CN115962847A - 光传感器电路及其光电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光传感器电路及其光电流检测方法，通过设置第一电容隔离光电二极管和运算放大器，利用运算放大器使得第一电容的一端的电位保持不变且第一电容无电流通路，从而能使第一电容存储的电荷量保持不变，以使得第一电容另一端的电位也能保持不变。而通过第一开关初始接地使第一电容的第二端的电位为0的前提下，第一电容的第二端的电位能保持为0，从而使光电二极管的偏置电位始终为0，由此在第二电容和运算放大器构成的积分电路对光电二极管的有效光电流进行积分的过程中，光电二极管的偏置电压能始终为0，从而大大减小了光电二极管的暗电流，能提高该电路在弱光下测量光电二极管的光电流的能力，即提高了该电路的灵敏度。

Description

光传感器电路及其光电流检测方法

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，尤其涉及一种光传感器电路及其光电流检测方法。

背景技术

在光传感器电路中，光电二极管产生的有效光电流Ipd为光电流Ipd’和暗电流Idark总和，即Ipd＝Ipd’+Idark，根据光电二极管的响应度R可以定义为给定波长λ下，产生的光电流Ipd’与入射光功率P之比：R(λ)＝Ipd’/P，因此在给定波长λ下，光电流Ipd’能成正比的反映光电二极管受到的入射光功率，即能光电二极管受到的光照强度越大，光电流Ipd’越大。其中，光电二极管的暗电流Idark是指无光照时产生的电流，光电二极管的暗电流Idark与偏置电压有关，当偏置电压较低时，暗电流Idark较小，当偏置电压超过临界点时，暗电流Idark较大。

在光电二极管受到的光照强度较弱时，光电流Ipd’较小，因此暗电流Idark对光电流Ipd’的影响较大，若光电二极管的偏置电压不为0，则暗电流Idark也不为0，且当偏置电压的绝对值越大时，暗电流Idark越大，使得弱光产生的光电流Ipd’可能会被湮没在暗电流Idark中，通过测量有效光电流Ipd无法检测出弱光产生的光电流Ipd’，导致弱光产生的有效光电流Ipd的测量很不准确，从而降低了光传感器电路的灵敏度，使得光传感器电路无法测量弱光下的光强度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种光传感器电路，以提高光传感器电路在弱光下测量光强度的能力，从而提高光传感器电路的灵敏度。

第一方面，本发明实施例提供一种光传感器电路，包括：

光电二极管，电耦合在第一节点与地之间；

第一开关，电耦合在所述第一节点与地之间，用于将所述第一节点的电位置为0；

第一电容，电耦合在所述第一节点和第二节点之间，用于使所述第一节点的电位保持为0，以使得所述光电二极管的偏置电位保持为0；

运算放大器，第一输入端连接第一参考电压，第二输入端连接所述第二节点，输出端连接第三节点，用于使所述第二节点的电位保持稳定；

第二开关，电耦合在所述第二节点和所述第三节点之间；

第二电容，电耦合在所述第一节点和所述第三节点之间，用于与所述运算放大器构成积分电路，以根据所述光电二极管产生的有效光电流生成输出电压。

在一些实施例中，该光传感器电路还包括：比较器，第一输入端连接所述第三节点，第二输入端连接第二参考电压，用于在所述运算放大器的输出电压大于所述第二参考电压时，输出脉冲信号。

在一些实施例中，所述比较器还用于根据所述脉冲信号触发所述第一开关和所述第二开关闭合。

在一些实施例中，该光传感器电路还包括：

第三开关，电耦合在所述第一节点和第四节点之间；

第四开关，电耦合在所述第四节点和地之间，用于将所述第四节点的电位置为0；

第三电容，电耦合在所述第四节点和第五节点之间，用于与所述第二电容之间转移电荷；

第五开关，电耦合在所述第五节点和地之间，用于将所述第五节点的电位置为0；

第六开关，电耦合在所述第五节点和第三参考电压之间，用于将所述第五节点的电位置为所述第三参考电压。

在一些实施例中，所述比较器还用于根据所述脉冲信号触发所述第三开关、所述第四开关、第五开关和所述第六开关闭合。

在一些实施例中，所述第一开关和所述第二开关的初始状态为闭合状态，所述第三开关和所述第六开关的初始状态为断开状态，所述第四开关和所述第五开关的初始状态为闭合状态。

第二方面，本发明实施例还提供一种光传感器电路的光电流检测方法，包括：

闭合第一开关和第二开关，以初始化第一电容和第二电容；

断开所述第一开关和所述第二开关，利用运算放大器和所述第二电容构成的积分电路，根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流。

