TWI516032B - A photoelectric conversion device capable of eliminating dark current - Google Patents

Description

可消除暗電流的光電轉換裝置

本發明是有關於一種光電轉換裝置，特別是指一種可消除暗電流的光電轉換裝置。

光感測器，例如光電二極體(photo diode)本身是一個消耗能源(電力)的元件。在消耗能源的過程中自然就會產生熱，而『熱』會導致光電二極體的P-N接面電子活動加劇，使受熱的電子不斷的運動而產生了電流，即所謂的『暗電流』(Dark Current)。雖然理想的光感測器其暗電流應該為零，但在現實世界中還尚未研發出這樣的理想元件。且雖然還有其他因素會影響暗電流的產生，然而『熱』卻是最顯著的影響因素。也因為暗電流的存在，讓光感測器即使在沒有光的環境中，仍然會有電流(即暗電流)輸出，而容易讓依據光感測器之輸出電流來進行功能控制的電子裝置產生誤動作。

因此，本發明之目的，即在提供一種可消除光感測器之暗電流的光電轉換裝置。

為達到上述目的，本發明可消除暗電流的光電轉換裝置，包括一第一積分器、一第一光感測器、一第二電容、一第二積分器及一第二光感測器。

該第一積分器包括一第一運算放大器和跨接在該第一運算放大器的負輸入端與輸出端之間的一第一電容，該第 一運算放大器的正輸入端接受一第一參考電壓輸入；該第一光感測器與該第一運算放大器的負輸入端連接，且其被一罩體封閉而產生一暗電流；該第二電容的一端與該第一運算放大器的輸出端連接，且其電容值與該第一電容相同；該第二積分器包括一第二運算放大器和跨接在該第二運算放大器的負輸入端與輸出端之間的一第三電容，該第二運算放大器的正輸入端接受該第一參考電壓輸入，其負輸入端與該第二電容的另一端連接；該第二光感測器與該第二運算放大器的負輸入端連接，並感測光而對應產生一光電流，使得流經第三電容的一輸出電流等於該光電流減去流經該第二電容的電流，並於該第二運算放大器的輸出端產生一輸出電壓。

較佳地，該光電轉換裝置還包括一類比數位轉換電路，與該第二運算放大器的輸出端連接，並將該輸出電壓轉換成一數位訊號輸出。

較佳地，該第一積分器還包括一跨接在該第一運算放大器的負輸入端與輸出端之間的第一開關，該第二積分器還包括一跨接在該第二運算放大器的負輸入端與輸出端之間的第二開關，且該類比數位轉換電路控制該第一開關及第二開關導通與否，以分別提供一放電路徑給該第一電容及第三電容。

較佳地，該類比數位轉換電路包括一第一比較器、一第二比較器及一閂鎖電路，該第一比較器的正輸入端接受一較該第一參考電壓高的第二參考電壓輸入，其負輸入端 接受該輸出電壓輸入，該第二比較器的正輸入端接受該輸出電壓輸入，其負輸入端接受一較該第一參考電壓高，但比第二參考電壓低的第三參考電壓輸入，該閂鎖電路與該第一比較器及第二比較器的輸出端連接，並根據該第一比較器及第二比較器的輸出端輸出之訊號產生一脈波訊號，且該脈波訊號控制該第一開關及第二開關在其一非脈衝時間區間不導通，使第一電容及第二電容被充電，並控制該第一開關及第二開關在其一脈衝時間區間導通，使第一電容及第二電容分別經由第一開關及第二開關放電。

較佳地，該類比數位轉換電路還包括一與該閂鎖電路的輸出端連接的D型正反器，該D型正反器的時脈控制端接受該脈波訊號觸發，且其D端與Q’端連接，使得其Q端輸出之數位訊號的脈寬為該脈波訊號之兩相鄰脈波的上升緣之間距。

較佳地，該第二光感測器可以被一光感測器選擇電路取代，該光感測器選擇電路包含四個光感測器、四個各別對應各該光感測器的1對2切換開關，以及一第三運算放大器，其中各該1對2切換開關具有一輸入端及兩個輸出端，該輸入端與相對應的該光感測器反向連接，且其中一輸出端可受控制以選擇與該第三運算放大器的一輸出端導接與否，另一輸出端可受控制以選擇與該第二運算放大器的負輸入端導接與否；該第三運算放大器的正輸入端接受該第一參考電壓輸入，且其負輸入端與輸出端電耦接；較佳地，當該等光感測器其中之一經由與其相對應的 該1對2切換開關與該第二運算放大器的負輸入端導接時，該等光感測器亦經由與其相對應的該1對2切換開關與該第三運算放大器的輸出端導接而接受該第一參考電壓輸入，以使該等光感測器維持在相同的偏壓狀態。

