CN111678590B - 自适应增益控制的光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自适应增益控制的光传感器，包含光电组件、运算放大器、比较器、自适应增益控制电路、可变电容以及脉冲累加器电路。光电组件将光能转换为光电流。运算放大器基于输入电压与参考电压的差值乘以增益值以输出误差放大信号。比较器比对误差放大信号与参考电压源的电压以输出对比信号。自适应增益控制电路包含脉冲检测电路以及增益控制电路。脉冲检测电路检测对比信号与频率信号以输出脉冲检测信号。自适应增益控制电路依据脉冲检测信号输出电容值调变信号。可变电容的电容值依据电容值调变信号调变。

Description

自适应增益控制的光传感器
技术领域
本发明涉及一种光传感器，特别是涉及一种自适应增益控制的光传感器。
背景技术
消费性电子产品，例如手机，使用越来越多的传感器，以达到节省能源并且增进人机间的互动性。举例来说，目前最新的手机使用到十种以上的传感器。因此工程师们积极寻求将传感器整合的方法，以期减少能源、空间与成本。
环境光传感器是用来感测环境光源的变化，改变手机面板的使用亮度。当周围亮度较暗时，面板亮度跟着变暗避免刺激眼睛，在户外光源较强时，手机面板背光会跟着变亮增加可视度。环境光传感器根据环境光源改变面板使用亮度，也能达到节能效果，增加手机使用时间。近距传感器是一种非接触的物体检测传感器，在行动装置方面的应用，例如手机的接听防触控功能，一旦用户的头部靠近听筒，手机触控功能会自动关闭，防止讲电话时脸与面板接触造成的功能误触。环境光传感器与近距传感器两者因同样都是感测光强度，进行作动的光学系统，因此被整合于一封装结构，以共享空间、耗材并且合并电力供应的线路布局。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对背景技术的不足提供一种自适应增益控制的光传感器，其包含光电组件、运算放大器、比较器、自适应增益控制电路、脉冲检测电路、增益控制电路、可变电容以及脉冲累加器电路。光电组件配置以将照射通过光电组件的光能转换为光电流。运算放大器具有第一放大输入端以及第二放大输入端，分别连接光电组件以及参考电压源。运算放大器配置以基于第一放大输入端的电压与参考电压源的电压的差值乘以运算放大器的增益值以输出误差放大信号。比较器具有第一比较输入端以及第二比较输入端，分别连接运算放大器的输出端以及参考电压源。比较器配置以对比误差放大信号与参考电压源的电压，以输出对比信号。自适应增益控制电路连接比较器的输出端。自适应增益控制电路包含脉冲检测电路以及增益控制电路。脉冲检测电路连接外部电子电路以及比较器的输出端。脉冲检测电路配置以检测从比较器接收的对比信号以输出脉冲检测信号，以及检测从外部电子电路接收的频率信号以输出频率检测信号。增益控制电路连接脉冲检测电路，配置以依据脉冲检测信号输出电容值调变信号。可变电容连接在运算放大器的输出端以及第一放大输入端之间，并连接增益控制电路。可变电容的一原始电容值依据电容值调变信号调变至目标电容值。脉冲累加器电路连接比较器的输出端，配置以基于对比信号在第一比较输入端的电压从小于参考电压源的电压上升至大于参考电压源的电压时，实现计数。
优选地，每次比较器的所述第一比较输入端从小于参考电压源的电压增加至大于参考电压源的电压时，比较器产生的对比信号中产生脉冲；脉冲检测电路检测对比信号的相邻的两脉冲之间的时间间隔以输出脉冲检测信号，以及检测频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量以输出频率检测信号；增益控制电路存储脉冲基准数量，依据脉冲检测信号以及频率检测信号对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量不等于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电容值调变信号；其中比较器的第一放大输入端在时间间隔内从小于参考电压源的电压增加至不小于参考电压源的电压。
优选地，当增益控制电路对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量大于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电容值调降信号以调降可变电容的电容值；当增益控制电路对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量小于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电容值调升信号以调升可变电容的电容值；其中电容值调变信号包含电容值调升信号以及电容值调降信号。
优选地，自适应增益控制的光传感器还包含可变电流源，连接与运算放大器的第一放大输入端连接的可变电容的一端以及增益控制电路，增益控制电路配置以依据脉冲检测信号或电容值调变信号输出电流值调变信号至可变电流源，可变电流源提供的电流依据脉冲检测信号从原始电流值调变至目标电流值，具目标电流值的电流流过可变电容以充电可变电容。
优选地，比较器的第一比较输入端从小于参考电压源的电压增加至大于参考电压源的电压时，比较器产生的比对信号中产生脉冲；脉冲检测电路检测对比信号的相邻的两脉冲之间的时间间隔以输出脉冲检测信号，以及检测频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量以输出频率检测信号；增益控制电路存储脉冲基准数量，依据脉冲检测信号以及频率检测信号对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量不等于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电流值调变信号至可变电流源；其中比较器的第一放大输入端在时间间隔内从小于参考电压源的电压增加至不小于参考电压源的电压。
