CN117097339A - 一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，本发明涉及光学传感器芯片技术领域，解决了两次ADC数据相减的方案不能消除动态的环境光干扰的问题，本发明通过LED SW与积分器开关SW1、SW2特定开关序列（phase1）可以消除动态环境光干扰，Phase2阶段更改开关序列并结合Phase1开关序列可以提升环境光抑制能力达到二阶抑制的效果；另外，由于整个环境光抑制过程在积分电容里完成，其不需要两次模数ADC转换，可以大大降低接近光检测时间与电路功耗。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器芯片技术领域，具体为一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器。
背景技术
在手机和平板电脑领域，高性能光学传感器芯片作为标准配置被用接近光检测，系统设计师可根据显示屏离被测物体距离的远近自动调节显示屏的亮灭，从而降低系统功耗。实际应用场景中因为环境光的干扰，会造成接近光距离检测精度的降低，因此需要对环境光干扰进行抑制；
如图3所示，由LED发射端与接近光检测接收端组成。通过控制LED开关SW的导通和关断来控制LED灯发光，当光电二极管photo diode接收到物体的反射光信号后，光信号由模拟前端AFE转换成电信号，再通过模数转换器ADC转换成数字信号Data进行系统级数字信号处理。
因为光电二极管Photo diode接收到的光信号中有环境光干扰，传统消除方案需要通过两次模拟数字转换，当LED pulse为低时，SW关断，模数转换器ADC只转换环境光电流，并输出数据DATA1=Conv(Iambient)；当LED pulse为高时，SW导通，模数转换器ADC同时转换环境光电流与接近光检测电流，并输出数据DATA2=Conv（Iambient+Iled），最终通过DATA2与DATA1的数据相减去消除环境光电流Iambient。
现有技术中，仍存在以下缺点需进行改进：
1)现实中的环境光会动态变化（比如树荫遮盖，云朵阴影变化），两次ADC数据相减的方案不能很好的消除动态的环境光干扰；
2）两次数据转换需要更多的转换时间，以及更高的电路功耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，解决了两次数据相减的方案不能很好的消除动态的环境光干扰的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，包括发射端和接收端：
其中发射端由LED灯、电流源和控制开关SW组成；
其中接收端由光电二极管Photo diode、积分器Integrator、积分器开关SW1、SW2和模数转换器ADC组成；
接近光检测传感器进行光抑制的具体方式包括两组阶段，分别为为Phase1阶段和Phase2阶段，其中Phase1阶段将积分电容内部的环境光电荷进行消除，其中Phase2阶段再次对积分电容内部的环境光电荷进行消除，并在消除结束后，通过模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号，并输出至外部终端内。
优选的，所述接近光检测传感器进行光抑制的Phase1阶段如下：
Phase1A阶段：将LED开关SW关断；并同时将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容的存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，/>为开关SW1导通时间；
Phase1B阶段：将LED开关SW导通；并同时将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时Photodiode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，/>为开关SW2导通时间；
当phase1B阶段结束时，积分电容Cint上总电荷量为：
，此时积分电容内的环境光电荷被完全消除。
优选的，所述接近光检测传感器进行光抑制的Phase2阶段如下：
Phase2A阶段：将LED开关SW导通；再将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时光电二极管Photo diode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，其中/>为开关SW2的导通时间；
Phase2B阶段：将LED开关SW关断；再将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为开关SW1的导通时间；
当phase2B结束时，此时积分电容Cint上总电荷量为：
，积分电容内的环境光电荷被完全消除，积分电容的总电荷量为：
；
当Phase2阶段结束后，积分器输出电压为：
，其中/>为积分电容的具体电容参数，此时模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号输出。
有益效果
本发明提供了一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器。与现有技术相比具备以下有益效果：
本发明Phase1阶段通过LED SW与积分器开关SW1、SW2的特定开关序列可以消除环境光干扰，Phase2阶段更改开关序列并结合Phase1开关序列可以提升环境光抑制能力达到二阶抑制的效果。另外，由于整个环境光抑制过程在积分电容里完成，其不需要两次模数转换，可以大大降低接近光检测时间与电路功耗。
