TWI640293B - Photoelectric detection equipment and integrated circuit - Google Patents

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Abstract

公開了一種光電檢測設備和積體電路，所述光電檢測設備包括發光部件，用於發出光信號；驅動電路，用於驅動所述發光部件發光；光電轉換電路，用於根據接收到的光信號生成光電流信號；隔離電路，用於以隔離的方式傳輸所述光電流信號；環境光濾除電路，用於濾除所述光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號；電流放大單元，用於將所述淨光電流信號放大輸出經放大的光電流信號；模數轉換器，用於將經放大的光電流信號轉換為數位信號；以及控制電路，用於根據所述數位信號輸出光電檢測信號。本發明的光電檢測設備的電路結構適於集成，可以減小設備電路尺寸，同時，能以較小的功率運行，並具有較高的檢測精度。

Description

光電檢測設備和積體電路
本發明關於傳感及電路技術，具體關於一種光電檢測設備和用於光電檢測設備的積體電路。
光電感測器是採用光電元件作為檢測元件的感測器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然後借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電感測器廣泛地應用於心率檢測裝置中。
心率檢測感測器可以檢測人的心率，人們透過檢測到當前的心率值來判斷自己的健康狀況。心臟的收縮和擴張使血液在血管中波狀流動，血管中流過的血液量對光的反射率不同，心率檢測感測器就是透過檢測反射回來的光的波動計算出當前被檢測人的心率。
心率檢測感測器在檢測被檢測人的心率時需要被檢測人把手指或者手腕緊貼在晶片上，晶片內的發光設備向目標發射檢測光，然後透過光電轉換電路檢測手指或手腕反射回來的檢測光的強度。光電轉換電路經光照後產生光電流，光電流透過模數轉換電路轉換成數值，多次連續檢測 就可得出被檢測人的心率。
心率檢測感測器主要應用在可攜式設備中，例如手環，手機，智慧手錶等電子產品中，這類以電池供電的產品對於功耗的要求比較高。晶片內部集成的發光設備驅動的功耗是心率檢測感測器的主要功耗，但是發光設備發出的光的強弱和發光時間直接影響光電轉換電路接收到的光信號的振幅，振幅微弱變化的分辨直接受限於積分型數模轉換器解析度，繼而影響感測器的輸出，所以發光設備發出的光不能太弱，也不能時間過短，這樣功耗就比較高。
因此，如何控制進行心率檢測的光電檢測設備的功耗和電路尺寸是亟需解決的問題。
有鑑於此，本發明提供光電檢測設備和積體電路，以減小光電檢測設備的功耗和電路尺寸。
第一態樣，提供一種光電檢測設備，包括：發光部件，用於發出光信號；驅動電路，用於驅動所述發光部件發光；光電轉換電路，用於根據接收到的光信號生成光電流信號；隔離電路，用於以隔離的方式傳輸所述光電流信號；環境光濾除電路，用於濾除所述光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號；電流放大單元，用於將所述淨光電流信號放大輸出經 放大的光電流信號；模數轉換器，用於將經放大的光電流信號轉換為數位信號；以及控制電路，用於根據所述數位信號輸出光電檢測信號。
較佳地，所述隔離電路為連接在所述光電轉換電路和所述環境光濾除電路之間的電流鏡。
較佳地，所述驅動電路用於根據所述控制電路控制輸出脈衝序列以驅動所述發光部件發射光脈衝；所述電流放大單元包括：電流放大器，用於對所述淨光電流信號進行放大，輸出第一放大電流信號；偏置電路，用於為第一放大電流信號附加偏置電流輸出第二放大電流信號；低通濾波器，用於根據所述第二放大電流信號輸出平均電流信號；校正電路，用於從平均電流信號中濾除所述偏置電流輸出經放大的光電流信號。
