CN207398159U - 传感器和光传感器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型题涉及传感器和光传感器系统。本技术的各种实施方案可包括针对具有预充电电路的光传感器的方法和装置，该预充电电路诸如用于将传感器的内部节点充电至等于不同传感器的终止电压的起始电压。所述方法和装置可包括在读出不同传感器的最后一个光敏元件期间，按顺序读出所述光敏元件的电压并选择性地激活一个传感器的预充电电路。

Description

传感器和光传感器系统

技术领域

本实用新型涉及传感器，具体地讲涉及具有用于对内部节点进行充电的预充电电路的传感器以及对应的光传感器系统。

背景技术

线性光传感器(LLS)通常包括集成感光像素的线性阵列，该集成感光像素在用户定义的曝光时间内测量入射光并生成代表每个像素的曝光量的电压或数字输出。存在各种长度和像素分辨率(DPI)的LLS。模拟输出可直接连接至模数转换器(ADC)以用于数字处理或比较黑/白阈值。

由于功率和操作约束，感光像素可形成于多个集成芯片(IC)上，其中多个集成芯片连接到共用总线上。感光像素的读出以顺序方式执行。传统架构可能遭受像素读出期间输出电压的稳定时间较长和/或不同的情况。在一个IC的最后一个感光像素的读出和下一个IC的第一个感光像素的读出之间，可能观察到这种状况。随着系统的时钟速度增大，这种状况进一步加剧。这种状况导致每个IC第一个像素出现错误值并且可能导致最终图像中出现伪影。

实用新型内容

在一个方面，本实用新型是一种传感器，其特征在于包括：多个光敏元件；多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在一个光敏元件和共用节点之间；耦接在共用节点和输出总线之间的可切换第二级放大器；以及耦接在输出总线和共用节点之间的预充电电路。

在上述传感器的一个实施方案中，每个可切换第一级放大器包括第一切换装置；并且可切换第二级放大器包括第二切换装置。

在一个实施方案中，上述传感器的特征还在于包括第三切换装置，其中第三切换装置将预充电电路的输出端子选择性地耦接至共用节点。

在一个实施方案中，上述传感器的特征在于还包括第三切换装置，其中第三切换装置将输出总线选择性地耦接至预充电电路的输入端子。

在上述传感器的一个实施方案中，可切换第二级放大器具有小于1的电压增益；并且预充电电路包括放大器，该放大器具有等于第二级放大器电压增益的倒数的电压增益。

在另一方面，本实用新型是一种光传感器系统，包括：经由输出总线耦接的多个传感器，其中至少一个传感器包括：多个光敏元件；多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在一个光敏元件和共用节点之间；可切换第二级放大器，其中可切换第二级放大器的输入端子耦接至共用节点并且可切换第二级放大器的输出端子耦接至输出总线；以及预充电电路，其中预充电电路的输入端子耦接至输出总线并且预充电电路的输出端子耦接至共用节点。

在上述光传感器系统的一个实施方案中，每个可切换第一级放大器包括第一切换装置。

在一个实施方案中，上述光传感器系统的特征在于还包括控制单元，其中控制单元按顺序激活第一切换装置。

在上述光传感器系统的一个实施方案中，多个光敏元件以线性阵列布置。

在上述光传感器系统的一个实施方案中，可切换第二级放大器具有小于1的电压增益；并且预充电电路包括放大器，所述放大器具有等于第二级放大器的电压增益的倒数的电压增益。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标号指代各附图当中的类似元件和步骤。

图1是根据本技术的示例性实施方案的光传感器模块的框图；

图2是根据本技术的示例性实施方案的光传感器IC的示意图；

图3代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的光传感器的时序图；

图4是根据本技术的示例性实施方案的光传感器的示意图；

图5是根据本技术的示例性实施方案的预充电电路的示意图；

图6是根据本技术的示例性实施方案的预充电电路的示意图；

图7是根据本技术的示例性实施方案的预充电电路的示意图；并且

图8是根据本技术的示例性实施方案的预充电电路的示意图。

具体实施方式

本技术可在功能块部件和各种加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量部件来实现。例如，本技术可采用可执行各种功能的各种处理器、控制器、计时装置、光敏元件、半导体装置、切换装置等等。此外，本技术可结合任何合适的成像系统来实施，并且所描述的设备和方法仅仅是本技术的示例性应用。

