CN209911984U - 一种电流采样保持电路及传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请部分实施例提供了一种电流采样保持电路及传感器。该电流采样保持电路用于抵消光电二极管中的背景光电流，包括电容及一个向所述光电二极管输出采样电流以抵消光电二极管中的背景光电流的跨导可调节的第一跨导放大器；所述电容的一端连接电源VDD端，所述电容的另一端连接所述第一跨导放大器的一端；所述第一跨导放大器的另一端用于连接光电二极管，以向所述光电二极管输出采样电流，抵消所述光电二极管中的背景光电流。本申请实施例相对于现有技术而言，在电流采样保持电路中设置了跨导可调节的第一跨导放大器，当光电二极管中的背景光电流增大时，通过增大第一跨导放大器的跨导，就可避免电容的电压在较大范围内变化，以使电流采样保持电路能够抵消更大的背景光电流。

Description

一种电流采样保持电路及传感器
技术领域
本申请涉及电流采样保持技术领域，特别涉及一种电流采样保持电路及传感器。
背景技术
现有的心率检测电路中，通常都会用到光电二极管来接收人体反射光，再利用积分器把光电二极管的感应电流转换成电压信号，以供后续处理。但环境光的存在，常常会使积分器饱和，从而影响电路的正常工作。为此，需要引入电流采样保持电路，来抵消光电二极管中的背景光电流(即光电二极管因接收环境光而产生的感应电流)，防止积分器饱和。
传统的电流采样保持电路如图1所示。图1中，电流采样保持电路中的电流输出电路由一个尺寸固定的PMOS管M构成。PMOS管M在采样阶段用于采样光电二极管PD中的背景光电流(即光电二极管PD的感应电流，也就是图1中可变电流源IBG的电流)，并将采样电流转换为电容CSH的电压。在积分阶段，PMOS管M用于将之前的采样电流输送给光电二极管PD，从而抵消光电二极管中的背景光电流。
在光电二极管PD的面积保持不变的情况下，光电二极管PD的背景光电流随光强的增大而增大。而在光强保持不变的情况下，光电二极管PD的背景光电流又与光电二极管PD的面积成正比。因此，当光电二极管PD的面积保持不变而光强在一个较大范围内变化时，或光强保持不变而光电二极管PD的面积在一个较大范围内变化时，都会使得光电二极管PD中的背景光电流在一个较大范围内变化。当光电二极管PD的背景光电流很大时，PMOS管M的栅源电压也会变得很大，电容CSH的电压与PMOS管M的栅源电压相等，也会随之变大。而电容CSH的电压变大，会使光电二极管PD的反偏电压变小。当反偏电压小到一定程度时，会使光电二极管PD的效率大大降低。因此现有技术中为保障光电二极管PD的效率，就会避免电容CSH的电压变得很大，即避免光电二极管PD的背景光电流很大。也就是说，传统的电流采样保持电路只能用于抵消较小的背景光电流。
发明内容
本申请部分实施例的目的在于提供一种电流采样保持电路及传感器，能在避免电容的电压在较大范围内变化的前提下，使得电流采样保持电路可以抵消更宽范围的背景光电流。
本申请的一个实施例提供了一种电流采样保持电路，用于抵消光电二极管中的背景光电流，包括：电容及向所述光电二极管输出采样电流以抵消光电二极管中的背景光电流的一个跨导可调节的第一跨导放大器；所述电容的一端连接电源VDD端，所述电容的另一端连接所述第一跨导放大器的一端；所述第一跨导放大器的另一端用于连接光电二极管，以向所述光电二极管输出所述采样电流，抵消所述光电二极管中的背景光电流。
本申请实施例还提供了一种传感器，所述传感器上集成有光电二极管及如上所述的电流采样保持电路，所述电流采样保持电路中的第一跨导放大器的另一端连接所述光电二极管。
本申请实施例相对于现有技术而言，在电流采样保持电路中设置了跨导可调节的第一跨导放大器，根据公式I＝gm1*U可知，当光电二极管中的背景光电流I增大(由光强变化引起或由光电二极管的面积变化引起)时，通过增大第一跨导放大器的跨导gm1，就可避免电容的电压U在较大范围内变化，这使得电流采样保持电路能够抵消更大的背景光电流。
另外，所述第一跨导放大器包括若干个第一电子开关及若干个用于控制所述第一电子开关的控制开关；所述若干个第一电子开关连接在所述电源VDD端及所述光电二极管之间，且所述若干个第一电子开关之间相互串联，所述若干个电子开关的控制端均连接所述电容的另一端；任意两个相邻的所述第一电子开关的连接点对应一个所述控制开关，每个所述控制开关的一端连接所述电源VDD端，每个所述控制开关的另一端连接对应的所述连接点。提供一种第一跨导放大器的实现方式。
