TWI527456B - Array read device, dual function read device and detection circuit - Google Patents

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TWI527456B
TWI527456B TW102143250A TW102143250A TWI527456B TW I527456 B TWI527456 B TW I527456B TW 102143250 A TW102143250 A TW 102143250A TW 102143250 A TW102143250 A TW 102143250A TW I527456 B TWI527456 B TW I527456B
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Description

陣列式讀取裝置、雙功能讀取裝置及偵測電路
本發明是有關於一種裝置及電路，特別是指一種陣列式讀取裝置、雙功能讀取裝置及偵測電路。
在文獻「Wan-Jun Lin, Chao P.C.P., Shir-Kuan Lin, Hsiao-Wen Zan,“A novel readout circuit for an OTFD gas sensor with a new front-end trans-impedance amplifier,”in Sensors, IEEE, pp. 1141 - 1144, 2011.」中提及一種阻抗偵測電路，由於其使用二個運算放大器，所占的體積過大，不利用於陣列式讀取裝置中，只能應用在單一讀取裝置，而具有較差的靈敏度與訊號雜訊比。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種具有較高的靈敏度與訊號雜訊比的陣列式讀取裝置。
於是，本發明陣列式讀取裝置，包含一偵測陣列、一偏壓調整單元及一選擇單元。
該偵測陣列1接收一輸入電壓及m個列控制信號，且該偵測陣列包括m×n個偵測電路，同一列上的n個偵測電路接收所對應的同一列控制信號，每一偵測電路具 有一輸出端、一第一電晶體、一第二電晶體及一開關。
該第一電晶體具有一接收一偏壓的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端。
該第二電晶體具有一電連接該第一電晶體的第二端的第一端、一連接一待偵測阻抗的第二端及一接收該輸入電壓的控制端，且該第二電晶體的第二端用以產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測信號。
開關接收所對應的列控制信號，且電連接該輸出端與該第二電晶體M2的第二端間，以接收來自該第二電晶體M2的偵測信號，且受該列控制信號控制以決定是否輸出該偵測信號到該輸出端。同一行上的m個偵測電路的輸出端V1~V(n)電連接一起。
偏壓調整單元電連接每一偵測電路的輸出端，且將來自同一列上的n個偵測電路的偵測信號進行偏壓準位調整，而產生n個對應輸出VB1~VB(n)，每一輸出的大小正比於所對應的偵測信號。
選擇單元電連接該偏壓調整單元以接收該n個輸出，且受控制以選擇該n個輸出的其中之一作為一輸出電壓VOUT，該輸出電壓大小正比於所選擇的輸出。
本發明之第二目的，即在提供一種雙功能讀取裝置。
該雙功能讀取裝置包含：一第一電晶體、一感測器及一雙功能讀取電路。
第一電晶體具有一接收一偏壓的第一端、一第 二端及一電連接於其第二端的控制端。感測器根據所感測物產生一感測電流。
該雙功能讀取電路包括一電流產生模組、一積分電容、一取樣保持模組及輸出模組。電流產生模組接收一輸入電壓，且電連接該第一電晶體、該光感測器及一待偵測阻抗，且受控制以決定是否將該輸入電壓轉換成一第一電流供應至該待偵測阻抗來產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測電壓，或接收來自該光感測器的感測電流並作為一大小追隨該感測電流的第二電流。
積分電容電連接於該電流產生模組，並將來自該電流產生模組的該第二電流轉換成一正比於該感測電流大小的積分電壓。
取樣保持模組電連接該積分電容，且受控制以對該積分電壓進行取樣和保持以得到一正比於該感測電流大小的感應電壓。輸出模組接收一列控制信號，且電連接該電流產生模組及該取樣保持模組，用以該偵測電壓或該感應電壓轉換成一輸出電流，並受該列控制信號控制以決定是否輸出該輸出電流。
本發明之第三目的，即在提供一種偵測電路。
該偵測電路，包含一輸出端、一第一電晶體、一第二電晶體及一開關。
