模式切换的电路结构的制作方法

本申请要求2014年7月25日提交的、题为“Circuit Architecture for Mode Switch”的美国临时专利申请序列号No.62/029,361的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及集成电路领域，特别涉及电流检测器。

背景技术：

光电二极管(也称为“光电检测器”)是能够将光转换成电流或电压的传感器的类型。通常，光电二极管是具有PIN或PN连接结构的半导体器件。当足够能量的光子撞击光电二极管时，其激发电子，产生自由电子和带正电荷的电子空穴。空穴朝向阳极移动，电子朝向阴极移动，并且产生与光电二极管上的入射光的量成比例的光电流。

其它类型的传感器包括例如、热电、压电或电容传感器。

所有这些传感器是常见的，因为它们包括一对电极，并且当被它们各自的刺激刺激时，跨电极的电荷状态改变。然后可以使用由跨越电极的改变的电荷状态产生的电流来检测和量化刺激。例如，当光入射在光电二极管上时，光电二极管在其电极两端产生电荷状态的变化。换句话说，光电二极管在存在光的情况下产生电流(其可以称为“光电流”)，其中电流与入射在光电二极管上的光的量成比例。类似地，热电传感器在加热或冷却时在其电极两端产生电荷状态的变化，压电传感器响应于其机械取向的变化而在其电极上产生电荷状态的变化(例如，应变)，而电容传感器是其中环境中的变化改变感测元件的有效电容，其又改变保持电荷的容量的传感器。

对于这种传感器以及根据检测电荷状态的变化的类似原理操作的其它传感器，可能期望能够检测和量化源自特定感兴趣源的刺激以及源自所有的刺激除了感兴趣的来源之外的其他来源。例如，在光电二极管的上下文中，可能期望检测和量化对由光电二极管产生的电流的贡献，这是由于检测由感兴趣的特定光源(例如光源)产生的光，特定的发光二极管(LED)，以及检测和量化由于除了感兴趣的光源之外的所有其它光源产生的光的检测而对光电流的贡献。

技术实现要素：

本公开涉及电流检测模块，其能够区分和量化由传感器产生的电流信号的贡献，该电流信号是由来自感兴趣的源(目标源)以外的源的贡献的刺激的结果(环境源)。只要来自目标源的贡献包括脉冲信号，模块就使其自身与脉冲同步，使得在脉冲和由模块的各个级执行的功能之间存在预定的相位关系。该模块可以被重新使用以通过将来自环境源的贡献作为一个或多个脉冲提供给电流检测模块来提供对来自环境源的传感器生成的电流信号的贡献的高精度检测和量化，其接着触发模块的同步。为此，提供了一种检测系统，其实现如本文所述的电流检测模块，并且允许模式切换，其中取决于所选择的操作模式，电流检测模块被配置为执行不同种类的测量。

因此，在本公开的一个方面中，检测系统包括被配置为生成电流信号的传感器，其中电流信号包括至少第一部分，该第一部分包括对来自预定义源(即，感兴趣的源)和/或包括对来自除预定源之外的一个或多个源的电流信号的贡献的第二部分，这样的其他源在本文中被称为“环境源”。检测系统还包括电流检测模块接收由传感器产生的电流信号，并产生指示电流信号的第一部分的数字值和/或指示电流信号的第二部分的数字值。

此外，检测系统还包括模式开关，其被配置为将电流检测模块设置为以第一模式，第二模式和第三模式中的至少一个模式操作。在第一模式中，电流检测模块与预定义源同步，并且被配置为生成指示第一部分的数字值(即，电流检测模块被配置为检测来自感兴趣源的对电流信号的贡献，而在电流检测模块的噪声之下消除，减少或渲染对来自除了感兴趣的源之外的源的电流信号的贡献)。在第二模式中，电流检测模块被配置为当对电流检测模块的对第二部分的贡献小于阈值时产生指示至少第二部分的数字值(即，电流检测模块被配置为仅检测来自环境源的对电流信号的贡献)来自除所述预定义源之外的所述一个或多个源的电流信号在第一值范围内。在第三模式中，电流检测模块被配置为当对电流检测模块的对第二部分的贡献小于阈值时产生指示至少第二部分的数字值(即，电流检测模块被配置为仅检测来自环境源的对电流信号的贡献)来自除所述预定源之外的所述一个或多个源的电流信号处于第二值范围内，所述第二值范围具有高于所述第一值范围的上端的上端(即，环境源导致更大的电流)。

应当注意，在各种实施例中，第一和第二部分两者不需要总是存在(例如，感兴趣的源可以是关闭的，或者可以没有或可以忽略来自环境源的贡献)如果两者都存在，并不总是需要测量。此外，在第二和第三模式的一些实施例中，电流检测模块可以被配置为生成不仅指示第二部分而且指示第一部分的数字值(即，电流检测模块被配置为检测对来自感兴趣的源和环境源的电流信号)。

如本领域技术人员将理解的，本公开的各方面可以以各种方式实现，例如，作为方法，系统，计算机程序产品或计算机可读存储介质。因此，本公开的各方面可以采取完全硬件实施例，完全软件实施例(包括固件，常驻软件，微代码等)或者可以全部统称为软件和软件实施例的软件和硬件方面的实施例的形式在本文中称为“电路”，“模块”或“系统”。在本公开中描述的功能可以被实现为由一个或多个处理单元执行的算法，例如，一个或多个计算机的一个或多个微处理器。在各种实施例中，本文所述的每个方法的不同步骤和步骤的部分可以由不同的处理单元执行。此外，本公开的各方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述计算机可读介质优选地是非暂时的，具有在其上实现(例如存储)的计算机可读程序代码。在各种实施例中，这样的计算机程序可以例如被下载(更新)到现有的设备和系统(例如，到现有的电流检测模块或这样的模块的控制器等)或者在制造这些设备时被存储，以及系统。

本公开的其它特征和优点从以下描述和权利要求中显而易见。

附图说明

在为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，参考结合附图进行的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1是根据本公开的一些实施例的电流检测模块的电路架构的简化电路图；

图2是示出根据本公开的一些实施例的与电路架构相关联的测量的示例细节的简化图；

图3是根据本公开的一些实施例的与电路架构相关联的测量的其他示例细节的简化图；

图4是根据本公开的一些实施例的与电路架构相关联的测量的又一示例细节的简化图；

图5是根据本公开的一些实施例的与电路架构相关联的应用的示例细节的简化图；

图6是电路架构的另一实施例的简化框图；

图7是根据本公开的一些实施例的电路架构的实施例的应用的示例细节的简化框图；和

图8是电路架构的另一实施例的简化电路图；

图9是根据本公开的一些实施例的具有模式切换的检测系统的简化图；

图10是根据本公开的一些实施例的传感器的简化图；

图11是根据本公开的一些实施例的模式切换的简化图；

图12是根据本公开的其他实施例的模式开关的简化图；

图13是根据本公开的一些实施例的具有模式切换的电路架构的简化电路图；

图14是示出根据本公开的一些实施例的随时间输入到模式开关的LED脉冲的曲线图；

图15A-15D示出根据本公开的一些实施例的具有模式切换的检测系统的四种操作模式的时序图；和

图16是根据本公开的一些实施例的总结具有模式切换的检测系统的四种操作模式的表格。

具体实施方式

示例性电流检测模块

本公开的实施例基于电流检测模块的使用，该电流检测模块能够区分和量化(即测量)由感兴趣的某个源产生的对电流信号的贡献，来自除了预定源兴趣，即环境源。只要对来自预定源的电流信号的贡献包括脉冲信号(以下称为“感兴趣的脉冲”)，电流检测模块被配置为使其自身与脉冲同步，在脉冲和由电流检测模块(以下称为“接收器电路”)的各个级执行的功能之间存在预定的相位关系。感兴趣的源的脉冲信号可以包括一个脉冲或多个脉冲，其中脉冲可以包括一个或多个频率分量。环境源还可以包含多个频率分量，甚至可能包括与预定义的感兴趣的源的脉冲的分量相同的分量。因为存在于感兴趣的脉冲中的频率被同步到接收器电路(即，与电流检测模块的时钟同步)，所以在电流检测模块和每个频率分量之间存在某种已知的相位关系感兴趣的脉冲(该相位关系对于感兴趣的脉冲中的不同频率可以是不同的，但是仍然提前知道)。电流检测模块被设计为同步地并且以需要接收器电路和感兴趣的源之间的精确的相位关系的方式来检测脉冲。虽然环境源可以包含与感兴趣的源相同的频率分量，但是环境源不可能精确地包含组成感兴趣的脉冲的相同的幅度和相位(即，环境源不可能与电流检测模块同步)。结果，即使环境源包含与感兴趣的脉冲非常相似或相同的频率，存在于环境中的频率也是平均的。

