光电检测设备和集成电路的制作方法
【专利摘要】公开了一种光电检测设备和集成电路，所述光电检测设备包括发光部件，用于发出光信号；驱动电路，用于驱动所述发光部件发光；光电转换电路，用于根据接收到的光信号生成光电流信号；隔离电路，用于以隔离的方式传输所述光电流信号；环境光滤除电路，用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光电流信号；电流放大单元，用于将所述净光电流信号放大输出经放大的光电流信号；模数转换器，用于将经放大的光电流信号转换为数字信号；以及控制电路，用于根据所述数字信号输出光电检测信号。本发明的光电检测设备的电路结构适于集成，可以减小设备电路尺寸，同时，能以较小的功率运行，并具有较高的检测精度。
【专利说明】
光电检测设备和集成电路
技术领域
[0001] 本发明涉及传感及电路技术，具体涉及一种光电检测设备和用于光电检测设备的 集成电路。
【背景技术】
[0002] 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换 成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器广泛地应 用于心率检测装置中。
[0003] 心率检测传感器可以检测人的心率，人们通过检测到当前的心率值来判断自己的 健康状况。心脏的收缩和扩张使血液在血管中波状流动，血管中流过的血液量对光的反射 率不同，心率检测传感器就是通过检测反射回来的光的波动计算出当前被检测人的心率。
[0004] 心率检测传感器在检测被检测人的心率时需要被检测人把手指或者手腕紧贴在 芯片上，芯片内的发光设备向目标发射检测光，然后通过光电转换电路检测手指或手腕反 射回来的检测光的强度。光电转换电路经光照后产生光电流，光电流通过模数转换电路转 换成数值，多次连续检测就可得出被检测人的心率。
[0005] 心率检测传感器主要应用在便携式设备中，例如手环，手机，智能手表等电子产品 中，这类以电池供电的产品对于功耗的要求比较高。芯片内部集成的发光设备驱动的功耗 是心率检测传感器的主要功耗，但是发光设备发出的光的强弱和发光时间直接影响光电转 换电路接收到的光信号的幅值，幅值微弱变化的分辨直接受限于积分型数模转换器分辨 率，继而影响传感器的输出，所以发光设备发出的光不能太弱，也不能时间过短，这样功耗 就比较高。
[0006] 因此，如何控制进行心率检测的光电检测设备的功耗和电路尺寸是亟需解决的问 题。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供光电检测设备和集成电路，以减小光电检测设备的功耗和 电路尺寸。
[0008] 第一方面，提供一种光电检测设备，包括：
[0009] 发光部件，用于发出光信号；
[0010] 驱动电路，用于驱动所述发光部件发光；
[0011] 光电转换电路，用于根据接收到的光信号生成光电流信号；
[0012] 隔离电路，用于以隔离的方式传输所述光电流信号；
[0013] 环境光滤除电路，用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光电 流fg号；
[0014] 电流放大单元，用于将所述净光电流信号放大输出经放大的光电流信号；
[0015] 模数转换器，用于将经放大的光电流信号转换为数字信号；以及
[0016]控制电路，用于根据所述数字信号输出光电检测信号。
[0017]优选地，所述隔离电路为连接在所述光电转换电路和所述环境光滤除电路之间的 电流镜。
[0018] 优选地，所述驱动电路用于根据所述控制电路控制输出脉冲序列以驱动所述发光 部件发射光脉冲；
[0019] 所述电流放大单元包括：
[0020] 电流放大器，用于对所述净光电流信号进行放大，输出第一放大电流信号；
[0021] 偏置电路，用于为第一放大电流信号附加偏置电流输出第二放大电流信号；
[0022] 低通滤波器，用于根据所述第二放大电流信号输出平均电流信号；
[0023] 校正电路，用于从平均电流信号中滤除所述偏置电流输出经放大的光电流信号。