另外，所述电流采样保持电路还包括第一采样开关及用于向所述第一跨导放大器提供偏置电压的偏置电路；所述偏置电路的一端通过所述第一采样开关同时连接所述第一跨导放大器的一端及所述电容的另一端；所述偏置电路的另一端用于连接所述光电二极管。在闭合第一采样开关时，可使电流采样保持电路构成闭环负反馈。
另外，所述偏置电路包括第二电子开关及第二跨导放大器；所述第二电子开关的第一端连接所述电源VDD端；所述第二电子开关的第二端连接所述第二跨导放大器的一端；所述第二电子开关的控制端作为所述偏置电路的一端连接所述第一采样开关，以及所述第二电子开关的第二端与所述第二跨导放大器的一端之间的连接点；所述第二跨导放大器的另一端作为所述偏置电路的另一端用于连接所述光电二极管。提供一种偏置电路的结构。
另外，所述第二跨导放大器包括第二采样开关、放大电路、第一电流源、第三电子开关及第四电子开关；所述第三电子开关的第一端连接所述第二电子开关的第二端；所述第三电子开关的第二端接地；所述第三电子开关的控制端连接所述第一电流源的第二端与所述第四电子开关的第一端之间的连接点，以及所述第四电子开关的控制端；所述第一电流源的第一端连接所述电源VDD端；所述第四电子开关的第一端还通过所述第二采样开关连接所述放大电路的一端；所述第四电子开关的第二端接地；所述放大电路的另一端用于连接所述光电二极管。提供一种第二跨导放大器的实现方式。
另外，所述放大电路包括第二电流源及第五电子开关；所述第五电子开关的第一端作为所述放大电路的一端，分别连接所述第二电流源及所述第二采样开关；所述第五电子开关的第二端接地；所述第五电子开关的控制端作为所述放大电路的另一端，用于连接所述光电二极管。该放大电路可以是积分器中的放大电路，这有利于实现对该放大电路的复用。
另外，所述第一电子开关为PMOS管；若干个所述PMOS管沿朝向所述光电二极管的方向依次排列；若干个所述PMOS管中的第一个PMOS管为最靠近所述光电二极管的PMOS管，最后一个PMOS管为最远离所述光电二极管的PMOS管；所述第一个PMOS管的宽长比与第二个PMOS管的宽长比相等，第i个PMOS管的宽长比为第i-1个PMOS管的宽长比的两倍，所述i大于或等于3。提供一种第一电子开关的实现方式。
另外，所述第二电子开关为PMOS管，且所述第二电子开关的宽长比与所述第一个PMOS管的宽长比相等。提供一种第一电子开关与第二电子开关的关系。
另外，所述电流采样保持电路还包括第三采样开关；所述第三采样开关并联在所述电容的两端。在采样开始前，可通过闭合第三采样开关来释放电容上的电荷，以确保采样的准确性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据现有技术的电流采样保持电路的结构示意图；
图2是根据本申请第一实施例的电流采样保持电路的结构示意图；
图3是根据本申请第二实施例的电流采样保持电路的结构示意图；
图4是根据本申请第三实施例的电流采样保持电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请部分实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请第一实施例涉及一种电流采样保持电路。如图2所示，该电流采样保持电路用于抵消光电二极管中的背景光电流，包括电容CSH及向所述光电二极管输出采样电流以抵消光电二极管中的背景光电流的第一跨导放大器OTA1。电容CSH的一端连接电源VDD端，另一端连接第一跨导放大器OTA1的一端；第一跨导放大器OTA1的另一端用于连接光电二极管PD。图2中可变电流源IBG中的电流即是光电二极管PD中的背景光电流；寄生电容CPD为光电二极管PD内部的寄生电容。
本实施例中，设置第一跨导放大器OTA1的跨导是可调的。下面将具体介绍电流采样保持电路的工作过程。
具体而言，电流采样保持电路的工作过程包括采样阶段及积分阶段。在采样阶段，第一跨导放大器OTA1向光电二极管PD流入的电流与可变电流源IBG中的电流(即光电二极管PD中的背景光电流)相等，电容CSH相当于采样了背景光电流，并将其转换为自身的电压。其中，电容CSH可以具体为保持电容，但在实际应用中，并不以此为限。
