一种光强检测方法及光强检测电路

1.一种光强检测方法，该方法包括：
步骤A：通过感光模块检测光信号并产生电流；
步骤B：首先将所述感光模块检测光信号产生的电流放大，再和一基准电流进行比较相减或相加，获得与所述检测光信号产生的电流成反比或正比的电流后，再作为振荡器的控制电流，以控制振荡器输出的频率；
步骤C：采集振荡器输出的频率，根据振荡器输出的频率从而得到光信号的强度变化； 所述振荡器为由2N+1级反相器串联组成的环形振荡器，其中N大于等于1，且所述反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a组成；
PMOS管P1a的源极和衬底接电源（VDD），栅极接偏置电流（Ibias）端，漏极接PMOS管P1b的源极；
PMOS管P1b的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地。
2.根据如权利要求1所述的光强检测方法，其特征在于，在所述步骤C中：首先预设至少一个频率作为门限值，将采集到的频率与该预设的频率门限值相比较，从而判断光信号的强度变化是否达到预定范围。
3.根据如权利要求1所述的光强检测方法，其特征在于，所述步骤C中是通过采集振荡器在固定时间内输出的时钟数目，以得到频 率变化的。
4.一种光强检测电路，包括顺次相连的感光模块、电流放大及比较模块、振荡器，其中：
所述感光模块，用于感应光照产生光生电流；
所述电流放大及比较模块，用于对所述光生电流进行放大后与基准电流进行比较相减/相加，获得与所述光生电流成反比/正比的控制电流；
所述振荡器，用于产生输出频率受所述控制电流控制的时钟信号；
所述振荡器为由2N+1级反相器串联组成的环形振荡器，其中N大于等于1，且所述反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a组成；
PMOS管P1a的源极和衬底接电源（VDD），栅极接偏置电流（Ibias）端，漏极接PMOS管P1b的源极；
PMOS管P1b的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地。
5.根据权利要求4所述的光强检测电路，其特征在于，所述感光模块由PMOS管P1和感光二极管D1组成，PMOS管P1的源极和衬底接电源(VDD),漏极和栅极相连且与感光二极管D1的负极相连于A点，感光二极管D1的正极接地。
6.根据权利要求5所述的光强检测电路，其特征在于，感光二极管(D1)为发射极和集电极短接的PNP管/NPN管。
7.根据权利要求5所述的光强检测电路，其特征在于，所述电 流放大及比较模块由PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、PMOS管P5和NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4组成；
PMOS管P2的源极和衬底接电源（VDD），栅极与PMOS管P1的漏极相连于A点，漏极与NMOS管N1的漏极和栅极连接于B点，NMOS管N1的源极和衬底接地；
NMOS管N2的源极和衬底接地，栅极与NMOS管N1的栅极连接，漏极与PMOS管P3的漏极和栅极连接于C点；
PMOS管P3的源极和衬底接电源（VDD），栅极与PMOS管P4的栅极相连； PMOS管P4的源极和衬底接电源（VDD），漏极与PMOS管P5的漏极和栅极相连于D点； PMOS管P5的源极和衬底接电源（VDD），PMOS管P5的栅极与所述振荡器的偏置电流（Ibias）端相连；
NMOS管N3的源极和衬底接地，漏极与PMOS管P4的漏极相连于D点，栅极与NMOS管N4的栅极相连，NMOS管N4的源极和衬底接地，栅极和漏极相连，且漏极中流过参考电流（Iref）。
8.根据权利要求4所述的光强检测电路，其特征在于，所述反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a、NMOS电容N1b组成；
PMOS管P1a的源极和衬底接电源（VDD），栅极接偏置电流（Ibias）端，漏极接PMOS管P1b的源极；
PMOS管P1b的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地； NMOS电容N1b的栅极接反相器的输出端，源极和漏极接地。
9.一种权利要求4至8任一项所述的光强检测电路的频率门限值的测量方法，该方法包括：选择至少一种预定的光强照射该光强检测电路中的感光模块；检测所述振荡器输出的频率；将所述输出的频率作该光强检测电路在此种预定光强下的判断门限值。