附图说明
图1为本发明系统框架示意图；
图2为本发明开关之间的时序关系图；
图3为本发明现有技术示意图。
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，本领域普通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。
实施例一
请参阅图1，本申请提供了一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其中接近光传感器包括发射端和接收端，其中发射端由红外LED灯、电流源阵列和控制开关SW阵列组成，其中接收端由红外光电二极管Photo diode、积分器Integrator、积分器开关SW1、SW2和模数转换器ADC组成；
LED开关SW和积分器开关SW1、SW2的时序关系如图2所示；
其中，接近光检测传感器进行光抑制的具体方式包括两组阶段，分别为为Phase1阶段和Phase2阶段，其中Phase1阶段将积分电容内部的环境光电荷进行消除，其中Phase2阶段再次对积分电容内部的环境光电荷进行消除，并在消除结束后，通过模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号，并输出至外部终端内；
具体的，接近光检测传感器进行光抑制的Phase1阶段如下：
Phase1A阶段：将LED开关SW关断；并同时将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容的存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，/>为开关SW1导通时间；
Phase1B阶段：将LED开关SW导通；并同时将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时Photodiode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，/>为开关SW2导通时间，具体的，可以理解为Phase1B阶段与Phase1A阶段为对立阶段，其操作方式相反，便是为了确认在不同操作状态的存储电荷/>和/>，后续，根据所确认的/>和/>便可确认总电荷量；
当phase1B阶段结束时，积分电容Cint上总电荷量为：，此时积分电容内的环境光电荷被完全消除；
此Phase1阶段可理解为对动态环境光的一阶抑制，也就是初步抑制，在初步抑制结束后，再进行二阶抑制，其初步抑制阶段通过LED SW与积分器开关SW1、SW2的特定开关序列可以消除环境光干扰；
具体的，接近光检测传感器进行光抑制的Phase2阶段如下：
Phase2A阶段：将LED开关SW导通；再将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时光电二极管Photo diode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，其中/>为开关SW2的导通时间；
Phase2B阶段：将LED开关SW关断；再将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为开关SW1的导通时间；
当phase2B结束时，此时积分电容Cint上总电荷量为：，积分电容内的环境光电荷被完全消除，积分电容的总电荷量为：/>；
当Phase2阶段结束后，积分器输出电压为：，其中/>为积分电容的具体电容参数，此时模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号输出。
如上所述，Phase1阶段通过LED SW与积分器开关SW1、SW2的特定开关序列可以消除环境光干扰，Phase2阶段更改开关序列后可以提升环境光抑制能力达到二阶抑制的效果；另外，由于整个环境光抑制过程在积分电容里完成，其不需要两次模数转换，可以大大降低接近光检测时间与电路功耗；
其中，将此光检测传感器进行光抑制的具体方式与仿真数据进行结合，生产电路仿真数据表，如表1所示：
表1
| 频率（Hz） | 环境光抑制（dB） |
| 10 | -120 |
| 100 | -80 |
| 1000 | -40 |
由此可见，本申请对动态环境光有很好的二阶抑制效果：100Hz环境光衰减可以达到80dB，1KHz环境光衰减可以达到40dB。
实施例二
本实施例为实施例一的进一步实施例，其主要内容为：模数转换器ADC将积分器输出电压快速转换为数字信号，从而使数据信号进行快速输出；
在进行转换时，优先确认初始的电压信号，在一定时间间隔后，确认后续的电压信号，分析两组电压信号的差值，并将此差值标记为电位差，从而锁定数字信号；
参考电压Vref（V）对应Nbit ADC满量程为2^N（LSB），积分器输出电压Vint对应ADC输出code为：；
其中，模数转换器将输出电压转换为数字信号的具体方式为：
确认初始电压信号参数，根据所确认的电压信号参数，从过往数据中，将同一电压信号参数的过往数据进行确认，并将过往数据内时间间隔以及所对应的电位差参数进行确认，并以时间间隔为横向坐标轴，以电位差参数为竖向坐标轴，构建对应的二维坐标系，在二维坐标系内选定对应的数值点位；
将若干个数值点位进行连接，确认对应电压信号参数的走向趋势线；
确认此走向趋势线的点位趋势，分析若干个点位趋势是否一致，若此走向趋势线只存在一组趋势参数时，直接将此走向趋势线标定为基准线，并确认此基准线的一次方程，具体的，走向趋势为两个相邻点位之间的电位差参数与时间间隔差值的比值，在正常情况下，电压信号参数确认后，其电位差会随着间隔时间进行变化，间隔时间越短，所产生的电位差越小，间隔时间越长，所产生的电位差越大，一般是具备规律，若不具备规律，则按照原始的电位差锁定方式进行处理即可；