优选地，当增益控制电路对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量大于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电流值调降信号至可变电流源，以调降可变电流源的电流值；当增益控制电路对比频率信号中在时间间隔内的脉冲的数量小于脉冲基准数量时，增益控制电路输出电流值调升信号至可变电流源，以调升可变电流源的电流值；其中电流值调变信号包含电流值调升信号以及电流值调降信号。
优选地，自适应增益控制的光传感器还包含开关组件，连接在可变电容以及运算放大器的第一放大输入端之间；在增益控制电路输出电容值调变信号以调整可变电容的电容值之前，增益控制电路输出电流值调变信号以调整可变电流源提供的电流值，以及导通开关组件以允许可变电流源提供调变后的具目标电流值的电流通过开关组件流过可变电容。
优选地，自适应增益控制的光传感器还包含逻辑电路，连接在比较器以及脉冲累加器电路之间，配置以从比较器接收对比信号，并将对比信号转换为逻辑信号输出至脉冲累加器电路。
优选地，自适应增益控制的光传感器还包含脉冲存储电路，连接脉冲累加器，配置以存储脉冲累加器计数比较器的第一比较输入端的电压波形的电压从小于参考电压源的电压上升至不小于参考电压源的电压的次数。
如上所述，本发明所提供的自适应增益控制的光传感器，其通过自适应增益控制电路调整可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，进而调整光电组件转换环境光能所产生的光电流对可变电容进行充电的时间长度。因此，本发明可改善在环境光源强度较弱的情形下，调小可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，使光电流对电容的充电速度变快，以提升光传感器的光感测效率。另外，在环境光源强度较强或光源强度的变化速度较快的情况下，调大可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，使光电流对电容的充电速度变慢，使得光传感器可更精准地计数波形数量，进而使得应用光传感器的电子装置可更精确地判断环境光源强度的分辨率，使得电子装置的显示屏幕可以期望的亮度显示影像。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明第一实施例的自适应增益控制的光传感器的电路布局图。
图2为本发明第二实施例的自适应增益控制的光传感器的电路布局图。
图3为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器的电路布局图。
图4为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器的自适应增益控制电路、比较器、可变电流源以及可变电容与外部电子电路的方框图。
图5为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较小环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。
图6为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较小环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的自适应增益控制电路接收的频率信号、比较器产生的对比信号以及运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。
图7为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较大环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。
图8为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较大环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的自适应增益控制电路接收的频率信号、比较器产生的对比信号以及运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明有关的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所提供的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所提供的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
[第一实施例]
请参阅图1，其为本发明第一实施例的自适应增益控制的光传感器的方框图。如图1所示，自适应增益控制的光传感器10包含光电组件PD1、运算放大器100、比较器200、逻辑电路300、脉冲累加器电路410、自适应增益控制电路500、脉冲存储电路610、可变电容C1以及固定电流源IREF1。
