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TWI807939B - 具有電壓反向機制的光感測器 - Google Patents

具有電壓反向機制的光感測器 Download PDF

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TWI807939B
TWI807939B TW111128077A TW111128077A TWI807939B TW I807939 B TWI807939 B TW I807939B TW 111128077 A TW111128077 A TW 111128077A TW 111128077 A TW111128077 A TW 111128077A TW I807939 B TWI807939 B TW I807939B
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light
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洪家華
陳志源
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茂達電子股份有限公司
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Abstract

本發明公開一種具有電壓反向機制的光感測器。在第一相位時間內，光電元件將第一光訊號轉換成第一光電流，用以將電容充電至第一電壓，計數器據以計數出第一粗估計數值。在第二相位時間內，光電元件將第二光訊號轉換成第二光電流，用以將電容從反向的第一電壓充電至第二電壓，計數器據以計數出第二粗估計數值。在計數第二粗估計數值之後，計數器依據第二粗估計數值計數出精細計數值。上述的第一光電訊號與第二光電訊號中的其中一者為環境光源與發光元件兩者發射後受待測物反射的光訊號，而另一者為純環境光源發射的光訊號。

Description

具有電壓反向機制的光感測器
本發明涉及一種光感測器，特別是涉及一種具有電壓反向機制的光感測器。
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電壓反向機制的光感測器，包含光電元件、電壓反向電路、比較器以及計數器。光電元件配置以將接收到的第一光訊號的光能轉換成第一光電流提供至電容，以將電容的電壓充電至第一電壓。電壓反向電路連接電容。電壓反向電路配置以將第一電壓反向以形成一反向電壓。比較器的第一輸入端連接電容。比較器的第二輸入端耦接參考電壓。比較器配置以比較第一電壓與參考電壓以輸出第一比較訊號。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進行計數以輸出第一粗估計數值。在計數第一粗估計數值之後，光電元件將接收到的第二光訊號的光能轉換成第二光電流提供至電容，以將電容的電壓從反向電壓充電至第二電壓。比較器比較第二電壓與參考電壓以輸出第二比較訊號。計數器依據第二比較訊號進行計數以輸出第二粗估計數值。在第二粗估計數值計數後，計數器對第二粗估計數值執行精細計數作業，以計算出精細計數值。第一光訊號與第二光訊號中的其中一者為環境光源與發光元件兩者同時發射後受待測物反射的光訊號。第一光訊號與第二光訊號中的另一者為僅環境光源發射的光訊號。
在實施例中，電壓反向電路將正值的第一電壓反向以形成負值的反向電壓。反向電壓的絕對值等於第一電壓。
在實施例中，第二光電流將電容的電壓從負值的反向電壓充電至正值的第二電壓。
在實施例中，當環境光源發射的光訊號的能量高於能量門檻值時，在第一相位時間內，發光元件與環境光源同時發射光訊號，計數器計數第一粗估計數值。在第一相位時間結束之後，進入第二相位時間。在第二相位時間內，僅環境光源發射光訊號，計數器計數第二粗估計數值。
在實施例中，當環境光源發射的光訊號的能量低於能量門檻值時，在第一相位時間內僅環境光源發射光訊號，計數器計數第一粗估計數值。在第一相位時間結束之後，進入第二相位時間。在第二相位時間內，發光元件與環境光源同時發射光訊號，計數器計數第二粗估計數值。
在實施例中，所述具有電壓反向機制的光感測器更包含電流供應元件。電流供應元件連接電容。電流供應元件配置以在第二光電流提供至電容的同時，提供偏壓電流至電容，以充電電容。
在實施例中，電流供應元件配置以在第一光電流提供至電容的同時，提供偏壓電流至電容，以充電電容。
在實施例中，電流供應元件包含電流源。
在實施例中，當環境光源發射的光訊號的能量低於能量門檻值時，電流供應元件提供偏壓電流至電容。
在實施例中，所述的具有電壓反向機制的光感測器更包含電流放大器。電流放大器連接光電元件以及電容。電流放大器配置以將第二光電流放大後提供至電容，以充電電容。
在實施例中，電流放大器將第一光電流放後大提供至電容，以充電電容。
