CN112781631A - 高线性光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高线性光传感器。光电组件将光能转换为光电流流至第一电容。误差放大器具有第一放大输入端以及第二放大输入端，分别连接参考电压源以及第一晶体管的第一端。第二晶体管的第一端连接第二放大输入端。第一晶体管的第二端连接第一电容。误差放大器的输出端连接第二晶体管的第二端。第一比较器比较第一电容的电压，与一调变电压以及参考电压中较低者，以产生第一比较信号。计数电路依据第一比较信号进行计数。

Description

高线性光传感器
技术领域
本发明涉及一种光传感器，特别是涉及一种高线性光传感器。
背景技术
现在触控式手机越来越流行，但由于手机采用触控屏幕，用户在进行通话时，脸部容易触碰到手机屏幕而造成误操作。因此，通常在手机上安装光学趋近传感器。当光学趋近传感器检测到光线被遮挡后，手机的系统判断脸部靠近了触控屏幕时，关闭触控屏幕，以防止由于脸部贴近而产生的误操作，并可以在通话过程中节省电量。
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高线性光传感器包含光电组件、第一比较器、采样和保持电路以及计数电路。光电组件连接第一电容，配置以将照射通过光电组件的光能转换为光电流流至第一电容。误差放大器具有第一放大输入端以及第二放大输入端，分别连接参考电压源以及第一晶体管的第一端。第二晶体管的第一端连接第二放大输入端。第一晶体管的第二端连接第一电容。误差放大器的输出端连接第二晶体管的第二端。第一比较器具有第一比较输入端以及第二比较输入端，分别连接第一电容以及误差放大器的输出端。第一比较器配置以比较第一电容的电压，与第二比较输入端的一第一调变电压，以产生第一比较信号。采样和保持电路连接第一晶体管的控制端、第二晶体管的控制端以及第一比较器的输出端。采样和保持电路配置以依据第一比较信号控制第一晶体管以及第二晶体管的运作。计数电路连接第一比较器的输出端，配置以依据第一比较信号进行计数。
在一方案中，第一比较器还包含一第三比较输入端，连接参考电压源。第一比较器配置以比较第一电容的电压，与第二比较输入端的第一调变电压以及第三比较输入端的一参考电压中较低者，以产生第一比较信号。
在一方案中，高线性光传感器还包含第三晶体管，第三晶体管的第一端连接第一比较输入端，第三晶体管的第二端接地，第三晶体管的控制端连接第一比较器的输出端。
在一方案中，高线性光传感器还包含延迟电路，连接在第三晶体管的控制端以及第一比较器的输出端之间。
在一方案中，高线性光传感器还包含电流镜，连接光电组件以及第一电容。
在一方案中，高线性光传感器还包含第二比较器，具有第四比较输入端以及第五比较输入端，分别连接第二电容以及误差放大器的输出端。第二比较器的输出端连接计数电路。第二电容连接光电组件。第二比较器配置以比较第二电容的电压与第五比较输入端的一第二调变电压，以输出一第二比较信号。
在一方案中，第二比较器还包含一第六比较输入端，连接参考电压源，第二比较器配置以比较第二电容的电压，与第五比较输入端的第二调变电压以及第六比较输入端的参考电压中较低者，以输出第二比较信号。
在一方案中，高线性光传感器还包含模拟复用器，连接在电流镜以及第一电容之间以及在电流镜以及第二电容之间，电流镜连接光电组件。
在一方案中，高线性光传感器还包含逻辑电路。逻辑电路的两输入端分别连接第一比较器的输出端以及第二比较器的输出端。逻辑电路的一输出端连接计数电路。
在一方案中，高线性光传感器还包含延迟电路，连接在逻辑电路的另一输出端以及第四晶体管的控制端之间。第四晶体管的第一端连接第四比较输入端。第四晶体管的第二端接地。
如上所述，本发明提供高线性光传感器，其有效解决现有光传感器的比较器的反应延迟时间以及在电容从波峰值下降至谷值所需耗费的放电下拉延迟时间，所造成的计数电路计数的脉冲数量的误差，进而在光传感器应用于电子装置时，可依据正确的脉冲数量精确地判断电子装置与检测物体之间的距离。
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高线性光传感器的电路布局图。