运算放大器100具有第一放大输入端(例如反相输入端)以及第二放大输入端，例如非反相输入端。运算放大器100的第一放大输入端连接光电组件PD1的负极端，而运算放大器100的第二放大输入端连接参考电压源VREF。光电组件PD1的正极端接地。
光电组件PD1配置以将照射通过光电组件PD1的环境光能转换为光电流Iph。此光电流Iph流至设置在运算放大器100的第一放大输入端以及运算放大器100的输出端之间的可变电容C1，以对可变电容C1进行放电，以提高运算放大器100的输出端的电压值。
运算放大器100配置以计算运算放大器100的第一放大输入端的电压与运算放大器100的第二放大输入端的参考电压源VREF的电压的差值。运算放大器100配置以接着将此电压差值乘上运算放大器100的增益值，以输出对应的误差放大信号EAO1至比较器200。
比较器200的第一比较输入端(例如非反相输入端)连接运算放大器100的输出端，而比较器200的第二比较输入端(例如反相输入端)连接参考电压源VREF。比较器200配置以从运算放大器100接收误差放大信号EAO1以及从参考电压源VREF接收参考电压信号，接着对比误差放大信号EAO1的电压与参考电压信号的电压的差值，以输出对比信号CMP1。
举例来说，比较器200的第一比较输入端为非反相输入端，而比较器200的第二比较输入端为反相输入端。当比较器200对比误差放大信号EAO1的电压大于参考电压信号的电压时，比较器200输出高电平的对比信号CMP1。相反地，当比较器200对比误差放大信号EAO1的电压小于参考电压源VREF的电压时，比较器200输出低电平的对比信号CMP1。
自适应增益控制电路500的输入端可连接比较器200的输出端，以及可连接或接触可变电容C1。自适应增益控制电路500可从外部电子电路例如频率电路接收频率信号CLK1。另外，在对比信号CMP1从比较器200输出至逻辑电路300时或之前，自适应增益控制电路500可从比较器200接收对比信号CMP1。
自适应增益控制电路500可对比比较器200的对比信号CMP1与频率信号CLK1，并依据对比结果决定是否输出调整可变电容C1的电容值。可变电容C1连接自适应增益控制电路500。自适应增益控制电路500判断需调整可变电容C1的电容值时，可输出电容值调变信号CVA1至可变电容C1，以调整可变电容C1的电容值。
具体地，可变电容C1可由电容器单元构成，在每个电容器单元中，金属介电膜夹设在电容器电极之间。电容值可根据施加在电容器电极之间的控制电压而变化。因此，上述电容值调变信号CVA1可为电压控制信号。替换地，自适应增益控制电路500可接触或连接可变电容C1，以对可变电容C1执行电容值调整的物理操作，以物理地调整可变电容C1。或是另一种控制方式，可变电容C1可由数个电容器单元构成，电容值调变信号CVA1可分别控制多个电容器单元的开关，让等效的电容值增加或减少。
随着可变电容C1的电容值改变，改变了利用光电组件PD1产生的光电流Iph将可变电容C1放电，并且运算放大器100对可变电容C1充电至目标电压值的充电时间。其结果为，每次误差放大信号EAO1的电压从小于参考电压源VREF的电压增加至大于参考电压源VREF的电压时的时间可缩短。在此情况下，在相同的预定时间内，比较器200在误差放大信号EAO1的电压大于参考电压源VREF的电压时输出高电平的对比信号CMP1的次数可增加。
逻辑电路300的设置端SET连接比较器200的输出端，配置以从比较器200接收对比信号CMP1。应理解，运算放大器100在如上述调整可变电容C1的电容值之后所产生的误差放大信号EAO1不同于调整可变电容C1的电容值之前所产生的误差放大信号EAO1。
逻辑电路300可为S-R型正反器或其他适用的逻辑电路组件，在此仅举例说明，本发明不以此为限。逻辑电路300连接在比较器200以及脉冲累加器电路410之间。逻辑电路300可具有设置端SET、重置端RESET、输出端Q以及输出端
Figure BDA0002007513790000071
逻辑电路300配置以将从比较器200接收的对比信号CMP1转换为逻辑信号LOG1输出至脉冲累加器电路410。
举例来说，当逻辑电路300从比较器200接收到高电压电平的对比信号CMP1时，逻辑电路300输出高逻辑电平的逻辑信号LOG1至脉冲累加器电路410。相反地，当逻辑电路300从比较器200接收到低电压电平的对比信号CMP1时，需等待自适应增益控制电路500输出低电压电平RE1，逻辑电路300才输出低逻辑电平的逻辑信号LOG1至脉冲累加器电路410。
脉冲累加器电路410连接逻辑电路300的输出端Q。脉冲累加器电路410配置以基于从逻辑电路300接收的逻辑信号LOG1，在每次比较器200的第一比较输入端的电压从小于参考电压源VREF的电压上升至大于参考电压源VREF的电压时，实现计数。
逻辑电路300的重置端RESET通过或非门连接比较器200以及自适应增益控制电路500。具体地，或非门的一输入端连接比较器200的输出端，而或非门的另一输入端连接自适应增益控制电路500的输出端。自适应增益控制电路500依据接收到对比信号CMP1的时间点判断每次逻辑电路300完成上述作业后，可输出重置信号RE1至逻辑电路300的重置端RESET，以重置逻辑电路300。
更具体地，当或非门的一输入端从比较器200接收到的对比信号CMP1以及或非门的另一输入端从自适应增益控制电路500接收到的重置信号RE1的电平皆为低逻辑电平时，或非门产生代表高逻辑电平的信号输出至逻辑电路300的重置端RESET，以重置逻辑电路300。
[第二实施例]