本發明的功效在於藉由在第二積分器的前端耦接第一積分器，使耦接在第一積分器的第一光感測器產生的暗電流可被耦接在第二積分器的第二光感測器抵消，使第二積分器輸出的電流確實反應第二光感測器偵測到的光強度，並透過類比數位轉換電路將第二積分器的輸出電壓轉換成數位訊號，以藉由脈波頻率來表示光強度，方便後端電路透過計數器計數該脈寬，即可得到一對應光強度的數值，確實達到本發明的功效和目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參見圖1所示，本發明可消除暗電流的光電轉換裝置的一較佳實施例包括一第一積分器1、一第一光感測器D1、一第二積分器2、一第二光感測器D2、一電耦接在第一積分器1與第二積分器2之間的第二電容C2及一類比數位轉換電路3。

第一積分器1包括一第一運算放大器OPA1及跨接在第一運算放大器OPA1的負輸入端與輸出端之間的第一電容C1和第一開關SW1。其中第一運算放大器OPA1的正 輸入端接受一第一參考電壓VREF1輸入，第一開關SW1主要提供一放電路徑給第一電容C1。

第一光感測器D1在本實施例是以一光電二極體、光敏電阻或其它感測光的元件，其與第一運算放大器OPA1的負輸入端反向連接，以接受第一參考電壓VREF1驅動，且第一光感測器D1被一以金屬覆蓋的罩體(圖未示)，使得外部的光線無法進入。然而由於光感測器本身特性的關係，因此，如圖2所示，即使在接收不到光線的情況下，第一光感測器D1仍會產生一逆向電流，亦即所謂的暗電流ID，使得在第一開關SW1不導通的情況下，第一運算放大器OPA1的輸出端會產生一第一電壓VA=(IDxT/C1)+VREF1，其中T為第一電容C1的充電時間。

第二積分器2包括一第二運算放大器OPA2及跨接在第二運算放大器OPA2的負輸入端與輸出端之間的一第三電容C3及第二開關SW2，其中第二運算放大器OPA2的正輸入端接受第一參考電壓VREF1輸入，且第二開關SW2主要提供一放電路徑給第三電容C3。

第二光感測器D2在本實施例中是一與第一光感測器D1相同的光電二極體、光敏電阻或其它感測光的元件，並與第二運算放大器OPA2的負輸入端反向連接，以接受第一參考電壓VREF1驅動。因此，如圖2所示，在有接收到光線的情況下，第二光感測器D2會因為感測到光線而產生一逆向電流，亦即所謂的光電流IL，但第二光感測器D2本身仍然存在接收不到光線的情況下所產生的暗電流 ID，因此光電流IL其實包含了第二光感測器D2在無光照情況下產生的暗電流ID以及因為感測到光線而產生的電流。

第二電容C2串接在第一運算放大器OPA1的輸出端與第二運算放大器的負輸入端之間，且第二電容C2的電容值與第一電容C1相同。且由於第一電壓VA大於第二運算放大器的負輸入端的第一參考電壓VREF1，因此會產生一流經第二電容C2的第一電流IA=(VA-VREF1)xC2/T=IDxC2/C1，而因為第一電容C1與第二電容C2具有相同的電容值，使得第一電流IA等於暗電流ID。又因為第二光感測器D2產生的光電流IL等於流經第三電容C3的輸出電流IO加上流經第二電容C2的第一電流IA，亦即IL=IO+IA=IO+ID，因此可以得到輸出電流IO=光電流IL-暗電流ID，藉此，即可消除光電流IL中的暗電流ID，使得輸出電流IO中不再夾雜著與光強度(光照)無關的電流，而可以如實地反應(代表)接收到的光的強度。並且在第二運算放大器OPA2的輸出端產生一與光強度有關的輸出電壓VO=IOxT/C3+VREF1。其中T為第三電容C3的充電時間(與第一電容C1的充電時間相同)。

再參見圖1所示，類比數位轉換電路3與第二運算放大器OPA2的輸出端連接，以接受輸出電壓VO，並如圖3所示，將輸出電壓VO轉換成一脈波訊號RESET，以控制第一開關SW1及第二開關SW2的導通及不導通時間。

