TWI803061B - 光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法 - Google Patents

光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI803061B
TWI803061B TW110143378A TW110143378A TWI803061B TW I803061 B TWI803061 B TW I803061B TW 110143378 A TW110143378 A TW 110143378A TW 110143378 A TW110143378 A TW 110143378A TW I803061 B TWI803061 B TW I803061B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
signal
unit
sensor
output
reference potential
Prior art date
Application number
TW110143378A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202229821A (zh
Inventor
拉維 庫馬爾 阿杜蘇馬利
拉胡爾 托塔蒂爾
Original Assignee
德商Ａｍｓ傳感器德國有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 德商Ａｍｓ傳感器德國有限公司 filed Critical 德商Ａｍｓ傳感器德國有限公司
Publication of TW202229821A publication Critical patent/TW202229821A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI803061B publication Critical patent/TWI803061B/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4204—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors with determination of ambient light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4406—Plural ranges in circuit, e.g. switchable ranges; Adjusting sensitivity selecting gain values
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

在一實施例中，光學感測裝置包括：配置為提供第一感測器信號(I1)的第一感測器(D1)、配置為提供第二感測器信號(I2)的第二感測器(D2)、包括連接到第一感測器(D1)的第一輸入(21)、連接到第二感測器(D2)的第二輸入(22)、配置為提供第一積分信號(V1)作為第一感測器信號(I1)的函數的第一輸出(23)、及配置為提供第二積分信號(V2)作為第二感測器信號(I2)的函數的第二輸出(24)的積分單元(20)、包括連接到積分單元(20)的第一輸出(23)的第一輸入(31)、連接到積分單元(20)的第二輸出(24)的第二輸入(32)、及配置為提供比較信號(CMP)作為第一積分信號和第二積分信號(V1，V2)的函數的輸出(33)的比較單元(30)、以及包括耦接到比較單元(30)的輸出(33)的第一輸入(41)的控制單元(40)，其中，控制單元(40)配置為評估比較信號(CMP)的脈衝並由此提供指示第一感測器信號和第二感測器信號(I1、I2)之間的差值的輸出計數。

Description

光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法
本發明係關於環境光感測領域。具體而言，本申請係關於光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法。
本申請要求德國專利申請第102020132969.5號的優先權，其公開內容以引用方式併入本文。
環境光感測(ambient light sensing,ALS)廣泛用於不同類型的設備顯示器，如智慧型手機和筆記型電腦，用於以與人眼基本相同的方式偵測亮度。為此，準備了ALS感測器的光譜靈敏度以再現人眼的明視和/或暗視光度曲線。環境光照度的標準國際單位是勒克斯(lux)。例如，由ALS感測器提供的資訊用於設備中，以適當調暗設備的螢幕以匹配環境光線條件。
已經發現，環境光中的紅外(infrared,IR)分量會使ALS感測器的測量結果變差。在現有技術實現中，這藉由提供用於感測IR分量的單 獨通道來解決。隨後從有用信號中去除IR分量。詳細而言，用於偵測白光的第一光電二極體連接到一個ALS通道，並且用於偵測IR光的第二二極體連接到第二ALS通道。每個光電流單獨整合在運算放大器的反饋電容器上。每個合成電壓通過比較器與參考電壓進行比較，比較器觸發連接的計數器。每個通道因此提供與在所述通道中偵測到的光量相等的計數。為了得到IR補償的清除計數(clear count)，在數位域中從清除計數中減去IR計數。然而，這種解決方案消耗了大量的晶片面積和功率。
因此，一目的是提供解決上述現有技術的至少一些缺點的光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法。
該目的藉由獨立請求項的主題實現。在附屬請求項中定義了進一步的發展和實施例。
除非另有說明，以上提供的術語定義也適用於以下描述。
