CN111464142A - 具有dc补偿的光学检测器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有DC补偿的光学检测器。一种光学检测器(100)，用于将光信号转换为电信号。光学检测器(100)包括适于接收光信号并将其转换为电信号的光敏器件(110)。光学检测器还包括偏置补偿电路(120)和控制电路(140)。控制电路(140)适于控制偏置补偿电路维持跨光敏器件(110)的偏置水平高于最小偏置水平，并且适于当通过光敏器件(110)的电流如此小以至于跨光敏器件(110)的偏置水平高于最小偏置水平时使偏置补偿电路(120)断开。

Description

具有DC补偿的光学检测器
技术领域
本发明涉及光学检测器的领域。更具体地，它涉及适于增加可以被容忍的背景光水平的范围的光学检测器的领域。
背景技术
光电二极管需要被偏置到大于某个最小偏置水平的电压以按照指定来工作。无源偏置系统(即，简单的电阻器到接地)向信号添加最少的噪声，但是如果背景光生成大量的DC偏置电流，则无法维持所要求的偏置水平。如果使用较小的电阻器，则其可以容忍更多背景光，但是信号通带的下频率转角将增加并且总信号带宽将减小。这使得对信号脉冲的系统响应显著降级，并且降低了系统准确地检测小信号的能力。
图1中所图示的传统偏置方案使用串联电阻器来偏置光电二极管。此种方案是简单且低噪声的，但是在DC电流很大时维持偏置电压方面做得不好。
电阻器和电容器值受物理尺寸约束限制并且受所要求的最小转角频率限制。对于高通RC滤波器，可以将传输函数表述如下：
Figure BDA0002371772130000011
该传输函数在图2中图示。曲线“拐点”处的半功率点被称为断点。
在图1中所图示的方式中，高通转角频率由偏置电阻器和DC阻塞电容器支配。电容器的物理尺寸限制了可以被用于该滤波器的最大电容。对于特定的管芯尺寸，例如100pF的电容器。可存在例如多个(例如，16个)二极管的阵列。这16个100pF的电容器可例如占据总管芯面积的约10％。因此，此种分析假定电容器由于面积约束而不能大于100pF。为了利用100pF的电容器实现标称200kHz的转角频率，偏置电阻器必须至少为8千欧姆。如果背景光生成多于125μA，则偏置电压将被降低1V，这可能使性能降级。鉴于现有技术光电二极管偏置电路的电阻和电容的有限的设计选择，存在对能够应对变化的背景光水平的光学检测器的需要。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种在变化的背景光水平下良好的光学检测器。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及一种用于将光信号转换为电信号的光学检测器。光学检测器包括适于接收光信号并将其转换为电信号的光敏器件。光学检测器还包括偏置补偿电路和控制电路。控制电路适于控制偏置补偿电路维持跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平，并且控制电路适于当通过光敏器件的电流如此小以至于跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，使偏置补偿电路断开。
根据本发明的实施例的光学检测器的优势在于，它可以在变化范围的背景光水平下操作。这通过监测背景光水平并且通过仅在偏置水平越过阈值时接通有源偏置来实现。因此，在正常操作期间，没有额外的噪声被生成，并且通过当偏置水平将以其他方式降低到超出最小偏置水平时接通偏置补偿电路来维持偏置水平。
在本发明的实施例中，光学检测器包括偏置电阻器，并且偏置补偿电路包括可变电流源，并且光敏器件同可变电流源与偏置电阻器的并联连接电气地串联连接。光学检测器还包括具有第一端子和第二端子的电容器，该电容器的第一端子同偏置电阻器与光敏器件之间的节点电气地连接。由此，控制电路适于控制通过电流源的电流，以使得在操作期间可以保持光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平，并且使得在操作期间，当通过光敏器件的电流如此小以至于跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，没有电流流过电流源。
