TWI687048B - 高線性光感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種高線性光感測器。光電元件將光能轉換為光電流流至第一電容。誤差放大器具有第一放大輸入端以及第二放大輸入端，分別連接參考電壓源以及第一電晶體的第一端。第二電晶體的第一端連接第二放大輸入端。第一電晶體的第二端連接第一電容。誤差放大器的輸出端連接第二電晶體的第二端。第一比較器比較第一電容的電壓，與一調變電壓以及參考電壓中較低者，以產生第一比較訊號。計數電路依據第一比較訊號進行計數。

Description

高線性光感測器
本發明涉及一種光感測器，特別是涉及一種高線性光感測器。
現在觸控式手機越來越流行，但由於手機採用觸控螢幕，用戶在進行通話時，臉部容易觸碰到手機螢幕而造成誤操作。因此，通常在手機上安裝光學趨近感測器。當光學趨近感測器檢測到光線被遮擋後，手機的系統判斷臉部靠近了觸控螢幕時，關閉觸控螢幕，以防止由於臉部貼近而產生的誤操作，並可以在通話過程中節省電量。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種高線性光感測器包含光電元件、第一比較器、採樣和保持電路以及計數電路。光電元件連接第一電容，配置以將照射通過光電元件的光能轉換為光電流流至第一電容。誤差放大器具有第一放大輸入端以及第二放大輸入端，分別連接參考電壓源以及第一電晶體的第一端。第二電晶體的第一端連接第二放大輸入端。第一電晶體的第二端連接第一電容。誤差放大器的輸出端連接第二電晶體的第二端。第一比較器具有第一比較輸入端以及第二比較輸入端，分別連接第一電容以及誤差放大器的輸出端。第一比較器配置以比較第一電容的電壓，與第二比較輸入端的一第一調變電壓，以產生第一比較訊號。採樣和保持電路連接第一電晶體的控制端、第二電晶體的控制端以及第一比較器的輸出端。採樣和保持電路配置以依據第一比較訊號控制第一電晶體以及第二電晶體的運作。計數電路連接第一比較器的輸出端，配置以依據第一比較訊號進行計數。
在一態樣中，第一比較器更包含一第三比較輸入端，連接參考電壓源。第一比較器配置以比較第一電容的電壓，與第二比較輸入端的第一調變電壓以及第三比較輸入端的一參考電壓中較低者，以產生第一比較訊號。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含第三電晶體，第三電晶體的第一端連接第一比較輸入端，第三電晶體的第二端接地，第三電晶體的控制端連接第一比較器的輸出端。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含延遲電路，連接在第三電晶體的控制端以及第一比較器的輸出端之間。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含電流鏡，連接光電元件以及第一電容。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含第二比較器，具有第四比較輸入端以及第五比較輸入端，分別連接第二電容以及誤差放大器的輸出端。第二比較器的輸出端連接計數電路。第二電容連接光電元件。第二比較器配置以比較第二電容的電壓與第五比較輸入端的一第二調變電壓，以輸出一第二比較訊號。
在一態樣中，第二比較器更包含一第六比較輸入端，連接參考電壓源，第二比較器配置以比較第二電容的電壓，與第五比較輸入端的第二調變電壓以及第六比較輸入端的參考電壓中較低者，以輸出第二比較訊號。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含類比多工器，連接在電流鏡以及第一電容之間以及在電流鏡以及第二電容之間，電流鏡連接光電元件。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含邏輯電路。邏輯電路的兩輸入端分別連接第一比較器的輸出端以及第二比較器的輸出端。邏輯電路的一輸出端連接計數電路。
在一態樣中，所述高線性光感測器更包含延遲電路，連接在邏輯電路的另一輸出端以及第四電晶體的控制端之間。第四電晶體的第一端連接第四比較輸入端。第四電晶體的第二端接地。
如上所述，本發明提供高線性光感測器，其有效解決現有光感測器的比較器的反應延遲時間以及在電容從波峰值下降至谷值所需耗費的放電下拉延遲時間，所造成的計數電路計數的脈波數量的誤差，進而在光感測器應用於電子裝置時，可依據正確的脈波數量精確地判斷電子裝置與檢測物體之間的距離。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
