光电式位置检测元件的位置信号转换成频率的方法及装置 本发明涉及一种能将位置信号转换成频率的方法及装置，特别是涉及一种使用光电式位置检测元件(position sensitivedetector，PSD)，正电流镜及负电流镜而能将位置信号转换成频率的方法及装置。
在现有技术之显示位置信号的光电系统中，当有光点落于PSD上时，PSD之两输出端将会输出两对应光电流(photocurrent)。图1显示现有技术之计算光点位置之装置与方法。
如图1所示，当有光点落于PSD101上时，PSD101之两输出端X1与X2会分别输出两对应光电流I1与I2。藉由两运算放大器(operational amplifier，OP AMP)102与103可将上述两光电流I1与I2分别转换成两对应电压信号Vx1与Vx2。接着加法器105会处理上述两电压信号Vx1与Vx2而输出一电压信号Vx1+Vx2；而减法器104则处理上述两电压信号Vx1与Vx2而输出另一电压信号Vx1-Vx2；以及除法器106则处理上述电压信号Vx1+Vx2与Vx1-Vx2而输出一电压信号(Vx1-Vx2)/(Vx1+Vx2)，也就是〔(I2-I1)R1/(I2+I1)R1〕。该电压信号(Vx1-Vx2)/(Vx1+Vx2)会经由模拟/数字转换器107(A/D Converter)与单晶片微处理器108(single chipmicroprocessor)而被转换成一对应之位置信号。然后该对应之位置信号便被显示于LCD显示器109上。
然而，对上述之现有技术计算光点位置之装置与方法而言，其具有下列缺点。首先，因为使用了许多电路，如除法器，A/D转换器··等电路而使得该装置显得十分复杂。其次，直流放大器电路本身的直流漂流(drift)信号会影响到其显示之结果。
因此，需要对现有技术计算光点位置之装置与方法提出一种新的方法，并能改善，解决上述之困扰。
本发明之主要目的为提供一种使用PSD，正电流镜及负电流镜，可变式定电流源，及转换电路而能将位置信号转换成频率的方法及装置。
本发明之另一目的为简化现有电路。
本发明之另一目的为提供不受直流放大器电路本身之直流漂流(drift)信号影响的装置与方法。
综合以上目的，本发明因而提供一种使用PSD，正电流镜及负电流镜而能将位置信号转换成频率的方法及装置。图2为本发明之简单方块图。现在请参考图2，使用PSD，正电流镜及负电流镜而能将位置信号转换成频率的装置包括：PSD402，其具有一第一输出端X1，第二输出端X2与电源端Vt，当有一光点落于PSD402上时，第一输出端X1会输出电流值为I1之第一光电流，第二输出端X2会输出电流值为I2之第二光电流；一正电流镜425，其耦合至PSD402之第一输出端X1，其镜像(mirror)上述第一光电流以产生本质上电流值与I1相等之第一镜电流I1m；一负电流镜424，其耦合至上述PSD402之电源端Vt，提供一本质上为上述第一光电流与第二光电流总和之工作电流I0，并产生一本质上电流值与上述工作电流I0相等之第二镜电流I0m；一可变式最佳化定电流源410，其耦合至上述PSD402之第二输出端X2，产生一具有电流值Ib之定电流，其中Ib大于I1与I2之最大值；一转换器427，其耦合至上述PSD402之第二输出端X2，将上述第一镜电流，上述第二光电流，以及上述定电流合成之后转换成频率信号。
图2也简单显示出本发明之方法。使用PSD，正电流镜及负电流镜而能将位置信号转换成频率的方法包括：提供一PSD402，上述PSD402具有一第一输出端X1，第二输出端X2与电源端Vt，当有一光点落于PSD402上时，第一输出端X1会输出电流值为I1之第一光电流，第二输出端X2会输出电流值为I2之第二光电流；提供正电流镜425，其耦合至PSD402之第一输出端X1，其镜像(mirror)上述第一光电流以产生本质上电流值与I1相等之第一镜电流I1m；提供一负电流镜424，其耦合至上述PSD402之电源端Vt与一电源供应器，提供一本质上为上述第一光电流与第二光电流总和之工作电流I0，并产生一本质上电流值与上述工作电流I0相等之第二镜电流I0m；提供一可变式最佳化定电流源410，其耦合至上述PSD402之第二输出端X2，产生一具有电流值Ib之定电流，其中Ib大于I1与I2之最大值；提供一转换器427，其耦合至上述PSD402的上述第二输出端X2，其将一合成电流Ic＝Ib+I2-I1m经由一关系式X＝f＝kIc/VC转换成一频率信号，其中，X为光点之位置信号；f是上述光点之对应信号；k是常数；C为转换器427充放电路径的电容值；以及V为上述电源供应器的电压值。