在一些实施例中，该光传感器电路的光电流检测方法还包括：

当所述输出电压大于第二参考电压时，所述比较器输出脉冲信号；

根据所述脉冲信号触发所述第一开关和所述第二开关闭合，以初始化所述第一电容和所述第二电容；

待所述第一电容和所述第二电容初始化完毕，断开所述第一开关和所述第二开关。

在一些实施例中，所述根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流，具体包括：

多次初始化所述第一电容和所述第二电容，以及根据所述光电二极管产生的有效光电流生成所述输出电压；

基于所述输出电压的周期变化，根据所述第一参考电压、所述第二参考电压、所述运算放大器的第一输入端与第二输入端的电位差，以及所述第二电容的电容值，获取所述光电二极管产生的有效光电流。

在一些实施例中，该光传感器电路的光电流检测方法还包括：

闭合第四开关和第五开关，以初始化第三电容；

当所述输出电压大于第二参考电压时，所述比较器输出脉冲信号；

根据所述脉冲信号触发所述第四开关和所述第五开关断开，以及所述第三开关和所述第六开关闭合，使所述第三电容的一端的电位为第三参考电压，另一端的电位为0，此时，所述第一电容存储的电荷量保持不变，所述第二电容和所述第三电容之间进行电荷转移；

待所述第二电容和所述第三电容之间电荷转移完毕，断开所述第三开关和所述第六开关，闭合所述第四开关和所述第五开关。

在一些实施例中，所述根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流，具体包括：

多次在所述第二电容和所述第三电容之间进行电荷转移，以及根据所述光电二极管产生的有效光电流生成输出电压；

基于所述输出电压的周期变化，根据所述第三参考电压和所述第三电容的电容值，获取所述光电二极管产生的有效光电流。

本发明实施例提供的光传感器电路及其光电流检测方法中，通过设置第一电容隔离光电二极管和运算放大器，其中，第一电容的第一端与运算放大器的第一输入端连接，第二端与光电二极管连接。根据运算放大器的虚短特性，运算放大器能使得第一电容的第一端的电位保持不变且第一电容无电流通路，从而能使第一电容存储的电荷量保持不变，以使得第一电容的第二端的电位也能保持不变。而通过第一开关初始接地使第一电容的第二端的电位为0的前提下，第一电容的第二端的电位能保持为0，从而使光电二极管的偏置电位始终为0，由此在第二电容和运算放大器构成的积分电路对光电二极管的有效光电流进行积分的过程中，光电二极管的偏置电压能始终为0，从而大大减小了光电二极管的暗电流，能提高该电路在弱光下测量光电二极管的光电流的能力，即提高了该电路的灵敏度。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1(a)为现有技术提供的第一种初始电路图；

图1(b)为现有技术提供的第一种初始电路图的时序图；

图2(a)为现有技术提供的第二种初始电路图；

图2(b)为现有技术提供的第二种初始电路图的时序图；

图3为本发明实施例提供的光传感器电路的第一种基本电路图；

图4为本发明实施例提供的光传感器电路的第二种基本电路图；

图5(a)为本发明实施例提供的第一种改进电路图；

图5(b)为本发明实施例提供的第一种改进电路图的时序图；

图6(a)为本发明实施例提供的第二种改进电路图；

图6(b)为本发明实施例提供的第二种改进电路图的时序图。

图7为图3的本发明实施例提供第一种基本电路的光电流检测方法的流程示意图；

图8为图5(a)的本发明实施例提供第一种改进电路的光电流检测方法的流程示意图；

图9为图6(a)的本发明实施例提供第二种改进电路的光电流检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，理想运算放大器工作在线性区时具有虚短特性，即运算放大器的第一输入端和第二输入端的电位相同，但由于运算放大器的两个输入端之间存在失配现象，因此运算放大器的第一输入端和第二输入端之间总会存在一定的电位差，以下本发明提供的各个实施例中，将运算放大器的第一输入端和第二输入端之间的电位差设为Vos，即第一输入端的电位为第二输入端的电位叠加Vos。

首先对现有技术提供的两种初始电路进行说明，其中，现有技术提供的两种初始电路(图1(a)和图2(a))与本发明实施例提供的两种改进电路(图5(a)和图6(a))中相同的部件可能采用相同的标号，以便于将现有技术的两种初始电路与本发明实施例的两种改进电路进行比对和理解。在第一种初始电路的时序图1(b)，第二种初始电路的时序图2(b)，第一种改进电路的时序图5(b)和第二种改进电路的时序图6(b)中，开关的高电平表示开关为闭合状态，低电平表示开关为断开状态。