当光电二极管PD中的背景光电流发生变化(由光强变化引起或由光电二极管的面积变化引起)时，即可变电流源IBG中的电流发生变化时，可调节第一跨导放大器OTA1的跨导，以避免电容的电压U在较大范围内变化。根据公式I＝gm1*U可知，当光电二极管中的背景光电流I增大时，通过增大第一跨导放大器的跨导gm1，就可以避免电容的电压U随背景光电流I的增大而在较大范围内变化。这样，即可使电流采样保持电路采样更大范围的背景光电流，也可避免电容的电压U在较大范围内变化。特别地，可使第一跨导放大器的跨导gm1，与光电二极管中的背景光电流I按相等比例变化，这样，就可使电容的电压U保持不变。
采样阶段结束后，即可进入积分阶段。此时，电容CSH上的电压转为电流(该电流的大小即等于之前采样的背景光电流的大小)，并通过第一跨导放大器OTA1输出至光电二极管PD，从而抵消光电二极管PD中的背景光电流。这相当于用之前的采样电流，抵消光电二极管PD中的背景光电流。
本实施例相对于现有技术而言，在电流采样保持电路中设置了跨导可调节的第一跨导放大器，根据公式I＝gm1*U可知，当光电二极管中的背景光电流I增大(由光强变化引起或由光电二极管的面积变化引起)时，通过增大第一跨导放大器的跨导gm1，就可避免电容的电压U随背景光电流I的增大而在较大范围内变化，并使电流采样保持电路能抵消更大范围的背景光电流。
本申请的第二实施例涉及一种电流采样保持电路。第二实施例是在第一实施例的基础上做的进一步改进，主要改进之处在于，第二实施例提供了一种用于向第一跨导放大器OTA1提供偏置电压的偏置电路。
如图3所示，本实施例中的电流采样保持电路还包括第一采样开关SW1及用于向第一跨导放大器OTA1提供偏置电压的偏置电路31。偏置电路31的第一端连接第一采样开关SW1，并通过第一采样开关SW1同时连接第一跨导放大器OTA1的一端及电容CSH的另一端。偏置电路31的第二端连接电源VDD端，偏置电路31的第三端则用于连接光电二极管PD。
在实际应用中该偏置电路31可包括第二电子开关M3及第二跨导放大器OTA2。其中，第二电子开关M3可由场效应晶体管或其它电子管构成，该场效应晶体管可以是PMOS管或NMOS管。图3是以第二电子开关是PMOS管为例进行示意的，但在实际应用中，也可根据需要选择NMOS管作为第二电子开关，本实施例对此不做限制。第二电子开关M3的第一端(即图3中PMOS管的源极)作为所述偏置电路31的第二端，连接电源VDD端。第二电子开关M3的第二端(即图3中PMOS管的漏极)连接第二跨导放大器OTA2的一端。第二电子开关M3的控制端(即图3中PMOS管的栅极)作为所述偏置电路31的第一端，连接第一采样开关SW1，以及第二电子开关M3的第二端与第二跨导放大器OTA2的一端之间的连接点。第二跨导放大器OTA2的另一端则作为所述偏置电路31的第三端，用于连接光电二极管PD。
本实施方式还可在电容CSH的两端并联第三采样开关SW3，并在采样阶段开始前，闭合第三采样开关SW3。此时，电容CSH的两端接通，电容CSH进入放电状态。这样做的目的是消除电容CSH上的电荷，确保采样的准确性。
在采样阶段，可断开第三采样开关SW3，并闭合第一采样开关SW1。此时，整个电流采样保持电路构成闭环负反馈。其中，第二跨导放大器OTA2的第一端(即用于连接光电二极管PD的一端)输入光电二极管PD的阴极电压，第二跨导放大器OTA2的第二端(即用于连接第二电子开关M3的一端)输出电流至第二电子开关M3(即向第二电子开关M3提供偏置电流)。第二电子开关M3中有电流经过时，会产生电压，从而向第一跨导放大器OTA1提供偏置电压，触发第一跨导放大器OTA1进入工作状态。此时，第一跨导放大器OTA1向光电二极管PD流入的电流与可变电流源IBG中的电流(即光电二极管PD中的背景光电流)相等，电容CSH相当于采样了背景光电流，并将其转换为自身的电压。
同样的，当光电二极管PD中的背景光电流发生变化(由光强变化引起或由光电二极管的面积变化引起)时，可调节第一跨导放大器OTA1的跨导，以避免电容的电压U在较大范围内变化。比如，光电二极管中的背景光电流I增大时，可通过增大第一跨导放大器的跨导gm1，来避免电容的电压U随背景光电流I的增大而在较大范围内变化。这样，即可使电流采样保持电路采样更大范围的背景光电流，也可避免电容的电压U在较大范围内变化。
