TWI830307B - 具有減少控制複雜度機制的光感測器 - Google Patents

具有減少控制複雜度機制的光感測器 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種具有減少控制複雜度機制的光感測器。環境光源與發光元件兩者同時照射光電二極體，此時計數器計數第一粗估計數值，第一取樣和保持電路取樣和保持此第一粗估計數值。接著，發光元件停止發射光線，而僅環境光源照射光電二極體時，計數器計數第二粗估計數值，第二取樣和保持電路取樣和保持此第二粗估計數值。在計數第一粗估計數值以及第二粗估計數值之後，精準地計數出對應環境光源與發光元件兩者的光強度的第一精細計數值，以及對應環境光源的光強度的第二精細計數值。

Description

具有減少控制複雜度機制的光感測器
本發明涉及一種光感測器，特別是涉及一種具有減少控制複雜度機制的光感測器。
在不同的環境下，人眼對電子產品的顯示螢幕的螢幕亮度的要求不同。因此，光感測器例如環境光感測器(Ambient Light Sensor,ALS)以及近距離感測器(Proximity Sensor,PS)廣泛地各種電子產品例如行動裝置。光感測器的光感測值可作為自動調節電子裝置的顯示螢幕的亮度的依據，以提升各種環境下的觀看效果。
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具有減少控制複雜度機制的光感測器，包含光接收器、比較器、計數器、取樣和保持電路以及參考電壓調控電路。光接收器連接電容。光接收器配置以接收環境光源與發光元件兩者的第一光電流提供至電容以將電容充電至第一電壓，並將僅環境光源產生的第二光電流提供至電容以將電容充電至第二電壓。比較器的第一輸入端連接電容的第一端，並從電容接收第一電壓和第二電壓。比較器的第二端耦接參考電壓。比較器配置以分別將第一電壓以及 第二電壓與參考電壓比較，以分別輸出第一比較訊號以及第二比較訊號。計數器的輸入端連接比較器的輸出端。計數器配置以依據第一比較訊號以計數第一粗估計數值。計數器配置以依據第二比較訊號以計數第二粗估計數值。取樣和保持電路配置以在不同時間點分別取樣和保持電容的第一電壓和第二電壓。參考電壓調控電路連接比較器的輸出端和第二輸入端。參考電壓調控電路配置以分別依據第一比較訊號以及第二比較訊號，以分別依序輸出第一調變參考電壓以及第二調變參考電壓至相連接的比較器的第二輸入端。在計數第一粗估計數值以及第二粗估計數值之後，比較器比較第一調變參考電壓與從取樣和保持電路保持的第一電壓以輸出第三比較訊號，作為計數第一精細計數值的依據，並比較第二調變參考電壓與從取樣和保持電路保持的第二電壓以輸出第四比較訊號，作為計數第二精細計數值的依據。
在實施例中，取樣和保持電路包含第一取樣和保持電路以及第二取樣和保持電路。第一取樣和保持電路連接電容。第一取樣和保持電路配置以取樣和保持電容的第一電壓。第二取樣和保持電路連接電容。第二取樣和保持電路配置以取樣和保持電容的第二電壓。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第一開關元件以及第二開關元件。第一開關元件的第一端連接第一取樣和保持電路的輸出端。第一開關元件的第二端連接比較器的第一輸入端。第二開關元件的第一端連接第二取樣和保持電路的輸出端。第二開關元件的第二端連接比較器的第一輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第三開關元件。第三開關元件的第一端連接電容的第一端。第三開關元件的第二端連接比較器的第一輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包 含第四開關元件。第四開關元件的第一端連接第三開關元件的第二端。第四開關元件的第二端連接第一取樣和保持電路的輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第五開關元件。第五開關元件的第一端連接第三開關元件的第二端，第五開關元件的第二端連接第二取樣和保持電路的輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第六開關元件。第六開關元件的第一端連接比較器的輸出端。