DE112020001113T5

DE112020001113T5 - Schwachstromerkennung

Info

Publication number: DE112020001113T5
Application number: DE112020001113.5T
Authority: DE
Inventors: Dalibor STOJKOVIC; Predrag MICAKOVIC
Original assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Current assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US20220136897A1; CN113544478A; WO2020178455A1

Abstract

Sensoranordnung zur Lichterfassung für die Licht-zu-Frequenz-Wandlung. Die Sensoranordnung enthält eine Fotodiode, einen Integrator, der so betreibbar ist, dass er während einer Integrationszeit eine Integrationsphase durch Umwandlung eines von der Fotodiode erzeugten Fotostroms in eine Eingangsspannung durchführt, einen Spannungs-Analog-Digital-Wandler (ADC), der so betreibbar ist, dass er eine Modulationsphase durch Umwandlung der Eingangsspannung (VIN) in ein digitales Ausgangssignal (ADC _RESULT) durchführt, das den von der Fotodiode erzeugten Fotostrom anzeigt, einen ersten Schalter, der elektrisch mit der Fotodiode und dem Eingang des Integrators gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten und einer zweiten Referenzspannung gekoppelt ist.

Description

HINTERGRUND
Moderne Unterhaltungselektronik (z. B. Smartphones) macht zunehmend Gebrauch von vielen verschiedenen Sensoren, die oft im selben Gerät enthalten sind. In einer bestimmten Anwendung werden Umgebungslichtsensoren für das Display-Management verwendet, wobei diese Sensoren die Helligkeit des Umgebungslichts messen. Abhängig von der Helligkeit des Umgebungslichts kann die Display-Beleuchtung angepasst und Strom gespart werden. Ist z. B. das Umgebungslicht hell, kann eine höhere Hintergrundbeleuchtung für das Anzeigefeld erforderlich sein. Ist das Umgebungslicht jedoch geringer, kann eine geringere Hintergrundbeleuchtung für das Anzeigefeld ausreichend sein. Durch dynamisches Anpassen der Helligkeit des Anzeigefeldes helfen die Umgebungslichtsensoren dem Anzeigefeld, die Betriebsleistung zu optimieren.
Umgebungslichtsensoren können Fotodioden enthalten, die eintreffendes Licht in analoge Signale umwandeln. Die analogen Signale können mit einer Analog-Digital-Wandlerschaltung digitalisiert werden. Die digitalisierten Signale können zur Einstellung der Display-Helligkeit und für andere Aktionen in einem Gerät verwendet werden. Die genaue Umwandlung von Licht in digitale Messwerte kann eine Herausforderung sein. Wenn nicht darauf geachtet wird, kann es für die Analog-Digital-Wandlerschaltung schwierig oder unmöglich sein, Fotodiodensignale genau in digitale Lichtmessungen umzuwandeln.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Spezifikation beschreibt Technologien zur Schwachstromerkennung, die Integration und Delta-Sigma-Modulation gleichzeitig in jeder Umgebungslichtsensor (ALS)-Messung verwenden, um Schwachlicht genau zu messen.
Im Allgemeinen kann ein innovativer Aspekt des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands in einer Sensoranordnung verkörpert werden, um eine Integrations-Modulations-Technik durchzuführen, wobei die Sensoranordnung eine Fotodiode, einen Integrator, der betreibbar ist, um eine Integrationsphase während einer Integrationszeit (TINT) durchzuführen, indem ein von der Fotodiode erzeugter Fotostrom (IIN) in eine Eingangsspannung (VIN) umgewandelt wird, enthält, wobei der Integrator einen Integratoreingang, einen Verstärker mit einem Eingang, der elektrisch mit dem Integratoreingang gekoppelt ist, einen Integrationskondensator, der elektrisch mit dem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und einen Integratorausgang, der elektrisch mit einem Ausgang des Verstärkers, dem Integrationskondensator und einem Eingangsspannungsknoten gekoppelt ist, aufweist wobei der Integratorausgang ein Ausgangssignal an den Eingangsspannungsknoten liefert, einen Spannungs-Analog-Digital-Wandler (ADC), der so betreibbar ist, dass er eine Modulationsphase durch Umwandeln der Eingangsspannung (VIN) in ein digitales Ausgangssignal (ADC_RESULT) durchführt, das den von der Fotodiode erzeugten Fotostrom anzeigt, wobei der ADC einen Eingang enthält, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten gekoppelt ist, einen ersten Leistungsanschluss, der elektrisch mit einer ersten Referenzspannung (VREFP) gekoppelt ist, und einen zweiten Leistungsanschluss, der elektrisch mit der zweiten Referenzspannung (VREFN) gekoppelt ist, einen ersten Schalter, der elektrisch mit der Fotodiode und dem Integratoreingang gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten und einer zweiten Referenzspannung gekoppelt ist.
Einige Implementierungen beinhalten eines oder mehrere der folgenden Merkmale.
In einigen Implementierungen umfasst die Integrations-Modulations-Technik zwei oder mehr Integrations-Modulations-Zyklen. In einigen Implementierungen umfasst jeder Integrations-Modulations-Zyklus eine Rücksetzphase, eine Integrationsphase und eine Modulationsphase. In einigen Implementierungen werden die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig nach der Rücksetzphase durchgeführt.
In einigen Implementierungen beginnt während jedes Integrations-Modulationszyklus ein Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) bei der zweiten Referenzspannung (VREFN) nach der Rücksetzphase, und der Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) steigt proportional zum Fotostrom (IIN) an, der von der Fotodiode während der Integrationszeit (TINT) für die Integrationsphase erzeugt wird.
In einigen Implementierungen umfasst der ADC außerdem einen Zähler, wobei der Zähler während der Rücksetzphase einen aktuellen Zählerzustand nicht ändert. In einigen Implementierungen befindet sich der erste Schalter während der Rücksetzphase in einem offenen Zustand, der zweite Schalter in einem geschlossenen Zustand und die Eingangsspannung (VIN) wird auf die zweite Referenzspannung (VREFN) gesetzt.
In einigen Implementierungen wird jeder Integrations-Modulations-Zyklus auf der Grundlage einer Einstellung für einen Vollausschlag-Stromzustand wiederholt. In einigen Implementierungen wird der Vollausschlagstromzustand dadurch bestimmt, dass die Eingangsspannung (VIN) während der Integrationszeit (TINT) für die Integrationsphase auf den Wert der ersten Referenzspannung (VREFP) ansteigt.
In einigen Implementierungen arbeiten der erste und der zweite Reset-Schalter in Reaktion auf ein Taktsignal. In einigen Implementierungen umfasst der ADC einen Delta-Sigma-Modulator, der in einem Spannungsmodus betrieben werden kann.
In einigen Implementierungen umfasst jede Modulationsphase eine Vielzahl von Modulationszyklen. In einigen Implementierungen ist eine Anzahl der Vielzahl von Modulationszyklen programmierb ar.
In einigen Implementierungen ist das digitale Ausgangssignal proportional zum Fotostrom (IIN) und der Eingangsspannung (VIN).
Im Allgemeinen kann ein innovativer Aspekt des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands in einem Verfahren verkörpert werden, das das Erzeugen eines Fotostroms (IIN) aus einer Lichtquelle durch eine Fotodiode, das Umwandeln des Fotostroms (IIN) durch einen Integrator, der während einer Integrationszeit (TINT) für eine Integrationsphase eines Integrations-Modulationszyklus durchgeführt wird des Photostroms (IIN) in eine Eingangsspannung (VIN) an einem Eingangsspannungsknoten, wobei der Integrator einen Integratoreingang, einen Verstärker mit einem elektrisch mit dem Integratoreingang gekoppelten Eingang, einen elektrisch mit dem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelten Integrationskondensator und einen elektrisch mit einem Ausgang des Verstärkers gekoppelten Integratorausgang aufweist, dem Integrationskondensator und einem Eingangsspannungsknoten gekoppelt ist, wobei der Integratorausgang ein Ausgangssignal an den Eingangsspannungsknoten liefert, das durch einen Spannungs-Analog-Digital-Wandler (ADC) während einer Modulationsphase des Integrations-Modulationszyklus die Eingangsspannung (VIN) in ein digitales Ausgangssignal (ADC_RESULT) umwandelt, der ADC einen mit dem Eingangsspannungsknoten elektrisch gekoppelten Eingang, einen mit einer ersten Referenzspannung (VREFP) elektrisch gekoppelten ersten Leistungseingang, einen mit der zweiten Referenzspannung (VREFN) elektrisch gekoppelten zweiten Leistungseingang enthält, und Rücksetzen der Eingangsspannung (VIN) auf die zweite Referenzspannung (VREFN) während einer Rücksetzphase durch einen Rücksetzschalter.
Einige Implementierungen beinhalten eines oder mehrere der folgenden Merkmale.
In einigen Implementierungen werden die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig während der Integrationszeit (TINT) durchgeführt. In einigen Implementierungen umfasst der Integrations-/Modulationszyklus eine Rücksetzphase, eine Integrationsphase und eine Modulationsphase. In einigen Implementierungen werden die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig im Anschluss an die Rücksetzphase ausgeführt. In einigen Implementierungen umfasst eine Integrations-Modulations-Technik zwei oder mehr Integrations-Modulations-Zyklen.
In einigen Implementierungen beginnt während jedes Integrations-Modulationszyklus ein Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) bei der zweiten Referenzspannung (VREFN) nach der Rücksetzphase, und der Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) steigt proportional zum Fotostrom (IIN), der von der Fotodiode während der Integrationszeit (TINT) erzeugt wird, an.
In einigen Implementierungen befindet sich der erste Schalter während der Rücksetzphase in einem offenen Zustand, der zweite Schalter in einem geschlossenen Zustand, und die Eingangsspannung (VIN) wird auf die zweite Referenzspannung (VREFN) gesetzt.
Einige Ausführungsformen des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands können so implementiert werden, dass sie einen oder mehrere der folgenden Vorteile realisieren. Durch die Verwendung der offengelegten Schaltungsanordnung und Methodik mit gleichzeitig durchgeführter Integration und Modulation wird eine bessere Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Leistung für den Fall der Schwachstromerfassung erreicht. Darüber hinaus ist diese Integrations-Modulations-Technik nützlich, um den Messbereichsendwert (IFS) durch Einstellung einer Integrator-Rücksetzperiode bereitzustellen, die mehr Freiheitsgrade für die Einstellung des Messbereichsendwerts (IFS) bieten kann. Die in dieser Offenbarung beschriebene Sensoranordnung kann auch leicht in eine bestehende Architektur integriert werden.
Die Sensoranordnung kann sowohl für Licht- als auch für Temperaturerfassungsanwendungen verwendet werden, indem der gleiche Signalpfad für die Sensorsignalerfassung genutzt wird. Durch die Verwendung des gleichen Signalpfades für beide Sensoren kann die Siliziumfläche der Sensoranordnung klein gehalten werden. Dadurch kann die Sensoranordnung in einigen Fällen kostengünstiger hergestellt werden.
Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

