CN112514261A

CN112514261A - 光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法

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Publication number: CN112514261A
Application number: CN201980026341.7A
Authority: CN
Inventors: 罗希特·兰加纳坦; 拉维·库马尔·阿杜苏姆阿利; 迪内希·库鲁甘蒂
Original assignee: AMS CO LTD
Current assignee: AMS CO LTD
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2021-03-16
Also published as: US11418208B2; EP3557767A1; KR102482182B1; EP3557767B1; WO2019201923A1; KR20200143469A; US20210105020A1

Abstract

一种用于光‑数字转换的方法，包括将时间积分器电路(10)设置为参考状态，并且开始在积分时间(Atime)的持续时间内对来自传感器器件(PD)的电荷进行积分。积分信号(OPOUT)产生并表示积分电荷。积分信号(OPOUT)与可调参考信号(Vref)进行比较。当该比较结果表明积分信号(OPOUT)已经达到积分范围(Vdiff)时，产生第一计数(C1)，其中，积分范围(Vdiff)由低压和高压(VL、VH)定义。当该比较结果表明积分信号(OPOUT)已经达到可调参考信号(Vref)时，产生第二计数(C2)。当第二计数(C2)已经产生时，以离散步长递增可调参考信号(Vref)。然后，当该比较结果表明积分信号(OPOUT)已经达到积分范围(Vdiff)时，将时间积分器电路(10)复位到参考状态。所产生的第一计数作为第一计数信号(CT_LOUT)而采集，并且所产生的第二计数作为第二计数信号(CT_COUT)而采集。最后，数字输出信号(ADC_OUT)根据第一计数信号(CT_LOUT)和第二计数信号(CT_COUT)产生。

Description

光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法

本发明涉及光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法的领域。

颜色和环境光传感器在诸如智能手机、平板电脑之类的移动设备中，或在与电视或房间照明相关的各种电子设备中得到越来越多的应用。在正常的光照条件下，光学传感器及其专用的信号处理电路已经达到了发展的状态，允许精确测量照明条件，甚至允许在变化的照明下精确测量照明的颜色。然而，在弱光条件下，嵌入在光学传感器装置中的光-数字转换通常不能提供入射光的精确估计。通常，仅检测到很少的计数，并且即使丢失几个计数也会显示出比在强光条件下更大的误差。

信号处理电路通常采用一阶连续时间积分器电路。这些电路依赖于定义的积分范围和参考电容器，该参考电容器用于初始化或复位积分器以积分传感器信号。为弱光条件准备这种信号处理电路的一种方法是使积分范围和参考电容器更小，以实现更高的增益。这意味着，更高的增益对噪声和精度的影响更大。

目的是提供一种改进了弱光精度的光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法。

这些目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的发展和实施例在从属权利要求中描述。

应当理解，除非明确描述为替代，在下文中描述的关于任何一个实施例的任何特征可以单独使用，或者与在下文中描述的其他特征组合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征、或者任何其他实施例的任何组合组合使用。此外，在不脱离如所附权利要求所限定的光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效物和修改。

以下涉及一种光-数字转换的领域中的改进的概念。该改进的概念提供了用于实现光-数字转换器装置和用于光-数字转换的方法的手段。

光-数字转换器装置可以包括基于时间积分器的测量前端，该时间积分器例如实现为一阶调制器或连续时间积分器，在两个已知电压阈值之间积分。可以有下限阈值和上限阈值。每当时间积分器积分到上限阈值时，都会触发比较器。比较器触发器可以减去预定义的参考电压，该参考电压使时间积分器的输出达到下限阈值。然后，积分器再次开始积分。由下限阈值和上限阈值，例如低压和高压定义的积分范围对于光-数字转换器装置的增益设置保持固定，并且定义参考电压的最大值。然而，以离散步长递增参考电压，并且比较器在小于积分范围的中间值处触发。在这些中间步骤中，预定义的电压不会从输出中减去。例如，使用数模转换器将积分范围细分为2ⁿ个等级或“箱”，其中n为整数。

通常，会进行几个积分周期。比较器的触发事件，即当达到参考电压的预定的最大值和中间值时，作为计数信号分别进行计数和采集。这些计数信号定义光-数字转换器装置的输出信号。然而，通常，积分周期可以从不确定的起始电压开始。为了解决该误差，应用自适应分箱来确定起始电压的初始值。此外，自适应分箱也能够用于调整参考电压的中间值，从而调整参考信号递增的离散步长的步长大小或“箱”。

在至少一个实施例中，将用于光-数字转换的方法应用于时间积分器电路。时间积分器电路连接到传感器器件。例如，传感器器件提供例如电流的传感器信号。可能的传感器器件包括例如光电二极管的光传感器或例如电阻式气体传感器的其他基于电流的传感器。

在至少一个实施例中，用于光-数字转换的方法包括将时间积分器电路设置为参考状态。然后，开始在积分时间的持续时间内对来自与时间积分器电路连接的传感器器件的电荷进行积分。积分信号产生并表示积分电荷。然后，将积分信号与可调参考信号进行比较。

基于积分信号与可调参考信号的比较，产生两个不同的计数。当该比较结果表明积分信号已经达到积分范围，即由积分范围定义的值时，产生第一计数。积分范围由低压和高压定义。例如，积分范围由低压与高压的差给出。当该比较结果表明积分信号已经达到可调参考信号，即由可调参考信号的当前值定义的值时，产生第二计数。