第六開關元件的第二端連接計數器的輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第七開關元件。第七開關元件的第一端連接比較器的輸出端。第七開關元件的第二端連接參考電壓調控電路的輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第八開關元件。第八開關元件的第一端連接參考電壓調控電路。第八開關元件的第二端連接比較器的第二輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第九開關元件。第九開關元件的第一端連接比較器的第二輸入端。第九開關元件的第二端耦接參考電壓。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第十開關元件。第十開關元件的第一端連接電容的第一端。第十開關元件的第二端接地。第十開關元件的控制端連接第六開關元件的第二端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含第十一開關元件。第十一開關元件的第一端連接電容的第一端。第十一開關元件的第二端接地。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包 含第十二開關元件。第十二開關元件的第一端連接光接收器的輸出端。第十二開關元件的第二端接地。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含訊號轉換器。訊號轉換器的輸入端連接第七開關元件的第二端。訊號轉換器的輸出端連接參考電壓調控電路的輸入端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含精細計數值儲存元件。精細計數值儲存元件的輸入端連接訊號轉換器的輸出端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含粗估計數值儲存元件。粗估計數值儲存元件的輸入端連接計數器的輸出端。
在實施例中，所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器更包含電流調整電路。電流調整電路連接在光接收器以及電容的第一端之間。電流調整電路配置以放大光接收器的第一光電流以及第二光電流後，提供至電容。
在實施例中，光接收器包含光電元件。光電元件配置以將環境光源與發光元件兩者產生的光能轉換成第一光電流，並將僅環境光源產生的光能轉換成第二光電流。
如上所述，本發明提供一種具有減少控制複雜度機制的光感測器，其具有以下特點：
1.採用的電路架構中，可透過共用一比較器，同時使用積分電流感測及連續漸近式類比數位轉換器，以達到節省電路面積的效果。
2.不破壞電路架構，增加簡單的電路元件執行作業，即可達到有效進行光感測。
3.兩組開窗時間整合至同一時區，可減少外在環境光因時間差而導致的 差異，進而能獲取更精準的計數值。
4.兩組開窗時間整合至同一時區，可應用至需要更短開窗時間的應用，如電子裝置的螢幕下放置感測器等。
5.減少一組與外部光學應用時的時間，對於光學應用可更加有彈性。
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。
GDR:光驅動器
SW1~SW13:第一至第十三開關元件
TX:光發射器
RX:光接收器
CRA:電流調整電路
Cin:電容
Vref:參考電壓
COM:比較器
SH1:第一取樣和保持電路
SH2:第二取樣和保持電路
CT:計數器
RS1:粗估計數值儲存元件
RS2:精細計數值儲存元件
ADR:訊號轉換器
VFC:參考電壓調控電路
S101~S119:步驟
CYS、CYS0:感測迴圈訊號
PTS、PTS0:相位時間訊號
SWS13:第十三開關導通訊號
SWS3:第三開關導通訊號
SWS6:第六開關導通訊號
SWS9:第九開關導通訊號
SWS7:第七開關導通訊號
SWS8:第八開關導通訊號
SWS4:第四開關導通訊號
SWS5:第五開關導通訊號
SWS11:第十一開關導通訊號
SWS12:第十二開關導通訊號
SWS1:第一開關導通訊號
SWS2:第二開關導通訊號
LDS、LDS0:發光元件訊號
CTS、CTS0:計數作業訊號
