FR3123121A1 - Capteur de lumiere ambiante - Google Patents
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Abstract
Selon un aspect, il est proposé un capteur de lumière ambiante comprenant : - une photodiode (PHD) configuré pour générer un signal électrique en fonction d’une lumière ambiante, - un amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) connecté en entrée à la photodiode (PHD) pour recevoir un signal généré par la photodiode et pour générer en sortie un signal amplifié à partir du signal généré par la photodiode (PHD), - un commutateur auto-zéro (AZS) en entrée de l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive, et - un circuit de commande (CC) comprenant un circuit d’amorçage (CA) configuré pour : ○ recevoir un signal logique initial de commande (AZB_X) à tension positive ou nulle, puis ○ générer, à partir de ce signal logique initial de commande, un signal logique adapté de commande (AZ_SHIFT) présentant un premier niveau de tension positif et un deuxième niveau de tension négatif pour commander le commutateur auto-zéro (AZS). Figure pour l’abrégé : Fig 1
Description
Des modes de de réalisation concernent les capteurs de lumière ambiante.
Un capteur de lumière ambiante est un photodétecteur configuré pour détecter une quantité de lumière ambiante autour de ce capteur.
Un tel capteur de lumière ambiante peut être intégré dans des smartphones ou dans des ordinateurs portables par exemple. En particulier, le capteur de lumière ambiante peut être utilisé pour adapter une luminosité de l’écran d’un smartphone ou d’un ordinateur portable en fonction de la lumière ambiante.
Un capteur de lumière ambiante comprend généralement une photodiode configurée pour générer un signal électrique dépendant de la lumière ambiante autour de cette photodiode.
Ce signal électrique est ensuite amplifié par un amplificateur du capteur de lumière ambiante avant d’être traité.
Pour amplifier le signal électrique généré par la photodiode, il est possible d’utiliser un amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive (connu également par l’acronyme « CTIA » de l’anglais « capacitive transimpedance amplifier »).
Un tel amplificateur comprend un amplificateur opérationnel bouclé par un élément capacitif.
En particulier, l’amplificateur opérationnel peut présenter une première entrée inverseuse reliée à la photodiode, et une entrée non inverseuse reliée à un point froid, notamment une masse. L’amplificateur opérationnel comprend également une sortie configurée pour délivrer un signal amplifié à partir du signal électrique délivré par la photodiode.
La sortie de l’amplificateur opérationnel est reliée à une première borne de l’élément capacitif, et une deuxième borne de l’élément capacitif est reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
Par ailleurs, il est préférable d’utiliser un commutateur auto-zéro (en anglais « auto-zero switch » ou « AZ switch ») entre l’entrée inverseuse et l’entrée non inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
En particulier, le commutateur auto-zéro permet de supprimer un décalage en tension en entrée de l’amplificateur (en anglais « input offset voltage »).
Le commutateur auto-zéro peut être un transistor NMOS.
Par ailleurs, il est important de réduire les pertes d’informations par l’élément capacitif durant le temps d’intégration de l’amplificateur à transimpédance.
En effet, du fait que les signaux électriques pouvant être générés par la photodiode présentent une intensité faible, de l’ordre du picoampère au nanoampère, les pertes peuvent entraîner des erreurs importantes sur la mesure de la lumière ambiante.
Il est notamment possible d’utiliser un commutateur auto-zéro à faible pertes présentant une tension de seuil élevée. Néanmoins, la fabrication d’un tel commutateur auto-zéro à faible pertes nécessite l’utilisation d’un masque supplémentaire. Ainsi, une telle solution est complexe et coûteuse à mettre en œuvre.
Il existe donc un besoin de proposer une solution simple et peu coûteuse pour réduire les pertes du commutateur entre les entrées de l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive.
Selon un aspect, il est proposé un capteur de lumière ambiante comprenant :
- une photodiode configuré pour générer un signal électrique en fonction d’une lumière ambiante,
- un amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive connecté en entrée à la photodiode pour recevoir un signal généré par la photodiode et pour générer en sortie un signal amplifié à partir du signal généré par la photodiode,
- un commutateur auto-zéro en entrée de l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive, et
- un circuit de commande comprenant un circuit d’amorçage configuré pour :
○ recevoir un signal logique initial de commande à tension positive ou nulle, puis
○ générer, à partir de ce signal logique initial de commande, un signal logique adapté de commande présentant un premier niveau de tension positif et un deuxième niveau de tension négatif pour commander le commutateur auto-zéro.