当采样阶段结束后，即可断开第一采样开关SW1，此时电路进入积分阶段。如上文所述，在采样阶段，第一跨导放大器OTA1向光电二极管PD流入的电流与可变电流源IBG中的电流(即光电二极管PD中的背景光电流)相等，电容CSH相当于采样了背景光电流，并将其转换为自身的电压。而在积分阶段，电容CSH上的电压转为电流(该电流的大小即等于之前采样的背景光电流的大小)，并通过第一跨导放大器OTA1输出至光电二极管PD，从而抵消光电二极管PD中的背景光电流。这相当于用之前的采样电流，抵消光电二极管PD中的背景光电流。
此外，值得一提的是，本实施例中，电流采样保持电路构在的环路中包括两个极点，一个是主极点P1(对应第一跨导放大器OTA1与光电二极管PD之间的节点)，另一个是非主极点P2(对应第二电子开关M3的控制端、第二端及第二跨导放大器OTA2三者之间的节点)。非主极点P2的位置公式为：P2＝1/(r2*C2)，其中，r2表示对应的节点的等效阻抗，C2表示对应的节点的等效电容。可以看出，该极点位置P2与光电二极管PD无关，因此当光电二极管PD的面积发生变化时，该非主极点的位置保持不变。环路的增益带宽积GBW＝gm1*gm2*r2/CPD，其中，gm2表示第二跨导放大器OTA2的跨导，CPD表示光电二极管PD的寄生电容。当光电二极管PD的面积变化时，CPD也会同步发生变化(比如光电二极管PD的面积增大A倍，CPD也会增大A倍)，此时通过调节第一跨导放大器的跨导gm1，使gm1按相等比例变化(即使gm1也增大A倍)，就可使增益带宽积GBW保持不变。增益带宽积GBW保持不变，且非主极点P2的位置也保持不变，就可使整个环路的稳定性不受光电二极管PD面积变化的影响。
本实施例相对于第一实施方式而言，在光电二极管PD中的背景光电流I增大(由光强变化引起或由光电二极管的面积变化引起)时，通过增大第一跨导放大器的跨导gm1，就可避免电容的电压U随背景光电流I的增大而在较大范围内变化，并使电流采样保持电路能抵消更大范围的背景光电流。同时，在光电二极管PD的面积发生变化时，通过调节第一跨导放大器的跨导gm1，使第一跨导放大器的跨导gm1与光电二极管PD的面积按相等比例变化，即可使整个电路的稳定性不受光电二极管PD面积变化的影响。
本申请的第三实施例涉及一种电流采样保持电路。第三实施例在第二实施例的基础上，提供一种第一跨导放大器及第二跨导放大器的实现方式。
如图4所示，第一跨导放大器OTA1可包括若干个第一电子开关及若干个用于控制所述第一电子开关的控制开关。该若干个第一电子开关连接在电源VDD端及光电二极管PD之间，且若干个第一电子开关之间相互串联，该若干个电子开关的控制端均连接电容CSH的另一端。并且，任意两个相邻的第一电子开关的连接点对应一个控制开关，每个控制开关的一端连接电源VDD端，另一端则连接对应的连接点。
具体地，第一电子开关可由场效应晶体管或其它电子管构成，该场效应晶体管可以是PMOS管或NMOS管。图4是以第一电子开关是PMOS管，且第一电子开关的数量等于4为例进行示意的。图4中的4个第一电子开关分别为依次连接的PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7。其中，PMOS管M4的源极作为第一跨导放大器OTA1的一端，连接至电容CSH；PMOS管M4的漏极连接PMOS管M5的源极，PMOS管M5的漏极连接PMOS管M6的源极，PMOS管M6的漏极连接PMOS管M7的源极，PMOS管M7的漏极作为第一跨导放大器OTA1的另一端用于连接光电二极管PD。PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6及PMOS管M7的栅极(即第一电子开关的控制端)均连接电容CSH的另一端。
控制开关可以是电子开关或普通的机械开关，该电子开关可以是场效应晶体管，如PMOS管或NMOS管。图4中是以控制开关是PMOS管，且控制开关的数量等于3为例进行示意的。图4中的3个控制开关分别为M8(即CN1)、M9(即CN2)及M10(即CN3)。其中，控制开关M8对应的连接点是PMOS管M6与PMOS管M7之间的连接点，控制开关M9对应的连接点是PMOS管M5与PMOS管M6之间的连接点，控制开关M10对应的连接点则是PMOS管M4与PMOS管M5之间的连接点。值得一提的是，选择PMOS管或NMOS管作为控制开关时，可使PMOS管或NMOS管的栅极悬空，并将源极及漏极作为控制开关的两个连接端。在PMOS管与NMOS管之间，本实施例优选PMOS管作为控制开关，因为PMOS管的衬底与源极短接，不存在衬偏效应，导通特性更佳。
