TWI774792B - 光學感測器配置及用於光線感測的方法 - Google Patents

光學感測器配置及用於光線感測的方法 Download PDF

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Abstract

一種光學感測器配置，其具有積分器、用於提供對應至第一極性之電流的光二極體、耦合至該積分器用於比較電壓與臨界電壓以提供比較輸出的比較器、參考電荷電路、以及控制單元。該參考電荷電路(14)耦合至該積分器(15)以選擇性提供有第一尺寸的數個第一電荷封包或有第二尺寸的數個第二電荷封包。該控制單元(21)經組配成可控制在校準階段、積分階段及殘餘測量階段的運作。在校準階段期間，該參考電荷電路提供該等第一電荷封包中之一者以及該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器直到該比較輸出改變。判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的參考數。在該積分階段期間，該光二極體連接至該積分器以及該參考電荷電路提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器以響應該比較輸出的各個改變。判定對應至該比較輸出之該等改變之次數的積分數。在緊跟著該積分階段的該殘餘測量階段期間，該參考電荷電路提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器直到該比較輸出改變。判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的殘餘數。

Description

光學感測器配置及用於光線感測的方法
本專利申請案係有關於一種光學感測器配置及用於光線感測的方法。
光學感測器配置經常包含光二極體作為光偵測器且測量流經該光二極體的光電流。該光學感測器配置可將光電流轉換成數位訊號。例如，該光學感測器配置可實現成為光頻(light-to-frequency)電路，它也被稱為以LTF機器簡稱的光頻機器。該LTF電路藉由積分光電流可產生數位訊號且比較積分訊號與閥值。偵得數位訊號的準確度取決於使用於積分及比較期間的參考值。
要達成的目的是提供一種增加光線感測準確度的改良概念。
用獨立項的專利標的達成此目的。其他開發及具體實施例描述於附屬項。
在光頻轉換中，當光電流被積分時，通常每次在積分訊號交越臨界值時，提供相較於光電流有相反 極性的明確電荷封包給積分器的輸入用於設定積分處理(integration process)至一定義狀態。在預定義積分時間期間重覆此處理，且在積分階段期間計數閥值的每次交越。計數的準確度受限於明確電荷封包的尺寸。改良概念係基於以下想法：使用不一定明確的第二電荷封包來判定在該積分階段末端之充電狀態與對應臨界值之間的較小電荷封包的殘餘計數。在緊跟著該積分階段的殘餘測量階段可執行此類測量。不過，為了避免需要有另一個明確電荷封包，藉由計數達成該等第一電荷封包中之一者的第二電荷封包之等效個數，可判定明確的第一電荷封包與不明確的第二電荷封包之間的關係。這可在校準階段進行。可在實際測量之前執行該校準階段，亦即，在積分階段之前，或在該積分階段之後，或甚至與實際測量無關。對於給定一連串的積分階段，只做一次校準就夠。
例如，根據改良概念之光學感測器配置的具體實施例包含有一積分器輸入及一積分器輸出的一積分器，用於提供對應至第一極性之一電流的一光二極體，以及有耦合至該積分器輸出之一比較器輸入的一比較器。該比較器經組配成可比較在該比較器輸入處的一電壓與一臨界值以用於提供一比較輸出。一參考電荷電路耦合至該積分器輸入用於選擇性提供有第一尺寸的數個第一電荷封包或有第二尺寸的數個第二電荷封包，其中該等第一電荷封包對應至與該第一極性相反的一第二極性，且該等第二電荷封包對應至該第一極性。第二電荷封包小於第一電荷封 包為較佳。
在此背景下，極性界定由各個元件提供之電荷的符號。例如，第二電荷封包對應至與光二極體所提供之電流有相同極性的電流。
該光學感測器配置的控制單元經組配成在一校準階段期間，可控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入，以及提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出改變。該控制單元在該校準階段期間進一步判定對應至提供該等第二電荷封包之個數的一參考數。在校準階段期間，該控制單元較佳有與該積分器輸入斷開的該光二極體。該斷開可達成在計數期間該參考數不受光電流影響。不過，在有些實作或組態中，該控制單元也可被組配成在校準階段期間可讓該光二極體保持連接至該積分器輸入，例如如果光電流可忽略及/或如果開關該光二極體會造成不可忽略電流分量(current contribution)的話。例如，該校準階段相對於正常積分階段的時間是短的。
該控制單元進一步被組配成在一積分階段期間，可使該光二極體連接至該積分器輸入，以控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入以響應該比較輸出的各個改變，且判定對應至該比較輸出之該等改變之次數的一積分數。相應地，對於在積分器輸出之臨界值的每次交越，提供該等第一電荷封包中之一者且增加在該積分階段期間的偵測脈衝數。
