TWI746067B

TWI746067B - 光感測器及其感測方法

Info

Publication number: TWI746067B
Application number: TW109124383A
Authority: TW
Inventors: 吳高彬
Original assignee: 義明科技股份有限公司
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-11-11
Also published as: TW202123438A

Abstract

一種高感度的光感測器，包括一光感測元件、一第一積分器及一三角積分類比數位轉換器。該光感測元件用以在一量測時間感測光而產生一第一電流。該第一積分器耦接該光感測元件，用以接收該第一電流並產生一第一積分信號。該三角積分類比數位轉換器耦接該第一積分器，用以將該第一積分信號轉換為一感測值。

Description

光感測器及其感測方法

本發明是有關一種感測器，特別是一種光感測器及其感測方法。

為了根據周遭的光強度變化而改變螢幕的亮度，手機需要一光感測器來感測環境光(ambient light)。光感測器通常使用一光感測元件來偵測光並轉換為光電流(photo current)，再根據該光電流的值來判斷光的強度。近來，為了提高手機的屏佔比(screen-to-body ratio)，光感測器被設置在有機發光二極體(organic light-emitting diode; OLED)面板的背面。由於光穿過OLED面板時，光的強度會減弱，因此在OLED面板背面的光感測器所獲得的光電流變得非常小，無法準確的判斷光的強度。延長光感測器的曝光(exposure)時間(或稱量測時間)可以獲得較大的光電流。然而，隨著OLED面板的幀率(frame rate)越來越高，可以供光感測器進行感測的時間越來越短。在這樣的限制下，如何準確的偵測到環境光的強度，成為需要克服的難題。

本發明的目的之一，在於提出一種光感測器及其感測方法。

本發明的目的之一，在於提出一種具有較佳訊號雜訊比的光感測器。

根據本發明，一種高感度的光感測器包括一光感測元件、一第一積分器及一三角積分類比數位轉換器。該光感測元件用以在一量測時間感測光而產生一第一電流。該第一積分器耦接該光感測元件，用以接收該第一電流並產生一第一積分信號。該三角積分類比數位轉換器耦接該第一積分器，用以將該第一積分信號轉換為一感測值。

根據本發明，一種光感測方法包括下列步驟：在一量測時間感測光以產生一第一電流；對該第一電流進行積分以產生一第一積分信號；以及藉由一三角積分類比數位轉換器將該第一積分信號轉換為一感測值。

本發明的光感測器及其感測方法可以在短暫的量測時間(例如1ms)準確的判斷光強度。此外，三角積分類比數位轉換器能夠降低第一積分信號中的雜訊，使得本發明的光感測器具有較佳訊號雜訊比。

圖1顯示本發明光感測器的實施例。圖1的光感測器10包括一光感測元件12、一第一積分器14及一三角積分類比數位轉換器(sigma-delta analog-to-digital converter; ΣΔ ADC)16。光感測元件12用於在一量測時間(或稱曝光時間)T感測環境光，以產生一第一電流Iph。第一積分器14耦接光感測元件12，用於對光感測元件12產生的第一電流Iph進行積分以產生一第一積分信號V1。三角積分類比數位轉換器16耦接第一積分器14，用以將第一積分器14提供的第一積分信號V1轉換成一數位的感測值So。光感測器10可以是設置在可攜式電子裝置中，例如手機或平板電腦。連接光感測器10的電路可根據感測值So來判斷光強度的大小進而執行某些操作，例如調整螢幕的亮度。

圖2顯示圖1中光感測元件12及第一積分器14的實施例。在圖2中，光感測元件12為一光二極體(photo diode)，但本發明並不限於此。光二極體接收光線L1而產生電流Iph。圖2的第一積分器14為一電容轉導放大器(capacitive trans-impedance amplifier; CTIA)，其包括一運算放大器142、一電容C1及一開關SW1。運算放大器142具有一非反相輸入端(non-inverting input)、一反相輸入端(inverting input)及一輸出端，其中該非反相輸入端接地，該反相輸入端連接光感測元件12。電容C1連接在運算放大器142的反相輸入端及輸出端之間。電容C1與運算放大器142的組合在量測時間T對第一電流Iph進行積分以產生第一積分信號 V1

