TWI651929B - 感測電路 - Google Patents

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TWI651929B
TWI651929B TW107114926A TW107114926A TWI651929B TW I651929 B TWI651929 B TW I651929B TW 107114926 A TW107114926 A TW 107114926A TW 107114926 A TW107114926 A TW 107114926A TW I651929 B TWI651929 B TW I651929B
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劉育榮
謝昊倫
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Abstract

一種感測電路包含：第一感測元件、第一感測電晶體、第一電源開關和輸出電路。第一感測元件用於依據感測結果輸出第一感測電壓訊號。第一感測電晶體的第一端和第二端分別耦接於第一節點和第二節點，第一感測電晶體的控制端用於接收第一感測電壓訊號，第一感測電晶體用於依據第一感測電壓訊號產生第一感測電流訊號。第一電源開關的第一端用於接收第一參考電壓，第一電源開關的第二端耦接於第二節點，第一電源開關的控制端用於接收第一時脈訊號。輸出電路耦接於第一節點和訊號輸出端，用於接收第二參考電壓以及自第一節點接收第一感測電流訊號，並用於輸出輸出電壓訊號至訊號輸出端。其中當第一電源開關處於導通狀態時，輸出電路依據第一感測電流訊號輸出輸出電壓訊號，當第一電源開關處於關斷狀態時，輸出電壓訊號等於第二參考電壓。

Description

感測電路
本揭示文件有關一種感測電路，尤指一種具有低接通電阻的感測電路。
第1圖為傳統的感測電路100的功能方塊圖。感測電路100可以是光感測電路或壓力感測電路。感測電路100中的電晶體130依據感測元件110的感測結果，產生對應的感測電流訊號Isen。電晶體140則依據時脈訊號CLK決定感測電流訊號Isen傳遞至輸出電路120的時機。
然而，當感測電流訊號Isen流過電晶體140的接通電阻150(on resistance)時，會產生節點電壓Vx，而節點電壓Vx會使得感測電流訊號Isen的大小降低。因此，感測電路100會面臨感測結果失真的問題。
有鑑於此，如何提供感測結果不受訊號路徑上的接通電阻影響的感測電路，實為業界有待解決的問題。
本揭示文件提供一種感測電路，該感測電路包含：第一感測元件、第一感測電晶體、第一電源開關和輸 出電路。該第一感測元件用於依據感測結果輸出一第一感測電壓訊號。該第一感測電晶體包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一感測電晶體的該第一端和該第二端分別耦接於一第一節點和一第二節點，該第一感測電晶體的一控制端用於接收該第一感測電壓訊號，該第一感測電晶體用於依據該第一感測電壓訊號產生一第一感測電流訊號。該第一電源開關包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一電源開關的該第一端用於接收一第一參考電壓，該第一電源開關的該第二端耦接於該第二節點，該第一電源開關的該控制端用於接收一第一時脈訊號。該輸出電路耦接於該第一節點和一訊號輸出端，用於接收一第二參考電壓以及自該第一節點接收該第一感測電流訊號，並用於輸出一輸出電壓訊號至該訊號輸出端。其中當該第一電源開關處於導通狀態時，該輸出電路依據該第一感測電流訊號輸出該輸出電壓訊號，當該第一電源開關處於關斷狀態時，該輸出電壓訊號等於該第二參考電壓。
上述感測電路的輸出電壓訊號可真實反映感測結果以避免失真。
100‧‧‧傳統感測電路
110‧‧‧感測元件
120‧‧‧輸出電路
130~140‧‧‧電晶體
150‧‧‧接通電阻
200、400、600‧‧‧感測電路
210‧‧‧輸出電路
212‧‧‧重置開關
214‧‧‧電阻
216‧‧‧運算放大器
220、420‧‧‧第一讀取電路
222、422‧‧‧第一感測電晶體
224、424‧‧‧第一電源開關
230‧‧‧第一感測元件
620‧‧‧第二讀取電路
622‧‧‧第二感測電晶體
624‧‧‧第二電源開關
630‧‧‧第二感測元件
Vx‧‧‧節點電壓
VDD‧‧‧預設高電壓
VSS‧‧‧預設低電壓
Vsen1~Vsen2‧‧‧第一感測電壓訊號~第二感測電壓訊號
