CN115931122A - 光感测器电路 - Google Patents

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Abstract

一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电容单元。借由电容单元控制让该光电二极管的阴极保持与该光电二极管的阳极相同或接近的电压准位，能够大幅降低光电二极管暗电流的影响，使光感测器电路应用于模拟数字转换装置时，能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度，且显著降低电路设计难度及制造成本。

Description

光感测器电路
技术领域
本发明关于一种光感测器电路，尤其是减一种运用光电二极管的光感测器电路。
背景技术
透过光感应技术所实现的光传感器广泛使用于许多应用之中，举例来说，环境光传感器(ambient light sensor，ALS)可应用于电子产品中以感测环境光的强度，以供调整显示屏幕的亮度。光传感器亦可用于量测空间中的距离或位置，举例来说，行动装置通常包含距离传感器(proximity sensor)，距离传感器可用来侦测用户的脸部与电子装置的显示屏幕之间的距离。借此，当距离传感器靠近使用者的脸部时，电子装置即可关闭显示屏幕及触控功能。
一般而言，光传感器需使用一模拟数字转换装置(Analog-to-digitalconverter,ADC)，以将感测光线所产生的模拟输入讯号转换为可被数字电路处理的数字讯号。模拟数字转换装置的种类繁多，且各自具有不同的运作机制、特性及功能。中国公告第107124184号专利案揭露了一种具高动态操作范围与高线性度的模拟数字转换装置，其利用一积分单元及其他相应电路，将一光电二极管感测光线并取得的一模拟输入讯号转换为一数字讯号。
然而这种模拟数字转换装置会遇到的问题是，光电二极管存在接面电容(Junction Capacitance)与暗电流(Dark Current)等特性。举例来说如图1所示，一光感测器电路9的讯号是源于一光电二极管90所产生的光电流，其中光电流内包含暗电流IDARK和光照电流IPD加总而成。为了提升传感器的线性度，在做精确的传感器量测时，需要预先校正暗电流IDARK，避免使其影响积分单元92，而降低感测结果的精确度。
虽然申请人先前提出的中国公开第112449126号专利申请案已提出了一种光感测器电路8，其可以减少光电二极管80的接面电容，以提升模拟前端电路的充放电速度及精确度。然而请参照图2所示，该专利申请案必须使用一电压随耦器82来控制光电二极管80两端的偏压，如此就必须额外考虑用来构成电压随耦器82的运算放大器或相应电路的驱动能力、误差值等条件。而且如图1所示，如果积分单元92实务上操作在一个参考电压VCM下，则更会增加该专利案的设计难度。
鉴于上述问题，本发明提供另一种光感测器电路，来解决光电二极管的接面电容或暗电流等问题。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电容单元。借由电容单元控制让该光电二极管的阴极保持与该光电二极管的阳极相同或接近的电压准位，使该光电二极管可视接面电容等效趋近于零，更能够大幅降低光电二极管暗电流的影响，故当光感测器电路应用于模拟数字转换装置时，而能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。再者，本发明中仅需通过电容元件及开关元件等简单电路构造即可降低光电二极管暗电流的影响，显著降低了电路设计难度及制造成本。
本发明关于一种光感测器电路，其包含一光电二极管、一积分单元及一电容单元。该光电二极管的阴极耦接于该电容单元的一第一侧，该积分单元的一积分输入端耦接于该电容单元的一第二侧，该积分单元的一积分电容的两端分别耦接该电容单元的第一侧及该积分单元的一积分输出端，且电容单元的一开关元件耦接于该光电二极管的阳极与该电容单元的第一侧之间。
附图说明
图1：其为现有模拟数字转换电路的局部电路示意图；
图2：其为现有光感测器电路的局部电路示意图；
图3：其为本发明实施例的光感测器电路的架构图；
图4：其为现有技术与本发明实施例中光电二极管的暗电流与温度的关系曲线示意图；及
图5：其为本发明另一实施例的光感测器电路的架构图。
【图号对照说明】
1                        光感测器电路
10                       光电二极管
12                       积分单元
14                       电容单元
14a                      第一侧
14b                      第二侧
140                      保持电容
142                      开关元件
144                      控制单元
146                      开关元件
VIN                       积分输入端
VOUT                      积分输出端
Cf                       积分电容
VCM                      参考电压
IPD                       光照电流
IDARK                      暗电流
Vdiff                    偏压
9、8                      光感测器电路