需要检测和测量来自所有其它可能源的预定义的感兴趣的源的贡献的大部分现有技术方法是基于通过选择感兴趣的源的频率不同于在环境中存在的频率。本申请的发明人意识到这种方法并不总是成功的，因为环境的内容通常是不可预测的。本申请的发明人进一步认识到，通过使接收器电路与感兴趣的信号的脉冲同步，可以在存在来自一个或多个环境源的贡献的情况下检测和测量来自感兴趣的源的贡献，而不必选择频率对于不同于环境的感兴趣信号的脉冲(即，频率分量可以是相同的)。

现在参考由光电二极管响应于检测来自光源的光而产生的光电流信号的测量来更详细地描述这种模块的示例性电流检测模块和功能(即，对于电流检测模块用于检测光电流)。然而，本文提供的教导同样适用于被配置为检测除了光电二极管之外的传感器或电荷发生器(例如但不限于热电，压电或电容传感器)产生的电流的电流检测模块。对于所有这些传感器(即某种类型的电荷发生器)，下面描述的用于光电二极管的一般设置是适用的，其中传感器产生可能包含可以被认为是两个“源”的贡献的电流信号。一个“源”是感兴趣的特定源(即，感测感兴趣的一些事件的传感器-例如由光电二极管检测到的由特定LED产生的光，由于由热电传感器检测的感兴趣的特定源引起的温度变化，由热电传感器引起的机械变形由压电传感器检测的特定力/感兴趣源，由例如由电容传感器检测的人或触笔触摸等)。其他“源”可以被认为包括除了感兴趣的源之外的可能引起传感器的电荷状态的改变的一切。这样的源被称为“环境源”。换句话说，感测来自感兴趣源的贡献的相同传感器也可以(或者在感兴趣的源不提供任何贡献的情况下)感测其他事物-例如光电二极管可以检测环境光，电容传感器可以感测不是人或指示笔等的触摸。所有这些传感器的一个共同目标可以是能够区分和量化对由传感器。

现在参考作为传感器的光电二极管的示例，本公开的一些实施例提供对来自光源的光电流信号的测量，其可以是同步的(例如，特定调制的)。

公共光电二极管电路(例如，光电二极管放大器)通常被配置用于低噪声，宽带宽和高动态范围中的一个。这种电路通常不同时提供所有三个特性(低噪声，宽带宽和高动态范围)。即使一些电路确实提供所有三个特性，这样的电路可能需要高功率，或可能不提供目标光源的高信号提取(特别是在存在大量的环境光的情况下，这被认为是干扰并且作用类似噪声)，或者可能不灵活以适应不同的采样模式或多个信道。

例如，Burr Brown的OPT201集成光电二极管和放大器提供低噪声操作，但是没有任何方法来区分不同类型的光源。在另一个例子中，New Focus公司的1601和1611高速光接收器具有大的增益带宽(GBW)、低噪声、高驱动能力和大的动态范围，以实现宽带低噪声检测分布在光纤上的信号光电缆，或者在诸如高分辨率光谱，光纤传感器和光学测量的应用中找到。光接收器包括硅或InGaAs PIN光电二极管，后面是低噪声放大器。然而，这些光接收器不能对多个通道进行采样，并且被设计成使得不需要区分落在传感器预定义的感兴趣的源和环境上的不同类型的光。

转向图1，图1是可以用作本文所述的电流检测模块的电路10的简化框图。电路10被配置为同时提供低噪声和低功耗(除其他特征之外)，同时避免除了感兴趣的源之外的不相关源的干扰(对于传感器是光电二极管的示例，这种不相关的源例如是阳光、背景光、环境光)。此外，电路架构被配置为具有高动态范围，对于作为光电二极管的传感器的示例，其适合用于存在强环境源，例如阳光。电路架构可以扩展到多个通道，例如，在涉及同时读取多个传感器(例如多个光电二极管)信号的应用中。

根据各种实施例，电路10可以基本上同时提供以下特征：低噪声、高动态范围、不相关环境源的高拒斥、锁定或目标源(即，感兴趣的源)的高信号提取、低功耗操作以及针对不同采样模式的灵活性。此外，电路10可以允许用于模数转换的多个通道的同时采样，改善第一模式中的环境信号抑制以及测量第二模式中的环境信号。一个示例是当传感器是光电二极管时在第一模式中的环境光拒绝(ALR)。多个通道由单个且通常更精确的模数转换器(ADC)服务，同时保持对所有通道的同时测量。

根据具体实施例，电路10可以包括传感器12，其检测来自感兴趣的目标源14的刺激，例如接收来自光源14的光的光电二极管12。由传感器12产生的电流信号可包括低占空比的单个脉冲或低占空比的多脉冲串(例如，取决于目标源14的占空比)。在一些实施例中，目标源14可以由耦合到电路10的集成电路(未示出)调制。

根据各种实施例，电路10可包括四个级16、18、20和22。级16可包括跨阻抗放大器(TIA)，其可放大来自传感器12的电流信号并产生低噪声信号。跨阻放大器还可以将电流信号转换为输出端的电压。级16包括与例如连接到R-C反馈回路中的运算放大器(op-amp)28的反馈电阻器26(Rf)并联的反馈电容24(Cf)，以减小噪声并稳定电路。

对于带宽在放大器带宽内的任何感兴趣的源14(包括DC源，例如用于传感器的示例的DC光，其是光电二极管)可以由放大器28放大。一般来说，基于反馈电阻器26的电容对电阻值Rf和反馈电容器24的电容值C_f的相对值，传感器的电容可以影响噪声增益。将级16配置为第一级可提供增加的灵活性以使过量噪声增益最小化。在一般意义上，电路10中的两个主要噪声源包括反馈电阻器26的约翰逊噪声和放大器28的输入电压噪声。为了减小约翰逊噪声，反馈电阻器26的电阻值R f可以选择为尽可能大，以与传感器12和其他部件的给定布置所预期的最大DC电流一致。这种配置可以提供与总DC电流一致的最小放大器噪声。可以选择反馈电容器24的电容值Cf以根据需要改变电流信号的带宽(其可以是大约1/τ的数量级，其中τ是指输入脉冲持续时间)。级16还可以包括另外滤除光电流信号中的高频噪声的低通滤波器(LPF)30。LPF 30还可以增加由传感器12生成的电流信号的脉冲的持续时间(其可以与(同步的)目标源14的脉冲持续时间一致)。LPF 30的频率阈值可以根据具体需要根据期望(或测量)的噪声特性来配置。

级18可以包括具有频率f_ac的有源或无源的高通滤波器以及提供AC耦合的电容器。级18可以消除低频(例如，去除DC)并且允许在后续级中提供高增益。来自级16的脉冲输出通过具有由级18移除的低频分量而被滤波，从而提供零交叉点，其中电流信号的幅度从正变为负。级18可以消除来自级16的一些噪声分量以及来自环境信号(例如，环境光)或不相关环境源的高频噪声和较低频率电流。

