【發明內容】及【實施方式】
下面的揭示提供許多用來施行所提供之專利標的不同特徵的不同實施例或範例，以下說明組件和配置的特定範例以簡化本揭發明。當然，這些僅僅是範例，而且並不欲為限制性的。對所述裝置、系統、方法之任何的改變和進一步修正、以及本發明之原理的任何其他應用已被充分思量，就像熟悉本發明所屬技藝者一般想得到的。例如，針對一個實施例所敘述的特徵、組件、及/或步驟可以和針對本發明之其他實施例所敘述的特徵、組件、及/或步驟相結合而構成依據本發明之裝置、系統、或方法的另一實施例，即可這樣的組合並未被明確地顯示出。此
外，為了簡潔起見，在有些例子中，在全部的附圖中使用相同的參考數字來表示相同或類似的部件。
本發明一般係有關光學感測系統及方法，尤其有關用來補償光學感測系統的光源以工作於操作溫度範圍下之電路、系統、和方法。本發明之目的在於提供經溫度補償的光源，其輻射能輸出通常在整個操作溫度範圍上保持恆定。本發明之另一目的在於提供LED驅動電路，其可經由校準程序而與大部分現有的LED一起工作。在被校準後，該LED驅動電路即可操作而產生電流，其補償該給定的LED而使得當環境溫度改變時，該LED的輸出功率通常保持恆定。本發明之又一目的在於提供校準方法，其可被施行於光學感測系統中達成上述的溫度補償。
參照圖1，其中所顯示者為依據本發明實施例所建構之光學感測系統10的示意局部示圖。光學感測系統10包含LED 12，其陽極11係耦接至供電電壓VDD，及其陰極13經由開關30而被耦接至電流源28(被進一步討論於後)。順向電流ILED流經LED 12，並且致使其產生光(或輻射能)。LED 12可產生可見光或不可見光，其包含紫外光和紅外光。LED 12可包括任何適合的半導體材料，諸如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鎵砷(GaAsP)、氮化銦鎵(InGaN)、磷化鋁鎵(AlGaP)、和磷化鋁鎵銦(AlGaInP)。
光學感測系統10進一步包含光二極體14，其陽極15係連接至地(VSS)，及其陰極17係連接至連接至供電電壓V
DD的開關(例如，重設開關)。光二極體14，例如，經由反射而離開表面、藉由介質的繞射、或透射過介質而接收LED 12之輻射能的至少一部分。回應的是，光二極體14產生自其陰極17至其陽極15的電流，此電流藉由偵測電路16而被感測到以供進一步處理。 [0009] LED 12的特性為，如果電流I
LED保持恆定，則當環境溫度增加時，其輻射能輸出減少。此種隨著環境溫度的變化影響光二極體14和偵測電路16偵測輻射能可靠性的能力。結果是，光二極體14的靈敏度受到在LED 12的輻射能輸出中有多少變化所限制。對於操作遍及寬廣的環境溫度範圍上的應用而言(例如，從0℃到70℃的商用等級溫度範圍、從-40℃到85℃的工業用等級溫度範圍、或從-55 ℃到125℃的軍用等級溫度範圍)，高度地希望使LED 12的輻射能輸出在整個操作溫度上保持恆定或通常是恆定的(例如，在幾個百分比之內)。本發明對此問題提供如下所進一步討論的解決方案。 [0010] 仍參照圖1，光學感測系統10進一步包含模組18和模組20，模組18為隨溫度而變的(temperature-dependent)電流產生器，模組20為不隨溫度而變的(temperature-independent)電流產生器。模組18係操作成產生電流I
S。模組20係操作成產生電流I
R。在本實施例中，電流I
S回應環境溫度的增加(或減少)而增加(或減少)。在另一實施例中，當環境溫度增加(或減少)時，電流I
S一階線性地增加(或減少)。在本發明中，術語「一階線性地」意謂當溫度是在所定義的範圍之內(諸如，在所期望的操作範圍之內)時，電流I
S可以在下面的等式(1)中被模型化為絕對溫度T的線性等式，而且溫度T的任何二階或更高階的影響可被忽略。「一階線性地」的相同定義適用於包含電壓、電流、功率、和電阻之其他變數及電路參數的討論。 ，其中，
m和
I
0 為常數且
