TW202205807A - 光感測電路 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關一種光感測電路，其包含一自舉式電路以及一光感測元件，該自舉式電路之一電路增益使該光感測元件之一寄生電容所產生一等效電容值降低，以減少光感測電路之雜訊以及增加光感測電路之頻寬。

Description

光感測電路
本發明係有關一種感測電路，尤其是一種光感測電路。
隨著科技的進步，發展出許多電子裝置，以符合市場趨勢以及民眾之需求，為了增加電子裝置之功能，會在電子裝置設置光感測器，光感測器是可以感測光或是其他電磁能量的感測器，應用於環境之光源的強度，以執行對應之功能。舉例而言，光感測器可設置於智慧型手機，以在環境光源之強度不足之下，自動開啟閃光燈。現今光感測器係以採用半導體製作而成，因此，光感測器會帶有寄生電容，進而產生電路雜訊或者電路頻寬降低等問題。
基於上述之問題，本發明提供一種光感測電路，透過一自舉式電路，其可降低電路雜訊之問題或者增加電路之頻寬。
本發明之一目的，提供一種光感測電路，利用一自舉式電路之一電路增益，改善光感測元件之寄生電容之問題。
本發明之一目的，提供一種光感測電路，其包含一自舉式電路以及一光感測元件，該自舉式電路之一電路增益使該光感測元件之一寄生電容所產生一等效電容值降低，除藉以減少電路之雜訊所帶來之影響，亦或解決電路頻寬之變小問題。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：
在說明書及請求項當中使用了某些詞彙指稱特定的元件，然，所屬本發明技術領域中具有通常知識者應可理解，同一個元件可能會用不同的名詞稱呼，而且，本說明書及請求項並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在整體技術上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及請求項當中所提及的「包含」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。再者，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接一第二裝置，則代表第一裝置可直接連接第二裝置，或可透過其他裝置或其他連接手段間接地連接至第二裝置。
有鑑於習知之光感測電路因面積增加，光電二極體之寄生電容也隨之增加，但過大之寄生電容會產生更大之電路雜訊，據此，本發明提出一種光感測電路，以解決習知技術因光感測元件之寄生電容造成電路雜訊增加之問題。
首先，請參閱第一圖，其為本發明之第一實施例之光感測電路之電路圖。如圖所示，本發明之光感測電路100包含一自舉式電路10以及一光感測元件30。自舉式電路10耦接光感測元件30，光感測元件30依據一入射光L而產生一光電流I1，其中光感測元件30包含一光電轉換元件D1以及一寄生電容CPD。於本發明之一實施例中，透過自舉式電路10耦接光感測元件30，並藉由光感測元件30之光電轉換元件D1，把入射光L轉換並產生為光電流I1，且光感測元件30所產生之光電流I1大小與光感測元件30所接收之入射光L的強度成正比，亦即光感測元件30所接收之入射光L的強度越強，光感測元件30所產生之光電流I1越大，於本實施例中，光電轉換元件D1可例如為光電二極體，互補式金屬氧半導體場效電晶體(CMOS FET)或光耦合元件(CCD)，然不以此為限。
於本實施例中，光感測電路100更包含一放大器電路40，其耦接光感測元件30與接收光電流I1，並依據光感測元件30之光電流I1經過一電容Cf產生一輸出訊號VOUT ，於本發明之一實施例中，透過放大器電路40積分，其中放大器電路40包含一運算放大器OP與電容Cf，運算放大器OP具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，第一輸入端接收參考訊號VREF ，第二輸入端耦接光感測元件30之光電流I1，放大器電路40依據光電流I1與電容Cf產生累積電荷於輸出訊號VOUT ，於本實例中，放大器電路40可以轉換來自光感測元件30之光電流I1成為經由累積電荷的輸出訊號VOUT ，以提供光感測之應用，例如:近接感測(Proximity Sensing)。
