大电路对滤波信号进行放大，输出放大信号。
本申请的有益效果是：
本申请提供一种光电传感系统前端电路的驱动方法，包括：给光电传感器施加周期性电激励信号，光电传感器根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出，滤波电路对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号，给运算放大电路施加与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消运算放大电路的失调电压，运算放大电路对滤波信号进行放大，输出放大信号。通过周期性电激励信号控制光电传感器的响应，同时也将与该周期性电激励信号相位互补的信号用于运算放大电路进行校准与降噪，节约时钟信号，对于简化时钟产生电路、抑制时钟偏斜带来的影响。
附图说明
图1为传统的TFT光电传感器电路结构示意图；
图2为传统的TFT对称结构的差分式光电传感电路结构图；
图3为本发明实施例提供的一种主动驱动式光电传感器结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种主动驱动式光电传感器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种主动驱动式光电传感器结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种主动驱动式光电传感器结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种主动驱动式光电传感器的驱动方法流程示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种主动驱动式光电传感器的驱动方法流程示意图；
图9为本发明实施例提供的被动式光电传感系统的前端电路结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种光电传感系统的前端电路结构示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种光电传感系统的前端电路结构示意图；
图12为本发明实施例提供的另一种主动式光强传感系统的前端电路结构示意图；
图13为本发明实施例提供的一种光电传感系统前端电路的驱动方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本申请中的晶体管可以为双极型晶体管或者场效应晶体管。当晶体管为双极型晶体管时，控制极指双极型晶体管的基极，第一极指双极型晶体管的集电极或者发射极，对应的第二极为双极型晶体管的发射极或者集电极；当晶体管为场效应晶体管时，控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极。通常在N型晶体管中，漏极的电压应该大于或等于源极的电压，因此源极漏极的位置会随晶体管偏置状态的不同而变化。由于在显示器中使用的晶体管通常为薄膜晶体管(TFT)，因此本申请实施例不妨以薄膜晶体管为例进行说明，且本申请实施例中晶体管的漏极和源极可以根据晶体管偏置状态的不同而变化。
如图1，在传统的TFT光电传感器电路中，其输入为光照强度/光照频率信息，输出为电压或者电流信号，比较理想的情况是，输出的值唯一地受到光照强度的影响，而不受到其他因素的干扰。实际上，传统的TFT光电传感器的输出值还会受到温度、制程漂移、电压变动等因素的影响。但是如何抑制其他干扰物理场的影响，优化光电传感电路的输出量，在传统的TFT光电传感器电路中，能采取的手段比较有限。
