本申請(qǐng)要求2014年7月25日提交的、題為“Circuit Architecture for Mode Switch”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)No.62/029,361的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及電流檢測(cè)器。

背景技術(shù)：

光電二極管(也稱(chēng)為“光電檢測(cè)器”)是能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或電壓的傳感器的類(lèi)型。通常，光電二極管是具有PIN或PN連接結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)足夠能量的光子撞擊光電二極管時(shí)，其激發(fā)電子，產(chǎn)生自由電子和帶正電荷的電子空穴。空穴朝向陽(yáng)極移動(dòng)，電子朝向陰極移動(dòng)，并且產(chǎn)生與光電二極管上的入射光的量成比例的光電流。

其它類(lèi)型的傳感器包括例如、熱電、壓電或電容傳感器。

所有這些傳感器是常見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈儼ㄒ粚?duì)電極，并且當(dāng)被它們各自的刺激刺激時(shí)，跨電極的電荷狀態(tài)改變。然后可以使用由跨越電極的改變的電荷狀態(tài)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)和量化刺激。例如，當(dāng)光入射在光電二極管上時(shí)，光電二極管在其電極兩端產(chǎn)生電荷狀態(tài)的變化。換句話(huà)說(shuō)，光電二極管在存在光的情況下產(chǎn)生電流(其可以稱(chēng)為“光電流”)，其中電流與入射在光電二極管上的光的量成比例。類(lèi)似地，熱電傳感器在加熱或冷卻時(shí)在其電極兩端產(chǎn)生電荷狀態(tài)的變化，壓電傳感器響應(yīng)于其機(jī)械取向的變化而在其電極上產(chǎn)生電荷狀態(tài)的變化(例如，應(yīng)變)，而電容傳感器是其中環(huán)境中的變化改變感測(cè)元件的有效電容，其又改變保持電荷的容量的傳感器。

對(duì)于這種傳感器以及根據(jù)檢測(cè)電荷狀態(tài)的變化的類(lèi)似原理操作的其它傳感器，可能期望能夠檢測(cè)和量化源自特定感興趣源的刺激以及源自所有的刺激除了感興趣的來(lái)源之外的其他來(lái)源。例如，在光電二極管的上下文中，可能期望檢測(cè)和量化對(duì)由光電二極管產(chǎn)生的電流的貢獻(xiàn)，這是由于檢測(cè)由感興趣的特定光源(例如光源)產(chǎn)生的光，特定的發(fā)光二極管(LED)，以及檢測(cè)和量化由于除了感興趣的光源之外的所有其它光源產(chǎn)生的光的檢測(cè)而對(duì)光電流的貢獻(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)涉及電流檢測(cè)模塊，其能夠區(qū)分和量化由傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)，該電流信號(hào)是由來(lái)自感興趣的源(目標(biāo)源)以外的源的貢獻(xiàn)的刺激的結(jié)果(環(huán)境源)。只要來(lái)自目標(biāo)源的貢獻(xiàn)包括脈沖信號(hào)，模塊就使其自身與脈沖同步，使得在脈沖和由模塊的各個(gè)級(jí)執(zhí)行的功能之間存在預(yù)定的相位關(guān)系。該模塊可以被重新使用以通過(guò)將來(lái)自環(huán)境源的貢獻(xiàn)作為一個(gè)或多個(gè)脈沖提供給電流檢測(cè)模塊來(lái)提供對(duì)來(lái)自環(huán)境源的傳感器生成的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)的高精度檢測(cè)和量化，其接著觸發(fā)模塊的同步。為此，提供了一種檢測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)如本文所述的電流檢測(cè)模塊，并且允許模式切換，其中取決于所選擇的操作模式，電流檢測(cè)模塊被配置為執(zhí)行不同種類(lèi)的測(cè)量。

因此，在本公開(kāi)的一個(gè)方面中，檢測(cè)系統(tǒng)包括被配置為生成電流信號(hào)的傳感器，其中電流信號(hào)包括至少第一部分，該第一部分包括對(duì)來(lái)自預(yù)定義源(即，感興趣的源)和/或包括對(duì)來(lái)自除預(yù)定源之外的一個(gè)或多個(gè)源的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)的第二部分，這樣的其他源在本文中被稱(chēng)為“環(huán)境源”。檢測(cè)系統(tǒng)還包括電流檢測(cè)模塊接收由傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)，并產(chǎn)生指示電流信號(hào)的第一部分的數(shù)字值和/或指示電流信號(hào)的第二部分的數(shù)字值。

此外，檢測(cè)系統(tǒng)還包括模式開(kāi)關(guān)，其被配置為將電流檢測(cè)模塊設(shè)置為以第一模式，第二模式和第三模式中的至少一個(gè)模式操作。在第一模式中，電流檢測(cè)模塊與預(yù)定義源同步，并且被配置為生成指示第一部分的數(shù)字值(即，電流檢測(cè)模塊被配置為檢測(cè)來(lái)自感興趣源的對(duì)電流信號(hào)的貢獻(xiàn)，而在電流檢測(cè)模塊的噪聲之下消除，減少或渲染對(duì)來(lái)自除了感興趣的源之外的源的電流信號(hào)的貢獻(xiàn))。在第二模式中，電流檢測(cè)模塊被配置為當(dāng)對(duì)電流檢測(cè)模塊的對(duì)第二部分的貢獻(xiàn)小于閾值時(shí)產(chǎn)生指示至少第二部分的數(shù)字值(即，電流檢測(cè)模塊被配置為僅檢測(cè)來(lái)自環(huán)境源的對(duì)電流信號(hào)的貢獻(xiàn))來(lái)自除所述預(yù)定義源之外的所述一個(gè)或多個(gè)源的電流信號(hào)在第一值范圍內(nèi)。在第三模式中，電流檢測(cè)模塊被配置為當(dāng)對(duì)電流檢測(cè)模塊的對(duì)第二部分的貢獻(xiàn)小于閾值時(shí)產(chǎn)生指示至少第二部分的數(shù)字值(即，電流檢測(cè)模塊被配置為僅檢測(cè)來(lái)自環(huán)境源的對(duì)電流信號(hào)的貢獻(xiàn))來(lái)自除所述預(yù)定源之外的所述一個(gè)或多個(gè)源的電流信號(hào)處于第二值范圍內(nèi)，所述第二值范圍具有高于所述第一值范圍的上端的上端(即，環(huán)境源導(dǎo)致更大的電流)。

應(yīng)當(dāng)注意，在各種實(shí)施例中，第一和第二部分兩者不需要總是存在(例如，感興趣的源可以是關(guān)閉的，或者可以沒(méi)有或可以忽略來(lái)自環(huán)境源的貢獻(xiàn))如果兩者都存在，并不總是需要測(cè)量。此外，在第二和第三模式的一些實(shí)施例中，電流檢測(cè)模塊可以被配置為生成不僅指示第二部分而且指示第一部分的數(shù)字值(即，電流檢測(cè)模塊被配置為檢測(cè)對(duì)來(lái)自感興趣的源和環(huán)境源的電流信號(hào))。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，本公開(kāi)的各方面可以以各種方式實(shí)現(xiàn)，例如，作為方法，系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。因此，本公開(kāi)的各方面可以采取完全硬件實(shí)施例，完全軟件實(shí)施例(包括固件，常駐軟件，微代碼等)或者可以全部統(tǒng)稱(chēng)為軟件和軟件實(shí)施例的軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式在本文中稱(chēng)為“電路”，“模塊”或“系統(tǒng)”。在本公開(kāi)中描述的功能可以被實(shí)現(xiàn)為由一個(gè)或多個(gè)處理單元執(zhí)行的算法，例如，一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)的一個(gè)或多個(gè)微處理器。在各種實(shí)施例中，本文所述的每個(gè)方法的不同步驟和步驟的部分可以由不同的處理單元執(zhí)行。此外，本公開(kāi)的各方面可以采取體現(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)優(yōu)選地是非暫時(shí)的，具有在其上實(shí)現(xiàn)(例如存儲(chǔ))的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。在各種實(shí)施例中，這樣的計(jì)算機(jī)程序可以例如被下載(更新)到現(xiàn)有的設(shè)備和系統(tǒng)(例如，到現(xiàn)有的電流檢測(cè)模塊或這樣的模塊的控制器等)或者在制造這些設(shè)備時(shí)被存儲(chǔ)，以及系統(tǒng)。

本公開(kāi)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從以下描述和權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

在為了提供對(duì)本公開(kāi)及其特征和優(yōu)點(diǎn)的更完整的理解，參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，其中：

圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的電流檢測(cè)模塊的電路架構(gòu)的簡(jiǎn)化電路圖；

圖2是示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的與電路架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量的示例細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化圖；

圖3是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的與電路架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量的其他示例細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化圖；

圖4是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的與電路架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量的又一示例細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化圖；

圖5是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的與電路架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用的示例細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化圖；

圖6是電路架構(gòu)的另一實(shí)施例的簡(jiǎn)化框圖；

圖7是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的電路架構(gòu)的實(shí)施例的應(yīng)用的示例細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化框圖；和

圖8是電路架構(gòu)的另一實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖；

圖9是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的具有模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖；

圖10是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的傳感器的簡(jiǎn)化圖；

圖11是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的模式切換的簡(jiǎn)化圖；

圖12是根據(jù)本公開(kāi)的其他實(shí)施例的模式開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化圖；

圖13是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的具有模式切換的電路架構(gòu)的簡(jiǎn)化電路圖；

圖14是示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的隨時(shí)間輸入到模式開(kāi)關(guān)的LED脈沖的曲線(xiàn)圖；

圖15A-15D示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的具有模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)的四種操作模式的時(shí)序圖；和

圖16是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的總結(jié)具有模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)的四種操作模式的表格。

具體實(shí)施方式

示例性電流檢測(cè)模塊

本公開(kāi)的實(shí)施例基于電流檢測(cè)模塊的使用，該電流檢測(cè)模塊能夠區(qū)分和量化(即測(cè)量)由感興趣的某個(gè)源產(chǎn)生的對(duì)電流信號(hào)的貢獻(xiàn)，來(lái)自除了預(yù)定源興趣，即環(huán)境源。只要對(duì)來(lái)自預(yù)定源的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)包括脈沖信號(hào)(以下稱(chēng)為“感興趣的脈沖”)，電流檢測(cè)模塊被配置為使其自身與脈沖同步，在脈沖和由電流檢測(cè)模塊(以下稱(chēng)為“接收器電路”)的各個(gè)級(jí)執(zhí)行的功能之間存在預(yù)定的相位關(guān)系。感興趣的源的脈沖信號(hào)可以包括一個(gè)脈沖或多個(gè)脈沖，其中脈沖可以包括一個(gè)或多個(gè)頻率分量。環(huán)境源還可以包含多個(gè)頻率分量，甚至可能包括與預(yù)定義的感興趣的源的脈沖的分量相同的分量。因?yàn)榇嬖谟诟信d趣的脈沖中的頻率被同步到接收器電路(即，與電流檢測(cè)模塊的時(shí)鐘同步)，所以在電流檢測(cè)模塊和每個(gè)頻率分量之間存在某種已知的相位關(guān)系感興趣的脈沖(該相位關(guān)系對(duì)于感興趣的脈沖中的不同頻率可以是不同的，但是仍然提前知道)。電流檢測(cè)模塊被設(shè)計(jì)為同步地并且以需要接收器電路和感興趣的源之間的精確的相位關(guān)系的方式來(lái)檢測(cè)脈沖。雖然環(huán)境源可以包含與感興趣的源相同的頻率分量，但是環(huán)境源不可能精確地包含組成感興趣的脈沖的相同的幅度和相位(即，環(huán)境源不可能與電流檢測(cè)模塊同步)。結(jié)果，即使環(huán)境源包含與感興趣的脈沖非常相似或相同的頻率，存在于環(huán)境中的頻率也是平均的。

