CN113125004A - 可动态控制时间增益的光传感装置 - Google Patents

可动态控制时间增益的光传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可动态控制时间增益的光传感装置，其依据光强指示信号产生检测时间配置信号，并依据检测时间内的真实增益时间及模拟增益时间的比例配置产生一组调整开关信号，以分别控制多个增益选择开关导通或关断，使分辨率调整电路的总体增益在模拟增益时间内对应地低于设定增益的替代增益，以及在所述真实增益时间内对应于所述设定增益，据此产生调整计数结果信号。

Description

可动态控制时间增益的光传感装置
技术领域
本发明涉及一种光传感装置，特别是涉及一种可动态控制时间增益的光传感装置。
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(ambient light sensor)是用来传感环境光源的变化，改变手机面板的使用亮度。当周遭亮度较暗时，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。
现有的光传感器虽可通过调整电路的设定增益来提高传感结果的分辨率，然而，由于用于检测光电流的比较器回路操作时的延迟，将使得在提高增益的同时降低检测的精准度。此外，若提高设定增益，将会使得光传感器需要持续在高频下切换开关，而导致较为耗电的负面影响。
因此，急需一种具有改良的增益调整机制，并提升检测的精准度，同时降低耗电量的光传感装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种可动态控制时间增益的光传感装置。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种可动态控制时间增益的光传感装置，其包括光传感器、第一晶体管、第二晶体管、分辨率调整电路、存储电容器、比较器、延迟重置单元、重置开关、计数器及动态时间增益调整模块。光传感器，具有一第一端点和一第二端点，所述光传感器的第二端点耦接至接地端。第一晶体管，连接于第一电压及光传感器之间，第二晶体管连接于第一电压及电压存储节点之间，且与所述第一晶体管形成一第一电流镜，以镜射所述光传感器检测光入射时产生的一光电流。分辨率调整电路，包括多个增益晶体管，分别连接于所述第一电压且分别通过多个增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中多个所述增益晶体管分别与所述第一晶体管形成多个电流镜，并分别以不同的多个增益镜射所述光电流。存储电容器，连接于所述电压存储节点及接地端之间。比较器，其第一输入端连接于所述电压存储节点，其第二输入端连接于一参考电压，经配置以于所述电压存储节点的电压超过所述参考电压时输出触发信号。延迟重置单元经配置以将所述触发信号延迟预定延迟时间，以产生重置开关信号。重置开关连接于所述电压存储节点及接地端之间，其控制端由所述重置开关信号控制以重置所述电压存储节点的电压。计数器经配置以对所述触发信号进行计数以产生计数值，并对应产生计数结果信号。动态时间增益调整模块包括时间及增益控制缓存器、光强度检测模块及算术运算模块。时间及增益控制缓存器经配置以依据设定增益产生一组初始开关信号，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使所述分辨率调整电路的一总体增益对应于所述设定增益。光强度检测模块，接收在所述设定增益下产生的所述计数结果信号，以依据所述计数值判断当前光强度为一强光状态或弱光状态，并对应产生光强指示信号。算术运算模块，经配置以依据所述光强指示信号产生检测时间配置信号，用于指示一检测时间内的真实增益时间及模拟增益时间的比例配置，并存储于缓存器内。其中，时间及增益控制缓存器经配置以依据所述比例配置产生一组调整开关信号，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使所述分辨率调整电路的所述总体增益在所述模拟增益时间内对应于低于所述设定增益的一替代增益，以及在所述真实增益时间内对应于所述设定增益。其中，计数器经配置以对所述触发信号进行计数以产生第一调整计数值，并对应产生调整计数结果信号，其中所述调整计数结果信号用于指示一经调整光强度结果。
优选地，所述分辨率调整电路包括：一第一增益晶体管，连接于所述第一电压，并通过一第一增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第一增益晶体管与所述第一晶体管形成一第二电流镜，并以一第一增益镜射所述光电流；一第二增益晶体管，连接于所述第一电压，且通过一第二增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第二增益晶体管与所述第一晶体管形成一第三电流镜，以一第二增益镜射所述光电流；及一第三增益晶体管，连接于所述第一电压，且通过一第三增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第三增益晶体管与所述第一晶体管形成一第四电流镜，以一第三增益镜射所述光电流。