在一實施例中，光學感測裝置包括第一感測器、第二感測器、積分單元、比較單元和控制單元。第一感測器配置為提供第一感測器信號。第二感測器配置為提供第二感測器信號。積分單元包括連接到該第一感測器的第一輸入、連接到該第二感測器的第二輸入、配置為提供第一積分信號作為該第一感測器信號的函數的第一輸出、以及配置為提供第二積分信號作為該第二感測器信號的函數的第二輸出。比較單元包括連接到該積分單元的該第一輸出的第一輸入、連接到該積分單元的該第二輸出的第二輸入、以及輸出。比較單元的該輸出配置為提供比較信號作為該第一積分信 號和該第二積分信號的函數。控制單元包括耦接到該比較單元的該輸出的第一輸入。控制單元配置為評估該比較信號的脈衝並由此提供輸出計數，該輸出計數表示該第一感測器信號與該第二感測器信號之間的差值。
第一感測器產生該第一感測器信號。第二感測器產生該第二感測器信號。積分單元積分該第一信號並由此提供該第一積分信號。積分單元進一步積分該第二感測器信號並由此提供該第二積分信號。比較單元將該第一積分信號與該第二積分信號進行比較並從中提供比較信號。控制單元評估該比較信號的脈衝並從中提供輸出計數，其中該輸出計數表示該第一感測器信號與該第二感測器信號之間的差值或者該輸出計數與該第一感測器信號與該第二感測器信號之間的差值成比例。
所提出的光學光感測裝置僅需要一個積分單元和一個比較單元來提供表示該第一感測器信號與該第二感測器信號之間的差值的輸出計數。因此，與上述現有技術相比，面積消耗和功耗大大降低。
在一發展中，第一感測器包括第一光電二極體，其配置為偵測第一波長範圍內的光。第二感測器包括第二光電二極體，其配置為偵測第二波長範圍中的光，該第二波長範圍至少部分地與第一波長範圍重疊。
輸出計數因此指示該第一波長範圍與該第二波長範圍之間的差值。
例如，第一範圍跨越電磁輻射的範圍，例如電磁輻射的可見範圍。特別地，第一光電二極體配置為偵測寬帶光，例如，清晰的光、或寬帶白光。通常，所述第一波長範圍也延伸到近紅外光或紅外光中，因為 光電二極體在此範圍內也可能具有敏感度。例如，第二光電二極體配置為偵測紅外光。
例如，第一感測器信號代表入射在光學感測器裝置上的白光以及近紅外和紅外光分量的量，而第二感測器信號代表入射在光學感測裝置上的紅外光的量。因此，輸出計數表示入射到光學感測裝置上的白光量和紅外光量之間的差值。它可以稱為IR補償輸出計數或IR校正輸出計數。
在一發展中，第二積分信號與第一積分信號成反比。
這意味著第一積分信號的幅度與第二積分信號的幅度基本相同，而第一積分信號的斜率與第二積分信號的斜率成反比。因此，積分單元在其第一和第二輸出處提供第一和第二積分信號的差值，該差值是該第一感測器信號和該第二感測器信號之間的差值的函數。
在一開發中，積分單元包括差分運算放大器、第一積分電容器和第二積分電容器。差分運算放大器包括連接至該積分單元的該第一輸入的第一輸入、連接至該積分單元的該第二輸入的第二輸入端、連接至該積分單元的該第一輸出的該第一輸出、以及連接至該積分單元的該第二輸出的第二輸出。第一積分電容器耦接在第一反饋迴路中的該差分運算放大器的該第一輸出和該第一輸入之間。第二積分電容器耦接在第二反饋迴路中的該差分運算放大器的該第二輸出和該第二輸入之間。
積分單元中採用的運算放大器也可以稱為全差分運算放大器。
在一開發中，控制單元進一步包括配置為接收第一時脈信號的第二輸入、配置為接收第二時脈信號的第三輸入、以及配置為提供第一控制信號的第一輸出。第一控制信號是該第一時脈信號和該比較信號的函數。
在一開發中，控制單元進一步包括第二輸出，其配置為提供與該第一控制信號相反的第二控制信號。
第二控制信號也可以被稱為反相的第一控制信號。
在一開發中，控制單元進一步包括延遲單元和邏輯單元。延遲單元配置為根據該第一時脈信號從該比較信號提供延遲比較信號。邏輯單元配置為產生第一內部時脈信號作為該第一時脈信號的函數並且使用該第一內部時脈信號和該延遲比較信號來提供該第一控制信號和該第二控制信號。
所有信號皆由控制單元根據取決於該第一時脈信號的同步時脈方案提供。
在一開發中，邏輯單元進一步配置為根據在由第一時脈信號定義的測量週期期間由比較信號提供的脈衝數來確定輸出計數。
在一開發中，光學感測裝置進一步包括取樣單元，該取樣單元包括第一取樣電容器、第二取樣電容器、以及開關單元。開關單元配置為在該控制單元的控制下並取決於該第一時脈信號和該第二時脈信號以兩種操作模式中的其中一種操作光學感測裝置。兩種操作模式包括取樣模式和轉移模式。
因此，從而確保輸入共模保持在合適的位準以用於該第一感測器和該第二感測器的正確操作。
在一開發中，在取樣模式期間，該第一取樣電容器的第一端子和該第二取樣電容器的第一端子分別通過該開關單元連接到第一參考電位端子，該第一取樣電容器的第二端子通過該開關單元連接至第二參考電位端子或第三參考電位端子，該第二取樣電容器的第二端子通過該開關單元連接至第四參考電位端子或第三參考電位端子。在轉移模式期間，該第一取樣電容器的該第一端子通過該開關單元連接到該積分單元的該第一輸入，該第二取樣電容器的該第一端子通過該開關單元連接到該積分單元的該第二輸入，該第一取樣電容器的該第二端子與該第二取樣電容器的該第二端子分別通過該開關單元連接至該第三參考電位端子。
在取樣期間，出現在不同參考電壓端子上的參考電壓將分別在該第一取樣電容器和該第二取樣電容器上被取樣。在轉移模式期間，被取樣的電壓將分別轉移到該第一積分電容器和該第二積分電容器。比較單元的輸出在測量期間切換的次數代表輸出計數。
在一開發中，提供給該第一參考電位端子的第一參考電位低於提供給該第二參考電位端子的第二參考電位，且低於提供給該第三參考電位端子的第三參考電位，並且低於提供給該第四參考電位端子的第四參考電位。該第三參考電位等於該第二參考電位和該第四參考電位之和的一半。
換言之，該第三參考電位等於該第二參考電位和該第四參考電位的平均值。