- une photodiode configuré pour générer un signal électrique en fonction d’une lumière ambiante,
- un amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive connecté en entrée à la photodiode pour recevoir un signal généré par la photodiode et pour générer en sortie un signal amplifié à partir du signal généré par la photodiode,
- un commutateur auto-zéro en entrée de l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive, et
- un circuit de commande comprenant un circuit d’amorçage configuré pour :
○ recevoir un signal logique initial de commande à tension positive ou nulle, puis
○ générer, à partir de ce signal logique initial de commande, un signal logique adapté de commande présentant un premier niveau de tension positif et un deuxième niveau de tension négatif pour commander le commutateur auto-zéro.
Le fait de pouvoir commander le commutateur auto-zéro avec une tension négative lors du temps d’intégration permet de réduire les pertes.
Un tel capteur de lumière ambiante permet donc de réduire les erreurs de mesure de la lumière ambiante.
En outre, un tel capteur de lumière ambiante ne nécessite pas d’utiliser un transistor auto-zéro ayant une tension de seuil élevée. Cela permet d’éviter l’utilisation d’un masque additionnel pour la fabrication du transistor auto-zéro.
Le circuit d’amorçage permet donc d’utiliser un transistor auto-zéro peu coûteux à fabriquer.
Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit d’amorçage comprend :
- une porte inverseuse configurée pour recevoir le signal logique initial de commande,
- un élément capacitif présentant une première borne connectée à une sortie de la porte inverseuse,
- un premier transistor de type PFET présentant une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande, un drain connecté à la deuxième borne de l’élément capacitif et une source configurée pour recevoir une tension de mode commun,
- une sortie reliée à la deuxième borne de l’élément capacitif et au drain du premier transistor et configurée pour délivrer le signal logique adapté de commande au commutateur auto-zéro.
- une porte inverseuse configurée pour recevoir le signal logique initial de commande,
- un élément capacitif présentant une première borne connectée à une sortie de la porte inverseuse,
- un premier transistor de type PFET présentant une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande, un drain connecté à la deuxième borne de l’élément capacitif et une source configurée pour recevoir une tension de mode commun,
- une sortie reliée à la deuxième borne de l’élément capacitif et au drain du premier transistor et configurée pour délivrer le signal logique adapté de commande au commutateur auto-zéro.
De préférence, le signal logique initial de commande présente un premier niveau à 1,8V et un deuxième niveau à 0V, et le signal logique adapté de commande présente un premier niveau positif à 0,9V lorsque le signal logique initial de commande est à 0V, et un deuxième niveau négatif à -0,9V, lorsque le signal logique initial de commande est à 1,8V.
Avantageusement, le circuit d’amorçage comprend en outre :
- un deuxième transistor de type NFET présentant une source connectée à la deuxième borne de l’élément capacitif, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain relié à la sortie du circuit d’amorçage,
- un transistor de type PFET présentant une source reliée à la sortie de la porte inverseuse, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain relié à la sortie du circuit d’amorçage.
- un deuxième transistor de type NFET présentant une source connectée à la deuxième borne de l’élément capacitif, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain relié à la sortie du circuit d’amorçage,
- un transistor de type PFET présentant une source reliée à la sortie de la porte inverseuse, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain relié à la sortie du circuit d’amorçage.
Ainsi, la deuxième borne de l’élément capacitif est reliée à la sortie par l’intermédiaire du deuxième transistor.
De préférence, le signal logique initial de commande présente un premier niveau à 1,8V et un deuxième niveau à 0V, et le signal logique adapté de commande présente un premier niveau positif à 1,8V lorsque le signal logique initial de commande est à 0V, et un deuxième niveau négatif à -0,9V, lorsque le signal logique initial de commande est à 1,8V.
Dans un mode de réalisation avantageux, l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive comprend un amplificateur opérationnel comportant une entrée inverseuse connectée à la photodiode et une entrée non inverseuse connectée à un point froid, le commutateur auto-zéro présentant une première borne connectée à l’entrée inverseuse de cet amplificateur opérationnel et une deuxième borne connectée à l’entrée non inverseuse de cet amplificateur opérationnel.
De préférence, l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive comprend un élément capacitif présentant une première borne reliée à une sortie de l’amplificateur opérationnel, et une deuxième borne reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
Selon un autre aspect, il est proposé un appareil comportant un capteur de lumière ambiante tel que décrit précédemment.
D'autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de mise en œuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
Le capteur de lumière ambiante ALS comprend une photodiode PHD.
La photodiode PHD est configurée pour générer un signal électrique SPHD en fonction de la lumière ambiante autour du capteur ALS.
Le capteur de lumière ambiante ALS comprend un amplificateur à transimpédance capacitif CTIA (en anglais « Capacicitive transimpedance amplifier »).
