CN114199291B - 双斜率光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双斜率光传感器。第一充电开关的两端分别连接光电组件以及电容的第一端。第二充电开关的两端分别连接电容的第二端以及接地。第三充电开关与第三放电开关的第一端分别连接电容的第一端和第二端。第四充电开关与第四放电开关的第一端分别耦接第一参考电压以及第二参考电压。第一放电开关的两端分别连接光电组件以及电容的第二端。比较器的第一输入端连接第三充电开关与第四放电开关的第二端，比较器的第二输入端连接第四充电开关与第三放电开关的第二端。
Description
技术领域
本发明涉及一种光传感器，特别是涉及一种双斜率光传感器。
背景技术
在传统光传感器中，需设置NMOS、PMOS或其他型态的晶体管，此晶体管的第一端和控制端分别连接传统光传感器的比较器的输入端和输出端，而此晶体管的第二端接地。
当外部光源持续照射光传感器时，传统光传感器的光电组件将光能转换为光电流，以对电容充电。在充电过程中，比较器多次进行电容的电压与参考电压的比较作业。在比较器每进行一次比较作业后，输出一个比较信号的位值至计数器进行计数，接着晶体管依据比较信号的准位，耗费一段下拉延迟时间，将比较器的输入端的电压直接拉降为零值，此重置作业会导致电流不稳定。
当光电流大时，进行多次执行重置作业，将累计耗费很长的下拉延迟时间，造成计数器计数产生严重误差。
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双斜率光传感器，包含光电组件、电容、充电开关电路、放电开关电路、比较器以及控制电路。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。充电开关电路包含第一充电开关、第二充电开关、第三充电开关以及第四充电开关。第一充电开关的第一端连接光电组件。第一充电开关的第二端连接电容的第一端。第二充电开关的第一端连接电容的第二端。第二充电开关的第二端接地。第三充电开关的第一端连接电容的第一端。第四充电开关的第一端耦接第一参考电压。放电开关电路包含第一放电开关、第二放电开关、第三放电开关以及第四放电开关。第一放电开关的第一端连接光电组件。第一放电开关的第二端连接电容的第二端。第二放电开关的第一端连接电容的第一端。第二放电开关的第二端接地。第三放电开关的第一端连接电容的第二端。第四放电开关的第一端耦接第二参考电压。比较器的第一比较输入端连接第三充电开关的第二端以及第四放电开关的第二端。比较器的第二比较输入端连接第四充电开关的第二端以及第三放电开关的第二端。比较器配置以比较第一比较输入端的电压与第二比较输入端的电压以输出比较信号。控制电路连接比较器的输出端、充电开关电路以及放电开关电路。控制电路配置以输出比较信号，并依据比较信号输出控制信号以控制充电开关电路以及放电开关电路。
在一实施方案中，比较器的第一比较输入端为非反相输入端，比较器的第二比较输入端为反相输入端。
在一实施方案中，当控制电路开启充电开关电路，而关闭放电开关电路时，光电流流经第一充电开关至电容，以将电容的电压充电至初始电压。
在一实施方案中，所述初始电压大于零值，但略低于第二参考电压。
在一实施方案中，光电流持续充电电容，使电容的电压从初始电压增加至达到第一参考电压时，控制电路依据比较器输出的高准位的比较信号，以关闭充电开关电路，而开启放电开关电路。
在一实施方案中，当控制电路关闭充电开关电路，而开启放电开关电路时，光电流流经第一放电开关至电容，使电容的电压逐渐下降。
在一实施方案中，当电容的电压下降至达到第二参考电压时，控制电路开启充电开关电路，而关闭放电开关电路。
在一实施方案中，所述的双斜率光传感器还包含电流镜。电流镜的输入端连接光电组件。电流镜的输出端连接第一充电开关的第一端以及第一放电开关的第一端。
