用于暗计数消除的传感器装置和方法

背景技术

现代消费电子产品(例如，智能电话)越来越多地使用许多不同的传感器，这些传感器常常包括在同一设备中。在一个特定的应用中，环境光传感器被用于显示管理，其中这些传感器测量环境光亮度。取决于环境光的亮度，可以调节显示器照度，并且可以节省功率。例如，如果环境光亮，那么显示面板可能需要更高的背光照明。但是，如果环境光较少，那么对于显示面板较低背光照明可能就足够了。通过动态调节显示面板亮度，环境光传感器帮助显示面板优化操作功率。

某些环境光传感器包括半导体结以生成传感器信号以检测入射光。光-电子转换对于半导体结是典型的。有时环境光传感器使用分开的电路进行信号获取和处理。例如，环境光传感器可以使用光电二极管和电荷平衡模数转换器。光传感器被放置在深色玻璃下，这要求更大的光电二极管面积才能从光传感器获得针对给定电增益所需的灵敏度。更大的二极管面积意味着更大的漏电流，结果是光传感器的灵敏度在低光测量时受到限制。

发明内容

本说明书描述了与通过利用消波开关准确地测量低光在初始化期间利用一次自动归零操作来优化每个环境光传感器(ALS)测量中的暗电流的抵消相关的技术。

一般而言，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以在用于光感测和温度感测的传感器装置中实施，该装置包括光电二极管；模数转换器(ADC)，可操作以响应于第一时钟信号(CLK1)而执行消波技术并且可操作以将由光电二极管生成的光电流(IPD)转换成数字比较器输出信号(LOUT)，该ADC包括耦合到光电二极管的传感器输入端，用于提供数字比较器输出信号(LOUT)的结果输出端，积分器，该积分器包括耦合到传感器输入端并可操作以接收积分器输入信号的积分器输入端，第一和第二放大器，电耦合到第一放大器的输入端子的消波开关的第一集合，电耦合到第一放大器的输出端并电耦合到第二放大器的输入端子的消波开关的第二集合，以及提供积分器输出信号(OPOUT)的积分器输出端；以及信号处理单元，耦合到模数转换器的结果输出端并被配置为从数字比较器输出信号(LOUT)确定数字输出信号(ADC-COUNT)。某些实施方式包括以下特征中的一个或多个。

在某些实施方式中，ADC可操作以在执行消波技术之前执行初始阶段，该初始阶段包括在用于积分循环的积分时间(T_INT)开始之前应用粗略自动归零操作，并在用于积分循环的积分时间(T_INT)开始时应用重置ADC并初始化信号获取的第一重置/初始化阶段。

在某些实施方式中，ADC可操作以在执行初始阶段之后执行第一消波技术，该第一消波技术包括在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第一阶段，其中消波的第一阶段以第一极性应用，并且在半途时间戳处且不停止积分循环的情况下在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第二阶段，半途时间戳指示积分时间(T_INT)的半途点，其中消波的第二阶段以第二极性应用，并且其中第二极性与第一极性相反。

在某些实施方式中，ADC可操作以在执行初始阶段之后执行第二消波技术，该第二消波技术包括在半途时间戳处在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第一阶段，半途时间戳指示用于积分循环的积分时间(T_INT)的半途点，其中消波的第一阶段以第一极性应用；应用在用于积分循环的积分时间(T_INT)的半途点处重置ADC并重新初始化信号获取的第二重置/初始化阶段，其中第二重置/初始化阶段停止积分循环并改变积分器输出端的极性；以及在第二重置/初始化阶段之后在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第二阶段，其中消波的第二阶段以第一极性应用。在某些实施方式中，将积分器输出的极性从第一极性改变为第二极性包括切换用于第一放大器的输入端子的消波开关的第一集合的输出，并且切换用于第二放大器的输入端子的消波开关的第二集合的输出。

在某些实施方式中，信号处理单元包括具有耦合到结果输出端的第一时钟输入端并包括第一重置输入端的第一计数器、包括第二时钟输入端和第二重置输入端的第二计数器、以及包括耦合到第一计数器的第一计数器输出端和第二计数器的第二计数器输出端的计算输入端的逻辑/计算引擎，其中第一计数器可操作以在第一时钟输入端处接收第一时钟信号(CLK1)并取决于第一时钟信号(CLK1)生成异步计数(C1)，第二计数器可操作以在第二时钟输入端处接收第二时钟信号(CLK2)并取决于第二时钟信号(CLK2)生成时间计数(C2)，并且逻辑/计算引擎可操作以接收异步计数(C1)和时间计数(C2)并从异步计数(C1)和时间计数(C2)中计算数字输出信号(ADC-COUNT)。

在某些实施方式中，传感器装置还包括锁存比较器，该锁存比较器可操作以接收积分器输出信号(OPOUT)并提供数字比较器输出信号(LOUT)。在某些实施方式中，传感器装置包括数字控制电路，该数字控制电路可操作以取决于时钟循环控制每个开关在打开状态和闭合状态之间切换。在某些实施方式中，数字输出信号(ADC-COUNT)包括异步计数(C1)和分数时间计数(C2)，异步计数(C1)包括取决于第一时钟信号(CLK1)的整数个计数，并且分数时间计数(C2)取决于第二时钟信号(CLK2)。在某些实施方式中，数字输出信号(ADC-COUNT)指示由光电二极管生成的光电流。在某些实施方式中，信号处理单元被配置为基于时间计数确定指示数字比较器输出信号(LOUT)中的调制的平均积分周期。

