TW202143635A - 檢測電路和用於放大光電感測器輸出電流的方法 - Google Patents

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Abstract

一種檢測電路，該檢測電路可包括：(i)光電感測器，該光電感測器被配置為將光轉換為電流；其中該光電感測器具有輸出節點並被配置為作為電流源操作；(ii)加法器；以及(iii)多個放大分支，該多個放大分支並聯地耦接在該加法器與該光電感測器的該輸出節點之間。該多個放大分支不共用回饋電路，其中該多個放大分支中的所有放大分支包括同一類型的放大器，其中該類型從跨阻放大器和電流放大器中選出。

Description

檢測電路和用於放大光電感測器輸出電流的方法
本揭示內容係關於檢測電路和用於放大光電感測器輸出電流的方法。
本申請要求2019年12月12日提交的US 16/712,475的優先權。該申請的揭示內容出於所有目的藉由引用以其整體併入本文。
當作為電流源操作時，光電感測器被配置為將光轉換為光電感測器輸出電流。
光電感測器輸出電流可能是相對弱的，並且應被放大並轉換為電壓信號。
放大可能要求使用多個放大器。
使用包括共用同一回饋電路的光電感測器和並聯地耦接的跨阻放大器的檢測電路已經表明是不實際的，因為在跨阻放大器之間即使有略微的不匹配也會導致感測模組輸出不反映光電感測器輸出信號的輸出電流。
使用包括光電感測器和並聯地耦接的電壓放大器的檢測電路已經表明由於電壓放大器的非常高的輸入電阻而具有非常窄的頻寬。使用具有減小的輸入電阻的電壓放大器降低了電壓放大器的雜訊性能。
越來越需要提供即使在放大器之間存在不匹配也能正常地操作的穩健檢測電路。
可提供檢測電路和用於放大光電感測器輸出電流的方法。
在以下詳細描述中，闡述了許多具體細節，以便提供對本揭示內容的實施例的透徹理解。
然而，本領域的技術人員將理解，本揭示內容的當前實施例可在沒有這些具體細節的情況下進行實踐。在其他情況下，並未詳細地描述所熟知的方法、過程和部件，以免模糊本揭示內容的當前實施例。
在本說明書的結論部分中特別地指出並明確地要求保護被視為本揭示內容的實施例的主題。然而，就組織和操作方法兩者而言，本揭示內容的實施例連同其目標、特徵和優點可在閱讀附圖時參考以下詳細描述來最佳地理解。
將會理解，為了簡潔地且清楚地說明，附圖中示出的要素不一定按比例繪製。例如，為了清楚起見，一些要素的尺寸可相對於其他要素被誇大。另外，在認為適當時，附圖標記在附圖間可重複以指示對應或相似要素。
因為本揭示內容的所說明的實施例大部分都可使用本領域的技術人員已知的電子部件和電路來實現，所以，為了理解和瞭解本揭示內容的當前實施例的基礎概念並為了避免本揭示內容的當前實施例的教導的混亂或歧義，除了如上所示的被認為必要的解釋之外，將不對細節進行任何更大程度上的解釋。
在本說明書中對方法的任何引用都應加以必要變更以應用於能夠執行該方法的系統並都應加以必要變更以應用於非暫態的並存儲用於執行該方法的指令的電腦可讀媒體。
在本說明書中對系統的任何引用都應加以必要變更以應用於可由系統執行的方法並都應加以必要變更以應用於非暫態的並存儲可由系統執行的指令的電腦可讀媒體。
在本說明書中對非暫態電腦可讀媒體的任何引用都應加以必要變更以應用於當執行存儲在電腦可讀媒體中的指令時可應用的方法並都應加以必要變更以應用於被配置為執行存儲在電腦可讀媒體中的指令的系統。
術語「和/或」意味著附加地或替代地。
提供了一種檢測電路，該檢測電路包括：光電感測器，該光電感測器被配置為將光轉換為電流；加法器；以及多個放大分支，該多個放大分支不共用公共回饋電路。
缺少公共回饋電路實質上將放大分支彼此隔離，並且即使在放大分支的放大器之間存在不匹配也會允許檢測電路正確地操作。
每個放大分支可包括跨阻放大器，該跨阻放大器包括運算放大器和回饋電路。
光電感測器的輸出電流在放大分支之間分流。每個放大器將光電感測器輸出電流的一小部分轉換為放大分支輸出信號。
當放大器是電流放大器時，則放大分支輸出信號是放大分支輸出電流。在這種情況下，加法器是電流加法器。