在實施例中，電壓反向電路包含第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件以及第四開關元件。第一開關元件的第一端連接光電元件以及比較器的第一輸入端。第一開關元件的第二端連接電容的第一端。第二開關元件的第一端連接電容的第二端。第二開關元件的第二端接地。第三開關元件的第一端連接光電元件以及比較器的第一輸入端。第三開關元件的第二端連接電容的第二端。第四開關元件的第一端連接電容的第一端。第四開關元件的第二端接地。當第一開關元件以及第二開關元件導通時，電容的電壓充電至第一電壓。當第三開關元件以及第四開關元件導通時，電容的電壓從第一電壓的反向電壓充電至第二電壓。
如上所述，本發明提供一種具有電壓反向機制的光感測器，其具有以下特點： 1.     設置電壓反向電路，將電容充電後的電壓反向為負值，從反向後的電壓開始充電，藉此將電容的殘餘電壓扣除，以達成僅需執行一次精細計數作業的效果。 2.     減少一組與外部光學應用時的時間寬度，對於光學應用可更加有彈性。 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，使光感測器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光感測器等。 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。
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和圖2，其中圖1為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電路圖，圖2為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電壓反向電路、光電元件以及電流放大器的電路圖。
本實施例的光感測器可包含如圖1所示的光電元件RX、電流放大器CRA、第十開關元件SW10、第十一開關元件SW11、電容Cin、第五開關元件SW5、比較器COM、第六開關元件SW6、計數器CT、粗估計數值儲存元件RS1、第七開關元件SW7、訊號轉換器ADR、參考電壓調控電路VFC、第八開關元件SW8、第九開關元件SW9以及精細計數值儲存元件RS2。
為方便說明，在下文中完整說明本實施例的光感測器可包含如圖1所示的所有電路元件，但本發明不以此為限。實務上，本發明的光感測器可僅包含圖1所示的部分電路元件，可適當省略其他電路元件。
值得注意的是，本發明光感測器包含如圖1和圖2所示的電壓反向電路VRC。舉例而言，如圖1和圖2所示，電壓反向電路VRC可包含第一開關元件SW1、第二開關元件SW2、第三開關元件SW3以及第四開關元件SW4，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
電壓反向電路VRC的第一開關元件SW1的第一端可(通過電流放大器CRA)連接光電元件RX的陰極，並可連接比較器COM的第一輸入端。光電元件RX的陽極可接地。第一開關元件的第二端可連接電容Cin的第一端。電壓反向電路VRC的第二開關元件SW2的第一端可連接電容Cin的第二端。第二開關元件SW2的第二端可接地。
電壓反向電路VRC的第三開關元件SW3的第一端可(通過電流放大器CRA)連接光電元件RX的陰極，並可連接比較器COM的第一輸入端。第三開關元件SW3的第二端可連接電容Cin的第二端。電壓反向電路VRC的第四開關元件SW4的第一端可連接電容Cin的第一端。第四開關元件SW4的第二端可接地。
比較器COM的第二輸入端可連接第五開關元件SW5的第一端。第五開關元件SW5的第二端可耦接參考電壓Vref。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的輸入端。
比較器COM的輸出端還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的輸出端可連接參考電壓調控電路VFC的輸入端以及精細計數值儲存元件RS2的輸入端。
參考電壓調控電路VFC的輸出端連接第八開關元件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。
應理解，第一至第十二開關元件SW1~SW12中的控制端，除了第九開關元件SW9外，可連接至外部控制電路，由外部控制電路開啟或關閉。
第九開關元件SW9的控制端可連接第六開關元件SW6的第二端。第九開關元件SW9的第一端可連接比較器COM的第一輸入端。第九開關元件SW9的第二端可接地。
第十開關元件SW10的第一端可連接電流放大器CRA的輸入端。第十開關元件SW10的第二端可接地。第十一開關元件SW11的第一端可連接電流放大器CRA的輸出端。第十一開關元件SW11的第二端可接地。
第十二開關元件SW12的第一端可連接光驅動器GDR的輸出端。第十二開關元件SW12的第二端可連接發光元件TX例如發光二極體的陽極。發光元件TX例如發光二極體的陰極可接地。