ist eine Beispielimplementierung einer Sensoranordnung zur Lichterfassung.
ist ein Beispieldiagramm für die Sensoranordnung zur Lichterfassung von unter Verwendung einer Strommodulationsphase.
ist eine Beispielimplementierung einer Sensoranordnung zur Lichterfassung.
ist ein Beispieldiagramm für die Sensoranordnung zur Lichterfassung von , die separate Integrations- und Spannungs-ADC-Wandlungsphasen verwendet.
ist ein Beispieldiagramm für die Sensoranordnung zur Lichterfassung von mit gleichzeitigen Integrations- und Spannungs-ADC-Wandlungsphasen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt eine Lichtsensorarchitektur zur Optimierung der Schwachstromerkennung unter gleichzeitiger Verwendung von Integration und Delta-Sigma-Modulation. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung allgemein auf Sensorsysteme und insbesondere auf Licht-Digital-Wandler (LTD). Zum Beispiel Lichtsensoren zur Farberkennung, Farbspektralsensoren und dergleichen. Die Lichtsensorarchitektur hat Anwendungen wie einen Umgebungslichtsensor oder einen Farbsensor, bei denen ein Lichtsensor zur Messung des Lichtpegels verwendet wird. Dieses Dokument beschreibt eine Anordnung, die ein Verfahren zur Empfindlichkeitsgrenze (z. B. Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)) des herkömmlichen LTD unter Verwendung eines Delta-Sigma-Modulators 1.
Diese Offenlegung basiert auf der Integration eines rücksetzbaren Integrators und eines Spannungs-Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers (ADC). In einigen Implementierungen können die Integration des Fotodiodenstroms und die Modulation gleichzeitig arbeiten. Während jedes Zyklus arbeitet ein Modulator als Spannungs-ADC mit einer Spannungsrampe, die von einer ersten Referenzspannung (VREF) auf eine zum Fotodiodenstrom proportionale Spannung startet. In einigen Implementierungen wird nach einer programmierbaren Anzahl von Modulationszyklen die Analog-Digital-Wandlung angehalten und der Integrator befindet sich kurz in einem Reset-Zustand bei der ersten Referenzspannung (VREF). Die Integrations- und Rücksetzphase kann wiederholt werden, bis eine Gesamtzahl von Zyklen erreicht ist. In einigen Implementierungen dauert jeder Integrationszyklus gleich lang, was für den Fall erreicht werden kann, dass das Verhältnis der Modulationszyklen pro Gesamtzahl der Zyklen eine ganze Zahl ist.
Diese Funktionen sowie weitere Funktionen werden im Folgenden näher beschrieben.
ist eine beispielhafte Implementierung einer optischen Sensoranordnung 100. Die Sensoranordnung 100 umfasst eine Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 und eine Fotodiode 104. Die Delta-Sigma-Modulator-Schaltung 102 erster Ordnung umfasst eine Referenzladungsschaltung 110, einen Integrator 120, einen Komparator 132 und einen digitalen Zähler 135. Die Delta-Sigma-Modulator-Schaltung 102 arbeitet als Licht-Frequenz-Wandler, der als integrierter Schaltkreis implementiert sein kann.
In einigen Ausführungsformen ist die Fotodiode 104 als externe Komponente mit dem integrierten Schaltkreis verbunden. Alternativ kann die Fotodiode 104 in einigen Ausführungsformen ein Teil der integrierten Schaltung sein. Der Licht-Frequenz-Wandler und die Fotodiode können als eine optische Sensoranordnung betrachtet werden. In einigen Ausführungsformen wird die optische Sensoranordnung als Umgebungslichtsensor verwendet.
Die Referenzladeschaltung 110 liefert die Referenzladung (VREF) an die Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102. Die Referenzladeschaltung 110 umfasst eine Vielzahl von Schaltern (T1, T2, T3 und T4) und einen Referenzkondensator (_CREF) 111. In einigen Implementierungen sind die Schalter MOSFETS. Jeder Schalter umfasst einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss, und der dritte Anschluss des ersten Schalters empfängt ein Steuersignal, das den ersten Schalter entweder in einen geschlossenen Zustand versetzt, in dem ein Leitungspfad zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss hergestellt wird, oder in einen offenen Zustand, in dem der Leitungspfad zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufgehoben ist. Die Schalter T1 und T2 sind mit einem ersten Taktsignal verbunden, und die Schalter T3 und T4 sind mit einem zweiten Taktsignal verbunden, wobei jedes Taktsignal ein nicht überlappendes Taktsignal ist. In einigen Implementierungen arbeitet jeder Schalter bei einer Betragsgrenze für die Schaltspannung von im Wesentlichen der Hälfte der Eingangsgleichspannung (VREF).
Der Referenzkondensator 111 ist über den Referenzschalter T2 mit dem Eingang des Integrators 120 gekoppelt. Somit ist der Referenzkondensator 111 über den Referenzschalter T2 mit dem Eingang des Verstärkers 121 gekoppelt. Der Referenzkondensator 111 liefert einen variablen Kapazitätswert _CREF. Der Kapazitätswert _CREF des Referenzkondensators 111 wird durch ein Kondensatorsteuersignal eingestellt.