當放大器是跨阻放大器時，則放大分支輸出信號是放大分支輸出電壓。在這種情況下，加法器是電壓加法器。
不同放大分支的放大器是同一類型。例如，所有放大器可為電流放大器。替代地，所有放大器可為跨阻放大器。
圖1示出了檢測電路4的示例。
檢測電路4可包括並聯地耦接到多個(N個)放大分支9(1)至9(N)的光電感測器5。N是超過1的正整數。
光電感測器5的輸出節點5(1)並聯地耦接到多個放大分支9(1)至9(N)的輸入。
光電感測器被配置為作為電流源操作。
光電感測器5輸出在多個放大分支之間分流的光電感測器輸出電流6，如由饋送到第一放大分支9(1)至第N放大分支9(N)的輸入電流6(1)至6(N)所示。
在圖1中，多個放大分支包括由運算放大器10(1)至10(N)及其回饋電路形成的跨阻放大器，每個放大分支有一個回饋電路。
第一放大分支9(1)包括第一跨阻放大器，該第一跨阻放大器包括第一回饋電路和第一運算放大器10(1)。第一運算放大器10(1)具有：(i)可實際上接地並適於接收第一輸入電流6(1)的第一輸入11(1)；(ii)接地的第二輸入12(1)；(iii)輸出17(1)；以及(iv)用於從第一正電源13(1)和第一負電源14(1)接收電源電壓的兩個埠。
第一回饋電路由彼此並聯地耦接並耦接在第一運算放大器10(1)的第一輸入11(1)與輸出17(1)之間的第一回饋電阻器15(1)和第一回饋電容器16(1)來表示。
第一放大分支9(1)輸出被饋送到加法器30的第一輸出電壓20(1)。
第N放大分支9(N)包括第N跨阻放大器，該第N跨阻放大器包括第N回饋電路和第N運算放大器10(N)。第N運算放大器10(N)具有：(i)實際上接地並適於接收第N輸入電流6(N)的第一輸入11(N)；(ii)接地的第二輸入12(N)；(iii)輸出17(N)；以及(iv)用於從第N正電源13(N)和第N負電源14(N)接收電源電壓的兩個埠。
第N回饋電路由彼此並聯地耦接並耦接在第N運算放大器10(N)的第一輸入11(N)與輸出17(N)之間的第N回饋電阻器15(N)和第N回饋電容器16(N)來表示。
第N放大分支9(N)輸出被饋送到加法器30的第N輸出電壓20(N)。
所有多個放大分支可具有相同配置。
回饋電路中的每一者可包括電阻器和電容器，或者可由電阻器和電容器組成。
回饋電路可包括處於不同互連中的其他部件，其目的是提供跨阻放大器的所需性能和穩定操作。例如，在不同互連方案中，回饋電路可包括很少的電阻器和很少的電容器。
跨阻放大器中的每一者的輸出可僅藉由導體或使用導體和至少一個其他電子部件來連接到加法器的輸入(然後加法器的輸入連接到加法器的電阻器)。
加法器30被配置為將第一輸出電壓至第N輸出電壓相加(或應用加權和)，以提供檢測電路輸出信號V輸出22。
加法器30還可放大作為(來自多個放大分支的)N個輸出電壓的和的信號，以提供檢測電路輸出信號V輸出22。
圖2示出了加法器30的兩個示例。
加法器30的第一示例包括多個(N個)電阻器31(1)至31(N)，這些電阻器的輸出彼此並聯地耦接。每個電阻器都有用於接收唯一放大分支的輸出電壓的輸入。例如，第一電阻器31(1)接收第一輸出電壓20(1)，並且第N電阻器30(N)接收第N輸出電壓20(N)。
多個電阻器31(1)至31(N)的輸出彼此連接並輸出輸出電壓22。當多個電阻器彼此相等時，則輸出電壓是第一輸出電壓到第N輸出電壓的平均值。電阻器的值的差可提供輸出信號，該輸出信號是加權和。
加法器30的第二示例包括多個電阻器31(1)至31(N)，這些電阻器的輸出彼此並聯地耦接。多個電阻器的輸出連接到輸出放大器，諸如包括回饋電路和運算放大器32的跨阻放大器。運算放大器32可耦接到包括回饋電阻器(Rf)35的回饋電路。
運算放大器32具有：(i)實際上接地並適於接收從多個電阻器31(1)至31(N)輸出的電流的和的第一輸入32(1)；(ii)接地的第二輸入32(2)；(iii)輸出32(3)；以及(iv)用於從正電源34和負電源33接收電源電壓的兩個埠。
第一輸入32(1)實際上接地改進在放大分支之間的隔離。
