TWI756830B - 雙斜率光感測器 - Google Patents

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陳璟泯
洪家華
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Abstract

本發明公開一種雙斜率光感測器。第一充電開關的兩端分別連接光電元件以及電容的第一端。第二充電開關的兩端分別連接電容的第二端以及接地。第三充電開關與第三放電開關的第一端分別連接電容的第一端和第二端。第四充電開關與第四放電開關的第一端分別耦接第一參考電壓以及第二參考電壓。第一放電開關的兩端分別連接光電元件以及電容的第二端。比較器的第一輸入端連接第三充電開關與第四放電開關的第二端，比較器的第二輸入端連接第四充電開關與第三放電開關的第二端。

Description

雙斜率光感測器
本發明涉及一種光感測器，特別是涉及一種雙斜率光感測器。
在傳統光感測器中，需設置NMOS、PMOS或其他型態的電晶體，此電晶體的第一端和控制端分別連接傳統光感測器的比較器的輸入端和輸出端，而此電晶體的第二端接地。
當外部光源持續照射光感測器時，傳統光感測器的光電元件將光能轉換光電流，以對電容充電。在充電過程中，比較器多次進行電容的電壓與參考電壓的比較作業。在比較器每進行一次比較作業後，輸出一個比較訊號的位元值至計數器進行計數，接著電晶體依據比較訊號的準位，耗費一段下拉延遲時間，將比較器的輸入端的電壓直接拉降為零值，此重置作業會導致電流不穩定。
當光電流大時，進行多次執行重置作業，將累計耗費很長的下拉延遲時間，造成計數器計數產生嚴重誤差。
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雙斜率光感測器，包含光電元件、電容、充電開關電路、放電開關電路、比較器以及控制電路。光電元件配置以將照射通過光電元件的光能轉換為光 電流。充電開關電路包含第一充電開關、第二充電開關、第三充電開關以及第四充電開關。第一充電開關的第一端連接光電元件。第一充電開關的第二端連接電容的第一端。第二充電開關的第一端連接電容的第二端。第二充電開關的第二端接地。第三充電開關的第一端連接電容的第一端。第四充電開關的第一端耦接第一參考電壓。放電開關電路包含第一放電開關、第二放電開關、第三放電開關以及第四放電開關。第一放電開關的第一端連接光電元件。第一放電開關的第二端連接電容的第二端。第二放電開關的第一端連接電容的第一端。第二放電開關的第二端接地。第三放電開關的第一端連接電容的第二端。第四放電開關的第一端耦接第二參考電壓。比較器的第一比較輸入端連接第三充電開關的第二端以及第四放電開關的第二端。比較器的第二比較輸入端連接第四充電開關的第二端以及第三放電開關的第二端。比較器配置以比較第一比較輸入端的電壓與第二比較輸入端的電壓以輸出比較訊號。控制電路連接比較器的輸出端、第一充電開關的控制端、第二充電開關的控制端、第三充電開關的控制端、第四充電開關的控制端、第一放電開關的控制端、第二放電開關的控制端、第三放電開關的控制端以及第四放電開關的控制端。控制電路配置以輸出比較訊號，並依據比較訊號輸出控制訊號以控制充電開關電路以及放電開關電路。
在一實施方案中，比較器的第一比較輸入端為非反相輸入端，比較器的第二比較輸入端為反相輸入端。
在一實施方案中，當控制電路開啟充電開關電路，而關閉放電開關電路時，光電流流經第一充電開關至電容，以將電容的電壓充電至初始電壓。
在一實施方案中，所述初始電壓大於零值，但略低於第二參考電壓。
在一實施方案中，光電流持續充電電容，使電容的電壓從初始電壓增加至達到第一參考電壓時，控制電路依據比較器輸出的高準位的比較訊號，以關閉充電開關電路，而開啟放電開關電路。
在一實施方案中，當控制電路關閉充電開關電路，而開啟放電開關電路時，光電流流經第二充電開關至電容，使電容的電壓逐漸下降。
在一實施方案中，當電容的電壓下降至達到第二參考電壓時，控制電路開啟充電開關電路，而關閉放電開關電路。
在一實施方案中，所述的雙斜率光感測器更包含電流鏡。電流鏡的輸入端連接光電元件。電流鏡的輸出端連接第一充電開關的第一端以及第一放電開關的第一端。
