TW202215790A - 高線性度數位調控的光感測器和方法 - Google Patents

高線性度數位調控的光感測器和方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種高線性度數位調控的光感測器。光電元件將照射通過光電元件的光能轉換為光電流，接著流入電流鏡，以一增益放大後以形成充電電流，以對電容進行充電。比較器多次將電容的電壓與參考電壓進行比較，以產生比較訊號。計數器依據增益以決定一數位取值範圍，以讀取比較訊號在數位取值範圍內的多個位元值進行計數以輸出計數訊號。雜訊消除處理器依據增益縮減數位取值範圍，以移除計數訊號的多個位元值中的部分位元值，依據其餘保留的多個位元值以輸出感測訊號。

Description

高線性度數位調控的光感測器和方法
本發明涉及一種光感測器，特別是涉及一種高線性度數位調控的光感測器和方法。
隨著光感測技術的進步，逐漸發展出各種具有不同功能的光感測器例如環境光感測器，已廣泛應用於筆記本電腦、平板電腦及智能型手機等可攜帶式電子裝置。然而，現有光感測器為類比調控電流放大，特別是在感測電流大及電流倍數大時，會因感測電路架構本身的特性，導致設定電流倍數與感測值倍數不成比例。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種高線性度數位調控的光感測器，其包含光電元件、電流鏡、電容、比較器以及數位訊號處理器。光電元件配置以將照射通過光電元件的光能轉換為光電流。電流鏡連接光電元件以及電容的第一端。電流鏡配置以將流入電流鏡的光電流以增益放大，以形成充電電流，對電容進行充電。比較器的兩輸入端分別連接電容的第一端以及耦接參考電壓。比較器配置以多次將電容的電壓與參考電壓進行比較，以產生比較訊號。數位訊號處理器包含計數器以及雜訊消除處理器。計數器連接比較器。計數器配置以依據增益以決定一數位取值範圍，以讀取比較訊號在數位取值範圍內的多個位元值進行計數以輸出計數訊號。雜訊消除處理器連接計數器。雜訊消除處理器配置以依據增益縮減數位取值範圍，以移除計數訊號的多個位元值中的最低有效位元值，依據其餘保留的多個位元值以輸出感測訊號。
在一實施方案中，雜訊消除處理器配置以依據光電元件感測光的敏感度，以決定移除計數訊號的位元值的數量。
在一實施方案中，雜訊消除處理器配置以移除計數訊號的最低有效位元值的前一或多個位元值。
在一實施方案中，計數器配置以在不同預定時間區間內分別產生不同的多個子計數訊號，將多個子計數訊號平均以產生計數訊號。
在一實施方案中，計數器配置以在不同預定時間區間內分別產生多個計數訊號，雜訊消除處理器判斷多個計數訊號中哪些位元的位元序相同但位元值不同，作為後續產生計數訊號時移除哪一個或哪些位元值的依據。
另外，本發明提供一種高線性度數位調控方法，包含以下步驟：將照射通過光電元件的光能轉換為光電流；將光電流以一增益放大以形成一充電電流，對電容進行充電；多次將電容的電壓與參考電壓進行比較，以產生比較訊號；依據增益以決定一數位取值範圍；讀取比較訊號在數位取值範圍內的多個位元值進行計數，以輸出計數訊號；以及移除計數訊號的多個位元值中的最低有效位元值，依據其餘保留的多個位元值以輸出感測訊號。
在一實施方案中，所述高線性度數位調控方法更包含以下步驟：依據光電元件感測光的敏感度，以決定移除計數訊號的位元值的數量。
在一實施方案中，所述高線性度數位調控方法更包含以下步驟：移除計數訊號的最低有效位元值的前一或多個位元值。
在一實施方案中，所述高線性度數位調控方法更包含以下步驟：在不同預定時間區間內分別產生不同的多個子計數訊號；以及將多個子計數訊號平均以產生計數訊號。
在一實施方案中，所述高線性度數位調控方法更包含以下步驟：在不同預定時間區間內分別產生多個計數訊號；以及判斷多個計數訊號中哪些位元的位元序相同但位元值不同，作為後續產生計數訊號時移除哪一個或哪些位元值的依據。
如上所述，本發明提供一種高線性度數位調控的光感測器及方法，其具有以下主要特點： 1.     藉由數位演算法，進行消除光的不穩定造成的干擾及本身些微的電路雜訊，降低類比電路設計上的困難，並有效提高感測值之線性度與符合設定值之倍數比例； 2.     類比電路僅需提供一固定之最大電流，將其盡量設計於線性區內，藉由數位的取值範圍，可有效提高感測線性度，並達到感測值倍數與電流設定倍數成比例； 3.     為了減少光的不穩定及電路之雜訊所引起的數據誤差，藉由數位取值範圍的調整，甚至再加上平均的方式，可在犧牲些微反應時間下，提高感測數據訊雜比； 4.     藉由數位電路的演算法，也可有效降低外在環境及電路雜訊所造成的數據誤差。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1，其為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的電路佈局圖。