在一些实施例中，来自目标源14的方形脉冲整形信号可以通过LPF 30和级18的滤波动作来修改以消除低频。可以选择阶段16和18的拐角频率(例如，在流过能量的能量开始减小(衰减或反射)的频率响应中的边界)，以最大化信号测量并提供ALR。例如，级18的高通滤波器的转角频率可以设置为大到0.5/t。该选择也可以受在下一级20中选择的积分时间的影响。

阶段20可以包括积分和解调。单极切换开关34可以基于来自定时器36的时钟来切换输入信号。定时器36的时钟周期可以被配置为匹配来自级18的光电流信号的零交叉点。当零交叉开关34可以从积分放大器38(1)切换到积分放大器38(2)。当开关34连接到正积分放大器38(1)时，两个积分放大器38(1)和38(2)可以用于连续积分在来自级18的信号的正部分上，当开关34连接到负积分放大器38(2)时来自级18的信号。正积分放大器38(1)和负积分放大器38(2)中的每一个可以包括被配置为使其中的运算放大器能够作为积分器操作的电容器C_int。在一些实施例中，开关SW2可以用于例如在每个转换周期之后或在多个积分阶段之后重置正积分放大器38(1)和负积分放大器38(2)。

正积分放大器38(1)和负积分放大器38(2)(通常单独称为“积分器”38)中的每一个都像存储元件一样工作，产生与其输入的积分成比例的输出电压输出电流(从前一级的电压输出转换而来)。换句话说，输出电压的幅度由当通过反馈回路(包括C_int)的电流对电容器C_int充电或放电时输入电压存在的时间长度(积分周期t_int)确定。该电路通过使来自级18的输入电流对电容器Cint随时间充电的电流通过而运行。当级18的输入电流首先施加到积分器时，反馈电容器C_int开始充电，并且输出电压由总电荷(其是输入电流随时间的积分)。

正积分放大器38(1)可产生正积分值40(Q+)，其为来自级18的交流信号的正振幅的随时间的积分，且负积分放大器38(2)可产生负积分值42(Q-)，其是来自级18的交流信号的负幅度随时间的积分。积分时段t_int可基于特定需要在宽范围内配置。积分周期的开始可以由微计算机中的定时器36，简单的可编程电路或其他合适的组件来控制。可以选择放大器的增益以在级22处通过模数转换器(ADC)44(因为环境光的DC和低频分量在级18之后被很大程度地去除)来优化转换。在正级和负积分周期，积分周期tint中的基本上所有电流可以被积分，并且电压可以被保持在阶段20的输出处。电压可以在由差分放大器转换之前被减去，或者被ADC 44转换，然后被数字地。

数学上，积分和相减类似于低通滤波器和“锁定”滤波器以进一步去除环境源的噪声伪像，同时放大电流信号。例如，开关34的相位可以被调节以向源自远距离系统的信号提供“锁定”功能。假定，仅仅为了说明的目的而不是作为限制，远距离的光源产生以速率R重复的N个脉冲串。定时器36可以被配置为锁定到生成N个脉冲的时钟的相位。因此，可以构造锁相环以测量远距离光源的光强度。正积分放大器38(1)和负积分放大器38(2)可以一起提供增加的ALR。输出40和42可以在阶段22馈送到ADC(或与微控制器集成的ADC)44以执行进一步的操作。

ADC 44可以读取级20的输出电压，并且其中的控制器可以例如通过暂时关闭SW2来复位积分器38(1)和38(2)，以开始新的积分周期。复位可以在每个脉冲结束时或在一组脉冲结束时发生。除了来自基本上所有环境干扰的电荷之外，作为检测来自目标源14的激励的结果，级20处的电压可以表示沉积在传感器12处的信号电荷。在示例实施例中，可以将脉冲加在一起，从而在ADC 44之后数字地增加信号强度和减少噪声和干扰。在另一示例实施例中，可以在模拟域中添加脉冲，直到SW2复位积分电容器C_int。电路10的实施例可以允许电路架构延伸到超短脉冲，例如在纳秒和皮秒域中，而基本上不增加ADC 44的速度。可以促进高动态范围，因为脉冲的数字相加可以在更多的脉冲，几乎没有限制，比积分电容C_int上允许的任何模拟加法。

根据各种实施例，由传感器12产生的输入电流可以在阶段16转换为电压。电压信号的任何频率成分可以由状态18的带通滤波函数整形。阶段18的输出电压可以例如，使用合适的电阻器被转换回电流，并且在正和负周期上随着时间t_int与电容器C_int集成。电路10的行为的至少一部分可以由以下等式表示：

V_TIA＝i_p×R_f

V_ac＝BPF(f_filt)×V_TIA

其中V_TIA是级16处的输出电压；i_p是来自传感器12的电流(例如，作为光电二极管的传感器12的示例的光伏电流)；Rf是反馈电阻26的电阻；V_ac是级18处的输出电压；BPF(f_filt)是级18的带通滤波器整形函数；V_int是级20处的输出电压；R_in是级20处的电阻器(未示出)的电阻；C_int是级20处的电容；以及t_int是积分时间。

例如，可以选择Rf以防止在阶段16用高量的低频环境源(例如，低频)饱和。阳光。可以选择拐角频率以在阶段18传输大部分信号脉冲的同时最小化干扰。此外，R_in和C_int的选择可以允许阶段20处的信号增益与阶段22处的ADC输入范围匹配。此外，模拟的多个周期在具有数字积分的多个脉冲上集成在ADC 44处可以允许大的动态范围。

在一些实施例中，由于放大器和ADC的系统可以在脉冲之间降低功率，由目标源14产生的强烈短脉冲对于低功率操作可以执行得更好。此外，对于同步目标源14消耗的相同净功率，可以通过使用可由驱动器电路产生的最短可能的脉冲来最大化信噪比(SNR)。(最短可能脉冲可受到可用的峰值电流输出限制。)在一些实施例中，电路10可以动态地或编程地配置，例如通过改变C_f，R_f，C_int和其它无源部件值和拐角频率值如预期的。

在一些实施例中，由传感器12产生的电流信号的低频(例如，DC)分量可通过将级16直接连接到ADC 44的输入来测量。或者，可通过连接在具有低电平的环境信号的实施例中，正和负积分放大器38(1)和38(2)中的一个分别与正级积分放大器38(1)和负积分放大器38，可以直接连接到传感器12，绕过级16和18。

根据各种实施例，在已经以物理形式实现电路之后，级16、18和20的至少一些组件是可编程的(例如，根据用户规范可调节的组件值)。组件值可以手动地或通过合适的计算设备或控制器来编程。例如，反馈电容器24的电容Cf，反馈电阻器26的电阻Rf；带通滤波器整形函数BPF(f_filt)，电阻Rin，电容C_int等可以根据其中使用电路10的应用来编程。因此，电路10的相同物理表示可以在一个应用(例如，在受控环境光中使用的光电容积脉搏波描记术(PPG)系统)中具有第一组成分值，并且在不同应用中具有不同的第二组成分值，在不受控制的环境光中使用的无线传感器)。

转向图2，图2是示出根据电路10的实施例的示例信号图50的简化图。仅仅为了示例目的，而不是作为限制，脉冲持续时间t被设置为1μs，以及(阶段18的)高通滤波器转角频率设置为300kHz或0.3/t。阶段的输出被称为输入以允许容易的比较。来自同步光源的输入光电流脉冲52可以产生在级16和18之后示出的光电流信号54。信号54指示具有零交叉点的AC信号。零交叉点可以设置积分周期持续时间t_int。正和负积分周期可以由线56表示，线56也具有与信号54的过零点重合的零交叉点。

