DE102021105503A1

DE102021105503A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE102021105503A1
Application number: DE102021105503.2A
Authority: DE
Inventors: Predrag MICAKOVIC; Dalibor STOJKOVIC
Original assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Current assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Priority date: 2021-03-08
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Ein optischer Sensor umfasst eine Fotodiode (115) zum Empfang eines Lichtsignals (114). Die Fotodiode ist mit dem Eingangsanschluss (1111) eines Verstärkers (110) gekoppelt. Ein Delta-Sigma-Modulator (120) ist mit dem Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers (110) verbunden, und ein Dezimierungsfilter (130) ist mit dem Ausgangsanschluss (122) des Delta-Sigma-Modulators (120) gekoppelt. Ein mit dem Dezimierungsfilter (130) verbundener Ausgangsanschluss (140) ist dazu eingerichtet, ein digitales Signal (D) bereitzustellen, das die von der Fotodiode (115) empfangene Lichtmenge angibt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen optischen Sensor. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen optischen Sensor, der eine Photodiode, einen Verstärker, einen Delta-Sigma-Modulator und einen Dezimierungsfilter umfasst, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die von der Photodiode empfangene Lichtmenge angibt. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf Anwendungen eines optischen Sensors in biometrischen und Näherungssensor-Anordnungen.
Hintergrund
Optische Sensoren werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, um eine Lichtmenge zu bestimmen, die durch eine Fotodiode empfangen wird, um eine Messung eines physikalischen Ereignisses durchzuführen. Der gemessene Wert kann zur Anzeige oder zur Steuerung von Funktionen in dem elektronischen Gerät verwendet werden. Der optische Sensor umfasst eine Fotodiode, die das zu messende Lichtsignal empfängt, einen Verstärker zur Erzeugung eines verstärkten Signals und zur Bereitstellung des Signals in einem für die Digitalisierung geeigneten Bereich sowie einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das die von der Fotodiode empfangene Lichtmenge angibt und in einem für die weitere Verarbeitung geeigneten Format vorliegt. Der Analog-Digital-Wandler verwendet häufig eine Delta-Sigma-Architektur mit einem Delta-Sigma-Modulator, der dem Verstärker nachgeschaltet ist, und einem Dezimierungsfilter, um den vom Delta-Sigma-Modulator erzeugten Bitstrom in ein digitales Wort für die weitere Verarbeitung in der elektronischen Vorrichtung umzuwandeln.
Optische Sensoren in biometrischen Sensorgeräten, z. B. zur Messung der Herzfrequenz oder des Blutdrucks, sowie optische Sensoren in Näherungssensoren zur Messung der An- oder Abwesenheit eines Objekts empfangen nur eine geringe Menge des vom menschlichen Körper oder von einem Objekt reflektierten Lichts oder eine geringe Veränderung des Lichts, so dass das im Schaltkreis erzeugte Rauschen von Bedeutung ist. Das in den elektronischen Bauteilen der Sensoreinrichtung erzeugte Rauschen kann aus mehreren Rauschkomponenten bestehen.
In herkömmlichen Sensorgeräten ist der Verstärker häufig als Transimpedanzverstärker (TIA) ausgeführt, und zwischen dem Verstärker und dem Delta-Sigma-Modulator befindet sich eine Abtast- und Halteschaltung. Der Delta-Sigma-Modulator führt einen mehrstufigen Umwandlungsprozess mit Integrations- und Vergleichsschritten durch, um einen Bitstrom zu erzeugen, der Informationen aus dem vom Lichtsignal verursachten Fotostrom durch die Fotodiode enthält. Da dieser Prozess eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, sorgt die Abtast- und Halteschaltung eines herkömmlichen optischen Sensors dafür, dass das von der analogen in die digitale Domäne zu konvertierende Spannungssignal während des Konvertierungsprozesses relativ konstant und stabil ist. Thermisches Rauschen kann sowohl vom TIA als auch von der Sample-and-Hold-Schaltung im analogen Bereich ausgehen und wird im Delta-Sigma-Modulator digitalisiert, so dass es auch im digitalen Ausgangssignal enthalten ist.
Ein weiterer Beitrag zum Rauschen kann hochfrequentes Rauschen sein, das oft als Rauschspitzen bezeichnet wird und aus der Vorwärtsregelschleife im Transimpedanzverstärker resultiert. Während das thermische Rauschen ein im Wesentlichen weißes Rauschen mit einer nahezu gleichmäßigen spektralen Verteilung ist, liegt die Rauschspitze des TIA im Hochfrequenzbereich des umzuwandelnden analogen Signals vor. Die Rauschspitzen des TIA und das thermische Rauschen der Abtast- und Halteschaltung begrenzen das Rauschleistungsverhalten des optischen Sensors, weshalb ein optischer Sensor mit geringerem Betriebsrauschen im digitalen Ausgangssignal benötigt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen optischen Sensor mit einem verbessertes Rauschleistungsverhalten anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen optischen Sensor mit geringerem thermischen Rauschen und und niedrigeren oder vermiedenen Rauschspitzen bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, Anwendungen des optischen Sensors in Sensorgeräten anzugeben.