VINS、VINS0:電容電壓訊號
WDS、WDS0:開窗訊號
Top:開窗時間
Trs:未開窗時間
Top01:第一開窗時間
Trs01:第一未開窗時間
Top02:第二開窗時間
Trs02:第二未開窗時間
圖1為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的電路圖。
圖2為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的步驟流程圖。
圖3為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的多個訊號的波形圖。
圖4為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的多個訊號的波形圖。
圖5為傳統光感測器的多個訊號的波形圖。
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，其為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的電路圖。
本實施例的光感測器包含多個電路元件，例如圖1所示的光接收器RX、電容Cin、電流調整電路CRA、第一至第十二開關元件SW1~SW12、第一取樣和保持電路SH1、第二取樣和保持電路SH2、比較器COM、計數器CT、訊號轉換器ADR、粗估計數值儲存元件RS1、精細計數值儲存元件RS2以及參考電壓調控電路VFC。為方便說明，以下描述本實施例的光感測器包含如圖1所示的所有電路元件，但在此僅舉例說明，本發明不以此為限。實務上，本發明光感測器可僅包含如圖1所示的部分電路元件。
本實施例的光感測器可應用於電子裝置(例如但不限於行動裝置)。電子裝置的發光元件，例如為圖1所示的發光二極體或其他發光元件，作為光發射器TX。光發射器TX可連接光驅動器GDR。若有需要，在光驅動器GDR以及光發射器TX之間可連接第十三開關元件SW13。第十三開關元件SW13的第一端可連接光驅動器GDR的輸出端，而第十三開關元件SW13的第二端可連接光發射器TX的輸入端。
光接收器RX例如光電元件可對應光發射器TX設置。光接收器RX的第一端可連接電流調整電路CRA例如電流放大器的輸入端。光接收器RX的第二端可接地。電流調整電路CRA的輸出端可連接電容Cin的第一端。電容Cin的第二端可接地。
第十一開關元件SW11的第一端可連接電容Cin的第一端。第十 一開關元件SW11的第二端可接地。
第十二開關元件SW12的第一端可連接光接收器RX例如光電元件。光接收器RX的第二端以及第十二開關元件SW12的第二端可接地。
第三開關元件SW3的第一端可連接電容Cin的第一端。第三開關元件SW3的第二端可連接比較器COM的第一輸入端。比較器COM的第二輸入端可連接第九開關元件SW9的第一端。第九開關元件SW9的第二端耦接參考電壓Vref。
第三開關元件SW3的第二端可連接第四開關元件SW4的第一端及第五開關元件SW5的第一端。第四開關元件SW4的第二端可連接第一取樣和保持電路SH1的輸入端。第五開關元件SW5的第二端可連接第二取樣和保持電路SH2的輸入端。
第一取樣和保持電路SH1的輸出端可連接第一開關元件SW1的第一端。第一開關元件SW1的第二端可連接比較器COM的第一輸入端。
第二取樣和保持電路SH2的輸出端可連接第二開關元件SW2的第一端。第二開關元件SW2的第二端可連接比較器COM的第一輸入端。
比較器COM的輸出端可連接第六開關元件SW6的第一端。第六開關元件SW6的第二端可連接計數器CT的輸入端。計數器CT的輸出端可連接粗估計數值儲存元件RS1例如暫存器的輸入端。
第六開關元件SW6的第二端可連接第十開關元件SW10的控制端。第十開關元件SW10的第一端可連接電容Cin的第一端。第十開關元件SW10的第二端接地。
比較器COM的輸出端可連接第七開關元件SW7的第一端。第七開關元件SW7的第二端可連接訊號轉換器ADR的輸入端。訊號轉換器ADR的輸出端可連接精細計數值儲存元件RS2例如暫存器的輸入端以及參考電壓調 控電路VFC的輸入端。
參考電壓調控電路VFC的輸入端可連接第八開關元件SW8的第一端。第八開關元件SW8的第二端可連接比較器COM的第二輸入端。
