專利名稱：光探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光強(qiáng)探測器，并且特別涉及具有補(bǔ)償能力的光探測器。
背景技術(shù)：
在光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常使用光探測器來檢測環(huán)境光，以將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。對于光探測器，靈敏度、頻帶寬度和動態(tài)范圍是典型地用來定義光探測器的性能的關(guān)鍵工作參數(shù)。光探測器典型地包括光電二極管和其他電路。當(dāng)光電二極管被照亮?xí)r，光電二極管能夠探測作為光信號的環(huán)境光，并且將此光信號轉(zhuǎn)換成表示環(huán)境光的電信號。其他電路能夠進(jìn)一步地處理電信號，以滿足來自各種應(yīng)用的需要。
在常規(guī)應(yīng)用中，使用反向偏置來實(shí)現(xiàn)光電二極管。在此情形中，具有反向偏置光電二極管的接收器具有更快的響應(yīng)。然而，這些光探測器會有一些嚴(yán)重的缺陷，例如增加的漏電流、較大的暗電流和較高的噪聲等級。將更大的反向偏壓用于反向偏置光電二極管，也會引起增加的噪聲等級。而且，由信號處理過程引起的過度噪聲，會對用于光探測器的有用增益產(chǎn)生更大的限制。另外，光探測器通常在其輸出端上輸出電壓信號，這會在多個(gè)應(yīng)用中對動態(tài)范圍產(chǎn)生不利影響。
可以使用軌至軌(rail to rail)放大器來反向偏置光電二極管。然而，軌至軌放大器的使用增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性?？蛇x地，可以應(yīng)用常規(guī)放大器來反向偏置光電二極管。然而，在此設(shè)計(jì)中這樣來實(shí)施需要很合適的參考電壓，這會使該設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜。所有這些約束會給電路設(shè)計(jì)增加更多的復(fù)雜性，導(dǎo)致死區(qū)和功耗的增加。
圖1圖解說明了具有利用了反向偏壓的暗電流補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)有技術(shù)的光探測器10的結(jié)構(gòu)框圖。光探測器10包括兩個(gè)光電二極管11和11′、兩個(gè)轉(zhuǎn)移阻抗放大器12和13，以及減法電路14。光探測器10可以從在光電二極管11和11′周圍的環(huán)境光中接收能量，并在其輸出端上產(chǎn)生電壓信號。
光電二極管11和轉(zhuǎn)移阻抗放大器12形成了核心級。轉(zhuǎn)移阻抗放大器12包括第一放大器和反饋電阻器。光電二極管11的陽極連接到正電壓，而光電二極管11的陰極連接到第一放大器的反相輸入端。第一放大器的非反相輸入端通過電阻器連接到地。結(jié)果獲得了光電二極管11的反向偏置。光電二極管11能夠產(chǎn)生由光電流和暗電流組成的電流信號。轉(zhuǎn)移阻抗放大器12中的反饋電阻器連接在第一放大器的反相輸入端和輸出端之間。轉(zhuǎn)移阻抗放大器12能夠?qū)碜怨怆姸O管11的電流信號轉(zhuǎn)換成第一電壓信號。
光電二極管11和轉(zhuǎn)移阻抗放大器13復(fù)制了光電二極管11和放大器12，并且擔(dān)當(dāng)一個(gè)復(fù)制的級。將該復(fù)制級置于核心級附近，以使得光電二極管11和11′實(shí)質(zhì)上處于相同的環(huán)境中。與光電二極管11不同，光電二極管11′是有屏蔽的，也就是說光電二極管11′不是由環(huán)境光照亮。結(jié)果，由光電二極管11′僅產(chǎn)生了復(fù)制的暗電流?？梢杂赊D(zhuǎn)移阻抗放大器13以與轉(zhuǎn)移阻抗放大器12相同的方式將該復(fù)制暗電流轉(zhuǎn)換成第二電壓信號。
減法電路14可以從第一電壓信號中減去第二電壓信號，以消除來自光電二極管11和11′的暗電流分量。最后，減法電路14可以輸出輸出電壓信號，以向不同的負(fù)載供電。因此，通過消除暗電流分量，復(fù)制級補(bǔ)償了核心級。由于把精確的復(fù)制級嵌入光探測器10，所以需要更多的死區(qū)和額外的復(fù)制級電路，這也增加了能耗。而且，用于轉(zhuǎn)移阻抗放大器12和13的軌至軌放大器設(shè)計(jì)給光探測器10增加了更多復(fù)雜性。