一般而言，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以在方法中实施，该方法包括通过光电二极管两端的偏移电压生成光电流(IPD)，通过模数转换器并且基于在积分循环期间执行的消波技术取决于第一时钟信号(CLK1)将光电流(IPD)转换成数字比较器输出信号(LOUT)，其中ADC包括积分器，该积分器包括电耦合到第一放大器的输入端子的消波开关的第一集合、电耦合到第一放大器的输出端并电耦合到第二放大器的输入端子的消波开关的第二集合，以及提供积分器输出信号(OUTPUT)的积分器输出端。该方法还包括基于数字比较器输出信号(LOUT)确定包括取决于第一时钟信号(CLK1)的整数个计数的异步计数(C1)，基于数字比较器输出信号(LOUT)确定取决于第二时钟信号(CLK2)的分数时间计数(C2)，并基于异步计数(C1)和分数时间计数(C2)计算指示由光电二极管生成的光电流的数字输出信号(ADC-COUNT)。

某些实施方式包括以下特征中的一个或多个。

在某些实施方式中，基于消波技术转换光电流抵消了光电二极管两端的偏移电压。

在某些实施方式中，该方法还包括在执行消波技术之前执行初始阶段，该初始阶段包括在用于积分循环的积分时间(T_INT)开始之前应用粗略自动归零操作，以及在用于积分循环的积分时间(T_INT)开始时应用重置ADC并初始化信号获取的第一重置/初始化阶段。

在某些实施方式中，在执行初始阶段之后，消波技术包括第一消波技术，该第一消波技术包括在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第一阶段，其中消波的第一阶段以第一极性应用，以及在半途时间戳处且不停止积分循环的情况下在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第二阶段，半途时间戳指示积分时间(T_INT)的半途点，其中消波的第二阶段以第二极性应用，并且其中第二极性与第一极性相反。

在某些实施方式中，在执行初始阶段之后，消波技术包括第二消波技术，该第二消波技术包括在半途时间戳处在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第一阶段，半途时间戳指示用于积分循环的积分时间(T_INT)的半途点，其中消波的第一阶段以第一极性应用，应用在用于所述积分循环的积分时间(T_INT)的半途点处重置ADC并重新初始化信号获取的第二重置/初始化阶段，其中第二重置/初始化阶段停止积分循环并改变积分器输出端的极性，以及在第二重置/初始化阶段之后在消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处应用消波的第二阶段，其中消波的第二阶段以第一极性应用。在某些实施方式中，将积分器输出的极性从第一极性改变为第二极性包括切换用于第一放大器的输入端子的消波开关的第一集合的输出，以及切换用于第二放大器的输入端子的消波开关的第二集合的输出。

在某些实施方式中，通过分别切换来自用于每个放大器的每个输入端子的消波开关的每个集合的输入将积分器输出端的极性从第一极性改变为第二极性消除了光电二极管两端的偏移电压。

可以实现本说明书中描述的主题的某些实施例以实现以下优点中的一个或多个。通过使用具有消波开关的两个集合的所公开的电路装置，可以抵消针对每个测量的暗电流。此外，这种技术对于在积分开始时用一个自动归零操作获得用于全温度范围的零暗计数是有用的，这使传感器装置能够更准确地测量低光照级别。另外，在某些情况下，由于较低的自动归零数模转换(DAC)分辨率，自动归零时间可以显著减少。而且，在某些情况下，由于大的DAC步长尺寸，传感器装置还可以降低自动归零阶段的噪声要求。本公开中描述的传感器装置也可以容易地集成到现有体系架构中。

传感器装置可以被用于使用相同的信号路径进行传感器信号获取的光感测和温度感测应用两者。通过对两个传感器使用相同的信号路径，传感器装置的硅面积可以保持较小。因此，在某些情况下，可以以较低的成本生产传感器装置。

优选地，在整个积分时间期间运行该方法以执行连续的获取循环，其中传感器信号被积分，诸如以累积借助于模数转换器存储的电荷，直到累积的电荷达到第一参考电位。当已经达到第一参考电位时，在确定的时间(例如，时钟循环)期间用参考电荷对累积的电荷放电。计数的数量提供了传感器信号的表示。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐述。从描述、附图和权利要求中，其它方面、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是用于光感测的传感器装置的示例实施方式。

图2A-2B是具有消波开关的两个集合的用于光感测的传感器装置的示例实施方式。

图3A-3C是针对用于光感测的传感器装置的三个示例环境光传感器状态的框图。

图4A-4E是针对用于光感测的传感器装置的脉宽调制控制波形的时序图。

具体实施方式

本公开描述了一种光传感器体系架构，用于在初始化期间通过使用消波开关准确地测量低光照级别用一个自动归零(AZ)操作优化每个环境光传感器(ALS)测量中的暗电流的抵消。光传感器体系架构具有诸如环境光传感器或颜色传感器之类的应用，其中光传感器被用于测量光的级别。由于光传感器放置在深色玻璃下，因此需要更大的光电二极管面积才能针对来自光传感器的给定电增益实现指定的灵敏度。进而，更大的光电二极管面积会增加漏电流，而漏电流的增加会限制准确检测低光照级别的能力。

更长的自动归零时间和更高的暗电流在光传感器应用中造成问题。这两个因素限制了在极低光照条件下的光测量。光传感器设备中使用的某些光-频率体系架构使用不同的自动归零数模转换(DAC)通过减小光电二极管两端的电压偏移来实现改善的暗电流性能。在高温下，即使光电二极管两端的小残余μV偏移也会造成大的暗计数。12位AZ DAC对于AZ DAC代码的可重复性会具有问题，并且具有比期望的更长的AZ时间。对于AZ DAC的可重复性问题是DAC的最低有效位(LSB)低于噪声级别。因此，增加DAC位数以减小光电二极管两端的电压偏移往往加剧这些问题。