Die Fotodiode 104 ist über einen Reset-Schalter 105 mit einem Fotodiodeneingang der Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 gekoppelt. Die Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 enthält einen Integrator 120, der seinerseits einen Verstärker 121, einen Integratoreingang und einen Integratorausgang enthält. Der Verstärker 121 enthält einen Verstärkereingang, der mit dem Reset-Schalter 105 verbunden ist, der wiederum mit dem Fotodiodeneingang der Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 verbunden ist. In einigen Implementierungen ist der Verstärkereingang als invertierender Eingang implementiert. Alternativ kann der Verstärkereingang als nicht-invertierender Eingang implementiert sein. Der Verstärker 121 enthält einen weiteren Verstärkereingang, der z. B. als nicht-invertierender Eingang ausgeführt ist. Die Fotodiode 104 verbindet den Fotodiodeneingang der Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 mit einem Bezugspotentialanschluss. Ein integrierender Kondensator 122 des Integrators 120 verbindet den Verstärkereingang mit einem Verstärkerausgang des Verstärkers 121. Der resultierende Verstärkerausgang enthält die integrierte Spannung (VINT), die aus dem Eingangsstrom der Fotodiode (IIN) umgewandelt wird. Der Verstärkerausgang des Verstärkers 121 ist mit dem Knoten 140 für die integrierte Spannung (VINT) verbunden. Der Knoten 140 für die integrierte Spannung (VINT) ist außerdem mit dem Integrationskondensator 122 und einem Reset-Schalter 106 verbunden.
Die Delta-Sigma-Modulatorschaltung 102 erster Ordnung enthält einen Komparator 132 mit einem nicht-invertierenden Eingang, der über den integrierten Spannungsknoten 140 (VINT) mit dem Ausgang des Verstärkers 121 verbunden ist. Der Eingang des Komparators 132 ist z. B. als nicht-invertierender Eingang ausgeführt. Ein weiterer Eingang des Komparators 132 ist z. B. als invertierender Eingang ausgeführt. Eine Referenzspannungsquelle VRCOMP verbindet den weiteren Eingang mit dem Referenzpotentialanschluss und dem Reset-Schalter 106. Ein Ausgang des Komparators 132 ist mit einem Digitalzähler 135 und einem Rückfuhrkreis 112 verbunden. Die Rückkopplungsschleife ist mit der Referenzladeschaltung 110 verbunden. Der Zähler 135 enthält einen Steuereingang und eine Steuerlogik sowie einen oder mehrere Taktgeneratoren (nicht dargestellt). Während des Betriebs, insbesondere während einer Rücksetzphase, wird der Rücksetzschalter 106 durch ein Rücksetzschaltersignal _SRESET in einen geschlossenen Zustand geschaltet, und die integrierte Spannung (VINT) wird am Knoten 140 der integrierten Spannung (VINT) auf die Referenzspannungsquelle VRCOMP umgeschaltet. In ähnlicher Weise wird während der Reset-Phase der Reset-Schalter 105 durch ein Reset-Schaltersignal _SRESET in einen offenen Zustand geschaltet.
Die Sensorsignalerfassung wird durch Anlegen eines Eingangssteuersignals ADC_ON und eines Integrationszeitsignals _STINT an einen Steuereingang einer digitalen Steuerschaltung initialisiert. Ein Modulationstaktsignal _TCLKMOD (hier manchmal als „_TCLK“ bezeichnet) kann von einem Taktgenerator bereitgestellt und/oder von einem digitalen Steuerkreis erzeugt werden. Vorzugsweise wird die Sensoranordnung 100 gelöscht, bevor die Signalerfassung fortgesetzt wird. Wenn das Eingangssteuersignal ADC ON dem Steuereingang zugeführt wird, wird der Betrieb der Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 ausgelöst. Die Vorspannungsquelle Vb liefert die Verstärker-Referenzspannung VREF an den Referenzkondensator 111. Der Referenzkondensator 111 erzeugt ein Ladungspaket QREF. Das Ladungspaket QREF hat einen Wert gemäß $Qref = {Vref}_{, in} \cdot_{Cref}$
wobei _Cref ein Kapazitätswert des Referenzkondensators 111 ist und Vref,_in ein Spannungswert der Verstärker-Referenzspannung VREF ist. Die digitale Steuerschaltung liefert ein Referenzsignal S2 an den Referenzschalter T2. Nach dem Schließen des Referenzschalters T2 wird das Ladungspaket QREF an den Eingang des Integrators 120 am Integrator-Eingangsknoten 123 angelegt.
Abhängig von einem Eingangssteuersignal ADC ON und nachdem die Sensoranordnung 100 in einen Ausgangszustand gesetzt oder gelöscht wurde, startet die Fotodiode 104 die Signalerfassung und erzeugt einen Fotostrom IPD (IIN). Der Wert des Fotostroms hängt von der Intensität des auf die Fotodiode 104 einfallenden Lichts ab. Der Fotostrom IPD fließt durch die Fotodiode 104 und den Eingang der Delta-Sigma-Modulatorschaltung erster Ordnung 102 zum Integrator 120 über den Reset-Schalter 105. Die Fotodiode 104, der invertierende Eingang des Verstärkers 121 und der integrierende Kondensator 122 sind jeweils mit dem Integrationseingangsknoten 123 verbunden. Zusätzlich ist der Referenzkondensator 111 über den Referenzschalter T2 mit dem Integrationseingangsknoten 123 gekoppelt. Der Sensorstrom IPD fließt vom Integrationseingangsknoten 123 zum Bezugspotentialanschluss mit einem positiven Wert. Die Vorspannungsquelle Vb liefert eine Verstärker-Referenzspannung Vb an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 121. Der Verstärker 121 erzeugt eine Ausgangsspannung VOUT am Integrationsspannungs(VINT)-Knoten 140.
Ist der Referenzschalter T2 offen, wird der Fotostrom IPD am Integrationskondensator 122 integriert. Die Ausgangsspannung VOUT steigt mit der Zeit t wie folgt an: $VOUT =_{IPD \cdot} t \cdot CINT$
wobei _IPD ein Wert des Fotostroms ist und CINT einen Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 122 bezeichnet. Die Ausgangsspannung VOUT des Verstärkers 121 wird als Integrationsspannung (VINT) an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 132 angelegt.
