[发明专利]用于物联网的自供电高性能光频传感器

说明书

本发明公开了一种用于物联网的自供电高性能光频传感器；其特征在于：包括能量采集系统、电源管理电路以及光频传感器核心电路；本发明针对传统的光频传感器功耗高，不适用于物联网的问题，特别是在低光照以及高温度条件下，性能明显退化的缺点，创造性的提出了能用于物联网的自供电低功耗高性能光频传感器，在保证高性能的同时实现了用于物联网的需求，解决了电池供电光频传感器用于物联网的瓶颈问题。

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体来讲是一种用于物联网的自供电低功耗、高动态范围光频传感器。

背景技术

光频传感器广泛用于数据采集，工业控制，环境监测等应用中，但是目前能用于物联网中的光频传感器非常少，因为要用于物联网中，必须对传感器有低功耗，小体积严苛要求。加上电池寿命有限，更换电池成本较高，传统的电池供电成为光频传感器用于物联网的一个瓶颈。而收集环境光能量并转化为电能为光频传感器节点供电成为一种有效的方式，可以让光频传感器更适用于物联网中。

传统的光频传感器有一些不足之处，使之难以用于物联网中；

第一个问题是在低光照高温时，性能表现不佳，主要由于高温和低光照时，光电二极管的暗电流急剧扩大，严重影响了光频传感器的动态线性响应范围。

第二个不足是为了提高性能，往往电路结构复杂，功耗过高，不适合低功耗物联网使用。比如为了减小暗电流，不少光频传感器采用图1中结构，做为光电流采集前端电路，虽然在理想情况下，可以将光电二极管的反偏电压限制为0，从而降低暗电流，但是实际上由于运放的失调电压影响，还是会存在暗电流，除非采用先进技术，比如斩波稳零技术或者共模反馈技术来设计一个非常低失调电压的运放，但是增加电路的复杂性，增大了功耗，不适合自供电的低功耗应用场景。

第三个缺点是面积过大，导致成本升高。工业界许多产品采用暗电流抵消技术，如图2中的结构，它的工作原理如下：采用两组光电二极管PD_1和PD_2，PD_2用来检测环境光产生电流I₁，I₁中其实包含两部分电流一个是与光照成正比的电流I_light，另一部分就是自身的暗电流I’_dark。被金属覆盖的PD_1用于产生暗电流I_dark，暗电流I_dark被PMOS管M₁和M₂镜像生成I_{dark_r}，在A点根据基尔霍夫电流定律可以得到：

I₁-I_{dark_r}＝I_{2_r} (公式1)

I_light+I’_dark-I_{dark_r}＝I_{2_r} (公式2)

如果两组光电二极管的面积一样，它们的暗电流大小理想情况下也是一样，当M₁与M₂的宽长比是一致的，则I’_dark＝I_{dark_r}

因此，公式2可以改写为：

Ilight＝I2_r (公式3)

这样光电二极管PD_2自身存在的暗电流I’_dark就被抵消掉了。再把I_{2_r}复制成I₂提供给后面的电流频率转化电路，这样检测到的电流I₂中就可以消除暗电流的影响。但是它的缺点就是多采用了一组光电二极管PD_1，严重增大了面积。而且在低光照，高温时，性能也会受到很大影响。

发明内容