相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月31日提交的美国专利申请no.15/168,858的优先权，其全部内容通过引用结合于此，如同在下文中充分阐述了一样，并且用于所有可应用的目的。
背景技术：
发光二极管(led)已被广泛用于诸如读卡、字符识别、接近感测、标签打印、电光切换等应用中。特别地，led在光学感测系统中与光电二极管结合使用。例如，光学感测系统可以驱动led产生一定的辐射能量。该辐射能量在经过介质或被表面反射后被光电二极管接收。光电二极管将接收到的辐射能量转换成电流，该电流被进一步处理以检测例如所述介质或所述表面的存在。
在上述光学感测系统中，感测的分辨率(例如在一张和两张薄纸之间进行区分的能力)取决于多个因素。其中一个因素是led在光学感测系统工作的环境温度范围内保持其辐射能量输出(或光输出功率)基本恒定的能力。不幸的是，大多数led的辐射能量输出随环境温度而显著变化。特别地，如果led的输入电流保持相同，大多数led的辐射能量输出在温度升高时显著降低。在传统的高分辨率光学感测系统中通常不能容忍这种变化。因此，需要这方面的改进。
附图说明
当结合附图阅读下面的详细描述时，通过该详细描述可以最好地理解本发明的各个方面。需要强调的是，按照行业的标准实践，各种特征不是按比例绘制的。事实上，为了讨论的清楚起见，各种特征的尺寸可以任意增大或减小。
图1是根据本公开的方面的光学感测系统的简化框图。
图2a是根据一个实施例的包括电流源模块的图1中的光学感测系统的局部示意图。
图2b是根据另一实施例的包括电流源模块的图1中的光学感测系统的局部示意图。
图3是根据一个实施例的包括另一电流源模块的图1中的光学感测系统的局部示意图。
图4是根据一个实施例的图1中的光学感测系统的加权电流加法器的局部示意图。
图5是根据一个实施例的图1中的光学感测系统的局部示意图。
图6a和图6b示出了根据一个实施例的图1中的光学感测系统的一些操作。
图7示出了根据一个实施例的对图1中的光学感测系统的led进行补偿的方法的流程图。
图8示出了根据一个实施例的对图1中的光学感测系统的一些部件进行校准的方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了用于实现所提供的主题的不同特征的许多不同的实施例或示例。下面描述了部件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，并不意在限制。完全能够想到对具有本公开的原理的所描述的装置、系统、方法和任何进一步的应用的任何改变和进一步的修改，这是本公开所涉及的技术领域的普通技术人员通常会想到的。例如，关于一个实施例描述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例描述的特征、部件和/或步骤组合，以形成根据本公开的装置、系统或方法的又一个实施例，即使这样的组合没有被明确示出。此外，为了简单起见，在一些情况下，贯穿所有附图使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
本公开总体上涉及光学感测系统和方法，更具体地涉及用于对在一定范围的工作温度下工作的光学感测系统的光源进行补偿的电路、系统和方法。本公开的一个目的是提供一种温度补偿型光源，其辐射能量输出在一定范围的工作温度内保持大体恒定。本发明的另一目的在于提供一种led驱动电路，其可以通过校准程序与大多数现有的led一起工作。一旦被校准，led驱动电路便可操作产生对给定led进行弥补(complement)的电流，使得当环境温度改变时，led的输出功率保持大体恒定。本发明的又一目的在于提供一种能够在光学感测系统中执行以实现上述温度补偿的校准方法。
参考图1，其中示出了根据本公开的一个实施例构造的光学感测系统10的局部示意图。光学感测系统10包括led12，led12的阳极11耦合至电源电压vdd并且其阴极13通过开关30(后面进一步讨论)耦合至电流源28。正向电流iled通过led12并使其产生光(或辐射能量)。led12可以产生可见光或不可见光，包括紫外光和红外光。led12可以包括任何合适的半导体材料，例如砷化镓(gaas)、磷化镓(gap)、砷化铝镓(algaas)、磷砷化镓(gaasp)、氮化铟镓(ingan)、磷化铝镓(algap)以及磷化铝镓铟(algainp)。