图2示意了一种传统的TFT对称结构的差分式光电传感电路。其中，晶体管T2和晶体管T3为参照基准元件，其被遮光处理；晶体管T1和晶体管T4是感光元件，其泄漏电流的值受到外界光的调制。这里的遮光处理，是指TFT元件的顶部及底部区域为金属层图案，于是TFT有源层及其界面状态与外界光无关，从而TFT的电学特性不受外界光的光照影响。晶体管T1和晶体管T3构成正相输出支路，控制着正相输出电压信号VOUTP的值，晶体管T2和晶体管T4构成负相输出支路，控制着负相输出电压信号VOUTN的值。这四个TFT元件的栅极均受到偏置电压VBIAS的控制，从而都工作在亚阈值区域(sub-threshold region)或者是关断区域(off region)，在光照强度增加时，晶体管T1和晶体管T4泄漏电流的值随之增加，于是晶体管T1和晶体管T4的等效阻抗减少，正相输出电压信号VOUTP相应地增加，同时负相输出电压信号VOUTN相应地减少。图2所示的这种传统TFT对称结构差分式光电传感电路的优势在于结构简单，而且能够有效地抵消温度、制程、电压波动带来的共模噪声量，输出具有较高的信噪比。但是图2的电路结构的输出信号值较小，光响应输出的驱动能力较弱。考虑到这种TFT光电传感器要再连接到放大电路等，这种较弱的驱动能力会造成最终电路输出的结果不准确。
进一步分析图2所示的传统的TFT对称结构的差分式光电传感电路，偏置电压VBIAS究竟应该如何取值较难决定。若偏置电压VBIAS的取值较正，则TFT对称差分式光电传感电路的这四个晶体管(晶体管T1～晶体管T4)均处于较导通状态，这种情况下晶体管对于光照的响应敏感度较低。另一方面，偏置电压VBIAS的取值又不宜太负，否则这四个晶体管均被完全地关断，光电传感器的输出节点电位接近悬浮，其输出状态不确定、驱动能力太弱。晶体管T1～晶体管T4较为理想的状态是亚阈值偏置，这能够在一定程度上缓解上述两方面的矛盾。但是，亚阈值区的偏置容易受到电压波动、温度变化及TFT制程的影响，较难满足稳定的亚阈区工作条件。
综合上述分析可知，在传统的TFT光电传感器电路中，很难控制晶体管工作在合适的区域；即使控制晶体管工作在合适的区域，该光电传感器电路的光照阈值也无法灵活调整，其光响应输出的驱动能力较弱。本申请的思路是通过提出施加周期性的电激励信号，利用周期性电激励信号波形的不同，使得光电传感器的光照阈值可以改变，进而通过光照阈值控制光电传感器的响应。通过不同的激励波形作用，光电传感器的响应阈值、输出线性度均能够被相应地优化。
实施例一
参见图3，本申请提供一种主动驱动式光电传感器，包括电源端10、第一端子11、第二端子12及光感应输出部13，下面具体说明。
所述电源端10用于接收电源，包括高压输入端VDD和低压输入端VSS，为所述动驱动式光电传感器提供电能。
所述第一端子11用于接收外界光，以便所述主动驱动式光电传感器的感应元件可以根据所述外界光输出相应的电信号。
所述第二端子12用于接收周期性电激励信号，以通过加入周期性电激励信号的不同波形，调制优化光电传感器电信号的输出，所述周期性电激励信号包括电压信号和电流信号。
光感应输出部13，用于根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。
在本发明实施例中，主动驱动式光电传感器其输入部分包括外界光和周期性电激励信号，输出为电压或者电流信号，通过相应输出信号的变化来反映输入的光强信息。换言之，主动驱动式光电传感器的主要特点在于光电响应的传感拓扑网络，受到了周期性电激励信号的调制；在周期性电激励信号的作用下，传感拓扑网络到输出端口的映射关系响应地变化。
在本发明实施例中，对于光电传感器来说，只有当外界光的光照强度超过一定的量，在其输出端口上才能读到电压/电流的变化；当外界光的光照强度少于一定的量，光电传感器的输出电压/电流几乎保持为零。因此，光照阈值即光电传感器的输出开始有变化时所对应的最小光照强度。
本申请通过调整该最小光照强度来优化主动驱动式光电传感器的光响应，可以理解的，调整光照阈值可以为提高光照阈值，使得外界光达到足够的光照强度时才输出电信号，避免光电传感器的极容易饱和，在较弱的光照强度时就已经输出到最大的电压值，无法继续对更强的外界光进行光响应。调整光照阈值还可以为降低光照阈值，使得在很小的外界光光照强度下就可以响应输出，扩张光照强度的响应范围。进一步地，通过调整光照阈值可以在不改变电路结构的情况下，使得该主动驱动式光电传感器适用能力更强，例如，在应用于光照强度较弱的场景时，则可以通过降低光照阈值提高该主动驱动式光电传感器光电响应的灵敏度。在应用于关照强度较强的场景时，则可以通过提高光照阈值降低该主动驱动式光电传感器光电响应的灵敏度，避免光电传感器的饱和，使得在外界光的光照强度足够强时才输出电信号。