在一個實施例中，環境光感測器包括如上定義的光學感測裝置。第一感測器包括配置為偵測白光的第一光電二極體，而第二感測器包括配置為偵測紅外光的第二光電二極體。環境光感測器配置為提供輸出計數，該輸出計數與入射到環境光感測器上的環境光的強度成比例，而沒有紅外光分量。
因此，建議的環境光感測器只需要一個通道來提供IR補償輸出計數。因此，與現有的實現方式相比，它節省了面積和功率。環境光感測器也可以表示為差分微分環境光感測器(difference differential ambient light sensor)。
在一個實施例中，一種用於提供輸出計數之方法包括以下步驟：
藉由第一感測器產生第一感測器信號，
藉由第二感測器產生第二感測器信號，
藉由積分單元積分該第一感測器信號並由此提供第一積分信號，
藉由該積分單元積分該第二感測器信號並由此提供第二積分信號，
藉由比較單元將該第一積分信號與該第二積分信號進行比較，並由此提供比較信號，
藉由控制單元評估該比較信號的脈衝，並由此提供指示該第一感測器信號與該第二感測器信號之間的差值的輸出計數。
該輸出計數由單個積分單元和單個比較單元直接提供。在使用透明光電二極體(clear photodiode)來實現第一感測器和使用紅外光電 二極體來實現第二感測器的情況下，輸出計數表示經過紅外補償的(IR-compensated)輸出計數，從而表示環境光感測器的有用信號。
例如，該方法可以通過如上定義的光學感測裝置來實施。
10:參考電位端子
20:積分單元
21:第一輸入
22:第二輸入
23:第一輸出
24:第二輸出
25:運算放大器
26:數位類比轉換器
30:比較單元
31:第一輸入
32:第二輸入
33:輸出
40:控制單元
41:第一輸入
42:第二輸入
43:第三輸入
44:第一輸出
45:第二輸出
46:延遲單元、D正反器
47:邏輯單元
50:取樣單元
51:第一端子
52:第二端子
53:第一參考電位端子
54:第二參考電位端子
55:第三參考電位端子
56:第一端子
57:第二端子
58:第四參考電位端子
60:光學感測裝置
70:環境光感測器
C1:第一積分電容器、積分電容器
C2:第二積分電容器、積分電容器
Cs1:第一取樣電容器
Cs2:第二取樣電容器
CMP:比較信號
D1:第一感測器、第一光電二極體、感測器
D2:第二感測器、第二光電二極體、感測器
I1:第一感測器信號
I2:第二感測器信號
S1-S10:開關單元、開關
P1:第一時脈信號
P2:第二時脈信號
P1d:第一內部時脈信號、第一延遲時脈信號
P2d:第二延遲時脈信號、延遲的第二時脈信號
P1d_x:第一控制信號
P1d_x_VCM:第二控制信號
Q:延遲比較信號
Qb:反相延遲比較信號
VCM:第三參考電位
VCMIN:第一參考電位
VREFH:第四參考電位
VREFL:第二參考電位
V1min:較低位準
V2max:較高位準
V1:第一積分信號、積分信號、電壓信號
V2:第二積分信號、積分信號、電壓信號
下面的文字參考圖式使用示例性實施例來詳細解釋所提出的光學感測裝置和環境光感測器。功能相同或具有相同效果的組件和電路元件具有相同的元件符號。只要電路部件或元件在功能上相互對應，在以下各圖中將不再對其重複描述。其中，
圖1示出了所提出的光學感測裝置的示例性實施例；
圖2示出了圖1之實施例的示例性信號圖；
圖3示出了圖1之實施例的示例性信號圖；
圖4示出了圖1之實施例的模擬結果；以及
圖5示出了所提出的環境光感測器的示例性實施例。
圖1示出了所提出的光學感測裝置的示例性實施例。光學感測裝置包括第一感測器D1、第二感測器D2、積分單元20、比較單元30和控制單元40。積分單元20具有第一輸入21、第二輸入22、第一輸出23和第二輸出24。第一感測器D1包括配置為偵測白光的第一光電二極體。第二感測器D2包括配置為偵測紅外光的第二光電二極體。第一光電二極體D1的陽極端子連接到參考電位端子10並且其陰極端子連接到積分單 元20的第一輸入21。第二光電二極體D2的陽極端子連接到參考電位端子10並其陰極端子連接到積分單元20的第二輸入22。比較單元30具有第一輸入31、第二輸入32及輸出33。積分單元20的第一輸出23耦接至比較單元30的第一輸入31。積分單元的第二輸出24耦接到比較單元30的第二輸入32。控制單元40具有耦接到比較單元30的輸出33的第一輸入41。
第一感測器D1，即第一光電二極體，產生第一感測信號I1。第二感測器D2，即第二光電二極體，產生第二感測器信號I2。積分單元20積分第一感測器信號I2並由此提供第一積分信號V1。積分單元還積分第二感測器信號I2，並由此在其第二輸出24處提供第二積分信號V2。比較單元30將出現在其第一輸入31處的第一積分信號V1與在其第二輸入32處的第二積分信號V2進行比較，並且由此在其輸出33處提供比較信號CMP。控制單元40在其第一輸入41處接收比較信號CMP，評估所述比較信號CMP的脈衝並由此提供輸出計數，該輸出計數指示第一感測器信號I1與第二感測器信號I2之間的差值。
第一感測器D1的第一光電二極體配置為偵測白光。第二感測器D2的第二光電二極體配置為偵測紅外光。輸出計數因此指示由光學感測裝置感測或經歷的白光和紅外光之間的差值。
在示例性實施方式中，第一光電二極體基本上在大約300nm和大約700nm之間敏感，基本上稱為可見範圍，然而，如本領域技術人員已知的，第一光電二極體還偵測部分紅外光。第二光電二極體基本上在大約800nm和大約1000nm之間敏感，即紅外範圍。
因此，所提出的光學感測裝置能夠藉由僅一個積分單元和僅一個比較單元，即僅藉由一個通道，來提供表示圍繞光學感測裝置的光而沒有紅外光分量的輸出計數。這大大減少了建議電路的面積。同時降低了功耗。