假設索引n，n在1至N之間。第n分支的輸出電壓表示為Vb(n)。例如，Vb(1)是第一輸出電壓20(1)。第N分支的電阻器表示為Rb(n)。例如，Rb(N)是第N電阻器31(N)。回饋電阻器35表示為Rf。
在圖2的配置中，輸出電壓V輸出22等於Vb(n)*Rf/Rb(n)的和，其中n在1至N之間。
圖3示出了檢測電路3的示例。
檢測電路3可包括並聯地耦接到多個(N個)放大分支8(1)至8(N)的光電感測器5。N是超過1的正整數。尤其是，光電感測器5的輸出節點5(1)並聯地耦接到多個放大分支8(1)至8(N)的輸入。
光電感測器被配置為作為電流源操作。
光電感測器5輸出在多個放大分支之間分流的光電感測器輸出電流6，如由饋送到第一放大分支8(1)至第N放大分支8(N)的輸入電流6(1)至6(N)所示。
在圖3中，多個放大分支包括電流放大器40(1)至40(N)，並且沒有回饋電路。
第一放大分支8(1)包括第一電流放大器40(1)，該第一電流放大器40(1)具有：(i)第一輸入41(1)，該第一輸入41(1)具有低輸入阻抗，適於接收第一輸入電流6(1)；(ii)輸出47(1)；以及(iii)兩個埠，該兩個埠用於從第一正電源43(1)和第一負電源44(1)接收電源電壓。第一電流放大器40(1)還可包括第二輸入42(1)。
第一電流放大器40(1)輸出被饋送到加法器60的第一輸出電流50(1)。加法器60可包括：(a)耦接到所有放大分支的輸出的輸出節點61；以及(ii)負載電阻器62。
第N放大分支8(N)包括第N電流放大器40(N)，該第N電流放大器具有：(i)第一輸入41(N)，該第一輸入41(N)具有低輸入阻抗，適於接收第N輸入電流6(N)；(ii)輸出47(N)；以及(iii)兩個埠，該兩個埠用於從第N正電源43(N)和第N負電源44(N)接收電源電壓。第N電流放大器40(N)還可包括第二輸入42(N)。
第N電流放大器40(N)輸出被饋送到加法器60的第N輸出電流50(N)。
在圖3中，加法器60包括：(a)放大分支的所有輸出都連接到的節點61；以及(b)被配置為將所有放大分支的所有輸出電流的和52轉換為輸出電壓V輸出22的負載電阻器62。
應注意，光電感測器可被包括在檢測電路中。替代地，檢測電路可不包括光電感測器，而僅耦接到光電感測器。
圖4是用於放大光電感測器輸出電流的方法100的示例。
方法100可由說明書中示出的檢測電路中的任一者執行。
方法100可從接收或產生光電感測器輸出電流的步驟110開始。該產生可包括藉由作為電流源操作的光電感測器將光轉換成電流。由光電感測器輸出的電流是光電感測器輸出電流。
在步驟110之後可為使光電感測器輸出電流在多個放大分支之間分流的步驟120。該分流涉及向多個放大分支中的每一者提供輸入電流，該輸入電流是光電感測器輸出電流的一小部分。
多個放大分支並聯地耦接在加法器與光電感測器的輸出節點之間。
多個放大分支中的放大分支不共用回饋電路。
多個放大分支中的所有放大分支包括同一類型的放大器，其中該類型是跨阻放大器或電流放大器。
在步驟120之後可為藉由多個放大分支來放大輸入電流以提供多個放大分支輸出信號的步驟130。
在步驟130之後可為處理多個放大分支輸出信號以提供檢測電路的輸出電壓的步驟140。
該處理可為添加放大分支輸出信號，可包括執行諸如放大等的另一個操作。
在前述說明中，已經參考本揭示內容的實施例的具體示例來描述本揭示內容的實施例。然而，顯而易見的是，可在其中做出各種修改和改變，而不脫離如在所附申請專利範圍中闡述的本揭示內容的實施例的更廣泛的精神和範圍。
此外，說明書和申請專利範圍中的術語「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「在……上方」、「在……下方」等(若有的話)是用於描述性目的而不一定用於描述永久相對位置。應理解，如此使用的術語在適當情況下是可互換的，使得本文中所述的本揭示內容的實施例例如能夠以除了本文中說明或以其他方式描述的取向之外的其他取向進行操作。
