一种0.86 mW、17 fA/√Hz、129 dB动态范围的电流感应前端电路，用于显示屏下环境光传感器，采用无需补偿的对数型TIA（Transimpedance Amplifier）技术

《IEEE Solid-State Circuits Letters》：A 0.86 mW 17 fA/√Hz, 129-dB DR Current-Sensing Front-End for Under-Display Ambient Light Sensor With Zero-Compensated Logarithmic TIA

低噪声低功耗脉冲干扰抑制型环境光传感器前置放大电路设计，采用带自动跟踪零点补偿的对数跨阻放大器架构，在0.18μm CMOS工艺下实现0.6pA RMS输入噪声和129dB动态范围，通过增量Delta-Sigma调制器实现9位量化，总功耗0.86mW。

　　

摘要：

本文介绍了一种低噪声、高能效且具有抗脉冲干扰稳定性的光电流读出电路，适用于显示屏下方的环境光传感器（ALS）。为了同时实现皮安级别的输入噪声和七个数量级的输入电流动态范围（DR），该电路将采用带有二极管连接MOS反馈的对数跨阻放大器（TIA）作为ALS的第一级。TIA放大器中实现的自动零点跟踪功能提升了相位裕度，并在无需额外功耗的情况下减少了脉冲干扰对系统稳定性的影响。TIA的输出信号随后由一级9位增量式δ-σ调制器进行量化。该ALS采用标准的0.18微米CMOS工艺制造，在400微秒的读出时间内，其输入参考电流噪声达到了0.6 pA/s的业界最佳水平。其总输入范围为1.7 pA至5 μP，对应的动态范围为129 dB，在1.8伏电源供电下功耗仅为0.86毫瓦。

引言

移动设备中的环境光传感器（ALS）通过光电二极管（PD）检测环境亮度，并据此调整显示屏亮度以减轻眼睛疲劳。为了提升显示体验，全屏显示手机通常将整个ALS模块置于显示屏下方[图1(a)]。然而，这种布局给ALS设计带来了三个主要挑战：首先，显示屏的覆盖会降低输入光电流的强度；其次，显示屏的脉宽调制（PWM）调光方式会在环境光中引入1–2 kHz的脉冲成分[图1(a)]，这会干扰光电流的准确测量；最后，为提高光检测灵敏度而增加的光电二极管面积会导致较大的寄生电容（>50 pF），这不仅会恶化高频下的电流噪声性能，还会对AFE的稳定性提出更高要求，尤其是在输入信号包含高频脉冲成分时。图1.

显示屏下方的ALS结构：(a) 应用场景；(b) DSM中的复位噪声；(c) 电流传输电路中的偏置噪声；(d) TIA的稳定性问题。