Zusammenfassung
Eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben werden durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein optischer Sensor eine Fotodiode, die zum Empfang eines Lichtsignals eingerichtet ist. Das Lichtsignal kann für Menschen sichtbares Licht oder Infrarotlicht oder Licht mit einer grünen Spektralverteilung umfassen. Die Fotodiode ist mit einem der Eingangsanschlüsse eines elektronischen Verstärkers gekoppelt. Der Verstärker kann einen Operationsverstärker mit einer Rückkopplungs- oder Vorwärtsregelschleife wie einen Transimpedanzverstärker (TIA) enthalten, der das von der Fotodiode erzeugte elektrische Stromsignal in ein Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers in einem für die Analog-Digital-Wandlung geeigneten Bereich umwandelt. Ein Delta-Sigma-Modulator ist dem Verstärker nachgeschaltet. Ein Eingangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators ist mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden. Der Eingangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators kann direkt mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden werden, so dass der Analog-Digital-Wandler die Ausgangsspannung des TIA kontinuierlich umwandelt. Ein Dezimierungsfilter ist dem Delta-Sigma-Modulator nachgeschaltet, so dass ein Eingangsanschluss des Dezimierungsfilters mit einem Ausgangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators verbunden ist. Das Dezimierungsfilter entfernt Rauschkomponenten, die im Ausgangssignal des Delta-Sigma-Modulators enthalten sind. Insbesondere entfernt das Dezimierungsfilter zumindest einen Teil oder fast das gesamte Spitzenrauschen, das vom Transimpedanzverstärker erzeugt wird, aus dem Ausgangssignal des Delta-Sigma-Modulators. Das Dezimierungsfilter stellt ein digitales Ausgangssignal, das für die von der Fotodiode empfangene Lichtmenge repräsentativ ist, an einem Ausgangsanschluss bereit.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Ausgangsanschluss des Verstärkers und der Eingangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators durch eine durchgehende elektrische Leitung verbunden. Die Leitung kann ein durchgehender Metalldraht oder ein Polysiliziumdraht oder ein anderes Drahtmaterial in der integrierten Schaltung sein, in der der TIA und der Delta-Sigma-Modulator realisiert sind. Die durchgehende Leitung stellt eine ununterbrochene, direkte Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers wie dem Ausgang des Operationsverstärkers der TIA und dem Eingangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators her. Ein dazwischenliegendes funktionelles Schaltungselement wie eine Abtast- und Halteschaltung, die in herkömmlichen optischen Sensoren verwendet werden kann, ist zwischen TIA und Delta-Sigma-Modulator des optischen Sensors der vorliegenden Ausführungsform nicht vorhanden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Delta-Sigma-Modulator einen Integrator und einen geschalteten Kondensator, der mit einem Eingang des Integrators verbunden ist. Der geschaltete Kondensator ist über einen Schalter seriell mit dem EingangsanschlussEingangsanschluss des Delta-Sigma-Modulators verbunden, so dass der Schalter mit der durchgehenden Leitung verbunden ist, der eine direkte elektrische Verbindung mit dem AusgangsanschlussAusgangsanschluss des TIA herstellt, wodurch andere Funktionsschaltungen, die zwischen dem TIA und dem Schalter am Eingang des Delta-Sigma-Modulators angeordnet sind, vermieden werden.
Der Delta-Sigma-Modulator kann weitere Schalter enthalten, wie z. B. einen weiteren Schalter, der mit dem Eingangskondensator des Delta-Sigma-Modulators verbunden ist, um ein selektives Umschalten dieses Kondensators zwischen dem Ausgang des TIA und einem Bezugspotenzial, z. B. einem Massepotenzial, zu ermöglichen, und einen noch weiteren Schalter, der zwischen dem Eingangskondensator und dem Eingang des Integrators angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform ist das Dezimierungsfilter ein Tiefpassfilter, das Rauschspitzenanteile unterdrückt und das Nutzsignal, das das empfangene Lichtsignal darstellt, durchlässt. Der Dezimierungsfilter kann eine Bandbreite BW haben, um den Nutzsignalanteil durchzulassen und Spitzenrauschanteile zu entfernen: $BW = fs / (2 OSR),$
wobei fs die Abtastfrequenz des Delta-Sigma-Modulators ist und OSR das Überabtastverhältnis des Delta-Sigma-Modulators bezogen auf die Bandbreite der in dem Lichtsignal enthaltenen Informationist . Die Abtastfrequenz wird dem Delta-Sigma-Modulator durch ein Taktsignal zugeführt, welches die Schalter steuert, die mit dem Eingangskondensator des Delta-Sigma-Modulators verbunden sind, der mit dem Eingang des Integrators verbunden ist. Die Abtastfrequenz erfüllt ein Überabtastverhältnis OSR, das dem Verhältnis zwischen der Abtastfrequenz fs, mit der der Delta-Sigma-Modulator betrieben wird, und der Nyquist-Frequenz entspricht, die die Frequenz der doppelten Bandbreite der in dem von der Fotodiode empfangenen und als Spannungssignal am Ausgang des TIA bereitgestellten Lichtsignal enthaltenen Informationen ist. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz fb haben, bei der der Frequenzgang des Dezimierungsfilters abfällt und eine Dämpfung aufweist. Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz passieren das Dezimierungsfilter im Wesentlichen nicht, einschließlich Teilen des hochfrequenten Rauschens, das durch Rauschspitzen am TIA erzeugt wird. Die Grenzfrequenz fb des Tiefpass-Dezimierungsfilters ist gegeben durch: $fb = fs / (2 OSR)$
Das Überabtastungsverhältnis kann eine ganze Zahl sein. Aus Implementierungsgründen kann das Überabtastungsverhältnis eine ganze Zahl sein, wie z. B. 2^N (wobei N eine ganze Zahl ist, wie z. B. N = 1, ...). In einer praktischen Ausführungsform kann das Überabtastungsverhältnis eine ganze Zahl von 32, 64,128 oder 256, sein, obwohl auch ganzzahlige Zahlen unter 32 oder über 256 möglich sind.