需要檢測(cè)和測(cè)量來(lái)自所有其它可能源的預(yù)定義的感興趣的源的貢獻(xiàn)的大部分現(xiàn)有技術(shù)方法是基于通過(guò)選擇感興趣的源的頻率不同于在環(huán)境中存在的頻率。本申請(qǐng)的發(fā)明人意識(shí)到這種方法并不總是成功的，因?yàn)榄h(huán)境的內(nèi)容通常是不可預(yù)測(cè)的。本申請(qǐng)的發(fā)明人進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，通過(guò)使接收器電路與感興趣的信號(hào)的脈沖同步，可以在存在來(lái)自一個(gè)或多個(gè)環(huán)境源的貢獻(xiàn)的情況下檢測(cè)和測(cè)量來(lái)自感興趣的源的貢獻(xiàn)，而不必選擇頻率對(duì)于不同于環(huán)境的感興趣信號(hào)的脈沖(即，頻率分量可以是相同的)。

現(xiàn)在參考由光電二極管響應(yīng)于檢測(cè)來(lái)自光源的光而產(chǎn)生的光電流信號(hào)的測(cè)量來(lái)更詳細(xì)地描述這種模塊的示例性電流檢測(cè)模塊和功能(即，對(duì)于電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)光電流)。然而，本文提供的教導(dǎo)同樣適用于被配置為檢測(cè)除了光電二極管之外的傳感器或電荷發(fā)生器(例如但不限于熱電，壓電或電容傳感器)產(chǎn)生的電流的電流檢測(cè)模塊。對(duì)于所有這些傳感器(即某種類(lèi)型的電荷發(fā)生器)，下面描述的用于光電二極管的一般設(shè)置是適用的，其中傳感器產(chǎn)生可能包含可以被認(rèn)為是兩個(gè)“源”的貢獻(xiàn)的電流信號(hào)。一個(gè)“源”是感興趣的特定源(即，感測(cè)感興趣的一些事件的傳感器-例如由光電二極管檢測(cè)到的由特定LED產(chǎn)生的光，由于由熱電傳感器檢測(cè)的感興趣的特定源引起的溫度變化，由熱電傳感器引起的機(jī)械變形由壓電傳感器檢測(cè)的特定力/感興趣源，由例如由電容傳感器檢測(cè)的人或觸筆觸摸等)。其他“源”可以被認(rèn)為包括除了感興趣的源之外的可能引起傳感器的電荷狀態(tài)的改變的一切。這樣的源被稱(chēng)為“環(huán)境源”。換句話(huà)說(shuō)，感測(cè)來(lái)自感興趣源的貢獻(xiàn)的相同傳感器也可以(或者在感興趣的源不提供任何貢獻(xiàn)的情況下)感測(cè)其他事物-例如光電二極管可以檢測(cè)環(huán)境光，電容傳感器可以感測(cè)不是人或指示筆等的觸摸。所有這些傳感器的一個(gè)共同目標(biāo)可以是能夠區(qū)分和量化對(duì)由傳感器。

現(xiàn)在參考作為傳感器的光電二極管的示例，本公開(kāi)的一些實(shí)施例提供對(duì)來(lái)自光源的光電流信號(hào)的測(cè)量，其可以是同步的(例如，特定調(diào)制的)。

公共光電二極管電路(例如，光電二極管放大器)通常被配置用于低噪聲，寬帶寬和高動(dòng)態(tài)范圍中的一個(gè)。這種電路通常不同時(shí)提供所有三個(gè)特性(低噪聲，寬帶寬和高動(dòng)態(tài)范圍)。即使一些電路確實(shí)提供所有三個(gè)特性，這樣的電路可能需要高功率，或可能不提供目標(biāo)光源的高信號(hào)提取(特別是在存在大量的環(huán)境光的情況下，這被認(rèn)為是干擾并且作用類(lèi)似噪聲)，或者可能不靈活以適應(yīng)不同的采樣模式或多個(gè)信道。

例如，Burr Brown的OPT201集成光電二極管和放大器提供低噪聲操作，但是沒(méi)有任何方法來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的光源。在另一個(gè)例子中，New Focus公司的1601和1611高速光接收器具有大的增益帶寬(GBW)、低噪聲、高驅(qū)動(dòng)能力和大的動(dòng)態(tài)范圍，以實(shí)現(xiàn)寬帶低噪聲檢測(cè)分布在光纖上的信號(hào)光電纜，或者在諸如高分辨率光譜，光纖傳感器和光學(xué)測(cè)量的應(yīng)用中找到。光接收器包括硅或InGaAs PIN光電二極管，后面是低噪聲放大器。然而，這些光接收器不能對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行采樣，并且被設(shè)計(jì)成使得不需要區(qū)分落在傳感器預(yù)定義的感興趣的源和環(huán)境上的不同類(lèi)型的光。

轉(zhuǎn)向圖1，圖1是可以用作本文所述的電流檢測(cè)模塊的電路10的簡(jiǎn)化框圖。電路10被配置為同時(shí)提供低噪聲和低功耗(除其他特征之外)，同時(shí)避免除了感興趣的源之外的不相關(guān)源的干擾(對(duì)于傳感器是光電二極管的示例，這種不相關(guān)的源例如是陽(yáng)光、背景光、環(huán)境光)。此外，電路架構(gòu)被配置為具有高動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于作為光電二極管的傳感器的示例，其適合用于存在強(qiáng)環(huán)境源，例如陽(yáng)光。電路架構(gòu)可以擴(kuò)展到多個(gè)通道，例如，在涉及同時(shí)讀取多個(gè)傳感器(例如多個(gè)光電二極管)信號(hào)的應(yīng)用中。

根據(jù)各種實(shí)施例，電路10可以基本上同時(shí)提供以下特征：低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍、不相關(guān)環(huán)境源的高拒斥、鎖定或目標(biāo)源(即，感興趣的源)的高信號(hào)提取、低功耗操作以及針對(duì)不同采樣模式的靈活性。此外，電路10可以允許用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的多個(gè)通道的同時(shí)采樣，改善第一模式中的環(huán)境信號(hào)抑制以及測(cè)量第二模式中的環(huán)境信號(hào)。一個(gè)示例是當(dāng)傳感器是光電二極管時(shí)在第一模式中的環(huán)境光拒絕(ALR)。多個(gè)通道由單個(gè)且通常更精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)服務(wù)，同時(shí)保持對(duì)所有通道的同時(shí)測(cè)量。

根據(jù)具體實(shí)施例，電路10可以包括傳感器12，其檢測(cè)來(lái)自感興趣的目標(biāo)源14的刺激，例如接收來(lái)自光源14的光的光電二極管12。由傳感器12產(chǎn)生的電流信號(hào)可包括低占空比的單個(gè)脈沖或低占空比的多脈沖串(例如，取決于目標(biāo)源14的占空比)。在一些實(shí)施例中，目標(biāo)源14可以由耦合到電路10的集成電路(未示出)調(diào)制。

根據(jù)各種實(shí)施例，電路10可包括四個(gè)級(jí)16、18、20和22。級(jí)16可包括跨阻抗放大器(TIA)，其可放大來(lái)自傳感器12的電流信號(hào)并產(chǎn)生低噪聲信號(hào)?？缱璺糯笃鬟€可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出端的電壓。級(jí)16包括與例如連接到R-C反饋回路中的運(yùn)算放大器(op-amp)28的反饋電阻器26(Rf)并聯(lián)的反饋電容24(Cf)，以減小噪聲并穩(wěn)定電路。

對(duì)于帶寬在放大器帶寬內(nèi)的任何感興趣的源14(包括DC源，例如用于傳感器的示例的DC光，其是光電二極管)可以由放大器28放大。一般來(lái)說(shuō)，基于反饋電阻器26的電容對(duì)電阻值Rf和反饋電容器24的電容值C_f的相對(duì)值，傳感器的電容可以影響噪聲增益。將級(jí)16配置為第一級(jí)可提供增加的靈活性以使過(guò)量噪聲增益最小化。在一般意義上，電路10中的兩個(gè)主要噪聲源包括反饋電阻器26的約翰遜噪聲和放大器28的輸入電壓噪聲。為了減小約翰遜噪聲，反饋電阻器26的電阻值R f可以選擇為盡可能大，以與傳感器12和其他部件的給定布置所預(yù)期的最大DC電流一致。這種配置可以提供與總DC電流一致的最小放大器噪聲?？梢赃x擇反饋電容器24的電容值Cf以根據(jù)需要改變電流信號(hào)的帶寬(其可以是大約1/τ的數(shù)量級(jí)，其中τ是指輸入脈沖持續(xù)時(shí)間)。級(jí)16還可以包括另外濾除光電流信號(hào)中的高頻噪聲的低通濾波器(LPF)30。LPF 30還可以增加由傳感器12生成的電流信號(hào)的脈沖的持續(xù)時(shí)間(其可以與(同步的)目標(biāo)源14的脈沖持續(xù)時(shí)間一致)。LPF 30的頻率閾值可以根據(jù)具體需要根據(jù)期望(或測(cè)量)的噪聲特性來(lái)配置。

級(jí)18可以包括具有頻率f_ac的有源或無(wú)源的高通濾波器以及提供AC耦合的電容器。級(jí)18可以消除低頻(例如，去除DC)并且允許在后續(xù)級(jí)中提供高增益。來(lái)自級(jí)16的脈沖輸出通過(guò)具有由級(jí)18移除的低頻分量而被濾波，從而提供零交叉點(diǎn)，其中電流信號(hào)的幅度從正變?yōu)樨?fù)。級(jí)18可以消除來(lái)自級(jí)16的一些噪聲分量以及來(lái)自環(huán)境信號(hào)(例如，環(huán)境光)或不相關(guān)環(huán)境源的高頻噪聲和較低頻率電流。

在一些實(shí)施例中，來(lái)自目標(biāo)源14的方形脈沖整形信號(hào)可以通過(guò)LPF 30和級(jí)18的濾波動(dòng)作來(lái)修改以消除低頻。可以選擇階段16和18的拐角頻率(例如，在流過(guò)能量的能量開(kāi)始減小(衰減或反射)的頻率響應(yīng)中的邊界)，以最大化信號(hào)測(cè)量并提供ALR。例如，級(jí)18的高通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率可以設(shè)置為大到0.5/t。該選擇也可以受在下一級(jí)20中選擇的積分時(shí)間的影響。