Während der Signalerfassung zählt eine Signalverarbeitungseinheit die Impulse des Komparatorausgangssignals LOUT. Grundsätzlich wird die Zählung durch den Zähler 135 durchgeführt. Zusammen können die Referenzladeschaltung 110, der Integrator 120, der Komparator 132 und der Zähler 135 als Modulator erster Ordnung betrachtet werden, der einen asynchronen Zählwert erzeugt. Der asynchrone Zählwert ist direkt proportional zum Fotostrom (IIN), der am Integrationskondensator 122 integriert wird (innerhalb einer Fehlerspanne). Gemäß einigen Implementierungen kann die asynchrone Zählung fehleranfällig sein, was durch eine Signalverarbeitungs-Engine berücksichtigt werden kann. Der Zähler 135 liefert die synchrone Zählung. Dieser Zählwert besteht aus einer ganzzahligen Anzahl von einzelnen Zählwerten (ADC-Ergebnis). In einigen Implementierungen kann der Komparator 132 z. B. als gelatchter Komparator implementiert sein.
Das grundlegende Funktionsprinzip einer ALS-Schaltung, wie der in dargestellten Sensoranordnung 100, besteht darin, dass der ladungsausgleichende Analog-Digital-Wandler (ADC) den Photonenstrom von der Photodiode erfasst und in einen ALS-Zählwert (ADC-COUNT) umwandelt. Die ALS-Zählung basiert auf einer Ladungserhaltungsgleichung: $ADC_COUNT = (Tint * Ipd) / (_{Cref} * Vref)$
wobei Tint eine Gesamtumwandlungszeit, Ipd ein Wert des Fotostroms (IIN), Cref der Kapazitätswert des Referenzkondensators 111, Vref die Referenzspannung (VREF) ist.
Während einer vollständig dunklen Lichtbedingung erzeugt die Fotodiode im Idealfall keinen Strom, und die Anzahl der ADC-Zählungen ist Null. Die gesamte ALS-Messzeit für jeden ALS-Integrationszyklus kann mit der Gleichung berechnet werden: $ALS - Messzeit = AZ_Zeit + Init_Zeit + ALS_Integration_Zeit$
wobei Init_Time eine Initialisierungszeit ist und unabhängig von der Verstärkung eine feste Zeit ist (z. B. 100µs), und AZ DAC und ALS Integration Time eine feste Zeit ist (z. B. 100ms). AZ_Time ist die Auto-Zero-Zeit, und die Auto-Zero-Zeit variiert mit der Anzahl der Bits im AZ DAC und dem Algorithmus, der zum Finden des AZ-Codes verwendet wird. Je höher z. B. die Anzahl der Bits im AZ-DAC ist, desto höher ist die AZ-Zeit und desto kleiner ist die Offsetspannung des Verstärkers 121. Je höher die Anzahl der DAC-Bits ist, desto höher ist die Overhead-Zeit bei der ALS-Messung, kann der Ursprung der größten Overhead-Zeit bei ALS-Messungen sein.
In einigen Implementierungen kann ein Benutzer die Integrationszeit programmieren. Zum Beispiel kann gemäß einigen Implementierungen ein Bereich der Integrationszeit (TINT) von 2,78ms bis 1400ms variieren. Alternativ kann auch ein anderer Bereich von Integrationszeiten verwendet werden.
ist ein Beispieldiagramm 200 für die Sensoranordnung 100 zur Lichterfassung von . Insbesondere zeigt das Diagramm 200 die Sensoranordnung 100, die eine Strommodulationsphase verwendet.
Eine Reset-Phase dient dazu, Anfangsbedingungen für den Integrator 120 zu definieren. Während einer Reset-Phase ist der Fotodiodenstrom (IIN) auf 0pA. Während einer Reset-Phase befindet sich der Reset-Schalter 105 in einem offenen Zustand. In einigen Implementierungen wird vor der Reset-Phase zunächst eine Auto-Null-Operation verwendet, um Effekte zu kompensieren, die durch die Gleichstrom-Offset-Spannung des Verstärkers 121 entstehen. Eine Auto-Zero-Operation kann auch die Offset-Spannung an der Fotodiode 104 auf ein vernünftiges Niveau bringen (z. B. unter ∼100µV).
Nach einer Reset-Phase befindet sich der Reset-Schalter 105 in einem geschlossenen Zustand und die Delta-Sigma-Modulatorschaltung 102 erster Ordnung startet eine kontinuierliche Integration des Fotodiodenstroms an der Kapazität des Integrationskondensators 122 (CINT) über die Integrationszeit (TINT). Der Ausgang des Modulators (ADC-Ergebnis) steigt nach Erreichen des Auslösepunkts (VRCOMP) linear proportional zum Eingangsstrom an, und am Integrationsspannungs-Knotenpunkt 140 wird ein negativer Schritt am Ausgang des Integrators 120 erzeugt. Der Fotodiodenstrom (IIN) während der Modulation über die Integrationszeit (TINT) erzeugt eine schattierte Fläche 202 unter der Linie des Fotodiodenstroms (IIN). Das ADC-Ergebnis ist proportional zu der schattierten Fläche 202.
Die Amplitude des Integrators 120 (ΔVINT) wird nach folgender Gleichung berechnet: $Δ VINT = \frac{V_{R E F} * C_{R E F}}{C_{I N T}}$
wobei CREF ein Kapazitätswert des Referenzkondensators 111, VREF ein Spannungswert der Verstärker-Referenzspannung VREF und CINT ein Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 122 ist. Die Ladungsausgleichsrückkopplungsschleife 112 wird fortgesetzt, bis die vom Benutzer programmierte Anzahl von Modulationszyklen (ltf_itime + 1) erreicht ist, wobei „itime + 1“ die Anzahl von Taktzyklen vom Beginn bis zum Ende der Messung ist. Zum Beispiel liefert der Komparator 132 während des Vollausschlags bei jedem Taktzyklus 1, d. h. „itime+1“. Während der Integrationszeit „zählt“ COMP = 1, was das aktuelle Ergebnis der AD-Wandlung ist. Der Vollausschlagstrom (IFS) kann berechnet werden als: $IFS = \frac{V_{R E F} * C_{R E F}}{T_{C L K M O D}}$
wobei CREF ein Kapazitätswert des Referenzkondensators 111 ist, VREF ein Spannungswert der Verstärkerreferenzspannung VREF ist und _TCLKMOD das Modulationstaktsignal ist.
Bei Anwendungen mit geringen Strömen können durch Herabsetzen des Skalenendwerts (IFS = VREF*CREF) unter der Annahme einer konstanten Integrationszeit _TCLKMOD mehr Signalzahlen erzeugt werden. Die Einschränkung dieser Methode kann anhand des folgenden Beispiels verdeutlicht werden: Tabelle 1 - Beispiel für Vollbereichsstrombedingungen

