CN218727573U - 对传感器产生的电信号进行检测的电路及相应的电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种对传感器产生的电信号进行检测的电路包括第一检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第一检测单元包括决定所述第一检测单元是否工作的第一开关；第二检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第二检测单元包括决定所述第二检测单元是否工作的第二开关；以及比较单元，其第一输入端耦合到所述第一检测单元和所述第二检测单元的输出端，其第二输入端接收第一参考信号，其输出端耦合到所述第一开关和所述第二开关，并根据比较结果控制所述第一开关和第二开关的状态。本申请还提供了一种与该电路相应的电子设备。

Description

对传感器产生的电信号进行检测的电路及相应的电子设备

技术领域

本申请涉及集成电路领域，特别地涉及对传感器产生的电信号进行检测的电路及相应的电子设备。

背景技术

在很多应用中或者很多电子设备都需要利用传感器来感测非电的模拟信号，并将感测结果转化为电信号。因此，对经转化后的电信号进行检测的需求是非常普遍的。图1所示为光通信系统的部分框架示意图。在光通信系统中，就需要对例如光电二极管在光照下产生的平均光生电流Ipd进行检测。

由于例如入射光强度不同，像光生电流这样的待测信号的可能的变化范围很大，因此需要一种具有大动态范围的检测电路来对传感器产生的电信号进行检测。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种对传感器产生的电信号进行检测的电路，其特征在于，包括第一检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第一检测单元包括决定所述第一检测单元是否工作的第一开关；第二检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第二检测单元包括决定所述第二检测单元是否工作的第二开关；比较单元，其第一输入端耦合到所述第一检测单元和所述第二检测单元的输出端，其第二输入端接收第一参考信号，其输出端耦合到所述第一开关和所述第二开关，并根据比较结果控制所述第一开关和第二开关的状态。

特别的，所述电路还包括复制单元，其耦合在所述第一检测单元和所述比较单元之间，同时也耦合在所述第二检测单元和所述比较单元之间，所述复制单元包括电阻性支路，所述复制单元配置为复制所述传感器产生的电信号，并在其电阻性支路上形成所述传感器产生的电信号的变形提供给所述比较单元的第一输入端。

特别的，所述第一检测单元包括第一晶体管，其第一极耦合到产生所述传感器，其第二极耦合到电源；第二晶体管，其第一极作为所述第一检测单元的输出端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管的控制极；其中，所述第一晶体管的控制极通过所述第一开关耦合到其第一极；其中所述第一晶体管和所述第二晶体管为PMOS晶体管。

特别的，所述第二检测单元包括第一晶体管，其第一极耦合到产生所述单侧信号的传感单元，其第二极耦合到电源；第一运算放大器，其正输入端耦合到所述第一晶体管的第一极，其负输入端配置为接收第二参考信号，其输出端通过所述第二开关耦合到所述第一晶体管的控制极；第二晶体管，其第一极为所述第二检测单元的输出端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管的控制极并且耦合到所述复制单元的输入端。

特别的，所述第一检测单元还包括，第二运算放大器，其正输入端耦合到所述第一晶体管的第一极，其负输入端耦合到所述第二晶体管的第一极；第三晶体管，其第一极作为所述第一检测单元的输出端，其第二极耦合到所述第二晶体管的第一极，其控制极耦合到所述第二运算放大器的输出端；其中所述第三晶体管为PMOS晶体管。

特别的，所述第二检测单元还包括，第二运算放大器，其正输入端耦合到所述第一晶体管的第一极，其负输入端耦合到所述第二晶体管的第一极；第三晶体管，其第一极作为所述第二检测单元的输出端，其第二极耦合到所述第二晶体管的第一极，其控制极耦合到所述第二运算放大器的输出端；其中所述第三晶体管为PMOS晶体管。

特别的，所述第一检测单元或第二检测单元还包括第一电容，其第一端通过所述第一开关耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极，其第二端接地。

特别的，所述复制单元包括第四晶体管，其第一极耦合到所述电阻性支路以及所述比较单元的第一输入端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极；所述电阻性支路包括第一电阻，其第一端耦合到所述第四晶体管的第一极，其第二端接地；其中所述第四晶体管为PMOS 晶体管。