此外，当已经产生第二计数时，以离散步长递增可调参考信号。

当该比较结果表明积分信号已经达到积分范围时，时间积分器电路被复位到参考状态。

所产生的第一计数和所产生的第二计数分别作为第一计数信号和第二计数信号被采集。最后，根据第一计数信号和第二计数信号产生数字输出信号。

参考状态能够设置为预定值，例如预定义的参考电压。参考状态可以由积分范围定义或等于积分范围。然而，由于工艺和温度变化，积分范围可能发生变化。因此，可以在测量中引入系统误差。能够通过将参考状态设置为与积分范围不同的值来解决这种误差。可以将参考状态设置为小于或大于积分范围的值。然而，将参考状态设置为大于积分范围的值可以具有程序上的优势。这样，时间积分器电路可以被复位到低于限定积分范围的低压的起始电压。

在至少一个实施例中，可调参考信号以积分范围的离散步长递增。

在至少一个实施例中，积分范围的离散步长由低压与高压的差值除以2ⁿ来定义，其中，n表示整数。

在至少一个实施例中，当已经产生第一计数时，时间积分器电路仅设置或复位回到参考状态。

在至少一个实施例中，积分范围在积分时间期间保持恒定。

在至少一个实施例中，使用时钟信号将积分时间细分为部分积分时间。初始部分积分时间被定义为开始对来自传感器器件的电荷进行积分或将时间积分器电路复位到参考状态时产生第二计数中的第一个的时间戳。中间部分积分时间被定义为在初始部分积分时间之后且在将时间积分器电路复位到参考状态之前产生第二计数中的另一个的时间戳。

初始部分积分时间可以与中间部分积分时间不同。这可能是由于上述工艺和温度变化引起的变化。此外，初始部分积分时间取决于参考状态的值。

在至少一个实施例中，数字输出信号由以下公式确定：

其中，ADC-OUT、CT_LOUT、CT_COUT、Te和Tc分别表示数字输出信号、第一计数信号、第二计数信号、初始部分积分时间和中间部分积分时间。整数n表示积分周期的数量。在每个积分周期中，时间积分器电路被设置或复位到参考状态。当产生第一计数或达到总积分时间时，给定的积分周期终止。以上公式中的最后一项，即∑Te(CT_LOUT)，在所有积分周期中取值。在每个积分周期中，可以有特征性的初始部分积分时间。总和用中间部分积分时间归一化。

在至少一个实施例中，在开始对来自传感器器件的电荷进行积分并将时间积分器电路复位到参考状态时，确定积分信号的初始值。此外，可调参考信号的步长大小能够使用自适应分箱算法并且取决于所确定的积分信号的初始值来调节。

在至少一个实施例中，光-数字转换器装置包括时间积分器电路，该时间积分器电路包括用于连接传感器器件的传感器输入、用于连接可调参考信号的参考输入、以及用于提供积分信号的结果输出。时间积分器电路被设置成在积分时间的持续时间内对来自传感器器件的电荷进行积分。

复位电路连接到传感器输入，并且被设置为启动时间积分器电路和/或将时间积分器电路复位到参考状态。

并且逻辑和计算装置连接到结果输出和复位电路。逻辑和计算装置被设置为用于多个功能，包括将积分信号与可调参考信号进行比较、当该比较结果表明积分信号已达到积分范围时产生第一计数。积分范围由低压和高压定义。此外，该功能包括当该比较结果表明积分信号已经达到可调参考信号时产生第二计数。最后，根据分别作为第一计数信号和第二计数信号采集的第一计数和第二计数来产生数字输出信号。

可调参考电路连接到逻辑和计算装置，并且被设置为当产生第二计数时以离散步长递增可调参考信号。

在至少一个实施例中，逻辑和计算装置包括连接到复位电路的控制逻辑。控制逻辑被设置为用于将时间积分器电路复位到参考状态。

参考状态能够被设置为预定值，例如预定义的参考电压。参考状态的值可以根据给定的应用调节和定义。例如，参考状态的值可以等于积分范围，或者为了考虑系统误差，参考状态能够设置为小于或大于积分范围的值。

在至少一个实施例中，时间积分器电路包括具有积分电容器的积分器；具有第一放大器输入、第二放大器输入和放大器输出的放大器。放大器被配置为在第一放大器输入上对来自传感器器件的电荷进行积分。此外，放大器在第二放大器输入上接收第一参考电压，并且在放大器输出上提供积分信号。

比较器具有第一比较器输入、作为第二比较器输入的参考输入和比较器输出。比较器被配置为在第一比较器输入上接收积分信号，在参考输入上接收可调参考信号，并且在比较器输出上提供比较器输出信号。

在至少一个实施例中，逻辑和计算装置包括锁存器，该锁存器连接到比较器的比较器输出以形成锁存比较器。锁存器被设置为根据比较器输出信号和时钟信号提供第一计数和第二计数。

在至少一个实施例中，可调参考电路包括n位数模转换器。数模转换器在其输出侧连接到参考输入，并且被设置为产生可调参考信号。术语n表示整数。

在至少一个实施例中，数模转换器被设置为以积分范围的离散步长递增参考信号。积分范围的离散步长由低压与高压的差值除以2n来定义，其中，n表示整数。

在至少一个实施例中，逻辑和计算装置包括逻辑单元，该逻辑单元被设置为向控制单元提供控制信号，以便通过控制单元开始将时间积分器电路复位到参考状态。附加地或替代地，逻辑单元被设置为在开始对来自传感器器件的电荷进行积分并将时间积分器电路复位到参考状态时确定积分信号的初始值。