需要说明的是，本实施例仅是以第一电子开关的数量是4个、控制开关的数量是3个进行举例说明。在实际应用中，也可根据实际情况，灵活选择第一电子开关的数量，并根据第一电子开关的数量适应性地调整控制开关的数量，本实施方式对此不做限制。
第二跨导放大器OTA2可包括第二采样开关SW2、放大电路41、第一电流源IB1、第三电子开关M2及第四电子开关M1。第三电子开关M2及第四电子开关M1可由场效应晶体管或其它电子管构成，该场效应晶体管可以是PMOS管或NMOS管。图4中是以第三电子开关M2及第四电子开关M1均是NMOS管为例进行示意的。其中，第三电子开关M2的第一端(即图4中NMOS管M2的漏极)连接第二电子开关M3的第二端；第三电子开关M2的第二端(即图4中NMOS管M2的源极)接地；第三电子开关M2的控制端(即图4中NMOS管M2的栅极)连接第一电流源IB1的第二端与第四电子开关M1的第一端(即图4中NMOS管M1的漏极)之间的连接点，以及第四电子开关M1的控制端(即图4中NMOS管M1的栅极)，第四电子开关M4的第二端(即图4中NMOS管M1的源极)接地。第一电流源IB1的第一端连接电源VDD端。第四电子开关M4的第一端还通过第二采样开关SW2连接放大电路41的一端；放大电路41的另一端用于连接光电二极管PD。
本实施例中，放大电路41可以是积分器中的放大电路，这有利于实现对该放大电路的复用。放大电路41可包括第二电流源IB2及第五电子开关MA。第五电子开关MA可由场效应晶体管或其它电子管构成，该场效应晶体管可以是PMOS管或NMOS管。图4中是以第五电子开关MA是NMOS管为例进行示意的。其中，第五电子开关MA的第一端(即图4中NMOS管MA的漏极)作为放大电路41的一端，分别连接第二电流源IB2及第二采样开关SW2；第五电子开关MA的第二端(即图4中NMOS管MA的源极)接地；第五电子开关MA的控制端(即图4中NMOS管MA的栅极)作为放大电路41的另一端，用于连接光电二极管PD。
当第一跨导放大器OTA1包括的若干个第一电子开关均为场效应晶体管时，可通过控制该若干个场效应晶体管的导通数量，来调节导通的场效应晶体管的等效宽长比以及导通的场效应晶体管的等效输出阻抗，从而达到调节第一跨导放大器OTA1的跨导的目的，使电流采样保持电路在避免电容的电压U在较大范围内变化的前提下，可抵消更多的背景光电流，且使电流采样保持电路的稳定性不受光电二极管PD面积变化的影响。
下面将以该若干个第一电子开关均为PMOS管为例进行说明。具体地说，当该若干个第一电子开关均为PMOS管时，若干个PMOS管的宽长比应满足以下关系：当该若干个PMOS管沿朝向光电二极管PD的方向依次排列时，以该若干个PMOS管中的第一个PMOS管为最靠近光电二极管PD的PMOS管，最后一个PMOS管为最远离光电二极管PD的PMOS管。第一个PMOS管的宽长比与第二个PMOS管的宽长比相等，第i个PMOS管的宽长比为第i-1个PMOS管的宽长比的两倍，其中i大于或等于3。当第二电子开关M3也为PMOS管时，第二电子开关M3的宽长比可与第一个PMOS管的宽长比相等。即：PMOS管M7与PMOS管M6的宽长比相等：(W/L)M7＝(W/L)M6；PMOS管M5的宽长比是PMOS管M6的宽长比的2倍：(W/L)M5＝2(W/L)M6；PMOS管M4的宽长比是PMOS管M5的宽长比的2倍：(W/L)M4＝2(W/L)M5；第二电子开关M3与PMOS管M7的宽长比相等：(W/L)M3＝(W/L)M7。
值得一提的是，在实际应用中，为了覆盖更大的背景电流的覆盖范围(即覆盖更大的光电二极管的面积变化范围)，也可以在PMOS管M4与电源VDD端之间再串联一个或多个PMOS管(串联的数量可视实际情况而定)。例如，再串联一个PMOS管，则该PMOS管的宽长比应是PMOS管M4的宽长比的2倍。
