TWI487882B - 具有暗電流補償之感測裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

具有暗電流補償之感測裝置及其控制方法

本發明係有關一種具有暗電流補償之感測裝置及其控制方法，特別是指一種對類比感測訊號進行運算，以產生類比補償訊號之具有暗電流補償之感測裝置及其控制方法。

第1A圖顯示一種典型的感測裝置100的示意圖。如第1A圖所示，感測裝置100包含感測電路11、類比增益電路13、類比數位轉換電路15、與數位處理電路18。感測電路11用以感測待測物理量或化學量，而產生類比感測訊號。類比增益電路13接收類比感測訊號，並產生類比增益訊號。類比數位轉換電路15接收類比增益訊號，並將其轉換為數位增益訊號。數位處理電路18接收數位增益訊號，將其中的雜訊與暗電流去除後，產生數位感測訊號。如第1B圖所示，類比感測訊號包含功率雜訊PN、暗電流DC、與目的訊號SIG。

以影像感測裝置為例，感測電路11例如為影像感測電路。影像感測電路感測影像而產生類比感測訊號，經過類比增益電路13的放大，而產生類比增益訊號。類比增益訊號包括放大功率雜訊PN、暗電流DC、與目的訊號SIG後而分別產生的功率雜訊PN1、暗電流DC1、與目的訊號SIG1。類比增益訊號再經過類比數位轉換電路15，而產生數位增益訊號。數位處理電路18將數位增益訊號中的功率雜訊PN2與暗電流DC2扣除後，產生數位感測訊號。請參閱第1B圖，類比感測訊號除了目的訊號SIG之外，還包含功率雜訊PN與暗電流DC，經過類比增益電路13放大之後，可能會超過溢流位準，例如在高溫的操作環境中，當溫度每升高約6-7度，會使暗電流增為2倍。舉例而言，車用電子儀器可能在攝氏80~100度的環境下操作，比起常溫攝氏25度時，因環境溫度而產生的暗電流會 增為攝氏25度的數十倍以上。因此，經過放大後，類比增益訊號可能會因為暗電流過高，而超過溢流位準，進而使超出溢流位準的部分被捨棄。請參閱第1B圖，在經過類比數位轉換後，數位增益訊號被輸入數位處理電路18。數位處理電路18扣除數位增益訊號中，分別由功率雜訊PN1、暗電流DC1轉換後的的功率雜訊PN2與暗電流DC2之後，得到的數位感測訊號，就會無法包含原來的目的訊號SIG，這是因為目的訊號SIG在類比增益訊號超過溢流位準時，被截掉了。

功率雜訊PN來自電源電壓的雜訊，此為本技術領域中所熟知，在此不予贅述。先前技術感測裝置100在例如高溫環境的操作下，可能因類比增益訊號中的暗電流過高，而超過溢流位準，而造成目的訊號SIG散失，進而無影像輸出。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有暗電流補償之感測裝置及其控制方法，可在暗電流過高情況下，保持目的訊號，使類比感測訊號在轉換為數位感測訊號後，不致失去目的訊號。

就其中一觀點言，本發明提供了一種具有暗電流補償之感測裝置，包含：一感測電路，用以將一待測物理量或一待測化學量轉換為一類比感測訊號；一暗電流補償電路，與該感測電路耦接，並根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號；以及一轉換電路，與該暗電流補償電路耦接，並根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號。

就另一觀點言，本發明也提供了一種具有暗電流補償之感測裝置控制方法，包含：將一待測物理量或一待測化學量轉換為一類比感測訊號；根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號；以及根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號。

在其中一種較佳的實施型態中，該參考訊號係根據以下至少一項參數或其變化量而產生：一環境溫度；一增益訊號；以及一曝光時間訊號。

在其中一種較佳的實施型態中，該閘極於正常操作時與一接 地電位電性連接。

在其中一種較佳的實施型態中，該暗電流補償電路根據該參考訊號而對該類比感測訊號所進行之運算，包括以下至少一項方式：一線性運算；一非線性運算；一查表運算；以及一比例運算。

在其中一種較佳的實施型態中，該感測電路包括：至少一感測元件，用以感測該待測物理量或化學量，而產生一感測物理訊號或一感測化學訊號，以及一物理背景訊號或一化學背景訊號；以及一相關性雙取樣電路，與該感測元件耦接，用以根據該感測物理訊號或感測化學訊號，以及該物理背景訊號或該化學背景訊號，產生該類比感測訊號。