[0024] 优选地，所述驱动电路用于根据所述控制电路控制输出脉冲序列以驱动所述发光 部件发射光脉冲；
[0025] 所述环境光滤除电路在第一模式下对流过的电流进行采样获取环境光对应的电 流分量，并在第二模式下从流过的电流中滤除所述环境光对应的电流分量；
[0026] 其中，所述控制电路控制所述环境光滤除电路在光脉冲序列开始时切换到第二模 式，在光脉冲序列中的至少一个光脉冲间隙期间切换到第一模式，并在下一个光脉冲到来 时切换回第二模式。
[0027] 优选地，所述电流放大器为可编程电流放大器；
[0028] 所述控制电路还用于根据所述数字信号调节所述驱动电路的输出功率和所述可 编程电流放大器的增益。
[0029] 优选地，所述可编程电流放大器包括：
[0030] 第一晶体管，漏极和源极连接在电流输入端和接地端之间，栅极与漏极相互连接； [0031 ] M个电流放大支路，连接在电流输出端和接地端之间，M为大于等于2的自然数； [0032]其中，每个所述电流放大支路包括串联的第二晶体管和控制开关，其中，所述第二 晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极连接。
[0033]优选地，第i个电流放大支路的第二晶体管的尺寸为所述第一晶体管的21-1倍，i = 1，2,…，M;或者，每个所述第二晶体管具有与第一晶体管相同的尺寸。
[0034]优选地，所述驱动电路、光电转换电路、隔离电路、环境光滤除电路、电流放大单 元、模数转换器和控制电路形成为同一集成电路。
[0035]优选地，所述光电检测设备为心率检测设备或距离检测设备。
[0036]第二方面，提供一种集成电路，包括：
[0037] 驱动电路，用于驱动发光部件发光；
[0038] 光电转换电路，用于根据接收到的光信号生成光电流信号；
[0039] 隔离电路，用于以隔离的方式传输所述光电流信号；
[0040] 环境光滤除电路，用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光电 流fg号；
[0041] 电流放大单元，用于将所述净光电流信号放大输出经放大的光电流信号；
[0042] 模数转换器，用于将经放大的光电流信号转换为数字信号；
[0043] 控制电路，用于根据所述数字信号输出光电检测信号。
[0044] 本发明实施例的光电检测设备的电路结构适于集成，可以减小设备电路尺寸，同 时，能以较小的功率运行，并具有较高的检测精度。
【附图说明】
[0045] 通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和 优点将更为清楚，在附图中：
[0046] 图1是本发明实施例的光电检测设备的示意图；
[0047] 图2是本发明实施例的环境光滤除电路的工作波形图；
[0048] 图3是本发明实施例的可编程电流放大器的一种实施方式的示意图；
[0049] 图4是本发明实施例的可编程电流放大器的另一种实施方式的示意图。
【具体实施方式】
[0050] 以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下 文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有 这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过 程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0051] 此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且 附图不一定是按比例绘制的。
[0052]同时，应当理解，在以下的描述中，"电路"是指由至少一个元件或子电路通过电气 连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路"连接到"另一元件或称元件/电路"连接 在"两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之 间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件"直接耦接到"或"直接连 接到"另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