請參閱圖1至圖4，其中圖3為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第一相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖，圖4為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第二相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。
首先，如圖3所示，第一開關元件SW1以及第二開關元件SW2開啟，同時第三開關元件SW3以及第四開關元件SW4關閉。此時，光電元件RX的陰極通過(電流放大器CRA以及)開啟的第一開關元件SW1連接至電容Cin的第一端，而電容Cin的第二端通過開啟的第二開關元件SW2接地。
如圖3所示，光電元件RX將接收到的光能轉換成第一光電流Ipd1。此第一光電流Ipd1(經電流放大器CRA以一增益A放大後)依序流經開啟的第一開關元件SW1、電容Cin以及開啟的第二開關元件SW2到地，以將電容Cin的電壓從零值充電至第一電壓。
在電容Cin的電壓從零值充電至第一電壓之後，如圖4所示，第一開關元件SW1以及第二開關元件SW2關閉，同時第三開關元件SW3以及第四開關元件SW4開啟。此時，光電元件RX的陰極通過(電流放大器CRA以及)開啟的第三開關元件SW3連接至電容Cin的第二端，而電容Cin的第一端通過開啟的第四開關元件SW4接地。
如圖4所示，光電元件RX將接收到的光能轉換成第二光電流Ipd2。此第二光電流Ipd2(經電流放大器CRA以一增益A放大後)依序流經開啟的第三開關元件SW3、電容Cin以及開啟的第四開關元件SW4到地，以將電容Cin的電壓充電至第二電壓。
值得注意的是，第一光電流Ipd1是從電容Cin的第一端流至電容Cin的第二端，而第二光電流Ipd2則是從電容Cin的第二端流至電容Cin的第一端。因此，在第一光電流Ipd1將電容Cin的電壓從零值充電至第一電壓之後，第二光電流Ipd2是將電容Cin的電壓從反向的第一電壓充電至第二電壓。反向的第一電壓即為本文所述的反向電壓，此反向電壓的絕對值等於第一電壓。
請參閱圖1至圖6，其中圖5為本發明第一實施例的具有電壓反向機制的光感測器的開關元件的訊號的波形圖，圖6為本發明第一實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖。
本發明的光感測器可執行多個感測迴圈，例如但不限於如圖5和圖6所示的感測迴圈訊號CYS1所指出的第一感測迴圈以及第二感測迴圈。值得注意的是，本發明的光感測器，在每一感測迴圈內，執行兩次粗估計數作業，但僅需執行一次精細計數作業，詳細說明如下。
首先，如圖5所示，在相位時間計數訊號PTSC的第一相位時間內，第十二開關導通訊號SWS12為高準位，代表如圖1所示的第十二開關元件SW12開啟。此時，如圖1所示的光驅動器GDR輸出一光驅動訊號，通過開啟的第十二開關元件SW12至發光元件TX，以驅動發光元件TX發射光訊號。同時，環境光源發射光訊號。
如圖6所示，在相位時間訊號PTS1的第一相位時間內，發光元件訊號LDS1為高準位，代表發光元件TX開啟。
接著，光電元件RX接收到發光元件TX與環境光源兩者發射後受待測物(例如人體)反射至光電元件RX的光訊號，作為第一光訊號。光電元件RX可將此第一光訊號，轉換成如圖3所示的第一光電流Ipd1。
如圖5所示，在相位時間計數訊號PTSC的第一相位時間內，第一開關導通訊號SWS1以及第二開關導通訊號SWS2為高準位，代表如圖1所示的第一開關元件SW1以及第二開關元件SW2開啟。
如圖3所示，光電元件RX輸出的第一光電流Ipd1(經電流放大器CRA以一增益A放大後)依序流經開啟的第一開關元件SW1、電容Cin的第一端、電容Cin的第二端以及開啟的第二開關元件SW2到地。其結果為，如圖6所示的電容電壓訊號VINS1指出，第一光電流Ipd1將電容Cin的電壓充電至正值的第一電壓Vp11。電容Cin的第一電壓Vp11輸入比較器COM的第一輸入端。
如圖5所示，在相位時間計數訊號PTSC的第一相位時間內，第五開關導通訊號SWS5以及第六開關導通訊號SWS6為高準位，代表如圖1所示的第五開關元件SW5以及第六開關元件SW6開啟。
參考電壓Vref通過開啟的第五開關元件SW5輸入比較器COM的第二輸入端。比較器COM比較電容Cin的第一電壓Vp11與參考電壓Vref，以輸出第一比較訊號，通過開啟的第六開關元件SW6至計數器CT。
計數器CT可依據第一比較訊號的準位(例如但不限於高準位)進行計數，以計數出第一粗估計數值。如此，在如圖5所示的相位時間計數訊號PTSC的第一相位時間或如圖6所示的相位時間訊號PTS1內，完成計數作業訊號CTS1的第一粗估計數作業。計數器CT每次計數的第一粗估計數值可輸出至粗估計數值儲存元件RS1例如暫存器內儲存。