當(dāng)在光探測器中的光電二極管處于反向偏置時(shí)，上述缺陷和不利條件會對光探測器的性能產(chǎn)生不利影響。因而希望擁有一種設(shè)備和方法，以用更小的死區(qū)、更低的噪聲和更大的動態(tài)范圍來補(bǔ)償由光探測器中的光電二極管產(chǎn)生的噪聲，并且本發(fā)明主要說明這樣的設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用于檢測環(huán)境光的設(shè)備。該設(shè)備包括光探測器、具有負(fù)反饋的轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償電路和減法電路。該設(shè)備還包括放大器。當(dāng)環(huán)境光已被探測到時(shí)，光探測器能產(chǎn)生電流。轉(zhuǎn)換器連接到光探測器，并將該電流轉(zhuǎn)換成第一輸出信號。補(bǔ)償電路連接到光探測器和轉(zhuǎn)換器，并產(chǎn)生第二輸出信號。減法電路連接到轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電路。減法電路能夠從第一輸出信號中減去第二輸出信號，并產(chǎn)生第三輸出信號。第三輸出信號表示環(huán)境光。放大器能夠接收第三輸出信號、放大該第三輸出信號并產(chǎn)生電流信號。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用于檢測環(huán)境光的設(shè)備。該設(shè)備包括光探測器和具有補(bǔ)償能力的電路。光探測器能探測環(huán)境光并產(chǎn)生第一電流信號。該電路連接到光探測器。該電路能處理第一電流信號并產(chǎn)生表示環(huán)境光的第二電流信號。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用于減小由第一光電二極管產(chǎn)生的噪聲的方法。該方法包括下述步驟，產(chǎn)生反射環(huán)境光的第一電壓信號的步驟、產(chǎn)生來自第二光電二極管的第二電壓信號的步驟、從第一電壓信號減去第二電壓信號以減小噪聲的步驟，以及通過該減法產(chǎn)生電流信號的步驟。第一光電二極管是零偏置的。第二光電二極管是被屏蔽的。


通過下列示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明益處會變得顯而易見，該描述必須連同所附附圖來考慮，其中圖1是通過反向偏置而具有補(bǔ)償能力的現(xiàn)有技術(shù)的光探測器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的通過零偏置而具有補(bǔ)償能力的示例性光探測器的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的零偏置光電二極管的示例性放大器的示圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器的示圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的利用了斬波器穩(wěn)定性的具有動態(tài)偏移量抵消的示例性轉(zhuǎn)換器的示圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器的原理圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的利用了自動調(diào)零技術(shù)的具有動態(tài)偏移量抵消的示例性轉(zhuǎn)換器的原理圖；圖6是圖2的減法電路的原理圖；圖7是圖2的放大器的原理圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖2的電壓源的原理圖；以及圖9是連接到圖2的光探測器的示例性負(fù)載的原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了具有補(bǔ)償能力的光探測器，其中的光電二極管是零偏置的，所以該光探測器能夠有效地減小由信號處理過程引起的噪聲。圖2圖解說明了具有補(bǔ)償能力的示例性光探測器100的結(jié)構(gòu)框圖。在此實(shí)施例中，光探測器100包括如光電二極管110的感光器、轉(zhuǎn)換器120、補(bǔ)償電路130、減法電路140、放大器150和電壓源160。一般將光探測器100描述為具有兩個(gè)級，前置放大器級和后置放大器級。典型地，前置放大器級被定義為下述光電二極管110的第一放大級，該第一放大級包括轉(zhuǎn)換器120、補(bǔ)償電路130和減法電路140。后置放大器級被定義為剩余的放大級，該放大級需要將來自光電二極管110的電信號進(jìn)一步提升到適合信號處理的電平。在光探測器100中，放大器150是后置放大器級。