Der Tiefpass-Dezimierungsfilter kann eine SINC-Konfiguration aufweisen, die eine spezielle Architektur eines Tiefpassfilters ist, die einen relativ gleichmäßigen Durchlassbereich und eine relativ hohe Dämpfung im Sperrbereich mit einer relativ steilen, fast vertikalen Übergangsphase zwischen Durchlassbereich und Sperrbereich bei der Grenzfrequenz aufweist. Die Impulsantwort eines SINC-Filters ist im Idealfall eine mathematische SINC-Funktion im Zeitbereich.
Der optische Sensor eignet sich für die Messung optischer Signale, die Informationen bei niedrigen Frequenzen im Bereich von mehreren kHz enthalten. Das Ausgangssignal des Verstärkers kann so konfiguriert sein, dass es ein Ausgangssignal im Bereich von bis zu 10 kHz liefert, so dass Signale unter 10 kHz vom Verstärker an den Delta-Sigma-Modulator weitergeleitet werden können. In einer anderen Ausführungsform können andere Verstärker so konfiguriert sein, dass sie Ausgangssignale in einem Bereich von unter 1 kHz bis zu etwa oder nahe 0 kHz liefern.
Niederfrequenzsignale, die von der Fotodiode empfangen und vom Verstärker bereitgestellt werden, können in biometrischen Sensoren vorhanden sein, die eine biometrische Funktion eines Menschen oder eines Tieres messen. Der biometrische Sensor kann eine Lichtquelle enthalten, die dazu eingerichtet ist, Licht auszusenden. Bei dem Licht kann es sich um sichtbares Licht, Infrarotlicht oder grünes Licht handeln. Das emittierte Licht wird am Körper eines Menschen oder eines Tieres reflektiert und von der Fotodiode des oben beschriebenen optischen Sensors erfasst. Je nach Ausführung des biometrischen Sensors kann der Sensor so konfiguriert sein, dass er eine photoplethysmographische (PPG) Erfassung durchführt, die zur Überwachung der Herzfrequenz und/oder des Blutdrucks des lebenden Körpers nützlich ist. Der biometrische Sensor kann für eine pulsoximetrische Messung zur Überwachung der Sauerstoffsättigung eines lebenden Körpers eingerichtet sein.
Ein Näherungssensor kann verwendet werden, um die Anwesenheit eines Objekts oder eines lebenden Körpers in der Nähe eines elektronischen Geräts, z. B. eines tragbaren Geräts wie eines Smartphones, festzustellen. Der Näherungssensor umfasst eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Licht wie Infrarotlicht oder grünes Licht oder grünähnliches Licht aussendet. Das Licht wird von einem menschlichen oder tierischen Körper oder von einem Objekt in der Nähe des Sensors reflektiert. Da das Annäherungsereignis in der Regel bei Umgebungslicht stattfindet, misst der Annäherungssensor den Lichtempfang, wenn die Lichtquelle ausgeschaltet ist (nur Umgebungslicht), und den Lichtempfang, wenn die Lichtquelle eingeschaltet ist (Umgebungslicht plus Licht von der Lichtquelle, das vom Objekt/Körper reflektiert wird), und bestimmt die Differenz zwischen der Erfassung des Einschalt- und des Ausschaltsignals, um ein Maß für die Nähe eines Objekts oder eines lebenden Körpers bezogen auf die Sensorvorrichtung zu erhalten.
Es versteht sich von selbst, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung lediglich beispielhaft sind und dazu dienen, einen Überblick oder einen Rahmen für das Verständnis der Natur und des Charakters der Ansprüche zu schaffen. Die beigefügten Zeichnungen dienen dem weiteren Verständnis und sind Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien und der Funktionsweise der verschiedenen Ausführungsformen. Gleiche Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figurenliste
In den Zeichnungen:

1 zeigt ein Schaltbild eines optischen Sensors;
2 zeigt Einzelheiten des Delta-Sigma-Modulators, der im Schaltplan von 1 enthalten ist;
3 zeigt mehrere Diagramme von Spektralsignaldichten oder Spektralsignalübertragungsfunktionen, die in den Schaltungen der 1 und 2 vorhanden sind;
4 zeigt die Signalübertragungsfunktion eines SINC-Dezimierungsfilters und das durch den SINC-Filter gefilterte Ausgangssignal; und
5 zeigt ein Blockdiagramm einer biometrischen oder einer Näherungssensor-Anordnung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, ausführlicher beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt verstanden werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit die Offenbarung dem Fachmann den Umfang der Offenbarung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, sondern dienen dazu, die Offenbarung deutlich zu veranschaulichen.