[0053]除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的"包括"、"包含"等类似 词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义;也就是说，是"包括但不限于"的含 义。
[0054] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，"多个"的含义 是两个或两个以上。
[0055] 图1是本发明实施例的光电检测设备的示意图。
[0056] 如图1所示，所述光电检测设备包括发光部件11、驱动电路12、光电转换电路13、隔 离电路14、环境光滤除电路15、电流放大单元16、模数转换器17和控制电路18。
[0057]其中，发光部件11用于发出光信号，其优选采用发光二极管(LED)。驱动电路12用 于驱动发光部件11发光。在本发明实施例中，驱动电路用于根据所述控制电路控制输出脉 冲序列以驱动发光部件11发射光脉冲，也即，驱动发光部件11以闪烁的方式发光。控制电路 18可以通过控制信号VDR控制驱动电路输出电流的大小、占空比和脉冲周期。由此，在测量 期间，光电检测设备可以检测到光脉冲序列中每一个光脉冲被目标反射后的光强得到一个 反射光的光强值序列，从而根据该光强值序列获取目标的属性，例如，心率相关参数或距离 的变化等等。
[0058] 光电转换电路13用于根据接收到的光信号生成光电流信号。当然，本领域技术人 员容易理解，光电转换电路13并不区别检测光和环境光，而是将所有接受到的光信号转换 为光电流。其中，在进行心率检测期间，所述光电流至少部分是由发光部件11发出并经由目 标反射的光导致的。而在不进行检测期间，或发光部件11不发光期间，光电流实际上是由环 境光导致的。对于包括检测期间的一段时间来看，光电流部分由发光部件11发出的光导致。 光电转换电路13优选采用适于形成在半导体衬底上的光电二极管，由此，可以使得光电转 换电路13可以与设备的其它部件集成在集成电路芯片上。
[0059] 隔离电路14与光电转换电路13连接，用于以隔离的方式传输所述光电流信号IPD。 在图1中，隔离电路14输入光电流信号IPD，输出电流信号Iin。电流信号Iin与光电流信号IPD相 同。隔离电路14可以采用电流镜电路实现，一方面可以隔离光电转换电路对后续电路的影 响，同时可以改变电流信号的流动方向，方便后续电路的设置。
[0060] 环境光滤除电路15用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光 电流信号II，也即，滤除了环境光导致的电流分量后的光电流。具体地，环境光滤除电路15 用于采样光电流中的环境光并进而滤除环境光导致的分量，从而输出表征由目标反射的检 测光强度的电流信号。
[0061] 在本实施例中，驱动电路12通过连续的脉冲信号序列驱动发光部件11发出光脉 冲，也即，按照预定的脉冲周期闪烁。由此，可以使得目标的反射光随光源的闪烁而闪烁。每 一次目标反射的光，均可以表征对应时刻检测目标的属性，例如，可以表征目标的位置或颜 色属性。由此，与脉冲信号序列对应地，可以得到该时间区间内目标属性随时间变化的序 列，从而完成检测。
[0062 ]优选地，本实施例的环境光滤除电路15可以与驱动电路12或控制电路18连接以获 知发光部件11的驱动信号时序，由此，环境光滤除电路14可以在开始检测前(也即光脉冲序 列开始前)进行环境光检测，同时，还可以在光脉冲序列期间，在光脉冲的间隙（也即，发光 部件11连续闪烁期间熄灭的时间内）进行环境光检测，由此，可以实现可以在检测期间对环 境光进行一次或多次采样，从而不需要大幅增加功耗，即可提高光电传感器以及应用其的 光电检测设备的准确性。