请参阅图2，其为本发明第二实施例的自适应增益控制的光传感器的方框图。如图2所示，自适应增益控制的光传感器10包含光电组件PD1、运算放大器100、比较器200、逻辑电路300、脉冲累加器电路410、自适应增益控制电路500、固定电容C2、可变电流源IREF2、脉冲存储电路610以及开关组件SW1。
本实施例与第一实施例不同之处在于，第一实施例的自适应增益控制的光传感器10中配置可变电容C1以及固定电流源IREF1，自适应增益控制电路500在环境光源强度过大或过小的情况下调整可变电容C1的电容值。相比之下，在本实施例中，自适应增益控制的光传感器10中则是配置固定电容C2以及可变电流源IREF2，自适应增益控制电路500调整可变电流源IREF2供应的电流信号的电流值。
具体地，自适应增益控制电路500可连接比较器200以及外部频率电路。比较器200可对比比较器200的第一比较输入端(例如非反相输入端)的电压与比较器200的第二比较输入端(例如反相输入端)的参考电压源VREF的电压的差值，以输出对比信号CMP2至自适应增益控制电路500。自适应增益控制电路500可从外部电路接收频率信号CLK2以及从比较器200接收对比信号CMP2。
自适应增益控制电路500可连接可变电流源IREF2。自适应增益控制电路500可将频率信号CLK2与对比信号CMP2进行对比，以判断环境光源的光强度，以决定是否调整可变电流源IREF2提供至固定电容C2的电流值。自适应增益控制电路500判断环境光源过大或过小时，自适应增益控制电路500可输出电流值调变信号IVA2至可变电流源IREF2，以调整可变电流源IREF2供应的电流信号的电流值。此电流信号可从可变电流源IREF2通过导通的开关组件SW1流至固定电容C2，以对固定电容C2进行充电。通过改变可变电流源IREF2提供的电流信号的电流值，改变了利用光电组件PD1产生的光电流Iph将固定电容C2放电，并且运算放大器100对固定电容C2充电至目标电压值的充电时间。其结果为，每次误差放大信号EAO2的电压从小于参考电压源VREF的电压增加至大于参考电压源VREF的电压时的时间可缩短。如此，比较器200在误差放大信号EAO2的电压大于参考电压源VREF的电压时输出高电平的对比信号CMP2以及次数CON2可增加。
脉冲存储电路610连接脉冲累加器电路410的输出端。脉冲存储电路610可配置以存储脉冲累加器电路410计数比较器200的第一比较输入端从小于参考电压源VREF的电压上升至大于参考电压源VREF的电压的次数CON2。
[第三实施例]
请参阅图3，其为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器的方框图。如图3所示，自适应增益控制的光传感器10包含光电组件PD1、运算放大器100、比较器200、逻辑电路300、脉冲累加器电路410、自适应增益控制电路500、可变电容C3、可变电流源IREF3、脉冲存储电路610以及开关组件SW1。
本实施例与第一实施例以及第二实施例不同之处在于，第一实施例的自适应增益控制的光传感器10中配置可变电容C1以及固定电流源IREF1，第二实施例的自适应增益控制的光传感器10中配置固定电容C2以及可变电流源IREF2，而本实施例的自适应增益控制的光传感器10中配置可变电容C3以及可变电流源IREF3。
自适应增益控制电路500配置以将从比较器200接收的对比信号CMP3与从外部频率电路接收的频率信号CLK3进行对比，以判断目前环境光源的强度下是否需调整可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值的其中一者或两者，进而调整可变电容C3的充电时间。
举例来说，当自适应增益控制电路500依据对比信号CMP3与频率信号CLK3的对比结果判断目前可变电容C3的充电时间大于充电时间阈值(意味着目前环境光源的强度小于预定光强度)时，自适应增益控制电路500基于对比信号CMP3，以输出相应的电容值调变信号CVA3至可变电容C3，以调降可变电容C3的电容值，以及输出相应的电流值调变信号IVA3至可变电流源IREF3，以调降可变电流源IREF3提供的电流信号的电流值，进而使可变电容C3的充电时间缩短。
当自适应增益控制电路500依据对比信号CMP3与频率信号CLK3的对比结果判断目前可变电容C3的充电时间小于充电时间阈值(意味着目前环境光源的强度大于预定光强度)时，自适应增益控制电路500可基于对比信号CMP3，输出电容值调变信号CVA3至可变电容C3，以调大可变电容C3的电容值，以及输出电流值调变信号IVA3至可变电流源IREF3，以调大可变电流源IREF3提供至可变电容C3的电流信号的电流值，进而使可变电容C3的充电时间变长。
请参阅图4，其为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器的自适应增益控制电路、比较器、可变电流源以及可变电容与外部电子电路的方框图。如图4所示，自适应增益控制的光传感器包含光电组件、运算放大器、比较器200、自适应增益控制电路500、可变电容C3以及可变电流源IREF3，电子电路EC。
电子电路EC可例如为移动装置的其他电路组件。电子电路EC可包含缓存器RE，配置以存储频率信号CLK3。举例来说，此频率信号CLK3与在一般或特定环境光源强度，例如环境光源的光强度等于光强度阈值下，比较器200所产生的对比信号CMP3相关联。
