专利名称：探测周围光的光学传感器及采用其的液晶显示器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种探测周围光的光学传感器和一种采用此光学传感器的液晶显示器件，尤其涉及一种能高可靠地探测周围光而且功耗小的光学传感器，以及一种包含此光学传感器的液晶显示器件。
背景技术：
近年来已开发出各种平板显示器，它们减小了重量和体积，从而克服了阴极射线管(CRT)的固有缺点。平板显示器包括液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示屏(PDP)、和有机发光显示器。
由于LCD具有体积小、重量轻、低功耗等优点，它们被看成是CRT的替代品，可以消除CRT的固有缺点。近年来将LCD安装到各种便携式设备，例如手提电话、个人数字助理(PDA)、监视器、和电视机上。作为一种透射式显示器件的LCD，按照液晶层中的液晶分子的折射率的各向异性，来调节透过液晶层的光的量以便显示所需的图像。
一个现代的有源矩阵型LCD典型地由像素区域、扫描驱动器、数据驱动器、伽马电压源部分、定时控制器、和背光驱动器构成。
在其像素区域，由m×n个液晶单元排列成有m条数据线与n条扫描线交叉组成的矩阵图形。在数据线与扫描线的交叉点上形成薄膜晶体管。由扫描驱动器向扫描线提供扫描信号。由数据驱动器向数据线提供数据信号。由伽马电压源部分对数据驱动器提供伽马电压。定时控制器对扫描驱动器和数据驱动器提供控制信号。背光驱动器驱动背光源向各液晶单元供光。
在上述LCD中，背光源总是以恒定亮度的光照射到像素区域上。在周围环境变得较暗时，其实就不必投射大量的光，可这时背光源仍然以恒定的亮度对像素区域供光。这就增加了背光源的功耗。实践中，背光源不必要地消耗了驱动LCD所需的功率中的约80％，这是不理想的。因此，为了降低功耗，必须可靠地探测出周围光，当周围光低于某亮度值时，就减少背光源产生的光的量。
发明内容
所以本发明的一个目的在于提供一种改进了的液晶显示器件。
本发明的另一个目的是提供一种光学传感器，它具有增强的可靠性来探测出周围光以降低功耗，及包含此种光学传感器的液晶显示器件。
本发明的上述的目的以及/或其他方面是通过提供一种探测周围光的光学传感器来实现的，这种光学传感器构造为，第一晶体管电耦合于第一电源与第二晶体管之间，第二晶体管又耦合到第二电源，第二电源的电压低于第一电源的电压，及传感部分包括与第二晶体管并联电耦合的第一电容。第一晶体管依照控制信号的控制处于开或者关状态。第二晶体管控制从第一晶体管流到第二电源的电流量，该电流量与周围光的强度相对应。第二晶体管的栅极电耦合到第二电源。
优选地，第一电容的电容量大于1微微法(pF)。更好地，第一和第二晶体管为N型晶体管。最好地，第一晶体管为N型晶体管而第二晶体管为P型晶体管。该光学传感器进一步构造为，至少一个放大器电耦合到传感部分的输出端。该放大器构造为，第三晶体管电耦合于第一电源与第四晶体管之间，而第四晶体管则电耦合于第一电源与第二电源之间。按照一个偏置信号，第三晶体管处于开或者关状态。栅极电耦合于传感部分的输出端。第三和第四晶体管为P型晶体管。该光学传感器进一步构造为，至少一个噪声消除器电耦合在传感部分与放大器之间。
该噪声消除器构造为，包含一个第二电容的至少一个电容，及多个开关，该多个开关包含电耦合于传感部分输出端与放大器内的至少一个晶体管的栅极之间的第一开关、电耦合于一个参考电源与第二电容的一端之间的第二开关、电耦合于第二电容的另一端与放大器的输出端之间的第三开关、电耦合于第二电容的与第二开关电耦合的一端与构成该放大器的至少一个晶体管的栅极之间的第四开关、及电耦合于第二电容的与第三开关电耦合的另一端与传感部分的输出端之间的第五开关。按照同一个开关脉冲，第一到第三开关处于开或者关状态。按照不同于控制第一到第三开关的开关脉冲的同一开关脉冲，第四和第五开关处于开或者关状态。
根据本发明的第二方面，提供的液晶显示器件构造为，像素区包含多个液晶单元，至少一个光学传感器设置在像素区的外围区域上所形成的黑色矩阵区上以探测周围光并且生成与周围光强度相对应的探测信号，背光源对像素区供光，以及背光驱动器根据探测信号来控制由背光源产生的光的照度。该光学传感器构造为，第一晶体管电耦合于第一电源与第二晶体管之间，第二晶体管电耦合于第一晶体管与第二电源之间，第二电源的电压低于第一电源的电压，和传感部分包含并联电耦合于第二晶体管的第一电容。第一晶体管依照控制信号的控制处于开或者关状态，第二晶体管控制从第一晶体管流到第二电源的电流量，该电流量与周围光的强度相对应。第二晶体管的栅极电耦合到第二电源。