積分單元20包括差分運算放大器25、第一積分電容器C1和第二積分電容器C2。運算放大器25包括例如直接連接到積分單元20的第一輸入21的第一輸入。運算放大器25還具有例如直接連接到積分單元20的第二輸入22的第二輸入。其中，運算放大器25的第一輸入可以是反相輸入，而運算放大器25的第二輸入端可以是非反相輸入。第一積分電容器C1耦接在第一反饋迴路中的運算放大器25的第一輸出和第一輸入之間。第二積分放大器C2耦接在第二反饋迴路中的運算放大器25的第二輸出和第二輸入之間。
積分單元20可進一步包括如本領域技術人員已知的用於運算放大器25的自動調零的數位類比轉換器26。第一感測器信號I1以及第二感測器信號I2均可以包括電流信號。第一感測器信號I1的電流被積分到第一積分電容器C1。由此，第一積分信號V1以電壓信號的形式在積分單元20的第一輸出23處提供。同樣地，第二感測器信號I2的電流被積分到第二積分電容器C2並且由此第二積分信號V2以電壓信號的形式在積分單元20的第二輸出24處提供。積分單元20的第一輸出23是非反相的，而積分單元20的第二輸出是反相的。其中，第二積分信號V2與第一積分信號V1成反比，即電壓信號V1與V2的幅度基本相同，且斜率彼此成反比。
比較單元30包括比較器，其中第一輸入33例如被實現為非反相輸入端並接收第一積分信號V1。比較器的第二輸入代表比較單元30的第二輸入32並且例如被實現為用於接收第二積分信號V2的反相輸入。每當第一積分信號V1超過第二積分信號V2的位準時，比較單元30的比較器就會觸發。這表示為比較信號CMP的一個脈衝。
控制單元40包括延遲單元46和邏輯單元47。在所描繪的示例性實施例中，延遲單元46包括延遲正反器(delay flipflop，D正反器)46，其中延遲單元46的D正反器的d輸入代表控制單元40的第一輸入41。延遲單元46還具有時脈輸入，其配置為接收第一時脈信號P1。所述時脈輸入代表控制單元40的第二輸入42。控制單元40還具有配置為接收第二時脈信號P2的第三輸入43。控制單元40還具有第一輸出44，其配置為提供第一控制信號P1d_x。比較信號CMP，即比較信號CMP的每個脈衝，根據第一時脈信號P1由延遲單元46的D正反器鎖存到其非反相輸出，作為延遲比較信號Q。在延遲單元46的反相輸出處還提供反相延遲比較信號Qb。邏輯單元47接收延遲比較信號Q與第一時脈信號P1。邏輯單元47配置為藉由將第一時脈信號P1延遲可調整的時間量(例如250皮秒)來產生第一內部時脈信號P1d。邏輯單元47還配置為藉由延遲比較信號Q與第一內部時脈信號P1d的邏輯AND組合產生第一控制信號P1d_x。邏輯單元47還配置為藉由反相延遲比較信號Qb與第一內部時脈信號P1d的邏輯AND組合產生第二控制信號P1d_x_VCM，並在控制單元40的第二輸出45處提供所述信號。因此，第二控制信號P1d_x_VCM與第一控制信號P1d_x相反。
邏輯單元47還配置為根據在由第一時脈信號P1定義的測量週期期間由比較信號CMP提供的脈衝數來確定輸出計數。
光學感測裝置還包括取樣單元50，其包括第一取樣電容器Cs1、第二取樣電容器Cs2和開關單元S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10。開關單元S1至S10配置為在控制單元40的控制下，並取決於第一和第二時脈信號P1、P2，以兩種模式之一種來操作光學感測裝置。兩種操作模式包括取樣模式和轉移模式。在所描繪的示例性實施例中，開關單元S1至S2包括十個開關S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10。
更詳細地，第一開關S1佈置在第一取樣電容器Cs1的第一端子51和第一參考電位端子53之間。第二開關S2佈置在第一參考電位端子53和第二取樣電容器Cs2的第一端子56之間。開關S1和S2均由第一時脈信號P1控制。第三開關S3佈置在第一取樣電容器Cs1的第二端子52和第二參考電位端子54之間。第四開關S4佈置在第二取樣電容器Cs2的第二端子57和第四參考電位端子58之間。開關S3和S4均由第一控制信號P1d_x控制。開關S5佈置在第一取樣電容器Cs1的第二端子52和第三參考電位端子55之間。開關S6佈置在第二取樣電容器Cs2的第二端子57和第三參考電位端子55之間。開關S5與S6分別由第二控制信號P1d_x_VCM控制。
開關S7佈置在第一取樣電容器Cs1的第二端子52和第三參考電位端子55之間。開關S8佈置在第二取樣電容器Cs2的第二端子57和第三參考電位端子55之間設置。開關S7 S8和S8均由延遲的第二時脈 信號P2d控制，該延遲的第二時脈信號P2d是第二時脈信號P2的延遲版本。所述延遲總計為數百皮秒，例如100到1000ps。開關S9佈置在第一取樣電容器Cs1的第一端子51和積分單元20的第一輸入21之間。開關S10佈置在第二取樣電容器Cs2的第一端子56和積分單元20的第二輸入22之間。開關S9和S10均由第二時脈信號P2操作或控制。
在取樣模式期間，第一取樣電容器Cs1的第一端子51和第二取樣電容器Cs2的第一端子56分別通過開關S1和S2連接到第一參考電位端子53。第一取樣電容器Cs1的第二端子52通過開關S3連接到第二參考電位端子54或通過開關S5連接到第三參考電位端子55。第二取樣電容器Cs2的第二端子57通過開關S4連接到第四參考電位端子58或通過開關S6連接到第三參考電位端子55。
在轉移模式期間，第一取樣電容器Cs1的第一端子51通過開關S9連接到積分單元20的第一輸入21。第二取樣電容器Cs2的第一端子56通過開關S10連接到積分單元20的第二輸入端子22。第一取樣電容器Cs1的第二端子52通過開關S7連接到第三參考電位端子55。同樣地，第二取樣電容器Cs2的第二端子57通過開關S8連接到第三參考電位端子55。
