TWI770601B - 光感測器電路 - Google Patents

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Abstract

一種光感測器電路，其包含一光電二極體及一電壓隨耦器。藉由設置電壓隨耦器能夠大幅降低光電二極體的接面電容構成的影響，故當光感測器電路應用於需要重置操作的類比數位轉換裝置時，重置積分模組所需的時間將不易受光電二極體影響，而能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。

Description

光感測器電路
本發明關於一種光感測器電路，尤其是減少光電二極體之接面電容的光感測器電路。
透過光感應技術(light sensing technology)所實現的光感測器廣泛使用於許多應用之中，舉例來說，環境光感測器(ambient light sensor，ALS)可應用於電子產品中以感測環境光的強度，並且自動調整顯示螢幕的亮度，以提升使用便利性並延長電池使用時間。光感測器亦可用於量測空間中的距離或位置，舉例來說，行動裝置(mobile device)通常包含距離感測器(proximity sensor)，距離感測器可用來偵測使用者的臉部與電子裝置的顯示螢幕之間的距離。藉此，當距離感測器靠近使用者的臉部時，電子裝置即可自動地關閉顯示螢幕並關閉觸控功能，以避免使用者的臉部於通話中誤觸顯示螢幕而中斷對話。
一般而言，光感測器需使用一類比數位轉換裝置(Analog-to-digital converter,ADC)，以將感測光線所產生的類比輸入訊號轉換為可被數位電路處理的數位訊號。類比數位轉換裝置可用來計算一最高有效位元與一最低有效位元的累積操作，並於一可量測範圍內將接收之類比訊號線性地以數位方式來表示，例如以2的冪次(即二進位方式)表示。
類比數位轉換裝置的種類繁多，且各自具有不同的運作機制、特性及功能。台灣公告第I590591號專利案揭露了一種具高動態操作範圍與高線性度的類比數位轉換裝置，請參照第1圖所示，其係該專利案所揭露之類比數位轉換裝置2的簡化架構圖。該類比數位轉換裝置2包含有一輸入模組20、一積分模組22、一比較模組24與一計數模組26，並透過一光電二極體200感測光線並取得一類比輸入訊號，該類比數位轉換裝置2將用以轉換該類比輸入訊號為一數位訊號，並進行一有效位元的累積操作。以下對該類比數位轉換裝置2的運作進行簡單說明，然而詳細的操作方式該專利案已有詳細記載，恕不贅述。
輸入模組20包含有一切換模組202與一可充電單元204，可充電單元204將對應進行一充電操作或一放電操作，並對應輸出一輸入電壓IN_INT至積分模組22，以讓積分單元220累積該類比輸入訊號，進而輸出一積分電壓O_INT至比較模組24。據此，比較模組24可判斷正輸入端與負輸入端的電壓是否相同，即比較正輸入端之積分電壓O_INT達到負輸入端之導通電壓(例如電壓V_FS)時，計數模組26可根據該控制訊號O_CMP來累積一有效位元，同時，第一計數模組26還反饋控制訊號O_CMP以重設可充電單元204的相關操作，例如將可充電單元204由放電操作改為進行充電操作。除此之外，於類比數位轉換裝置2用來進行有效位元的累積操作之前，可充電單元204已先切換耦接至導通電壓V_FS進行充電，且當類比數位轉換裝置2進行有效位元的累積操作時，可充電單元204被切換來耦接至積分模組22，據此，可充電單元204將放電以輸出輸入電壓IN_INT，使積分模組22的積分電壓O_INT逐漸達到電壓V_FS。在此情況下，比較模組24將對應輸出控制訊號O_CMP來控制計數模組26將有效位元累積加一，同時控制訊 號O_CMP還反饋至切換模組202，以切換可充電單元204再次耦接至導通電壓V_FS來進行充電操作，進而完成重置輸入模組20與積分模組22之相關操作。
然而這類類比數位轉換裝置會遇到的問題是，光電二極體200存在一接面電容(Junction Capacitance)，當接面電容的電容值較大時，會導致積分模組22的重置操作緩慢。舉例來說，請參考第2圖所示，在理想的情況下當積分電壓O_INT達到電壓V_FS後，應快速被重置為一參考電壓VCOM(在第1圖中已簡化為接地電壓)。然而，受到光電二極體200的接面電容影響，積分電壓O_INT的實際重置過程(如虛線所示)會變慢，導致重置積分模組22所需的時間延長而影響類比數位轉換裝置的效能，甚至可能影響其準確度。
鑒於上述問題，本發明提供一種光感測器電路，其可以減少光電二極體之接面電容，以提升類比前端電路的充放電速度，故可解決上述問題。
本發明之目的，在於提供一種光感測器電路，其包含一光電二極體及一電壓隨耦器。藉由設置電壓隨耦器能夠大幅降低光電二極體的接面電容構成的影響，故當光感測器電路應用於需要重置操作的類比數位轉換裝置時，重置積分模組所需的時間將不易受光電二極體影響，而能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。
本發明關於一種光感測器電路，其包含一光電二極體，具有一陽極及一陰極；及一電壓隨耦器，具有一輸出端及一輸入端。其中該陽極耦接於該電壓隨耦器的輸出端，該陰極與該電壓隨耦器的輸入端則耦接於一訊號端。
1:光感測器電路
11:光電二極體
111:陽極
112:陰極
12:電壓隨耦器
121:非反相輸入端
122:反相輸入端
123:輸出端
12a、12a’:電流源
12b、12b’:電晶體
12c、12c’:電阻
13:訊號端
2:類比數位轉換裝置
20:輸入模組
202:切換模組
204:可充電單元
22:積分模組
24:比較模組
26:計數模組
200:光電二極體
IN_INT:輸入電壓
O_INT:積分電壓
V_FS:電壓
O_CMP:控制訊號
