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    一種雙模式讀取電路，適用於讀取一電流型感測器所產生的一感測電流。該雙模式讀取電路包含一電容式轉阻放大器、一取樣保持器及一切換器。該電容式轉阻放大器包括一用以將感測電流轉為一積分電壓的積分電容、一第一電晶體及一第二電晶體。該取樣保持器用於對積分電容之電壓進行取樣保持並提供一輸出電壓，該切換器電連接於該電容式轉阻放大器。該雙模式讀取電路藉由該切換器操作於第一模式及第二模式，分別用於讀取兩種不同類型的感測器，針對該感測器的類型而調整適合的電路讀取模式。
    公开号:TW201317993A
    申请号:TW100139373
    申请日:2011-10-28
    公开日:2013-05-01
    发明作者:Tai-Ping Sun；Yi-Ting Liu；Yi-Quan Lv
    申请人:Univ Nat Chi Nan；
    IPC主号:H03F3-00
    专利说明:
    雙模式讀取裝置及電路
    本發明是有關於一種電路，特別是指一種雙模式讀取裝置及電路。
    參閱圖1，於美國專利US6121843中，揭露一種習知的讀取電路1。該讀取電路1用於讀取一光感測器D的感測電流，並輸出一正比於該感測電流大小的輸出電壓。
    該光感測器D是一光電轉換二極體D，且具有一接收一參考偏壓COM的陰極，及一陽極。該光感測器D在感應到光信號(如紅外線信號)時會據以產生該大小相關於該光信號之強度的感測電流。
    該讀取電路1具有一電晶體M1、一第一電容C1、一第二電容C2、一第三電容C3、一第一開關SW1、一第二開關SW2及一第三開關SW3。
    該電晶體M1具有一電連接至光電轉換二極體D之陽極的閘極、一汲極及一源極。該第一電容C1電連接於該電晶體M1的閘極與汲極之間，該第二電容C2電連接於該電晶體M1之源極與一接地電位之間，而該第三電容C3電連接於該電晶體M1之汲極與該接地電位之間。該第三電容C3與第二電容C2之電容值的比例即為讀取電路1的開迴路增益。該感測電流將對該第一電容C1進行充電，並轉換成一正比於該感測電流大小與積分時間的積分電壓。
    該第一開關SW1具有一接收一第一電壓VDD的第一端，及一電連接至該電晶體M1之汲極的第二端，且受控制使其第一及第二端於導通與不導通之間切換。該第二開關SW2具有一接收一重置電壓VRESET的第一端，及一電連接至該電晶體M1之閘極與該光感測器D的陽極的第二端，且受控制使其第一及第二端於導通與不導通之間切換。
    第三開關SW3具有一電連接於該電晶體M1之汲極的第一端及一提供該輸出電壓VOUT的第二端。又重置讀取電路1的該等開關SW1~SWS3時序操作可參閱US6121843，故不重述。
    然而一般情況下，光感測器D可為順偏壓(N-on-P)類型感測器或逆偏壓(P-on-N)類型感測器，兩者的參考偏壓COM大小及感測電流方向皆不同。如圖中讀取電路1可適用的感測器D僅能讀取來自該順偏壓(N-on-P)類型感測器之感測電流，無法讀取來自該逆偏壓(P-on-N)類型感測器之感測電流，因此習知的讀取電路1不具有讀取二種偏壓類型感測器之功能。
    因此，本發明之目的，即在提供一種可以讀取兩種偏壓類型感測器的雙模式讀取電路。
    本發明之另一目的，在提供一種可以讀取兩種偏壓類型感測器的雙模式讀取裝置。
    於是，本發明雙模式讀取電路，適用於讀取一感測器所產生的一感測電流。該雙模式讀取電路包含一電容式轉阻放大器、一取樣保持器及一切換器。
    該電容式轉阻放大器包括一積分電容、一第一電晶體及一第二電晶體。該積分電容具有一電連接到該感測器以接收該感測電流的第一端及一第二端。該第一電晶體具有一電連接到一第一電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端。該第二電晶體具有一電連接到一第二電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端。
    該取樣保持器電連接到該積分電容的第二端，且對該積分電容之第二端的電壓進行取樣及保持。該切換器電連接到該第一電晶體的控制端、該第二電晶體的控制端、該積分電容的第一端、一第三電壓源及一第四電壓源。
    該雙模式讀取電路在一第一模式及一第二模式之間切換。在該第一模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端，且將該第二電晶體的控制端電連接到該第四電壓源。在該第二模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該第三電壓源，且將該第二電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端。
    本發明雙模式讀取裝置，包含前述之雙模式讀取電路及二種不同偏壓類型的感測器，每一感測器可產生一感測電流。
