KR20220116548A - 광 대 주파수 변조기들 - Google Patents

Abstract

광 강도를 측정하는 방법은 포토다이오드로 하여금 제1 극성의 전류를 제공하게 하도록 포토다이오드를 광에 노출시키는 단계, 적분기에 상기 전류를 공급하고 적분된 출력 전압을 제공하기 위해 상기 전류를 적분하는 단계, 및 출력 전압을 임계 전압과 비교하는 단계를 포함한다. 적분 시간의 시작 전에 적분 전압을 리셋하기 위해 상기 제1 극성과 반대 극성의 전하 패키지들이 인가된다. 적분 시간의 끝에서, 포토다이오드가 상기 적분기로부터 연결 해제되고 상기 비교 신호가 스위칭될 때까지 저항이 회로에 커플링되는 동안 기준 전압이 적분기 입력에 커플링된다. 잔여 전압의 측정치를 제공하기 위해 적분 시간의 끝과 비교 신호의 스위칭 사이의 시간을 측정하기 위해 비교 신호가 모니터링된다.

Description

광 대 주파수 변조기들

본 개시는 광 대 주파수 변조기들에 관한 것이다.

광학 센서 배열체는 종종 광 검출기로서 포토다이오드를 포함하고 포토다이오드를 통해 흐르는 광전류를 측정한다. 광학 센서 배열체는 광전류를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 배열체는 LTF 엔진으로 약칭되는 광-대-주파수 기계 또는 엔진이라고도 칭하는 광-대-주파수 회로로 실현될 수 있다. LTF 엔진은 광전류를 적분하고 적분된 신호를 비교기를 사용하여 임계값과 비교함으로써 디지털 신호를 생성할 수 있다. 디바이스의 출력은 그 주파수가 광 강도에 선형적으로 비례하는 구형파 또는 펄스 스트림이다. 통상적인 구성에서, 프로세서(12)는 "적분 시간"으로 칭해지는 고정된 시간 기간 동안 비교기에 의해 생성된 펄스들의 수를 카운팅한다. 적분 시간 동안의 펄스 카운트는 광 강도에 비례한다. 검출된 디지털 신호의 정확도는 적분 및 비교 중에 사용된 기준 값들에 따른다.

도 1에 도시된 것과 같은 통상적인 LTF 엔진에서, 광전류가 적분되면, 적분된 신호가 임계값을 교차할 때마다, 광전류와 비교하여 반대 극성을 갖는 잘 정의된 전하 패키지가 적분 프로세스를 정의된 상태로 설정하기 위한 적분기의 입력에 제공된다. 이러한 프로세스는 사전 정의된 적분 시간 동안 반복되며, 임계값의 각각의 교차는 적분 단계 동안 카운팅된다. 카운트의 정확도는 잘 정의된 전하 패키지의 크기에 의해 제한된다. 특히, 주어진 적분 시간 내의 최종 펄스와 해당 적분 시간의 끝 사이에 일정 시간 기간이 있을 것이며, 즉, 해당 기간 동안 추가 펄스를 생성하기에 불충분한 시간이 있다.