转向图3，图3是示出根据电路10的实施例的示例信号图60的简化图。来自同步光源的输入光电流脉冲62可以导致光电流信号64，如阶段16和18所示。信号64是具有零交叉点的AC信号。零交叉点可以设置积分周期持续时间t_int。正和负积分周期可以由线66表示，线66也具有与信号64的过零点重合的零交叉点。输入光电流信号62可以被生成为脉冲(例如，具有短的1μs脉冲)。信号64的每个脉冲可以通过级16和18的作用而成形。正和负积分循环被应用于脉冲序列中的每个脉冲。可以基于稳定时间来配置脉冲之间的间隔ts，或者使来自环境光的特别主要的频率分量(如果有的话)的任何影响最小化。

转向图4，图4是示出了示出干扰环境光的频率上的输入电荷的曲线图80的简化图。曲线图80示出了根据电路10的环境光的抑制。仅仅为了说明的目的，而不是作为限制，假设环境中的光源具有频率f。进一步假定环境光的相位以某种方式同步以在环境光的每个可能频率(沿着x轴指示)处产生最坏情况的干扰。在该频率下产生的光电流信号的测量幅度可以通过所有四个级16、18、20和22的作用减小。在多个脉冲串的情况下，抑制可以进一步增加。

使用16个脉冲产生曲线图80，并且将输入参考积分电流(阶段22之后)计算为Y轴上的电荷。根据电路10的实施例，可以观察到在低于50kHz的频率下几乎100倍的ALR。许多环境光源(例如荧光灯和发光二极管(LED)灯)具有低频率的组件。诸如120Hz的非常低的频率可以被超过1000的因素抑制，并且DC光可以被完全阻挡。

可以注意到，电路10的实施例可以抑制在传感器12处注入的电噪声，类似于由环境源产生的电流的抑制。实际上，电路10的部件可能不响应于环境源的刺激或电磁干扰(EMI)或注入电路中的任何其它电噪声而区分由传感器产生的电流，促进在存在电干扰和干扰的情况下的鲁棒性由于环境光源的传感器的检测(例如，传感器12是光电二极管的示例的光学干涉)。

转向图5，图5是示出在光电容积脉搏波描记术系统92中使用的电路10的示例性应用90的简化图。光电容积描记器是用于光学测量有效光透射率或反射率的变化的设备。光电容积描记系统的示例包括脉搏血氧计，心血管监视器和呼吸检测器。图中所示的应用90可以包括脉搏血氧计，但是在实施例的宽范围内，电路10也可以在任何其他类型的光电脉搏描记系统中实现。

应用90的脉冲血氧计可以包括基于特定应用需要连接到光电脉搏描记系统92的光电二极管12和同步光源(例如，红色和红外发光LED)，其可以包括电路10和其他部件。脉搏血氧计可以附接到器官(例如，指尖，手腕等)94(例如，正在监视其脉搏的患者)的器官或以其他方式放置在器官附近。由同步光源14发射的光可以在其到达光电二极管12之前被器官(例如皮肤，周围组织和指尖处的血液)部分反射，透射，吸收和/或散射。来自光电二极管12可以提供器官的测量，例如，指示脉搏率或氧含量等。

当前可用的脉搏血氧计和其他光体积描记仪系统使用帽，防光外壳和其它这样的装置，以防止环境/背景光在光电容积脉搏波描记系统中产生噪声。对于电路10，不需要使用这种光阻挡外壳(例如，盖，盒等)，因为电路10包括足以克服环境和其他背景光噪声的降噪能力。此外，由于电路10的噪声降低特性及其随后降低的对环境光和DC光的灵敏度，可以基于方便因素而不是噪声减小来配置同步光源14和光电二极管12之间的距离。

转到图6，图6是示出电路10的另一实施例的简化框图。图6中所示的作为光电二极管12的多个(例如，四个)传感器12可以连接到ADC 44，例如，以从四个不同的空间取向测量光强度。在一些实施例中，每个传感器12可以连接到单独的级16,18和20，其中所有传感器12共享公共ADC 44。每个级20可以向ADC 44提供正积分值和负积分值。ADC 44可在前进到下一级20之前对来自特定级20的输出进行采样，等等，直到其在特定时间间隔内对来自基本上所有级20的输出进行采样。可以根据光源14的功率周期来配置时间间隔，使得ADC 44在光源14掉电之前完成对来自所有级20的输出的采样。

此外，级20的输出可以在积分阶段之后保持恒定直到复位，可以对ADC 44进行多路复用以对每个输出进行采样，而不会影响性能。因此，电路10的实施例可以允许在不牺牲性能的情况下使用具有通道之间的低频率切换的相对较低成本的低速ADC。这种电路架构可以用在专门的传感器应用中，例如，在传感器是光电二极管的情况下使用横向光电二极管，四分检测器或光学角度传感器。利用电路19的实施例的电路架构，输入光和级16、18和20的基本上所有分量的脉冲宽度可以配置有纳秒脉冲，而基本上不影响ADC 44的采样率。

转到图7，图7是示出电路10的示例应用100的简化图。智能电话102可以被配置为基于光信号(而不是触摸)来检测用户104的手势。多个光电二极管12可以配置在智能手机102上(例如，在其显示屏上)。在一些实施例中，可以在智能手机102上提供同步光源14。来自光源14的光可以被用户104反射，并且可以由光电二极管12测量。到达每个光电二极管12的光量可以取决于用户104的特定手势(手，手指或身体位置)。当用户104改变手势，光电二极管12上的光量也可改变。该改变可以通过适当校准的微控制器来计算，以检测手势并导出其适当的含义。利用在这种应用100中实现的电路10，可以减少系统对背景光和其他外部光的灵敏度，而不损害性能。

转向图8，图8是示出电路10的实施例的另一示例配置的简化电路图。代替ADC 44，可以在级22中使用差分放大器110。差分放大器110可以计算差分在输出40和42之间，并将差值发送到ADC 44或其它合适的组件(例如，微处理器，数字信号处理器等)。差分放大器110还可以放大输出40和42中的差，从而基于特定需要增加测量的准确度。

总结以上描述，提供了示例性电路，并且其包括从目标源(例如目标光源)接收信号(例如光信号)并生成电流信号(例如光电二极管)的传感器例如光电流信号)；跨阻抗放大器，其放大电流信号并产生低噪声信号；以及高通滤波器，其将低噪声信号转换为具有正振幅，负振幅和零点的AC信号在正振幅和负振幅之间的交叉点。电路还包括正积分放大器，其接收AC信号的正振幅并在积分周期上产生正积分值；以及负积分放大器，其接收AC信号的负振幅并产生负积分值，积分期。电路还包括接收正和负积分值的至少一个ADC。

在传感器是光电二极管的特定实施例中，电路耦合到光电容积脉搏波描记系统。来自光源的光在到达光电二极管之前反射或透过器官，使得来自光电二极管的光电流信号可以提供器官的测量的指示。光电容积描记系统不必包括遮光外壳以阻挡环境光以进行精确测量。

还提供了一种系统，其包括从一个或多个目标源(例如光源)接收一个或多个信号的多个传感器(例如光电二极管)，其中每个传感器产生电流信号，多个跨阻抗放大器，其中每个跨阻放大器放大来自传感器之一的电流信号并产生低噪声信号，多个高通滤波器，其中每个高通滤波器将来自每个跨阻放大器的低噪声信号，阻抗放大器转换成具有正振幅，负振幅和在正振幅和负振幅之间的零交叉点的AC信号和多个积分器。每个积分器包括正积分放大器，其接收来自每个高通滤波器的AC信号的正振幅，并在积分周期上产生正积分值；以及负积分放大器，其接收来自每个高通的AC信号的负振幅并在积分周期上产生负积分值。该系统还包括接收来自多个积分器的正和负积分值的ADC。