Vout‧‧‧輸出電壓訊號
Vn1‧‧‧第一節點電壓
Isen‧‧‧感測電流訊號
Isen1~Isen2‧‧‧第一感測電流訊號~第二感測電流訊號
N1~N3‧‧‧第一節點~第三節點
Out‧‧‧訊號輸出端
CLK‧‧‧時脈訊號
CLK1~CLK3‧‧‧第一時脈訊號~第三時脈訊號
T1~T5‧‧‧第一時段~第五時段
為讓揭示文件之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為傳統的感測電路的功能方塊圖。
第2圖為根據本揭示文件一實施例的感測電路簡化後 的功能方塊圖。
第3圖為第2圖的感測電路的電壓波形示意圖。
第4圖為依據本揭示文件另一實施例的感測電路簡化後的功能方塊圖。
第5圖為第4圖的感測電路的電壓波形示意圖。
第6圖為依據本揭示文件再一實施例的感測電路簡化後的功能方塊圖。
第7圖為第6圖的感測電路的電壓波形示意圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
第2圖為根據本揭示文件一實施例的感測電路200簡化後的功能方塊圖。感測電路200包含輸出電路210、第一讀取電路220和第一感測元件230。第一感測元件230用於依據感測結果輸出第一感測電壓訊號Vsen1。第一讀取電路220用於決定將第一感測電壓訊號Vsen1轉換為對應的第一感測電流訊號Isen1的時機。輸出電路210則用於將第一感測電流訊號Isen1放大並轉換為輸出電壓訊號Vout進行輸出。為使圖面簡潔而易於說明，感測電路200中的其他元件與連接關係並未繪示於第2圖中。
實作上，第一感測元件230可以用鋯鈦酸鉛(PZT)或是壓電聚偏氟乙烯(PVDF)高分子聚合物等等壓電材料來實現，也可以用光敏電阻或光電二極體等等光電元件來實 現。
第一讀取電路220包含第一感測電晶體222和第一電源開關224。第一感測電晶體222的第一端和第二端分別耦接於第一節點N1和第二節點N2，第一感測電晶體222的控制端則用於自第一感測元件230接收第一感測電壓訊號Vsen1，其中第一感測電晶體222的第一端用於提供第一感測電流訊號Isen1至第一節點N1。第一電源開關224的第一端用於接收第一參考電壓，第一電源開關的第二端耦接於第二節點N2，第一電源開關224的控制端則用於接收第一時脈訊號CLK1。
在本實施例中，第一參考電壓可以是一預設高電壓VDD，第一感測電晶體222可以用各種合適的N型電晶體來實現，第一電源開關224則可以用各種合適的P型電晶體來實現，但本實施例並不以此為限。
輸出電路210包含重置開關212、電阻214和運算放大器216。重置開關212的第一端耦接於第一節點N1，該重置開關212的第二端耦接於訊號輸出端Out，重置開關212的控制端則用於接收第二時脈訊號CLK2。電阻214耦接於第一節點N1和訊號輸出端Out之間。運算放大器216的第一輸入端(例如，正相輸入端)用於接收第二參考電壓，運算放大器216的第二輸入端(例如，反相輸入端)耦接於第一節點N1，運算放大器216的輸出端耦接於訊號輸出端OUT。
在本實施例中，第二參考電壓可以是一預設低 電壓VSS，重置開關212則可以用各種合適的N型電晶體來實現，但本實施例並不以此為限。
換言之，在第2圖的實施例中，第一參考電壓(例如，預設高電壓VDD)大於第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。
以下將搭配第3圖來進一步說明感測電路200的運作。第3圖為第2圖的感測電路200的電壓波形示意圖。在第一時段T1中，第一時脈訊號CLK1和第二時脈訊號CLK2皆為高電壓準位，第一電源開關224會關斷而重置開關212則會導通。因此，第一讀取電路220不會輸出第一感測電流訊號Isen1，且第一節點N1和訊號輸出端Out會具有相同的電壓準位。
值得一提的是，運算放大器216的第一輸入端和第二輸入端為虛短路(Virtual Short)而具有大致相同的電壓準位，使得第一節點N1的第一節點電壓Vn1大致等於第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。因此，在第一時段T1中，輸出電路210輸出的輸出電壓訊號Vout會被重置為預設低電壓VSS。