    本發明之功效在於，該雙模式讀取電路及裝置藉由該切換器操作於第一模式及第二模式，可分別用於讀取兩種不同偏壓類型的感測器。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
    參閱圖2，本發明雙模式讀取裝置之較佳實施例，包含二種不同偏壓類型的感測器D1、D2，及一雙模式讀取電路5。
    於本較佳實施例中，該等感測器D1、D2為紅外線感測器，於感應到紅外線後，將產生相對應大小的光電流。其中，感測器D1為一逆偏壓類型感測器，而感測器D2為一順偏壓類型感測器。該感測器D1具有一電連接於一逆參考偏壓COMPN的陰極，及一提供感測電流輸出的陽極。該感測器D2具有一電連接於一順參考偏壓COMNP的陰極，及一提供感測電流輸出的陽極。該等感測器D1、D2亦可為其他電流型感測器元件，例如感測不同種類生物離子的生物感測器，根據所對應的生物離子產生一大小正比於該生物離子之濃度的感測電流。
    該雙模式讀取電路5，電連接於該二種不同偏壓類型的感測器D1、D2，且可切換地讀取該二感測器D1、D2其中之一所產生的該感測電流，且該雙模式讀取電路5包含一電容式轉阻放大器3、一取樣保持器4及一切換器2。
    該電容式轉阻放大器3包括一積分電容33、一積分重設開關34、一第一電晶體31及一第二電晶體32。該積分電容33具有一電連接到該感測器D1(或D2)之陽極以接收該感測電流的第一端及一第二端。該積分重設開關34並聯於該積分電容33，且受控制而於導通或不導通之間切換，並於導通時將該積分電容33所儲存的電荷清除。該第一電晶體31具有一電連接到一第一電壓源V1的第一端、一電連接到該積分電容33之第二端的第二端，及一控制端。該第二電晶體32具有一電連接到一第二電壓源V2的第一端、一電連接到該積分電容33之第二端的第二端，及一控制端。於本較佳實施例中，該第一電晶體為一P型場效電晶體，且該第一電晶體之第一端、第二端、控制端分別是源極、汲極、閘極，而該第二電晶體為一N型場效電晶體，且該第二電晶體之第一端、第二端、控制端分別是源極、汲極、閘極。該第二電壓源V2可提供共同接地或其他固定的電位。
    該取樣保持器4用於對該積分電容33之第二端的電壓進行取樣及保持。該取樣保持器4包括一取樣開關41、一保持電容42、一保持重設開關43及一輸出開關44。該取樣開關41具有一電連接到該積分電容33之第二端的第一端及一第二端。該保持電容42與該取樣開關41串聯，且具有一電連接到該取樣開關41的第二端的第一端，及一電連接到該第二電壓源V2的第二端。該保持重設開關43並聯於該保持電容42，且受控制而於導通或不導通之間切換，並於導通時將該保持電容42所儲存的電荷清除。該輸出開關44具有一電連接到該取樣開關41的第二端的第一端，及一提供該輸出電壓VOUT的第二端，且受控制而於導通或不導通之間切換。
    該切換器2具有一第一開關21、一第二開關22、一第三開關23及一第四開關24。該第一開關21具有一電連接到一第三電壓源V3的第一端及一第二端。該第二開關22具有一電連接到該第一開關21的第二端的第一端及一電連接到該積分電容33的第一端的第二端。該第一開關21與該第二開關22之間的共同接點電連接到該第一電晶體31的控制端。該第三開關23具有一電連接到該第四電壓源V4的第一端及一第二端，該第四開關24具有一電連接到該第三開關23的第二端的第一端及一電連接到該積分電容33的第一端的第二端。該第三開關23與該第四開關24之間的共同接點電連接到該第二電晶體32的控制端。
    本較佳實施例在一第一模式及一第二模式之間切換，針對該感測器D1及D2的其一之輸入而調整適合的電路讀取模式。操作於第一模式時，適用於讀取逆偏壓類型感測器D1，而操作於第二模式時，適用於讀取順偏壓類型感測器D2。
    參閱圖3及圖5，操作於第一模式時，該第二開關22及該第三開關23導通，該第一開關21及該第四開關24不導通(不導通之開關未標示於圖上)。因此該切換器2將該第一電晶體31的控制端電連接到該積分電容33的第一端，且將該第二電晶體32的控制端電連接到該第四電壓源V4。該第一電晶體31的控制端電位為固定，該第二電晶體32被操作為一主動負載以提供一電流路徑。於讀取該感測電流前，積分電容33上之殘存電荷已預先經由導通該積分重設開關34一段時間而清除，因此於讀取動作開始時，該積分電容33之第一端及第二端電位為相同。此時感測電流朝向圖中之A方向，感測電流將會對積分電容33充電，導致該積分電容33之第二端的電位下降。該積分電容33之第二端的電位下降之值等同該積分電容33之二端的跨壓，也就是積分電壓Vint，如式(一)所示：
    其中，參數Cint是該積分電容值，I(t)為感測電流，參數t為設定之積分時間。
    積分一段時間後，該取樣開關41導通一取樣時間並且對該積分電壓進行取樣。當取樣開關41導通時，該第一電晶體31將會提供電流對保持電容42充電，使得保持電容42的第一端電位在短時間內提升至積分電容33的第二端相同之電位，而使該保持電容42的二端跨壓等同於該積分電壓。接著，取樣完之後將取樣開關41轉為不導通，而積分重設開關34轉為導通一預設時間以執行積分電容33重置的動作。之後該輸出開關44導通並提供該輸出電壓VOUT，接著，該保持重設開關43導通一清除取樣時間以清除保持電容42的跨壓。