在其中一种可能实现方式中，所述光感应输出部13还用于在在所述周期性电激励信号为用于清零的电激励信号时，输出电信号为复位信号；在所述周期性电激励信号为用于曝光工作的电激励信号时，根据该电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值。
需要说明的是，由于主动驱动式光电传感器输出节点上的寄生电容、负载电容效应，光电传感器输出节点上电压需要一定的响应、积分时间才能确定下来，即主动驱动式光电传感器最终的输出，由连续的多个清零和曝光工作操作之后共同决定。
在其中一种可能实现方式中，所述周期性电激励信号包括脉冲信号或周期性的斜波信号。
图4示意另一种主动驱动式光电传感器。晶体管T1至晶体管T4的构成及连接关系与图2所示传统的TFT对称差分式光电传感电路基本类似。不同之处在于晶体管T1～T4的偏置电压VBIAS不再是恒定电压，而是一个周期性电激励信号，即周期性的脉冲信号。于是，偏置电压VBIAS的值在较低的电压VBL和较高的电压VBH之间切换，既使得低压时光电传感器的光响应灵敏度较高，又使得高压时光电传感器的驱动能力较强。这种多状态持续切换的应用方法，提高了光电传感器的光照阈值，其中，偏置电压VBIAS在较高值时(VBIAS＝VBH)，主动驱动式光电传感器处于清零工作模式(Reset)，即正相输出电压信号VOUTP及负相输出电压信号VOUTN的值为零。当偏置电压VBIAS的值较低时(VBIAS＝VBL)，主动驱动式光电传感器处于曝光工作模式(Exposure)，正相输出电压信号VOUTP及负相输出电压信号VOUTN输出的值受到光照的影响。
通过调制该主动驱动式光电传感器曝光响应时间的比例，即调整VBIAS＝VBL的时间长短，可较精确地控制传感器的阈值光强。更具体地说，VBIAS＝VBL的时间越长，总的有效低电平时间长，曝光感应的时间越长，则该主动驱动式光电传感器的光照阈值就越小。这就建立了主动驱动式光电传感器的光照阈值与驱动时序的数量关系，光照阈值通过输入的电激励了信号的周期、占空比做调整，于是有利于实现主动驱动式光电传感器的数字化。
图5示意另一种主动驱动式光电传感器。与图4不同之处在于，偏置电压VBIAS的波形为斜坡上升信号。由于高压上升的过程较缓慢，因此斜坡信号的等效低电平值持续时间较长，故在斜坡信号作用下，该光电传感器的曝光感应的时间越长，该主动驱动式光电传感器光电响应的灵敏度越高。
在其中一种可能实现方式中，所述周期性电激励信号包括两个相位互补的时钟信号。
图6示意另一种主动驱动式光电传感器。这里晶体管T1和晶体光T4为感光元件，晶体管T2和晶体管T3为非感光元件。晶体管T1的栅极和晶体管T2的栅极耦合在一起，共同受到偏置电压VBIAS1的控制，晶体管T3和晶体管T4的栅极耦合在一起，共同受到偏置电压VBIAS2的控制，其中偏置电压VBIAS1和偏置电压VBIAS2为两个相位互补的时钟信号。该光电传感器正相输出电压VOUTP的光照响应量与晶体管T1和晶体管T2的等效阻抗相关。晶体管T1的等效阻抗越小，则正相输出电压VOUTP的值越接近VDD，于是外界光可调制正相输出电压VOUTP的范围越小。只有当偏置电压VBIAS1的值小于偏置电压VBIAS2，相对于晶体管T3，晶体管T1的等效阻抗较大的时候，正相输出电压VOUTP的光照可调谐范围才足够地大，因此需要偏置电压VBIAS1的平均电压值小于VBIAS2。
图6所示意的光电传感器中，偏置电压VBIAS1的偏置情况对于输出的响应仍然是最主要的，当偏置电压VBIAS1为高电平时，晶体管T1的等效阻抗值较小，正相输出电压VOUTP的值接近于高电平VDD，这一个阶段为清零状态，而当偏置电压VBIAS1为低电平时，晶体管T1的等效阻抗值较大，正相输出电压VOUTP的值接近于低电平VSS，这一阶段为曝光工作阶段，光电传感器感应输出。因此，在曝光工作阶段，偏置电压VBIAS1为低电平电压相位，偏置电压VBIAS2为高电平电压相位，栅极耦合到VBIAS1的晶体管T1根据外界光的光照强度情况控制正相输出电压VOUTP是否被充电到较高电压，栅极耦合到偏置电压VBIAS2的晶体管T4根据外界光的光照强度情况控制负相输出电压信号VOUTN是否被下拉到较低的电压。因此，在这种互补电压信号控制下，光电传感器的输出感应灵敏度更强。