本文档描述了一种通过降低AZ-DAC的分辨率在更短的时间内更准确地优化暗电流的抵消的装置。更大的DAC步长尺寸可以改善AZ代码的可重复性和AZ-DAC的噪声要求。此外，使用消波开关的两个集合的积分器放大器允许使用AZ DAC的更大LSB并抵消针对每次测量的暗计数。由于来自消波开关两个集合的消波，AZ之后残余的偏移电压随温度和电源电压的改变不会影响暗计数，因此光传感器可以非常精确地测量低光照。

这些特征以及附加特征在下面更详细地描述。

图1是光学传感器装置100的示例性实施方式。传感器装置100包括光电二极管105和模数转换器(ADC)101(本文也称为转换器101)。传感器装置100还包括信号处理单元102。转换器101和信号处理单元102组合成可以被实现为集成电路的光-频率转换器。

在某些实施方式中，光电二极管105连接到集成电路作为外部组件。可替代地，在某些实施例中，光电二极管105可以是集成电路的一部分。光-频率转换器和光电二极管可以被认为是光学传感器装置。在某些实施例中，光学传感器装置被用作环境光传感器。

光电二极管105耦合到转换器101的输入端107。转换器101包括积分器120，积分器120进而包括放大器130、积分器输入端121和积分器输出端122。放大器130包括连接到转换器101的输入端107的放大器输入端131，转换器101的输入端107连接到积分器输入端121。在某些实施方式中，放大器输入端131被实现为反相输入端。可替代地，放大器输入端131可以被实现为非反相输入端。放大器130包括另外的放大器输入端132，其例如被设计为非反相输入端。光电二极管105将转换器装置101的输入端107连接到参考电位端子。第一偏置源VREFIN将另外的放大器输入端132耦合到参考电位端子。积分器120的积分电容器104将放大器输入端131连接到放大器130的放大器输出端133。

转换器101包括具有连接到放大器输出端133的比较器输入端137的比较器136。例如，比较器输入端137被实现为非反相输入端。例如，比较器136的另一个比较器输入端138被设计为反相输入端。参考电压源VREFC将另一个比较器输入端138连接到参考电位端子。比较器136的输出端139连接到数字控制电路110。数字控制电路110包括控制输入端111和控制逻辑以及一个或多个时钟发生器。

另外，转换器101包括参考电容器103。参考电容器103经由转换器装置101的参考开关115耦合到转换器101的输入端107。因此，参考电容器103通过参考开关115耦合到放大器输入端131。数字控制电路110的控制输出端113连接到参考开关115的控制端子。第一偏置源VREFIN耦合到参考电容103。

参考电容器103提供可变电容值CREF。参考电容器103的电容值CREF由另一个电容器控制信号设置。例如，积分电容器104和参考电容器103可以被编程用于不同的环境光传感器增益。

转换器101还包括在积分过程期间参与重置和电荷倾卸的若干附加开关：参考开关115，以及第一至第三参考开关114、116、117。第一参考开关114将第一偏置源VREFIN耦合到参考电容器103的第一电极。参考开关115将参考电容器103的第一电极耦合到放大器输入端131。第二参考开关116将参考电容器103的第二电极耦合到参考电位端子。第三参考开关117将节点106耦合到参考电容器103的第二电极。参考源VREF在节点106处通过由两个电阻器108、109形成的分压器电路生成第二参考电压VGAIN。为了给参考电容器103充电，第一和第二参考开关114、116闭合并且第三参考开关117和参考开关115被第一和第二参考开关信号S1、S2打开。例如，第一和第二参考开关信号S1、S2是不重叠的时钟信号。为了将电荷包QREF倾卸到放大器输入端131，第一和第二参考开关114、116被打开并且第三参考开关117和参考开关115被第一和第二参考开关信号S1、S2闭合。

比较器136可以被实现为例如锁存比较器。比较器136具有连接到锁存器140的第一锁存器输入端143的输出端139。锁存器140包括第二锁存输入端141以接收第一时钟信号CLK1。锁存器输出端142连接到转换器101的结果输出端112和数字控制电路110。

比较器136和锁存器140作为锁存比较器操作。在由第一时钟信号CLK1定义的某些情况下，锁存器140在输出端112处输出比较器输出信号LOUT。由于第一时钟信号CLK1，锁存比较器仅在CLK1的某些间隔将放大器130的输出电压VOUT与偏置电压VREF2进行比较。

信号处理单元102连接到转换器101的结果输出端112。信号处理单元102还包括第一计数器150、第二计数器155和逻辑/计算引擎160。第一计数器150具有连接到结果输出端112的第一时钟输入端151。此外，第一计数器150具有第一重置输入端152。类似地，第二计数器155具有第二时钟输入端156和第二重置输入端157。第一计数器150的第一计数器输出端153和第二计数器155的第二计数器输出端158各自分别连接到逻辑/计算引擎160的计算输入端161和162。最后，逻辑/计算引擎160包括计算输出端163。信号处理单元102可以至少部分地被实现为微控制器。

通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到数字控制电路110的控制输入端111来初始化传感器信号获取。此外，第一时钟信号CLK1可以被提供给控制输入端111。第一时钟信号CLK1可以由时钟发生器提供和/或由数字控制电路110生成。优选地，传感器装置100在信号获取进行之前被清除。当输入控制信号ADC_ON被提供给控制输入端111时，转换器101的操作被触发。第一偏置源VREFIN向参考电容器103提供放大器参考电压VREFIN。参考电容器103生成电荷包QREF。电荷包QREF具有根据下式的值

