CN114207390B - 感光装置及相关电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种感光装置和相关电子装置。感光装置依序操作在初始阶段、粗转换阶段以及细转换阶段，包括：光电二极管；积分单元，用来依据光电二极管产生的电荷进行积分操作，并对应地输出积分电压；开关，耦接于积分单元以及顶极板采样的逐次逼近式模数转换器之间；顶极板采样的逐次逼近式模数转换器包含：比较器，第一输入端在所述粗转换阶段耦接至阈值电压，第二输入端通过开关选择性地耦接至积分电压；电容阵列，包括多个电容皆通过顶极板耦接至比较器的第二输入端；逐次逼近逻辑电路。

Description

感光装置及相关电子装置

技术领域

本申请涉及一种传感器，尤其涉及一种感光装置及相关电子装置。

背景技术

在环境光传感器的领域中，高动态范围一直是设计者追求的目标之一，以往的做法往往达到了高动态范围，却牺牲了传感器的敏感度。如果还要加上极短曝光时间内完成环境光传感的需求，则难度更高。因此，本领域亟需一种全新的设计来取代现有的环境光传感器做法，以克服上述的所有问题。

发明内容

本申请的目的之一在于公开一种感光装置及相关电子装置，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种感光装置，所述感光装置依序操作在初始阶段、粗转换阶段以及细转换阶段，所述感光装置包括：光电二极管，耦接于第一参考电压；积分单元，用来依据所述光电二极管产生的电荷进行积分操作，并对应地输出积分电压；开关，耦接于所述积分单元以及顶极板采样的逐次逼近式模数转换器之间；所述顶极板采样的逐次逼近式模数转换器，包含：比较器，所述比较器的第一输入端在所述粗转换阶段耦接至阈值电压，所述比较器的第二输入端通过所述开关选择性地耦接至所述积分电压，所述比较器的第二输入端还耦接至电容阵列，所述比较器的输出端耦接至逐次逼近逻辑电路；所述电容阵列，包括多个电容皆通过顶极板耦接至所述比较器的所述第二输入端；所述逐次逼近逻辑电路，用来依据所述比较器的输出信号分别控制所述多个电容的底极板选择性地耦接至多个电压的其中之一；放电单元，耦接于所述积分单元；以及控制器，用以控制所述开关导通以使所述感光装置进入所述粗转换阶段，以及控制所述开关不导通以使所述感光装置进入所述细转换阶段，其中在所述粗转换阶段，所述控制器控制所述比较器的所述第一输入端耦接至所述阈值电压，且当所述比较器的所述输出信号指示所述积分电压高于所述阈值电压时，所述控制器将粗转换数字码累加1，并控制所述放电单元对所述积分单元进行放电操作，以降低所述积分电压。

本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括：显示屏；以及上述的感光装置，设置于所述显示屏之下方，并对通过所述显示屏的环境光进行传感。

本申请的感光装置及相关电子装置可以在极短曝光时间的应用中，同时兼顾高动态范围、高敏感度与高分辨率。

附图说明

图1为本申请提出的感光装置操作在粗转换阶段的实施例的示意图。

图2为本申请提出的感光装置操作在细转换阶段的实施例的示意图。

图3为本申请的感光装置的操作时序图。

图4为本申请的感光装置在初始阶段的操作时序图。

图5为本申请的感光装置在放电操作的操作时序图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

图1为本申请提出的感光装置的实施例的示意图。图1感光装置100可作为环境光传感器，用来侦测光电二极管102在一个时间段中所累积到的电荷(其正相关于所述时间段的平均照度)，并输出为粗转换数字码DO_c及细转换数字码DO_f。

感光装置100可用来传感环境光，例如可设置于电子装置中作为接近传感器，本申请提出将感光装置100设置于电子装置的显示屏之下形成屏下接近传感器，对通过显示屏的环境光进行传感，以缩小电子装置的非显示屏范围的边框宽度。本申请为了避免显示屏的背光干扰感光装置100对环境光的传感，感光装置100只在显示屏的背光不发光的消隐时段进行传感，然而所述消隐时段极短，且显示屏对环境光的透光率一般来说极低，以有机发光二极管显示屏来说，只有约2％至4％左右。

为了在极短的时间内完成高敏感度且高动态范围的环境光侦测，图1的感光装置100将传感的流程依序分为三个阶段：初始阶段、粗转换阶段以及细转换阶段。以屏下接近传感器的应用来说，所述粗转换阶段必须要在所述消隐时段期间内以免被显示屏背光干扰，但所述初始阶段以及所述细转换阶段则不会被显示屏背光干扰，可在所述消隐时段之外执行。