TCLK_MHz IFS [A] CREF [F] CINT [F] VREF [V] ΔVINT [V]

1 0.125n 50f 50f 2.5m 2.5m
In dem in Tabelle 1 gezeigten Beispiel beträgt bei einem Skalenendstrom von 125pA die Amplitude an der Referenzspannung und am Ausgang des Integrators 2,5mV, was unterhalb des Rauschpegels des Integrators liegt. Dieses Beispiel für die Sensoranordnung 100 zeigt, dass eine weitere Verbesserung des SNR durch eine Erhöhung der Anzahl der Signalzählungen nicht möglich ist, da auch die Rauschzählungen zunehmen.
ist eine beispielhafte Implementierung einer Sensoranordnung 300. Die Sensoranordnung 300 enthält eine Fotodiode 304, einen Integrator 320, eine Sigma-Delta-Modulator-Schaltung erster Ordnung (SD_MOD) 330 und zwei Reset-Schalter 305, 306. Die Sensoranordnung 300 arbeitet als Licht-Frequenz-Wandler, der als integrierte Schaltung implementiert sein kann.
In einigen Ausführungsformen ist die Fotodiode 304 als externe Komponente mit dem integrierten Schaltkreis verbunden. Alternativ kann die Fotodiode 304 in einigen Ausführungsformen ein Teil der integrierten Schaltung sein. Die Sensoranordnung 300 mit der Fotodiode 304 kann als eine optische Sensoranordnung betrachtet werden. In einigen Ausführungsformen wird die optische Sensoranordnung als Umgebungslichtsensor verwendet.
Die Fotodiode 304 ist über einen Reset-Schalter 305 mit einem Fotodiodeneingang des Integrators 320 gekoppelt. Der Integrator 320 enthält einen Verstärker 325, einen Integratoreingang 321 und einen Integratorausgang 323. Der Verstärker 325 umfasst einen Verstärkereingang 327, der mit dem Reset-Schalter 305 verbunden ist, der wiederum mit dem Fotodiodeneingang 321 des Integrators 320 verbunden ist. In einigen Implementierungen ist der Verstärkereingang 327 als invertierender Eingang implementiert, wie gezeigt. Die Fotodiode 304 verbindet den Fotodiodeneingang 321 des Integrators 320 mit einem Massebezugspotentialanschluss. Ein integrierender Kondensator 322 des Integrators 320 ist elektrisch mit dem Verstärkereingang 327 und dem Verstärkerausgang 326 gekoppelt. Der resultierende Verstärkerausgang enthält die integrierte Spannung (VINT) (oder manchmal hier und wie in gezeigt, als Eingangsspannung VIN bezeichnet). Die integrierte Spannung (VINT) wird durch den Integrator 320 aus dem Eingangsstrom der Fotodiode (IIN) umgewandelt. Der Verstärkerausgang 326 ist mit dem Eingangsspannungsknoten 340 verbunden. Der Eingangsspannungsknoten 340 ist außerdem mit dem Integrationskondensator 322 und einem Reset-Schalter 306 verbunden.
Die Sigma-Delta-Modulatorschaltung erster Ordnung 330 enthält einen Sigma-Delta-Modulator erster Ordnung 335. Der SD_MOD 335 kann ähnliche Schaltungskomponenten zur Modulation enthalten wie die in gezeigten. Der SD MOD 335 kann z. B. einen Komparator und einen Zähler enthalten sowie mit einer Steuerlogik und einem Taktgenerator verbunden sein.
Das SD_MOD 335 enthält zwei Referenzspannungseingänge 332, 333, die mit einer positiven Referenzspannung (VREFP) bzw. einer negativen Referenzspannung (VREFN) verbunden sind. Das SD_MOD 335 umfasst ferner einen Ausgang 331, der mit dem Knoten 340 für die integrierte Spannung (VINT) verbunden ist, der die SD_MOD-Schaltung 330 elektrisch mit der Eingangsspannung (VIN) verbindet. Ein Bezugspotentialanschluss, z. B. die negative Referenzspannung (VREFN), verbindet das SD_MOD 335 mit dem Reset-Schalter 306. Im Betrieb, insbesondere während einer Reset-Phase, wird der Reset-Schalter 306 durch ein Reset-Schalter-Signal _SRESET in einen geschlossenen Zustand geschaltet, und die integrierte Eingangsspannung (VINT) geht am Eingangsspannungsknoten 340 in die negative Referenzspannung VREFN über. Somit ermöglicht der Reset-Schalter 306 im Betrieb den Betrieb des Integrators 320 als rücksetzbarer Integrator. In ähnlicher Weise wird der Reset-Schalter 305 während der Reset-Phase durch ein Reset-Schalter-Signal _SRESET in einen offenen Zustand geschaltet, wodurch verhindert wird, dass der Fotodiodenstrom während einer Reset-Zeitspanne, die hier weiter erläutert wird, durch die Sensoranordnung 300 fließt.
Wie oben unter Bezugnahme auf beschrieben, wird die Sensorsignalerfassung durch Anlegen eines Eingangssteuersignals ADC_ON und eines Integrationszeitsignals _STINT an einen Steuereingang einer digitalen Steuerschaltung initialisiert. Ein Modulationstaktsignal _TCLKMOD (hier manchmal als „_TCLK“ bezeichnet) kann von einem Taktgenerator bereitgestellt und/oder von einer digitalen Steuerschaltung erzeugt werden. Vorzugsweise wird die Sensoranordnung 300 gelöscht, bevor die Signalerfassung fortgesetzt wird. Wenn das Eingangssteuersignal ADC_ON am Steuereingang bereitgestellt wird, wird der Betrieb der Sensoranordnung 300 ausgelöst. Abhängig von einem Eingangssteuersignal ADC_ON und nachdem die Sensoranordnung 300 in einen Ausgangszustand versetzt oder gelöscht wurde, beginnt die Fotodiode 304 mit der Signalerfassung und erzeugt einen Fotostrom IPD (IIN). Der Wert des Fotostroms hängt von der Intensität des auf die Fotodiode 304 einfallenden Lichts ab. Der Fotostrom IPD fließt durch die Fotodiode 304 und den Eingang des Integrators 320 über den Reset-Schalter 305. Die Fotodiode 304, der invertierende Eingang 327 des Verstärkers 325 und der integrierende Kondensator 322 sind jeweils mit dem Integrations-Eingangsknoten 328 verbunden. Der Sensorstrom IPD (IIN) fließt vom Integrationseingangsknoten 328 zur Bezugspotentialklemme mit einem positiven Wert. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 325 ist mit Masse verbunden. Der Verstärker 325 erzeugt am Verstärkerausgang 326 eine Ausgangsspannung VOUT, die elektronisch mit dem Integrationseingangsspannungsknoten 140 gekoppelt ist.
Der Fotostrom IPD wird am integrierenden Kondensator 122 integriert. Die Ausgangsspannung VOUT steigt mit der Zeit t als: $VOUT =_{IPD \cdot} t \cdot CINT$
wobei _IPD ein Wert des Fotostroms ist und CINT einen Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 322 bezeichnet. Die Ausgangsspannung VOUT des Verstärkers 325 liegt als Integrationsspannung (VINT) an einem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators des SD_MOD 335 an.
Während der Signalerfassung zählt eine Signalverarbeitungseinheit des SD MOD 335 die Impulse des Komparatorausgangssignals LOUT. Grundsätzlich wird die Zählung durch einen Zähler durchgeführt. Die SD_MOD-Schaltung 330 erzeugt einen synchronen Zählwert. Der synchrone Zählwert ist direkt proportional zu dem am Integrationskondensator 322 integrierten Fotostrom (IIN) (innerhalb einer Fehlermarge). Der Zählwert besteht aus einer ganzzahligen Anzahl von Einzelzählungen (ADC-Ergebnis). In einigen Implementierungen kann der Komparator z. B. als verriegelter Komparator implementiert werden.