電壓源160連接到光電二極管110的陽極，以供電給光探測器100。例如，如圖所示的Vg被用作參考電壓。當(dāng)光電二極管被照亮?xí)r，光電二極管110能夠探測環(huán)境光并產(chǎn)生表示環(huán)境光的電流。該電流由光電流和暗電流構(gòu)成。在此情形中，由暗電流產(chǎn)生的暗電流噪聲和如熱噪聲、約翰遜噪聲的其他噪聲，會由光電二極管110導(dǎo)入探測器中。
轉(zhuǎn)換器120能夠?qū)碜怨怆姸O管110的電流轉(zhuǎn)換成在其輸出端上的電壓信號。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器120可以包括放大器122和反饋電路124。光電二極管110的陽極連接到放大器122的非反相輸入端，而光電二極管110的陰極連接到放大器122的反相輸入端。反饋電路124連接在放大器122的反相輸入端和輸出端之間。反饋電路124形成跨過放大器122的輸入端的虛擬短路。換而言之，在放大器122的輸入端之間的電位差實(shí)質(zhì)上為零。因此，光電二極管110由放大器122零偏置。零偏置光電二極管110可以完全消除由跨過光電二極管110的接點(diǎn)處的電位差引起的漏電流。零偏置光電二極管110可以最小化可能出現(xiàn)的噪聲，例如由光電二極管110產(chǎn)生的熱噪聲和約翰遜噪聲。另外，可以使用反饋電路124來改善光探測器100的增益特性。因此，在放大器122的輸出端上的電壓信號可以包括由光電流產(chǎn)生的有用電壓、由暗電流導(dǎo)致的暗電流噪聲和其他噪聲。來自放大器122的電壓信號是參考電壓Vg、光電流分量、暗電流分量和其他噪聲分量之和，其中光電流分量由光電流產(chǎn)生的信號來定義，暗電流分量由暗電流引起的信號來定義，而其他噪聲分量由其他噪聲轉(zhuǎn)換的信號來定義。
雖然在圖2中圖解說明了放大器122和反饋電路124，但是那些本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解其他元件的組合也能被用來實(shí)現(xiàn)從電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，以及實(shí)現(xiàn)對感光器的零偏置。轉(zhuǎn)換器120的其他結(jié)構(gòu)將會在下文中得到更詳細(xì)地描述。
補(bǔ)償電路130包括一個(gè)被屏蔽的光電二極管110′以及與光電二極管110′并聯(lián)的阻抗元件132。補(bǔ)償電路130連接在光電二極管110的陽極和減法電路140之間。被屏蔽的光電二極管110′是復(fù)制光電二極管110的。被屏蔽的光電二極管110′擔(dān)當(dāng)參考光電二極管，被放在光電二極管110(核心光電二極管)的附近，所以兩個(gè)光電二極管110和110′實(shí)質(zhì)上都處于相同的環(huán)境中。因?yàn)楣怆姸O管110′是有屏蔽的，所以僅有暗電流產(chǎn)生，并且僅有暗電流流過阻抗元件132?？邕^阻抗元件132的電壓由公式(1)給出。因此，補(bǔ)償電路130能夠輸出包括暗電流噪聲和其他噪聲的電壓信號，以補(bǔ)償暗電流和由光電二極管110產(chǎn)生的其他噪聲。來自補(bǔ)償電路130的電壓信號是參考電壓Vg、暗電流分量和其他噪聲分量之和。
V＝R*Id (1)其中V是跨過阻抗元件132的電壓，R是阻抗元件132的阻抗，而Id是由有屏蔽的光電二極管110′產(chǎn)生的暗電流。
減法電路140連接到放大器122的輸出端和有屏蔽的光電二極管110′的陽極。減法電路140可以接收來自轉(zhuǎn)換器120的電壓信號以及來自補(bǔ)償電路130的電壓信號。在減法電路140上，將來自補(bǔ)償電路130的電壓信號從來自轉(zhuǎn)換器120的電壓信號中減去。結(jié)果，來自光電二極管110的暗電流噪聲和其他噪聲可以被極大地降低。最終，減法電路140能夠在其輸出端產(chǎn)生電流。
放大器150能夠放大來自減法電路140的電流并在其輸出端上產(chǎn)生更大的電流，以驅(qū)動不同的外部負(fù)載。具有較大阻抗值的電阻器可以連接到放大器150的輸出端，以使更大的電流能夠被轉(zhuǎn)換成電壓信號。該電壓信號可以隨著連接到放大器150的電阻器的阻抗而變化。因此，可以由放大器150產(chǎn)生更大幅度的電壓，以供電給外部負(fù)載。換而言之，光探測器100具有更高的動態(tài)擺幅。放大器150還能夠改善光探測器100的增益特性。
轉(zhuǎn)向圖3，示出了零偏置光電二極管的示例性的放大器的示圖。在此實(shí)施例中，電壓源160向光電二極管110和轉(zhuǎn)換器122提供了參考電壓Vg。具有負(fù)反饋通路的轉(zhuǎn)換器122能夠在放大器122的反相輸入端和非反相輸入端之間創(chuàng)建虛擬的短路。因此，在放大器122的這兩個(gè)輸入端上的電壓是相等的，也就是說，跨過光電二極管110的陽極和陰極的電位差實(shí)質(zhì)上等于零。因此實(shí)現(xiàn)了對光電二極管110進(jìn)行零偏置。