关于现有技术提供的第一种初始电路：参阅图1(a)和图1(b)，首先闭合开关S，初始化电容C2(此处电容C2的两端相连，即为清空电容C2的电荷)，使运算放大器10的输出电压Vout为运算放大器10的第一输入端的电位，即运算放大器10的第二输入端的电位Vcm叠加运算放大器的误差Vos，即Vout＝Vcm+Vos；接下来断开开关S，利用运算放大器10对光电二极管PD产生的有效光电流Ipd进行积分，使运算放大器10的输出电压Vout增加，当运算放大器10的输出电压Vout大于Vrefc时，比较器20输出高电位的脉冲信号，触发开关S再次闭合，再次初始化电容C2，记录一个脉冲pulse，运算放大器10的输出电压Vout再次为Vcm+Vos，由此使得运算放大器10的输出电压Vout在Vcm+Vos与Vrefc之间往复周期变化。在一定的积分时间t内，根据N个脉冲使电容C2存储的电荷变化的总量，可以对光电二极管产生的有效光电流进行量化：Ipd*t/C2＝N(Vrefc-Vcm-Vos)，即Ipd＝N(Vrefc-Vcm-Vos)*C2/t。

关于现有技术提供的第二种初始电路：参阅图2(a)和图2(b)，首先闭合开关S、第四开关S4和第五开关S5，初始化电容C3，此时电容C3存储的电荷为0，并将运算放大器设置为单位增益，使运算放大器10的输出电压Vout为运算放大器10的第一输入端的电位，即Vout＝Vcm+Vos，电容C2左极板存储的电荷为(Vcm+Vos-Vout)*C2，也为0，此时与第一节点P1连接的电容C2左极板和电容C3右极板上存储的电荷量总和即为(Vcm+Vos-Vout)*C2；接下来断开开关S，利用运算放大器10对光电二极管PD产生的有效光电流Ipd进行积分，使运算放大器10的输出电压Vout增加，当运算放大器10的输出电压Vout大于Vrefc时，记录一个脉冲pulse，比较器20输出高电位的脉冲信号，触发第四开关S4和第五开关S5断开、第三开关S3和第六开关S3闭合，使得电容C3左极板的电位变为Vref，电容C3右极板的电位变为Vcm+Vos，则电容C3右极板存储的电荷变为(Vcm+Vos-Vref)*C3，然后电容C2和电容C3之间发生电荷转移使输出电压Vout下降，电容C2左极板存储的电荷变为(Vcm+Vos-Vout’)*C2，Vout’为电荷转移后的运算放大器10的输出电压，此时，电容C2左极板和电容C3右极板的电荷量总和为(Vcm+Vos-Vout’)*C2+(Vcm+Vos-Vref)C3。

根据无导电路径穿过的闭合面内与中心节点连接的电容极板上的电荷总量不变的电荷守恒定律可知，与第一节点P1连接的电容C2左极板和电容C3右极板存储的电荷量总和保持不变，因此，(Vcm+Vos-Vout)*C2＝(Vcm+Vos-Vout’)*C2+(Vcm+Vos-Vref)C3，则△Vout＝Vout’-Vout＝-(Vref-Vcm-Vos)C3/C2，即每次电容C2和电容C3之间发生电荷转移，运算放大器10的输出电压Vout会减少(Vref-Vcm-Vos)C3/C2。重复上述过程，使得输出电压Vout在Vrefc-(Vref-Vcm-Vos)C3/C2与Vrefc之间往复周期变化。在一定的积分时间t内，根据N个脉冲使电容C2存储的电荷变化的总量，可以对光电二极管产生的有效光电流进行量化：Ipd*t/C2＝N(Vref-Vcm-Vos)C3/C2，因此Ipd＝N(Vref-Vcm-Vos)C3/t。

综上所述，现有技术的第一种初始电路和第二种初始电路均存在的共同缺点为：1)、光电二极管的偏置电压均为运算放大器的第一输入端的电位，即运算放大器的第二输入端的电位叠加运算放大器的误差，即Vcm+Vos，即光电二极管的偏置电压不为0，因此光电二极管存在暗电流，会导致电路难以将弱光下的光电流和暗电流区分开来，从而感应弱光光强，使得电路的灵敏度较低。2)、第一种初始电路通过电容C2初始化和第二种初始电路通过电容C2和电容C3之间电荷转移分别得到的光电二极管产生的有效光电流Ipd均与Vos有关，Vos会带来增益误差。