In 1 ist ein optischer Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der optische Sensor umfasst eine Fotodiode 115, die zwischen einem Eingangsanschluss 1111 eines Verstärkers 110 und dem Massepotenzial angeschlossen ist. Die Fotodiode 115 empfängt ein optisches Signal 114, das ein Lichtsignal aus sichtbarem oder unsichtbarem Licht sein kann. Die Fotodiode 115 kann so ausgelegt sein, dass sie Licht einer speziellen Wellenlänge, wie Infrarotlicht oder sichtbares Licht oder grünes Licht oder Licht im Bereich von Grün, empfängt und als Reaktion auf das Lichtsignal einen Fotostrom vom Anschluss 1111 zum Massepotenzialanschluss erzeugt. Die Fotodiode 115 hat auch eine kapazitive Komponente, die durch den parallel zur Fotodiode 115 geschalteten Kondensator 116 dargestellt wird. Der Verstärker 110 ist als Transimpedanzverstärker (TIA) ausgeführt, der das Stromsignal am Anschluss 1111 in ein Spannungssignal am Ausgangsanschluss 1113 des TIA 110 bezogen auf das Massepotential umwandelt.
Der TIA 110 umfasst einen Operationsverstärker 111 mit einem invertierenden Eingang „-“, der mit dem Eingangsanschluss 1111 verbunden ist, und einem nichtinvertierenden Eingang „+“, der mit einem anderen Eingangsanschluss 1112 des TIA 110 verbunden ist. Der Anschluss 1112 kann mit einem Bezugspotenzial wie VREF verbunden sein, das Massepotenzial oder ein anderes Bezugspotenzial sein kann. Ein Vorwärtskopplungswiderstand 112, z. B. ein ohmscher Widerstand, ist zwischen dem invertierenden Eingang „-“ und dem Ausgang des Operationsverstärkers 111 angeschlossen. Ein Vorwärtskopplungskondensator 113 kann parallel zum Widerstand 112 verbunden sein. Das an der Fotodiode 115 empfangene Lichtsignal wird am Anschluss 1111 in ein Stromsignal umgewandelt und von TIA 110 am Anschluss 1113 in ein Spannungssignal umgewandelt.
Die Spannung am Anschluss 1113 wird aus dem analogen Bereich in den digitalen Bereich umgewandelt und als digitales Datensignal D am Ausgangsanschluss 140 bereitgestellt. Zur Digitalisierung ist dem TIA 110 ein Delta-Sigma-Modulator 120 und dem Delta-Sigma-Modulator 120 ein Dezimierungsfilter 130 nachgeschaltet. Der Ausgangsanschluss 140 ist mit dem Ausgang des Dezimierungsfilters 130 verbunden.
Der Delta-Sigma-Modulator 120 empfängt das analoge Spannungssignal direkt vom Anschluss 1113 ohne zwischengeschaltete Schaltungen wie eine Abtast- und Halteschaltung oder andere. Der Ausgang 1113 der TIA 110 ist direkt mit dem Eingang 121 des Delta-Sigma-Modulators 120 verbunden, und zwar über eine direkte Verbindungsleitung, z. B. eine Metallleitung 150, die auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet ist, der den optischen Sensor von trägt. Andere Materialien für die Signalleitung wie Polysilizium sind ebenfalls möglich. Zwischen den Anschlüssen 1113 und 121 sind zumindest keine weiteren Schaltungen mit aktiven Komponenten wie Schalttransistoren angeordnet. Die Umwandlung durch den Delta-Sigma-Modulator 120 erfordert eine Folge von Taktzyklen, die durch das Taktsignal CLK am Anschluss 123 gesteuert werden, so dass der Delta-Sigma-Modulationsprozess eine gewisse Zeit benötigt, um eine AD-Umwandlung abzuschließen, während der das Signal am Anschluss 1113 variabel sein kann. Die Schwankung des Spannungssignals am Anschluss 1113 hat jedoch eine eher niedrige Frequenz, da das Lichtsignal 114 mit relativ niedriger Frequenz schwankt, was akzeptabel ist. Das Ausgangssignal des TIA 110 wird vom Delta-Sigma-Modulator 120 kontinuierlich abgetastet. Der Delta-Sigma-Modulator 120 erzeugt an seinem Ausgangsanschluss 122 einen Bitstrom. Der Bitstrom enthält Informationen über die Intensität des an der Fotodiode 115 empfangenen Lichtsignals 114. Das Dezimierungsfilter 130 ist ein Tiefpassfilter, das ein digitales Datenwort D erzeugt. Der Eingangsanschluss 131 des Dezimierungsfilters 130 ist mit dem Ausgangsanschluss 122 des Delta-Sigma-Modulators 120 verbunden, und der Ausgangsanschluss 132 des Dezimierungsfilters 130 bildet den Ausgangsanschluss 140 des optischen Sensors. Die Kombination aus Delta-Sigma-Modulator 120 und Dezimierungsfilter 130 bildet einen Analog-Digital-Wandler (ADC) nach einem Delta-Sigma-Arbeitsprinzip.