該第一電晶體具有一接收一偏壓的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端。該第二電晶體具有一電連接該第一電晶體的第二端的第一端、一連接一待 偵測阻抗的第二端及一接收該輸入電壓的控制端，且該第二電晶體的第二端用以產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測信號。開關接收所對應的列控制信號，且電連接該輸出端與該第二電晶體的第二端間，以接收來自該第二電晶體的偵測信號，且受該列控制信號控制以決定是否輸出該偵測信號到該輸出端。
本發明之功效相較於先前技術能更節省體積，而能應用於陣列式讀取裝置。
1‧‧‧偵測陣列
P1,1~Pm,n‧‧‧偵測電路
V1~V(n)‧‧‧輸出端
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
12‧‧‧開關
11‧‧‧偏壓電路
Vbias‧‧‧第一偏壓
VDD‧‧‧偏壓
VIN‧‧‧輸入電壓
10‧‧‧待偵測阻抗
gm2‧‧‧轉導Rdetector阻抗值
vin、vo‧‧‧小信號成分
2‧‧‧偏壓調整單元
21‧‧‧輸入緩衝器
211‧‧‧運算放大器
22‧‧‧高通濾波器
221‧‧‧運算放大器
VREF‧‧‧參考電壓
222‧‧‧電容
223‧‧‧第一電阻
224‧‧‧第二電阻
23‧‧‧輸出緩衝器
VB1~VB(n)‧‧‧輸出
3‧‧‧選擇單元
VOUT‧‧‧輸出電壓
31‧‧‧行選擇器
32‧‧‧多工器
33‧‧‧緩衝器
4‧‧‧列選擇器
50‧‧‧感測器
51‧‧‧光偵側元件
8‧‧‧雙功能讀取電路
5‧‧‧電流產生模組
S1~S5‧‧‧第一至第五開關
61‧‧‧積分電容
62‧‧‧積分重設開關
6‧‧‧取樣保持模組
61‧‧‧積分電容
62‧‧‧積分重設開關
63‧‧‧讀取開關
64‧‧‧取樣電容
65‧‧‧取樣重設開關
7‧‧‧輸出模組
71‧‧‧輸出電晶體
72‧‧‧輸出開關
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一是本發明陣列式讀取裝置之較佳實施例的方塊圖；圖2是該較佳實施例的電路圖；圖3是一偵測電路的小信號電路圖；圖4是一開關的電路圖；圖5是本發明雙功能讀取電路之較佳實施例的電路圖；圖6是雙功能讀取電路操作於阻抗偵測模式的電路圖；及圖7是雙功能讀取電路操作於光感測模式的電路圖。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的 說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明陣列式讀取裝置之較佳實施例包含一偵測陣列1、一偏壓調整單元2、一選擇單元3及一列選擇器4。
列選擇器4用於產生m個列控制信號VCR1~VCR(m)。
該偵測陣列1接收一輸入電壓VIN，且電連接該列選擇器4以接收該m個列控制信號，且該偵測陣列1包括m×n個偵測電路P1,1~Pm,n，其中，m、n為正整數，同一列上的n個偵測電路接收所對應的同一列控制信號，參閱圖2(為方便說明僅畫出一個偵測電路)，每一偵測電路P1,1~Pm,n各自具有一輸出端V1~V(n)、一第一電晶體M1、一第二電晶體M2、一開關12及一偏壓電路11。
每一第一電晶體M1具有一接收一偏壓VDD的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端。
每一第二電晶體M2具有一電連接所對應的第一電晶體M1的第二端的第一端、一連接一待偵測阻抗10的第二端及一接收該輸入電壓VIN的控制端，且該第二電晶體M2的第二端用以產生一正比該待偵測阻抗10大小的偵測信號。又在本實施例中，該第一及第二電晶體M1、M2是一P型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是源極，該第二端是汲極，該控制端是閘極，但不限於此。
在此進一步說明本實施例如何應用於偵測人體皮膚阻抗，該待偵測阻抗10可視為人體皮膚上阻抗，而該 輸入電壓是一正弦波信號，可將該偵測電路P1,1視為如圖3的小信號分析電路，其電壓增益Av如式1：
當調整該二電晶體M1、M2的長寬比(W/L)，使gm2>>gm1時，可推得：
其中，參數vo、vin分別為該第二電晶體M2的汲極與閘級電壓中的小信號成分，gm1、gm2分別為該第一、第二電晶體M1、M2的轉導值，Rderector為該待偵測阻抗10的阻抗值。由式2可得知由於vin及gm1都是已知，因此，而vo正比於Rderector，因此，只要量測vo的大小，即可推出Rderector。