特别的，所述比较单元包括滞回比较器，其第一输入端耦合到所述第一电阻的第一端，其第二输入端配置为接收所述第一参考信号，其第三输入端配置为接收第三参考信号；当所述传感器产生的电信号的变形上升到大于等于所述第三参考信号时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合；当所述传感器产生的电信号的变形下降到小于等于所述第一参考信号时，所述第一开关闭合，所述第二开关断开；其中所述第三参考信号是大于所述第一参考信号的固定参考信号。

本申请还提供了一种电子设备，包括传感器阵列，以及与所述传感器阵列耦合的如前任一所述的对传感器产生的电信号进行检测的电路。

特别的，所述传感器阵列包括光电传感器。

本申请的方案提供了一种针对大动态范围的检测电路，在用于包括例如光电传感器阵列的电子设备时，可以更好的提供检测精度。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1所示为光通信系统的部分框架示意图；

图2所示为根据本申请一个实施例的检测电路结构示意图；

图3(a)所示为图2所示的检测电路的示例性工作时序图；图3(b)为图2所示检测电路的一种工作状态示意图；图3(c)为所示检测电路的另一种工作状态示意图；以及

图4所示为根据本申请另一个实施例的检测电路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。另外，两个单元之间线条的数目旨在表示该两个单元之间通信至少所涉及的信号数或至少具备的输出端，并非用于限定该两个单元之间只能如图中所示的信号来进行通信。

晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)或者双极型晶体管(BJT)。当晶体管为场效应晶体管时，根据沟道材料不同，可以是氢化非晶硅、金属氧化物、低温多晶硅、有机晶体管等。根据载流子是电子或空穴，可以分为N型晶体管和P型晶体管，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极；当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极。晶体管可以采用非晶硅、多晶硅、氧化物半导体、有机半导体、 NMOS/PMOS工艺或者CMOS工艺来制造。

下文以PMOS晶体管为例进行说明，且本申请实施例中晶体管的漏极和源极可以根据晶体管偏置状态的不同而变化。但是，并不能认为本申请例只能局限应用PMOS晶体管实现。本领域技术人员可以在不脱离本申请保护范围的前提下，基于晶体管的类型进行简单替换。

图2所示为根据本申请一个实施例的检测电路结构示意图。根据一个实施例，该电路可以包括第一检测单元和第二检测单元。根据一个实施例，同一时刻只有一个检测单元工作，例如当待测信号比较小的时候利用第一检测单元进行检测，当待测信号比较大的时候利用第二检测单元进行检测。具体关于待测信号大小的标准在本申请后续内容中会具体介绍。

根据一个实施例，第一检测单元可以包括例如第一晶体管2.1以及第二晶体管2.2，二者可以均为PMOS晶体管。2.1和2.2的栅极耦合在一起，源极都耦合到电源。2.1的漏极耦合到光电二极管的阴极用于接收平均光生电流Ipd，光电二极管的阳极可以耦合到例如图1中的放大电路的输入端。2.2的漏极可以作为第一检测单元的输出端。

根据一个实施例，2.1的栅极可以通过第一开关4.2耦合到2.1的漏极。2.2 的漏极电流成比例复制在光电二极管上产生的平均光生电流Ipd，形成流经2.2 源漏的待测电流Irssi。根据一个实施例，Irssi与Ipd的大小比例关系与2.2与2.1 之间的尺寸大小比例相关。

根据一个实施例，第一检测单元还可以包括电容3.4，其值为C2，其第一端通过所述第一开关4.2与2.1和2.2的栅极耦合，其第一端同时还耦合到光电二极管的阴极，其第二端接地。

当第一开关闭合利用第一检测单元进行检测时，若光电二极管的输入光功率较大，平均光生电流Ipd会比较大。当IPD比较大的时候例如达到毫安级别的时候，由于二极管连接方式的晶体管2.1本身的电阻会导致|VGS|或|VDS|的电压差较大，外部的输入电路可能无法正常工作，例如无法满足光电二极管对反向偏压的要求。