90、80                    光电二极管
92                       积分单元
82                       电压随耦器
具体实施方式
为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇指称特定的元件，然，所属本发明技术领域中具有通常知识者可能会用不同的名词称呼同一个元件，而且，本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在整体技术上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」为一开放式用语，故应解释成「包含但不限定于」。再者，「耦接」一词在此包含直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接一第二装置，则代表第一装置可直接连接第二装置，或可透过其他装置或其他连接手段间接地连接至第二装置，使第一装置与第二装置间可相互传递讯号。
请参阅图3，其为本发明一实施例的光感测器电路1的架构图。如图所示，光感测器电路1包含一光电二极管10、一积分单元12及一电容单元14。该光电二极管10的阳极(Anode)耦接于系统的一共享讯号端，在本实施例中以接地端表示，惟本发明并不以此为限。该光电二极管10的阴极(Cathode)耦接于该电容单元14的一第一侧14a。
该积分单元12应用于前述模拟数字转换装置的积分电路，其包含一积分输入端VIN、一积分输出端VOUT及一积分电容Cf，该积分输入端VIN耦接于该电容单元14的一第二侧14b，且该积分电容Cf的两端分别耦接该电容单元14的第一侧14a及该积分输出端VOUT。在本实施例中以运算放大器实现的基本积分电路举例说明，故该积分单元12包含一运算放大器，该运算放大器的一非反相输入端可接收一参考电压VCM，该运算放大器的一反相输入端则为该积分输入端VIN，该运算放大器的一输出端则为该积分输出端VOUT。
换言之，相较图1所示现有技术中，积分单元92的积分电容Cf的两端都是耦接该积分单元92的积分输入端VIN与积分输出端VOUT；在本实施例中额外设置了该电容单元14，并且将该积分电容Cf的两端分别耦接该电容单元14的第一侧14a及该积分输出端VOUT，再将该积分输入端VIN耦接于该电容单元14的第二侧14b。
以下详述该电容单元14的详细构造及作动方式。该电容单元14包含一保持电容140、一开关元件142及一控制单元144。该保持电容140的两端即为该电容单元14的第一侧14a与第二侧14b。该开关元件142耦接于该光电二极管10的阳极与该第一侧14a之间。该控制单元144则耦接该开关元件142以控制该其导通或截止。该控制单元144于该积分单元12尚未进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件142导通，使该电容单元14的第一侧14a保持与该光电二极管10的阳极相同的电压准位。在本实施例中该光电二极管10的阳极耦接于接地端，故该开关元件142可以耦接于接地端与该第一侧14a之间。如此当该控制单元144控制该开关元件142导通时，可使该电容单元14的第一侧14a保持为地电压。
该控制单元144于该积分单元12进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件142截止。此时该光电二极管10因接收到光线而形成的光照电流IPD可以通过该积分电容Cf，使该积分单元12进行积分操作。其中该电容单元14的保持电容140在该开关元件142截止后仍可以保持一电压差，进而使该电容单元14的第一侧14a保持与该光电二极管10的阳极相同或接近的电压准位(在本实施例中即地电压)。据此，即使本实施例中，该运算放大器的非反相输入端所接收的参考电压VCM非为地电压，该电容单元14的第一侧14a仍然可以保持在地电压或至少接近地电压，使该光电二极管10保持在零偏压或接近零偏压的状态。该开关元件142可以由金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、双极性接面型晶体管(BJT)或其他电路开关元件构成。
所谓暗电流IDARK为光电二极管没有接收到光线时，光电二极管本身受偏压影响产生的电流，其电流公式如下所示：
Figure BDA0003881292490000061
其中，ICO为逆向饱合电流，VT(单位：V)为温度T(单位：°K)/11600，其与温度成正相关，V为光电二极管偏压值，η为光电二极管材质系数。由上式可知，若光电二极管偏压为0V，将不受系数VT影响其暗电流。
据此，本发明实施例通过让该电容单元14的第一侧14a保持与该光电二极管10的阳极相同或接近的电压准位，可以使该光电二极管10保持在零偏压或接近零偏压的状态，使该光电二极管10两端不会受瞬时电压浮动的影响，亦即该光电二极管10的接面电容不会形成充放电电流。借此，本发明的光感测器电路1可以让该光电二极管10的可视接面电容等效趋近于零，更可大幅降低光电二极管10暗电流的影响。
相较之下，如图1所示，在现有技术中积分单元92的积分电容Cf的两端都是耦接该积分单元12的积分输入端VIN与积分输出端VOUT，此时如果积分单元12的一非反相输入端是接收一参考电压VCM进行操作，由于运算放大器的虚短路特性，参考电压VCM会被耦合至积分输入端VIN，如果参考电压VCM不等于光电二极管90的阳极电压，即导致光电二极管90的两端形成非零的一偏压Vdiff，此时该光电二极管90必然会受温度影响而形成暗电流。