光学感测系统10还包括光电二极管14，光电二极管14的阳极15连接到地(vss)，并且其阴极17连接到与电源电压vdd连接的开关(例如，复位开关)。光电二极管14例如通过表面反射、介质衍射或介质透射来接收led12的至少一部分辐射能量。作为响应，光电二极管14产生从其阴极17到其阳极15的电流。该电流由检测电路16感测以用于进一步的处理。
led12的特性在于，如果电流iled保持恒定，那么当环境温度升高时，其辐射能量输出降低。随环境温度的这种变化影响光电二极管14和检测电路16可靠地检测辐射能量的能力。结果，光电二极管14的灵敏度受到led12的辐射能量输出变化多少的限制。对于在宽的环境温度范围内(例如，从0℃到70℃的商业级温度范围，从-40℃到85℃的工业级温度范围，或者从-55℃到125℃的军用级温度范围)工作的应用，非常希望在整个工作温度内保持led12的辐射能量输出恒定或大体恒定(例如，在百分之几以内)。本公开为这些问题提供了解决方案，如下所进一步讨论的。
仍然参考图1，光学感测系统10进一步包括作为温度相关电流发生器的模块18和作为温度无关电流发生器的模块20。模块18可操作为产生电流is。模块20可操作为产生电流ir。在本实施例中，电流is响应于环境温度的升高(或降低)而增大(或减小)。在另一个实施例中，当环境温度升高(或降低)时，电流is一阶线性地增大(或减小)。在本公开中，术语“一阶线性”是指电流is可以在下面的方程(1)中建模为绝对温度t的线性方程，并且当温度在限定的范围例如预期的工作范围内时，温度t的任何二阶或更高阶影响可以被忽略。对“一阶线性”的相同定义适用于对包括电压、电流、功率和电阻在内的电路参数和其他变量的讨论。
is＝mt+i0,其中m和i0为常数，并且m>0(1)
相比之下，电流ir是与环境温度一阶无关的，即在环境温度的工作范围内保持相对恒定，并且可以忽略环境温度的任何二阶或更高阶的影响。
光学感测系统10进一步包括电流加法器(或电流模式加法器)22。电流加法器22可操作为产生电流ib，其是电流is与ir的加权和。在本实施例中，电流加法器22向电流is施加第一权重ws，并向电流ir施加第二权重wr。因此，电流ib可以用下面的方程(2)表示：
ib＝wsis+wrr(2)
在本实施例中，权重ws和wr由控制单元24提供，并且它们中的每一个是多位矢量。在一些示例中，控制单元24是专用集成电路(asic)或其他处理器电路，其可操作为从存储器元件读取计算机可执行指令并且通过执行指令来提供本文所描述的功能。在一个实施例中，权重ws和wr是用户可编程的，用于微调(或校准)电流ib。从上面的方程(1)和(2)可以看出，电流ib是具有正斜率的绝对温度t的线性方程。此外，当ws和wr归一化为总和1时，电流ib的温度相关性在is和ir的温度相关性之间。对于给定的led12，用户可以调节ws和wr的值以导出对led12的温度相关性进行弥补的合适的ib。换句话说，其导致led12的辐射能量输出在环境温度的整个工作范围内保持大体恒定。一旦找到(或校准)了ws和wr的适当值，这样的值就可以存储在非易失性存储器中(例如，存储为控制单元24中的数字位)。这提供了如下优点：光学感测系统10可以在断电和通电之后恢复正确的操作，而不需要重复校准程序。
仍然参照图1，在本实施例中，光学感测系统10还包括电流乘法器26，电流乘法器26将电流ib与控制矢量actrl相乘并产生电流ia，如下：
ia＝actrlib(3)
在本实施例中，控制矢量actrl由控制单元24提供。在应用中，用户可以手动地或自动地依次遍历actrl的一组值，这继而在led12处产生一组光输出功率。这可以用于校准led12和光电二极管14以找到光学感测系统10的期望工作条件。在一个实施例中，一旦led12和光电二极管14在标称温度(例如，在室温下)被校准，则actrl的值被存储在非易失性存储器中，并在后续操作中被光学感测系统10使用。
在一个实施例中，电流源28是将电流ia复制到led12的电路径的电流镜。实际上，当开关30接通(或闭合)时，iled等于ia。ia的温度相关性弥补了led12的温度相关性。在一个实施例中，开关30被控制为接通和关断以周期性地对led12施加脉冲。例如，led12可以以1至2微秒(μs)的周期被接通200～300纳秒(ns)。
参照图2a，光学感测系统10进一步包括可操作为提供电位vr的带隙电压参考19。电压vr是与环境温度一阶无关的。电压vr被提供给电流发生器18(图2a和2b)和电流发生器20(图3)作为参考电压。