L’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive CTIA comprend un amplificateur opérationnel AOP.
L’amplificateur opérationnel AOP présente une entrée inverseuse reliée à la photodiode PHD. De la sorte, l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel AOP est configurée pour recevoir le signal électrique SPHD généré par la photodiode PHD.
L’amplificateur opérationnel AOP présente également une entrée non inverseuse reliée à un point froid, notamment à une masse GND.
L’amplificateur opérationnel AOP présente une sortie configurée pour délivrer un signal amplifié SAMP à partir du signal SPHD généré par la photodiode.
L’amplificateur CTIA comprend un premier élément capacitif CAP1 bouclant l’amplificateur opérationnel AOP. En particulier, le deuxième élément capacitif CAP1 présente une première borne reliée à la sortie de l’amplificateur opérationnel AOP, et une deuxième borne reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
L’amplificateur CTIA comprend également un deuxième élément capacitif CAP2 bouclant l’amplificateur opérationnel AOP. En particulier, le deuxième élément capacitif CAP2 présente une première borne reliée à la sortie de l’amplificateur opérationnel AOP, et une deuxième borne reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
Plus particulièrement, la deuxième borne du deuxième élément capacitif CAP2 est reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur par l’intermédiaire d’au moins un commutateur M0. Chaque commutateur M0 peut être réalisé par un transistor NMOS.
Le deuxième élément capacitif CAP2 présente une capacité égale à la capacité du premier élément capacitif CAP1.
Le commutateur M0 est configuré pour être commandé par un signal de commande SCOM présentant un niveau bas à -0,9V et un niveau haut à 1,8V.
Ainsi, le deuxième élément capacitif CAP1 permet de diviser par deux le gain de l’amplificateur CTIA lorsque le commutateur M0 est fermé.
Le capteur de lumière ambiante comprend également un commutateur auto-zéro AZS. Ce commutateur auto-zéro AZS présente une première borne reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel AOP, et une deuxième borne reliée à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur opérationnel AOP. Ce commutateur auto-zéro AZS peut par exemple être réalisé par un transistor NMOS.
Le commutateur auto-zéro AZS permet de supprimer un décalage en tension en entrée de l’amplificateur opérationnel AOP (en anglais « input offset voltage»).
Le capteur de lumière ambiante ALS comprend un circuit de commande CC pour commander le commutateur auto-zéro AZS.
Le circuit de commande CC comprend un générateur GEN de signal initial de commande. Ce générateur GEN est configuré pour générer un signal logique initial AZB_X de commande inversée.
Le signal initial AZB_X de commande inversée peut par exemple varier entre 0V et 1,8V.
Afin d’adapter le signal initial AZB_X de commande pour réduire les pertes du commutateur auto-zéro AZS, le circuit de commande CC comprend un circuit d’amorçage CA (en anglais « bootstrap circuit»).
Le circuit d’amorçage CA est ainsi configuré pour commander le commutateur auto-zéro AZS avec un signal logique adapté de commande AZ_SHIFT.
La représente un premier mode de réalisation d’un tel circuit d’amorçage CA1.
Le circuit d’amorçage CA1 comprend une porte inverseuse INV1, un élément capacitif CAPA1, et un transistor M11.
Le circuit d’amorçage CA1 est configuré pour recevoir en entrée le signal initial AZB_X de commande inversée. Comme représenté à la , le signal initial AZB_X de commande inversée peut par exemple varier entre 0V et 1,8V.
La porte inverseuse INV1 présente une entrée configurée pour recevoir le signal initial AZB_X de commande inversée.
La porte inverseuse INV1 permet d’inverser le signal initial AZB_X. Ainsi, la porte inverseuse INV1 permet d’obtenir un signal INB présentant une tension à 1,8V lorsque le signal AZB_X est à 0V, et une tension à 0V lorsque le signal AZB_X est à 1,8V.
L’élément capacitif CAPA1 présente une première borne reliée à la sortie de la porte inverseuse INV1 et une deuxième borne reliée à un drain du transistor M11.
L’élément capacitif CAPA1 présente par exemple une capacité comprise entre 100fF et 1pF.
L’élément capacitif CAPA1 permet d’obtenir une tension négative en niveau de sa deuxième borne. En particulier, cette tension est égale à -0,9V.
Le transistor M11 est un transistor de type PFET (transistor MOSFET à canal P).
Le transistor M11 présente un drain connecté à la deuxième borne de l’élément capacitif CAPA1, une grille configurée pour recevoir le signal initial AZB_X de commande inversée et une source configurée pour recevoir une tension VCM de mode commun.