在操作期间，将由光敏器件观察到的光信号被转换为可以在电容器的第二端子处被检测到的电信号。光信号可例如包括光脉冲。
本发明的实施例的优势在于，可变电流源可以调整通过偏置电阻器的DC电流，以使得可以保持光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平。本发明的实施例的优势在于，可以通过确保光敏器件上的最小偏置水平来维持光敏器件速度和响应度。
而且有利的是，当通过光敏器件的电流如此小以至于光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，没有电流流过电流源。因此，本发明的实施例的优势在于，当通过光敏器件的DC电流如此小以至于光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，没有附加噪声被生成。
在本发明的实施例中，控制电路可包括用于将偏置水平与最小偏置水平进行比较的比较器。
在本发明的实施例中，控制电路包括用于将偏置水平与最小偏置水平进行比较的电压测量电路。
电压测量电路可以是误差放大器，该误差放大器适于放大偏置水平与最小偏置水平之间的差并且适于使用经放大的信号来控制偏置补偿电路。
误差放大器可例如被集成在如上文所描述的包括电流源和偏置电阻器的实施例中。这可例如处于某种配置中，在该配置中，误差放大器的输出节点与可变电流源的输入端电气地连接，并且误差放大器的第一输入节点同偏置电阻器与光敏器件之间的节点电气地连接，并且在操作期间，参考电压被施加到误差放大器的第二输入节点。
可以由误差放大器的第二输入节点处的参考电压来确定最小偏置水平。一旦通过光敏器件的DC电流导致误差放大器的第一输入节点处的、高于第二输入节点处的参考电压的电压，误差放大器就将在其输出节点处生成信号，以使得由可变电流源生成导致偏置电阻器中的减小的DC电流并且因此导致光敏器件上的增大的偏置水平的电流。
当误差放大器的第一输入节点处的电压低于第二输入节点处的参考电压时，在误差放大器的输出端处将不存在导致由可变电流源生成DC电流的信号。
因此，本发明的实施例的优势在于，当通过光敏器件的DC电流如此小以至于误差放大器的第一输入节点处的电压低于参考电压时，没有附加噪声被生成。
因此，本发明的实施例的优势在于，可在不影响转角频率的情况下并且在DC电流很小时不添加任何附加噪声的情况下管理非常大的DC电流。
在本发明的实施例中，电压测量电路是用于将偏置水平转换为数字呈现的模数转换器，并且其中，控制电路适于使用该数字值来控制电流源。
在本发明的实施例中，控制电路包括适于生成参考电压的电压源，并且其中，控制电路适于从参考电压确定最小偏置水平。电压源可例如电气地连接至误差放大器的第二输入节点。电压源适于将参考电压施加到第二输入节点。
在本发明的实施例中，电压源适于调整参考电压。
本发明的实施例的优势在于，取决于应用要求，可以设置不同的参考电压。触发从基本模式到电流消除模式的切换的偏置电流可以通过改变阈值电压和偏置电阻器来调整。
在本发明的实施例中，选择电容器和偏置电阻器，以使得获得具有低于预定义频率的转角频率的低通滤波器。该预定义频率可以是例如200kHz。取决于应用，另一转角频率可能是优选的。
本发明的实施例的优势在于，通过选择具有低于预定义频率的转角频率的低通滤波器限制了大输入信号之后的下冲。最大下冲和最优转角频率是取决于应用的。例如，它们取决于脉冲宽度和形状。
在本发明的实施例中，偏置水平是可调整的偏置水平。
在本发明的实施例中，偏置电阻器是可调整的偏置电阻器。
在第二方面，本发明的实施例涉及一种光检测和测距系统，该光检测和测距系统包括根据本发明的实施例的至少一个光学检测器。光检测和测距系统还包括处理单元，该处理单元适于处理来自至少一个光学检测器的电容器的第二端子的信号。
在本发明的实施例中，光检测和测距系统包括信号生成设备，该信号生成设备适于发出至少一个输出信号，并且光学检测器适于接收该至少一个输出信号。在由光学检测器接收之前，至少一个输出信号可被对象反射。对所接收的信号的分析(例如，确定所接收的信号的延迟)可例如被用于确定对象的位置。