在一实施方案中，所述电流镜包含第一晶体管以及第二晶体管。第一晶体管的第一端以及第二晶体管的第一端耦接共用电压。第一晶体管的第二端连接第一晶体管的控制端、第二晶体管的控制端以及光电组件的第一端。光电组件的第二端接地。第二晶体管的第二端连接第一充电开关的第一端以及第一放电开关的第一端。
在一实施方案中，所述双斜率光传感器还包含电流源。电流源连接电流镜的输出端并接地。
如上所述，本发明提供一种双斜率光传感器，其内设有充电开关电路以及放电开关电路，取代传统光传感器中的NMOS或PMOS的配置。不同于传统光传感器，本发明的双斜率光传感器是利用光电组件的光电流来进行电容的充放电作业。在持续对电容充电之前，先将电容的电压充电至大于零值的初始电压，并在每次电容放电时，电容的电压仅下降至此初始电压而不放电至零值，以避免电流不稳定的问题。
本发明的双斜率光传感器不需传统传感器重置延迟时间，提升感测效率，改善了传统光传感器线性度不佳的问题，因此相比于传统光传感器，本发明的双斜率光传感器可得到精确的感测结果。
为使能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为本发明实施例的双斜率光传感器在充电模式下的电路布局图。
图2为本发明实施例的双斜率光传感器在放电模式下的电路布局图。
图3为本发明实施例的双斜率光传感器的信号波形图。
图4为本发明实施例的双斜率光传感器与理想传感器的比较器的比较电压次数对时间的曲线图。
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。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。
请参阅图1，其中图1为本发明实施例的双斜率光传感器在充电模式下的电路布局图；图3为本发明实施例的双斜率光传感器的信号波形图。
如图1所示，本发明实施例的双斜率光传感器可包含光电组件PD、电容Cap、充电开关电路SW1、放电开关电路SW2、比较器CMP以及控制电路COT。
其中，充电开关电路SW1可包含第一充电开关SW11、第二充电开关SW12、第三充电开关SW13以及第四充电开关SW14。另一方面，放电开关电路SW2可包含第一放电开关SW21、第二放电开关SW22、第三放电开关SW23以及第四放电开关SW24。
值得注意的是，充电开关电路SW1的第一充电开关SW11的第一端可连接光电组件PD的第一端例如阴极端，第一充电开关SW11的第二端可连接电容Cap的第一端。光电组件PD的第二端例如正极端可接地。
若有需要，本发明实施例的双斜率光传感器还可包含电流镜MR。电流镜MR的输入端可连接光电组件PD的第一端例如阴极端，而电流镜MR的输出端则可连接第一充电开关SW11的第一端。
详言之，电流镜MR可包含第一晶体管T1以及第二晶体管T2。第一晶体管T1的第一端以及第二晶体管T2的第一端可耦接一共用电压，即连接一共享电源以接收共用电压或实务上为共享电流。第一晶体管T1的第二端可连接第一晶体管T1的控制端、第二晶体管T2的控制端以及光电组件PD的第一端例如阴极端。第二晶体管T2的第二端可连接第一充电开关SW11的第一端以及第一放电开关SW21的第一端。
值得注意的是，第二充电开关SW12的第一端可连接电容Cap的第二端，第二充电开关SW12的第二端接地。第三充电开关SW13的第一端可连接电容Cap的第一端。第四充电开关SW14的第一端可耦接第一参考电压Vref1。
另一方面，放电开关电路SW2的第一放电开关SW21的第一端可连接电流镜MR的输出端，即电流镜MR的第二晶体管T2的第二端。若有需要，本发明实施例的双斜率光传感器还可包含电流源CS，用以辅助供应电流。电流源CS的第一端连接电流镜MR的第二晶体管T2的第二端，而电流源CS的第二端接地。
第一放电开关SW21的第二端可连接电容Cap的第二端。第二放电开关SW22的第一端可连接电容Cap的第一端，第二放电开关SW22的第二端则接地。第三放电开关SW23的第一端可连接电容Cap的第二端。第四放电开关SW24的第一端可耦接第二参考电压Vref2。