圖4A圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的圖2中的轉(zhuǎn)換器120的一個(gè)實(shí)施例300的結(jié)構(gòu)框圖。在此實(shí)施例300中，轉(zhuǎn)換器120A包括轉(zhuǎn)移阻抗放大器122A和阻抗反饋網(wǎng)絡(luò)124A。阻抗反饋網(wǎng)絡(luò)124A連接在轉(zhuǎn)移阻抗放大器122A的反相輸入端和輸出端之間，以作為負(fù)反饋通路。阻抗反饋網(wǎng)絡(luò)124A能夠通過不同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，例如電阻器。那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解具有阻抗特性的其他元件的組合能夠在此用作負(fù)反饋路徑，而不會背離本發(fā)明的精神。
圖4B圖解說明了轉(zhuǎn)換器120B的另一實(shí)施例400的結(jié)構(gòu)框圖。轉(zhuǎn)換器120B可以利用斬波器穩(wěn)定性技術(shù)來實(shí)現(xiàn)動態(tài)偏置抵消。轉(zhuǎn)換器120B包括調(diào)制器601、放大器602、解調(diào)器603、放大器604和濾波器605。
調(diào)制器601連接在圖2中的光電二極管110陽極和陰極之間。調(diào)制器601能夠?qū)碜怨怆姸O管110的如光電流和暗電流的DC信號調(diào)制成AC信號。接著，調(diào)制器601可以將此AC信號傳遞至放大器602的輸入端。在IC(集成電路)設(shè)計(jì)中，更小的信號，即偏置電壓(Voffset)，通常存在于放大器602的輸入端之間。來自調(diào)制器601的AC信號和偏置電壓可以由放大器602放大，然后由解調(diào)器603解調(diào)。結(jié)果，解調(diào)器603能夠得到與該偏移量有關(guān)的更高頻率的AC信號，和與輸出與來自光電二極管110的DC信號有關(guān)的DC信號。放大器604可以進(jìn)一步放大來自解調(diào)器603的AC信號和DC信號，然后將這些信號傳送到輸出端。由于與偏置電壓有關(guān)的AC信號在更高的頻率上，所以該AC信號能夠被例如濾波器605的低通濾波器濾掉。
圖5A展現(xiàn)了圖2中的轉(zhuǎn)換器120的另一實(shí)施例500的原理圖。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器120C包括放大器122、濾波器125、電容器126和開關(guān)128。轉(zhuǎn)換器120C擔(dān)當(dāng)轉(zhuǎn)換積分器。電容器126和開關(guān)128形成了負(fù)反饋通路。開關(guān)128可以在時(shí)鐘脈沖信號的控制下，在開路狀態(tài)和閉路狀態(tài)之間進(jìn)行工作。在開路狀態(tài)下，可以在某一指定時(shí)間間隔將開關(guān)128接通。當(dāng)開關(guān)128運(yùn)行在開路狀態(tài)時(shí)，集成電容器126復(fù)位。而在閉合狀態(tài)下，可以在另一指定時(shí)間間隔將開關(guān)128關(guān)斷，并且集成電容器126由放大器122充電。因此，在放大器122的輸出端上將產(chǎn)生鋸齒波形。該鋸齒波形還由低通濾波器125濾波，以使得在放大器122的輸出端上發(fā)出平均電壓信號。
雖然在圖5A僅示出了一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電容器，但是在這里的開關(guān)和電容器的數(shù)量是不受限的。那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，可以在此使用任意數(shù)量的開關(guān)和電容器用于圖2中的轉(zhuǎn)換器120，而不會背離本發(fā)明的精神。
圖5B是圖2中的轉(zhuǎn)換器120的另一實(shí)施例600的原理圖。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器120D可以利用自動調(diào)零技術(shù)來消除偏置電壓(Voffset)。轉(zhuǎn)換器120D包括放大器610、四個(gè)開關(guān)601、603、605和607以及兩個(gè)電容器602和604。轉(zhuǎn)換器120D用作開關(guān)積分器。