在本发明的实施例中，信号生成设备是LED或激光器。
在第三方面，本发明的实施例涉及一种用于检测光信号并将其转换为电信号的方法。方法包括：在使用偏置补偿电路维持跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平的同时，利用光敏器件接收光信号；以及当通过光敏器件的电流如此小以至于跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，断开偏置补偿电路。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可与独立权利要求的特征并且与其他从属权利要求的特征适当地而不仅仅是如在权利要求中明确所阐述地那样组合。
根据下文所描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考这些实施例来阐明本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1示出使用串联电阻器来偏置光电二极管的现有技术偏置方案的示意图。
图2示出图1中所图示的偏置电路的传输电路。
图3示出根据本发明的实施例的光学检测器的示意图。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的，并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为被限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅由组件A和B组成的设备。它意指就本发明而言设备的相关组件仅仅是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开对本领域普通技术人员将是显而易见的那样，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式后附的权利要求由此被明确并入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独的实施例。
此外，如将由本领域技术人员所理解，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同的实施例。例如，在所附权利要求中，任何所要求保护的实施例均能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本描述的理解。
在第一方面，本发明的实施例涉及用于将光信号转换为电信号(例如，将光脉冲转换为电脉冲)的光学检测器100。光学检测器100包括光敏器件110、偏置补偿电路120、以及控制电路140。此类光敏器件可以例如是光电二极管，诸如，常规光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管等等。
根据本发明的实施例的光学检测器适于监测背景光并在每当背景光越过所选择的阈值时使有源偏置补偿电路120接通。可以利用各种电路来实现此种功能。关键功能包括控制电路140，该控制电路140控制可变偏置补偿电路维持跨光敏器件的某个最小偏置水平。此种方案的重要要素在于，如果不需要可变偏置电路，则控制电路使该可变偏置电路完全断开。
由此，有利的是，可以在不违反光敏器件的偏置限制的情况下管理通过光敏器件的电流。而且，较低DC电流水平下的噪声将优于使用连续有源偏置方案的系统。在较高DC电流水平下，偏置补偿电流被接通以维持跨光敏器件的偏置水平。在较低DC电流水平下，偏置补偿电路被断开。由此，较高电流水平与较低电流水平之间的阈值由光敏器件的最小偏置水平来确定。
换言之，控制电路140适于控制偏置补偿电路维持跨光敏器件110的偏置水平高于最小偏置水平，并且当通过光敏器件110的电流如此小以至于跨光敏器件110的偏置水平高于最小偏置水平时，控制电路使偏置补偿电路120断开。