进一步，比较器CMP的第一比较输入端例如非反相输入端可连接第三充电开关SW13的第二端以及第四放电开关SW24的第二端。比较器CMP的第二比较输入端例如反相输入端可连接第四充电开关SW14的第二端以及第三放电开关SW23的第二端。
控制电路COT可连接比较器CMP的输出端、充电开关电路SW1的第一充电开关SW11、第二充电开关SW12、第三充电开关SW13以及第四充电开关SW14所有的控制端，以及放电开关电路SW2的第一放电开关SW21、第二放电开关SW22、第三放电开关SW23以及第四放电开关SW24所有的控制端。
控制电路COT可输出比较器CMP的比较信号CMPO至外部电路，并可依据比较信号CMPO输出控制信号，以控制充电开关电路SW1与放电开关电路SW2的运作。
详言之，在如图1所示的充电模式下，控制电路COT控制充电开关电路SW1开启，即开启第一充电开关SW11、第二充电开关SW12、第三充电开关SW13以及第四充电开关SW14，并控制放电开关电路SW2关闭，即关闭第一放电开关SW21、第二放电开关SW22、第三放电开关SW23以及第四放电开关SW24。
光电组件PD配置以将照射通过光电组件PD的光能转换为光电流。光电组件PD的光电流通过电流镜MR(以一定比例放大后)流至第一充电开关SW11，接着流至电容Cap，以对电容Cap充电，使电容Cap的电压Vcap增加。
值得注意的是，如图3所示，光电组件PD的光电流先将电容Cap的电压(从零电压)充电至初始电压，此初始电压大于零值但略低于第二参考电压Vref2。在光电组件PD的光电流先将电容Cap的电压Vcap(从零电压)充电至初始电压后，光电组件PD的光电流持续对电容Cap充电，使得如图3所示电容Cap的电压Vcap的信号产生第一个波形的上升/充电波段。
当如图1所示的充电开关电路SW1开启时，第三充电开关SW13允许比较器CMP的第一比较输入端例如非反相输入端取得电容Cap的电压Vcap，而比较器CMP的第二比较输入端例如反相输入端透过第四充电开关SW14耦接第一参考电压Vref1以取得第一参考电压Vref1。
举例而言，在本实施例中，比较器CMP的第一比较输入端为非反相输入端，而比较器CMP的第二比较输入端为反相输入端，在此仅举例说明，本发明不以此为限。
当比较器CMP判断比较器CMP的第一比较输入端的电压(即电容Cap的电压Vcap)未达到比较器CMP的第二比较输入端(即第一参考电压Vref1)的电压时，比较器CMP输出如图3所示的低准位的比较信号CMPO，控制电路COT据以持续控制充电开关电路SW1开启，并控制放电开关电路SW2关闭。
在充电模式下，即如图1所示的光电组件PD的光电流对电容Cap充电过程中，如图3所示的充电开关信号SWS1为高准位，对准电容Cap的电压Vcap的信号波形的上升/充电波段，代表如图1所示的充电开关电路SW1为开启状态，而放电开关信号SWS2为低准位，代表放电开关电路SW2为关闭状态。
请一并参阅图1至图3，其中图1为本发明实施例的双斜率光传感器在充电模式下的电路布局图，而图2为本发明实施例的双斜率光传感器在放电模式下的电路布局图；图3为本发明实施例的双斜率光传感器的信号波形图。如图1和图2所示的电路配置相同，相同内容不在此赘述。
接着，当比较器CMP的第一比较输入端的电压(即电容Cap的电压Vcap)充电至达到比较器CMP的第二比较输入端的电压(即第一参考电压Vref1)时，控制电路COT依据比较器CMP输出的高准位的比较信号CMPO，以切换充电开关电路SW1以及放电开关电路SW2。
详言之，在如图2所示的放电模式下，控制电路COT依据高准位的比较信号CMPO，控制第一充电开关SW11、第二充电开关SW12、第三充电开关SW13以及第四充电开关SW14关闭，并控制第一放电开关SW21、第二放电开关SW22、第三放电开关SW23以及第四放电开关SW24开启。