[第一實施例]
請一併參閱圖1，其為本發明第一實施例的高線性光感測器的電路布局圖；圖2、圖3為本發明第一實施例的高線性光感測器的訊號波形圖。圖3是圖2的訊號波形的部分放大示意圖，如圖2中的虛線圈Zoom-In圈起的部分電壓訊號在圖3中放大顯示。
如圖1所示，本實施例的高線性光感測器包含光電元件PD、誤差放大器ERA、第一比較器CMP1、採樣和保持電路SAH以及計數電路CNT。
光電元件PD將照射通過光電元件PD的環境光能轉換為光電流。光電元件PD連接電流鏡的第一感測電晶體T1。電流鏡的第二感測電晶體T2連接第一感測電晶體T1以及第一電容C3。光電元件PD的光電流經過電流鏡放大倍數N倍後流至第一電容C3，其中N可為任意適當的數值。
誤差放大器ERA具有第一放大輸入端以及第二放大輸入端。誤差放大器ERA的第一放大輸入端例如非反相輸入端連接參考電壓源，以從參考電壓源接收參考電壓VREF。誤差放大器ERA的第二放大輸入端例如反相輸入端通過電阻R1連接第一電晶體MSH的第一端，以及通過電容C1接地。
誤差放大器ERA的輸出端通過電阻R2以及電容C2接地，以及連接第二電晶體MST的第二端。第二電晶體MST的第一端通過電阻R1連接誤差放大器ERA的第二放大輸入端。第一電晶體MSH的第二端連接第一電容C3。誤差放大器ERA將參考電壓VREF與電容C1的電壓SHFB的差值乘以一增益後，輸出誤差放大訊號EAO。
第一比較器CMP1具有第一比較輸入端、第二比較輸入端以及第三比較輸入端。第一比較器CMP1的第一比較輸入端例如非反相輸入端連接第一電容C3。第一比較器CMP1的第二比較輸入端例如反相輸入端連接誤差放大器ERA的輸出端。第一比較器CMP1的第三比較輸入端例如反相輸入端連接參考電壓源。
當環境光強度較弱，光電元件PD產生的光電流較小，導致第一比較器CMP1所接收的參考電壓VREF低於誤差放大器ERA輸出的誤差放大訊號EAO的電壓時，第一比較器CMP1比較第一電容C3的電壓訊號PDRAMP1的電壓與參考電壓VREF，以產生第一比較訊號CMPO。
在光電元件PD產生的光電流對第一電容C3充電的過程中，電壓訊號PDRAMP1的電壓逐漸上升。第一比較器CMP1比較電壓訊號PDRAMP1的電壓與參考電壓VREF所需的反應時間將導致時間延遲。當光電流較小時，第一比較器CMP1的反應延遲時間佔電壓訊號PDRAMP1的一周期時間的比例較小，對計數電路CNT所計數的脈波數量影響不大。
然而，值得注意的是，如圖2所示，當環境光強度較強，光電元件PD產生的光電流較大，第一電容C3的電壓訊號PDRAMP1的波形的斜率較陡，第一比較器CMP1的反應延遲時間佔電壓訊號PDRAMP1的一周期時間的比例較大，將嚴重影響第一比較器CMP1判斷的電壓訊號PDRAMP1的線性度，進而導致計數電路CNT實際計數到的第一比較訊號CMPO的脈波數量少於正確的脈波數量。
為解決上述現有技術的問題，在本實施例，更進一步地，當光電元件PD產生的光電流較大，導致第一比較器CMP1判斷電壓訊號PDRAMP1的電壓高於參考電壓VREF時，輸出一高準位的第一比較訊號CMPO。採樣和保持電路SAH連接第一比較器CMP1的輸出端、第一電晶體MSH的控制端、第二電晶體MST的控制端。在第一比較器CMP1輸出第一比較訊號CMPO至計數電路CNT之前，採樣和保持電路SAH採樣並保持從第一比較器CMP1接收的第一比較訊號CMPO。計數電路CNT依據高準位的第一比較訊號CMPO進行計數，即計數第一比較訊號CMPO的脈波數量。
在第一比較器CMP1輸出第一比較訊號CMPO至計數電路CNT之後，採樣和保持電路SAH依據高準位的第一比較訊號CMPO輸出一脈波訊號，以控制第一電晶體MSH以及第二電晶體MST的運作，以如圖3所示，使第一比較器CMP1的第二比較輸入端的第一調變電壓SHFB的電壓等於參考電壓VEEF。其結果為，第一比較器CMP1所接收到的誤差放大訊號EAO的輸出的誤差放大訊號EAO的電壓低於參考電壓VREF。
當第一比較器CMP1所接收的誤差放大器ERA輸出的誤差放大訊號EAO的一調變電壓低於參考電壓VREF時，第一比較器CMP1比較第一電容C3的電壓訊號PDRAMP1的電壓與誤差放大訊號EAO的調變電壓，以產生第一比較訊號CMPO。其結果為，提早下拉電壓訊號PDRAMP1的電壓，預留了第一比較器CMP1的反應延遲時間，使電壓訊號PDRAMP1的線性度提高，進而提高計數電路CNT所計數的脈波數量的正確度。
