抑制環境噪聲的紅外接近傳感器的製作方法
2023-05-30 20:19:01
專利名稱：抑制環境噪聲的紅外接近傳感器的製作方法
技術領域：
涉及光學數模混合集成電路，特別是一種具有環境噪聲抑制能力的紅外接近傳感器，可用於電子產品的智能控制。
背景技術：
接近傳感器按其基本原理分為電感式、電容式、磁感應式、光電式和超聲波式等。 紅外接近傳感器作為光電式接近傳感器的一種，在手機、PDA等可攜式手持設備應用中變得極為廣泛，已成為研究熱點。例如，當人們將具有接近感測功能的手機貼近耳部開始打電話時，手機會自動檢測到這個貼近的動作，並自動關閉手機背光和觸控螢幕鍵盤，達到節電和防止誤操作；當筆記本的翻蓋被打開一定的角度之後，背光會自動打開。通常，紅外接近傳感器主要包括紅外發光二極體頂LED、光電二極體PD和信號處理單元。利用紅外接近傳感器進行檢測的基本原理如圖1所示，當有物體接近紅外接近傳感器時，頂LED發射的紅外光線一部分會被物體反射回並且被PD檢測到，PD將所檢測到的光強轉換為光電流，經過信號處理單元最終輸出可以指示物體接近程度的模擬或數位訊號。設頂LED發射光線波長為λ·，IR LED輻射通量為Μ，有效輸出功率為Ρ。，散射角為 θ，被檢測物體對該波長的紅外的反射率為α，光學封裝與系統外蓋的穿透率為Τ，被檢測物體與PD距離為d，PD的面積為Apd，PD對波長為λ LED的紅外的響應度為RU LED)，光電二極體接收物體反射回的紅外光產生的光電流可表示為
Γ0004] I = ^-P0-T2--Apo-R(Iled).丄
L0004」K(2tanf)2d2隨著d的減小，PD產生的光電流增大，經過信號處理單元輸出模擬或數位訊號相應增大，以指示物體的接近程度。然而由於紅外接近傳感器的工作環境中包含太陽光、白熾燈、日光燈等背景光，PD接收該背景光產生的光電流表示為YjpM-rM-tM-^1
/=l~n其中λ i = λ 1+(i-l) Δ λ，PAi、TAi、RAi分別為X = Xi時對應的光源光譜輻照度、鍍膜穿透率和PD的光譜響應的值，PD檢測背景光產生的光電流與PD檢測到的由頂 LED發射被物體反射回的紅外產生的光電流疊加在一起，使信號處理單元無法區分，從而出現檢測錯誤。上述的PD在工藝上採用光學鍍膜濾波可以濾除背景光中紅外波段以外的光線， 減小PD檢測背景光產生的電流。但在背景光較強時，該電流依然很大，僅採用光學鍍膜濾波無法滿足需求；同時隨著環境溫度升高，PD的暗電流指數增加，由於暗電流與光電流無法區分，同樣使傳感器檢測錯誤。為了改善背景光與暗電流造成的環境噪聲問題，通常以較大的PD面積、大電流驅動的頂LED來設計紅外接近傳感器，但這種紅外接近傳感器無法滿足消費電子產品對低功耗與小面積的需求，同時無法在持續高溫的環境中使用
發明內容
本發明的目的在於避免上述現有技術的不足，提供一種抑制環境噪聲的紅外接近傳感器，以在不增加功耗和面積的前提下，改善紅外接近傳感器的信噪比，使其在背景光較強和高溫的環境中仍然能夠準確地檢測物體的接近程度，實現對手機、PDA等可攜式設備的智能控制。為實現上述目的，本發明包括包括光電二極體電路、紅外發光二極體、模數轉換電路、數據存儲電路、時序控制電路、基準電壓產生電路和基準電流產生電路，其中所述紅外發光二極體的陽極連接有紅外發光二極體驅動電路，用於驅動發光二極體分時段發射紅外光；所述光電二極體電路與模數轉換電路之間連接有電流控制電路，用於對光電二極體電路的輸出電流採樣；所述模數轉換電路的輸出端與數據存儲電路的輸入端連接有數模轉換電路，用於將模數轉換電路的輸出轉換為輸出電流後反饋到模數轉換電路的輸入端；所述基準電壓產生電路的輸出端分別與光電二極體電路、模數轉換電路和電流控制電路的電壓輸入端連接，為其提供基準電壓；所述基準電流產生電路的輸出端分別與光電二極體電路和電流控制電路的電流輸入端連接，為其提供基準電流；所述時序控制電路分別與模數轉換電路、數據存儲電路、紅外發光二極體驅動電路和電流控制電路的輸入端連接，為它們提供不同的時序控制信號，以在檢測過程中濾除
