DE112021005350T5

DE112021005350T5 - Ambientes Licht und Rauschunterdrückungsanordnung

Info

Publication number: DE112021005350T5
Application number: DE112021005350.7T
Authority: DE
Inventors: Hoa Vu
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2022074248A1; US11199445B1; CN116325779A

Abstract

Eine Vorrichtung zur Unterdrückung unerwünschter Brüche in einem erfassten Signal kann einen ersten Bereich mit einem Ausgangsknoten und einem lichtempfindlichen Sensor, der zur Erfassung eines ersten Signals konfiguriert ist, sowie einen mit dem Ausgangsknoten verbundenen Analog-Digital-Wandler umfassen. Ein zweiter Bereich kann auf der Grundlage eines ersten Steuersignals für den ersten Bereich schaltbar mit diesem gekoppelt sein. Der zweite Bereich kann eine Speichervorrichtung enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal auf der Grundlage der Erfassung des ersten Signals speichert. Der zweite Bereich kann einen Ausgangsknoten enthalten, der mit dem Sensor gekoppelt ist. Der zweite Bereich kann so konfiguriert sein, dass er während der Erfassung eines zweiten Signals ein auf dem gespeicherten Signal basierendes Kompensationssignal an den lichtempfindlichen Sensor liefert.

Description

Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung 17/066,489 vom 09. Oktober 2020, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollständig aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rauschunterdrückung oder allgemeiner eine Vorrichtung, die zur Unterdrückung unerwünschter Signalanteile in einem erfassten Signal konfiguriert ist, und ein Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Signalanteile in einem erfassten Signal.
HINTERGRUND
In einigen Fällen wird das Licht von einem lichtempfindlichen Sensor erfasst und anschließend ausgewertet. Die Verarbeitung des Signals erfolgt häufig im digitalen Bereich, so dass jedes erfasste Signal umgewandelt werden muss. Dies ist immer dann von Bedeutung, wenn Licht erkannt wird und wenn das Erfassen und Erkennen eines Signals erforderlich ist.
Die Umwandlung vom analogen Bereich, in dem das Signal erfasst wird, in den digitalen Bereich erfordert einen Analog-Digital-Wandler. In manchen Fällen ist das erfasste Signal jedoch nicht frei von unerwünschten und unerwünschten Signalanteilen. Vielmehr können diese unerwünschten Signalanteile manchmal im Bereich des Nutzsignals liegen und dieses sogar übersteigen.
Daher ist für die Verarbeitung solcher Signale eine anspruchsvollere Analog-Digital-Wandlung erforderlich, die die Komplexität des Geräts erhöht und zu höheren Kosten oder mehr Platz führen kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Die hier vorgestellten Ausführungsformen und Beispiele bieten eine Lösung für solche Herausforderungen. Unerwünschte Signalanteile können unabhängig vom Vorhandensein des eigentlichen Nutzsignals vorhanden sein. Dies bedeutet, dass ein Nutzsignal auch Umgebungslicht und Rauschen enthalten kann. Solche unerwünschten Anteile können im analogen Bereich durch Abtasten des unerwünschten Anteils und anschließendes Entfernen des unerwünschten Anteils während der Erfassung des Nutzsignals, d. h. des zu messenden Signals, eliminiert werden.
In einem Aspekt kann eine Vorrichtung unerwünschte Anteile aus einem erfassten Signal löschen. Die Vorrichtung kann einen ersten Bereich mit einem Ausgangsknoten und einem lichtempfindlichen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein erstes Signal erfasst, sowie einen Analog-Digital-Wandler umfassen, der mit dem Ausgangsknoten und einem zweiten Bereich gekoppelt ist. Ein zweiter Bereich der Vorrichtung kann auf der Grundlage eines ersten Steuersignals selektiv mit dem ersten Bereich gekoppelt werden. Der zweite Bereich kann eine Speichervorrichtung zum Speichern eines Signals auf der Grundlage des erfassten Signals enthalten.
Schließlich kann der zweite Bereich einen Ausgangsknoten enthalten, der mit dem Sensor verbunden ist. Während der Erfassung eines zweiten Signals ist der zweite Bereich so konfiguriert, dass er auf der Grundlage des gespeicherten Signals ein Kompensationssignal an den lichtempfindlichen Sensor liefert.
Das Gerät kann unerwünschte Signalanteile messen und die unerwünschten Signalanteile (oder ein entsprechendes Signal) in der Speichereinrichtung speichern. Während einer nachfolgenden Erfassungsphase kann das gespeicherte Signal verwendet werden, um die unerwünschten Signalanteile zu löschen, so dass nur das nützliche und gewünschte Signal übrig bleibt.
In einigen Fällen kann der lichtempfindliche Sensor das erste Signal auf der Grundlage des ersten Steuersignals erfassen und das zweite Signal auf der Grundlage eines zweiten Steuersignals erfassen. Das zweite Steuersignal kann hinter dem ersten Signal liegen.
In einem Aspekt sind der erste Bereich und der zweite Bereich über einen Stromspiegel mit einem spiegelnden Transistor und einem Spiegeltransistor miteinander gekoppelt. Der spiegelnde Transistor kann im ersten Bereich und der Spiegeltransistor kann im zweiten Bereich angeordnet sein. Der spiegelnde Transistor und der Spiegeltransistor sind in diesem Sinne nicht notwendigerweise ein einzelner Transistor, sondern können auch eine Vielzahl von Transistoren oder eine Transistoranordnung oder ein anderes Element umfassen, das in der Lage ist, einen Strom auf einer Eingangsseite, d. h. der Spiegelseite, auf eine Ausgangsseite, d. h. die Spiegelseite, zu spiegeln.