本實施例的高線性光感測器可更包含延遲電路DLYI以及第三電晶體MPL1。延遲電路DLY1連接在第三電晶體MPL1的控制端以及第一比較器CMP1的輸出端之間。第三電晶體MPL1的第一端連接第一比較器CMP1的第四比較輸入端，第三電晶體MPL1的第二端接地。在計數電路CNT計數之後，延遲電路DLYI依據第一比較器CMP1的第一比較訊號CMPO，控制第三電晶體MPL1導通，使第一比較器CMP1的第四比較輸入端的電壓降為零值。
如上所述，在第一實施例中，解決現有光感測器的反應延遲時間，導致計數到的脈波數量與實際正確的脈波數量有誤差的問題。在實務上，如圖3所示的電壓訊號PDRAMP1的每個波形的峰值上升至等於或大於參考電壓VREF或調變電壓時，經由第一比較器CMP1比較出高準位的第一比較訊號CMPO後，需要經由一下拉延遲時間使得電壓訊號PDRAMP1的波形可以下拉到起始點，也就是使電壓訊號PDRAMP1的每個波形從峰值下降至谷值，以待光電元件PD產生的光電流再次對第一電容C3充電時，從此谷值再次逐漸上升至峰值。如此，電壓訊號PDRAMP1的多個波形的峰值才會相同。然而，此下拉延遲時間亦會影響計數的脈波數量的正確度。為解決此問題，如下第二與第三實施例提供具更高線性度的光感測器。
請參閱圖4，其為本發明第二實施例的高線性光感測器的電路布局圖。本實施例的高線性光感測器與第一實施例的高線性光感測器相同之處不在此贅述。相較之下，如圖1所示的高線性光感測器使用兩個反相輸入端(第二比較輸入端以及第三比較輸入端)，而如圖4所示的高線性光感測器則僅使用一個反相輸入端(第二比較輸入端)。
第一比較器CMP11的第一比較輸入端例如非反相輸入端連接第一電容C3。第一比較器CMP11的第二比較輸入端例如反相輸入端連接誤差放大器ERA的輸出端。
第一比較器CMP11配置以比較第一電容C3的電壓與第一比較器CMP11的第二比較輸入端例如反相輸入端的一第一調變電壓，以產生一第一比較訊號至計數電路CNT。計數電路CNT依據高準位的第一比較訊號進行計數，即計數第一比較訊號的脈波數量。
相比之下，第一實施例的高線性光感測器所需的穩定時間較短。然而，相比於第一實施例，本實施例只需一個反相輸入端，因此可節省高線性光感測器的電路成本。
請一併參閱圖5~圖7，其中圖5為本發明第三實施例的高線性光感測器的電路布局圖；圖6為本發明第三實施例的高線性光感測器的訊號波形圖；圖7為本發明第三實施例的高線性光感測器的計數脈波數量對光電流的曲線圖。本實施例與第一實施例相同之處，不在此贅述。
本實施例的高線性光感測器更包含邏輯電路SRFF、第二比較器CMP2、延遲電路DLY2以及第四電晶體MPL2。例如，邏輯電路SRFF為SR正反器或其他適用的邏輯電路元件，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
邏輯電路SRFF的第一輸入端S連接第一比較器CMP1的輸出端。邏輯電路SRFF的第二輸入端R連接第二比較器CMP2的輸出端。邏輯電路SRFF的一輸出端Q連接脈波邊緣計數電路CNTE以及延遲電路DLY1。延遲電路DLY1連接第三電晶體MPL1的控制端。第三電晶體MPL1的第一端連接第一比較器CMP1的第四比較輸入端。第三電晶體MPL1的第二端接地。
第二比較器CMP2具有第四比較輸入端、第五比較輸入端以及第六比較輸入端。第二比較器CMP2的第四比較輸入端例如非反相輸入端連接第二電容C4。第二比較器CMP2的第五比較輸入端例如反相輸入端連接誤差放大器ERA的輸出端。第二比較器CMP2的第六比較輸入端例如反相輸入端連接參考電壓源。
延遲電路DLY2連接在邏輯電路SRFF的另一輸出端以及第四電晶體MPL2的控制端之間。第四電晶體MPL2的第一端連接第二比較器CMP2的第四比較輸入端。第四電晶體MPL2的第二端接地。
值得注意的是，第二比較器CMP2、延遲電路DLY2、第四電晶體MPL2以及第二電容C4，與第一比較器CMP1、延遲電路DLY1、第三電晶體MPL1以及第一電容C3交替運作。在如圖6所示的電壓訊號PDRAMP1的電壓從峰值下降至谷值後，第一比較器CMP1、延遲電路DLY1、第三電晶體MPL1以及第一電容C3停止運作，而第二比較器CMP2、延遲電路DLY2、第四電晶體MPL2以及第二電容C4開始運作。