在前述實施例中，該感測元件具有：一第一感測元件，用以感測該待測物理量或化學量，而產生該感測物理訊號或該感測化學訊號；以及一第二感測元件，用以感測一背景值，而產生一第一物理背景訊號或一第一化學背景訊號；其中，該第一物理背景訊號或該第一化學背景訊號，用以產生該參考訊號。

在前述實施例中，該感測元件較佳地更具有一第三感測元件，用以感測該背景值，而產生一第二物理背景訊號或一第二化學背景訊號；其中，該轉換電路，更根據該第二物理背景訊號或該第二化學背景訊號，產生該數位感測訊號。

在其中一種較佳的實施型態中，該暗電流補償電路包括：一前置轉換電路，與該感測電路耦接，用以根據該參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一前置類比訊號；以及一類比增益電路，與該前置轉換電路耦接，以根據該前置類比訊號，產生該類比補償訊號。

在前述實施例中，該轉換電路較佳地包括：一類比數位轉換電路，與該類比增益電路耦接，用以將該類比補償訊號，轉換為一數位補償訊號；一功率雜訊消除電路，與該類比數位轉換電路耦接，用以將該數位補償訊號，轉換為一功率雜訊消除訊號；以及一自動背景訊號消除電路，與該功率雜訊消除電路耦接，用以根據該功率雜訊消除訊號，產生該數位感測訊號。

在前述實施例中，該暗電流補償電路較佳地更包括：一背 景訊號分析電路，與該類比數位轉換電路耦接，用以根據該數位補償訊號，產生一背景分析訊號；以及一參考訊號決定電路，與該背景訊號分析電路耦接，用以根據該背景分析訊號，產生該參考訊號。

在其中一種較佳的實施型態中，該暗電流補償電路更根據一溢流位準與一下限位準，而對該類比感測訊號進行運算，以產生該類比補償訊號，使得該類比補償訊號介於該溢流位準與該下限位準之間。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

11,21‧‧‧感測電路

13‧‧‧類比增益電路

15‧‧‧類比數位轉換電路

18‧‧‧數位處裡電路

23‧‧‧暗電流補償電路

25‧‧‧轉換電路

100‧‧‧感測裝置

200‧‧‧具有暗電流補償之感測裝置

DC,DC1,DC’‧‧‧暗電流

PN,PN1,PN2,PNd‧‧‧功率雜訊

SIG,SIG1,SIG2,SIGd‧‧‧目的訊號

第1A圖顯示先前技術之感測裝置100的示意圖。

第1B圖顯示先前技術之感測裝置100之訊號示意圖。

第2A-2B圖顯示本發明的第一個實施例。

第3A-3B圖顯示本發明的第二個實施例。

第4A-4C圖顯示本發明的第三個實施例。

第5A-5B圖顯示本發明的第四個實施例。

第6圖顯示本發明的第五個實施例。

請參閱第2A-2B圖，顯示本發明第一個實施例。第2A圖顯示具有暗電流補償之感測裝置200的示意圖。如第2A圖所示，具有暗電流補償之感測裝置200包含感測電路21、暗電流補償電路23、以及轉換電路25。感測電路21將待測物理量或待測化學量轉換為類比感測訊號。暗電流補償電路23與感測電路21耦接，並根據參考訊號而對類比感測訊號進行運算，以產生類比補償訊號。轉換電路25與暗電流補償電路23耦接，並根據類比補償訊號，產生數位感測訊號。以影像感測裝置為例，感測電路21例如但不限於為影像感測電路。影像感測電路感測影像而產生類比影像感測訊號，暗電流補償電路23根據參考訊號而對類比影像感測訊號進行運算， 而產生類比影像補償訊號，再經過轉換電路25，而產生數位影像感測訊號。

第2B圖顯示具有暗電流補償之感測裝置200之訊號示意圖，如第2B圖所示，類比感測訊號除了目的訊號SIG之外，還包含功率雜訊PN與暗電流DC。與先前技術不同的是，本實施例在類比端電路，也就是感測電路21與暗電流補償電路23，即根據參考訊號，對類比感測訊號直接進行運算，如第2B圖所示，運算後暗電流補償電路23產生類比補償訊號，類比補償訊號經運算後可不超過溢流位準，包含目的訊號SIG1、功率雜訊PN1、與暗電流DC1。如此一來，類比補償訊號中的目的訊號SIG1可以被保留下來。類比補償訊號經過轉換電路25的轉換，將其中的功率雜訊PN1與暗電流DC1去除，而產生數位感測訊號，其中包含了由目的訊號SIG1轉換後的目的訊號SIG2。