在一實施方案中，所述電流鏡包含第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體的第一端以及第二電晶體的第一端耦接共用電壓。第一電晶體的第二端連接第一電晶體的控制端、第二電晶體的控制端以及光電元件的第一端。光電元件的第二端接地。第二電晶體的第二端連接第一充電開關的第一端以及第一放電開關的第一端。
在一實施方案中，所述雙斜率光感測器更包含電流源。電流源連接電流鏡的輸出端並接地。
如上所述，本發明提供一種雙斜率光感測器，其內設有充電開關電路以及放電開關電路，取代傳統光感測器中的NMOS或PMOS的配置。不同於傳統光感測器，本發明的雙斜率光感測器是利用光電元件的光電流來進行電容的充放電作業。在持續對電容充電之前，先將電容的電壓充電至大於零值的初始電壓，並在每次電容放電時，電容的電壓僅下降至此初始電壓而不放電至零值，以避免電流不穩定的問題。
本發明的雙斜率光感測器不需傳統感測器重置延遲時間，提升 感測效率，改善了傳統光感測器線性度不佳的問題，因此相比於傳統光感測器，本發明的雙斜率光感測器可得到精確的感測結果。
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。
PD:光電元件
MR:電流鏡
T1:第一電晶體
T2:第二電晶體
CS:電流源
SW11:第一充電開關
SW12:第二充電開關
SW13:第三充電開關
SW14:第四充電開關
SW21:第一放電開關
SW22:第二放電開關
SW23:第三放電開關
SW24:第四放電開關
Cap:電容
Vcap:電壓
Vref1:第一參考電壓
Vref2:第二參考電壓
CMP:比較器
COT:控制電路
SW1:充電開關電路
SW2:放電開關電路
CMPO:比較訊號
SWS1:充電開關訊號
SWS2:放電開關訊號
Vref:參考電壓
real:實測曲線
ideal:最佳化理想曲線
prior:傳統光感測器的非理想曲線
圖1為本發明實施例的雙斜率光感測器在充電模式下的電路布局圖。
圖2為本發明實施例的雙斜率光感測器在放電模式下的電路布局圖。
圖3為本發明實施例的雙斜率光感測器的訊號波形圖。
圖4為本發明實施例的雙斜率光感測器與理想感測器的比較器的比較電壓次數對時間的曲線圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，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，在不背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。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。
請參閱圖1，其中圖1為本發明實施例的雙斜率光感測器在充電模式下的電路布局圖；圖3為本發明實施例的雙斜率光感測器的訊號波形圖。
如圖1所示，本發明實施例的雙斜率光感測器可包含光電元件PD、電容Cap、充電開關電路SW1、放電開關電路SW2、比較器CMP以及控制電路COT。
其中，充電開關電路SW1可包含第一充電開關SW11、第二充電開關SW12、第三充電開關SW13以及第四充電開關SW14。另一方面，放電開關電路SW2可包含第一放電開關SW21、第二放電開關SW22、第三放電開關SW23以及第四放電開關SW24。
值得注意的是，充電開關電路SW1的第一充電開關SW11的第一端可連接光電元件PD的第一端例如陰極端，第一充電開關SW11的第二端可連接電容Cap的第一端。光電元件PD的第二端例如正極端可接地。
若有需要，本發明實施例的雙斜率光感測器更可包含電流鏡MR。電流鏡MR的輸入端可連接光電元件PD的第一端例如陰極端，而電流鏡MR的輸出端則可連接第一充電開關SW11的第一端。
詳言之，電流鏡MR可包含第一電晶體T1以及第二電晶體T2。第一電晶體T1的第一端以及第二電晶體T2的第一端可耦接一共用電壓，即連接一共用電源以接收共用電壓或實務上為共用電流。第一電晶體T1的第二端可連接第一電晶體T1的控制端、第二電晶體T2的控制端以及光電元件PD的第一端例如陰極端。第二電晶體T2的第二端可連接第一充電開關SW11的第一端以及第一放電開關SW21的第一端。
