一种光传感器电路的制作方法

1.本技术涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种光传感器电路。


背景技术：

2.光传感器芯片一般使用积分器对光电流进行积分。首先，感光器件(如光电二极管)产生光电流，通过积分器在一定电压范围内对光电流积分，在一定周期时间内一定电压范围内，最终对积分时间和放电时间完成量化。
3.积分器包括一个运放，由于积分器中运放的带宽有限，为了产生运放输出电流i，会导致运放输入负端产生i/gm的电压差，其中gm为运放输入对管跨导，这个电压差与输出电压变化斜率正相关，与运放带宽负相关。电压差作用于感光器件的电容c0，产生了电荷误差c0
×
i/gm，导致测量结果的误差。
4.运放的增益会随着频率的增加而衰减，一般认为增益衰减到0db时的频率，就是单位增益带宽(即运放带宽)。运放带宽会在一定的范围内，无法无限制增大运放带宽。由于运放的带宽＝gm/cc，cc指密勒补偿电容，所以运放带宽会与功耗正相关，与补偿电容负相关，由于不可能无限制增大功耗，减小补偿电容也会恶化稳定性，所以运放带宽是有限的，增加运放带宽会带来上述影响，但是有限带宽又会产生测量误差。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的在于提供一种光传感器电路，用以解决现有技术的光传感器芯片由于积分器中的运放带宽有限，导致测量结果的误差的问题。
6.本技术实施例提供的一种光传感器电路，包括感光器件、光电流积分器、电压补偿电路和比较器；
7.光电流积分器的第二输入端连接感光器件的负端，感光器件的正端接地，光电流积分器的输出端连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端用于输入积分上限或积分下限，比较器的输出端连接受控开关的控制端，参考电流源的输出端通过受控开关后连接到感光器件的负端；
8.光电流积分器的第一输入端通过电压补偿电路后连接到参考电压模块的输出端，电压补偿电路用于补偿由于光电流积分器中运放的带宽有限导致的输入电压变化。
9.上述技术方案中，光电流积分器的第一输入端用于输入参考电压模块输出的参考电压，在光电流积分器的输出端未产生电流时，光电流积分器的第二输入端电压等于第一输入端的参考电压；在光电流积分器的输出端产生电流i2时，由于光电流积分器中运放的带宽，光电流积分器的第二输入端电压会减小i2/gm，本实施例的电压补偿电路对光电流积分器的第一输入端电压进行补偿，使光电流积分器的第一输入端的参考电压增加i2/gm，由于光电流积分器的运放虚短特性，其第二输入端和第输入端进行同步变化，光电流积分器的第二输入端电压也增加i2/gm从而回到参考电压，即光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
10.在一些可选的实施方式中，电压补偿电路包括等效电阻和补偿电流源；
11.参考电压模块的输出端通过等效电阻后连接到光电流积分器的第一输入端，补偿电流源的输出端连接到光电流积分器的第一输入端。
12.上述技术方案中，电压补偿电路包括等效电阻和补偿电流源，通过补偿电流源输出电流i3流过等效电阻，产生补偿电压，在光电流积分器的第二输入端电压变化时，通过在光电流积分器的第一输入端增加该补偿电压，使光电流积分器的第二输入端电压也同步变化，从而使光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
13.在一些可选的实施方式中，等效电阻的电阻值配置为r0＝1/gm，补偿电流源的电流值i3配置为i3＝i2；其中，gm为光电流积分器的运放输入对管跨导，i2为光电流积分器的输出电流值。