图1的光电二极管102的阳极耦接于第一参考电压V1，阴极耦接于积分单元104。积分单元104用来依据光电二极管102受到光照射后产生的电荷进行积分操作，并对应地输出积分电压Vo。因为积分单元104不可能永无止尽的积分下去，积分电压Vo一直增加势必会饱和，因此本申请的感光装置100利用比较器1062来判断积分电压Vo是否高于阈值电压Vth，若积分电压Vo高于阈值电压Vth，则通知控制器110将粗转换数字码DO_c累加1，控制器110并利用放电单元108对积分单元104进行放电操作以拉低积分电压Vo，使积分单元104得以在所述粗转换阶段持续地对光电二极管102受到光照射后产生的电荷进行积分操作。

光线越强，积分电压Vo上升的速度也越快，因此在固定的所述粗转换阶段的时间长度下，超过阈值电压Vth的次数也越多，当所述粗转换阶段结束时，粗转换数字码DO_c自然也越大。但相对地，光线越弱，当所述粗转换阶段结束时，粗转换数字码DO_c就越小。

可以理解的是，积分电压Vo必须要超过阈值电压Vth，才会触发控制器110将粗转换数字码DO_c累加1。在环境光很低的时候，有可能光电二极管102在整个述粗转换阶段产生的电荷都无法使积分电压Vo超过阈值电压Vth，使敏感度受限于阈值电压Vth。但若将阈值电压Vth设定的越低，势必会使放电操作发生的机率提高，由于放电操作可能会影响积分操作的精准度，因此过于频繁的放电操作对维持感光装置100的精准度来说是不利的。故，本申请还利用逐次逼近式模数转换器106来在所述细转换阶段将所述粗转换阶段结束时残馀的不满阈值电压Vth的积分电压Vo转换为转细换数字码DO_f，以提高感光装置100的敏感度及分辨率。

具体来说，本申请的逐次逼近式模数转换器106为如图1和图2所示的顶极板采样架构，即逐次逼近式模数转换器106的待采样输入电压直接耦接比较器1062的第二输入端，电容阵列1066所包括的多个电容(电容值为C、C、2C、…、2N-1C，其中C为单位电容值，N为大于1的整数)皆通过顶极板耦接至比较器1062的所述第二输入端。这样的好处在于当感光装置100在所述粗转换阶段，开关105为导通时，积分电压Vo和阈值电压Vth分别直接耦接于比较器1062的两输入端，使逐次逼近式模数转换器106成为单纯的比较器，且实际上电容阵列1068会持续地进行采样；因此当感光装置100由所述粗转换阶段进入所述细转换阶段时，开关105断开，逐次逼近式模数转换器106便可专心针对由所述粗转换阶段进入所述细转换阶段时，电容阵列1068采样到的积分电压Vo进行逐次逼近式模数转换，控制器110并将逐次逼近式模数转换器106在所述细转换阶段所输出的输出信号Ss转换为转细换数字码DO_f。

关于逐次逼近式模数转换器106的操作还包括以下细节。当进入所述细转换阶段后，顶极板采样的逐次逼近式模数转换器106的比较器1062的第一输入端可以通过控制器110产生的控制信号Sm来从原本耦接至阈值电压Vth切换为耦接至第二参考电压V2。逐次逼近逻辑电路1064则依据比较器1062的输出信号Ss分别控制电容阵列1066的多个电容的底极板选择性地耦接至多个电压的其中之一(例如第一参考电压V1、第二参考电压V2、第三参考电压V3)，其中第二参考电压可介于第一参考电压V1和第三参考电压V3之间。

在某些实施例中，也可以采用非顶极板采样架构的逐次逼近式模数转换器，例如采用底极板采样架构的逐次逼近式模数转换器来作为逐次逼近式模数转换器106。但因为采用底极板采样架构的逐次逼近式模数转换器106的比较器的输入端不会直接通过开关105耦接至积分电压Vo，故需额外增设另一个比较器来作为所述粗转换阶段所用。