值得注意的是，第二充電開關SW12的第一端可連接電容Cap的第二端，第二充電開關SW12的第二端接地。第三充電開關SW13的第一端可連接電容Cap的第一端。第四充電開關SW14的第一端可耦接第一參考電壓 Vref1。
另一方面，放電開關電路SW2的第一放電開關SW21的第一端可連接電流鏡MR的輸出端，即電流鏡MR的第二電晶體T2的第二端。若有需要，本發明實施例的雙斜率光感測器更可包含電流源CS，用以輔助供應電流。電流源CS的第一端連接電流鏡MR的第二電晶體T2的第二端，而電流源CS的第二端接地。
第一放電開關SW21的第二端可連接電容Cap的第二端。第二放電開關SW22的第一端可連接電容Cap的第一端，第二放電開關SW22的第二端則接地。第三放電開關SW23的第一端可連接電容Cap的第二端。第四放電開關SW24的第一端可耦接第二參考電壓Vref2。
更進一步，比較器CMP的第一比較輸入端例如非反相輸入端可連接第三充電開關SW13的第二端以及第四放電開關SW24的第二端。比較器CMP的第二比較輸入端例如反相輸入端可連接第四充電開關SW14的第二端以及第三放電開關SW23的第二端。
控制電路COT可連接比較器CMP的輸出端、充電開關電路SW1的第一充電開關SW11、第二充電開關SW12、第三充電開關SW13以及第四充電開關SW14所有的控制端，以及放電開關電路SW2的第一放電開關SW21、第二放電開關SW22、第三放電開關SW23以及第四放電開關SW24所有的控制端。
控制電路COT可輸出比較器CMP的比較訊號CMPO至外部電路，並可依據比較訊號CMPO輸出控制訊號，以控制充電開關電路SW1與放電開關電路SW2的運作。
詳言之，在如圖1所示的充電模式下，控制電路COT控制充電開關電路SW1開啟，即開啟第一充電開關SW11、第二充電開關SW12、第三充 電開關SW13以及第四充電開關SW14，並控制放電開關電路SW2關閉，即關閉第一放電開關SW21、第二放電開關SW22、第三放電開關SW23以及第四放電開關SW24。
光電元件PD配置以將照射通過光電元件PD的光能轉換為光電流。光電元件PD的光電流通過電流鏡MR(以一定比例放大後)流至第一充電開關SW11，接著流至電容Cap，以對電容Cap充電，使電容Cap的電壓Vcap增加。
值得注意的是，如圖3所示，光電元件PD的光電流先將電容Cap的電壓(從零電壓)充電至初始電壓，此初始電壓大於零值但略低於第二參考電壓Vref2。在光電元件PD的光電流先將電容Cap的電壓Vcap(從零電壓)充電至初始電壓後，光電元件PD的光電流持續對電容Cap充電，使得如圖3所示電容Cap的電壓Vcap的訊號產生第一個波形的上升/充電波段。
當如圖1所示的充電開關電路SW1開啟時，第三充電開關SW13允許比較器CMP的第一比較輸入端例如非反相輸入端取得電容Cap的電壓Vcap，而比較器CMP的第二比較輸入端例如反相輸入端透過第四充電開關SW14耦接第一參考電壓Vref1以取得第一參考電壓Vref1。
舉例而言，在本實施例中，比較器CMP的第一比較輸入端為非反相輸入端，而比較器CMP的第二比較輸入端為反相輸入端，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
當比較器CMP判斷比較器CMP的第一比較輸入端的電壓(即電容Cap的電壓Vcap)未達到比較器CMP的第二比較輸入端(即第一參考電壓Vref1)的電壓時，比較器CMP輸出如圖3所示的低準位的比較訊號CMPO，控制電路COT據以持續控制充電開關電路SW1開啟，並控制放電開關電路SW2關閉。
在充電模式下，即如圖1所示的光電元件PD的光電流對電容Cap 充電過程中，如圖3所示的充電開關訊號SWS1為高準位，對準電容Cap的電壓Vcap的訊號波形的上升/充電波段，代表如圖1所示的充電開關電路SW1為開啟狀態，而放電開關訊號SWS2為低準位，代表放電開關電路SW2為關閉狀態。
請一併參閱圖1至圖3，其中圖1為本發明實施例的雙斜率光感測器在充電模式下的電路布局圖，而圖2為本發明實施例的雙斜率光感測器在放電模式下的電路布局圖；圖3為本發明實施例的雙斜率光感測器的訊號波形圖。如圖1和圖2所示的電路配置相同，相同內容不在此贅述。