14.上述技术方案中，在光电流积分器的输出端产生电流i2时，由于光电流积分器中运放的带宽，光电流积分器的第二输入端电压会减小i2/gm，因此，将等效电阻的电阻值配置为r0＝1/gm，补偿电流源的电流值i3复制光电流积分器的输出电流i2，补偿电流源输出电流i3流过等效电阻时产生补偿电压i2/gm，光电流积分器的第一输入端电压则变为参考电压加上i2/gm，光电流积分器的第二输入端电压也同步变化(增加i2/gm)，从而第二输入端电压回到参考电压，即光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
15.在一些可选的实施方式中，光电流积分器的运放采用恒定gm偏置的运放使gm的值恒定，从而保证等效电阻的电阻值1/gm的准确性。
16.在一些可选的实施方式中，补偿电流源包括电流镜电路，电流镜电路的输入端连接光电流积分器的输出端，电流镜电路用于复制光电流积分器的输出电流值。
17.上述技术方案中，补偿电流源目的是复制光电流积分器的输出电流值，因此，本实施例补偿电流源采用电流镜电路。
18.在一些可选的实施方式中，光电流积分器包括运放amp、第二电容和积分器开关；
19.运放amp的第二输入端连接感光器件的负端，运放amp的第一输入端连接电压补偿电路，运放amp的输出端连接比较器的第一输入端，运放amp的第二输入端通过第二电容后连接到运放amp的输出端，第二电容两端还并联有积分器开关。
20.在一些可选的实施方式中，运放amp包括运放d1、第一p型mos管、第一n型mos管和密勒补偿电容；
21.运放d1的第二输入端连接感光器件的负端，运放d1的第一输入端连接电压补偿电路，运放d1的输出端连接第一p型mos管的g极，运放d1的输出端还连接密勒补偿电容的第一端，第一n型mos管的d极连接密勒补偿电容的第二端，第一n型mos管的s极接地，第一p型mos管的d极连接第一n型mos管的d极。
22.在一些可选的实施方式中，电流镜电路包括第二p型mos管和第二n型mos管；
23.第二p型mos管的g极连接到第一p型mos管的g极，第二n型mos管的g极连接到第一n型mos管的g极，第二p型mos管的s极连接到第一p型mos管的s极，第二n型mos管的s极连接到第一n型mos管的s极，第二p型mos管的d极连接到第二n型mos管的d极。
24.其中，电流镜电路存在失配会影响复制电流的准确性，其原因是，电流镜电路中的
mos尺寸、周围器件，会导致电流镜电路的工作环境不一样，导致复制电流与被复制电流可能会有差别，而，为了减小电流镜的失配，采用动态元件匹配技术，按一定频率分别切换m1/m3、m2/m4作为光电流积分器运放输出级或i3产生电路，可以抵消失配；其中，m1为第一p型mos管，m2为第一n型mos管，m3为第二p型mos管，m4为第二n型mos管。
25.在一些可选的实施方式中，感光器件包括光电二极管，光电二极管的正端接地，光电二极管的负端连接光电流积分器的第二输入端。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为一种光传感器电路结构图；
28.图2为光电流积分器的波形图；
29.图3为本技术实施例提供的一种光传感器电路结构示意图；
30.图4为本技术实施例提供的运放amp的电路结构图；
31.图5为本技术实施例提供的电流镜电路结构图。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
33.请参照图1，图1为一种光传感器电路结构图，该光传感器电路使用光电流积分器对光电流进行积分。首先，感光器件(光电二极管)产生光电流，通过光电流积分器在一定电压范围内对光电流积分，在一定周期时间内一定电压范围内，最终对积分时间和放电时间完成量化。
34.具体过程为，感光器件产生光电流，参考电流i1未接入，光电流积分器输出电流i2＝光电流i0，i2由光电流积分器提供，如图1中箭头所示，通过电容c1流向感光器件(光电二极管)。