在环境光源照射至光传感器的光电组件之前，光传感器的自适应增益控制电路500可连接电子电路EC，以从电子电路EC接收并存储频率信号CLK3。而当环境光能照射光传感器的光电组件时，由光电组件利用环境光能所产生的光电流对可变电容C3进行放电并且运算放大器100对电容C3充电，使得比较器200的第一比较输入端的电压逐渐上升。当比较器200的第一比较输入端的输入电压大于或等于比较器200的第二比较输入端的参考电压源的参考电压时，比较器200输出相应的对比信号CMP3至自适应增益控制电路500。
具体地，光传感器的自适应增益控制电路500可包含脉冲检测电路501以及增益控制电路502。脉冲检测电路501连接电子电路EC的缓存器RE以及光传感器的比较器200和增益控制电路502。脉冲检测电路501配置以检测从比较器200接收的对比信号CMP3的波形参数值，以输出对应的脉冲检测信号PDS3。
另外，在脉冲检测电路501检测比较器200同时或之前，脉冲检测电路501配置以检测从缓存器RE接收的频率信号CLK3的脉冲的频率参数值，以输出频率检测信号CPS3至增益控制电路502。脉冲检测电路501依据脉冲检测信号PDS3以及频率检测信号CPS3输出检测信号PDE3至增益控制电路502。
增益控制电路502连接可变电容C3以及可变电流源IREF3。增益控制电路502配置以从脉冲检测电路501接收脉冲检测信号PDS3以及频率检测信号CPS3。增益控制电路502接着比对脉冲检测信号PDS3与频率检测信号CPS3，并依据对比结果决定是否输出电容值调变信号CVA3至可变电容C3以及电流值调变信号IVA3至可变电流源IREF3，以决定是否将可变电容C3的电容值从原始电容值OC调整至目标电容值TC以及将可变电流源IREF3的电流值从原始电流值OI调整至目标电流值TI。若频率信号CLK3欲作为下次对比基准信号，脉冲检测电路501可存储频率信号CLK3，并可省略下次对频率信号CLK3的检测作业。
请一并参阅图3至图6，图5为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器的运算放大器在较小环境光源强度下产生的误差放大信号的信号波形图；图6为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较小环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的自适应增益控制电路接收的频率信号、比较器产生的对比信号以及运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。图6所示的误差放大信号EAO3为图5所示的误差放大信号EAO3被虚线圆圈Zoo-In圈起部分的放大示意图。
运算放大器100对比运算放大器100的输入电压与参考电压源VREF提供的电压信号的电压的差值，并将此差值与运算放大器100的增益相乘，以产生如图5、图6所示的误差放大信号EAO3。为方便说明，以下定义误差放大信号EAO3的每个脉冲包含起始部分以及充电部分。
首先，如图3所示的开关组件S1被导通，以允许可变电流源IREF3提供的电流通过开关组件S1流至可变电容C3。可变电流源IREF3提供的电流与光电组件PD1转换环境光能产生的光电流Iph相减后流至可变电容C3，以对可变电容C3进行充电，进而改变运算放大器100的反相输入端的电压。当运算放大器100的反相输入端的电压大于运算放大器100的非反相输入端的参考电压时，如图5、图6的误差放大信号EAO3的每个脉冲的起始部分从波峰电压急剧下降(脉冲的下降斜率取决可变电流源IREF3的电流与光电组件PD1的光电流Iph相减后的大小)于至波谷电压。
接着，开关组件S1被关闭，使可变电流源IREF3提供的电流无法流至可变电容C3。此时，仅光电组件PD1转换环境光能产生的光电流Iph流出可变电容C3，对可变电容C3进行放电并且运算放大器100对可变电容C3充电。如图5、图6的误差放大信号EAO3的每个脉冲的起始部分之后的充电部分从波谷电压增加至大于参考电压源VREF提供的电压信号的电压例如1.2V，此每个脉冲的充电部分的上升斜率即充电速度取决于环境光强度。应理解，光电组件PD1产生的光电流Iph与环境光强度成正比。
当比较器200从运算放大器100接收到的误差放大信号EAO3指出比较器200的非反相输入端的电压大于比较器200的反相输入端的参考电压源的参考电压时，比较器200输出高电平的对比信号CMP3，即输出具有一脉冲的对比信号CMP3。在对比信号CMP3的每两个相邻的脉冲之间的充电时间T内，比较器200的非反相输入端从小于参考电压源的电压值即如图6所示的波谷电压增加至大于参考电压源的电压值。
自适应增益控制电路500的脉冲检测电路501检测从比较器200接收的对比信号CMP3的两脉冲之间的充电时间T，以输出脉冲检测信号PDS3。对比信号CMP3的脉冲的采样数量SPN可取决于环境光源的光强度以及环境光源在预定时间内的光强度的变化幅度。
另外，自适应增益控制电路500检测从电子电路EC的缓存器RE接收的如图6所示的频率信号CLK3的多个固定脉冲中的每两个脉冲之间的间隔时间。若频率信号CLK3具有多个固定脉冲，即这些脉冲可具有相同脉冲宽度，且相邻脉冲之间可具有相同的间隔时间。因此，为节省作业时间以及复杂度，自适应增益控制电路500检测频率信号CLK3时，可仅采样多个脉冲中的任两个脉冲即可。
自适应增益控制电路500的脉冲检测电路501可检测在对比信号CMP3的两脉冲之间的充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN，以输出频率检测信号CPS3。举例来说，如图6所示，脉冲检测电路501检测在对比信号CMP3的多个脉冲中的相邻两个脉冲之间的充电时间内，频率信号CLK3中产生约大于12个脉冲。