在第二時段T2中，第一時脈訊號CLK1和第二時脈訊號CLK2皆為低電壓準位，第一電源開關224會導通而重置開關212則會關斷。因此，第一參考電壓(例如，預設高電壓VDD)會被完整傳遞至第二節點N2，而第一感測電晶體222則會依據預設高電壓VDD和第一感測電壓訊號Vsen輸出第一感測電流訊號Isen1至第一節點N1。若電阻 214具有電阻值R，則輸出電壓訊號Vout的大小可由下列的《公式1》表示：Vout=VSS-Isen1×R 《公式1》
在第三階段T3中，第一時脈訊號CLK1和第二時脈訊號CLK2皆為高電壓準位，第一電源開關224再度關斷而重置開關212則再度導通。因此，第一讀取電路220會停止輸出第一感測電流訊號Isen1，且輸出電壓訊號Vout再度被重置為預設低電壓VSS。
由上述可知，當第一電源開關224處於導通狀態時，重置開關212會處於關斷狀態，當第一電源開關224處於關斷狀態時，重置開關212會處於導通狀態。因此，當第一電源開關224導通時，輸出電路210會依據第一感測電流訊號Isen1產生輸出電壓訊號Vout，而當第一電源開關224關斷時，輸出電壓訊號Vout會等於第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。
第4圖為依據本揭示文件另一實施例的感測電路400簡化後的功能方塊圖。感測電路400相似於感測電路200，差異在於感測電路400包含第一讀取電路420而不是第一讀取電路220。第一讀取電路420包含第一感測電晶體422和第一電源開關424。第一感測電晶體422的第一端和第二端分別耦接於第一節點N1和第二節點N2，第一感測電晶體422的控制端則用於自第一感測元件230接收第一感測電壓訊號Vsen1，其中第一感測電晶體422的第二端用於提供第一感測電流訊號Isen1至第二節點N2。第一電源開關 424的第一端用於接收第一參考電壓，第一電源開關的第二端耦接於第二節點N2，第一電源開關224的控制端則用於接收第一時脈訊號CLK1。
在本實施例中，第一參考電壓可以是一預設低電壓VSS，第一感測電晶體422可以用各種合適的P型電晶體來實現，第一電源開關424則可以用各種合適的N型電晶體來實現，但本實施例並不以此為限。
另外，感測電路400的運算放大器216的第一輸入端(例如，正相輸入端)所接收的第二參考電壓，可以是一預設高電壓VDD。而重置開關212則可以用各種合適的N型電晶體來實現，但本實施例並不以此為限。
換言之，在第4圖的實施例中，第一參考電壓小於第二參考電壓。
以下將搭配第5圖來進一步說明感測電路400的運作。第5圖為第4圖的感測電路400的電壓波形示意圖。在第一時段T1中，第一時脈訊號CLK1為高電壓準位，第二時脈訊號CLK2為低電壓準位，使得第一電源開關424導通且重置開關212關斷。
此時，由於運算放大器216的第一輸入端和第二輸入端為虛短路，第一節點N1近似於第二參考電壓(例如，預設高電壓VDD)。第一參考電壓(例如，預設低電壓VSS)則會被完整傳遞至第二節點N2。因此，第一感測電晶體422會產生第一感測電流訊號Isen1，且第一感測電流訊號Isen1會以第一節點N1至第二節點N2的方向傳遞。若電 阻214具有電阻值R，則輸出電壓訊號Vout的大小可由下列的《公式2》表示：Vout=VDD+Isen1×R 《公式2》
在第二階段T2中，第一時脈訊號CLK1為低電壓準位，第二時脈訊號CLK2為高電壓準位，使得第一電源開關424關斷且重置開關212導通。因此，第一讀取電路420會停止輸出第一感測電流訊號Isen1，且輸出電壓訊號Vout會被重置為第二參考電壓(例如，預設高電壓VDD)。
在第三階段T3中，第一時脈訊號CLK1為高電壓準位，第二時脈訊號CLK2為低電壓準位，使得第一電源開關424再度導通，而重置開關212再度關斷。因此，第一讀取電路420會再度輸出第一感測電流訊號Isen1，使得輸出電壓訊號Vout具有如上述《公式2》所示的大小。
感測電路400中許多功能方塊的運作方式以及優點，相似於感測電路200，為簡潔起見，在此不重覆贅述。
第6圖為依據本揭示文件再一實施例的感測電路600簡化後的功能方塊圖。感測電路600相似於感測電路200，差異在於感測電路600除了包含第一讀取電路220，另包含第二讀取電路620和第二感測元件630。
第二讀取電路620包含第二感測電晶體622和第二電源開關624。第二感測元件630用於依據感測結果輸出第二感測電壓訊號Vsen2。第二感測電晶體622的第一端和第二端分別耦接於第一節點N1和第三節點N3，第二感測電晶體622的控制端用於接收第二感測電壓訊號Vsen2。第 二感測電晶體622還用於依據第二感測電壓訊號Vsen2產生第二感測電流訊號Isen2。第二電源開關624的第一端用於接收第一參考電壓(例如，預設高電壓VDD)，第二電源開關624的第二端耦接於第三節點N3，第二電源開關624的控制端用於接收第三時脈訊號CLK3。