較佳地，所述驅動電路用於根據所述控制電路控制輸出脈衝序列以驅動所述發光部件發射光脈衝；所述環境光濾除電路在第一模式下對流過的電流進行取樣獲取環境光對應的電流分量，並在第二模式下從流過的電流中濾除所述環境光對應的電流分量；其中，所述控制電路控制所述環境光濾除電路在光脈 衝序列開始時切換到第二模式，在光脈衝序列中的至少一個光脈衝間隙期間切換到第一模式，並在下一個光脈衝到來時切換回第二模式。
較佳地，所述電流放大器為可程式設計電流放大器；所述控制電路還用於根據所述數位信號調節所述驅動電路的輸出功率和所述可程式設計電流放大器的增益。
較佳地，所述可程式設計電流放大器包括：第一電晶體，汲極和源極連接在電流輸入端和接地端之間，閘極與汲極相互連接；M個電流放大支路，連接在電流輸出端和接地端之間，M為大於等於2的自然數；其中，每個所述電流放大支路包括串聯的第二電晶體和控制開關，其中，所述第二電晶體的閘極與所述第一電晶體的閘極連接。
較佳地，第i個電流放大支路的第二電晶體的尺寸為所述第一電晶體的2i-1倍，i=1,2,...,M；或者，每個所述第二電晶體具有與第一電晶體相同的尺寸。
較佳地，所述驅動電路、光電轉換電路、隔離電路、環境光濾除電路、電流放大單元、模數轉換器和控制電路形成為同一積體電路。
較佳地，所述光電檢測設備為心率檢測設備或距離檢測設備。
第二態樣，提供一種積體電路，包括：驅動電路，用於驅動發光部件發光； 光電轉換電路，用於根據接收到的光信號生成光電流信號；隔離電路，用於以隔離的方式傳輸所述光電流信號；環境光濾除電路，用於濾除所述光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號；電流放大單元，用於將所述淨光電流信號放大輸出經放大的光電流信號；模數轉換器，用於將經放大的光電流信號轉換為數位信號；控制電路，用於根據所述數位信號輸出光電檢測信號。
本發明實施例的光電檢測設備的電路結構適於集成，可以減小設備電路尺寸，同時，能以較小的功率運行，並具有較高的檢測精度。
11‧‧‧發光部件
12‧‧‧LED驅動電路
13‧‧‧光電轉換電路
14‧‧‧隔離電路
15‧‧‧環境光濾除電路
16‧‧‧電流放大單元
16a‧‧‧可編程電流放大器
16b‧‧‧偏置電路
16c‧‧‧低通濾波器
16d‧‧‧校正電路
17‧‧‧模數轉換器
18‧‧‧控制電路
透過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：圖1是本發明實施例的光電檢測設備的示意圖；圖2是本發明實施例的環境光濾除電路的工作波形圖；圖3是本發明實施例的可程式設計電流放大器的一種實施方式的示意圖；圖4是本發明實施例的可程式設計電流放大器的另一 種實施方式的示意圖。
以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。
此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。
同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路透過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。
除非上下文明確要求，否則整個說明書和申請專利範圍中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
圖1是本發明實施例的光電檢測設備的示意圖。
如圖1所示，所述光電檢測設備包括發光部件11、驅動電路12、光電轉換電路13、隔離電路14、環境光濾除電路15、電流放大單元16、模數轉換器17和控制電路18。