有鉴于此，如图3所示，本发明实施例提供一种光传感器电路，包括：

光电二极管PD，电耦合在第一节点P1与地之间；

第一开关S1，电耦合在第一节点P1与地之间，用于将第一节点P1的电位置为0；

第一电容C1，电耦合在第一节点P1和第二节点P2之间，用于使第一节点P1的电位保持为0，以使得光电二极管PD的偏置电位保持为0；

运算放大器10，第一输入端连接第一参考电压V1，第二输入端连接第二节点P2，输出端连接第三节点P3，用于使所述第二节点的电位保持稳定；

第二开关S2，电耦合在第二节点P2和第三节点P3之间；

第二电容C2，电耦合在第一节点P1和第三节点P3之间，用于与所述运算放大器构成积分电路，以根据所述光电二极管产生的有效光电流生成输出电压Vout。

需要说明的是，由于第二节点P2与运算放大器10的第一输入端连接，根据运算放大器的虚短特性，第二节点P2的电位能保持为运算放大器10的第二输入端的电位V1叠加运算放大器的误差Vos即V1+Vos保持不变。而第一电容C1电耦合在第一节点P1和第二节点P2之间，因此在第二节点P2的电位不变时，第一电容C1的右极板没有电流通路，即没有电流流经第一电容C1，因此第一电容C1存储的电荷量能保持不变，而在第一电容C1存储的电荷量和第二节点P2的电位不变的情况下，第一节点P1的电位也能保持不变，当第一节点P1的电位初始被置为0时，后续能保持为0。

本发明实施例提供的光传感器电路，在第二电容C2和运算放大器10之间设置第一电容C1，通过第一电容C1隔离光电二极管PD和运算放大器10，其中，第一电容C1的第一端与运算放大器10的第一输入端连接，第二端与光电二极管PD连接。根据运算放大器的虚短特性，运算放大器10能使得第一电容C1的第一端的电位保持不变且第一电容C1无电流通路，从而能使第一电容C1存储的电荷量保持不变，以使得第一电容C1的第二端的电位也能保持不变。而通过第一开关S1初始接地使第一电容C1的第二端的电位为0的前提下，第一电容C1的第二端的电位能保持为0，从而使光电二极管PD的偏置电位始终为0，由此在第二电容C2和运算放大器10构成的积分电路对光电二极管PD的有效光电流进行积分的过程中，光电二极管PD的偏置电压能始终为0，从而大大减小了光电二极管PD的暗电流，能提高该电路在弱光下测量光电二极管PD的光电流的能力，即提高了该电路的灵敏度。

可以理解的是，本发明实施例提供的光传感器电路，可以用于检测各种可见光或不可见光的环境光电流。

进一步地，如图4所示，该光传感器电路还包括：比较器20，第一输入端连接第三节点P3，第二输入端连接第二参考电压V2，用于在运算放大器10的输出电压Vout大于第二参考电压V2时，输出脉冲信号。也就是说，比较器20用于通过比较运算放大器10的输出电压Vout与第二参考电压V2的大小，在运算放大器10的输出电压Vout大于第二参考电压V2时，比较器20输出高电位的脉冲信号，以触发后续操作。

基于上述实施例，本发明实施例基于图4的基础电路，提供两种改进电路，第一种改进电路对应于现有技术的第一种初始电路，第二种改进电路对应于现有技术的第二种初始电路。关于第一种改进电路和第二种改进电路的结构和工作流程详见以下各实施例的描述。

需要说明的是，本发明各个实施例的脉冲信号触发对应的开关闭合或断开，是指的基于该脉冲信号，通过比较器20的输出端与对应的开关之间设置的中间电路来控制开关闭合或断开，而并非将比较器20的输出端与对应的开关直接连接，各附图中对于中间电路进行了省略，以脉冲信号和各个开关之间的虚线连接表示。

针对第一种改进电路，参见图5(a)，比较器20用于根据脉冲信号触发第一开关S1和第二开关S2闭合。

针对第二种改进电路，参见图6(a)，该光传感器电路在图5(a)的基础结构上还包括：

第三开关S3，电耦合在第一节点P1和第四节点P4之间；

第四开关S4，电耦合在第四节点P4和地之间，用于将第四节点P4的电位置为0；

第三电容C3，电耦合在第四节点P4和第五节点P5之间，用于与所述第二电容之间转移电荷；

第五开关S5，电耦合在第五节点P5和地之间，用于将第五节点P5的电位置为0；

第六开关S6，电耦合在第五节点P5和第三参考电压V3之间，用于将第五节点P5的电位置为第三参考电压V3。

在第二种改进电路中，比较器20用于根据脉冲信号触发第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6闭合。