Der TIA 110 erzeugt Rauschen mit erhöhter Frequenz, die durch Rauschspitzen verursacht wird. Das Rauschsignal ist in dem Spannungssignal enthalten, das dem Delta-Sigma-Modulator 120 am Anschluss 121 zugeführt wird, und ist auch in dem digitalen Datenstrom am Ausgangsanschluss 122 des Delta-Sigma-Modulators 120 enthalten. Die Eigenschaften des Tiefpass-Dezimierungsfilters 130, wie z. B. die Bandbreite und/oder die Grenzfrequenz, sind so konfiguriert, dass das hochfrequente Rauschen, das durch Rauschspitzen von TIA 110 erzeugt wird, aus dem Ausgangssignal D am Anschluss 140 entfernt wird.
2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Teils des Delta-Sigma-Modulators 120. Der Delta-Sigma-Modulator 120 enthält einen Integrator 210, der einen Operationsverstärker und einen Integrationskondensator 220 umfasst, der zwischen dem invertierenden Eingang „-“ und dem Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Ein geschalteter Kondensator 211 ist über einen Schalter 214 an den Eingang des Integrators 210 und an den invertierenden Eingang „-“ des Operationsverstärkers angeschlossen. Auf der Eingangsseite des Delta-Sigma-Modulators 120 ist der Kondensator 211 über einen Schalter 212 mit dem Eingang 121 des Delta-Sigma-Modulators 120, der das Eingangsspannungssignal V1 führt, und über einen weiteren Schalter 213 mit dem Massepotentialanschluss verbunden. Die Schalter 213, 214 werden durch ein Steuersignal P2 gesteuert, der Schalter 212 wird durch das Steuersignal P1 gesteuert, wobei die Signale P1, P2 nicht überlappende Impulse liefern. Der Kondensator 211 ist ebenfalls über den vom Steuersignal P1 gesteuerten Schalter 216 mit dem Massepotentialanschluss verbunden. Dementsprechend ist die erste Platte des Kondensators 211 selektiv über den Schalter 212 mit dem Eingangsanschluss 121 des Delta-Sigma-Modulators 120 und über den Schalter 213 mit dem Massepotentialanschluss verbunden. Die zweite Platte des Kondensators 211 ist über den Schalter 214 selektiv mit dem Integrator 210 und über den Schalter 216 mit der Erdpotentialklemme verbunden, so dass der Kondensator 211 durch das Spannungseingangssignal am Anschluss 121 in einer ersten Phase aufgeladen wird, wenn das Signal P1 aktiv ist, und die Ladung in einer zweiten Phase an den Integrator weitergeleitet wird, wenn das Signal P2 aktiv ist. Ein Rückkopplungspfad innerhalb des Delta-Sigma-Modulators 120 am Anschluss 215 umfasst einen weiteren geschalteten Kondensator 217, der mit den Schaltern 214, 216 und der zweiten Platte des geschalteten Kondensators 211 verbunden ist. Ein Eingangsspannungssignal V2 am Anschluss 215 ist ein Rückkopplungssignal, das durch den Ausgang des Delta-Sigma-Modulators 120 bestimmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der Eingangsanschluss 121 über den Schalter 212 mit dem geschalteten Kondensator 211 und direkt über den Metalldraht 150 mit dem Ausgangsanschluss 1113 des TIA 110 und damit mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 111 des TIA 110 verbunden. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 111 und dem Eingangsschalter 212 des Delta-Sigma-Modulators 120 befindet sich keine aktive Schaltung, wie z. B. ein aktives Schaltungselement mit aktiven Komponenten wie einem oder mehreren Schalttransistoren oder eine Abtast- und Halteschaltung. Da keine Abtast- und Halteschaltung verwendet wird, werden die Halbleiterfläche und der Stromverbrauch ohne Beeinträchtigung der Leistung reduziert. Darüber hinaus werden auch Rauschbeiträge einer Abtast- und Halteschaltung vermieden. Dieser Ansatz ermöglicht eine schnelle Messung und Umwandlung des Eingangssignalstroms.
3 veranschaulicht die Merkmale der Signale und Schaltungen der und . Die Rauschspektraldichte des Signals am Ausgangsanschluss 1113 des TIA 110 ist in Figur (3a), die Übertragungsfunktion des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers (ADC) einschließlich Delta-Sigma-Modulator 120 und Dezimierungsfilter 130 ist in Figur (3b) und die sich daraus ergebende Rauschspektraldichte des digitalen Signals D am Anschluss 140 ist in Figur (3c) dargestellt.