可选计算单元被设置为使用自适应分箱算法并根据所确定的积分信号的初始值来调节可调参考信号的步长大小。

光-数字转换器装置的另外的实施方式容易地从用于光-数字转换的方法的各种实施方式和实施例得出，反之亦然。

以上讨论的改进的概念提出了一种光-数字转换器装置和一种用于光-数字转换的方法，该方法能够提供配以良好线性和低噪声的增加的增益。该概念允许更高的增益，而无需按比例缩小参数，例如积分电压或积分电容器。例如，能够为每个增益设置固定积分范围。在这种情况下，参考电容器CREF和CF值较高，因此具有较低的系统噪声。积分范围能够使用例如由数模转换器提供的可调参考信号细分为2ⁿ级。这样，光-数字转换器装置的有效增益可以依赖于积分范围和参考电平2ⁿ的数量。此外，自适应分箱算法允许在初始化序列之后检测积分信号的值。自适应分箱也能够用来调整可调参考信号的步长。

在下文中，参照附图进一步详细地描述以上提出的概念，其中提出了示例性实施例。

在下面的示例性实施例和附图中，相似或相同的元件可以分别提供有相同的附图标记。然而，在附图中示出的元件及其彼此之间的尺寸关系不应被视为真实比例。相反，单独的元件，例如层、部件和区域，可以被夸大以实现更好的说明或改进的理解。

图1示出了光-数字转换器装置的实施例，

图2示出了光-数字转换器装置的信号的时序图，

图3示出了光-数字转换器装置的信号的另一个时序图，并且

图4示出了自适应分箱算法的实施例。

图1示出了光-数字转换器装置的实施例。光-数字转换器装置包括时间积分器电路10、复位电路30、逻辑和计算电路50和可调参考电路70。光-数字转换器可以被设计为积分电路。

例如，时间积分器10可以实现为一阶调制器或连续时间积分器。时间积分器电路10包括传感器输入11、参考输入12和结果输出13。传感器输入11连接到传感器器件14。例如，传感器器件14能够是光电二极管。然而，传感器器件可以是提供电流作为传感器信号的任何传感器，例如电阻式气体传感器等。通常，传感器器件14作为外部部件连接到时间积分器电路10，但是在一些实施例中，也可以是与光-频率转换器相同的积分电路的一部分。

时间积分器电路10还包括具有积分电容器CF的积分器15、具有第一放大器输入17、第二放大器输入18和放大器输出19的放大器16。此外，比较器20具有第一比较器输入21，参考输入12作为第二比较器输入，并且结果输出13作为比较器输出。结果输出13连接到锁存器22，该锁存器与比较器20一起形成锁存比较器。壁架(ledge)包括锁存器输入23，其连接到结果输出13。此外，壁架包括锁存器输出24和用于接收时钟信号的时钟输入25。

逻辑和计算装置50经由锁存器22和结果输出13连接到时间积分器电路10。此外，反馈路径经由可调参考电路70将逻辑和计算装置50与比较器的参考输入12连接起来。另一个反馈路径将逻辑和计算装置50与控制单元51连接起来。逻辑和计算装置可以包括另外的部件，例如逻辑单元或计算单元。逻辑和计算装置的至少部分可以实现为微控制器或专用集成电路ASIC。

可调参考电路70包括n位数模转换器71，在其输入侧连接到逻辑和计算装置50，在其输出侧连接到比较器20的参考输入12。数模转换器71包括分别连接到低压VL和高压VH的电源端子72、73。

复位电路30包括与传感器器件14并联连接的参考电容器CREF。在一侧，参考电容器CREF经由第一开关31连接到参考电势，例如接地电势，并且经由第二开关32连接到传感器输入11。在另一侧，参考电容器CREF经由第三开关33连接到参考电势，例如接地电势，并且经由第四开关34连接到复位参考VREF,IN。第四开关34连接到分压器35，分压器35连接在复位参考电压VREFIN与接地电势之间。开关31至34通过控制线连接到控制单元51。

能够通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到控制单元51的控制输入(未示出)来初始化传感器信号采集。此外，时钟信号CLK1能够被提供给控制单元51。第一时钟信号CLK1能够由时钟发生器(未示出)提供和/或由控制单元51产生。通常，光-数字转换器装置被设置为参考状态，并且因此在信号采集过程之前清除。这能够通过复位电路30实现，例如由控制单元51发出的导致开关31至34的切换的控制信号。例如，开关31和34闭合，开关32和33断开。然后，分压器35向参考电容器CREF提供复位参考电压VREFIN。参考电容器CREF产生电荷包QREF。电荷包QREF的值根据以下公式

Q_ref＝V_ref，in·C_ref，

其中，C_ref是参考电容器CF的电容值，V_ref,in是复位参考电压VREFIN的电压值。然后，控制单元51发出另一个控制信号。例如，开关31和34断开，开关32和33闭合。在闭合开关32、33之后，电荷包QREF被施加到在传感器输入11处的积分节点NEG。此外，通过将复位信号SRESET施加到逻辑和计算装置50来分别复位第一计数器和第二计数器(在下面进一步详细讨论)。

根据输入控制信号ADC_ON，并且在光-数字转换器装置已经被设置或清除为参考状态之后，信号采集开始，并且传感器器件14产生传感器信号。在本实施例中，传感器器件14是光电二极管，并且产生光电流Iphoto。光电流的值取决于入射到光电二极管上的光的强度。光电流Iphoto流过光电二极管、传感器输入11和放大器17的输入17，并且由积分器15积分。光电二极管、放大器输入17和积分电容器CF分别连接到积分节点NEG。同样，参考电容器CREF经由第二开关32耦接到积分节点NEG。

积分器15在放大器输出19处产生积分信号OPOUT。光电流Iphoto在积分电容器CF上积分，并且积分信号OPOUT(表示为输出电压V_OUT)随着时间t上升，如公式