In einem Aspekt sind ein Gate-Anschluss des spiegelnden Transistors und der Spiegeltransistor über einen ersten Schalter miteinander verbunden, der so konfiguriert ist, dass er auf das erste Steuersignal reagiert. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen kann der spiegelnde Transistor ein mit seinem Ausgang gekoppeltes Gate enthalten. Der spiegelnde Transistor kann eine Referenz bilden, da der Strom durch diesen Transistor festgelegt und in den Spiegeltransistor gespiegelt wird.
In einem Aspekt kann die Speichervorrichtung einen Kondensator enthalten, der zwischen einem Steueranschluss des Spiegeltransistors und einem Referenz- oder Versorgungsanschluss angeschlossen ist.
Ein weiterer Aspekt ist, dass im zweiten Bereich andere Ströme erforderlich sein können als im ersten Bereich. Zu diesem Zweck kann der Spiegeltransistor auch mehrere parallel angeordnete Transistoren enthalten, wie z. B. zumindest einige der mehreren schaltbaren Transistoren, die im zweiten Bereich angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann jeder Transistor eine Länge und eine Breite aufweisen, wobei sich mindestens eine der Längen und Breiten eines ersten Transistors von einem zweiten Transistor der Vielzahl parallel angeordneter Transistoren unterscheidet.
In einem Aspekt kann der zweite Bereich einen Aktor enthalten, um einen Strom durch den Ausgangsknoten des zweiten Bereichs auf der Grundlage des gespeicherten Signals einzustellen. Das Stellglied kann einen Differenzverstärker oder einen Komparator umfassen. In einigen Aspekten kann der Aktuator einen ersten Eingang, der mit der Speichervorrichtung verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem zweiten Bereich verbunden ist, umfassen. Der Komparator kann so konfiguriert sein, dass er den Ausgangsstrom auf der Grundlage eines Vergleichs einer Messung des gespeicherten Signals und einer Messung des Stroms durch den zweiten Bereich einstellt.
In einigen Aspekten ist der Ausgangsknoten zwischen dem spiegelnden Transistor und dem lichtempfindlichen Sensor angeordnet. In einigen Aspekten umfasst der zweite Bereich außerdem einen zweiten Schalter, der so konfiguriert ist, dass er den zweiten Bereich auf der Grundlage des ersten Steuersignals mit einem Anschluss für ein Massepotenzial verbindet, und einen dritten Schalter, der so konfiguriert ist, dass er den zweiten Bereich auf der Grundlage eines zweiten Steuersignals nach dem ersten Steuersignal mit dem lichtempfindlichen Sensor verbindet.
In einigen Aspekten umfasst der erste Bereich einen vierten Schalter zwischen dem Ausgangsknoten und dem Analog-Digital-Wandler. Der vierte Schalter kann den Analog-Digital-Wandler auf der Grundlage des zweiten Steuersignals schaltbar mit dem Ausgangsknoten verbinden.
Bei dem lichtempfindlichen Sensor kann es sich um eine Fotodiode, einen Fotowiderstand oder eine andere Vorrichtung handeln, die Licht erkennen kann. Der lichtempfindliche Sensor kann das Licht in ein Strom- oder Spannungssignal, d. h. ein primäres oder erstes Signal, umwandeln.
Ein lichtempfindlicher Sensor kann die oben erwähnte Vorrichtung zur Unterdrückung von Umgebungslicht und Rauschanteilen enthalten, wie z. B. eine Fotodiode. Der Sensor kann auch eine Lichterzeugungsvorrichtung enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie Licht erzeugt, das von einem Objekt reflektiert und von der Vorrichtung empfangen wird.
Ein Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Signalanteile in einem gemessenen Signal kann die Erfassung eines ersten Signals während einer ersten Zeitspanne durch einen Sensor, z. B. einen lichtempfindlichen Sensor, umfassen. Das erste Signal kann unerwünschte Signalanteile enthalten, wie z. B. Umgebungslichtanteile und Rauschanteile. Während der ersten Zeitspanne kann das erste Signal in ein Speichersignal umgewandelt und dann gespeichert werden, z. B. durch einen Kondensator. Dann kann während einer zweiten Zeitspanne, die nach der ersten Zeitspanne liegt, auf der Grundlage des Speichersignals ein Auslöschungssignal erzeugt werden. Während des zweiten Zeitraums wird das Auslöschungssignal an den Sensor angelegt, und der Sensor kann ein zweites Signal erhalten. Das zweite Signal kann einen erwünschten Anteil und einen unerwünschten Signalanteil enthalten. Ein drittes Signal kann an einen Eingang eines Analog-Digital-Wandlers angelegt werden, wobei das dritte Signal die Differenz zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal ist.
Bei dem Verfahren werden unerwünschte Signalanteile in einem ersten, von einem Sensor gewonnenen Signal während einer ersten Phase oder Abtastphase (z. B. erste Zeitspanne) abgetastet und können gespeichert werden. Während einer Erfassungsphase (z. B. zweite Zeitspanne) kann aus dem gespeicherten Signal ein Auslöschungssignal erzeugt und wieder an den Sensor angelegt werden. Während der Erfassungsphase kann der Sensor die gewünschten und unerwünschten Signalanteile erhalten; die gewünschten bzw. Nutzsignalanteile können auch als Primärsignal bezeichnet werden. Basierend auf dem Auslöschungssignal, das dem Sensor wieder zugeführt wird, kann der Sensor ein Ausgangssignal liefern, das der Differenz zwischen dem erfassten Signal und dem Auslöschungssignal, d. h. dem dritten Signal, entspricht. Das Auslöschungssignal kann dem unerwünschten Signalanteil entsprechen, der während der Abtastphase gewonnen wurde.