Q

其中C

取决于输入控制信号ADC_ON，并且在传感器装置100已被设置或清除到初始条件之后，光电二极管105开始信号获取并生成光电流IPD。光电流值取决于入射到光电二极管105上的光的强度。光电流IPD流经光电二极管105和转换器101的输入端107。光电二极管105、放大器输入端131和积分电容器104中的每一个连接到积分节点134。此外，参考电容103经由参考开关115耦合到积分节点134。传感器电流IPD从积分节点134流向具有正值的参考电位端子。输入电压VNEG在放大器输入端131处被分接，并且因此也在积分节点134处被分接。第一偏置源VREFIN向另一个放大器输入端132提供放大器参考电压VREFIN。放大器130在放大器输出端133处生成输出电压VOUT。

在参考开关115打开的情况下，光电流IPD在积分电容器104上被积分。输出电压VOUT随时间t上升，如下：

V

其中I

放大器130的输出电压VOUT被施加到比较器输入端137。参考电压源VREF生成偏置电压VREF2，然后将其作为比较器参考电压VREFC施加到比较器输入端138。比较器136基于输出信号VOUT和比较器参考电压VREFC的值生成比较器输出信号LOUT。如果输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC，那么比较器输出信号LOUT具有第一逻辑值，而如果输出电压VOUT小于比较器参考电压VREFC，那么比较器输出信号LOUT具有第二逻辑值。比较器输出信号LOUT被提供给数字控制电路110。

在信号获取过程中，信号处理单元102对比较器输出信号LOUT的脉冲进行计数。基本上，计数由第一计数器150执行。转换器101和第一计数器150一起可以被认为是生成异步计数COUNT-1(下文中缩写为C1)的一阶调制器。异步计数C1与在积分电容器104上积分的光电流IPD成正比(在误差范围内)。根据某些实施方式，异步计数C1可能易于出错，这由信号处理引擎40解释。第一计数器150提供异步计数C1。但是，这个计数仅包括整数个单独的计数。

第二计数器155可以被认为是对在第二时钟输入端156处接收的第二时钟信号CLK2进行操作的自由运行计数器。第二时钟信号CLK2可以由时钟发生器(未示出)和/或由数字控制电路110提供。第二计数器155通过在第二重置输入端157处接收比较器输出信号LOUT而被重置。第二计数器155生成解析异步计数C1的相邻周期或时间间隔之间的时间周期的时间计数COUNT-2(下文中缩写为C2)。在某些实施方式中，与第一时钟信号CLK1相比，以更高的频率实现第二时钟信号CLK2。例如，第一时钟信号CLK1可以具有频率为737kHz的矩形函数，而第二时钟信号CLK2可以具有频率为2MHz的矩形函数。可替代地，对于第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2，可以使用其它时钟信号频率。

在某些实施方式中，数字控制电路110在积分时间(T_INT)已经过去之后初始化并且还终止信号获取。取决于积分时间信号在数字控制电路110处设置积分时间(T_INT)。

在某些实施方式中，省略第一偏置源VREFIN，并且放大器参考电压VREFIN为零。

如所讨论的，ALS电路(诸如如图1所示的传感器装置100)的基本操作原理是电荷平衡模数转换器(ADC)从光电二极管收集光电流并将其转换成ALS计数(ADC-COUNT)。ALS计数基于电荷守恒方程：

ADC_COUNT＝(T

其中T

I

其中I

Dark_COUNT＝(T

这种漏电流在70度时非常高，具有最高增益(例如，512x)。漏电流可以是环境光传感器(ALS)(诸如传感器装置100)性能的限制因素。针对每个ALS积分循环的总ALS测量时间可以通过以下方程计算：

ALS测量时间＝AZ_Time+Init_Time+ALS_Integration_Time

其中Init_Time是初始化时间并且是固定时间(例如，100μs)，与增益无关，并且AZ_DAC和ALS_Integration_Time是固定时间(例如，100ms)。AZ_Time是自动归零时间，并且自动归零时间随AZ DAC中的位数和用于查找AZ代码的算法而变化。例如，AZ DAC的位越高，AZ时间就越高。随着DAC位数的增加，ALS测量中的开销时间增加，可以是ALS测量中最大开销时间的起点。

在某些实施方式中，用户可以对积分时间进行编程。例如，根据某些实施方式，积分时间(T_INT)的范围可以从2.78ms到1400ms变化。可替代地，可以使用积分时间的不同范围。

利用消波开关的两个集合和两种不同的消波技术以抵消暗电流并减少具有较低AZ DAC分辨率的自动归零时间的传感器装置(和对应的时序图)在下面参考附图2–4进行描述。

图2是光学传感器装置200的示例性实施方式。除了模数转换器(ADC)201(本文也称为转换器201)包括不同于针对图1所讨论的积分器120的积分器220之外，传感器装置200具有类似于图1中所示的传感器装置100的拓扑。例如，传感器装置200包括光电二极管205、转换器201(不同于不同的积分器220)和信号处理单元202(类似于传感器装置100的信号处理单元)。因此，除了本文关于积分器220讨论的那些组件，可以假设图2中的相同组件与参考图1讨论的那些组件相当。

在某些实施方式中，传感器装置200被用于光-频率转换以便光感测。转换器201取决于第一时钟信号(CLK1)，并且被配置为将由光电二极管205生成的光电流(IPD)转换成数字比较器输出信号(LOUT)。ADC装置201包括用于连接光电二极管205的传感器输入端207、用于向信号处理单元202提供数字比较器输出信号(LOUT)的结果输出端212和积分器220。