一种光强检测方法及光强检测电路\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电子领域，尤其涉及一种光强检测方法及光强检测电路。\n背景技术\n[0002] 目前的智能卡或者双界面卡发展已经越来越迅速，出于安全的考虑，光检测方面也提出了要求。便携式产品从显示屏省电考虑，也需要检测光的强度。目前的光强检测实现方案有两大类：一类是采用光电二极管检测光信号后，产生电流，通过电流比较方式来检测光强;另一类是采用光电二极管检测光信号后，产生电流，通过电流流过电阻转换为电压的方式来检测光强。图1为现有技术中的一种光强检测电路。如图1所示，该光强检测电路包括顺次相连的光电二极管D、电流/电压转换电路和ADC（模数转换）转换电路。\n[0003] 目前已有的光强检测方案存在如下问题:\n[0004] 1)采用电流比较的方法检测光强，需要比较多的参考电流选项，牺牲比较多的功耗，并且控制电路的实现比较复杂；\n[0005] 2)采用电流转电压的方法来检测光强,由于光感应产生的电流比较小，要产生用于检测的较大的电压，需要把电流放大，同时还需要电流流过比较大的电阻,这样会消耗比较多的功耗，同时还会占用较大的芯片面积；\n[0006] 3)采用单独的感光二极管实现光强检测或者特殊的感光器件，成本比较高或者工艺的兼容性比较差。\n发明内容\n[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种光强检测的方法，使得光强检测更为简单方便，并且采用该种光强检测方法的光强检测电路，电路结构更为简化，功耗降低，并减小电路所占芯片面积。\n[0008] 本发明提供的一种光强检测方法，具体如下，该方法包括：\n[0009] 步骤A：通过感光模块检测光信号并产生电流；\n[0010] 步骤B：将所述电流作为振荡器的控制电流，以控制振荡器输出的频率；\n[0011] 步骤C：采集振荡器输出的频率，根据振荡器输出的频率从而得到光信号的强度变化。\n[0012] 采用上述光强检测方法使得光强检测更为简单方便，并且采用该种光强检测方法的光强检测电路，电路结构更为简化，功耗降低，并减小电路所占芯片面积。该方法可以更好的适用于一些小型化设备或便携设备。\n[0013] 进一步，所述步骤B中还包括：首先将所述感光模块检测光信号产生的电流放大，再和一基准电流进行比较相减或相加，获得与所述检测光信号产生的电流成反比或正比的电流后，再作为振荡器的控制电流。\n[0014] 进一步，在所述步骤C中：首先预设至少一个频率作为门限值，将采集到的频率与该预设的频率门限值相比较，从而判断光信号的强度变化是否达到预定范围。上述作为门限值的频率可以为多个，例如，可以为区分：强光、中等光强、弱光、无光等4个频率门限值。\n所述的每个频率门限值既可以是一具体频率数值，也可以是一个频率的数值范围，以适应频率的波动或精准测量的需要。\n[0015] 进一步，所述步骤C中是通过采集振荡器在固定时间内输出的时钟数目，以得到频率变化的。\n[0016] 本发明还提供了一种采用上述光强检测方法的光强检测电路，该光强检测电路包括：\n[0017] 顺次相连的感光模块、电流放大及比较模块、振荡器，其中，\n[0018] 所述感光模块，用于感应光照产生光生电流；\n[0019] 所述电流放大及比较模块，用于对所述光生电流进行放大后与基准电流进行比较相减/相加，获得与所述光生电流成反比/正比的控制电流；\n[0020] 所述振荡器，用于产生输出频率受所述控制电流控制的时钟信号。\n[0021] 本发明提供的光强检测电路，简化了电路结构，降低了功耗，并减小了电路所占芯片面积。采用上述光强检测电路，更有利于产品结构的小型化，更适用于便携设备中，或者适用于那些需要光强检测电路体积更小、能耗更低的设备中。\n[0022] 进一步，所述感光模块由PMOS管P1和感光二极管D1组成，PMOS管P1的源极和衬底接电源VDD,漏极和栅极相连且与感光二极管D1的负极相连于A点，感光二极管D1的正极接地。\n[0023] 进一步，感光二极管D1为发射极和集电极短接的PNP管/NPN管。\n[0024] 进一步，所述电流放大及比较模块由PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、PMOS管P5和NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4组成；\n[0025] PMOS管P2的源极和衬底接电源VDD，栅极与PMOS管P1的漏极相连于A点，漏极与NMOS管N1的漏极和栅极连接于B点，NMOS管N1的源极和衬底接地；\n[0026] NMOS管N2的源极和衬底接地，栅极与NMOS管N1的栅极连接，漏极与PMOS管P3的漏极和栅极连接于C点；\n[0027] PMOS管P3的源极和衬底接电源VDD，栅极与PMOS管P4的栅极相连；\n[0028] PMOS管P4的源极和衬底接电源VDD，漏极与PMOS管P5的漏极和栅极相连于D点；\n[0029] PMOS管P5的源极和衬底接电源VDD，PMOS管P5的栅极与所述振荡器的偏置电流Ibias端相连；\n[0030] NMOS管N3的源极和衬底接地，漏极与PMOS管P4的漏极相连于D点，栅极与NMOS管N4的栅极相连，NMOS管N4的源极和衬底接地，栅极和漏极相连，且漏极中流过参考电流Iref。