WO2019011543호는 적분 단계의 끝에서의 충전 상태와 대응하는 임계값 사이에서 이러한 더 작은 전하 패키지들의 잔여 카운트를 결정하기 위해 반드시 잘 정의되지는 않은 제2 전하 패키지를 사용하는 개선된 개념을 설명한다. 즉, 스위칭 임계값"까지 위로 카운팅"하기 위해 적분 시간의 끝에서 작은 전하 패키지들이 적분된 전하에 점진적으로 추가된다. 적분 시간의 끝에서 획득된 기본 카운트와 잔여 카운트를 결합함으로써 개선된 강도 측정이 달성될 수 있다. WO2019011543호의 접근법이 도 2에 도시되어 있으며, 여기서 상단 트레이스(top trace)는 적분기의 출력 전압을 도시하는 반면, 하위 트레이스는 비교기의 출력을 도시한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템이 제공되며, 광 센서 시스템은 제1 극성의 전류를 제공하기 위한 포토다이오드 출력을 갖는 포토다이오드, 상기 전류를 수신하기 위해 상기 포토다이오드 출력에 선택적으로 커플링된 적분기 입력 및 적분된 출력 전압을 제공하기 위한 적분기 출력을 갖는 적분기, 상기 적분기 출력에 커플링된 비교기 입력을 갖고, 적분된 출력 전압을 임계 전압과 비교하여 비교기 출력에서 비교 신호를 제공하도록 구성된 비교기를 포함한다. 본 시스템은 상기 적분기 입력에 전하 패키지들을 제공하기 위해 상기 비교기 출력 및 상기 적분기에 커플링된 기준 전하 회로 － 전하 패키지들은 상기 제1 극성과 반대 극성을 가짐 －, 적분기 입력에 적어도 제1 정의된 전압을 선택적으로 제공하기 위한 기준 전압 출력을 갖는 기준 전압 회로, 및 상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 전류 경로를 제공하기 위해 상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 선택적으로 커플링된 저항을 더 포함한다.

본 시스템에는 제어 유닛이 제공되고, 그 제어 유닛은,

(a) 상기 포토다이오드 출력이 상기 적분기 입력에 커플링되고, 상기 저항이 상기 전류 경로를 제공하지 않는 동안 상기 기준 전압 회로가 상기 제1 정의된 전압을 적분기 입력에 제공하지 않는 기간 동안의 적분 시간에 걸쳐 상기 적분 유닛을 동작시키고,

(b) 적분 시간의 끝에서, 상기 적분기 입력으로부터 상기 포토다이오드 출력을 연결 해제하고, 비교 신호가 스위칭될 때까지, 상기 저항이 상기 전류 경로를 제공하는 동안 상기 기준 전압 회로로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 한다.

시스템은 적분 시간의 끝에서 적분기 출력에 대한 잔여 전압을 나타내는 비교 신호의 스위칭과 적분 시간의 끝 사이의 기간을 모니터링 유닛이 모니터링할 수 있게 한다.

기준 전압 회로는 디지털-아날로그 변환기 및 변환기로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 적분기 입력에 제공하게 하는 디지털 제어기를 포함한다.

디지털 제어기는 상기 변환기로 하여금 상기 적분 시간 동안 상기 제1 사전 정의된 전압과 상이한 오프셋 전압을 적분기 입력에 제공하게 할 수 있다. 적분기는 연산 증폭기 회로를 포함하고, 상기 디지털-아날로그 변환기는 연산 증폭기 회로에 통합된다.

시스템은 적분 시간의 끝과 비교 신호의 스위칭 사이의 시간 기간을 측정하기 위해 비교기의 출력에 커플링된 회로 또는 프로세서를 포함할 수 있다.

제어 유닛은 포토다이오드가 적분기 입력으로부터 연결 해제된 동안 적분기 입력으로 전하 패키지를 인가하고, 포토다이오드가 연결 해제된 상태로 유지되는 동안 상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 상기 저항을 커플링하고, 상기 기준 전압 회로로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 하고, 비교기의 출력을 스위칭하는 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 결정된 시간은 적분 시간의 끝과 비교 신호의 스위칭 사이의 상기 기간을 사용하여 잔여 전압을 결정하는 데 사용될 수 있는 교정(calibration) 시간을 제공한다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 광 강도를 측정하는 방법이 제공된다. 본 방법은 포토다이오드로 하여금 제1 극성의 전류를 제공하게 하도록 포토다이오드를 광에 노출시키는 단계, 적분기의 입력에 상기 전류를 공급하고 적분된 출력 전압을 제공하기 위해 적분 시간에 걸쳐 상기 전류를 적분하도록 적분기를 사용하는 단계, 및 비교 신호를 제공하기 위하여 적분된 출력 전압을 임계 전압과 비교하는 단계를 포함한다. 본 방법은 적분 시간의 시작 전에 적분 전압을 리셋하기 위해 상기 제1 극성과 반대 극성의 전하 패키지들을 인가하는 단계를 포함한다. 적분 시간의 끝에서, 포토다이오드는 상기 적분기로부터 연결 해제하고, 비교 신호가 스위칭될 때까지, 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 저항이 커플링되는 동안 기준 전압이 적분기 입력에 커플링된다. 적분 시간의 끝과 비교 신호의 스위칭 사이의 시간을 측정하기 위해 비교 신호가 모니터링되고, 이에 의해 적분 시간의 끝에서 잔여 전압의 측정치를 제공한다.