本发明之装置比起现有技术之装置简易的多，因为计算位置的方法由计算电压信号(Vx2-Vx1)/(Vx2+Vx1)变成计算电流信号Ic＝Ib+I2-I1m。而合成电流与位置信号的频率之间的关系式为X＝f＝kIc/VC。也就是说，如图3所示，不同的位置信号会对应不同的频率信号。如果光点落于PSD之中点的话，对应于I1＝I2之频率被称为中点频率。而如果光点之落点较接近第二输出端X2，则对应于I1＜I2之频率会比中点频率高。而如果光点之落点较接近第一输出端X1，则对应于I1＞I2之频率会比中点频率低。然而，当光点不落于PSD上时，此时会发生I1＝I2的情形。但此情形却类似于当光点落于PSD中点之情形。故本发明利用图2中之负电流镜来辨别光点是否落于PSD之上。
请参考图2，其中，可变式最佳化定电流源410可用于补偿PSD402本身之不平衡暗电流。耦合于PSD402之Vt端之负电流镜提供PSD402所需之工作电流I0与镜电流I0m，其中，镜电流I0m可用于辨识光点是否落于PSD402之上。
与现有技术相比，本发明并不需要除法器与A/D转换器，因此本发明之电路要比现有技术之电路简易的多。
为让本发明之上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：
图1为现有技术之计算光点位置之装置与方法；
图2为本发明之简单方块图；
图3为调变频率与对应之光电流差与相异位置间之关系；以及
图4为本发明之实施例。符号说明：
101，402～PSD；102，103～运算放大器；I1，I2～光电流；105～加法器；104～减法器；106～除法器；107～模拟/数字转换器；108，422～单晶片微处理器；109，423～LCD显示器；403，404，405～NMOSFET；407，408，409～PMOSFET；406～比较器；410～可变式最佳化定电流源；420～RS正反器；425～正电流镜；424～负电流镜；427～转换器。
实施例
请先参考图4，当光点落于PSD402上时，PSD402之两输出端X1与X2会输出两光电流I1与I2。工作电流I0是由耦合至PSD402之电源端Vt之PMOSFET409所提供地。包括PMOSFET407与PMOSFET408之负电流镜424被用于镜像工作电流I0。比较器406可用于分辨光点是否落于PSD402上。如果光点没有落于PSD402上时，仍会发生I1＝I2的情况。而此情况相同于光点落于PSD402之中心点的情形。但比较器406可将此情况辨别为无效，并能告知单晶片微处理器422。
正电流镜425包括NMOSFET403，NMOSFET404以及NMOSFET405。由PSD402之输出端X1输出之光电流I1会通过NMOSFET403。NMOSFET404与NMOSFET405被用于镜像光电流I1以产生第一镜电流I1m，其值本质上与I1之值相等。NMOSFET405之漏极端耦合至PSD402之输出端X2与可变式最佳化定电流源410，其中可变式最佳化定电流源410输出之电流Ib，其值大于I1m与I2的最大值。如此，所得之合成电流Ic＝Ib+I2-I1m会为正值，并注入耦合至及电容412，运算放大器413的正输入端与运算放大器414的负输入端。
当电容412被合成电流Ic充电超过一既定电压时，运算放大器413会输出一高电位，运算放大器414会输出一低电位，来驱动RS正反器420的输出端 Q至高电位，如此开关晶体管411会被导通而使电容412开始放电。
当电容412被放电低于一既定电压时，运算放大器413会输出一低电位，运算放大器414会输出一高电位，来驱动RS正反器420的输出端 Q至低电位，如此开关晶体管411会被关闭而使电容412再次被合成电流Ic充电。
上述充放电操作会被重覆进行。如图4所示，缓冲器421的输入端耦合至RS正反器420的输出端 Q；缓冲器421的输出端则耦合至单晶片微处理器422，并根据Ic＝Ib+I2-I1m来计算位置信号；LCD显示器423耦合至单晶片微处理器422，其显示于落于PSD402上的之光点之对应位置。
如果光点落于PSD402上之不同位置，如图3所示，则由端点X1与X2会输出不同的光电流。因而可能形成不同的光电流差及而导致不同的输出频率。