階段20可以包括積分和解調(diào)。單極切換開(kāi)關(guān)34可以基于來(lái)自定時(shí)器36的時(shí)鐘來(lái)切換輸入信號(hào)。定時(shí)器36的時(shí)鐘周期可以被配置為匹配來(lái)自級(jí)18的光電流信號(hào)的零交叉點(diǎn)。當(dāng)零交叉開(kāi)關(guān)34可以從積分放大器38(1)切換到積分放大器38(2)。當(dāng)開(kāi)關(guān)34連接到正積分放大器38(1)時(shí)，兩個(gè)積分放大器38(1)和38(2)可以用于連續(xù)積分在來(lái)自級(jí)18的信號(hào)的正部分上，當(dāng)開(kāi)關(guān)34連接到負(fù)積分放大器38(2)時(shí)來(lái)自級(jí)18的信號(hào)。正積分放大器38(1)和負(fù)積分放大器38(2)中的每一個(gè)可以包括被配置為使其中的運(yùn)算放大器能夠作為積分器操作的電容器C_int。在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)SW2可以用于例如在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期之后或在多個(gè)積分階段之后重置正積分放大器38(1)和負(fù)積分放大器38(2)。

正積分放大器38(1)和負(fù)積分放大器38(2)(通常單獨(dú)稱(chēng)為“積分器”38)中的每一個(gè)都像存儲(chǔ)元件一樣工作，產(chǎn)生與其輸入的積分成比例的輸出電壓輸出電流(從前一級(jí)的電壓輸出轉(zhuǎn)換而來(lái))。換句話(huà)說(shuō)，輸出電壓的幅度由當(dāng)通過(guò)反饋回路(包括C_int)的電流對(duì)電容器C_int充電或放電時(shí)輸入電壓存在的時(shí)間長(zhǎng)度(積分周期t_int)確定。該電路通過(guò)使來(lái)自級(jí)18的輸入電流對(duì)電容器Cint隨時(shí)間充電的電流通過(guò)而運(yùn)行。當(dāng)級(jí)18的輸入電流首先施加到積分器時(shí)，反饋電容器C_int開(kāi)始充電，并且輸出電壓由總電荷(其是輸入電流隨時(shí)間的積分)。

正積分放大器38(1)可產(chǎn)生正積分值40(Q+)，其為來(lái)自級(jí)18的交流信號(hào)的正振幅的隨時(shí)間的積分，且負(fù)積分放大器38(2)可產(chǎn)生負(fù)積分值42(Q-)，其是來(lái)自級(jí)18的交流信號(hào)的負(fù)幅度隨時(shí)間的積分。積分時(shí)段t_int可基于特定需要在寬范圍內(nèi)配置。積分周期的開(kāi)始可以由微計(jì)算機(jī)中的定時(shí)器36，簡(jiǎn)單的可編程電路或其他合適的組件來(lái)控制?？梢赃x擇放大器的增益以在級(jí)22處通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)44(因?yàn)榄h(huán)境光的DC和低頻分量在級(jí)18之后被很大程度地去除)來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)換。在正級(jí)和負(fù)積分周期，積分周期tint中的基本上所有電流可以被積分，并且電壓可以被保持在階段20的輸出處。電壓可以在由差分放大器轉(zhuǎn)換之前被減去，或者被ADC 44轉(zhuǎn)換，然后被數(shù)字地。

數(shù)學(xué)上，積分和相減類(lèi)似于低通濾波器和“鎖定”濾波器以進(jìn)一步去除環(huán)境源的噪聲偽像，同時(shí)放大電流信號(hào)。例如，開(kāi)關(guān)34的相位可以被調(diào)節(jié)以向源自遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的信號(hào)提供“鎖定”功能。假定，僅僅為了說(shuō)明的目的而不是作為限制，遠(yuǎn)距離的光源產(chǎn)生以速率R重復(fù)的N個(gè)脈沖串。定時(shí)器36可以被配置為鎖定到生成N個(gè)脈沖的時(shí)鐘的相位。因此，可以構(gòu)造鎖相環(huán)以測(cè)量遠(yuǎn)距離光源的光強(qiáng)度。正積分放大器38(1)和負(fù)積分放大器38(2)可以一起提供增加的ALR。輸出40和42可以在階段22饋送到ADC(或與微控制器集成的ADC)44以執(zhí)行進(jìn)一步的操作。

ADC 44可以讀取級(jí)20的輸出電壓，并且其中的控制器可以例如通過(guò)暫時(shí)關(guān)閉SW2來(lái)復(fù)位積分器38(1)和38(2)，以開(kāi)始新的積分周期。復(fù)位可以在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)或在一組脈沖結(jié)束時(shí)發(fā)生。除了來(lái)自基本上所有環(huán)境干擾的電荷之外，作為檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)源14的激勵(lì)的結(jié)果，級(jí)20處的電壓可以表示沉積在傳感器12處的信號(hào)電荷。在示例實(shí)施例中，可以將脈沖加在一起，從而在A(yíng)DC 44之后數(shù)字地增加信號(hào)強(qiáng)度和減少噪聲和干擾。在另一示例實(shí)施例中，可以在模擬域中添加脈沖，直到SW2復(fù)位積分電容器C_int。電路10的實(shí)施例可以允許電路架構(gòu)延伸到超短脈沖，例如在納秒和皮秒域中，而基本上不增加ADC 44的速度?？梢源龠M(jìn)高動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)槊}沖的數(shù)字相加可以在更多的脈沖，幾乎沒(méi)有限制，比積分電容C_int上允許的任何模擬加法。

根據(jù)各種實(shí)施例，由傳感器12產(chǎn)生的輸入電流可以在階段16轉(zhuǎn)換為電壓。電壓信號(hào)的任何頻率成分可以由狀態(tài)18的帶通濾波函數(shù)整形。階段18的輸出電壓可以例如，使用合適的電阻器被轉(zhuǎn)換回電流，并且在正和負(fù)周期上隨著時(shí)間t_int與電容器C_int集成。電路10的行為的至少一部分可以由以下等式表示：

V_TIA＝i_p×R_f

V_ac＝BPF(f_filt)×V_TIA

其中V_TIA是級(jí)16處的輸出電壓；i_p是來(lái)自傳感器12的電流(例如，作為光電二極管的傳感器12的示例的光伏電流)；Rf是反饋電阻26的電阻；V_ac是級(jí)18處的輸出電壓；BPF(f_filt)是級(jí)18的帶通濾波器整形函數(shù)；V_int是級(jí)20處的輸出電壓；R_in是級(jí)20處的電阻器(未示出)的電阻；C_int是級(jí)20處的電容；以及t_int是積分時(shí)間。

例如，可以選擇Rf以防止在階段16用高量的低頻環(huán)境源(例如，低頻)飽和。陽(yáng)光?？梢赃x擇拐角頻率以在階段18傳輸大部分信號(hào)脈沖的同時(shí)最小化干擾。此外，R_in和C_int的選擇可以允許階段20處的信號(hào)增益與階段22處的ADC輸入范圍匹配。此外，模擬的多個(gè)周期在具有數(shù)字積分的多個(gè)脈沖上集成在A(yíng)DC 44處可以允許大的動(dòng)態(tài)范圍。

在一些實(shí)施例中，由于放大器和ADC的系統(tǒng)可以在脈沖之間降低功率，由目標(biāo)源14產(chǎn)生的強(qiáng)烈短脈沖對(duì)于低功率操作可以執(zhí)行得更好。此外，對(duì)于同步目標(biāo)源14消耗的相同凈功率，可以通過(guò)使用可由驅(qū)動(dòng)器電路產(chǎn)生的最短可能的脈沖來(lái)最大化信噪比(SNR)。(最短可能脈沖可受到可用的峰值電流輸出限制。)在一些實(shí)施例中，電路10可以動(dòng)態(tài)地或編程地配置，例如通過(guò)改變C_f，R_f，C_int和其它無(wú)源部件值和拐角頻率值如預(yù)期的。

在一些實(shí)施例中，由傳感器12產(chǎn)生的電流信號(hào)的低頻(例如，DC)分量可通過(guò)將級(jí)16直接連接到ADC 44的輸入來(lái)測(cè)量。或者，可通過(guò)連接在具有低電平的環(huán)境信號(hào)的實(shí)施例中，正和負(fù)積分放大器38(1)和38(2)中的一個(gè)分別與正級(jí)積分放大器38(1)和負(fù)積分放大器38，可以直接連接到傳感器12，繞過(guò)級(jí)16和18。

根據(jù)各種實(shí)施例，在已經(jīng)以物理形式實(shí)現(xiàn)電路之后，級(jí)16、18和20的至少一些組件是可編程的(例如，根據(jù)用戶(hù)規(guī)范可調(diào)節(jié)的組件值)。組件值可以手動(dòng)地或通過(guò)合適的計(jì)算設(shè)備或控制器來(lái)編程。例如，反饋電容器24的電容Cf，反饋電阻器26的電阻Rf；帶通濾波器整形函數(shù)BPF(f_filt)，電阻Rin，電容C_int等可以根據(jù)其中使用電路10的應(yīng)用來(lái)編程。因此，電路10的相同物理表示可以在一個(gè)應(yīng)用(例如，在受控環(huán)境光中使用的光電容積脈搏波描記術(shù)(PPG)系統(tǒng))中具有第一組成分值，并且在不同應(yīng)用中具有不同的第二組成分值，在不受控制的環(huán)境光中使用的無(wú)線(xiàn)傳感器)。

轉(zhuǎn)向圖2，圖2是示出根據(jù)電路10的實(shí)施例的示例信號(hào)圖50的簡(jiǎn)化圖。僅僅為了示例目的，而不是作為限制，脈沖持續(xù)時(shí)間t被設(shè)置為1μs，以及(階段18的)高通濾波器轉(zhuǎn)角頻率設(shè)置為300kHz或0.3/t。階段的輸出被稱(chēng)為輸入以允許容易的比較。來(lái)自同步光源的輸入光電流脈沖52可以產(chǎn)生在級(jí)16和18之后示出的光電流信號(hào)54。信號(hào)54指示具有零交叉點(diǎn)的AC信號(hào)。零交叉點(diǎn)可以設(shè)置積分周期持續(xù)時(shí)間t_int。正和負(fù)積分周期可以由線(xiàn)56表示，線(xiàn)56也具有與信號(hào)54的過(guò)零點(diǎn)重合的零交叉點(diǎn)。

轉(zhuǎn)向圖3，圖3是示出根據(jù)電路10的實(shí)施例的示例信號(hào)圖60的簡(jiǎn)化圖。來(lái)自同步光源的輸入光電流脈沖62可以導(dǎo)致光電流信號(hào)64，如階段16和18所示。信號(hào)64是具有零交叉點(diǎn)的AC信號(hào)。零交叉點(diǎn)可以設(shè)置積分周期持續(xù)時(shí)間t_int。正和負(fù)積分周期可以由線(xiàn)66表示，線(xiàn)66也具有與信號(hào)64的過(guò)零點(diǎn)重合的零交叉點(diǎn)。輸入光電流信號(hào)62可以被生成為脈沖(例如，具有短的1μs脈沖)。信號(hào)64的每個(gè)脈沖可以通過(guò)級(jí)16和18的作用而成形。正和負(fù)積分循環(huán)被應(yīng)用于脈沖序列中的每個(gè)脈沖?？梢曰诜€(wěn)定時(shí)間來(lái)配置脈沖之間的間隔ts，或者使來(lái)自環(huán)境光的特別主要的頻率分量(如果有的話(huà))的任何影響最小化。