信号处理单元202类似于图1的信号处理单元102。信号处理单元202连接到转换器201的结果输出端212。信号处理单元202还包括第一计数器、第二计数器和逻辑/计算引擎260。信号处理单元202可以至少部分地被实现为微控制器。信号处理单元202被配置为从数字比较器输出信号(LOUT)确定包括异步计数(C1)的数字输出信号(ADC-COUNT)，异步计数(C1)包括取决于第一时钟信号(CLK1)的整数个计数，并且包括取决于第二时钟信号(CLK2)的分数时间计数(C2)。数字输出信号(ADC-COUNT)指示由光电二极管205生成的光电流。

在某些实施方式中，积分器220包括电耦合到传感器输入端207以接收积分器输入信号的积分器输入端221和用于生成积分器输出信号(OPOUT)的积分器输出端222。积分器220包括连接到第一放大器275的消波开关的第一集合270。消波开关的第一集合270在图2B中进一步示出，并且包括消波开关223a、223b、224a和224b。消波开关的第一集合适于将积分器输入信号消波到放大器275输入端271、272。放大器275的输出端273、274连接到第二放大器285。

积分器220还包括连接到第二放大器285的消波开关的第二集合280。消波开关的第二集合280在图2C中进一步示出，并且包括消波开关225a、225b、226a和226b。消波开关的第二集合280适于在第二放大器285的输入端281、282处消波第一放大器275的输出信号。放大器285的输出端连接到积分器输出端222，积分器输出端222连接到比较器236的输入端237。根据某些实施方式，消波开关的第二集合280被配置为切换消波开关的第一集合270的输出的极性。切换极性在本文中被称为消波技术-2。

比较器236和锁存器240作为锁存比较器操作。在由第一时钟信号CLK1定义的某些情况下，锁存器240将比较器输出信号LOUT输出到输出端212。由于第一时钟信号CLK1，锁存比较器仅在CLK1的某些间隔将积分器220的输出电压VOUT与偏置电压VREF2进行比较。

在某些实施方式中，转换器201使用消波技术来操作。根据某些实施方式，所使用的消波技术可以由数字控制电路210控制。下面参考图3图示并讨论本公开中描述的消波技术。

图3A-3C是针对用于光感测的传感器装置的三个示例环境光传感器状态的框图。具体地，图3A将框图310图示为不使用消波电路的传感器装置(诸如传感器装置100)所使用的环境光传感器状态的示例。图3B和3C分别将框图320、330图示为由使用根据消波技术的消波电路的传感器装置(诸如传感器装置200)所使用的环境光传感器状态的示例。

图3A中的环境光传感器状态在总积分时间(T_INT)期间的一个环境光传感器测量期间在开始方框311处开始。接下来，在方框312处，混合分段(粗略)和二进制加权(精细)操作由DAC(诸如传感器装置100的转换器101)应用，作为重置/初始化阶段之前积分开始时的自动归零操作。

在方框313处，环境光传感器测量的重置/初始化阶段在粗略和精细自动归零操作之后发生。例如，通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到图1中的转换器101的数字控制电路110的控制输入端111来初始化传感器信号获取。根据某些实施方式，在转换器被重置之后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来初始化信号获取。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器(诸如转换器装置101)开始操作。

在重置/初始化阶段之后，环境光传感器集成操作在方框314处开始。例如，由光电二极管105生成的光电流IPD由积分器120积分，积分器120包括放大器130和积分电容器104，如上面参考图1所讨论的。光电流IPD在积分节点134处被积分并且输出电压VOUT在积分期间上升。比较器136监视积分器的输出电压VOUT，即，放大器130的输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器输出信号LOUT为高并且电荷包(例如，Q

在方框315处，来自逻辑/计算引擎(诸如图1的信号处理单元102的逻辑/计算引擎160)的环境光传感器测量的ADC_COUNT输出被存储。图3A中的环境光传感器状态在积分时间(T_INT)已经到期之后在结束方框316处结束，这表示一个环境光传感器测量的结束。例如，数字控制电路110不仅初始化，而且在积分时间(T_INT)完成之后终止信号获取。根据某些实施方式，取决于积分时间信号STINT在数字控制电路110处设置积分时间(T_INT)。

图3B将框图320图示为由使用根据第一消波技术的消波电路的传感器装置(诸如传感器装置200)使用的示例环境光传感器状态。

在总积分时间(T_INT)期间的一个环境光传感器测量期间，针对第一消波技术的环境光传感器状态在开始方框321处开始。接下来，在应用消波技术之前，初始阶段在方框322和323处开始。具体地，在方框322处，由DAC(诸如传感器装置200的转换器201)应用分段(粗略)操作，作为在重置/初始化阶段之前的积分开始时的自动归零操作。

在方框323处，在粗略自动归零操作之后发生环境光传感器测量的重置/初始化阶段。例如，通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到图2中的转换器201的数字控制电路210的控制输入端来初始化传感器信号获取。根据某些实施方式，在转换器201被重置之后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来初始化信号获取。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器201开始操作。

根据某些实施方式，传感器装置200使用具有更高LSB(例如，1LSB＝～100μV)的AZDAC用于消波技术。在方框323的初始化阶段中执行自动归零，这可以使光电二极管205两端的偏移电压达到合理的级别(例如，低于～100μV)。在偏移电压以下，二极管V-I特性是线性的，因此可以在积分时间(T_INT)中使用消波技术来抵消暗电流。