接著，當比較器CMP的第一比較輸入端的電壓(即電容Cap的電壓Vcap)充電至達到比較器CMP的第二比較輸入端的電壓(即第一參考電壓Vref1)時，控制電路COT依據比較器CMP輸出的高準位的比較訊號CMPO，以切換充電開關電路SW1以及放電開關電路SW2。
詳言之，在如圖2所示的放電模式下，控制電路COT依據高準位的比較訊號CMPO，控制第一充電開關SW11、第二充電開關SW12、第三充電開關SW13以及第四充電開關SW14關閉，並控制第一放電開關SW21、第二放電開關SW22、第三放電開關SW23以及第四放電開關SW24開啟。
如圖3所示，在放電模式下，充電開關訊號SWS1為低準位，對準電容Cap的電壓Vcap的訊號波形的下降/放電波段，代表如圖2所示的充電開關電路SW1為關閉狀態，而放電開關訊號SWS2為高準位，代表如圖2所示的放電開關電路SW2為開啟狀態。
如圖2所示，當放電開關電路SW2開啟時，第四放電開關SW24允許比較器CMP的第一比較輸入端例如非反相輸入端耦接第二參考電壓Vref2以取得第二參考電壓Vref2，而第三放電開關SW23以及第二放電開關SW22允許比較器CMP的第二比較輸入端例如反相輸入端取得電容Cap的電壓Vcap。
在放電模式下，如圖2所示的充電開關電路SW1開啟，並且放電開關電路SW2關閉，光電元件PD的光電流依序流過電流鏡MR以及第一放電開關SW21後，流至電容Cap。在電容Cap放電過程中，電容Cap的電壓Vcap持續下降，如圖3所示的電容Cap的電壓Vcap的訊號產生第一個波形的下降/放電波段。
而當電容Cap的電壓Vcap如圖3所示下降至達到(即等於或小於)第二參考電壓Vref2時，比較器CMP如圖3所示輸出高準位的比較訊號CMPO，控制電路COT據以開啟充電開關電路SW1，而關閉放電開關電路SW2。如圖3所示，充電開關訊號SWS1從低準位轉為高準位，關閉放電開關訊號SWS2從高準位轉為低準位，此時電容Cap從放電模式切換回充電模式，接著產生如圖3所示的第二個波形的上升/充電波段。
值得注意的是，如圖3所示，電容Cap的電壓Vcap最多下降至初始電壓，此初始電壓大於零值但略低於第二參考電壓Vref2。下次充電時，電容Cap的電壓Vcap從初始電壓持續增加。
請一併參閱圖1~圖4，其中圖4為本發明實施例的雙斜率光感測器與理想感測器的比較器的比較電壓次數對時間的曲線圖。
承如上述，在外部光源持續照射雙斜率光感測器的過程中，雙斜率光感測器的光電元件PD將持續供應光電流，使得如圖1所示的電容Cap反覆進行充電和放電，使得電容Cap如圖3所示的電壓Vcap的訊號產生多個波形，每個波形具有上升/充電波段以及下降/放電波段。
在電容Cap充放電過程中，比較器CMP進行如圖1所示的電容Cap的電壓Vcap與第一參考電壓Vref1或與第二參考電壓Vref2的比較作業。
在比較器CMP進行多次比較作業後，例如圖4舉例執行9次比較作業，比較器CMP輸出的比較訊號CMPO具有多個低準位、高準位的位元值， 提供外部電路例如計數器累積計數，作為光強度、待測物體與設有雙斜率光感測器的電子裝置之間的距離的判斷依據。
如圖4所示的最佳化理想曲線ideal代表最佳化理想光感測器的比較器比較的電壓對時間的曲線，而實測曲線real代表本發明實施例的雙斜率光感測器的比較器比較的電壓對時間的曲線。
傳統光感測器的非理想曲線prior將遠遠偏移最佳化理想曲線ideal，呈非線性/非理想狀態，特別是供應大電流時至電容Cap時。相較之下，如圖4所示，本發明實施例的雙斜率光感測器的實測曲線real基本上已接近最佳化理想曲線ideal，具有高線性度。因此，本發明的雙斜率光感測器可得到相較於傳統方式更為精準之數值結果。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的雙斜率光感測器，其內設有充電開關電路以及放電開關電路，取代傳統光感測器中的NMOS或PMOS的配置。不同於傳統光感測器，本發明的雙斜率光感測器是利用光電元件的光電流來進行電容的充放電作業。在持續對電容充電之前，先將電容的電壓充電至大於零值的初始電壓，並在每次電容放電時，電容的電壓僅下降至此初始電壓而不放電至零值，以避免電流不穩定的問題。
本發明的雙斜率光感測器不需傳統感測器重置延遲時間，提升感測效率，改善了傳統光感測器線性度不佳的問題，因而相比於傳統光感測器，本發明的雙斜率光感測器可得到精確的感測結果。