使用带模式切换的电流检测模块

本公开的实施例还基于这样的认识：如上所述的电流检测模块可以被重新用于不仅检测和量化来自预定义的目标源的对电流信号的贡献，而且还提供对来自除了预定义源之外的源的传感器生成的电流信号的贡献的高精度检测和量化。为此，提供了一种检测系统，其实现如上所述的电流检测模块，并且还允许模式切换，其中取决于所选择的操作模式，电流检测模块被配置为执行不同种类的测量。

图9是根据本公开的一些实施例的用于使用具有模式切换的检测系统120的架构112的简化图。如图所示，检测系统120可以包括传感器122，模式开关124和电流检测模块126。

电流检测模块126可以实现为上述电路10。

传感器122可以被实现为上述传感器12，其可以是例如传感器12。光电二极管，热电传感器，压电传感器或电容传感器。一般来说，传感器122可被认为是包括一个或多个电荷收集/产生电容元件的装置，如图10所示。如本文所使用的，传感器的术语“电容元件”是指能够保持一定的电荷，或换句话说，拥有一定的电容。这样的电容元件可以包括有目的地内置在传感器中的电容器，如图10所示，具有一个或多个指定的电容元件132，以及传感器可以固有地具有的电容，而不是有目的地包括(即“寄生电容”内置在传感器本身中和/或恰好在传感器周围的电路元件中)，这种寄生元件在图10中示意性地示出为寄生电容元件134。

传感器122被配置为检测图9中所示的具有去往传感器122的箭头的刺激，该刺激可以源自一个或多个感兴趣的源(在图9中示为“目标源128”)和/或从一个或多个更多的源，其可以包括未被分类为目标源的任何源，在图9中示为“环境源130”。目标源128可以被实现为上述源14，而环境源130可以例如包括对环境光有贡献的各种源(即，所谓的“环境源130”不必是单个确定的源，而是可以包括特定传感器122可以检测到的任何种类的刺激发生器)。

模式开关124被配置为控制电流检测模块126的操作，以便使用相同的电流检测模块126在以下模式中执行不同的测量。在本文所述的被称为“第一模式”和“第四模式”的每一个中，电流检测模块126被配置为检测来自感兴趣的源128的贡献。第一和第四模式在这种贡献检测。在本文所述的被称为“第二模式”和“第三模式”的每一个中，电流检测模块126被配置为检测来自环境源130的贡献。第二和第三模式在产生的信号强度的范围由环境源130可以被正确地测量。特别地，第二模式可用于检测来自处于某一第一振幅范围内的环境源的贡献，而第三模式可用于检测较高幅度范围内的贡献(该振幅可过度饱和传感器122，导致不正确测量，如果在第二模式中测量)。为了控制不同的操作模式，模式开关124可以被配置为确保传感器122，电流检测模块126和目标源128中的一个或多个被同步(该同步在下面更详细地描述)，如在图9在模式开关124和这些元件中的每一个之间具有虚线箭头。

在各种实施例中，由模式开关124提供的功能可以以不同的方式实现。在软件，硬件，软件和硬件的组合等。

图11示出了以软件实现模式开关124的一个示例。在这样的实施例中，模式开关124可以包括至少一个处理器136和至少一个存储器元件138，以及任何其他合适的硬件和/或软件以实现其预期功能。模式开关124可以被认为包括被配置为执行本文所述的与模式切换和同步相关的功能的一个或多个模块(图11中未示出)以及接口(图11中未示出)，以实现与其他设备传感器122，电流检测模块126和目标源128。作为执行本文描述的功能的结果，模式开关124可以确保电流检测模块126在这些模式之一中适当地执行测量。可选地，在不同的实施例中，各种储存库(图11中未示出)可以与模式开关124相关联，包括但不限于例如。存储与目标源128相关的信息的储存库，存储指示传感器122的规格和限制的信息的储存库等。

图12示出了以硬件实现模式开关124的一个示例。在这种实现中，模式开关124可以被配置为实际开关，其可以处于以下位置之一：位置142，其中模式开关124将传感器122的输出连接到第一级的输入(即，TIA)(即，作为传感器122接收刺激的结果，电流可以从传感器122流动到电流检测模块126)；以及电流检测模块126(例如，位置144，其中模式开关124连接传感器122的输出没有连接到任何东西(即，因为传感器122的输出打开，电流不能从传感器122流动，并且作为接收刺激的结果，传感器122累积电荷，称为传感器122的“浮动”)；或位置146，其中模式开关124将传感器122的输出连接到预定的参考电压。到电流检测模块126的第一级中的TIA的共模(CM)节点或一些其它参考电压(即，不管传感器122正在接收多少刺激，传感器122保持在参考电压)。在可选实施例中，模式开关124可以被配置为将传感器122连接到至少两个不同的参考电压，如位置146中的第一参考电压V_ref1和位置148中的第二参考电压V_ref2。在各种实施例中，模式开关124可以使用任何数量的串联或/和并联连接的开关来实现，以适合于检测系统120的特定部署。在各种实施例中，模式开关124的一个或多个开关可以实现为互补金属氧化物半导体(CMOS)开关。

转到图13，图13是根据本公开的一些实施例的具有模式切换的电路架构150的简化电路图。这样的架构可以用于在传感器处检测和测量来自目标源的输入信号以及检测，测量和消除输入的环境信号中的一个或多个。图13示出了，并且以下提供的描述涉及作为光电二极管的传感器。然而，与上述描述相同，这些教导同样适用于采用如本文所述的电流检测模块和模式切换的检测系统，其被配置为检测由光电二极管以外的传感器或电荷发生器产生的电流，例如但不限于热电，压电或电容传感器。

根据具体实施例，电路架构150可以包括传感器152，其检测来自目标源154的刺激，例如，光电二极管152，其接收来自光源154的光。电路架构150还可包括电流检测模块160，其包括类似于四个级16,18,19的四个级(在图13中表示为级162、164、166和168)20和22。另外，电路架构150可以包括模式开关170。180图13中所示的光电二极管152，LED 154，模式开关170和电流检测模块160可以分别是传感器122，目标源128，模式开关124，以及图9中所示的电流检测模块126。因此，为传感器122，目标源128，模式开关124和电流检测模块126提供的所有讨论适用于图13所示的相应元件，为了简洁，不再重复。

图1和图13的比较揭示了图13示出了如图1所示的电路的四个级，除了有时用不同的符号来表示元件。例如，图1(级1)的TIA 188与图1中的运算放大器(op-amp)28相同，图13(级2)的带通滤波器(BPF)190与AC元件32，图13(级3)的+1/-1积分开关192和积分器194表示与图1的SW1和积分器38(1)和38(2)相同的功能。类似于图1，在图13中，正和负积分值被提供给级4的ADC 198，例如，经由被配置为一次选择一个值的多路复用器196。与图1类似，图13的级1用于降低噪声并稳定电路，图13的级2用于从TIA偏置以及由传感器152产生的电流中去除DC(例如，为低电平提供第一级免疫频率环境信号)，图13的级3用于积分正和负瞬态值(例如，为环境信号提供第二级免疫)，而图13的级4用于数字化积分器输出。

可选地，电路结构可以包括用于在进一步的数字信号处理中使用电路160的测量的电路180。用于手势和/或接近度确定。可选地，电路架构可以被配置为与多于一个目标源一起工作，如LED2 184所示。此外，光电二极管152可以连接到开关200，用于管理光电二极管偏置，该开关可以在光电二极管关闭期间短路。

在实施例中，发送到LED驱动器以脉冲目标LED 154(或任何其它目标源)的逻辑信号可简单地被引导到开关172，使得其脉冲类似于LED。这被示为“PD开关”开关，其将LED脉冲信号引导到开关172。