Par exemple, la tension VCM de mode commun est égale à 0,9V.
Le transistor M11 est passant lorsque le signal AZB_X est à 0V. Ainsi, le transistor M11 permet d’obtenir un signal AZ_SHIFT en sortie du circuit d’amorçage CA1 ayant une tension égale à la tension VCM, c’est-à-dire 0,9V, lorsque le signal AZB_X est à 0V.
Ainsi, la tension du signal AZ_SHIFT en sortie du circuit d’amorçage CA1 est comprise entre -0,9V et 0,9V. En particulier, la tension en sortie est à 0,9V lorsque la tension du signal AZB_X est à 0V, et est à -0,9V lorsque la tension du signal AZB_X est à 1,8V.
La tension négative du signal AZ_SHIFT permet d’obtenir une tension grille-source négative sur le commutateur auto-zéro AZS. Cela permet de réduire les pertes du commutateur auto-zéro, notamment pendant la durée d’intégration.
La représente un deuxième mode de réalisation du circuit d’amorçage CA2.
Le circuit d’amorçage CA2 comprend une porte inverseuse INV2, un élément capacitif CAPA2, un premier transistor M21, un deuxième transistor M22 et un troisième transistor M23.
Le circuit d’amorçage CA2 est configuré pour recevoir en entrée le signal initial AZB_X de commande inversée.
La porte inverseuse INV2 présente une entrée configurée pour recevoir le signal AZB_X et une sortie configurée pour délivrer un signal INB inversé par rapport au signal AZB_X. Ainsi, comme représenté à la , le signal INB peut être à 1,8V lorsque le signal AZB_X est à 0V, et à 0V lorsque le signal AZB_X est à 1,8V.
L’élément capacitif CAPA2 comprend une première borne connectée à la sortie de la porte inverseuse INV2, et une deuxième borne connectée à un drain du premier transistor M21 et à une source du deuxième transistor M22.
L’élément capacitif CAPA2 permet d’obtenir une tension à -0,9V au niveau de la deuxième borne de l’élément capacitif CAPA2 lorsque la tension du signal IN est à 1,8V.
Le premier transistor M21 est un transistor de type PFET.
Le premier transistor M21 présente un drain connecté à la deuxième borne de l’élément capacitif, une grille configurée pour recevoir le signal AZB_X, et une source configurée pour recevoir la tension VCM de mode commun.
Par exemple, la tension VCM de mode commun est égale à 0,9V.
Le transistor M21 est passant lorsque le signal AZB_X est à 0V. Ainsi, le transistor M21 permet d’obtenir une tension au niveau du drain de ce transistor M21 égale à la tension VCM, c’est-à-dire 0,9V, lorsque le signal AZB_X est à 0V.
Ainsi, le signal NET au niveau du drain du transistor M21 présente une tension comprise entre -0,9V et 0,9V. En particulier, cette tension est à 0,9V lorsque la tension du signal AZB_X est à 0, et est à -0,9V lorsque la tension du signal AZB_X est à 1,8V.
Le deuxième transistor M22 est un transistor de type NFET (transistor MOSFET à canal N).
Le deuxième transistor M22 présente une source connectée au drain du premier transistor M21 et à la deuxième borne de l’élément capacitif CAPA2.
Le deuxième transistor M22 présente également une grille configurée pour recevoir le signal AZB_X, et un drain connecté à une sortie OUT configurée pour délivrer un signal adapté AZ_SHIFT de commande.
Le deuxième transistor M22 est passant lorsque le signal AZB_X est à 1,8V. Ainsi, le transistor M21 permet d’obtenir une tension du signal adapté AZ_SHIFT de commande en sortie du circuit d’amorçage CA2 égale à -0,9V lorsque le signal AZB_X est à 1,8V.
Le transistor M23 est un transistor de type PFET.
Le troisième transistor M23 présente une source connectée à la sortie de la porte inverseuse, une grille configurée pour recevoir le signal IN, et un drain connecté à la sortie OUT.
Le troisième transistor M23 est passant lorsque le signal AZB_X est à 0V. Ainsi, le transistor M21 permet d’obtenir une tension du signal adapté AZ_SHIFT de commande en sortie du circuit d’amorçage CA2 égale à 1,8V lorsque le signal AZB_X est à 0V.
Ainsi, la tension du signal adapté AZ_SHIFT de commande en sortie du circuit d’amorçage est comprise entre -0,9V et 1,8V. En particulier, la tension du signal adapté AZ_SHIFT de commande en sortie du circuit d’amorçage est à 1,8V lorsque la tension du signal AZB_X est à 0V, et est à -0,9V lorsque la tension du signal AZB_X est à 1,8V.