V_OUT＝I_PD·t·C_F，

其中，I_PD是光电流的值，C_F表示积分电容器CF的电容值。

在比较器输入21处提供积分器15的积分信号OPOUT，例如输出电压VOUT。可调参考信号VREF作为比较器参考被施加到参考输入12。比较器20根据输出信号VOUT的值和可调参考信号VREF的值产生比较器输出信号COUT。如果输出电压VOUT大于可调参考信号VREF，则比较器输出信号COUT具有第一逻辑值，并且如果输出电压VOUT小于可调参考信号VREF则比较器输出信号COUT具有第二逻辑值。比较器输出信号COUT被提供给锁存器22。比较器20和锁存器22用作锁存比较器。锁存器22仅在由时钟信号CLK1定义的某些情况下输出比较器输出信号COUT。由于时钟信号CLK1，锁存比较器仅在CLK1的特定间隔处将积分器15的输出电压VOUT与可调参考信号VREF进行比较。

在信号采集期间，逻辑和计算装置70对比较器输出信号COUT的脉冲进行计数。基本上，计数由两个不同的计数器(未示出)完成。时间积分器电路10和第一计数器(由逻辑和计算装置70组成)能够一起被认为是产生异步第一计数C1的一阶调制器。异步计数C1与在积分电容器CF上积分的光电流Iphoto成正比。基本上，第一计数C1指示作为输出电压VOUT测量的积分信号OPOUT何时达到时间积分器电路10的积分范围VDIFF。例如，积分范围VDIFF定义为高压VH与低压VL的差值，例如VH-VL。在这种情况下，比较器输出信号作为全范围输出信号LOUT被提供给逻辑和计算装置70并由其处理。

当比较结果表示积分信号OPOUT已经达到积分范围VDiff并且已经产生第一计数C1时，时间积分器电路10被复位到参考状态。在这种情况下，信号采集再次开始。同时计数器也复位。在经过积分时间AINT之后，控制单元51不仅初始化而且终止信号采集。例如，根据积分时间信号STINT，积分时间在控制单元51处复位。

第二计数器(由逻辑和计算装置70组成)产生第二计数C2。第二计数C2指示作为输出电压VOUT测量的积分信号OPOUT何时达到可调参考信号VREF。当积分范围VDIFF在信号采集期间保持恒定时，可调参考信号VREF在积分进行时以定义的离散步长递增。实际上，在已经产生第二计数C2之后，可调参考信号VREF递增一个步长，并且下一个第二计数C2则指示已经达到了递增的可调参考信号。这将相对于图2进一步详细讨论。

逻辑和计算装置70在其输入侧接收第一计数C1和第二计数C2。所产生的第一计数C1作为第一计数信号CT_LOUT而采集，并且所产生的第二计数作为第二计数信号CT_COUT而采集。根据这些信号，产生数字输出信号ADC_OUT，并且在逻辑和计算装置70的输出处提供。

图2示出了图1所示的光-频率转换器装置的实施例的信号的示例性时序图。该附图示出了光-频率转换器装置的不同信号和操作。该附图示出了由积分器15的输出电压VOUT表示的积分信号OPOUT。该附图还示出了比较器输出信号COUT和全范围输出信号LOUT。所述信号表示为时间t的函数。当信号采集在一定的积分时间Atime内进行时，积分时间表示为一种参考手段。未示出的是时钟信号CLK1。时钟信号能够实现为频率为737kHz的矩形函数。这个值仅应被认为是示例，并且不限于这些确定值。

基本操作原理能够通过电荷平衡转换器的概念来描述。光电二极管采集光，该光被转换为光电流Iphoto，并且在几个步骤中转换为计数。时间积分器电路10能够被设计为电荷平衡转换器，并且用于将光电流Iphoto转换为以数字输出信号ADC_COUNT的形式的数字计数。光电流Iphoto被积分到积分节点NEG中，并且积分电容器CF在该节点处产生输入电压VNEG。如果积分到积分电容器CF的电荷大于单位电荷包QREF，则在积分电容器CF上的电荷将减少一个单位电荷包，并且第一计数将递增一个逻辑值。积分时间信号STINT确定积分时间Atime。通过在积分时间Atime期间积分光电流Iphoto，第一计数C1将得出入射到光电二极管上的光的强度的测量。积分时间Atime可以是例如100ms。

数字输出信号ADC_OUT是由光电二极管产生的光电流的表示。其值从第一计数信号CT_LOUT和第二计数信号CT_COUT得出。换句话说，积分信号的积分通过第一计数C1和第二计数C2测量。第一计数指示积分信号OPOUT已达到由时间积分器电路10的积分范围VDIFF定义的值，例如VDIFF＝VH–VL，即第一计数C1在由时间积分器电路10的积分范围VDIFF限定的固定的边界内出现。只有这样，电路才能复位到复位状态，例如开始新的信号积分周期。相应地，第一计数C1作为第一计数信号CT_LOUT产生并采集。