图2为本发明第一实施例的高线性光传感器的第一信号波形图。
图3为本发明第一实施例的高线性光传感器的第二信号波形图。
图4为本发明第二实施例的高线性光传感器的电路布局图。
图5为本发明第三实施例的高线性光传感器的电路布局图。
图6为本发明第三实施例的高线性光传感器的信号波形图。
图7为本发明第三实施例的高线性光传感器的计数脉冲数量对光电流的曲线图。
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所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开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，并非依实际尺寸的描绘，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，但所公开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”，应视实际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]
请一并参阅图1，其为本发明第一实施例的高线性光传感器的电路布局图；图2、图3为本发明第一实施例的高线性光传感器的信号波形图。图3是图2的信号波形的部分放大示意图，如图2中的虚线圈Zoom-In圈起的部分电压信号在图3中放大显示。
如图1所示，本实施例的高线性光传感器包含光电组件PD、误差放大器ERA、第一比较器CMP1、采样和保持电路SAH以及计数电路CNT。
光电组件PD将照射通过光电组件PD的环境光能转换为光电流。光电组件PD连接电流镜的第一感测晶体管T1。电流镜的第二感测晶体管T2连接第一感测晶体管T1以及第一电容C3。光电组件PD的光电流经过电流镜放大倍数N倍后流至第一电容C3，其中N可为任意适当的数值。
误差放大器ERA具有第一放大输入端以及第二放大输入端。误差放大器ERA的第一放大输入端例如非反相输入端连接参考电压源，以从参考电压源接收参考电压VREF。误差放大器ERA的第二放大输入端例如反相输入端通过电阻R1连接第一晶体管MSH的第一端，以及通过电容C1接地。
误差放大器ERA的输出端通过电阻R2以及电容C2接地，以及连接第二晶体管MST的第二端。第二晶体管MST的第一端通过电阻R1连接误差放大器ERA的第二放大输入端。第一晶体管MSH的第二端连接第一电容C3。误差放大器ERA将参考电压VREF与电容C1的第一调变电压SHFB的差值乘以一增益后，输出误差放大信号EAO。
第一比较器CMP1具有第一比较输入端、第二比较输入端以及第三比较输入端。第一比较器CMP1的第一比较输入端例如非反相输入端连接第一电容C3。第一比较器CMP1的第二比较输入端例如反相输入端连接误差放大器ERA的输出端。第一比较器CMP1的第三比较输入端例如反相输入端连接参考电压源。
当环境光强度较弱，光电组件PD产生的光电流较小，导致第一比较器CMP1所接收的参考电压VREF低于误差放大器ERA输出的误差放大信号EAO的电压时，第一比较器CMP1比较第一电容C3的电压信号PDRAMP1的电压与参考电压VREF，以产生第一比较信号CMPO。
在光电组件PD产生的光电流对第一电容C3充电的过程中，电压信号PDRAMP1的电压逐渐上升。第一比较器CMP1比较电压信号PDRAMP1的电压与参考电压VREF所需的反应时间将导致时间延迟。当光电流较小时，第一比较器CMP1的反应延迟时间占电压信号PDRAMP1的一周期时间的比例较小，对计数电路CNT所计数的脉冲数量影响不大。
然而，值得注意的是，如图2所示，当环境光强度较强，光电组件PD产生的光电流较大，第一电容C3的电压信号PDRAMP1的波形的斜率较陡，第一比较器CMP1的反应延迟时间占电压信号PDRAMP1的一周期时间的比例较大，将严重影响第一比较器CMP1判断的电压信号PDRAMP1的线性度，进而导致计数电路CNT实际计数到的第一比较信号CMPO的脉冲数量少于正确的脉冲数量。