Une telle tension permet d’obtenir une tension grille-source négative sur le commutateur auto-zéro AZS. Cela permet de réduire les pertes du commutateur auto-zéro, notamment pendant la durée d’intégration.
En outre, l’application d’une tension à 1,8V pour la commande du commutateur auto-zéro AZS permet un meilleur fonctionnement de ce commutateur auto-zéro AZS.
La illustre un appareil APP comportant un capteur de lumière ambiante ALS tel que décrit précédemment. Par exemple, l’appareil peut être un smartphone ou un ordinateur portable.
Claims (8)
- Capteur de lumière ambiante comprenant :
- une photodiode (PHD) configuré pour générer un signal électrique en fonction d’une lumière ambiante,
- un amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) connecté en entrée à la photodiode (PHD) pour recevoir un signal généré par la photodiode et pour générer en sortie un signal amplifié à partir du signal généré par la photodiode (PHD),
- un commutateur auto-zéro (AZS) en entrée de l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive, et
- un circuit de commande (CC) comprenant un circuit d’amorçage (CA) configuré pour :
○ recevoir un signal logique initial de commande (AZB_X) à tension positive ou nulle, puis
○ générer, à partir de ce signal logique initial de commande, un signal logique adapté de commande (AZ_SHIFT) présentant un premier niveau de tension positif et un deuxième niveau de tension négatif pour commander le commutateur auto-zéro (AZS). - Capteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit d’amorçage (CA) comprend :
- une porte inverseuse (INV1, INV2) configurée pour recevoir le signal logique initial de commande (AZB_X),
- un élément capacitif (CAPA1, CAPA2) présentant une première borne connectée à une sortie de la porte inverseuse,
- un premier transistor (M11, M21) de type PFET présentant une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande, un drain connecté à la deuxième borne de l’élément capacitif (CAPA1, CAPA2) et une source configurée pour recevoir une tension de mode commun,
- une sortie (OUT) reliée à la deuxième borne de l’élément capacitif (CAPA1, CAPA2) et au drain du premier transistor (M11, M21) et configurée pour délivrer le signal logique adapté de commande (AZ_SHIFT) au commutateur auto-zéro (AZS). - Capteur selon la revendication 2, dans lequel le signal logique initial de commande (AZB_X) présente un premier niveau à 1,8V et un deuxième niveau à 0V, et le signal logique adapté de commande (AZ_SHIFT) présente un premier niveau positif à 0,9V lorsque le signal logique initial de commande (AB_X) est à 0V, et un deuxième niveau négatif à -0,9V, lorsque le signal logique initial de commande (AZB_X) est à 1,8V.
- Capteur selon la revendication 2, dans lequel le circuit d’amorçage (CA) comprend en outre :
- un deuxième transistor (M22) de type NFET présentant une source connectée à la deuxième borne de l’élément capacitif, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain reliée à la sortie du circuit d’amorçage, de sorte que la sortie du circuit d’amorçage est reliée à la deuxième borne de l’élément capacitif et au drain du premier transistor par l’intermédiaire du deuxième transistor,
- un transistor (M23) de type PFET présentant une source reliée à la sortie de la porte inverseuse, une grille configurée pour recevoir le signal logique initial de commande et un drain relié à la sortie du circuit d’amorçage. - Capteur selon la revendication 4, dans lequel le signal logique initial de commande (AZB_X) présente un premier niveau à 1,8V et un deuxième niveau à 0V, et le signal logique adapté de commande (AZ_SHIFT) présente un premier niveau positif à 1,8V lorsque le signal logique initial de commande (AB_X) est à 0V, et un deuxième niveau négatif à -0,9V, lorsque le signal logique initial de commande (AZB_X) est à 1,8V.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) comprend un amplificateur opérationnel (AOP) comportant une entrée inverseuse connectée à la photodiode (PHD) et une entrée non inverseuse connectée à un point froid (GND), le commutateur auto-zéro (AZS) présentant une première borne connectée à l’entrée inverseuse de cet amplificateur opérationnel et une deuxième borne connectée à l’entrée non inverseuse de cet amplificateur opérationnel.
- Capteur selon la revendication 6, dans lequel l’amplificateur à transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) comprend un élément capacitif (CAP2) présentant une première borne reliée à une sortie de l’amplificateur opérationnel (AOP), et une deuxième borne reliée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel (AOP).
- Appareil comportant un capteur de lumière ambiante (ALS) selon l’une des revendications 1 à 7.
Priority Applications (2)
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