TWI822381B - 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容單元。藉由電容單元控制讓該光電二極體的陰極保持與該光電二極體的陽極相同或接近的電壓準位，能夠大幅降低光電二極體暗電流的影響，使光感測器電路應用於類比數位轉換裝置時，能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度，且顯著降低電路設計難度及製造成本。

Description

光感測器電路
本發明關於一種光感測器電路，尤其是減一種運用光電二極體的光感測器電路。
透過光感應技術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，以供調整顯示螢幕的亮度。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，電子裝置即可關閉顯示螢幕及觸控功能。
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，其利用一積分單元及其他相應電路，將一光電二極體感測光線並取得的一類比輸入訊號轉換為一數位訊號。
然而這種類比數位轉換裝置會遇到的問題是，光電二極體存在接面電容(Junction Capacitance)與暗電流(Dark Current)等特性。舉例來說如第1圖所示，一光感測器電路9的訊號是源於一光電二極體90所產生的光電流，其中光電流內包含暗電流I DARK和光照電流I PD加總而成。為了提升感測器的線性度，在做精確的感測器量測時，需要預先校正暗電流I DARK，避免使其影響積分單元92，而降低感測結果的精確度。
雖然申請人先前提出的台灣公告第I770601號專利案已提出了一種光感測器電路8，其可以減少光電二極體80之接面電容，以提升類比前端電路的充放電速度及精確度。然而請參照第2圖所示，該專利案必須使用一電壓隨耦器82來控制光電二極體80兩端的偏壓，如此就必須額外考量用來構成電壓隨耦器82之運算放大器或相應電路的驅動能力、誤差值等條件。而且如第1圖所示，如果積分單元92實務上操作在一個參考電壓VCM下，則更會增加該專利案的設計難度。
鑒於上述問題，本發明提供另一種光感測器電路，來解決光電二極體之接面電容或暗電流等問題。
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容單元。藉由電容單元控制讓該光電二極體的陰極保持與該光電二極體的陽極相同或接近的電壓準位，使該光電二極體可視接面電容等效趨近於零，更能夠大幅降低光電二極體暗電流的影響，故當光感測器電路應用於類比數位轉換裝置時，而能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。再者，本發明中僅需通過電容元件及開關元件等簡單電路構造即可降低光電二極體暗電流的影響，顯著降低了電路設計難度及製造成本。
本發明關於一種光感測器電路，其包含一光電二極體、一積分單元及一電容單元。該光電二極體的陰極耦接於該電容單元之一第一側，該積分單元之一積分輸入端耦接於該電容單元之一第二側，該積分單元之一積分電容之兩端係分別耦接該電容單元之第一側及該積分單元之一積分輸出端，且電容單元之一開關元件耦接於該光電二極體的陽極與該電容單元之第一側之間。
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，使第一裝置與第二裝置間可相互傳遞訊號。
請參閱第3圖，其為本發明一實施例之光感測器電路1的架構圖。如圖所示，光感測器電路1包含一光電二極體10、一積分單元12及一電容單元14。該光電二極體10的陽極 (Anode)耦接於系統之一共用訊號端，在本實施例中係以接地端表示，惟本發明並不以此為限。該光電二極體10的陰極(Cathode)耦接於該電容單元14之一第一側14a。
該積分單元12係應用於前述類比數位轉換裝置的積分電路，其包含一積分輸入端V IN、一積分輸出端V OUT及一積分電容Cf，該積分輸入端V IN耦接於該電容單元14之一第二側14b，且該積分電容Cf之兩端係分別耦接該電容單元14之第一側14a及該積分輸出端V OUT。在本實施例中係以運算放大器實現的基本積分電路舉例說明，故該積分單元12包含一運算放大器，該運算放大器的一非反相輸入端可接收一參考電壓VCM，該運算放大器的一反相輸入端則為該積分輸入端V IN，該運算放大器的一輸出端則為該積分輸出端V OUT。
換言之，相較第1圖所示現有技術中，積分單元92的積分電容Cf之兩端都是耦接該積分單元92的積分輸入端V IN與積分輸出端V OUT；在本實施例中係額外設置了該電容單元14，並且將該積分電容Cf之兩端分別耦接該電容單元14之第一側14a及該積分輸出端V OUT，再將該積分輸入端V IN耦接於該電容單元14之第二側14b。