在轉(zhuǎn)換器120D中，放大器610具有主反相輸入端、輔反相輸入端、非反相輸入端和輸出端。開關(guān)601連接在放大器610的主反相輸入端和開關(guān)607之間。電容器602與開關(guān)601并聯(lián)。開關(guān)603連接在放大器610的輔反相輸入端和輸出端之間。電容器604連接在放大器610的輔反相輸入端和地之間。開關(guān)605連接在放大器610的主反相輸入端和地之間。放大器610的非反相輸入端直接連接到地。
放大器610的主反相輸入端和非反相輸入端擔(dān)當(dāng)轉(zhuǎn)換器120D的兩個(gè)輸入端以接收電流，例如來自光電二極管110的光電流和暗電流。作為開關(guān)積分器運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器120D具有自動調(diào)零相、積分處理相和復(fù)位相。工作在自動調(diào)零相時(shí)，開關(guān)601、603和605閉合，而開關(guān)607打開。結(jié)果，主反相輸入端相當(dāng)于連接到地，所以放大器610是具有輔輸入端的單一反饋結(jié)構(gòu)。因此，對放大器610的偏移量采樣，然后將其儲存在電容器604中。在進(jìn)行相期間，開關(guān)601、603和605打開，而開關(guān)607閉合。接著，來自光電二極管110的電流在放大器610的輸出端上積分。工作在復(fù)位相時(shí)，開關(guān)601閉合，以重置跨過電容器602的負(fù)荷。因此，使用自動調(diào)零技術(shù)減小了低頻噪聲，例如偏置電壓，從而改善了前置放大器級的性能。
圖6圖解說明了圖2中的減法電路140的原理圖700。在原理圖700中，減法電路140由兩個(gè)放大器701和702、兩個(gè)PMOS晶體管703和704、兩個(gè)電阻器708和709以及電流鏡組成。電流鏡包括兩個(gè)NMOS晶體管705和706。放大器701接收來自圖2中的轉(zhuǎn)換器120的電壓信號，該電壓信號由參考電壓、光電流分量、暗電流分量和其他噪聲分量組成。類似地，放大器702能夠接收來自圖2中的補(bǔ)償電路130的電壓信號，該電壓信號由參考電壓、暗電流分量和其他噪聲分量組成。
放大器701、PMOS晶體管703和電阻器707能夠組成電壓跟隨器。因而，與來自轉(zhuǎn)換器120的電壓信號相等的電壓會被復(fù)制到電阻器707。結(jié)果，依賴于來自轉(zhuǎn)換器120的電壓信號的電流能夠流經(jīng)NMOS晶體管705。換而言之，來自轉(zhuǎn)換器120的電壓信號被轉(zhuǎn)換成流經(jīng)NMOS晶體管705的電流。以相同的方式，來自補(bǔ)償電路130的電壓信號的電流能夠流經(jīng)NMOS晶體管706。對于電流鏡，這兩個(gè)電流的相減能夠?qū)е聝綦娏?Io)產(chǎn)生。由于參考電壓分量、暗電流分量和其他噪聲分量通過相減而消除，所以可以僅由光電流分量來決定凈電流。因此，來自電壓源160的參考電壓和由例如暗電流、溫度產(chǎn)生的噪聲能夠有效地從有用信號——光電流中隔離出來。
圖7是圖2中的放大器150的一個(gè)實(shí)施例的原理圖。在實(shí)施例800中，放大器150由電流鏡組成，該電流鏡包括兩個(gè)NMOS晶體管802和804。電流Iin是圖6中的凈電流Io。電流Iin是由NMOS晶體管804反射得到的，并且以期望的乘法器比例放大，例如M。換而言之，放大器150能夠以電流模式運(yùn)行。流經(jīng)NMOS晶體管802的電流Iin會在NMOS晶體管802和804的柵極端上產(chǎn)生一電壓。NMOS晶體管802和804的柵極端上的電壓是NMOS晶體管802的漏電流的平方根，該漏電流由電流Iin確定。因而，放大器150能夠以電流模式獲得更低的端邊電壓。而且，放大器150能夠改善光探測器100的增益特性，所以能夠有效地避免前置放大器級和后置放大器級進(jìn)入非飽和區(qū)。因此，放大器150能夠在NMOS晶體管804的源極端上發(fā)出電流Iout。
圖8是圖2中連接到光探測器100的示例性負(fù)載的原理圖。在一個(gè)實(shí)施例900中，負(fù)載由電阻器902和904以及電容器906組成。電阻器904與電阻器902串聯(lián)連接，并與電容器906并聯(lián)。電阻器902和904擔(dān)當(dāng)電阻分壓器，以按比例降低輸出電壓，該輸出電壓的值由公式(2)給出。由于該輸出電壓由電阻器904的阻抗確定，所以該輸出電壓會具有更高的動態(tài)擺幅。
Vout=R904R904+R902Vss+Iout*R904---(2)]]>
圖9是圖2中的電壓源160的一個(gè)實(shí)施例1000的原理圖。在此實(shí)施例中，電壓源160由電流源1002以及兩個(gè)二極管1004和1006組成。因?yàn)榭梢杂脺p法電路140消除參考電壓Vg，所以不必在集成電路設(shè)計(jì)中設(shè)置精確的電壓。因而，兩個(gè)二極管1004和1006可以串連連接并且正向偏置，以產(chǎn)生參考電壓Vg。