在本发明的实施例中，光学检测器包括用于偏置光敏器件的偏置电阻器121，并且偏置补偿电路120包括可变电流源122。光敏器件110同可变电流源122与偏置电阻器121的并联连接电气地串联连接。光学检测器100还包括具有第一端子和第二端子的电容器160，该电容器160的第一端子同偏置电阻器121与光敏器件110之间的节点电气地连接。控制电路140适于控制通过电流源120的电流，以使得在操作期间，光敏器件110的偏置水平可以保持高于最小偏置水平，并且使得在操作期间，当通过光敏器件110的电流如此小以至于跨光敏器件(110)的偏置水平高于最小偏置水平时没有电流流过电流源。
因为如果不要求电流源达到最小偏置水平则该电流源可被断开。因此，可以显著降低将由电流源生成的散粒噪声量。此种电流源的断开是可能的，因为在正常状况期间，可以使用真正的电阻器来偏置二极管。通过使用真正的电阻器，没有额外的噪声被生成，该额外的噪声将在正常偏置状况期间使用晶体管来控制偏置水平时跨晶体管的PN结被生成。
本发明的实施例的优势在于，可能针对增加的背景光量进行补偿。而且有利的是，通过补偿电路的存在，在没有明亮的背景光的情况下，也不使性能降级。在本发明的实施例中，偏置补偿仅在背景光信号大到足以使性能显著降级时被接通。因此，在其中背景光并非因素的标称条件下，不使性能降级。这与其中实现了全时有源补偿的偏置系统形成比对。
这与连续的并且不包括任何切换的常规偏置方案相反。在纯无源偏置系统中，诸如图1中所图示，不太可能容忍在根据本发明的实施例的光学检测器中可以容忍的背景光水平并在同时维持相同的所要求的带宽。
在图1中所图示的配置中，应当限制DC电流以维持足够的二极管偏置水平。假定3.3V的标称偏置电压，则光电二极管偏置电压简单地是：
V偏置＝3.3–8000*Idc
其中，V偏置为偏置水平，并且Idc为通过二极管的DC电流。如果二极管偏置水平低于2V，则二极管速度和响应度可能随着过程和温度转角降级。
通过保持DC电流小于下式，例如可维持二极管上的偏置高于二极管上的2V偏置：
Figure BDA0002371772130000081
如果二极管偏置电压下落到低于1V，则即使在标称状况下，二极管性能也将快速降级。为了维持二极管上的1V偏置，DC电流必须小于：
Figure BDA0002371772130000082
对于该示例中的二极管，如果DC电流可以增加到高于163μA，则无法对于所有过程和温度拐角保证系统准确性和灵敏度。如果DC电流可以增加到高于288μA，则即使在标称状况下，准确性和灵敏度也无法得到保证。
在本发明的实施例中，由增加的背景照明导致的此种过量的DC电流可以由补偿电路来进行调整，由控制电路使该补偿电路接通。
在本发明的实施例中，控制电路140可包括用于将偏置水平与最小偏置水平进行比较的比较器。
在本发明的实施例中，控制电路140包括用于将偏置水平与最小偏置水平进行比较的电压测量电路141。这可以例如是误差放大器141，该误差放大器141适于放大偏置水平与最小偏置水平之间的差，并且适于使用经放大的信号来控制偏置补偿电路。在本发明的示例性实施例中，误差放大器141的输出节点与可变电流源122的输入端电气地连接。这可以例如是压控电流源，这对于技术人员是已知的。误差放大器141的第一输入节点同偏置电阻器121与光敏器件110之间的节点电气地连接。在操作期间，参考电压被施加到误差放大器141的第二输入节点。
在图3中所图示的本发明的示例性实施例中，光敏器件被连接在第一供给节点S1(例如，3.3V)与偏置节点N1之间。偏置电阻器121被连接在第二供给节点S2(例如，接地)与偏置节点N1之间。可控电流源122被连接在第一供给节点S1或第二供给节点S2与偏置节点N1之间，并且具有控制节点C1。电压测量设备141具有连接至偏置节点N1的第一输入端、连接至参考节点R1的第二输入端、以及连接至可控电流源122的控制节点C1的输出端。电压测量设备141被配置成用于：当偏置节点N1的电压大于参考节点R1的电压时，提供控制信号；否则提供断开电流源的信号。在图3中，光敏器件可以是PIN二极管110。当背景光增加时，来自PIN二极管的DC电流增加，并且跨电阻器121的电压增加。由于电阻器与PIN二极管110串联，因此跨PIN二极管的偏置电压将随背景光水平提高而降低。