該控制單元進一步被組配成在緊跟著該積分階段的一殘餘測量階段期間，可控制該參考電荷電路以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出改變，且判定在該殘餘測量階段期間對應至該等第二電荷封包所提供之個數的一殘餘數。可以說，該殘餘數對應至該光二極體在與該積分器輸入斷開後不提供電流時而到達不了臨界值的。
該控制單元可進一步被組配成在該殘餘測量階段期間可斷開該光二極體與該積分器輸入。該斷開可達成該殘餘數不受計數期間的光電流影響。不過，在有些實作或組態中，該控制單元也可被組配成在該殘餘測量階段期間可使該光二極體保持連接至該積分器輸入，例如如果光電流可忽略及/或如果開關該光二極體會造成不可忽略電流分量的話。例如，該殘餘測量階段相對於積分階段的時間是短的。
為何有第二尺寸之較細電荷封包不使用於正常積分的理由在於在溫度及處理方面此電荷沒有被修整且沒有明確的定義。在校準階段期間，有第二尺寸的不明確電荷被校準為有第一尺寸的電荷封包。
例如，該控制單元經組配成基於該積分數和該殘餘數與該參考數的一比例，可提供一總積分值。例如，該總積分值可由對應至積分數的整數值與對應至參考數、殘餘數之差與參考數之比例的分數值組成。
例如，以下方程式給出校準至參考電荷(亦 即，第一電荷封包)的分數殘餘，亦即，丟失的第二電荷封包：
Figure 107121704-A0202-12-0005-1
因此，針對較小的第二電荷封包的尺寸來改進在該積分階段及該殘餘測量階段期間做測量所形成的總積分值的準確度。用此概念，有可能進一步改善例如在給定積分時間內的ALS測量，對於例如感測器在行動電話顯示器中安裝於油墨後面的應用，這在應付極低光條件時有利。
在各種具體實施例中，該積分階段以提供該等電荷封包中之一者給該積分器輸入開始。
在有些實作中，該控制單元經組配成於立即在該積分階段之前的一初始化階段期間，可以對應至小於該第二尺寸的一容限預設該積分器輸入至對應至該臨界值的一電壓。相應地，用定義起始點可進一步增加整體測量過程的準確度。
例如，該控制單元經組配成在該初始化階段期間藉由使該積分器的積分電容器充電到臨界值可預設該積分器輸入。因此，該光二極體在該積分階段的開端不會流失電流。
在一替代實作中，該控制電路經組配成在該初始化階段期間藉由控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出 第一次改變，可預設該積分器輸入，以及控制該參考電荷電路以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出第二次改變。
相應地，從未定義起始點，提供數個第一電荷封包給該積分器輸入直到第一次交越該臨界值。然後，提供有相反極性的該等第二電荷封包直到再度交越該臨界值，這顯然是在相反方向。相應地，在第二次交越該臨界電壓時，與對應至第二電荷封包之第二尺寸的電壓相比，該積分器輸入取得比較不遠離該臨界值的數值。
可用數種方式各自實作第一及第二電荷封包的產生及提供。例如，可使用用兩個不同參考電壓充電的單一電容器致使取決於各自的要求，儲存兩個不同充電量於電容器上。在一替代例中，使用用相同或不同參考電壓充電的兩個不同電容器。在各個情形下，可控制要以開關方式提供給積分器輸入的兩個不同的充電數量。
例如，該參考電荷電路包含一參考電容器，特別是單一參考電容器。為了提供該第一電荷封包，用第一參考電壓充電該參考電容器同時該參考電容器與該積分器輸入斷開。在充電後，該參考電容器連接至該積分器輸入致使該電荷數量可轉移到該積分器輸入。為了提供該第二電荷封包，以類似方式，用第二參考電壓充電該參考電容器同時該參考電容器與該積分器輸入斷開。在充電後，該參考電容器連接至該積分器輸入以用於提供儲存電荷。
在一替代實作中，該參考電荷電路包含第一及第二參考電容器。為了提供該第一電荷封包，用第一參考電壓充電該第一參考電容器同時該第一參考電容器與該積分器輸入斷開。在充電後，該第一參考電容器連接至該積分器輸入。為了提供該第二電荷封包，用該第一參考電壓或用該第二參考電壓充電該第二參考電容器同時該第二參考電容器與該積分器輸入斷開。在充電後，該第二參考電容器連接至該積分器輸入。
例如，可用由該控制單元提供的各個開關訊號來控制充電及放電以各自提供儲存電荷給該積分器輸入。此外，第一及第二電荷封包的充電及提供可基於參考時脈訊號。因此，達成定義時序使得穩定的運作成為有可能。
在有些實作中，在該校準階段及/或該殘餘測量階段期間可減少該參考時脈訊號的時脈速度，特別是相較於該積分階段。這允許更好地安置可運用於積分器中的放大器。
在有些實作中，該積分器的放大器在該校準階段及/或該殘餘測量階段期間以雜訊較低的運作模式運作，特別是相較於該積分階段。這可進一步增加在用第二電荷封包運作該配置時所達成的準確度。
由於在該殘餘測量階段期間例如藉由降低放大器的帶寬及/或放慢時脈頻率可強迫放大器進入低雜訊模式，允許安置該系統，而不影響正常積分時間期間的 動態範圍。
在有些實作中，該控制單元經組配成可進入該校準階段一次以上，以及從各自在該等校準階段判定的個別參考數來判定一平均值。該平均值隨後可用作最終參考數。相應地，可以較高的確定性來判定第二電荷封包與第一電荷封包之尺寸的比例。這進一步改善整體測量的準確度。