復參閱第一圖以及第二圖，其為本發明之第一實施例等效電容之示意圖。於本實施例中，自舉式電路10包含一電晶體M12，具有一第一端、一第二端與一第三端，第一端耦接一電源電壓VDD ，第二端耦接光感測元件30之一端與運算放大器OP之第二輸入端，第三端耦接光感測元件30之另一端與一阻抗元件RS，於本發明之一實施例中，利用自舉式電路10作為輸入級，並藉由自舉式電路10之電晶體M12特性，使光感測元件30之寄生電容CPD所產生之一等效電容值equivalent CPD也隨之降低，例如本實施例中，自舉式電路10透過電晶體M12之第二端耦接光感測元件30之一端，以及透過電晶體M12之第三端耦接光感測元件30之另一端與阻抗元件RS，因而提供一電路增益1/Gm，其可藉由電晶體M12、阻抗元件RS與光感測元件30三者之間的連接關係，以減少光感測元件30之寄生電容CPD所產生之等效電容值equivalent CPD，上述之連接關係使寄生電容CPD之等效電容值equivalent CPD表示為如下式（一）： equivalent CPD = [CPD x (1-A)] and A = RS / [(1/Gm) + RS]　式（一） 如第一圖所示之寄生電容CPD的等效電容值equivalent CPD即參照上式（一）而等效，如第二圖所示之等效電容值equivalent CPD，舉例而言，可透過上述式（一），利用自舉式電路10之電路增益1/Gm，可有效降低光感測元件30之寄生電容CPD，例如為從100pF降低至10pF，藉以減少寄生電容CPD所產生之等效電容值equivalent CPD，達到降低光感測電路100之雜訊。
請參閱第三圖，其為本發明之第二實施例之光感測電路之電路圖。其中，第一圖與第三圖之不同在於，第一圖之電晶體M12為耦接阻抗元件RS，第三圖之電晶體M12耦接一電流鏡16，特別是耦接於一第一電晶體M14，電流鏡16包含一電流源I18、第一電晶體M14以及一第二電晶體M16，電流鏡16之第一電晶體M14的輸出阻抗等效如第一圖所示之阻抗元件RS，於本發明之一實施例中，該些個電晶體M14、M16可為金氧半場效電晶體（MOSFET）， N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）或P型金氧半場效電晶體（PMOSFET），其電流鏡16之第一電晶體M14之輸出阻抗等效於自舉式電路10之阻抗元件RS，其減少雜訊之特性如上所述，於此不在贅述。上述之電晶體M12、電流鏡16與光感測元件30之寄生電容CPD的連接關係使寄生電容CPD之等效電容值equivalent CPD表示為如下式（二）： equivalent CPD = [CPD x (1-A)] and A = Rout_M1 / [(1/Gm) + Rout_M1]　式（二） 其中，Rout_M1為電晶體M12的等效輸出電阻，因此本實施例亦是藉由電晶體M12所提供之電路增益1/Gm而減少寄生電容CPD之等效電容值equivalent CPD，因而減少光感測電路100之電路雜訊。
以上所述之實施例為應用於積分放大器電路，除此之外更可應用於轉阻放大器電路，係以將電流轉換為電壓的放大器電路。請參閱第四圖，其為本發明之第三實施例之光感測電路之電路圖。於本實施例中，放大器電路40包含運算放大器OP與一電阻Rf，運算放大器OP具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，第一輸入端接收參考訊號VREF ，第二輸入端耦接光感測元件30，以接收光電流I1，電阻Rf則耦接於運算放大器OP之第二輸入端以及輸出端之間，透過光電流I1傳輸至電阻Rf形成跨壓，並產生輸出訊號VOUT 於輸出端。
復參閱第四圖以及第五圖，其為本發明之第三實施例等效電容之示意圖。於本實施例中，亦是採用自舉式電路10，其中電晶體M12之第一端亦是耦接電源電壓VDD ，且第二端耦接光感測元件30之一端與運算放大器OP之第二輸入端，而，電晶體M12之第三端耦接光感測元件30之另一端與阻抗元件RS，於實施例中，同是利用自舉式電路10作為輸入級，而藉由自舉式電路10之電晶體M12特性，使光感測元件30之寄生電容CPD所產生之等效電容值equivalent CPD隨之降低，例如本實施例中，自舉式電路10透過電晶體M12之第二端耦接光感測元件30之一端，以及透過電晶體M12之第三端耦接光感測元件30之另一端與阻抗元件RS，因而提供一電路增益1/Gm，其可藉由電晶體M12、阻抗元件RS與光感測元件30三者之間的連接關係，以減少光感測元件30之寄生電容CPD所產生之等效電容值equivalent CPD，等效電容值equivalent CPD即如同上述式（一）所示。如第五圖所示之寄生電容CPD的等效電容值equivalent CPD即參照上式（一），本實施例為降低寄生電容CPD而相對增加轉阻放大器的頻寬，也就是利用自舉式電路10之電路增益1/Gm，可有效降低光感測元件30之寄生電容CPD，例如為從100pF降低至10pF，藉以減少寄生電容CPD所產生之等效電容值equivalent CPD，達到增加光感測電路100之頻寬。
請參閱第六圖，其為本發明之第四實施例之光感測電路之電路圖。其中，第四圖與第六圖之不同在於，第四圖之電晶體M12之第三端為耦接阻抗元件RS，第六圖之電晶體M12之第三端耦接電流鏡16，特別是耦接於第一電晶體M14之第一端，電流鏡16包含電流源I18、第一電晶體M14以及第二電晶體M16，電流鏡16之第一電晶體M14的輸出阻抗等效如第四圖所示之阻抗元件RS，其增加頻寬之特性如上所述之第四圖的實施例，於此不在贅述。