第1圖：其為現有類比數位轉換電路的架構圖；第2圖：其為現有類比數位轉換電路的訊號示意圖；第3圖：其為本發明之光感測器電路的架構圖；第4圖：其為本發明之光感測器電路的實際應用架構示意圖；第5圖：其為本發明之光感測器電路一實施例的電路圖；第6A圖：其為本發明之光感測器電路另一實施例的細部電路圖；及第6B圖：其為本發明之光感測器電路另一實施例的細部電路圖。
在說明書及請求項當中使用了某些詞彙指稱特定的元件，然，所屬本發明技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞稱呼同一個元件，而且，本說明書及請求項並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在整體技術上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及請求項當中所提及的「包含」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。再者，「耦接」一詞在此包含直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接一第二裝置，則代表第一裝置可直接連接第二裝置，或可透過其他裝置或其他連接手段間接地連接至第二裝置。
請參閱第3圖，其為本發明之光感測器電路1的架構圖。如圖所示，光感測器電路1包含一光電二極體11及一電壓隨耦器12(Unity-Gain Buffer)。該光電二極體11的陽極(Anode)耦接於該電壓隨耦器12的輸出端，該光電二極體11的 陰極(Cathode)與該電壓隨耦器12的輸入端則耦接於一訊號端13，使該光電二極體11感測光線所產生之一類比輸入訊號可由該訊號端13輸出。
請參閱第4圖，其為本發明之光感測器電路1的實際應用架構示意圖。如圖所示，該光感測器電路1可應用於前述類比數位轉換裝置2或其它具有相同需求的類比數位轉換裝置，本發明並不以此為限。前述類比數位轉換裝置2的電路組成已如前述，以下並不重覆贅述。該光感測器電路1的訊號端13可以耦接於該類比數位轉換裝置2，以該光電二極體11產生之類比輸入訊號輸出至該類比數位轉換裝置2。
由於該電壓隨耦器12可以將該訊號端13的電壓直接回授至該光電二極體11的陽極，使該光電二極體11兩端不會受暫態電壓浮動的影響，亦即該光電二極體11的接面電容不會形成充放電電流。藉此，本發明之光感測器電路1可以讓該光電二極體11的可視接面電容等效趨近於零，進而確保該類比數位轉換裝置2的積分電壓O_INT達到電壓V_FS後，得以快速被重置為參考電壓VCOM。簡言之，請再參照第2圖所示，相較於習知技術受到光電二極體200的接面電容影響，積分電壓O_INT的實際重置過程(如虛線所示)會變慢，本發明能夠大幅降低光電二極體11的接面電容構成的影響，故積分電壓O_INT的實際重置速度不會變慢(維持如實線所示)，重置積分模組22所需的時間不變而有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。
請參照第5圖所示，其為本發明之光感測器電路一實施例的電路圖。該電壓隨耦器12可以利用一運算放大器(Operational Amplifier,OP)來實現，其中該電壓隨耦器12包含一非反相輸入端121、一反相輸入端122及一輸出端123。該反相輸入端122及輸出端123相互耦接作為該電壓隨耦器12的輸出端，耦 接於該光電二極體11的陽極111。該非反相輸入端121為該電壓隨耦器12的輸入端，耦接於該訊號端13及該光電二極體11的陰極112。
若將前述運算放大器的開迴路增益(openloop gain)表示為A(s)，且將該光電二極體11的接面電容表示為Cj，則在本發明之光感測器電路實施例中，藉由設置該運算放大器作為電壓隨耦器12，可以使該光電二極體11的可視接面電容等效為約Cj/[1+A(s)]。由於一般而言運算放大器的開迴路增益非常大，因此本發明實施例確實能夠讓該光電二極體11的可視接面電容等效趨近於零。
請參照第6A圖所示，其為本發明之光感測器電路另一實施例的細部電路圖。相較於前述採用運算放大器作為電壓隨耦器12的實施例，本發明也可以利用電流源12a、12a’、電晶體12b、12b’、與電阻12c、12c’組合而成的一級放大器作為電壓隨耦器12，以進一步簡化本發明的電路複雜度和成本。其中，電晶體12b、12b’以金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)為例，故該電流源12a、12a’、電晶體12b、12b’、與電阻12c、12c’可組成一共汲極放大器，該電晶體12b、12b’的源極作為該電壓隨耦器12的輸出端，耦接於該光電二極體11的陽極111。電晶體12b、12b’的閘極作為該電壓隨耦器12的輸入端，耦接於該訊號端13及該光電二極體11的陰極112。該電流源12a、12a’與電阻12c、12c’則分別耦接於該電晶體12b、12b的汲極和源極以提供偏壓。同理，若將前述共汲極放大器的開迴路增益(open loop gain)表示為A(s)，則該光電二極體11的可視接面電容同樣等效為約Cj/[1+A(s)]。
綜上所述，本發明提供一種光感測器電路，其包含一光電二極體及一電壓隨耦器。藉由電壓隨耦器讓該光電二極體的可視接面電容等效趨近於零，能夠大幅降低光電二極體的接面電容構成的影響，故當光感測器電路應用於 需要重置操作的類比數位轉換裝置時，重置積分模組所需的時間將不易受光電二極體影響，而能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:光感測器電路
11:光電二極體
12:電壓隨耦器
13:訊號端
2:類比數位轉換裝置
IN_INT:輸入電壓
O_INT:積分電壓
V_FS:電壓
O_CMP:控制訊號