若有需要，第一至第十二開關元件SW1~SW12中，除了第十開關元件SW10外，其他的每一者控制端可連接一外部控制器(圖未示)，並由此外部控制器開啟或關閉。
請參閱圖1至圖4，其中圖2為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的步驟流程圖，圖3和圖4為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的多個訊號的波形圖。
在圖2所示的步驟S101，如圖1所示的光驅動器GDR可輸出一光驅動訊號通過開啟的第十三開關元件SW13傳輸至光發射器TX，以驅動光發射器TX例如發光二極體發射光線。接著，此光發射器TX發射光線將受(人體)反射至本實施例的光感測器的光接收器RX。
光接收器RX例如光電元件可將環境光源以及光發射器TX兩者同時發射的光線的光能量轉換成光電流。接著，此光電流(經電流調整電路CRA調整，例如電流放大器放大後)流至電容Cin，以對電容Cin充電。
為方便說明，在本文中，由環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的光能量轉換後的光電流充電的電容Cin的電壓以第一電壓描述，而僅由環境光源的光能量轉換後的光電流充電後的電容Cin的電壓則以第二電壓描述。應理解，電容Cin的(第一、第二)電壓將隨光源的光強度改變。
在圖2所示的步驟S103，在如圖3和圖4所示的相位時間訊號PTS的第一相位時間內，執行如圖4所示的計數作業訊號CTS所示的環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的粗估計數作業，如 下詳細說明。
在第一相位時間內的環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的粗估計數作業中，如圖3所示的第十三開關導通訊號SWS13為高準位，代表第十三開關元件SW13保持開啟，以允許光驅動器GDR輸出的一光驅動訊號通過開啟的第十三開關元件SW13至光發射器TX以驅動光發射器TX發射光線，如圖4所示的發光元件訊號LDS為高準位表示。
如圖3所示，在環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的粗估計數作業的第一相位時間內，第三開關導通訊號SWS3、第六開關導通訊號SWS6、第九開關導通訊號SWS9皆為高準位，分別代表第三開關元件SW3、第九開關元件SW9以及第六開關元件SW6開啟。
電容Cin的第一電壓通過開啟的第三開關元件SW3輸入比較器COM的第一輸入端。參考電壓Vref通過開啟的第九開關元件SW9輸入比較器COM的第二輸入端。
在環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的光能量轉換後的光電流，將電容Cin的電壓充電至第一電壓之後，比較器COM比較電容Cin的第一電壓與參考電壓Vref，以輸出第一比較訊號。比較器COM的第一比較訊號通過開啟的第六開關元件SW6傳輸至計數器CT以及第十開關元件SW10的控制端。
每當計數器CT依據從比較器COM的輸出端接收到的第一比較訊號的準位(例如高準位)，以判斷電容Cin的第一電壓大於參考電壓Vref時，計數器CT計數第一粗估計數值。每次計數的第一粗估計數值可儲存在粗估計數值儲存元件RS1內。
在比較器COM輸出(高準位的)第一比較訊號或是計數器CT計數之後，第十開關元件SW10可依據第一比較訊號而開啟，將比較器COM的第 一輸入端通過第十開關元件SW10接地，以將比較器COM的第一輸入端的電壓重置為零值。
上述計數和重置作業反覆執行，直到第十三開關元件SW13關閉或是光發射器TX停止發光為止。如此，完成如圖3和圖4所示的第一相位時間內的環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的粗估計數作業。
在圖2所示的步驟S105，如圖3所示的第十三開關導通訊號SWS13在粗估計數作業的第二相位時間內為低準位，代表第十三開關元件SW13關閉，光驅動器GDR的光驅動訊號無法傳輸至光發射器TX，而停止驅動光發射器TX發射光線。此時，光接收器RX例如光電元件僅接收到環境光源的光能量，而不會接收到光發射器TX產生的光能量。