本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器可包含光電元件PD、電流鏡MR、電容C、比較器CMP以及數位訊號處理器DSPA。
光電元件PD連接電流鏡MR的輸入端，而電容C連接電流鏡MR的輸出端。詳言之，電流鏡MR包含第一電晶體T1以及第二電晶體T2。第一電晶體T1的第一端以及第二電晶體T2的第一端連接一共用電源(圖未示)。光電元件PD的第一端例如正極端接地，而光電元件PD的第二端例如負極端連接電流鏡MR的第一電晶體T1的第二端。第一電晶體T1的控制端連接第一電晶體T1的第二端以及第二電晶體T2的控制端。第二電晶體T2的第二端連接電容C的第一端。電容C的第二端接地。
光電元件PD將照射通過光電元件PD的光能轉換為光電流，接著光電流流入光電流。電流鏡MR將流入的光電流以一固定增益放大以形成一充電電流Ic流至電容C，以對電容C充電。
比較器CMP的第一輸入端例如非反相輸入端連接電容C的第一端，而比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端耦接參考電壓Vref。比較器CMP的輸出端連接數位訊號處理器DSPA以及開關元件SW的控制端。開關元件SW的第一端連接比較器CMP的第一輸入端例如非反相輸入端。開關元件SW的第二端接地。
比較器CMP配置以多次將第一輸入端的電壓(即電容C的電壓Va)與比較器CMP的第二輸入端的電壓(即參考電壓Vref)進行比較，以輸出比較訊號CMPO至數位訊號處理器DSPA。值得注意的是，數位訊號處理器DSPA配置以依據比較器CMP輸出的比較訊號CMP進行計數作業，並在計數作業後進行雜訊消除作業。
在每次執行完計數後，比較器CMP輸出的比較訊號CMPO，控制開關元件SW開啟，通過開關元件SW將比較器CMP的第一輸入端拉接至地，以將比較器CMP的第一輸入端拉降為零值，以完成重置作業。
請參閱圖2、圖3A~圖3E、圖4和圖5，其中圖2為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的不同增益下的計數次數對光通量的曲線圖；圖3A~圖3E分別為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍時的數位取值範圍的示意圖；圖4為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的不同增益下的計數值對光通量的曲線圖。
如圖2所示，數位訊號處理器DSPA包含計數器CNT以及雜訊消除處理器NES。計數器CNT連接雜訊消除處理器NES的輸入端以及如圖1所示的比較器CMP的輸出端。
計數器CNT配置以接收比較器CMP輸出的比較訊號CMPO，接著依據充電電流Ic的增益放大倍數以決定一數位取值範圍，以讀取比較訊號CMPO在此數位取值範圍內的多個位元值，以進行計數，依據計數結果輸出計數訊號CS至雜訊消除處理器NES。
舉例而言，如圖3A~圖3E所示，計數器CNT設計為最多可讀取20bits。如圖3A~圖3E和圖4所示，計數器CNT實際上僅讀取16 bits的數值，但在不同增益下，數位取值範圍不同。詳言之，如圖3A和圖4所示，在增益為1倍時，計數器CNT讀取數位取值範圍內的位元B4~B19的數值。如圖3B和圖4所示，在增益為2倍時，計數器CNT讀取數位取值範圍內的位元B3~B18的數值。如圖3C和圖4所示，在增益為4倍時，計數器CNT讀取數位取值範圍內的位元B2~B17的數值。如圖3D和圖4所示，在增益為8倍時，計數器CNT讀取數位取值範圍內的位元B1~B16的數值。如圖3E和圖4所示，在增益為16倍時，計數器CNT讀取數位取值範圍內的位元B0~B15的數值。根據上述，在不同增益下，計數器CNT的數位取值範圍不同。
請一併參閱圖1~圖6，其中圖5為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的計數次數對光通量的曲線圖；圖6為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的計數值對量測時間的長條圖。
如圖4和圖5所示，在不同增益下，計數器CNT計數的數值在不同增益放大倍數下的實際曲線PR、G1、G2、G4、G8、G16呈非線性，如圖4所示的與理想曲線IL有些誤差，即感測倍數與電流倍數並非呈固定比例。
計數器CNT可執行多次計數作業，在每次計數作業中，計數器CNT計數出一組位元值。舉例而言，在每次計數作業中，計數器CNT依據比較訊號CMPO以計數到如圖6所示的10個位元值。