优选地，第一电容的电容量大于1微微法(pF)。更好地，第二晶体管的栅极设置于黑色矩阵的敞开部分内。最好地，光学传感器构造为有至少一个放大器，它电耦合到传感部分的输出端。该放大器构造为，第三晶体管电耦合在第一电源与第四晶体管之间，第四晶体管电耦合在第三晶体管与第二电源之间。按照一个偏置信号，第三晶体管处于开或者关状态，第四晶体管的栅极与传感部分的输出端电耦合。第三和第四晶体管为P型晶体管。该光学传感器进一步构造为，至少一个噪声消除器电耦合在传感部分与放大器之间。该噪声消除器构造为，含有一个第二电容的至少一个电容，及多个开关。该噪声消除器构造为有电耦合于传感部分输出端与放大器内的至少一个晶体管的栅极之间的第一开关、电耦合于一个参考电源与第二电容的一端之间的第二开关、电耦合于第二电容的另一端与放大器的输出端之间的第三开关、电耦合于第二电容的与第二开关电耦合的一端与构成该放大器的至少一个晶体管的栅极之间的第四开关、及电耦合于第二电容的与第三开关电耦合的另一端与传感部分的输出端之间的第五开关。按照同一个开关脉冲，第一到第三开关处于开或者关状态。按照不同于控制第一到第三开关的开关脉冲的同一个开关脉冲，第四和第五开关处于开或者关状态。
附图简述通过后面结合附图所做的详细描述，对于本发明和其许多附加的优点的更完整的理解，将是显然的，在附图中相同图标表示相同或相似部件，其中
图1显示一个现代的液晶显示器(LCD)；图2为按照本发明的原理的实施方案所构成的LCD的方框图；图3为图2所示用来探测周围光的光学传感器的第一例的电路图；图4为图3所示光学传感器的等效电路的电路图；图5为图2所示光学传感器的第二例的电路图；图6为图2所示光学传感器的第三例的电路图；图7为图2所示光学传感器的第四例的电路图；图8为图2所示光学传感器的第五例的电路图；图9为驱动图8所示光学传感器的方法的波形图；图10为图8所示光学传感器的输出电压按照时间推移的波形图；及图11为图2所示光学传感器的第六例的电路图。
具体实施例方式
图1显示一个现代的有源矩阵型液晶显示器(LCD)。参照图1，该现代LCD典型地由像素区2、扫描驱动器4、数据驱动器6、伽马电压源部分8、定时控制器10、和背光驱动器12诸部分构成。
在其像素区2，由m×n个液晶单元Clc排列成有m条数据线D1到Dm与n条扫描线S1到Sn交叉组成的矩阵图形。在数据线D1到Dm与扫描线S1到Sn的每个交叉点上形成薄膜晶体管TFT。由扫描驱动器4向扫描线S1到Sn提供扫描信号。由数据驱动器6向数据线D1到Dm提供数据信号。由伽马电压源部分8对数据驱动器6提供伽马电压。定时控制器10对扫描驱动器4和数据驱动器6提供控制信号。背光驱动器12驱动背光源14向各液晶单元Clc供光。
像素区2包含多个液晶单元Clc，这些液晶单元Clc排列成数据线D1到Dm与扫描线S1到Sn交叉组成的矩阵图形。在各个液晶单元处形成的薄膜晶体管TFT按照来自扫描线S的扫描信号，将来自数据线D的由数据驱动器6提供的数据信号提供到液晶单元Clc。在各液晶单元Clc处形成存储电容Cst。既可在液晶单元Clc的像素电极与前一阶段的扫描线S之间，也可在液晶单元Clc的该像素电极与公共电极线之间形成存储电容Cst，存储电容Cst使得液晶单元Clc的电压在一帧期间内保持恒定。在相邻的液晶单元Clc之间及像素区2的外围区域上形成黑色矩阵(black matrix)3，以吸收相邻液晶单元Clc和像素区2外围部分发出的光，从而防止显示的图像的对比度变差。
扫描驱动器4按照来自定时控制器10的扫描控制信号SCS向扫描线S1到Sn连续地提供扫描信号，从而在像素区2内选中一行液晶单元的水平阵列以便向它提供数据信号。
数据驱动器6将外来的数字视频数据R、G、和B转换成模拟伽马电压，也就是，按照定时控制器10提供的数据控制信号DCS，转换成与等级值对应的数据信号，并将该数据信号提供给数据线D1到Dm。
伽马电压源部分8将多个伽马电压提供给数据驱动器6。
定时控制器10为响应垂直和水平同步信号Vsync和Hsync以及时钟信号CLK，产生扫描控制信号SCS和数据控制信号DCS来分别控制扫描驱动器4和数据驱动器6。此处，用来控制扫描驱动器4的扫描控制信号SCS包含栅极起始脉冲、栅极移位时钟和栅极输出使能。而用来控制数据驱动器6的数据控制信号DCS包含源极起始脉冲、源极移位时钟、源极输出使能启动及极性信号。此外，定时控制器10再次与外来的数据R、G、和B对齐，并将它提供给数据驱动器6。
背光驱动器12提供驱动电压(或驱动电流)来驱动背光源14。然后，背光源14就产生与来自背光驱动器12的该驱动电压(或驱动电流)相应的光并提供给像素区2。
在上述LCD中，背光源14总是把恒定亮度的光照射到像素区2。在周围环境变得较暗的情况下，虽然并不需要许多的光照量，背光源14仍然对像素区2供给恒定亮度的光。背光源14的功耗出现了不希望的增加。实际上，背光源14消耗了驱动LCD所需的功耗中的80％，而这并非所期望的情形。所以，为了降低功耗，必须可靠地探测出周围光，并且当周围光低于某亮度时就减小背光源14产生的光的量。