ist ein Beispieldiagramm 400 der Sensoranordnung 300 zur Lichterfassung von 3. Insbesondere zeigt das Diagramm 400 die Sensoranordnung 300, die getrennte Integrations- und Spannungs-ADC-Wandlungsphasen verwendet.
Eine Reset-Phase dient dazu, Anfangsbedingungen für den Integrator 120 zu definieren. Während einer Reset-Phase liegt der Fotodiodenstrom (IIN) bei 0pA. Während der Reset-Phase ist der Reset-Schalter 305 in einem offenen Zustand, der Reset-Schalter 306 ist in einem geschlossenen Zustand, und somit ist der Spannungspegel von VIN am Integrationsspannungsknoten 140 gleich der negativen Referenzspannung VREFN. Wie in dargestellt, ist ein Beispiel für VREFN auf 640mV eingestellt. In einigen Implementierungen wird während des Betriebs zunächst ein Auto-Zero-Betrieb verwendet, um Effekte zu kompensieren, die durch die Gleichspannungs-Offset-Spannung des Verstärkers 325 entstehen. Ein Auto-Zero-Betrieb kann auch die Offset-Spannung über der Fotodiode 304 auf ein vernünftiges Niveau bringen (z. B. unter ∼100µV).
Nach einer Reset-Phase befindet sich der Reset-Schalter 305 in einem geschlossenen Zustand, der Reset-Schalter 306 in einem offenen Zustand und die Sensoranordnung 300 beginnt mit der Integration, die eine kontinuierliche Integration des Fotodiodenstroms an der Kapazität des Integrationskondensators 322 (CINT) über die Integrationszeit (TINT) beinhaltet. Während der Integration über die Integrationszeit (TINT) wird die Eingangsspannung (VIN) linear mit dem Fotostrom (IIN) und der Integrationszeit erhöht.
Nachdem die Integration über die Integrationszeit (TINT) abgeschlossen ist, wird eine Haltephase initialisiert. Um die Haltephase einzuleiten, wird der Stromfluss durch Öffnen des Reset-Schalters 305 gesperrt und die Eingangsspannung (VIN) auf gehalten: $VIN = \frac{I i n * T i n t}{C i n t}$
wobei IIN der von der Fotodiode 304 erzeugte Strom, TINT die Integrationszeit und CINT ein Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 322 ist.
Die Haltephase leitet die Spannungs-ADC-Wandlungsphase ein. Während der Spannungs-ADC-Wandlungsphase steigt der Modulatorausgang (ADC-Ergebnis) vom SD_MOD 335 linear proportional zur Eingangsspannung (VIN) an. Der Fotodiodenstrom (IIN) während der Modulation über den Zeitraum der Spannungs-ADC-Wandlung (2N*TCLK) erzeugt einen schattierten Bereich 402 unter der Linie der Eingangsspannung (VIN), wie in dargestellt. Dabei ist N die Anzahl der Bits des ADCs. Das ADC-Ergebnis ist proportional zu der schattierten Fläche 402.
Der Vollbereichsstrom (IFS), wenn VIN die positive Referenzspannung VREFP erreicht, kann wie folgt berechnet werden: $IFS = \frac{C i n t (V r e f p - V r e f n)}{T i n t}$
wobei CINT ein Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 322, VREFP die positive Referenzspannung, VREFN die negative Referenzspannung und TINT die Integrationszeit ist. Wie in gezeigt, beträgt VREFP beispielsweise 1,4 V und VREFN 640 mV. Es können jedoch auch andere Bereiche der Referenzspannungen verwendet werden.
ist ein Beispieldiagramm 500 der Sensoranordnung 300 zur Lichterfassung von 3. Insbesondere zeigt das Diagramm 500 die Sensoranordnung 300, die eine Integrations-Modulations-Technik zur gleichzeitigen Durchführung von Integrations- und Spannungs-ADC-Wandlungsphasen verwendet, wobei die Integration des Photodiodenstroms und die Modulation zur gleichen Zeit erfolgen.
Insbesondere arbeitet der Modulator (d. h. SD_MOD 335) während jedes Zyklus als Spannungs-ADC mit einer Spannungsrampe, die nach einer Reset-Phase von VREFN auf die zum Fotodiodenstrom proportionale Spannung startet. Nach einer programmierbaren Anzahl von Modulationszyklen (ltf_ccount+1) wird die ADC-Wandlung pausiert und der Integrator 320 befindet sich kurz im Reset-Zustand bei der negativen Referenzspannung VREFN. Integrations- und Rücksetzphase werden wiederholt, bis die Gesamtzahl der Zyklen (ltf_itime+1) erreicht ist. In einigen Implementierungen dauert jeder Integrationszyklus gleich lang, was für den Fall erreicht werden kann, dass das Verhältnis NZyklen eine ganze Zahl ist: $NZyklen = \frac{(l t f_{i t i m e} + 1)}{(l t f_{c o u n t} + 1)}$
wobei (ltf_itime+1) die Gesamtzahl der Zyklen und (ltf_ccount+1) die programmierte Anzahl der Modulationszyklen ist (ltf_ccount+1=TINT).
Ähnlich wie die oben in beschriebene Rücksetzphase wird eine Rücksetzphase verwendet, um Anfangsbedingungen für den Integrator 120 zu definieren. Während einer Reset-Phase liegt der Fotodiodenstrom (IIN) bei 0pA. Während der Reset-Phase ist der Reset-Schalter 305 in einem offenen Zustand, der Reset-Schalter 306 ist in einem geschlossenen Zustand, und somit ist der Spannungspegel von VIN am Integrationsspannungsknoten 140 gleich der negativen Referenzspannung VREFN. Wie in dargestellt, ist ein Beispiel für VREFN auf 640mV eingestellt. In einigen Implementierungen wird während des Betriebs zunächst ein Auto-Zero-Betrieb verwendet, um Effekte zu kompensieren, die durch die Gleichspannungs-Offset-Spannung des Verstärkers 325 entstehen. Ein Auto-Zero-Betrieb kann auch die Offset-Spannung über der Fotodiode 304 auf ein vernünftiges Niveau bringen (z. B. unter ∼100µV).
Nach einer Reset-Phase befindet sich der Reset-Schalter 305 in einem geschlossenen Zustand, der Reset-Schalter 306 in einem offenen Zustand, und die Sensoranordnung 300 beginnt mit der Integration und der Spannungs-ADC-Wandlung, die eine kontinuierliche Integration des Fotodiodenstroms an der Kapazität des Integrationskondensators 322 (CINT) über die Integrationszeit (TINT) beinhaltet. Während der Integration über die Integrationszeit (TINT) wird die Eingangsspannung (VIN) linear mit dem Fotostrom (IIN) und der Integrationszeit erhöht. Gleichzeitig findet während der gleichen Integrationszeit (TINT) auch die Spannungs-ADC-Wandlungsphase statt, und der Modulatorausgang (ADC-Ergebnis) des SD MOD 335 steigt linear zur Eingangsspannung (VIN) an. Der Fotodiodenstrom (IIN) während der Modulation über die Integrationszeit (TINT) erzeugt einen schattierten Bereich 502a, 502b unter der Linie der Eingangsspannung (VIN), wie in dargestellt. Das ADC-Ergebnis ist proportional zu den schattierten Bereichen 502a, 502b. Die Reset-Phase und die Integrations-/Modulationsphasen werden zur Einstellung des Vollbereichsstromzustands wiederholt.