開關SW1連接在運算放大器142的輸出端及三角積分類比數位轉換器16之間。在光感測器10感測環境光的量測時間T的期間，開關SW1被導通(turn on)以使第一積分器14提供第一積分信號V1給三角積分類比數位轉換器16。在量測時間T結束時，開關SW1被關閉(turn off)。在圖2的實施例中，開關SW1是設置在第一積分器14中，但本發明並不限此，開關SW1也可以設置在第一積分器14以外的位置。例如開關SW1可以設置在光感測元件12的輸出端及第一積分器14之間、在第一積分器14與三角積分類比數位轉換器16之間或者在三角積分類比數位轉換器16中。

圖3顯示圖1中三角積分類比數位轉換器16的實施例，其是以一階的三角積分類比數位轉換器為例來說明，但本發明並不限於此。圖3的三角積分類比數位轉換器16包括一第二積分器162、一量化器164及一重置電路166。第二積分器162耦接第一積分器14，並對第一積分信號V1進行積分以產生一第二積分信號V2。第二積分器162包括電阻R1、電容C2及運算放大器1622。電阻R1連接在第一積分器14及運算放大器1622的反相輸入端之間，用以將第一積分信號V1轉換為電流I1。電容C2連接在運算放大器1622的反相輸入端及輸出端之間，而運算放大器1622的非反相輸入端接地。電容C2及運算放大器1622的組合在量測時間T對電流I1進行積分以產生第二積分信號 V2

在量測時間T為1ms的情況下，適當的選擇電容C1、電阻R1及電容C2，可以使第二積分信號V2為第一電流Iph的五百倍以上。因此，即使在第一電流Iph非常小且量測時間T很短暫的情況下，本發明仍可透過第一電流Iph準確的判斷環境光的強度，進而產生感測值So。

重置電路166耦接第二積分器162及量化器164。重置電路166用於重置第二積分器162以使第二積分信號V2歸零。在重置之後，第二積分器162重新對第一積分信號V1進行積分以再次產生第二積分信號V2。重置電路166包括一電阻R2及一開關SW2。電阻R2與開關SW2串聯在接地端及運算放大器1622的反相輸入端之間。開關SW2是由一重置信號Sr控制導通或關閉。當開關SW2導通時，運算放大器1622的反相輸入端接地，使得第二積分信號V2下降至零。

量化器164耦接第二積分器162與重置電路166。量化器164是用以在第二積分信號V2大於一預設值VT時，使重置電路166重置第二積分器162，以及計數該第二積分信號V2在量測時間T內大於預設值VT的次數以產生該感測值So。在圖3的實施例中，量化器164包括一比較器1642、一正反器1644及一計數器1646，但本發明不限於此。比較器1642耦接第二積分器162，用以比較第二積分信號V2及一預設值VT以產生一比較信號Sc。在第二積分信號V2大於預設值VT時，比較信號Sc為1。正反器1644耦接比較器1642，其根據該比較信號Sc產生一重置信號Sr以控制重置電路166。在本實施例中，正反器1644在輸出端Q的輸出被用來作為重置信號。在比較信號Sc為1時，輸出端Q的輸出為1使得重置電路166的開關SW2導通。計數器1646耦接正反器1644，其根據正反器1644在輸出端Q的輸出(也就是重置信號Sr)產生感測器So。計數器1646在量測時間T內計數正反器1644輸出為1的次數而產生感測值So。換言之，計數器1646可以被理解為是在量測時間T內，計數第二積分信號V2大於預設值VT的次數以產生感測值So。