In einem Aspekt kann der Sensor so konfiguriert sein, dass er ein Stromsignal auf der Grundlage des ersten Signals oder des zweiten Signals erzeugt. Das Speichersignal kann ein Spannungssignal sein, das auf dem Stromsignal basiert, z. B. proportional zum Stromsignal. Daher kann das Auslöschungssignal auch als Stromsignal erzeugt werden, und somit können zwei Stromsignale während der zweiten Zeitperiode (der Erfassungsphase) voneinander subtrahiert werden, wodurch der gewünschte Signalanteil zurückbleibt.
In einigen Fällen wird während der ersten Periode kein Signal an den Eingang des Analog-Digital-Wandlers angelegt.
Figurenliste
Im Folgenden werden das vorgeschlagene Prinzip sowie mehrere Ausführungsformen und Beispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. In den Abbildungen weisen identische Bezugszeichen auf identische Merkmale und Funktionen hin.

zeigt eine Anordnung zur Messung von Licht, das von einem Objekt reflektiert wird;
zeigt ein Schaltungsbeispiel des Geräts, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslöschung der unerwünschten Anteile im erfassten Signal vornimmt;
zeigt ein Zeitsignaldiagramm zur Auslöschung unerwünschter Signale;
zeigt eine nicht einschränkende Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Stromspiegel, der einen Stromspiegel und eine Vielzahl von Stromspiegeltransistoren umfasst;
zeigt ein Zeitsignaldiagramm für die verschiedenen Schalter während einer Abtastphase und dann einer Messphase; und
zeigt einen Ansatz zur Auslöschung unerwünschter Signalanteile.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorgeschlagenen Prinzipien, die hier offengelegt werden, können für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Einige davon betreffen den Bereich der optischen Abtastung, wie z. B. Näherungsmessung, Photoplethysmogramm, LIDAR, Flugzeitmessung und deren Varianten. Es ist jedoch jeder Fall denkbar, in dem ein zu messendes Signal einen relativ großen Rausch- oder unerwünschten Signalanteil enthält.
Das eigentliche Signal oder der Anteil des detektierten Signals, der gemessen und ausgewertet werden soll, kann als Primärsignal oder Sollsignal bezeichnet werden. In der Praxis kann ein erfasstes und gemessenes Signal neben dem Primärsignal auch unerwünschte Signalanteile enthalten. Diese unerwünschten Signalanteile können verschiedene Ursachen haben. Ein unerwünschter Signalanteil kann Rauschen enthalten, wie weiter unten erläutert wird. In Ausführungsformen, in denen ein Lichtsignal gemessen werden soll, können unerwünschte Signalanteile Umgebungslicht enthalten. Das Umgebungslicht kann sich bei der Messung mit dem Primärsignal überlagern. Infolgedessen kann sich das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern, was den potenziellen Messfehler erhöht.
In ist eine nicht begrenzte Anordnung dargestellt. Die Anordnung kann einen Leuchtdiodentreiber 1 umfassen, der mit einer Lichtquelle 2, beispielsweise einer Leuchtdiode (LED), gekoppelt ist. Die Lichtquelle 2 ist Teil eines Bereichs zwischen dem Lichtquellentreiber 1 und dem Versorgungsspannungsanschluss 21. Der dargestellte Bereich, einschließlich des Treibers 1, bildet die Übertragungsseite 20 der Anordnung. Alternativ kann die Lichtquelle 2 auch einen Laser, eine Anordnung von mehreren Dioden oder Lasern und dergleichen umfassen. Die Empfangsseite 40 umfasst einen Empfänger 4 zur Auswertung eines von der Fotodiode oder allgemeiner einem lichtempfindlichen Sensor 3 gelieferten Signals. Die Diode 3 ist jeweils in einem Bereich zwischen dem Massepotentialanschluss 31 und einem Empfänger 4 angeordnet. Es versteht sich, dass, obwohl im Folgenden die Lichtquelle als LED und der lichtempfindliche Sensor als Fotodiode ausgeführt sein kann, die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen oder Beispiele beschränkt ist. Es kann jede Art von lichtempfindlichem Sensor verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Fotodiode, einen IR-Sensor, einen Fotosensor, einen Fotoresist und dergleichen.
Im Betrieb kann die Lichtquelle 2 ein zu untersuchendes Objekt für eine kurze Zeit beleuchten. Während dieses Zeitraums kann das Objekt einen Teil des Lichts in Richtung des lichtempfindlichen Sensors 3 reflektieren. Das vom Objekt reflektierte Licht wird vom lichtempfindlichen Sensor 3 erfasst und dem Empfänger 4 zur weiteren Auswertung zur Verfügung gestellt. Eine typische Anwendung ist das LIDAR, bei dem die Flugzeit genutzt wird. Bei LIDAR-Anwendungen wird die Verzögerungszeit gemessen, die entsteht, wenn der Lichtstrahl ausgesendet und vom Objekt zurückgeworfen wird. Die Entfernung wird dann anhand der Lichtgeschwindigkeit berechnet.
