用于可見光傳感器的光電轉換電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于可見光傳感器芯片的光電轉換電路，主要解決現有技術暗電流噪聲影響可見光感測準度的問題。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際接入電路的二極管數目；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，光電二極管陣列產生的包含暗電流的光電流與暗電流光電二極管陣列產生的暗電流通過濾噪電路進行相減，得到不含暗電流的可見光電流，輸出給外部電荷平衡式模數轉換電路。本發明提高了光電轉換的精度，抑制了暗電流噪聲對可見光感測結果的影響，提高了可見光感測的準度。
【專利說明】用于可見光傳感器的光電轉換電路
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子電路【技術領域】，涉及光電轉換電路，可用于可見光傳感器中。
【背景技術】
[0002]許多諸如智能手機、游戲機、電腦、電視等電子設備都使用了可見光傳感器將光照度量化輸出后經控制邏輯調整背光燈，改善用戶視覺體驗，達到延長電池壽命，提高電源效率的目的。光電轉換電路作為可見光傳感器的最重要的組成部分之一，其轉換精度極大程度上制約了整個可見光傳感器系統的精度。
[0003]圖1所示為傳統的用于可見光傳感器的光電轉換系統框圖。它包括控制邏輯電路，光電二極管，模數轉換電路。在可見光檢測期間，通過控制邏輯電路控制，使光電二極管接入電路中，光電二極管在光照下產生電流，該電流輸入到模數轉換電路中被轉換為二進制數字量后輸出，輸出的數字量指示可見光的照度大小。
[0004]然而，由于可見光傳感器的光源一般是自然光，燈光等，均具有較寬光譜，因而光電二極管會對可見光波段外的其他光譜產生響應，如對紅外光產生響應，使得圖1所示結構中光電二極管產生的電流中不僅包含了可見光轉換而來的電流，還包含了非可見光轉換而來的電流，這些電流均輸入模數轉換電路會導致可見光傳感器對可見光照度大小感測不準確。同時由于光電二極管本身會產生隨溫度變化而與光照度無關的暗電流，使光電二極管所產生的光電流并不完全正比于光照度，圖1所示結構中，光電二極管產生的暗電流未經處理直接輸入模數轉換電路也會導致可見光傳感器對可見光照度大小感測不準確。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種用于可見光傳感器的光電轉換電路，以避免非可見光噪聲和暗電流的影響，提高可見光傳感器對可見光照度感測的準確性。
[0006]為實現上述目的，本發明包括: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境光電流13。
[0010]上述的光電轉換電路，其中光電二極管陣列1，包含64個并聯的光電二極管，這些光電二極管上方均設有光學鍍膜，其光學響應類似照度計，該64個并聯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目。
[0011]上述的光電轉換電路，其中暗電流二極管陣列2，包含64個設有金屬屏蔽層的并聯光電二極管，這些光電二極管通過控制邏輯選擇接入濾噪電路3的第二輸入端，且每個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目。
[0012]上述的光電轉換電路，其中濾噪電路3，包含失配校正單元4、運算放大器0P、四個NMOS管和六個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]所述運算放大器0P，其同相端接基準電壓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]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0016]1.本發明由于使用了光學鍍膜的光電二極管陣列,抑制了非可見光成分噪聲。
[0017]2.本發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】
【附圖說明】
[0019]圖1為傳統光電轉換系統框圖；
[0020]圖2為是本發明光電轉換電路框圖；
[0021]圖3為濾噪電路原理圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖及其實施例對本發明作進一步描述。
[0023]參照圖2，本發明的光電轉換電路，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個光電二極管,這些光電二極管上方均設有光學鍍膜，其光學響應類似照度計。該64個光電二極管以并聯的方式連接，通過控制邏輯選擇接入電路的實際數目，其正極接地電位，負極接濾噪電路3的第一輸入端；在有光照時從負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個并聯的光電二極管，這些光電二極管上方均設有金屬屏蔽層，對光不響應。該64個光電二極管以并聯的方式連接，通過控制邏輯選擇接入電路的實際數目，其正極接地電位，負極接濾噪電路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]參照圖3，本發明的濾噪電路3，包括失配校正單元4、運算放大器0P、四個NMOS管和六個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的柵極與外部數字邏輯的控制信號N連接，該信號N為周期是可見光電流檢測周期IT1倍的方波，n為正整數，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的柵極均與外部數字邏輯的控制信號N的反相信號XN連接。