回到參閱圖2，每一開關12接收所對應的列控制信號，且電連接所對應的輸出端V1與該第二電晶體M2的第二端間，以接收來自該第二電晶體M2的偵測信號，且受該列控制信號控制以決定是否輸出該偵測信號到該輸出端V1。同一行上的m個偵測電路的輸出端V1~V(n)電連接一起。該開關12的具體元件如圖4所示。
偏壓電路11接收一第一偏壓Vbias1且電連接該第二電晶體M2的控制端，用以提供該第二電晶體M2所需的直流工作電壓。
偏壓調整單元2電連接每一偵測電路的輸出端V1~V(n)，且將來自同一列上的n個偵測電路的偵測信號進 行偏壓準位調整，而產生n個對應輸出VB1~VB(n)，每一輸出的大小正比於所對應的偵測信號。且該偏壓調整單元2包括n個輸入緩衝器21、n個高通濾波器22及n個輸出緩衝器23。
每一輸入緩衝器21電連接於所對應行上的每一偵測電路的開關以接收來自其中之一開關的偵測信號，且加強該偵測信號的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該偵測信號V1之電壓的輸出。該輸入緩衝器21包括一運算放大器211，該運算放大器211具有一接收該輸入電壓的非反相輸入端(+)、一反相輸入端(-)，及一電連接該反相輸入端的輸出端。
每一高通濾波器22電連接所對應的輸入緩衝器21以接收來自該輸入緩衝器21的輸出，且進行緩衝器21的輸出訊號放大或調整直流準位，來產生一振幅實質上相同於該偵測信號之濾波電壓。該高通濾波器22包括一運算放大器221、一電容222、一第一電阻223及一第二電阻224。
運算放大器221具有一接收一參考電壓VREF的非反相輸入端(+)、一反相輸入端，及一輸出端。電容222具有一接收來自所對應的該輸入緩衝器21的輸出的第一端，及一第二端。第一電阻223電連接該電容222的第二端與該運算放大器221的反相輸入端之間。第二電阻224電連接該運算放大器221的反相輸入端與該輸出端之間。
每一輸出緩衝器23電連接所對應的高通濾波器 22以接收該濾波電壓，且加強該濾波電壓的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該濾波電壓的輸出VB1。
選擇單元3電連接該偏壓調整單元2以接收該n個輸出，且受控制以選擇該n個輸出的其中之一作為一輸出電壓VOUT，該輸出電壓VOUT大小正比於所選擇的輸出。該選擇單元包括：一行選擇器31、一多工器32及一緩衝器33。
行選擇器31接收一行控制信號且電連接該偏壓調整單元2以接收來自該偏壓調整單元2的n個輸出，並根據該行控制信號將該n個輸出進行順序排列，再輸出。多工器32接收一控制信號且電連接該行選擇器以接收來自該行選擇器31的n個輸出，並根據該控制信號以選擇該n個輸出的其中之一。緩衝器33電連接該多工器32以接收該多工器所選擇的n個輸出的其中之一，並加強來自該多工器32的該輸出的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該輸出的輸出電壓VOUT。
參閱圖5，本發明雙功能讀取裝置之較佳實施例，且該雙功能讀取裝置受控制切換於一阻抗偵測模式或一光感測模式，且雙功能讀取裝置包含一第一電晶體M1、一感測器50及一雙功能讀取電路8。
第一電晶體M1具有一接收一偏壓VDD的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端。
感測器50根據所感測物產生一感測電流，且在本實施例中，該感測器50包括一光偵側元件51，但不限於 此，也可以是一根據離子濃度產生該感測電流的生物偵測元件(圖未示)，該光偵側元件51根據所感測光產生該感測電流，該光偵側元件51是一光電轉換二極體，光電轉換二極體具有一接收一偏壓VDD的陰極及一陽極。
雙功能讀取電路8包括一電流產生模組5、一積分電容61、一積分重設開關62、一取樣保持模組6及一輸出模組7。
電流產生模組5接收一輸入電壓VIN，且電連接該第一電晶體M1、該光感測器及一待偵測阻抗，且受控制以決定是否將該輸入電壓轉換成一第一電流I1供應至該待偵測阻抗10來產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測電壓，或接收來自該光感測器50的感測電流並作為一大小追隨該感測電流的第二電流I2。其中，該電流產生模組5包括一第二電晶體M2、第一至第五開關S1~S5。
第二電晶體M2具有一第一端、一第二端，及一接收該輸入電壓VIN的控制端。