以下参照图2到图11来描述按照本发明的各优选实施例。此处，当第一单元被连到第二单元时，该第一单元不仅可能是直接连接到该第二单元，它也有可能是通过第三单元间接地连到该第二单元的。此外，不牵涉到的各单元都略而不提以便简明。而且，相同的标号代表相同的单元。
图2为按照本发明的原理的实施方案所构成的LCD的方框图。虽然图2显示的是一个有源矩阵型的LCD，本发明并不限于这种类型的LCD。
参照图2，按照本发明的原理的实施方案的LCD的构成为像素区20、扫描驱动器40、数据驱动器60、伽马电压源部分80、定时控制器100、用来探测周围光的光学传感器110、背光驱动器120和背光源140。在像素区20的外围区域形成黑色矩阵30，在黑色矩阵的至少一个区域形成光学传感器110。在黑色矩阵30上形成敞开部分35，周围光通过敞开部分35发射到光学传感器110的至少一个区域。当周围光发射到光学传感器110，光学传感器110生成一个与周围光强度对应的探测信号来控制背光驱动器120。
像素区20构造为多个液晶单元Clc、一个薄膜晶体管TFT和一个存储电容Cst。这些液晶单元Clc排列在数据线D1到Dm与扫描线S1到Sn交叉点上形成矩阵图形。在各个液晶单元Clc处形成的薄膜晶体管TFT按照通过扫描线S由扫描驱动器40提供的扫描信号，将通过数据线D的由数据驱动器60提供的数据信号提供到液晶单元Clc。在各液晶单元Clc处形成存储电容Cst，既可在液晶单元Clc的像素电极与前一阶段的扫描线S之间，也可在液晶单元Clc的该像素电极与公共电极线之间形成存储电容Cst，存储电容Cst液晶单元Clc的电压在一帧期间内保持恒定。于是，当向扫描线S提供扫描信号时，液晶单元Clc改变液晶的排列角度以对应于所提供的数据信号并且以随所改变的排列角变化的光学传输度来显示所需要的图像。此处，在相邻的液晶单元Clc之间及像素区20的外围区域上形成黑色矩阵30，以吸收相邻液晶单元Clc和像素区20外围部分发出的光，从而防止所显示的图像的对比度变差。
扫描驱动器40按照来自定时控制器100的扫描控制信号SCS向扫描线S1到Sn顺序地提供扫描信号，从而在像素区20内选中一行液晶单元的水平阵列以便向它提供数据信号。
数据驱动器60将数字视频数据R、G、和B转换成模拟伽马电压，也就是，按照来自定时控制器100的数据控制信号DCS，转换成与等级值对应的数据信号，并将该数据信号提供给数据线D1到Dm。
伽马电压源部分80将多个伽马电压提供给数据驱动器60。
定时控制器100为响应垂直和水平同步信号Vsync和Hsync以及时钟信号CLK，产生扫描控制信号SCS和数据控制信号DCS来分别控制扫描驱动器40和数据驱动器60。此处，用来控制扫描驱动器40的扫描控制信号SCS包含栅极起始脉冲、栅极移位时钟、和栅极输出使能。而用来控制数据驱动器60的数据控制信号DCS包含源极起始脉冲、源极移位时钟、源极输出使能、及极性信号。此外，定时控制器100再次与外来的数据R、G、和B对齐，并将它提供给数据驱动器60。
在像素区20的外围区域形成黑色矩阵30，在黑色矩阵的至少一个区域形成光学传感器110。光学传感器110的至少一个区域，尤其是其接收周围光的区域设置在黑色矩阵30的敞开部分35。就是说，光学传感器110的至少一个区域被暴露于周围光，使得周围光入射到光学传感器110上。当光学传感器110接收到周围光，它就生成一个与周围光强度对应的探测信号来提供给背光驱动器120，从而控制背光驱动器120。
背光驱动器120提供驱动电压(或驱动电流)来驱动背光源140。此时，背光驱动器120改变相应于来自光学传感器110的探测信号的驱动电压(或驱动电流)以控制背光源140产生的光的照度。例如，当周围光强度较弱时背光驱动器120从光学传感器110收到相应的探测信号，它就将背光源140的驱动电压(或驱动电流)降低到与周围光强度对应的某个值，以减弱背光源140产生的光的照度。这样就降低了功耗。当周围光强度等于或大于某强度值时背光驱动器120从光学传感器110收到相应的探测信号，它就控制背光源140的驱动电压(或驱动电流)以维持背光源140产生的光的照度。这就防止了像素区20的光照特性变差。另一方面，虽然图2显示的是只有一个光学传感器110，本发明并不限于这一种形态。例如，可在黑色矩阵30区域装设多个光学传感器110。就是说，光学传感器110的数目可以各有不同，但至少要有一个。
相应于背光驱动器120给出的驱动电压(或驱动电流)，背光源140产生光并提供至像素区20。
按照本发明的原理的实施方案的LCD里，光学传感器110探测周围光的强度并根据探测到的结果来控制背光源140产生的光的照度，从而降低功耗。当探测到周围光的强度大于某个值，光学传感器110就不减低背光源140产生的光的照度，从而防止了像素区20的光照特性变差。