根据本发明所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其中在所述弱光状态下，所述检测时间内的所述模拟增益时间小于所述真实增益时间；以及
其中在所述强光状态下，所述检测时间内的所述模拟增益时间大于所述真实增益时间。
优选地，其中在所述弱光状态下，所述模拟增益时间为所述检测时间的25％，所述真实增益时间为所述检测时间的75％；以及其中在所述强光状态下，所述模拟增益时间为所述检测时间的75％，所述真实增益时间为所述检测时间的25％。
优选地，所述光强度检测模块经配置以判断所述检测时间起始后的一预判时间内的所述计数值是否超过一预定计数值，由此判断所述当前光强度为所述强光状态或所述弱光状态。
优选地，所述预判时间为所述检测时间的25％。
优选地，所述算术运算模块经配置以将所述第一调整计数值中对应于所述模拟增益时间的部分乘上所述设定增益与所述替代增益的比值，并加上所述真实增益时间中的所述第一调整计数值，以计算一第二调整计数值，并据此计算所述经调整光强度结果。
优选地，所述比值为2N，N为大于0的整数。
优选地，多个所述增益晶体管的多个所述增益分别取决于多个所述增益晶体管的数量比或尺寸比。
优选地，其中在所述检测时间中，所述模拟增益时间早于所述真实增益时间。
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的可动态控制时间增益的光传感装置，能通过在弱光状态及强光状态下提供不同的模拟增益时间配置，据此调整分辨率调整电路的总体增益，以改善线性度及检测精准度。
此外，通过在模拟增益时间中以低于设定增益的替代增益进行光检测，可减少存储电容器的充放电次数，也就是降低比较器的触发信号的脉冲数量，因此可省去大量功耗以达到省电功能。
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附图，然而所提供的附图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为本发明实施例的可动态控制时间增益的光传感装置的电路结构图。
图2A及图2B为相同光强度下，设定不同增益下产生的存储电压、参考电压及计数值示意图。
图3为本发明实施例的动态控制时间增益程序的流程图。
图4A及图4B为本发明实施例的强光状态及弱光状态下的信号时序及第二调整计数值的计算结果示意图。
图5为现有的光传感器以及通过本发明实施例的提供的可动态控制时间增益的光传感装置改善后的计数值对光传感器的电流作图。
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有关“可动态调整增益的光传感装置”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括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
图1为本发明实施例的可动态控制时间增益的光传感装置的电路结构图。参阅图1所示，本发明实施例提供一种可动态控制时间增益的光传感装置1，其包括光传感器PD、第一晶体管T1、第二晶体管T2、分辨率调整电路10、存储电容器Cs、比较器CP、延迟重置单元Del、重置开关Tr、计数器CT及动态时间增益调整模块12。
光传感器PD具有第一端点和第二端点，光传感器PD的第二端点耦接至接地端。第一晶体管T1连接于第一电压Vdd及光传感器PD之间，第二晶体管T2连接于第一电压Vdd及电压存储节点Ns之间，且与第一晶体管T1形成第一电流镜M1，以镜射光传感器PD检测光入射时产生的一光电流IL。
详细而言，第一晶体管T1以及第二晶体管T2的源极端连接第一电压Vdd。第一晶体管T1的栅极端连接第二晶体管T2的栅极端以及第一晶体管T1的漏极端。第一晶体管T1的漏极端连接光传感器PD的第一端。
分辨率调整电路10可包括多个增益晶体管，分别连接于第一电压Vdd且分别通过多个增益选择开关连接于电压存储节点Ns。多个所述增益晶体管分别与第一晶体管T1形成多个电流镜，并分别以不同的多个增益镜射光电流IL。在电流镜电路结构中，多个所述增益晶体管的多个所述增益分别取决于晶体管的数量比或尺寸比。
以本实施例而言，分辨率调整电路10可包括第一增益晶体管gT1、第二增益晶体管gT2及第三增益晶体管gT3。第一增益晶体管gT1连接于第一电压Vdd，并通过第一增益选择开关S1连接于电压存储节点Ns，其中，第一增益晶体管gT1与第一晶体管T1形成第二电流镜M2，并以第一增益，例如1倍镜射光电流IL。