35.光电流积分器包括运放amp，由于光电流积分器中运放amp的带宽有限，运放amp产生i0，会导致其输入负端产生i0/gm的电压差，gm为光电流积分器的运放输入对管跨导，这个电压差与输出电压变化斜率正相关，与带宽负相关。电压差作用于感光器件的电容c0，产生了电荷误差c0
×
i0/gm，导致测量结果的误差。
36.运放amp的增益会随着频率的增加而衰减，一般认为增益衰减到0db时的频率，就是单位增益带宽(即运放带宽)。带宽会在一定的范围内，其无法无限制的增大。由于运放带宽＝gm/cc，cc指密勒补偿电容，所以带宽会与功耗正相关，与补偿电容负相关，由于不可能无限制增大功耗，减小补偿电容也会恶化稳定性，所以带宽是有限的，增加带宽会带来上述影响，但是有限带宽又会产生误差。
37.当参考电流i1注入时，光电流积分器输出电流变为i2＝i0-i1，数值为负数，代表方向相反，i0-i1由光电流积分器提供。同样，由于光电流积分器中运放amp的带宽有限，输入负端产生(i0-i1)/gm的电压差，产生了电荷误差c0
×
(i0-i1)/gm，导致测量误差，误差方
向与未接入i1时相反。
38.如图2所示，图2为光电流积分器的波形图，在光电流积分器的积分过程中，参考电流i1注入和不住入时，光电流积分器输出的变化方向不同，引入的输入电压变化方向也不同。光电流积分器的正输入端v+连接1v偏置电压，电压保持不变。当光电流积分器的输出电压vo上升时，光电流积分器的负输入端v-会下降，当光电流积分器的输出电压vo下降时，光电流积分器的负输入端v+-会上升。
39.另外，在实际应用中，一个积分周期的时长是固定的，积分结束时积分过程可能处于任何状态，因此测量误差可能偏高或偏低，偏差量也无法预测，整体呈现随机性和非线性，因此无法通过添加一个固定位移量补偿。
40.在目前的应用中，一般是通过增加光电流积分器的运放工作电流、减小补偿电容来增加带宽，减小有限带宽的影响，这种方式有几个缺点：一是电流与带宽呈线性正相关的关系，增加一倍的电流只能增加一倍的带宽，大大增加了功耗；二是减小补偿电容会增加补偿的难度。同时，这些缺点决定了带宽不可能无限增加，对测量误差的改善程度有限。
41.本技术的一个或多个实施例中提出一种光传感器电路，以增加很小的功耗、不影响稳定性的方式，通过复制光电路积分器的输出端电流，利用复制的输出端电流流过等效电阻产生的压差，补偿由于运放带宽有限导致的输入电压变化，保证光电流量化过程中的电荷守恒，实现了简便有效的有限带宽影响消除。
42.请参照图3，图3为本技术实施例提供的一种光传感器电路结构示意图，包括感光器件、光电流积分器、电压补偿电路和比较器cmp；
43.其中，光电流积分器的第二输入端连接感光器件的负端，感光器件的正端接地，光电流积分器的输出端连接比较器cmp的第一输入端，比较器cmp的第二输入端用于输入积分上限或积分下限，比较器cmp的输出端连接受控开关的控制端，参考电流源i1的输出端通过受控开关后连接到感光器件的负端。光电流积分器的第一输入端通过电压补偿电路后连接到参考电压模块的输出端，电压补偿电路用于补偿由于光电流积分器中运放的带宽有限导致的输入电压变化。感光器件包括光电二极管，光电二极管的正端接地，光电二极管的负端连接光电流积分器的第二输入端。图3中将感光器件本身的电容特性表示为第一电容c0。光电流积分器的输出端通过第二电容c1后连接到光电流积分器的第二输入端。
44.本技术实施例中，光电流积分器的第一输入端用于输入参考电压模块输出的参考电压，在光电流积分器的输出端未产生电流时，光电流积分器的第二输入端电压等于第一输入端的参考电压；在光电流积分器的输出端产生电流i2时，由于光电流积分器中运放的带宽，光电流积分器的第二输入端电压会减小i2/gm，本实施例的电压补偿电路对光电流积分器的第一输入端电压进行补偿，使光电流积分器的第一输入端的参考电压增加i2/gm，由于光电流积分器的运放虚短特性，其第二输入端和第输入端进行同步变化，光电流积分器的第二输入端电压也增加i2/gm从而回到参考电压，即光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