亦即，類比數位轉換電路3在脈波訊號RESET的一非 脈衝時間區間T(即前述第一電容C1和第二電容C3的充電時間)中，使脈波訊號RESET輸出低準位，以控制第一開關SW1及第二開關SW2不導通，使第一電容C1及第三電容C3在非脈衝時間區間T(即上述充電時間T)內分別被暗電流ID及輸出電流IO充電，使得輸出電壓VO上升達到一大於第一參考電壓VREF1的第二參考電壓VREF2，然後，類比數位轉換電路3在脈波訊號RESET的一脈衝時間區間T0中，使脈波訊號RESET輸出一高準位脈衝控制第一開關SW1及第二開關SW2導通，使第一電容C1及第三電容C3各別經由第一開關SW1及第二開關SW2放電，讓第三電容C3放電至等於一較第二參考電壓VREF2低但比第一參考電壓VREF1高的第三參考電壓VREF3時，再使脈波訊號RESET輸出低準位，以控制第一開關SW1及第二開關SW2不導通，讓第一電容C1及第三電容C3再次在非脈衝時間區間T內被充電，藉此，使第二運算放大器之輸出電壓VO為三角波訊號，且該脈波訊號RESET中兩相鄰脈衝的上升緣(或下降緣)之間的間距即代表光的強度。

當然，類比數位轉換電路3也可以再進一步將脈波訊號RESET轉換成一數位訊號DOUT，使得該數位訊號DOUT的脈衝頻率即代表光的強度，藉此，後端電路只要以一計數器計數該脈衝頻率，即可得到一對應光強度的數值。

更確切地說，類比數位轉換電路3可以由圖4中所示 的電路來實現，其主要包括一第一比較器CMP1、一第二比較器CMP2及一與第一比較器CMP1和第二比較器CMP2的輸出端電連接的閂鎖電路(latch)31。其中，第一比較器CMP1的負輸入端及第二比較器CMP2的正輸入端分別接受輸出電壓VO輸入，且第一比較器CMP1的正輸入端接受第二參考電壓VREF2輸入，第二比較器CMP2的負輸入端接受第三參考電壓VREF3輸入。其中第一參考電壓VREF1、第二參考電壓VREF2及第三參考電壓VREF3可由一參考電壓產生器4產生。

藉此，如圖4所示，閂鎖電路31使脈波訊號RESET在非脈衝時間區間T輸出低準位，控制第一開關SW1及第二開關SW2在非脈衝時間區間T不導通，使第一電容C1及第三電容C3充電，直到第一比較器CMP1判斷第二運算放大器OPA2的輸出電壓VO上升至等於第二參考電壓VREF2時，則控制閂鎖電路31令脈波訊號RESET在脈衝時間區間T0輸出一高準位脈衝，而控制第一開關SW1及第二開關SW2導通，使第一電容C1及第三電容C3放電，直到第二比較器CMP2判斷輸出電壓VO下降至等於第三參考電壓VREF3，則控制閂鎖電路31使脈波訊號RESET在非脈衝時間區間T輸出低準位，控制第一開關SW1及第二開關SW2不導通，使第三電容C3再次充電，藉此，即可使第二運算放大器OPA2之輸出電壓VO為三角波訊號，且閂鎖電路31輸出的脈波訊號RESET中兩兩相鄰脈衝的上升緣之間的間距(或下降緣之間的間距)即代表光感 測器D2接收到的光強度。

此外，如圖4所示，類比數位轉換電路3還可再包括一D型正反器DFF，其時脈輸入端CK接受閂鎖電路31產生的脈波訊號RESET輸入，且其D端與Q’端連接，使得Q端輸出隨著脈波訊號RESET的觸發而輸出數位訊號DOUT，且該數位訊號DOUT的脈衝頻率即代表第二光感測器D2偵測到的光的強度，藉此，方便後端電路透過一計數器計數該脈衝頻率，即可得到一對應光強度的數值。

再者，本實施例的第三電容C3也可以一可調電容取代，藉此，可藉由調低第三電容C3的容值來縮短充電時間，使輸出電壓VO可以更快地達到第二參考電壓VREF2，讓類比數位轉換電路3可以更快地產生數位訊號DOUT，而增加光電轉換裝置的靈敏度。