m ＞ 0[0011] 相反地，電流I
R係與環境溫度一階無關的，亦即，其在整個操作的環境溫度範圍上保持相當地恆定，而且環境溫度的任何二階或更高階的影響可被忽略。 [0012] 光學感測系統10進一步包含電流加法器(或電流模式加法器)22。電流加法器22係操作成產生電流I
B，其為電流I
S和I
R的加權總和。在本實施例中，電流加法器22將第一權重W
S施加於電流I
S，並且將第二權重W
R施加於電流I
R。因此，電流I
B在等式(2)中被表示於下：
[0013] 在本實施例中，藉由控制單元24來提供權重W
S和W
R而且它們各自為多位元的向量。在有些範例中，控制單元24為特殊應用積體電路(ASIC)或其他處理電路，其係操作成從記憶體元件中讀取電腦可執行指令，並且提供藉由執行該等指令之在本文中所述的功能性。在實施例中，權重W
S和W
R為使用者可程式化來微調(或校準)電流I
B。如同上面可從等式(1)及(2)中所看出者，電流I
B為具有正斜率之絕對溫度T的線性等式。此外，當權重W
S和W
R被歸一化至總和為1時，其溫度相依性係在I
S與I
R的溫度相依性之間。對於給定的LED 12而言，使用者可調整W
S和W
R的值來推導適當的I
B，其補足LED 12的溫度相依性。換言之，其致使LED 12的輻射能輸出在整個操作的環境溫度範圍上通常保持恆定的。一旦適當的W
S和W
R值被找到(或被校準)，此等值即可被儲存在非揮發性記憶體(例如，做為控制單元24中的數字位元)中。這提供了光學感測系統10在關機(power-off)和開機(power-on)之後可恢復適當的操作，而不需要重複校準程序。 [0014] 仍參照圖1，在本實施例中，光學感測系統10進一步包含電流乘法器26，其將電流I
B乘以控制向量A
CTRL並且產生電流I
A如下：
[0015] 在本實施例中，藉由控制單元24來提供控制向量A
CTRL。在應用時，使用者可經由A
CTRL的一組值而手動或自動地步進，其最終在LED 12處產生一組光學輸出功率。此可被用來校準LED 12和光二極體14，以便為光學感測系統10找到需要的工作條件。在實施例中，一旦LED 12和光二極體14被校準於標稱溫度(例如，於室溫時)，A
CTRL的值就被儲存在非揮發性記憶體中，並且被光學感測系統10所使用於後續的操作中。 [0016] 在實施例中，電流源28為將電流I
A複製至LED 12的電氣路徑之電流鏡。實際上，當開關30被打開(或關閉)時，I
LED等於I
A。I
A的溫度相依性補足LED 12的溫度相依性。在實施例中，開關30被控制而打開和關閉以使LED 12週期性地脈動(pulse)。例如，LED 12可以用1至2微秒(μs)的週期被打開持續200到300奈秒(ns)。 [0017] 參照圖2A，光學感測系統10進一步包含帶差(bandgap)電壓參考電路19，其係操作成提供電壓電位V
R。電壓V
R係與環境溫度一階無關的。電壓V
R被供應至電流產生器18 (圖2A和圖2B)及電流產生器20 (圖3)做為參考電壓。 [0018] 仍參照圖2A，隨溫度而變的電流產生器18之實施例被示意地繪示出。電流產生器18包含雙極電晶體Q
1。在此實施例中，雙極電晶體Q
1為PNP電晶體，其射極係耦接至節點45，且其基極和集極係耦接至節點50。在本實施例中，節點50被接地(亦即，被耦接至地電位V
SS)。在節點45處的電壓電位V
BE係一階反比於環境溫度。換言之，當溫度係在所定義的範圍之內(諸如，在所期望的操作範圍之內)時，電壓V
BE可以被模型化為絕對溫度T的線性等式(4)，而且溫度T的任何二階或更高階的影響可被忽略。 ，其中，
n和
V
0 為常數且
n ＞ 0[0019] 電流產生器18進一步包含電阻器R
1和R
2，其係串聯連接在參考電壓V
R與地V
SS之間。電阻器R
1和R
2係耦接至共同節點32。電阻器R
1和R
2的電阻值係與環境溫度一階無關的。因此，節點32處的電位V