脉冲检测电路501可检测在预定时间内的对比信号CMP3中产生的多个脉冲。此预定时间的时间长度可取决于脉冲检测电路501所在环境光源的光强度变化速度。当对比信号CMP3产生的对比信号CMP3在一预定时间内具有两个以上的脉冲时，脉冲检测电路501可检测两个以上的脉冲，例如检测四个脉冲以取得两个充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN。亦即，脉冲检测电路501可检测多次比较器200的非反相输入端从小于参考电压源的电压值增加至大于参考电压源的电压值的充电时间T。
进一步地，自适应增益控制电路500的增益控制电路502可预先存储脉冲基准数量PRN。增益控制电路502依据从脉冲检测电路501接收的脉冲检测信号PDS3以及频率检测信号CPS3，将在对比信号CMP3的每两个相邻的脉冲之间的充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN与脉冲基准数量PRN进行对比。
当增益控制电路502判断在充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN等于脉冲基准数量PRN时，增益控制电路502可判断不调整可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值。
然而，当增益控制电路502判断在充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN不等于脉冲基准数量PRN，增益控制电路502可输出电容值调变信号CVA3至可变电容C3以及输出电流值调变信号IVA3至可变电流源IREF3。其结果为，可变电容C3的电容值依据电容值调变信号CVA3从原始电容值OC调整至目标电容值TC，而可变电流源IREF3原本欲提供的具有原始电流值OI的电流信号调整为具有目标电电流值TI的电流信号。
值得注意的是，如图5、图6所示为当环境光源强度较弱导致光电组件PD1对可变电容C3的放电以及运算放大器100对电容C3充电的时间T较长时，增益控制电路502判断在此时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN大于脉冲基准数量PRN。在此情况下，增益控制电路502可输出电容值调降信号CVD3至可变电容C3以及输出电流值调降信号IVD3至可变电流源IREF3，以调降可变电容C3的电容值以及调降可变电流源IREF3的电流值。
更精确地说，增益控制电路502可对比在对比信号CMP3的每两个相邻的脉冲之间的误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN与脉冲基准数量PRN的差值，以决定可变电容C3的电容值的调整幅度与可变电流源IREF3的电流值的调整幅度。再者，可变电流源IREF3的电流值的调整幅度可对应于可变电容C3的电容值的调整幅度。上述脉冲基准数量PRN可依据实际应用需求随时调整。应理解，为使误差放大信号EAO3充电时间T越快，可设定越小的脉冲基准数量PRN、也就是越大的调变增益GAIN。
举例来说，如图5所示，在误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN与脉冲基准数量PRN相同的情况下，可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值的调变增益GAIN为1倍。
当误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN大于第一脉冲基准数量PRN且脉冲的数量CLKN与第一脉冲基准数量PRN的差值大于第一数量阈值时，可变电容C3的电容值可调整为1/2即原始电容值OC为目标电容值TC的2倍，以及可变电流源IREF3的电流值可调整为1/2即原始电流值OI为目标电流值TI的2倍。此时，等效于光电组件PD1转换环境光能产生的光电流Iph以调变增益GAIN为2倍产生误差放大信号EAO3波形。
又例如，当误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN大于第二脉冲基准数量PRN且脉冲的数量CLKN与第二脉冲基准数量PRN的差值大于第二数量阈值时，可变电容C3的电容值可调整为1/4即原始电容值OC为目标电容值TC的4倍，以及可变电流源IREF3的电流值可调整为1/4即原始电流值OI为目标电流值TI的4倍。此时，等效于光电组件PD1转换环境光能产生的光电流Iph以调变增益GAIN为4倍产生误差放大信号EAO3波形。
又例如，当误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN大于第三脉冲基准数量PRN且脉冲的数量CLKN与第三脉冲基准数量PRN的差值大于第三数量阈值时，可变电容C3的电容值可调整为1/16即原始电容值OC为目标电容值TC的16倍，以及可变电流源IREF3的电流值可调整为1/16即原始电流值OI为目标电流值TI的16倍时。此时，等效于光电组件PD1转换环境光能产生的光电流Iph以调变增益GAIN为16倍产生误差放大信号EAO3波形。
为更清楚对比在不同调变增益GAIN下，可变电容C3的误差放大信号EAO3充电时间T的时间长度的调变，图6为误差放大信号EAO3为图5所示的误差放大信号EAO3在调变增益GAIN为4倍和16倍的放大示意图。