在圖2所示的步驟S107，如圖3所示的第四開關導通訊號SWS4在高準位維持一小段時間，代表在此時間內第四開關元件SW4開啟，以允許電容Cin的第一電壓通過開啟的第四開關元件SW4傳輸至第一取樣和保持電路SH1。第一取樣和保持電路SH1取樣並保持電容Cin的第一電壓，儲存此電容Cin的第一電壓，如圖4所示的電容電壓訊號VINS所示。
在完成第一相位時間內的環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的粗估計數作業之後，如圖3所示的第十一開關導通訊號SWS11以及第十二開關導通訊號SWS12在一小段時間為高準位，代表第十一開關元件SW11以及第十二開關元件SW12在此時間導通，以分別將比較器COM的第一輸入端以及電流調整電路CRA的輸入端的電壓重置為零值。
在圖2所示的步驟S109，在如圖3和圖4所示的相位時間訊號PTS的第二相位時間內，執行如圖4所示的計數作業訊號CTS所示的環境光源的光 強度的粗估計數作業，如下詳細說明。
在環境光源的粗估計數作業中，光接收器RX例如光電元件僅接收到來自環境光源發射的光線，將環境光源發射的光線的光能量轉換成第二光電流，提供至電容Cin以將電容Cin充電至第二電壓。
如圖3所示，第三開關導通訊號SWS3、第六開關導通訊號SWS6、第九開關導通訊號SWS9皆為高準位，分別代表第三開關元件SW3、第九開關元件SW9以及第六開關元件SW6開啟。
電容Cin的第二電壓通過開啟的第三開關元件SW3輸入比較器COM的第一輸入端。比較器COM比較電容Cin的第二電壓與參考電壓Vref，以輸出第二比較訊號。此時，第六開關元件SW6導通，以允許第二比較訊號通過第六開關元件SW6傳輸至計數器CT以及第十開關元件SW10的控制端。
每次當計數器CT依據從比較器COM的輸出端接收到的第二比較訊號的準位(例如高準位)，以判斷電容Cin的第二電壓大於參考電壓時，計數器CT計數第二粗估計數值。每次計數的第二粗估計數值可儲存在粗估計數值儲存元件RS1內。
在比較器COM輸出(高準位的)第二比較訊號或是計數器CT計數之後，第十開關元件SW10可依據第二比較訊號而開啟，將比較器COM的第一輸入端通過第十開關元件SW10接地，以將比較器COM的第一輸入端的電壓重置為零值。
上述計數和重置作業反覆執行，直到環境光源的光線穩定維持一段時間後，或已偵測一段時間後停止計數。如此，完成如圖3和圖4所示的相位時間訊號PTS的第二相位時間內的環境光源的粗估計數作業。
在圖2所示的步驟S111，如圖3所示第五開關導通訊號SWS5在高準位維持一小段時間，代表第五開關元件SW5在此時間內開啟，以允許電 容Cin的第二電壓通過第五開關元件SW5傳輸至第二取樣和保持電路SH2。第二取樣和保持電路SH2取樣並保持電容Cin的第二電壓，儲存此電容Cin的第二電壓，如圖4所示的電容電壓訊號VINS所示。
在完成第二相位時間內的環境光源的光強度的粗估計數作業之後，如圖3所示的第十一開關導通訊號SWS11以及第十二開關導通訊號SWS12在一小段時間為高準位，代表第十一開關元件SW11以及第十二開關元件SW12在此時間導通，以分別將比較器COM的第一輸入端以及電流調整電路CRA的輸入端的電壓重置為零值。
在圖2所示的步驟S113，在如圖3和圖4所示的相位時間訊號PTS的第一相位時間內，執行如圖4所示的計數作業訊號CTS所示的環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的精細計數作業，如下詳細說明。
如圖3所示，在環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號的精細計數作業的第一相位時間內，第一開關導通訊號SWS1、第七開關導通訊號SWS7以及第八開關導通訊號SWS8皆為高準位，分別代表第一開關元件SW1、第七開關元件SW7以及第八開關元件SW8開啟。
第一開關元件SW1允許第一取樣和保持電路SH1輸出先前取樣和保持的電容Cin的第一電壓通過第一開關元件SW1傳輸至比較器COM的第一輸入端。接著，參考電壓調控電路VFC輸出第一調變參考電壓通過開啟的第八開關元件SW8輸入比較器COM的第二輸入端。