在工作中，當(dāng)由環(huán)境光照亮且被轉(zhuǎn)換器120零偏置時(shí)，光電二極管110可以將光信號轉(zhuǎn)換成電信號(電流信號)，該電信號由光電流和暗電流組成，其中光電流與環(huán)境光的光強(qiáng)度有關(guān)。另外，由于溫度和其他因素產(chǎn)生的其他噪聲也會被光電二極管110導(dǎo)入。
轉(zhuǎn)換器120能接收來自電壓源160的參考電壓和來自光電二極管110的電流信號。電流信號包括光電流分量、暗電流分量和其他噪聲分量。轉(zhuǎn)換器120能夠?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號也包括上述的三個(gè)分量。轉(zhuǎn)換器120能將包括參考電壓分量、光電流分量、暗電流分量和其他噪聲分量的電壓信號傳輸?shù)狡漭敵龆松稀６?，轉(zhuǎn)換器120可以配備負(fù)反饋通路，以改善其增益特性。
為了補(bǔ)償參考電壓分量、暗電流分量和其他噪聲分量，提供補(bǔ)償電路130來實(shí)現(xiàn)此補(bǔ)償能力。補(bǔ)償電路130可以包括被屏蔽的復(fù)制光電二極管110′。因?yàn)橛衅帘危怨怆姸O管110′僅能夠產(chǎn)生暗電流。為了將暗電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，在此提供了電阻器132。如上所述，有屏蔽的光電二極管110′置于光電二極管110附近，因此也會產(chǎn)生其他噪聲分量。從而，補(bǔ)償電路130能夠輸出包括參考電壓分量、暗電流分量和其他噪聲分量的電壓信號。暗電流分量等于由電阻器132的阻抗乘以暗電流。選擇適當(dāng)?shù)碾娮杵?32的阻抗，以使來自補(bǔ)償電路130的暗電流分量等于來自轉(zhuǎn)換器120的暗電流分量。
減法電路140能接收來自轉(zhuǎn)換器120和補(bǔ)償電路130的電壓信號。通過在減法電路140上的減法運(yùn)算，可以完全抵消參考電壓分量、暗電流分量和其他噪聲分量。因此，在減法運(yùn)算后僅有光電流分量會保留。減法電路140能夠輸出反射光電流的電流信號。因此，該電流信號從前置放大器級傳遞到后置放大器級，用于更進(jìn)一步的信號處理。
在后置放大器級，提供放大器150來進(jìn)一步放大從減法電路140接收的電流信號。放大器150產(chǎn)生放大的電流給外部負(fù)載。通過電阻分壓器，可以容易地將放大器電流轉(zhuǎn)換成電壓，所以光探測器100的動態(tài)擺幅得到很大的擴(kuò)展。另外，放大器150還可以改善光探測器100的增益特性。前置放大器級和后置放大器級能夠有利地防止光探測器100中的每個(gè)放大器進(jìn)入非飽和區(qū)。
然而，此處已經(jīng)描述的一些實(shí)施例，僅僅是利用了本發(fā)明的實(shí)施例中的幾個(gè)，并且在此作為解釋性的提出，而不是作為限制。很顯然，在本質(zhì)上不背離由所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，實(shí)施對于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會是容易明白的許多其他實(shí)施例是顯而易見的。而且，雖然本發(fā)明的元件可以用單數(shù)描述或者要求，但是復(fù)數(shù)個(gè)也是預(yù)期的，除非明確地申明將其限制到單數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測環(huán)境光的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括感光器，用于當(dāng)探測到環(huán)境光時(shí)產(chǎn)生電流；具有負(fù)反饋的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連接到感光器并將該電流轉(zhuǎn)換成第一輸出信號；連接到感光器和轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償電路，該補(bǔ)償電路產(chǎn)生第二輸出信號；以及連接到轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電路的減法電路，該減法電路能夠從第一輸出信號中減去第二輸出信號，并產(chǎn)生第三輸出信號，其中第三輸出信號表示環(huán)境光。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，還包括能夠接收第三輸出信號、放大該第三輸出信號并產(chǎn)生電流信號的放大器。