CN113970372A - 光感测电路 - Google Patents

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黄圣文
刘铭晃
林孟勇
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Abstract

本发明是有关一种光感测电路，其包含一自举式电路以及一光感测组件，该自举式电路的一电路增益使该光感测组件的一寄生电容所产生一等效电容值降低，以减少光感测电路的噪声以及增加光感测电路的带宽。

Description

光感测电路
技术领域
本发明是有关一种感测电路，尤其是一种光感测电路。
背景技术
随着科技的进步，发展出许多电子装置，以符合市场趋势以及民众的需求，为了增加电子装置的功能，会在电子装置设置光传感器，光传感器是可以感测光或是其他电磁能量的传感器，应用于环境的光源的强度，以执行对应的功能。举例而言，光传感器可设置于智能型手机，以在环境光源的强度不足的下，自动开启闪光灯。现今光传感器系以采用半导体制作而成，因此，光传感器会带有寄生电容，进而产生电路噪声或者电路带宽降低等问题。
基于上述的问题，本发明提供一种光感测电路，透过一自举式电路，其可降低电路噪声的问题或者增加电路的带宽。
发明内容
本发明的一目的，提供一种光感测电路，利用一自举式电路的一电路增益，改善一光感测组件的寄生电容的问题。
本发明的一目的，提供一种光感测电路，其包含一自举式电路以及一光感测组件，该自举式电路的一电路增益使该光感测组件的一寄生电容所产生一等效电容值降低，除藉以减少电路的噪声所带来的影响，亦或解决电路带宽的变小问题。
附图说明
图1：其为本发明的第一实施例的光感测电路的电路图；
图2：其为本发明的第一实施例等效电容的示意图；
图3：其为本发明的第二实施例的光感测电路的电路图；
图4：其为本发明的第三实施例的光感测电路的电路图；
图5：其为本发明的第三实施例等效电容的示意图；以及
图6：其为本发明的第四实施例的光感测电路的电路图。
【图号对照说明】
10 自举式电路
30 光感测组件
40 放大器电路
100 光感测电路
CPD 寄生电容
D1 光电转换组件
equivalent CPD 等效电容值
I1 光电流
I18 电流源
L 入射光
M12 晶体管
M14 第一晶体管
M16 第二晶体管
OP 运算放大器
RS 阻抗组件
Rf 电阻
VDD 电源电压
VREF 参考讯号
VOUT 输出讯号
具体实施方式
为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：
在说明书及请求项当中使用了某些词汇指称特定的组件，然，所属本发明技术领域中具有通常知识者应可理解，同一个组件可能会用不同的名词称呼，而且，本说明书及请求项并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在整体技术上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及请求项当中所提及的「包含」为一开放式用语，故应解释成「包含但不限定于」。再者，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接一第二装置，则代表第一装置可直接连接第二装置，或可透过其他装置或其他连接手段间接地连接至第二装置。
有鉴于习知的光感测电路因面积增加，光电二极管的寄生电容也随的增加，但过大的寄生电容会产生更大的电路噪声，据此，本发明提出一种光感测电路，以解决习知技术因光感测组件的寄生电容造成电路噪声增加的问题。
首先，请参阅图1，其为本发明的第一实施例的光感测电路的电路图。如图所示，本发明的光感测电路100包含一自举式电路10以及一光感测组件30。自举式电路10耦接光感测组件30，光感测组件30依据一入射光L而产生一光电流I1，其中光感测组件30包含一光电转换组件D1以及一寄生电容CPD。于本发明的一实施例中，透过自举式电路10耦接光感测组件30，并藉由光感测组件30的光电转换组件D1，把入射光L转换并产生为光电流I1，且光感测组件30所产生的光电流I1大小与光感测组件30所接收的入射光L的强度成正比，亦即光感测组件30所接收的入射光L的强度越强，光感测组件30所产生的光电流I1越大，于本实施例中，光电转换组件D1可例如为光电二极管，互补式金属氧半导体场效晶体管(CMOS FET)或光耦合组件(CCD)，然不以此为限。