其中，發光部件11用於發出光信號，其較佳採用發光二極體(LED)。驅動電路12用於驅動發光部件11發光。在本發明實施例中，驅動電路用於根據所述控制電路控制輸出脈衝序列以驅動發光部件11發射光脈衝，亦即，驅動發光部件11以閃爍的方式發光。控制電路18可以通過控制信號VDR控制驅動電路輸出電流的大小、循環率和脈衝週期。由此，在測量期間，光電檢測設備可以檢測到光脈衝序列中每一個光脈衝被目標反射後的光強得到一個反射光的光強值序列，從而根據該光強值序列獲取目標的屬性，例如，心率相關參數或距離的變化等等。
光電轉換電路13用於根據接收到的光信號生成光電流信號。當然，本領域技術人員容易理解，光電轉換電路13並不區別檢測光和環境光，而是將所有接受到的光信號轉換為光電流。其中，在進行心率檢測期間，所述光電流至少部分是由發光部件11發出並經由目標反射的光導 致的。而在不進行檢測期間，或發光部件11不發光期間，光電流實際上是由環境光導致的。對於包括檢測期間的一段時間來看，光電流部分由發光部件11發出的光導致。光電轉換電路13較佳採用適於形成在半導體基底上的光電二極體，由此，可以使得光電轉換電路13可以與設備的其它部件集成在積體電路晶片上。
隔離電路14與光電轉換電路13連接，用於以隔離的方式傳輸所述光電流信號IPD。在圖1中，隔離電路14輸入光電流信號IPD，輸出電流信號Iin。電流信號Iin與光電流信號IPD相同。隔離電路14可以採用電流鏡電路實現，一方面可以隔離光電轉換電路對後續電路的影響，同時可以改變電流信號的流動方向，方便後續電路的設置。
環境光濾除電路15用於濾除所述光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號I1，亦即，濾除了環境光導致的電流分量後的光電流。具體地，環境光濾除電路15用於取樣光電流中的環境光並進而濾除環境光導致的分量，從而輸出表徵由目標反射的檢測光強度的電流信號。
在本實施例中，驅動電路12透過連續的脈衝信號序列驅動發光部件11發出光脈衝，亦即，按照預定的脈衝週期閃爍。由此，可以使得目標的反射光隨光源的閃爍而閃爍。每一次目標反射的光，均可以表徵對應時刻檢測目標的屬性，例如，可以表徵目標的位置或顏色屬性。由此，與脈衝信號序列對應地，可以得到該時間區間內目標 屬性隨時間變化的序列，從而完成檢測。
較佳地，本實施例的環境光濾除電路15可以與驅動電路12或控制電路18連接以獲知發光部件11的驅動信號時序，由此，環境光濾除電路14可以在開始檢測前(亦即光脈衝序列開始前)進行環境光檢測，同時，還可以在光脈衝序列期間，在光脈衝的間隙(亦即，發光部件11連續閃爍期間熄滅的時間內)進行環境光檢測，由此，可以實現可以在檢測期間對環境光進行一次或多次取樣，從而不需要大幅增加功耗，即可提高光電感測器以及應用其的光電檢測設備的準確性。
具體地，環境光濾除電路15在第一模式下對流過的電流進行取樣獲取環境光對應的電流分量，並在第二模式下從流過的電流中濾除所述環境光對應的電流分量。同時，控制電路18在光脈衝序列中的至少一個光脈衝間隙期間控制所述環境光濾除電路切換到第一模式，並在下一個光脈衝到來時切換到第二模式。
較佳地，控制電路18可以在每一個光脈衝間隙都控制環境光濾除電路15切換到第一模式，從而在整個光脈衝序列期間，每次發光部件發光後都進行環境光檢測，同時也可以每隔多個光脈衝，在對應的光脈衝間隙進行一次環境光檢測，亦即，所述控制電路18每隔預定數量的光脈衝週期(例如每隔8個光脈衝週期)在光脈衝間隙控制所述取樣及檢測電路切換到第一模式。
圖2本發明實施例的光電檢測設備的環境光濾除電路 的工作波形圖。
光電轉換電路13接收光所產生的總電流Iin為光脈衝信號導致的電流分量Ipulse_current與環境光導致的電流分量IBG之和。其中，電流分量Ipulse_current在發光部件不發光時為零，電流分量IBG隨環境光動態變化。