对于图6的光电传感器，其正相输出电压VOUTP和负相输出电压信号VOUTN不仅受到偏置电压VBIAS1和VBIAS2的控制，而且受到外界光的光照强度的调制。其中，负相输出电压信号VOUTN是否下拉到较低的电压，仅仅VBIAS2为较高电压仍然不够，还必须有外界光的调制作用，这样晶体管T4流过的电流在外界光的调制作用下才能较大，晶体管T4才能较好地将负相输出电压信号VOUTN拉低，这个过程与负相输出端上具有寄生电容、负载电容有关系，也和晶体管T4的偏置状态有关系，一般来说，为了增强光电传感器的光控能力，晶体管T1～T4均被偏置在亚阈区域，此时光照强度小的时候，正相输出电压VOUTP和负相输出电压信号VOUTN都接近于(VDD+VSS)/2。
实施本实施例具有如下特点：
通过该主动驱动式光电传感器可以实现对光照阈值的调整，进一步优化光电传感器的输出，实现稳定、可控的光电响应。可通过电激励信号，合理地调整光电传感器的灵敏度、输出线性度、光照阈值等性能，调节的灵活度高。
实施例二
如图7，本申请提供一种主动驱动式光电传感器的驱动方法，包括步骤S10至步骤S30，下面具体说明。
步骤S10：接收周期性电激励信号。
步骤S20：根据所述周期性电激励信号调整光照阈值。
步骤S30：根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。
在本发明实施例中，对主动驱动式光电传感器施加一周期性电激励信号，其中，该周期性电激励信号包括电压信号或电流信号，主动驱动式光电传感器根据接收到的周期性电激励信号调整光照阈值，然后根据光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。在光照阈值高时，则需要更多的外界光强度才能输出电信号，在光照阈值低时，则外界光强度低时就可以输出电信号。
在其中一种可能实现方式中，参见图8，步骤S20包括步骤S21至步骤S22，下面具体说明。
步骤S21：在所述周期性电激励信号为用于清零的电激励信号时，输出电信号为复位信号。
步骤S22：在所述周期性电激励信号为用于曝光工作的电激励信号时，根据该电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值。
在本发明实施例中，如图4所示的光电传感器，总的有效低电平时间长，则等效的传感器的曝光感应时间就长，光电传感器的输出强度就相对地大，则光照阈值就减小。
实施本实施例具有如下特点：
给出了一种新的驱动方案，通过输入周期性电激励信号，来控制光照阈值，以便根据不同的周期性电激励信号，调制优化光电传感器输出的电信号。
如图9，图9示意被动式光电传感系统的前端电路部分，光电传感器的输出经过RC滤波电路，其高频噪声部分被滤除掉，然后通过运算放大电路，光电传感器的输出信号被放大到合适地电压值范围，才通过ADC模数转换器输出。
实施例三
参见图10，本申请提供一种光电传感系统的前端电路，包括滤波电路02、运算放大电路03及如上所述的光电传感器01，下面具体说明。
所述光电传感器01包括电源端、第一端子、第二端子及光感应输出部，其具体内容与实施例一一致，再次不再赘述。
滤波电路02用于对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号；
运算放大电路03用于对滤波信号进行放大，输出放大信号。
在其中一种可能实现方式中，光电传感系统的前端电路还包括：ADC模数转换器04，用于将接收到的放大信号进行模数转换，输出数字信号。