第二增益晶体管gT2连接于第一电压Vdd，且通过第二增益选择开关S2连接于电压存储节点Ns。其中，第二增益晶体管gT2与第一晶体管T1形成第三电流镜M3，以第二增益，例如，两倍镜射光电流IL。
类似的，第三增益晶体管gT3连接于第一电压Vdd，且通过第三增益选择开关S3连接于电压存储节点Ns。其中，第三增益晶体管gT3与第一晶体管T1形成第四电流镜M4，以第三增益，例如，12倍镜射光电流IL。
存储电容器Cs连接于电压存储节点Ns及接地端之间，以用于存储电压存储节点Ns的一存储电压Vs。
比较器CP的第一输入端连接于电压存储节点Ns，其第二输入端连接于参考电压Vref，经配置以于电压存储节点Ns的电压超过参考电压Vref时输出触发信号St，而延迟重置单元Del经配置以将触发信号St延迟预定延迟时间Td，以产生重置开关信号Sr。
重置开关Tr连接于电压存储节点Ns及接地端之间，其控制端由重置开关信号Sr控制以重置电压存储节点Ns的电压。例如，当电压存储节点Ns的电压超过参考电压Vref时，触发信号St经过延迟时间Td后，产生重置开关信号Sr去触发重置开关Tr，将电压存储节点Ns的存储电压Vs进行刷新重置。
计数器CT经配置以对触发信号St进行计数以产生计数值，并对应产生计数结果信号Sc。
请进一步参阅图2A及图2B，其为相同光强度下，不同增益下产生的存储电压、参考电压及计数值示意图。如图所示，当在检测时间ITtime内均采用固定增益时，在低增益状况下，例如增益为一倍时，于检测时间ITtime内可检测到计数值16。然而，当将增益提高到8倍，理论上计数值应要为增益为一倍时的计数值的8倍，其计数值应为16×8＝128。然而，由于比较器CT的回路在操作时会产生延迟，而存储电压Vs因为重置开关Tr的开关时间延迟而导致充放电变慢，所以仅能检测到计数值51，导致了差的线性度。
为此，本发明额外设置了动态时间增益调整模块12，其包括时间及增益控制缓存器120、光强度检测模块122及算术运算模块124。时间及增益控制缓存器120经配置以依据设定增益产生一组初始开关信号Sin，以分别控制多个所述增益选择开关(例如第一增益选择开关S1、第二增益选择开关S2及第三增益选择开关S3)导通或关断，使分辨率调整电路10的总体增益对应于设定增益。
举例而言，当设定增益为16倍，时间及增益控制缓存器120经配置以依据设定增益产生一组初始开关信号Sin，以分别控制第一增益选择开关S1、第二增益选择开关S2及第三增益选择开关S3导通，使分辨率调整电路10的总体增益为16倍。
光强度检测模块122接收在所述设定增益下产生的计数结果信号Sc，以依据计数值判断当前光强度为强光状态或弱光状态，并对应产生光强指示信号Si。
算术运算模块124经配置以依据光强指示信号Si产生检测时间配置信号Stime。时间配置信号Stime用于指示检测时间ITtime内的真实增益时间Realtime及模拟增益时间SimuTime的比例配置，并存储于缓存器126内。
其中，时间及增益控制缓存器120经配置以依据比例配置产生一组调整开关信号Sj，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使所述分辨率调整电路10的总体增益在模拟增益时间SimuTime内对应于低于设定增益的替代增益，以及在真实增益时间Realtime内对应于设定增益。
其中，计数器CT经配置以对触发信号St进行计数以产生第一调整计数值，并对应产生调整计数结果信号Sjc，其中，调整计数结果信号Sjc用于指示经调整光强度结果。
详细而言，上述配置可进一步参考图3，其为本发明实施例的动态控制时间增益程序的流程图。如图所示，动态控制时间增益程序可包括下列步骤：
步骤S100：设定一设定增益，配置时间及增益控制缓存器120依据设定增益产生一组初始开关信号Sin，以分别控制多个所述增益选择开关导通使分辨率调整电路10的总体增益对应于设定增益。
步骤S101：配置计数器CT在所述设定增益下产生计数结果信号Sc。
步骤S102：配置光强度检测模块122依据计数结果信号Sc的计数值判断当前光强度为强光状态或弱光状态，并对应产生光强指示信号Si。在一些实施例中，光强度检测模块122经配置以判断检测时间ITtime起始后的预判时间内的计数值是否超过预定计数值，由此判断当前光强度为强光状态或弱光状态。举例而言，预判时间可为检测时间ITtime的25％。
若在步骤S102判断当前光强度为是在弱光状态下，则进入步骤S103：配置算术运算模块124依据光强指示信号Si产生检测时间配置信号Stime，且检测时间ITtime内的模拟增益时间SimuTime小于真实增益时间Realtime。