    參閱圖4及圖6，操作於第二模式時，該第一開關21及該第四開關24導通，該第二開關22及該第三開關23不導通(不導通之開關未標示於圖上)。因此該切換器2將該第一電晶體31的控制端電連接到該第三電壓源V3，且將該第二電晶體32的控制端電連接到該積分電容33的第一端。該第二電晶體32的控制端電位為固定，該第一電晶體31被操作為一主動負載以提供一電流路徑。於讀取該感測電流前，積分電容33上之殘存電荷已預先經由導通該積分重設開關34一段時間而清除，因此於讀取動作開始時，該積分電容33之第一端及第二端電位為相同。此時感測電流朝向圖中之B方向，感測電流將會對積分電容33充電，導致該積分電容33之第二端的電位上升，電位上升之值將依據式(一)所示。
    積分一段時間後，該取樣開關41、積分重設開關34、輸出開關44及保持重設開關43將依上述第一模式之方式依序動作。該第一模式及第二模式的操作是各自獨立的，所以各自的週期下都將會完成完整的讀取動作，且第一模式及第二模式的週期不重疊。
    一般直接注入式讀取電路之取樣電壓是積分電容33和保持電容42分享電荷的結果。本較佳實施例利用電容式轉阻放大器3，讀取電路之取樣電壓是根據當下的積分電壓而去對保持電容42充電，使得積分電壓可以直接反映在輸出電壓VOUT上，而不需要再經過分壓。而這種電壓取樣方式的好處是積分電容33及保持電容42的大小不需要太大，因此電路的面積可以減少很多。而且由於保持電容42和積分電容33不需要再進行電荷分配而使得訊號電壓下降，因此電容式轉阻放大器讀取電路比直接注入式讀取電路擁有更大的動態範圍。
    本發明之雙模式讀取電路即為上述之雙模式讀取電路5。
    綜上所述，上述實施例操作於第一模式時，適用於讀取逆偏壓類型感測器D1，而操作於第二模式時，適用於讀取順偏壓類型感測器D2，故確實能達成本發明之目的。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
    1．．．讀取電路
    D1．．．感測器
    D2．．．感測器
    2．．．取樣保持器
    21．．．第一開關
    22．．．第二開關
    23．．．第三開關
    24．．．第四開關
    3．．．電容式轉阻放大器
    31．．．第一電晶體
    32．．．第二電晶體
    33．．．積分電容
    34．．．積分重設開關
    4．．．取樣保持器
    41．．．取樣開關
    42．．．保持電容
    43．．．保持重設開關
    44．．．輸出開關
    5．．．雙模式讀取電路
    V1．．．第一電壓源
    V2．．．第二電壓源
    V3．．．第三電壓源
    V4．．．第四電壓源
    圖1是一種習知紅外線讀取裝置的電路圖；
    圖2是本發明雙模式讀取電路之較佳實施例的電路圖；
    圖3是該較佳實施例操作於一第一模式下的電路圖；
    圖4是該較佳實施例操作於一第二模式下的電路圖；
    圖5是該較佳實施例操作於該第一模式下的時序圖；及
    圖6是該較佳實施例操作於該第二模式下的時序圖。
    D1．．．感測器
    D2．．．感測器
    2．．．取樣保持器
    21．．．第一開關
    22．．．第二開關
    23．．．第三開關
    24．．．第四開關
    3．．．電容式轉阻放大器
    31．．．第一電晶體
    32．．．第二電晶體
    33．．．積分電容
    34．．．積分重設開關
    4．．．取樣保持器
    41．．．取樣開關
    42．．．保持電容
    43．．．保持重設開關
    44．．．輸出開關
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種雙模式讀取電路，適用於讀取一感測器所產生的一感測電流，該雙模式讀取電路包含：一電容式轉阻放大器，包括：一積分電容，具有一電連接到該感測器以接收該感測電流的第一端，及一第二端；一第一電晶體，具有一電連接到一第一電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端；及一第二電晶體，具有一電連接到一第二電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端；一取樣保持器，電連接到該積分電容的第二端，且對該積分電容之第二端的電壓進行取樣及保持；及一切換器，電連接到該第一電晶體的控制端、該第二電晶體的控制端、該積分電容的第一端、一第三電壓源及一第四電壓源；該雙模式讀取電路在一第一模式及一第二模式之間切換，在該第一模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端，且將該第二電晶體的控制端電連接到該第四電壓源，在該第二模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該第三電壓源，且將該第二電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端。