[0063] 具体地，环境光滤除电路15在第一模式下对流过的电流进行采样获取环境光对应 的电流分量，并在第二模式下从流过的电流中滤除所述环境光对应的电流分量。同时，控制 电路18在光脉冲序列中的至少一个光脉冲间隙期间控制所述环境光滤除电路切换到第一 模式，并在下一个光脉冲到来时切换到第二模式。
[0064] 优选地，控制电路18可以在每一个光脉冲间隙都控制环境光滤除电路15切换到第 一模式，从而在整个光脉冲序列期间，每次发光部件发光后都进行环境光检测，同时也可以 每隔多个光脉冲，在对应的光脉冲间隙进行一次环境光检测，也即，所述控制电路18每隔预 定数量的光脉冲周期(例如每隔8个光脉冲周期)在光脉冲间隙控制所述采样及检测电路切 换到第一模式。
[0065] 图2本发明实施例的光电检测设备的环境光滤除电路的工作波形图。
[0066] 光电转换电路13接收光所产生的总电流Iin*光脉冲信号导致的电流分量 Ipulse+current与环境光导致的电流分量IBG之和。其中，电流分量Ipulse+current在发光部件不发 光时为零，电流分量lB(；随环境光动态变化。
[0067] 如图2所示，Model和Mode2为模式信号的时序，两者互补。Iled为发光部件11的驱动 电流。在t0~tl阶段，发光部件11不工作，只有环境光照射在光电转换电路13,此时，环境光 滤除电路15工作在第一模式，大部分的环境光导致的电流分量IBC与输入的光电流Iin基本 相同，由此，可以对其采样，即Iin~IBC。
[0068] 在tl~t2阶段，发光部件11开始工作，经目标反射回来的光脉冲信号和环境光照 射在光电转换电路中，此时，环境光滤除电路15工作在第二模式，也即，将采样获得的环境 光对应的电流分量从输入的光信号I in中滤除。由此，可以更加精确地滤出环境光的影响，同 时不必增加发光部件的功率。
[0069] 在t2~t3阶段，经过预定数量(例如3个)脉冲发光周期，在脉冲发光周期间隙中， 环境光滤除电路15工作在第一模式，再次进行环境光采样。从图2可以看出，t2~t3阶段的 光脉冲间隙位于整个光脉冲序列的中间，一次测量所需要的光脉冲序列还没有结束。由此， 这样的方式可以实现在测量中间多次采样检测环境光，保证环境光滤除的精确性。
[0070] 从t3时刻后，电路切换到第二模式，再次重复滤除的操作，直至下一个预定的时间 间隔后，再次在光脉冲间隙进行环境光对应的电流分量的采样。如此反复。
[0071]由此，环境光滤除电路15在检测期间，发光部件不发光时保持持续对环境光采样， 实现了环境光的实时追踪，使得对环境光的滤除更加精确，最大限度的抑制了环境光变动 产生的影响。
[0072 ]电流放大单元16用于将所述净光电流信号11放大输出经放大的光电流信号Ia。
[0073] 在驱动电路12以脉冲序列来驱动发光部件11发射光脉冲的方式发光时，输入到电 流放大单元16的经过滤的光电流II呈现为脉冲序列或方波形式，为了便于后续的模数转换 器18(ADC)进行模数转换，电流放大单元16可以包括电流放大器16a、偏置电路16b、低通滤 波器16c和校正电路16d。其中，电流放大器16a用于对所述过滤的光电流信号进行放大，输 出第一放大电流信号12。所述电流放大器的增益可以为固定增益，也可以为动态调节的可 变的增益。
[0074] 优选地，所述电流放大器16a可以被设置为可编程电流放大器，从而具有可变的增 益。控制电路18可以与可编程电流放大器连接输出放大控制信号控制器增益。
[0075] 图3和图4是可编程电流放大器的不同实施方式的示意图。
[0076]如图3所示，在一个可选的实施方式中，可编程电流放大器包括第一晶体管Ml和M 个电流放大支路。