请参考图4，电阻417的一端与电阻418的一端都耦合至运算放大器413的负输入端。电阻418的另一端与电阻419的一端则耦合至运算放大器414的正输入端。电阻419的另一端则接地。而电阻417的另一端则耦合至电源供应器。对应于光点落于PSD402上之频率与合成电流Ic之间的关系式为：X(位置)＝f＝kIc/VC，其中，X为光点的位置；f为光点之对应频率；k为常数，其值与横跨运算放大器413之负输入端与运算放大器414之正输入端间之分压器有关；V为电源供应器的电位；以及C为电容412的电容值。当电阻417，418，与419有相同的电阻值时，k值为3。
从对应于光点落于PSD402上之频率与合成电流Ic之间的关系式X(位置)＝f＝kIc/VC及Ic＝Ib+I2-I1m，可知当I1本质上等于I2，
也就是光点落于PSD402之中点时，合成电流Ic将等于可变式最佳化定电流源410所产生之定电流Ib。因此，可变式最佳化定电流源410可用于定义中点频率。
另一方面，可变式最佳化定电流源410也可用于补偿PSD402本身的不平衡暗电流(Dark current)。当输出端X1之暗电流大于输出端X2之暗电流时，则此时可变式最佳化定电流源410的设定值就要比暗电流平衡时之可变式最佳化定电流源410的设定值大一些，才能补偿PSD本身之不平衡暗电流。当输出端X1之暗电流小于输出端X2之暗电流时，则此时可变式最佳化定电流源410的设定值就要比暗电流平衡时之可变式最佳化定电流源410的设定值小一些，才能补偿PSD本身之不平衡暗电流。
如图4所示，使用PSD，正电流镜及负电流镜而能将位置信号转换成频率信号的方法包括：
(1)提供PSD402，上述PSD402具有第一输出端X1，第二输出端X2与电源端Vt，当有光点落于PSD402上时，第一输出端X1会输出电流值为I1之第一光电流，第二输出端X2会输出电流值为I2之第二光电流；
(2)提供正电流镜425，其耦合至PSD402之第一输出端X1，其镜像(mirror)上述第一光电流以产生本质上电流值与I1相等之第一镜电流I1m，而正电流镜425包括：
NMOSFET403，其包括一漏极，其耦合至PSD402之第一输出端X1；一源极，其耦合至接地端，及一闸极，其耦合至NMOSFET404之闸极；
NMOSFET405，其包括一漏极，其耦合至PSD402之第二输出端X2，一闸极，其耦合至PSD402之第一输出端X1，及一源极，其耦合至NMOSFET403之闸极，以及；
NMOSFET404，其包括一闸极，其耦合至NMOSFET403之闸极，一源极，其耦合至接地端，及一漏极，其耦合至NMOSFET403之闸极；
(3)提供负电流镜424，其耦合至上述PSD402之电源端Vt与一电源供应器，提供一本质上为上述第一光电流与第二光电流总和之工作电流I0，并产生一本质上电流值与上述工作电流I0相等之第二镜电流I0m，负电流镜424包括：
PMOSFET409，其包括一漏极，其耦合至PSD402之电源端Vt，一源极，其耦合至电源供应器，及一闸极，其耦合至PMOSFET408之闸极；
PMOSFET408，其包括一漏极，其耦合至PMOSFET409之闸极及PMOSFET409之源极，一源极，其耦合至电源供应器，及一闸极，其耦合至PMOSFET409之闸极；以及
PMOSFET407，其包括一源极，其耦合至PMOSFET408之漏极，一闸极，其耦合至PSD402之Vt端，及一漏极，其耦合至可用于辨别光点是否真的落于PSD402上之比较器406；
(4)提供可变式最佳化定电流源410，其耦合至上述PSD402之第二输出端X2，产生一具有电流值Ib之定电流，其中Ib大于I1与I2之最大值；以及
(5)提供转换器427，其耦合至上述PSD402的上述第二输出端X2，其将一合成电流Ic＝Ib+I2-I1m经由一关系式X＝f＝kIc/VC转换成一频率信号，其中，X为光点之位置信号；f是落于PSD402上之光点之对应信号；k是常数，其值与横跨运算放大器413之负输入端与运算放大器414之正输入端间之分压器有关；C为充放电路径的电容值；以及V为上述电源供应器的电压值。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作更动与修改，因此本发明之保护范围当视后附之权利要求范围所界定者为准。