    [2] 根據申請專利範圍第1項所述之雙模式讀取電路，其中，該切換器包括：串聯的一第一開關與一第二開關，該第一開關電連接到該第三電壓源，該第二開關電連接到該積分電容的第一端，該第一開關與該第二開關之間的一共同接點電連接到該第一電晶體的控制端；及串聯的一第三開關與一第四開關，該第三開關電連接到該第四電壓源，該第四開關電連接到該積分電容的第一端，該第三開關與該第四開關之間的一共同接點電連接到該第二電晶體的控制端；在該第一模式中，該第二開關及該第三開關導通，該第一開關及該第四開關不導通，在該第二模式中，該第一開關及該第四開關導通，該第二開關及該第三開關不導通。
    [3] 根據申請專利範圍第1項所述之雙模式讀取電路，其中，該第一電晶體為一P型場效電晶體，該第一電晶體的第一端是源極，該第一電晶體的第二端是汲極，該第一電晶體的控制端是閘極，而該第二電晶體為一N型場效電晶體，該第二電晶體的第一端是源極，該第二電晶體的第二端是汲極，該第二電晶體的控制端是閘極。
    [4] 根據申請專利範圍第1項所述之雙模式讀取電路，其中，該電容式轉阻放大器還包括一與該積分電容並聯的積分重設開關。
    [5] 根據申請專利範圍第1項所述之雙模式讀取電路，其中，該取樣保持器包括：串聯的一取樣開關及一保持電容，該取樣開關電連接到該積分電容的第二端，該保持電容電連接到該第二電壓源。
    [6] 根據申請專利範圍第5項所述之雙模式讀取電路，其中，該取樣保持器還包括：一保持重設開關，並聯於該保持電容。
    [7] 根據申請專利範圍第5項所述之雙模式讀取電路，其中，該取樣保持器還包括：一輸出開關，電連接到該取樣開關與該保持電容之間的一共同接點。
    [8] 一種雙模式讀取裝置，包含：二種不同偏壓類型的感測器，每一感測器可產生一感測電流；一電容式轉阻放大器，包括：一積分電容，具有一電連接到該二感測器以接收該二感測器其中之一所產生的該感測電流的第一端，及一第二端；一與該積分電容並聯的積分重設開關；一第一電晶體，具有一電連接到一第一電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端；及一第二電晶體，具有一電連接到一第二電壓源的第一端、一電連接到該積分電容之第二端的第二端，及一控制端；一取樣保持器，電連接到該積分電容的第二端，且對該積分電容之第二端的電壓進行取樣及保持；及一切換器，電連接到該第一電晶體的控制端、該第二電晶體的控制端、該積分電容的第一端、一第三電壓源及一第四電壓源；該雙模式讀取裝置在一第一模式及一第二模式之間切換，在該第一模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端，且將該第二電晶體的控制端電連接到該第四電壓源，在該第二模式中，該切換器將該第一電晶體的控制端電連接到該第三電壓源，且將該第二電晶體的控制端電連接到該積分電容的第一端。
    [9] 根據申請專利範圍第8項所述之雙模式讀取裝置，其中，該切換器包括：串聯的一第一開關與一第二開關，該第一開關電連接到該第三電壓源，該第二開關電連接到該積分電容的第一端，該第一開關與該第二開關之間的一共同接點電連接到該第一電晶體的控制端；及串聯的一第三開關與一第四開關，該第三開關電連接到該第四電壓源，該第四開關電連接到該積分電容的第一端，該第三開關與該第四開關之間的一共同接點電連接到該第二電晶體的控制端；在該第一模式中，該第二開關及該第三開關導通，該第一開關及該第四開關不導通，在該第二模式中，該第一開關及該第四開關導通，該第二開關及該第三開關不導通。
    [10] 根據申請專利範圍第9項所述之雙模式讀取電路，其中，該取樣保持器包括：一取樣開關，電連接到該積分電容的第二端；一保持電容，與該取樣開關串聯，並電連接到該第二電壓源；一保持重設開關，並聯於該保持電容；及一輸出開關，電連接到該取樣開關與該保持電容之間的一共同接點。
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    法律状态:
    2019-11-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    US13/443,315| US9006638B2|2011-10-28|2012-04-10|Dual-mode capacitive transimpedance amplifier, and read-out device incorporating the same|
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