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述放大器還包括電流鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述感光器是光電二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述跨過感光器的電位實(shí)質(zhì)上為零。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述電流還包括光電流和暗電流，該光電流受環(huán)境光影響。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器和電阻分壓器，所述電阻分壓器作為負(fù)反饋通路并連接在放大器的反相端和輸出端之間。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括串聯(lián)連接的調(diào)制器、放大器和解調(diào)器。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器、開關(guān)、電容器和濾波器，該開關(guān)與電容器并聯(lián)連接，并連接在放大器的反相端和輸出端之間，而且放大器的輸出端連接到濾波器。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器、第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第一電容器和第二電容器，該放大器具有主反相輸入端、輔反相輸入端和輸出端，其中第一開關(guān)連接在放大器的主反相輸入端和地之間，第二開關(guān)連接在主反相輸入端和第三開關(guān)之間，第三開關(guān)連接在第二開關(guān)和放大器的輸出端之間，且第四開關(guān)連接在放大器的輔反相輸入端和輸出端之間，其中第一電容器連接在主反相輸入端和第三開關(guān)之間，且第二開關(guān)連接在輔反相輸入端和地之間。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述補(bǔ)償電路還包括并聯(lián)連接的復(fù)制同樣的感光器和電阻器，該復(fù)制感光器是被屏蔽的。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述復(fù)制感光器能夠產(chǎn)生暗電流。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，由補(bǔ)償電路產(chǎn)生的第二輸出信號具有一個(gè)值，該值由暗電流和電阻器來確定。
14.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述減法電路還包括兩個(gè)電壓跟隨器和一電流鏡，以減小由感光器產(chǎn)生的噪聲，兩個(gè)電壓跟隨器中的每一個(gè)都連接到電流鏡。
15.一種用于檢測環(huán)境光的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括用于探測環(huán)境光的感光器，該感光器產(chǎn)生第一電流信號；以及具有補(bǔ)償能力的電路，該電路連接到感光器，該電路能處理第一電流信號并產(chǎn)生表示環(huán)境光的第二電流信號。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述感光器是光電二極管。
17.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述跨過感光器的電位實(shí)質(zhì)上為零。
18.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，由感光器產(chǎn)生的第一電流信號還包括光電流和暗電流，該光電流信號反射環(huán)境光。
19.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述電路還包括具有負(fù)反饋的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連接到感光器并將第一電流信號轉(zhuǎn)換成第一輸出信號；連接到感光器和轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償電路，該補(bǔ)償電路產(chǎn)生第二輸出信號；連接到轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電路的減法電路，該減法電路能夠從第一輸出信號中減去第二輸出信號，并產(chǎn)生第三輸出信號，其中第三輸出信號表示環(huán)境光；以及連接到減法電路的放大器，該放大器能夠接收第三輸出信號、放大該第三輸出信號并產(chǎn)生第二電流信號。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器和電阻分壓器，該電阻分壓器作為連接在放大器的反相輸入端和輸出端之間的負(fù)反饋通路。