도 1은 종래 기술의 광 대 주파수 변조기 회로를 개략적으로 도시한다.
도 2는 적분 시간의 끝에서 잔여 카운트를 결정하기 위해 알려진 기술을 사용하는 광 대 주파수 변조기 회로의 동작과 연관된 트레이스들을 도시한다.
도 3은 개선된 광 대 주파수 변조기 회로를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 회로의 동작과 연관된 트레이스들을 도시한다.
도 5는 잔여 전압을 결정하기 위해 광 대 주파수 변조기 회로를 동작시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.

도 1을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 각각의 적분 시간의 끝에서 광 대 주파수 변조기 회로에 대한 잔여 전압 측정을 획득하기 위한 메커니즘이 필요하다. 이러한 목적을 위한 메커니즘이 알려져 있지만, 가능한 한 기존의 회로 구성 요소 및 기능을 재사용하는 메커니즘을 제공하는 것이 바람직하다.

도 3은 광에 노출 시 제1 극성의 전류를 제공하도록 구성된 포토다이오드(1)를 포함하는 광 대 주파수 변조기 회로를 개략적으로 도시한다. 스위치 S1은 포토다이오드(1)를 증폭기(2)의 음의 입력에 연결하도록 동작 가능하다. 커패시터(3)는 증폭기(2)의 출력과 음의 입력 사이에 커플링되어 증폭기가 적분기로서 작용한다. 추가 커패시터(4)가 스위치들(S3, S4)에 의해 증폭기(2)의 음의 입력과 기준 전압 Vref 사이에 커플링된다. 이러한 스위치들의 동작은 아래에서 추가로 설명된다. 추가 스위치 S2는 저항(11)을 통해 증폭기(2)의 음의 입력을 기준 전압, 예를 들어, 접지 전위에 연결하도록 구성된다.

증폭기(2)의 출력은 비교기(5)의 음의 입력에 커플링된다. 비교기의 양의 입력은 추가 기준 전압에 커플링된다(추가 기준 전압은 위에서 언급한 Vref와 동일하거나 상이할 수 있음). 비교기(2)의 출력은 스위치들 S3 및 S4를 제어하는 데 사용되는 신호 ltf_clk를 제공한다.

증폭기(2)는 자동-영점 조정 디지털-아날로그 변환기(AZ DAC: auto-zeroing digital to analogue converter)(6)를 포함한다. 이는 알려진 증폭기 기능이며, 전통적으로 증폭기의 오프셋을 보정하는 데 사용된다. 도 3은 적용될 오프셋을 결정하기 위한 기능(8)을 포함하는 디지털 제어기(7)를 도시한다. 이러한 오프셋 값은 스위치 S5를 통해 AZ DAC(6)로 시그널링된다. 디지털 제어기(7)는 또한 스위치 S5를 통해 AZ DAC에 기준 전압을 인가하기 위한 기능(9)을 또한 포함한다.

정상적인 변조기 동작 동안 디지털 제어기(7)는 적절한 오프셋 전압을 선택하고 이를 스위치 S5를 통해 증폭기(2)의 AZ DAC(6)에 인가한다. 각각의 적분 기간의 개시에서, 스위치 S1이 닫히고 적분 시간의 지속 시간 동안 포토다이오드 전류가 변조기 커패시터(3)로 적분된다. 비교기 기준 전압 vref에 도달되면, 사전 정의된 전하가 변조기 입력에 인가되어 전압 강하 v스텝을 유발한다. 이는 커패시터(4)로 그리고 커패시터(4)로부터 전하를 이동시키기 위해 스위치들 S3 및 S4를 열고 닫는 제어 회로(10)를 통해 달성된다. 결과는 비교기(5)의 출력 신호 ltf_clk의 펄스들의 시퀀스이다. 적분 시간 동안 증폭기(2)의 출력(변조기 출력) 및 비교기(5)의 출력이 도 4에 도시된다.