在本實施例中，第一參考電壓可以是一預設高電壓VDD，第二參考電壓可以是一預設低電壓VSS。第二感測電晶體622可以用各種合適的N型電晶體來實現，第二電源開關624則可以用各種合適的P型電晶體來實現，但本實施例並不以此為限。亦即，第二讀取電路620的連接關係和運作方式，相似於第一讀取電路220，為簡潔起見，在此不重複贅述。
以下將搭配第7圖來進一步說明感測電路600的運作。第7圖為第6圖的感測電路600的電壓波形示意圖。在第一時段T1中，第一時脈訊號CLK1、第二時脈訊號CLK2和第三時脈訊號CLK3為高電壓準位，使得第一電源開關224和第二電源開關624關斷，且重置開關212導通。因此，輸出電壓訊號Vout會被重置為第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。
在第二時段T2中，第一時脈訊號CLK1和第二時脈訊號CLK2為低電壓準位，第三時脈訊號CLK3為高電壓準位，使得第一電源開關224導通，且第二電源開關624和重置開關212關斷。此時，第一讀取電路220會輸出第一感測電流訊號Isen1至第一節點N1，第二讀取電路620則不 輸出第二感測電流訊號Isen2。因此，若電阻214具有電阻值R，輸出電壓訊號Vout會具有如上述《公式1》所示的大小。
感測電路600於第三時段T3中的運作相似於第一時段T1，為簡潔起見，在此不重複贅述。亦即，在第三時段T3中，輸出電壓訊號Vout會再度被重置為第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。
在第四時段T4中，第一時脈訊號CLK1為高電壓準位，第三時脈訊號CLK3和第二時脈訊號CLK2為低電壓準位，使得第一電源開關224和重置開關212關斷。此時，第二讀取電路620會輸出第二感測電流訊號Isen2至第一節點N1，第一讀取電路220則不輸出第一感測電流訊號Isen1。因此，輸出電壓訊號Vout可以用下列《公式3》表示：Vout=VSS-Isen2×R 《公式3》
感測電路600於第五時段T5中的運作相似於第一時段T1，為簡潔起見，在此不重複贅述。亦即，在第五時段T5中，輸出電壓訊號Vout會再度被重置為第二參考電壓(例如，預設低電壓VSS)。
由上述可知，當第一電源開關224或第二電源開關624處於導通狀態時，該重置開關212處於關斷狀態。當第一電源開關224或第二電源開關624處於關斷狀態時，該重置開關212處於導通狀態。並且，第一讀取電路220和第二讀取電路620會分別且依序產生第一感測電流訊號 Isen1和第二感測電流訊號Isen2。
因此，當輸出電路210透過第一節點N1接收到第一感測電流訊號Isen1或第二感測電流訊號Isen2時，輸出電路210會依據第一感測電流訊號Isen1或第二感測電流訊號Isen2產生輸出電壓訊號Vout。當輸出電路210沒有接收到第一感測電流訊號Isen1和第二感測電流訊號Isen2時，輸出電路210會將輸出電壓訊號Vout重置為第二參考電壓。
在某些實施例中，感測電路600包含第一讀取電路420而不是第一讀取電路220，且第二讀取電路620相似於第一讀取電路420。在此情況下，感測電路600包含第一感測電晶體422、第二感測電晶體622、第一電源開關424和第二電源開關624，其中第一感測電晶體422和第二感測電晶體622可以用各種合適的P型電晶體來實現，且第一電源開關424和第二電源開關624可以用各種合適的N型電晶體來實現。
在另外一些實施例中，感測電路600可包含兩個以上的讀取電路，且所有的讀取電路依序輸出感測電流訊號至第一節點N1。當輸出電路210透過第一節點N1接收到感測電流訊號時，輸出電路210會依據感測電流訊號產生輸出電壓訊號Vout。當輸出電路210沒有接收到感測電流訊號時，輸出電路210會將輸出電壓訊號Vout重置為第二參考電壓。
由上述可知，於感測電路200、400和600中， 第一電源開關224和424以及第二電源開關624的接通電阻，皆不會影響第一感測電流訊號Isen1或第二感測電流訊號Isen2的大小。因此，感測電路200、400和600的輸出電壓訊號Vout可以真實反映感測結果，而不會有失真現象。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等訊號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或訊號連接至該第二元件。