为解决上述现有技术的问题，在本实施例，更进一步地，当光电组件PD产生的光电流较大，导致第一比较器CMP1判断电压信号PDRAMP1的电压高于参考电压VREF时，输出一高电平的第一比较信号CMPO。采样和保持电路SAH连接第一比较器CMP1的输出端、第一晶体管MSH的控制端、第二晶体管MST的控制端。在第一比较器CMP1输出第一比较信号CMPO至计数电路CNT之前，采样和保持电路SAH采样并保持从第一比较器CMP1接收的第一比较信号CMPO。计数电路CNT依据高电平的第一比较信号CMPO进行计数，即计数第一比较信号CMPO的脉冲数量。
在第一比较器CMP1输出第一比较信号CMPO至计数电路CNT之后，采样和保持电路SAH依据高电平的第一比较信号CMPO输出一脉冲信号，以控制第一晶体管MSH以及第二晶体管MST的运作，以如图3所示，使第一比较器CMP1的第二比较输入端的第一调变电压SHFB的电压等于参考电压VEEF。其结果为，第一比较器CMP1所接收到的误差放大信号EAO的输出的误差放大信号EAO的电压低于参考电压VREF。
当第一比较器CMP1所接收的误差放大器ERA输出的误差放大信号EAO的一调变电压低于参考电压VREF时，第一比较器CMP1比较第一电容C3的电压信号PDRAMP1的电压与误差放大信号EAO的调变电压，以产生第一比较信号CMPO。其结果为，提早下拉电压信号PDRAMP1的电压，预留了第一比较器CMP1的反应延迟时间，使电压信号PDRAMP1的线性度提高，进而提高计数电路CNT所计数的脉冲数量的正确度。
本实施例的高线性光传感器可还包含延迟电路DLYI以及第三晶体管MPL1。延迟电路DLY1连接在第三晶体管MPL1的控制端以及第一比较器CMP1的输出端之间。第三晶体管MPL1的第一端连接第一比较器CMP1的第四比较输入端，第三晶体管MPL1的第二端接地。在计数电路CNT计数之后，延迟电路DLYI依据第一比较器CMP1的第一比较信号CMPO，控制第三晶体管MPL1导通，使第一比较器CMP1的第四比较输入端的电压降为零值。
如上所述，在第一实施例中，解决现有光传感器的反应延迟时间，导致计数到的脉冲数量与实际正确的脉冲数量有误差的问题。在实务上，如图3所示的电压信号PDRAMP1的每个波形的峰值上升至等于或大于参考电压VREF或调变电压时，经由第一比较器CMP1比较出高电平的第一比较信号CMPO后，需要经由一下拉延迟时间使得电压信号PDRAMP1的波形可以下拉到起始点，也就是使电压信号PDRAMP1的每个波形从峰值下降至谷值，以待光电组件PD产生的光电流再次对第一电容C3充电时，从此谷值再次逐渐上升至峰值。如此，电压信号PDRAMP1的多个波形的峰值才会相同。然而，此下拉延迟时间亦会影响计数的脉冲数量的正确度。为解决此问题，如下第二与第三实施例提供具有更高线性度的光传感器。
请参阅图4，其为本发明第二实施例的高线性光传感器的电路布局图。本实施例的高线性光传感器与第一实施例的高线性光传感器相同之处不在此赘述。相较之下，如图1所示的高线性光传感器使用两个反相输入端(第二比较输入端以及第三比较输入端)，而如图4所示的高线性光传感器则仅使用一个反相输入端(第二比较输入端)。
第一比较器CMP11的第一比较输入端例如非反相输入端连接第一电容C3。第一比较器CMP11的第二比较输入端例如反相输入端连接误差放大器ERA的输出端。
第一比较器CMP11配置以比较第一电容C3的电压与第一比较器CMP11的第二比较输入端例如反相输入端的一第一调变电压，以产生一第一比较信号至计数电路CNT。计数电路CNT依据高电平的第一比较信号进行计数，即计数第一比较信号的脉冲数量。
相比之下，第一实施例的高线性光传感器所需的稳定时间较短。然而，相比于第一实施例，本实施例只需一个反相输入端，因此可节省高线性光传感器的电路成本。
请一并参阅图5至图7，其中图5为本发明第三实施例的高线性光传感器的电路布局图；图6为本发明第三实施例的高线性光传感器的信号波形图；图7为本发明第三实施例的高线性光传感器的计数脉冲数量对光电流的曲线图。本实施例与第一实施例相同之处，不在此赘述。