若在步骤S102判断当前光强度为是在强光状态下，则进入步骤S104：配置算术运算模块124依据光强指示信号Si产生检测时间配置信号Stime，且检测时间ITtime内的模拟增益时间SimuTime大于真实增益时间Realtime。
举例而言，弱光状态下，模拟增益时间SimuTime可为检测时间ITtime的25％，真实增益时间Realtime可为检测时间ITtime的75％，在强光状态下，模拟增益时间SimuTime可为检测时间ITtime的75％，真实增益时间Realtime可为检测时间ITtime的25％。
步骤S105：配置时间及增益控制缓存器120依据比例配置产生一组调整开关信号Sj，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使分辨率调整电路10的总体增益在模拟增益时间SimuTime内对应于低于设定增益的替代增益，以及在真实增益时间Realtime内对应于设定增益。并且，在检测时间ITtime中，模拟增益时间SimuTime早于真实增益时间Realtime。
步骤S106：配置计数器CT以对触发信号St进行计数以产生第一调整计数值，并对应产生调整计数结果信号Sjc。
步骤S107：算术运算模块124经配置以将第一调整计数值中对应于模拟增益时间Simutime的部分乘上设定增益与替代增益的比值，并加上真实增益时间中的第一调整计数值，以计算第二调整计数值，并据此计算所述经调整光强度结果。在一些实施例中，比值为2N，N为大于0的整数。
请进一步参考图4A及图4B，其为本发明实施例的强光状态及弱光状态下的信号时序及第二调整计数值的计算结果示意图。如图所示，在强光状态下，模拟增益时间SimuTime为检测时间ITtime的75％，真实增益时间Realtime为检测时间ITtime的25％，而设定增益为8倍，替代增益为1倍。因此，在模拟增益时间SimuTime(检测时间ITtime的75％时间)内，所得到的第一调整计数值均为4，进一步乘上设定增益8倍与替代增益1倍的比值8，并加上真实增益时间Realtime(检测时间ITtime的25％时间)内，所得到的第一调整计数值为13，可得第二调整计数值109。因此，与使用固定增益8倍得到的计数值51相比，如图2B所示，本发明的结果在强光下将较为接近8倍数的固定增益均1倍得到的计数值128，例如将图2A所示的结果乘以8倍。
另一方面，在弱光状态下，模拟增益时间SimuTime为检测时间ITtime的25％，真实增益时间Realtime为检测时间ITtime的75％，而设定增益为8倍，替代增益为1倍。因此，在模拟增益时间SimuTime(检测时间ITtime的25％时间)内，所得到的第一调整计数值为2，进一步乘上设定增益8倍与替代增益1倍的比值8，并加上真实增益时间Realtime(检测时间ITtime的75％时间)内，所得到的第一调整计数值均为10，可得第二调整计数值46。
请进一步参考图5，其为现有的光传感器以及通过本发明实施例的提供的可动态控制时间增益的光传感装置改善后的计数值对光传感器的电流作图。如图所示，现有的光传感器由于比较器回路在操作时产生的延迟以及存储电压重置速度过慢等因素，而导致了差的线性度，而反观本发明实施例的提供的可动态控制时间增益的光传感装置，能通过在弱光状态及强光状态下提供不同的模拟增益时间配置，据此调整分辨率调整电路的总体增益，可将线性度进一步提升约57％。
实施例的有益效果
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的可动态控制时间增益的光传感装置，其能通过在弱光状态及强光状态下提供不同的模拟增益时间配置，据此调整分辨率调整电路的总体增益，以改善线性度及检测精准度。
此外，通过在模拟增益时间中以低于设定增益的替代增益进行光检测，可减少存储电容器的充放电次数，也就是降低比较器的触发信号的脉冲数量，因此可省去大量功耗以达到省电功能。
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书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述可动态控制时间增益的光传感装置包括：
一光传感器，具有一第一端点和一第二端点，所述光传感器的第二端点耦接至接地端；
一第一晶体管，连接于一第一电压及所述光传感器之间；
一第二晶体管，连接于所述第一电压及一电压存储节点之间，且与所述第一晶体管形成一第一电流镜，以镜射所述光传感器检测光入射时产生的一光电流；
一分辨率调整电路，包括多个增益晶体管，分别连接于所述第一电压且分别通过多个增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中多个所述增益晶体管分别与所述第一晶体管形成多个电流镜，并分别以不同的多个增益镜射所述光电流：
一存储电容器，连接于所述电压存储节点及接地端之间；