需要说明的是，在第一种改进电路和第二种改进电路中，第一开关S1和第二开关S2的初始状态均为闭合状态，在第二种改进电路中，第三开关S3和第六开关S6的初始状态为断开状态，第四开关S4和第五开关S5的初始状态为闭合状态，即，第一开关S1和第二开关S2闭合使第一电容C1和第二电容C2初始化，第四开关S4和第五开关S5闭合使第三电容C3初始化。

基于上述实施例，结合图3和图7，本发明实施例还提供一种光传感器电路的光电流检测方法，包括：

S1、闭合第一开关S1和第二开关S2，并初始化第一电容C1和第二电容C2。

S2、断开第一开关S1和第二开关S2，通过运算放大器10根据光电二极管PD产生的有效光电流生成输出电压Vout，并根据输出电压获取光电二极管PD产生的有效光电流。

本发明实施例提供的光传感器电路的光电流检测方法，通过第一开关S1和第二开关S2使第一电容C1和第二电容C2初始化，使得第一电容C1与运算放大器10的第一输入端连接的一端由运算放大器10的第二输入端置为第一参考电压V1叠加运算放大器的误差Vos即V1+Vos保持不变，第一电容C1与光电二极管PD连接的另一端的电位置为0，然后在第一电容C1存储的电荷量不变且第一电容C1与运算放大器10的第一输入端连接一端的电位保持不变的情况下，使得第一电容C1与光电二极管PD连接的另一端的电位也能保持不变为0，由此使得光电二极管PD的偏置电压为0，从而大大减小了光电二极管PD的暗电流，能提高该电路在弱光下测量光电二极管PD的光电流的能力，即提高了该电路的灵敏度。

结合图5(a)和图8，在第一种改进电路中，该光传感器电路的光电流检测方法还包括：

当输出电压Vout大于第二参考电压V2时，比较器20输出脉冲信号；

根据脉冲信号触发第一开关S1和第二开关S2闭合，以初始化第一电容C1和第二电容C2；

待第一电容C1和第二电容C2初始化完毕，断开第一开关S1和第二开关S2。

进一步地，步骤S2中，根据光电二极管PD产生的有效光电流生成输出电压Vout，并根据输出电压Vout获取光电二极管PD产生的有效光电流，在第一种改进电路图5(a)中具体包括：

多次初始化第一电容C1和第二电容C2，以及根据光电二极管PD产生的有效光电流生成输出电压Vout；

基于输出电压Vout的周期变化，根据第一参考电压V1、第二参考电压V2、运算放大器10的第一输入端与第二输入端的电位差，以及第二电容C2的电容值，获取光电二极管PD产生的有效光电流。

结合6(a)和图9，在第二种改进电路中，该光传感器电路的光电流检测方法还包括：

闭合第四开关S4和第五开关S5，以初始化第三电容C3；

当输出电压Vout大于第二参考电压V2时，比较器20输出脉冲信号；

根据脉冲信号触发第四开关S4和第五开关S5断开，以及第三开关S3和第六开关S6闭合，使第三电容C3的一端的电位为第三参考电压V3，另一端的电位为0，此时，第一电容C1的电荷量保持不变，第二电容C2和第三电容C3之间进行电荷转移；

待第二电容C2和第三电容C3之间电荷转移完毕，断开第三开关S3和第六开关S6，闭合第四开关S4和第五开关S5。

进一步地，步骤S2中，根据光电二极管PD产生的有效光电流生成输出电压Vout，并根据输出电压Vout获取光电二极管PD产生的有效光电流，在第二种改进电路图6(a)中具体包括：

多次在第二电容C2和第三电容C3之间进行电荷转移，以及根据光电二极管PD产生的有效光电流生成输出电压Vout；

基于输出电压Vout的周期变化，根据第三参考电压V3和第三电容C3的电容值，获取光电二极管PD产生的有效光电流。

结合图5(a)和图8，下面详细介绍本发明实施例提供的第一种改进电路的工作流程：

第一开关S1和第二开关S2的初始状态为闭合状态，此时第一节点P1的电位为0，而由于运算放大器10的虚短特性，第二节点P2的电位为V1+Vos(V1为第一参考电压V1，Vos为运算放大器10的第一输入端和第二输入端之间因为失配存在的电位差)，第一电容C1和第二电容C2一端的电位为0，另一端的电位为V1+Vos，使得C1左极板存储的电荷量为-C1*(V1+Vos)，C2左极板存储的电荷量为-C2*(V1+Vos)。