環境噪聲。上述紅外接近傳感器，其中所述光電二極體電路，主要由光電二極體、誤差放大器 EA、五個匪OS管Mm Mn5和電阻隊組成；第一匪OS管Mm、第二匪OS管Mn2、第三匪OS管 Mn3和第四NMOS管Mn4構成共源共柵電流鏡，該電流鏡的輸入電流由第一基準電流Ikefi提
供，輸出電流為/D = ^Zrefi ；第五NMOS管Mn5的柵極與誤差放大器EA的輸出端連接，源極
通過電阻札分別與誤差放大器EA的反相輸入端、電流鏡輸出和光電二極體的陰極連接，通過第五NMOS管Mn5和電阻隊將誤差放大器EA的輸出反饋到誤差放大器EA的輸入端，保證誤差放大器EA的兩個輸入端電壓相等，從而為光電二極體提供穩定的反向偏置電壓。上述紅外接近傳感器，其中所述電流控制電路，主要由第一開關電路、電流選擇電路、第二開關電路、第三開關電路和穩壓電路組成；第一開關電路的電流輸入端與控制端分別與第二基準電流Ikef2和時序控制電路的第一輸出信號CTRLl連接，它輸出兩路電流I1 和12，電流I1與第三基準電流相加後輸出為I3流入到電流選擇電路的電流輸入端，電流I2 流入到穩壓電路的電壓輸出端；電流選擇電路的控制端與時序控制電路的第二輸出信號 CTRL2連接，它輸出兩路電流I4和15，電流I4流入到第二開關電路的電流輸入端，電流I5流入到穩壓電路的電壓輸出端；第二開關電路的控制端與模數轉換電路的第一輸出信號Q_ EN連接，它輸出兩路電流16和Ikef，第三開關電路的控制端與時序控制電路的第三輸出信號 knSe_EN連接，它輸出兩路電流I7和Ix，電流I6和I7均流入穩壓電路的電壓輸出端，電流 Ieef和Ix相減後輸出電流I。到模數轉換電路。上述紅外接近傳感器，其中所述模數轉換電路，主要由積分器、比較器C0MP、觸發器DFF、異或門M)R、計數器、第一與門AND1、第二與門AND2、或非門NOR、第一寄存器8bit_REG和第二寄存器7bit_REG組成；電流控制電路的輸出電流I。與數模轉換電路的輸出電流 Ifb相加後輸出I'到積分器的輸入端，積分器將電流信號Γ轉換為電壓信號V'與比較器 COMP的正相輸入端連接，比較器COMP將該電壓信號V'與它的反相輸入端連接的第二基準電壓VREF2進行比較輸出高/低電平連接到觸發器DFF的數據輸入端D ；觸發器DFF的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路的第四輸出信號CLK和第五輸出信號CLRl 連接，它的輸出與異或門XOR的第一輸入端連接；第一與門ANDl的兩個輸入端分別與觸發器DFF的輸出端Q和時序控制電路的第四輸出信號CLK連接，產生第一輸出信號Q_EN 』異或門XOR的第二輸入端和計數器的加減模式設置端SET均與時序控制電路的第五輸出信號 M0DE_SET連接，異或門XOR的輸出端與計數器的數據輸入端D連接，以使計數器進行加計數或減計數；計數器的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路的第四輸出信號 CLK和第五輸出信號CLRl連接，它產生的數據信號分別輸入到第一寄存器8bit_REG、第二寄存器7bit_REG和或非門NOR ；第二寄存器7bit_REG的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路的第六輸出信號REG_CLK2和第七輸出信號CLR2連接，它的輸出端與數模轉換電路的輸入端連接，用於進行數模轉換，同時它的輸出通過第二與門AND2輸入到或非門NOR ；第一寄存器8bit_REG的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路的第八輸出信號REG_CLK1和第七輸出信號CLR2連接，輸出數據到數據存儲電路。