\n[0031] 进一步，所述振荡器为由2N+1级反相器串联组成的环形振荡器，其中N大于等于\n1。\n[0032] 进一步，所述反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a组成；\n[0033] PMOS管P1a的源极和衬底接电源（VDD），栅极接偏置电流（Ibias）端，漏极接PMOS管P1b的源极；\n[0034] PMOS管P1b的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地。\n[0035] 进一步，所述反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a、NMOS电容N1b组成；\n[0036] PMOS管P1a的源极和衬底接电源（VDD），栅极接偏置电流（Ibias）端，漏极接PMOS管P1b的源极；\n[0037] PMOS管P1b的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地；\n[0038] NMOS电容N1b的栅极接反相器的输出端，源极和漏极接地。\n[0039] 本发明还提供了一种对上述任一项光强检测电路的频率门限值的测量方法，该方法包括：选择至少一种预定的光强照射该光强检测电路中的感光模块；采集所述振荡器输出的频率；将所述输出的频率作该光强检测电路在此种预定光强下的判断门限值。\n[0040] 采用上述门限值的测量方法，可以灵活的修正工艺的偏差。方便的解决由于工艺偏差导致输出电流不准确或者输出频率不准确引起的误差。采用不同的预定光强进行照射，就可以得到不同光强下的判断门限值或判断门限值范围。\n附图说明\n[0041] 图1为现有技术中的一种光强检测电路;\n[0042] 图2为本发明实施例中光强检测电路的原理框图；\n[0043] 图3为本发明实施例中光强检测电路的一种具体电路图；\n[0044] 图4为本发明实施例中振荡器的一种具体电路图；\n[0045] 图5为图4中反相器的两种具体电路图。\n具体实施方式\n[0046] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。\n[0047] 本发明的主要构思是，通过把光电二极管产生的光生电流放大，用该光生电流间接控制振荡器OSC的偏置电流大小，从而使得光生电流的变化转化成振荡器OSC输出的频率变化，因此只需要检测振荡器OSC的输出频率的变化，就可以检测光的强度。这种方法比较简单，避免了复杂的ADC检测电路，并且减少了对芯片面积和功耗的需求。\n[0048] 图2为本发明实施例中光强检测电路的原理框图。如图2所示，本发明实施例中，光强检测电路包括顺次相连的感光模块100、电流放大及比较模块200和振荡器OSC300，其中，感光模块100用于感应光照产生光生电流；电流放大及比较模块200用于对光生电流进行放大后与基准电流进行比较相减/相加，获得与光生电流成反比/正比的控制电流；振荡器OSC300用于产生输出频率受控制电流控制的时钟信号。\n[0049] 下面对本发明光强检测电路的工作过程进行说明：首先感光模块100感应光照产生光生电流Ip，接着电流放大及比较模块200对光生电流Ip进行放大，再和一路基准电流进行比较相减（或相加），获得一路与光生电流Ip成反比（或正比）的电流，采用这路电流来控制一个输出频率受偏置电流控制的振荡器OSC300，由此产生受光生电流控制的时钟。只需要通过采样固定时间内振荡器输出的时钟数目，就可以判断光的强度。\n[0050] 在对本发明光强检测电路的芯片终测时，可以通过选择不同的光源照射芯片，测试振荡器OSC的输出频率作为光强检测的判断门限，这样可以灵活的修正工艺的偏差。这样在实际应用中，本发明光强检测电路的芯片可以直接采用上述判断门限来检测光强。这样可以方便解决由于工艺偏差导致基准电流Iref不准引起的误差。\n[0051] 图3为本发明实施例中光强检测电路的一种具体电路图。