[0028]所述運算放大器0P，其同相端接基準電壓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的漏級接失配校正單元4的第一輸入端，第六PMOS管M14的漏級接失配校正單元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的柵極與外部數字邏輯的控制信號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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號M的反相信號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,均用作開關管；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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號M的反相信號XM連接，第二NMOS管M2和第三NMOS管M3的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號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]本發明的工作原理如下:
[0035]當M=I時，第一 NMOS管M1，第四NMOS管M4和第一 PMOS管M5關斷，第二 NMOS管M2,第三NMOS管M3和第二 PMOS管M6打開，光電流I1流入運算放大器0P，暗電流I2經第二NMOS管M2流入輸出節點A。
[0036]當M=O時，第一 NMOS管M1和第四NMOS管M4打開，暗電流I2經過由第五PMOS管M13,第六PMOS管M14,第三PMOS管M7，第四PMOS管M8構成的共源共柵電流鏡結構，通過第一 PMOS管M5后在輸出節點與包含暗電流的可見光轉換電流I1完成減法運算，得到可見光電流13，13= I I1-12 I ;可見光電流13對可見光周期積分得到可見光電荷量Q，可見光電荷量Q作為整個光電轉換電路的輸出提供給外部的電荷平衡式模數轉換器。第五PMOS管M13和第六PMOS管M14具有相同的尺寸，且應嚴格匹配，以達到鏡像電流高精度的要求，然而，在工藝過程中，晶體管的工藝不匹配是不可避免的。
[0037]當外部數字邏輯的控制信號N為低電平時，第七PMOS管M9和第九PMOS管M11導通，暗電流經第五PMOS管M13,第七PMOS管M9,鏡像至第六PMOS管M14,再經第九PMOS管M11,流入輸出節點A ;
[0038]當外部數字邏輯的控制信號N為高電平時，受其反相信號XN控制的第八PMOS管M10和第十PMOS管M12導通，暗電流經過第九PMOS管M11,第六PMOS管M14,鏡像至第六PMOS管M14,再經第一 PMOS管M5流入輸出節點A。由于控制信號N為周期是可見光電流檢測周期IT1倍的方波，n為正整數，占空比為50%，因此在一個完整的可見光檢測周期內，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的時長各占1/2個可見光檢測周期；若由于工藝失配，第五PMOS管M13的寬長比小于第六PMOS管M14,在外部控制信號N為低電平期間，輸出節點A會輸出正的電荷量誤差A Q1,在外部控制信號N為高電平期間，輸出節點A會輸出負的電荷量誤差-AQ2,因此在整個可見光檢測周期，電荷量誤差A Q= A Q1-A Q2，其絕對值遠遠小于八01和AQ2的絕對值，達到了對第五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，減小了光電轉換電路輸出的可見光電荷量誤差。
【權利要求】
1.一種用于可見光傳感器的光電轉換電路，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境光電流13。
2.根據權利要求書I所述的光電轉換電路，其特征在于光電二極管陣列(I)，包含64個并聯的光電二極管，這些光電二極管上方均設有光學鍍膜，其光學響應類似照度計，該64個并聯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目。
3.根據權利要求書I所述的光電轉換電路，其特征在于暗電流二極管陣列(2)，包含64個設有金屬屏蔽層的并聯光電二極管，這些光電二極管通過控制邏輯選擇接入濾噪電路(3)的第二輸入端，且每個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目。
4.根據權利要求書I所述的光電轉換電路，其特征在于濾噪電路(3)，包含失配校正單元(4)、運算放大器0P、四個NMOS管和六個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 ； 所述運算放大器0P，其同相 端接基準電壓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的漏級接失配校正單元(4)的第一輸入端，第六PMOS管M14的漏級接失配校正單元(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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號M的反相信號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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號M的反相信號XM連接，其漏極接第三PMOS管M7的漏極；第二 NMOS管M2的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號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的柵極與來自于外部數字邏輯的控制信號M連接，其漏極接第二 PMOS管M6的漏極；第四NMOS管M4的柵極與外部數字邏輯的控制信號M的反相信號XM連接，其漏極接第二 NMOS管M2與第一 PMOS管M5的漏極。
5.根據權利要求書4所述光電轉換電路，其特征在于失配校正單元(4)，包括四個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,其柵極與外部數字邏輯的控制信號N連接，該信號N為周期是可見光電流檢測周期IT1倍的方波，n為正整數，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，其柵極與外部數字邏輯的控制信號N的反相信號XN連接。
【文檔編號】G01J1/44GK103759824SQ201410032123
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】何惠森, 來新泉, 陳新, 邵麗麗 申請人:西安電子科技大學