如在本文中討論的連接可為適於例如經由中間裝置從相應節點、單元或裝置、或向相應節點、單元或裝置傳送信號的任何類型的連接。因此，除非另外地暗示或陳述，否則該等連接可以是例如直接連接或間接連接。可參考作為單個連接、複數個連接、單向連接或雙向連接來說明或描述該等連接。然而，不同實施例可改變該等連接的實現方式。例如，可使用分開的單向連接而不是雙向連接，反之亦然。而且，複數個連接可用串列地或以時間多工的方式傳送多個信號的單個連接來替代。同樣，承載多個信號的單個連接可被分離成承載這些信號的子集的各種不同連接。因此，存在用於傳送信號的許多選項。
實現相同功能的部件的任何佈置有效地「關聯」，使得實現所期望的功能。因此，在本文中組合以實現特定功能的任何兩個部件都可被認為是彼此「關聯」，使得實現所期望的功能，而不管架構或中間部件如何。同樣，如此關聯的任何兩個部件也可被認為是彼此「可操作地連接」或「可操作地耦接」以實現所期望的功能。
此外，本領域的技術人員將認識到，在上述操作之間的邊界僅是說明性的。多個操作可組合成單個操作，單個操作可分佈在附加操作中，並且操作可在時間上至少部分地重疊地執行。此外，替代的實施例可包括特定操作的多個實例，並且在各種其他實施例中，操作次序可被更改。
而且，例如，在一個實施例中，所說明的示例可實現為位於單個積體電路上或同一裝置內的電路系統。替代地，示例可實現為以合適的方式彼此互連的任何數量的單獨的積體電路或單獨的裝置。
然而，其他修改、變化和替代也是可能的。因此，本說明書和附圖被認為是說明性意義而非限制性意義的。
在申請專利範圍中，放置在括弧中的任何附圖標記都不應被理解為限制請求項。字詞「包括」不排除請求項中列出的那些之外的其他要素或步驟的存在。此外，如在本文中所使用的，術語「一個（a）」或「一個（an）」被限定為一個或多於一個。另外，在請求項中使用的諸如「至少一個」和「一個或多個」之類的引入短語不應被理解為暗示由不定冠詞「一個（a）」或「一個（an）」引入的另一個請求項要素將包含此類所引入的請求項要素的任何特定請求項限制為僅包含一個此類要素的本揭示內容的實施例，即使在相同請求項包括引入短語「一個或多個」或「至少一個」和諸如「一個（a）」或「一個（an）」之類的不定冠詞時也是如此。對於定冠詞的使用來說，也是如此。除非另外說明，否則諸如「第一」和「第二」之類的術語用於任意地區分此類術語所描述的要素。因此，這些術語不一定旨在指示此類要素的時間或其他優先次序。在互不相同的請求項中陳述某些措施這一事實不指示無法有利地使用這些措施的組合。
儘管在本文中已經說明和描述了本揭示內容的實施例的某些特徵，但本領域的普通技術人員現在將想到許多修改、替換、改變和等同物。因此，將理解，所附申請專利範圍旨在涵蓋落入本揭示內容的實施例的真實精神內的所有此類修改和改變。
3:檢測電路 4:檢測電路 5:光電感測器 5(1):輸出節點 6:光電感測器輸出電流 6(1):第一輸入電流 6(N):第N輸入電流 8(1):第一放大分支 8(N):第N放大分支 9(1):放大分支 9(N):第N放大分支 10(1):第一運算放大器 10(N):第N運算放大器 11(1):第一輸入 11(N):第一輸入 12(1):第二輸入 13(1):第一正電源 13(N):第N正電源 14(1):第一負電源 14(N):第N負電源 15(1):第一回饋電阻器 15(N):第N回饋電阻器 16(1):第一回饋電容器 16(N):第N回饋電容器 17(1):輸出 17(N):輸出 20(1):第一輸出電壓 20(N):第N輸出電壓 30:加法器 31(1):第一電阻器 31(N):第N電阻器 32:運算放大器 32(1):第一輸入 32(2):第二輸入 32(3):輸出 33:負電源 34:正電源 35:回饋電阻器 40(1):第一電流放大器 40(N):第N電流放大器 41(1):第一輸入 41(N):第一輸入 42(1):第二輸入 42(N):第二輸入 43(1):第一正電源 43(N):第N正電源 44(1):第一負電源 44(N):第N負電源 47(1):輸出 47(N):輸出 50(1):第一輸出電流 50(N):第N輸出電流 52:所有輸出電流的和 60:加法器 61:輸出節點 62:負載電阻器 100:方法 110:步驟 120:步驟 130:步驟 140:步驟