In Bezug auf 3 (a) enthält die Rauschspektraldichte des Signals am Anschluss 1113 einen flachen Anteil 311, der hauptsächlich aus dem thermischen Rauschen des TIA 110 resultiert. Die Rauschspektraldichte enthält einen zusätzlichen Rauschanteil bei hoher Frequenz, dargestellt als 312, der aus Rauschspitzen resultiert, die durch den Betrieb des Transimpedanzverstärkers 110 erzeugt werden. Der Rauschanteil 312 enthält eine höhere Menge an Rauschen bei höherer Frequenz.
3 (b) zeigt den Frequenzgang des Delta-Sigma-ADC 120, 130 für den Signalweg vom Anschluss 121 zum Anschluss 132. Der Frequenzgang ähnelt einem Tiefpassfilter mit einer flachen Durchlassbandbreite BW am Pegel 321, einer Grenzfrequenz fb am oberen Ende der Durchlassbandbreite BW und dem Sperrbandabschnitt 322 jenseits oder oberhalb der Grenzfrequenz fb.
3 (c) zeigt die Spektraldichte des Ausgangsrauschens an den Anschlüssen 132, 140. Der Rauschanteil unterhalb der Grenzfrequenz fb passiert den ADC 120, 130 und der Rauschanteil oberhalb der Grenzfrequenz fb wird gedämpft, wie bei 331 gezeigt. Ein Vergleich der 3 (a) und 3 (c) zeigt, dass das hochfrequente Rauschen oberhalb oder jenseits der Grenzfrequenz fb im Wesentlichen entfernt wird. In einer praktischen Ausführungsform kann das Signal am Anschluss 1113 am Ausgang des TIA 110 ein analoges Ausgangssignal mit 10 bis 12 effektiven Bits umfassen. Das digitale Ausgangssignal D am Anschluss 140, aus dem der Spitzenrauschanteil entfernt ist, umfasst 16 bis 17 effektive Bits, so dass mit den in den und dargestellten Schaltungen eine Anzahl von vier zusätzlichen effektiven Bits erreicht werden kann.
In 4 ist der Frequenzgang einer Ausführungsform des Dezimierungsfilters 130 dargestellt. Das Dezimierungsfilter 130 ist als SINC-Filter konfiguriert, das eine Realisierung eines Tiefpassfilters ist, das relativ einfach mit digitalen Schaltkreisen realisiert werden kann. Das SINC-Filter erzeugt eine Impulsantwort, die eine SINC-Funktion im Zeitbereich ist. Der in 4 (a) dargestellte Frequenzgang umfasst einen relativ flachen Durchlassbereich mit der Bandbreite BW unterhalb der Grenzfrequenz fb. Der Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz fb wird, wie im Frequenzgangdiagramm dargestellt, erheblich gedämpft. Die Bandbreite BW des SINC-Dezimierungsfilters 130 hängt von der Abtastfrequenz fs des Abtastvorgangs im Delta-Sigma-Modulator 120 und dem Überabtastverhältnis OSR ab. Insbesondere wird die Abtastfrequenz fs durch das Taktsignal CLK bestimmt, das dem Delta-Sigma-Modulator 120 zugeführt wird. In einer Ausführungsform werden die durch die Steuersignale P1, P2 gesteuerten Schalter 212, 213, 214, 216, wie in 2 dargestellt, mit der Abtastfrequenz fs betrieben. Das Überabtastungsverhältnis wird zwischen der Abtastfrequenz und der Bandbreite der in dem Lichtsignal 114 enthaltenen Informationen festgelegt. Das Überabtastungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Abtastfrequenz und der Nyquist-Frequenz, die das Zweifache der Eingangssignalbandbreite beträgt. In einer Ausführungsform kann das Überabtastungsverhältnis 128 betragen. In einer anderen Ausführungsform kann das Überabtastungsverhältnis 32, 64 oder 256 betragen. Im Allgemeinen kann das Überabtastungsverhältnis eine ganze Zahl oder eine Zahl 2^N sein, wobei N eine ganze Zahl ist. Dementsprechend werden die Grenzfrequenz fb und die Bandbreite BW durch die Abtastfrequenz fs und das Überabtastverhältnis OSR wie folgt bestimmt: $fb = fs / (2 OSR)$
$BW = fs / (2 OSR)$
In einer Ausführungsform beträgt die durch das Taktsignal CLK bestimmte Abtastfrequenz 10 MHz. Bei einem Überabtastverhältnis OSR von 128 liegt die Bandbreite oder Grenzfrequenz beispielsweise bei 39 kHz.
4 (b) zeigt die Spektraldichte des Signals D am Anschluss 140 nach der Digitalisierung durch den Delta-Sigma-Modulator 120 und der Filterung durch den SINC-Tiefpassfilter 130. Das Diagramm verdeutlicht, dass das Signal den ADC 120, 130 ohne nennenswerte Dämpfung für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fb passiert und für Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz fb stark gedämpft wird.
