CN114353941B - 高线性度数字调控的光传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高线性度数字调控的光传感器和方法。光电组件将照射通过光电组件的光能转换为光电流，接着流入电流镜，以一增益放大后以形成充电电流，以对电容进行充电。比较器多次将电容的电压与参考电压进行比较，以产生比较信号。计数器依据增益以决定一数字取值范围，以读取比较信号在数字取值范围内的多个位元值进行计数以输出计数信号。杂信消除处理器依据增益缩减数字取值范围，以移除计数信号的多个位元值中的部分位元值，依据其余保留的多个位元值以输出感测信号。

Description

高线性度数字调控的光传感器和方法

技术领域

本发明涉及一种光传感器，特别是涉及一种高线性度数字调控的光传感器和方法。

背景技术

随着光感测技术的进步，逐渐发展出各种具有不同功能的光传感器例如环境光传感器，已广泛应用于笔记本计算机、平板计算机及智能型手机等可携带式电子装置。然而，现有光传感器为模拟调控电流放大，特别是在感测电流大及电流倍数大时，会因感测电路架构本身的特性，导致设定电流倍数与感测值倍数不成比例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种高线性度数字调控的光传感器，其包含光电组件、电流镜、电容、比较器以及数字信号处理器。光电组件配置以将照射通过光电组件的光能转换为光电流。电流镜连接光电组件以及电容的第一端。电流镜配置以将流入电流镜的光电流以增益放大，以形成充电电流，对电容进行充电。比较器的两输入端分别连接电容的第一端以及耦接参考电压。比较器配置以多次将电容的电压与参考电压进行比较，以产生比较信号。数字信号处理器包含计数器以及杂信消除处理器。计数器连接比较器。计数器配置以依据增益以决定一数字取值范围，以读取比较信号在数字取值范围内的多个位元值进行计数以输出计数信号。杂信消除处理器连接计数器。杂信消除处理器配置以依据增益缩减数字取值范围，以移除计数信号的多个位元值中的最低有效位元值，依据其余保留的多个位元值以输出感测信号。

在一实施方案中，杂信消除处理器配置以依据光电组件感测光的敏感度，以决定移除计数信号的位元值的数量。

在一实施方案中，杂信消除处理器配置以移除计数信号的最低有效位元值的前一或多个位元值。

在一实施方案中，计数器配置以在不同预定时间区间内分别产生不同的多个子计数信号，将多个子计数信号平均以产生计数信号。

在一实施方案中，计数器配置以在不同预定时间区间内分别产生多个计数信号，杂信消除处理器判断多个计数信号中哪些位的位序相同但位元值不同，作为后续产生计数信号时移除哪一个或哪些位元值的依据。

另外，本发明提供一种高线性度数字调控方法，包含以下步骤：将照射通过光电组件的光能转换为光电流；将光电流以一增益放大以形成一充电电流，对电容进行充电；多次将电容的电压与参考电压进行比较，以产生比较信号；依据增益以决定一数字取值范围；读取比较信号在数字取值范围内的多个位元值进行计数，以输出计数信号；以及移除计数信号的多个位元值中的最低有效位元值，依据其余保留的多个位元值以输出感测信号。

在一实施方案中，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：依据光电组件感测光的敏感度，以决定移除计数信号的位元值的数量。

在一实施方案中，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：移除计数信号的最低有效位元值的前一或多个位元值。

在一实施方案中，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：在不同预定时间区间内分别产生不同的多个子计数信号；以及将多个子计数信号平均以产生计数信号。

在一实施方案中，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：在不同预定时间区间内分别产生多个计数信号；以及判断多个计数信号中哪些位的位序相同但位元值不同，作为后续产生计数信号时移除哪一个或哪些位元值的依据。