Claims (7)

  1. 一種光感測器電路，其包含：一光電二極體，具有一陽極及一陰極；及一電壓隨耦器，具有一輸出端及一輸入端；其中該陽極耦接於該電壓隨耦器的輸出端，該陰極與該電壓隨耦器的輸入端則耦接於一訊號端，該訊號端耦接於一類比數位轉換裝置，該類比數位轉換裝置包含一積分模組，且該積分模組的積分電壓需要重置操作。
  2. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該光電二極體感測光線所產生之一類比輸入訊號由該訊號端輸出。
  3. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該電壓隨耦器包含一運算放大器，該運算放大器包含一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該運算放大器的反相輸入端及輸出端相互耦接作為該電壓隨耦器的輸出端，耦接於該陽極，該非反相輸入端作為該電壓隨耦器的輸入端，耦接於該訊號端及該光電二極體的陰極。
  4. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該電壓隨耦器包含電流源、電晶體與電阻組合而成的一級放大器。
  5. 如請求項4所述之光感測器電路，其中，該電晶體為金屬氧化物半導體場效電晶體，該電流源、電晶體與電阻組成一共汲極放大器。
  6. 如請求項5所述之光感測器電路，其中，該電晶體的源極作為該電壓隨耦器的輸出端，耦接於該陽極，該電晶體的閘極作為該電壓隨耦器的輸入端，耦接於該訊號端及該陰極，該電流源耦接於該電晶體的汲極，該電阻則耦接於該電晶體的源極。
  7. 如請求項5所述之光感測器電路，其中，該電晶體的源極作為該電壓隨耦器的輸出端，耦接於該陽極，該電晶體的閘極作為該電壓隨耦器的輸入端，耦接於該訊號端及該陰極，該電流源耦接於該電晶體的源極，該電阻則耦接於該電晶體的汲極。
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