其中，根據本發明，參考訊號可根據以下至少一項參數或其變化量而產生：環境溫度、增益訊號、以及曝光時間訊號。其中，以環境溫度而言，例如可以量測環境溫度或其變化而決定參考訊號，如前所述，環境溫度越高，暗電流越大，因此，利用偵測環境溫度或其變化，當溫度越高時，使參考訊號越高，並將類比感測訊號減去參考訊號或其相關參數，如此一來，就可以根據溫度高低，適應性調整類比補償訊號，進而使類比補償訊號不致超過溢流位準。

所謂增益訊號，相關於轉換電路中，類比補償訊號轉換為數位感測訊號的放大比例。而曝光時間訊號，是在影像感測裝置中，相關於影像感測電路中的影像感測元件相關於曝光時間的參數。此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。

根據本發明，暗電流補償電路根據參考訊號而對類比感測訊號所進行之運算，包括以下至少一項方式：線性運算、非線性運算、查表運算、以及比例運算。線性運算指類比補償訊號、類比感測訊號、與參考訊號之間，存在線性函數關係。而非線性運算則指類比補償訊號、類比感測訊號、與參考訊號之間，存在非線性函數關係。查表運算則是指根據參考訊號，以查表的方式，對類比感測訊號運算，以產生類比補償訊號。比例運算例如但不限於設定一或多重臨界值，比對參考訊號後產生運算值， 以對類比感測訊號進行運算。

第3A-3B圖顯示本發明第二個實施例。如第3A圖所示，感測電路21例如但不限於包含感測元件211與相關性雙取樣(Correlated Double Sampling,CDS)電路213。感測元件211用以感測待測物理量或化學量(合稱待測量)，而產生感測物理訊號或感測化學訊號(合稱感測訊號)，以及物理背景訊號或化學背景訊號(合稱背景訊號)。以影像感測電路為例，感測元件211例如為複數影像感測元件，其中部分影像感測元件感測目的影像，而產生影像感測訊號；部分感測元件以遮光層遮蔽影像訊號，以感測除目的影像外的背景值，而產生背景訊號。其中，背景訊號例如但不限於用以產生參考訊號。相關性雙取樣電路213根據感測訊號與背景訊號，產生類比感測訊號。

請參閱第3B圖，顯示感測電路21之訊號示意圖，如第3B圖所示，感測訊號例如包含目的訊號SIG、功率雜訊PN與暗電流DC。背景訊號包含功率雜訊PN與暗電流DC，相較於感測訊號，背景訊號未包含目的訊號SIG。類比感測訊號例如但不限於與感測訊號相同，包含目的訊號SIG、功率雜訊PN與暗電流DC。

在第二個實施例中，部分感測元件可用以感測背景值，而產生另一背景訊號；其中，轉換電路25可更根據此背景訊號，產生數位感測訊號。也就是說，一背景訊號可用以產生參考訊號，而另一背景訊號可用以產生數位感測訊號。

第4A-4C圖顯示本發明第三個實施例。如第4A圖所示，暗電流補償電路23包括前置轉換電路231與類比增益電路233。前置轉換電路231與感測電路耦接，用以根據參考訊號而對類比感測訊號進行運算，以產生前置類比訊號。類比增益電路233與前置轉換電路231耦接，以根據前置類比訊號，產生類比補償訊號。前置轉換電路231主要的功能，在於將類比感測訊號，與一預設訊號(例如為前述參考訊號)作前述之線性、非線性、查表、比例等運算。舉例而言，請參閱第4B圖，前置轉換電路231根據相關於暗電流DC的參考訊號，而扣除部分類比感測訊號，因為參考訊號相關於暗電流DC，因此圖示中以扣除部分暗電流DC而產生暗電流DC’， 並使運算後所產生的前置類比訊號如圖所示，不超過溢流位準。在本實施例中，類比增益電路233例如以增益為1將前置類比訊號轉換為類比補償訊號；因此，如第4B圖所示，前置類比訊號與類比補償訊號具有相同的位準。然而，本發明並不限於此，根據本發明，在其他實施例中，類比增益電路233可根據不同的增益，而將前置類比訊號轉換為不同位準之類比補償訊號，如第4C圖所示。

第5A-5B圖顯示本發明第四個實施例。如第5A圖所示，轉換電路25包括類比數位轉換(analog/digital converter,ADC)電路251、功率雜訊消除(power noise cancellation,PNC)電路253、與自動背景訊號消除(automatic background cancellation)電路255。類比數位轉換電路251與類比增益電路233耦接，用以將類比補償訊號，轉換為數位補償訊號。功率雜訊消除電路253與類比數位轉換電路251耦接，用以將數位補償訊號，轉換為功率雜訊消除訊號。自動背景訊號消除電路255與功率雜訊消除電路253耦接，用以根據功率雜訊消除訊號，產生數位感測訊號。