在光感測器10量測環境光時，第二積分信號V2的變化係如圖4的波形18所示。在時間t0~t1期間，第二積分信號V2逐漸增加。在時間t1時，第二積分信號V2大於預設值VT，此時重置信號Sr為1而重置第二積分器162，使第二積分信號V2歸零。在重置後，第二積分器162重新對第一積分信號V1進行積分，使得在時間t2時，第二積分信號V2再次上升至預設值VT。第二積分信號V2會不斷重複上升及歸零，直至量測時間T結束。由於第一積分信號V1會隨時間增加而上升，因此隨著時間增加，第二積分信號V2的上升速度也越快，第二積分信號V2每次歸零後再上升到預設值VT的時間會越來越短。

在圖3的實施例中，為避免第二積分信號V2超出第二積分器162的飽和電壓(Saturation voltage)，預設值VT會低於該飽和電壓。

本發明的光感測器10利用第一積分器14及第二積分器162二段式放大第一電流Iph以產生第二積分信號V2，因此光感測器10可以在短暫的量測時間T(例如1ms)獲得足夠大的第二積分信號V2來判斷光強度。故本發明的光感測器10具有較佳的感度。

另外，本發明的第二積分器162還可以降低第一積分信號V1中的雜訊，因而可以提高光感測器10的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio; SNR)。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由之後的申請專利範圍及其均等來決定。

10:光感測器 12:光感測元件 122:光二極體 14:第一積分器 142:運算放大器 16:三角積分類比數位轉換器 162:第二積分器 1622:運算放大器 164:量化器 1642:比較器 1644:正反器 1646:計數器 166:重置電路 18:第二積分信號V2的波形

圖1顯示本發明光感測器的實施例。圖2顯示圖1中光感測元件及第一積分器的實施例。圖3顯示圖1中三角積分類比數位轉換器的實施例。圖4顯示圖3中第二積分信號V2的波形。

10:光感測器

12:光感測元件

14:第一積分器

16:三角積分類比數位轉換器

Claims

一種高感度的光感測器，包括：一光感測元件，用以在一量測時間感測光而產生一第一電流；一第一積分器，耦接該光感測元件，接收該第一電流並產生一第一積分信號；以及一三角積分類比數位轉換器，耦接該第一積分器，用以將該第一積分信號轉換為一感測值，其中該三角積分類比數位轉換器包括：一第二積分器，耦接該第一積分器，根據該第一積分信號產生一第二積分信號；一重置電路，耦接該第二積分器，用於重置該第二積分器；以及一量化器，耦接該第二積分器與該重置電路，該量化器在該第二積分信號大於一預設值時使該重置電路重置該第二積分器，以及計數該第二積分信號在該量測時間內大於該預設值的次數以產生該感測值。
如請求項1的光感測器，其中該光感測元件包括一光二極體。
如請求項1的光感測器，其中該第一積分器包括電容轉導放大器。
如請求項1的光感測器，其中該量化器包括：一比較器，耦接該第二積分器，用以比較該第二積分信號及該預設值以產生一比較信號；一正反器，耦接該比較器，根據該比較信號產生一重置信號以控制該重置電路；一計數器，耦接該正反器，根據該重置信號產生該感測值。
如請求項1的光感測器，其中該預設值低於該第二積分器的飽和電壓。
如請求項1的光感測器，其中該量測時間為1ms。
一種光感測方法，包括下列步驟：A.在一量測時間感測光，以產生一第一電流；B.對該第一電流進行積分以產生一第一積分信號；以及C.藉由一三角積分類比數位轉換器將該第一積分信號轉換為一感測值，其中該步驟C包括：C1.對該第一積分信號進行積分以產生一第二積分信號；C2.在該第二積分信號大於一預設值時，將該第二積分信號歸零，並且回到步驟C1；以及C3.計數該第二積分信號在該量測時間內大於該預設值的次數以產生該感測值。
如請求項7的光感測方法，其中該步驟B包括使用一電容轉導放大器對該第一電流進行積分。
如請求項7的光感測方法，其中該步驟C1包括使用一第二積分電路對該第一積分信號進行積分，以及該預設值小於該第二積分電路的飽和電壓。
如請求項7的光感測方法，更包括設定量測時間為1ms。