当第一计数C1指示可调参考信号VREF已经达到例如由高电压VH给定的积分范围VDIFF的限制时，随着积分的进行，可调参考信号VREF不保持恒定值。相反，可调参考信号VREF在积分范围VDIFF的边界内以离散步长递增。例如，积分范围VDIFF的离散步长由低压VL与高压VH的差值除以2ⁿ来定义，其中，n表示整数。每次当第二计数C2产生时，即施加到比较器的积分信号OPOUT达到当前可调参考信号VREF的电平，则可调参考信号VREF递增。这样，可调参考信号VREF就以阶跃函数的步长逐渐增加。阶跃函数的步长对应于上述离散步长并且能够被认为是箱的大小。结果，可调参考信号VREF被分为2ⁿ个箱，例如VREF1、VREF2、...、VREF2n。整数n确定箱的大小，并且能够在该数模转换器71处调节。第二计数C2指示积分信号OPOUT已经达到可调参考信号VREF的中间值VREF1、VREF2、...、VREF2n之一。然而，当第二计数C2产生时，例如对于第一中间值VREF1，电路不复位到参考状态，并且通过将可调参考信号VREF递增到下一个箱，例如第二中间值VREF2来进行信号积分。相应地，所产生的第二计数C2作为第二计数信号CT_LOUT而采集。

给出上面图1所示的电路布局，积分范围VDIFF由可调参考信号VREF、参考电容器CREF和积分电容器CF定义。从图中能够看出，由高压VH和低压VL限定的积分范围能够表示为：

其中，C_REF是参考电容器CREF的电容值，C_F是积分电容器CF的电容值，以及V_REF,IN是复位参考电压VREFIN的电压值。积分范围VDIFF可以由于工艺和温度变化而变化，并且可以在测量中引入系统误差。解决这种误差的方法在图3和4中进一步详细讨论。

作为以上讨论的总结，示例测量周期可以包含以下步骤。最初，当输入控制信号ADC_ON为低时，时间转换器电路10复位。复位转换器可以包含清除光电二极管；清除积分电容器CF；在节点NEG处复位输入电压VNEG，以复位参考电压VREFIN；将输出电压VOUT复位为低于可调参考信号(或电压)VREF的值。结果，比较器输出信号COUT、LOUT为低。参考电容器CF充满电荷包QREF，并且从积分节点NEG断开。第一计数器和第二计数器被清除，使得数字输出信号ADC_OUT为0。施加到第二开关32的开关信号为低。

在复位到参考状态之后，能够通过将输入控制信号ADC_ON从低设置到高来初始化信号采集。积分时间信号STINT同时从低变为高，并且光-数字转换器开始工作。由光电二极管产生的光电流Iphoto由包括放大器16和积分电容器CF的积分器15积分。光电流Iphoto在积分节点NEG处积分，并且表示积分信号OPOUT的输出电压VOUT在积分期间逐渐增加。比较器20监测积分器15的输出电压VOUT，该输出电压VOUT是放大器16的输出电压VOUT。

当输出电压VOUT大于可调参考信号VREF，即已经达到可调参考信号VREF的中间值VREF1、VREF2、...、VREF2n之一时，比较器输出信号COUT为高，并且相应的第二计数作为第二计数信号CT_COUT产生并采集。此外，逻辑和计算装置50向数模转换器71发出控制信号，以进行可调参考信号VREF的下一个中间值VREF1、VREF2、...、VREF2n。当输出电压VOUT已经达到积分范围的上限阈值时，例如高压VH，比较器输出信号LOUT为高，并且电荷包Qref＝V_ref,in·C_ref被转储到积分节点NEG中。输出信号LOUT在逻辑和计算装置5，例如第一计数器处接收，并且第一计数C1作为第一计数信号CT_LOUT产生并采集。

在电荷转储之后，时间积分器电路10复位到参考状态。例如，输出电压VOUT减少预定电压值。该值能够定义为或等于积分范围，例如V_ref,in·C_ref/C_int。然而，为了解决积分范围随着工艺或温度变化的变化，可以设置参考状态的值，使得输出电压VOUT返回到例如低于低压VL的电平。这在附图中用圆圈表示。

当输出电压VOUT返回低，例如复位参考电压VREFIN的电平时，它可以在下一个积分周期中再次逐渐增加。转储的数量N增加一个计数。输出电压VOUT在高压VH与低压VL之间摆动。这个过程由电荷转储时间段表征，并且它将重复进行直到积分时间Atime结束，即信号STINT从高变为低为止。在积分时间Atime期间，信号STINT为高，第一计数和第二计数由计数器累加。第一计数值C1等于转储的数量N，并且提供了入射光的强度的第一测量。第一计数C1等于第一计数器所计数的转储的数量N。电荷转储的数量N等于在积分时间Atime定义的时间段内产生的第一计数器的计数。

第二计数C2随时间的连续性能够通过可以相对于时钟信号CLK1定义的部分积分时间来表征。初始部分积分时间Te被定义为产生第二计数C2中的第一个的时间戳，例如在最初开始对来自传感器器件的电荷进行积分之后，或者在当时间积分器电路10已经复位到参考状态时的新的信号采集周期之后。在下文中表示中间部分积分时间Tc的另外的部分积分时间被定义为相应的时间戳，在初始部分积分时间之后且在将时间积分器电路复位到参考状态之前，在该时间戳处产生另外的第二计数C2。

在理想条件下，部分积分时间Te、Tc都具有相同的值。然而，即使时间积分器电路已经处于参考状态下，信号采集的开始也可能不会从已知值开始。因此，初始部分积分时间Te可以与中间部分积分时间Tc不同。例如，这种误差的来源可以是由于复位期间时间转换器电路的不正确的初始化。这可以是由于积分范围随着温度变化而变化，如附图中的圆圈所示。结果，第一周期的积分可以并不总是从已知值开始。这种不确定性可能会在第一计数C1和第二计数C2中引入测量误差。

数字输出信号ADC_OUT能够由以下公式确定：

其中，ADC-OUT、CT_LOUT、CT_COUT、Te和Tc分别表示数字输出信号、第一计数信号、第二计数信号、初始部分积分时间和中间部分积分时间。上述公式的后一项能够用于解释初始部分积分时间Te与中间部分积分时间Tc不同的误差来源。逻辑和计算装置能够使用时钟信号CLK1，以便确定与第一计数C1和第二计数、C2的发生相关联的时间戳，并且从那里得出初始部分积分时间Te与中间部分积分时间Tc。