图3为图2所示用来探测周围光的光学传感器的第一例的电路图。图4为图3所示用来探测周围光的光学传感器的等效电路的电路图。
参照图3和图4，图2所示的光学传感器110包括传感部分112，该传感部分将对应于周围光强度的探测信号输出。传感部分112的结构包括互相电串联的第一和第二晶体管M1和M2，及与第二晶体管电并联的第一电容C1。
第一晶体管M1为N型晶体管。第一晶体管M1的第一电极121与第一电源VDD电耦合，第一晶体管M1的第二电极122与第一节点N1电耦合。此外，第一晶体管M1的栅极125与控制端电耦合并接收控制信号Vreset。可以用作控制信号Vreset的有各种信号。例如，扫描驱动器40提供的扫描信号之一可用作控制信号Vreset。按照供给第一晶体管M1栅极的控制信号Vreset，第一晶体管M1处于开或者关状态。例如，当高电平的控制信号Vreset送到第一晶体管M1的栅极125，第一晶体管M1就处于开将第一电源VDD提供给第一节点N1。与此对照，当低电平的控制信号Vreset送到第一晶体管M1的栅极125，第一晶体管M1就处于关状态，第一节点N1就没有供电。
第二晶体管M2为N型晶体管。第二晶体管M2的第一电极123电耦合于第一节点N1，第二晶体管M2的第二电极124电耦合到第二电源VSS，它的电压值低于第一电源VDD的。此外，第二晶体管M2的栅极126电耦合到第二晶体管M2的第二电极124和第二电源VSS。就是说，当高电平的控制信号Vreset送到第一晶体管M1的栅极125使第一晶体管M1处于开状态时，将第一电源VDD提供给第一节点N1(即第二晶体管M2的第一电极123)，第二晶体管M2的栅极126电耦合到第二电极124，它接收到低于第一电极的电压，以使得第二晶体管M2被联结成反向二极管。第二晶体管M2的栅极126设置在黑色矩阵30的敞开部分35并接收周围光。具有上述结构的第二晶体管M2就控制从第一晶体管M1流到第二电源VSS的电流的量，该电流量对应于周围光的强度。就是说，当周围光送到第二晶体管M2，第二晶体管工作成一个电流源，它提供一个与周围光强度对应的电流。
此处，因为第二晶体管M2是联结成反向二极管，其中与周围光强度对应的电流值是线性变化的，从而改进了周围光探测性能的可靠性。此处，在第二晶体管M2内形成寄生电容Cp，它与电流源(即第二晶体管M2)并联。当控制信号Vreset提供到寄生电容Cp，寄生电容Cp以第一电源VDD与第二电源VSS的电压差相应的电荷充电。为了让寄生电容Cp以第一电源VDD与第二电源VSS的电压差相应的电荷充以足够的电，寄生电容Cp的电容量应大于1pF。此情况下，第二晶体管M2具有的通道宽度大于1000μm，例如，具有的通道宽度范围从约1000μm到约56000μm。然而，当位于黑色矩阵30的敞开部分35处的第二晶体管M2的体积增大，就可辨别出在黑色矩阵30区域形成了一个不希望有的亮点。此外，第二晶体管M2可能受到周围电路很大影响，使得第二晶体管M2的工作性能变差。
为了防止这个现象，本发明还采用了一个与第二晶体管M2并联电耦合的第一电容C1，它的电容量应大于1pF。当第一电源VDD被供给第一节点N1，第一电容C1以第一电源VDD与第二电源VSS的电压差相应的电荷充电。当本发明包括了具有上述结构的第一电容C1，第二晶体管M2就不必具有大于1000μm的通道宽度。于是，第二晶体管M2的体积就可减小到让黑色矩阵30的敞开部分35不至于被辨认为一个亮点并减小了周围电路对第二晶体管M2的影响。此外，电容量变化幅度可按照处理过程的波动而减小以稳定光学传感器110的输出信号。第二晶体管M2内的寄生电容Cp的电容量比第一电容C1的要小。然而，当第一电源VDD被提供给第一节点N1，寄生电容Cp是以与第一电容C1充电量相同的电荷充电的。
现在来解释用光学传感器110的传感部分112来探测周围光强度的方法。当高电平的控制信号Vreset被送到第一晶体管M1，第一晶体管M1处于开状态，以将第一电源VDD供给第一节点N1。于是，第一电容C1和第二晶体管M2的寄生电容Cp以第一电源VDD与第二电源VSS的电压差相应的电荷充电。此时，高电平的控制信号Vreset仅提供了一段时间期间。当低电平的控制信号Vreset被送到第一晶体管，第一晶体管就处于关状态，第一节点无电源供给。于是，当周围光入射到第二晶体管M2，尤其是入射到第二晶体管的栅极126，第二晶体管M2就驱动一个电流从第一晶体管M1流到第二电源VSS，该电流量对应于周围光的强度。此处，因为第二晶体管M2是反向二极管联结，流到第二晶体管M2的电流的量是依周围光强度线性变化的。于是，第一电容C1和寄生电容Cp就放电。因为流到第二晶体管M2的电流的量正比于周围光的强度，按照放电电荷的量和周围光的强度，第二晶体管M2有不同的放电电压曲线。输出电压Vout输出到与第一节点N1电耦合的输出端，即，探测信号变化正比于周围光的强度。