接下来说明积分单元104的细节。积分单元104包括运算放大器1042、积分电容Cint、开关1044、开关1046以及开关1048。其中运算放大器1042包括正输入端、负输入端以及输出端，所述负输入端耦接至光电二极管102；所述正输入端耦接至第四参考电压V4。积分电容Cint的一端耦接于运算放大器1042的负输入端。开关1044耦接于运算放大器1042的所述负端和所述输出端之间；开关1046耦接于积分电容Cint的另一端和运算放大器1042的所述输出端之间；开关1048耦接于积分电容Cint的所述另一端和重置电压Vrst之间。

请一并参阅图4，在所述粗转换阶段之前的所述初始阶段的时间T0，控制器110会通过控制信号Srst1、Srst2及Srst3对应地控制开关1044、1046以及1048，使开关1044断开、开关1046导通以及开关1048断开。接着在时间T01控制器110使开关1046断开，并在时间T02使开关1044和开关1048导通以使积分电压Vo被重置为重置电压Vrst，接着控制器110在时间T03使开关1044和开关1048断开，并在时间T04使开关1044重新导通以完成积分积分单元104的重置。

请参与图3，可以看到在所述初始阶段积分电压Vo被重置为重置电压Vrst，接着在时间T1进入所述粗转换阶段，并在时间T8从所述粗转换阶段进入所述细转换阶段，并在时间T9结束所述细转换阶段。在本实施例中，时间T1到T8的长度为预设的时间长度，如前所述，需要小于所搭配的显示屏的消隐时段。由图3还可以观察到当积分电压Vo高于阈值电压Vth，比较器1062的输出信号Ss便会被触发，使控制器110控制放电单元108对积分单元104进行放电操作来使积分电容Cint累积的电荷移动至放电单元108以降低积分电压Vo。在本实施例中，放电操作的时间长度为预设的时间长度，也就是时间T2到T3的时间长度和时间T4到T5的时间长度以及时间T6到T7的时间长度相同。关于放电单元108的细节将说明于下。

请重新参考图1，放电单元108包含放电电容Cd，放电电容Cd的第一端耦接光电二极管102，放电电容Cd的第二端通过开关1082选择性地耦接至放电参考电压Vrp，放电电容Cd的所述第二端还通过开关1084选择性地耦接至放电电容Cd的所述第一端。

请一并参阅图5，在非放电操作时，控制器110会通过控制信号Sd1及Sd2对应地控制开关1084以及1082，使开关1084导通以及开关1082断开。而当进入所述放电操作时，例如时间T2至T3间，控制器110会在时间T21使开关1084断开，并在时间T22使开关1082导通以将积分电容Cint累积的电荷吸收至放电电容Cd，等同于使积分电容Cint放电，进而使积分电压Vo降低。接着控制器110在时间T23使开关1082断开，并在时间T24使开关1084重新导通以完成所述放电操作。

应注意的是，本申请的放电单元108的具体实施方式不限于图1和图2的实施例，只要能够通过控制器110的控制来使积分单元104的积分电压Vo降低的任何方式皆可应用于感光装置100。此外，本申请也不对控制器110的实现方式多做限定。举例来说，控制器110可以使用处理器搭配软件或固件实现，或使用特定电路来以纯硬件的方式实现。

本申请的感光装置100的积分单元104中的积分电容Cint可以具有较小的值以提高积分单元104的增益，使粗转换的效率提高以增加感光装置100敏感度。同时可以扩大顶极板采样的逐次逼近式模数转换器106的电容阵列1066以提高细转换的分辨率。这样一来，即使感光装置100设置在显示屏下，亦可在极短曝光时间同时兼顾高动态范围、高敏感度以及高分辨率。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims (15)

1.一种感光装置，其特征在于，所述感光装置依序操作在初始阶段、粗转换阶段以及细转换阶段，所述感光装置包括：

光电二极管，耦接于第一参考电压；

积分单元，用来依据所述光电二极管产生的电荷进行积分操作，

并对应地输出积分电压；

开关，耦接于所述积分单元以及顶极板采样的逐次逼近式模数转换器之间；

所述顶极板采样的逐次逼近式模数转换器，包含：

比较器，所述比较器的第一输入端在所述粗转换阶段耦接至阈值电压，所述比较器的第二输入端通过所述开关选择性地耦接至所述积分电压，所述比较器的第二输入端还耦接至电容阵列，所述比较器的输出端耦接至逐次逼近逻辑电路；所述电容阵列，包括多个电容皆通过顶极板耦接至所述比较器的所述第二输入端；