적분 시간의 끝에서, 비교기의 출력에서 검출된 펄스들의 수는 비교기가 노출된 광의 강도의 측정치이다. 그러나 이 시점에서 증폭기의 출력 전압은 0과 Vref(비교기의 스위칭 전압) 사이의 일부 전압에 있을 가능성이 높다. 광 강도를 보다 정확하게 결정하기 위해 이러한 잔여 전압을 결정하는 것이 바람직하다. 따라서, 적분 시간의 끝에서 스위치 S1이 열려 포토다이오드가 증폭기에 추가 전류를 공급하는 것을 방지한다. 실질적으로 동시에 스위치 S2는 저항(11)을 통해 기준 전압에 증폭기(2)의 음의 입력을 연결하기 위해 닫힌다. 또한, 다시 실질적으로 동시에, 디지털 제어기(7)는 AZ DAC로 하여금 "인공" 전압을 생성하게 하고 이를 증폭기의 음의 입력에 인가하도록 스위치 S5를 동작시킨다. 이러한 인공 전압은 고정된 전압이다. 스위치 S2도 닫혀 전류가 저항을 통해 증폭기의 음의 입력으로 흐른다.

증폭기(2)의 음의 입력으로 현재 흐르는 전류는 변조기로 적분된다. 도 4는 적분 시간의 끝에서 모두 상태를 변경하는 스위치들 S1 및 S2의 상태들뿐만 아니라 AZ DAC에 의해 제공되는 전압의 스텝 변화도 도시한다. 증폭기 출력을 도시하는 트레이스(하단)는 포토다이오드에 의해 제공되는 전류로 인해 적분 시간이 끝나기 직전에 제1 레이트로 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 적분 시간의 끝에서 증가 레이트는 포토다이오드가 연결 해제되고 AZ DAC가 인공 전압을 인가하기 때문에 제1 레이트보다 작은 제2 레이트로 변한다. 증폭기의 출력이 vref에 도달하는 데 필요한 시간 t는 비교기 출력 ltf-clk를 모니터링함으로써 측정될 수 있다.

회로의 제1 동작 전에, 인공 전압이 적분기를 0으로부터 vref로 충전하는 데 걸리는 시간 tcal을 결정하기 위해 교정 단계가 수행된다. 따라서, 주어진 적분 기간의 끝에서 잔여 전압은 v스텝*(1-t/tcal)이다.

회로의 동작 방법이 도 5의 흐름도에 추가로 도시되어 있다.

본원에 제시된 실시예는 알려진 방법들 및 회로들에 비해 다음과 같은 이점들을 갖는다:

- 낮은 신호 카운트들에서 개선된 정확도;

- 결과적인 단점(예를 들어, 노이즈)을 갖는 매우 높은 이득의 이득 계수를 사용할 필요가 없음.

- 감소된 적분 시간을 사용할 가능성.

본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상술한 실시예에 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (7)