上述紅外接近傳感器，其中所述紅外發光二極體驅動電路，它的控制端與時序控制電路輸出信號IR_EN連接，輸出脈衝電流信號到紅外發光二極體，以使紅外發光二極體分時段發射紅外光線。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明的光電二極體電路中由於採用與CMOS工藝兼容的光電二極體，將光電檢測單元與信號處理單元集成在同一塊晶片上，可以降低電路成本和功耗。(2)本發明通過光電二極體電路與模數轉換電路之間連接的電流控制電路，對光電二極體電路的輸出電流採樣，降低了開關切換噪聲。(3)本發明通過數模轉換電路將模數轉換電路的數字輸出轉換為電流後反饋到模數轉換電路的輸入端，與時序控制電路相結合在檢測過程中濾除環境噪聲，改善了紅外接近傳感器的信噪比，使其在背景光較強和高溫的環境中仍然能夠準確地檢測物體的接近程度。(4)本發明的噪聲濾除方案未增加光電二極體的面積和LED驅動電流，節省了晶片面積，降低了傳感器電路功耗。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為現有紅外接近檢測的原理圖；圖2為本發明紅外接近檢測傳感器系統結構框圖；圖3為本發明的光電二極體電路和電流控制電路原理圖；圖4為本發明的電流控制電路結構框圖；圖5為本發明的光電二極體覆蓋光學鍍膜前後的頻譜響應曲線；圖6為本發明的模數轉換電路原理7
圖7為時序控制電路5的輸出信號時序；圖8為本發明在不同背景光照下，接近檢測輸出與距離關係仿真結果圖；圖9為本發明的不同溫度下，接近檢測輸出與距離關係仿真結果圖。
具體實施例方式以下參照附圖對本發明作進一步詳細描述。參照圖2，本發明的抑制環境噪聲的紅外接近傳感器主要包括光電二極體電路1、 紅外發光二極體2、模數轉換電路3、數據存儲電路4、時序控制電路5、紅外發光二極體驅動電路6、電流控制電路7、數模轉換電路8、基準電壓產生電路9和基準電流產生電路10，其中，紅外發光二極體驅動電路6輸出脈衝電流信號到紅外發光二極體2的陽極，用於驅動紅外發光二極體2分時段發射紅外光，當有物體接近紅外接近傳感器時，該紅外發光二極體的紅外光一部分被物體反射回通過光電二極體電路1轉換為電流輸出到電流控制電路7。 電流控制電路7連接在光電二極體電路1與模數轉換電路3之間，用於對光電二極體電路 1的輸出電流採樣。模數轉換電路3的輸出端與數據存儲電路4的輸入端連接數模轉換電路8，用於將模數轉換電路3的數字輸出信號轉換為電流後反饋到模數轉換電路3的輸入端。數據存儲電路4的八位輸出數據送入到外部的微處理器，該數據存儲電路4的八位輸出數據能指示物體的接近程度，為實現微處理器對電子產品的智能控制提供數據依據。基準電壓產生電路9的輸出端分別與光電二極體電路1、模數轉換電路3和電流控制電路7的電壓輸入端連接，為其提供基準電壓。基準電流產生電路10的輸出端分別與光電二極體電路1和電流控制電路7的電流輸入端連接，為其提供基準電流。時序控制電路5輸出十三個數位訊號，該十三個數位訊號的具體時序如圖7所示，其中第一輸出信號CTRL1、第二輸出信號CTRL2和第三輸出信號SenSe_EN輸入到電流控制電路7，用於控制電流控制電路7 內部電流的導通與截止；第四輸出信號CLK、第五輸出信號CLR1、第六輸出信號M0DE_SET、 第七輸出信號REG_CLK2、第八輸出信號CLR2、第九輸出信號REG_CLK1、第十輸出信號RESET 和第十一輸出信號C0MP_EN均輸入到模數轉換電路3，以實現輸入電流信號到數字輸出信號的轉換；第十二輸出信號IR_EN輸入到紅外發光二極體驅動電路6，以使紅外發光二極體驅動電路6輸出脈衝電流信號；第十三輸出信號CLK'輸入到數據存儲電路4，作為數據存儲電路4讀取數據的控制信號。