此外，本實施例之第二光感測器D2還可被如圖5所示的一光感測器選擇電路5取代，亦即將光感測器選擇電路5的接點N與圖4的接點N電連接。該光感測器選擇電路5中包含四個光感測器51~54(也可以包含四個以上)、四個各別對應各該光感測器51~54的1對2切換開關SW3~SW6，以及一第三運算放大器OPA3。該等光感測器51~54可以全是白光光感測器，或者是紅、綠、藍、白四種光感測器，1對2切換開關SW3~SW6具有一輸入端及兩個輸出端，各輸入端與相對應的光感測器51~54反向連接，其中一輸出端經由一導線55連接至第三運算放大器OPA3的輸出端，另一輸出端經由另一導線56連接至第二 運算放大器OPA2的負輸入端。且1對2切換開關SW3~SW6與導線55、56導接與否是分別被相對應的控制訊號S1~S4控制。

藉此，當只選擇將其中的白光光感測器54導接至第二運算放大器OPA2的負輸入端時，其電路即相當於圖2之電路。且此時，為了讓導接至第二運算放大器OPA2的白光光感測器54與其它沒有導接至第二運算放大器OPA2的光感測器51~53有相同的偏壓而呈現一致性，以避免光感測器之間因偏壓不同而產生誤差。因此，當白光光感測器54導接至第二運算放大器OPA2的負輸入端時，白光光感測器54以及其它的光感測器51~53亦會透過其相對應的1對2切換開關SW3~SW6同時導接至第三運算放大器OPA3的輸出端而接受第一參考電壓VREF1輸入，使得全部光感測器51~54皆維持在相同的偏壓狀態。

而且，若該等光感測器51~54皆為白光光感測器而應用在顯示器中以偵測外來的環境光強度時，可以選擇將2顆、3顆或全部的光感測器皆導接至第二運算放大器OPA2的負輸入端，使第二運算放大器OPA2的輸出電流IO隨著光感測器的數量相對增加，讓輸出電壓VO更快上升到第二參考電壓VREF2，可縮短數位訊號DOUT的脈衝頻率，藉此提高光電轉換裝置的靈敏度。

而當該等光感測器51~54分別為紅、綠、藍、白四種光感測器時，則可將紅、綠、藍這三個光感測器51~53同時導接至第二運算放大器OPA2的負輸入端，使分別感測不 同顏色光源的強度，例如可用來偵測平面顯示器的三原色光源的強度，藉此，當其偵測到其中一光源，例如紅光光源的強度不足，例如正常強度值應為100，但偵測到其強度值小於100時，則顯示器可據此調高紅光光源的驅動電流，以將紅光光源的強度值調回到100。

綜上所述，上述實施例藉由在第二積分器2的前端耦接第一積分器1，使耦接在第一積分器1的第一光感測器D1產生的暗電流ID可被耦接在第二積分器2的第二光感測器D2抵消，使第二積分器2輸出的電流IO確實反應第二光感測器D2偵測到的光強度，並透過類比數位轉換電路3將第二積分器2的輸出電壓VO轉換成數位訊號DOUT，以藉由脈波頻率來表示光強度，方便後端電路透過計數器計數該脈衝頻率，即可得到一對應光強度的數值，確實達到本發明的功效和目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧第一積分器

2‧‧‧第二積分器

3‧‧‧類比數位轉換電路

4‧‧‧參考電壓產生器

31‧‧‧閂鎖電路

D1‧‧‧第一光感測器

D2‧‧‧第二光感測器

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容(可調電容)

SW1‧‧‧第一開關

SW2‧‧‧第二開關

OPA1‧‧‧第一運算放大器

OPA2‧‧‧第二運算放大器

VO‧‧‧輸出電壓

VREF1‧‧‧第一參考電壓

RESET‧‧‧脈波訊號

DOUT‧‧‧數位訊號

N‧‧‧接點

ID‧‧‧暗電流

VA‧‧‧第一電壓

IA‧‧‧第一電流

IL‧‧‧光電流

IO‧‧‧輸出電流

CMP1‧‧‧第一比較器

CMP2‧‧‧第二比較器

DFF‧‧‧D型正反器

VREF2‧‧‧第二參考電壓

VREF3‧‧‧第三參考電壓

圖1是本發明可消除暗電流的光電轉換裝置的一較佳實施例的電路圖；圖2說明本實施例運作時如何消除暗電流；圖3顯示本實施例產生之脈波訊號及數位訊號的波形； 圖4進一步顯示本實施例之類比數位轉換電路的詳細電路圖；及圖5顯示本實施例之光感測器選擇電路。