21.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括串聯(lián)連接的調(diào)制器、放大器和解調(diào)器。
22.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器、開關(guān)、電容器和濾波器，該開關(guān)與電容器并聯(lián)連接，并連接在放大器的反相端和輸出端之間，而且放大器的輸出端連接到濾波器。
23.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器還包括放大器、第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第一電容器和第二電容器，該放大器具有主反相輸入端、輔反相輸入端和輸出端，其中第一開關(guān)連接在放大器的主反相輸入端和地之間，第二開關(guān)連接在主反相輸入端和第三開關(guān)之間，第三開關(guān)連接在第二開關(guān)和放大器的輸出端之間，且第四開關(guān)連接在放大器的輔反相輸入端和輸出端之間，其中第一電容器連接在主反相輸入端和第三開關(guān)之間，且第二開關(guān)連接在輔反相輸入端和地之間。
24.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述補(bǔ)償電路還包括并聯(lián)連接的復(fù)制感光器和電阻器，該復(fù)制感光器是被屏蔽的并產(chǎn)生了暗電流，且其中由補(bǔ)償電路產(chǎn)生的第二輸出信號具有一個(gè)值，該值由暗電流和電阻器來確定。
25.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述減法電路還包括兩個(gè)電壓跟隨器和一電流反射鏡，以減小由感光器產(chǎn)生的噪聲，兩個(gè)電壓跟隨器中的每一個(gè)都連接到電流鏡。
26.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述放大器還包括電流鏡。
27.一種用于減小由第一感光器產(chǎn)生的噪聲的方法，其特征在于，包括下述步驟產(chǎn)生反射環(huán)境光的第一電壓信號的步驟，第一感光器是零偏置的；產(chǎn)生來自第二光電檢波器的第二電壓信號的步驟，第二感光器是被屏蔽的；從第一電壓信號中減去第二電壓信號以減小噪聲的步驟；以及通過該減法運(yùn)算產(chǎn)生電流信號的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括放大電流信號的步驟。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生第一電壓信號的步驟還包括產(chǎn)生表示在感光器周圍的環(huán)境光的電流的步驟；以及將該電流轉(zhuǎn)換成第一電壓信號的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述電流包括光電流和暗電流。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生第二電壓的步驟還包括在第二感光器上產(chǎn)生暗電流的步驟；以及產(chǎn)生基于暗電流的第二電壓信號的步驟。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有補(bǔ)償能力的光探測器。該光探測器包括感光器、轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償電路、減法電路和放大器。感光器能檢測環(huán)境光，產(chǎn)生代表環(huán)境光的電流信號，并且傳遞此電流信號至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器能將該電流信號轉(zhuǎn)換成第一電壓信號。補(bǔ)償電路包括被屏蔽的光電二極管和電阻器，并產(chǎn)生合適的第二電壓信號。減法電路能夠從第一電壓信號中減去第二電壓信號，并產(chǎn)生一電流信號，該電流信號只是取決于環(huán)境光。放大器能放大該電流信號并產(chǎn)生更大的電流信號給外部負(fù)載。
文檔編號G01J1/02GK1945240SQ20061014067
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月3日
發(fā)明者彭加, 林中, 王興業(yè) 申請人:美國凹凸微系有限公司