当背光驱动器120收到探测信号，它就按照该探测信号来控制背光源140产生的光的照度。就是说，背光驱动器120将光的照度划分成对应于光学传感器110输出电压Vout的变化的最小探测水平，并按照对应的水平来控制背光源140产生的光的照度。虽然图中未显示，至少有一个应用电路可以将传感部分112的输出端与背光驱动器120电耦合起来。
此处，既然在薄膜晶体管TFT和像素区20的存储电容Cst形成时，可以形成构成传感部分112的第一和第二晶体管M1和M2及第一电容C1，则不需另外的工艺来实现光学传感器110。当至少一个应用电路电耦合到传感部分112的输出端，包括了第一和第二晶体管M1和M2的有源型传感部分112使该应用电路的输出得以稳定。
另一方面，虽然图3和图4中的第一和第二晶体管M1和M2都是N型晶体管，本发明并不限于此。例如，图5所示，第二晶体管M2’可为P型晶体管。在此情况下，因为按照供给P型晶体管M2’的栅极的电压的变化，电流变化不连续，P型晶体管M2’可提供稳定的探测信号到传感部分112的输出端。此处，因为图5所示光学传感器150与图3和图4所示的光学传感器110是等同的，仅仅差别在图5所示传感部分112的第二晶体管M2’是P型晶体管，所以就不再详述图5所示的光学传感器150。
图6为图2所示用来探测周围光的光学传感器110的第三例的电路图。
参照图6，用于探测周围光的光学传感器160的结构包括传感部分112和放大器114。传感部分112将对应周围光强度的探测信号输出。与传感部分112的输出端133电耦合的放大器114放大来自传感部分112输出的该探测信号。此处，因为第三例的传感部分112具有结构和功能基本上与第一例的相同，所以就不再详述传感部分112。
放大器114的结构包括第三和第四晶体管M3和M4，它们彼此电耦合并串联在第一电源VDD与第二电源VSS之间。虽然图示中第三和第四晶体管M3和M4为P型晶体管，本发明并不限于此。例如，第三和第四晶体管M3和M4也可为N型晶体管。
第三晶体管M3的第一电极127电耦合于第一电源VDD，第三晶体管M3的第二电极128电耦合到第四晶体管M4的第一电极129和一个输出端。第三晶体管M3的栅极131电耦合于偏置端，并通过偏置端接收偏置信号Vbias。第三晶体管M3作为恒流源工作，相应于足够大的偏置信号Vbias，它流出的电流比流经传感部分112的电流大几百倍。
第四晶体管M4的第一电极129电耦合于第三晶体管M3的第二电极和放大器114的输出端，第四晶体管M4的第二电极130电耦合到第二电源VSS。第四晶体管M4的栅极132电耦合到传感部分112的输出端133，并接收来自传感部分112的对应于周围光强度的探测信号。第四晶体管M4的内电阻随着探测信号的改变而改变。
以下，解释放大器114的工作。
接收到周围光的传感器112将对应于周围光强度的探测信号输出到放大器114，作为源与随器工作的放大器114将探测信号的电压变化变换为大的电流变化，以放大电流。更具体地，第三晶体管M3工作为恒流源，相应于外加偏置信号Vbias，它流出的电流比流经传感部分112的电流大几百倍。此外，第四晶体管M4从传感部分112接收探测信号。此时，因为探测信号的电压值小于第一电源VDD的电压，接收到探测信号的第四晶体管M4处于开，它的内电阻随探测信号而变。于是，输出到放大器114的输出端(即光学传感器110的输出端)的输出信号Vout随探测信号而改变。此时，因为第三晶体管M3流出的电流明显大于流经传感部分112的电流，探测信号就被放大从而作为输出信号Vout而输出。
于是，从传感部分112来的探测信号被放大器114放大，并将放大后的信号输出到光学传感器110外面，光学传感器110驱动与它的输出端电耦合的各应用电路，从而改进了光学传感器110的驱动力。
背光驱动器120电耦合于光学传感器110的输出端，并根据放大了的探测信号来控制背光源140产生的光的照度。
另一方面，传感部分112包括的第一和第二晶体管M1和M2在图6中显示为N型晶体管，但本发明并不限于此。例如，图7所示，第二晶体管M’可为P型晶体管。 在这种情况下，因为随电压的变化电流的变化量是不连续的，P型晶体管M2’可将稳定的探测信号提供到传感部分112的输出端，也就是放大器114的输出端。此处，图7所示光学传感器170与图6所示光学传感器160完全相同，差别仅在传感部分112的第二晶体管M2’是P型晶体管。于是，就不再详述图7所示光学传感器170。
图8为图2所示用于探测周围光的光学传感器110的第五例的电路图。