1. 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템으로서,
   제1 극성의 전류를 제공하기 위한 포토다이오드 출력을 갖는 포토다이오드;
   상기 전류를 수신하기 위해 상기 포토다이오드 출력에 선택적으로 커플링된 적분기 입력 및 적분된 출력 전압을 제공하기 위한 적분기 출력을 갖는 적분기;
   상기 적분기 출력에 커플링된 비교기 입력을 갖고, 상기 적분된 출력 전압을 임계 전압과 비교하여 비교기 출력에서 비교 신호를 제공하도록 구성된 비교기;
   상기 적분기 입력에 전하 패키지들을 제공하기 위해 상기 비교기 출력 및 상기 적분기에 커플링된 기준 전하 회로 － 상기 전하 패키지들은 상기 제1 극성과 반대 극성을 가짐 －;
   상기 적분기 입력에 적어도 제1 정의된 전압을 선택적으로 제공하기 위한 기준 전압 출력을 갖는 기준 전압 회로;
   상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 전류 경로를 제공하기 위해 상기 적분기 입력과 상기 기준 전압 노드 사이에 선택적으로 커플링된 저항;
   제어 유닛을 포함하며,
   상기 제어 유닛은,
   (a) 상기 포토다이오드 출력이 상기 적분기 입력에 커플링되고, 상기 저항이 상기 전류 경로를 제공하지 않는 동안 상기 기준 전압 회로가 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하지 않는 기간 동안의 적분 시간에 걸쳐 상기 적분 유닛을 동작시키고,
   (b) 상기 적분 시간의 끝에서, 상기 적분기 입력으로부터 상기 포토다이오드 출력을 연결 해제하고, 상기 비교 신호가 스위칭될 때까지, 상기 저항이 상기 전류 경로를 제공하는 동안 상기 기준 전압 회로로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 하고,
   상기 적분 시간의 상기 끝과 상기 비교 신호의 상기 스위칭 사이의 기간은 상기 적분 시간의 상기 끝에서 상기 적분기 출력의 잔여 전압을 나타내는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기준 전압 회로는 디지털-아날로그 변환기 및 상기 변환기로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 하기 위한 디지털 제어기를 포함하는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 디지털 제어기는 상기 변환기로 하여금 상기 적분 시간 동안 상기 제1 사전 정의된 전압과 상이한 오프셋 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 하는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적분기는 연산 증폭기 회로를 포함하고, 상기 디지털-아날로그 변환기는 상기 연산 증폭기 회로에 통합되는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적분 시간의 상기 끝과 상기 비교 신호의 상기 스위칭 사이의 시간 기간을 측정하기 위해 상기 비교기의 상기 출력에 커플링된 회로 또는 프로세서를 포함하는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 유닛은,
   상기 포토다이오드가 상기 적분기 입력으로부터 연결 해제된 동안 상기 적분기 입력으로 전하 패키지를 인가하고;
   상기 포토다이오드가 연결 해제된 상태로 유지되는 동안 상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 상기 저항을 커플링하고;
   상기 기준 전압 회로로 하여금 상기 제1 정의된 전압을 상기 적분기 입력에 제공하게 하고;
   상기 비교기의 상기 출력을 스위칭하는 시간을 결정하도록
   구성되고,
   상기 결정된 시간은 상기 적분 시간의 상기 끝과 상기 비교 신호의 상기 스위칭 사이의 상기 기간을 사용하여 잔여 전압을 결정하는 데 사용될 수 있는 교정(calibration) 시간을 제공하는, 광 강도를 측정하기 위한 광 센서 시스템.
7. 광 강도를 측정하는 방법으로서,
   포토다이오드로 하여금 제1 극성의 전류를 제공하게 하도록 상기 포토다이오드를 광에 노출시키는 단계;
   적분기의 입력에 상기 전류를 공급하고, 적분된 출력 전압을 제공하기 위해 적분 시간에 걸쳐 상기 전류를 적분하도록 상기 적분기를 사용하는 단계;
   비교 신호를 제공하기 위하여 상기 적분된 출력 전압을 임계 전압과 비교하는 단계;
   상기 적분 시간의 시작 전에 적분 전압을 리셋하기 위해 상기 제1 극성과 반대 극성의 전하 패키지들을 인가하는 단계;
   상기 적분 시간의 끝에서, 상기 적분기로부터 상기 포토다이오드를 연결 해제하고, 상기 비교 신호가 스위칭될 때까지, 상기 적분기 입력과 기준 전압 노드 사이에 저항을 커플링하는 동안 기준 전압을 상기 적분기 입력에 커플링하는 단계;
   상기 적분 시간의 상기 끝에서 잔여 전압의 측정치를 제공하기 위해 상기 적분 시간의 상기 끝과 상기 비교 신호의 상기 스위칭 사이의 시간을 측정하기 위해 상기 비교 신호를 모니터링하는 단계를 포함하는, 광 강도를 측정하는 방법.

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