第一參考電位VCMIN被提供給第一參考電位端子53。第二參考電位VREFL被提供給第二參考電位端子54。第三參考電位VCM被提供給第三參考電位端子55。第四參考電位VREFH提供給第四參考電位端子58。其中，第三參考電位VCM相當於第二和第四參考電位VREFL、 VREFH之和的一半。第一參考電位VCM低於第二參考電位VREFL且低於第三參考電位VCM。以下等式反映了參考電位之間的關係：
VCMIN<VREFL<VCM<VREFH
其中VCMIN代表第一參考電位VCMIN，VREFL代表第二參考電位VREFL，VCM代表第三參考電位VCM，VREFH代表第四參考電位VREFH。
第四參考電位VREFH與第三參考電位VCM之差實質上等於第三參考電位VCM與第二參考電位VREFL之差。所述差稱為參考電壓Vref。
在示例性實施方式中，第一參考電位VCMIN總計為100mV，而第三參考電位VCM總計為90 0mV。參考電壓Vref的典型值為5mV、10mV或500mV。參考電壓的值可以根據所需的敏感度和應用進行調整。
下面將參考圖2、3和4提供關於所提出的光學感測裝置的功能的更多細節。
圖2示出了圖1的示例性實施例的示例性信號圖。從上到下，描述了與時間t相關的以下信號：第一時脈信號P1、第二時脈信號P2、第一延遲時脈信號P1d和第二延遲時脈信號P2d。可以看出，第二時脈信號P2相對於第一時脈信號P1反相，其重疊的示例值為1奈秒。第一延遲時脈信號P1d是第一時脈信號P1的延遲形式，在所描繪的示例中具有總計250皮秒的延遲。延遲的第二時脈信號P2d是第二時脈信號P2的延遲版本，在該示例中相對於第二時脈信號P2的延遲總計為250皮秒。在所描繪的示例中，完整的時脈週期Tclk總計為四微秒。
第一時脈信號P1的高位準表示取樣模式。第二時脈信號P2的高位準指示轉移模式。
圖3示出了圖1中描繪的實施例的示例性信號圖。圖1的光學感測裝置中出現的信號的不同波形是以相對於時間t的方式描繪出來。第一行表示第二積分信號V2，第二行表示第一積分信號V1。積分信號V2、V1相對於第三參考電位VCM彼此對稱。
第三行顯示比較信號CMP。
第四行顯示延遲比較信號Q。每次第一和第二積分信號V1、V2彼此交叉時，延遲比較信號Q的脈衝發生。
第五行顯示第一控制信號P1d_x。
第六行顯示與第一控制信號P1d_x相反的第二控制信號P1d_x_VCM。
第一和第二感測器D1、D2分別藉由它們各自的陰極端子連接到積分單元20的第一或第二輸入21、22。所述輸入基本上保持穩定在第一參考電位VCMIN處，從而表示虛擬接地。因此，由感測器D1、D2中的每一個以第一和第二感測器信號I1、I2的形式產生的電流總是分別被積分到積分電容器C1、C2。第一積分信號V1從較低位準V1min開始上升。同時，第二積分信號V2以與信號V1基本相同但成反比形式的斜率從較高位準V2max開始下降。
較低位準V1min根據以下公式計算：
V1min=VCM-Vref＊G1
其中V1min代表較低位準V1min，VCM代表第三參考電位VCM，Vref代表參考電壓Vref，G1代表第一因子G1，第一因子G1由第一取樣電容器Cs1的電容值與第一積分電容器C1的電容值的商計算得到。
較高位準V2max根據以下公式計算：
V2max=VCM+Vref＊G2
其中V2max代表較高位準V2max，VCM代表第三參考電位VCM，Vref代表參考電壓Vref，G2代表第二因子G2，第二因子G2由第二取樣電容器Cs2的電容值與第二積分電容器C2的電容值的商計算得到。
在時間點t1，第一積分信號V1達到或超過第二積分信號V2的位準，導致比較信號CMP的脈衝。在取樣模式期間，當第一時脈信號P1為高位準時，參考電壓Vref被分別取樣到第一和第二取樣電容器Cs1、Cs2上，相對於第一參考電位VCMIN，只要比較信號CMP為高位準。否則，在取樣模式期間，如果比較信號CMP為低位準，則第三參考電位VCM被分別取樣到第一和第二取樣電容器Cs1、Cs2。其中，第一參考電位VCMIN代表輸入共模。第三參考電位VCM代表輸出共模。
在轉移模式期間，分別在第一和第二取樣電容器Cs1、Cs2上取樣的電壓分別轉移至積分電容器C1、C2。因此，在比較信號CMP為高位準的情況下，第一積分信號V1被預充電到較低位準V1min，而第二積分信號V2被預充電到較高位準V2max。隨後，比較信號CMP變低並且第一和第二感測器信號I1、I2分別被積分到第一和第二積分電容器C1、C2上。因此，第一積分信號V1上升而第二積分信號V2下降，直到第一積分信號V1超過第二積分信號V2的位準，並且比較信號CMP再次變高。 在固定測量週期期間，比較單元30的比較器做出「高」決定的次數，即比較信號CMP的脈衝數，提供了輸出計數。
第一和第二積分電容器C1、C2的尺寸設計成具有基本相等的電容值。第一和第二取樣電容器Cs1、Cs2的尺寸設計成具有基本相等的電容值。
比較單元30作出一個決定所花費的時間td可以根據下式計算：
Figure 110143378-A0202-12-0017-1
其中td代表時間td，Vref代表參考電壓Vref，G1,2代表第一或第二因子G1或G2，C1,2代表第一或第二積分電容器C1、C2的電容值，I1代表第一感測器信號I1和I2代表第二感測器信號I2。
從圖2中可看出，同步時脈方案確保由積分單元20的第一和第二輸入21、22表示的虛擬節點基本上保持在第一參考電位VCMIN的穩定值，例如100mV，使得第一和第二感測器D1、D2的光電二極體適當偏壓。有利地，所提出的光學感測裝置的輸入和輸出共模電壓可以不同。輸出計數與取樣頻率無關。開關引起的誤差(例如開關單元的誤差，如電荷共享(charge sharing)和時脈饋通(clock feedthrough))會因為全差分架構而得到緩解。共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)和電源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)顯著改善。
圖3中描繪的信號在測量期間重複出現。
