专利名称：光测量电路和方法
技术领域：
本发明涉及一种光测量电路和方法。尤其是，本发明涉及一种具有对从光电转换元件所提供的电流进行积分的功能的光测量电路和方法。
背景技术：
通过利用光电模拟/数字转换器将从光电转换元件所提供的电流输出为数字信号。已熟知下述模拟/数字转换器，该模拟/数字转换器包括:电容，用于根据要测量的输入电压值来存储电荷；恒流电路，用于使存储的电荷放电；以及计数器，用于从放电开始对时钟脉冲进行计数直至两端之间的电压是恒定的。该模拟/数字转换器的问题在于要测量的输入电压越大，电容放电所需的时间越长，这导致转换时间增大。因而，专利文献I (日本未审专利公开N0.2008-42886)公开了一种在能够降低测量时间的同时可扩大输入动态范围并且提高最小分辨率的模拟/数字转换器。该模拟/数字转换器包括具有用于根据输入电流来存储电荷的充电电容器的充电电路以及用于使存储在充电电容器中的电荷放电的第一和第二放电电路。此后，模拟/数字转换器根据存储在充电电容器中的电荷量而输出数字值。模拟/数字转换器在预定充电时间对充电电容器充电，并且每当充电电容器充电到预定电荷电平时从第一放电电路放电。此外，在充电时间逝去之后模拟/数字转换器从第二放电电路放电。以此方式，基于第一放电电路的放电频率以及第二放电电路的放电时间，模拟/数字转换器根据充电电容器的电荷量而输出数字电压值。此外，专利文献2 (日本未审专利公开N0.Sho63 (1988)-282622)公开了一种光度计，该光度计包括用于确定光测量单元的输出范围并且根据确定结果在一电流下放电的放电单元。因而，光度计基于确定结果对放电电流进行开关。利用这种光度计，可将对积分信号进行AD转换的时间降低到在预定时间段之内，而与积分无关。
发明内容
下面给出对本发明的分析。光电流模数转换器用在各种电子设备中。在这种情况下，例如，在使用移动电话或者其它便携式电子设备的地方的内部与外部之间的光照度差很明显的环境下，光照度的动态范围达到IO7或者甚至更大。在这种环境中，在专利文献I中所公开的模数转换器包括对宽输入动态范围继续充电的单个充电电路，使得根据充电量的数字值的输出具有宽动态范围。其结果是，对于宽输入动态范围而言输出数字值可能不具有足够的精确度。另一方面，专利文献2中公开的光度计包括用于确定光测量单元的输出范围并且根据确定结果在一电流下放电的放电单元。以此方式，光度计根据确定结果对放电电流进行开关。利用该配置，光度计可支持宽动态范围。然而，当由比较器确定积分器的输出，即光测量单元的输出，超过标准时，光度计使积分器的时间常数增大。因而，为了支持较宽的动态范围，必须提供更大数目的标准。换句话说，必须提供许多比较器以对积分器的输出与标准进行比较。其结果是，电路复杂了。根据本发明的一个方面，光测量电路包括:积分电路，用于对从光电转换元件所提供的电流进行积分；AD转换器，用于对积分电路的输出电压进行AD转换；以及控制器，用于从AD转换器获得第一 AD转换结果并且控制积分电路和AD转换器以基于第一 AD转换结果的值来确定在继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的积分电路的时间常数。本发明的另一方面是用于通过利用电路对由光电转换元件所接收到的光进行测量的方法。该电路包括用于对从光电转换元件所提供的电流进行积分的积分电路以及用于对积分电路的输出电压进行AD转换的AD转换器。该光测量方法包括步骤:从AD转换器获得第一 AD转换结果；以及确定继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的积分电路的时间常数。根据本发明，基于第一 AD转换结果的值来确定继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的积分电路的时间常数。因而，可测量具有宽动态范围的光电流，而无需使电路更复杂。
图1是本发明的第一实施例的光测量电路的电路图；图2是根据本发明的第一实施例的光测量电路的操作的流程图；图3是示出了当光电流小时各个部件的波形的时间图；图4是示出了当光电流大时各个部件的波形的时间图；图5是根据本发明的第二实施例的光测量电路的电路图；以及图6是根据本发明的第三实施例的光测量电路的电路图。