如上所述，本发明提供一种高线性度数字调控的光传感器及方法，其具有以下主要特点：

借由数字算法，进行消除光的不稳定造成的干扰及本身些微的电路杂信，降低模拟电路设计上的困难，并有效提高感测值之线性度与符合设定值之倍数比例；

模拟电路仅需提供一固定之最大电流，将其尽量设计于线性区内，借由数字的取值范围，可有效提高感测线性度，并达到感测值倍数与电流设定倍数成比例；

为了减少光的不稳定及电路之杂信所引起的数据误差，借由数字取值范围的调整，甚至再加上平均的方式，可在牺牲些微反应时间下，提高感测数据信杂比；

借由数字电路的算法，也可有效降低外在环境及电路杂信所造成的数据误差。

为使能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的电路布局图。

图2为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的数字信号处理器的方块图。

图3A为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为1倍时的数字取值范围的示意图。

图3B为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为2倍时的数字取值范围的示意图。

图3C为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为4倍时的数字取值范围的示意图。

图3D为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为8倍时的数字取值范围的示意图。

图3E为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为16倍时的数字取值范围的示意图。

图4为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的不同增益下的计数值对光通量的曲线图。

图5为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的计数次数对光通量的曲线图。

图6为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的计数值对量测时间的直方图。

图7为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的数字取值范围在不同增益下平均恒移的示意图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。

请参阅图1，其为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的电路布局图。

本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器可包含光电组件PD、电流镜MR、电容C、比较器CMP以及数字信号处理器DSPA。

光电组件PD连接电流镜MR的输入端，而电容C连接电流镜MR的输出端。详言之，电流镜MR包含第一晶体管T1以及第二晶体管T2。第一晶体管T1的第一端以及第二晶体管T2的第一端连接一共享电源(图未示)。光电组件PD的第一端例如正极端接地，而光电组件PD的第二端例如负极端连接电流镜MR的第一晶体管T1的第二端。第一晶体管T1的控制端连接第一晶体管T1的第二端以及第二晶体管T2的控制端。第二晶体管T2的第二端连接电容C的第一端。电容C的第二端接地。

光电组件PD将照射通过光电组件PD的光能转换为光电流，接着光电流流入光电流。电流镜MR将流入的光电流以一固定增益放大以形成一充电电流Ic流至电容C，以对电容C充电。

比较器CMP的第一输入端例如非反相输入端连接电容C的第一端，而比较器CMP的第二输入端例如反相输入端耦接参考电压Vref。比较器CMP的输出端连接数字信号处理器DSPA以及开关组件SW的控制端。开关组件SW的第一端连接比较器CMP的第一输入端例如非反相输入端。开关组件SW的第二端接地。

比较器CMP配置以多次将第一输入端的电压(即电容C的电压Va)与比较器CMP的第二输入端的电压(即参考电压Vref)进行比较，以输出比较信号CMPO至数字信号处理器DSPA。值得注意的是，数字信号处理器DSPA配置以依据比较器CMP输出的比较信号CMP进行计数作业，并在计数作业后进行杂信消除作业。

在每次执行完计数后，比较器CMP输出的比较信号CMPO，控制开关组件SW开启，通过开关组件SW将比较器CMP的第一输入端拉接至地，以将比较器CMP的第一输入端拉降为零值，以完成重置作业。

请参阅图2、图3A至图3E、图4和图5，其中图2为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的不同增益下的计数次数对光通量的曲线图；图3A至图3E分别为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器设计为最多可读取20bits且在增益为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍时的数字取值范围的示意图；图4为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的不同增益下的计数值对光通量的曲线图。

如图2所示，数字信号处理器DSPA包含计数器CNT以及杂信消除处理器NES。计数器CNT连接杂信消除处理器NES的输入端以及如图1所示的比较器CMP的输出端。

计数器CNT配置以接收比较器CMP输出的比较信号CMPO，接着依据充电电流Ic的增益放大倍数以决定一数字取值范围，以读取比较信号CMPO在此数字取值范围内的多个位元值，以进行计数，依据计数结果输出计数信号CS至杂信消除处理器NES。

