TWI867485B

TWI867485B - 消除串擾的光電感測裝置

Info

Publication number: TWI867485B
Application number: TW112112230A
Authority: TW
Inventors: 莊達昌; 丁竑睿
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2024-12-21
Also published as: CN118738146A; TW202439792A; US20240333264A1; US12476621B2

Abstract

一種消除串擾的光電感測裝置包括第一電容器；第一開關，耦接於電流源與第一電容器之間，根據驅動信號而導通，並使電流源對第一電容器充電而產生第一電容電壓；第二開關，耦接於第一電容器與輸入端之間，根據消除信號而導通；電流電壓轉換電路，耦接至第二開關，接收對應於串擾信號的輸入電流，產生對應於輸入電流的串擾電壓。其中當第二開關導通後，使第一電容電壓與串擾電壓相減從而消除串擾信號，以輸出正確的感測電壓。消除串擾的光電感測裝置可以被光感測電路所採用，解決光信號串擾的情形與體積空間佔用的問題。

Description

消除串擾的光電感測裝置

本發明係關於一種光電感測裝置，特別是一種消除串擾的光電感測裝置。

光電感測器是一種利用光線性質來檢測物體的感測器。例如，檢測物體是否存在，或是檢測物體的表面是否產生變化等。由於光電感測器具有檢測距離長、應答時間短、解析度高、非接觸式等優點被廣泛應用在距離感測技術上。

以檢測物體是否存在為例，透過光發射器(例如，發光二極體)發射光信號至物體表面，並透過光電感測器接收反射回的光信號，以判斷是否有物體存在。一般來說，為了保護光發射器與光電感測器通常會設置具有透光材質(例如，玻璃、透明環氧基樹脂或壓克力)的結構體或囊封物，阻擋外物碰撞到光發射器與光電感測器。

然而，當發射的光信號通過所述結構體或囊封物時，會發生界面反射或全內反射，因此，光電感測器除了接收自物體反射回的光信號外，還接收了自結構體或囊封物反射回的光信號，引發光信號串擾的情形，使光電感測器產生不正確的感測電壓，導致可能發生電路的誤動作。在目前的串擾消除技術中，有採用結構設計的方式，設置一個不透光的蓋體結構，以防止自結構體或囊封物反射回的光信號被透射至光電感測器，藉以改善光信號串擾的情形。

雖然目前的技術可以改善光信號串擾的情形，但所述蓋體結構需要佔用一定的體積空間，阻礙了小型化的設計趨勢。

有鑑於上述習知技術，發明人研發出一種消除串擾的光電感測裝置，不僅可以解決光信號串擾的情形，還能同時解決體積空間佔用的問題，符合小型化的設計趨勢。

為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種消除串擾的光電感測裝置，包括第一電容器；第一開關，耦接於電流源與第一電容器之間，根據驅動信號而導通，並使電流源對第一電容器充電而產生第一電容電壓；第二開關，耦接於第一電容器與輸入端之間，根據消除信號而導通；電流電壓轉換電路，耦接至第二開關，接收對應於串擾信號與非串擾信號的輸入電流，產生對應於輸入電流的串擾電壓。其中當第二開關導通後，使第一電容電壓與串擾電壓相減從而消除串擾信號，以輸出正確的感測電壓。

在一些實施例中，電流電壓轉換電路還包括：運算放大器，具有反向輸入端、非反向輸入端與放大輸出端，反向輸入端耦接第二開關，非反向輸入端耦接設定電壓；第三開關，耦接於反向輸入端與放大輸出端之間，根據重置信號的狀態導通或斷開；及第二電容器，耦接於反向輸入端與放大輸出端之間，用以產生串擾電壓。

在一些實施例中，放大輸出端還耦接取樣保持電路，所述取樣保持電路包括第四開關，耦接於放大輸出端與第三電容器之間，第四開關根據取樣保持信號的狀態導通或斷開，將感測電壓轉換成數位信號。