當第一電容C3的電壓訊號PDRAMP1的波形的電壓從峰值下降至谷值時，光電元件PD的光電流經過電流鏡放大倍數N倍後經由類比多工器MUX允許流至第二電容C4，以對第二電容C4充電，其中N為任意適當的數值。其結果為，如圖6所示的脈波訊號PS的工作週期中，電壓訊號PDRAMP2從波谷值逐漸上升至等於或大於誤差放大訊號EAO的電壓以及參考電壓VREF。
第二比較器CMP2將第二電容C4的電壓訊號PDRAMP2的電壓，與第二比較器CMP2的第五比較輸入端的第二調變電壓以及第二比較器CMP2的第六比較輸入端的參考電壓VREF中的其中較低者進行比較，以輸出第二比較訊號CM2至邏輯電路SRFF的第二輸入端R。邏輯電路SRFF依據第二比較訊號CM2輸出一轉換邊緣訊號至脈波邊緣計數電路CNTE。脈波邊緣計數電路CNTE依據高低準位的轉換邊緣訊號進行計數。
在如圖6所示的電壓訊號PDRAMP2的電壓從峰值下降至谷值後，第二組電路，包含第二比較器CMP2、延遲電路DLY2、第四電晶體MPL2以及第二電容C4停止運作，而第一組電路，包含第一比較器CMP1、延遲電路DLY1、第三電晶體MPL1開始運作。
第一比較器CMP1將第一電容C3的電壓訊號PDRAMP1的電壓，與第一比較器CMP1的第二比較輸入端的第一調變電壓以及第一比較器CMP1的第三比較輸入端的參考電壓VREF中的其中較低者進行比較，以輸出第一比較訊號CM1至邏輯電路SRFF的第一輸入端S。邏輯電路SRFF依據第一比較訊號CM1輸出一邏輯訊號至脈波邊緣計數電路CNTE。脈波邊緣計數電路CNTE依據高低準位的轉換邊緣訊號進行計數。
藉由第一組電路與第二組電路交替使用，電壓訊號PDRAMP1以及電壓訊號PDRAMP2在其中一者下降至谷值時，另一者接續產生，以達成等效上並無等待從峰值下降至峰谷的一放電下拉延遲時間，進而使脈波邊緣計數電路CNTE計數到的脈波數量正確，不會因為任何的延遲時間去影響脈波的計數。
如圖7所示，橫軸I PD代表光電元件的光電流，縱軸代表光感測器的脈波邊緣計數電路CNTE所計數的脈波數量。曲線WoEAO代表傳統習知光感測器所計數的脈波數量對光電元件的光電流的曲線，曲線一相代表本發明第一實施例的高線性光感測器所計數的脈波數量對光電元件PD的光電流的曲線，曲線兩相代表本發明第三實施例的高線性光感測器所計數的脈波數量對光電元件PD的光電流的曲線。顯然，本發明第三實施例的高線性光感測器可正確計數脈波數量，相比於習知光感測器，如圖7所示，計數的脈波數量增加68%，並且大幅度提升光電流與計數數量的線性度。
[實施例的有益效果]
綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明所提供高線性光感測器，其有效解決現有光感測器的比較器的反應延遲時間以及在電容從波峰值下降至谷值所需耗費的放電下拉延遲時間，所造成的計數電路計數的脈波數量的誤差，進而在光感測器應用於電子裝置時，可依據正確的脈波數量精確地判斷電子裝置與檢測物體之間的距離。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
PD:光電元件 T1:第一感測電晶體 T2:第二感測電晶體 C3:第一電容 MSH:第一電晶體 R1、R2:電阻 ERA:誤差放大器 VREF:參考電壓 SHFB:電壓 EAO:誤差放大訊號 C1、C2:電容 CMP1、CMP11:第一比較器 PDRAMP1:電壓訊號 MST:第二電晶體 SAH:採樣和保持電路 CNT:計數電路 CNTE:脈波邊緣計數電路 MPL1:第三電晶體 DLY1:延遲電路 Zoom-In:虛線圈 CMPO、CM1:第一比較訊號 CM2:第二比較訊號 SRFF:邏輯電路 S、R:輸入端 Q:輸出端 CMP2:第二比較器 DLY2:延遲電路 MPL2:第四電晶體 MUX:類比多工器 C4:第二電容 PDRAMP2:電壓訊號 PS:脈波訊號 IPD:光電流
圖1為本發明第一實施例的高線性光感測器的電路布局圖。
圖2為本發明第一實施例的高線性光感測器的第一訊號波形圖。
圖3為本發明第一實施例的高線性光感測器的第二訊號波形圖。
圖4為本發明第二實施例的高線性光感測器的電路布局圖。
圖5為本發明第三實施例的高線性光感測器的電路布局圖。
圖6為本發明第三實施例的高線性光感測器的訊號波形圖。
圖7為本發明第三實施例的高線性光感測器的計數脈波數量對光電流的曲線圖。
PD:光電元件
T1:第一感測電晶體
T2:第二感測電晶體
C3:第一電容
MSH:第一電晶體