如圖2所示，Mode1和Mode2為模式信號的時序，兩者互補。ILED為發光部件11的驅動電流。在t0~t1階段，發光部件11不工作，只有環境光照射在光電轉換電路13，此時，環境光濾除電路15工作在第一模式，大部分的環境光導致的電流分量IBG與輸入的光電流Iin基本相同，由此，可以對其取樣，即I in I BG 。
在t1~t2階段，發光部件11開始工作，經目標反射回來的光脈衝信號和環境光照射在光電轉換電路中，此時，環境光濾除電路15工作在第二模式，也即，將取樣獲得的環境光對應的電流分量從輸入的光信號Iin中濾除。由此，可以更加精確地濾出環境光的影響，同時不必增加發光部件的功率。
在t2~t3階段，經過預定數量(例如3個)脈衝發光週期，在脈衝發光週期間隙中，環境光濾除電路15工作在第一模式，再次進行環境光取樣。從圖2可以看出，t2~t3階段的光脈衝間隙位於整個光脈衝序列的中間，一次測量所需要的光脈衝序列還沒有結束。由此，這樣的方式可以實現在測量中間多次取樣檢測環境光，保證環境光濾除的精確性。
從t3時刻後，電路切換到第二模式，再次重複濾除的操作，直至下一個預定的時間間隔後，再次在光脈衝間隙進行環境光對應的電流分量的取樣。如此反復。
由此，環境光濾除電路15在檢測期間，發光部件不發光時保持持續對環境光取樣，實現了環境光的即時追蹤，使得對環境光的濾除更加精確，最大限度的抑制了環境光變動產生的影響。
電流放大單元16用於將所述淨光電流信號I1放大輸出經放大的光電流信號Ia。
在驅動電路12以脈衝序列來驅動發光部件11發射光脈衝的方式發光時，輸入到電流放大單元16的經過濾的光電流I1呈現為脈衝序列或方波形式，為了便於後續的模數轉換器18(ADC)進行模數轉換，電流放大單元16可以包括電流放大器16a、偏置電路16b、低通濾波器16c和校正電路16d。其中，電流放大器16a用於對所述過濾的光電流信號進行放大，輸出第一放大電流信號I2。所述電流放大器的增益可以為固定增益，也可以為動態調節的可變的增益。
較佳地，所述電流放大器16a可以被設置為可程式設計電流放大器，從而具有可變的增益。控制電路18可以與可程式設計電流放大器連接輸出放大控制信號控制器增益。
圖3和圖4是可程式設計電流放大器的不同實施方式的示意圖。
如圖3所示，在一個可選的實施方式中，可程式設計電流放大器包括第一電晶體M1和M個電流放大支路。
其中，第一電晶體M1的汲極和源極連接在電流輸入端a和接地端之間，閘極g與汲極相互連接。同時，M個電流放大支路相互並列，連接在電流輸出端b和接地端之間，M為大於等於2的自然數。在圖3中，以M=3為例說明。每個電流放大支路包括串聯的第二電晶體M2i和對應控制開關，控制開關透過控制信號Si(i=1~3)控制。其中，所述第二電晶體的閘極與所述第一電晶體的閘極連接。第i個電流放大支路的第二電晶體的尺寸為所述第一電晶體的2i-1倍，i=1,2,...,M。也就是說，電晶體M21的尺寸與第一電晶體M1相同，電晶體M22的尺寸是第一電晶體M2的兩倍，電晶體M23的尺寸是第一電晶體M2的兩倍。圖3中，m用於表示其尺寸。由於電晶體的通流能力與其尺寸成比例，尺寸越大的電晶體通流能力越強。在對應支路的控制開關導通時，第二電晶體會與第一電晶體形成電流鏡，從而以對應的比例來複製或放大流過第一電晶體M1的電流。由此，透過調整控制電流放大支路的控制開關的導通和關斷，可以控制可程式設計放大器的電流放大增益。
如圖4所示，在一個可選的實施方式中，可變成電流放大器的電流放大支路包括第二電晶體M2i’和對應的控制開關，控制開關通過控制信號Ci(i=1~7)控制。但是，所有的第二電晶體M2i’具有與第一電晶體M1相同的尺 寸，圖4中，m用於表示其尺寸。由此，在對應支路的控制開關導通時，第二電晶體會與第一電晶體M1形成電流鏡，從而在該支路複製流過第一電晶體M1的電流。多個並列的電流放大支路可以實現對於輸入到第一電晶體的電流的放大。由此，透過調整控制電流放大支路的控制開關的導通和關斷，可以控制可程式設計放大器的電流放大增益。