Die Schaltung in 1 vermeidet einen Abtast- und Haltevorgang vor der Analog-Digital-Wandlung, so dass das Eingangssignal für den AD-Wandler kontinuierlich abgetastet wird. Das Signal kann sich während der Umwandlung ändern, da es kontinuierlich vom TIA 110 an den Delta-Sigma-Modulator 120 geliefert wird. Die Schaltung ist für die Umwandlung von Niederfrequenzsignalen angepasst. In einer Ausführungsform ist der Verstärker 110 so konfiguriert, dass er am Anschluss 1113 ein Ausgangssignal zwischen 0 und 10 kHz liefert. Das Signal am Anschluss 1113 kann sogar in einem sehr niedrigen Frequenzbereich liegen, der im Idealfall bis zu 0 kHz reicht. In einer anderen Ausführungsform kann der Verstärker so konfiguriert sein, dass er ein niederfrequentes Ausgangssignal am Anschluss 1113 unter 1 kHz liefert.
5 zeigt eine Systemanwendung des oben beschriebenen optischen Sensors in einer Anordnung wie einer biometrischen Sensoranordnung oder einer Näherungssensoranordnung. Die Sensoranordnung umfasst eine Lichtquelle 511, bei der es sich um eine LED (lichtemittierende Diode) oder einen VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) handeln kann, die Licht einer bestimmten Frequenz, wie z. B. Infrarotlicht, sichtbares Licht, grünes Licht oder Licht im grünnahen Bereich, aussenden. Das von der LED/VCSEL 511 erzeugte und von der Sensoranordnung 510 ausgestrahlte Licht 531 wird an einem Objekt 520 reflektiert. Der reflektierte Lichtanteil 532 wird in der Sensoranordnung 510 von der Fotodiode 115 der Schaltung aus 1 empfangen, die im optischen Sensor 512 angeordnet ist. Bei dem Objekt 520 kann es sich im Falle eines biometrischen Sensors um einen Menschen oder ein Tier handeln oder im Falle eines Näherungssensors um einen Teil des Körpers eines Menschen oder eines Tieres oder um ein physisches Objekt.
In einer Ausführungsform enthält die Sensoranordnung 510 Schaltkreise zur Durchführung einer PPG (photoplethysmographischen) Erfassung, die die Herzfrequenz oder den Blutdruck eines Menschen oder eines Tieres aus der Differenz zwischen emittiertem Licht 531 und reflektiertem Licht 532 bestimmt. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung 510 Schaltkreise zur Durchführung einer pulsoximetrischen Messung, mit der die Sauerstoffsättigung eines Menschen oder eines Tieres aus der Differenz zwischen dem ausgesandten Licht 531 und dem reflektierten Licht 532 bestimmt wird. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoranordnung 510 ein Näherungssensor, der die Anwesenheit eines physischen Objekts oder eines Menschen oder eines Tieres relativ zur Sensoranordnung 510 aus dem ausgesandten Licht 531 und dem reflektierten Licht 532 bestimmt, wobei normalerweise zwei Messungen vorgenommen werden: eine erste Messung bestimmt das im Sensor 512 empfangene Licht, wenn kein Lichtstrahl 531 von der LED/VCSEL 511 ausgesandt wird; eine zweite Messung bestimmt das im Sensor 512 empfangene Licht, wenn Licht 531 von der LED/VCSEL 511 ausgesandt und am Objekt 520 reflektiert wird. Dementsprechend führt die erste Messung nur eine Messung des Umgebungslichts und die zweite Messung eine Messung des Umgebungslichts plus des reflektierten LED/VCSEL-Lichts durch. Der Annäherungsalgorithmus bestimmt die Annäherung von Objekt 520 aus der Differenz der Lichtmessungen nur des Umgebungslichts und des Umgebungslichts plus des reflektierten Lichts, die vom optischen Sensor 512 erfasst werden.
Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, abzuweichen. Da Modifikationen, Kombinationen, Unterkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die den Geist und den Inhalt der Offenbarung enthalten, dem Fachmann bekannt vorkommen können, sollte die Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie alles umfasst, was in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fällt.
Bezugszeichenliste

110: Verstärker
120: Delta-Sigma-Modulator
130: Dezimierungsfilter
140: Ausgangsanschluss
1111, 1113, 131, 132, 123, 140 1112, 121, 122,: Anschluss
111: Operationsverstärker
112: Widerstand
113: Kondensator
114: Lichtsignal
115: Fotodiode
150: Leitung
212, 213, 216, 214: Schalter
210: Operationsverstärker
220: Kondensator
311, 312: Rauschen
321: Durchlassbandbreite
322: Sperrbandabschnitt
510: Sensoranordnung
511: LED
512: Sensor
520: Objekt
531, 532: Licht, reflektiertes Licht
CLK: Taktsignal
VREF: Bezugspotential
D: Datensignal
BW: Bandbreite

Claims

Ein optischer Sensor, umfassend: - eine Fotodiode (115), die zum Empfang eines Lichtsignals (114) eingerichtet ist; - einen Verstärker (110) mit einem Eingangsanschluss (1111) und einem Ausgangsanschluss (1113), wobei die Fotodiode mit dem Eingangsanschluss (1111) des Verstärkers gekoppelt ist; - einen Delta-Sigma-Modulator (120) mit einem Eingangsanschluss (121) und einem Ausgangsanschluss (122), wobei der Eingangsanschluss (121) des Delta-Sigma-Modulators mit dem Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers verbunden ist; - ein Dezimierungsfilter (130) mit einem Eingangsanschluss (131) und einem Ausgangsanschluss (132), wobei der Eingangsanschluss (131) des Dezimierungsfilters mit dem Ausgangsanschluss (122) des Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist; und - einen Ausgangsanschluss (140), der mit dem Dezimierungsfilter (130) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein digitales Signal (D) bereitzustellen, das die von der Fotodiode (115) empfangene Lichtmenge angibt.
