用于可見(jiàn)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于可見(jiàn)光傳感器芯片的光電轉(zhuǎn)換電路，主要解決現(xiàn)有技術(shù)暗電流噪聲影響可見(jiàn)光感測(cè)準(zhǔn)度的問(wèn)題。其包括光電二極管陣列(1)，暗電流光電二極管陣列(2)，濾噪電路(3)；外部控制邏輯控制光電二極管陣列和暗電流二極管陣列實(shí)際接入電路的二極管數(shù)目；濾噪電路的第一輸入端連接光電二極管陣列的輸出，其第二輸入端連接暗電流二極管陣列的輸出，光電二極管陣列產(chǎn)生的包含暗電流的光電流與暗電流光電二極管陣列產(chǎn)生的暗電流通過(guò)濾噪電路進(jìn)行相減，得到不含暗電流的可見(jiàn)光電流，輸出給外部電荷平衡式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本發(fā)明提高了光電轉(zhuǎn)換的精度，抑制了暗電流噪聲對(duì)可見(jiàn)光感測(cè)結(jié)果的影響，提高了可見(jiàn)光感測(cè)的準(zhǔn)度。
【專利說(shuō)明】用于可見(jiàn)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子電路【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及光電轉(zhuǎn)換電路，可用于可見(jiàn)光傳感器中。
【背景技術(shù)】
[0002]許多諸如智能手機(jī)、游戲機(jī)、電腦、電視等電子設(shè)備都使用了可見(jiàn)光傳感器將光照度量化輸出后經(jīng)控制邏輯調(diào)整背光燈，改善用戶視覺(jué)體驗(yàn)，達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命，提高電源效率的目的。光電轉(zhuǎn)換電路作為可見(jiàn)光傳感器的最重要的組成部分之一，其轉(zhuǎn)換精度極大程度上制約了整個(gè)可見(jiàn)光傳感器系統(tǒng)的精度。
[0003]圖1所示為傳統(tǒng)的用于可見(jiàn)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖。它包括控制邏輯電路，光電二極管，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。在可見(jiàn)光檢測(cè)期間，通過(guò)控制邏輯電路控制，使光電二極管接入電路中，光電二極管在光照下產(chǎn)生電流，該電流輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量后輸出，輸出的數(shù)字量指示可見(jiàn)光的照度大小。
[0004]然而，由于可見(jiàn)光傳感器的光源一般是自然光，燈光等，均具有較寬光譜，因而光電二極管會(huì)對(duì)可見(jiàn)光波段外的其他光譜產(chǎn)生響應(yīng)，如對(duì)紅外光產(chǎn)生響應(yīng)，使得圖1所示結(jié)構(gòu)中光電二極管產(chǎn)生的電流中不僅包含了可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換而來(lái)的電流，還包含了非可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換而來(lái)的電流，這些電流均輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)光傳感器對(duì)可見(jiàn)光照度大小感測(cè)不準(zhǔn)確。同時(shí)由于光電二極管本身會(huì)產(chǎn)生隨溫度變化而與光照度無(wú)關(guān)的暗電流，使光電二極管所產(chǎn)生的光電流并不完全正比于光照度，圖1所示結(jié)構(gòu)中，光電二極管產(chǎn)生的暗電流未經(jīng)處理直接輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)光傳感器對(duì)可見(jiàn)光照度大小感測(cè)不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于可見(jiàn)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換電路，以避免非可見(jiàn)光噪聲和暗電流的影響，提高可見(jiàn)光傳感器對(duì)可見(jiàn)光照度感測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括:光電二極管陣列1，暗電流二極管陣列2，其特征在于:還包括濾噪電路3