在上述各種實作中，可修整該第一電荷封包之該第一尺寸同時不修整該第二電荷封包之該第二尺寸。因此，由於只要修整該等電荷封包中之一者，為了有明確電荷封包而做的努力會減少。
在此類配置的各種組態中，在此該光二極體與該積分器輸入連接及斷開，該開關過程可例如在該殘餘測量階段及該校準階段期間，提供對測量結果可能有影響的附加電流給該積分器輸入。
為此目的，改良概念視需要引進ON-OFF-補償階段，在此期間，測量連接及斷開該光二極體的影響。例如，在ON-OFF-補償階段期間，該控制單元控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入。然後，該控制單元首先使該光二極體與該積分器輸入連接然後斷開(或反之亦然)，這可能導致ON-OFF誤差。然後，該控制單元控制該參考電荷電路以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出改變。該控制單元判定對應至第二電荷封包所提供之個數的 ON-OFF次數。
該ON-OFF-補償階段可實作成為只允許開關光二極體之短積分階段與在此情形下提供ON-OFF次數之殘餘測量階段的組合。
校準階段之參考數與ON-OFF-補償階段之ON-OFF次數的差對應至ON-OFF誤差。ON-OFF誤差的數值表示在提供總積分值時可納入考慮，它則進一步基於各個ON-OFF誤差的ON-OFF次數。
已進一步發現，例如漏電流的內部狀態也可能影響測量結果。為了把例如漏電流的內部狀態納入考量，改良概念提供按照第二電荷封包來測量在預定義時間內的漏電流。下文使用用語漏電流用於概括在積分器輸入處出現的任何附加電流。例如，各自在正常積分階段的完整積分時間或積分時間的一定義部份可積分該漏電流。在此類積分期間，該光二極體可與該積分器輸入斷開，或該光二極體可連接而不暴露於光線。藉由斷開該光二極體，可只納入考量由例如電子器件產生的內部狀態。
例如，在漏電積分階段期間可執行該漏電流的積分。在漏電積分階段後，可開始或多或少對應至殘餘測量階段的漏電補償階段。相應地，該控制單元控制該參考電荷電路以提供該等第二電荷封包中之一或多個直到該比較輸出改變，且判定對應至第二電荷封包在漏電補償階段期間所提供之個數的漏電數(leakage number)。
該校準階段之參考數與該漏電補償階段之 漏電數的差對應至內部誤差。內部誤差的數值表示在提供總積分值時可納入考慮，它則進一步基於各個內部誤差的漏電數。特別是，如果該漏電積分階段有與正常積分階段相同的長度，可直接使用該參考數與漏電數的差值，假如在正常積分階段期間會提供相同的漏電流的話。不過，如果該漏電積分階段只延續正常積分階段的一部份，例如一半時間，該差額應由乘上正常積分時與漏電積分階段時間之比例的漏電數形成，在本實施例中，它等於2。
為了能夠也考慮到正、負漏電流，該等第一電荷封包中之一或多個在該漏電積分階段期間可提供給該積分器輸入，較佳在該漏電積分階段的開端。在判定漏電數時，顯然必須考慮此類第一電荷封包。
根據上述具體實施例中之一者的配置可使用於例如行動裝置，特別是行動電話，例如用於周遭光線感測。改良概念特別允許準確測量，甚至在只由光二極體提供小光電流的低照明條件下。
本揭示內容也有關於根據改良概念的一種光線感測方法。此一方法可用一種配置執行，該配置具有：提供對應至第一極性之電流的一光二極體，有積分器輸入及積分器輸出的一積分器，以及有耦合至該積分器輸出之一比較器輸入的一比較器，該比較器經組配成可比較在該比較器輸入處的電壓與臨界值以用於提供一比較輸出。該方法包含校準階段、積分階段及殘餘測量階段。
在校準階段期間，該光二極體較佳與該積 分器輸入斷開，有第一尺寸的數個第一電荷封包中之一者提供給該積分器輸入，以及有第二尺寸的數個第二電荷封包中之一或多個提供給該積分器輸入直到該比較輸出改變。提供對應至該等第二電荷封包之個數的一參考數，其中該第一電荷封包對應至與該極性相反的第二極性，以及該等第二電荷封包對應至該第一極性。
在該積分階段期間，該光二極體連接至該積分器輸入，該等第一電荷封包中之一者提供給該積分器輸入以響應該比較輸出的各個改變，且判定對應至該比較輸出之該等改變之次數的一積分數。
在緊跟著該積分階段的該殘餘測量階段期間，該光二極體較佳與該積分器輸入斷開，該等第二電荷封包中之一或多個提供給該積分器輸入直到該比較輸出改變，且判定對應至該等第二電荷封包之個數的一殘餘數。
該光線感測方法可進一步包含：立即在該積分階段之前的一初始化階段。在此一初始化階段期間，以對應至小於該第二尺寸的一容限預設該積分器輸入至對應至該臨界值的一電壓。
熟諳此藝者從該光學感測器配置的上述各種具體實施例及實作可立即明白該方法的其他實作。
在該光學感測器配置及該光線感測方法的有些實作中，在使用第二電荷封包用以在該初始化階段期間預設積分器輸入時，可省略第二電荷封包相對於第一電荷封包的校準以及殘餘測量的執行。特別是，該初始化階 段的進行可用校準的第二電荷封包與未校準的第二電荷封包。
例如，光學感測器配置的對應具體實施例包含有一積分器輸入及一積分器輸出的一積分器，用於提供對應至第一極性之電流的一光二極體，以及有耦合至該積分器輸出之一比較器輸入的一比較器。該比較器經組配成可比較在該比較器輸入處的一電壓與一臨界值以用於提供一比較輸出。一參考電荷電路耦合至該積分器輸入用於選擇性提供有第一尺寸的數個第一電荷封包或有第二尺寸的數個第二電荷封包，其中該等第一電荷封包對應至與該第一極性相反的一第二極性，且該等第二電荷封包對應至該第一極性。該等第二電荷封包小於該等第一電荷封包。