参照图8，光学传感器180包括传感部分112、放大器114、和噪声消除器116。传感部分112输出对应于周围光强度的探测信号。放大器114放大来自传感部分112的探测信号。噪声消除器116电耦合于传感部分112与放大器114之间以消除噪声来稳定光学传感器110输出的输出信号Vout。此处，因为传感部分112和放大器114的结构与第一或第三实施例里的基本相同，这里就不再详述。
噪声消除器116包括第一到第五开关SW1到SW5，和第二电容C2。此处，虽然第一到第五开关SW1到SW5显示为开关记号，它们可用接收开关脉冲的传输栅极来实现。取决于外来第一开关脉冲SWP1，第一到第三开关SW1到SW3或者处于开或者处于关，而取决于外来的第二开关脉冲SWP2，第四和第五开关SW4和SW5或者处于开或者处于关。
第一开关SW1位于传感部分112的输出端134与第四晶体管M4的栅极132之间。当外来第一开关脉冲SWP1加到第一开关SW1，第一开关SW1处于开以便将第四晶体管M4的栅极132电耦合到传感部分112的输出端134。
第二开关SW2位于参考电源和第二电容C2的一端142。当外来第一开关脉冲SWP1加到第二开关SW2，第二开关处于开以便将第二电容C2电耦合到参考电源。
第三开关SW3位于第二电容C2的一端143与放大器114的输出端(就是第三和第四晶体管M3和M4的公共节点)之间。当外来第一开关脉冲SWP1加到第三开关SW3，第三开关SW3处于开，以便将第二电容C2电耦合于放大器114的输出端。
第四开关SW4位于第二电容C2的与第二开关SW2电耦合的一端142与第四晶体管M4的栅极132之间。当外来第二开关脉冲SWP2加到第四开关SW4，第四开关SW4处于开以便将第二电容电耦合到第四晶体管M4的栅极132。
第五开关SW5位于第二电容C2的与第三开关SW3电耦合的一端143与传感部分112的输出端之间。当外来第二开关脉冲SWP2加到第五开关SW5，第五开关SW5处于开以便将第二电容C2电耦合到传感部分112的输出端。
第二电容C2的一端142电耦合到第二和第四开关SW2和SW4，而第二电容C2的另一端143则电耦合到第三和第五开关SW3和SW5。对第二电容C2充电的电荷相应于加到第二电容C2两端的电压之差。
现在参照图9和图10来描述上述光学传感器180的工作和效果。
图9为驱动图8所示用于探测周围光的光学传感器180的方法的波形图。图10为图8所示用于探测周围光的光学传感器180的输出电压按照时间推移的波形图首先，在时间期间t1，高电平的控制信号Vreset被加到传感部分112，第一晶体管M1处于开以将第一电源VDD提供给第一节点N1。然后，第二电容C2和第一电容C1的寄生电容Cp以对应于第一电源VDD与第二电源VSS之差的电荷充电。此处，只在时间期间t1加上控制信号Vreset。
接着，在时间期间t1之后，当低电平的控制信号Vreset加到传感部分112而周围光入射到第二晶体管M2上，尤其是第二晶体管M2的栅极126上时，从第一晶体管M1流出一个对应于周围光强度的电流，经过第二晶体管M2，流到第二电源VSS。此时，因为第二晶体管M2是反向二极管联结，流经第二晶体管M2的电流的量基本上线性变化。于是，第一电容C1和第二晶体管M2的寄生电容Cp就放电。此时，因为流经第二晶体管M2的电流量正比于周围光强度，传感部分112也有对应于周围光强度的不同的放电电压曲线。于是，经过传感部分112的输出端供给噪声消除器116的探测信号的电压值就以正比于周围光强度的变化而变化。
此后，在时间期间t2，当第一开关脉冲SWP1加到噪声消除器116，第一到第三开关SW1到SW3处于开。当第一开关SW1处于开，来自传感部分112的第一探测信号Vin1加到第四晶体管M4的栅极132。此外，当第二开关SW2处于开，参考电压Vref加到第二电容C2的一端142。当第三开关SW3处于开，放大器114的输出电压Vout加到第二电容C2的另一端143。假定第二电容C2的电容量为C，在有第一开关脉冲SWP1输入时，第二电容C2上所充的电荷Q1由下列公式(1)表达Q1＝C(Vref-Vout)(1)其中，输出电压Vout取决于加到第四晶体管M4的栅极132上的电压Vin1、第三晶体管M3的阈值电压Vth3、流经第三晶体管M3的电流Io、和相对于第四晶体管M4的通道宽长比(W/L)的工艺跨导参数Kp，可表达为公式(2)Vout=Vin1-Vth3-2IoKp---(2)]]>于是，将公式(2)的输出电压Vout代入公式(1)，可得公式(3)Q1=C[Vref-(Vin1-Vth3-2IoKp)]---(3)]]>接着，，在时间期间t3，当第二开关脉冲SWP2加到噪声消除器116，第四和第五开关SW4和SW5处于开。当第四开关SW4处于开，第四晶体管M4的栅极电压Vg4被加到第二电容C2的一端142。