請參閱第5B圖，顯示轉換電路25之訊號示意圖，如第5B圖所示，類比補償訊號例如包含目的訊號SIG1、功率雜訊PN1與暗電流DC1。類比數位轉換電路251將類比補償訊號轉換為數位補償訊號，這是一個類比訊號轉換為數位訊號的程序，為本技術領域中常用的技術手段。如圖所示，ADC電路251例如將目的訊號SIG1、功率雜訊PN1與暗電流DC1數位化後轉換為目的訊號SIGd、功率雜訊PNd與暗電流DCd。數位補償訊號經過功率雜訊消除電路253的處理程序，將其中的功率雜訊PNd去除，而產生功率雜訊消除訊號。接下來，功率雜訊消除訊號經過自動背景訊號消除電路255的處理程序，將其中的暗電流去除，而產生數位感測訊號，其包含目的訊號SIG2，代表待測物理量或待測化學量。當然，在類比數位轉換電路251、功率雜訊消除電路253、與自動背景訊號消除電路255轉換訊號的過程中，不限於如第5B圖所示，亦可以加入其他運算，例如但不限於可以包含放大、線性、非線性等運算。

第6圖顯示本發明第五個實施例。如第6圖所示，暗電流補償電路23除了第三個實施例所述之前置轉換電路231與類比增益電路233 外，更包括背景訊號分析電路235與參考訊號決定電路237。本實施例旨在說明，參考訊號可以經由背景訊號分析電路235的處理，產生前置類比訊號，再由參考訊號決定電路237根據前置類比訊號，產生參考訊號。當然參考訊號的產生或運用方式，不限於此，亦可以有其他的實施方式，只要在類比感測訊號轉換為類比補償訊號之前，根據本發明，使訊號不致超過溢流位準，使其中的目的訊號保留即可；舉例而言，參考訊號亦可如圖中虛線所示的方式，輸入類比增益電路233進行調整。此外，根據本發明，除了使訊號不致超過溢流位準之外，亦可以使暗電流補償電路更根據下限位準，而對類比感測訊號進行運算，以產生類比補償訊號，使得類比補償訊號介於溢流位準與該下限位準之間。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，在所示各實施例中，可插入不影響訊號主要意義的電路，如其他開關電路或邏輯電路等；又如，感測裝置並不限於影像感測裝置，亦可包含其他感測裝置，如超音波感測裝置、氣體感測裝置、壓力感測裝置、加速度感測裝置等等。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

21‧‧‧感測電路

23‧‧‧暗電流補償電路

25‧‧‧轉換電路

200‧‧‧具有暗電流補償之感測裝置

Claims (18)