在采样阶段，断开第三采样开关SW3，并闭合第一采样开关SW1及第二采样开关SW2。此时，电流采样保持电路构成闭环负反馈。第一电流源IB1及第二电流源IB2向第四电子开关M1提供电流，第四电子开关M1上产生电压，从而向第三电子开关M2提供偏置电压。第三电子开关M2接收到偏置电压后产生电流，从而为第二电子开关M3提供偏置电流。第二电子开关M3接收到偏置电流后产生电压，从而向PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6及PMOS管M7的栅极提供偏置电压(即向若干个第一电子开关提供偏置电压)，触发PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6及PMOS管M7进入工作状态。此时，经PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6及PMOS管M7向光电二极管PD流入的电流与可变电流源IBG中的电流(即背景光电流)相等，电容CSH相当于采样了背景光电流，并将其转换为自身的电压。
在光强不变的情况下，当光电二极管PD的面积最小时，背景光电流也最小。此时可断开控制开关M8、M9及M10，使PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7都导通。此时，PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比为W/(8L)，而第二电子开关M3的宽长比为W/L，即第二电子开关M3的宽长比为导通的PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比的8倍。那么流过第二电子开关M3的电流IM3即为当前可变电流源IBG中的电流IBG(即背景光电流)的8倍，即IM3＝8IBG。当光电二极管PD的面积增加一倍时，可变电流源IBG中的电流也变为2IBG。此时，可断开控制开关M8、M9，并导通控制开关M10，使PMOS管M4被短路。此时，PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7导通，PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比为W/(4L)，第二电子开关M3的宽长比则是导通的PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比的4倍，流过第二电子开关M3的电流IM3即为当前可变电流源IBG中的电流2IBG的4倍，即IM3＝8IBG。同理，当光电二极管PD的面积变为原来的4倍时，可变电流源IBG中的电流也变为4IBG，可断开控制开关M8、M10，并导通控制开关M9，使PMOS管M4、PMOS管M5被短路。此时，PMOS管M6、PMOS管M7导通，PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比为W/(2L)。第二电子开关M3的宽长比是导通的PMOS管M6、PMOS管M7的等效宽长比的2倍，流过第二电子开关M3的电流IM3即为当前可变电流源IBG中的电流4IBG的2倍，即IM3＝8IBG。由此可见，不管光电二极管PD的面积如何变化，都可通过控制该若干个控制开关的导通与断开来改变导通的PMOS管的数量，从而调节导通的PMOS管等效宽长比，使得流过第二电子开关M3的电流IM3始终不变。
一方面，公式I＝(1/2)*ucox*(W/L)*(VGS-VTH)，其中I为光电二极管PD中的背景光电流，即可变电流源IBG中的电流IBG；ucox为参数不会改变；这里的(W/L)表示导通的PMOS管的等效宽长比；VGS为该若干个PMOS管的栅源电压，其大小等于电容CSH的电压U；VTH为若干个PMOS管的开启电压，不受光电二极管PD面积变化的影响。由以上公式可知，当光电二极管PD的面积发生变化时，I会随之发生变化，此时，通过改变导通的PMOS管的数量，使导通的PMOS管的等效宽长比(W/L)也发生变化，就可避免电容CSH的电压在较大范围内变化。特别地，若使等效宽长比(W/L)与电流I发生相同比例的变化，就可保持VGS不变，即使电容CSH的电压保持不变。