图3示出了光-数字转换器装置的信号的另一个时序图。该附图示出了积分信号1、2、3的三个不同的图像。该附图还示出了作为确定积分时间Atime的时间的函数的积分时间信号STINT。

第一积分信号1如实线所示，并且已经逐渐增加至高压VH并返回至低压VL。当电路复位到参考状态时，实线返回至低压VL的电平。积分时间信号STINT设置为高，以便根据积分时间Atime开始测量周期。在初始部分积分时间Te之后，积分信号OPOUT达到可调参考信号VREF的第一中间参考电平VREF1。第二计数C2的第一个产生。然后，积分信号OPOUT继续逐渐增加并且最终达到可调参考信号VREF的第二中间参考电平VREF2。这一直持续到积分时间Atime结束。当从低压VL开始积分时并且当积分时间信号STINT设置为高时，初始部分积分时间Te和中间部分积分时间Tc本质上是在值上是相同的。

第二积分信号2在图中如虚线所示。能够看出，光-数字转换器装置尚未复位到低压VL。在积分时间Atime的开始，如积分时间信号STINT从低到高的转换所示，存在一定的电压电平。结果，当与第一积分信号1相比时，积分信号OPOUT在更早的时刻瞬间达到第一中间参考电平VREF1。因此，初始部分积分时间Te小于中间部分积分时间Tc。反过来，初始部分积分时间Te能够用来确定起始电压电平。

第三积分信号3在图中也如虚线所示。同样，光-数字转换器装置尚未复位到低压VL。然而，在这种情况下，在积分时间Atime的开始，例如，积分信号OPOUT已经在相当高的电平处开始，并且在初始部分积分时间Te的时间内达到高压VH。然后，光-数字转换器复位到参考状态，并且在积分时间Atime的持续时间内开始新的积分周期。然而，在积分时间Atime结束时，第三积分信号3尚未再次达到高压VH。换句话说，积分周期同样不完全使用积分范围VDIFF，而是使用更小的范围。

对于第三积分信号3，没有充分利用由VDIFF＝VH-VL定义的积分范围。如上所述，由VDIFF/2ⁿ定义通过数模转换器71递增可调参考VREF的箱大小或离散步长。为了使可调参考VREF具有相同数量的2n个步长或箱，积分范围VDIFF能够与在信号采集期间利用的实际范围进行交换。能够使用自适应分箱算法得出该范围。基本上，在将光-数字转换器复位到其参考状态时或之后，测量积分器15提供的信号或输出电压以设置初始值。从该初始值开始，能够使用在信号采集期间利用的实际范围，并将其分为2n个箱或离散步长。因此，箱大小能够调节为光-数字转换器使用的实际范围。

图4示出了自适应分箱算法的实施例。附图的左侧示出了总结用于在积分周期期间的光-数字转换的方法的实施例的流程图。每个积分周期都通过初始化时间转换器电路10开始。如上所述，这涉及将时间转换器电路10设置或复位到参考状态(步骤S1)。在下一个步骤中，该方法进入自适应分箱程序(参见步骤S2)。自适应分箱算法用于确定积分信号的初始值。由于外部影响和工艺变化，积分信号可能以与理想条件不同。

在下一个步骤S3中，初始化电荷的积分并且产生积分信号。步骤S3还包括产生第一计数C1和第二计数C2，以及随着积分在积分范围Vdiff定义的限制内进行而递增可调参考信号。在步骤S4中，第一计数和第二计数C2作为第一计数信号CT_LOUT和CT_COUT分别被采集并存储。最后，在步骤S5中，积分周期被中断。当积分周期完成，即当已经产生第一计数C1或积分信号OPOUT已经达到积分范围Vdiff时，发出中断。然后，该方法可以返回到步骤S1，并且下一个积分周期可以开始。然而，当总积分时间Atime结束时，也会发出中断。则当前的积分周期可能不完整，并且最终不会产生额外的第一计数C1。

附图的右侧示出了总结自适应分箱算法的实施例的流程图。在步骤S2中进入自适应分箱程序。首先，保持电荷的积分而不进一步积分电荷(步骤S21)。这样能够确定积分信号的初始值。接下来的步骤利用逻辑和计算装置50和可调参考电路70。确定积分信号的初始值的一种方法涉及n位数模转换器71。

在步骤S22中，DAC代码设置为开始状态，例如设置为零。例如，n位数模转换器71设置为输出n位的二进制数或容器。n位二进制数的容器具有分配了位数0的最低有效位LSB和分配了位数n的最高有效位MSB，中间的最低有效位LSB-n在它们之间。对于容器的所有n位，在开始状态下的DAC代码可以设置为零。步骤S23将该过程初始化为从最高有效位MSB开始的积分信号的初始值，并且随后进行到较低的有效位。

在步骤S24中，设置DAC代码位。如果在步骤S25中比较器20(或锁存器22)的输出为零，则该方法进入步骤S26并复位DAC代码的当前位，并且在步骤S27中跳转至下一个DAC代码。如果在步骤S25中比较器20(或锁存器22)的输出不为零，则该方法进入步骤S28。在步骤S28中，确定是否达到最低有效位LSB。如果不是，则该方法进行步骤S27。如果已经达到最低有效位LSB，则DAC码递增，并且最终饱和到其最大值(步骤S29)。然后，在步骤S30中恢复积分，并且对于当前积分周期自适应分箱结束。自适应分箱可以在下一个积分周期中重新开始。