具体实施例方式在下文中，将对执行本发明的最佳方式进行描述。应该注意的是在以下描述中使用的参考标记仅是为了更好地理解的示例，而不试图限制所说明的实施例。根据本发明的优选实施例，光测量电路包括:积分电路(与图1中的AMP、Cl、以及C2相对应)，用于对从光电转换元件(与图1中的H)相对应)所提供的电流进行积分；AD转换器(与图1中的CMP1、CMP2、以及IOa的功能的一部分相对应)，用于对积分电路的输出电压进行AD转换；以及控制器(与图1中的IOa的功能的一部分相对应)，用于从AD转换器获得第一 AD转换结果并且控制积分电路和AD转换器以确定继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的积分电路的时间常数。在光测量电路中，控制器优选地进行控制使得第二 AD转换中的积分电路的时间常数与第一 AD转换不同。在光测量电路中，积分电路包括运算放大器(图1中的AMP)，该运算放大器用于接收从光电转换元件提供给反相端的电流，使非反相端与参考电压(图1中的Vref)相耦合，并且从输出端输出积分电路的输出电压。此外，积分电路还包括可并联耦合在非反相端与输出端之间的第一至第η (η是2或更大的整数)电容元件。还可能的是控制器通过根据第一 AD转换结果改变第一至第η电容元件的耦合来基于耦合的电容元件的数目确定第二 AD转换中的积分电路的时间常数。在光测量电路中，AD转换器可测量从当积分电路的输出电压通过第一阈值时至当积分电路的输出电压通过第二阈值时的时段中的时钟数目。以此方式，AD转换器可根据所测量的时钟数目而输出第一和第二 AD转换结果的值。在光测量电路中，还提供放电电路(与图1中的C3、SW3a、SW3b、SW4a、以及SW4b相对应)以使存储在积分电路中的电荷放电。控制器可对放电电路进行控制以便具有根据积分电路的确定的时间常数的放电时间常数。半导体器件可包括光电转换元件以及如上所述的光测量电路。上述光测量电路操作使得基于第一 AD转换结果的值来确定继第一 AD转换之后的第二 AD转换时间中的积分电路的时间常数。其结果是，可测量具有宽动态范围的光电流，而无需使电路更复杂。在下文中，参考附图对本发明的优选实施例进行描述。第一实施例图1是根据本发明的第一实施例的光测量电路的电路图。在图1中，光测量电路包括光电二极管PD、放大器AMP、比较器CMPl和CMP2、电容元件Cl，C2，C3、开关SWl，Sff2,Sff3a, Sff3b, Sff4a, Sff4b, Sff5, SW6、以及控制电路 10a。光电二极管ro使阴极与电源Vdd相耦合并且通过开关SWl使阳极与放大器AMP的反相端(-)相稱合。放大器AMP输出端与反相端之间分别稱合开关SW2、开关SW6和电容元件C2的串联电路、以及的开关SW5和电容元件Cl的串联电路。此外，放大器AMP使非反相端(+ )与参考电压Vref相耦合以将来自输出端的输出电压AOUT分别提供给比较器CMPl和CMP2的非反相端。然而，假定电容元件C2的电容大于电容元件Cl的电容。比较器CMPl使非反相端与参考电压Vrefl相耦合(然而Vrefl〈Vref)并且将输出信号COl输出到控制电路10a。比较器CMP2使非反相端与参考电压Vref2相耦合(然而vref2<vrefl)并且将输出信号C02输出到控制电路10a。电容元件C3在其一端处通过开关SW4a与放大器AMP的反相端相耦合，并且还通过开关SW3a与参考电压Vref相耦合。此夕卜，电容元件C3在其另一端处通过与开关SW4a —起工作的开关SW4b与地相耦合。同时，电容元件C3通过与开关SW3a —起工作的开关SW3b与参考电压Vref相耦合。控制电路IOa包括微处理器。控制电路IOa接收输出信号C01，C02以及时钟信号CLK,并且输出用于分别控制开关SWl、Sff2, SW3a和SW3b、SW4a和SW4b、Sff5,以及SW6的开和关的信号Sgl至Sg6。