32係與環境溫度一階無關，並且在等式(5)中被表示於下。 [0020] 電流產生器18進一步包含運算放大器X
1。運算放大器X
1具有耦接至節點32的非反向輸入端子、耦接至節點36的反向輸入端子、和耦接至節點38的輸出端子。電流產生器18進一步包含場效電晶體(FET) M
3，其閘極係耦接至節點38、其源極係耦接至節點36、且其汲極係耦接至節點42。運算放大器X
1的負反饋路徑係形成從節點38經由FET M
3而至節點36。當電流產生器18在操作期間到達平衡時，節點36處的電壓電位V
36由於該負反饋路徑而等於電壓電位V
32。 [0021] 電流產生器18進一步包含耦接在節點36與節點45之間的電阻器R
3。電阻器R
3的電阻值係與環境溫度一階無關的。流經電阻器R
3的電流I
Q1在等式(7)中被表示於下。 [0022] 結合等式(4)到(7)結果是下面的等式(8)。
[0023] 如同可從等式(8)中所看出者，電流I
Q1為具有正斜率之絕對溫度T的一階線性等式。換言之，當環境溫度T增加時，電流I
Q1一階線性地增加。 [0024] 仍參照圖2A，由於運算放大器X
1之輸入端子的高阻抗，由電晶體M
3所流出之電流I
M3實際上等於電流I
Q1。電流產生器18進一步包含電流鏡47，其將電流I
M3複製至輸出節點46處的輸出電流I
S。電流I
S在等式(9)中被表示於下。
[0025] 如同可從等式(9)中所看出者，電流產生器18係操作成產生電流I
S，當環境溫度T增加時，電流I
S一階線性地增加。 [0026] 在圖2A所示的實施例中，電流鏡47具有兩個耦接於其閘極端子的FET M
1和M
2。在替換實施例中，電流鏡47可使用雙極電晶體或FET(諸如，金屬氧化物FET)來予以施行，並且可使用任何架構來予以施行。 [0027] 參照圖2B，其中所顯示者為電流產生器18的另一實施例。除了此實施例使用NPN雙極電晶體Q
1’而不是PNP雙極電晶體Q
1之外，此實施例具有與圖2A中所示之實施例基本上相同的組件。電晶體Q
1’的射極係耦接至節點50，而節點50在此實施例中被接地。電晶體Q
1’的基極和集極係耦接至節點36。此實施例的電路分析可以用和上面相同的方式來進行。 [0028] 參照圖3，不隨溫度而變的電流產生器20之實施例被示意地繪示出。電流產生器20包含運算放大器X
2，其非反向輸入端子係耦接至參考電壓V
R、其反向輸入端子係耦接至節點62、及其輸出端子係耦接至節點56。電流產生器20進一步包含耦接在節點62與地電位V
SS之間的電阻器R
4。電阻器R
4的電阻值係與環境溫度一階無關的。電流產生器20進一步包含FET M
6，其閘極係耦接至節點56、其源極係耦接至節點62、及其汲極係耦接至節點60，用以產生電流I
M6。電流產生器20進一步包含電流鏡65，其將電流I
M6複製至輸出電流I
R。電流鏡65在此實施例中具有兩個FET M
4和M
5。在替換實施例中，電流鏡65可使用雙極電晶體或FET (諸如，金屬氧化物FET)來予以施行，並且可使用任何架構來予以施行。 [0029] 當電流產生器20在操作期間到達平衡時，節點62處的電壓電位V
62由於從節點56到節點62的負反饋路徑而等於電壓電位V
R。實際上，下面恆真： [0030] 如等式(10)中所示，電流產生器20係操作成產生與環境溫度一階無關的電流I
R。 [0031] 參照圖4，加權電流加法器22的代表性實施例被局部地繪示出。特別是，圖4繪示出權重W
R到電流I
R的施加。電流加法器22包含用以接收輸入電流I
R的FET M
7和用以使輸出電流I
WR流出(sourcing)的FET M
8-1, M
8-2, … M
8-i…和M
8-Z。在實施例中，Z可以是大於零(0)的任何整數。該多個FET M
8-i(i在[1:Z]中)各自具有其閘極端子經由節點66而被耦接至FET M
7的閘極端子。基本上，該多個FET M
8-i各自係操作成複製輸入電流I
R。此外，該多個FET M
8-i各自被連接至開關，該開關藉由該向量W