在包括应用粗略自动归零操作(方框322)和应用重置/初始化阶段(方框323)的初始阶段之后，针对第一消波技术的环境光传感器集成操作在方框324处开始。本文描述的每种消波技术都基于用于积分循环的积分时间(T_INT)。这是个连续的过程并且以两个极性在光电二极管两端施加残余偏移，并平均掉光电二极管上的偏移影响并消除针对每次测量的暗电流。消波技术应用于积分器220回路内部并且不会对积分器220的稳定行为造成问题。

具体地，对于第一消波技术，积分开始于在方框325处由积分器220在消波开关的第一集合270和消波开关的第二集合280处进行的消波的第一阶段。消波的第一阶段被称为“具有消波0的ALS积分”，并且在本文中也被称为“消波0”。消波的第一阶段以第一极性应用。例如，在消波0中第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移。积分最初类似于方框324，直到总积分时间(T_INT)的半途。然后在积分时间(T_INT)的后半部分应用消波，而不会在方框325处停止积分。由于残余，偏移对于两个极性在二极管两端应用。例如，由光电二极管205生成的光电流IPD由包括放大器230和积分电容器204的积分器220积分。光电流IPD在积分节点处被积分，并且输出电压VOUT在积分期间上升。比较器236监视积分器的输出电压VOUT，即，放大器230的输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器输出信号LOUT为高并且电荷包(例如，Q

在整个转换时间(T_INT)中，信号处理单元202将继续计数，但是，在积分时间(T_INT)的半途，由积分器220在方框325处在消波开关的第一集合270和消波开关的第二集合280处应用消波的第二阶段(例如，消波1)。消波的第二阶段被称为“具有消波1的ALS积分”，并且在本文中也被称为“消波1”。消波的第二阶段以不同于消波第一阶段的第一极性的极性应用。例如，在消波的第一阶段期间在消波0中在第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移将导致在消波的第二阶段期间在消波1中在第一放大器的输入端子两端的-Ve偏移。积分将在方框325处继续，但是，当在积分时间(T_INT)的半途之后应用消波时，这会造成基于漏电流的积分的输出电压和积分斜率发生小改变，这会引入低于零的暗计数。参考图4D进一步描述第一消波技术。

在方框326处，来自逻辑/计算引擎(诸如信号处理单元202的逻辑/计算引擎260)的环境光传感器测量的ADC_COUNT输出被存储。图3B中的环境光传感器状态在积分时间(T_INT)已经到期之后在结束方框327处结束，这表示一个环境光传感器测量的结束。例如，数字控制电路210不仅初始化，而且在积分时间(T_INT)完成之后终止信号获取。根据某些实施方式，取决于积分时间信号STINT在数字控制电路210处设置积分时间(T_INT)。

图3C将框图330图示为由使用根据第二消波技术的消波电路的传感器装置(例如，传感器装置200)使用的示例环境光传感器状态。

在总积分时间(T_INT)期间的一个环境光传感器测量期间，针对第一消波技术的环境光传感器状态在开始方框331处开始。接下来，在应用消波技术之前，初始阶段在方框332和333处开始。具体地，在方框332处，由DAC(诸如传感器装置200的转换器201)应用分段(粗略)操作，作为在重置/初始化阶段之前的积分开始时的自动归零操作。

环境光传感器测量的第一重置/初始化阶段发生在方框333处的粗略自动归零操作之后。例如，通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到图2中的转换器201的数字控制电路210的控制输入端来初始化传感器信号获取。根据某些实施方式，在转换器201被重置之后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来初始化信号获取。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器201开始操作。

根据某些实施方式，传感器装置200使用具有更高LSB(例如，

在包括应用粗略自动归零操作(方框332)和应用重置/初始化阶段(方框333)的初始阶段之后，针对第二消波技术的环境光传感器集成操作在方框334处开始。本文描述的每种消波技术都基于积分时间(T_INT)。这是个连续的过程，并且以两个极性在光电二极管两端施加残余偏移，并平均掉光电二极管上的偏移影响并消除针对每次测量的暗电流。消波技术应用于积分器220回路内部并且不会对积分器220的稳定行为造成问题。

具体地，对于第二消波技术，积分开始于在方框325处由积分器220在消波开关的第一集合270和消波开关的第二集合280处进行的消波的第一阶段。消波的第一阶段被称为“具有消波0的ALS积分”，并且在本文中也被称为“消波0”。消波的第一阶段以第一极性应用。例如，在消波0中第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移。积分最初类似于方框324，直到总积分时间(T_INT)的半途。然后在积分时间(T_INT)的后半部分应用消波，而不会在方框325处停止积分。由于残余，偏移对于两个极性在二极管两端应用。例如，由光电二极管205生成的光电流IPD由包括放大器230和积分电容器204的积分器220积分。光电流IPD在积分节点处被积分，并且输出电压VOUT在积分期间上升。比较器236监视积分器的输出电压VOUT，即，放大器230的输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器输出信号LOUT为高并且电荷包(例如，Q

在方框335处，在应用消波的第二阶段(例如，消波1)之前，环境光传感器测量的第二重置/初始化阶段发生在积分时间(T_INT)的半途。例如，通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到图2中的转换器201的数字控制电路210的控制输入端来重新初始化传感器信号获取。根据某些实施方式，在转换器201被重置之后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来重新初始化信号获取。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器201开始操作。