举例而言，如图3A至图3E所示，计数器CNT设计为最多可读取20bits。如图3A至图3E和图4所示，计数器CNT实际上仅读取16bits的数值，但在不同增益下，数字取值范围不同。详言之，如图3A和图4所示，在增益为1倍时，计数器CNT读取数字取值范围内的位B4至B19的数值。如图3B和图4所示，在增益为2倍时，计数器CNT读取数字取值范围内的位B3至B18的数值。如图3C和图4所示，在增益为4倍时，计数器CNT读取数字取值范围内的位B2至B17的数值。如图3D和图4所示，在增益为8倍时，计数器CNT读取数字取值范围内的位B1至B16的数值。如图3E和图4所示，在增益为16倍时，计数器CNT读取数字取值范围内的位B0至B15的数值。根据上述，在不同增益下，计数器CNT的数字取值范围不同。

请一并参阅图1至图6，其中图5为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的计数次数对光通量的曲线图；图6为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的计数值对量测时间的直方图。

如图4和图5所示，在不同增益下，计数器CNT计数的数值在不同增益放大倍数下的实际曲线PR、G1、G2、G4、G8、G16呈非线性，如图4所示的与理想曲线IL有些误差，即感测倍数与电流倍数并非呈固定比例。

计数器CNT可执行多次计数作业，在每次计数作业中，计数器CNT计数出一组位元值。举例而言，在每次计数作业中，计数器CNT依据比较信号CMPO以计数到如图6所示的10个位元值。

在多次计数作业中，分别产生多组位元值，以如图6所示的直方图中分别产生多个长条N1至N8表示，其中多组位元值之间仅有前8个位元值(即00010110)完全相同，而最低有效位元值与其前一个位序的位元值浮动。应理解，依据计数器的设计、电流增益放大倍数、计数器计数的位元值的数量、受干扰的杂信大小不同等因素，所造成的浮动的位数可能有所不同。

因此，如图2所示的杂信消除处理器NES配置以移除计数信号CS的多个位元值中部分的位元值，其中至少移除计数信号CS的多个位元值中的最低有效位元值，依据其余保留的多个位元值以输出感测信号NS。

换言之，杂信消除处理器NES缩减数值取值范围，以减少读取的位数，仅保留多次计数作业中不会浮动的多个位元值以输出感测信号NS。如此，每次杂信消除处理器NES输出的感测信号NS的多个位元值皆为相同，例如每次杂信消除处理器NES皆输出图6所示的直方图的长条R1至R8代表的8个位元值00010110。

实务上，计数器CNT可在不同预定时间区间内分别产生多个计数信号CS，杂信消除处理器NES判断多个计数信号CS中哪些位的位序相同但位元值不同，例如上述计数信号CS中的最低有效位元值与其前一个位序的位元值不同，作为后续产生计数信号CS时移除哪一个或哪些位元值的依据。若有需要，可将多个计数信号CS的数值平均，接着与其他多个计数信号的平均值进行比较，据以判断有哪些位的位序相同但位元值不同。

又或者，在每次执行计数作业之后，杂信消除处理器NES可依据采用的光传感器的光电组件PD感测光的敏感度，以决定移除计数信号CS的位元值的数量。

请一并参阅图1至图7，其中图7为本发明实施例的高线性度数字调控的光传感器的数字取值范围在不同增益下平均恒移的示意图。

如图2所示的计数器CNT可如图7所示设计为可读取的最大位数为23bits，但计数器CNT取值的位数为15bits。在最大电流增益(Gain)时，计数器CNT的数字取值范围为位B[0]至B[15]。计数器CNT的数字取值范围可为位B[1]至B[16]，即不取位B[0]的位元值，等效于将最大电流增益除以2。计数器CNT的数字取值范围可为位B[2]至B[17]，等效于将最大电流增益除以4。同理，计数器CNT的数字取值范围分别为B[3]至B[18]、位B[4]至B[19]、位B[5]至B[20]、位B[6]至B[21]、B[7]至B[22]时，分别等效于将最大电流增益除以8、16、32、64、128。据此，计数器CNT的数字取值范围平均地横移，等效于将比较器CMP输出的位元值除以增益倍数，借以消除杂信，使得感测值倍数与电流设定倍数成比例，最后取得正确的感测数据。

本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的高线性度数字调控的光传感器及其方法，其具有以下主要特点：