轉(zhuǎn)向圖4，圖4是示出了示出干擾環(huán)境光的頻率上的輸入電荷的曲線(xiàn)圖80的簡(jiǎn)化圖。曲線(xiàn)圖80示出了根據(jù)電路10的環(huán)境光的抑制。僅僅為了說(shuō)明的目的，而不是作為限制，假設(shè)環(huán)境中的光源具有頻率f。進(jìn)一步假定環(huán)境光的相位以某種方式同步以在環(huán)境光的每個(gè)可能頻率(沿著x軸指示)處產(chǎn)生最壞情況的干擾。在該頻率下產(chǎn)生的光電流信號(hào)的測(cè)量幅度可以通過(guò)所有四個(gè)級(jí)16、18、20和22的作用減小。在多個(gè)脈沖串的情況下，抑制可以進(jìn)一步增加。

使用16個(gè)脈沖產(chǎn)生曲線(xiàn)圖80，并且將輸入?yún)⒖挤e分電流(階段22之后)計(jì)算為Y軸上的電荷。根據(jù)電路10的實(shí)施例，可以觀(guān)察到在低于50kHz的頻率下幾乎100倍的ALR。許多環(huán)境光源(例如熒光燈和發(fā)光二極管(LED)燈)具有低頻率的組件。諸如120Hz的非常低的頻率可以被超過(guò)1000的因素抑制，并且DC光可以被完全阻擋。

可以注意到，電路10的實(shí)施例可以抑制在傳感器12處注入的電噪聲，類(lèi)似于由環(huán)境源產(chǎn)生的電流的抑制。實(shí)際上，電路10的部件可能不響應(yīng)于環(huán)境源的刺激或電磁干擾(EMI)或注入電路中的任何其它電噪聲而區(qū)分由傳感器產(chǎn)生的電流，促進(jìn)在存在電干擾和干擾的情況下的魯棒性由于環(huán)境光源的傳感器的檢測(cè)(例如，傳感器12是光電二極管的示例的光學(xué)干涉)。

轉(zhuǎn)向圖5，圖5是示出在光電容積脈搏波描記術(shù)系統(tǒng)92中使用的電路10的示例性應(yīng)用90的簡(jiǎn)化圖。光電容積描記器是用于光學(xué)測(cè)量有效光透射率或反射率的變化的設(shè)備。光電容積描記系統(tǒng)的示例包括脈搏血氧計(jì)，心血管監(jiān)視器和呼吸檢測(cè)器。圖中所示的應(yīng)用90可以包括脈搏血氧計(jì)，但是在實(shí)施例的寬范圍內(nèi)，電路10也可以在任何其他類(lèi)型的光電脈搏描記系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用90的脈沖血氧計(jì)可以包括基于特定應(yīng)用需要連接到光電脈搏描記系統(tǒng)92的光電二極管12和同步光源(例如，紅色和紅外發(fā)光LED)，其可以包括電路10和其他部件。脈搏血氧計(jì)可以附接到器官(例如，指尖，手腕等)94(例如，正在監(jiān)視其脈搏的患者)的器官或以其他方式放置在器官附近。由同步光源14發(fā)射的光可以在其到達(dá)光電二極管12之前被器官(例如皮膚，周?chē)M織和指尖處的血液)部分反射，透射，吸收和/或散射。來(lái)自光電二極管12可以提供器官的測(cè)量，例如，指示脈搏率或氧含量等。

當(dāng)前可用的脈搏血氧計(jì)和其他光體積描記儀系統(tǒng)使用帽，防光外殼和其它這樣的裝置，以防止環(huán)境/背景光在光電容積脈搏波描記系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。對(duì)于電路10，不需要使用這種光阻擋外殼(例如，蓋，盒等)，因?yàn)殡娐?0包括足以克服環(huán)境和其他背景光噪聲的降噪能力。此外，由于電路10的噪聲降低特性及其隨后降低的對(duì)環(huán)境光和DC光的靈敏度，可以基于方便因素而不是噪聲減小來(lái)配置同步光源14和光電二極管12之間的距離。

轉(zhuǎn)到圖6，圖6是示出電路10的另一實(shí)施例的簡(jiǎn)化框圖。圖6中所示的作為光電二極管12的多個(gè)(例如，四個(gè))傳感器12可以連接到ADC 44，例如，以從四個(gè)不同的空間取向測(cè)量光強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，每個(gè)傳感器12可以連接到單獨(dú)的級(jí)16,18和20，其中所有傳感器12共享公共ADC 44。每個(gè)級(jí)20可以向ADC 44提供正積分值和負(fù)積分值。ADC 44可在前進(jìn)到下一級(jí)20之前對(duì)來(lái)自特定級(jí)20的輸出進(jìn)行采樣，等等，直到其在特定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)來(lái)自基本上所有級(jí)20的輸出進(jìn)行采樣。可以根據(jù)光源14的功率周期來(lái)配置時(shí)間間隔，使得ADC 44在光源14掉電之前完成對(duì)來(lái)自所有級(jí)20的輸出的采樣。

此外，級(jí)20的輸出可以在積分階段之后保持恒定直到復(fù)位，可以對(duì)ADC 44進(jìn)行多路復(fù)用以對(duì)每個(gè)輸出進(jìn)行采樣，而不會(huì)影響性能。因此，電路10的實(shí)施例可以允許在不犧牲性能的情況下使用具有通道之間的低頻率切換的相對(duì)較低成本的低速ADC。這種電路架構(gòu)可以用在專(zhuān)門(mén)的傳感器應(yīng)用中，例如，在傳感器是光電二極管的情況下使用橫向光電二極管，四分檢測(cè)器或光學(xué)角度傳感器。利用電路19的實(shí)施例的電路架構(gòu)，輸入光和級(jí)16、18和20的基本上所有分量的脈沖寬度可以配置有納秒脈沖，而基本上不影響ADC 44的采樣率。

轉(zhuǎn)到圖7，圖7是示出電路10的示例應(yīng)用100的簡(jiǎn)化圖。智能電話(huà)102可以被配置為基于光信號(hào)(而不是觸摸)來(lái)檢測(cè)用戶(hù)104的手勢(shì)。多個(gè)光電二極管12可以配置在智能手機(jī)102上(例如，在其顯示屏上)。在一些實(shí)施例中，可以在智能手機(jī)102上提供同步光源14。來(lái)自光源14的光可以被用戶(hù)104反射，并且可以由光電二極管12測(cè)量。到達(dá)每個(gè)光電二極管12的光量可以取決于用戶(hù)104的特定手勢(shì)(手，手指或身體位置)。當(dāng)用戶(hù)104改變手勢(shì)，光電二極管12上的光量也可改變。該改變可以通過(guò)適當(dāng)校準(zhǔn)的微控制器來(lái)計(jì)算，以檢測(cè)手勢(shì)并導(dǎo)出其適當(dāng)?shù)暮x。利用在這種應(yīng)用100中實(shí)現(xiàn)的電路10，可以減少系統(tǒng)對(duì)背景光和其他外部光的靈敏度，而不損害性能。

轉(zhuǎn)向圖8，圖8是示出電路10的實(shí)施例的另一示例配置的簡(jiǎn)化電路圖。代替ADC 44，可以在級(jí)22中使用差分放大器110。差分放大器110可以計(jì)算差分在輸出40和42之間，并將差值發(fā)送到ADC 44或其它合適的組件(例如，微處理器，數(shù)字信號(hào)處理器等)。差分放大器110還可以放大輸出40和42中的差，從而基于特定需要增加測(cè)量的準(zhǔn)確度。

總結(jié)以上描述，提供了示例性電路，并且其包括從目標(biāo)源(例如目標(biāo)光源)接收信號(hào)(例如光信號(hào))并生成電流信號(hào)(例如光電二極管)的傳感器例如光電流信號(hào))；跨阻抗放大器，其放大電流信號(hào)并產(chǎn)生低噪聲信號(hào)；以及高通濾波器，其將低噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有正振幅，負(fù)振幅和零點(diǎn)的AC信號(hào)在正振幅和負(fù)振幅之間的交叉點(diǎn)。電路還包括正積分放大器，其接收AC信號(hào)的正振幅并在積分周期上產(chǎn)生正積分值；以及負(fù)積分放大器，其接收AC信號(hào)的負(fù)振幅并產(chǎn)生負(fù)積分值，積分期。電路還包括接收正和負(fù)積分值的至少一個(gè)ADC。

在傳感器是光電二極管的特定實(shí)施例中，電路耦合到光電容積脈搏波描記系統(tǒng)。來(lái)自光源的光在到達(dá)光電二極管之前反射或透過(guò)器官，使得來(lái)自光電二極管的光電流信號(hào)可以提供器官的測(cè)量的指示。光電容積描記系統(tǒng)不必包括遮光外殼以阻擋環(huán)境光以進(jìn)行精確測(cè)量。

還提供了一種系統(tǒng)，其包括從一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)源(例如光源)接收一個(gè)或多個(gè)信號(hào)的多個(gè)傳感器(例如光電二極管)，其中每個(gè)傳感器產(chǎn)生電流信號(hào)，多個(gè)跨阻抗放大器，其中每個(gè)跨阻放大器放大來(lái)自傳感器之一的電流信號(hào)并產(chǎn)生低噪聲信號(hào)，多個(gè)高通濾波器，其中每個(gè)高通濾波器將來(lái)自每個(gè)跨阻放大器的低噪聲信號(hào)，阻抗放大器轉(zhuǎn)換成具有正振幅，負(fù)振幅和在正振幅和負(fù)振幅之間的零交叉點(diǎn)的AC信號(hào)和多個(gè)積分器。每個(gè)積分器包括正積分放大器，其接收來(lái)自每個(gè)高通濾波器的AC信號(hào)的正振幅，并在積分周期上產(chǎn)生正積分值；以及負(fù)積分放大器，其接收來(lái)自每個(gè)高通的AC信號(hào)的負(fù)振幅并在積分周期上產(chǎn)生負(fù)積分值。該系統(tǒng)還包括接收來(lái)自多個(gè)積分器的正和負(fù)積分值的ADC。

使用帶模式切換的電流檢測(cè)模塊

本公開(kāi)的實(shí)施例還基于這樣的認(rèn)識(shí)：如上所述的電流檢測(cè)模塊可以被重新用于不僅檢測(cè)和量化來(lái)自預(yù)定義的目標(biāo)源的對(duì)電流信號(hào)的貢獻(xiàn)，而且還提供對(duì)來(lái)自除了預(yù)定義源之外的源的傳感器生成的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)的高精度檢測(cè)和量化。為此，提供了一種檢測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)如上所述的電流檢測(cè)模塊，并且還允許模式切換，其中取決于所選擇的操作模式，電流檢測(cè)模塊被配置為執(zhí)行不同種類(lèi)的測(cè)量。