此时，第四晶体管M4的栅极电压Vg4设置到第一探测信号Vin1。此外，当第五开关SW5处于开，来自传感部分112的探测信号Vin1加到第二电容C2的另一端143。在时间期间t3，控制信号Vreset加到传感部分112，而来自传感部分112的与第一探测信号Vin1不同的第二探测信号Vin2被加到第二电容C2的一端143。于是，当加载第二开关脉冲SWP2时，在第二电容C2上充电电荷Q2可表示为下列公式(4)Q2＝C(Vg4-Vin2)＝C(Vin1-Vin2)(4)第一探测信号Vin1得自公式(2)并代入公式(4)，可得下列公式(5)Q2=C[(Vout+Vth3+2IoKp)-Vin2]---(5)]]>此时，因为当加载第二开关脉冲SWP2时第二电容C2上的充电电荷Q2，与加载第一开关脉冲SWP1时第二电容C2上的充电电荷Q1是一样的，公式(5)的电荷Q2也就等于公式(3)的Q1。利用Q1＝Q2可得输出电压Vout表示为下列公式(6)Vout＝Vref-(Vin1-Vin2) (6)考察公式(6)，光学传感器110的输出电压Vout不包含由于第三晶体管M3的阈值电压Vth3和第四晶体管M4的工艺跨导参数Kp所引起的噪声。就是说，光学传感器110的输出电压Vout只是由参考电压Vref和第一与第二探测信号Vin1和Vin2来决定的，与第三和第四晶体管M3和M4的工艺参量并无关系，结果光学传感器110的输出得到稳定。例如周围光强度引起光电流值在50pA与200pA之间变动，第三晶体管M3的阈值电压Vth3的变化范围为-0.5V到0.5V，当噪声消除器116处于关，如图10所示(前)，可以理解，输出电压Vout反映第三晶体管M3的阈值电压Vth3的变化对它未发生影响。然而，当噪声消除器116处于开(后)，会理解到，第三晶体管M3的阈值电压Vth3的变化的影响是减小了，这样就得到了几乎恒定的输出电压Vout。这就使得光学传感器110的输出，相对于周围光强度，得到稳定。结果，对周围光的探测性能提高了可靠程度。
此外，在光学传感器110的工作中，放大器114包括第三晶体管M3和第四晶体管M4，并放大电流以放大探测信号。第三晶体管M3工作为恒流源，通过其流出的电流为Io。对应于足够大的偏置信号Vbias，电流Io比流经传感部分112的电流I1大几百倍。第四晶体管M4的内阻按照探测信号而变化。如上述，放大器114将来自传感部分112的探测信号放大并输出到光学传感器110的外边，从而对于电耦合到光学传感器110输出端的各应用电路，光学传感器110用来驱动它们的驱动力得到增强。
背光驱动器120电耦合于光学传感器110的输出端，来接收放大了的探测信号并控制由背光驱动器120驱动的背光源140产生的光的照度。
另一方面，虽然如图8所示第一和第二晶体管M1和M2二者都为N型晶体管，本发明并不限于此。例如，图11所示，第二晶体管M2’可为P型晶体管。在此情形，按照加到P型晶体管M2’的栅极的电压的变化，它的电流量的变化是不连续的，使得P型晶体管M2’可将稳定的探测信号提供给传感部分112的输出端。此处，由于图11所示光学传感器110与图8所示的都一样，差别仅在第二晶体管M2’为P型晶体管，就不再详述。
如上述，按照本发明的原理，用于探测周围光的光学传感器和采用该光学传感器的液晶显示器件探测周围光的强度以控制背光源产生的光的照度，这样就使得功耗得以降低。在光学传感器的传感部分采用了第一电容，就不必增大第二晶体管的体积而能得到足够量的充电电荷。此外，第二晶体管为反向二极管联结，并且所充电荷的放电正比于周围光强度，结果探测周围光的可靠性得到改善。而且，由于采用了放大器将来自传感部分的探测信号放大了，使得光学传感器用来驱动电耦合在它的输出端的应用电路的驱动力得到增强。另外，在传感部分与放大器之间连接有噪声消除器，就可稳定光学传感器的输出电压，使之不受构成放大器的各晶体管的工艺参量的影响。
虽然这里显示并描述了按照本发明原理的几个实施例，本领域的技术人员会理解到，在不偏离本发明的原理和精神的条件下可以对这些具体实施方案作出变动，本发明的保护范围是由权利要求书和其等效方案所定义的。
权利要求
1.一种用来探测周围光的光学传感器，包括第一晶体管，其电耦合于第一电源与电压低于第一电源的第二电源之间并且按照控制信号处于开或者关状态；第二晶体管，其电耦合在第一晶体管与电压低于第一电源的第二电源之间，第一晶体管按照控制信号处于开或者关状态，第二晶体管设置成控制从第一晶体管流到第二电源的电流量，该电流量与周围光的强度相对应，第二晶体管的栅极电耦合到第二电源；及传感部分，其包括与第二晶体管并联电耦合的第一电容。
2.如权利要求1的光学传感器，其特征在于包括电容量大于1微微法的第一电容。
3.如权利要求1的光学传感器，其特征在于第一和第二晶体管为N型晶体管。