In nicht einschränkenden Ausführungsformen kann der lichtempfindliche Sensor 3 vom Objekt reflektiertes Licht und auch unerwünschtes Umgebungslicht und andere unerwünschte Anteile zusammen mit dem Signal erfassen. Das eigentliche Signal oder der Teil des erfassten Signals, der gemessen und ausgewertet werden soll (das von der Lichtquelle stammende und vom Objekt reflektierte Signal), kann hier als primäres oder gewünschtes Signal bezeichnet werden.
Der Anteil des erfassten Signals, der durch Umgebungslicht verursacht wird, wird als Umgebungslichtanteil bezeichnet. Darüber hinaus können verschiedene andere unerwünschte Signalanteile von der Fotodiode erfasst werden, darunter thermisches Rauschen und Flickerrauschen. Während das thermische Rauschen eine Funktion der Temperatur ist, ist das Flimmerrauschen eine Art elektronisches Rauschen mit einer Leistungsspektraldichte, die proportional zu 1/f ist. Es wird daher oft auch als rosa Rauschen bezeichnet und kommt in fast allen elektronischen Geräten vor, auch in lichtempfindlichen Sensoren. Der Begriff „Rauschen“ wird hier so definiert, dass er thermisches Rauschen und Flimmern einschließt; alle anderen unerwünschten Signalanteile werden allgemein als Rauschen bezeichnet.
Während der Anteil des Flimmerns und des thermischen Rauschens häufig im Bereich des Primärsignals liegt und in gewissem Maße kompensiert werden kann, kann das Umgebungslicht tagsüber variieren und von der Position oder dem Standort der lichtempfindlichen Diode abhängig sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der Anteil des Umgebungslichts (insbesondere bei Tageslicht) um Größenordnungen größer sein als das Primärsignal selbst. Daher ist es wichtig, das Umgebungslicht aus dem erfassten Gesamtsignal zu entfernen, das sich aus der Summe des Umgebungslichts, des Primärsignals und verschiedener Rauschanteile zusammensetzt, um die Integrität des Primärsignals zu erhalten.
Abgesehen von dem ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnis kann ein großer Anteil an Umgebungslicht dazu führen, dass der Empfänger aufgrund des übermäßigen Photostroms des lichtempfindlichen Sensors in die Sättigung gerät. Dies kann die Auflösung des Primärsignals erheblich verringern, die Messung kann unbrauchbar oder zumindest stark verzerrt werden.
Ein Ansatz zur Entfernung der unerwünschten Anteile aus dem erfassten Signal wird dadurch erreicht, dass zunächst das Umgebungslicht und etwaige Rauschanteile ohne das Primärsignal gemessen werden und anschließend das Primärsignal in Kombination mit dem Umgebungslicht und dem Rauschen gemessen wird. Bei Flugzeitanwendungen beispielsweise werden die unerwünschten Anteile eliminiert, indem das Umgebungslicht und das Rauschen während einer ersten Periode gemessen werden und dann das Objekt beleuchtet und erneut gemessen wird. Das erste Signal wird dann einfach vom zweiten Signal subtrahiert, wobei davon ausgegangen wird, dass die unerwünschten Signalanteile während der ersten und zweiten Messung im Wesentlichen konstant sind.
Zu diesem Zweck ist in ein Empfänger dargestellt. Die Fotodiode kann das Umgebungslicht mit beliebigem Rauschen messen und ihr Signal dem Analog-Digital-Wandler (ADC) 42 zuführen, der das Signal in ein N-Bit-Digitalwort umwandelt. Das digitale Wort kann dem DAC-Wandler zugeführt werden, der das digitale Wort in ein Spannungs- oder Stromsignal umwandelt, das der Fotodiode bei der Erfassung des Primärsignals zugeführt wird. Das von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 41 umgewandelte Digitalwort kann den Umgebungslichtstrom aufheben, indem es ein entsprechendes Signal an den lichtempfindlichen Sensor bzw. die Fotodiode liefert. So kann das umgewandelte digitale Wort das Umgebungslicht während der Messung auslöschen, so dass nur das Primärsignal durch den ADC 42 umgewandelt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Umgebungslichtstrom mehrere pA oder sogar mehrere mA erreichen. Beispielsweise erfordert eine periphere kapillare Sauerstoffsättigungsmessung (SP02) ein Signal-Rausch-Verhältnis im Bereich von 85 dB. Folglich ist der Rest des an den Analog-Digital-Wandler angelegten Signals relativ klein, so dass ein Wandler mit einer sehr hohen Auflösung erforderlich ist. In dem oben genannten Beispiel muss die Auflösung eines ADC im Bereich von 15 bis 20 Bit liegen. Eine ähnliche Anforderung kann für den DAC gestellt werden. Außerdem kann die Nachbearbeitung einen komplexeren Algorithmus erfordern, um den Nutzanteil des Signals vom Umgebungsanteil zu trennen. Beide Aspekte können die Komplexität solcher Entwürfe erhöhen.