該控制單元經組配成於立即在積分階段之前的初始化階段期間，可預設該積分器輸入，其係藉由控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出第一次改變，以及控制該參考電荷電路以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入直到該比較輸出第二次改變。
關於該積分階段，較佳為以上所述的。
相應地，從未定義起始點，提供數個第一電荷封包給該積分器輸入直到第一次交越該臨界值。然後，提供有相反極性的該等第二電荷封包直到再度交越該臨界值，這顯然是在相反方向。相應地，在第二次交越該臨界電壓時，與對應至第二電荷封包之第二尺寸的電壓相 比，該積分器輸入取得比較不遠離該臨界值的數值。因此，可達成該積分階段的更準確起始值。
10‧‧‧光學感測器配置
11‧‧‧光二極體
12‧‧‧積分器
13‧‧‧比較器
14‧‧‧參考電荷電路
15‧‧‧積分器輸入
16‧‧‧積分器輸出
17‧‧‧參考電位端
18‧‧‧比較器輸入
19‧‧‧第二輸入
21‧‧‧控制電路
22‧‧‧第一開關
23‧‧‧第二開關
24‧‧‧放電開關
26‧‧‧放大器
27‧‧‧積分電容器
28‧‧‧積分器開關
29‧‧‧又一積分器開關
30‧‧‧電壓端
40‧‧‧第一參考電容器
41‧‧‧第一參考開關
42‧‧‧第二參考開關
43‧‧‧參考端/參考連接
44‧‧‧第三參考開關
45‧‧‧第四參考開關
46‧‧‧參考源極端/參考連接
49‧‧‧訊號輸出
50‧‧‧第二參考電容器
51‧‧‧對應參考開關
52、54、55‧‧‧開關
56‧‧‧第二參考源極端
60‧‧‧參考源
61‧‧‧參考源分壓器
62、63‧‧‧分壓器電阻器
64、65‧‧‧開關
66-69‧‧‧其他開關
AVSS‧‧‧參考訊號
CREF1‧‧‧參考電容器40的電容值
CREF2‧‧‧參考電容器50的電容值
GND‧‧‧參考電位
IPD‧‧‧光電流
RES_CP‧‧‧電壓階躍
REF_CP‧‧‧電壓階躍的尺寸
SC‧‧‧比較器訊號/比較輸出
SOUT‧‧‧輸出訊號
Q1、Q2‧‧‧電荷值
VC‧‧‧端電壓
VCT‧‧‧比較器臨界電壓/臨界值
VIN‧‧‧比較器輸入電壓
VR‧‧‧所產生之參考電壓
VR1‧‧‧第一參考電壓
VR2‧‧‧第二參考電壓
SW1至SW5‧‧‧開關控制訊號
以下數個示範具體實施例之圖表的描述可進一步圖解說明及解釋改良概念的數個方面。各自有相同結構及相同效果的裝置及電路部件以等效的參考符號表示。只要裝置或電路部件功能上在圖表中互相對應，則後續附圖不再重覆描述。
附圖中：第1圖圖示根據改良概念之光學感測器配置的一示範實作。
第2圖圖示訊號在第1圖配置中的示範訊號圖，第3圖根據改良概念圖示參考電荷電路的一示範實作，第4圖根據改良概念圖示參考電荷電路的另一示範具體實施例，第5圖圖示訊號在第1圖配置中的又一示範訊號圖，以及第6圖根據改良概念圖示光學感測器配置的示範詳圖，第7圖圖示訊號在第1圖配置中的更一示範訊號圖，以及第8圖圖示訊號在第1圖配置中的再一示 範訊號圖。
第1圖圖示光學感測器配置10的示範具體實施例，其包含光二極體11、積分器12、比較器13及參考電荷電路14。配置10可用作LTF機器10。
第1圖圖示LTF機器10的簡單方塊圖。積分器12包含積分器輸入15與積分器輸出16。積分器輸入15耦合至光二極體11。積分器輸出16連接至比較器13的比較器輸入18。此外，光學感測器配置10包含有一輸入耦合至比較器13之輸出的控制電路21。
光學感測器配置10包含配置在光二極體11和積分器輸入15之間的第一開關22。光二極體11的陽極連接至參考電位端17。光二極體11的陰極經由第一開關22耦合至積分器輸入15。此外，光學感測器配置10包含使光二極體11耦合至參考電位端17的第二開關23。因此，第二開關23使在第一開關22和光二極體11之間的節點耦合至參考電位端17。另外，將放電開關24配置在積分器輸入15和參考電位端17之間。
因此，光二極體11提供有第一極性的光電流IPD給積分器輸入15。
積分器12包含放大器26與積分電容器27。放大器26的輸入直接連接至積分器輸入15。放大器26的輸出直接連接至積分器輸出16。放大器26的輸入可實現成為反相輸入。放大器26的又一輸入連接至參考電位 端17。該放大器的該又一輸入可實現成為非反相輸入。積分電容器27的第一電極連接至積分器輸入15從而連接至放大器26的輸入。該積分器電容器的第二電極耦合至放大器26的輸出從而耦合至積分器輸出16。
積分器12包含積分器開關28。積分器開關28使該積分器電容器27的第二電極耦合至放大器26的輸出從而耦合至積分器輸出16。在積分電容器27和積分器開關28之間的節點經由又一積分器開關29耦合至電壓端30。例如，電壓端30可連接至比較器13的第二輸入19。
控制電路21的輸出連接至第一開關22、第二開關23、放電開關24、積分器開關28及該又一積分器開關29的控制端。此外，控制電路21包含訊號輸出49。