R[1:Z]中之諸位元中的其中一個位元來予以控制。該電流加法器有效地產生I
WR= W
R．I
R。 [0032] 加權電流加法器22可包含用以將權重W
S施加於電流I
S的類似電路，藉以產生加權電流I
WS= W
S．I
S。 [0033] 加權電流加法器22可進一步包含電路，該電路係操作成結合I
WR和I
WS而產生I
B，使得：
[0034] 在各種實施例中，加權電流加法器22可以用任何架構來予以施行。以類似的形式，電流乘法器26可被施行而產生電流I
A，使得：
[0035] 參照圖5，電流源28的代表性實施例連同開關30和LED 12一起被局部地繪示出。在此實施例中，電流源28為具有FET M
9和M
10的電流鏡。當開關30被關閉時，該電流鏡係操作成將其輸入電流I
A複製至其輸出電流I
LED。在替換實施例中，電流源28可以用任何架構來予以施行。 [0036] 圖6A和6B繪示依據本發明之實施例，光學感測系統10的部分操作。參照圖6A，曲線70繪示(在給定的固定輸入電流)LED 12的輻射能輸出做為經溫度補償前之環境溫度的函數。LED 12的輻射能輸出隨著環境溫度從溫度t
1增加至溫度t
2而減少。 [0037] 參照圖6B，電流I
S、I
R、和I
LED之間的關係被繪示出。電流I
S隨著環境溫度而一階線性地增加(曲線74)。電流I
R係與環境溫度一階無關的(曲線76)。電流I
LED隨著環境溫度而一階線性地增加(曲線78)。在範例中，圖1中之LED驅動電路的各種組件以及控制向量W
S、W
R、和A
CRTL被選擇而使得曲線78補足曲線70。 [0038] 圖6A進一步繪示LED 12在被使用I
LED來予以溫度補償之後的輻射能輸出，其係顯示於曲線72中。隨著環境溫度從溫度t
1增加至溫度t
2，LED 12的輻射能輸出保持恆定或接近恆定(例如，變化係在使用者選擇的臨界值之內)，此克服了先前所討論之隨溫度而變的問題。 [0039] 圖7繪示針對給定之LED 12進行溫度補償之方法100的流程圖。圖8繪示光學感測系統10之部分組件之校準方法150的流程圖。方法100和150各自其部分或全部可藉由光學感測系統10來予以施行。了解到可在方法100和150各者之前、期間、之後提供額外的操作，而且所述的一些操作可以為該等方法的其他實施例而被替代、取消、或變化順序。方法100和150僅僅是範例，而且不想要將本發明限制於申請專利範圍中所明確詳述者之外。 [0040] 參照圖7，方法100包含操作102、104、106、108、110、及112。這些操作配合上面的圖1至6B而被進一步討論於下。 [0041] 在操作102，方法100提供第一電流I
S，其一階線性地增加於當環境溫度增加時(見圖1、2A、2B、和6B)。在操作104，方法100提供第二電流I
R，其係與環境溫度一階無關的(見圖1、3、和6B)。在操作106，方法100將第一權重W
S施加於第一電流I
S，藉以產生第一加權電流I
WS(見圖1和4)。在操作108，方法100將第二權重W
R施加於第二電流I
R，藉以產生第二加權電流I
WR(見圖1和4)。在操作110，方法100結合第一和第二加權電流I
WS和I
WR，藉以產生結合的加權電流I
B(見圖1)。在操作112，方法100將結合之加權電流I
B推導出的電流I
LED施加於LED 12(見圖1、5、和6B)。在實施例中，推導出的電流I
LED係藉由將結合之加權電流I
B乘以振幅控制向量A
CRTL來予以獲得到的(見圖1)。 [0042] 參照圖8，方法150包含操作152、154、156、158、160、162、164、及166。這些操作配合上面的圖1至7而被進一步討論於下。測量、計算、和儲存可藉由執行電腦可讀取碼之處理邏輯(諸如，控制單元24)來予以實施，以提供本文中所述的功能。在實施例中，以置放於溫度室中之光學感測系統10來實施操作152至166。該溫度室可被控制而為光學感測系統10設定環境溫度。 [0043] 在操作152，方法150初始化光學感測系統10的各種組件(圖1)。在實施例中，操作152包含初始化振幅控制向量A