一比较器，所述比较器的第一输入端连接于所述电压存储节点，所述比较器的第二输入端连接于一参考电压，且所述比较器经配置以于所述电压存储节点的电压超过所述参考电压时输出一触发信号；
一延迟重置单元，经配置以将所述触发信号延迟一预定延迟时间，以产生一重置开关信号；
一重置开关，连接于所述电压存储节点及接地端之间，所述重置开关的控制端由所述重置开关信号控制以重置所述电压存储节点的电压；
一计数器，经配置以对所述触发信号进行计数以产生一计数值，并对应产生一计数结果信号；以及
一动态时间增益调整模块，包括：
一时间及增益控制缓存器，经配置以依据一设定增益产生一组初始开关信号，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使所述分辨率调整电路的一总体增益对应于所述设定增益；
一光强度检测模块，接收在所述设定增益下产生的所述计数结果信号，以依据所述计数值判断一当前光强度为一强光状态或一弱光状态，并对应产生一光强指示信号；及
一算术运算模块，经配置以依据所述光强指示信号产生一检测时间配置信号，所述检测时间配置信号用于指示一检测时间内的一真实增益时间及一模拟增益时间的比例配置，并存储于一缓存器内，
其中所述时间及增益控制缓存器经配置以依据所述比例配置产生一组调整开关信号，以分别控制多个所述增益选择开关导通或关断，使所述分辨率调整电路的所述总体增益在所述模拟增益时间内对应于低于所述设定增益的一替代增益，以及在所述真实增益时间内对应于所述设定增益；以及
其中所述计数器经配置以对所述触发信号进行计数以产生一第一调整计数值，并对应产生一调整计数结果信号，其中所述调整计数结果信号用于指示一经调整光强度结果。
2.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述分辨率调整电路包括：
一第一增益晶体管，连接于所述第一电压，并通过一第一增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第一增益晶体管与所述第一晶体管形成一第二电流镜，并以一第一增益镜射所述光电流；
一第二增益晶体管，连接于所述第一电压，且通过一第二增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第二增益晶体管与所述第一晶体管形成一第三电流镜，以一第二增益镜射所述光电流；及
一第三增益晶体管，连接于所述第一电压，且通过一第三增益选择开关连接于所述电压存储节点，其中所述第三增益晶体管与所述第一晶体管形成一第四电流镜，以一第三增益镜射所述光电流。
3.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，其中在所述弱光状态下，所述检测时间内的所述模拟增益时间小于所述真实增益时间；以及
其中在所述强光状态下，所述检测时间内的所述模拟增益时间大于所述真实增益时间。
4.根据权利要求3所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，其中在所述弱光状态下，所述模拟增益时间为所述检测时间的25％，所述真实增益时间为所述检测时间的75％；以及
其中在所述强光状态下，所述模拟增益时间为所述检测时间的75％，所述真实增益时间为所述检测时间的25％。
5.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述光强度检测模块经配置以判断所述检测时间起始后的一预判时间内的所述计数值是否超过一预定计数值，由此判断所述当前光强度为所述强光状态或所述弱光状态。
6.根据权利要求5所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述预判时间为所述检测时间的25％。
7.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述算术运算模块经配置以将所述第一调整计数值中对应于所述模拟增益时间的部分乘上所述设定增益与所述替代增益的比值，并加上所述真实增益时间中的所述第一调整计数值，以计算一第二调整计数值，并据此计算所述经调整光强度结果。
8.根据权利要求7所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，所述比值为2N，N为大于0的整数。
9.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，多个所述增益晶体管的多个所述增益分别取决于多个所述增益晶体管的数量比或尺寸比。
10.根据权利要求1所述的可动态控制时间增益的光传感装置，其特征在于，其中在所述检测时间中，所述模拟增益时间早于所述真实增益时间。
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