[0007]所述光電二極管陣列1，其正極接地電位，負(fù)極連接濾噪電路3的第一輸入端；
[0008]所述暗電流二極管陣列2，其正極接地電位，負(fù)極連接濾噪電路3的第二輸入端；
[0009]所述濾噪電路3，用于將光電二極管陣列I輸出的光電流I1與暗電流二極管陣列2輸出的暗電流I2相減，輸出不含暗電流的環(huán)境光電流13。
[0010]上述的光電轉(zhuǎn)換電路，其中光電二極管陣列1，包含64個(gè)并聯(lián)的光電二極管，這些光電二極管上方均設(shè)有光學(xué)鍍膜，其光學(xué)響應(yīng)類似照度計(jì)，該64個(gè)并聯(lián)的光電二極管按照控制邏輯選擇接入濾噪電路3的第一輸入端，每個(gè)光電二極管輸出含有暗電流的光電流lid，Iici=IiZn1, I1為光電二極管陣列I輸出的光電流，Ii1為光電二極管陣列I接入濾噪電路3的第一輸入端的光電二極管數(shù)目。
[0011]上述的光電轉(zhuǎn)換電路，其中暗電流二極管陣列2，包含64個(gè)設(shè)有金屬屏蔽層的并聯(lián)光電二極管，這些光電二極管通過(guò)控制邏輯選擇接入濾噪電路3的第二輸入端，且每個(gè)光電二極管的輸出僅包含暗電流12(1，I20=Wn2, I2為暗電流二極管陣列2輸出的暗電流，n2為暗電流二極管陣列2接入濾噪電路3的第二輸入端的光電二極管數(shù)目。
[0012]上述的光電轉(zhuǎn)換電路，其中濾噪電路3，包含失配校正單元4、運(yùn)算放大器0P、四個(gè)NMOS管和六個(gè)PMOS管，即第一 NMOS管M1,第二 NMOS管M2,第三NMOS管M3,第四NMOS管M4 ;第一 PMOS管M5,第二 PMOS管M6,第三PMOS管M7，第四PMOS管M8,第五PMOS管M13,第六PMOS 管 M14。
[0013]所述運(yùn)算放大器0P，其同相端接基準(zhǔn)電壓VREF，反相端與自身輸出端相接，并接到第三NMOS管M3與第二 PMOS管M6的漏端；
[0014]所述失配校正單元4，包括四個(gè)PMOS管，即第七PMOS管M9,第八PMOS管M1(l，第九PMOS 管 Mn，第十 PMOS 管 M12。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1.本發(fā)明由于使用了光學(xué)鍍膜的光電二極管陣列,抑制了非可見(jiàn)光成分噪聲。
[0017]2.本發(fā)明中由于添加了暗電流光電二極管陣列和減法濾噪電路抑制了暗電流噪聲。
[0018]3.本發(fā)明中由于添加了失配校正單元減小了減法濾噪電路中因失配造成的誤差。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖；
[0020]圖2為是本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換電路框圖；
[0021]圖3為濾噪電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖及其實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0023]參照?qǐng)D2，本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換電路，包括光電二極管陣列1，暗電流二極管陣列2和濾噪電路3 ；
[0024]所述光電二極管陣列I，包含64個(gè)光電二極管,這些光電二極管上方均設(shè)有光學(xué)鍍膜，其光學(xué)響應(yīng)類似照度計(jì)。該64個(gè)光電二極管以并聯(lián)的方式連接，通過(guò)控制邏輯選擇接入電路的實(shí)際數(shù)目，其正極接地電位，負(fù)極接濾噪電路3的第一輸入端；在有光照時(shí)從負(fù)極輸出包含暗電流的光電流I1給濾噪電路3。
[0025]所述暗電流光電二極管陣列2，包含64個(gè)并聯(lián)的光電二極管，這些光電二極管上方均設(shè)有金屬屏蔽層，對(duì)光不響應(yīng)。該64個(gè)光電二極管以并聯(lián)的方式連接，通過(guò)控制邏輯選擇接入電路的實(shí)際數(shù)目，其正極接地電位，負(fù)極接濾噪電路3的第二輸入端；該暗電流光電二極管陣列2僅輸出暗電流I2。
[0026]參照?qǐng)D3，本發(fā)明的濾噪電路3，包括失配校正單元4、運(yùn)算放大器0P、四個(gè)NMOS管和六個(gè)PMOS管，即第一 NMOS管M1,第二 NMOS管M2，第三NMOS管M3,第四NMOS管M4 ;第一PMOS管M5,第二 PMOS管M6,第三PMOS管M7，第四PMOS管M8,第五PMOS管M13,第六PMOS管M14 ；