在本发明的实施例中，控制电路140也可以是数字控制电路。在根据本发明的实施例的示例性数字控制电路中，电压测量电路141是模数转换器(ADC)，该ADC被连接以测量偏置节点N1中的偏置电压与参考节点R1中的参考电压之间的差并将其转换为数字值。随后可由数字控制电路140使用该数字值将可控电流源122的输出设置为适当的DC电流。可通过利用数模转换器(DAC)输出模拟电压来设置DC电流，从而以与在实施例中利用误差放大器类似的方式利用该模拟电压来控制电流源122。或者可以将电流源实现为数字地控制的电流源，以直接输出电流。此类数字地控制的电流源的实现方式对于技术人员是已知的。
在进一步的实施例中，电压测量电路可以是测量偏置节点N1中跨电阻器121或二极管11的电压值的ADC。随后将该数字值与数字阈值以及相应地改变的电流源122的电流输出进行比较。调整电流的一种方式可以是，如果数字值大于数字阈值，则增加某个量的电流，并且如果数字值小于数字阈值，则减少相同量的电流。但是对于技术人员已知的用于控制电流源的任何其他方法都是可能的。
在所有的数字控制电路实施例中，由ADC进行的测量能以恒定的频率完成，该恒定的频率可以与高通滤波器的所期望的转角频率的两倍一样慢，例如，对于使用200kHz转角频率的先前示例，处于400kHz的区域中。
替代地，可以使用简单的比较器将偏置水平与最小偏置水平进行比较。比较器可测量跨电阻器121的电压。当该电压大于某个预定水平时，比较器输出为高，并且启用有源偏置电路。
有源偏置电路140控制可变电流源122，以消除来自PIN二极管的过量的DC偏置电流并维持跨PIN二极管的所选择的最小偏置水平。如果背景光降低到足够低，则跨电阻器的电压将下落到低于阈值，并且有源偏置电路可以被断开以减少输入噪声。
在本发明的实施例中，可以使用限幅放大器141来组合比较器和控制电路功能。在该方案中，限幅放大器141被用作误差放大器，该误差放大器放大预先选择的阈值142与PIN二极管偏置点N1处的PIN二极管偏置电压之间的差。偏置水平随后与节点S1处的供给电压减去N1处的偏置电压对应。阈值电压V阈值被选择以使得可以获得最小偏置水平。当偏置电压V偏置小于阈值V阈值时，输出为0，当偏置电压大于阈值时，输出信号为K*(V偏置-V阈值)，其中，K为限幅放大器141的放大因数。使用该输出信号来控制附接至PIN二极管偏置点的可变电流源122。如果放大器增益足够大，则控制电路将连续地调整可变电流电路，以抵消过量的DC偏置电流并将偏置点维持到所选择的阈值水平。当背景光被减少时，PIN二极管偏置水平将下落到低于阈值，误差放大器输出将下落至0，并且可变电流源输出将有效地被断开以减少噪声。
可以例如控制可变电流源122抵消足够的DC电流，以保持二极管偏置水平大于2V。此种方式可以管理非常大的DC电流而不影响转角频率并且在DC电流很小时不添加任何附加噪声。后者的原因在于，在操作期间，当通过光敏器件110的电流如此小以至于跨光敏器件110的偏置水平高于最小偏置水平时，没有电流流过电流源。当电流源活跃时，将存在来自该电流源的附加散粒噪声以及来自控制环路的额外的热噪声。但是，当光电二极管DC电流低到足以使节点N1保持为低于预定义的电压(例如，1.2V)时，将不添加附加噪声。
当电流源122活跃时，如果误差放大器带宽小于正常转角频率，则高通转角频率将不改变。这允许系统补偿任何量的额外偏置电流，而不由于信号的下冲而使性能降级。
在本发明的示例性实施例中，误差放大器141具有低通行为。当该放大器被放置到该闭环系统中时，该闭环系统具有高通响应。高通闭环响应的转角典型地与放大器的低通带宽对应。如果闭环系统被设计成具有与无源系统相同的高通转角，则当有源偏置被接通或断开时其将不影响系统性能。
在本发明的实施例中，可确定DC电流限制，以使得在操作期间获得足够的偏置水平。由于偏置水平由控制环路140维持，因此可以将电流限制设置为几乎任何任意的限制。电流限制的范围可以例如在2mA与5mA之间。触发从基本模式到电流消除模式的切换的偏置电流可以通过改变阈值电压(节点N1处的预定义的电压)和偏置电阻器来调整。切换点电流为：
I阈值＝V阈值/R偏置