比較器臨界電壓VCT施加至比較器13的第二輸入19。比較器臨界電壓VCT設定比較器13的比較器開關點。比較器臨界電壓VCT可等於該比較器開關點。比較器13產生比較器訊號SC。比較器訊號SC可實作成為光頻輸出訊號。比較器訊號SC提供給控制電路21。控制電路21在訊號輸出49處產生為比較器訊號SC之函數的輸出訊號SOUT。控制電路21產生開關控制訊號SW1至SW5且提供該等控制訊號給開關22至24、28、29的控制端。
端電壓VC可在電壓端30分接(tapped)且施加至該又一積分器開關29。未圖示的電壓源可連接至電壓端30且可產生端電壓VC。該電壓源也可連接至比較器13 的第二輸入19。在此情形下，端電壓VC可等於比較器臨界電壓VCT。
參考電位GND可在參考電位端17分接。參考電位GND提供給放大器26的該又一輸入。
比較器輸入電壓VIN可在積分器輸出16分接，且因此，在比較器13的第一輸入18分接。比較器訊號SC為比較器輸入電壓VIN與比較器臨界電壓VCT之差的函數。如果比較器輸入電壓VIN高於比較器臨界電壓VCT，則比較器13產生有第一邏輯值的比較器訊號SC。
比較器臨界電壓VCT可與端電壓VC不同。
耦合至積分器輸入15的參考電荷電路14經組配成可選擇性地提供有第一尺寸的數個第一電荷封包或有第二尺寸的數個第二電荷封包。該等第一電荷封包對應至第二極性，其係與由該光二極體提供之電流的第一極性相反。該等第二電荷封包對應至該第一極性。第一及第二電荷封包的提供由控制單元21控制。此外，電荷封包在參考電荷電路14內的產生也可由控制單元21控制，以下在說明第3圖及第4圖時會更詳細地予以解釋。
控制單元21可具有將會在不同運算階段中運作的光學感測器配置10。例如，在一積分階段期間，控制單元21使光二極體11連接或保持連接至積分器輸入15，控制參考電荷電路14以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入以響應比較輸出SC的各個改變且判定對應至比較輸出SC之該等改變之次數的積分數。例如， 用控制單元21內的計數器計數改變次數。
根據改良概念，為了也涵蓋在積分器輸入於該積分階段末端的電壓與臨界值VCT之間的殘餘，控制單元21在緊跟著該積分階段的殘餘測量階段期間控制參考電荷電路14以提供該等第二電荷封包中之一或多個給積分器輸入15直到該比較輸出改變。控制單元21判定對應至該等第二電荷封包在該殘餘測量階段期間所提供之個數的殘餘數。控制單元21在該殘餘測量階段期間較佳斷開光二極體11與積分器輸入15。不過，在有些實作或組態中，控制單元21在該殘餘測量階段期間也可保持光二極體11連接至積分器輸入15，例如如果光電流可忽略及/或如果開關光二極體11會造成不可忽略電流分量的話。例如，該殘餘測量階段相對於積分階段的時間是短的。
第二電荷封包之第二尺寸與第一電荷封包之第一尺寸的比例在校準階段中判定，在此期間，該光二極體較佳與該積分器輸入斷開。在該校準階段中，該控制單元控制該參考電荷電路以提供該等第一電荷封包中之一者給積分器輸入15，以及以提供該等第二電荷封包中之一或多個給積分器輸入15直到比較輸出SC改變。控制單元21判定對應至提供該等第二電荷封包之個數的一參考數。不過，在有些實作或組態中，控制單元21在校準階段期間也可使光二極體11保持連接至積分器輸入15，例如如果光電流可忽略及/或如果開關光二極體11會造成不可忽略電流分量的話。例如，該校準階段相對於積分階段的 時間是短的。
此時參考第2圖，以下藉助於示範訊號圖更詳細地解釋不同的運算階段。在此示範簡圖中，假設，在初始化(INIT)階段末端，積分器12被預設成訊號VIN各自在積分器輸出16、比較器輸出18取得臨界電壓VCT。在緊跟著INIT階段之積分階段的開端，第一電荷封包提供給積分器輸入15而導致有尺寸REF_CP的電壓階躍(voltage step)，在此實施例中，為負電壓階躍。電壓VIN隨著光電流IPD提供給積分器輸入15而增加直到達到或交越臨界電壓VCT。響應此事件，產生LTF脈衝，這在簡圖的下半部可看到。同時，提供第一電荷封包以使電壓VIN再度向下。仍然連接之光二極體11的光電流重覆上述過程進一步增加電壓VIN。
應注意，圖示於第2圖示範簡圖的兩個LTF脈衝只用來更便於圖示概念，然而在取決於實際光電流的實際實作中，在預定義積分階段期間會產生更多積分脈衝，或甚至單一LTF脈衝。例如，此一積分階段由50Hz或60Hz的訊號決定。
在該積分階段之末端，這是殘餘測量階段的起頭，電壓VIN是在電壓VCT-REF_CP與VCT之間的某處，其形成殘餘電壓。因此，根據改良概念，有第二尺寸對應至電壓RES_CP的第二電荷封包在控制單元21的控制下從參考電荷電路14提供給積分器輸入15直到達到或交越臨界電壓VCT。在此實施例中，需要4個封包以交越 臨界電壓VCT。此數被儲存作為殘餘數。因此，該積分數與該殘餘數允許更準確地表示光電流強度，光線係各自誘發該光電流。
為了更好地量化該殘餘數，對應至電壓階躍RES_CP之第二尺寸與對應至電壓階躍REF_CP之第一尺寸的比例在校準階段判定，在此實施例中，它是在殘餘測量階段之後。不過，也可在初始化階段之前執行該校準階段或可與實際測量完全無關。
由第2圖可見，第一電荷封包在校準階段的開端提供給積分器輸入15且隨後提供數個第二電荷封包直到達到或交越臨界值VCT。在此實施例中，7個第二電荷封包對應至該等第一電荷封包中之一者。
第3圖及第4圖圖示用於提供有第一及第二尺寸之電荷封包的參考電荷電路14示範實作。