另一方面，在光电二极管的面积发生变化时，通过调节导通的PMOS管的等效宽长比，使得流过第二电子开关M3的电流IM3始终不变，会使电路中的非主极点P2的位置保持不变。而电路中流过第四电子开关M1的电流是由第一电流源IB1及第二电流源IB2提供的，由于两者都是恒定电流源，因此，流过第四电子开关M1的电流IM1也不会改变，IM1不变，电路中的非主极点P3(对应第一电流源IB1的第二端、第四电子开关M1的第一端与控制端三者之间的节点)的位置就不会改变。也就是说电路中两个非主极点P2、P3的位置都不会变化。电路的增益带宽积的公式GBW＝gmA*K/CPD，其中，CPD即为光电二极管的寄生电容，K为导通的PMOS管的等效宽长比与第二电子开关M3的宽长比的比例；gmA为放大器MA的跨导，其不受光电二极管PD变化的影响。如上所述，当光电二极管PD的面积增大一倍时，CPD也会增大一倍。此时使PMOS管M4短路，并使PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7导通，PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7的等效沟道长度缩小一倍，这使导通的PMOS管的等效宽长比与第二电子开关M3的宽长比的比例K也变为原来的2倍，GBW保持不变。同样的，当光电二极管PD的面积增大4倍时，即CPD也会增大4倍，而此时使PMOS管M4被短路，PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7导通，导通的PMOS管的等效宽长比与第二电子开关M3的宽长比的比例K也变为原来的4倍，GBW仍保持不变。由此可见，在光电二极管PD的面积发生变化时，通过改变导通的PMOS管的数量，使导通的PMOS管的等效沟道长度与光电二极管PD的面积按相反的比例变化(等效输出阻抗与等效沟道长度成正比，所以这里也可以是使导通的PMOS管的等效输出阻抗与光电二极管PD的面积按相反的比例变化)，可使环路增益带宽积恒定不变。环路中的两个非主极点P2、P3的位置保持不变，环路增益带宽积也恒定不变，就可使环路的稳定性不受光电二极管PD面积变化的影响。
需要说明的是，在实际设计时，可根据最小的光电二极管PD的面积，设计最小的宽长比(如PMOS管M7的宽长比)。且设计时一般会留有一定的余量，比如，光电二极管PD的面积在0.5倍～1.5之间变化时，可选择1倍面积的档位便能支持(即认为光电二极管PD的面积增大1倍)；若光电二极管PD面积在1.5倍～2.5倍之间变化时，选择2倍面积的档位便能支持(即认为光电二极管PD的面积增大2倍)。
当采样阶段结束后，即可断开第一采样开关SW1及第二采样开关SW2，此时电路进入积分阶段。电容CSH上的电压转为电流(该电流的大小即等于之前采样的背景光电流的大小)，并通过导通的PMOS管输出给光电二极管PD，以抵消光电二极管PD中的背景光电流。
值得一提的是，本实施例提供了一种第一跨导放大器OTA1及第二跨导放大器OTA2的实现方式。但在实际应用中，也可直接选择常规的运算跨导放大器作为第一跨导放大器OTA1及第二跨导放大器OTA2，本实施方式对此不做限制。
本申请的第四实施例涉及一种传感器。该传感器可以为检测心率的传感顺路，具体地，该传感器上可集成有第一实施例、第二实施例或第三实施例所述的电流采样保持电路及光电二极管。其中，电流采样保持电路中的第一跨导放大器OTA1的另一端可连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极可接地。
另外，可选地，该传感器上还可集成有积分器，并将积分器中的放大电路作为实施例2中的偏置电路中的放大电路。这样，在采样阶段，闭合第一采样开关SW1，积分器中的放大电路作为电流采样保持电路中的一部分，与电流采样保持电路的其他部分构成环路。在积分阶段，断开第一采样开关SW1后，该放大电路则作为积分器的一部分进行工作。这有利于实现对积分器的放大电路的复用。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电流采样保持电路，用于抵消光电二极管中的背景光电流，其特征在于，包括：电容及向所述光电二极管输出采样电流以抵消光电二极管中的背景光电流的跨导可调节的第一跨导放大器；