1. 一種具有暗電流補償之感測裝置，包含：一感測電路，用以將一待測物理量或一待測化學量轉換為一類比感測訊號；一暗電流補償電路，與該感測電路耦接，並根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號；以及一轉換電路，與該暗電流補償電路耦接，並根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號；其中該感測電路包括：至少一感測元件，用以感測該待測物理量或化學量，而產生一感測物理訊號或一感測化學訊號，以及一物理背景訊號或一化學背景訊號；以及一相關性雙取樣電路，與該感測元件耦接，用以根據該感測物理訊號或感測化學訊號，以及該物理背景訊號或該化學背景訊號，產生該類比感測訊號；其中該感測物理訊號或感測化學訊號具有一目的訊號、功率雜訊與暗電流，且該物理背景訊號或化學背景訊號具有功率雜訊與暗電流，而不具有該目的訊號；其中，暗電流補償電路根據該參考訊號與該物理背景訊號或該化學背景訊號，對該感測物理訊號或感測化學訊號進行運算，以將該感測物理訊號或感測化學訊號中的至少部分功率雜訊或/及至少部分暗電流除去，而產生該類比補償訊號，使得該類比補償訊號不超過一溢流位準。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該參考訊號係根據以下至少一項參數或其變化量而產生：一環境溫度；一增益訊號；以及一曝光時間訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該暗電流補償電路根據該參考訊號而對該類比感測訊號所進行之運算，包括以下至少一項方式： 一線性運算；一非線性運算；一查表運算；以及一比例運算。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該感測元件具有：一第一感測元件，用以感測該待測物理量或化學量，而產生該感測物理訊號或該感測化學訊號；以及一第二感測元件，用以感測一背景值，而產生一第一物理背景訊號或一第一化學背景訊號；其中，該第一物理背景訊號或該第一化學背景訊號，用以產生該參考訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該感測元件更具有一第三感測元件，用以感測該背景值，而產生一第二物理背景訊號或一第二化學背景訊號；其中，該轉換電路，更根據該第二物理背景訊號或該第二化學背景訊號，產生該數位感測訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該暗電流補償電路包括：一前置轉換電路，與該感測電路耦接，用以根據該參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一前置類比訊號；以及一類比增益電路，與該前置轉換電路耦接，以根據該前置類比訊號，產生該類比補償訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該轉換電路包括：一類比數位轉換電路，與該類比增益電路耦接，用以將該類比補償訊號，轉換為一數位補償訊號；一功率雜訊消除電路，與該類比數位轉換電路耦接，用以將該數位補償訊號，轉換為一功率雜訊消除訊號；以及一自動背景訊號消除電路，與該功率雜訊消除電路耦接，用以根據該功率雜訊消除訊號，產生該數位感測訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該暗電流補償電路更包括：一背景訊號分析電路，與該類比數位轉換電路耦接，用以根據該數位補償訊號，產生一背景分析訊號；以及一參考訊號決定電路，與該背景訊號分析電路耦接，用以根據該背景分析訊號，產生該參考訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流補償之感測裝置，其中該暗電流補償電路更根據一下限位準，而對該類比感測訊號進行運算，以產生該類比補償訊號，使得該類比補償訊號介於該溢流位準與該下限位準之間。
10. 一種具有暗電流補償之感測裝置控制方法，包含：將一待測物理量或一待測化學量轉換為一類比感測訊號；根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號；以及根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號；其中該將一待測物理量或一待測化學量轉換為一類比感測訊號之步驟包括：感測該待測物理量或化學量，而產生一感測物理訊號或一感測化學訊號，以及一物理背景訊號或一化學背景訊號；以及根據該感測物理訊號或感測化學訊號，以及該物理背景訊號或該化學背景訊號，產生該類比感測訊號；其中該感測物理訊號或感測化學訊號具有一目的訊號、功率雜訊與暗電流，且該物理背景訊號或化學背景訊號具有功率雜訊與暗電流，而不具有該目的訊號；其中，根據該參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生該類比補償訊號之步驟包括：根據該參考訊號與該物理背景訊號或該化學背景訊號，對該感測物理訊號或感測化學訊號進行運算，以將該感測物理訊號或感測化學訊號中的至少部分功率雜訊或/及至少部分暗電流除去，而產生該類比補償訊號，使得該類比補償訊號不超過一溢流位準。
11. 如申請專利範圍第10項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該參考訊號係根據以下至少一項參數或其變化量而產生：一環境溫度；一增益訊號；以及一曝光時間訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該暗電流補償電路根據該參考訊號而對該類比感測訊號所進行之運算，包括以下至少一項方式：一線性運算；一非線性運算；一查表運算；以及一比例運算。
13. 如申請專利範圍第10項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該感測該待測物理量或化學量之步驟包括：感測該待測物理量或化學量，而產生該感測物理訊號或該感測化學訊號；以及感測一背景值，而產生一第一物理背景訊號或一第一化學背景訊號；其中，該第一物理背景訊號或該第一化學背景訊號，用以產生該參考訊號。
14. 如申請專利範圍第13項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該感測該待測物理量或化學量之步驟更包括：感測該背景值，而產生一第二物理背景訊號或一第二化學背景訊號；其中，該根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號之步驟，更根據該第二物理背景訊號或該第二化學背景訊號，產生該數位感測訊號。
15. 如申請專利範圍第10項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號之步驟包括：根據該參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一前置類比訊號；以及根據該前置類比訊號，產生該類比補償訊號。
16. 如申請專利範圍第15項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該根據該類比補償訊號，產生一數位感測訊號之步驟包括：將該類比補償訊號，轉換為一數位補償訊號；將該數位補償訊號，轉換為一功率雜訊消除訊號；以及根據該功率雜訊消除訊號，產生該數位感測訊號。
17. 如申請專利範圍第16項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號之步驟更包括：根據該數位補償訊號，產生一背景分析訊號；以及根據該背景分析訊號，產生該參考訊號。
18. 如申請專利範圍第10項所述之具有暗電流補償之感測裝置控制方法，其中該根據一參考訊號而對該類比感測訊號進行運算，以產生一類比補償訊號之步驟更根據一下限位準，而對該類比感測訊號進行運算，以產生該類比補償訊號，使得該類比補償訊號介於該溢流位準與該下限位準之間。