參考圖3，本發明的光電二極體電路1，包括光電二極體、誤差放大器EA、五個NMOS 管Mni Mn5和電阻R1，其中光電二極體採用標準CMOS工藝實現，並覆蓋光學鍍膜以用於濾除紅外波段以外的光線，減小背景光噪聲，該光電二極體覆蓋光學鍍膜前後的頻譜響應如圖5所示；第一 NMOS管Mni、第二 NMOS管Mn2、第三NMOS管Mn3和第四NMOS管Mn4構成共源
共柵電流鏡，該電流鏡的輸入電流由第一基準電流Ikefi提供，輸出電流為/D =&/reF1 ；第
五NMOS管Mn5的柵極與誤差放大器EA的輸出端連接，源極通過電阻隊分別與誤差放大器 EA的反相輸入端、電流鏡輸出和光電二極體的陰極連接，通過第五NMOS管Mn5和電阻R1將誤差放大器EA的輸出反饋到誤差放大器EA的輸入端，保證誤差放大器EA的反相輸入端電壓與它的正相輸入端連接的第一基準電壓VREFl相等，為誤差放大器EA的反相輸入端與地之間連接的光電二極體提供穩定的反向偏置電壓，從而使光電二極體產生穩定的光電流。
參考圖4，本發明的電流控制電路7，包括第一開關電路11、電流選擇電路12、第二開關電路13、第三開關電路14和穩壓電路15，其中第一開關電路11的電流輸入端與控制端分別與第二基準電流Ikef2和時序控制電路5的第一輸出信號CTRLl連接，它輸出兩路電流I1和12，電流I1與第三基準電流Ikef3相加後輸出為I3流入到電流選擇電路12的電流輸入端，電流12流入到穩壓電路15的電壓輸出端；電流選擇電路12的控制端與時序控制電路5的第二輸出信號CTRL2連接，它輸出兩路電流I4和15，電流I4流入到第二開關電路13 的電流輸入端，電流I5流入到穩壓電路15的電壓輸出端；第二開關電路13的控制端與模數轉換電路3的第一輸出信號Q_EN連接，它輸出兩路電流I6和Ikef，第三開關電路14的控制端與時序控制電路5的第三輸出信號knSe_EN連接，它輸出兩路電流I7和Ix，電流I6和 I7均流入穩壓電路15的電壓輸出端，電流Ikef和Ix相減後輸出電流I0到模數轉換電路3。該第一開關電路11的結構如圖3所示，它包括第一觸發器RSl和兩個PMOS管 Mpi Mp2，其中第一觸發器RSl的輸入端與時序控制電路5的第一輸出信號CTRLl連接，它產生兩個互補輸出信號分別與兩個PMOS管的柵極連接，兩個PMOS管的源極均與第二基準電流Ikef2連接，兩個PMOS管的漏極分別輸出電流I1和12，當時序控制電路5的第一輸出信號 CTRLl 為高電平時，I1 = 0，I2 = Ieef2,反之 I1 = Ieef2, I2 = 0 ；該電流選擇電路12的結構如圖3所示，它包括第一反相器INV1和四個PMOS管 Mp3 Mre，其中第四PMOS管Mp4和第六PMOS管Mp6的柵極以及第一反相器INV1的輸入端均與時序控制電路(5)的第二輸出信號CTRL2連接，第一反相器INV1的輸出分別與第三PMOS 管Mp3和第五PMOS管Mp5的柵極連接，第三PMOS管Mp3與第四PMOS管Mp4的源極均與電流I3 端連接，第五PMOS管Mp5與第六PMOS管Mpe的源極均第四基準電流Ikef4連接，第三PMOS管 Mp3與第六PMOS管Mre的漏極連接輸出電流I4，第四PMOS管Mp4與第五PMOS管Mp5的漏極連接輸出電流I5，當時序控制電路(5)的第二輸出信號CTRL2為高電平時，I4= I3 = 1—+1」