所述电容的一端连接电源VDD端，所述电容的另一端连接所述第一跨导放大器的一端；所述第一跨导放大器的另一端用于连接光电二极管，以向所述光电二极管输出所述采样电流。
2.根据权利要求1所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述第一跨导放大器包括若干个第一电子开关及若干个用于控制所述第一电子开关的控制开关；
所述若干个第一电子开关连接在所述电源VDD端及所述光电二极管之间，且所述若干个第一电子开关之间相互串联，所述若干个第一电子开关的控制端均连接所述电容的另一端；
任意两个相邻的所述第一电子开关的连接点对应一个所述控制开关，每个所述控制开关的一端连接所述电源VDD端，每个所述控制开关的另一端连接对应的所述连接点。
3.根据权利要求1或2所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述电流采样保持电路还包括第一采样开关及用于向所述第一跨导放大器提供偏置电压的偏置电路；
所述偏置电路的第一端通过所述第一采样开关同时连接所述第一跨导放大器的一端及所述电容的另一端；所述偏置电路的第二端连接所述电源VDD端；所述偏置电路的第三端用于连接所述光电二极管。
4.根据权利要求3所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述偏置电路包括第二电子开关及第二跨导放大器；
所述第二电子开关的第一端作为所述偏置电路的第二端连接所述电源VDD端；所述第二电子开关的第二端连接所述第二跨导放大器的一端；所述第二电子开关的控制端作为所述偏置电路的第一端连接所述第一采样开关，以及所述第二电子开关的第二端与所述第二跨导放大器的一端之间的连接点；所述第二跨导放大器的另一端作为所述偏置电路的第三端用于连接所述光电二极管。
5.根据权利要求4所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述第二跨导放大器包括第二采样开关、放大电路、第一电流源、第三电子开关及第四电子开关；
所述第三电子开关的第一端连接所述第二电子开关的第二端；所述第三电子开关的第二端接地；所述第三电子开关的控制端连接所述第一电流源的第二端与所述第四电子开关的第一端之间的连接点，以及所述第四电子开关的控制端；所述第一电流源的第一端连接所述电源VDD端；
所述第四电子开关的第一端还通过所述第二采样开关连接所述放大电路的一端；所述第四电子开关的第二端接地；所述放大电路的另一端用于连接所述光电二极管。
6.根据权利要求5所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述放大电路包括第二电流源及第五电子开关；
所述第五电子开关的第一端作为所述放大电路的一端，分别连接所述第二二电流源及所述第二采样开关；所述第五电子开关的第二端接地；所述第五电子开关的控制端作为所述放大电路的另一端，用于连接所述光电二极管。
7.根据权利要求4所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述第一电子开关为PMOS管；若干个所述PMOS管沿朝向所述光电二极管的方向依次排列；
若干个所述PMOS管中的第一个PMOS管为最靠近所述光电二极管的PMOS管，最后一个PMOS管为最远离所述光电二极管的PMOS管；所述第一个PMOS管的宽长比与第二个PMOS管的宽长比相等，第i个PMOS管的宽长比为第i-1个PMOS管的宽长比的两倍，所述i大于或等于3。
8.根据权利要求7所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述第二电子开关为PMOS管，且所述第二电子开关的宽长比与所述第一个PMOS管的宽长比相等。
9.根据权利要求1所述的电流采样保持电路，其特征在于，所述电流采样保持电路还包括第三采样开关；所述第三采样开关并联在所述电容的两端。
10.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括光电二极管及如权利要求1至9任意一项所述的电流采样保持电路；
所述电流采样保持电路中的第一跨导放大器的另一端连接所述光电二极管。
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