應理解的是，說明書及申請專利範圍中使用的「電壓訊號」用語，在實作上可以用電流的形式來實現，而「電流訊號」用語在實作上可以用電壓的形式來實現。
另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
以上僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。

Claims (11)

  1. 一種感測電路，包含：一第一感測元件，用於依據感測結果輸出一第一感測電壓訊號；一第一感測電晶體，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一感測電晶體的該第一端和該第二端分別耦接於一第一節點和一第二節點，該第一感測電晶體的一控制端用於接收該第一感測電壓訊號，該第一感測電晶體用於依據該第一感測電壓訊號產生一第一感測電流訊號；一第一電源開關，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一電源開關的該第一端用於接收一第一參考電壓，該第一電源開關的該第二端耦接於該第二節點，該第一電源開關的該控制端用於接收一第一時脈訊號；一輸出電路，耦接於該第一節點和一訊號輸出端，用於接收一第二參考電壓以及自該第一節點接收該第一感測電流訊號，並用於輸出一輸出電壓訊號至該訊號輸出端；其中，當該第一電源開關處於導通狀態時，該輸出電路依據該第一感測電流訊號輸出該輸出電壓訊號，當該第一電源開關處於關斷狀態時，該輸出電壓訊號等於該第二參考電壓。
  2. 如請求項1的感測電路，其中，該第一節點的一第一節點電壓與該第二參考電壓相等。
  3. 如請求項1的感測電路，其中，該輸出電路包含：一重置開關，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該重置開關的該第一端耦接於該第一節點，該重置開關的該第二端耦接於該訊號輸出端，該重置開關的該控制端用於接收一第二時脈訊號；一電阻，耦接於該第一節點和該訊號輸出端之間；以及一運算放大器，包含：一第一輸入端，用於接收該第二參考電壓；一第二輸入端，耦接於該第一節點；以及一輸出端，耦接於該訊號輸出端；其中，當該第一電源開關處於導通狀態時，該重置開關處於關斷狀態，當該第一電源開關處於關斷狀態時，該重置開關處於導通狀態。
  4. 如請求項3的感測電路，其中，該第一感測電晶體為N型電晶體，該第一電源開關為P型電晶體，該重置開關為N型電晶體。
  5. 如請求項4的感測電路，其中，該第一參考電壓大於該第二參考電壓。
  6. 如請求項3的感測電路，其中，該第一感測電晶體為P型電晶體，該第一電源開關為N型電晶體，該重置開關為N型電晶體。
  7. 如請求項6的感測電路，其中，該第一參考電壓小於該第二參考電壓。
  8. 如請求項3的感測電路，另包含：一第二感測元件，用於依據感測結果輸出一第二感測電壓訊號；一第二感測電晶體，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第二感測電晶體的該第一端和該第二端分別耦接於該第一節點和一第三節點，該第二感測電晶體的該控制端用於接收該第二感測電壓訊號，該第二感測電晶體用於依據該第二感測電壓訊號產生一第二感測電流訊號；以及一第二電源開關，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中該第二電源開關的該第一端用於接收該第一參考電壓，該第二電源開關的該第二端耦接於該第三節點，該第二電源開關的該控制端用於接收一第三時脈訊號。
  9. 如請求項8的感測電路，其中，當該第一電源開關或該第二電源開關處於導通狀態時，該重置開關處於關斷狀態，當該第一電源開關或該第二電源開關處於關斷狀態時，該重置開關處於導通狀態。
  10. 如請求項8的感測電路，其中，該第一感測電晶體和該第二感測電晶體為N型電晶體，該第一電源開關和該第二電源開關為P型電晶體，該重置開關為N型電晶體。
  11. 如請求項8的感測電路，其中，該第一感測電晶體和該第二感測電晶體為P型電晶體，該第一電源開關和該第二電源開關為N型電晶體，該重置開關為N型電晶體。
TW107114926A 2018-05-02 2018-05-02 感測電路 TWI651929B (zh)

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