[0027]所述失配校正單元4，包含4個(gè)PMOS管，即第七PMOS管M9,第八PMOS管Mltl第九PMOS管M11,第十PMOS管M12 ;第七PMOS管M9和第九PMOS管M11的柵極與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N連接，該信號(hào)N為周期是可見(jiàn)光電流檢測(cè)周期IT1倍的方波，n為正整數(shù)，占空比為50% ;第七PMOS管M9的源極與第八PMOS管Mltl的源極連接，并作為失配校正單元4的第一輸入端，第七PMOS管M9的漏極接第十PMOS管M12的漏極，作為失配校正單元4的第一輸出端；第九PMOS管M11的源極接第十PMOS管M12源極，作為失配校正單元4的第二輸入端，第九PMOS管M11的漏極與第八PMOS管Mltl的漏極相連作為失配校正單元4的第二輸出端；第八PMOS管Mltl和第十PMOS管M12的柵極均與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N的反相信號(hào)XN連接。
[0028]所述運(yùn)算放大器0P，其同相端接基準(zhǔn)電壓VREF，反相端與自身輸出端相接，并連接到第三NMOS管M3與第二 PMOS管M6的漏極；
[0029]所述第五PMOS管M13和第六PMOS管M14,其源極接高電位VDD，其柵極相連并接于第三PMOS管M7的漏極，第五PMOS管M13的漏級(jí)接失配校正單元4的第一輸入端，第六PMOS管M14的漏級(jí)接失配校正單元4的第二輸入端；
[0030]所述第三PMOS管M7和第四PMOS管M8,其柵極相連并接于偏置電壓Vbias，第三PMOS管M7的漏極接第一 NMOS管M1的漏極，第三PMOS管M7的源極接失配校正單元4的第一輸出端，第四PMOS管M8的漏極接第一 PMOS管M5和第二 PMOS管M6的漏極，其源極接失配校正單元4的第二輸出端；
[0031 ] 所述第一 PMOS管M5和第二 PMOS管M6,其源極接第四PMOS管M8的漏極；第一 PMOS管M5的柵極與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M連接，其漏極接第一 NMOS管M2與第四NMOS管M4的漏極；第二 PMOS管M6的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M的反相信號(hào)XM連接；
[0032]所述第一 NMOS管M1，第二 NMOS管M2,第三NMOS管M3，第四NMOS管M4,均用作開(kāi)關(guān)管；第一 NMOS管M1和第二 NMOS管M2源極相連作為濾噪電路3的第一輸入端，并接到暗電流光電二極管陣列2的輸出端，第一 NMOS管M1的漏極接第三PMOS管M7的漏極，第二 NMOS管M2的漏極接第四NMOS管M4和第二 PMOS管M6的漏極；第三NMOS管M3和第四NMOS管M4源極相連作為濾噪電路3的第二輸入端，并接到光電二極管陣列I的輸出端，第一 NMOS管M1和第四NMOS管M4的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M的反相信號(hào)XM連接，第二NMOS管M2和第三NMOS管M3的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M連接，第三NMOS管M3的漏極接第二 PMOS管M6的漏極，第四NMOS管M4的漏極接第二 NMOS管M2與第一 PMOS管M5的漏極；
[0033]上述第一 PMOS管M5，第二 PMOS管M6,第三PMOS管M7，第四PMOS管M8,第五PMOS管M13,第六PMOS管M14,第一 PMOS管M5和第二 PMOS管M6的尺寸一致，第五PMOS管M13和第六PMOS管M14的尺寸一致，第三PMOS管M7和第四PMOS管M8的尺寸一致。Vbias為第三PMOS管M7和第四PMOS管M8提供合適的偏置電壓。
[0034]本發(fā)明的工作原理如下:
[0035]當(dāng)M=I時(shí)，第一 NMOS管M1，第四NMOS管M4和第一 PMOS管M5關(guān)斷，第二 NMOS管M2,第三NMOS管M3和第二 PMOS管M6打開(kāi)，光電流I1流入運(yùn)算放大器0P，暗電流I2經(jīng)第二NMOS管M2流入輸出節(jié)點(diǎn)A。