在本說明書的結論部分中特別地指出並明確地要求保護被視為本揭示內容的實施例的主題。然而，就組織和操作方法兩者而言，本揭示內容的實施例連同其目標、特徵和優點可在閱讀附圖時參考以下詳細描述來最佳地理解，在附圖中：
圖1示出了檢測電路的示例；
圖2示出了檢測電路的示例；
圖3示出了檢測電路的示例；以及
圖4示出了方法的示例。
4:檢測電路
5:光電感測器
5(1):輸出節點
6:光電感測器輸出電流
6(1):第一輸入電流
6(N):第N輸入電流
9(1):放大分支
9(N):第N放大分支
10(1):第一運算放大器
10(N):第N運算放大器
11(1):第一輸入
11(N):第一輸入
12(1):第二輸入
13(1):第一正電源
13(N):第N正電源
14(1):第一負電源
14(N):第N負電源
15(1):第一回饋電阻器
15(N):第N回饋電阻器
16(1):第一回饋電容器
16(N):第N回饋電容器
17(1):輸出
17(N):輸出
20(1):第一輸出電壓
20(N):第N輸出電壓
30:加法器

Claims (16)

  1. 一種檢測電路，包括： 一光電感測器，該光電感測器被配置為將光轉換為一光電感測器輸出電流，其中該光電感測器具有一輸出節點並被配置為作為一電流源操作； 一加法器；以及 多個放大分支，該多個放大分支並聯地耦接在該加法器與該光電感測器的該輸出節點之間，並且被配置為放大該光電感測器輸出電流的一小部分，其中該多個放大分支不共用一回饋電路，其中該多個放大分支的所有放大分支包括同一類型的一放大器，其中該類型從一跨阻放大器和一電流放大器中選出。
  2. 如請求項1所述的檢測電路，其中該放大器是一跨阻放大器，該跨阻放大器包括一運算放大器和一回饋電路。
  3. 如請求項2所述的檢測電路，其中該加法器包括串聯地耦接到該多個放大分支的多個電阻器。
  4. 如請求項3所述的檢測電路，其中該多個電阻器的輸出在該電流加法器的一某個節點處彼此耦接。
  5. 如請求項3所述的檢測電路，其中該某個節點是該加法器的一輸出節點。
  6. 如請求項3所述的檢測電路，其中該某個節點實際上是接地的。
  7. 如請求項3所述的檢測電路，其中該加法器包括一輸出放大器，其中該輸出放大器的一第一輸入耦接到該某個節點。
  8. 如請求項7所述的檢測電路，其中該輸出放大器是耦接到一回饋電路的一放大器。
  9. 如請求項7所述的檢測電路，其中該輸出放大器的該第一輸入實際上是接地的。
  10. 如請求項1所述的檢測電路，其中該多個放大分支具有一相同輸入阻抗。
  11. 如請求項1至10中任一項所述的檢測電路，其中至少一個放大分支包括耦接到該放大分支的該放大器的一回饋電路。
  12. 如請求項11所述的檢測電路，其中該回饋電路由一電阻器和一電容器組成，該電阻器和該電容器耦接在該放大器的一輸出埠與該放大器的一第一輸入之間。
  13. 如請求項11所述的檢測電路，其中該放大器的一輸出埠僅經由一導體連接到該加法器的一輸入，其中該加法器的輸入耦接到該加法器的一電阻器。
  14. 如請求項13所述的檢測電路，其中該放大器是一跨阻放大器，並且其中該加法器對於每個放大分支具有一唯一電阻器。
  15. 如請求項1至10中任一項所述的檢測電路，其中該放大器是一電流放大器，並且其中該電流放大器的輸出埠在該檢測電路的一輸出節點和一負載電阻器處彼此連接。
  16. 一種用於放大一光電感測器輸出電流的方法，該方法包括以下步驟： 接收或產生一光電感測器輸出電流； 使該光電感測器輸出電流在多個放大分支之間分流以提供多個輸入電流，其中：該多個放大分支並聯地耦接在一加法器與提供該光電感測器輸出電流的該光電感測器的一輸出節點之間，該多個放大分支不共用一回饋電路，並且該多個放大分支中的所有放大分支包括同一類型的一放大器，其中該類型從一跨阻放大器和一電流放大器中選出； 藉由該多個放大分支來放大該多個輸入電流以提供多個放大分支輸出信號；以及 處理該多個放大分支輸出信號以提供該檢測電路的一輸出電壓。
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