以下詳述該電容單元14之詳細構造及作動方式。該電容單元14包含一保持電容140、一開關元件142及一控制單元144。該保持電容140之兩端即為該電容單元14之第一側14a與第二側14b。該開關元件142耦接於該光電二極體10的陽極與該第一側14a之間。該控制單元144則耦接該開關元件142以控制該其導通或截止。該控制單元144係於該積分單元12尚未進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件142導通，使該電容單元14之第一側14a保持與該光電二極體10的陽極相同的電壓準位。在本實施例中該光電二極體10的陽極耦接於接地端，故該開關元件142可以耦接於接地端與該第一側14a之間。如此當該控制單元144控制該開關元件142導通時，可使該電容單元14之第一側14a保持為地電壓。
該控制單元144於該積分單元12進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件142截止。此時該光電二極體10因接收到光線而形成的光照電流I PD可以通過該積分電容Cf，使該積分單元12進行積分操作。其中該電容單元14的保持電容140在該開關元件142截止後仍可以保持一電壓差，進而使該電容單元14之第一側14a保持與該光電二極體10的陽極相同或接近的電壓準位(在本實施例中即地電壓)。據此，即使本實施例中，該運算放大器之非反相輸入端所接收的參考電壓VCM非為地電壓，該電容單元14之第一側14a仍然可以保持在地電壓或至少接近地電壓，使該光電二極體10保持在零偏壓或接近零偏壓的狀態。該開關元件142可以由金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、雙極性接面型電晶體(BJT)或其他電路開關組件構成。
所謂暗電流I DARK為光電二極體沒有接收到光線時，光電二極體本身受偏壓影響產生的電流，其電流公式如下所示：
其中，I CO為逆向飽合電流，V T(單位：V)為溫度T(單位：˚K)/11600，其與溫度成正相關，V為光電二極體偏壓值，η 為光電二極體材質係數。由上式可知，若光電二極體偏壓為0V，將不受係數V T影響其暗電流。
據此，本發明實施例通過讓該電容單元14之第一側14a保持與該光電二極體10的陽極相同或接近的電壓準位，可以使該光電二極體10保持在零偏壓或接近零偏壓的狀態，使該光電二極體10兩端不會受暫態電壓浮動的影響，亦即該光電二極體10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10的可視接面電容等效趨近於零，更可大幅降低光電二極體10暗電流的影響。
相較之下，如第1圖所示，在現有技術中積分單元92的積分電容Cf之兩端都是耦接該積分單元12的積分輸入端V IN與積分輸出端V OUT，此時如果積分單元12的一非反相輸入端是接收一參考電壓VCM進行操作，由於運算放大器的虛短路特性，參考電壓VCM會被耦合至積分輸入端V IN，如果參考電壓VCM不等於光電二極體90的陽極電壓，即導致光電二極體90的兩端形成非零的一偏壓Vdiff，此時該光電二極體90必然會受溫度影響而形成暗電流。
請參照第4圖所示，其中S1係現有技術中光電二極體90之暗電流與溫度的關係曲線，S2係本發明前述實施例中光電二極體10之暗電流與溫度的關係曲線。比較S1、S2即可知，通過本發明前述實施例來控指使光電二極體10保持在零偏壓或接近零偏壓的狀態，確實能夠大幅降低光電二極體10暗電流的影響，且其效果隨著溫度升高將越趨顯著。
需要說明的是，雖然本實施例中該電容單元14的控制單元144可以是一獨立設置的電路，以供產生控制該開關元件142所需的控制訊號。然而實際上在類比數位轉換裝置中，均存在該積分單元12是否進行積分操作的時脈控制訊號。因此該控制單元144實務上可以整合於類比數位轉換裝置的控制電路中，以直接利用類比數位轉換裝置原有的時脈控制訊號來控制該開關元件142導通或截止。
請參照第5圖所示，其為本發明另一實施例之光感測器電路1的架構圖。與前述實施例差異之處在於，該電容單元14包含另一開關元件146，該另一開關元件146耦接於該積分單元12的積分輸入端V IN與積分輸出端V OUT之間。該控制單元144則耦接該另一開關元件146，以控制其與該開關元件142同步導通或截止。藉此，該控制單元144係於該積分單元12尚未進行積分操作的時間區間內，控制該另一開關元件146導通，使該電容單元14之第二側14b保持與該積分輸出端V OUT相同的電壓準位。該控制單元144並於該積分單元12進行積分操作的時間區間內，控制該另一開關元件146截止。此時該積分單元12的積分輸入端V IN與積分輸出端V OUT之間不再具有該積分電容Cf及該保持電容140以外的訊號導通路徑，使該積分單元12進行積分操作。