应该注意的是当用于控制开和关的信号是H电平时，相应开关短路(0N)，同时当信号是L电平时，相应开关开路(OFF)。接下来，对控制电路IOa的操作进行描述。图2是光测量电路的操作的流程图。在步骤Sll中，开关SW2、Sff3a, Sff3b, Sff5,以及SW6短路，同时开关SWl、Sff4a,以及SW4b开路。此后，电容元件Cl至C3使存储的电荷放电以对光测量电路进行初始化。在步骤S12中，开关SWl短路以将来自光电二极管H)的光电流提供给放大器AMP的反相端(_)。在步骤S13中，开关SW6开路以仅使用电容元件Cl作为充电电路。
以上是积分电路和放电电路初始化的停止时段Tl的处理。在步骤S14中，使放大器AMP的输出端与反相端之间的开关SW2开路。以此方式，通过电容元件Cl对光电流进行积分，并且输出电压AOUT从参考电压Vref降低。在步骤S15中，光测量电路等待直至输出电压AOUT小于参考电压Vrefl并且输出信号COl变为L电平。在步骤S16中，光测量电路开始对时钟信号CLK计数。在步骤S17中，光测量电路等待直至输出电压AOUT小于参考电压Vref2并且输出信号C02变为L电平。在步骤S18中，光测量电路停止对时钟信号CLK计数。此时，所获得的时钟信号CLK的计数值与第一 AD转换结果相对应。在步骤S19中，光测量电路确定时钟信号CLK的计数值是否超过了预定阈值。如果没有，那么光测量电路保持积分电路的时间常数，并且该处理继续至步骤S21。在步骤S20中，开关SW5开路并且开关SW6短路。换句话说，选择积分电路的电容元件C2以增大积分电路的时间常数。如上所述，在测量区T3之前提供粗略测量时段T2的处理以判定测量区T3中的积分的时间常数。此后，如下所述执行测量区T3中的处理。在步骤S21中，光测量电路将下述锯齿波的计数值k设置为O。同时，光测量电路对时钟信号CLK的计数器进行复位。在步骤S22中，光测量电路设置k=k+l。在步骤S23中，开关SW3a和SW3b开路。在步骤S24中，开关SW4a和SW4b短路以使放电电路的电容元件C3耦合在放大器AMP的反相端与地之间。以此方式,通过电容元件C3对由电容元件Cl或C2所充的电荷进行放电。其结果是，输出电压AOUT增大。在步骤S25中，光测量电路等待直至输出电压AOUT超过参考电压Vrefl并且输出信号COl变为H电平。在步骤S26中，开关SW4a和SW4b开路以使放电电路断开。在步骤S27中，开关SW3a和SW3b短路以将放电电路的电容元件C3的两端上的电势设置为Vref。在步骤S28中，光测量电路开始对时钟信号CLK计数。在步骤S29中，光测量电路等待直至输出电压AOUT小于参考电压Vref2并且输出号变为L电平。在步骤S30中，光测量电路停止对时钟信号CLK计数。在步骤S31中，光测量电路确定锯齿波的计数值k是否到达预定值η。如果没有，那么该处理返回到步骤S22。当计数值k达到预定值η时，该处理转到步骤S32。在步骤S32中，光测量电路确定开关SW6是否短路。换句话说，光测量电路确定是否选择了具有积分电路的较大的时间常数的开关。当开关SW6短路时，在步骤S33中，光测量电路使时钟信号CLK的计数乘以C2/C1以获得AD转换结果Dout。此外，当开关SW6开路时，在步骤S34中，光测量电路从对时钟信号CLK的计数获得AD转换结果Dout。光测量电路如上操作。在光测量电路中，在积分电路的电容元件Cl之前提供了粗略测量时段T2。此后，在粗略测量时段T2中，将在光电二极管ro中所产生的光电流的电荷存储在积分电路的电容元件Cl中。由于电荷的存储，因此输出电压AOUT从最大值Vref I降低，并且输出信号COl变为L电平。此后，当输出电压AOUT小于最小值Vref2时，输出信号C02变为L电平。光测量电路通过在从当输出信号COl变为L电平时至当输出信号C02变为L电平时的时段中对时钟信号CLK的数目进行计数来确定一般光照度。换句话说，当时钟信号CLK的计数数目大于预定阈值时，光测量电路确定一般光照度为低。此后，光测量电路降低测量区T3中的积分电路的时间常数。