断开第一开关S1和第二开关S2，通过运算放大器10和第二电容C2构成的积分电路对光电二极管PD产生的电流积分生成输出电压Vout，随着时间持续，输出电压Vout一直增大，直至输出电压Vout大于第二参考电压V2，使得比较器20输出高电位的脉冲信号，触发第一开关S1和第二开关S2被再次闭合，使得第一电容C1和第二电容C2两端的电位被初始化，即第一电容C1左极板和第二电容C2左极板存储的电荷恢复到初始值为0，第一节点P1的电位保持为0，即使光电二极管PD的偏置电位保持为0，光电二极管PD几乎没有暗电流。

需要说明的是，第一电容C1和第二电容C2初始化的时长可以自行设置，直至认为第一电容C1和第二电容C2初始化完毕，断开第一开关S1和第二开关S2，然后重复多次当运算放大器10的输出电压Vout大于V2，则触发闭合第一开关S1和第二开关S2，初始化第一电容C1和所述第二电容C2的过程(也就是说，在第一种改进电路中，脉冲信号仅触发第一开关S1和第二开关S2闭合，第一开关S1和第二开关S2闭合的时长由脉冲信号的脉宽决定，至于第一开关S1和第二开关S2断开的动作，则由中间电路控制)，在一定的积分时间t内，运算放大器10的输出电压Vout多次由第二参考电压V2到V1+Vos，通过输出电压Vout由第二参考电压V2到V1+Vos周期变化的总量，可以量化出光电二极管PD的有效光电流。例如，在积分时间t内，N次初始化第一电容C1和第二电容C2，则Ipd*t/C2＝N*(V2-V1-Vos)，即：

Ipd＝N*(V2-V1-Vos)*C2/t

需要注意的是，每当输出电压Vout大于第二参考电压V2，使得比较器20输出高电位的脉冲信号，触发第一开关S1和第二开关S2闭合时，则由于第一电容C1和第二电容C2的电荷初始化，使得输出电压Vout下降至与第二节点P2相同的电位V1+Vos，接下来在第一开关S1和第二开关S2闭合、然后第一开关S1和第二开关S2断开后，对光电二极管PD产生的电流持续进行积分时，输出电压Vout再由V1+Vos逐渐增加至第二参考电压V2，由此，输出电压Vout以此往复进行由V1+Vos到第二参考电压V2(记录一个脉冲pulse)，再由第二参考电压V2到V1+Vos的周期变化。

综上所述，本发明实施例的第一种改进电路直接初始化的方式使得第一电容C1存储的电荷量保持不变，第一种改进电路能解决第一种初始电路的缺点1)，即，使得光电二极管PD的偏置电压保持为0，几乎没有暗电流，大大提高了光传感器电路的灵敏度，使得光传感器电路测量弱光下光强的能力得到极大的提升，但是可以注意到的是，由于最终得到的光电二极管PD的光电流公式中仍然存在运算放大器10的误差Vos，因此无法解决第一种初始电路的缺点2)，在第一种改进电路计算光电二极管PD的光电流公式时，Vos仍然会带来增益误差。

结合6(a)和图9，下面详细介绍本发明实施例提供的第二种改进电路的工作流程：

第一开关S1和第二开关S2的初始状态为闭合状态，此时第一节点P1的电位为0，而由于运算放大器10的虚短特性，第二节点P2的电位为V1+Vos，第一电容C1和第二电容C2一端的电位均为0，另一端的电位Vout为Vcm+Vos，使得C1左极板存储的电荷量为-C1*(V1+Vos)，C2左极板存储的电荷量为-C2*(V1+Vos)，第四开关S4和第五开关S5为闭合状态，使得C3两端的电位为0，C3存储的电荷量为0。即，使得C1、C2和C3初始化，此时与第一节点P1连接的第一电容C1左极板、第二电容C2左极板和第三电容C3右极板上存储的电荷量总和为-C1*(V1+Vos)-C2*(V1+Vos)。

断开第一开关S1和第二开关S2，通过运算放大器10对光电二极管PD产生的有效光电流进行积分生成输出电压Vout，随着时间持续，输出电压Vout一直增大，直至输出电压Vout大于第二参考电压V2，使得比较器20输出高电位的脉冲信号，触发第四开关S4和第五开关S5断开，以及第三开关S3和第六开关S6闭合，第四节点P4的电位变为第三参考电压V3，而基于第二节点P2的电位恒为V1+Vos以及第一电容C1存储的电荷量不变，可知第一节点P1的电位保持为0，即光电二极管PD的偏置电压保持为0，光电二极管PD几乎没有暗电流，此时第二电容C2和第三电容C3之间产生电荷转移使输出电压Vout下降，第三电容C3右极板存储的电荷变为-V3*C3，第二电容C2左极板存储的电荷变为-Vout’*C2，而第一电容C1左极板存储的电荷保持为-C1*(V1+Vos)即-C1*Vout，此时与第一节点P1连接的第一电容C1左极板、第二电容C2左极板和第三电容C3右极板存储的电荷量总和为-C1*Vout-Vout’*C2-V3*C2，其中，Vout’为第二电容C2和第三电容C3之间电荷转移后的运算放大器10的输出电压。