圖4顯示了圖1的建議實施例的模擬結果。描述了瞬態響應。第一條線示出了與時間t相關之第一和第二積分信號V1、V2之間的差值。第二行顯示了與時間t相關的比較信號CMP。
圖5示出了所提出的環境光感測器的示例性實施例。環境光感測器70包括光學感測裝置60。光學感測裝置60根據上述實施例之一實現。
應當理解，本公開不限於所公開的實施例以及上文具體示出和描述的內容。相反，可以有利地組合單獨的附屬請求項或說明書中記載的特徵。此外，本公開的範圍包括對本領域技術人員而言顯而易見的那些變化和修改。術語「包括」，就其在申請專利範圍或說明書中使用而言，不排除相應特徵或程序的其他要素或步驟。在術語「一」或「一個」與特徵結合使用的情況下，它們不排除多個這樣的特徵。此外，申請專利範圍中的任何元件符號不應被解釋為限制範圍。
10:參考電位端子
20:積分單元
21:第一輸入
22:第二輸入
23:第一輸出
24:第二輸出
25:運算放大器
26:數位類比轉換器
30:比較單元
31:第一輸入
32:第二輸入
33:輸出
40:控制單元
41:第一輸入
42:第二輸入
43:第三輸入
44:第一輸出
45:第二輸出
46:延遲單元、D正反器
47:邏輯單元
50:取樣單元
51:第一端子
52:第二端子
53:第一參考電位端子
54:第二參考電位端子
55:第三參考電位端子
56:第一端子
57:第二端子
58:第四參考電位端子
C1:第一積分電容器、積分電容器
C2:第二積分電容器、積分電容器
Cs1:第一取樣電容器
Cs2:第二取樣電容器
CMP:比較信號
D1:第一感測器、第一光電二極體、感測器
D2:第二感測器、第二光電二極體、感測器
I1:第一感測器信號
I2:第二感測器信號
S1-S10:開關單元、開關
P1:第一時脈信號
P2:第二時脈信號
P2d:第二延遲時脈信號、延遲的第二時脈信號
P1d_x:第一控制信號
P1d_x_VCM:第二控制信號
Q:延遲比較信號
Qb:反相延遲比較信號
VCM:第三參考電位
VCMIN:第一參考電位
VREFH:第四參考電位
VREFL:第二參考電位
V1:第一積分信號、積分信號、電壓信號
V2:第二積分信號、積分信號、電壓信號

Claims (14)

  1. 一種光學感測裝置，包括：第一感測器(D1)，配置為提供第一感測器信號(I1)，第二感測器(D2)，配置為提供第二感測器信號(I2)，積分單元(20)，包括連接到該第一感測器(D1)的第一輸入(21)、連接到該第二感測器(D2)的第二輸入(22)、配置為提供第一積分信號(V1)作為該第一感測器信號(I1)的函數的第一輸出(23)、以及配置為提供第二積分信號(V2)作為該第二感測器信號(I2)的函數的第二輸出(24)，比較單元(30)，包括連接到該積分單元(20)的該第一輸出(23)的第一輸入(31)、連接到該積分單元(20)的該第二輸出(24)的第二輸入(32)、以及配置為提供比較信號(CMP)作為該第一積分信號和該第二積分信號(V1、V2)的函數的輸出(33)，以及控制單元(40)，包括耦接到該比較單元(30)的該輸出(33)的第一輸入(41)，其中，該控制單元(40)配置為評估該比較信號(CMP)的脈衝並且由此提供輸出計數，該輸出計數指示該第一感測器信號與該第二感測器信號(I1、I2)之間的差值。
  2. 如請求項1所述的光學感測裝置，其中，該第一感測器(D1)包括第一光電二極體，該第一光電二極體配置為偵測第一波長範圍內的光，以及其中，該第二感測器(D2)包括第二光電二極體，該第二光電二極體配置為偵測第二波長範圍內的光，該第二波長範圍至少部分地與該第一波長範圍重疊。
  3. 如請求項1或2所述的光學感測裝置， 其中，該第二積分信號(V2)與該第一積分信號(V1)成反比。
  4. 如請求項1或2所述的光學感測裝置，其中，該積分單元(20)包括差分運算放大器(25)、第一積分電容器(C1)和第二積分電容器(C2)，其中，該差分運算放大器(25)包括連接到該積分單元(20)的該第一輸入(21)的第一輸入、連接到該積分單元(20)的該第二輸入端(22)的第二輸入、連接到該積分單元(20)的該第一輸出(23)的第一輸出、以及連接到該積分單元(20)的該第二輸出(24)的第二輸出，其中，該第一積分電容器(C1)耦接在第一反饋迴路中的該差分運算放大器(25)的該第一輸出和該第一輸入之間，以及其中，該第二積分電容器(C2)耦接在第二反饋迴路中的該差分運算放大器(25)的該第二輸出和該第二輸入之間。
  5. 如請求項1或2所述的光學感測裝置，其中，該控制單元(40)進一步包括配置為接收第一時脈信號(P1)的第二輸入(42)、配置為接收第二時脈信號(P2)的第三輸入(43)、以及配置為提供第一控制信號(P1d_x)的第一輸出(44)，其中，該第一控制信號(P1d_x)是該第一時脈信號(P1)和該比較信號(CMP)的函數。
  6. 如請求項5所述的光學感測裝置，其中，該控制單元(40)進一步包括第二輸出(45)，該第二輸出(45)配置為提供與該第一控制信號相反的第二控制信號(P1d_x_VCM)。
  7. 如請求項6所述的光學感測裝置， 其中，該控制單元(40)進一步包括延遲單元(46)和邏輯單元(47)，其中，該延遲單元(46)配置為根據該第一時脈信號(P1)從該比較信號(CMP)提供延遲比較信號(Q)，並且其中，該邏輯單元(47)配置為產生第一內部時脈信號(P1d)作為該第一時脈信號(P1)的函數並配置為使用該第一內部時脈信號(P1d)和該延遲比較信號(Q)提供該第一控制信號(P1d_x)和該第二控制信號(P1d_x_VCM)。
  8. 如請求項7所述的光學感測裝置，其中，該邏輯單元(47)進一步配置為根據在由該第一時脈信號(P1)定義的測量週期期間由該比較信號(CMP)提供的脈衝數來確定該輸出計數。