如图11，图11示意另一种光电传感系统的前端电路。其中光电传感器01采用实施例一种图4所示意的结构及实施二的驱动方法。假定该光电传感器01的输出电压值为Vp，则经过前端的运算放大电路03，其值变为Vp*(1+RF2/RF1)。如前所述，该主动驱动式光电传感器01可以通过调整周期性电激励信号CK的占空比及周期，较准确地控制光电传感器01的光照阈值，其中正相输出电压信号VOUTP及负相输出电压信号VOUTN的值分别由RT1/RT3以及RT2/RT4决定。当周期性电激励信号CK的占空比减少时，在相等周期情况下，光电传感器01的复位过程较短，曝光、感光时间较长，因此光照阈值量较小；反之，周期性电激励信号CK的占空比增加，在相等周期情况下，光照阈值量较大。而当周期性电激励信号CK的周期较长，在相等占空比情况下，光电传感器01的曝光、感光时间也较长，光照阈值量较小；反之，周期性电激励信号CK的周期减少，在相等占空比情况下，光电传感器01的光照阈值量较大。周期性电激励信号CK的控制也有利于提高光电传感器01的线性度，抑制电压、温度、制程波动带来的传感器性能漂移对输出电压的影响。
在其中一种可能实现方式中，所述运算放大电路03还用于接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消所述运算放大电路03的失调电压。
在本发明实施例中，主动式传感电路有利于光电传感器01和运算放大电路03的协同设计，由于主动式光强传感电路的响应受到周期性电激励信号的控制，这些周期性电激励信号也可用于运算放大电路03的校准和降噪等。
在其中一种可能实现方式中，如图12，图12示意另一种主动式光强传感系统的前端电路。所述滤波电路02包括电阻R1和电容C1，所述电容R1的一端接收所述电信号，所述电容R1的另一端连接电容C1的一端，并输出滤波信号，所述电容C1的另一端接地。所述运算放大电路03包括电阻RIN、电阻RF1、电阻RF2及运算放大器，电阻RIN的一端接收滤波信号，电阻RIN的另一端连接运算放大器的正相输入端。运算放大器的负相输入端分别连接电阻RF1的一端及电阻RF2的一端，运算放大器的输出端连接电阻RF2的另一端，并输出放大信号，电阻RF1的另一端接地。运算放大电路03还包括晶体管T11、晶体管T22、晶体管T33及耦合电容CIN，晶体管T11的第一极接收滤波信号，晶体管T11的第二极分别连接耦合电容CIN的一端和晶体管T22的第一极，晶体管T11的控制极接收周期性电激励信号，耦合电容CIN的另一端连接电阻RIN的一端，晶体管T22的第二极连接电阻RF1的另一端和地面，晶体管T33的第一极接收放大信号，晶体管T33的第二极接地，晶体管T22的控制极与晶体管T33的控制极均接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号。
其中光电传感器01采用了如图4所示意的结构及驱动方法。在曝光工作阶段，由于光电传感器01输出的电信号强度一般较为微弱，因此有必要增加放大电路对较为微弱的光电信号进行放大之后再做数字化处理。但是放大电路固有的失调电压(offset voltage)等非理想因素需要克服，这一般要引入时序信号采样并抵消运算放大电路03的失调电压Voffset。由于光电传感器01部分的输入周期性电激励信号CK1，已经用到了时钟信号CK1，因此利用CK1及其互补的时钟信号CK2来采样并抵消运算放大电路03的失调电压Voffset，这样可以节约时钟信号，对于简化时钟产生电路、抑制时钟偏斜带来的影响。与图11所示意的前端电路不同，这里基频放大电路的输入信号是通过电容CIN耦合得到的，光电传感器01在持续的曝光、感光阶段(多个连续的CK1信号作用于光电传感器01)之后，电容C1上存储着对应于外界光的光照强度的一定电荷量，光电传感器01的输出，即电容C1的上极板电位，将通过晶体管T1转移到电容C1的左端子。由于耦合电容CIN的电荷保持原理，耦合电容CIN的右端子电位将跟随着改变。等效地说，耦合电容CIN起到了耦合光电传感器01输出的作用。