工5 — IREF4'『工4 — IREF4' I5 — 13 — IREF3+II ；該第二開關電路13的結構如圖3所示，它包括第二觸發器RS2和兩個PMOS管 Mp7 Mp8，其中第二觸發器RS2的輸入端與模數轉換電路3的第一輸出信號Q_EN連接，它產生兩個互補輸出信號分別與兩個PMOS管的柵極連接，兩個PMOS管的源極均與電流I4連接，兩個PMOS管的漏極分別輸出電流I6和Ikef，當模數轉換電路3的第一輸出信號Q EN為高電平時，Ieef = 14，I6 = 0，反之 Ikef = 0, I6 = I4 ；該第三開關電路14的結構如圖3所示，它包括第三觸發器RS3和兩個NMOS管 Mn6 Mn7，其中第三觸發器RS3的輸入端與時序控制電路5的第三輸出信號knSe_EN連接， 它產生兩個互補輸出信號分別與兩個NMOS管的柵極連接，兩個NMOS管的源極均與電流I4 連接，兩個NMOS管的漏極分別輸出電流I7和Ix，當時序控制電路5的第三輸出信號
EN 為高電平時，Ix = IPD, I7 = 0，反之 Ix = 0，I7 = IPD。參考圖6，本發明的模數轉換電路3，包括積分器16、比較器C0MP、觸發器DFF、異或門M)R、計數器、第一與門AND1、第二與門AND2、或非門NOR、第一寄存器m3it_REG和第二寄存器7bit_REG，其中積分器16的輸入端電流Γ為電流控制電路7的輸出電流I0與數模轉換電路8的輸出電流Ifb之和，它將電流輸入信號I'轉換為電壓輸出信號V'，該輸出信號 V'與比較器COMP的正相輸入端連接，比較器COMP將該電壓信號V'與它的反相輸入端連接的第二基準電壓VREF2進行比較，輸出高/低電平信號連接到觸發器DFF的數據輸入端端D，該比較器的控制端與時序控制電路5的第十一輸出信號C0MP_EN連接；觸發器DFF的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路5的第四輸出信號CLK和第五輸出信號 CLRl連接，該觸發器在時序控制電路5的第四輸出信號CLK的上升沿觸發，在第五輸出信號 CLRl為低電平時清零，它的輸出與異或門XOR的第一輸入端連接；第一與門ANDl的兩個輸入端分別與觸發器DFF的輸出端Q和時序控制電路5的第四輸出信號CLK連接，產生輸出信號Q_EN ；異或門XOR的第二輸入端和計數器的加減模式設置端SET均與時序控制電路5 的第六輸出信號M0DE_SET連接，異或門XOR的輸出端與計數器的數據輸入端D連接，以使計數器進行加計數或減計數；計數器的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路 5的第四輸出信號CLK和第五輸出信號CLRl連接，它輸出一個九位的數據信號[8:0]；第一寄存器8bit_REG的八個數據輸入端7 0分別與計數器的低八位輸出數據信號[7:0]連接，它的置零輸入端SETO與或非門NOR的輸出連接，它的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路5的第九輸出信號REG_CLK1和第八輸出信號CLR2連接，它輸出的八位數據信號DATA [7:0]與數據存儲電路4的八個輸入端對應連接；第二寄存器7bit_REG的7 個數據輸入端6 0分別與計數器的低七位輸出數據信號[6:0]連接，它的時鐘輸入端elk 和清零端clr分別與時序控制電路5的第七輸出信號REG_CLK2和第八輸出信號CLR2連接， 它輸出的七位數據信號D[6:0]與數模轉換電路8的七個數據輸入端對應連接，用於進行數模轉換；第二與門AND2的七個數據輸入端6 0分別與第二寄存器7bit_REG的七位輸出數據信號D [6:0]連接，該與門AND2的輸出連接到或非門NOR的第一輸入端，或非門NOR的第二輸入端與計數器的第九位輸出數據信號[8]連接。