本实施例的高线性光传感器还包含逻辑电路SRFF、第二比较器CMP2、延迟电路DLY2以及第四晶体管MPL2。例如，逻辑电路SRFF为SR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SRFF的第一输入端S连接第一比较器CMP1的输出端。逻辑电路SRFF的第二输入端R连接第二比较器CMP2的输出端。逻辑电路SRFF的一输出端Q连接脉冲边沿计数电路CNTE以及延迟电路DLY1。延迟电路DLY1连接第三晶体管MPL1的控制端。第三晶体管MPL1的第一端连接第一比较器CMP1的第四比较输入端。第三晶体管MPL1的第二端接地。
第二比较器CMP2具有第四比较输入端、第五比较输入端以及第六比较输入端。第二比较器CMP2的第四比较输入端例如非反相输入端连接第二电容C4。第二比较器CMP2的第五比较输入端例如反相输入端连接误差放大器ERA的输出端。第二比较器CMP2的第六比较输入端例如反相输入端连接参考电压源。
延迟电路DLY2连接在逻辑电路SRFF的另一输出端Q以及第四晶体管MPL2的控制端之间。第四晶体管MPL2的第一端连接第二比较器CMP2的第四比较输入端。第四晶体管MPL2的第二端接地。
值得注意的是，第二比较器CMP2、延迟电路DLY2、第四晶体管MPL2以及第二电容C4，与第一比较器CMP1、延迟电路DLY1、第三晶体管MPL1以及第一电容C3交替运作。在如图6所示的电压信号PDRAMP1的电压从峰值下降至谷值后，第一比较器CMP1、延迟电路DLY1、第三晶体管MPL1以及第一电容C3停止运作，而第二比较器CMP2、延迟电路DLY2、第四晶体管MPL2以及第二电容C4开始运作。
当第一电容C3的电压信号PDRAMP1的波形的电压从峰值下降至谷值时，光电组件PD的光电流经过电流镜放大倍数N倍后经由模拟复用器MUX允许流至第二电容C4，以对第二电容C4充电，其中N为任意适当的数值。其结果为，如图6所示的脉冲信号PS的工作周期中，电压信号PDRAMP2从波谷值逐渐上升至等于或大于误差放大信号EAO的电压以及参考电压VREF。
第二比较器CMP2将第二电容C4的电压信号PDRAMP2的电压，与第二比较器CMP2的第五比较输入端的第二调变电压以及第二比较器CMP2的第六比较输入端的参考电压VREF中的其中较低者进行比较，以输出第二比较信号CM2至逻辑电路SRFF的第二输入端R。逻辑电路SRFF依据第二比较信号CM2输出一转换边沿信号至脉冲边沿计数电路CNTE。脉冲边沿计数电路CNTE依据高低电平的转换边沿信号进行计数。
在如图6所示的电压信号PDRAMP2的电压从峰值下降至谷值后，第二组电路，包含第二比较器CMP2、延迟电路DLY2、第四晶体管MPL2以及第二电容C4停止运作，而第一组电路，包含第一比较器CMP1、延迟电路DLY1、第三晶体管MPL1开始运作。
第一比较器CMP1将第一电容C3的电压信号PDRAMP1的电压，与第一比较器CMP1的第二比较输入端的第一调变电压以及第一比较器CMP1的第三比较输入端的参考电压VREF中的其中较低者进行比较，以输出第一比较信号CM1至逻辑电路SRFF的第一输入端S。逻辑电路SRFF依据第一比较信号CM1输出一逻辑信号至脉冲边沿计数电路CNTE。脉冲边沿计数电路CNTE依据高低电平的转换边沿信号进行计数。
藉由第一组电路与第二组电路交替使用，电压信号PDRAMP1以及电压信号PDRAMP2在其中一者下降至谷值时，另一者接续产生，以达成等效上并无等待从峰值下降至峰谷的一放电下拉延迟时间，进而使脉冲边沿计数电路CNTE计数到的脉冲数量正确，不会因为任何的延迟时间去影响脉冲的计数。
如图7所示，横轴IPD代表光电组件的光电流，纵轴代表光传感器的脉冲边沿计数电路CNTE所计数的脉冲数量。曲线WoEAO代表传统现有光传感器所计数的脉冲数量对光电组件的光电流的曲线，曲线一相代表本发明第一实施例的高线性光传感器所计数的脉冲数量对光电组件PD的光电流的曲线，曲线二相代表本发明第三实施例的高线性光传感器所计数的脉冲数量对光电组件PD的光电流的曲线。显然，本发明第三实施例的高线性光传感器可正确计数脉冲数量，相比于现有光传感器，如图7所示，计数的脉冲数量增加68％，并且大幅度提升光电流与计数数量的线性度。
[实施例的有益效果]