所述逐次逼近逻辑电路，用来依据所述比较器的输出信号分别控制所述多个电容的底极板选择性地耦接至多个电压的其中之一；

放电单元，耦接于所述积分单元；以及

控制器，用以控制所述开关导通以使所述感光装置进入所述粗转换阶段，以及控制所述开关不导通以使所述感光装置进入所述细转换阶段，其中在所述粗转换阶段，所述控制器控制所述比较器的所述第一输入端耦接至所述阈值电压，且当所述比较器的所述输出信号指示所述积分电压高于所述阈值电压时，所述控制器将粗转换数字码累加1，并控制所述放电单元对所述积分单元进行放电操作，以降低所述积分电压。

2.如权利要求1所述的感光装置，其特征在于，所述积分单元包括：运算放大器，包括正输入端、负输入端以及输出端，所述负输入端耦接至所述光电二极管；以及

积分电容，耦接于所述运算放大器的所述负输入端与所述输出端之间。

3.如权利要求2所述的感光装置，其特征在于，当所述控制器控制所述放电单元对所述积分单元进行所述放电操作时，所述积分电容累积的电荷移动至所述放电单元。

4.如权利要求3所述的感光装置，其特征在于，所述放电单元包含放电电容，所述放电电容的第一端耦接所述光电二极管，所述放电电容的第二端选择性地耦接至放电参考电压，以及所述放电电容的所述第二端还选择性地耦接至所述放电电容的所述第一端。

5.如权利要求4所述的感光装置，其特征在于，所述控制器控制所述开关导通以使所述感光装置进入所述粗转换阶段并维持第一预设时间长度后，控制所述开关不导通以使所述感光装置进入所述细转换阶段。

6.如权利要求4所述的感光装置，其特征在于，当所述比较器的所述输出信号指示所述积分电压高于所述阈值电压时，所述控制器控制所述放电单元对所述积分单元进行所述放电操作并维持第二预设时间长度。

7.如权利要求4所述的感光装置，其特征在于，在所述粗转换阶段且所述控制器非控制所述放电单元对所述积分单元进行所述放电操作时，所述控制器控制所述放电电容的所述第二端耦接至所述放电电容的所述第一端，并且和所述放电参考电压断开。

8.如权利要求4所述的感光装置，其特征在于，在所述粗转换阶段且所述控制器控制所述放电单元对所述积分单元进行所述放电操作时，所述控制器控制所述放电电容的所述第二端耦接至所述放电参考电压，并且和所述放电电容的所述第一端断开。

9.如权利要求2所述的感光装置，其特征在于：

所述积分电容的第一端耦接至所述运算放大器的所述负输入端，以及所述积分电容的所述第一端还选择性地耦接至所述运算放大器的所述输出端；以及

所述积分电容的第二端选择性地耦接至所述运算放大器的所述输出端，以及所述积分电容的所述第二端还选择性地耦接至重置电压。

10.如权利要求9所述的感光装置，其特征在于，在所述粗转换阶段，所述积分电容的所述第一端和所述运算放大器的所述输出端断开，以及所述积分电容的所述第二端耦接至所述运算放大器的所述输出端以及和所述重置电压断开。

11.如权利要求9所述的感光装置，其特征在于，在所述粗转换阶段之前的初始阶段，所述积分电容的所述第一端耦接至所述运算放大器的所述输出端，以及所述积分电容的所述第二端耦接至所述重置电压以及和所述运算放大器的所述输出端断开。

12.如权利要求1所述的感光装置，其特征在于，所述逐次逼近逻辑电路在所述细转换阶段依据所述比较器的输出信号分别控制所述多个电容的底极板选择性地耦接至所述第一参考电压、第二参考电压或第三参考电压，以将所述感光装置从所述粗转换阶段进入所述细转换阶段时的所述积分电压转换为数字信号以作为细转换数字码，其中所述粗转换阶段所累积的所述粗转换字码加上所述细转换阶段所得到的所述细转换数字码正相关于所述粗转换阶段的平均照度。

13.如权利要求12所述的感光装置，其特征在于，所述控制器控还制所述比较器的所述第一输入端在所述细转换阶段耦接至所述第二参考电压。

14.一种电子装置，其特征在于，包括：

显示屏；以及

如权利要求1至13中任一项所述的感光装置，设置于所述显示屏之下方，并对通过所述显示屏的环境光进行传感。

15.如权利要求14所述的电子装置，其特征在于，所述第一预设时间长度小于所述显示屏的消隐时段。