请参照图4所示，其中S1为现有技术中光电二极管90的暗电流与温度的关系曲线，S2为本发明前述实施例中光电二极管10的暗电流与温度的关系曲线。比较S1、S2即可知，通过本发明前述实施例来控指使光电二极管10保持在零偏压或接近零偏压的状态，确实能够大幅降低光电二极管10暗电流的影响，且其效果随着温度升高将越趋显著。
需要说明的是，虽然本实施例中该电容单元14的控制单元144可以是一独立设置的电路，以供产生控制该开关元件142所需的控制讯号。然而实际上在模拟数字转换装置中，均存在该积分单元12是否进行积分操作的频率控制讯号。因此该控制单元144实务上可以整合于模拟数字转换装置的控制电路中，以直接利用模拟数字转换装置原有的频率控制讯号来控制该开关元件142导通或截止。
请参照图5所示，其为本发明另一实施例的光感测器电路1的架构图。与前述实施例差异的处在于，该电容单元14包含另一开关元件146，该另一开关元件146耦接于该积分单元12的积分输入端VIN与积分输出端VOUT之间。该控制单元144则耦接该另一开关元件146，以控制其与该开关元件142同步导通或截止。借此，该控制单元144于该积分单元12尚未进行积分操作的时间区间内，控制该另一开关元件146导通，使该电容单元14的第二侧14b保持与该积分输出端VOUT相同的电压准位。该控制单元144并于该积分单元12进行积分操作的时间区间内，控制该另一开关元件146截止。此时该积分单元12的积分输入端VIN与积分输出端VOUT之间不再具有该积分电容Cf及该保持电容140以外的讯号导通路径，使该积分单元12进行积分操作。
通过额外设置该另一开关元件146来在该积分单元12尚未进行积分操作时，控制使该电容单元14的第二侧14b保持与该积分输出端VOUT相同的电压准位，如此该积分单元12进行积分操作时，该电容单元14的保持电容140更容易保持一电压差，以使该电容单元14的第一侧14a保持与该光电二极管10的阳极相同或接近的电压准位。
综上所述，本发明提供一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电容单元。借由电容单元控制让该光电二极管的阴极保持与该光电二极管的阳极相同或接近的电压准位，使该光电二极管可视接面电容等效趋近于零，更能够大幅降低光电二极管暗电流的影响，故当光感测器电路应用于模拟数字转换装置时，而能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。
再者，相较于前述现有技术中，是通过运算放大器或共汲极放大器等电路组成的电压随耦器来控制光电二极管两端的电压，在本发明各实施例中仅需通过电容元件及开关元件等简单电路构造即可达到相同的技术效果，显著降低了电路设计难度及制造成本。
上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种光感测器电路，其特征在于，其包含：
一光电二极管，包含一阳极及一阴极；
一积分单元，包含一积分输入端、一积分输出端及一积分电容；及
一电容单元，包含一保持电容及一开关元件，该保持电容的两端为该电容单元的一第一侧与一第二侧；
其中该光电二极管的阴极耦接于该电容单元的第一侧，该积分输入端耦接于该电容单元的第二侧，该积分电容的两端分别耦接该电容单元的第一侧及该积分输出端，且该开关元件耦接于该光电二极管的阳极与该电容单元的第一侧之间。
2.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该电容单元另包含一控制单元，该控制单元耦接该开关元件以控制该其导通或截止。
3.如权利要求2所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该控制单元于该积分单元尚未进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件导通；且于该积分单元进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件截止。
4.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该电容单元包含另一开关元件，该另一开关元件耦接于该积分单元的积分输入端与积分输出端之间。
5.如权利要求4所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该电容单元另包含一控制单元，该控制单元耦接该开关元件及该另一开关元件，以控制该其导通或截止。
6.如权利要求5所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该控制单元于该积分单元尚未进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件及该另一开关元件导通；且于该积分单元进行积分操作的时间区间内，控制该开关元件及该另一开关元件截止。
7.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该积分单元包含一运算放大器，该运算放大器的一非反相输入端接收一参考电压，该运算放大器的一反相输入端为该积分输入端，该运算放大器的一输出端则为该积分输出端。
8.如权利要求7所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该参考电压不等于该光电二极管的阳极电压。
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