对于上文示出的示例值，切换点电流可以是例如＝1.2V/8kΩ＝150μA。
在第二方面，本发明的实施例涉及一种光检测和测距系统，该光检测和测距系统包括根据本发明的实施例的光学检测器。此类系统被设计成用于通过将入射光束指引到目标并检测反射光束来执行到目标的距离测量。可基于对入射光束和反射光束的飞行时间测量来计算到目标的距离。
激光雷达使用紫外线、可见光或近红外射线来对对象进行成像。它可以针对范围广泛的材料。光学检测器可适于从脉冲被发出时开始(以固定的速率)记录光振幅，并且可使用振幅相对于时间信号的关系以找到位于场景中的反射脉冲形状。
已经提出了具有多个并联通道的LIDAR系统。每个通道包括根据本发明的实施例的光学检测器。来自光电二极管的信号在模拟前端中被接收，在该模拟前端中，这些信号被转换为可以被处理以用于最终确定到目标对象的距离的信号。
根据本发明的实施例的光检测和测距系统可包括适于以某个帧速率发出脉冲的一个或多个LED或激光器。这些可以是被布置成用于以高于900nm的波长发出脉冲射线的红外LED或激光器。反射脉冲由光学检测器接收，并被用于计算光学检测器距这些反射脉冲在其上被反射的对象的距离。光检测和测距系统因此可包括处理单元。光学检测器可从脉冲被发出时开始(以固定的速率)记录光振幅，并且使用振幅相对于时间信号的关系以找到位于场景中的反射脉冲形状。距离随后可通过将往返时间的一半与光速相乘来确定。
在有利的实施例中，对模拟信号进行过采样，以获得更平滑的轨迹波形。能以至少100MHz的速率对来自光电二极管的信号进行采样。
反射光振幅随距离增加而大幅减小。对象越远，返回的脉冲信号就变得越小，并且存在这样的点，在该点处信号变成完全淹没在噪声中。使系统的信噪比最大化是非常重要的。经由累加过程，这是可能的。采集被重复多次(不具有过采样移位)，从采集到采集地增加对应的所采样的值。这有效地创建了一种求平均的过程，该过程减少了随机噪声但保持了真实的隐藏脉冲。
在根据本发明的实施例的光检测和测距系统中，周期性地发送出脉冲激光，并且对该脉冲序列进行采样。此类系统包括适于处理来自光学检测器的信号的处理单元。信号可以是每帧到达的帧，并且可对对应的信号求平均或累加。
在本发明的实施例中，在累加之后必须获得最小信噪比。最小信噪比可以是例如3dB。
在本发明的实施例中，取决于入射光量的范围，可使用不同的电阻器。选择不同的电阻器将导致转角频率的改变。当转角频率增加时，大信号之后的下冲增加。可选择200kHz的转角频率作为平衡，以使得下冲受到足够限制并且使得系统性能不受影响。本发明的实施例的优势在于，不仅偏置电阻器可以被改变以应对不同范围的入射光，而且控制电路和偏置补偿电路也可以应对变化的背景光水平。
在本发明的实施例中，电阻器可以是可调整电阻器。由此，优势在于，可以针对不同的光照条件应用不同的电阻器值，以优化各种光照条件下的性能。
在第三方面，本发明的实施例涉及一种用于检测光信号并将其转换为电信号的方法。方法包括：在使用偏置补偿电路维持跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平的同时，利用光敏器件接收光信号；以及当通过光敏器件的电流如此小以至于跨光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平时，断开偏置补偿电路。

Claims (15)

1.一种光学检测器(100)，用于将光信号转换为电信号，所述光学检测器(100)包括适于接收所述光信号并将所述光信号转换为电信号的光敏器件(110)，
其特征在于，所述光学检测器包括偏置补偿电路(120)和控制电路(140)，其中，所述控制电路(140)适于控制所述偏置补偿电路维持偏置水平，其中，所述偏置水平是跨所述光敏器件(110)的、高于最小偏置水平的偏置电压，并且其中，所述控制电路适于：当通过所述光敏器件(110)的电流如此小以至于跨所述光敏器件(110)的所述偏置水平高于所述最小偏置水平而不需要所述偏置补偿电路时，使所述偏置补偿电路(120)断开；以及当所述偏置水平将以其他方式降低到超出所述最小偏置水平时，使所述偏置补偿电路(120)接通。