較佳地，控制電路18可以控制驅動電路12的功率。對於心率檢測，由於每個人膚色不同，發光部件11發出的光信號通過皮膚反射回來的光信號強度不同，即白皮膚反射後得到的光信號比較強，反之，黑皮膚反射後得到的光信號比較弱。在光脈衝信號太弱時，會導致心率測不到或者是測量不準。為了保證心率檢測系統在任何情況下都可以精確測量，控制電路18根據接收到的數位信號判斷是否出現了光脈衝信號的過弱的情形，在此情形下，一方面增大驅動電路的驅動電流以提供其功率，另一方面調節可程式設計電流放大器的增益，從而提高了調整範圍，同時一定程度上可以保證不必大幅增加系統功耗。
偏置電路16b用於為第一放大電流信號I2附加偏置電流Ib輸出第二放大電流信號I3。偏置電流Ib加入的作用在於提高流入後級低通濾波器16c的電流振幅，一方面在電路啟動時加快啟動速度，另一方面在工作過程中放置電流過低影響性能。
低通濾波器16c用於根據所述第二放大電流信號I3 輸出平均電流信號Iavg。低通濾波器16c將呈現為脈衝序列或方波形式的第二放大電流信號I3平均，從而使得電流能量分佈均勻便於提高後續模數轉換的準確性。
校正電路16d用於從平均電流信號中濾除偏置電流輸出經放大的光電流信號Ia。校正電路16d根據控制電路18獲取發光部件11的工作時序，從而在發光部件11不發光時，進行取樣，此時取樣獲得的為加入的偏置電流，在LED發光時，校正電路16d將取樣得到的偏置電流從平均電流信號Iavg中濾除，由此，可以避免偏置電流的加入對於電路的負面影響。由此，輸出的經放大的光電流信號Ia。
模數轉換器17用於將經放大的光電流信號轉換為N位元數位信號Data0-DataN-1。具體地， 控制電路18用於根據數位信號輸出光電檢測信號。量化所需要的基準電流Iref1由電流基準電路提供，因此量化計算公式如下：，INT(*)為取整函數，AVG(*)為求平均函數。
電流基準電路為振盪器模組提供參考電壓Iref2，振盪器模組用於為數位信號處理單元提供時鐘信號CLK。數位信號處理單元作為晶片的大腦，控制各模組按照一定時序工作，同時其也包含一定數量的暫存器可用於暫時儲存量化得到的資料。
具體地，對於心率檢測來講單組資料是無用的，需要多組資料來計算心率週期，故可以將量化得到的資料暫存入控制電路18的暫存器中，當資料存夠預定數量後，透過標準資料介面(例如，I2C介面)將m組資料一起傳輸給外部微型處理器(MCU)進行後續處理。
同時，如圖1所示，控制電路18透過控制信號VC1、VC2和VC3分別控制背景光濾除電路15、可程式設計放大器16a和校正電路16d，使得對應的部件根據驅動電路12的驅動信號時序來進行相應的電流信號處理。
根據以上描述容易理解，除了發光部件11由於需要設置在特定位置以方便發射的光信號被光電轉換部件13接收外，其它的電路元件均可以集成在同一塊積體電路晶片上。而且，本發明實施例的電路大部分採用電晶體實現，週邊電路小，可以有效縮小電路規模，減小外部信號干擾，並降低生產成本。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (9)