仍然根据无导电路径穿过的闭合面内与中心节点连接的电容极板上的电荷总量不变的电荷守恒定律可知，与第一节点P1连接的第一电容C1左极板、第二电容C2左极板和第三电容C3右极板上的电荷量总和保持不变，得到：

-C1*Vout-C2*Vout＝-C1*Vout-Vout’*C2-V3*C3

即：△Vout＝Vout’-Vout＝(-V3 C3)/C2

由此可以看出，每次电荷转移，输出电压Vout减少的量仅与已知量V3、C3、C2相关，而与Vos无关，因此不会引入增益误差。即每次转移会让输出电压Vout减少(V3 C3)/C2。

需要说明的是，第二电容C2和第三电容C3之间电荷转移的时长可以自行设置，直至认为第二电容C2和第三电容C3之间电荷转移完毕，再断开第三开关S3和第六开关S6以及闭合第四开关S4和第五开关S5，从而初始化第三电容C3，然后重复多次当运算放大器10的输出电压Vout大于V2，则触发断开第四开关S4和第五开关S5、闭合第三开关S3和第六开关S6，使第二电容C2和第三电容C3之间进行电荷转移的过程(也就是说，在第二种改进电路中，第一开关S1和第二开关S2仅在最初时刻闭合，使得第一电容C1和第二电容C2初始化后，然后第一开关S1和第二开关S2断开，使得运算放大器10开始对光电二极管PD产生的有效光电流进行积分，且第一开关S1和第二开关S2的闭合和断开由中间电路控制，脉冲信号仅触发第四开关S4和四五开关断开、第三开关S3和第六开关S6闭合，第四开关S4和四五开关断开和第三开关S3和第六开关S6闭合的时长，由脉冲信号的脉宽决定，至于第四开关S4和第五开关S5闭合、第三开关S3和第六开关S6断开的动作，则也由中间电路控制)，在一定的积分时间t内，运算放大器10的输出电压Vout多次由V2到V2-(V3 C3)/C2往复周期变化，通过输出电压Vout由第二参考电压V2到V2-(V3 C3)/C2周期变化的总量，可以量化出光电二极管PD的有效光电流：在积分时间t内，N次在第二电容C2和第三电容C3之间转移电荷，则Ipd*t/C2＝N*(V3 C3)/C2，即:Ipd＝N*(V3 C3)/t。

需要注意的是，每当输出电压Vout大于第二参考电压V2，使得比较器20输出高电位的脉冲信号，触发第四开关S4和第五开关S5断开以及第三开关S3和第六开关S6闭合时，会由于第二电容C2和第三电容C3之间的电荷转移，使得输出电压Vout下降至V2-(V3 C3)/C2，接下来第四开关S4和第五开关S5闭合、使第三电容C3初始化，而运算放大器对光电二极管PD产生的电流持续进行积分时，输出电压Vout再次由V2-(V3 C3)/C2逐渐增加至第二参考电压V2，由此，输出电压Vout以此往复进行由V2-(V3 C3)/C2到第二参考电压V2(记录一个脉冲pulse)，再由第二参考电压V2到V2-(V3 C3)/C2的周期变化。

综上所述，本发明实施例的第二种改进电路是通过第二电容C2和第三电容C3之间的电荷转移的方式使积分电路的输出电压下降，第二种改进电路能解决第二种初始电路的缺点1)，即使得光电二极管PD的偏置电压保持为0，几乎没有暗电流，大大提高了光传感器电路的灵敏度，使得光传感器电路测量弱光下的光强的能力得到极大的提升，并且，由于最终得到的光电二极管PD的光电流公式中已经不存在运算放大器10的误差Vos，因此可以解决第二种初始电路缺点2)，在第二种改进电路计算光电二极管PD的光电流公式时，不存在Vos带来的增益误差。

需要强调的是，本发明实施例的第一种改进电路，是通过直接初始化的方式使运算放大器10和第二电容C2构成的积分电路的输出电压下降，这会造成一些非线性误差，即初始化需要一定时间来清除电容存储的电荷，但是在初始化的时间段内，光电二极管的光电流不能被积分，这部分光电流会被损失掉，因此第一种改进电路结构较简单，但是精度不高；而本发明实施例的第二种改进电路，不是通过初始化的方式使积分电路的输出电压下降，而是通过第二电容C2和第三电容C3之间电荷转移的方式使积分电路的输出电压下降，在电荷转移的过程中，光电二极管的光电流仍然在被积分，这样不会损失正在积分的光电流，因此第二种改进电路虽然电路结构较复杂，但是精度会相应较高。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种光传感器电路，其特征在于，包括：