在第二重置/初始化阶段之后，发起新的环境光传感器测量，然后在方框336处对积分时间(T_INT)的后半部分应用消波的第二阶段(例如，消波1)。消波的第二阶段被称为“具有消波1的ALS积分”，并且在本文中也被称为“消波1”。因为在方框335处应用了第二重置/初始化阶段，所以以与消波的第一阶段相同的极性应用消波的第二阶段。例如，在消波的第一阶段期间在消波0中第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移将导致在消波的第二阶段期间在消波1中第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移。由于残余，偏移对于两个极性在二极管两端施加。信号处理单元202将在整个转换时间T_INT期间继续计数。积分将在方框336处继续，但是，通过在第二重置/初始化阶段之后的一半积分时间(T_INT)之后应用消波，可以消除在消波开关中存在切换时接通输出信号信息期间的输出改变。参考图4E进一步描述第二消波技术。

在方框337处，来自逻辑/计算引擎(诸如信号处理单元202的逻辑/计算引擎260)的环境光传感器测量的ADC_COUNT输出被存储。图3B中的环境光传感器状态在积分时间(T_INT)已经到期之后在结束方框338处结束，这表示一个环境光传感器测量的结束。例如，数字控制电路210不仅初始化，而且在积分时间(T_INT)已经完成之后终止信号获取。根据某些实施方式，取决于积分时间信号STINT在数字控制电路210处设置积分时间(T_INT)。

图4A示出了用于图1的电路的具有理想波形和理想预期ADC代码4的理想光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图400A。该图示出了光-频率转换器的不同信号和操作。描绘的是第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2。在所示示例中，时钟信号被实现为分别具有737kHz和2MHz频率的矩形函数。这些值应当仅被视为示例，并不限于这些确切值。通常，第一时钟信号CLK1的频率被选择为低于第二时钟信号CLK2的频率。另外，该图示出了积分器(诸如积分器120或220)的输出电压VOUT。最后，图4A示出了异步计数C1和时间计数C2。信号被表示为时间(t)的函数。随着信号获取进行特定积分时间(T_INT)，积分时间(T_INT)被示为参考的均值。

光学传感器装置的基本操作原理基于电荷平衡转换器的概念。转换器101收集来自光电二极管105的光，该光被转换成光电流IPD，该光电流IPD通过几个步骤被转换成计数。理想情况下，在积分时间(T_INT)期间测得的计数C1是光电流IPD的直接测量。结果产生的异步计数C1被补充有各种误差估计，这些误差估计可以从时间计数C2中导出。

基本操作原理由光学传感器装置的各种组件实现。转换器101被设计为电荷平衡转换器并且被用于将光电流IPD转换成数字输出信号形式的数字计数ADC-COUNT。光电流IPD被积分到积分节点134中并且积分电容器104生成输入电压VNEG。如果积分到积分电容器104中的电荷大于单位电荷包QREF，那么积分电容器104上的电荷将减少一个单位电荷包并且第一计数器150将递增一个逻辑值。积分时间信号STINT确定积分时间(T_INT)。通过在积分时间(T_INT)期间对光电流IPD进行积分，异步计数C1将导致对入射在光电二极管105上的光的强度的测量。例如，积分时间(T_INT)可以是100ms。可替代地，积分时间(T_INT)可以是不同的时间长度(例如，第一时钟信号CLK1的周期的倍数)。在这个实施例中，比较器参考电压VREFC是恒定的并且等于偏置电压VREF2。

示例性测量循环可以涉及以下操作。最初，当输入控制信号ADC_ON为低时，转换器101被重置。重置转换器101可以涉及清除光电二极管105；清除积分电容器104；将输入电压VNEG重置为放大器参考电压VREFIN；将输出电压VOUT重置为第一参考电压VREF1，并且从而低于比较器参考电压VREFC。因此，比较器输出信号LOUT为低。参考电容器103被电荷包QREF完全充电并且与积分节点134断开。第一和第二计数器150、155被清零，使得在计算输出端163处的数字输出信号为0。施加到参考开关115的第二参考开关信号S2为低。

在转换器重置之后，可以通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高来初始化信号获取。积分时间信号STINT同时从低转变为高并且转换器101开始操作。由光电二极管105生成的光电流IPD由包括放大器130和积分电容器104的积分器积分。光电流IPD在积分节点134处被积分并且输出电压VOUT在积分期间上升。比较器136监视积分器的输出电压VOUT(即，放大器130的输出电压VOUT)。当输出电压VOUT大于比较器参考电压VREFC时，比较器输出信号LOUT为高并且电荷包(Q

在电荷倾卸之后，输出电压VOUT降低了值V

如图4A中所示，C2的四个理想积分周期被示为遵循4的预期ADC代码。每次完全电荷倾卸周期完成时，时间计数C2经由第二重置输入端157被重置。第二计数器155解析异步计数C1中相邻计数之间的周期。因此，每次完成积分循环并倾卸电荷时，由第一计数器150在异步计数C1中将倾卸的数量N增加一个计数。第二计数器155生成时间计数C2，这是确定用于相应积分循环的时间周期或持续时间的数字值。

图4B示出了用于图1的电路的具有5的ADC代码和+Ve偏移条件的光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图400B。该图示出了光-频率转换器的不同信号和操作。图4B中描绘的是积分器120的输出电压VOUT。此外，还示出了异步计数C1和时间计数C2。信号被表示为时间t的函数。随着信号获取进行特定积分时间(T_INT)，积分时间(T_INT)被示为参考的均值。如图4B中所示，示出了C2p的五个积分周期以遵循5的ADC代码。

图4B-4E中未描绘第一时钟信号CLKl和第二时钟信号CLK2。但是，可以假设对于这些示例实施方式，时钟信号也被实现为分别具有737kHz和2MHz频率的矩形函数。这些值应当仅被视为示例，并不限于这些确切值。通常，第一时钟信号CLK1的频率被选择为低于第二时钟信号CLK2的频率。