比較器COM比較第一取樣和保持電路SH1所保持的電容Cin的第一電壓，與從參考電壓調控電路VFC接收到的第一調變參考電壓，以輸出第三比較訊號，通過開啟的第七開關元件SW7至訊號轉換器ADR。
訊號轉換器ADR可例如但不限於連續漸近式類比數位轉換器 Successive-approximation Analog-to-digital converter)，配置以轉換第三比較訊號，例如從類比格式轉換為數位格式，以輸出第一數位訊號至精細計數值儲存元件RS2及/或參考電壓調控電路VFC。
精細計數值儲存元件RS2例如暫存器可儲存接收到的第一數位訊號。參考電壓調控電路VFC可依據接收到的第一數位訊號，以一次或多次調整輸入至比較器COM的第二輸入端的第一調變參考電壓的電壓值。
在反覆執行上述作業後，最後可依據第一數位訊號計數出第一精細計數值，可儲存在精細計數值儲存元件RS2。
在圖2所示的步驟S115，可將在第一相位時間內計數出的第一粗估計數值以及第一精細計數值進行運算，以計算出第一相位時間內的第一計數值。
在圖2所示的步驟S117，在如圖3和圖4所示的相位時間訊號PTS的第二相位時間內，執行如圖4所示的計數作業訊號CTS所示的環境光源的光強度的精細計數作業，如下詳細說明。
如圖3所示，在環境光源發射的光訊號的精細計數作業的第二相位時間內，第二開關導通訊號SWS2、第七開關導通訊號SWS7以及第八開關導通訊號SWS8皆為高準位，分別代表第二開關元件SW2、第七開關元件SW7以及第八開關元件SW8開啟。
第二開關元件SW2允許第二取樣和保持電路SH2輸出先前取樣和保持的電容Cin的第二電壓通過第二開關元件SW2傳輸至比較器COM的第一輸入端。接著，參考電壓調控電路VFC輸出第二調變參考電壓通過開啟的第八開關元件SW8輸入比較器COM的第二輸入端。
比較器COM比較第二取樣和保持電路SH2所保持的電容Cin的第二電壓，與從參考電壓調控電路VFC接收到的第二調變參考電壓，以輸出 第四比較訊號，通過開啟的第七開關元件SW7至訊號轉換器ADR。
訊號轉換器ADR可轉換第四比較訊號，例如從類比格式轉換為數位格式，以輸出第二數位訊號至精細計數值儲存元件RS2及/或參考電壓調控電路VFC。
精細計數值儲存元件RS2例如暫存器可儲存接收到的第二數位訊號。參考電壓調控電路VFC可依據接收到的第二數位訊號，以一次或多次調整輸入至比較器COM的第二輸入端的第二調變參考電壓的電壓值。
在反覆執行上述作業後，最後可依據第二數位訊號計數出第二精細計數值，可儲存在精細計數值儲存元件RS2。
在圖2所示的步驟S119，可將在第二相位時間內計數出的第二粗估計數值以及第二精細計數值進行運算，以計算出第二相位時間內的第二計數值。
最後，可將環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受人體反射的光訊號兩者的第一計數值，減去環境光源的第二計數值，以計算出光發射器TX發射後受人體反射的光訊號的計數值，據以計算出光接收器RX所接收到的經人體反射的光線的光強度。接著，可依據受反射的光線的光強度與光發射器TX發射的光線的光強度的差值，計算出人體與設有光感測器的電子裝置之間的距離。
實務上，可適當調整如圖2所示的步驟S101~S119的順序，例如先計數環境光源的第二粗估值之後，才計數光發射器發射後受反射的光訊號以及環境光源兩者的第一粗估值，以上僅舉例說明，本發明不以此為限。
請參閱圖4和圖5，其中圖4為本發明實施例的具有減少控制複雜度機制的光感測器的多個訊號的波形圖，圖5為傳統光感測器的多個訊號的波形圖。
如圖5所示的感測迴圈訊號CYS0，如圖5所示，在開窗訊號WDS0的第一開窗時間Top01內，發光元件訊號LDS0為高準位，代表光發射開啟並發射光訊號。傳統光感測器每執行一次感測迴圈，需先在開窗訊號WDS0的第一開窗時間Top01內，開啟光接收器接收環境光源發射的光訊號以及光發射器發射後受(人體)反射的光訊號，並對接收到的光訊號(轉換後的光電流所充電的電容的電壓，如圖5所示的電容電壓訊號VINS0的電壓)進行感測作業以及如圖5所示的計數作業訊號CTS0的粗估計數作業，以計算出如圖5所示的相位時間訊號PTS0的第一相位時間的第一粗估計數值。接著，開窗訊號WDS0從高準位轉為低準位，此時關閉光接收器，停止接收光訊號。在第一未開窗時間Trs01內，對第一粗估計數值進一步進行精算，以計數出第一精細計數值。