下面简述工作时序，在时钟信号CK2为高电平阶段，耦合电容CIN的左端接地，同时运算放大器的输出端也因为时钟信号CK2的控制被接地。总之，在时钟信号CK2的高电平阶段，运算放大器的输出电压为0，其失调电压Voffset被存储在耦合电容CIN中，当时钟信号CK1为高电平时，光电传感器01的输出电压通过时钟信号CK1控制的T11晶体管输入到耦合电容CIN的左端子，此时，耦合电容CIN的右端子为悬浮，由于耦合电容CIN上存储的电荷保持作用，运算放大器的实际正相端子的输入电压为Vp+Voffset。实际上，此时耦合电容CIN的右端子-左端子的实际电压差为(Vp+Voffset)-Vp＝Voffset，即耦合电容CIN在时钟信号CK1和时钟信号CK2这两个相位保持了相等的电荷量。这就使得运算放大器的实际输出电压唯一地由Vp决定，而抵消了失调电压Voffset对放大器输出的扰动效应。
光电传感器01输出的信号较为微弱，且噪声较多。在实际的电路系统中，要对光电传感器01的输出信号进行滤波以及有效信号的放大和增强。如图11，其通过光电传感器01与放大电路直接连接的方案解决光电传感器01信号微弱的问题，用运算放大电路03对微弱信号进行放大，用到ADC模数转换器再对放大后的信号进行数字化、降噪，但是运算放大器本身可能就有较大的失调电压Voffset，导致系统输出的信号存在较大偏差。图12在解决光电传感器01输出信号弱问题的基础上，同时通过放大器与光电传感器01的协同设计解决失调电压Voffset的问题。
本申请的有益效果是：
光电传感器01及读出电路可协同设计，通过电激励信号的周期、占空比等时序调制，对传感读出电路的噪声进行有效地抑制，提高整体光电传感系统的信噪比。
实施例四
如图13，本申请提供一种光电传感系统前端电路的驱动方法，包括步骤S30至步骤S34，下面具体说明。
步骤S30：给光电传感器施加周期性电激励信号。
步骤S31：光电传感器根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出。
步骤S32：滤波电路对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号。
步骤S33：给运算放大电路施加与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消运算放大电路的失调电压。
步骤S34：运算放大电路对滤波信号进行放大，输出放大信号。
在本申请中，可以由一个时钟信号电路同时为光电传感器01与运算放大电路03提供时钟信号。
本申请的有益效果是：
本申请提供一种光电传感系统前端电路的驱动方法，包括：给光电传感器01施加周期性电激励信号，光电传感器01根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出，滤波电路02对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号，给运算放大电路03施加与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消运算放大电路03的失调电压，运算放大电路03对滤波信号进行放大，输出放大信号。通过周期性电激励信号控制光电传感器01的响应，同时也将与该周期性电激励信号相位互补的信号用于运算放大电路03进行校准与降噪，节约时钟信号，对于简化时钟产生电路、抑制时钟偏斜带来的影响。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种主动驱动式光电传感器，其包括由晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3和晶体管T4连接成的TFT对称结构的差分式光电传感电路；
晶体管T2和晶体管T3为参照基准元件；
晶体管T1和晶体管T4为感光元件；
其特征在于，还包括：
电源端，用于接收电源；
第一端子，包括晶体管T1和晶体管T4，用于接收外界光；
第二端子，包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3和晶体管T4的栅极，用于接收周期性电激励信号，所述周期性电激励信号包括用于曝光工作的电激励信号；