第一開關S1電連接該第一電晶體的第二端與該第二電晶體的第一端間，且受控制於導通與不導通間切換。第二開關S2電連接該光電轉換二極體的陽極及該第二電晶體M2的第一端間，且受控制於導通與不導通間切換。第三開關S3電連接該待偵測阻抗10與該第二電晶體M2的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換。第四開關S4電連接該積分電容61與該第二電晶體M2的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換。第五開關S5電連接該輸出模 組7與該第二電晶體M2的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換。
如圖6所示，當操作於該阻抗偵測模式時，該第一及第三及第五開關S1、S3、S5為導通，該第二及第四開關S2、S4不導通。如圖7所示，當操作於該光感測模式時，該第一及第三及第五開關S1、S3、S5為不導通，該第二及第四開關S2、S4為導通。
積分電容61電連接於該電流產生模組5，並將來自該電流產生模組5的該第二電流I2轉換成一正比於該感測電流大小的積分電壓，如式3所示：
其中，參數Vint是積分電壓值，參數是感測電流值I(t)，參數Cint是該積分電容值，參數t為積分時間。
積分重設開關62並聯於該積分電容61，且受控制而於導通或不導通之間切換，並於導通時將該積分電容61所儲存的電荷清除。
取樣保持模組6，電連接該積分電容61，且受控制以對該積分電壓進行取樣和保持以得到一正比於該感測電流大小的感應電壓。該取樣保持模組6包括：一讀取開關63、一取樣電容64及一取樣重設開關65。
讀取開關63具有一電連接該積分電容61的第一端和一電連接該第五開關S5之第二端的第二端，且受控制而於導通或不導通之間切換；取樣電容64具有一電連接於該讀取開關63之 第二端的第一端和一接地的第二端。
取樣重設開關65並聯於該取樣電容64，且受控制而於導通或不導通之間切換，並於導通時將該取樣電容64所儲存的電荷清除。
輸出模組7接收一來自列選擇器4的列控制信號，且電連接該電流產生模組5及該取樣保持模組6，用以該偵測電壓或該感應電壓轉換成一輸出電流，並受該列控制信號控制以決定是否輸出該輸出電流，且該輸出模組7包括一輸出電晶體71及一輸出開關72。
該輸出電晶體71具有一提供該輸出電流的第一端、一接地的第二端，及一接收該積分電壓或該感應電壓的控制端。在本實施例中，該輸出電晶體71是一P型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是源極，該第二端是汲極，該控制端是閘極，但不限於此。
該輸出開關72電連接輸出端V1與該輸出電晶體71的第一端間，且根據該列控制信號的控制於導通與不導通間切換。
又本實施例中的雙功能讀取裝置可應用於上述陣列式讀取裝置實施例中的偵測陣列1中，作為偵測電路P1,1~Pm,n。
綜上所述，上述實施例的偵測電路P1,1~Pm,n以電晶體實現相較於先前技術能更節省體積，而能應用於陣列式讀取裝置，而陣列式讀取裝置相較於單一讀取裝置的優勢在於即使有一偵測電路故障，但其他偵測電路仍能作 動，而具有較高的靈敏度與訊號雜訊比，又利用選擇單元能將所偵測的信號一一輸出，進行後段處理形成影像，故確實能達成本發明之目的。
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專利說明書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‧‧‧偵測陣列
P1,1~Pm,n‧‧‧偵測電路
V1~V(n)‧‧‧輸出端
VIN‧‧‧輸入電壓
2‧‧‧偏壓調整單元
VB1~VB(n)‧‧‧輸出
3‧‧‧選擇單元
VOUT‧‧‧輸出電壓
31‧‧‧行選擇器
32‧‧‧多工器
33‧‧‧緩衝器
4‧‧‧列選擇器

Claims (7)

  1. 一種陣列式讀取裝置，包含：一偵測陣列1，接收一輸入電壓及m個列控制信號，且該偵測陣列包括m×n個偵測電路，m、n為正整數，同一列上的n個偵測電路接收所對應的同一列控制信號，每一偵測電路具有：一輸出端；一第一電晶體，該第一電晶體具有一接收一偏壓的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端；一第二電晶體，該第二電晶體具有一電連接該第一電晶體的第二端的第一端、一連接一待偵測阻抗的第二端及一接收該輸入電壓的控制端，且該第二電晶體的第二端用以產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測信號；及一開關，接收所對應的列控制信號，且電連接該輸出端與該第二電晶體的第二端間，以接收來自該第二電晶體的偵測信號，且受該列控制信號控制以決定是否輸出該偵測信號到該輸出端；同一行上的m個偵測電路的輸出端電連接一起；一偏壓調整單元，電連接每一偵測電