以上所述，本發明之光感測電路100為揭示光電轉換元件D1可設置於晶片內或晶片外。惟，設置於晶片外之光電轉換元件D1，因面積較大於設置於晶片之光電轉換元件D1，因此，設置於晶片外之光電轉換元件D1具有較大之電路雜訊，更可藉由本發明之自舉式電路10，設置於晶片外之光電轉換元件D1之寄生電容CPD之等效電容值equivalent CPD，進而減少光感測電路100之電路雜訊，或者改善光感測電路100之頻寬。
綜上所述，本發明之光感測電路，其包含一自舉式電路以及一光感測元件，藉由自舉式電路之一電路增益，降低光感測元件之一寄生電容值，因減少寄生電容之等效電容值，進而減少光感測電路之雜訊問題，且因本發明之光電轉換元件不限於內建式IC或者外接式IC，使得應用上更加廣泛且具有彈性，更進一步揭示不因面積較大於內建於IC之光電轉換元件，可提升光感測電路之靈敏度。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈  鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:自舉式電路 16:電流鏡 30:光感測元件 40:放大器電路 100:光感測電路 CPD:寄生電容 Cf:電容 D1:光電轉換元件 equivalent CPD:等效電容值 I1:光電流 I18:電流源 L:入射光 M12:電晶體 M14:第一電晶體 M16:第二電晶體 OP:運算放大器 RS:阻抗元件 Rf:電阻 VDD :電源電壓 VREF :參考訊號 VOUT :輸出訊號
第一圖：其為本發明之第一實施例之光感測電路之電路圖； 第二圖：其為本發明之第一實施例等效電容之示意圖； 第三圖：其為本發明之第二實施例之光感測電路之電路圖； 第四圖：其為本發明之第三實施例之光感測電路之電路圖； 第五圖：其為本發明之第三實施例等效電容之示意圖；以及 第六圖：其為本發明之第四實施例之光感測電路之電路圖。
10:自舉式電路
30:光感測元件
40:放大器電路
100:光感測電路
CPD:寄生電容
Cf:電容
D1:光電轉換元件
I1:光電流
L:入射光
M12:電晶體
OP:運算放大器
RS:阻抗元件
VDD :電源電壓
VREF :參考訊號
VOUT :輸出訊號

Claims (9)

  1. 一種光感測電路，其包含： 一自舉式電路，具有一電路增益；以及 一光感測元件，耦接該自舉式電路，依據一入射光產生一光電流，該光感測元件具有一寄生電容； 其中，該電路增益使該寄生電容所產生一等效電容值改變。
  2. 如請求項1所述之光感測電路，更包含: 一放大器電路，耦接該光感測元件，依據該光電流產生一輸出訊號。
  3. 如請求項2所述之光感測電路，其中，該放大器電路包含： 一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端接收一參考訊號，該第二輸入端接收該光電流，該輸出端產生該輸出訊號；以及 一電容，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該輸出端間。
  4. 如請求項2所述之光感測電路，其中，該放大器電路包含： 一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端接收一參考訊號，該第二輸入端接收該光電流，該輸出端產生該輸出訊號；以及 一電阻，耦接於該運算放大器之該第二輸入端與該輸出端間。
  5. 如請求項2所述之光感測電路，其中，該自舉式電路包含一電晶體，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端耦接一電源電壓，該第二端耦接該光感測元件之一端與該放大器電路，該第三端耦接該光感測元件之另一端、一阻抗元件與一接地端。
  6. 如請求項5所述之光感測電路，其中，該阻抗元件等效於一電流鏡之複數個電晶體的一輸出阻抗。
  7. 如請求項1所述之光感測電路，其中，該自舉式電路包含一電晶體，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端耦接該電源電壓，該第二端耦接該光感測元件之一端，該第三端耦接該光感測元件之另一端、一阻抗元件與一接地端。
  8. 如請求項7所述之光感測電路，其中，該阻抗元件等效於一電流鏡之複數個電晶體的一輸出阻抗。
  9. 如請求項1所述之光感測電路，其中該光感測元件包含一光電轉換元件，該光電轉換元件可設置於一晶片內或該晶片外。
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