借由数字算法，进行消除光的不稳定造成的干扰及本身些微的电路杂信，降低模拟电路设计上的困难，并有效提高感测值之线性度与符合设定值之倍数比例；

模拟电路仅需提供一固定之最大电流，将其尽量设计于线性区内，借由数字的取值范围，可有效提高感测线性度，并达到感测值倍数与电流设定倍数成比例；

为了减少光的不稳定及电路之杂信所引起的数据误差，借由数字取值范围的调整，甚至再加上平均的方式，可在牺牲些微反应时间下，提高感测数据信杂比；

借由数字电路的算法，也可有效降低外在环境及电路杂信所造成的数据误差。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书内。

Claims (10)

1.一种高线性度数字调控的光传感器，其特征在于，所述高线性度数字调控的光传感器包含：

光电组件，配置以将照射通过所述光电组件的光能转换为光电流；

电流镜，连接所述光电组件，所述电流镜配置以将流入所述电流镜的所述光电流以增益放大以形成充电电流；

电容，所述电容的第一端连接所述电流镜，所述充电电流对所述电容进行充电；

比较器，所述比较器的两输入端分别连接所述电容的第一端以及耦接参考电压，所述比较器配置以多次将所述电容的电压与所述参考电压进行比较，以产生比较信号；以及

数字信号处理器，包含：

计数器，连接所述比较器，配置以依据所述增益以决定数字取值范围，以读取所述比较信号在所述数字取值范围内的多个位元值进行计数以输出计数信号；及

杂信消除处理器，连接所述计数器，配置以依据所述增益缩减所述数字取值范围，以移除所述计数信号的多个位元值中的最低有效位元值，依据其余保留的所述多个位元值以输出感测信号。

2.根据权利要求1所述的高线性度数字调控的光传感器，其特征在于，所述杂信消除处理器配置以依据所述光电组件感测光的敏感度，以决定移除所述计数信号的所述位元值的数量。

3.根据权利要求1所述的高线性度数字调控的光传感器，其特征在于，所述杂信消除处理器配置以移除所述计数信号的最低有效位元值的前一或多个位元值。

4.根据权利要求1所述的高线性度数字调控的光传感器，其特征在于，所述计数器配置以在不同预定时间区间内分别产生不同的多个子计数信号，将所述多个子计数信号平均以产生所述计数信号。

5.根据权利要求1所述的高线性度数字调控的光传感器，其特征在于，所述计数器配置以在不同预定时间区间内分别产生多个所述计数信号，所述杂信消除处理器判断多个所述计数信号中哪些位的位序相同但位元值不同，作为后续产生所述计数信号时移除哪一个所述位元值或哪些所述多个位元值的依据。

6.一种高线性度数字调控方法，其特征在于，所述高线性度数字调控方法包含以下步骤：

将照射通过光电组件的光能转换为光电流；

将所述光电流以增益放大以形成充电电流，对电容进行充电；

多次将所述电容的电压与参考电压进行比较，以产生比较信号；

依据所述增益以决定数字取值范围；

读取所述比较信号在所述数字取值范围内的多个位元值进行计数，以输出计数信号；以及

移除所述计数信号的多个位元值中的最低有效位元值，依据其余保留的所述多个位元值以输出感测信号。

7.根据权利要求6所述的高线性度数字调控方法，其特征在于，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：依据所述光电组件感测光的敏感度，以决定移除所述计数信号的所述位元值的数量。

8.根据权利要求6所述的高线性度数字调控方法，其特征在于，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：

移除所述计数信号的最低有效位元值的前一或多个位元值。

9.根据权利要求6所述的高线性度数字调控方法，其特征在于，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：

在不同预定时间区间内分别产生不同的多个子计数信号；以及

将所述多个子计数信号平均以产生所述计数信号。

10.根据权利要求6所述的高线性度数字调控方法，其特征在于，所述高线性度数字调控方法还包含以下步骤：

在不同预定时间区间内分别产生多个所述计数信号；以及

判断多个所述计数信号中哪些位的位序相同但位元值不同，作为后续产生所述计数信号时移除哪一个所述位元值或哪些所述多个位元值的依据。