該積分器16，包括三個NMOS管MN8_MN1(1、四個電容C2-C5和第二跨導運算放大器 0TA2，其中第二跨導運算放大器0TA2的正相輸入端與第二基準電壓VREF2連接，第八NMOS 管Mn8和第二電容C2的兩端分別與第二跨導運算放大器0TA2的反相輸入端和輸出端連接， 第三電容C3和第九NMOS管Mn9串聯後分別與第二跨導運算放大器0TA2的反相輸入端和輸出端連接；第二跨導運算放大器0TA2的輸出端分別與第四電容C4和第五電容C5的一端連接，第四電容C4的另一端連接到地，第五電容C5通過第十NMOS管Mnici連接到地；第八NMOS 管Mn8和第十NMOS管Mnici柵端均與時序控制電路5的第十輸出信號RESET連接，該RESET 信號為高電平時，第八NMOS管Mn8導通，積分器16的輸入端和輸出端短接處於復位狀態，反之，積分器16處於正常積分工作狀態；第九NMOS管Mn9的柵端與時序控制電路5的第二輸出信號CTRL2連接，當時序控制電路5的第二輸出信號CTRL2為高電平時，第九NMOS管Mn9 導通，第二電容C2和第三電容C3並聯後作為積分器16的積分電容，反之，第三電容C3作為積分器16的積分電容。本發明的效果可以通過以下仿真進一步說明仿真1 在溫度為25°C，對環境噪聲濾除前背景光照度分別為Olx、1001x、lk lx、 4k Ix和環境噪聲濾除後背景光照度分別為1001x、lk Ix和4k Ix的條件下，仿真本發明的接近檢測輸出與距離的關係，仿真結果如圖8。從圖8可以看出環境噪聲濾除前，背景光照度到達Ik Ix時，接近檢測輸出不會隨距離變化而變化，無法檢測物體的接近程度，環境噪聲濾除後，在不同背景光照條件下的接近檢測輸出與背景光照度為Olx條件下的接近檢測輸出相比誤差小於1%，從而說明本發明的接近檢測輸出不受背景光照度變化的影響，在強背景光下仍能準確檢測物體的接近程度。
仿真2 在無背景光照時，對環境噪聲濾除前溫度分別為25°C、45°C、65°C、85°C和環境噪聲濾除後溫度分別為45°C、65°C、85°C的條件下，仿真本發明的接近檢測輸出與距離的關係，仿真結果如圖9。從圖9可以看出環境噪聲濾除前，隨著溫度的升高，可以檢測的距離範圍減小，尤其是溫度為85°C時接近檢測輸出不會隨距離變化而變化，無法檢測物體的接近程度，環境噪聲濾除後，在不同溫度條件下的接近檢測輸出與溫度為25°C條件下的接近檢測輸出相比，誤差小於1%，從而說明本發明的接近檢測輸出不受溫度變化的影響， 在高溫下仍能準確檢測物體的接近程度。以上僅是本發明的一個最佳實例，不構成對本發明的任何限制，顯然在本發明的構思下，可以對其電路進行不同的變更與改進，但這些均在本發明的保護之列。
權利要求
1.一種抑制環境噪聲的紅外接近傳感器，包括光電二極體電路(1)、紅外發光二極體 O)、模數轉換電路(3)、數據存儲電路G)、時序控制電路(5)、基準電壓產生電路(9)和基準電流產生電路(10)，其特徵在於所述紅外發光二極體O)的陽極連接有紅外發光二極體驅動電路⑴)，用於驅動紅外發光二極體( 分時段發射紅外光；所述光電二極體電路(1)與模數轉換電路C3)之間連接有電流控制電路(7)，用於對光電二極體電路(1)的輸出電流採樣；所述模數轉換電路(3)的輸出端與數據存儲電路的輸入端連接有數模轉換電路 (8)，用於將模數轉換電路(3)的輸出轉換為輸出電流後反饋到模數轉換電路(3)的輸入端；所述基準電壓產生電路(9)的輸出端分別與光電二極體電路⑴、模數轉換電路(3)和電流控制電路(7)的電壓輸入端連接，為其提供基準電壓；所述基準電流產生電路(10)的輸出端分別與光電二極體電路⑴和電流控制電路(7) 的電流輸入端連接，為其提供基準電流；所述時序控制電路( 分別與模數轉換電路(3)、數據存儲電路G)、紅外發光二極體驅動電路(6)和電流控制電路(7)的輸入端連接，為它們提供不同的時序控制信號，以在檢測過程中濾除環境噪聲。