模式开关170可用于在来自目标源154的测量信号和测量集成环境电荷之间切换。在一个实施例中，如图13所示，模式开关170可以通过包括并联连接的两个开关，开关172和174来实现。在各种实施方式中，模式开关170可以用于，例如，测量与LED脉冲发生器电路同步的LED灯，或者它可以用于测量环境光。根据模式开关170的定时和连接，可以通过相同的电路架构执行四个不同的任务，如下面进一步详细描述的。

在第一模式(正常模式)中，模式开关170用作旁路，以将传感器152的输出连接到电流检测模块160的第一级的TIA 188，并且主要用于测量对LED脉冲，以与上文参考电路10描述的相同的方式(因此，上文针对电路10提供的所有讨论在这里都适用)。在该模式中，目标是测量落在检测器上的光，该光仅对应于由某个目标LED的照射，并且拒绝环境光(其可以包括阳光，光从其他LED或从任何其他光源)。如参照电路10所述和图14所示，这是在四个阶段完成的：(1)放大光电流并将其转换成电压(TIA阶段)，(2)使阶段1的输出通过BPF 190以去除主要由环境光组成的光电流的DC部分，因为LED脉冲的持续时间相对较短(参见图14中的LED脉冲和BPF的输出)，(3)将级2的AC输出与在零交叉处切换符号的积分器192-194(参见图14中的积分脉冲)，以及4)使用ADC 198利用可选的MUX 196数字化积分器输出，以允许多个通道共享单个ADC。

如上所述，在第一模式中，电流检测模块160可以提供来自环境光的两个级别的保护。首先，在阶段2中减少或阻挡低DC光。然后，阶段3的积分器的正和负积分进一步减少或阻挡任何剩余的环境光。因此，架构150允许消除环境信号，而不对电路贡献额外的计算负荷。如本文所使用的，在本文中，术语“消除”是指消除环境信号，减少环境信号或使环境信号低于电流检测模块的噪声。

因此，模式开关170用作旁路，并且电路架构的其余部分消除环境光。在一个示例中，脉冲LED光落在模式开关170上。图14示出根据本公开的一些实施例的随时间的输入到模式开关170的LED脉冲的曲线图。闪烁的LED灯导致传感器152产生具有“”LED脉冲“的如图14所示的电流脉冲。如电路架构150所示，由传感器152响应于LED 154产生的光而产生的方波电脉冲被输入到TIA 188中，并且脉冲可以在级1中被带通滤波(例如，利用低通滤波器30，如图1所示)。然后脉冲通过AC滤波器以去除DC(即，通过级2的BPF 190)，其中该级的输出在图14中用“O/P BPF”示出。积分器用于恢复电荷，其由曲线O/P BPF下的面积表示，并且消除通过BPF 190的任何DC。积分器在周期的第一(正)相中使用正积分，并且在第二(负)相，以便添加周期的两个部分并捕获电荷。在第一模式中，如本文所述的电流检测模块的四级中的操作导致环境光的优异的抑制，而仅测量从目标LED的LED脉冲到达检测器的光子的总数。为了实现这样的操作，架构150的各个部分需要被同步，其中除了由在实现架构150的各种元件中做出的设计选择来提供外，同步可以由模式开关170控制/管理。同步对于本文所述的电流检测模块的其它操作模式也是重要的。下面参照图15A-15D描述这种同步。

图15A-15D示出根据本公开的一些实施例的具有模式切换的检测系统的四种操作模式的时序图。图15A-15D中的每一个示出了示出各个元件之间的时间同步的五行。图15A-15D中的每一个中的第一行示出了模式开关170的状态。图15A-15D中的每一个中的第二行示出了由感兴趣的源(例如，由目标LED产生的LED脉冲)产生的刺激(信号))。图15A-15D的每一个中的第三行示出了提供给电流检测模块的第一级(TIA 188)的输入信号。图15A-15D的每一个中的第四行示出了电流检测模块的第二级(BPF 190)的输出。图15A-15D中的每一个中的第五行示出了电流检测模块的级3中的开关192对积分符号的切换。图15A-15D的时序图表示接收和处理信号的信号链中的事件的相对顺序。本文所述的检测系统的元件之间的同步指的是这些事件在每个测量模式中具有特定且良好定义的关系的事实。

在图15A中示出了第一模式的时序图。在第一模式中，来自LED 154的光(或由任何其它目标源产生的刺激)到达光电二极管152(或任何其它适当的传感器)，引发事件序列。换句话说，由目标源产生的信号脉冲到达传感器控制由电流检测模块执行的操作的定时。图15A的第一行示出了在第一模式中，模式开关170闭合(即，光电二极管152的输出连接到电流检测模块160的第一级输入)。由LED 154(在图15A的第二行中示出)产生的LED脉冲由光电二极管152检测，并且光电二极管152产生流到TIA 188(在图15A的第三行中示出)的电流。正如本领域普通技术人员将立即认识到的那样，通常在图15A(和其它图15)的第三行中所示的LED脉冲和在图15A的第三行中示出的TIA脉冲之间存在一定的时间延迟，延迟是常见的并且与本文所述的检测系统的元件的同步无关，但是在图15A(和其他图15)中未示出。

由目标源产生的刺激(例如LED脉冲的宽度)以及电流检测模块的各种电路元件的值，例如，TIA 188的带宽，BPF 190的拐角频率等等定义从LED脉冲的开始到在BPF的输出中发生零交叉的时间的时间延迟(在图15A中示出为“t_delay”)换句话说，零交叉的位置取决于目标刺激的值设置和电流检测模块160的电路元件的值。所有这些值由电路或用户固定(例如，用户提供针对目标刺激的设置)，因此零交叉发生在距施加刺激的特定时间t delay处。积分符号应在过零发生时更改。因为检测系统可以确定何时对于感兴趣的特定目标源发生零交叉，所以系统可以被配置为将积分开关192的定时设置为依赖于从+1切换到-1积分(即，相对于)刺激，使得开关192从+1到-1的转变与过零点重合。这在图15A中示出，其中第五行中所示的积分符号在BPF输出中发生过零的同时改变。正是这种特定的关系允许从输入到TIA 188的电流脉冲以这样的方式被积分，使得来自BPF滤波器190的正和负输出对测量信号有贡献，即它们被相加。任何环境光，不管其频率或形状，都不太可能精确地与该内部产生的积分开关重合，并且因此平均而言在正积分阶段和负积分阶段期间被抵消。当添加这些脉冲中的许多脉冲时，由于目标源和电流检测系统之间的这种同步，从目标源产生的电流脉冲将继续添加到先前的值。另一方面，在阶段3的积分的输出处，来自环境源的电流值将具有有时是正的并且有时是负的值(因为积分符号不与环境源同步地切换)，因此将是平均为零。因此，电流检测模块160允许将级3的积分的符号变化同步到感兴趣的脉冲信号，使得针对感兴趣的脉冲信号添加积分器输出，但是环境信号平均被抵消缺乏与符号变化的同步。

应当注意，图15A中所示的第一模式的时序图与图3中所示的时序图相当，除了图3示出了同一图中的各种度量(与图15A的行相反)并且示出由传感器产生的输入电流(“输入光电流脉冲”)而不是由目标源(“LED脉冲”)产生的脉冲。

在第二模式(其可以被称为“浮动”传感器模式)中，一个目标是仅测量环境贡献。在这种情况下，与脉冲目标源154的情况一样，不存在环境源的自然脉冲(因为与可控制的目标源不同，环境源通常不被控制)。然而，在该模式中，模式开关170可以以这样的方式操作，使得传感器152本身可以用作积分器，人为地向电流检测模块160产生什么样的电流脉冲，作为类似于在电流检测模块160中产生的电流脉冲当检测到LED脉冲时的第一模式。为此，与传感器152(例如，指定的电容元件以及如图10所示的寄生电容元件)相关联的电容可以用于对由于接收来自环境源的激励而由传感器产生的电荷进行积分。