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，第九開關元件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九開關元件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，直到第十二開關元件SW12關閉或是發光元件TX停止發光為止。如此，完成如圖5和圖6所示的第一相位時間內的環境光源與發光元件TX兩者發射後受待測物(例如人體)反射的第一光訊號的第一粗估計數作業。
在完成在第一相位時間內的第一粗估計數作業之後，開始執行在第二相位時間內的第二粗估計數作業。
如圖5和圖6所示，在相位時間計數訊號PTSC的第二相位時間內，第十二開關導通訊號SWS12為低準位，代表如圖1所示的第十二開關元件SW12關閉。其結果為，光驅動器GDR停止驅動發光元件TX。如圖6所示的發光元件訊號LDS1為低準位，代表發光元件TX關閉。此時，光電元件RX僅接收到環境光源發射的光訊號，作為第二光訊號。光電元件RX可將接收到的第二光訊號轉換成如圖4所示的第二光電流Ipd2。
值得注意的是，如圖5所示，在相位時間計數訊號PTSC的第二相位時間內進行粗估計數作業的時間內，第三開關導通訊號SWS3以及第四開關導通訊號SWS4為高準位，代表如圖1所示的第三開關元件SW3以及第四開關元件SW4開啟。
光電元件RX輸出的第二光電流Ipd2(經電流放大器CRA以一增益A放大後)依序流經開啟的第三開關元件SW3、電容Cin的第二端、電容Cin的第一端以及開啟的第四開關元件SW4到地。其結果為，如圖6所示的電容電壓訊號VINS1指出，第二光電流Ipd2將電容Cin的電壓從負值的第一電壓-Vp11充電至第二電壓Vp21。電容Cin的第二電壓Vp21輸入比較器COM的第一輸入端。
如圖5和圖6所示，在相位時間計數訊號PTSC的第二相位時間內執行粗估計數作業的時間內，第五開關導通訊號SWS5以及第六開關導通訊號SWS6為高準位，代表如圖1所示的第五開關元件SW5以及第六開關元件SW6開啟。
參考電壓Vref通過開啟的第五開關元件SW5輸入比較器COM的第二輸入端。比較器COM比較電容Cin的第二電壓Vp21與參考電壓Vref，以輸出第二比較訊號，通過開啟的第六開關元件SW6至計數器CT。
計數器CT依據第二比較訊號的準位(例如但不限於高準位)，進行計數，以計數出第二粗估計數值。如此，在如圖5所示的相位時間計數訊號PTSC的第一相位時間或如圖6所示的相位時間訊號PTS1內，完成計數作業訊號CTS1的第二粗估計數作業。計數器CT每次計數的第二粗估計數值可輸出至粗估計數值儲存元件RS1例如暫存器內儲存。
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，第九開關元件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九開關元件SW10接地，以將比較器COM的第一輸入端的電壓重置為零值。
值得注意的是，在第一相位時間內的電容Cin的第一電壓Vp11經反向後形成負值的第一電壓-Vp11，在第二相位時間內電容Cin的電壓從此負值的第一電壓-Vp11開始充電。其結果為，在第一相位時間內的電容Cin的殘餘電壓在第二相位時間開始時已扣除，因此只需要第二相位時間內的粗估計數作業時間結束後，進行一次精細計算即可，如下詳細說明。
如圖5和圖6所示，在相位時間計數訊號PTSC的第二相位時間內執行完粗估計數作業後，始執行精細計數作業。在第二相位時間的精細計數作業的時間內，第七開關導通訊號SWS7以及第八開關導通訊號SWS8為高準位，代表如圖1所示的第七開關元件SW7以及第八開關元件SW8開啟。
比較器COM輸出的第二比較訊號可通過開啟的第七開關導通訊號SWS7傳輸至訊號轉換器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, SAR) 。訊號轉換器ADR可轉換比較器COM的第二比較訊號，例如從類比格式轉換為數位格式，以輸出一轉換訊號至精細計數值儲存元件RS2儲存，並可輸出至參考電壓調控電路VFC。
在相位時間計數訊號PTSC的第二相位時間內進行精細計數作業的時間內，參考電壓調控電路VFC可依據從訊號轉換器ADR接收到的一轉換訊號(例如為數位訊號)，以一次或多次調整輸入至比較器COM的第二輸入端的一調變參考電壓的電壓值。比較器COM可將比較器COM的第一輸入端的電壓與每次接收到的一調變參考電壓進行比較，以輸出第三比較訊號。計數器CT或其他電路元件可依據(多個不同的)第三比較訊號，以計數出一精細計數值，可儲存在精細計數值儲存元件RS2例如暫存器內。
最後，計數器CT或其他電路元件可將在第一相位時間內計數出的第一粗估計數值、第二相位時間內計數出的第二粗估計數值以及一精細計數值進行運算，以計算出一光感測計數值。例如，計數器CT或其他電路元件可將精細計數值與第二計數值相減(或將精細計數值與第一粗估計數值相減)，以計算出純發光元件TX發射後經待測物(例如人體)反射後的光訊號的一光感測計數值。