Umgebungslicht und Rauschen können von dem erfassten Signal subtrahiert werden, ohne dass ein DAC erforderlich ist und ohne dass die unerwünschten Anteile in einem ADC abgetastet werden. Das oben beschriebene Verfahren kann die Komplexität des Entwurfs verringern, da ein Analog-Digital-Wandler so konfiguriert ist, dass er ein vorverarbeitetes Signal empfängt, bei dem der Umgebungslicht- und Rauschanteil vom erfassten Signal subtrahiert wurde. Mit anderen Worten, die Anteile des Umgebungslichts und des Rauschens sind bereits entfernt worden.
zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine solche Vorrichtung, die eine Auslöschung der unerwünschten Anteile im erfassten Signal vornimmt. Die Vorrichtung ist zwischen dem Ausgang 82 einer Fotodiode 3 und einem Eingang 421 eines ADC 42 angeordnet. Der ADC 42 hat in dieser nicht begrenzten Anordnung eine hohe Auflösung. Die Anordnung kann einen ersten Bereich P1, in dem die Fotodiode 3 angeordnet ist, und einen zweiten Pfad P2 umfassen, der für die Erkennung der unerwünschten Anteile und die anschließende Löschung dieser Anteile konfiguriert ist. Der erste Pfad P1 umfasst eine Fotodiode 3, die zwischen dem Masseanschluss 31 und dem Knoten 82 angeschlossen ist. Der Knoten 82 ist mit einem Transistor M4 und auch mit dem Gate des Transistors M5 verbunden.
Transistor M4 und Transistor M5 sind Teil einer Stromquelle 6, die einen Vorspannungsstrom durch eine Fotodiode 3 liefert. Die Stromquelle 6 umfasst eine Konstantstromquelle 61, die zusammen mit dem Transistor M5 zwischen dem Masseanschluss 31 und dem Versorgungsanschluss 32 angeordnet ist. Ein Knotenpunkt zwischen Transistor M5 und Stromquelle 61 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors M4 verbunden. Im späteren Betrieb kann die Stromquelle 6 den Strom durch die Fotodiode 3 vorspannen, indem sie die Gate-Spannung am Transistor M4 auf der Grundlage der Spannung am Knoten zwischen der konstanten Quelle 61 und dem Transistor M5 einstellt. Sein Gate empfängt das Signal am Knoten 84, das dem Spannungsabfall an der Fotodiode 3 entspricht.
Der erste Bereich P1 kann einen Knoten 81 enthalten, der zwischen der Drain-Seite des Transistors M4 und dem Schalter S1'' angeordnet ist. Der Knoten 81 ist über den Schalter S2'' mit dem Eingang 421 des Analog-Digital-Wandlers 42 verbunden. Der Schalter S1'' ist mit dem Strom spiegelnden Transistor M1 gekoppelt, insbesondere mit seinem Source-Anschluss und seinem Gate-Anschluss. Der Drain-Anschluss des Transistors M1 ist direkt mit dem Versorgungsanschluss 32 verbunden.
Der Strom spiegelnde Transistor M1 ist Teil des Stromspiegels, der den ersten Pfad P1 mit einem zweiten Pfad P2 verbindet. Zu diesem Zweck umfasst der Stromspiegel den Strom spiegelnden Transistor M1, dessen Gate mit seinem Source-Anschluss und dem Schalter S1'' ' verbunden ist, sowie den Spiegeltransistor M2. Der Schalter S1''' ist zwischen den Gate-Anschlüssen der Transistoren M1 bzw. M2 angeordnet. Außerdem ist das Gate des Spiegeltransistors M2 über den Kondensator C1 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 32 verbunden.
Pfad P2 enthält auch einen Steuertransistor M3, der stromabwärts des Spiegeltransistors M2 und insbesondere zwischen Transistor M2 und Knoten 85 angeordnet ist. Zwei Schalter S1' und S2' sind gemeinsam an den Knoten 85 gekoppelt, der mit dem Source-Anschluss des Transistors M3 verbunden ist. Während der Schalter S1' zwischen dem Erdpotentialanschluss 31 und dem Knoten 85 angeordnet ist, verbindet der Schalter S2' den Knoten 85 mit dem Knoten 82 und der Fotodiode 3. Zur Steuerung eines Stroms durch den zweiten Pfad P2 ist auch ein Operationsverstärker OP1 vorgesehen. Der Operationsverstärker OP1 ist mit seinem Ausgang 73 mit dem Gate des Transistors M3 und mit seinem nichtinvertierenden Eingang 71 mit dem Knoten 83 zwischen dem Schalter S1'' und dem Gate des Transistors M2 verbunden. Der invertierende Eingang 71 von OP1 ist mit dem Knoten 86 zwischen den Transistoren M3 bzw. M2 verbunden. Der Operationsverstärker OP1 kann die Spannung am Knoten 83 erfassen und das Gate des Anschlusses M3 so einstellen, dass die Spannung am Knoten 86 gleich der Spannung am Knoten 83 ist.
Die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß wird auch in Bezug auf die verschiedenen Signale in erläutert. Das vorgeschlagene Abtast- und Subtraktionsverfahren ist relativ einfach und verwendet eine weniger komplexe Anordnung. Die während einer ersten Periode T1 bis T2 gesammelten Umgebungslicht- und Rauschanteile werden gespeichert und dann während der zweiten Periode von T3 bis T5 entfernt, so dass im Wesentlichen das eigentliche Primärsignal übrig bleibt. Der Vorteil der Abtastphase besteht darin, dass das Umgebungslicht erfasst und gemessen wird, ebenso wie die in der Fotodiode erzeugten Rauschanteile. Auch diese Anteile an unerwünschten Signalen werden in der Messphase aus dem erfassten Gesamtsignal entfernt.
Die Schalter S1 und S2 werden durch entsprechende Steuersignale gesteuert. Insbesondere die Schalter S1 werden durch ein erstes Steuersignal gesteuert, das in als S1 bezeichnet wird. Ebenso werden die Schalter S2 durch ein zweites Steuersignal gesteuert, das in als S2 bezeichnet wird. Ein oder mehrere (nicht dargestellte) Prozessoren können das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal an die Vorrichtung liefern. Beispielsweise kann der Lichtquellentreiber 1 das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal in einer nicht einschränkenden Ausführungsform bereitstellen.