第二模式的循环可以由模式开关170开始，确保传感器122的输出没有连接到任何东西(这可以通过例如在图12中示出的位置144中的模式开关来实现，并且可以被认为是模式开关170断开)。这在图15B的第一行中示出，其提供了第二模式的时序图。

在模式开关170打开时，由一个或多个环境源产生的信号由传感器152检测，导致传感器152在传感器的电容器上产生电荷。目标源154可以关闭(即不产生由传感器152检测的信号)，如图15B的第二行所示(无LED脉冲)。因为传感器152的输出没有连接到任何东西，所以电流不能流动，因此电荷积累/积分在传感器152的电容元件上。这继续一段时间(其可以被称为“积分时间”或“浮动时间”)，其可以例如可由用户定义或可由检测系统基于可存储的最大电荷动态地确定。

在该特定时间段之后，模式开关170将传感器152的输出连接到电流检测模块160，如图15B的第一行所示，其中模式开关“闭合”。作为这样做的结果连接时，存储在传感器152的电容性元件上的电荷将通过电流检测模块(例如，通过TIA 188)放电，并产生如图15B的第三行中所示的电流脉冲。就电流检测模块160的其余部分而言，由于传感器152检测由目标源产生的脉冲，该电流脉冲看起来像在第一模式中从传感器152接收的脉冲。换句话说，当在第二模式中，模式开关170首先确保传感器152的输出没有连接到任何东西并且累积电荷，然后将传感器152的输出连接到电流检测模块160时的操作，人为地生成提供给TIA188的电流脉冲。然后可以以类似于在第一模式中如何处理电流脉冲的方式使用电流检测模块160的其余结构，因为如上针对第一模式所描述的，电流检测模块接收到该电流脉冲，其定义了电流检测模块的其他操作和元件的定时。例如，如上所述，零交叉的出现(在图15B的第四行中示出)在接收到TIA脉冲之后的预定时间段之后发生，并且电流检测模块160被配置为将积分器符号阶段3(在图15B的第五行中示出)。

因此，在电流检测模块160的第二操作模式中，向电流检测模块160(通过模式开关170)提供人工生成的电流脉冲允许受益于由电流检测模块160提供的元件之间的同步。模块精确测量脉冲。在该模式中，由于作为传感器152仅检测来自环境源的贡献的结果而产生脉冲(目标源关闭)，由电流检测模块产生的值表示对传感器产生的电流信号的贡献到环境源。换句话说，当被积分时，在第二模式中人工产生的电流脉冲直接表示总的累积电荷，并且因此表示环境的强度。

在第二模式的一些实施例中，电流检测模块160的级2(即BPF 190)可以被移除/旁路，因为在该模式中，不必消除第一模式中环境光的典型的低频/DC贡献。因此，由TIA 188整形的电流脉冲可以直接集成，而不通过BPF级。在这样的实施例中，积分开关的定时可以被调整为包括脉冲在正周期或负周期中的整体积分。当第二级旁路时，在TIA 188的输出中定义过零点。

开关积分器级(级3)保持在第二模式。正负周期消除了许多积分器偏移。如果传感器上的积分时间(即，传感器152浮动的时间)为并且来自环境源的贡献导致传感器152产生电流i_amb，则总电荷Q＝i_amb可以由如本文所述的检测系统测量通过简单地增加浮动时间直到累积在传感器152上的电荷大于测量噪声基底，具有高SNR。

在一些实施方式中，内部泄漏电流可以限制浮动时间。例如，对于尺寸为100微米的相对大的光电二极管，1勒克司光将产生大约4-5pA的电流，当被积分1毫秒时，导致可以测量的8fC的累积电荷。

如前所述，相同的电流检测模块可用于测量来自环境源的贡献或来自目标源产生的同步脉冲的贡献。

在一个实施例中，用于在环境输入中产生脉冲的模式切换功能(如针对第二模式所描述的)可以用包括开关172和174的模式开关170来实现。在这样的实施例中，第一开关172可以连接到当第二开关174断开时，来自传感器152的电荷无处可去，并且模式开关170对传感器上累积的电荷进行积分。然后第二开关174对TIA 188闭合，并且电荷像第一模式中的目标源的脉冲一样被传送到TIA 188。以这种方式，环境信号被捕获并变成脉冲信号。然后以与在第一模式中处理目标源脉冲相同的方式，由电路的其余部分处理脉冲。

第三操作模式还可以用于仅测量环境贡献，但是该模式可以在来自环境源(例如，在强环境光的存在下)的相当强的贡献的情况下特别有利地使用。在这种情况下，可能不期望如第二模式中那样将电荷集成在传感器152上，因为当环境贡献很强时，这种集成可能导致传感器152的饱和(即，达到最大量的在传感器152的电容元件能够保持的电荷)。饱和传感器不能产生精确的测量，因为它被钳位在最大值。这种操作模式还可以有利地用于某些类型的传感器，当在测量期间电压保持恒定时，这些传感器可以更好地起作用，例如，在恒定电压下偏置的热传感器和用于测量强光的光电二极管。在所有这些情况下，可能希望直接测量由传感器152产生的电流，而不像在第二模式中那样对传感器上的电荷进行积分。在这种情况下，模式开关170可以再次用于有效地产生看起来像可以由电流检测模块160处理的电流脉冲的电流脉冲。因此，类似于第二模式，在第三模式中，不存在但是模式开关170可以被操作以人工地产生到电流检测模块160的电流脉冲，作为类似于当检测到LED脉冲时在第一模式中产生的电流脉冲的电流脉冲。电流检测模块160的架构的其余部分可以以类似于在第一模式中如何处理电流脉冲的方式使用，因为电流检测模块接收到该电流脉冲，该电流检测模块定义了其他操作和元件(即，如在第二模式中，可以受益于由模块提供的元件之间的同步以精确地测量脉冲)。

在第三模式中，在某些时间(在图15C中示为“t_Vref”)，模式开关170将传感器152的输出连接到特定参考电压(例如，TIA 188，V_cm的共模电压)使得没有电流通过TIA 188(即，就TIA 188而言，模式开关170断开，如图15C的第一行所示)。此时，如图15C的第二行所示(无LED脉冲)，目标源154可以关闭(即不产生由传感器152检测的信号)，并且只有由一个或多个环境源产生的信号因为传感器152连接到参考电压且未连接到电流检测模块160，所以在时间t_Vref期间没有电流到达TIA 188(如第三行中的图15C所示)。

在某些其它时间(在图15C中示为“t_pulse”)，模式开关170将传感器152的输出连接到放大器188的输入。当这发生时，电流(表示环境源贡献)可以从传感器152流到TIA 188，导致TIA 188接收类似于在第一模式中由目标源进行的电流脉冲的电流脉冲。可以以与上述相同的方式测量电流脉冲的大小。

因此，在第三模式中，模式开关170被配置为从到达传感器152的恒定刺激有效地产生看起来像电流脉冲的电流。这通过脉冲模式开关170连接特定时间量来完成放大器的输入(t脉冲)，否则传感器152保持连接到固定的参考电压，例如，通过图13所示的开关174到放大器的共模电压)。通过这样的实现，传感器在其端子上总是具有相同的电位，并且TIA 188不接收由传感器152产生的电流，除了该电流被瞬时引导到TIA 188中的时间，导致一个或多个电流脉冲TIA 188，如图15C的第三行所示。这样的电流脉冲类似于来自第一模式的目标源的电流脉冲，并且电流检测模块160的其余操作如上文针对第一和第二模式所描述的那样进行，为了简洁起见，这里不再重复。图15C的第四和第五行示出了如上所述的同步。