于本实施例中，光感测电路100更包含一放大器电路40，其耦接光感测组件30与接收光电流I1，并依据光感测组件30的光电流I1经过电容Cf产生一输出讯号VOUT，于本发明的一实施例中，透过放大器电路40积分，其中放大器电路40包含一运算放大器OP与一电容Cf，运算放大器OP具有一第一输入端、一第二输入端与一输出端，第一输入端接收一参考讯号VREF，第二输入端耦接光感测组件30的光电流I1，放大器电路40依据光电流I1与电容Cf产生累积电荷于输出讯号VOUT，于本实例中，放大器电路40可以转换来自光感测组件30的光电流I1成为经由累积电荷的输出讯号VOUT，以提供光感测的应用，例如:近接感测(ProximitySensing)。
复参阅图1以及图2，其为本发明的第一实施例等效电容的示意图。于本实施例中，自举式电路10包含一晶体管M12，具有一第一端、一第二端与一第三端，第一端耦接一电源电压VDD，第二端耦接光感测组件30的一端与运算放大器OP的第二输入端，第三端耦接光感测组件30的另一端与一阻抗组件RS，于本发明的一实施例中，利用自举式电路10作为输入级，并藉由自举式电路10的晶体管M12特性，使光感测组件30的寄生电容CPD所产生的一等效电容值equivalent CPD也随的降低，例如本实施例中，自举式电路10透过晶体管M12的第二端耦接光感测组件30的一端，以及透过晶体管M12的第三端耦接光感测组件30的另一端与阻抗组件RS，因而提供一电路增益1/Gm，其可藉由晶体管M12、阻抗组件RS与光感测组件30三者之间的连接关系，以减少光感测组件30的寄生电容CPD所产生的等效电容值equivalent CPD，上述的连接关系使寄生电容CPD的等效电容值equivalent CPD表示为如下式(一)：
equivalent CPD＝[CPD x(1-A)]and A＝RS/[(1/Gm)+RS] 式(一)
如图1所示的寄生电容CPD的等效电容值equivalent CPD即参照上式(一)而等效，如图2所示的等效电容值equivalent CPD，举例而言，可透过上述式(一)，利用自举式电路10的电路增益1/Gm，可有效降低光感测组件30的寄生电容CPD，例如为从100pF降低至10pF，藉以减少寄生电容CPD所产生的等效电容值equivalent CPD，达到降低光感测电路100的噪声。
请参阅图3，其为本发明的第二实施例的光感测电路的电路图。其中，图1与图3的不同在于，图1的晶体管M12为耦接阻抗组件RS，图3的晶体管M12耦接一电流镜16，特别是耦接于一第一晶体管M14，电流镜16包含一电流源I18、第一晶体管M14以及一第二晶体管M16，电流镜16的第一晶体管M14的输出阻抗等效如图1所示的阻抗组件RS，于本发明的一实施例中，该些个晶体管M14、M16可为金氧半场效晶体管(MOSFET)，N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)或P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)，其电流镜16的第一晶体管M14的输出阻抗等效于自举式电路10的阻抗组件RS，其减少噪声的特性如上所述，于此不在赘述。上述的晶体管M12、电流镜16与光感测组件30的寄生电容CPD的连接关系使寄生电容CPD的等效电容值equivalent CPD表示为如下式(二)：equivalent CPD＝[CPD x(1-A)]and A＝Rout_M1/[(1/Gm)+Rout_M1] 式(二)其中，Rout_M1为晶体管M12的等效输出电阻，因此本实施例亦是藉由晶体管M12所提供的电路增益1/Gm而减少寄生电容CPD的等效电容值equivalentCPD，因而减少光感测电路100的电路噪声。
以上所述的实施例为应用于积分放大器电路，除此的外更可应用于转阻放大器电路，系以将电流转换为电压的放大器电路。请参阅图4，其为本发明的第三实施例的光感测电路的电路图。于本实施例中，放大器电路40包含运算放大器OP与一电阻Rf，运算放大器OP具有第一输入端、第二输入端与输出端，第一输入端接收参考讯号VREF，第二输入端耦接光感测组件30，以接收光电流I1，电阻Rf则耦接于运算放大器OP的第二输入端以及输出端之间，透过光电流I1传输至电阻Rf形成跨压，并产生输出讯号VOUT于输出端。