根据本技术的各个方面的光传感器的方法和设备可结合任何合适的成像系统使用，诸如接触图像感应、光学特征识别(OCR)、边缘检测、诸如复印机、文档扫描仪等产品中的对象测量，以及光谱学。

参见图1，光传感器模块100可包括多个传感器105(1):105(N)、输出总线110和控制单元115。传感器105(1):105(N)中的每个传感器可生成具有输出电压Vout的模拟信号。在各种实施方案中，传感器105(1):105(N)可电连接到并共用输出总线110以进行信号传输。在各种实施方案中，信号可经由输出总线110传输至配套装置(未示出)。在各种实施方案中，光传感器模块100可包括任何数目的适合具体应用的传感器105。光传感器模块100可包括多个IC，其中每个传感器105形成一个IC。

参见图2，在本技术的示例性实施方案中，每个传感器105可包括多个光敏元件200(1):200(N)。光敏元件200(1):200(N)用于将光转换成电荷，并且可包括光电二极管、光栅或响应于光的任何其它适当半导体装置。在各种实施方案中，传感器105可包括适合具体应用的任何数目的光敏元件200。

在各种实施方案中，传感器105还可包括多个可切换第一级放大器205(1):205(N)。在示例性实施方案中，每个可切换第一级放大器205可耦接至一个光敏元件200。可切换第一级放大器205可增大来自光敏元件200的信号并准备信号以进一步放大和处理。每个第一级放大器205可由任何合适的半导体部件形成，诸如晶体管、电阻元件、电容器等等。

在各种实施方案中，可切换第一级放大器205可将来自光敏元件200的信号选择性地耦接至共用节点240。在一个实施方案中，可通过保持特定阻抗状态来启用或禁用可切换第一级放大器205。例如，可通过保持低阻抗状态来启用可切换第一级放大器205，这允许信号传播至共用节点240。或者，可通过维持高阻抗状态来禁用可切换第一级放大器205，这阻止信号传播至共用节点240。

在示例性实施方案中，可切换第一级放大器205可包括第一切换装置210。在各种实施方案中，第一切换装置210将光敏元件200选择性地耦接至共用节点240。在一个实施方案中，第一切换装置210将第一级放大器205的输出端子255选择性地耦接至共用节点240。在另选的实施方案中，第一切换装置210将光敏元件200选择性地耦接至第一级放大器205的输入端子260。第一切换装置210可包括晶体管或适于选择性耦接一个或多个电路的任何其它半导体装置。第一切换装置210可接收由控制单元115传输的控制信号以用于操作电流。

然而，在其它实施方案中，可通过启用或禁用第一级放大器205实现切换，例如第一级放大器205可包括启用/禁用功能，这些功能通过将与禁用模式或启用模式相关联的逻辑电平应用于启用/禁用控制引脚(未示出)来更改第一级放大器205的输出。禁用模式生效之后，功率减小并且已禁用放大器的输出变为高阻抗状态。这样，当第一级放大器205处于禁用模式时，第一级放大器205由于通向输出总线110的信号传播受阻而被有效关闭。

在各种实施方案中，共用节点240可定义为电路中两个或多个电路元件相接的一个点，例如共用节点240可经由可切换第一级放大器205耦合至每个光敏元件200。在各种实施方案中，在读出光敏元件200之前可将共用节点240充电至起始电压。

在各种实施方案中，传感器105可包括耦接至共用节点240的可切换第二级放大器215，该第二级放大器用于转换共用节点240上的电压。例如，可切换第二级放大器215可将电压转换为更大或更小的值。在示例性实施方案中，可切换第二级放大器215包括电压缓冲放大器。

在各种实施方案中，可切换第二级放大器215可将来自共用节点240的信号选择性地耦接至输出总线110。可切换第二级放大器215可将共用节点240上的电压增大预先确定的电压增益B。每个第二级放大器215可由任何合适的半导体部件形成，诸如晶体管、电阻元件、电容器等等。