若此走向趋势线存在若干组趋势参数时，则不进行任何处理。
后续，出现初始的电位信号参数时，优先确定是否存在对应的基准线，若存在，则根据时间间隔确定电位差，并转换为数字信号进行展示，反之，则按照原始的两组信号差值的方式确认电位差，并进行展示；
在实际处理过程中，采用基准线确定电位差的方式，其确定方式更快，效率更高，时间更短，便能达到较好的转换效率。
实施例三
本实施例在具体实施过程中，将实施例一以及实施例二全部内容进行组合实施。
上述公式中的部分数据均是去其纲量进行数值计算，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (6)
1.一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，包括发射端和接收端：
其中发射端由LED灯、电流源阵列和控制开关SW阵列组成；
其中接收端由光电二极管Photo diode、积分器Integrator、积分器开关SW1、SW2和模数转换器ADC组成；
接近光检测传感器进行光抑制的具体方式包括两组阶段，分别为Phase1阶段和Phase2阶段，其中Phase1阶段将积分电容内部的环境光电荷进行消除，其中Phase2阶段切换开关序列再次对积分电容内部的环境光电荷进行消除，并在消除结束后，通过模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号，并输出至外部终端内。
2.根据权利要求1所述的一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，所述接近光检测传感器进行光抑制的Phase1阶段如下：
Phase1A阶段：将LED开关SW关断；并同时将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容的存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，/>为开关SW1导通时间；
Phase1B阶段：将LED开关SW导通；并同时将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时Photodiode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，/>为开关SW2导通时间。
3.根据权利要求2所述的一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，当phase1B阶段结束时，积分电容Cint上总电荷量为：
，此时积分电容内的环境光电荷被完全消除。
4.根据权利要求3所述的一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，所述接近光检测传感器进行光抑制的Phase2阶段如下：
Phase2A阶段：将LED开关SW导通；再将积分器开关SW1关断，SW2导通，积分器正端输入连接至共模电压Vcm，积分器负端输入连接至光电二极管Photo diode，此时光电二极管Photo diode同时输出环境光电流与接近光检测电流；积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为光电二极管photo diode输出的接近光检测电流，其中/>为开关SW2的导通时间；
Phase2B阶段：将LED开关SW关断；再将积分器开关SW1导通，SW2关断，积分器正端输入连接至光电二极管Photo diode，积分器负端输入连接至共模电压Vcm，此时积分电容存储电荷为：，其中/>为光电二极管photo diode输出的环境光电流，其中/>为开关SW1的导通时间；
当phase2B结束时，此时积分电容Cint上总电荷量为：
，积分电容内的环境光电荷被完全消除，积分电容的总电荷量为：
。
5.根据权利要求4所述的一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，当Phase2阶段结束后，积分器输出电压为：
，其中/>为积分电容的具体电容参数，此时模数转换器ADC将积分器输出电压转换成数字信号输出。
6.根据权利要求1所述的一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器，其特征在于，所述模数转换器ADC将输出电压转换为数字信号的具体方式为：
确认初始电压信号参数，根据所确认的电压信号参数，从过往数据中，将同一电压信号参数的过往数据进行确认，并将过往数据内时间间隔以及所对应的电位差参数进行确认，并以时间间隔为横向坐标轴，以电位差参数为竖向坐标轴，构建对应的二维坐标系，在二维坐标系内选定对应的数值点位；
将若干个数值点位进行连接，确认对应电压信号参数的走向趋势线；
确认此走向趋势线的点位趋势，分析若干个点位趋势是否一致，若此走向趋势线只存在一组趋势参数时，直接将此走向趋势线标定为基准线，并确认此基准线的一次方程；
若此走向趋势线存在若干组趋势参数时，则不进行任何处理；
后续，出现初始的电位信号参数时，优先确定是否存在对应的基准线，若存在，则根据时间间隔确定电位差，并转换为数字信号进行展示，反之，则按照原始的两组信号差值的方式确认电位差，并进行展示。
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Legal Events
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