Einige Beispielmessungen für werden durch das folgende Beispiel veranschaulicht: Tabelle 2 - Beispiel Vollbereichsstrombedingung

Ncyc	ccKonto +1	Uhrzeit +1	_FCLK[MHz]	IFS[pA]	CINT [F]	_CREF[F]	CMOD [F]	VREF [V]	ΔVINT [V]
1	65536	65536	1	4,63	400f	50f	400f	760m	95m
2	32768	65536	1	9,26	400f	50f	400f	760m	95m
4	16384	65536	1	18,52	400f	50f	400f	760m	95m
5	8192	65536	1	37,04	400f	50f	400f	760m	95m
16	4096	65536	1	74,08	400f	50f	400f	760m	95m
32	2048	65536	1	148,16	400f	50f	400f	760m	95m

In dem in Tabelle 3 gezeigten Beispiel ist IFS der Full-Scale-Strom, CINT die Integratorkapazität, _CREF die Referenzkapazität, _CMOD die Delta-Sigma-Modulator-Kapazität, VREF die Referenzspannung und ΔVINT die Modulatoramplitude.

Der Vollbereichsstrom (IFS), wenn VIN die positive Referenzspannung VREFP erreicht, kann wie folgt berechnet werden: $IFS = \frac{C i n t (V r e f p - V r e f n)}{T i n t}$
wobei CINT ein Kapazitätswert des integrierenden Kondensators 322, VREFP die positive Referenzspannung, VREFN die negative Referenzspannung und TINT die Integrationszeit ist. Wie in gezeigt, beträgt VREFP beispielsweise 1,4 V und VREFN 640 mV. Es können jedoch auch andere Bereiche der Referenzspannungen verwendet werden. Ein Beispiel für einen Vollbereichsstrom ist im folgenden Beispiel dargestellt: Tabelle 3 - Beispiel für Vollbereichsstrombedingungen

TCLK_MHz IF S [A]/Konto CREF [F] CINT [F] VREF [V] ΔVINT [V]

1 4,63p @65k 50f 400f 760m 95m
In dem in Tabelle 3 gezeigten Beispiel ist VREF die differentielle Referenzspannung von VREFP - VREFN aus . Wenn der Skalenendstrom 4,63pA bei 65.000 Zyklen beträgt, ist die Amplitude an der Referenzspannung und am Ausgang des Integrators 95mV, was über dem Rauschpegel des Integrators liegt. Dieses Beispiel für die Sensoranordnung 300 zeigt, dass eine weitere Verbesserung des SNR durch Erhöhung der Anzahl der Signalzählungen möglich ist.
Obwohl diese Spezifikation viele spezifische Implementierungsdetails enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen des Umfangs von Merkmalen oder dessen, was beansprucht werden kann, verstanden werden, sondern als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungsformen spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Spezifikation im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Auch wenn in den Zeichnungen Vorgänge in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht unbedingt so zu verstehen, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge ausgeführt werden müssen oder dass alle dargestellten Vorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Darüber hinaus ist die Trennung verschiedener Systemkomponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht so zu verstehen, dass eine solche Trennung in allen Ausführungsformen erforderlich ist, und es ist davon auszugehen, dass die beschriebenen Programmkomponenten und Systeme im Allgemeinen zusammen in ein einziges Softwareprodukt integriert oder in mehrere Softwareprodukte verpackt werden können.
Es wurden also bestimmte Ausführungsformen des Gegenstands beschrieben. In einigen Fällen können die in den Ansprüchen genannten Handlungen in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und dennoch wünschenswerte Ergebnisse erzielen. Darüber hinaus erfordern die in den begleitenden Figuren dargestellten Prozesse nicht unbedingt die dargestellte Reihenfolge oder die sequentielle Reihenfolge, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. In bestimmten Implementierungen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Dementsprechend fallen andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche.