在一个实施方案中，可通过保持特定阻抗状态来启用或禁用可切换第二级放大器215。例如，可切换第二级放大器215可通过保持低阻抗状态来启用，这可让信号传播至输出总线110。或者，可通过维持高阻抗状态禁用可切换第二级放大器215，这可阻止信号传播至输出总线110。

在示例性实施方案中，可切换第二级放大器215可包括第二切换装置220以将第二级放大器215选择性地耦接至输出总线110。第二切换装置220可包括晶体管或任何其它适于选择性耦接一个或多个电路的半导体装置。第二切换装置220可接收由控制单元115传输的控制信号，用于操作电流。

然而，在其它实施方案中，可通过启用或禁用第二级放大器215实现切换，例如第二级放大器215可包括启用/禁用功能，这些功能通过将与禁用模式或启用模式相关联的逻辑电平应用于启用/禁用控制引脚(未示出)来更改放大器215的输出。禁用模式生效之后，功率减小并且已禁用放大器的输出变为高阻抗状态。因此，当第二级放大器215处于禁用模式时，第二级放大器215由于通向输出总线110的信号传播受阻而被有效关闭。

在各种实施方案中，传感器105还可包括预充电电路225。预充电电路225可耦接在输出总线110和共用节点240之间。

在各种实施方案中，预充电电路225可包括任何数目的半导体装置，这些半导体装置被配置成接收输入电压并生成不同于输入电压的输出电压。在各种实施方案中，预充电电路225的电压增益和可切换第二级放大器215的电压增益成比例，使得预充电电路的电压增益基本上等于1/B。

在各种实施方案中，可经由第三切换装置235选择性地激活预充电电路225。在各种实施方案中，第三切换装置235可耦接在预充电电路225的输出端子250和共用节点240之间。在另选的实施方案中，第三切换装置235可耦接在输出总线110和预充电电路225的输入端子245之间。

在各种实施方案中，相当大部分的预充电电路225可作为光敏元件200形成于相同IC上。另选地，在其它实施方案中，相当大部分的预充电电路225可形成于配套芯片上。

在示例性实施方案中，预充电电路225包括反馈放大器230，该反馈放大器的电压增益基本等于可切换第二级放大器215的电压增益的倒数。例如，如果可切换第二级放大器215具有电压增益B，则反馈放大器230可具有基本等于1/B的电压增益。

参见图5，在可切换第二级放大器215的电压增益大于一(即B>1)的另选实施方案中，那么预充电电路225可包括电阻元件500以形成无源分压器，其中预充电电路225的电压增益小于一(即1/B<1)。分压器可包括电阻元件500，诸如电阻器、固定电容器、开关电容器等，或电阻元件的各种组合。

参见图6，在另一个实施方案中，预充电电路225可包括同相放大器。同相放大器可包括差分放大器600和电阻元件500以形成有源电路。电阻元件500可包括电阻器、固定电容器、开关电容器等。放大器600的正输入端子可耦接至输出总线110，而负输入端子耦接至参考电压Vref。如果可切换第二级放大器215实施为源级跟随器，则这种拓扑可能是有利的。在这种情况下，可切换第二级放大器215的电压增益小于一(即B<1)而预充电电路225的电压增益大于一(即1/B>1)。

参见图7，在另一个实施方案中，预充电电路225可包括差分放大器600，其中正输入端子耦接至输出总线110并且负输入端子耦接至可切换第二级放大器215的输出。这种拓扑可能有利于减少由于不相关过程参数和由可切换第二级放大器215的偏移电压引入的错误而导致的电路性能变化，因为差分放大器600可在第三切换装置235关闭并且第二切换装置220打开时，利用可切换第二级放大器215的反馈输出和输出总线110上的电压两者。

参见图8，在另一个实施方案中，预充电电路225可包括结合差分放大器600工作的放大器800，其中正输入端子耦接至输出总线110并且负输入端子耦接至放大器800的输出。在本实施方案中，放大器800的输入端子耦接至共用节点240。放大器800可为可切换第二级放大器215的缩小型式，该放大器能够提供基本上等于可切换第二级放大器215的电压增益和偏移电压，同时消耗的功率小于预充电电路225的其它实施方案。