如图3所示，本实施例中，感光模块100由PMOS管P1和感光二极管D1组成，PMOS管P1的源极和衬底接电源VDD，漏极和栅极相连且与感光二极管D1的负极相连于A点，感光二极管D1的正极接地。D1管可以采用普通的CMOS工艺的实现，它在没有光照的时候是不导通，有光照的时候可以反向导通。该感光模块通过P1管做的二极管，把一个感光二极管D1连接到电源上。当有光信号时候，D1管可以反向导通，产生感应电流Ip。其中，D1管可以采用PNP管/NPN管发射极和集电极短接实现，即D1管可以是发射极和集电极短接的PNP管/NPN管。\n[0052] 再如图3所示，本实施例中，电流放大及比较模块由PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、PMOS管P5和NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3 、NMOS管N4组成，PMOS管P2的源极和衬底接电源VDD，栅极与PMOS管P1的漏极相连于A点,漏极与NMOS管N1的漏极和栅极连接于B点，NMOS管N1的源极和衬底接地，NMOS管N2的源极和衬底接地，栅极与NMOS管N1的栅极连接，漏极与PMOS管P3的漏极和栅极连接于C点，PMOS管P3的源极和衬底接电源VDD，栅极与PMOS管P4的栅极相连，PMOS管P4的源极和衬底接电源VDD，漏极与PMOS管(P5)的漏极和栅极相连于D点，PMOS管P5的源极和衬底接电源VDD，PMOS管P5的栅极与振荡器的偏置电流Ibias端相连，NMOS管N3的源极和衬底接地，漏极与PMOS管P4的漏极相连于D点，栅极与NMOS管N4的栅极相连，NMOS管N4的源极和衬底接地，栅极和漏极相连，且漏极中流过参考电流Iref。PMOS管P2实现对电流Ip的镜像放大，流过P2管的电流I2=A*Ip。NMOS管N2实现对电流I2的镜像放大，N2管流过的电流I3=A*B*Ip。PMOS管P4实现对电流I2的镜像放大获得I3=A*B*C*Ip。N4管流过参考电流Iref，参考电流来自基准模块。N3管实现对N4管的电流Iref的镜像。\n[0053] 根据D点电流的守恒计算可得I5+I3=I4=Iref。\n[0054] 所以I5=I4-I3=Iref- A*B*C*Ip。\n[0055] 如果当I4>I3的时候，流过N3管的电流I5=Iref-A*B*C*Ip，I5随着Ip的增大而减小。\n[0056] 如果当I4<=I3的时候，流过N3管的电流I5=0。\n[0057] 图4为本发明实施例中振荡器的一种具体电路图。如图4所示，本实施例中，振荡器为由2N+1级反相器串联组成的环形振荡器，其中N大于等于1。本实施例中，模块300是一个受电流控制的环形震荡器。图4中，振荡器的4种输出时钟波形分别对应：1)无光照的clkout输出波形图，2)较弱光照clkout输出波形图，3)较强光照clkout输出波形图，\n4)强光照clkout输出波形图。\n[0058] 图5为图4中反相器的两种具体电路图。如图5（a）所示，该反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a组成，PMOS管P1a的源极和衬底接电源VDD，栅极接偏置电流Ibias端，漏极接PMOS管P1b的源极，PMOS管(P1b)的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地。如图5（b）所示，该反相器由PMOS管P1a、PMOS管P1b和NMOS管N1a、NMOS电容N1b组成，PMOS管P1a的源极和衬底接电源VDD，栅极接偏置电流Ibias端，漏极接PMOS管P1b的源极，PMOS管(P1b)的栅极与NMOS管N1a的栅极相连，作为反相器的输入端，PMOS管P1b的漏极与NMOS管N1a的漏极相连，作为反相器的输出端，NMOS管N1a的源极接地，NMOS电容N1b的栅极接反相器的输出端，源极和漏极接地。\n[0059] 单级反相器的时间延迟TD=(2C/I)VDD，其中I=I5,所以TD=(2C/I5)VDD。\n[0060] 所以振荡器的整体延迟TDal=TD*（2N+1）。\n[0061] 综合上面的公式，可得振荡器OSC输出的时钟频率Fosc公式如下：\n[0062] \n[0063] 从上面的推导可得，当光生电流Ip变大，OSC的频率Fosc变慢。通过数字的时钟采样固定的时间OSC的输出的时钟个数，就可以判断光强的变化。\n[0064] 由上可见，本发明提供的光强检测电路，避免了采用复杂的ADC检测电路，从而简化了电路结构，降低了功耗，并减小了电路所占芯片面积。\n[0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。