計數器CT或其他電路元件可進一步依據光感測計數值，以計算出待測物(例如人體)與設有本發明光感測器的電子裝置之間的距離。
請參閱圖1至圖4和圖7，其中圖1為本發明第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電路圖；圖7為本發明第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖。第二實施例與第一實施例相同內容，不在本文中贅述。
如圖6所示，在第一實施例中，在第一相位時間內，發光元件與環境光源兩者同時發射的光訊號轉換成第一光電流Ipd1，將電容Cin的電壓充電至第一電壓Vp11。接著，在第二相位時間內，純環境光源發射的光訊號轉換成第二光電流Ipd2，將電容Cin的電壓從負值的第一電壓-Vp11開始充電至第二電壓Vp21。
在第一實施例中，若環境光源發射的光訊號的能量太弱時，環境光源發射的光訊號轉換出的第二光電流Ipd2太小。其結果為，在第二相位時間結束後，電容Cin的電壓，從負值的第一電壓-Vp11，經第二光電流Ipd2充電後，仍為負電壓，難據以計數出第二粗估計數值。
因此，在第二實施例中，在第一相位時間內，僅由純環境光源發射光訊號。接著，在第二相位時間內，才由發光元件與環境光源兩者同時發射光訊號，具體說明如下。
如圖7所示，在相位時間訊號PTS1的第一相位時間內，發光元件訊號LDS2為低準位，代表發光元件TX關閉或不發射光訊號。在相位時間訊號PTS1的第二相位時間內，發光元件訊號LDS2則為高準位，代表發光元件TX開啟並發射光訊號。
在相位時間訊號PTS1的第一相位時間內，僅環境光源發射的光訊號經光電元件RX轉換成第一光電流Ipd1，(經電流放大器CRA以一增益A放大後)如圖3所示依序流過開啟的第一開關元件SW1、電容Cin以及第二開關元件SW2到地。如圖7所示的電容電壓訊號VINS2所指出，此第一光電流Ipd1將電容從零值充電至第一電壓Vp12。
比較器COM可將第一電壓Vp12與參考電壓Vref進行比較，以輸出第一比較訊號。計數器CT依據第一比較訊號進行計數，以計數出第一粗估計數值。
在相位時間訊號PTS1的第一相位時間結束後，進入相位時間訊號PTS1的第二相位時間。在相位時間訊號PTS1的第二相位時間內，關閉第一開關元件SW1以及第二開關元件SW2兩者，開啟第三開關元件SW3以及第四開關元件SW4。
值得注意的是，在本實施例的相位時間訊號PTS1的第二相位時間內，發光元件與環境光源兩者同時發射光訊號，受待測物(例如人體)反射至光電元件RX後，經光電元件RX轉換出第二光電流Ipd2。因此，本實施例的第二光電流Ipd2的電流值大於第一實施例的第二光電流Ipd2的電流值。
在本實施例中，(經電流放大器CRA以一增益A放大後)的第二光電流Ipd2如圖4所示依序流過開啟的第三開關元件SW3、電容Cin以及第四開關元件SW4到地。其結果為，如圖7所示的電容電壓訊號VINS2所指出，此第二光電流Ipd2將電容Cin從負值的第一電壓-Vp12充電至正值的第二電壓Vp22。
比較器COM可將第二電壓Vp22與參考電壓Vref進行比較，以輸出第二比較訊號。計數器CT依據第二比較訊號進行計數，以計數出第二粗估計數值。在計數出第二粗估計數值後，可如上述進一步計數經細計數值。
請參閱圖1、圖6、圖7和圖11，其中圖6為本發明第一實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖，圖7為本發明第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖，圖11為傳統光感測器的訊號的波形圖。
如圖11所示的感測迴圈訊號CYS0，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，開啟光電元件接收環境光源以及發光元件發射後受(人體)反射的光訊號。此時，如圖11所示的發光元件訊號LDS0為高準位，代表發光元件發射光訊號。此光訊號轉換出的光電流對電容充電，如電容電壓訊號VINS0的電壓逐漸上升。在相位時間訊號PTS0的第一相位時間內，傳統光感測器對接收到的光訊號執行如圖11所示的計數作業訊號CTS0的第一粗估計數作業，以計算出第一粗估計數值。
接著，傳統光感測器的開窗訊號WDS0從高準位轉為低準位，此時關閉傳統光感測器的光電元件，停止接收光訊號。在相位時間訊號PTS0的第一相位時間內，傳統光感測器對第一粗估計數值執行如圖11所示的計數作業訊號CTS0的第一精細計數作業，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，開啟光電元件接收環境光源發射的光訊號。在相位時間訊號PTS0的第二相位時間內，傳統光感測器對接收到的光訊號執行如圖11所示的計數作業訊號CTS0的第二粗估計數作業，以計算出第二粗估計數值。