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
MR:電流鏡
T1:第一電晶體
T2:第二電晶體
CS:電流源
SW11:第一充電開關
SW12:第二充電開關
SW13:第三充電開關
SW14:第四充電開關
SW21:第一放電開關
SW22:第二放電開關
SW23:第三放電開關
SW24:第四放電開關
Cap:電容
Vcap:電壓
Vref1:第一參考電壓
Vref2:第二參考電壓
CMP:比較器
COT:控制電路
SW1:充電開關電路
SW2:放電開關電路
CMPO:比較訊號

Claims (10)

  1. 一種雙斜率光感測器，包含：一光電元件，配置以將照射通過該光電元件的光能轉換為一光電流；一電容；一充電開關電路，包含：一第一充電開關，該第一充電開關的第一端連接該光電元件，該第一充電開關的第二端連接該電容的第一端；一第二充電開關，該第二充電開關的第一端連接該電容的第二端，該第二充電開關的第二端接地；一第三充電開關，該第三充電開關的第一端連接該電容的第一端；及一第四充電開關，該第四充電開關的第一端耦接一第一參考電壓；一放電開關電路，包含：一第一放電開關，該第一放電開關的第一端連接該光電元件，該第一放電開關的第二端連接該電容的第二端；一第二放電開關，該第二放電開關的第一端連接該電容的第一端，該第二放電開關的第二端接地；一第三放電開關，該第三放電開關的第一端連接該電容的第二端；及一第四放電開關，該第四放電開關的第一端耦接一第二參考電壓；一比較器，該比較器的一第一比較輸入端連接該第三充電開關的第二端以及該第四放電開關的第二端，該比較器的一第二比較輸入端連接該第四充電開關的第二端以及該第三放電開關的第二端，該比較器配置以比較該第一比較輸入 端的電壓與該第二比較輸入端的電壓以輸出一比較訊號；以及一控制電路，連接該比較器的輸出端、該第一充電開關的控制端、該第二充電開關的控制端、該第三充電開關的控制端、該第四充電開關的控制端、該第一放電開關的控制端、該第二放電開關的控制端、該第三放電開關的控制端以及該第四放電開關的控制端，配置以輸出該比較訊號，並依據該比較訊號輸出一控制訊號，以控制該充電開關電路以及該放電開關電路。
  2. 如請求項1所述的雙斜率光感測器，其中該比較器的該第一比較輸入端為非反相輸入端，該比較器的該第二比較輸入端為反相輸入端。
  3. 如請求項1所述的雙斜率光感測器，其中當該控制電路開啟該充電開關電路，而關閉該放電開關電路時，該光電流流經該第一充電開關至該電容，以將該電容的電壓充電至一初始電壓。
  4. 如請求項3所述的雙斜率光感測器，其中該初始電壓大於零值但略低於該第二參考電壓。
  5. 如請求項4所述的雙斜率光感測器，其中該光電流持續充電該電容，使該電容的電壓從該初始電壓增加至達到該第一參考電壓時，該控制電路依據該比較器輸出的高準位的該比較訊號，以關閉該充電開關電路，而開啟該放電開關電路。
  6. 如請求項5所述的雙斜率光感測器，其中當該控制電路關閉該充電開關電路，而開啟該放電開關電路時，該光電流流經該第二充電開關至該電容，使該電容的電壓逐漸下降。
  7. 如請求項6所述的雙斜率光感測器，其中當該電容的電壓下降至達到該第二參考電壓時，該控制電路開啟該充電開關電 路，而關閉該放電開關電路。
  8. 如請求項1所述的雙斜率光感測器，更包含一電流鏡，該電流鏡的輸入端連接該光電元件，該電流鏡的輸出端連接該第一充電開關的第一端以及該第一放電開關的第一端。
  9. 如請求項8所述的雙斜率光感測器，其中該電流鏡包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體的第一端以及該第二電晶體的第一端耦接一共用電壓，該第一電晶體的第二端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光電元件的第一端，該光電元件的第二端接地，該第二電晶體的第二端連接該第一充電開關的第一端以及該第一放電開關的第一端。
  10. 如請求項9所述的雙斜率光感測器，更包含一電流源，該電流源連接該電流鏡的輸出端並接地。
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