图4C示出了用于图1的电路的具有3的ADC代码和-Ve偏移条件的光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图400C。该图示出了光-频率转换器的不同信号和操作。图4C中描绘的是积分器120的输出电压VOUT。此外，还示出了异步计数C1和时间计数C2。信号被表示为时间t的函数。随着信号获取进行特定积分时间(T_INT)，积分时间(T_INT)被示为参考的均值。如图4C中所示，示出了C2n的三个积分周期以遵循3的ADC代码。

图4D示出了以第一消波技术操作的用于图2的电路的具有4的ADC代码的光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图400D。具体地，使用图3B的第一消波技术。图400D图示了光-频率转换器的不同信号和操作。图4D中描绘的是积分器220的输出电压VOUT。此外，还示出了异步计数C1和时间计数C2。信号被表示为时间t的函数。随着信号获取进行特定积分时间(T_INT)，积分时间(T_INT)被示为参考的均值。如图4D中所示，示出了四个积分周期以遵循4的ADC代码。在图4D中实现第一消波技术，其中在积分器220处实现消波的第一阶段(消波0)直到积分时间(T_INT)的半途点404。消波的第一阶段(消波0)以第一极性(例如，第一放大器的输入端子两端的+Ve偏移)应用。然后在积分器220处在半途点404处实现消波的第二阶段(消波1)而不停止积分循环。消波的第二阶段以与第一极性相反的第二极性(例如，第一放大器的输入端子两端的-Ve偏移)应用。由于从消波的第一阶段(消波0)到消波的第二阶段(消波1)的改变，存在输出电压和基于漏电流的积分斜率的小改变，并且输出电压中的小改变会引入低于零的暗计数(参见圆圈402)。还由于在半途点404处实施消波的第二阶段，因此积分周期的时间长度不同。前两个积分周期C2p和最后一个积分周期C2n分别与图4B和4C的积分周期相当。但是，由于消波发生在第三积分周期期间，因此这个积分周期可以表示为：

(C2p+C2n)/2。

图4E示出了以第二消波技术操作的用于图2的电路的具有4的ADC代码的光学传感器装置的示例性实施例的信号的示例性时序图400E。具体地，使用图3C的第二消波技术。图400E示出了光-频率转换器的不同信号和操作。图4E中描绘的是积分器220的输出电压VOUT。此外，还示出了异步计数C1和时间计数C2。信号被表示为时间t的函数。随着信号获取进行特定积分时间(T_INT)，积分时间(T_INT)被示为参考的均值。如图4E中所示，示出了四个积分周期以遵循4的ADC代码。在图4E中实现第二消波技术，其中在积分器220处实现消波的第一阶段(例如，消波0)，直到积分时间(T_INT)的半途点404。然后实现重置/初始化阶段，重置ADC以及信号获取在半途点404处重新初始化，从而使系统执行两个环境光传感器测量：“测量1”和“测量2”，如图4E中所示。第二重置/初始化阶段停止积分循环并改变积分器输出的极性。然后在“测量2”期间在积分器220处实现消波的第二阶段(消波1)。由于从消波的第一阶段、到重置/初始化阶段、再到消波的第二阶段的改变，消除了当存在消波开关的切换时输出信号信息上的切换期间的输出改变(例如，对于第一消波技术在半途点处的斜率改变-圆圈402)。此外，因为重置/初始化阶段改变了积分器输出的极性，所以消波开关的第一集合和消波开关的第二集合处的消波的第二阶段(消波1)以与消波的第一阶段的相同极性应用。而且，由于重置/初始化阶段和消波的两个不同阶段的实施方式，积分周期的时间长度不同。积分时间(T_INT)的前一半中的前两个积分周期C2p和重置阶段之后积分时间(T_INT)的后一半中的第一积分周期C2n分别与图4B和4C的积分周期相当。但是，由于发生了重置/初始化阶段，因此每个测量周期的最后两个周期减半，并且可以分别表示为：C2p/2、C2n/2。

根据某些实施方式，将积分器输出的极性从第一极性改变为第二极性包括切换用于第一放大器的输入端子的消波开关的第一集合的输出，并且切换用于第二放大器的输入端子的消波开关的第二集合的输出。通过分别切换来自用于每个放大器的每个输入端子的消波开关的每个集合的输入，将积分器输出的极性从第一极性改变为第二极性消除了光电二极管两端的偏移电压。

虽然本说明书包含许多具体的实施方式细节，但这些不应当被解释为对任何特征的范围或可能要求保护的范围的限制，而是对特定于特定实施例的特征的描述。本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。而且，虽然上述特征可以被描述为在某些组合中起作用，甚至最初就是这样要求保护的，但在某些情况下可以从组合中删除一个或多个来自要求保护的组合的特征，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定次序描绘了操作，但这并不一定要理解为要求以所示的特定次序或以顺序次序执行这样的操作，或者执行所有图示的操作，以实现期望的结果。在某些情形下，多任务和并行处理可以是有利的。而且，上述实施例中各个系统组件的分离不应当被理解为在所有实施例中都要求这样的分离，并且应当理解的是，所描述的程序组件和系统一般可以一起集成到单个软件产品中或打包到多个软件产品中。

因此，已经描述了本主题的特定实施例。在某些情况下，权利要求中阐述的动作可以以不同的次序执行，但仍能实现期望的结果。此外，附图中描述的过程不一定要求所示的特定次序或顺序次序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理可以是有利的。因而，其它实施方式在以下权利要求的范围内。