接著，傳統光感測器的開窗訊號WDS0再從高準位轉為低準位，此時關閉傳統光感測器的光電元件，停止接收光訊號。在相位時間訊號PTS0的第二相位時間內，傳統光感測器對第二粗估計數值執行如圖11所示的計數作業訊號CTS0的第二精細計數作業，以計數出第二精細計數值。
相比之下，如圖6和圖7所示的感測迴圈訊號CYS1，本發明的光感測器每執行一次感測迴圈，僅需在開窗訊號WDS1的開窗時間Top1內，持續由光電元件RX接收光訊號。接著，對環境光源發射的光訊號以及發光元件TX發射後受(人體)反射的光訊號進行感測和第一粗估計數作業，並對僅環境光源發射的光訊號進行感測和第二粗估計數作業。
在本發明的光感測器的每一個感測迴圈內，執行完第一和第二粗估計數作業，開窗訊號WDS保持低準位，進入一未開窗時間Trs1，無需再由光電元件RX接收光訊號。在計數出第一粗估計數值以及第二粗估計數值之後，本發明的光感測器僅需執行一次精細計數作業，以計數出一精細計數值即可。
簡言之，本發明的光感測器將第一和第二粗估計數作業時間整合成在同一段開窗時間Top1內。本發明的光感測器每執行一個感測迴圈，光電元件RX僅需開啟一段開窗時間Top1。
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。
再者，傳統光感測器需執行兩次精細計數作業，本發明光感測器則只需執行一次精細計數作業。本發明光感測器節省了一次精細計數作業時間，縮短了運算時間。
請參閱圖8至圖10，其中圖8為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電路圖，圖9為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第一相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖，圖10為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第二相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。第三實施例與第一實施例相同內容，不在本文中贅述。
如圖6所示，在第一實施例中，在第一相位時間內，發光元件TX與環境光源兩者同時發射的光訊號轉換成第一光電流Ipd1，將電容Cin的電壓充電至第一電壓Vp11。接著，在第二相位時間內，純環境光源發射的光訊號轉換成第二光電流Ipd2，將電容Cin的電壓從負值的第一電壓-Vp11開始充電至第二電壓Vp21。
在第一實施例中，若環境光源發射的光訊號的能量太弱時，環境光源發射的光訊號轉換出的第二光電流Ipd2太小。其結果為，在第二相位時間結束後，電容Cin的電壓，從負值的第一電壓-Vp11，經第二光電流Ipd2充電後，仍為負電壓，難據以計數出第二粗估計數值。
因此，第三實施例與第一實施例的差異在於，第三實施例的光感測器更包含如圖8所示的電流供應元件CSY，例如但不限於電流源CS。實務上，電流供應元件CSY可包含其他可供應電流的元件。
如圖8和圖9所示，在第一相位時間內，環境光源與發光元件TX兩者同時發射的第一光訊號，受待測物(例如人體)反射至光電元件RX。光電元件RX將接收到的第一光訊號轉換成第一光電流Ipd1(經電流放大器CRA以一增益A放大後)，與電流供應元件CSY提供的偏壓電流Ibias，一起依序流過開啟的第一開關元件SW1、電容Cin以及第二開關元件SW2到地。
在第一相位時間內，比較器COM將經第一光電流Ipd1與偏壓電流Ibias兩者同時充電後的電容Cin的電壓與參考電壓Vref進行比較，以輸出第一比較訊號。計數器CT依據比較器COM的第一比較訊號的準位(例如但不限於高準位)，進行計數，以計數出第一粗估計數值。
如圖8和圖10所示，在第二相位時間內，僅環境光源發射光訊號，而發光元件TX不發射光訊號。光電元件RX將純環境光源的光訊號轉換成第二光電流Ipd(經電流放大器CRA以一增益A放大後)，與電流供應元件CSY提供的偏壓電流Ibias，一起依序流經開啟的第三開關元件SW3、電容Cin以及開啟的第四開關元件SW4。
值得注意的是，在第二相位時間內，第二光電流Ipd1與偏壓電流Ibias同時充電電容Cin，以將電容Cin的電壓從反向的電壓充電至大於電流門檻值例如零值，以方便執行下述計數作業。
比較器COM將在第二相位時間內充電後的電容Cin的電壓與參考電壓Vref進行比較，以輸出第二比較訊號。計數器CT依據比較器COM的第二比較訊號的準位(例如但不限於高準位)，進行計數，以計數出第二粗估計數值。
計數器CT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。最後，計數器CT依據第二精細計數值、第二粗估計數值以及第一粗估計數值，以計算出一光感測計數值。