R1、R2:電阻
ERA:誤差放大器
VREF:參考電壓
SHFB:電壓
EAO:誤差放大訊號
C1、C2:電容
CMP1:第一比較器
PDRAMP1:電壓訊號
MST:第二電晶體
SAH:採樣和保持電路
CNTE:脈波邊緣計數電路
MPL1:第三電晶體
DLY1:延遲電路
SRFF:邏輯電路
S、R:輸入端
Q、
Figure 108139963-A0305-02-0002-9
:輸出端
CMP2:第二比較器
DLY2:延遲電路
MPL2:第四電晶體
MUX:類比多工器
C4:第二電容
PDRAMP2:電壓訊號

Claims (10)

  1. 一種高線性光感測器，包含： 一光電元件，連接一第一電容，配置以將照射通過該光電元件的光能轉換為一光電流流至該第一電容； 一誤差放大器，具有一第一放大輸入端以及一第二放大輸入端，分別連接一參考電壓源以及一第一電晶體的第一端，一第二電晶體的第一端連接該第二放大輸入端，該第一電晶體的第二端連接該第一電容，該誤差放大器的輸出端連接該第二電晶體的第二端； 一第一比較器，具有一第一比較輸入端以及一第二比較輸入端，分別連接該第一電容以及該誤差放大器的輸出端，該第一比較器配置以比較該第一電容的電壓與該第二比較輸入端的一第一調變電壓，以產生一第一比較訊號； 一採樣和保持電路，連接該第一電晶體的控制端、該第二電晶體的控制端以及該第一比較器的輸出端，配置以依據該第一比較訊號控制該第一電晶體以及該第二電晶體的運作；以及 一計數電路，連接該第一比較器的輸出端，配置以依據該第一比較訊號進行計數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高線性光感測器，其中該第一比較器更包含一第三比較輸入端，連接該參考電壓源，該第一比較器配置以比較該第一電容的電壓，與該第二比較輸入端的該第一調變電壓以及該第三比較輸入端的一參考電壓中較低者，以產生該第一比較訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的高線性光感測器，更包含一第三電晶體，該第三電晶體的第一端連接該第一比較輸入端，該第三電晶體的第二端接地，該第三電晶體的控制端連接該第一比較器的輸出端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的高線性光感測器，更包含一延遲電路，連接在該第三電晶體的控制端以及該第一比較器的輸出端之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的高線性光感測器，更包含一電流鏡，連接該光電元件以及該第一電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的高線性光感測器，更包含一第二比較器，具有一第四比較輸入端以及一第五比較輸入端，分別連接一第二電容以及該誤差放大器的輸出端，該第二比較器的輸出端連接該計數電路，該第二電容連接該光電元件，該第二比較器配置以比較該第二電容的電壓與該第五比較輸入端的一第二調變電壓，以輸出一第二比較訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的高線性光感測器，其中該第二比較器更包含一第六比較輸入端，連接該參考電壓源，該第二比較器配置以比較該第二電容的電壓，與該第五比較輸入端的該第二調變電壓以及該第六比較輸入端的該參考電壓中較低者，以輸出該第二比較訊號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的高線性光感測器，更包含一類比多工器，連接在一電流鏡以及該第一電容之間以及在該電流鏡以及該第二電容之間，該電流鏡連接該光電元件。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的高線性光感測器，更包含一邏輯電路，該邏輯電路的兩輸入端分別連接該第一比較器的輸出端以及該第二比較器的輸出端，該邏輯電路的一輸出端連接該計數電路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的高線性光感測器，更包含一延遲電路，連接在該邏輯電路的另一輸出端以及一第四電晶體的控制端之間，該第四電晶體的第一端連接該第四比較輸入端，該第四電晶體的第二端接地。
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