Während der Abtastphase von T1 bis T2 in sind alle Schalter S1 geschlossen (für die Zwecke dieser Erläuterung umfassen die Schalter S1 S1', S1'' und S1'''), während die Schalter S2 (einschließlich S2', S2'' und S2''') offen sind, gesteuert durch den Pegel des jeweiligen ersten und zweiten Steuersignals. Die Fotodiode 3 ist dann in diesem Zustand der Vorrichtung über den Schalter S1'' direkt mit dem Transistor M1 verbunden und vom Eingang des ADC 42 getrennt. Das Umgebungslicht in Kombination mit dem Rauschen der Fotodiode und anderer elektronischer Komponenten im Pfad P1 wird von der Fotodiode erfasst, wodurch ein Strom durch den ersten Pfad P1 und durch den Transistor M1 fließt. Daher hängt die Stärke des Stroms durch den Pfad P1 hauptsächlich vom Umgebungslicht und dem Rauschen ab.
Aufgrund der Verbindung zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss des Transistors M1 und des geschlossenen Schalters S1''' kann die Spannung am Source-Anschluss des Transistors M1 auch in den Kondensator C1 eingespeist werden. Darüber hinaus wird die Spannung am Source-Anschluss M1 am Gate des Transistors M2 gespiegelt, wodurch der Transistor M2 auf die gleiche Weise wie der Transistor M1 leitend wird (unter der Annahme, dass M1 und M2 die gleichen oder ähnliche geometrische Parameter aufweisen). Der Operationsverstärker OP1 kann sowohl die Spannung am Knoten 86 als auch an der Klemme 83 erfassen.
Er liefert ein Ausgangssignal an das Gate des Transistors M3 und stellt dessen Gate so ein, dass die Spannung am Knoten 86 der Spannung am Knoten 83 und damit am Source-Anschluss des Transistors M1 entspricht. (Der Klarheit halber ist der Source-Anschluss der Anschluss neben S1'').
Nach der Zeit T2 werden die Schalter S1 geöffnet und die Schalter S2 geschlossen. Damit kann die Abtastphase beendet werden. Die vorherige Spannung an der Source-Klemme von M1 wird nun im Kondensator C1 gespeichert. In der folgenden Messphase wird die Spannung am Kondensator C1 nun direkt an das Gate des Transistors M2 und an den nichtinvertierenden Eingang 71 des Operationsverstärkers OP1 angelegt. Folglich arbeitet der Transistor M2 weiterhin als Stromspiegeltransistor, wobei der Bereich P2 wie zuvor einen Strom über den Bias-Transistor M3 an den Knoten 85, den Schalter S2 und die Fotodiode 3 am Anschluss 82 liefert.
Der an die Fotodiode 3 angelegte Strom ist somit durch den Strom gegeben, der durch die Transistoren M2 und M3 fließt, wobei deren Gates ein Signal empfangen, das demjenigen während der Abtastphase entspricht. Das Signal entspricht der Spannung am Source-Anschluss des Transistors M1 in der Abtastphase. Das vom Operationsverstärker OP1 für den Transistor M3 gelieferte Ausgangssignal kann während der Messphase so geregelt werden, dass der Betriebszustand des Pfads P2 dem Zustand des Transistors M1 während der Abtastphase entspricht.
Der sich daraus ergebende Strom wird nun an die Fotodiode zur Umgebungslicht- und Rauschunterdrückung geleitet. Zum Zeitpunkt T3, kurz nach dem Schließen der Schalter S2 (um stabil zu werden), wird die LED der Lichtquelle aktiviert. Die Fotodiode 3 erfasst nun das Umgebungslicht, Rauschanteile und das Primärsignal. Während der Umgebungslichtanteil und der Rauschanteil nun durch den Strom aus dem Pfad P2 in die Diode 3 ausgelöscht wird, wird das reflektierte Licht des Objekts als Primärsignal erfasst und als Restsignal über den Knoten 81 und den geschlossenen Schalter S2 an den Eingang 421 des Analog-Digital-Wandlers 42 angelegt. Der ADC-Ausgang 422 kann ein digitales Ausgangswort enthalten.
Wie in dargestellt, kann ADC 42 das Primärsignal von T4 bis T5 abtasten. Ähnlich wie oben wird T4 leicht verzögert, um dem erfassten Signal genügend Zeit zu geben, eine gewisse Stabilität zu erreichen. Die Verzögerung kann die Signalqualität verbessern. Aufgrund der Auslöschung kann ADC 42 ein stabiles Primärsignal empfangen und in ein digitales Wort umwandeln, das den Signalwert darstellt.
In einigen Ausführungsformen kann das Primärsignal einen Wechselstromanteil und auch einen Gleichstromanteil enthalten. In einigen Ausführungsformen kann der Gleichstromanteil deutlich größer als der Wechselstromanteil sein, aber relativ gering. Daher kann es wünschenswert sein, das Umgebungslicht und den Rauschanteil sowie den Gleichstromanteil des Primärsignals zu unterdrücken, so dass nur der Wechselstromanteil des Primärsignals umgewandelt werden muss. Ein Beispiel hierfür wäre eine Herzfrequenzmessung, bei der das von der Haut reflektierte Signal etwa 95 % des Gleichstromanteils und nur 5 % eines Wechselstromanteils enthält. Allerdings wird nur der Wechselstromanteil benötigt, um die Herzfrequenz zu extrahieren oder irgendwelche Informationen zu liefern. Das bedeutet, dass neben dem Umgebungslicht und dem Rauschanteil auch die Gleichstromkomponente entfernt werden muss. Ähnlich wie im vorangegangenen Beispiel liegt ein Vorteil der Unterdrückung des Gleichstromanteils darin, dass die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers ohne Leistungseinbußen von etwa 19 Bit auf etwa 8 Bit reduziert werden kann.