所得的DAC代码构成一位数，其表示在开始信号积分之后积分信号OPOUT的初始值。步骤S3中的电荷的积分从该初始值开始，并在初始部分积分时间Te内进行。在此之后，积分信号已经达到可调参考信号Vref。通常，可调参考信号Vref的第一值等于低压VL。然而，在其他情况下，例如，可调参考信号Vref的第一值等于中间可调参考信号VREF1。在任何一种情况下，初始部分积分时间Te都能够确定，并且从已知参考值进行进一步积分，例如通过在积分范围Vdiff定义的限制内进行积分时递增可调参考信号Vref。

自适应分箱算法能够用于在开始信号积分之后检测积分信号OPOUT的值。能够示出，该算法可以将误差最小化到1-LSB内。自适应分箱算法允许我们立即识别积分的起点。这确保了更优化的转换时间，该转换时间对于低光电流而言可以是相当高的时间。此外，由于积分范围VDIFF值会由于工艺和温度漂移的影响而发生变化，因此减法电压可能略高于或低于积分范围VDIFF。这种误差能够通过测量部分积分时间Te和Tc来修正这个相对误差来解决。

总而言之，现有的光-数字转换器架构可以以它们能够实现的最大增益限制。典型值在512x范围内。给出积分范围约为11mV，电容值为CF＝244fF和CREF＝43fF，所提出的架构允许将增益缩放至2000或3000或更高。这能够在不使用更小的电容器和更小的积分范围的情况下实现，这会导致更高的噪声。这些特性通过保持针对所有增益设置的积分范围VDIFF，例如积分电压VH-VL恒定来支持。对于这些条件，参考电容器CREF和积分电容器CF的电容器值可以更高，因此具有较低的系统噪声。此外，锁存同步误差的影响可以更低，因为对于较高的计数C1和增益，VDIFF被减去得较低。由于积分范围VDIFF减法和比较器输出锁存事件可以发生得少得多(取决于所选的VREF和CF的值)，锁存同步误差的影响低得多。

所提出的概念的另外的方面能够总结如下：

-积分范围VDIFF，例如表示为积分电压VH-VL，能够针对每个增益设置进行固定，

-积分范围VDIFF能够使用例如由数模转换器71提供的可调参考信号VREF细分为2ⁿ级，

-光-数字转换器装置的总增益可以取决于

-每个第二计数C2不从积分电压中减去积分范围VDIFF，例如积分信号OPOUT。积分范围VDIFF的值，例如积分电压VH-VL，仅在2ⁿ个第二计数C2中或者在已经产生第一计数C1时减去一次。

在一个示例配置中，光-数字转换器使用8位数模转换器DAC。有效系统增益能够高达Again＝4096。如果第二计数信号CT_COUT对于DAC代码中的每次变化，即每产生一个第二计数C2递增，则有效系统处于最大增益，例如Again。例如，如果第二计数信号CT_COUT对于每隔一个产生的第二计数C2或者DAC代码改变递增，则有效系统增益可以是最大增益的一半，以此类推。此外，能够通过选择改变DAC代码的频率而不改变复位参考电压VREFIN或参考电容器CREF的频率来降低有效增益Again。

附图标记

10 时间积分电路

11 传感器输入

12 参考输入

13 结果输出

14 传感器器件

15 积分器

16 放大器

17 放大器输入

18 放大器输入

19 放大器输出

20 比较器

21 比较器输入

22 锁存器

23 锁存器输入

24 锁存器输出

25 时钟输入

30 复位电路

31 开关

32 开关

33 开关

34 开关

35 分压器

50 逻辑和计算装置

51 控制单元

70 可调参考电路

71 数模转换器

72 电源端子

73 电源端子

Atime 积分时间

C1 计数

C2 计数

CF 积分电容器

CLK1 时钟信号

COUT 比较器输出信号

IPHOTO 光电流

LOUT 全范围输出信号

NEG 积分节点

OPOUT 积分信号

CREF 参考电容器

QREF 电荷包

STINT 积分时间信号

VDIFF 积分范围

VH 高压

VL 低压

VREFIN 复位参考电压

VOUT 输出电压

VREF 可调参考信号

VREF1 中间可调参考信号

VREF2 中间可调参考信号

VREF2n 中间可调参考信号

Claims

1.一种用于光-数字转换的方法，包括以下步骤：

-将时间积分器电路(10)设置为参考状态，

-开始在积分时间(Atime)的持续时间内对来自传感器器件(PD)的电荷进行积分，

-产生表示被积分的电荷的积分信号(OPOUT)，

-将所述积分信号(OPOUT)与可调参考信号(Vref)进行比较，

-当比较结果表明所述积分信号(OPOUT)已经达到积分范围(Vdiff)时，产生第一计数(C1)，其中，所述积分范围(Vdiff)由低压和高压(VL、VH)定义，

-当比较结果表明所述积分信号(OPOUT)已经达到所述可调参考信号(Vref)时，产生第二计数(C2)，

-当已经产生第二计数(C2)时，以离散步长递增所述可调参考信号(Vref)，

-当比较结果表明所述积分信号(OPOUT)已经达到所述积分范围(Vdiff)时，将所述时间积分器电路(10)复位到所述参考状态，

-采集所产生的第一计数作为第一计数信号(CT_LOUT)，并且采集所产生的第二计数作为第二计数信号(CT_COUT)，以及

-根据所述第一计数信号(CT_LOUT)和所述第二计数信号(CT_COUT)产生数字输出信号(ADC_OUT)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调参考信号(Vref)以所述积分范围(Vdiff)的离散步长递增。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述积分范围(Vdiff)的离散步长由所述低压与高压(VL、VH)的差值除以2ⁿ来定义，其中，n表示整数。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，当已经产生第一计数(C1)时，所述时间积分器电路仅复位回到所述参考状态。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，所述积分范围(Vdiff)在所述积分时间(Atime)期间保持恒定。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，