仍然参照图2a，示意性地示出了温度相关的电流发生器18的实施例。电流发生器18包括双极晶体管q1。在该实施例中，双极晶体管q1是一个pnp晶体管，其发射极耦合至节点45，并且其基极和集电极耦合至节点50。在本实施例中，节点50接地(即耦合至地电位vss)。节点45处的电位vbe在一阶下与环境温度成反比。换句话说，电压vbe可以被建模为绝对温度t的线性方程(4)，并且当温度在限定范围例如期望的工作范围内时，可以忽略温度t的任何二阶或更高阶影响。
vbe＝-nt+v0，其中n和v0为常数并且n>0(4)
电流发生器18还包括串联连接在参考电压vr和地vss之间的电阻器r1和r2。电阻器r1和r2耦合至公共节点32。电阻器r1和r2的电阻值是与环境温度一阶无关的。因此，节点32处的电位v32是与环境温度一阶无关的，并且可以在下面的方程(5)中表示。
v32＝kvr,其中k＝r2/(r1+r2)并且0<k≤1(5)
电流发生器18还包括运算放大器x1。运算放大器x1具有耦合至节点32的非反相输入端子、耦合至节点36的反相输入端子和耦合至节点38的输出端子。电流发生器18还包括场效应晶体管(fet)m3，fetm3的栅极耦合至节点38，其源极耦合至节点36，并且其漏极耦合至节点42。运算放大器x1的负反馈路径通过fetm3由节点38至节点36形成。当电流发生器18在工作期间达到平衡时，由于负反馈路径，节点36处的电位v36等于电位v32。
v36＝v32(6)
电流发生器18还包括耦合在节点36和节点45之间的电阻器r3。电阻器r3的电阻值是与环境温度一阶无关的。通过电阻器r3的电流iq1可以在下面的方程(7)中表示。
iq1＝(v36-vbe)/r3(7)
结合方程(4)-(7)得到下面的方程(8)。
从方程(8)可以看出，电流iq1是具有正斜率的一阶的温度t的线性方程。换句话说，当环境温度t升高时，电流iq1一阶线性增大。
仍然参考图2a，由于运算放大器x1的输入端子的高阻抗，源自晶体管m3的电流im3实际上等于电流iq1。电流发生器18还包括电流镜47，电流镜47将电流im3复制到输出节点46处的输出电流is。电流is可以在下面的方程(9)中表示：
从方程(9)可以看出，当环境温度t升高时，电流发生器18可操作为产生一阶线性增加的电流is。
在图2a所示的实施例中，电流镜47具有在其栅极端子处耦合的两个fetm1和m2。在替代实施例中，电流镜47可以使用双极晶体管或fet(诸如金属氧化物fet)来实现，并且可以使用任何架构来实现。
参照图2b，其中示出了电流发生器18的另一个实施例。除了该实施例使用npn双极晶体管q1'代替pnp双极晶体管q1之外，该实施例具有与图2a中所示的实施例基本相同的部件。在该实施例中，晶体管q1'的发射极耦合至接地的节点50。晶体管q1'的基极和集电极耦合至节点36。该实施例的电路分析可以以与以上所述相同的方式进行。
参照图3，示意性地示出了温度无关电流发生器20的实施例。电流发生器20包括运算放大器x2，运算放大器x2的非反相输入端子耦合至参考电压vr，其反相输入端子耦合至节点62，并且其输出端子耦合至节点56。电流发生器20还包括耦合在节点62和地电位vss之间的电阻器r4。电阻器r4的电阻值是与环境温度一阶无关的。电流发生器20还包括fetm6，fetm6的栅极耦合至节点56，其源极耦合至节点62，并且其漏极耦合至节点60，用于产生电流im6。电流发生器20还包括将电流im6复制到输出电流ir的电流镜65。在该实施例中，电流镜65具有两个fetm4和m5。在替代实施例中，电流镜65可以使用双极晶体管或fet(诸如金属氧化物fet)来实现，并且可以使用任何架构来实现。
当电流发生器20在工作期间达到平衡时，由于从节点56到节点62的负反馈路径，节点62处的电压电位v62等于电位vr。出于实际目的，以下方程成立：
ir＝im6＝v62/r4＝vr/r4(10)
如方程(10)所示，电流发生器20可操作为产生与环境温度一阶无关的电流ir。
参照图4，部分示出了加权电流加法器22的示例性实施例。特别地，图4示出了将权重wr施加到电流ir。电流加法器22包括用于接收输入电流ir的fetm7和用于提供输出电流iwr的多个fetm8-1,m8-2,...m8-i...和m8-z。在一些实施例中，z可以是大于零(0)的任何整数。多个fetm8-i(i在[1:z]中)中的每一个的栅极端子经由节点66耦合至fetm7的栅极端子。基本上，多个fetm8-i中的每一个可操作为复制输入电流ir。此外，多个fetm8-i中的每一个连接到由矢量wr[1:z]中的位之一控制的开关。电流加法器有效地产生iwr＝wr·ir。