  9. 如請求項8所述的光學感測裝置，進一步包括取樣單元(50)，該取樣單元(50)包括第一取樣電容器(Cs1)、第二取樣電容器(Cs2)和開關單元(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10)，其中，該開關單元(S1、…、S10)配置為在該控制單元(40)的控制下並取決於該第一時脈信號和該第二時脈信號(P1、P2)以兩種操作模式中的其中一種操作該光學感測裝置，該兩種操作模式包括取樣模式和轉移模式。
  10. 如請求項9所述的光學感測裝置，其中，在該取樣模式期間，該第一取樣電容器(Cs1)的第一端子(51)和該第二取樣電容器(Cs2)的第一端子(56)分別經由該開關單元(S1、…、S10)連接到第一參考電位端子(53)，該第一取樣電容器(Cs1)的第二端子(52)經由該開關單元(S1、…、S10)連接到第二參考電位端子(54)或第三參考電位端子(55)，該第二取樣電容器(Cs2)的第二端子(57)經由該開關單元(S1、…、S10)連接到第四參考電位端子(58)或該第三參考電位端子(55)，以及 其中，在該轉移模式期間，該第一取樣電容器(Cs1)的該第一端子(51)經由該開關單元(S1、…、S10)連接到該積分單元(20)的該第一輸入(21)，該第二取樣電容器(Cs2)的該第一端子(56)經由該開關單元(S1、…、S10)連接到該積分單元(20)的該第二輸入(22)，以及該第一取樣電容器(Cs1)的該第二端子(52)和該第二取樣電容器(Cs2)的該第二端子(57)分別經由該開關單元(S1、…、S10)連接到該第三參考電位端子(55)。
  11. 如請求項10所述的光學感測裝置，其中，提供給該第一參考電位端子(53)的第一參考電位(VCMIN)低於提供給該第二參考電位端子(54)的第二參考電位(VREFL)，且低於提供給該第三參考電位端子(55)的第三參考電位(VCM)，並且低於提供給該第四參考電位端子(58)的第四參考電位(VREFH)，以及其中，該第三參考電位(VCM)等於該第二參考電位和該第四參考電位(VREFL、VREFH)之和的一半。
  12. 如請求項1或2所述的光學感測裝置，其中，藉由該積分單元(20)作為單個積分單元(20)以及藉由該比較單元(30)作為單個比較單元(30)來提供該輸出計數。
  13. 一種包括如請求項2至12中任一項所述的該光學感測裝置(60)之環境光感測器，該環境光感測器(70)配置為提供輸出計數，該輸出計數與入射到該環境光感測器上的環境光的強度成比例，而沒有紅外光分量。
  14. 一種用於輸出計數之方法，包括下列步驟：藉由第一感測器(D1)產生第一感測器信號(I1)， 藉由第二感測器(D2)產生第二感測器信號(I2)，藉由積分單元(20)積分該第一感測器信號(I1)並由此提供第一積分信號(V1)，藉由該積分單元(20)積分該第二感測器信號(I2)並由此提供第二積分信號(V2)，藉由比較單元(30)將該第一積分信號(V1)與該第二積分信號(V2)進行比較，並由此提供比較信號(CMP)，藉由控制單元(40)評估該比較信號(CMP)的脈衝，並由此提供輸出計數，該輸出計數指示該第一感測器信號(I1)與該第二感測器信號(I2)之間的差值。
TW110143378A 2020-12-10 2021-11-22 光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法 TWI803061B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020132969 2020-12-10
DE102020132969.5 2020-12-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202229821A TW202229821A (zh) 2022-08-01
TWI803061B true TWI803061B (zh) 2023-05-21

Family

ID=78770589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110143378A TWI803061B (zh) 2020-12-10 2021-11-22 光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240019301A1 (zh)
CN (1) CN116569003A (zh)
DE (1) DE112021004505T5 (zh)
TW (1) TWI803061B (zh)
WO (1) WO2022122288A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4403141A (en) * 1981-01-30 1983-09-06 Siemens Aktiengesellschaft Method and apparatus for binary coding of sensor signals from optoelectronic sensor elements
TW201721101A (zh) * 2015-07-28 2017-06-16 英特希爾美國公司 補償周圍光和干擾光的光學感測器
TWI640293B (zh) * 2016-04-21 2018-11-11 矽力杰半導體技術（杭州）有限公司 Photoelectric detection equipment and integrated circuit

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6919549B2 (en) * 2003-04-11 2005-07-19 Canesta, Inc. Method and system to differentially enhance sensor dynamic range