如图3所示，在放电模式下，充电开关信号SWS1为低准位，对准电容Cap的电压Vcap的信号波形的下降/放电波段，代表如图2所示的充电开关电路SW1为关闭状态，而放电开关信号SWS2为高准位，代表如图2所示的放电开关电路SW2为开启状态。
如图2所示，当放电开关电路SW2开启时，第四放电开关SW24允许比较器CMP的第一比较输入端例如非反相输入端耦接第二参考电压Vref2以取得第二参考电压Vref2，而第三放电开关SW23以及第二放电开关SW22允许比较器CMP的第二比较输入端例如反相输入端取得电容Cap的电压Vcap。
在放电模式下，如图2所示的充电开关电路SW1关闭，并且放电开关电路SW2开启，光电组件PD的光电流依序流过电流镜MR以及第一放电开关SW21后，流至电容Cap。在电容Cap放电过程中，电容Cap的电压Vcap持续下降，如图3所示的电容Cap的电压Vcap的信号产生第一个波形的下降/放电波段。
而当电容Cap的电压Vcap如图3所示下降至达到(即等于或小于)第二参考电压Vref2时，比较器CMP如图3所示输出高准位的比较信号CMPO，控制电路COT据以开启充电开关电路SW1，而关闭放电开关电路SW2。如图3所示，充电开关信号SWS1从低准位转为高准位，关闭放电开关信号SWS2从高准位转为低准位，此时电容Cap从放电模式切换回充电模式，接着产生如图3所示的第二个波形的上升/充电波段。
值得注意的是，如图3所示，电容Cap的电压Vcap最多下降至初始电压，此初始电压大于零值但略低于第二参考电压Vref2。下次充电时，电容Cap的电压Vcap从初始电压持续增加。
请一并参阅图1至图4，其中图4为本发明实施例的双斜率光传感器与理想传感器的比较器的比较电压次数对时间的曲线图。
承如上述，在外部光源持续照射双斜率光传感器的过程中，双斜率光传感器的光电组件PD将持续供应光电流，使得如图1所示的电容Cap反复进行充电和放电，使得电容Cap如图3所示的电压Vcap的信号产生多个波形，每个波形具有上升/充电波段以及下降/放电波段。
在电容Cap充放电过程中，比较器CMP进行如图1所示的电容Cap的电压Vcap与第一参考电压Vref1或与第二参考电压Vref2的比较作业。
在比较器CMP进行多次比较作业后，例如图4举例执行9次比较作业，比较器CMP输出的比较信号CMPO具有多个低准位、高准位的位值，提供外部电路例如计数器累积计数，作为光强度、待测物体与设有双斜率光传感器的电子装置之间的距离的判断依据。
如图4所示的优化理想曲线I代表优化理想光传感器的比较器比较的电压对时间的曲线，而实测曲线R代表本发明实施例的双斜率光传感器的比较器比较的电压对时间的曲线。
传统光传感器的非理想曲线P将远远偏离优化理想曲线I，呈非线性/非理想状态，特别是供应大电流时至电容Cap时。相较之下，如图4所示，本发明实施例的双斜率光传感器的实测曲线R基本上已接近优化理想曲线I，具有高线性度。因此，本发明的双斜率光传感器可得到相较于传统方式更为精准之数值结果。
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的双斜率光传感器，其内设有充电开关电路以及放电开关电路，取代传统光传感器中的NMOS或PMOS的配置。不同于传统光传感器，本发明的双斜率光传感器是利用光电组件的光电流来进行电容的充放电作业。在持续对电容充电之前，先将电容的电压充电至大于零值的初始电压，并在每次电容放电时，电容的电压仅下降至此初始电压而不放电至零值，以避免电流不稳定的问题。
本发明的双斜率光传感器不需传统传感器重置延迟时间，提升感测效率，改善了传统光传感器线性度不佳的问题，因而相比于传统光传感器，本发明的双斜率光传感器可得到精确的感测结果。