在一些實施例中，還包括時序控制電路，分別與第一開關、第二開關、第三開關及第四開關耦接，用以產生重置信號、驅動信號、消除信號與取樣保持信號。

在一些實施例中，時序控制電路還接收脈衝列信號，並根據驅動信號的導通週期產生具有脈衝串列的消除信號至第二開關。

在一些實施例中，第二開關根據具有脈衝串列的消除信號的上升緣而導通。

在一些實施例中，還包括有放大器電路與史密特觸發電路耦接於第一開關與時序控制電路之間，並使時序控制電路根據驅動信號的導通週期產生具有脈衝串列的消除信號至第二開關。

在一些實施例中，該第二開關根據具有該脈衝串列的該消除信號的上升緣而導通。

藉此，本發明的消除串擾的光電感測裝置，採用電壓消除方式，將原本感測電壓中的串擾電壓減去後，得到正確的感測電壓，解決串擾的情形，降低電路誤動作的可能。由於本發明實施例不是採用封裝結構設計消除串擾信號，故不需要佔用一定的體積空間，因此，可符合小型化的設計趨勢。另外，本發明實施例以具有脈衝串列的消除信號控制第二開關的導通或斷開，使用以消除串擾電壓的電容器上的電壓有效地縮小，且不容易過載，提升整體電路的運作穩定度。此外，基於消除串擾電壓的電容器上的電壓有效地縮小，同時也縮小了電流電壓轉換電路中運算放大器的輸出電壓，相對使電流電壓轉換電路提供更大的動態範圍，進而提升消除串擾的光電感測裝置的感測靈敏度。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參考圖1，圖1是根據本發明實施例之消除串擾的光電感測裝置100，包括：第一電容器CIC、第一開關SW1、第二開關SW2及電流電壓轉換電路20。

第一電容器CIC，一端耦接至地。第一電容器CIC，另一端耦接至節點CCN。當第一開關SW1導通時，第一電容器CIC根據電流源Is進行充電。

第一開關SW1，耦接於電流源Is與第一電容器CIC之間。更具體的說，第一開關SW1的第一端連接至電流源Is。第一開關SW1的第二端連接至節點CCN。第一開關SW1的第三端接收驅動信號DRV。電流源Is的一端連接高電源電壓VDD，而電流源Is的另一端連接第一開關SW1。第一開關SW1，根據驅動信號DRV而導通，並使電流源Is對第一電容器CIC充電而產生第一電容電壓。例如，當驅動信號DRV為上升緣時，第一開關SW1為導通，電流源Is對第一電容器CIC充電而產生第一電容電壓。當驅動信號DRV為下降緣時，第一開關SW1為斷開，電流源Is停止對第一電容器CIC充電。

第二開關SW2，耦接於第一電容器CIC與輸入端IN之間。第二開關SW2，根據消除信號CCSI而導通。例如，當消除信號CCSI為上升緣時，第二開關SW2為導通。當消除信號CCSI為下降緣時，第二開關SW2為斷開。

電流電壓轉換電路20，耦接至第二開關SW2。電流電壓轉換電路20，還耦接至光電感測器PD。所述光電感測器PD，根據第一光線10與第二光線12，產生對應的感測電流。所述第一光線10可視為自結構體或囊封物反射回的光信號(即串擾信號的來源)。所述第二光線12可視為自物體反射回的光信號(即非串擾信號)。當光電感測器PD接收到第一光線10時，產生對應的輸入電流，並饋入至輸入端IN。當光電感測器PD接收到第二光線12時，產生對應的感測電流，並饋入至輸入端IN。實際上，當沒有任何物體存在時，但光電感測器PD卻能接收到反射回的光信號，即可將此反射回的光信號定義為「串擾信號」。電流電壓轉換電路20，接收對應於串擾信號的輸入電流，產生對應於輸入電流的串擾電壓。另外，第一開關SW1與第二開關SW2可由P型場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，或N型MOSFET實現。