如图6所示，在调变增益GAIN为4倍的情况下，误差放大信号EAO3的充电时间较长，即误差放大信号EAO3的波形的斜率较小。在此情况下，在比较器200产生的对比信号CMP3的两脉冲之间的时间T内，频率信号CLK3中产生约12个脉冲以上。
相比之下，在调变增益GAIN为16倍的情况下，误差放大信号EAO3的充电时间T较短，即误差放大信号EAO3的波形的斜率较大。在此情况下，在比较器200产生的对比信号CMP3的两脉冲之间的时间T内，频率信号CLK3中产生约4个脉冲。显然，调变增益GAIN越大，即可变电容C3的电容值越小以及可变电流源IREF3的电流值越小，则充电时间T越短。
请一并参阅图3至图7，图7为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较大环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图；图8为本发明第三实施例的自适应增益控制的光传感器在较大环境光源强度下调整可变电容的电容值以及可变电流源的电流值时的自适应增益控制电路接收的频率信号、比较器产生的对比信号以及运算放大器产生的误差放大信号的信号波形图。图8所示的误差放大信号EAO3为图7所示的误差放大信号EAO3被虚线圆圈Zoo-In2圈起部分的放大示意图。
值得注意的是，图5、图6示出在相对较小环境光源强度下，光传感器调小可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值之后，光传感器的各电路组件产生的信号波形。相比之下，图7、图8示出在相对较大环境光源强度下，光传感器调大可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值之后，光传感器的各电路组件产生的信号波形。
如图7、图8所示，当环境光源强度较强，导致光电组件PD1对可变电容C3的放电以及运算放大器100对电容C3充电的速度过快时，增益控制电路502判断在误差放大信号EAO3充电时间T内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN小于脉冲基准数量PRN。在此情况下，增益控制电路502输出电容值调升信号CVR3至可变电容C3以及输出电流值调升信号IVR3至可变电流源IREF3，以调升可变电容C3的电容值以及调升可变电流源IREF3提供的电流信号的电流值。
可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值的调变增益GAIN越小，可变电容C3的电容值越大以及可变电流源IREF3的电流值越大，误差放大信号EAO3的波形的斜率越小。
举例来说，如图8所示，在调变增益GAIN为2倍的情况下，在对比信号CMP3的相邻两脉冲之间的充电时间T内，频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN为3个。更精确地，在光电组件PD1的光电流Iph对可变电容C3的放电以及运算放大器100对电容C3充电，使得比较器200的非反相输入电压从小于参考电压源VREF的电压增加至大于参考电压源VREF的电压的时间区间内，对应如图8所示的误差放大信号EAO3的每个波形从波谷电压值上升到波峰电压值的时间区间内，频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN例如为2个。
自适应增益控制电路500的增益控制电路502预先存储脉冲基准数量PRN。当在此时间区间内的频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN例如为2个小于脉冲基准数量PRN例如为5个时，自适应增益控制电路50可调整可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值。例如，可变电容C3的电容值以及可变电流源IREF3的电流值从调变增益GAIN为2倍调整至调变增益GAIN为1倍，使在对比信号CMP3的相邻两脉冲之间的充电时间T内，频率信号CLK3的脉冲的数量CLKN增加为5个。如此，光电组件PD1的光电流Iph对可变电容C3的放电以及运算放大器100对可变电容C3充电时间T变长，即误差放大信号EAO3充电时间T变慢。
[实施例的有益效果]
综上所述，本发明所提供的自适应增益控制的光传感器，其通过自适应增益控制电路调整可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，进而调整光电组件转换环境光能所产生的光电流对可变电容进行充电的时间长度。因此，本发明可改善在环境光源强度较弱的情形下，调小可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，使光电流对电容的充电速度变快，以提升光传感器的光感测效率。另外，在环境光源强度较强或光源强度的变化速度较快的情况下，调大可变电容的电容值、可变电流源的电流值或两者，使光电流对电容的充电速度变慢，使得光传感器可更精准地计数波形数量，进而使得应用光传感器的电子装置可更精确地判断环境光源强度的分辨率，使得电子装置的显示屏幕可以期望的亮度显示影像。
以上所提供的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种自适应增益控制的光传感器，其特征在于，包含：
光电组件，配置以将照射通过所述光电组件的光能转换为光电流；
运算放大器，具有第一放大输入端以及第二放大输入端，分别连接所述光电组件以及参考电压源，配置以基于所述第一放大输入端的电压与所述参考电压源的电压的差值以及所述运算放大器的增益值以输出误差放大信号；