[0036]當(dāng)M=O時(shí)，第一 NMOS管M1和第四NMOS管M4打開(kāi)，暗電流I2經(jīng)過(guò)由第五PMOS管M13,第六PMOS管M14,第三PMOS管M7，第四PMOS管M8構(gòu)成的共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)第一 PMOS管M5后在輸出節(jié)點(diǎn)與包含暗電流的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換電流I1完成減法運(yùn)算，得到可見(jiàn)光電流13，13= I I1-12 I ;可見(jiàn)光電流13對(duì)可見(jiàn)光周期積分得到可見(jiàn)光電荷量Q，可見(jiàn)光電荷量Q作為整個(gè)光電轉(zhuǎn)換電路的輸出提供給外部的電荷平衡式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。第五PMOS管M13和第六PMOS管M14具有相同的尺寸，且應(yīng)嚴(yán)格匹配，以達(dá)到鏡像電流高精度的要求，然而，在工藝過(guò)程中，晶體管的工藝不匹配是不可避免的。
[0037]當(dāng)外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N為低電平時(shí)，第七PMOS管M9和第九PMOS管M11導(dǎo)通，暗電流經(jīng)第五PMOS管M13,第七PMOS管M9,鏡像至第六PMOS管M14,再經(jīng)第九PMOS管M11,流入輸出節(jié)點(diǎn)A ;
[0038]當(dāng)外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N為高電平時(shí)，受其反相信號(hào)XN控制的第八PMOS管M10和第十PMOS管M12導(dǎo)通，暗電流經(jīng)過(guò)第九PMOS管M11,第六PMOS管M14,鏡像至第六PMOS管M14,再經(jīng)第一 PMOS管M5流入輸出節(jié)點(diǎn)A。由于控制信號(hào)N為周期是可見(jiàn)光電流檢測(cè)周期IT1倍的方波，n為正整數(shù)，占空比為50%，因此在一個(gè)完整的可見(jiàn)光檢測(cè)周期內(nèi)，暗電流由第五PMOS管M13鏡像至第六PMOS管M14和暗電流由第六PMOS管M14鏡像至第五PMOS管M13的時(shí)長(zhǎng)各占1/2個(gè)可見(jiàn)光檢測(cè)周期；若由于工藝失配，第五PMOS管M13的寬長(zhǎng)比小于第六PMOS管M14,在外部控制信號(hào)N為低電平期間，輸出節(jié)點(diǎn)A會(huì)輸出正的電荷量誤差A(yù) Q1,在外部控制信號(hào)N為高電平期間，輸出節(jié)點(diǎn)A會(huì)輸出負(fù)的電荷量誤差-AQ2,因此在整個(gè)可見(jiàn)光檢測(cè)周期，電荷量誤差A(yù) Q= A Q1-A Q2，其絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于八01和AQ2的絕對(duì)值，達(dá)到了對(duì)第五PMOS管M13和第六PMOS管M14的不匹配造成的輸出誤差校正的目的，減小了光電轉(zhuǎn)換電路輸出的可見(jiàn)光電荷量誤差。
【權(quán)利要求】
1.一種用于可見(jiàn)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換電路，包括:光電二極管陣列(I)，暗電流二極管陣列(2)，其特征在于:還包括濾噪電路(3) 所述光電二極管陣列(1)，其正極接地電位，負(fù)極連接濾噪電路(3)的第一輸入端； 所述暗電流二極管陣列(2)，其正極接地電位，負(fù)極連接濾噪電路(3)的第二輸入端； 所述濾噪電路(3)，用于將光電二極管陣列(I)輸出的光電流I1與暗電流二極管陣列(2)輸出的暗電流I2相減，輸出不含暗電流的環(huán)境光電流13。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的光電轉(zhuǎn)換電路，其特征在于光電二極管陣列(I)，包含64個(gè)并聯(lián)的光電二極管，這些光電二極管上方均設(shè)有光學(xué)鍍膜，其光學(xué)響應(yīng)類似照度計(jì)，該64個(gè)并聯(lián)的光電二極管按照控制邏輯選擇接入濾噪電路(3)的第一輸入端，每個(gè)光電二極管輸出含有暗電流的光電流11(1，I1O=I1Ai1, I1為光電二極管陣列(I)輸出的光電流,Ii1為光電二極管陣列(I)接入濾噪電路(3 )的第一輸入端的光電二極管數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的光電轉(zhuǎn)換電路，其特征在于暗電流二極管陣列(2)，包含64個(gè)設(shè)有金屬屏蔽層的并聯(lián)光電二極管，這些光電二極管通過(guò)控制邏輯選擇接入濾噪電路(3)的第二輸入端，且每個(gè)光電二極管的輸出僅包含暗電流12(|，I20=I2Zn2,I2為暗電流二極管陣列(2)輸出的暗電流，n2為暗電流二極管陣列(2)接入濾噪電路(3)的第二輸入端的光電二極管數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的光電轉(zhuǎn)換電路，其特征在于濾噪電路(3)，包含失配校正單元(4)、運(yùn)算放大器0P、四個(gè)NMOS管和六個(gè)PMOS管，即第一 