電流電壓轉換電路20，包括：運算放大器OP1、第三開關SW3與第二電容器CINT。運算放大器OP1，具有反向輸入端、非反向輸入端與放大輸出端。反向輸入端分別耦接第二開關SW2、輸入端IN、光電感測器PD的陰極。非反向輸入端耦接設定電壓VR。第三開關SW3，耦接於反向輸入端與放大輸出端之間。第三開關SW3，根據重置信號RST的狀態導通或斷開。例如，當重置信號RST為上升緣時，第三開關SW3為導通。當重置信號RST為下降緣時，第三開關SW3為斷開。第三開關SW3可由P型MOSFET，或N型MOSFET實現。第二電容器CINT，耦接於反向輸入端與放大輸出端之間。第二電容器CINT，用以產生串擾電壓。更具體說，第二電容器CINT根據串擾信號的輸入電流而被充電，以產生所述串擾電壓。

請參考圖2，是根據本發明圖1實施例的信號時序圖。以下說明消除串擾的光電感測裝置100的電路動作原理。重置信號RST的上升緣使第三開關SW3導通，讓第二電容器CINT放電至設定電壓VR，輸入端IN的電壓回復至設定電壓VR。

接著，驅動信號DRV的上升緣使第一開關SW1導通，電流源Is對第一電容器CIC充電，並於節點CCN產生第一電容電壓。在驅動信號DRV結束前的數個微秒(µs)，消除信號CCSI上升至高電壓準位，使第二開關SW2導通，第一電容電壓饋入至輸入端IN，使第一電容電壓與串擾電壓相減。所述串擾電壓是指當光電感測器PD接收到第一光線10後，產生串擾電流。經由電流電壓轉換電路20將所述串擾電流轉換為串擾電壓。換言之，當第二開關SW2導通後，使第一電容電壓與串擾電壓相減，從而消除串擾信號，以輸出感測電壓。

藉此，本發明圖1實施例採用電壓消除方式，將原本感測電壓中的串擾電壓減去後，得到正確的感測電壓，解決串擾的情形，降低電路誤動作的可能。由於本發明圖1實施例不是採用封裝結構設計消除串擾信號，故不需要佔用一定的體積空間，因此，可符合小型化的設計趨勢。

請參考圖3，圖3是根據本發明另一實施例之消除串擾的光電感測裝置110，包括：第一電容器CIC、第一開關SW1、第二開關SW2、電流電壓轉換電路20、取樣保持電路30及時序控制電路40。本發明圖3實施例與圖1實施例不同之處在於：電流電壓轉換電路20的輸出端OUT1還耦接取樣保持電路30。時序控制電路40，分別與第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3及第四開關SW4耦接。時序控制電路40，用以產生重置信號RST、驅動信號DRV、消除信號CCSI與取樣保持信號SH。

取樣保持電路30，包括第四開關SW4與第三電容器C3。第四開關，耦接於放大輸出端與第三電容器C3之間。第四開關SW4的第一端連接至輸出端OUT1。第四開關SW4的第二端連接至節點PO1。第四開關SW4的第三端接收取樣保持信號SH。第四開關SW4可由P型MOSFET，或N型MOSFET實現。第四開關SW4，根據取樣保持信號SH的狀態導通或斷開，將運算放大器OP1輸出的感測電壓轉換成數位信號，以提供給下一級電路使用。例如，當取樣保持信號SH為上升緣時，第四開關SW4為導通，以對第三電容器C3充電。當取樣保持信號SH為下降緣時，第四開關SW4為斷開，第三電容器C3的電容電壓(對應於節點PO1的電壓)即可被下一級電路讀取。

請參考圖4，圖4是根據本發明圖3實施例的信號時序圖。消除串擾的光電感測裝置110的電路動作原理與圖1相似，於此不再贅述。同樣的，本發明圖3實施例採用電壓消除方式，將原本感測電壓中的串擾電壓減去後，得到正確的感測電壓，解決串擾的情形，降低電路誤動作的可能。由於本發明圖3實施例不是採用封裝結構設計消除串擾信號，故不需要佔用一定的體積空間，因此，可符合小型化的設計趨勢。