2.根據權利要求1所述的紅外接近傳感器，其特徵在於光電二極體電路(1)，主要由光電二極體、誤差放大器EA、五個匪OS管Mni Mn5和電阻隊組成；第一匪OS管Mni、第二匪OS 管Mn2、第三NMOS管Mn3和第四NMOS管Mn4構成共源共柵電流鏡，該電流鏡的輸入電流由第一基準電流Ikefi提供，輸出電流為/D =^Zrefi ；第五NMOS管Mn5的柵極與誤差放大器EA的輸出端連接，源極通過電阻R1分別與誤差放大器EA的反相輸入端、電流鏡輸出和光電二極體的陰極連接，通過第五NMOS管Mn5和電阻R1將誤差放大器EA的輸出反饋到誤差放大器 EA的輸入端，保證誤差放大器EA的兩個輸入端電壓相等，從而為光電二極體提供穩定的反向偏置電壓。
3.根據權利要求1所述的紅外接近傳感器，其特徵在於電流控制電路(7)，主要由第一開關電路(11)、電流選擇電路(12)、第二開關電路(13)、第三開關電路(14)和穩壓電路(1 組成；第一開關電路(11)的電流輸入端與控制端分別與第二基準電流Ikef2和時序控制電路(5)的第一輸出信號CTRLl連接，它輸出兩路電流I1和12，電流I1與第三基準電流Ikef3相加後輸出為I3流入到電流選擇電路(12)的電流輸入端，電流I2流入到穩壓電路(15)的電壓輸出端；電流選擇電路(12)的控制端與時序控制電路(5)的第二輸出信號 CTRL2連接，它輸出兩路電流14和15，電流I4流入到第二開關電路(13)的電流輸入端，電流 I5流入到穩壓電路(15)的電壓輸出端；第二開關電路(13)的控制端與模數轉換電路(3) 的第一輸出信號Q_EN連接，它輸出兩路電流I6和Ikef，第三開關電路(14)的控制端與時序控制電路(5)的第三輸出信號SenSe_EN連接，它輸出兩路電流17和Ix，電流16和I7均流入穩壓電路(15)的電壓輸出端，電流Ikef和Ix相減後輸出電流I0到模數轉換電路(3)。
4.根據權利要求3所述的紅外接近傳感器，其特徵在於所述第一開關電路(11)由第一觸發器RSl和兩個PMOS管Mpi Mp2組成；第一觸發器RSl的輸入端與時序控制電路(5)的第一輸出信號CTRLl連接，它產生兩個互補輸出信號分別與兩個PMOS管的柵極連接，兩個PMOS管的源極均與第二基準電流Ikef2連接，兩個PMOS管的漏極分別輸出電流I1和12。
5.根據權利要求3所述的紅外接近傳感器，其特徵在於所述電流選擇電路(1 由第一反相器INV1和四個PMOS管Mp3 Mre組成；時序控制電路(5)的第二輸出信號CTRL2分別與第四PMOS管Mp4和第六PMOS管Mpe的柵極以及第一反相器INV1的輸入端連接，第一反相器INV1的輸出分別與第三PMOS管Mp3和第五PMOS管Mp5的柵極連接，第三PMOS管Mp3與第四PMOS管Mp4的源極均與電流I3端連接，第五PMOS管Mp5與第六PMOS管Mre的源極均第四基準電流Ikef4連接，第三PMOS管Mp3與第六PMOS管Mre的漏極連接輸出電流14，第四PMOS 管Mp4與第五PMOS管Mp5的漏極連接輸出電流15。
6.根據權利要求1所述的紅外接近傳感器，其特徵在於模數轉換電路(3)，主要由積分器(16)、比較器C0MP、觸發器DFF、異或門M)R、計數器、第一與門AND1、第二與門AND2、或非門NOR、第一寄存器8bit_REG和第二寄存器7bit_REG組成；電流控制電路(7)的輸出電流I。