圖9是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的用于使用具有模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)120的架構(gòu)112的簡(jiǎn)化圖。如圖所示，檢測(cè)系統(tǒng)120可以包括傳感器122，模式開(kāi)關(guān)124和電流檢測(cè)模塊126。

電流檢測(cè)模塊126可以實(shí)現(xiàn)為上述電路10。

傳感器122可以被實(shí)現(xiàn)為上述傳感器12，其可以是例如傳感器12。光電二極管，熱電傳感器，壓電傳感器或電容傳感器。一般來(lái)說(shuō)，傳感器122可被認(rèn)為是包括一個(gè)或多個(gè)電荷收集/產(chǎn)生電容元件的裝置，如圖10所示。如本文所使用的，傳感器的術(shù)語(yǔ)“電容元件”是指能夠保持一定的電荷，或換句話(huà)說(shuō)，擁有一定的電容。這樣的電容元件可以包括有目的地內(nèi)置在傳感器中的電容器，如圖10所示，具有一個(gè)或多個(gè)指定的電容元件132，以及傳感器可以固有地具有的電容，而不是有目的地包括(即“寄生電容”內(nèi)置在傳感器本身中和/或恰好在傳感器周?chē)碾娐吩?，這種寄生元件在圖10中示意性地示出為寄生電容元件134。

傳感器122被配置為檢測(cè)圖9中所示的具有去往傳感器122的箭頭的刺激，該刺激可以源自一個(gè)或多個(gè)感興趣的源(在圖9中示為“目標(biāo)源128”)和/或從一個(gè)或多個(gè)更多的源，其可以包括未被分類(lèi)為目標(biāo)源的任何源，在圖9中示為“環(huán)境源130”。目標(biāo)源128可以被實(shí)現(xiàn)為上述源14，而環(huán)境源130可以例如包括對(duì)環(huán)境光有貢獻(xiàn)的各種源(即，所謂的“環(huán)境源130”不必是單個(gè)確定的源，而是可以包括特定傳感器122可以檢測(cè)到的任何種類(lèi)的刺激發(fā)生器)。

模式開(kāi)關(guān)124被配置為控制電流檢測(cè)模塊126的操作，以便使用相同的電流檢測(cè)模塊126在以下模式中執(zhí)行不同的測(cè)量。在本文所述的被稱(chēng)為“第一模式”和“第四模式”的每一個(gè)中，電流檢測(cè)模塊126被配置為檢測(cè)來(lái)自感興趣的源128的貢獻(xiàn)。第一和第四模式在這種貢獻(xiàn)檢測(cè)。在本文所述的被稱(chēng)為“第二模式”和“第三模式”的每一個(gè)中，電流檢測(cè)模塊126被配置為檢測(cè)來(lái)自環(huán)境源130的貢獻(xiàn)。第二和第三模式在產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度的范圍由環(huán)境源130可以被正確地測(cè)量。特別地，第二模式可用于檢測(cè)來(lái)自處于某一第一振幅范圍內(nèi)的環(huán)境源的貢獻(xiàn)，而第三模式可用于檢測(cè)較高幅度范圍內(nèi)的貢獻(xiàn)(該振幅可過(guò)度飽和傳感器122，導(dǎo)致不正確測(cè)量，如果在第二模式中測(cè)量)。為了控制不同的操作模式，模式開(kāi)關(guān)124可以被配置為確保傳感器122，電流檢測(cè)模塊126和目標(biāo)源128中的一個(gè)或多個(gè)被同步(該同步在下面更詳細(xì)地描述)，如在圖9在模式開(kāi)關(guān)124和這些元件中的每一個(gè)之間具有虛線(xiàn)箭頭。

在各種實(shí)施例中，由模式開(kāi)關(guān)124提供的功能可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)。在軟件，硬件，軟件和硬件的組合等。

圖11示出了以軟件實(shí)現(xiàn)模式開(kāi)關(guān)124的一個(gè)示例。在這樣的實(shí)施例中，模式開(kāi)關(guān)124可以包括至少一個(gè)處理器136和至少一個(gè)存儲(chǔ)器元件138，以及任何其他合適的硬件和/或軟件以實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。模式開(kāi)關(guān)124可以被認(rèn)為包括被配置為執(zhí)行本文所述的與模式切換和同步相關(guān)的功能的一個(gè)或多個(gè)模塊(圖11中未示出)以及接口(圖11中未示出)，以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備傳感器122，電流檢測(cè)模塊126和目標(biāo)源128。作為執(zhí)行本文描述的功能的結(jié)果，模式開(kāi)關(guān)124可以確保電流檢測(cè)模塊126在這些模式之一中適當(dāng)?shù)貓?zhí)行測(cè)量?？蛇x地，在不同的實(shí)施例中，各種儲(chǔ)存庫(kù)(圖11中未示出)可以與模式開(kāi)關(guān)124相關(guān)聯(lián)，包括但不限于例如。存儲(chǔ)與目標(biāo)源128相關(guān)的信息的儲(chǔ)存庫(kù)，存儲(chǔ)指示傳感器122的規(guī)格和限制的信息的儲(chǔ)存庫(kù)等。

圖12示出了以硬件實(shí)現(xiàn)模式開(kāi)關(guān)124的一個(gè)示例。在這種實(shí)現(xiàn)中，模式開(kāi)關(guān)124可以被配置為實(shí)際開(kāi)關(guān)，其可以處于以下位置之一：位置142，其中模式開(kāi)關(guān)124將傳感器122的輸出連接到第一級(jí)的輸入(即，TIA)(即，作為傳感器122接收刺激的結(jié)果，電流可以從傳感器122流動(dòng)到電流檢測(cè)模塊126)；以及電流檢測(cè)模塊126(例如，位置144，其中模式開(kāi)關(guān)124連接傳感器122的輸出沒(méi)有連接到任何東西(即，因?yàn)閭鞲衅?22的輸出打開(kāi)，電流不能從傳感器122流動(dòng)，并且作為接收刺激的結(jié)果，傳感器122累積電荷，稱(chēng)為傳感器122的“浮動(dòng)”)；或位置146，其中模式開(kāi)關(guān)124將傳感器122的輸出連接到預(yù)定的參考電壓。到電流檢測(cè)模塊126的第一級(jí)中的TIA的共模(CM)節(jié)點(diǎn)或一些其它參考電壓(即，不管傳感器122正在接收多少刺激，傳感器122保持在參考電壓)。在可選實(shí)施例中，模式開(kāi)關(guān)124可以被配置為將傳感器122連接到至少兩個(gè)不同的參考電壓，如位置146中的第一參考電壓V_ref1和位置148中的第二參考電壓V_ref2。在各種實(shí)施例中，模式開(kāi)關(guān)124可以使用任何數(shù)量的串聯(lián)或/和并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以適合于檢測(cè)系統(tǒng)120的特定部署。在各種實(shí)施例中，模式開(kāi)關(guān)124的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開(kāi)關(guān)。

轉(zhuǎn)到圖13，圖13是根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的具有模式切換的電路架構(gòu)150的簡(jiǎn)化電路圖。這樣的架構(gòu)可以用于在傳感器處檢測(cè)和測(cè)量來(lái)自目標(biāo)源的輸入信號(hào)以及檢測(cè)，測(cè)量和消除輸入的環(huán)境信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)。圖13示出了，并且以下提供的描述涉及作為光電二極管的傳感器。然而，與上述描述相同，這些教導(dǎo)同樣適用于采用如本文所述的電流檢測(cè)模塊和模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)，其被配置為檢測(cè)由光電二極管以外的傳感器或電荷發(fā)生器產(chǎn)生的電流，例如但不限于熱電，壓電或電容傳感器。

根據(jù)具體實(shí)施例，電路架構(gòu)150可以包括傳感器152，其檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)源154的刺激，例如，光電二極管152，其接收來(lái)自光源154的光。電路架構(gòu)150還可包括電流檢測(cè)模塊160，其包括類(lèi)似于四個(gè)級(jí)16,18,19的四個(gè)級(jí)(在圖13中表示為級(jí)162、164、166和168)20和22。另外，電路架構(gòu)150可以包括模式開(kāi)關(guān)170。180圖13中所示的光電二極管152，LED 154，模式開(kāi)關(guān)170和電流檢測(cè)模塊160可以分別是傳感器122，目標(biāo)源128，模式開(kāi)關(guān)124，以及圖9中所示的電流檢測(cè)模塊126。因此，為傳感器122，目標(biāo)源128，模式開(kāi)關(guān)124和電流檢測(cè)模塊126提供的所有討論適用于圖13所示的相應(yīng)元件，為了簡(jiǎn)潔，不再重復(fù)。

圖1和圖13的比較揭示了圖13示出了如圖1所示的電路的四個(gè)級(jí)，除了有時(shí)用不同的符號(hào)來(lái)表示元件。例如，圖1(級(jí)1)的TIA 188與圖1中的運(yùn)算放大器(op-amp)28相同，圖13(級(jí)2)的帶通濾波器(BPF)190與AC元件32，圖13(級(jí)3)的+1/-1積分開(kāi)關(guān)192和積分器194表示與圖1的SW1和積分器38(1)和38(2)相同的功能。類(lèi)似于圖1，在圖13中，正和負(fù)積分值被提供給級(jí)4的ADC 198，例如，經(jīng)由被配置為一次選擇一個(gè)值的多路復(fù)用器196。與圖1類(lèi)似，圖13的級(jí)1用于降低噪聲并穩(wěn)定電路，圖13的級(jí)2用于從TIA偏置以及由傳感器152產(chǎn)生的電流中去除DC(例如，為低電平提供第一級(jí)免疫頻率環(huán)境信號(hào))，圖13的級(jí)3用于積分正和負(fù)瞬態(tài)值(例如，為環(huán)境信號(hào)提供第二級(jí)免疫)，而圖13的級(jí)4用于數(shù)字化積分器輸出。

可選地，電路結(jié)構(gòu)可以包括用于在進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理中使用電路160的測(cè)量的電路180。用于手勢(shì)和/或接近度確定。可選地，電路架構(gòu)可以被配置為與多于一個(gè)目標(biāo)源一起工作，如LED2 184所示。此外，光電二極管152可以連接到開(kāi)關(guān)200，用于管理光電二極管偏置，該開(kāi)關(guān)可以在光電二極管關(guān)閉期間短路。

在實(shí)施例中，發(fā)送到LED驅(qū)動(dòng)器以脈沖目標(biāo)LED 154(或任何其它目標(biāo)源)的邏輯信號(hào)可簡(jiǎn)單地被引導(dǎo)到開(kāi)關(guān)172，使得其脈沖類(lèi)似于LED。這被示為“PD開(kāi)關(guān)”開(kāi)關(guān)，其將LED脈沖信號(hào)引導(dǎo)到開(kāi)關(guān)172。