請參考圖5，圖5是根據本發明又一實施例之消除串擾的光電感測裝置120，包括：第一電容器CIC、第一開關SW1、第二開關SW2、電流電壓轉換電路20、取樣保持電路30及時序控制電路40。本發明圖5實施例與圖3實施例不同之處在於：時序控制電路40還接收脈衝列信號SX，並根據驅動信號DRV的導通週期產生具有脈衝串列的消除信號CCSI_P至第二開關SW2。

請參考圖6，圖6是根據本發明圖5實施例的信號時序圖。消除串擾的光電感測裝置120的電路動作原理與圖3相似，不同之處在於：脈衝列信號SX與驅動信號DRV合成為具有脈衝串列的消除信號CCSI_P，而第二開關SW2根據具有脈衝串列的消除信號CCSI_P導通或關閉。例如，當具有脈衝串列的消除信號CCSI_P為上升緣時，第二開關SW2導通。當具有脈衝串列的消除信號CCSI_P為下降緣時，第二開關SW2斷開。

由於具有脈衝串列的消除信號CCSI_P使第二開關SW2導通的頻率增加，讓第一電容器CIC的電容電壓(對應節點CCN的電壓)可更快速被讀取至輸入端IN。藉此，可有效地控制第一電容器CIC不過載，使消除串擾的光電感測裝置120更為穩定。另外，由於具有脈衝串列的消除信號CCSI_P的關係，第一電容器CIC上的電壓有效地縮小，同時也使節點CCN與輸出端OUT1上的電壓信號縮小，相對使電流電壓轉換電路20提供更大的動態範圍，進而提升消除串擾的光電感測裝置120的感測靈敏度。

請參考圖7，圖7是根據本發明再一實施例之消除串擾的光電感測裝置130，包括：第一電容器CIC、第一開關SW1、第二開關SW2、電流電壓轉換電路20、取樣保持電路30、時序控制電路40、放大器電路Ap及史密特觸發電路Tr。放大器電路Ap的輸入端與第一開關SW1的第二端連接。放大器電路Ap的輸出端連接至史密特觸發電路Tr的輸入端。史密特觸發電路Tr的輸出端連接至時序控制電路40。

請參考圖8，圖8是根據本發明圖7實施例的信號時序圖。消除串擾的光電感測裝置130的電路動作原理與圖5相似，不同之處在於：放大器電路Ap及史密特觸發電路Tr耦接於第一開關SW1與時序控制電路40之間。放大器電路Ap及史密特觸發電路Tr根據驅動信號DRV的導通週期產生脈衝列信號SY至時序控制電路40，以使時序控制電路40產生具有脈衝串列的消除信號CCSI_P至第二開關SW2。脈衝列信號SY是由消除串擾的光電感測裝置130的內部產生，同樣可以讓第一電容器CIC的電容電壓(對應節點CCN的電壓)可更快速被讀取至輸入端IN。藉此，可有效地控制第一電容器CIC不過載，使消除串擾的光電感測裝置120更為穩定。

綜上所述，本發明的消除串擾的光電感測裝置採用電壓消除方式，將原本感測電壓中的串擾電壓減去後，得到正確的感測電壓，解決串擾的情形，降低電路誤動作的可能。由於本發明實施例不是採用封裝結構設計消除串擾信號，故不需要佔用一定的體積空間，因此，可符合小型化的設計趨勢。另外，本發明實施例以具有脈衝串列的消除信號控制第二開關的導通或斷開，使用以消除串擾電壓的電容器上的電壓有效地縮小，且不容易過載，提升整體電路的運作穩定度。此外，基於消除串擾電壓的電容器上的電壓有效地縮小，同時也縮小了電流電壓轉換電路中運算放大器的輸出電壓，相對使電流電壓轉換電路提供更大的動態範圍，進而提升消除串擾的光電感測裝置的感測靈敏度。。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