zeigt eine nicht begrenzte Ausführungsform, bei der der Transistor M2 eine variable und wählbare geometrische Dimension aufweist. Zu diesem Zweck umfasst der Stromspiegel, der den Pfad von P1 und P2 miteinander verbindet, den Strom spiegelnden Transistor M1 und mehrere Spiegeltransistoren M2.1, M2.2 und M2.3 bis M2.N. Diese zweiten Transistoren M2 sind in einem Array angeordnet. In einem Beispiel weist jeder der Transistoren die gleichen geometrischen Parameter auf. Außer dem ersten Spiegeltransistor M2.1 ist jeder der Transistoren M2.2, M2.3 bis M2.N über einen Schalter S3_0, S3_1 bis S3_N mit dem Knoten 86 und mit ihren jeweiligen Drain-Anschlüssen mit dem Versorgungsanschluss 32 verbunden. Die Schalter S3_0, S3_1 bis S3_N sind einzeln wählbar, so dass der Spiegelstrom nun frei eingestellt werden kann.
In einem Beispiel hat jeder der Transistoren die gleichen geometrischen Parameter. In einer solchen Ausführungsform, wie in dargestellt, ist die geometrische Abmessung jedes Transistors M2, d. h. die Breite und die Länge des jeweiligen Kanals jedes der Transistoren M2.1, M2.2, M2.3 bis M2.N gleich. Folglich kann jeder Transistor den gleichen Strom durch den Transistor M3 leiten. Durch Umschalten der jeweiligen Schalter S3 wird der Spiegelstrom um den gleichen Betrag erhöht oder verringert.
In einer alternativen Ausführungsform kann die geometrische Abmessung der jeweiligen Transistoren M2.1, M2.2, M2.3 bis M2.N variieren und z.B. die Breite des Kanals für jeden der Transistoren oder die jeweilige Länge um den Faktor zwei zunehmen. Eine solche Anordnung entspricht einem binären Aufbau der Anordnung der Spiegeltransistoren, wie er in dargestellt ist, und erzeugt damit binär unser Gleichstromglied. So hat beispielsweise der Transistor M2.2 die gleichen geometrischen Parameter wie der Transistor M2.1, während M2.3 eine doppelt so große Kanalbreite hat wie die Transistoren M2.2 und M2.1. Der maximale Gesamtstrom für diese drei Transistoren, wenn alle Schalter geschlossen sind, wäre dann I_total = I_M2.1 + I_M2.2 + I_M2.2 = 4 I_M2.1.
zeigt das Zeitsignal des ersten Steuersignals (in der mit S1 bezeichneten Zeile) und des zweiten Steuersignals (in der mit S2 bezeichneten Zeile) für die verschiedenen Schalter während der Probenahmephase und der anschließenden Messphase. Während der Abtastphase zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 sind die Schalter S1 und S3 geschlossen und der Schalter S2 ist geöffnet. Die Leuchtdiode oder Lichtquelle wird eingeschaltet und das Objekt beleuchtet. Infolgedessen liefert das Objekt Gleich- und Wechselstromkomponenten, die zur Fotodiode zurückreflektiert und zusammen mit anderen unerwünschten Signalanteilen, wie Umgebungslicht oder Rauschen, gemessen werden.
Wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, liefert der Operationsverstärker OP1 an seinem Anschluss 73 ein Ausgangssignal an das Gate des Transistors M3, wodurch sichergestellt wird, dass während der Abtastphase die Drain-Spannung am Knoten 86 gleich der Spannung am Knoten 83 ist, die der Source-Spannung des Strom spiegelnden Transistors M1 entspricht. Während dieser Abtastphase tastet die Fotodiode 3 die Gleich- und Wechselstromkomponente sowie die Anteile von Umgebungslicht und Rauschen ab. Dabei ist zu beachten, dass die Fotodiode 3 während der Abtastphase auch den AC-Anteil erfasst. Der AC-Anteil ist jedoch im Vergleich zum DC-Anteil relativ klein. Daher ist die Spannungskomponente am Source-Anschluss des Stromspiegeltransistors M1, die durch die Wechselstromkomponente verursacht wird, wesentlich kleiner als die kombinierte Gleichstromkomponente des Umgebungslichts und des Rauschanteils. Der durch die Messung der Wechselstromkomponente verursachte Fehler ist gering, so dass es in der späteren Messphase nicht zu einer signifikanten Verringerung der Auflösung oder der Signalqualität kommen muss.