比较器，具有第一比较输入端以及第二比较输入端，分别连接所述运算放大器的输出端以及所述参考电压源，配置以对比所述误差放大信号与所述参考电压源的电压，以输出对比信号；
自适应增益控制电路，连接所述比较器的输出端，包含：
脉冲检测电路，连接外部电子电路以及所述比较器的输出端，配置以检测从所述比较器接收的所述对比信号的两脉冲之间的充电时间，以输出脉冲检测信号，以及检测从所述外部电子电路接收的频率信号在所述充电时间内的脉冲的数量，以输出频率检测信号；及
增益控制电路，连接所述脉冲检测电路，配置以依据从所述脉冲检测电路接收的所述脉冲检测信号以及所述频率检测信号，将所述频率信号在所述对比信号的每两个相邻的脉冲之间的所述充电时间内的脉冲的数量与脉冲基准数量进行对比以输出电容值调变信号以及电流值调变信号；
可变电容，连接在所述运算放大器的输出端与所述第一放大输入端之间，并连接所述自适应增益控制电路的所述增益控制电路，所述可变电容的原始电容值依据所述电容值调变信号调变至目标电容值；以及
脉冲累加器电路，连接所述比较器的输出端，配置以基于所述对比信号在所述第一比较输入端的电压从小于所述参考电压源的电压上升至大于所述参考电压源的电压时，实现计数；
开关组件，所述开关组件的一端连接所述运算放大器的所述第一放大输入端；以及
可变电流源，所述可变电流源连接所述开关组件的另一端以及所述自适应增益控制电路的所述增益控制电路，所述可变电流源提供的电流依据所述电流值调变信号从原始电流值调变至目标电流值；以及
其中，当所述开关组件被导通时，所述可变电流源提供具有所述目标电流值的电流通过所述开关组件流至所述可变电容；
其中，当所述开关组件被关闭时，所述可变电流源提供的电流无法流至所述可变电容，此时仅所述光电组件转换环境光能产生的所述光电流流出所述可变电容，对所述可变电容进行放电并且所述运算放大器对所述可变电容充电。
2.根据权利要求1所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，每次所述比较器的所述第一比较输入端从小于所述参考电压源的电压增加至大于所述参考电压源的电压时，所述比较器产生的所述对比信号中产生脉冲；
其中，所述增益控制电路判断所述频率信号在所述充电时间内的脉冲的数量不等于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出所述电容值调变信号；
其中所述比较器的所述第一放大输入端在所述充电时间内从小于所述参考电压源的电压增加至不小于所述参考电压源的电压。
3.根据权利要求2所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，当所述增益控制电路判断所述频率信号中在所述充电时间内的脉冲的数量大于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出电容值调降信号以调降所述可变电容的电容值；
当所述增益控制电路对比所述频率信号中在所述充电时间内的脉冲的数量小于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出电容值调升信号以调升所述可变电容的电容值；
其中所述电容值调变信号包含所述电容值调升信号以及所述电容值调降信号。
4.根据权利要求1所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，每次所述比较器的所述第一比较输入端从小于所述参考电压源的电压增加至大于所述参考电压源的电压时，所述比较器产生的所述对比信号中产生脉冲；
其中，所述增益控制电路判断所述频率信号在所述充电时间内的脉冲的数量不等于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出所述电流值调变信号至所述可变电流源；
其中所述比较器的所述第一放大输入端在所述充电时间内从小于所述参考电压源的电压增加至不小于所述参考电压源的电压。
5.根据权利要求4所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，当所述增益控制电路判断所述频率信号中在所述充电时间内的脉冲的数量大于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出电流值调降信号至所述可变电流源，以调降所述可变电流源的电流值；
当所述增益控制电路判断所述频率信号中在所述充电时间内的脉冲的数量小于所述脉冲基准数量时，所述增益控制电路输出电流值调升信号至所述可变电流源，以调升所述可变电流源的电流值；
其中所述电流值调变信号包含所述电流值调升信号以及所述电流值调降信号。
6.根据权利要求1所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，所述自适应增益控制的光传感器还包含逻辑电路，连接在所述比较器与所述脉冲累加器电路之间，配置以从所述比较器接收所述对比信号，并将所述对比信号转换为逻辑信号输出至所述脉冲累加器电路。
7.根据权利要求1所述的自适应增益控制的光传感器，其特征在于，所述自适应增益控制的光传感器还包含脉冲存储电路，连接所述脉冲累加器电路，配置以存储所述脉冲累加器电路计数所述比较器的所述第一比较输入端的电压波形的电压从小于所述参考电压源的电压上升至不小于所述参考电压源的电压的次数。
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