NMOS管M1,第二 NMOS管M2,第三NMOS管M3，第四NMOS管M4 ;第一 PMOS管M5，第二 PMOS管M6，第三PMOS管M7，第四PMOS管M8,第五PMOS管M13,第六PMOS管M14 ； 所述運(yùn)算放大器0P，其同相 端接基準(zhǔn)電壓VREF，反相端與自身輸出端相接，并接到第三NMOS管M3與第二 PMOS管M6的漏端； 所述第五PMOS管M13和第六PMOS管M14的源極接高電位VDD，其柵極相連并接于第三PMOS管M7的漏極，第五PMOS管M13的漏級(jí)接失配校正單元(4)的第一輸入端，第六PMOS管M14的漏級(jí)接失配校正單元(4)的第二輸入端； 所述第三PMOS管M7和第四PMOS管M8,其柵極相連并接于偏置電壓Vbias，第三PMOS管馬的漏極接第一 NMOS管M1的漏極，第三PMOS管M7的源極接失配校正單元(4)的第一輸出端，第四PMOS管M8的漏極接第一 PMOS管M5和第二 PMOS管M6的漏極，第四PMOS管M8的源極接失配校正單元(4)的第二輸出端； 所述第一 PMOS管M5和第二 PMOS管M6，其源極相連并接到失配校正單元(4)的第二輸出端；第一 PMOS管M5的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M連接，其漏極接第二 NMOS管M2與第四NMOS管M4的漏極；第二 PMOS管M6的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M的反相信號(hào)XM連接； 所述第一 NMOS管M1和第二 NMOS管M2,其源極相連并接到暗電流二極管陣列(2)的輸出端；第一 NMOS管M1的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M的反相信號(hào)XM連接，其漏極接第三PMOS管M7的漏極；第二 NMOS管M2的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M連接，其漏極接第四NMOS管M4和第二 PMOS管M6的漏極； 所述第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，其源極相連并接到光電二極管陣列(I)的輸出端；第三NMOS管M3的柵極與來(lái)自于外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M連接，其漏極接第二 PMOS管M6的漏極；第四NMOS管M4的柵極與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)M的反相信號(hào)XM連接，其漏極接第二 NMOS管M2與第一 PMOS管M5的漏極。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述光電轉(zhuǎn)換電路，其特征在于失配校正單元(4)，包括四個(gè)PMOS管，即第七PMOS管M9,第八PMOS管M10,第九PMOS管M11,第十PMOS管M12 ； 所述第七PMOS管M9和第九PMOS管M11,其柵極與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N連接，該信號(hào)N為周期是可見(jiàn)光電流檢測(cè)周期IT1倍的方波，n為正整數(shù)，占空比為50% ;第七PMOS管M9的源極接第八PMOS管Mltl的源極，并作為失配校正單元(4)的第一輸入端，第七PMOS管M9的漏極接第十PMOS管M12的漏極，作為失配校正單元(4)的第一輸出端；第九PMOS管Mn的源極接第十PMOS管M12源極，作為失配校正單元(4)的第二輸入端，第九PMOS管M11的漏極與第八PMOS管Mltl的漏極相連作為失配校正單元(4)的第二輸出端； 所述第八PMOS管Mltl和第十PMOS管M12，其柵極與外部數(shù)字邏輯的控制信號(hào)N的反相信號(hào)XN連接。
【文檔編號(hào)】G01J1/44GK103759824SQ201410032123
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】何惠森, 來(lái)新泉, 陳新, 邵麗麗 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)