舉例而言，計數器CT將第二精細計數值與第一粗估計數值相減及/或將第二粗估計數值與第一粗估計數值相減(並取兩相減後取得的值的平均值)，以計算出一光感測計數值。如此，雖然在第一相位時間以及第二相位時間內同時都有偏壓電流Ibias的影響，但最後會執行上述相減作業，偏壓電流Ibias的影響便自然會相消，不會影響最後數值運算結果。
綜上所述，本發明提供一種具有電壓反向機制的光感測器，其具有以下特點： 1.     設置電壓反向電路，將電容充電後的電壓反向為負值，從反向後的電壓開始充電，藉此將電容的殘餘電壓扣除，以達成僅需執行一次精細計數作業的效果。 2.     減少一組與外部光學應用時的時間寬度，對於光學應用可更加有彈性。 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，使光感測器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光感測器等。 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 SW12:第十二開關元件 TX:發光元件 RX:光電元件 SW10:第十開關元件 CRA:電流放大器 SW11:第十一開關元件 VRC:電壓反向電路 SW1:第一開關元件 SW2:第二開關元件 SW3:第三開關元件 SW4:第四開關元件 Cin:電容 SW9:第九開關元件 SW5:第五開關元件 COM:比較器 Vref:參考電壓 SW6:第六開關元件 CT:計數器 RS1:粗估計數值儲存元件 SW7:第七開關元件 ADR:訊號轉換器 RS2:精細計數值儲存元件 VFC:參考電壓調控電路 SW8:第八開關元件 Ipd1:第一光電流 A:增益 Ipd2:第二光電流 CYS1、CYS0:感測迴圈訊號 PTSC:相位時間計數訊號 SWS12:第十二開關導通訊號 SWS5:第五開關導通訊號 SWS6:第六開關導通訊號 SWS7:第七開關導通訊號 SWS8:第八開關導通訊號 SWS1:第一開關導通訊號 SWS2:第二開關導通訊號 SWS3:第三開關導通訊號 SWS4:第四開關導通訊號 PTS1、PTS0:相位時間訊號 LDS1、LDS2、LDS0:發光元件訊號 CTS1、CTS0:計數作業訊號 VINS1、VINS2、VINS0:電容電壓訊號 Vp11、Vp12:第一電壓 Vp21、Vp22:第二電壓 WDS1、WDS0:開窗訊號 Top1:開窗時間 Trs1:未開窗時間 CSY:電流供應元件 CS:電流源 Ibias:偏壓電流 Top01:第一開窗時間 Top02:第二開窗時間 Trs01:第一未開窗時間 Trs02:第二未開窗時間
圖1為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電路圖。
圖2為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電壓反向電路、光電元件以及電流放大器的電路圖。
圖3為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第一相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。
圖4為本發明第一和第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第二相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。
圖5為本發明第一實施例的具有電壓反向機制的光感測器的開關元件的訊號的波形圖。
圖6為本發明第一實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖。
圖7為本發明第二實施例的具有電壓反向機制的光感測器執行的感測和計數作業的訊號的波形圖。
圖8為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器的電路圖。
圖9為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第一相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。
圖10為本發明第三實施例的具有電壓反向機制的光感測器在第二相位時間內提供至電容的光電流的流向的示意圖。
圖11為傳統光感測器的訊號的波形圖。
GDR:光驅動器
SW12:第十二開關元件
TX:發光元件
RX:光電元件
SW10:第十開關元件
CRA:電流放大器
SW11:第十一開關元件
VRC:電壓反向電路
SW1:第一開關元件
SW2:第二開關元件
SW3:第三開關元件
SW4:第四開關元件
Cin:電容
SW9:第九開關元件
SW5:第五開關元件
COM:比較器
Vref:參考電壓
SW6:第六開關元件
CT:計數器
RS1:粗估計數值儲存元件
SW7:第七開關元件
ADR:訊號轉換器
RS2:精細計數值儲存元件
VFC:參考電壓調控電路
SW8:第八開關元件

Claims (12)