在各种实施方案中，可使用任何合适的制造方法和/或技术形成预充电电路225，并且可包括任何合适的半导体部件，诸如晶体管、电阻元件、电容等等。

根据各种实施方案，光传感器模块100可例如将第一传感器装置105(1)的每个光敏元件200(1):200(N)的输出电压顺序传输至第一共用节点240(1)，将每个输出电压从第一共用节点240(1)传输至输出总线110，并将第二传感器装置105(2)的第二共用节点240(2)充电至起始电压，其中起始电压与第一传感器装置105(1)的最终输出电压大致成比例。在其中光传感器模块100包括多于两个传感器105的实施方案中，光传感器可例如将第二传感器装置105(2)的每个光敏元件200(1):200(N)的输出电压顺序传输至第二共用节点240(2)，将每个输出电压从共用节点240(2)传输至输出总线110，并将第三传感器装置105(3)的第三共用节点240(3)充电至起始电压，其中起始电压与第二传感器装置105(2)的最终输出电压大致成比例。可针对所有传感器装置105(1):105(N)继续此过程。

参见图3和图4，在操作中，可以顺序方式读出来自每个光敏元件200的电压。第一切换装置210(1):210(N)、第二切换装置220和第三切换装置235中的每个可接收来自控制单元115的控制信号(图1)。如果控制信号为高脉冲，则切换装置210、220、235关闭(“开”)。如果控制信号为低，则切换装置210、220、235打开(“关”)。

在示例性实施方案中，通过将控制信号传输至第一切换装置210(1):210(N)中的每个可读出第一传感器105(1)中的光敏元件200，其中每个信号为顺序高脉冲，使得在给定时间可读出仅一个光敏元件200。通向第二切换装置220的控制信号在光敏元件200(1):200(N)的整个读出期间可为高脉冲，或者可与通向切换装置210(1):210(N)的高脉冲信号同时为高脉冲。在读出期间，每个光敏元件的200(1):200(N)的输出电压Vout可通过输出总线110测量。

在各种实施方案中，在读出最后一个光敏元件206(N)时，操作第二传感器105(2)的第三切换装置235的控制信号为高脉冲。在与读出最后一个光敏元件206(N)基本相同的时间向第二传感器105(2)的第三切换装置235施加高脉冲通过提供电流将第二传感器105(2)的共用节点240有效地耦接至输出总线110。通过提供传输路线，经由第二传感器105(2)的预充电电路225将电压施加至第二传感器105(2)的共用节点240。在示例性实施方案中，输出电压Vout可通过预充电电路225调节，使得施加至共用节点240的起始电压可小于输出电压Vout。例如，预充电电路240可将等于第二级放大器215的电压增益的倒数的电压增益施加至输出总线110上的输出电压Vout，其中预充电电路225的输出电压可定义为起始电压。后续传感器105(3):105(N)的光敏元件200(1):200(N)的读出操作可以与上述方式相同的方式进行。

根据一个实施方案，传感器包括：多个光敏元件；多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在一个光敏元件和共用节点之间；耦接在共用节点和输出总线之间的可切换第二级放大器；以及耦接在输出总线和共用节点之间的预充电电路。

根据传感器的一个实施方案，每个可切换第一级放大器包括第一切换装置。

根据传感器的一个实施方案，可切换第二级放大器包括第二切换装置。

根据一个实施方案，传感器还包括第三切换装置，其中第三切换装置将预充电电路的输出端子选择性地耦接至共用节点。

根据一个实施方案，传感器还包括第三切换装置，其中第三切换装置将输出总线选择性地耦接至预充电电路的输入端子。

根据传感器的一个实施方案，可切换第二级放大器具有小于1的电压增益。

根据传感器的一个实施方案，预充电电路包括放大器，所述放大器具有等于第二级放大器的电压增益的倒数的电压增益。

根据传感器的一个实施方案，多个光敏元件以线性阵列布置。

根据传感器的一个实施方案，预充电电路跟多个光敏元件一样形成于相同的芯片上。

根据一个操作，在线性光传感器系统的读出期间缩短电压稳定时间的方法包括：将多个光敏元件的输出电压按顺序传输至第一传感器装置的第一共用节点；将输出电压从第一共用节点传输至输出总线；以及将第二传感器装置的第二共用节点充电至起始电压，其中起始电压与第一传感器装置的最终输出电压大致成比例。