另一方面，当时钟信号CLK的计数数目等于或小于预定阈值时，光测量电路确定一般光照度为高。此后，光测量电路增大测量区T3中的积分电路的时间常数。图3是示出了当光电流小时各个部件的波形的时间图，其中从当输出信号COl变为L电平时至当输出信号C02变为L电平时的计数数目大于某个计数数目(例如，与3000LUX至5000LUX相对应)。当粗略测量时段T2中的一般光照度为低时，光测量电路将信号Sg6设置为L电平(使SW6开路)，并且将信号Sg5设置为H电平(使SW5短路)。此后，光测量电路在测量区T3中使用高分辨率(high resolution)的电容元件Cl。在确定了分辨率之后，光测量电路通过放电电路的操作使存储在积分电路的电容元件Cl中的电荷放电。此后，光测量电路将积分电路的输出设置为Vref，并且开始光照度测量。此时，为了测量光照度，光测量电路对在测量区中从积分电路输出的输出电压AOUT中的锯齿波数目计数η次。以此方式，光测量电路获得了光照度的值。图4是示出了当光电流大时各个部件的波形的时间图，其中从当输出信号COl变为L电平时至当输出信号C02变为L电平时的时钟的计数数目小于某个计数值(与3000Lux至5000LUX相对应)。当粗略测量时段Τ2中的一般光照度为高时，光测量电路将信号Sg6设置为H电平(使SW6短路)，并且将信号Sg5设置为L电平(使SW5开路)。此后，光测量电路在测量区T3中使用高分辨率的电容元件C2。将电容设置为C2>C1，使得积分的时间常数大。当使用C2时比当使用Cl时,虚拟斜率(virtual slope)更为适中。(实际上,光电流大，因此斜率本身不适中)。当使用C2时，使锯齿波的测量数目乘以C2/C1以作为光照度的值。利用上述光测量电路，通过根据第一 AD转换结果的值对两个电容元件Cl，C2之间的耦合进行开关可改变分辨率。就短时间的大光照度和小光照度而言，这可对作为第二 AD转换结果的光电流进行测量。换句话说，通过根据第一 AD转换结果的值来改变积分电路的时间常数可测量具有宽动态范围的光电流。第二实施例图5是根据本发明的第二实施例的光测量电路的电路图。与图1中的相同参考标记表示图5中的相同部分，并且省略对其的详细描述。图5中的测量电路的配置与图1中的配置相同。然而，在图5中，开关SW6a和电容元件C3a的串联电路进一步与电容元件C3并联耦合。通过从控制电路IOa输出的信号Sg6对开关SW6a的开和关进行控制。具有该配置的测量电路具有包括两个电容元件C3和C3a的放电电路。当在粗略测量时段中确定出一般光照度为高时，测量电路使开关SW6和SW6a短路。换句话说，当一般光照度为高时，测量电路增大测量区中的充电时间常数，并且还增大放电时间常数。在第一实施例的情况下，用于对存储在C2中的电荷进行放电的时间是用于对存储在Cl中的电荷进行放电的时间的C2/C1倍。另一方面，通过增加如图5所示的可开关的用于放电的电容元件C3a可使放电时间降低C3/ (c3+c3a)倍。第三实施例图6是根据本发明的第三实施例的光测量电路的电路图。与图1中的相同参考标记表示图6中的相同部分，并且省略对其的详细描述。图6中的测量电路的配置与图1中的配置相同。然而，在图6中，开关SW7和电容元件C4的串联电路进一步耦合在放大器AMP中的输出端与反相端之间。控制电路IOb具有与图1中的控制电路IOa相同的功能。另外，控制电路IOb还具有用于输出信号Sg7以对开关SW7的开和关进行控制的功能。在具有该配置的光测量电路中，积分电路具有多个电容元件(在这里Cl、C2、以及C4)以将在光电二极管ro中所产生的光电流转换成电压。换句话说，测量电路在积分电路中包括三个电容元件Cl、C2、以及C4，并且根据电容元件的组合可支持七个分辨率。例如，假定将电容元件的电容设置为C2=kCl并且C4=mCl，并且Cl耦合中的分辨率是Ilux (由具有Ilux的光照射H)所产生的电荷等于Cl的电容)。在这种情况下，可获得七级分辨率:1、k、m、1+k、1+m、m+k、以及 1+m+k。此外，通过提供四个或更多电容元件可实现对分辨率的更准确的开关控制。