45.具体的，电压补偿电路包括等效电阻r0和补偿电流源i3；参考电压模块的输出端通过等效电阻r0后连接到光电流积分器的第一输入端，补偿电流源i3的输出端连接到光电流积分器的第一输入端。
46.本技术实施例中，电压补偿电路包括等效电阻r0和补偿电流源i3，通过补偿电流
源i3输出电流i3流过等效电阻r0，产生补偿电压，在光电流积分器的第二输入端电压变化时，通过在光电流积分器的第一输入端增加该补偿电压，使光电流积分器的第二输入端电压也同步变化，从而使光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
47.其中，等效电阻r0的电阻值配置为r0＝1/gm，补偿电流源i3的电流值i3配置为i3＝i2；其中，gm为光电流积分器的运放输入对管跨导，i2为光电流积分器的输出电流值。
48.在光电流积分器的输出端产生电流i2时，由于光电流积分器中运放的带宽，光电流积分器的第二输入端电压会减小i2/gm，因此，将等效电阻r0的电阻值配置为r0＝1/gm，补偿电流源i3的电流值i3复制光电流积分器的输出电流i2，补偿电流源i3输出电流i3流过等效电阻r0时产生补偿电压i2/gm，光电流积分器的第一输入端电压则变为参考电压加上i2/gm，光电流积分器的第二输入端电压也同步变化(增加i2/gm)，从而第二输入端电压回到参考电压，即光电流积分器的第二输入端电压保持参考电压不变，保证了感光器件处的电荷守恒，避免电荷误差的产生，减少了测量误差。
49.在一些可选的实施方式中，光电流积分器的运放采用恒定gm偏置的运放，使gm的值恒定，从而保证等效电阻r0的电阻值1/gm的准确性。
50.在一些可选的实施方式中，补偿电流源i3包括电流镜电路，电流镜电路的输入端连接光电流积分器的输出端，电流镜电路用于复制光电流积分器的输出电流值。本技术实施例中，补偿电流源i3目的是复制光电流积分器的输出电流值，因此，本实施例补偿电流源i3采用电流镜电路。
51.在一些可选的实施方式中，光电流积分器包括运放amp、第二电容c1和积分器开关；运放amp的第二输入端连接感光器件的负端，运放amp的第一输入端连接电压补偿电路，运放amp的输出端连接比较器cmp的第一输入端，运放amp的第二输入端通过第二电容c1后连接到运放amp的输出端，第二电容c1两端还并联有积分器开关。
52.请参照图4，图4为本技术实施例提供的运放amp的电路结构图，运放amp包括运放d1、第一p型mos管m1、第一n型mos管m2和密勒补偿电容cc；运放d1的第二输入端连接感光器件的负端，运放d1的第一输入端连接电压补偿电路，运放d1的输出端连接第一p型mos管m1的g极，运放d1的输出端还连接密勒补偿电容cc的第一端，第一n型mos管m2的d极连接密勒补偿电容cc的第二端，第一n型mos管m2的s极接地，第一p型mos管m1的d极连接第一n型mos管m2的d极。
53.请参照图5，图5为本技术实施例提供的电流镜电路结构图，本实施例中的电流镜电路包括第二p型mos管m3和第二n型mos管m4；第二p型mos管m3的g极连接到第一p型mos管的g极，第二n型mos管m4的g极连接到第一n型mos管的g极，第二p型mos管m3的s极连接到第一p型mos管的s极，第二n型mos管m4的s极连接到第一n型mos管的s极，第二p型mos管m3的d极连接到第二n型mos管m4的d极。
54.需注意的是，电流镜电路存在失配会影响复制电流的准确性，其原因是，电流镜电路中的mos尺寸、周围器件，会导致电流镜电路的工作环境不一样，导致复制电流与被复制电流可能会有差别，而，为了减小电流镜的失配，采用动态元件匹配技术，按一定频率分别切换m1/m3、m2/m4作为光电流积分器运放输出级或i3产生电路，可以抵消失配。
55.下面对本实施例的光传感器电路的工作流程进行详细阐述：