與數模轉換電路⑶的輸出電流、相加後輸出電路Γ到積分器(16)的輸入端，積分器(16)將電流信號Γ轉換為電壓信號V'與比較器COMP的正相輸入端連接，比較器COMP 將該電壓信號V'與它的反相輸入端連接的第二基準電壓VREF2進行比較輸出高/低電平連接到觸發器DFF的數據輸入端D ；觸發器DFF的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路(5)的第四輸出信號CLK和第五輸出信號CLRl連接，它的輸出與異或門XOR的第一輸入端連接；第一與門ANDl的兩個輸入端分別與觸發器DFF的輸出端Q和時序控制電路(5)的第四輸出信號CLK連接，產生第一輸出信號Q_EN;異或門XOR的第二輸入端和計數器的加減模式設置端SET均與時序控制電路(5)的第六輸出信號M0DE_SET連接，異或門 XOR的輸出端與計數器的數據輸入端D連接，以使計數器進行加計數或減計數；計數器的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路(5)的第四輸出信號CLK和第五輸出信號 CLRl連接，它產生的數據信號分別輸入到第一寄存器8bit_REG、第二寄存器7bit_REG和或非門NOR ；第二寄存器7bit_REG的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路(5) 的第七輸出信號REG_CLK2和第八輸出信號CLR2連接，它的輸出端與數模轉換電路⑶的輸入端連接，用於進行數模轉換，同時它的輸出通過第二與門AND2輸入到或非門NOR ；第一寄存器8bit_REG的時鐘輸入端elk和清零端clr分別與時序控制電路(5)的第九輸出信號REG_CLK1和第八輸出信號CLR2連接，輸出數據到數據存儲電路(4)。
7.根據權利要求6所述的紅外接近傳感器，其特徵在於所述的積分器(16)，主要由三個NMOS管Mn8-Mnici,四個電容C2-C5和第二跨導運算放大器0TA2組成，第二跨導運算放大器 0TA2的正相輸入端與第二基準電壓VREF2連接，第八NMOS管Mn8和第二電容C2的兩端分別與第二跨導運算放大器0TA2的反相輸入端和輸出端連接，第三電容C3和第九NMOS管Mn9串聯後分別與第二跨導運算放大器0TA2的反相輸入端和輸出端連接；第二跨導運算放大器 0TA2的輸出端分別與第四電容C4和第五電容C5的一端連接，第四電容C4的另一端連接到地，第五電容C5通過第十NMOS管Mnici連接到地；第八NMOS關Mm和第十NMOS管Mnici柵端均與時序控制電路(5)的第十輸出信號RESET連接，第九NMOS管Mn9的柵端與時序控制電路 (5)的第二輸出信號CTRL2連接。
8.根據權利要求1所述的紅外接近傳感器，其特徵在於所述的紅外發光二極體驅動電路(6)，它的控制端與時序控制電路(5)的第十二輸出信號IR_EN連接，輸出脈衝電流信號到紅外發光二極體O)，以使紅外發光二極體( 分時段發射紅外光線。
全文摘要
本發明公開了一種抑制環境噪聲的紅外接近傳感器，主要解決現有技術抑制環境噪聲差，在強背景光與高溫條件下檢錯率高的問題。它包括光電二極體電路、紅外發光二極體、電流控制電路、模數轉換電路、數模轉換電路、時序控制電路和數據存儲電路，其中，光電二極體電路將檢測的光信號轉換為電流信號經過電流控制電路輸出到模數轉換電路，數模轉換電路將模數轉換電路的輸出轉換為電流信號後反饋到模數轉換電路的輸入端，模數轉換電路的輸出通過數據存儲電路送入到外部微處理器，時序控制電路為所有電路提供時序控制信號。本發明濾除環境噪聲效果好，在強背景光與高溫環境中能準確檢測物體的接近程度，可應用於電子產品的智能控制。
文檔編號G01D5/40GK102353395SQ201110173838
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月26日 優先權日2011年6月26日
發明者何惠森, 劉玉芳, 史凌峰, 李亞軍, 來新泉 申請人:西安電子科技大學