综上所述，本发明的有益效果在于，本发明所提供高线性光传感器，其有效解决现有光传感器的比较器的反应延迟时间以及在电容从波峰值下降至谷值所需耗费的放电下拉延迟时间，所造成的计数电路计数的脉冲数量的误差，进而在光传感器应用于电子装置时，可依据正确的脉冲数量精确地判断电子装置与检测物体之间的距离。
以上所公开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 (10)

1.一种高线性光传感器，其特征在于，包含：
光电组件，连接第一电容，配置以将照射通过所述光电组件的光能转换为光电流流至所述第一电容；
误差放大器，具有第一放大输入端以及第二放大输入端，分别连接参考电压源以及第一晶体管的第一端，第二晶体管的第一端连接所述第二放大输入端，所述第一晶体管的第二端连接所述第一电容，所述误差放大器的输出端连接所述第二晶体管的第二端；
第一比较器，具有第一比较输入端以及第二比较输入端，分别连接所述第一电容以及所述误差放大器的输出端，所述第一比较器配置以比较所述第一电容的电压与所述第二比较输入端的第一调变电压，以产生第一比较信号；
采样和保持电路，连接所述第一晶体管的控制端、所述第二晶体管的控制端以及所述第一比较器的输出端，配置以依据所述第一比较信号控制所述第一晶体管以及所述第二晶体管的运作；以及
计数电路，连接所述第一比较器的输出端，配置以依据所述第一比较信号进行计数。
2.根据权利要求1所述的高线性光传感器，其特征在于，所述第一比较器还包含第三比较输入端，连接所述参考电压源，所述第一比较器配置以比较所述第一电容的电压，与所述第二比较输入端的所述第一调变电压以及所述第三比较输入端的参考电压中较低者，以产生所述第一比较信号。
3.根据权利要求1所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含第三晶体管，所述第三晶体管的第一端连接所述第一比较输入端，所述第三晶体管的第二端接地，所述第三晶体管的控制端连接所述第一比较器的输出端。
4.根据权利要求3所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含延迟电路，连接在所述第三晶体管的控制端以及所述第一比较器的输出端之间。
5.根据权利要求1所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含电流镜，连接所述光电组件以及所述第一电容。
6.根据权利要求1所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含第二比较器，具有第四比较输入端以及第五比较输入端，分别连接第二电容以及所述误差放大器的输出端，所述第二比较器的输出端连接所述计数电路，所述第二电容连接所述光电组件，所述第二比较器配置以比较所述第二电容的电压与所述第五比较输入端的第二调变电压，以输出第二比较信号。
7.根据权利要求6所述的高线性光传感器，其特征在于，所述第二比较器还包含第六比较输入端，连接所述参考电压源，所述第二比较器配置以比较所述第二电容的电压，与所述第五比较输入端的所述第二调变电压以及所述第六比较输入端的所述参考电压中较低者，以输出所述第二比较信号。
8.根据权利要求6所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含模拟复用器，连接在电流镜以及所述第一电容之间以及在所述电流镜以及所述第二电容之间，所述电流镜连接所述光电组件。
9.根据权利要求6所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含逻辑电路，所述逻辑电路的两输入端分别连接所述第一比较器的输出端以及所述第二比较器的输出端，所述逻辑电路的一输出端连接所述计数电路。
10.根据权利要求9所述的高线性光传感器，其特征在于，所述高线性光传感器还包含延迟电路，连接在所述逻辑电路的另一输出端以及第四晶体管的控制端之间，所述第四晶体管的第一端连接所述第四比较输入端，所述第四晶体管的第二端接地。
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