光感应输出部，用于根据所述周期性电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值，进而以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出；其中，晶体管T1和晶体管T3构成所述光感应输出部的正相输出支路，控制着正相输出电压信号的值，晶体管T2和晶体管T4构成所述光感应输出部的负相输出支路，控制着负相输出电压信号的值。
2.如权利要求1所述光电传感器，其特征在于，
所述周期性电激励信号还包括用于清零的电激励信号，所述光感应输出部还用于输出复位信号。
3.如权利要求1或2所述光电传感器，其特征在于，
所述周期性电激励信号包括脉冲信号或斜波信号。
4.如权利要求1或2所述光电传感器，其特征在于，所述周期性电激励信号包括两个相位互补的时钟信号。
5.一种光电传感系统的前端电路，其特征在于，包括滤波电路、运算放大电路及如权利要求1至4任一项所述光电传感器；
所述光电传感器用于接收外界光以及接收周期性电激励信号，根据所述周期性电激励信号调整光照阈值，以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出；
所述滤波电路用于对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号；
所述运算放大电路用于对滤波信号进行放大，输出放大信号。
6.如权利要求5所述前端电路，其特征在于，所述运算放大电路还用于接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消所述运算放大电路的失调电压。
7.如权利要求5所述前端电路，其特征在于，
所述滤波电路包括电阻R1和电容C1；
所述电阻R1的一端接收所述电信号，所述电阻R1的另一端连接电容C1的一端，并输出滤波信号；
所述电容C1的另一端接地；
所述运算放大电路包括电阻RIN、电阻RF1、电阻RF2及运算放大器；
电阻RIN的一端接收滤波信号，电阻RIN的另一端连接运算放大器的正相输入端；
运算放大器的负相输入端分别连接电阻RF1的一端及电阻RF2的一端，运算放大器的输出端连接电阻RF2的另一端，并输出放大信号；
电阻RF1的另一端接地；
所述运算放大电路还包括晶体管T11、晶体管T22、晶体管T33及耦合电容CIN；
晶体管T11的第一极接收滤波信号，晶体管T11的第二极分别连接耦合电容CIN的一端和晶体管T22的第一极，晶体管T11的控制极接收周期性电激励信号；
耦合电容CIN的另一端连接电阻RIN的一端；
晶体管T22的第二极连接电阻RF1的另一端和地面；
晶体管T33的第一极接收放大信号，晶体管T33的第二极接地；
晶体管T22的控制极与晶体管T33的控制极均接收与所述周期性电激励信号相位互补的信号。
8.一种主动驱动式光电传感器的驱动方法，其应用于如权利要求1-4任一项所述的主动驱动式光电传感器；
其特征在于，包括：
控制晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3和晶体管T4的栅极接收周期性电激励信号；
根据所述周期性电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值；
根据所述光照阈值和晶体管T1、晶体管T4接收到的外界光调制电信号的输出。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，还包括：
在所述周期性电激励信号为用于清零的电激励信号时，输出电信号为复位信号。
10.一种光电传感系统前端电路的驱动方法，其应用于如权利要求5-7任一项所述的光电传感系统的前端电路，其特征在于，包括：
给光电传感器施加周期性电激励信号；
光电传感器根据所述周期性电激励信号控制主动驱动式光电传感器的曝光时间，以根据该曝光时间调整光照阈值，进而以根据所述光照阈值和接收到的外界光调制电信号的输出；
滤波电路对输出的电信号进行滤波，输出滤波信号；
给运算放大电路施加与所述周期性电激励信号相位互补的信号，以抵消运算放大电路的失调电压；
运算放大电路对滤波信号进行放大，输出放大信号。
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