4.如权利要求1的光学传感器，其特征在于第一晶体管为N型晶体管而第二晶体管为P型晶体管。
5.如权利要求1的光学传感器，其特征在于还包括电耦合于传感部分的输出端的至少一个放大器。
6.如权利要求5的光学传感器，其特征在于放大器包括第三晶体管，其电耦合在第一电源与第二电源之间，并按照偏置信号第三晶体管处于开状态；及第四晶体管，其电耦合在第三晶体管与第二电源之间，按照偏置信号第三晶体管处于开或者关状态，第四晶体管包括电耦合到传感部分的输出端的栅极。
7.如权利要求6的光学传感器，其特征在于第三和第四晶体管为P型晶体管。
8.如权利要求5的光学传感器，其特征在于还包括至少一个噪声消除器，它电耦合在传感部分与放大器之间。
9.如权利要求8的光学传感器，其特征在于噪声消除器包括至少一个含有第二电容的电容及多个开关。
10.如权利要求9的光学传感器，其特征在于其中的噪声消除器包括第一开关，它电耦合在传感部分输出端与放大器包括的至少一个晶体管的栅极之间；第二开关，它电耦合在一个参考电源与第二电容的一端之间；第三开关，它电耦合在第二电容的另一端与放大器的输出端之间；第四开关，它电耦合在第二电容的与第二开关电耦合的一端与构成放大器的至少一个晶体管的栅极之间；及第五开关，它电耦合在第二电容的与第三开关电耦合的另一端与传感部分的输出端之间。
11.如权利要求10的光学传感器，其特征在于其中的第一到第三开关，其按照同一个开关脉冲处于开或者关状态。
12.如权利要求10的光学传感器，其特征在于第四和第五开关按照同一个开关脉冲处于开或者关状态。
13.一种液晶显示器件，包括一个像素区，它包括多个液晶单元；至少一个光学传感器，设置在该像素区的外围区域上形成的黑色矩阵区域上，用来探测周围光并生成对应于周围光强度的探测信号，此光学传感器包括电耦合于第一电源与第二晶体管之间的第一晶体管、电耦合于第一晶体管与第二电源之间的第二晶体管，第二电源的电压低于第一电源的电压，第一晶体管按照控制信号处于开或者关状态，第二晶体管设置成控制从第一晶体管流到第二电源的电流量，该电流量与周围光的强度相对应，第二晶体管的栅极电耦合到第二电源；及传感部分，它包括与第二晶体管并联电耦合的第一电容；及背光源，用来对该像素区供光；及背光驱动器，用于根据探测信号来控制背光源产生的光的照度。
14.如权利要求13的液晶显示器件，其特征在于第一电容的电容量大于1微微法。
15.如权利要求13的液晶显示器件，其特征在于第二晶体管的栅极设置在黑色矩阵的敞开部分。
16.如权利要求13的液晶显示器件，其特征在于光学传感器包括至少一个放大器，该放大器电耦合到传感部分的输出端。
17.如权利要求16的液晶显示器件，其特征在于放大器包括第三晶体管，它电耦合在第一电源与第二电源之间并且按照偏置信号是处于开状态；及第四晶体管，它电耦合在第三晶体管与第二电源之间，按照偏置信号第三晶体管处于开或者关状态，第四晶体管包括电耦合到传感部分的输出端的栅极。
18.如权利要求17的液晶显示器件，其特征在于第三和第四晶体管为P型晶体管。
19.如权利要求16的液晶显示器件，其特征在于光学传感器包括至少一个噪声消除器，该噪声消除器电耦合在传感部分与放大器之间。
20.如权利要求19的液晶显示器件，其特征在于噪声消除器包括至少一个含有第二电容的电容及多个开关。
21.如权利要求20的液晶显示器件，其特征在于噪声消除器包括第一开关，它电耦合在传感部分输出端与放大器包括的至少一个晶体管的栅极之间；第二开关，它电耦合在一个参考电源与第二电容的一端之间；第三开关，它电耦合在第二电容的另一端与放大器的输出端之间；第四开关，它电耦合在第二电容的与第二开关电耦合的一端与构成放大器的至少一个晶体管的栅极之间；及第五开关，它电耦合在第二电容的与第三开关电耦合的另一端与传感部分的输出端之间。
22.如权利要求21的液晶显示器件，其特征在于第一到第三开关按照同一个开关脉冲处于开或者关状态。
23.如权利要求21的液晶显示器件，其特征在于第四和第五开关按照同一个开关脉冲处于开或者关状态。
全文摘要
一种提供高可靠地探测周围光而且减低功耗的光学传感器，以及一种包含此光学传感器的液晶显示器件。在该光学传感器中，第一晶体管电耦合于第一电源跟第二晶体管之间，第二晶体管电耦合于第一晶体管跟第二电源之间，第二电源的电压低于第一电源的电压。第一晶体管按照控制信号处于开或者关状态。第二晶体管控制从第一晶体管流到第二电源的电流量，该电流量与周围光的强度相对应。与第二晶体管并联电耦合的第一电容构成其传感部分。第二晶体管的栅极电耦合到第二电源。
文档编号G02F1/133GK101059938SQ200710096899
公开日2007年10月24日 申请日期2007年4月16日 优先权日2006年4月17日
发明者金正晥 申请人:三星Sdi株式会社