Der optische Sensor nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers mit dem Eingangsanschluss (121) des Delta-Sigma-Modulators über eine durchgehende Leitung (150) verbunden ist.
Der optische Sensor nach Anspruch 2, wobei der Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers mit dem Eingangsanschluss (121) des Delta-Sigma-Modulators ohne ein dazwischenliegendes Schaltungselement verbunden ist.
Der optische Sensor nach Anspruch 3, wobei der Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers mit dem Eingangsanschluss (121) des Delta-Sigma-Modulators ohne zwischengeschaltete Abtast- und Halteschaltung verbunden ist.
Der optische Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Delta-Sigma-Modulator (120) einen Integrator (210), einen mit einem Eingang des Integrators (210) gekoppelten Kondensator (211) und einen seriell mit dem Kondensator (210) verbundenen Schalter (212) umfasst, wobei der Schalter (212) mit dem Eingangsanschluss (121) des Delta-Sigma-Modulators verbunden ist.
Der optische Sensor nach Anspruch 5, wobei der Schalter (212) des Delta-Sigma-Modulators über die durchgehende Leitung (150) mit dem Ausgangsanschluss (1113) des Verstärkers verbunden ist.
Der optische Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Dezimierungsfilter (130) ein Tiefpassfilter ist mit einer Bandbreite BW mit $BW = fs / (2 OSR),$
wobei fs die Abtastfrequenz des Delta-Sigma-Modulators ist und OSR das Überabtastverhältnis des Delta-Sigma-Modulators im Verhältnis zur Bandbreite der im Lichtsignal enthaltenen Information ist.
Der optische Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Dezimierungsfilter (130) ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz fb ist, mit $fb = fs / (2 OSR),$
wobei fs die Abtastfrequenz des Delta-Sigma-Modulators ist und OSR das Überabtastverhältnis des Delta-Sigma-Modulators im Verhältnis zur Bandbreite der im Lichtsignal enthaltenen Information ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Überabtastverhältnis OSR eine ganze Zahl oder eine Zahl 2^N ist, wobei N eine ganze Zahl ist.
Der optische Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Verstärker (110) ein Transkonduktanzverstärker ist, der einen Operationsverstärker (111) mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluss (+), der mit einem Anschluss für ein Referenzpotenzial (VREF) verbunden ist, und einem invertierenden Eingangsanschluss (-), der mit der Fotodiode (115) verbunden ist, umfasst, wobei ein Vorwärtskopplungskondensator (113) und ein Vorwärtskopplungswiderstand (112) zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers und einem Ausgangsanschluss (1113) des Operationsverstärkers angeschlossen sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Dezimierungsfilter (130) als Tiefpassfilter mit SINC-Konfiguration ausgeführt ist.
Der optische Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Verstärker (110) dazu eingerichtet ist, am Ausgangsanschluss (1113) ein niederfrequentes Ausgangssignal im Bereich von bis zu 10 kHz oder unter 10 kHz bereitzustellen.
Der optische Sensor nach Anspruch 12, wobei der Verstärker (110) dazu eingerichtet ist, ein niederfrequentes Ausgangssignal am Ausgangsanschluss (1113) im Bereich von unter 1 kHz bereitzustellen.
Eine biometrische Sensoranordnung (510), umfassend: - eine Lichtquelle (511), die eingerichtet ist, Licht (531) auszusenden; - den optischen Sensor (512) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der eingerichtet ist, Licht (532) zu empfangen, das von der Lichtquelle ausgesendet und vom Körper eines Menschen oder eines Tieres (520) reflektiert wird.
Die biometrische Sensoranordnung nach Anspruch 14, wobei der biometrische Sensor (510) eingerichtet ist, mindestens einen der folgenden Schritte auszuführen: - eine photoplethysmographische Erfassung zur Überwachung der Herzfrequenz und/oder des Blutdrucks; und - eine pulsoxymetrische Messung zur Überwachung der Sauerstoffsättigung.
Eine Näherungssensoranordnung (510), die Folgendes umfasst: - eine Lichtquelle (511), die eingerichtet ist, Licht (531) auszusenden; - den optischen Sensor (512) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der eingerichtet ist, Licht (532) zu empfangen und ein Annäherungsereignis aus einer Messung des empfangenen Umgebungslichts und des empfangenen Umgebungslichts plus des empfangenen reflektierten Lichts, welches durch das von der Lichtquelle emittierte und vom Körper eines Menschen oder eines Tieres oder eines Objekts (520) reflektierte Licht (531) verursacht wird, zu bestimmen.