在第3圖的具體實施例中，參考電荷電路14包含有第一及第二電極的第一參考電容器40。參考電荷電路14的第一參考開關41使第一參考電容器40的第一電極耦合至積分器輸入15。第二參考開關42使第一參考電容器40的第一電極耦合至參考端43。此外，參考電荷電路14包含使第一參考電容器40之第二電極耦合至參考端43的第三參考開關44。此外，參考電荷電路14的第四參考開關45使第一參考電容器40的第二電極耦合至參考源極端46。
參考訊號AVSS提供給參考端43。參考訊 號AVSS可等於參考電位GND。在參考源極端46處提供第一參考電壓VR1。
以類似方式，參考電荷電路14也包含有第一及第二電極的第二參考電容器50。對應參考開關51使第二參考電容器50的第一電極耦合至參考端43。此外，開關52使電容器50的第一電極耦合至參考端43，開關55使電容器50的第二端耦合至第二參考源極端56，在此處提供第二參考電壓VR2。開關54使第二參考電容器50的第二電極耦合至積分器輸入15。
例如，在控制電路21的控制下，各個開關訊號提供給參考電荷電路14用於充電及放電第一及第二參考電容器40、50，其中放電對應至各個電荷封包至積分器輸入15的實際提供。
第4圖圖示參考電荷電路的第二具體實施例，其只使用一個參考電容器40用於產生第一及第二電荷封包兩者。特別是，在第一參考電容器40附近的電路與開關41、42、44、45和參考連接43及46一起對應至第3圖的具體實施例。
第一參考電壓VR1由連接在端46與參考電位端17之間的參考源60提供。參考源60可實現成為參考電壓源，例如帶隙電路。參考源分壓器61使參考源60耦合至參考電位端GND且包含兩個分壓器電阻器62、63。參考源分壓器61的分接是在兩個分壓器電阻器62、63之間且提供第二參考電壓VR2。第二參考電壓VR2因此小於 第一參考電壓VR1。開關64、65提供第一參考電壓VR1或者是第二參考電壓VR2作為所產生之參考電壓VR。
其他開關66、67、68及69一起用作極性開關用於各自提供參考訊號AVSS或者是所產生之參考電壓VR給開關42、45、電容器40。例如，請參考第3圖的實作，為了達成用於提供第一參考電壓VR1的上層電路部件(upper circuit parts)，關閉開關64、66及68同時打開開關65、67及69。為了提供第二參考電壓VR2，顛倒開關狀態，致使開關64、66及68打開，同時開關65、67及69關閉。
由第3圖及第4圖之具體實施例產生的電荷封包取決於充電電壓，亦即，參考電壓VR1及/或參考電壓VR2，以及參考電容器40、50的各自電容值。例如，在這兩個具體實施例中，第一電荷封包對應至電荷值Q1=VR1*CREF1，其中CREF1為參考電容器40的電容值。
在第3圖的具體實施例中，第二電荷封包有電荷值Q2=VR1*CREF2，其中CREF2為參考電容器50的電容值。在第4圖的具體實施例中，第二電荷封包有電荷值Q2=VR2*CREF1。關於第3圖的具體實施例，也可用第一參考電壓VR1充電第二參考電容器50，因為不同的電荷封包可由不同的電容值產生。
如前述，改良概念旨在預設積分器輸入致使它於立即在積分階段之前的初始化階段期間或多或少與臨界值VCT重合。特別是，起始電壓與臨界電壓VCT的 差應小於對應至第二電荷封包之第二尺寸的電壓。
此時翻到第5圖，其訊號圖圖示示範如何達成所欲初始化的示範實作。在此實施例中，從高於臨界值VCT的任意起始值開始，對應至電壓階躍REF_CP的第一電荷封包中之一或多個提供給積分器輸入15直到交越臨界電壓VCT，亦即，第一次。然後，對應至有相反極性之電壓階躍RES_CP的第二電荷封包中之一或多個提供給積分器輸入15直到比較輸出SC第二次改變。在第二電荷封包的最後一個之前，電壓VIN低於臨界值VCT，電壓VIN可為較高第二電荷封包中唯一的一個，亦即，之後高於臨界電壓VCT的一電壓階躍RES_CP。因此，更準確地界定緊跟著初始化階段之積分階段的起始點。例如，在積分階段的開端，對應至電壓階躍REF_CP的第一電荷封包中之一者提供給積分器輸入15而減少開始積分階段的誤差。
應注意，在說明第5圖提及的初始化不一定取決於第二電荷封包相對於第一電荷封包的校準。因此，可各自在測量階段、積分階段之前執行此類初始化，而與所做積分的種類無關，亦即，也沒有殘餘測量階段。
此時參考第6圖，其圖示光學感測器配置在可能實作中的詳圖。例如，積分電容器27的第一端經由第一開關連接至該接地端，同時積分電容器27的第二端連接至在比較器13內用於提供臨界電壓VCT的參考端。特別是，比較器13用作經組配成為緩衝器的補償運算放大 器。因此，在初始化階段中，藉由關閉各個預設開關、積分電容器27，積分器12可預設至臨界值VCT。也在此情形下，可達成高準確度且可減少在積分階段之開端的電位誤差。
在此類配置的各種組態中，在此光二極體11與積分器輸入15連接且斷開，開關過程可例如在殘餘測量階段及校準階段期間，提供對於測量結果可能有影響的附加電流給積分器輸入15。
為此目的，改良概念視需要引進ON-OFF-補償階段，在此期間測量連接及斷開光二極體的影響。第7圖圖示一示範實作。例如，在ON-OFF-補償階段期間，控制單元21控制參考電荷電路14以提供該等第一電荷封包中之一者給積分器輸入15。然後，控制單元21首先連接光二極體11與積分器輸入15然後使兩者斷開，或反之亦然，這可能導致ON-OFF誤差。圖中，這圖示成控制開關SW3的ON與OFF。然後，控制單元21控制參考電荷電路14以提供該等第二電荷封包中之一或多個給積分器輸入15直到該比較輸出改變。該控制單元判定對應至所提供第二電荷封包之個數的ON-OFF次數，在此實施例中，是8個第二電荷封包。