加权电流加法器22可以包括用于将加权ws施加于电流is的类似电路，从而产生加权电流iws＝ws·is。
加权电流加法器22可以还包括可操作为组合iwr和iws以产生电流ib的电路，使得：
ib＝iwr+iws＝wr·ir+ws·is(11)
在各种实施例中，加权电流加法器22可以以任何架构来实现。以类似的方式，电流乘法器26可以被实现为产生电流ia，使得：
ia＝actrl·ib＝actrl·(wr·ir+ws·is)(12)
参照图5，电流源28的示例性实施例与开关30和led12一起被部分地示出。在该实施例中，电流源28是具有fetm9和m10的电流镜。当开关30闭合时，电流镜操作为将其输入电流ia复制到其输出电流iled。在替代实施例中，电流源28可以以任何构架来实现。
图6a和图6b示出了根据本公开的实施例的光学感测系统10的一些操作。参照图6a，曲线70示出了在温度补偿之前作为环境温度的函数的led12(在给定的固定输入电流下)的辐射能量输出。当环境温度从温度t1升高到温度t2时，led12的辐射能量输出减小。
参照图6b，示出了电流is、ir和iled之间的关系。电流is随环境温度一阶线性地增加(曲线74)。电流ir是与环境温度一阶无关的(曲线76)。电流iled随环境温度一阶线性地增加(曲线78)。在一个示例中，图1中的led驱动电路的各种部件以及控制矢量ws、wr和actrl被选择为使得曲线78弥补了曲线70。
图6a进一步示出了在使用iled进行温度补偿之后的led12的辐射能量输出，其在曲线72中示出。当环境温度从温度t1升高到温度t2时，led12的辐射能量输出保持恒定或几乎恒定(例如，变化在用户选定的阈值内)。这克服了前面讨论的温度相关性问题。
图7示出了对给定led12执行温度补偿的方法100的流程图。图8示出了校准光学感测系统10的一些部件的方法150的流程图。方法100和150中的每一个可以全部或部分地由光学感测系统10实施。应当理解，可以在方法100和150中的每一个之前、期间和之后提供附加的操作，并且对于方法的附加实施例，可以替换、消除或移动所描述的一些操作。方法100和150仅仅是示例，并不意图将本公开限制在权利要求中明确记载的范围之外。
参照图7，方法100包括操作102、104、106、108、110和112。这些操作在下面结合以上的图1至图6b进一步讨论。
在操作102中，方法100提供第一电流is，第一电流is在环境温度升高时一阶线性地增加(参见图1、2a、2b和6b)。在操作104中，方法100提供与环境温度一阶无关的第二电流ir(参见图1、3和6b)。在操作106中，方法100向第一电流is施加第一权重ws，从而产生第一加权电流iws(参见图1和4)。在操作108中，方法100向第二电流ir施加第二权重wr，从而产生第二加权电流iwr(参见图1和4)。在操作110中，方法100组合第一加权电流iws和第二加权电流iwr，由此产生组合的加权电流ib(参见图1)。在操作112中，方法100将组合的加权电流ib的衍生电流iled施加到led12(参见图1、5和6b)。在一个实施例中，通过将组合的加权电流ib与幅度控制矢量actrl(见图1)相乘来获得衍生电流iled。
参照图8，方法150包括操作152、154、156、158、160、162、164和166。这些操作在下面结合前面的图1至图7进一步讨论。测量、计算和存储可以由诸如控制单元24之类的处理逻辑执行计算机可读代码以提供这里描述的功能来执行。在一个实施例中，操作152-166是在将光学感测系统10放置在温度室中的情况下执行的。可以控制温度室来设定光学感测系统10的环境温度。
在操作152中，方法150初始化光学感测系统10的各个部件(图1)。在一个实施例中，操作152包括初始化幅度控制矢量actrl。在一个实施例中，这是作为led12和光电二极管14的校准过程的一部分来执行的。例如，幅度控制矢量actrl可以被设定为使得led12和光电二极管14针对标称工作温度(如室温)下期望的检测灵敏度正常工作。在一个实施例中，操作152还包括使权重ws和wr初始化，并且使用权重ws和wr以及图7中描述的各种操作来提供初始电流iled。操作152可以包括设定为默认值的参数的初始值，所述默认值在方法150期间可以被调节。
在操作154中，方法150测量led12的辐射能量输出作为基准功率。操作154可以使用热检测器、量子检测器或任何其他合适的检测器。该测量可以在诸如室温的标称工作温度下执行。