光电二极管，电耦合在第一节点与地之间；

第一开关，电耦合在所述第一节点与地之间，用于将所述第一节点的电位置为0；

第一电容，电耦合在所述第一节点和第二节点之间，用于使所述第一节点的电位保持为0，以使得所述光电二极管的偏置电位保持为0；

运算放大器，第一输入端连接第一参考电压，第二输入端连接所述第二节点，输出端连接第三节点，用于使所述第二节点的电位保持稳定；

第二开关，电耦合在所述第二节点和所述第三节点之间；

第二电容，电耦合在所述第一节点和所述第三节点之间，用于与所述运算放大器构成积分电路，以根据所述光电二极管产生的有效光电流生成输出电压。

2.如权利要求1所述的光传感器电路，其特征在于，还包括：

比较器，第一输入端连接所述第三节点，第二输入端连接第二参考电压，用于在所述运算放大器的输出电压大于所述第二参考电压时，输出脉冲信号。

3.如权利要求2所述的光传感器电路，其特征在于，所述比较器还用于根据所述脉冲信号触发所述第一开关和所述第二开关闭合。

4.如权利要求2所述的光传感器电路，其特征在于，还包括：

第三开关，电耦合在所述第一节点和第四节点之间；

第四开关，电耦合在所述第四节点和地之间，用于将所述第四节点的电位置为0；

第三电容，电耦合在所述第四节点和第五节点之间，用于与所述第二电容之间转移电荷；

第五开关，电耦合在所述第五节点和地之间，用于将所述第五节点的电位置为0；

第六开关，电耦合在所述第五节点和第三参考电压之间，用于将所述第五节点的电位置为所述第三参考电压。

5.如权利要求4所述的光传感器电路，其特征在于，所述比较器还用于根据所述脉冲信号触发所述第三开关、所述第四开关、第五开关和所述第六开关闭合。

6.如权利要求4所述的光传感器电路，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关的初始状态为闭合状态，所述第三开关和所述第六开关的初始状态为断开状态，所述第四开关和所述第五开关的初始状态为闭合状态。

7.一种光传感器电路的光电流检测方法，其特征在于，包括：

闭合第一开关和第二开关，以初始化第一电容和第二电容；

断开所述第一开关和所述第二开关，利用运算放大器和所述第二电容构成的积分电路，根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流。

8.如权利要求7所述的光传感器电路的光电流检测方法，其特征在于，还包括：

当所述输出电压大于第二参考电压时，比较器输出脉冲信号；

根据所述脉冲信号触发所述第一开关和所述第二开关闭合，以初始化所述第一电容和所述第二电容；

待所述第一电容和所述第二电容初始化完毕，断开所述第一开关和所述第二开关。

9.如权利要求8所述的光传感器电路的光电流检测方法，其特征在于，所述根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流，具体包括：

多次初始化所述第一电容和所述第二电容，以及根据所述光电二极管产生的有效光电流生成所述输出电压；

基于所述输出电压的周期变化，根据第一参考电压、所述第二参考电压、所述运算放大器的第一输入端与第二输入端的电位差，以及所述第二电容的电容值，获取所述光电二极管产生的有效光电流。

10.如权利要求7所述的光传感器电路的光电流检测方法，其特征在于，还包括：

闭合第四开关和第五开关，以初始化第三电容；

当所述输出电压大于第二参考电压时，比较器输出脉冲信号；

根据所述脉冲信号触发所述第四开关和所述第五开关断开，以及第三开关和第六开关闭合，使所述第三电容的一端的电位为第三参考电压，另一端的电位为0，此时，所述第一电容存储的电荷量保持不变，所述第二电容和所述第三电容之间进行电荷转移；

待所述第二电容和所述第三电容之间电荷转移完毕，断开所述第三开关和所述第六开关，闭合所述第四开关和所述第五开关。

11.如权利要求10所述的光传感器电路的光电流检测方法，其特征在于，所述根据光电二极管产生的有效光电流生成输出电压，并根据所述输出电压获取所述光电二极管产生的有效光电流，具体包括：

多次在所述第二电容和所述第三电容之间进行电荷转移，以及根据所述光电二极管产生的有效光电流生成输出电压；

基于所述输出电压的周期变化，根据所述第三参考电压和所述第三电容的电容值，获取所述光电二极管产生的有效光电流。

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