  1. 一種具有電壓反向機制的光感測器，包含： 一光電元件，配置以將接收到的一第一光訊號的光能轉換成一第一光電流提供至一電容，以將該電容的電壓充電至一第一電壓； 一電壓反向電路，連接該電容，配置以將該第一電壓反向以形成一反向電壓； 一比較器，該比較器的第一輸入端連接該電容，該比較器的第二輸入端耦接一參考電壓，該比較器配置以比較該第一電壓與該參考電壓以輸出一第一比較訊號；以及 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進行計數以輸出一第一粗估計數值； 其中，在計數該第一粗估計數值之後，該光電元件將接收到的一第二光訊號的光能轉換成一第二光電流提供至該電容，以將該電容的電壓從該反向電壓充電至一第二電壓； 其中，該比較器比較該第二電壓與該參考電壓以輸出一第二比較訊號，該計數器依據該第二比較訊號進行計數以輸出一第二粗估計數值； 其中，在該第二粗估計數值計數後，該計數器對該第二粗估計數值執行一精細計數作業，以計算出一精細計數值； 其中，該第一光訊號與該第二光訊號中的其中一者為一環境光源與一發光元件兩者同時發射後受一待測物反射的光訊號，該第一光訊號與該第二光訊號中的另一者為僅該環境光源發射的光訊號。
  2. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該電壓反向電路將正值的該第一電壓反向以形成負值的該反向電壓，該反向電壓的絕對值等於該第一電壓。
  3. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該第二光電流將該電容的電壓從負值的該反向電壓充電至正值的該第二電壓。
  4. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中，當該環境光源發射的光訊號的能量高於一能量門檻值時，在一第一相位時間內，該發光元件與該環境光源同時發射光訊號，該計數器計數該第一粗估計數值； 其中，在該第一相位時間結束之後，進入一第二相位時間，在該第二相位時間內，僅該環境光源發射光訊號，該計數器計數該第二粗估計數值。
  5. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中，當該環境光源發射的光訊號的能量低於一能量門檻值時，在一第一相位時間內僅該環境光源發射光訊號，該計數器計數該第一粗估計數值； 其中，在該第一相位時間結束之後，進入一第二相位時間，在該第二相位時間內，該發光元件與該環境光源同時發射光訊號，該計數器計數該第二粗估計數值。
  6. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，更包含一電流供應元件，連接該電容，配置以在該第二光電流提供至該電容的同時，提供一偏壓電流至該電容，以充電該電容。
  7. 如請求項6所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該電流供應元件配置以在該第一光電流提供至該電容的同時，提供該偏壓電流至該電容，以充電該電容。
  8. 如請求項6所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中，當該環境光源發射的光訊號的能量低於一能量門檻值時，該電流供應元件提供該偏壓電流至該電容，以充電該電容。
  9. 如請求項6所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該電流供應元件包含一電流源。
  10. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，更包含一電流放大器，連接該光電元件以及該電容，配置以將該第二光電流放大後提供至該電容，以充電該電容。
  11. 如請求項10所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該電流放大器將該第一光電流放後大提供至該電容，以充電該電容。
  12. 如請求項1所述的具有電壓反向機制的光感測器，其中該電壓反向電路包含： 一第一開關元件，該第一開關元件的第一端連接該光電元件以及該比較器的第一輸入端，該第一開關元件的第二端連接該電容的第一端； 一第二開關元件，該第二開關元件的第一端連接該電容的第二端，該第二開關元件的第二端接地； 一第三開關元件，該第三開關元件的第一端連接該光電元件以及該比較器的第一輸入端，該第三開關元件的第二端連接該電容的第二端；以及 一第四開關元件，該第四開關元件的第一端連接該電容的第一端，該第四開關元件的第二端接地； 其中，當該第一開關元件以及該第二開關元件導通時，該電容的電壓充電至該第一電壓； 其中，當該第三開關元件以及該第四開關元件導通時，該電容的電壓從該第一電壓的該反向電壓充電至該第二電壓。
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