模式開(kāi)關(guān)170可用于在來(lái)自目標(biāo)源154的測(cè)量信號(hào)和測(cè)量集成環(huán)境電荷之間切換。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖13所示，模式開(kāi)關(guān)170可以通過(guò)包括并聯(lián)連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)172和174來(lái)實(shí)現(xiàn)。在各種實(shí)施方式中，模式開(kāi)關(guān)170可以用于，例如，測(cè)量與LED脈沖發(fā)生器電路同步的LED燈，或者它可以用于測(cè)量環(huán)境光。根據(jù)模式開(kāi)關(guān)170的定時(shí)和連接，可以通過(guò)相同的電路架構(gòu)執(zhí)行四個(gè)不同的任務(wù)，如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。

在第一模式(正常模式)中，模式開(kāi)關(guān)170用作旁路，以將傳感器152的輸出連接到電流檢測(cè)模塊160的第一級(jí)的TIA 188，并且主要用于測(cè)量對(duì)LED脈沖，以與上文參考電路10描述的相同的方式(因此，上文針對(duì)電路10提供的所有討論在這里都適用)。在該模式中，目標(biāo)是測(cè)量落在檢測(cè)器上的光，該光僅對(duì)應(yīng)于由某個(gè)目標(biāo)LED的照射，并且拒絕環(huán)境光(其可以包括陽(yáng)光，光從其他LED或從任何其他光源)。如參照電路10所述和圖14所示，這是在四個(gè)階段完成的：(1)放大光電流并將其轉(zhuǎn)換成電壓(TIA階段)，(2)使階段1的輸出通過(guò)BPF 190以去除主要由環(huán)境光組成的光電流的DC部分，因?yàn)長(zhǎng)ED脈沖的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短(參見(jiàn)圖14中的LED脈沖和BPF的輸出)，(3)將級(jí)2的AC輸出與在零交叉處切換符號(hào)的積分器192-194(參見(jiàn)圖14中的積分脈沖)，以及4)使用ADC 198利用可選的MUX 196數(shù)字化積分器輸出，以允許多個(gè)通道共享單個(gè)ADC。

如上所述，在第一模式中，電流檢測(cè)模塊160可以提供來(lái)自環(huán)境光的兩個(gè)級(jí)別的保護(hù)。首先，在階段2中減少或阻擋低DC光。然后，階段3的積分器的正和負(fù)積分進(jìn)一步減少或阻擋任何剩余的環(huán)境光。因此，架構(gòu)150允許消除環(huán)境信號(hào)，而不對(duì)電路貢獻(xiàn)額外的計(jì)算負(fù)荷。如本文所使用的，在本文中，術(shù)語(yǔ)“消除”是指消除環(huán)境信號(hào)，減少環(huán)境信號(hào)或使環(huán)境信號(hào)低于電流檢測(cè)模塊的噪聲。

因此，模式開(kāi)關(guān)170用作旁路，并且電路架構(gòu)的其余部分消除環(huán)境光。在一個(gè)示例中，脈沖LED光落在模式開(kāi)關(guān)170上。圖14示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的隨時(shí)間的輸入到模式開(kāi)關(guān)170的LED脈沖的曲線(xiàn)圖。閃爍的LED燈導(dǎo)致傳感器152產(chǎn)生具有“”LED脈沖“的如圖14所示的電流脈沖。如電路架構(gòu)150所示，由傳感器152響應(yīng)于LED 154產(chǎn)生的光而產(chǎn)生的方波電脈沖被輸入到TIA 188中，并且脈沖可以在級(jí)1中被帶通濾波(例如，利用低通濾波器30，如圖1所示)。然后脈沖通過(guò)AC濾波器以去除DC(即，通過(guò)級(jí)2的BPF 190)，其中該級(jí)的輸出在圖14中用“O/P BPF”示出。積分器用于恢復(fù)電荷，其由曲線(xiàn)O/P BPF下的面積表示，并且消除通過(guò)BPF 190的任何DC。積分器在周期的第一(正)相中使用正積分，并且在第二(負(fù))相，以便添加周期的兩個(gè)部分并捕獲電荷。在第一模式中，如本文所述的電流檢測(cè)模塊的四級(jí)中的操作導(dǎo)致環(huán)境光的優(yōu)異的抑制，而僅測(cè)量從目標(biāo)LED的LED脈沖到達(dá)檢測(cè)器的光子的總數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操作，架構(gòu)150的各個(gè)部分需要被同步，其中除了由在實(shí)現(xiàn)架構(gòu)150的各種元件中做出的設(shè)計(jì)選擇來(lái)提供外，同步可以由模式開(kāi)關(guān)170控制/管理。同步對(duì)于本文所述的電流檢測(cè)模塊的其它操作模式也是重要的。下面參照?qǐng)D15A-15D描述這種同步。

圖15A-15D示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的具有模式切換的檢測(cè)系統(tǒng)的四種操作模式的時(shí)序圖。圖15A-15D中的每一個(gè)示出了示出各個(gè)元件之間的時(shí)間同步的五行。圖15A-15D中的每一個(gè)中的第一行示出了模式開(kāi)關(guān)170的狀態(tài)。圖15A-15D中的每一個(gè)中的第二行示出了由感興趣的源(例如，由目標(biāo)LED產(chǎn)生的LED脈沖)產(chǎn)生的刺激(信號(hào)))。圖15A-15D的每一個(gè)中的第三行示出了提供給電流檢測(cè)模塊的第一級(jí)(TIA 188)的輸入信號(hào)。圖15A-15D的每一個(gè)中的第四行示出了電流檢測(cè)模塊的第二級(jí)(BPF 190)的輸出。圖15A-15D中的每一個(gè)中的第五行示出了電流檢測(cè)模塊的級(jí)3中的開(kāi)關(guān)192對(duì)積分符號(hào)的切換。圖15A-15D的時(shí)序圖表示接收和處理信號(hào)的信號(hào)鏈中的事件的相對(duì)順序。本文所述的檢測(cè)系統(tǒng)的元件之間的同步指的是這些事件在每個(gè)測(cè)量模式中具有特定且良好定義的關(guān)系的事實(shí)。

在圖15A中示出了第一模式的時(shí)序圖。在第一模式中，來(lái)自L(fǎng)ED 154的光(或由任何其它目標(biāo)源產(chǎn)生的刺激)到達(dá)光電二極管152(或任何其它適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，引發(fā)事件序列。換句話(huà)說(shuō)，由目標(biāo)源產(chǎn)生的信號(hào)脈沖到達(dá)傳感器控制由電流檢測(cè)模塊執(zhí)行的操作的定時(shí)。圖15A的第一行示出了在第一模式中，模式開(kāi)關(guān)170閉合(即，光電二極管152的輸出連接到電流檢測(cè)模塊160的第一級(jí)輸入)。由LED 154(在圖15A的第二行中示出)產(chǎn)生的LED脈沖由光電二極管152檢測(cè)，并且光電二極管152產(chǎn)生流到TIA 188(在圖15A的第三行中示出)的電流。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將立即認(rèn)識(shí)到的那樣，通常在圖15A(和其它圖15)的第三行中所示的LED脈沖和在圖15A的第三行中示出的TIA脈沖之間存在一定的時(shí)間延遲，延遲是常見(jiàn)的并且與本文所述的檢測(cè)系統(tǒng)的元件的同步無(wú)關(guān)，但是在圖15A(和其他圖15)中未示出。

由目標(biāo)源產(chǎn)生的刺激(例如LED脈沖的寬度)以及電流檢測(cè)模塊的各種電路元件的值，例如，TIA 188的帶寬，BPF 190的拐角頻率等等定義從LED脈沖的開(kāi)始到在BPF的輸出中發(fā)生零交叉的時(shí)間的時(shí)間延遲(在圖15A中示出為“t_delay”)換句話(huà)說(shuō)，零交叉的位置取決于目標(biāo)刺激的值設(shè)置和電流檢測(cè)模塊160的電路元件的值。所有這些值由電路或用戶(hù)固定(例如，用戶(hù)提供針對(duì)目標(biāo)刺激的設(shè)置)，因此零交叉發(fā)生在距施加刺激的特定時(shí)間t delay處。積分符號(hào)應(yīng)在過(guò)零發(fā)生時(shí)更改。因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)可以確定何時(shí)對(duì)于感興趣的特定目標(biāo)源發(fā)生零交叉，所以系統(tǒng)可以被配置為將積分開(kāi)關(guān)192的定時(shí)設(shè)置為依賴(lài)于從+1切換到-1積分(即，相對(duì)于)刺激，使得開(kāi)關(guān)192從+1到-1的轉(zhuǎn)變與過(guò)零點(diǎn)重合。這在圖15A中示出，其中第五行中所示的積分符號(hào)在BPF輸出中發(fā)生過(guò)零的同時(shí)改變。正是這種特定的關(guān)系允許從輸入到TIA 188的電流脈沖以這樣的方式被積分，使得來(lái)自BPF濾波器190的正和負(fù)輸出對(duì)測(cè)量信號(hào)有貢獻(xiàn)，即它們被相加。任何環(huán)境光，不管其頻率或形狀，都不太可能精確地與該內(nèi)部產(chǎn)生的積分開(kāi)關(guān)重合，并且因此平均而言在正積分階段和負(fù)積分階段期間被抵消。當(dāng)添加這些脈沖中的許多脈沖時(shí)，由于目標(biāo)源和電流檢測(cè)系統(tǒng)之間的這種同步，從目標(biāo)源產(chǎn)生的電流脈沖將繼續(xù)添加到先前的值。另一方面，在階段3的積分的輸出處，來(lái)自環(huán)境源的電流值將具有有時(shí)是正的并且有時(shí)是負(fù)的值(因?yàn)榉e分符號(hào)不與環(huán)境源同步地切換)，因此將是平均為零。因此，電流檢測(cè)模塊160允許將級(jí)3的積分的符號(hào)變化同步到感興趣的脈沖信號(hào)，使得針對(duì)感興趣的脈沖信號(hào)添加積分器輸出，但是環(huán)境信號(hào)平均被抵消缺乏與符號(hào)變化的同步。

應(yīng)當(dāng)注意，圖15A中所示的第一模式的時(shí)序圖與圖3中所示的時(shí)序圖相當(dāng)，除了圖3示出了同一圖中的各種度量(與圖15A的行相反)并且示出由傳感器產(chǎn)生的輸入電流(“輸入光電流脈沖”)而不是由目標(biāo)源(“LED脈沖”)產(chǎn)生的脈沖。

在第二模式(其可以被稱(chēng)為“浮動(dòng)”傳感器模式)中，一個(gè)目標(biāo)是僅測(cè)量環(huán)境貢獻(xiàn)。在這種情況下，與脈沖目標(biāo)源154的情況一樣，不存在環(huán)境源的自然脈沖(因?yàn)榕c可控制的目標(biāo)源不同，環(huán)境源通常不被控制)。然而，在該模式中，模式開(kāi)關(guān)170可以以這樣的方式操作，使得傳感器152本身可以用作積分器，人為地向電流檢測(cè)模塊160產(chǎn)生什么樣的電流脈沖，作為類(lèi)似于在電流檢測(cè)模塊160中產(chǎn)生的電流脈沖當(dāng)檢測(cè)到LED脈沖時(shí)的第一模式。為此，與傳感器152(例如，指定的電容元件以及如圖10所示的寄生電容元件)相關(guān)聯(lián)的電容可以用于對(duì)由于接收來(lái)自環(huán)境源的激勵(lì)而由傳感器產(chǎn)生的電荷進(jìn)行積分。