通過額外設置該另一開關元件146來在該積分單元12尚未進行積分操作時，控制使該電容單元14之第二側14b保持與該積分輸出端V OUT相同的電壓準位，如此該積分單元12進行積分操作時，該電容單元14的保持電容140更容易保持一電壓差，以使該電容單元14之第一側14a保持與該光電二極體10的陽極相同或接近的電壓準位。
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容單元。藉由電容單元控制讓該光電二極體的陰極保持與該光電二極體的陽極相同或接近的電壓準位，使該光電二極體可視接面電容等效趨近於零，更能夠大幅降低光電二極體暗電流的影響，故當光感測器電路應用於類比數位轉換裝置時，而能有效保持類比數位轉換裝置的效能和準確度。
再者，相較於前述現有技術中，是通過運算放大器或共汲極放大器等電路組成的電壓隨耦器來控制光電二極體兩端的電壓，在本發明各實施例中僅需通過電容元件及開關元件等簡單電路構造即可達到相同的技術效果，顯著降低了電路設計難度及製造成本。
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 10:光電二極體 12:積分單元 14:電容單元 14a:第一側 14b:第二側 140:保持電容 142:開關元件 144:控制單元 146:開關元件 V IN:積分輸入端 V OUT:積分輸出端 Cf:積分電容 VCM:參考電壓 I PD:光照電流 I DARK:暗電流 Vdiff:偏壓 9、8:光感測器電路 90、80:光電二極體 92:積分單元 82:電壓隨耦器
第1圖：其為現有類比數位轉換電路的局部電路示意圖； 第2圖：其為現有光感測器電路的局部電路示意圖； 第3圖：其為本發明實施例之光感測器電路的架構圖； 第4圖：其為現有技術與本發明實施例中光電二極體之暗電流與溫度的關係曲線示意圖；及 第5圖：其為本發明另一實施例之光感測器電路的架構圖。
1:光感測器電路
10:光電二極體
12:積分單元
14:電容單元
14a:第一側
14b:第二側
140:保持電容
142:開關元件
144:控制單元
VIN:積分輸入端
VOUT:積分輸出端
Cf:積分電容
VCM:參考電壓
IPD:光照電流

Claims (8)

  1. 一種光感測器電路，其包含： 一光電二極體，包含一陽極及一陰極； 一積分單元，包含一積分輸入端、一積分輸出端及一積分電容；及 一電容單元，包含一保持電容及一開關元件，該保持電容之兩端為該電容單元之一第一側與一第二側； 其中該光電二極體的陰極耦接於該電容單元之第一側，該積分輸入端耦接於該電容單元之第二側，該積分電容之兩端係分別耦接該電容單元之第一側及該積分輸出端，且該開關元件耦接於該光電二極體的陽極與該電容單元之第一側之間。
  2. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該電容單元另包含一控制單元，該控制單元耦接該開關元件以控制該其導通或截止。
  3. 如請求項2所述之光感測器電路，其中，該控制單元係於該積分單元尚未進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件導通；且於該積分單元進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件截止。
  4. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該電容單元包含另一開關元件，該另一開關元件耦接於該積分單元的積分輸入端與積分輸出端之間。
  5. 如請求項4所述之光感測器電路，其中，該電容單元另包含一控制單元，該控制單元耦接該開關元件及該另一開關元件，以控制該其導通或截止。
  6. 如請求項5所述之光感測器電路，其中，該控制單元係於該積分單元尚未進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件及該另一開關元件導通；且於該積分單元進行積分操作的時間區間內，控制該開關元件及該另一開關元件截止。
  7. 如請求項1所述之光感測器電路，其中，該積分單元包含一運算放大器，該運算放大器的一非反相輸入端接收一參考電壓，該運算放大器的一反相輸入端為該積分輸入端，該運算放大器的一輸出端則為該積分輸出端。
  8. 如請求項7所述之光感測器電路，其中，該參考電壓不等於該光電二極體的陽極電壓。
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