【摘 要】
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电子信息产业的迅速崛起促进了基于光电探测器件的光电传感器发展。环境光传感器和接近传感器芯片被广泛应用于消费电子、工业、医疗等设备,提供了诸多智能化控制。然而,随着芯片应用场景的扩大,将环境光传感器和接近传感器集成到一个芯片中以实现芯片面积最小化和功耗最低化的方式成为了环境光传感器和接近传感器的研究热潮。本论文对环境光传感器动态范围、暗电流抑制、红外接近传感器中背景光抑制等关键技术进行研究,基于3.
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电子信息产业的迅速崛起促进了基于光电探测器件的光电传感器发展。环境光传感器和接近传感器芯片被广泛应用于消费电子、工业、医疗等设备,提供了诸多智能化控制。然而,随着芯片应用场景的扩大,将环境光传感器和接近传感器集成到一个芯片中以实现芯片面积最小化和功耗最低化的方式成为了环境光传感器和接近传感器的研究热潮。本论文对环境光传感器动态范围、暗电流抑制、红外接近传感器中背景光抑制等关键技术进行研究,基于3.3V 0.35um 2P4M CMOS工艺设计了一款集成环境光传感器和接近传感器芯片,主要研究内容及创新点如下:1.设计了可变量程的环境光传感器。设计高精度光电检测电路以及环境光动态范围调节方案实现环境光传感器量程的调节,环境光传感器系统支持最大32K Lux的环境光照度检测。利用宽带光电二极管与校准二极管产生的电流相减,消除与温度呈指数增长的暗电流的同时提高环境光传感器对红外光的抑制性能。2.设计了两步式背景光抑制方案。在分析了背景光对接近度转换精度的影响后,设计了一种通过控制LED脉冲光的导通时序,将两次由光电二极管PS＿PD阵列产生的光电流相减的滤噪思路,可以借用环境光检测通道对背景光噪声进行扣除,提高接近传感器信噪比的同时节省了芯片面积,实现最大25cm的接近检测。3.设计了高精度的光电检测电路。利用动态元件匹配技术降低电流镜失配的影响,提高暗电流滤除的精度。同时,为了验证所提出的关键技术,设计并搭建了芯片系统框架及功能模块,拟定了芯片功能及主要电特性参数,为子模块的电路结构设计提供指标参考。4.设计了二合一传感器的关键子模块,包括带隙基准电路、振荡器电路、光电流转换电路及LED驱动电路。设计的带隙基准温漂为10.7ppm/℃,振荡器频率为5.25MHz,为其他模块产生精确的电压及时钟信号。设计了可编程导通时间及驱动电流的IR LED驱动电路,驱动电流大小100m A或200m A可选。本文设计的集成环境光传感器和接近传感器芯片,可以使用两个独立的转换通道同时测量环境光强和接近度,并设计灵活的环境光量程调节方案旨在将环境光传感器的光灵敏度范围利用至最高。芯片电源电压工作范围为2.3V～3.6V,工作环境温度区间为-40°C～85°C,环境光及接近检测功能都开启时的工作电流为110μA,最后基于Cadence平台完成了芯片的整体仿真及版图设计,芯片面积大小为1.4mm×0.76mm。
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