第二模式的循環(huán)可以由模式開(kāi)關(guān)170開(kāi)始，確保傳感器122的輸出沒(méi)有連接到任何東西(這可以通過(guò)例如在圖12中示出的位置144中的模式開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且可以被認(rèn)為是模式開(kāi)關(guān)170斷開(kāi))。這在圖15B的第一行中示出，其提供了第二模式的時(shí)序圖。

在模式開(kāi)關(guān)170打開(kāi)時(shí)，由一個(gè)或多個(gè)環(huán)境源產(chǎn)生的信號(hào)由傳感器152檢測(cè)，導(dǎo)致傳感器152在傳感器的電容器上產(chǎn)生電荷。目標(biāo)源154可以關(guān)閉(即不產(chǎn)生由傳感器152檢測(cè)的信號(hào))，如圖15B的第二行所示(無(wú)LED脈沖)。因?yàn)閭鞲衅?52的輸出沒(méi)有連接到任何東西，所以電流不能流動(dòng)，因此電荷積累/積分在傳感器152的電容元件上。這繼續(xù)一段時(shí)間(其可以被稱(chēng)為“積分時(shí)間”或“浮動(dòng)時(shí)間”)，其可以例如可由用戶(hù)定義或可由檢測(cè)系統(tǒng)基于可存儲(chǔ)的最大電荷動(dòng)態(tài)地確定。

在該特定時(shí)間段之后，模式開(kāi)關(guān)170將傳感器152的輸出連接到電流檢測(cè)模塊160，如圖15B的第一行所示，其中模式開(kāi)關(guān)“閉合”。作為這樣做的結(jié)果連接時(shí)，存儲(chǔ)在傳感器152的電容性元件上的電荷將通過(guò)電流檢測(cè)模塊(例如，通過(guò)TIA 188)放電，并產(chǎn)生如圖15B的第三行中所示的電流脈沖。就電流檢測(cè)模塊160的其余部分而言，由于傳感器152檢測(cè)由目標(biāo)源產(chǎn)生的脈沖，該電流脈沖看起來(lái)像在第一模式中從傳感器152接收的脈沖。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)在第二模式中，模式開(kāi)關(guān)170首先確保傳感器152的輸出沒(méi)有連接到任何東西并且累積電荷，然后將傳感器152的輸出連接到電流檢測(cè)模塊160時(shí)的操作，人為地生成提供給TIA188的電流脈沖。然后可以以類(lèi)似于在第一模式中如何處理電流脈沖的方式使用電流檢測(cè)模塊160的其余結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿缟厢槍?duì)第一模式所描述的，電流檢測(cè)模塊接收到該電流脈沖，其定義了電流檢測(cè)模塊的其他操作和元件的定時(shí)。例如，如上所述，零交叉的出現(xiàn)(在圖15B的第四行中示出)在接收到TIA脈沖之后的預(yù)定時(shí)間段之后發(fā)生，并且電流檢測(cè)模塊160被配置為將積分器符號(hào)階段3(在圖15B的第五行中示出)。

因此，在電流檢測(cè)模塊160的第二操作模式中，向電流檢測(cè)模塊160(通過(guò)模式開(kāi)關(guān)170)提供人工生成的電流脈沖允許受益于由電流檢測(cè)模塊160提供的元件之間的同步。模塊精確測(cè)量脈沖。在該模式中，由于作為傳感器152僅檢測(cè)來(lái)自環(huán)境源的貢獻(xiàn)的結(jié)果而產(chǎn)生脈沖(目標(biāo)源關(guān)閉)，由電流檢測(cè)模塊產(chǎn)生的值表示對(duì)傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)的貢獻(xiàn)到環(huán)境源。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)被積分時(shí)，在第二模式中人工產(chǎn)生的電流脈沖直接表示總的累積電荷，并且因此表示環(huán)境的強(qiáng)度。

在第二模式的一些實(shí)施例中，電流檢測(cè)模塊160的級(jí)2(即BPF 190)可以被移除/旁路，因?yàn)樵谠撃Ｊ街?，不必消除第一模式中環(huán)境光的典型的低頻/DC貢獻(xiàn)。因此，由TIA 188整形的電流脈沖可以直接集成，而不通過(guò)BPF級(jí)。在這樣的實(shí)施例中，積分開(kāi)關(guān)的定時(shí)可以被調(diào)整為包括脈沖在正周期或負(fù)周期中的整體積分。當(dāng)?shù)诙?jí)旁路時(shí)，在TIA 188的輸出中定義過(guò)零點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)積分器級(jí)(級(jí)3)保持在第二模式。正負(fù)周期消除了許多積分器偏移。如果傳感器上的積分時(shí)間(即，傳感器152浮動(dòng)的時(shí)間)為并且來(lái)自環(huán)境源的貢獻(xiàn)導(dǎo)致傳感器152產(chǎn)生電流i_amb，則總電荷Q＝i_amb可以由如本文所述的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量通過(guò)簡(jiǎn)單地增加浮動(dòng)時(shí)間直到累積在傳感器152上的電荷大于測(cè)量噪聲基底，具有高SNR。

在一些實(shí)施方式中，內(nèi)部泄漏電流可以限制浮動(dòng)時(shí)間。例如，對(duì)于尺寸為100微米的相對(duì)大的光電二極管，1勒克司光將產(chǎn)生大約4-5pA的電流，當(dāng)被積分1毫秒時(shí)，導(dǎo)致可以測(cè)量的8fC的累積電荷。

如前所述，相同的電流檢測(cè)模塊可用于測(cè)量來(lái)自環(huán)境源的貢獻(xiàn)或來(lái)自目標(biāo)源產(chǎn)生的同步脈沖的貢獻(xiàn)。

在一個(gè)實(shí)施例中，用于在環(huán)境輸入中產(chǎn)生脈沖的模式切換功能(如針對(duì)第二模式所描述的)可以用包括開(kāi)關(guān)172和174的模式開(kāi)關(guān)170來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這樣的實(shí)施例中，第一開(kāi)關(guān)172可以連接到當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)174斷開(kāi)時(shí)，來(lái)自傳感器152的電荷無(wú)處可去，并且模式開(kāi)關(guān)170對(duì)傳感器上累積的電荷進(jìn)行積分。然后第二開(kāi)關(guān)174對(duì)TIA 188閉合，并且電荷像第一模式中的目標(biāo)源的脈沖一樣被傳送到TIA 188。以這種方式，環(huán)境信號(hào)被捕獲并變成脈沖信號(hào)。然后以與在第一模式中處理目標(biāo)源脈沖相同的方式，由電路的其余部分處理脈沖。

第三操作模式還可以用于僅測(cè)量環(huán)境貢獻(xiàn)，但是該模式可以在來(lái)自環(huán)境源(例如，在強(qiáng)環(huán)境光的存在下)的相當(dāng)強(qiáng)的貢獻(xiàn)的情況下特別有利地使用。在這種情況下，可能不期望如第二模式中那樣將電荷集成在傳感器152上，因?yàn)楫?dāng)環(huán)境貢獻(xiàn)很強(qiáng)時(shí)，這種集成可能導(dǎo)致傳感器152的飽和(即，達(dá)到最大量的在傳感器152的電容元件能夠保持的電荷)。飽和傳感器不能產(chǎn)生精確的測(cè)量，因?yàn)樗汇Q位在最大值。這種操作模式還可以有利地用于某些類(lèi)型的傳感器，當(dāng)在測(cè)量期間電壓保持恒定時(shí)，這些傳感器可以更好地起作用，例如，在恒定電壓下偏置的熱傳感器和用于測(cè)量強(qiáng)光的光電二極管。在所有這些情況下，可能希望直接測(cè)量由傳感器152產(chǎn)生的電流，而不像在第二模式中那樣對(duì)傳感器上的電荷進(jìn)行積分。在這種情況下，模式開(kāi)關(guān)170可以再次用于有效地產(chǎn)生看起來(lái)像可以由電流檢測(cè)模塊160處理的電流脈沖的電流脈沖。因此，類(lèi)似于第二模式，在第三模式中，不存在但是模式開(kāi)關(guān)170可以被操作以人工地產(chǎn)生到電流檢測(cè)模塊160的電流脈沖，作為類(lèi)似于當(dāng)檢測(cè)到LED脈沖時(shí)在第一模式中產(chǎn)生的電流脈沖的電流脈沖。電流檢測(cè)模塊160的架構(gòu)的其余部分可以以類(lèi)似于在第一模式中如何處理電流脈沖的方式使用，因?yàn)殡娏鳈z測(cè)模塊接收到該電流脈沖，該電流檢測(cè)模塊定義了其他操作和元件(即，如在第二模式中，可以受益于由模塊提供的元件之間的同步以精確地測(cè)量脈沖)。

在第三模式中，在某些時(shí)間(在圖15C中示為“t_Vref”)，模式開(kāi)關(guān)170將傳感器152的輸出連接到特定參考電壓(例如，TIA 188，V_cm的共模電壓)使得沒(méi)有電流通過(guò)TIA 188(即，就TIA 188而言，模式開(kāi)關(guān)170斷開(kāi)，如圖15C的第一行所示)。此時(shí)，如圖15C的第二行所示(無(wú)LED脈沖)，目標(biāo)源154可以關(guān)閉(即不產(chǎn)生由傳感器152檢測(cè)的信號(hào))，并且只有由一個(gè)或多個(gè)環(huán)境源產(chǎn)生的信號(hào)因?yàn)閭鞲衅?52連接到參考電壓且未連接到電流檢測(cè)模塊160，所以在時(shí)間t_Vref期間沒(méi)有電流到達(dá)TIA 188(如第三行中的圖15C所示)。

在某些其它時(shí)間(在圖15C中示為“t_pulse”)，模式開(kāi)關(guān)170將傳感器152的輸出連接到放大器188的輸入。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，電流(表示環(huán)境源貢獻(xiàn))可以從傳感器152流到TIA 188，導(dǎo)致TIA 188接收類(lèi)似于在第一模式中由目標(biāo)源進(jìn)行的電流脈沖的電流脈沖。可以以與上述相同的方式測(cè)量電流脈沖的大小。

因此，在第三模式中，模式開(kāi)關(guān)170被配置為從到達(dá)傳感器152的恒定刺激有效地產(chǎn)生看起來(lái)像電流脈沖的電流。這通過(guò)脈沖模式開(kāi)關(guān)170連接特定時(shí)間量來(lái)完成放大器的輸入(t脈沖)，否則傳感器152保持連接到固定的參考電壓，例如，通過(guò)圖13所示的開(kāi)關(guān)174到放大器的共模電壓)。通過(guò)這樣的實(shí)現(xiàn)，傳感器在其端子上總是具有相同的電位，并且TIA 188不接收由傳感器152產(chǎn)生的電流，除了該電流被瞬時(shí)引導(dǎo)到TIA 188中的時(shí)間，導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)電流脈沖TIA 188，如圖15C的第三行所示。這樣的電流脈沖類(lèi)似于來(lái)自第一模式的目標(biāo)源的電流脈沖，并且電流檢測(cè)模塊160的其余操作如上文針對(duì)第一和第二模式所描述的那樣進(jìn)行，為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，這里不再重復(fù)。圖15C的第四和第五行示出了如上所述的同步。