該ON-OFF-補償階段可實作成為只允許開關光二極體之短積分階段與在此情形下提供ON-OFF次數之殘餘測量階段的組合。
校準階段之參考數(再度圖示於第7圖但是 對應至圖示於第2圖中之一者)與ON-OFF-補償階段之ON-OFF次數的差對應至ON-OFF誤差。ON-OFF誤差的數值表示在提供總積分值時可納入考慮，它則進一步基於各個ON-OFF誤差的ON-OFF次數。
已進一步發現，漏電流也可能影響測量結果。為了考慮到此類漏電流，改良概念提議按照第二電荷封包來測量在預定義時間內的漏電流。例如，各自在正常積分階段的完整積分時間或該積分時間的一定義部份期間可積分該漏電流。在此類積分期間，光二極體可與積分器輸入斷開，或光二極體可連接而不暴露於光線。
例如，第8圖圖示在漏電積分階段期間執行漏電流之積分的一實作實施例。在漏電積分階段後，開始或多或少對應至殘餘測量階段的漏電補償階段，例如，如第2圖所示。相應地，控制單元21控制參考電荷電路14以提供該等第二電荷封包中之一或多個給積分器輸入15直到該比較輸出改變，且判定對應至第二電荷封包在漏電補償階段期間所提供之個數的漏電數，在本實施例為10個。
校準階段之參考數與漏電補償階段之漏電數的差對應至內部誤差。內部誤差的數值表示在提供總積分值時可納入考量，然後進一步基於各個內部誤差的漏電數。特別是，如果漏電積分階段與正常積分階段有相同的長度，假如在正常積分階段期間已提供相同的漏電流，可直接使用參考數與漏電數的差值。不過，如果漏電積分階 段只延續正常積分階段的一部份，例如一半時間，該差額應由乘上正常積分時與漏電積分階段時間之比例的漏電數形成，在選定實施例中，它等於2。
為了能夠也考慮到正、負漏電流，該等第一電荷封包中之一或多個在漏電積分階段期間可提供給積分器輸入15，較佳在漏電積分階段的開端。在判定漏電數時，顯然必須考慮此類第一電荷封包。
10‧‧‧光學感測器配置
11‧‧‧光二極體
12‧‧‧積分器
13‧‧‧比較器
14‧‧‧參考電荷電路
15‧‧‧積分器輸入
16‧‧‧積分器輸出
17‧‧‧參考電位端
18‧‧‧比較器輸入
19‧‧‧第二輸入
21‧‧‧控制電路
22‧‧‧第一開關
23‧‧‧第二開關
24‧‧‧放電開關
26‧‧‧放大器
27‧‧‧積分電容器
28‧‧‧積分器開關
29‧‧‧又一積分器開關
30‧‧‧電壓端
49‧‧‧訊號輸出
GND‧‧‧參考電位
SC‧‧‧比較器訊號/比較輸出
SOUT‧‧‧輸出訊號
VC‧‧‧端電壓
VCT‧‧‧比較器臨界電壓/臨界值
VIN‧‧‧比較器輸入電壓
SW1至SW5‧‧‧開關控制訊號

Claims (15)

  1. 一種光學感測器配置，其包含：積分器(12)，有積分器輸入(15)及積分器輸出(16)；光二極體(11)，用於提供對應至第一極性之電流；比較器(13)，有耦合至該積分器輸出(16)之比較器輸入(18)，該比較器(13)經組配成可比較在該比較器輸入(18)處的電壓與臨界值(VCT)以提供比較輸出(SC)；參考電荷電路(14)，耦合至該積分器輸入(15)以選擇性提供有第一尺寸的數個第一電荷封包或有第二尺寸的數個第二電荷封包，其中，該等第一電荷封包對應至與該第一極性相反的第二極性，而該等第二電荷封包對應至該第一極性；以及控制單元(21)，其經組配成可：在校準階段期間，控制該參考電荷電路(14)以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入(15)且提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)改變，且判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的參考數；在一積分階段期間，使該光二極體(11)連接至該積分器輸入(15)，以控制該參考電荷電路(14)以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入(15)以響應該比較輸出(SC)的一各個改變，且判定對應至該比較輸出(SC)之該等改變之次數的積分數； 在緊跟著該積分階段的殘餘測量階段期間，控制該參考電荷電路(14)以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)改變，且判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的殘餘數；以及基於該積分數和該殘餘數與該參考數的比例，可提供總積分值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之配置，其中，該積分階段以提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入(15)開始。