-所述积分时间(Atime)使用时钟信号(CLK1)细分为部分积分时间，

-初始部分积分时间(Te)被定义为在开始对来自光电传感器器件(PD)的电荷进行积分或将所述时间积分器电路复位到所述参考状态之后产生第二计数(C2)中的第一个的时间戳，并且

-中间部分积分时间(Tc)被定义为在所述初始部分积分时间(Te)之后且在将所述时间积分器电路复位到所述参考状态之前产生第二计数(C2)中的另一个的时间戳。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述数字输出信号(ADC_OUT)由以下公式确定：

其中，ADC-OUT、CT_LOUT、CT_COUT、Te和Tc分别表示所述数字输出信号、所述第一计数信号、所述第二计数信号、所述初始部分积分时间和所述中间部分积分时间。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，

-在开始对来自所述传感器器件(PD)的电荷进行积分并将所述时间积分器电路复位到所述参考状态时，确定所述积分信号(OPOUT)的初始值，并且/或者

-使用自适应分箱算法并且根据所确定的所述积分信号(OPOUT)的初始值来调节可调参考信号(Vref)的步长大小。

9.一种光-数字转换器装置，包括：

-时间积分器电路(10)，其包括用于连接传感器器件(12)的传感器输入(11)、用于连接可调参考信号(Vref)的参考输入(13)以及用于提供积分信号(OPOUT)的结果输出(13)，其中，所述时间积分器电路(10)被设置成在积分时间(Atime)的持续时间内对来自所述传感器器件(PD)的电荷进行积分，

-复位电路(30)，其连接到所述传感器输入(11)，并且被设置为启动所述时间积分器电路(10)和/或将所述时间积分器电路复位到参考状态，

-逻辑和计算装置(50)，其连接到所述结果输出(13)和所述复位电路(30)，并且被设置为用于

-将所述积分信号(OPOUT)与可调参考信号(Vref)进行比较，

-当比较结果表明所述积分信号(OPOUT)已经达到所述可调参考信号(Vref)时，产生第二计数(C2)，以及

-根据分别作为第一计数信号(CT_LOUT)和第二计数信号(CT_COUT)采集的第一计数和第二计数来产生数字输出信号(ADC_OUT)，以及

-可调参考电路(70)，其连接到所述逻辑和计算装置(50)，并且被设置为当已经产生第二计数(C2)时以离散步长递增所述可调参考信号(Vref)。

10.根据权利要求9所述的光-数字转换器装置，其中，所述逻辑和计算装置(50)包括控制逻辑(51)，所述控制逻辑连接到所述复位电路(30)，并且被设置为用于将所述时间积分器电路(10)复位到所述参考状态。

11.根据权利要求9或10所述的光-数字转换器装置，其中，所述时间积分器电路(10)包括：

-具有积分电容器(15)的积分器(14)以及放大器(16)，所述放大器具有第一放大器输入(17)、第二放大器输入(18)和放大器输出(19)，所述放大器(16)被配置为在所述第一放大器输入(17)上对来自所述传感器器件(PD)的电荷进行积分，在所述第二放大器输入(18)上接收第一参考电压(Vref1)，并且在所述放大器输出(19)上提供所述积分信号(OPOUT)，以及

-比较器(20)，其具有第一比较器输入(21)、作为第二比较器输入(22)的所述参考输入(13)以及比较器输出(23)，所述比较器(20)被配置为在所述第一比较器输入上接收所述积分信号(OPOUT)，在所述参考输入(13)上接收所述可调参考信号(Vref)，并且在所述比较器输出(23)上提供比较输出信号(COUT)。

12.根据权利要求11所述的光-数字转换器装置，其中，所述逻辑和计算装置(50)包括锁存器(52)，所述锁存器连接到所述比较器(20)的比较器输出(23)以形成锁存比较器，所述锁存器被设置为根据所述比较输出信号(COUT)和由所述控制单元(51)提供的时钟信号(CLK1)提供所述第一计数和第二计数(C1、C2)。

13.根据权利要求9至12之一所述的光-数字转换器装置，其中，所述可调参考电路(70)包括n位数模转换器(71)，所述数模转换器在其输出侧连接到所述参考输入(13)，并且被设置为产生所述可调参考信号(Vref)。

14.根据权利要求10所述的光-数字转换器装置，其中，所述n位数模转换器(71)被设置为以所述积分范围(Vdiff)的离散步长递增所述参考信号(Vref)，其中，所述积分范围(Vdiff)的离散步长由所述低压和高压(VL、VH)的差值除以2ⁿ来定义，其中，n表示整数。

15.根据权利要求10或11所述的光-数字转换器装置，其中，所述逻辑和计算装置(50)包括：

-逻辑单元，其被设置为向所述控制单元(51)提供控制信号(LOUT)，以便通过所述控制单元(51)开始将所述时间积分器电路(10)复位到所述参考状态，并且/或者被设置为在开始对来自所述传感器器件(PD)的电荷进行积分并将所述时间积分器电路复位到所述参考状态时确定所述积分信号(OPOUT)的初始值，和/或

-计算单元，其被设置为使用自适应分箱算法并根据所确定的所述积分信号(OPOUT)的初始值来调节所述可调参考信号(Vref)的步长大小。