在多次計數作業中，分別產生多組位元值，以如圖6所示的長條圖中分別產生多個長條N1~N8表示，其中多組位元值之間僅有前8個位元值(即00010110)完全相同，而最低有效位元值與其前一個位元序的位元值浮動。應理解，依據計數器的設計、電流增益放大倍數、計數器計數的位元值的數量、受干擾的雜訊大小不同等因素，所造成的浮動的位元數可能有所不同。
因此，如圖2所示的雜訊消除處理器NES配置以移除計數訊號CS的多個位元值中部分的位元值，其中至少移除計數訊號CS的多個位元值中的最低有效位元值，依據其餘保留的多個位元值以輸出感測訊號NS。
換言之，雜訊消除處理器NES縮減數值取值範圍，以減少讀取的位元數，僅保留多次計數作業中不會浮動的多個位元值以輸出感測訊號NS。如此，每次雜訊消除處理器NES輸出的感測訊號NS的多個位元值皆為相同，例如每次雜訊消除處理器NES皆輸出圖6所示的長條圖的長條R1~R8代表的8個位元值00010110。
實務上，計數器CNT可在不同預定時間區間內分別產生多個計數訊號CS，雜訊消除處理器NES判斷多個計數訊號CS中哪些位元的位元序相同但位元值不同，例如上述計數訊號CS中的最低有效位元值與其前一個位元序的位元值不同，作為後續產生計數訊號CS時移除哪一個或哪些位元值的依據。若有需要，可將多個計數訊號CS的數值平均，接著與其他多個計數訊號的平均值進行比較，據以判斷有哪些位元的位元序相同但位元值不同。
又或者，在每次執行計數作業之後，雜訊消除處理器NES可依據採用的光感測器的光電元件PD感測光的敏感度，以決定移除計數訊號CS的位元值的數量。
請一併參閱圖1~圖7，其中圖7為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的數位取值範圍在不同增益下平均恆移的示意圖。
如圖2所示的計數器CNT可如圖7所示設計為可讀取的最大位元數為23bits，但計數器CNT取值的位元數為15bits。在最大電流增益(Gain)時，計數器CNT的數位取值範圍為位元B[0]~B[15]。計數器CNT的數位取值範圍可為位元B[1]~B[16]，即不取位元B[0]的位元值，等效於將最大電流增益除以2。計數器CNT的數位取值範圍可為位元B[2]~B[17]，等效於將最大電流增益除以4。同理，計數器CNT的數位取值範圍分別為B[3]~B[18]、位元B[4]~B[19]、位元B[5]~B[20]、位元B[6]~B[21] 、B[7]~B[22]時，分別等效於將最大電流增益除以8、16、32、64、128。據此，計數器CNT的數位取值範圍平均地橫移，等效於將比較器CMP輸出的位元值除以增益倍數，藉以消除雜訊，使得感測值倍數與電流設定倍數成比例，最後取得正確的感測數據。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的高線性度數位調控的光感測器及其方法，其具有以下主要特點： 1.     藉由數位演算法，進行消除光的不穩定造成的干擾及本身些微的電路雜訊，降低類比電路設計上的困難，並有效提高感測值之線性度與符合設定值之倍數比例； 2.     類比電路僅需提供一固定之最大電流，將其盡量設計於線性區內，藉由數位的取值範圍，可有效提高感測線性度，並達到感測值倍數與電流設定倍數成比例； 3.     為了減少光的不穩定及電路之雜訊所引起的數據誤差，藉由數位取值範圍的調整，甚至再加上平均的方式，可在犧牲些微反應時間下，提高感測數據訊雜比； 4.     藉由數位電路的演算法，也可有效降低外在環境及電路雜訊所造成的數據誤差。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
DSPA:數位訊號處理器 NS:感測訊號 CMP:比較器 CMPO:比較訊號 Va:電壓 Vref:參考電壓 SW:開關元件 C:電容 Ic:充電電流 MR:電流鏡 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 PD:光電元件 CNT:計數器 CS:計數訊號 NES:雜訊消除處理器 B0~B19、B[0]~B[22]:位元 Data:數據 Gain:增益 IL:理想曲線 PR、G1、G2、G4、G8、G16:實際曲線 N1~N8、R1~R8:長條
圖1為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的電路佈局圖。
圖2為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的數位訊號處理器的方塊圖。
圖3A為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為1倍時的數位取值範圍的示意圖。