56.本实施例的光传感器电路在光电流积分器输入正端增加了补偿电流源i3、等效电阻r0。并令i3＝i2，r0＝1/gm，电流i3流过等效电阻r0上产生了电压差i2/gm。光电流积分器的第一输入端v+的电压变化会强制第二输入端v-的电压发生相应的变化，实现对v-的补偿。
57.在参考电流源的i1未接入时，光电流积分器输出电流经过第二电容c1从右边往左，这时候对第二电容c1来说是充电，光电路积分器的输出电压vo会上升(也就是运放输出上升)。在参考电流源的i1接入时，光电流积分器输出电流为i2反方向，即i2对于vo结点为流入方向，对vo抽电。
58.由于光电流积分器输出存在不同的变化方向，引入的输入电压变化方向也不同，下面从两种情况进行分析。
59.光电流积分器输出在上升时：对第二电容c1充电，m1的电流会大于m2的电流，i2＝i0。
60.在光电流积分器的输出中，m1的电流大于m2的电流，i2对于输出结点vo为流出方向(i2从右往左)，对vo充电。i3对于v+结点是流入方向，i3流向v+节点，i3流经等效电阻后，v+端的电压增加到vref+i2/gm，vref为1v的参考电压，迫使v-端电压也增加i2/gm，由于一开始v-端电压是减小了i2/gm，这样v-电压回到vref，消除了电荷误差。
61.一开始，v+端电压和v-端电压相等，然后由于产生i2，于是v-端电压会减小i2/gm值，此时，v+端电压还未变化，为了让v-端电压回到vref，所以才加了i3，之后，v+端电压就变成了vref+i2/gm，由于运放虚短特性(同步变化)，所以v-端电压也会上升i2/gm值，最终v-端电压会变成初始值(vref)，即保证光电二极管处电荷守恒，实现我们要的v-端电压值不变的效果。
62.光电流积分器输出在下降时：i2＝i1-i0，i2的方向变化。
63.在光电流积分器的输出级中，当m2的电流大于m1的电流时，i2对于vo结点为流入方向，对vo抽电。i3对于v+端是流出方向，i3流经等效电阻后，v+端电压减小到vref-i2/gm，v-端电压也增加i2/gm，变为参考电压vref，消除了电荷误差。
64.其中，关于i3的实现方式：
65.若i2直接被用做i3会影响光电路积分器的工作状态，因此，将这个电流i2复制出来用作i3，本实施例利用电流镜电路实现对电流i2的复制。
66.m1和m2是光电流积分器中运放amp的输出级，两者之间的电流差产生i2，利用m3复制m1的电流，m4复制m2的电流，这样m3和m4的电流差i3就复制了m1和m2的电流差i2。由于电流镜之间存在失配会影响复制电流的准确性，mos尺寸、周围器件，会导致工作环境不一样，所以电流可能会有差别。为了减小电流镜的失配，采用动态元件匹配技术，按一定频率分别切换m1/m3、m2/m4作为运放输出级或i3产生电路，可以抵消失配。
67.为了进一步保证产生的电压的准确度，光电路积分器的运放采用恒定gm偏置的运放，目的让gm偏的更少，保证复制的1/gm电阻的准确性。
68.综上所述，本方案的补偿量跟随光电流积分器输出电流i2实时调整，可以适用于电流i2不同方向的变化情况，实现消除有限带宽带来的不良影响。动态元件匹配和恒定gm偏置保证了本方案具有较好的补偿效果。
69.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方
式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
70.另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
71.再者，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
72.在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
73.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。