在操作156中，方法150设定与标称工作温度不同的环境温度。例如，该温度可以是预期用于光学感测系统10的最高或最低工作温度。在一个实施例中，可以控制温度室以设定不同的环境温度。
在操作158中，方法150在操作156中设定的温度下测量led12的辐射能量输出。在一个实施例中，方法150可以在不同的选定温度下多次重复操作156和158。例如，所选定的温度可以包括最高期望工作温度、最低期望工作温度和标称工作温度。在一个示例中，选定的温度包括0、20℃和70℃。方法150可以选择其他温度和/或使用更多的温度点。然而，在此校准过程中选择至少两个温度。方法150在所选定的温度中的每个选定温度下记录所测量的led12的辐射能量输出。
在操作160中，方法150计算选定的环境温度点之中的led12的辐射能量输出的变化(例如，变化的百分比)。
在操作162中，方法150检查变化是否在阈值内。阈值可以是用户可编程的并且结合光电二极管14中的检测灵敏度设计。例如，用户可以将阈值设定为5％。阈值是影响光学感测系统10的感测分辨率的因素之一。
如果led12的辐射能量输出的变化在阈值内，则方法150将各种控制信息存储到非易失性存储器内(例如，存储在控制单元24或另一适当的位置处)，所述控制信息包括幅度控制actrl和权重ws和wr。这通过操作164来执行。当光学感测系统10被断电并且再次通电时，所存储的值被自动加载并且被施加到系统的相应部件，而不需要重新校准。
如果led12的辐射能量输出的变化在阈值之外，则方法150在操作166中改变权重ws和wr中的一个或两个，并且返回到操作154。上述操作154、156、158、160、162和166被重复，直至找到合适的一组权重ws和wr。如果所有的权重ws和wr已经耗尽并且没有找到解，则方法150可以采取其他动作，例如更换led12或更换光学感测系统10的另一个部件。
虽然不意在进行限制，但是本公开的一个或多个实施例为使用led作为光源的光学感测系统提供了许多益处。由于大多数led都具有随着环境温度升高其相对辐射能量输出减少的特性，所以本公开的实施例提供了用于补偿这些led以在一定温度范围内工作的电路、系统和方法。当温度在温度工作范围内变化时，根据本公开的方面的温度补偿的led保持其辐射能量输出恒定或几乎恒定。这极大地提高了光学感测系统的灵敏度。各种实施例可适用于具有温度相关发射特性的其他类型的光源。
在一个示例性方面，本公开涉及一种用于诸如发光二极管(led)的光源的温度补偿电路。光源具有这样的特性，即如果流过光源的电流保持恒定，那么当环境温度升高时，光源的辐射能量输出将减小。温度补偿电路包括用于提供与环境温度的升高成比例地增加的第一电流的第一装置。温度补偿电路还包括用于提供与环境温度一阶无关的第二电流的第二装置。温度补偿电路还包括加权电流加法器，加权电流加法器用于通过以分别施加到第一电流和第二电流的第一权重和第二权重对第一电流和第二电流进行组合来提供第三电流。温度补偿电路还包括响应于第三电流的第三装置，第三装置用于向光源提供第四电流，以保持光源的辐射能量输出与环境温度无关地恒定。
在另一个示例性方面，本公开涉及一种温度补偿光源。该温度补偿光源包括用于响应于施加到led的第一电流而产生辐射能量输出的发光二极管(led)，该led具有这样的特性，即：当环境温度升高并且第一电流保持恒定时，辐射能量输出减小。温度补偿光源还包括：第一电流源，其被配置为产生在环境温度升高时一阶线性地增加的第二电流；第二电流源，其被配置为产生与环境温度一阶无关的第三电流；加权电流加法器，其被配置为通过以分别施加到第二电流和第三电流的第一权重和第二权重对第二电流和第三电流相加来产生第四电流；以及第三电流源，其响应于第四电流并且被配置为将温度补偿的第一电流提供给led。
在又一示例性方面，本公开涉及一种对在一定范围的环境温度下工作的发光二极管(led)进行补偿的方法。该方法包括：提供在环境温度升高时一阶线性地增加的第一电流；提供与环境温度一阶无关的第二电流；向第一电流施加第一权重，从而产生第一加权电流；向第二电流施加第二权重从而产生第二加权电流；以及通过将第一加权电流与第二加权电流相加来产生第三电流。该方法进一步包括响应于第三电流向led施加第四电流。
以上概述了若干实施例的特征，以使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为基础来设计或修改用于执行相同目的和/或实现这里介绍的实施例的相同优点的其他过程和结构。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。