接著，傳統光感測器的開窗訊號WDS0從低準位轉回高準位，進入第二開窗時間Top02內，開啟光接收器接收環境光源發射的光訊號，並對接收到的光訊號進行感測作業以及如圖5所示的計數作業訊號CTS0的粗估計數作業。接著，開窗訊號WDS0再從高準位轉為低準位，此時關閉光接收器，停止接收光訊號。在第二未開窗時間Trs02內，對第二粗估計數值進一步進行精算，以計數出第二精細計數值。
相比之下，如圖4所示的感測迴圈訊號CYS，本發明的光感測器每執行一次感測迴圈，僅需在開窗訊號WDS的開窗時間Top內，開啟光接收器RX接收光訊號。接著，對環境光源發射的光訊號以及光發射器TX發射後受(人體)反射的光訊號進行感測作業以及如圖4所示的計數作業訊號CTS的粗估計數作業，並對僅環境光源發射的光訊號進行感測作業以及如圖4所示的計數作業訊號CTS的粗估計數作業。
在本發明的光感測器的每一個感測迴圈內，執行完所有粗估計數作業，開窗訊號WDS保持低準位，進入一未開窗時間Trs，無需再開啟光接 收器RX接收光訊號。此時，僅需針對第一粗估計數值以及第二粗估計數值分別進一步執行如圖4所示的計數作業訊號CTS的精細計數作業，以分別計數出第一精細計數值以及第二精細計數值即可。
簡言之，本案每執行一個感測迴圈，光接收器RX僅需開啟一段開窗時間Top。相比之下，傳統光感測器需開啟兩段開窗時間，即第一開窗時間Top01以及第二開窗時間Top02，這兩段開窗時間之後需分別等待第一未開窗時間Trs01以及第二未開窗時間Trs02結束。顯然，本發明的光感測器的時間控制複雜度低於傳統光感測器。
綜上所述，本發明提供一種具有減少控制複雜度機制的光感測器，其具有以下特點：
1.採用的電路架構中，可透過共用一比較器，同時使用積分電流感測及連續漸近式類比數位轉換器，以達到節省電路面積的效果。
2.不破壞電路架構，增加簡單的電路元件執行作業，即可達到有效進行光感測。
3.兩組開窗時間整合至同一時區，可減少外在環境光因時間差而導致的差異，進而能獲取更精準的計數值。
4.兩組開窗時間整合至同一時區，可應用至需要更短開窗時間的應用，如電子裝置的螢幕下放置感測器等。
5.減少一組與外部光學應用時的時間，對於光學應用可更加有彈性。
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。
GDR:光驅動器
SW1~SW13:第一至第十三開關元件
TX:光發射器
RX:光接收器
CRA:電流調整電路
Cin:電容
Vref:參考電壓
COM:比較器
SH1:第一取樣和保持電路
SH2:第二取樣和保持電路
CT:計數器
RS1:粗估計數值儲存元件
RS2:精細計數值儲存元件
ADR:訊號轉換器
VFC:參考電壓調控電路

Claims (13)

  1. 一種具有減少控制複雜度機制的光感測器，包含：一光接收器，連接一電容的第一端，配置以在一第一相位時間內接收一環境光源發射的光訊號與一發光元件發射後受人體反射的光訊號兩者的光能量並轉換成一第一光電流提供至該電容以將該電容充電至一第一電壓，在一第二相位時間內僅接收該環境光源發射的光線的光能量並轉換成一第二光電流提供至該電容以將該電容充電至一第二電壓，其中該第二相位時間在該第一相位時間之後；一第一開關元件；一第一取樣和保持電路，該第一取樣和保持電路的輸出端連接該第一開關元件的第一端；一第二開關元件；一第二取樣和保持電路，該第二取樣和保持電路的輸出端連接該第二開關元件的第一端；一第三開關元件，該第三開關元件的第一端連接該電容的第一端；一第四開關元件，該第四開關元件的第一端連接該第三開關元件的第二端，該第四開關元件的第二端連接該第一取樣和保持電路的輸入端，其中，當該第三開關元件以及第四開關元件開啟時，該第一取樣和保持電路取樣和保持該電容的該第一電壓；一第五開關元件，該第五開關元件的第一端連接該第三開關元件的第二端，該第五開關元件的第二端連接該第二取樣和保持電路的輸入端，其中，當該第三開關元件以及第五開關元件開啟時，該第二取樣和保持電路取樣和保持該電容的該第二電壓； 