100, 110, 120, 130:消除串擾的光電感測裝置 10:第一光線 12:第二光線 20:電流電壓轉換電路 30:取樣保持電路 40:時序控制電路 Ap:放大器電路 CCN:節點 CIC:第一電容器 CINT:第二電容器 CCSI:消除信號 CCSI_P:具有脈衝串列的消除信號 C3:第三電容器 DRV:驅動信號 IN:輸入端 Is:電流源 PD:光電感測器 PO1:節點 RST:重置信號 SH:取樣保持信號 SW1:第一開關 SW2:第二開關 SW3:第三開關 SW4:第四開關 SX:脈衝列信號 SY:脈衝列信號 Tr:史密特觸發電路 OP1:運算放大器 OUT1:輸出端 VDD:高電源電壓 VR:設定電壓

[圖1]是根據本發明實施例之消除串擾的光電感測裝置的示意圖。 [圖2]是根據本發明圖1實施例的信號時序圖。 [圖3]是根據本發明另一實施例之消除串擾的光電感測裝置的示意圖。 [圖4]是根據本發明圖3實施例的信號時序圖。 [圖5]是根據本發明又一實施例之消除串擾的光電感測裝置的示意圖。 [圖6]是根據本發明圖5實施例的信號時序圖。 [圖7]是根據本發明再一實施例之消除串擾的光電感測裝置的示意圖。 [圖8]是根據本發明圖7實施例的信號時序圖。

10:第一光線

12:第二光線

20:電流電壓轉換電路

100:消除串擾的光電感測裝置

CCN:節點

CCSI:消除信號

CIC:第一電容器

CINT:第二電容器

DRV:驅動信號

IN:輸入端

Is:電流源

OP1:運算放大器

OUT1:輸出端

PD:光電感測器

RST:重置訊號

SW1:第一開關

SW2:第二開關

SW3:第三開關

VDD:高電源電壓

VR:設定電壓

Claims

一種消除串擾的光電感測裝置，包括：一第一電容器；一第一開關，耦接於一電流源與該第一電容器之間，根據一驅動信號而導通，並使該電流源對該第一電容器充電而產生一第一電容電壓；一第二開關，耦接於該第一電容器與一輸入端之間，根據一消除信號而導通；及一電流電壓轉換電路，耦接至該第二開關，接收對應於一串擾信號與一非串擾信號的一輸入電流，產生對應於該輸入電流的一串擾電壓；其中當該第二開關導通後，使該第一電容電壓與該串擾電壓相減從而消除該串擾信號，以輸出一感測電壓。
如請求項1所述之消除串擾的光電感測裝置，其中該電流電壓轉換電路還包括：一運算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端與一放大輸出端，該反向輸入端耦接該第二開關，該非反向輸入端耦接一設定電壓；一第三開關，耦接於該反向輸入端與該放大輸出端之間，根據一重置信號的狀態導通或斷開；及一第二電容器，耦接於該反向輸入端與該放大輸出端之間，用以產生該串擾電壓。
如請求項2所述之消除串擾的光電感測裝置，其中該放大輸出端還耦接一取樣保持電路，該取樣保持電路包括一第四開關，耦接於該放大輸出端與一第三電容器之間，該第四開關根據一取樣保持信號的狀態導通或斷開，將該感測電壓轉換成數位信號。
如請求項3所述之消除串擾的光電感測裝置，其中還包括一時序控制電路，分別與該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關耦接，產生該重置信號、該驅動信號、該消除信號與該取樣保持信號。
如請求項4所述之消除串擾的光電感測裝置，其中該時序控制電路還接收一脈衝列信號，並根據該驅動信號的導通週期產生具有一脈衝串列的該消除信號至該第二開關。
如請求項5所述之消除串擾的光電感測裝置，其中該第二開關根據具有該脈衝串列的該消除信號的上升緣而導通。
如請求項4所述之消除串擾的光電感測裝置，其中還包括有一放大器電路與一史密特觸發電路耦接於該第一開關與該時序控制電路之間，並使該時序控制電路根據該驅動信號的導通週期產生具有一脈衝串列的該消除信號至該第二開關。
如請求項7所述之消除串擾的光電感測裝置，其中該第二開關根據具有該脈衝串列的該消除信號的上升緣而導通。