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的配置，其中，該控制單元(21)經組配成於立即在該積分階段之前的初始化階段期間，以對應至小於該第二尺寸的容限預設該積分器輸入(15)至對應至該臨界值(VCT)的電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之配置，其中，該控制單元(21)經組配成在該初始化階段期間藉由充電該積分器(12)的積分電容器(27)至該臨界值(VCT)可預設該積分器輸入(15)。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之配置，其中，該控制單元(21)經組配成藉由控制該參考電荷電路(14)以提供該等第一電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)第一次改變，以及控制該參考電荷電路(14)以提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)第二次改變，在該初 始化階段期間可預設該積分器輸入(15)。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中之任一項所述的配置，其中，該參考電荷電路(14)包含參考電容器(40)；為了提供該第一電荷封包，用第一參考電壓(VR1)充電該參考電容器(40)同時該參考電容器(40)與該積分器輸入(15)斷開，且在充電後連接至該積分器輸入(15)；以及為了提供該第二電荷封包，用第二參考電壓(VR2)充電該參考電容器(40)同時該參考電容器(40)與該積分器輸入(15)斷開，且在充電後連接至該積分器輸入(15)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之配置，其中，該第一及該第二電荷封包的充電及提供係基於參考時脈訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項至第5項中之任一項所述的配置，其中，該參考電荷電路(14)包含第一及第二參考電容器(40，50)；為了提供該第一電荷封包，用第一參考電壓(VR1)充電該第一參考電容器(40)同時該第一參考電容器(40)與該積分器輸入(15)斷開，且在充電後連接至該積分器輸入(15)；以及為了提供該第二電荷封包，用該第一參考電壓(VR1)或用第二參考電壓(VR2)充電該第二參考電容器 (50)同時該第二參考電容器(50)與該積分器輸入(15)斷開，且在充電後連接至該積分器輸入(15)。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之配置，其中，該第一及該第二電荷封包的充電及提供係基於參考時脈訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之配置，其中，在該校準階段及/或該殘餘測量階段期間減少該參考時脈訊號的時脈速度。
  11. 如申請專利範圍第1項至第5項中之任一項所述的配置，其中，該積分器(12)的放大器(26)在該校準階段及/或該殘餘測量階段期間以雜訊較低的運作模式運作。
  12. 如申請專利範圍第1項至第5項中之任一項所述的配置，其中，該控制單元(21)經組配成可進入該校準階段一次以上，以及從各自在該等校準階段判定的個別參考數來判定平均值，該平均值用來作為最終參考數。
  13. 如申請專利範圍第1項至第5項中之任一項所述的配置，其中，修整該第一電荷封包之該第一尺寸且不修整該第二電荷封包之該第二尺寸。
  14. 一種用一種配置執行的光線感測方法，該配置具有：提供對應至第一極性之電流的光二極體(11)、有積分器輸入(15)及積分器輸出(16)的積分器(12)、以及有耦合至該積分器輸出(16)之比較器輸入(18)的比較器(13)，該比較器(13)經組配成可比較在該比較器輸入(18)處的電壓與臨界值(VCT)以用於提供比較輸出(SC)，該方法包含： 在校準階段期間，提供有第一尺寸的數個第一電荷封包中之一者給該積分器輸入(15)且提供有第二尺寸的數個第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)改變，且判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的參考數，其中，該等第一電荷封包對應至與該第一極性相反的第二極性，且該等第二電荷封包對應至該第一極性；在積分階段期間，使該光二極體(11)連接至該積分器輸入(15)，提供該等第一電荷封包中之一者給該積分器輸入(15)以響應該比較輸出(SC)的各個改變，且判定對應至該比較輸出(SC)之該等改變之次數的積分數；在緊跟著該積分階段的殘餘測量階段期間，提供該等第二電荷封包中之一或多個給該積分器輸入(15)直到該比較輸出(SC)改變，且判定對應至該等第二電荷封包所提供之個數的殘餘數；以及基於該積分數和該殘餘數與該參考數的比例，可提供總積分值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中，於立即在該積分階段之前的初始化階段期間，以對應至小於該第二尺寸的容限預設該積分器輸入(15)至對應至該臨界值(VCT)的電壓。
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