根据一个操作，将第二共用节点充电包括经由切换装置将第一传感器装置的最终输出电压选择性地耦接至第二共用节点。

根据一个操作，该方法还包括向第一共用节点上的输出电压施加电压增益。

根据一个操作，该方法还包括向输出总线上最后传输的输出电压施加电压增益。

根据一个实施方案，光传感器系统包括：经由输出总线耦接的多个传感器，其中至少一个传感器包括：多个光敏元件；多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在光敏元件和共用节点之间；可切换第二级放大器，其中可切换第二级放大器的输入端子耦接至共用节点并且可切换第二级放大器的输出端子耦接至输出总线；以及预充电电路，其中预充电电路的输入端子耦接至输出总线并且预充电电路的输出端子耦接至共用节点。

根据光传感器系统的一个实施方案，每个可切换第一级放大器包括第一切换装置。

根据一个实施方案，光传感器系统还包括控制单元，其中控制单元按顺序激活第一切换装置。

根据光传感器系统的一个实施方案，多个光敏元件以线性阵列布置。

根据光传感器系统的一个实施方案，可切换第二级放大器具有小于1的电压增益。

根据光传感器系统的一个实施方案，预充电电路包括放大器，所述放大器具有等于第二级放大器的电压增益的倒数的电压增益。

根据光传感器系统的一个实施方案，预充电电路跟多个光敏元件一样形成于相同的芯片上。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个另选的或附加的功能关系或物理连接。

已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体例子确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其他方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体例子中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的工艺、方法、制品、组合物或设备不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类工艺、方法、制品、组合物或设备固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其他操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出变化和修改。这些和其它变化或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求所述。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于包括：

多个光敏元件；

多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在所述光敏元件中的一个光敏元件和共用节点之间；

可切换第二级放大器，所述可切换第二级放大器耦接在所述共用节点和输出总线之间；和

预充电电路，所述预充电电路耦接在所述输出总线和所述共用节点之间。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：

每个可切换第一级放大器包括第一切换装置；并且

所述可切换第二级放大器包括第二切换装置。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于还包括第三切换装置，其中所述第三切换装置将所述预充电电路的输出端子选择性地耦接至所述共用节点。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于还包括第三切换装置，其中所述第三切换装置将所述输出总线选择性地耦接至所述预充电电路的输入端子。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：

所述可切换第二级放大器具有小于1的电压增益；并且

所述预充电电路包括放大器，所述放大器具有等于所述第二级放大器的所述电压增益的倒数的电压增益。

6.一种光传感器系统，其特征在于包括：

经由输出总线耦接的多个传感器，其中至少一个传感器包括：

多个光敏元件；

多个可切换第一级放大器，其中每个可切换第一级放大器耦接在所述光敏元件中的一个光敏元件和共用节点之间；

可切换第二级放大器，其中所述可切换第二级放大器的输入端子耦接至所述共用节点，并且所述可切换第二级放大器的输出端子耦接至输出总线；和

预充电电路，其中所述预充电电路的输入端子耦接至所述输出总线，并且所述预充电电路的输出端子耦接至所述共用节点。

7.根据权利要求6所述的光传感器系统，其特征在于每个可切换第一级放大器包括第一切换装置。

8.根据权利要求7所述的光传感器系统，其特征在于还包括控制单元，其中所述控制单元按顺序激活所述第一切换装置。

9.根据权利要求6所述的光传感器系统，其中所述多个光敏元件以线性阵列布置。

10.根据权利要求6所述的光传感器系统，其特征在于：

所述可切换第二级放大器具有小于1的电压增益；并且

所述预充电电路包括放大器，所述放大器具有等于所述第二级放大器的所述电压增益的倒数的电压增益。