[0077]其中，第一晶体管Ml的漏极和源极连接在电流输入端a和接地端之间，栅极g与漏 极相互连接。同时，M个电流放大支路相互并列，连接在电流输出端b和接地端之间，M为大于 等于2的自然数。在图3中，以M = 3为例说明。每个电流放大支路包括串联的第二晶体管M2: 和对应控制开关，控制开关通过控制信号Si(i = l~3)控制。其中，所述第二晶体管的栅极 与所述第一晶体管的栅极连接。第i个电流放大支路的第二晶体管的尺寸为所述第一晶体 管的2 1-1倍，i = l，2,…，M。也就是说，晶体管M2:的尺寸与第一晶体管Ml相同，晶体管M22的尺 寸是第一晶体管M2的两倍，晶体管M2 3的尺寸是第一晶体管M2的两倍。图3中，m用于表示其 尺寸。由于晶体管的通流能力与其尺寸成比例，尺寸越大的晶体管通流能力越强。在对应支 路的控制开关导通时，第二晶体管会与第一晶体管形成电流镜，从而以对应的比例来复制 或放大流过第一晶体管Ml的电流。由此，通过调整控制电流放大支路的控制开关的导通和 关断，可以控制可编程放大器的电流放大增益。
[0078]如图4所示，在一个可选的实施方式中，可变成电流放大器的电流放大支路包括第 二晶体管M2:'和对应的控制开关，控制开关通过控制信号Ci(i = l~7)控制。但是，所有的 第二晶体管M2:'具有与第一晶体管Ml相同的尺寸，图4中，m用于表示其尺寸。由此，在对应 支路的控制开关导通时，第二晶体管会与第一晶体管Ml形成电流镜，从而在该支路复制流 过第一晶体管Ml的电流。多个并列的电流放大支路可以实现对于输入到第一晶体管的电流 的放大。由此，通过调整控制电流放大支路的控制开关的导通和关断，可以控制可编程放大 器的电流放大增益。
[0079]更优选地，控制电路18可以控制驱动电路12的功率。对于心率检测，由于每个人肤 色不同，发光部件11发出的光信号通过皮肤反射回来的光信号强度不同，即白皮肤反射后 得到的光信号比较强，反之，黑皮肤反射后得到的光信号比较弱。在光脉冲信号太弱时，会 导致心率测不到或者是测量不准。为了保证心率检测系统在任何情况下都可以精确测量， 控制电路18根据接收到的数字信号判断是否出现了光脉冲信号的过弱的情形，在此情形 下，一方面增大驱动电路的驱动电流以提供其功率，另一方面调节可编程电流放大器的增 益，从而提高了调整范围，同时一定程度上可以保证不必大幅增加系统功耗。
[0080]偏置电路16b用于为第一放大电流信号12附加偏置电流lb输出第二放大电流信号 13。偏置电流Ib加入的作用在于提高流入后级低通滤波器16c的电流幅值，一方面在电路启 动时加快启动速度，另一方面在工作过程中放置电流过低影响性能。
[0081]低通滤波器16c用于根据所述第二放大电流信号13输出平均电流信号Iavg。低通滤 波器16c将呈现为脉冲序列或方波形式的第二放大电流信号13平均，从而使得电流能量分 布均匀便于提高后续模数转换的准确性。
[0082]校正电路16d用于从平均电流信号中滤除偏置电流输出经放大的光电流信号la。 校正电路16d根据控制电路18获取发光部件11的工作时序，从而在发光部件11不发光时，进 行采样，此时采样获得的为加入的偏置电流，在LED发光时，校正电路16d将采样得到的偏置 电流从平均电流信号I avg中滤除，由此，可以避免偏置电流的加入对于电路的负面影响。由 此，输出的经放大的光电流信号la。
[0083]模数转换器17用于将经放大的光电流信号转换为N位数字信号Data〇-DataN-l。具 体地，
[0084]控制电路18用于根据数字信号输出光电检测信号。量化所需要的基准电流 电流基准电路提供，因此量化计算公式如下：
，INT(*)为取整函数，AVG(*)为求平均函数。
[0086]电流基准电路为振荡器模块提供参考电压Iref2,振荡器模块用于为数字信号处理 单元提供时钟信号CLK。数字信号处理单元作为芯片的大脑，控制各模块按照一定时序工 作，同时其也包含一定数量的寄存器可用于暂时存储量化得到的数据。
[0087] 具体地，对于心率检测来讲单组数据是无用的，需要多组数据来计算心率周期，故 可以将量化得到的数据暂存入控制电路18的寄存器中，当数据存够预定数量后，通过标准 数据接口（例如，I2C接口）将m组数据一起传输给外部微型处理器(MCU)进行后续处理。
[0088] 同时，如图1所示，控制电路18通过控制信号VC1、VC2和VC3分别控制背景光滤除电 路15、可编程放大器16a和校正电路16d，使得对应的部件根据驱动电路12的驱动信号时序 来进行相应的电流信号处理。