Claims

Sensoranordnung, die betreibbar ist, um eine Integrations-Modulations-Technik durchzuführen, wobei die Sensoranordnung umfasst: eine Fotodiode; einen Integrator, der so betreibbar ist, dass er während einer Integrationszeit (TINT) eine Integrationsphase durch Umwandlung eines von der Fotodiode erzeugten Fotostroms (IIN) in eine Eingangsspannung (VIN) durchführt, wobei der Integrator umfasst: einen Integrator-Eingang; einen Verstärker mit einem Eingang, der elektrisch mit dem Integratoreingang gekoppelt ist; einen Integrationskondensator, der elektrisch mit dem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist; und einen Integratorausgang, der elektrisch mit einem Ausgang des Verstärkers, dem integrierenden Kondensator und einem Eingangsspannungsknoten verbunden ist, wobei der Integratorausgang ein Ausgangssignal an den Eingangsspannungsknoten liefert; einen Spannungs-Analog-Digital-Wandler (ADC), der betreibbar ist, um eine Modulationsphase auszuführen, indem er die Eingangsspannung (VIN) in ein digitales Ausgangssignal (ADC_RESULT) umwandelt, das den von der Photodiode erzeugten Photostrom anzeigt, wobei der ADC umfasst: einen Eingang, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten gekoppelt ist; einen ersten Leistungsanschluss, der elektrisch mit einer ersten Referenzspannung (VREFP) gekoppelt ist; und einen zweiten Leistungsanschluss, der elektrisch mit der zweiten Referenzspannung (VREFN) gekoppelt ist; einen ersten Schalter, der elektrisch mit der Fotodiode und dem Integratoreingang gekoppelt ist; und einen zweiten Schalter, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten und einer zweiten Referenzspannung gekoppelt ist.
. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Integrations-Modulations-Technik zwei oder mehr Integrations-Modulations-Zyklen umfasst.
. Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei jeder Integrations-Modulationszyklus eine Rücksetzphase, eine Integrationsphase und eine Modulationsphase umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig nach der Rücksetzphase durchgeführt werden.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei während jedes Integrations-Modulations-Zyklus ein Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) bei der zweiten Referenzspannung (VREFN) nach der Rücksetzphase beginnt und der Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) proportional zu dem von der Photodiode während der Integrationszeit (TINT) für die Integrationsphase erzeugten Photostrom (IIN) ansteigt.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei der ADC ferner einen Zähler umfasst, wobei der Zähler während der Rücksetzphase einen aktuellen Zählerzustand nicht ändert, der erste Schalter in einem offenen Zustand ist, der zweite Schalter in einem geschlossenen Zustand ist und die Eingangsspannung (VIN) auf die zweite Referenzspannung (VREFN) gesetzt ist.
. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Integrations-Modulations-Zyklus auf der Grundlage einer Einstellung für einen Vollausschlag-Stromzustand wiederholt wird.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, wobei der Vollskalenstromzustand durch die während der Integrationszeit (TINT) ansteigende Eingangsspannung (VIN) für die Integrationsphase bestimmt wird.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Rücksetzschalter in Reaktion auf ein Taktsignal arbeiten.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der ADC einen Delta-Sigma-Modulator umfasst, der in einem Spannungsmodus betrieben werden kann.
. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei jede Modulationsphase eine Vielzahl von Modulationszyklen umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 11, wobei eine Anzahl der Vielzahl von Modulationszyklen programmierbar ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei das digitale Ausgangssignal proportional zum Fotostrom (IIN) und der Eingangsspannung (VIN) ist.
Verfahren zur Licht-zu-Digital (LTD)-Umwandlung, umfassend: Erzeugung eines Fotostroms (IIN) aus einer Lichtquelle durch eine Fotodiode; Umwandeln des Fotostroms (IIN) in eine Eingangsspannung (VIN) an einem Eingangsspannungsknoten durch einen Integrator, der während einer Integrationszeit (TINT) für eine Integrationsphase eines Integrations-Modulations-Zyklus durchgeführt wird, wobei der Integrator umfasst: einen Integrator-Eingang; einen Verstärker mit einem Eingang, der elektrisch mit dem Integratoreingang gekoppelt ist; einen Integrationskondensator, der elektrisch mit dem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers verbunden ist; und einen Integratorausgang, der elektrisch mit einem Ausgang des Verstärkers, dem integrierenden Kondensator und einem Eingangsspannungsknoten verbunden ist, wobei der Integratorausgang ein Ausgangssignal an den Eingangsspannungsknoten liefert; Umwandeln der Eingangsspannung (VIN) durch einen Spannungs-Analog-Digital-Wandler (ADC) während einer Modulationsphase des Integrations-Modulations-Zyklus in ein digitales Ausgangssignal (ADC_RESULT), wobei der ADC umfasst: einen Eingang, der elektrisch mit dem Eingangsspannungsknoten gekoppelt ist; einen ersten Leistungseingang, der elektrisch mit einer ersten Referenzspannung (VREFP) gekoppelt ist; einen zweiten Leistungseingang, der elektrisch mit der zweiten Referenzspannung (VREFN) gekoppelt ist; und Rücksetzen der Eingangsspannung (VIN) auf die zweite Referenzspannung (VREFN) während einer Reset-Phase durch einen Reset-Schalter.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig während der Integrationszeit (TINT) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Integrations-Modulationszyklus eine Rücksetzphase, eine Integrationsphase und eine Modulationsphase umfasst.
. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Integrationsphase und die Modulationsphase gleichzeitig im Anschluss an die Rücksetzphase durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Integrations-Modulations-Technik zwei oder mehr Integrations-Modulations-Zyklen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei während jedes Integrations-Modulationszyklus ein Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) bei der zweiten Referenzspannung (VREFN) nach der Rücksetzphase beginnt und der Spannungspegel der Eingangsspannung (VIN) proportional zu dem von der Fotodiode während der Integrationszeit (TINT) erzeugten Fotostrom (IIN) ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei während der Rücksetzphase der erste Schalter in einem offenen Zustand ist, der zweite Schalter in einem geschlossenen Zustand ist und die Eingangsspannung (VIN) auf die zweite Referenzspannung (VREFN) gesetzt wird.