圖3B為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為2倍時的數位取值範圍的示意圖。
圖3C為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為4倍時的數位取值範圍的示意圖。
圖3D為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為8倍時的數位取值範圍的示意圖。
圖3E為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器設計為最多可讀取20bits且在增益為16倍時的數位取值範圍的示意圖。
圖4為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的不同增益下的計數值對光通量的曲線圖。
圖5為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的計數次數對光通量的曲線圖。
圖6為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的計數值對量測時間的長條圖。
圖7為本發明實施例的高線性度數位調控的光感測器的數位取值範圍在不同增益下平均恆移的示意圖。
DSPA:數位訊號處理器
NS:感測訊號
CMP:比較器
CMPO:比較訊號
Va:電壓
Vref:參考電壓
SW:開關元件
C:電容
Ic:充電電流
MR:電流鏡
T1:第一電晶體
T2:第二電晶體
PD:光電元件

Claims (10)

  1. 一種高線性度數位調控的光感測器，包含： 一光電元件，配置以將照射通過該光電元件的光能轉換為一光電流； 一電流鏡，連接該光電元件，該電流鏡配置以將流入該電流鏡的該光電流以一增益放大以形成一充電電流； 一電容，該電容的第一端連接該電流鏡，該充電電流對該電容進行充電； 一比較器，該比較器的兩輸入端分別連接該電容的第一端以及耦接一參考電壓，該比較器配置以多次將該電容的電壓與該參考電壓進行比較，以產生一比較訊號；以及 一數位訊號處理器，包含： 一計數器，連接該比較器，配置以依據該增益以決定一數位取值範圍，以讀取該比較訊號在該數位取值範圍內的多個位元值進行計數以輸出一計數訊號；及 一雜訊消除處理器，連接該計數器，配置以依據該增益縮減該數位取值範圍，以移除該計數訊號的多個位元值中的最低有效位元值，依據其餘保留的該多個位元值以輸出一感測訊號。
  2. 如請求項1所述的高線性度數位調控的光感測器，其中該雜訊消除處理器配置以依據該光電元件感測光的敏感度，以決定移除該計數訊號的該位元值的數量。
  3. 如請求項1所述的高線性度數位調控的光感測器，其中該雜訊消除處理器配置以移除該計數訊號的最低有效位元值的前一或多個位元值。
  4. 如請求項1所述的高線性度數位調控的光感測器，其中該計數器配置以在不同預定時間區間內分別產生不同的多個子計數訊號，將該多個子計數訊號平均以產生該計數訊號。
  5. 如請求項1所述的高線性度數位調控的光感測器，其中該計數器配置以在不同預定時間區間內分別產生多個該計數訊號，該雜訊消除處理器判斷該多個計數訊號中哪些位元的位元序相同但位元值不同，作為後續產生該計數訊號時移除哪一個該位元值或哪些該多個位元值的依據。
  6. 一種高線性度數位調控方法，包含以下步驟： 將照射通過一光電元件的光能轉換為一光電流； 將該光電流以一增益放大以形成一充電電流，對一電容進行充電； 多次將該電容的電壓與一參考電壓進行比較，以產生一比較訊號； 依據該增益以決定一數位取值範圍； 讀取該比較訊號在該數位取值範圍內的多個位元值進行計數，以輸出一計數訊號；以及 移除該計數訊號的多個位元值中的最低有效位元值，依據其餘保留的該多個位元值以輸出一感測訊號。
  7. 如請求項6所述的高線性度數位調控方法，更包含以下步驟：依據該光電元件感測光的敏感度，以決定移除該計數訊號的該位元值的數量。
  8. 如請求項6所述的高線性度數位調控方法，更包含以下步驟： 移除該計數訊號的最低有效位元值的前一或多個位元值。
  9. 如請求項6所述的高線性度數位調控方法，更包含以下步驟： 在不同預定時間區間內分別產生不同的多個子計數訊號；以及 將該多個子計數訊號平均以產生該計數訊號。
  10. 如請求項6所述的高線性度數位調控方法，更包含以下步驟： 在不同預定時間區間內分別產生多個該計數訊號；以及 判斷該多個計數訊號中哪些位元的位元序相同但位元值不同，作為後續產生該計數訊號時移除哪一個該位元值或哪些該多個位元值的依據。
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