Während der Abtastphase ist der Strom durch den Pfad P2 relativ groß, da jeder der Schalter S3 geschlossen ist, wodurch ein maximaler Strom durch die jeweiligen Transistoren fließt. In der anschließenden Messphase, wenn die Schalter S1 geöffnet und die Schalter S2 geschlossen sind, können die Schalter S3 selektiv geöffnet oder geschlossen werden. Auch hier kann die Lichtquelle oder Leuchtdiode das Objekt erneut beleuchten, und das reflektierte Licht wird von der Fotodiode 3 erfasst. Das von der Fotodiode abgegebene Signal wird mit dem über den zweiten Pfad gelieferten Strom kompensiert und an den ADC 42 weitergeleitet. Der Analog-Digital-Wandler wird aktiviert, um das vorverarbeitete Signal abzutasten und in ein digitales Wort umzuwandeln, das den Wechselstromanteil des von der Fotodiode erfassten Signals darstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 17066489 [0001]

Claims

Vorrichtung zur Unterdrückung unerwünschter Anteile in einem erfassten Signal, umfassend: einen ersten Bereich mit einem Ausgangsknoten; wobei der erste Bereich einen lichtempfindlichen Sensor enthält; wobei der lichtempfindliche Sensor so konfiguriert ist, dass er ein oder mehrere Signale erfasst; - einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist; - einen zweiten Bereich, der auf der Grundlage eines ersten Steuersignals schaltbar mit dem ersten Bereich gekoppelt ist; wobei der zweite Bereich eine Speichereinrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal auf der Grundlage der Erfassung eines ersten Signals des einen oder der mehreren Signale speichert; wobei der zweite Bereich einen Ausgangsknoten umfasst, der mit dem lichtempfindlichen Sensor gekoppelt ist; und wobei der zweite Bereich so konfiguriert ist, dass er ein Kompensationssignal auf der Grundlage des gespeicherten Signals an den lichtempfindlichen Sensor während einer Erfassung eines zweiten Signals liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich über einen Stromspiegel gekoppelt sind; wobei der Stromspiegel einen spiegelnden Transistor und einen Spiegeltransistor umfasst, wobei der spiegelnde Transistor im ersten Bereich angeordnet ist, und wobei der Spiegeltransistor im zweiten Bereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Gate-Anschlüsse des spiegelnden Transistors und des Spiegeltransistors über einen ersten Schalter gekoppelt sind, der so konfiguriert ist, dass er auf das erste Steuersignal anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Speichervorrichtung einen Kondensator umfasst, der zwischen einem Steueranschluss des Spiegeltransistors und einem Referenz- oder Versorgungsanschluss angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Spiegeltransistor eine Vielzahl von parallel angeordneten Transistoren umfasst, wobei zumindest ein Teil der Vielzahl von Transistoren schaltbar in der zweiten Region angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder Transistor der Vielzahl von Transistoren eine Länge und eine Breite aufweist, wobei eine Länge und eine Breite eines ersten Transistors der Vielzahl von Transistoren sich von einer Länge und einer Breite eines zweiten Transistors der Vielzahl von Transistoren unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich einen Aktor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er einen Strom durch den Ausgangsknoten des zweiten Bereichs auf der Grundlage des gespeicherten Signals in der Speichervorrichtung einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Aktuator einen Komparator mit einem ersten Eingang, der mit der Speichervorrichtung verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem zweiten Bereich verbunden ist, umfasst, wobei der Komparator so konfiguriert ist, dass er den Ausgangsstrom auf der Grundlage eines Vergleichs einer gespeicherten Signalmessung und einer Strommessung durch den zweiten Bereich einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Ausgangsknoten zwischen dem spiegelnden Transistor und dem lichtempfindlichen Sensor angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich weiterhin umfasst: einen zweiten Schalter, der so konfiguriert ist, dass er den zweiten Bereich auf der Grundlage des ersten Steuersignals mit einem Massepotenzialanschluss verbindet; einen dritten Schalter, der so konfiguriert ist, dass er den zweiten Bereich auf der Grundlage eines zweiten Steuersignals mit dem lichtempfindlichen Sensor verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der lichtempfindliche Sensor so konfiguriert ist, dass er das erste Signal auf der Grundlage des ersten Steuersignals erfasst und so konfiguriert ist, dass er das zweite Signal auf der Grundlage des zweiten Steuersignals erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich einen vierten Schalter umfasst, der zwischen dem Ausgangsknoten und dem Analog-Digital-Wandler angeordnet ist; wobei der vierte Schalter den Analog-Digital-Wandler basierend auf dem zweiten Steuersignal schaltbar mit dem Ausgangsknoten verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der lichtempfindliche Sensor eine Fotodiode ist.
Ein System, umfassend: eine Lichterzeugungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Licht erzeugt, das von einem Objekt reflektiert wird; und die Vorrichtung nach Anspruch 1, die so konfiguriert ist, dass sie das vom Objekt reflektierte Licht empfängt.
Verfahren zur Auslöschung unerwünschter Signalanteile in einem von einem Sensor erhaltenen Messsignal, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen eines ersten Signals während eines ersten Zeitraums, wobei das erste Signal im Wesentlichen unerwünschte Signalanteile enthält; Erzeugung eines Speichersignals auf der Grundlage des ersten Signals; Erzeugen eines Auslöschungssignals auf der Grundlage des Speichersignals während einer zweiten Zeitspanne nach der ersten Zeitspanne; Anlegen des Auslöschungssignals an einen lichtempfindlichen Sensor während der zweiten Zeitspanne; Erhalten eines zweiten Signals während der zweiten Zeitperiode, wobei das zweite Signal einen erwünschten Anteil und den unerwünschten Signalanteil umfasst; und Anlegen eines dritten Signals an einen Eingang eines Analog-Digital-Wandlers, wobei das dritte Signal die Differenz zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend das Erzeugen eines Stromsignals auf der Grundlage des ersten Signals oder des zweiten Signals; und wobei das Speichersignal ein Spannungssignal auf der Grundlage des Stromsignals ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Auslöschungssignal ein Stromsignal ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei während der ersten Zeitspanne kein Signal an den Eingang des Analog-Digital-Wandlers angelegt wird.