[0089]根据以上描述容易理解，除了发光部件11由于需要设置在特定位置以方便发射的 光信号被光电转换部件13接收外，其它的电路组件均可以集成在同一块集成电路芯片上。 而且，本发明实施例的电路大部分采用晶体管实现，外围电路小，可以有效缩小电路规模， 减小外部信号干扰，并降低生产成本。
[0090]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员 而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光电检测设备，包括： 发光部件，用于发出光信号； 驱动电路，用于驱动所述发光部件发光； 光电转换电路，用于根据接收到的光信号生成光电流信号； 隔离电路，用于以隔离的方式传输所述光电流信号； 环境光滤除电路，用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光电流信 号； 电流放大单元，用于将所述净光电流信号放大输出经放大的光电流信号； 模数转换器，用于将经放大的光电流信号转换为数字信号；以及 控制电路，用于根据所述数字信号输出光电检测信号。2. 根据权利要求1所述的光电检测设备，其特征在于，所述隔离电路为连接在所述光电 转换电路和所述环境光滤除电路之间的电流镜。3. 根据权利要求1所述的光电检测设备，其特征在于，所述驱动电路用于根据所述控制 电路控制输出脉冲序列以驱动所述发光部件发射光脉冲； 所述电流放大单元包括： 电流放大器，用于对所述净光电流信号进行放大，输出第一放大电流信号； 偏置电路，用于为第一放大电流信号附加偏置电流输出第二放大电流信号； 低通滤波器，用于根据所述第二放大电流信号输出平均电流信号； 校正电路，用于从平均电流信号中滤除所述偏置电流，输出经放大的光电流信号。4. 根据权利要求1所述的光电检测设备，其特征在于，所述驱动电路用于根据所述控制 电路控制输出脉冲序列以驱动所述发光部件发射光脉冲； 所述环境光滤除电路在第一模式下对流过的电流进行采样获取环境光对应的电流分 量，并在第二模式下从流过的电流中滤除所述环境光对应的电流分量； 其中，所述控制电路控制所述环境光滤除电路在光脉冲序列开始时切换到第二模式， 在光脉冲序列中的至少一个光脉冲间隙期间切换到第一模式，并在下一个光脉冲到来时切 换回第二模式。5. 根据权利要求3所述的光电检测设备，其特征在于，所述电流放大器为可编程电流放 大器； 所述控制电路还用于根据所述数字信号调节所述驱动电路的输出功率和所述可编程 电流放大器的增益。6. 根据权利要求5所述的光电检测设备，其特征在于，所述可编程电流放大器包括： 第一晶体管，漏极和源极连接在电流输入端和接地端之间，栅极与漏极相互连接； M个电流放大支路，连接在电流输出端和接地端之间，M为大于等于2的自然数； 其中，每个所述电流放大支路包括串联的第二晶体管和控制开关，其中，所述第二晶体 管的栅极与所述第一晶体管的栅极连接。7. 根据权利要求6所述的光电检测设备，其特征在于，第i个电流放大支路的第二晶体 管的尺寸为所述第一晶体管的21- 1倍，i = l，2，···，M;或者，每个所述第二晶体管具有与第一 晶体管相同的尺寸。8. 根据权利要求1所述的光电检测设备，其特征在于，所述驱动电路、光电转换电路、隔 离电路、环境光滤除电路、电流放大单元、模数转换器和控制电路形成为同一集成电路。9. 根据权利要求1所述的光电检测设备，其特征在于，所述光电检测设备为心率检测设 备或距离检测设备。10. -种集成电路，包括： 驱动电路，用于驱动发光部件发光； 光电转换电路，用于根据接收到的光信号生成光电流信号； 隔离电路，用于以隔离的方式传输所述光电流信号； 环境光滤除电路，用于滤除所述光电流信号中环境光对应的电流分量输出净光电流信 号； 电流放大单元，用于将所述净光电流信号放大输出经放大的光电流信号； 模数转换器，用于将经放大的光电流信号转换为数字信号； 控制电路，用于根据所述数字信号输出光电检测信号。
【文档编号】G01D5/34GK105910632SQ201610259663
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】邵丽丽, 何惠森, 张宝玉, 张艳倪
【申请人】矽力杰半导体技术(杭州)有限公司