1‧‧‧第一積分器

2‧‧‧第二積分器

3‧‧‧類比數位轉換電路

D1‧‧‧第一光感測器

D2‧‧‧第二光感測器

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容(可調電容)

SW1‧‧‧第一開關

SW2‧‧‧第二開關

OPA1‧‧‧第一運算放大器

OPA2‧‧‧第二運算放大器

VO‧‧‧輸出電壓

VREF1‧‧‧第一參考電壓

RESET‧‧‧脈波訊號

DOUT‧‧‧數位訊號

N‧‧‧接點

Claims (5)

1. 一種可消除暗電流的光電轉換裝置，包括：一第一積分器，包括一第一運算放大器和跨接在該第一運算放大器的負輸入端與輸出端之間的一第一電容，該第一運算放大器的正輸入端接受一第一參考電壓輸入；一第一光感測器，與該第一運算放大器的負輸入端連接，且其被一罩體封閉而產生一暗電流；一第二電容，其一端與該第一運算放大器的輸出端連接，且其電容值與該第一電容相同；一第二積分器，包括一第二運算放大器和跨接在該第二運算放大器的負輸入端與輸出端之間的一第三電容，該第二運算放大器的正輸入端接受該第一參考電壓輸入，其負輸入端與該第二電容的另一端連接；一第二光感測器，與該第二運算放大器的負輸入端連接，並感測光而對應產生一光電流，使得流經第三電容的一輸出電流等於該光電流減去流經該第二電容的電流，並於該第二運算放大器的輸出端產生一輸出電壓；及一類比數位轉換電路，與該第二運算放大器的輸出端連接，並將該輸出電壓轉換成一數位訊號輸出；其中該第一積分器還包括一跨接在該第一運算放大器的負輸入端與輸出端之間的第一開關，該第二積分器還包括一跨接在該第二運算放大器的負輸入端與輸出端之間的第二開關，且該類比數位轉換電路控制該第一開關及第二開關導通與否，以分別提供一放電路徑給該第一電容及第 三電容。
2. 依據申請專利範圍第1項所述可消除暗電流的光電轉換裝置，其中該類比數位轉換電路包括一第一比較器、一第二比較器及一閂鎖電路，該第一比較器的正輸入端接受一較該第一參考電壓高的第二參考電壓輸入，其負輸入端接受該輸出電壓輸入，該第二比較器的正輸入端接受該輸出電壓輸入，其負輸入端接受一較該第一參考電壓高，但比第二參考電壓低的第三參考電壓輸入，該閂鎖電路與該第一比較器及第二比較器的輸出端連接，並根據該第一比較器及第二比較器的輸出端輸出之訊號產生一脈波訊號，且該脈波訊號控制該第一開關及第二開關在其一非脈衝時間區間不導通，使第一電容及第三電容被充電，並控制該第一開關及第二開關在其一脈衝時間區間導通，使第一電容及第三電容分別經由第一開關及第二開關放電。
3. 依據申請專利範圍第2項所述可消除暗電流的光電轉換裝置，其中該類比數位轉換電路還包括一與該閂鎖電路的輸出端連接的D型正反器，該D型正反器的時脈控制端接受該脈波訊號觸發，且其D端與Q’端連接，使得其Q端輸出之數位訊號的脈寬為該脈波訊號之兩相鄰脈波的上升緣之間距。
4. 依據申請專利範圍第1至3項其中任一項所述可消除暗電流的光電轉換裝置，其中該第二光感測器是一光感測器選擇電路，並包含四個光感測器、四個各別對應各該光感測器的1對2切換開關，以及一第三運算放大器，各該1對 2切換開關具有一輸入端及兩個輸出端，該輸入端與相對應的該光感測器反向連接，且其中一輸出端可受控制以選擇與該第三運算放大器的一輸出端導接與否，另一輸出端可受控制以選擇與該第二運算放大器的負輸入端導接與否，該第三運算放大器的正輸入端接受該第一參考電壓輸入，且其負輸入端與輸出端電耦接。
5. 依據申請專利範圍第4項所述可消除暗電流的光電轉換裝置，其中該等光感測器其中之一經由與其相對應的該1對2切換開關與該第二運算放大器的負輸入端導接時，該等光感測器亦經由與其相對應的該1對2切換開關與該第三運算放大器的輸出端導接而接受該第一參考電壓輸入，以使該等光感測器維持在相同的偏壓狀態。