TWI473980B (zh) * 2010-05-26 2015-02-21 Sitronix Technology Corp Light sensor module
JP5901889B2 (ja) * 2011-04-26 2016-04-13 シャープ株式会社 光センサおよびそれを備えた携帯電話ならびにデジタルカメラ
US20140014839A1 (en) * 2012-07-11 2014-01-16 Tom Chang Sensor design based on light sensing

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4403141A (en) * 1981-01-30 1983-09-06 Siemens Aktiengesellschaft Method and apparatus for binary coding of sensor signals from optoelectronic sensor elements
TW201721101A (zh) * 2015-07-28 2017-06-16 英特希爾美國公司 補償周圍光和干擾光的光學感測器
TWI640293B (zh) * 2016-04-21 2018-11-11 矽力杰半導體技術（杭州）有限公司 Photoelectric detection equipment and integrated circuit

Also Published As

Publication number Publication date
US20240019301A1 (en) 2024-01-18
DE112021004505T5 (de) 2023-09-07
TW202229821A (zh) 2022-08-01
WO2022122288A1 (en) 2022-06-16
CN116569003A (zh) 2023-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4916307A (en) Light intensity detecting circuit with dark current compensation
US7889249B2 (en) System and method for canceling dark photocurrent in a color sensor circuit
US7218166B2 (en) Current stabilization circuit, current stabilization method, and solid-state imaging apparatus
US9285465B2 (en) Analog-digital conversion circuit, sensor apparatus, cellular phone, and digital camera
TW202314191A (zh) 光學感測器配置及用於光感測之方法
GB2137840A (en) Automatic focus detecting
TW201908700A (zh) 光學感測器配置及用於光線感測的方法
US8129672B2 (en) Photosensor device with dark current cancellation
CN103913700A (zh) 一种红外焦平面读出电路的检测电路
TWI803061B (zh) 光學感測裝置、環境光感測器及用於提供輸出計數之方法
US9035229B2 (en) Imaging device
JPS63163119A (ja) フオトセンサの受光強度測定装置
TW202226763A (zh) 具消除暗電流的光感測裝置
US11703385B1 (en) Light sensor with dark current elimination having duo switch-capacitor circuits and a reverse capacitor
JP4286101B2 (ja) 光検出装置のためのオフセット抑圧回路
CN110987197B (zh) 信号处理装置及方法
Ozmen et al. Column-wise ROIC design with on-chip calibration for photoresistive image sensor
Ozmen et al. Sensitivity improvement of a photoresistive image sensor with novel programmable dual element readout and calibration method
JP3114238B2 (ja) 固体撮像装置
JPH05244411A (ja) 光センサアレイの信号変換装置
KR101556926B1 (ko) 적외선 센서 모듈
KR20190108374A (ko) 이미지 센싱 장치 및 이를 이용한 디스플레이 장치
Mailand et al. A transimpedance-amplifier-based subtraction principle for optimum signal resolution in mixed-signal current sensor systems
WO2023141765A1 (zh) 光电流放大电路、放大控制方法、光检测模组和显示装置
RU71762U1 (ru) Входной каскад пожарного регистратора оптического излучения