  1. 一種光電檢測設備，包括：發光部件，用於發出光信號；驅動電路，用於驅動該發光部件發光；光電轉換電路，用於根據接收到的光信號生成光電流信號；隔離電路，用於以隔離的方式傳輸該光電流信號；環境光濾除電路，用於濾除該光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號；電流放大單元，用於將該淨光電流信號放大輸出經放大的光電流信號；模數轉換器，用於將經放大的光電流信號轉換為數位信號；以及控制電路，用於根據該數位信號輸出光電檢測信號，其中，該驅動電路用於根據該控制電路控制輸出脈衝序列以驅動該發光部件發射光脈衝；該環境光濾除電路在第一模式下對流過的電流進行取樣獲取環境光對應的電流分量，並在第二模式下從流過的電流中濾除所述環境光對應的電流分量；其中，該控制電路控制該環境光濾除電路在光脈衝序列開始時切換到第二模式，在光脈衝序列中的至少一個光脈衝間隙期間切換到第一模式，並在下一個光脈衝到來時切換回第二模式。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的光電檢測設備，其中，該隔離電路為連接在該光電轉換電路和該環境光濾除電路之間的電流鏡。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的光電檢測設備，其中，該驅動電路用於根據該控制電路控制輸出脈衝序列以驅動該發光部件發射光脈衝；該電流放大單元包括：電流放大器，用於對該淨光電流信號進行放大，輸出第一放大電流信號；偏置電路，用於為第一放大電流信號附加偏置電流輸出第二放大電流信號；低通濾波器，用於根據該第二放大電流信號輸出平均電流信號；校正電路，用於從平均電流信號中濾除該偏置電流，輸出經放大的光電流信號。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的光電檢測設備，其中，該電流放大器為可程式設計電流放大器；該控制電路還用於根據該數位信號調節該驅動電路的輸出功率和該可程式設計電流放大器的增益。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的光電檢測設備，其中，該可程式設計電流放大器包括：第一電晶體，汲極和源極連接在電流輸入端和接地端之間，閘極與汲極相互連接；M個電流放大支路，連接在電流輸出端和接地端之間，M為大於等於2的自然數；其中，各該電流放大支路包括串聯的第二電晶體和控制開關，其中，該第二電晶體的閘極與該第一電晶體的閘極連接。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的光電檢測設備，其中，第i個電流放大支路的第二電晶體的尺寸為該第一電晶體的2i-1倍，i=1,2,...,M；或者，各該第二電晶體具有與第一電晶體相同的尺寸。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的光電檢測設備，其中，該驅動電路、光電轉換電路、隔離電路、環境光濾除電路、電流放大單元、模數轉換器和控制電路形成為同一積體電路。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的光電檢測設備，其中，該光電檢測設備為心率檢測設備或距離檢測設備。
  9. 一種積體電路，包括：驅動電路，用於驅動發光部件發光；光電轉換電路，用於根據接收到的光信號生成光電流信號；隔離電路，用於以隔離的方式傳輸該光電流信號；環境光濾除電路，用於濾除該光電流信號中環境光對應的電流分量輸出淨光電流信號；電流放大單元，用於將該淨光電流信號放大輸出經放大的光電流信號；模數轉換器，用於將經放大的光電流信號轉換為數位信號；控制電路，用於根據該數位信號輸出光電檢測信號，其中，該驅動電路用於根據該控制電路控制輸出脈衝序列以驅動該發光部件發射光脈衝；該環境光濾除電路在第一模式下對流過的電流進行取樣獲取環境光對應的電流分量，並在第二模式下從流過的電流中濾除所述環境光對應的電流分量；其中，該控制電路控制該環境光濾除電路在光脈衝序列開始時切換到第二模式，在光脈衝序列中的至少一個光脈衝間隙期間切換到第一模式，並在下一個光脈衝到來時切換回第二模式。
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