在一個(gè)實(shí)施例中，本文所述的第三模式可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同參考電壓之間的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)修改，從而隨著電壓脈沖而測(cè)量傳感器本身的變化。該實(shí)施例可以以與上述第三模式相同的方式實(shí)現(xiàn)，除了在圖15C中所示的時(shí)間為t_Vref時(shí)，模式開(kāi)關(guān)170將傳感器152的輸出連接到與公共端不同的特定參考電壓模式電壓V_cm。例如，如果開(kāi)關(guān)174連接到V_ref并且開(kāi)關(guān)172是脈沖的，并且如果V_ref不同于V_cm，則當(dāng)開(kāi)關(guān)172被脈沖時(shí)，傳感器上的電勢(shì)改變。因此，流入放大器的電流不僅取決于環(huán)境電流，還取決于當(dāng)連接到放大器的輸入時(shí)由于不同電位-V_cm而導(dǎo)致的電荷差異，否則取決于V_ref。這將提供輸入脈沖到放大器，即使沒(méi)有任何環(huán)境。該電流的流動(dòng)純粹源自電勢(shì)的變化與網(wǎng)絡(luò)的電容成正比。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在“脈沖”期間流入放大器的凈電荷為ΔQ＝CΔV，其中兩個(gè)電位之間的差為ΔV。如前所述，該電容(電容本身，或傳感器的狀態(tài)，例如pyro，PZT，電感等)可以由環(huán)境改變并被測(cè)量。因此，第三模式的這種修改允許直接測(cè)量“傳感器的狀態(tài)”，并因此允許其環(huán)境。

在圖15D的時(shí)序圖中示出的第四操作模式可以被認(rèn)為是上述第一和第二模式的組合，其中使用目標(biāo)源154的脈沖和傳感器152的浮動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)目標(biāo)源關(guān)閉時(shí)(在圖15D的第二行中，在時(shí)間tf1期間LED脈沖被關(guān)閉)，傳感器152浮動(dòng)一定時(shí)間段(在圖15D中示為“tf1”)，隨后傳感器152的輸出連接到TIA 188的輸入達(dá)某一時(shí)間段(在圖15D中示為“t_pulse1”)，導(dǎo)致如上針對(duì)第二模式所描述的電流脈沖(在圖15D的第三行作為電流脈沖“環(huán)境”)。因?yàn)槟繕?biāo)源154在傳感器懸浮的時(shí)間關(guān)閉，所以該電流脈沖在被積分時(shí)(參見(jiàn)圖15D的第五行中的第一積分)直接表示總累積電荷，因此僅表示環(huán)境的強(qiáng)度。

之后，傳感器152再次浮動(dòng)一定時(shí)間段(在圖15D中示為“tf2”，該時(shí)間段可以但不必須等于t_f1)，除了現(xiàn)在目標(biāo)源開(kāi)啟(在圖15D的第二行中，在時(shí)間tf1期間LED脈沖被示出為導(dǎo)通)。由于當(dāng)目標(biāo)源開(kāi)啟時(shí)，傳感器152是浮動(dòng)的(即，沒(méi)有電流流向TIA 188)，在該時(shí)間tf2期間，累積在傳感器152的電容性元件上的電荷歸因于環(huán)境和目標(biāo)源。再次，如在上述第二模式中，傳感器152的輸出然后在一定時(shí)間段(在圖15D中示為“t_pulse2”)連接到TIA 188的輸入，導(dǎo)致如上所述的電流脈沖第二模式(在圖15D的第三行中示出為電流脈沖“環(huán)境+目標(biāo)”)，除了現(xiàn)在，因?yàn)槟繕?biāo)源154在傳感器懸浮的時(shí)間內(nèi)接通，所以該電流脈沖在積分時(shí)圖15D的第五行中的第二積分)直接表示環(huán)境源和目標(biāo)源的組合強(qiáng)度。通過(guò)從指示第二脈沖(環(huán)境+目標(biāo))的測(cè)量的值減去由電流檢測(cè)模塊160產(chǎn)生的指示第一脈沖(環(huán)境)的測(cè)量值的值，獲得僅指示目標(biāo)源的貢獻(xiàn)的值。

在第四模式的一些實(shí)施例中，模式開(kāi)關(guān)170可以在第一電流脈沖中在傳感器152放電之后立即將傳感器152的輸出與TIA 188斷開(kāi)，如圖15D所示。然而，在其他實(shí)施例中，這可以在一段時(shí)間之后進(jìn)行，只要該定時(shí)使得當(dāng)發(fā)生斷開(kāi)連接時(shí)(即，當(dāng)傳感器152再次開(kāi)始浮動(dòng)時(shí))目標(biāo)源被接通。

上面為第二模式提供的考慮可應(yīng)用，除了目標(biāo)源有時(shí)開(kāi)啟到第四模式之外，因此這里不再重復(fù)。特別地，在第四模式(以及第三模式)中，在一些實(shí)施例中，電流檢測(cè)模塊160的第二級(jí)(BPF)可以被旁路，并且TIA188的輸出可以直接呈現(xiàn)給積分器階段。

第四模式對(duì)于環(huán)境光弱或具有與脈沖寬度相比較低的調(diào)制頻率的情況可能是特別有利的，在這種情況下，當(dāng)與第一模式中的多個(gè)脈沖相比時(shí)，第四模式可以提供增強(qiáng)的SNR。

對(duì)于作為光電二極管的傳感器152的示例，上述四種模式在圖16的表中總結(jié)。

對(duì)于作為光電二極管的傳感器152的實(shí)例，根據(jù)各種實(shí)施方案，LED光可為任何顏色。例如，可以使用紅色或綠色LED燈。類(lèi)似地，LED脈沖寬度可以是任何選擇的寬度，并且在一個(gè)示例中，LED脈沖寬度為約3微秒。在其他示例中，LED脈沖寬度小于約3微秒，或大于約3微秒。幾納秒到100微秒的脈沖寬度是LED脈沖寬度的典型范圍。可以首先重復(fù)測(cè)量作為脈沖突發(fā)，其本身以從0.01Hz到許多kHz的各種速率重復(fù)。

在其他實(shí)施例中，當(dāng)傳感器152是光電二極管時(shí)，目標(biāo)光源可以是任何可控光源，不一定是LED。因此，目標(biāo)光源可以是但不限于例如光源。激光二極管，高/低壓氣體放電源，無(wú)機(jī)/有機(jī)發(fā)光二極管，白熾光源，鹵素源等。

變化和實(shí)現(xiàn)

注意，在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“另一實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“各種實(shí)施例”、“其它實(shí)施例”、“替代實(shí)施例”等等中包括的各種特征(例如，元件、結(jié)構(gòu)、模塊、組件、步驟、操作、特性等)旨在表示任何這樣的特征包括在本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，或者可以不必在相同的實(shí)施例中組合。

在一個(gè)示例實(shí)施例中，附圖的部分或整個(gè)電路可以在相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備的主板上實(shí)現(xiàn)。主板可以是能夠保持電子設(shè)備的內(nèi)部電子系統(tǒng)的各種部件并且還提供用于其他外圍設(shè)備的連接器的通用電路板。更具體地，主板可以提供電連接，通過(guò)該電連接，系統(tǒng)的其他部件可以電通信?；谔囟ㄅ渲眯枨?，處理需求，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等，可以將任何合適的處理器(包括數(shù)字信號(hào)處理器，微處理器，支持芯片組等)，存儲(chǔ)器元件等適當(dāng)?shù)伛詈系侥赴?。其他組件存儲(chǔ)器，附加傳感器，用于音頻/視頻顯示的控制器和外圍設(shè)備可以作為插入卡，經(jīng)由電纜附接到主板或集成到主板本身中。

在另一示例實(shí)施例中，圖的部分或整個(gè)電路可以被實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立模塊(例如，具有被配置為執(zhí)行特定應(yīng)用或功能的相關(guān)組件和電路的設(shè)備)或被實(shí)現(xiàn)為插入模塊到電子設(shè)備的專(zhuān)用硬件。注意，本公開(kāi)的特定實(shí)施例可以部分地或整體地容易地包括在片上系統(tǒng)(SOC)封裝中。SOC表示將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)的組件集成到單個(gè)芯片中的IC。它可以包含數(shù)字，模擬，混合信號(hào)和通常的射頻功能：所有這些可以提供在單個(gè)芯片襯底上。其他實(shí)施例可以包括多芯片模塊(MCM)，其具有位于單個(gè)電子封裝內(nèi)的多個(gè)分離的IC，并且被配置為通過(guò)電子封裝彼此緊密地相互作用。在各種其他實(shí)施例中，放大功能可以在專(zhuān)用集成電路(ASIC)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和其他半導(dǎo)體芯片中的一個(gè)或多個(gè)硅核中實(shí)現(xiàn)。

還必須注意，僅僅出于示例和教導(dǎo)的目的，提供了本文概述的所有規(guī)范，尺寸和關(guān)系(例如，處理器和存儲(chǔ)器元件的數(shù)量，邏輯操作等)。在不脫離本公開(kāi)的精神或所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可以相當(dāng)大地改變這樣的信息。該規(guī)范僅適用于一個(gè)非限制性示例，因此，它們應(yīng)當(dāng)被這樣解釋。在前面的描述中，已經(jīng)參考特定的處理器和/或組件布置描述了示例實(shí)施例。在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改變。因此，描述和附圖被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性的。

注意，利用本文提供的眾多示例，可以根據(jù)兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)電子部件來(lái)描述交互。然而，這僅僅是為了清楚和示例的目的。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)可以以任何合適的方式合并。沿著類(lèi)似的設(shè)計(jì)替代方案，附圖的任何所示的部件、模塊和元件可以以各種可能的配置組合，所有這些都明顯在本說(shuō)明書(shū)的廣泛范圍內(nèi)。在某些情況下，可以通過(guò)僅參考有限數(shù)量的電氣元件來(lái)更容易地描述給定的一組流的一個(gè)或多個(gè)功能。應(yīng)當(dāng)理解，附圖的部分或整個(gè)電路及其教導(dǎo)是容易擴(kuò)展的，并且可以容納大量部件以及更復(fù)雜/復(fù)雜的布置和配置。因此，所提供的示例不應(yīng)限制可能應(yīng)用于無(wú)數(shù)其它架構(gòu)的部件或整個(gè)電路的范圍或抑制廣泛教導(dǎo)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以確定許多其它改變、替代、變化、改變和修改，并且意圖是本公開(kāi)包括所有這樣的改變、替代、變化、更改和修改。

雖然權(quán)利要求是以在USPTO之前使用的樣式的單個(gè)依賴(lài)性格式來(lái)呈現(xiàn)的，但是應(yīng)當(dāng)理解，任何權(quán)利要求可以取決于相同類(lèi)型的任何前述權(quán)利要求并與其組合，除非在技術(shù)上明顯不可行。