CRTL。在實施例中，此係實施為針對LED 12和光二極體14之校準程序的一部分。例如，振幅控制向量A
CRTL可以被設定而使得LED 12和光二極體14在諸如室溫的標稱操作溫度時針對想要的偵測靈敏度而適當地工作。在實施例中，操作152進一步包含初始化權重W
S和W
R，並且使用權重W
S和W
R和圖7中所述之各種操作來提供初始電流I
LED。操作152可包含設定為在方法150期間可被調整之預設值的參數之初始值。 [0044] 在操作154，方法150測量LED 12的輻射能輸出做為基準(baseline)功率。操作154可使用熱型偵測器、量子型偵測器、或者任何其它適合的偵測器。此量測可被實施於諸如室溫的標稱操作溫度時。 [0045] 在操作156，方法150設定與標稱操作溫度不同的環境溫度。例如，此溫度可以是打算為光學感測系統10所用之最高或最低的操作溫度。在實施例中，溫度室可被控制來設定不同的環境溫度。 [0046] 在操作158，方法150測量在操作156所設定之溫度時之LED 12的輻射能輸出。在實施例中，方法150在不同的所選擇溫度時可重複操作156和158多次。例如，所選擇溫度可包含最高的期望操作溫度、最低的期望操作溫度、和標稱操作溫度。在範例中，所選擇溫度包含0、20、和70℃。方法150可選擇其他溫度及/或使用更多的溫度點。然而，至少兩個溫度被選擇於此校準程序中。方法150記錄在各個所選擇溫度時測量到之LED 12的輻射能輸出。 [0047] 在操作160，方法150計算在所選擇之環境溫度點中LED 12之輻射能輸出的變化(例如，變化百分比)。 [0048] 在操作162，方法150檢查變化是否在臨界值之內。臨界值可為使用者可程式化並且配合光二極體14中之偵測靈敏度而被設計的。例如，使用者可將臨界值設定為5 %。該臨界值為影響光學感測系統10之感測解析度之因素的其中一者。 [0049] 如果LED 12之輻射能輸出的變化係在該臨界值之內，則方法150將各種控制資訊儲存在非揮發性記憶體(例如，在控制單元24處或者在另一個適當的地方)內，其包含振幅控制向量A
CRTL和權重W
S和W
R。此係藉由操作164來予以實施的。當光學感測系統10再度被關斷電源或接通電源時，所儲存之值自動被載入和施加於該系統之個別的組件而不需要重新校準。 [0050] 如果LED 12之輻射能輸出的變化係在該臨界值之外，則方法150在操作166改變權重W
S和W
R的其中一者或兩者，並且回到操作154。重複上面的操作154、156、158、160、162、及166直到適合的權重W
S和W
R組被找到為止。如果所有的權重W
S和W
R都已經被找遍而且沒有任何解答被找到，則方法150可以採取其他行動，諸如更換LED 12或者更換光學感測系統10的另一個組件。 [0051] 雖然不打算要限制，但是本發明的一或多個實施例將許多好處提供給使用LEDs做為光源的光學感測系統。因為大部分的LEDs具有其相對的輻射能輸出隨著環境溫度增加而減少的特性，所以本發明的實施例提供補償此等LEDs工作於溫度範圍之下的電路、系統、和方法。當溫度改變於操作溫度範圍之內時，依據本發明之態樣之經溫度補償的LED使其輻射能輸出保持恆定或接近恆定，此大大地改善光學感測系統的靈敏度。各種實施例可適用於具有隨溫度而變之發射特性之其他類型的光源。 [0052] 在一個代表性態樣中，本發明係有關用於光源(諸如，發光二極體)的溫度補償電路。該光源具有如果流經該光源之電流保持恆定，則該光源之輻射能輸出在環境溫度增加時減少的特性。該溫度補償電路包含使第一電流流出的第一機構，該第一電流和環境溫度的增加成正比地增加。該溫度補償電路進一步包含使第二電流流出的第二機構，該第二電流係與環境溫度一階無關的。該溫度補償電路進一步包含使第三電流流出的加權電流加法器，藉由將第一和第二電流分別與施加於第一和第二電流的第一和第二權重相結合。