在一个实施例中，本文所述的第三模式可以通过测量两个不同参考电压之间的传感器节点来修改，从而随着电压脉冲而测量传感器本身的变化。该实施例可以以与上述第三模式相同的方式实现，除了在图15C中所示的时间为t_Vref时，模式开关170将传感器152的输出连接到与公共端不同的特定参考电压模式电压V_cm。例如，如果开关174连接到V_ref并且开关172是脉冲的，并且如果V_ref不同于V_cm，则当开关172被脉冲时，传感器上的电势改变。因此，流入放大器的电流不仅取决于环境电流，还取决于当连接到放大器的输入时由于不同电位-V_cm而导致的电荷差异，否则取决于V_ref。这将提供输入脉冲到放大器，即使没有任何环境。该电流的流动纯粹源自电势的变化与网络的电容成正比。简单地说，在“脉冲”期间流入放大器的净电荷为ΔQ＝CΔV，其中两个电位之间的差为ΔV。如前所述，该电容(电容本身，或传感器的状态，例如pyro，PZT，电感等)可以由环境改变并被测量。因此，第三模式的这种修改允许直接测量“传感器的状态”，并因此允许其环境。

在图15D的时序图中示出的第四操作模式可以被认为是上述第一和第二模式的组合，其中使用目标源154的脉冲和传感器152的浮动。在这种情况下，当目标源关闭时(在图15D的第二行中，在时间tf1期间LED脉冲被关闭)，传感器152浮动一定时间段(在图15D中示为“tf1”)，随后传感器152的输出连接到TIA 188的输入达某一时间段(在图15D中示为“t_pulse1”)，导致如上针对第二模式所描述的电流脉冲(在图15D的第三行作为电流脉冲“环境”)。因为目标源154在传感器悬浮的时间关闭，所以该电流脉冲在被积分时(参见图15D的第五行中的第一积分)直接表示总累积电荷，因此仅表示环境的强度。

之后，传感器152再次浮动一定时间段(在图15D中示为“tf2”，该时间段可以但不必须等于t_f1)，除了现在目标源开启(在图15D的第二行中，在时间tf1期间LED脉冲被示出为导通)。由于当目标源开启时，传感器152是浮动的(即，没有电流流向TIA 188)，在该时间tf2期间，累积在传感器152的电容性元件上的电荷归因于环境和目标源。再次，如在上述第二模式中，传感器152的输出然后在一定时间段(在图15D中示为“t_pulse2”)连接到TIA 188的输入，导致如上所述的电流脉冲第二模式(在图15D的第三行中示出为电流脉冲“环境+目标”)，除了现在，因为目标源154在传感器悬浮的时间内接通，所以该电流脉冲在积分时图15D的第五行中的第二积分)直接表示环境源和目标源的组合强度。通过从指示第二脉冲(环境+目标)的测量的值减去由电流检测模块160产生的指示第一脉冲(环境)的测量值的值，获得仅指示目标源的贡献的值。

在第四模式的一些实施例中，模式开关170可以在第一电流脉冲中在传感器152放电之后立即将传感器152的输出与TIA 188断开，如图15D所示。然而，在其他实施例中，这可以在一段时间之后进行，只要该定时使得当发生断开连接时(即，当传感器152再次开始浮动时)目标源被接通。

上面为第二模式提供的考虑可应用，除了目标源有时开启到第四模式之外，因此这里不再重复。特别地，在第四模式(以及第三模式)中，在一些实施例中，电流检测模块160的第二级(BPF)可以被旁路，并且TIA188的输出可以直接呈现给积分器阶段。

第四模式对于环境光弱或具有与脉冲宽度相比较低的调制频率的情况可能是特别有利的，在这种情况下，当与第一模式中的多个脉冲相比时，第四模式可以提供增强的SNR。

对于作为光电二极管的传感器152的示例，上述四种模式在图16的表中总结。

对于作为光电二极管的传感器152的实例，根据各种实施方案，LED光可为任何颜色。例如，可以使用红色或绿色LED灯。类似地，LED脉冲宽度可以是任何选择的宽度，并且在一个示例中，LED脉冲宽度为约3微秒。在其他示例中，LED脉冲宽度小于约3微秒，或大于约3微秒。几纳秒到100微秒的脉冲宽度是LED脉冲宽度的典型范围。可以首先重复测量作为脉冲突发，其本身以从0.01Hz到许多kHz的各种速率重复。

在其他实施例中，当传感器152是光电二极管时，目标光源可以是任何可控光源，不一定是LED。因此，目标光源可以是但不限于例如光源。激光二极管，高/低压气体放电源，无机/有机发光二极管，白炽光源，卤素源等。

变化和实现

注意，在本说明书中，对“一个实施例”、“示例性实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其它实施例”、“替代实施例”等等中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)旨在表示任何这样的特征包括在本公开的一个或多个实施例中，或者可以不必在相同的实施例中组合。

在一个示例实施例中，附图的部分或整个电路可以在相关联的电子设备的主板上实现。主板可以是能够保持电子设备的内部电子系统的各种部件并且还提供用于其他外围设备的连接器的通用电路板。更具体地，主板可以提供电连接，通过该电连接，系统的其他部件可以电通信。基于特定配置需求，处理需求，计算机设计等，可以将任何合适的处理器(包括数字信号处理器，微处理器，支持芯片组等)，存储器元件等适当地耦合到母板。其他组件存储器，附加传感器，用于音频/视频显示的控制器和外围设备可以作为插入卡，经由电缆附接到主板或集成到主板本身中。

在另一示例实施例中，图的部分或整个电路可以被实现为独立模块(例如，具有被配置为执行特定应用或功能的相关组件和电路的设备)或被实现为插入模块到电子设备的专用硬件。注意，本公开的特定实施例可以部分地或整体地容易地包括在片上系统(SOC)封装中。SOC表示将计算机或其他电子系统的组件集成到单个芯片中的IC。它可以包含数字，模拟，混合信号和通常的射频功能：所有这些可以提供在单个芯片衬底上。其他实施例可以包括多芯片模块(MCM)，其具有位于单个电子封装内的多个分离的IC，并且被配置为通过电子封装彼此紧密地相互作用。在各种其他实施例中，放大功能可以在专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)和其他半导体芯片中的一个或多个硅核中实现。

还必须注意，仅仅出于示例和教导的目的，提供了本文概述的所有规范，尺寸和关系(例如，处理器和存储器元件的数量，逻辑操作等)。在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，可以相当大地改变这样的信息。该规范仅适用于一个非限制性示例，因此，它们应当被这样解释。在前面的描述中，已经参考特定的处理器和/或组件布置描述了示例实施例。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可对这些实施例进行各种修改和改变。因此，描述和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

注意，利用本文提供的众多示例，可以根据两个、三个、四个或更多个电子部件来描述交互。然而，这仅仅是为了清楚和示例的目的。应当理解，系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计替代方案，附图的任何所示的部件、模块和元件可以以各种可能的配置组合，所有这些都明显在本说明书的广泛范围内。在某些情况下，可以通过仅参考有限数量的电气元件来更容易地描述给定的一组流的一个或多个功能。应当理解，附图的部分或整个电路及其教导是容易扩展的，并且可以容纳大量部件以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制可能应用于无数其它架构的部件或整个电路的范围或抑制广泛教导。

本领域技术人员可以确定许多其它改变、替代、变化、改变和修改，并且意图是本公开包括所有这样的改变、替代、变化、更改和修改。

虽然权利要求是以在USPTO之前使用的样式的单个依赖性格式来呈现的，但是应当理解，任何权利要求可以取决于相同类型的任何前述权利要求并与其组合，除非在技术上明显不可行。