根据一个实施例，第二检测单元可以包括运算放大器2.3，其正输入端耦合到光电二极管的阴极，其负输入端配置为接收具有固定值的参考信号Vref，其输出端通过第二开关4.1耦合到2.1和2.2的栅极。

根据一个实施例，第二检测单元还可以包括第一检测单元中的所有结构，但是当第二检测单元工作的时候，第二开关4.1闭合，第一开关4.2断开。根据一个实施例，2.2的漏极可以分别作为第一检测单元或第二检测单元的输出端。

当第二开关闭合时利用第二检测单元检测，形成负反馈环路。2.1的跨导可以为gmp1，内阻可以为rds1。第二检测单元中运算放大器的等效跨导3.1可以为Gm，输出电阻3.2可以为R1，运算放大器2.3的输出电容3.3可以为C1，可以包括运算放大器的输出电容，也可包括2.1、2.2的栅端寄生电容，也可以包括稳定性补偿等效电容，一般是为了输入电流Ipd中的高频分量的信号回流而设置。

负反馈运算放大器2.3会将Vpd钳位在Vref，让两者电压几乎相同。因此，确保当输入电流Ipd很大时，Vpd电压也不会太低，不会导致光电二极管或其它电路无法工作。

第二检测单元的负反馈环路中存在两个极点，且其中一个极点与输入电流大小相关，因而在电流值Ipd比较小的情况下，两个极点可能很接近，会导致出现环路不稳定的问题。

第二检测单元中包含的负反馈环路的环路增益的表达式为：

其中LG(s)为负反馈环路增益的s域表达式。由上可知，负反馈环路存在两个极点|p1|＝1/(R1×C1)，|p2|＝1/(rds1×C2)。利用米勒补偿法将p1设计为主极点，即|p1|应远小于|p2|，来保证负反馈环路的稳定性。但是，当输入电流Ipd很小时，例如达到纳安级别，rds1会很大，因此导致p2很小，例如与p1相当。这种情况下，负反馈环路极容易出现不稳定条件，从而产生震荡。因此，在Ipd较小的时候，第一开关4.2闭合，第二开关4.1断开，采用第一检测单元而不是第二检测单元进行检测。

可选择的，根据一个实施例，该检测电路还可以包括复制单元，其包括电阻性支路，所述复制单元配置为复制待测信号Irssi，并在其电阻性支路上形成待测信号Irssi的变形Iy。

根据一个实施例，复制单元可以包括PMOS晶体管4.3，其源极耦合到电源，其栅极耦合到2.1和2.2的栅极。根据一个实施例，复制单元的电阻性支路可以包括电阻4.4，其阻值为R0，其第一端可以耦合到4.3的漏极，其第二端接地。根据一个实施例，Iy与Irssi的大小比例关系与4.3与2.2之间的尺寸大小比例相关。根据一个实施例，Iy在电阻4.4上形成压降Vy，提供给后续的比较单元用于进行比较。当然，也可以直接在晶体管2.2的漏极耦合电阻性支路，从而将待测电流转化为电压，提供给后续的比较单元。

可选择的，根据一个实施例，该检测电路还可以包括比较单元。根据一个实施例，比较单元可以包括普通比较器，其一个输入端可以耦合到晶体管4.3的漏极和电阻4.4的第一端，用于接收Iy在电阻4.4上形成的电压Vy，另一个输入端可以接收第一参考信号(未示出)，用于与Vy进行比较。

根据一个实施例，如果Vy小于第一参考信号，则第一开关4.2闭合，第二开关4.1断开，第一检测单元工作用于检测光电二极管的光生电流，第二检测单元不工作。

根据另一个实施例，如果Vy大于第一参考信号，则第一开关4.2断开，第二开关4.1闭合，第一检测单元不工作，第二检测单元工作用于检测光电二极管的光生电流。

根据一个实施例，该第一参考信号的值可以根据第一检测单元和第二检测单元的属性而定。例如第一参考信号的值可以对应Ipd为5μA。

根据一个实施例，如图2所示的电路中，比较单元可以包括滞回比较器4.5，其第一输入端4.11接收Vy，第二输入端4.6接收具有固定值的参考信号Vref2，第三输入端4.7接收具有固定值的参考信号Vref3，其中Vref3大于Vref2。根据一个实施例，第一参考信号可以是Vref2和Vref3中的一个，也可以与Vref2和 Vref3不同。