复参阅图4以及图5，其为本发明的第三实施例等效电容的示意图。于本实施例中，亦是采用自举式电路10，其中晶体管M12的第一端亦是耦接电源电压VDD，且第二端耦接光感测组件30的一端与运算放大器OP的第二输入端，而，晶体管M12的第三端耦接光感测组件30的另一端与阻抗组件RS，于实施例中，同是利用自举式电路10作为输入级，而藉由自举式电路10的晶体管M12特性，使光感测组件30的寄生电容CPD所产生的等效电容值equivalentCPD随的降低，例如本实施例中，自举式电路10透过晶体管M12的第二端耦接光感测组件30的一端，以及透过晶体管M12的第三端耦接光感测组件30的另一端与阻抗组件RS，因而提供一电路增益1/Gm，其可藉由晶体管M12、阻抗组件RS与光感测组件30三者之间的连接关系，以减少光感测组件30的寄生电容CPD所产生的等效电容值equivalent CPD，该等效电容值equivalent CPD即如同上述式(一)所示。如图5所示的寄生电容CPD的等效电容值equivalent CPD即参照上式(一)，本实施例为降低寄生电容CPD而相对增加转阻放大器的带宽，也就是利用自举式电路10的电路增益1/Gm，可有效降低光感测组件30的寄生电容CPD，例如为从100pF降低至10pF，藉以减少寄生电容CPD所产生的等效电容值equivalentCPD，达到增加光感测电路100的带宽。
请参阅图6，其为本发明的第四实施例的光感测电路的电路图。其中，图4与图6的不同在于，图4的晶体管M12的第三端为耦接阻抗组件RS，图6的晶体管M12的第三端耦接电流镜16，特别是耦接于第一晶体管M14的第一端，电流镜16包含电流源I18、第一晶体管M14以及第二晶体管M16，电流镜16的第一晶体管M14的输出阻抗等效如图4所示的阻抗组件RS，其增加带宽的特性如上所述的图4的实施例，于此不在赘述。
以上所述，本发明的光感测电路100为揭示光电转换组件D1可设置于芯片内或芯片外。惟，设置于芯片外的光电转换组件D1，因面积较大于设置于芯片的光电转换组件D1，因此，设置于芯片外的光电转换组件D1具有较大的电路噪声，更可藉由本发明的自举式电路10，设置于芯片外的光电转换组件D1的寄生电容CPD的等效电容值equivalent CPD，进而减少光感测电路100的电路噪声，或者改善光感测电路100的带宽。
综上所述，本发明的光感测电路，其包含一自举式电路以及一光感测组件，藉由自举式电路的一电路增益，降低光感测组件的一寄生电容值，因减少寄生电容的等效电容值，进而减少光感测电路的噪声问题，且因本发明的光电转换组件不限于内建式IC或者外接式IC，使得应用上更加广泛且具有弹性，更进一步揭示不因面积较大于内建于IC的光电转换组件，可提升光感测电路的灵敏度。
上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种光感测电路，其特征在于，其包含：
一自举式电路，具有一电路增益；以及
一光感测组件，耦接该自举式电路，依据一入射光产生一光电流，该光感测组件具有一寄生电容；
其中，该电路增益使该寄生电容所产生一等效电容值改变。
2.如权利要求1所述的光感测电路，其特征在于，更包含:
一放大器电路，耦接该光感测组件，依据该光电流产生一输出讯号。
3.如权利要求2所述的光感测电路，其特征在于，其中，该放大器电路包含：
一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端与一输出端，该第一输入端接收一参考讯号，该第二输入端接收该光电流，该输出端产生该输出讯号；以及
一电容，耦接于该运算放大器的该第二输入端与该输出端间。
4.如权利要求2所述的光感测电路，其特征在于，其中，该放大器电路包含：
一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端与一输出端，该第一输入端接收一参考讯号，该第二输入端接收该光电流，该输出端产生该输出讯号；以及
一电阻，耦接于该运算放大器的该第二输入端与该输出端间。
5.如权利要求2所述的光感测电路，其特征在于，其中，该自举式电路包含一晶体管，具有一第一端、一第二端与一第三端，该第一端耦接一电源电压，该第二端耦接该光感测组件的一端与该放大器电路，该第三端耦接该光感测组件的另一端、一阻抗组件与一接地端。
6.如权利要求5所述的光感测电路，其特征在于，其中，该阻抗组件等效于一电流镜的多个晶体管的一输出阻抗。
7.如权利要求1所述的光感测电路，其特征在于，其中，该自举式电路包含一晶体管，具有一第一端、一第二端与一第三端，该第一端耦接该电源电压，该第二端耦接该光感测组件的一端，该第三端耦接该光感测组件的另一端、一阻抗组件与一接地端。
8.如权利要求7所述的光感测电路，其特征在于，其中，该阻抗组件等效于一电流镜的多个晶体管的一输出阻抗。
9.如权利要求1所述的光感测电路，其特征在于，其中该光感测组件包含一光电转换组件，该光电转换组件可设置于一芯片内或该芯片外。
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