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，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书内。
Claims (6)
1.一种双斜率光传感器，其特征在于，所述双斜率光传感器包含：
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；
电容；
充电开关电路，包含：
第一充电开关，所述第一充电开关的第一端连接所述光电组件，所述第一充电开关的第二端连接所述电容的第一端；
第二充电开关，所述第二充电开关的第一端连接所述电容的第二端，所述第二充电开关的第二端接地；
第三充电开关，所述第三充电开关的第一端连接所述电容的第一端；及
第四充电开关，所述第四充电开关的第一端耦接一第一参考电压；
放电开关电路，包含：
第一放电开关，所述第一放电开关的第一端连接所述光电组件，所述第一放电开关的第二端连接所述电容的第二端；
第二放电开关，所述第二放电开关的第一端连接所述电容的第一端，所述第二放电开关的第二端接地；
第三放电开关，所述第三放电开关的第一端连接所述电容的第二端；及
第四放电开关，所述第四放电开关的第一端耦接一第二参考电压；
比较器，所述比较器的第一比较输入端连接所述第三充电开关的第二端以及所述第四放电开关的第二端，所述比较器的第二比较输入端连接所述第四充电开关的第二端以及所述第三放电开关的第二端，所述比较器配置以比较所述第一比较输入端的电压与所述第二比较输入端的电压以输出一比较信号；以及
控制电路，连接所述比较器的输出端、所述充电开关电路以及放电开关电路，配置以输出所述比较信号，并依据所述比较信号输出控制信号，以控制所述充电开关电路以及所述放电开关电路；
其中，在充电模式下，所述控制电路开启所述第一充电开关、所述第二充电开关、所述第三充电开关以及所述第四充电开关，并关闭所述第一放电开关、所述第二放电开关、所述第三放电开关以及所述第四放电开关，使所述光电组件的所述光电流先将所述电容的电压充电至初始电压，所述初始电压大于零值但低于所述第二参考电压，且在所述光电组件的所述光电流将所述电容的电压充电至所述初始电压后，所述光电组件的所述光电流持续对所述电容充电；
其中，在放电模式下，所述控制电路关闭所述第一充电开关、所述第二充电开关、所述第三充电开关以及所述第四充电开关，并开启所述第一放电开关、所述第二放电开关、所述第三放电开关以及所述第四放电开关，直到当所述电容的电压下降至等于所述初始电压时从所述放电模式切换回所述充电模式。
2.根据权利要求1所述的双斜率光传感器，其特征在于，所述比较器的所述第一比较输入端为非反相输入端，所述比较器的所述第二比较输入端为反相输入端。
3.根据权利要求1所述的双斜率光传感器，其特征在于，所述光电流持续充电所述电容，使所述电容的电压从所述初始电压增加至达到所述第一参考电压时，所述控制电路依据所述比较器输出的高准位的所述比较信号，以关闭所述充电开关电路，而开启所述放电开关电路。
4.根据权利要求1所述的双斜率光传感器，其特征在于，所述双斜率光传感器还包含电流镜，所述电流镜的输入端连接所述光电组件，所述电流镜的输出端连接所述第一充电开关的第一端以及所述第一放电开关的第一端。
5.根据权利要求4所述的双斜率光传感器，其特征在于，所述电流镜包含第一晶体管以及第二晶体管，所述第一晶体管的第一端以及所述第二晶体管的第一端耦接共用电压，所述第一晶体管的第二端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光电组件的第一端，所述光电组件的第二端接地，所述第二晶体管的第二端连接所述第一充电开关的第一端以及所述第一放电开关的第一端。
6.根据权利要求5所述的双斜率光传感器，其特征在于，所述双斜率光传感器还包含电流源，所述电流源连接所述电流镜的输出端并接地。
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