路的輸出端，且將來自同一列上的n個偵測電路的偵測信號進行偏壓準位調整，而產生n個對應輸出，每一輸出的大小正比於所對應的偵測信號，該偏壓調整單元包括： n個輸入緩衝器，每一輸入緩衝器電連接於所對應行上的每一偵測電路的開關以接收來自其中之一開關的偵測信號，且加強該偵測信號的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該偵測信號之電壓的輸出；n個高通濾波器，每一高通濾波器電連接所對應的輸入緩衝器以接收來自該輸入緩衝器的輸出，且調整該輸入緩衝器的輸出的直流準位，來產生一振幅實質上相同於該偵測信號之濾波電壓；及n個輸出緩衝器，每一輸出緩衝器電連接所對應的高通濾波器以接收該濾波電壓，且加強該濾波電壓的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該濾波電壓的輸出；一選擇單元，電連接該偏壓調整單元以接收該n個輸出，且受控制以選擇該n個輸出的其中之一作為一輸出電壓，該輸出電壓大小正比於所選擇的輸出。
  2. 如請求項1所述的陣列式讀取裝置，該選擇單元包括：一行選擇器，接收一行控制信號且電連接該偏壓調整單元以接收來自該偏壓調整單元的n個輸出，並根據該行控制信號將該n個輸出進行順序排列，再輸出；一多工器，接收一控制信號且電連接該行選擇器以接收來自該行選擇器的n個輸出，並根據該控制信號以選擇該n個輸出的其中之一；及一緩衝器，電連接該多工器以接收該多工器所選擇 的n個輸出的其中之一，並加強來自該多工器的該輸出的驅動力，並據此提供一大小實質上相同於該輸出的輸出電壓。
  3. 一種雙功能讀取裝置，包含：一第一電晶體，具有一接收一偏壓的第一端、一第二端及一電連接於其第二端的控制端；一感測器，根據所感測物產生一感測電流；及一雙功能讀取電路，包括：一電流產生模組，接收一輸入電壓，且電連接該第一電晶體、該感測器及一待偵測阻抗，且受控制以決定是否將該輸入電壓轉換成一第一電流供應至該待偵測阻抗來產生一正比該待偵測阻抗大小的偵測電壓，或接收來自該感測器的感測電流並作為一大小追隨該感測電流的第二電流，該電流產生模組包括：一第二電晶體，具有一第一端、一第二端，及一接收該輸入電壓的控制端；一第一開關，電連接該第一電晶體的第二端與該第二電晶體的第一端間，且受控制於導通與不導通間切換；一第二開關，電連接該光偵測元件及該第二電晶體的第一端間，且受控制於導通與不導通間切換； 一第三開關，電連接該待偵測阻抗與該第二電晶體的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換；一第四開關，電連接該電容與該第二電晶體的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換；及一第五開關，電連接該輸出模組與該第二電晶體的第二端間，且受控制於導通與不導通間切換；該雙功能讀取電路受控制切換於一阻抗偵測模式或一光感測模式，當操作於該阻抗偵測模式時，該第一及第三及第五開關為導通，該第二及第四開關不導通；當操作於該光感測模式時，該第一及第三及第五開關為不導通，該第二及第四開關為導通。 ；一積分電容，電連接於該電流產生模組，並將來自該電流產生模組的該第二電流轉換成一正比於該感測電流大小的積分電壓；一取樣保持模組，電連接該積分電容，且受控制以對該積分電壓進行取樣和保持以得到一正比於該感測電流大小的感應電壓；及一輸出模組，接收一列控制信號，且電連接該電流產生模組及該取樣保持模組，用以該偵測電壓 或該感應電壓轉換成一輸出電流，並受該列控制信號控制以決定是否輸出該輸出電流。
  4. 如請求項3所述的雙功能讀取裝置，其中，該感測器包括：一光偵測元件，根據所感測光的波段產生該感測電流。
  5. 如請求項4所述的雙功能讀取裝置，該取樣保持模組6包括：一讀取開關，具有一電連接該積分電容的第一端和一第二端，且受控制而於導通或不導通之間切換；一取樣電容，具有一電連接於該讀取開關之第二端的第一端和一接地的第二端；及一取樣重設開關，並聯於該取樣電容，且受控制而於導通或不導通之間切換，並於導通時將該取樣電容所儲存的電荷清除。
  6. 如請求項4所述的雙功能讀取裝置，其中，該輸出模組包括：一輸出電晶體，具有一提供該輸出電流的第一端、一接地的第二端，及一接收該積分電壓或該感應電壓的控制端；及一輸出開關，接收該列控制信號，且電連接該輸出電晶體的第一端，且受該列控制信號控制於導通與不導通間切換。
  7. 如請求項3所述的雙功能讀取裝置，其中，該感測器包 括：一生物偵測元件，根據所感測的離子濃度產生該感測電流。
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