图3(a)所示为图2所示的检测电路的示例性工作时序图；图3(b)为图2所示检测电路的一种工作状态示意图；图3(c)为所示检测电路的另一种工作状态示意图。

根据一个实施例，当输入的平均光生电流Ipd上升到大于等于例如M*Vref3/R0时，滞回比较器4.5的第一输出端4.8输出的信号dout可以为高电平，导致第二开关4.1闭合，第一开关4.2断开；当输入的平均光生电流Ipd下降到小于等于M*Vref2/R0时，滞回比较器4.5的第一输端4.8输出的信号dout 可以为低电平，导致第二开关4.1断开，第一开关4.2闭合。上述两个状态分别对应图3(c)和图3(b)。其中，M可以是大于等于1的数。在实际应用中，为了减小4.3所在支路的额外电流功耗，可以将M设为5～10以上。根据一个实施例，滞回比较器还可以包括第二输出端4.9，输出信号doub_b，其是与dout相反的信号。

根据不同的实施例，滞回比较器的两个阈值或者说两个参考信号Vref2和Vref3可以根据实际需求设计。一般需考虑要确保第二检测单元工作时环路稳定，同时确保第一检测单元工作时Vpd不会太低。因此，滞回的区间(即区间 M*Vref2/R0～M*Vref3/R0)不宜太小，防止由于输入的平均光生电流Ipd的较小的波动导致滞回比较器的输出信号dout在高电平和低电平间反复切换。根据一个实施例，滞回区间例如可以是Ipd为1μA至5μA的区间。

根据一个实施例，如果输入的平均光生电流Ipd是从小变大，则滞回区间内，则如图3(b)所示，第一开关保持闭合和第二开关保持断开。直到Ipd达到 M*Vref3/R0时，滞回比较器的输出信号dout从低电平跳变到高电平，则第一开关断开，第二开关闭合，如图3(c)所示。

根据一个实施例，如果输入的平均光生电流Ipd是从大变小，则滞回区间内，则如图3(c)所示，第一开关保持断开和第二开关保持闭合。直到Ipd降低到 M*Vref2/R0时，滞回比较器的输出信号dout从高电平跳变到低电平，则第一开关闭合，第二开关断开，如图3(b)所示。

图4为根据本申请另一个实施例的检测电路结构示意图。其中与图2类似的结构就不再重复介绍。在本实施例中，第一检测单元和第二检测单元均包括，运算放大器6.1以及PMOS晶体管6.2。其中，运算放大器6.1的正输入端耦合到光电二极管的阴极，负输入端耦合到晶体管2.2的漏极。晶体管6.2的源极耦合到6.1的漏极，栅极耦合到运算放大器6.1的输出端，漏极可以作为第一检测单元或者第二检测单元的输出端，配置为提供待测电流Irssi。

添加运算放大器6.1以及PMOS晶体管6.2目的是为了进一步提高电流镜 MOS管2.1和2.2复制精度。负反馈环路强迫电压运算放大器6.1负输入端电压 Vx和其正输入端电压Vpd尽量接近，从而尽量减小了MOS管的沟长调制效应造成的电流误差，进一步优化了复制精度。

根据不同的实施例，本领域技术人员知晓的是，在不脱离本申请保护范围的前提下，上述检测电路所检测的信号还可以来自其他类型的传感器，并不限于光电传感器。

本申请还提供了一种电子设备，还包括传感器阵列以及与之耦合的如上任一所述的检测电路。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。

Claims (11)

1.一种对传感器产生的电信号进行检测的电路，其特征在于，包括：

第一检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第一检测单元包括决定所述第一检测单元是否工作的第一开关(4.2)；