通常，通过提供η类电容元件并且提供与特定电容元件相对应的开关可实现2η-1级的分辨率。应该注意的是在这里将仅使用C3的电路举例说明为放电电路。然而，还可根据积分电路的电容元件的数目而增大放电电路的电容元件的数目。在这种情况下，由于积分电路的电容元件数目增大可防止放电时间增大。利用上述光测量电路，可确定在粗略测量时段中由光电二极管ro所产生的光电流的范围，并且根据确定结果将积分电路的时间常数变为测量区中的η类(在上述示例中η=3)。换句话说，可将分辨率的级变为η类。因而，可测量具有宽动态范围的光电流而无需使电路更复杂。根据本发明的光测量电路和方法可应用于光照度传感器、照明系统、以及电子设备。因此通过参考将专利文献I和2的公开引入到本公开中。此外，在本发明的整个公开的范围(包括权利要求)之内并且基于本发明的基本技术原理可对示例性实施例做出修改。此外，对各种公开元件(包括每个权利要求的每个元件、每个示例性实施例的每个元件、以及每个附图的每个元件等等)的各种组合和选择可在本发明的权利要求的范围之内。也就是说，本发明当然包括本领域普通技术人员根据包括权利要求和技术原理的整个公开所做出的各种变化和修改。
权利要求
1.一种光测量电路，包括: 积分电路，用于对从光电转换元件所提供的电流进行积分； AD转换器，用于对所述积分电路的输出电压进行AD转换；以及控制器，用于从所述AD转换器获得第一 AD转换结果，并且控制所述积分电路和所述AD转换器以基于所述第一 AD转换结果的值来确定在继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的所述积分电路的时间常数。
2.根据权利要求1所述的光测量电路， 其中所述控制器进行控制，使得所述第二 AD转换中的所述积分电路的时间常数与所述第一 AD转换中的不同。
3.根据权利要求1所述的光测量电路， 其中所述积分电路包括: 运算放大器，用于接收从所述光电转换元件提供给反相端的电流，使非反相端与参考电压耦合，并且从输出端输出所述积分电路的输出电压；以及 第一至第η电容元件，所述第一至第η电容元件能够并联耦合在所述非反相端与所述输出端之间，其中η是2或更大的整数， 其中所述控制器通过基于所述第一 AD转换结果改变所述第一至第η电容元件的耦合，来根据耦合的电容元件的数目确定所述第二 AD转换中的所述积分电路的时间常数。
4.根据权利要求1所述的光测量电路， 其中所述AD转换器测量从当所述积分电路的输出电压通过第一阈值时至当所述积分电路的输出电压通过第二阈值时的时段中的时钟数目， 其中所述AD转换器输出与测量的时钟数目相对应的第一和第二 AD转换结果的值。
5.根据权利要求1所述的光测量电路，进一步包括: 放电电路，所述放电电路用于使存储在所述积分电路中的电荷放电， 其中所述控制器对所述放电电路进行控制以使其具有根据所述积分电路的所确定的时间常数的时间常数。
6.一种包括光电转换元件以及如权利要求1所述的光测量电路的半导体器件。
7.—种通过使用电路来对由光电转换元件所接收到的光进行测量的方法，所述电路包括:积分电路，用于对从所述光电转换元件所提供的电流进行积分；以及AD转换器，用于对所述积分电路的输出电压进行AD转换，所述方法包括: 从所述AD转换器获得第一 AD转换结果；以及 基于所述第一 AD转换结果来确定在继第一 AD转换之后的第二 AD转换中的所述积分电路的时间常数。
全文摘要
本发明提供一种光测量电路和方法。其中光测量电路包括积分电路，用于对从光电转换元件所提供的电流进行积分；AD转换器，用于对积分电路的输出电压进行AD转换；以及控制器，用于从AD转换器获得第一AD转换结果并且控制积分电路和AD转换器以确定在继第一AD转换之后的第二AD转换中的积分电路的时间常数。以此方式，可测量具有宽动态范围的光电流，而无需使电路更复杂。
文档编号H03M1/12GK103207013SQ20131000991
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月10日 优先权日2012年1月13日
发明者谢花正司 申请人:瑞萨电子株式会社