一比較器，該比較器的第一輸入端連接該第一開關元件的第二端、該第二開關元件的第二端以及該第三開關元件的第二端，該電容的第二端接地，該比較器的第二端耦接一參考電壓，其中，當該第一取樣和保持電路所取樣和保持的該第一電壓通過開啟的該第一開關元件傳輸至該比較器的第一輸入端時，該比較器將該第一電壓與該參考電壓比較以輸出一第一比較訊號，之後，當該第二取樣和保持電路所取樣和保持的該第二電壓通過開啟的該第二開關元件傳輸至該比較器的第一輸入端時，該比較器將該第二電壓與該參考電壓比較以輸出一第二比較訊號；一計數器，該計數器的輸入端連接該比較器的輸出端，該計數器配置以依據該第一比較訊號以計數一第一粗估計數值，依據該第二比較訊號以計數一第二粗估計數值；以及一參考電壓調控電路，連接該比較器的輸出端和第二輸入端，配置以依序輸出一第一調變參考電壓以及一第二調變參考電壓至相連接的該比較器的第二輸入端；其中，在計數該第一粗估計數值以及該第二粗估計數值之後，該比較器比較該第一調變參考電壓與該第一取樣和保持電路保持的該第一電壓以輸出一第三比較訊號，作為計數一第一精細計數值的依據，並比較該第二調變參考電壓與從該第二取樣和保持電路保持的該第二電壓以輸出一第四比較訊號，作為計數一第二精細計數值的依據。
  2. 如請求項1該的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第六開關元件，該第六開關元件的第一端連接該比較器的輸出端，該第六開關元件的第二端連接該計數器的輸入端。
  3. 如請求項2所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第七開關元件，該第七開關元件的第一端連接該比較器的輸出端，該第七開關元件的第二端連接該參考電壓調控電路的輸入端。
  4. 如請求項3所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第八開關元件，該第八開關元件的第一端連接該參考電壓調控電路的輸出端，該第八開關元件的第二端連接該比較器的第二輸入端。
  5. 如請求項4所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第九開關元件，該第九開關元件的第一端連接該比較器的第二輸入端，該第九開關元件的第二端耦接該參考電壓。
  6. 如請求項5所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第十開關元件，該第十開關元件的第一端連接該電容的第一端，該第十開關元件的第二端接地，該第十開關元件的控制端連接該第六開關元件的第二端。
  7. 如請求項6所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第十一開關元件，該第十一開關元件的第一端連接該電容的第一端，該第十一開關元件的第二端接地。
  8. 如請求項7所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一第十二開關元件，該第十二開關元件的第一端連接該光接收器的輸出端，該第十二開關元件的第二端接地。
  9. 如請求項3所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一訊號轉換器，該訊號轉換器的輸入端連接該第七開關元件的第二端，該訊號轉換器的輸出端連接該參考電壓調控電路的輸入端。
  10. 如請求項9所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一精細計數值儲存元件，該精細計數值儲存元件的輸入端連接該訊號轉換器的輸出端。
  11. 如請求項1所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一粗估計數值儲存元件，該粗估計數值儲存元件的輸入端連接該計數器的輸出端。
  12. 如請求項1所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，更包含：一電流調整電路，連接在該光接收器以及該電容的第一端之間，配置以放大該光接收器的該第一光電流以及該第二光電流後，提供至該電容。
  13. 如請求項1所述的具有減少控制複雜度機制的光感測器，其中該光接收器包含一光電元件，配置以將環境光源與該發光元件兩者產生的光能轉換成該第一光電流，並將僅該環境光源產生的光能轉換成該第二光電流。
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