第二检测单元，其输入端配置为接收传感器产生的电信号，所述第二检测单元包括决定所述第二检测单元是否工作的第二开关(4.1)；以及

比较单元，其第一输入端耦合到所述第一检测单元和所述第二检测单元的输出端，其第二输入端接收第一参考信号，其输出端耦合到所述第一开关和所述第二开关使得二者轮流闭合，并根据比较结果控制所述第一开关(4.2)和第二开关(4.1)的状态。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括

复制单元，其耦合在所述第一检测单元和所述比较单元之间，同时也耦合在所述第二检测单元和所述比较单元之间，所述复制单元包括电阻性支路，所述复制单元配置为复制所述传感器产生的电信号，并在其电阻性支路上形成所述传感器产生的电信号的变形提供给所述比较单元的第一输入端。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一检测单元包括，

第一晶体管(2.1)，其第一极耦合到所述传感器，其第二极耦合到电源；

第二晶体管(2.2)，其第一极作为所述第一检测单元的输出端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管(2.1)的控制极；

其中，所述第一晶体管(2.1)的控制极通过所述第一开关(4.2)耦合到其第一极；其中所述第一晶体管(2.1)和所述第二晶体管(2.2)为PMOS晶体管。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二检测单元包括，

第一晶体管(2.1)，其第一极耦合到所述传感器，其第二极耦合到电源；

第一运算放大器(2.3)，其正输入端耦合到所述第一晶体管(2.1)的第一极，其负输入端配置为接收第二参考信号，其输出端通过所述第二开关(4.1)耦合到所述第一晶体管(2.1)和所述第二晶体管(2.2)的控制极；

第二晶体管(2.2)，其第一极为所述第二检测单元的输出端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管(2.1)的控制极。

5.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第一检测单元还包括，

第二运算放大器(6.1)，其正输入端耦合到所述第一晶体管(2.1)的第一极，其负输入端耦合到所述第二晶体管(2.2)的第一极；

第三晶体管(6.2)，其第一极作为所述第一检测单元的输出端，其第二极耦合到所述第二晶体管(2.2)的第一极，其控制极耦合到所述第二运算放大器(6.1)的输出端；

其中所述第三晶体管(6.2)为PMOS晶体管。

6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第二检测单元还包括，

第二运算放大器(6.1)，其正输入端耦合到所述第一晶体管(2.1)的第一极，其负输入端耦合到所述第二晶体管(2.2)的第一极；

第三晶体管(6.2)，其第一极作为所述第一检测单元的输出端，其第二极耦合到所述第二晶体管(2.2)的第一极，其控制极耦合到所述第二运算放大器(6.1)的输出端；

其中所述第三晶体管(6.2)为PMOS晶体管。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一检测单元或第二检测单元还包括第一电容(3.4)，其第一端通过所述第一开关耦合到所述第一晶体管(2.1)和所述第二晶体管(2.2)的控制极，其第二端接地。

8.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述复制单元包括第四晶体管(4.3)，其第一极耦合到所述电阻性支路以及所述比较单元的第一输入端，其第二极耦合到电源，其控制极耦合到所述第一晶体管(2.1)和所述第二晶体管(2.2)的控制极；所述电阻性支路包括第一电阻(4.4)，其第一端耦合到所述第四晶体管(4.3)的第一极，其第二端接地；其中所述第四晶体管(4.3)为PMOS晶体管。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述比较单元包括滞回比较器(4.5)，其第一输入端耦合到所述第一电阻(4.4)的第一端，其第二输入端配置为接收所述第一参考信号，其第三输入端配置为接收第三参考信号；

当所述传感器产生的电信号的变形上升到大于等于所述第一参考信号时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合；当所述传感器产生的电信号的变形下降到小于等于所述第三参考信号时，所述第一开关闭合，所述第二开关断开；

其中所述第三参考信号是小于所述第一参考信号的固定参考信号。

10.一种电子设备，其特征在于，包括传感器阵列，以及与所述传感器阵列耦合的如权利要求1-9所述的对传感器产生的电信号进行检测的电路。

11.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述传感器阵列包括光电传感器。

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