該溫度補償電路進一步包含第三機構，其回應第三電流而用以將第四電流供應至光源，以使該光源的輻射能輸出保持恆定而與環境溫度無關。 [0053] 在另一個代表性態樣中，本發明係有關經溫度補償的光源。該經溫度補償的光源包含發光二極體(LED)，用以回應於施加至該LED之第一電流而產生輻射能輸出，該LED具有當環境溫度增加且第一電流保持恆定時該輻射能輸出減少的特性。該經溫度補償的光源進一步包含第一電流源、第二電流源、加權電流加法器、和第三電流源，第一電流源係組構成產生第二電流，第二電流一階線性地增加於環境溫度增加時，第二電流源係組構成產生第三電流，第三電流係與環境溫度一階無關的，加權電流加法器係組構成藉由分別加總第二和第三電流分別與施加於第二和第三電流的第一和第二權重而產生第四電流，並且第三電流源回應於第四電流，而且被組構成將經溫度補償的第一電流供應至該LED。 [0054] 在又一個代表性態樣中，本發明係有關補償發光二極體(LED)以工作於環境溫度範圍之下的方法。該方法包含提供一階線性地增加於環境溫度增加時之第一電流、提供與環境溫度一階無關之第二電流、將第一權重施加於第一電流藉以產生第一加權電流、將第二權重施加於第二電流藉以產生第二加權電流、以及藉由加總第一加權電流和第二加權電流而產生第三電流。該方法進一步包含回應該第三電流而將第四電流施加於該LED。 [0055] 上述概略說明幾個實施例的特徵而使得習於此技藝者可以對本發明的態樣有較佳的了解。習於此技藝者應領會到，他們可以很容易地使用本發明做為用來設計或修正其他製程和結構的基礎，用以實施同樣的目的及/或達成本文中所介紹之實施例的相同優點。習於此技藝者也應認識到，此等等同的構造並未違離本發明的精神和範疇，而且也應認識到，他們可以做出本文中的各種改變、取代、和替換，而沒有違離本發明的精神和範疇。
[0056] 10：光學感測系統 11：LED的陽極 12：發光二極體(LED) 13：LED的陰極 14：光二極體 15：光二極體的陽極 16：偵測電路 17：光二極體的陰極 18：隨溫度而變的電流產生器 19：帶差電壓參考電路 20：不隨溫度而變的電流產生器 22：電流加法器 24：控制單元 26：電流乘法器 28：電流源 30：開關 32：共同節點 36：節點 38：節點 42：節點 45：節點 46：輸出節點 47：電流鏡 50：節點 56：節點 62：節點 65：電流鏡 66：節點 70, 72, 74, 76, 78：曲線 100, 150：方法 102, 104, 106, 108, 110, 112, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 166：操作 Q
1, Q
1’：雙極電晶體 R
1, R
2, R
3, R
4：電阻器 X
1, X
2：運算放大器 M
1, M
2, M
3, M
4, M
5, M
6, M
7, M
8-i, M
9, M
10：場效電晶體
[0004] 當閱讀附圖時，本發明之態樣從下面的詳細說明獲得最佳的了解。在此強調，依據工業的標準操作規程(standard practice)，各式各樣的特徵並未按尺寸繪出。實際上，為了討論上的清楚明瞭，各種特徵的尺寸大小可以任意地擴增或縮減。 圖1係依據本發明態樣之光學感測系統的簡化方塊圖； 圖2A係依據本發明之實施例，圖1中包含電流源模組之光學感測系統的局部示意圖； 圖2B係依據本發明之另一實施例，圖1中包含電流源模組之光學感測系統的局部示意圖；圖3係依據本發明之實施例，圖1中包含另一電流源模組之光學感測系統的局部示意圖；圖4係依據本發明之實施例，圖1中光學感測系統之加權電流加法器的局部示意圖；圖5係依據本發明之實施例，圖1中之光學感測系統的局部示意圖；圖6A和6B繪示依據本發明之實施例，圖1中之光學感測系統的部分操作；圖7顯示依據本發明之實施例，圖1中光學感測系統之LED之補償方法的流程圖；以及圖8顯示依據本發明之實施例，圖1中光學感測系統之部分組件之校準方法的流程圖。