2.根据权利要求1所述的光学检测器(100)，包括偏置电阻器(121)
-其中，所述偏置补偿电路(120)包括可变电流源(122)，并且其中，所述光敏器件(110)同所述可变电流源(122)与所述偏置电阻器(121)的并联连接电气地串联连接，
-所述光学检测器(100)还包括具有第一端子和第二端子的电容器(160)，所述电容器(160)的所述第一端子同所述偏置电阻器(121)与所述光敏器件(110)之间的节点电气地连接，
-所述控制电路(140)适于控制通过所述电流源(120)的电流，以使得在操作期间，所述光敏器件(110)的所述偏置水平能够被保持为高于所述最小偏置水平，并且使得在操作期间，当通过所述光敏器件(110)的电流如此小以至于跨所述光敏器件(110)的所述偏置水平高于所述最小偏置水平时，没有电流流过所述电流源。
3.根据权利要求1所述的光学检测器(100)，其中，所述控制电路(140)包括用于将所述偏置水平与所述最小偏置水平进行比较的比较器。
4.根据权利要求1所述的光学检测器，其中，所述控制电路(140)包括用于将所述偏置水平与所述最小偏置水平进行比较的电压测量电路(141)。
5.根据权利要求4所述的光学检测器，其中，所述电压测量电路(141)是误差放大器(141)，所述误差放大器(141)适于放大所述偏置水平与所述最小偏置水平之间的差并且适于使用经放大的信号来控制所述偏置补偿电路。
6.根据权利要求4所述的光学检测器(100)，其中，所述电压测量电路(141)是用于将所述偏置水平转换为数字呈现的模数转换器(141)，并且其中，所述控制电路适于使用这个数字值来控制所述电流源(122)。
7.根据权利要求4所述的光学检测器(100)，其中，所述控制电路(140)包括适于生成参考电压的电压源(142)，并且其中，所述控制电路适于从所述参考电压确定所述最小偏置水平。
8.根据权利要求7所述的光学检测器(100)，其中，所述电压源(142)适于调整所述参考电压。
9.根据权利要求2所述的光学检测器(100)，其中，所述电容器(160)和所述偏置电阻器被选择，以使得获得具有低于预定义频率的转角频率的低通滤波器。
10.根据权利要求1所述的光学检测器(100)，其中，所述偏置水平是能调整的偏置水平。
11.根据权利要求2所述的光学检测器(100)，其中，所述偏置电阻器(121)是能调整的偏置电阻器。
12.一种光检测和测距系统，包括根据权利要求1所述的至少一个光学检测器(100)并包括处理单元，所述处理单元适于处理来自所述至少一个光学检测器的所述电容器的所述第二端子的信号。
13.根据权利要求12所述的光检测和测距系统，所述光检测和测距系统包括适于发出至少一个输出信号的信号生成设备，并且所述光学检测器适于接收所述至少一个输出信号。
14.根据权利要求13所述的光检测和测距系统，其中，所述信号生成设备是LED或激光器。
15.一种用于检测光信号并将所述光信号转换为电信号的方法，所述方法包括利用光敏器件接收所述光信号，其特征在于，利用光敏器件接收所述光信号的步骤在使用偏置补偿电路维持跨所述光敏器件的偏置水平高于最小偏置水平的同时被完成，其中，所述偏置水平是偏置电压，并且其特征在于，当通过所述光敏器件的电流如此小以至于跨所述光敏器件的所述偏置水平高于所述最小偏置水平而不需要所述偏置补偿电路时，所述偏置补偿电路被断开，并且当所述偏置水平将以其他方式降低到超出所述最小偏置水平时，所述偏置补偿电路被接通。
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JP3058922B2 (ja) * 1990-12-26 2000-07-04 株式会社東芝 広ダイナミックレンジ光受信器
JP2009260300A (ja) * 2008-03-24 2009-11-05 Fujitsu Ltd Ａｐｄを用いた光受信装置およびａｐｄバイアス制御方法
CN104359455B (zh) * 2014-12-03 2016-09-07 张石 基于背景噪声消除的光电二极管电路及激光测距系统

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