CN1713517A - 采用电荷存储器件的色彩感应电路 - Google Patents

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Abstract

色彩感应电路包括接收光并产生依赖于接收光的信号的光探测器。光探测器包括耦合到第一节点的第一电极和耦合到第二预定信号的第二电极。色彩感应电路还具有包括第一节点和耦合到第二预定信号的第二节点的存储器件。色彩感应电路还具有基于充电控制信号，选择性地将第一节点与存储器件的第一电极相耦合的第一开关。色彩感应电路还具有包括第一电极和输出的信号处理电路，所述的输出产生代表光探测器所接收的光的信号。色彩感应电路还具有基于赋值控制信号，选择性地将存储器件的第一电极与信号处理电路的第一电极相耦合的第二开关。信号处理电路选择性地声明充电控制信号和赋值控制信号。

Description

采用电荷存储器件的色彩感应电路
技术领域
本发明涉及色彩感应电路，更具体地说，涉及采用电荷存储器件的色彩感应电路。
背景技术
色彩传感器正变得越来越普遍，并且有大量的潜在应用领域。这些应用包括在例如食品、纺织、涂料、装配和封装、环境照明、生活消费品、药物、医学研究和汽车等工业领域中的办公自动化、质量控制和色彩编码。
图5图示了实现在印刷电路板10上的现有技术的色彩传感器2。现有技术的色彩传感器2包括安装在印刷电路板(PCB)10上的光电二极管4、跨阻放大器6和外部组件(例如，电阻器)8。光电二极管4将彩色光转换为代表入射光的对应电流。运算放大器6充当跨阻放大器，并产生代表光电二极管4的接收光的输出电压(V_OUT)。外部组件8可被调谐以获得放大器6的合适增益，外部组件8可以例如是反馈电阻。
图6图示了图5的色彩传感器2的现有技术电路实现。光电二极管4可包括滤波器和光电二极管。滤波器和光电二极管被称为色彩传感器。跨阻放大器包括负输入端、正输入端和产生输出电压(V_OUT)的输出。负输入端耦合到光电二极管的一端，正输入端耦合到光电二极管的第二端，该第二端耦合到地电位。放大器的正输入端和输出端经由反馈电阻器(R_F)和反馈电容器(C_F)耦合。换句话说，反馈电阻器(R_F)和反馈电容器(C_F)并联耦合在跨阻放大器的正输入端和输出端之间。
由于该现有技术的方法采用了外部组件(例如，外部电阻器)，因此需要更高的光电流以使色彩传感器对噪声更不敏感，这是当设计具有外部组件的色彩传感器时的主要考虑因素。为了提供更高的光电流，要求更大的光电二极管面积。而且，跨阻放大器6需要大的外部反馈电阻器8，以将这些大电流转换为对应的输出电压。因此，现有技术色彩传感器的一个缺点就是传感器浪费空间。例如，现有技术设计采用的大光电二极管面积和大电阻器的空间效率非常低。
而且，现有技术色彩传感器的另一个缺点是传感器设计采用了大外部电阻器，而大外部电阻器的运行特性非常依赖于温度。当运行温度变化时，温度相关器件的运行特性也变化，从而使电路设计复杂化，并且引入了如何随着温度变化保持恒定输出的问题。
基于前述内容可以看出，仍然需要一种克服了前面所提出的缺点的色彩感应电路。
发明内容
根据本发明的一个实施例，色彩感应电路包括接收光并产生依赖于所接收的光的信号的光探测器。光探测器包括耦合到第一节点的第一电极和耦合到第二预定信号的第二电极。色彩感应电路还具有包括第一节点和耦合到第二预定信号的第二节点的存储器件。色彩感应电路还具有基于充电控制信号，选择性地将第一节点耦合到存储器件的第一电极的第一开关。色彩感应电路还具有包括第一电极和输出的信号处理电路，所述的输出产生代表光探测器接收光的信号。色彩感应电路还具有基于赋值控制信号，选择性地将存储器件的第一电极耦合到信号处理电路的第一电极的第二开关。信号处理电路选择性地声明(assert)充电控制信号和赋值控制信号。
附图说明
在附图中以示例方式而不是以限制方式图示了本发明，并且在附图中，相似的标号指代类似的元件。
图1图示了根据本发明一个实施例的色彩感应电路的框图。
图2图示了根据本发明一个实施例的图1中的色彩感应电路的电路图。
图3图示了根据本发明一个实施例的图1中信号处理电路的状态图。
图4是根据本发明一个实施例的图1中控制信号的示意性时序图。
图5图示了实现在印刷电路板上的现有技术色彩传感器。
图6图示了图5的色彩传感器的现有技术电路实现。
具体实施方式
下面描述了采用电荷存储器件的色彩感应电路。在下面的描述中，为了解释的目的，阐明了大量的具体细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，本领域的技术人员应当很清楚，没有这些具体细节也可以实践本发明。另外，公知的结构和器件被示以框图的形式，以避免不必要的削弱本发明。
色彩感应电路100
图1图示了根据本发明一个实施例的色彩感应电路100的框图。色彩感应电路100将原色红、绿和蓝转换为单独的、成比例的模拟电压。在一个实施例中，色彩感应电路100将光电二极管阵列和关联放大器组合在单个封装中，该单个封装具有用于电源输入和红(R)、绿(G)和蓝(B)输出电压的电缆和连接器。
色彩感应电路100包括复位电路110、光探测器120、存储器件130、第一开关140、第二开关150和信号处理电路160。下文中参考图2更详细的描述了色彩感应电路100的示意性电路图。
复位电路110包括耦合到第一预定信号112(例如，第一预定电压，VDD)的第一电极和耦合到第一节点116的第二电极。复位电路110接收复位控制信号114。当声明复位控制信号114时，第一节点116被设为第一预定信号112。在一个实施例中，第一预定信号112是预定的电压信号，且复位电路110选择性地将第一节点116复位到预定电压(例如，2.5V)。
光探测器120接收光(例如，入射光)并产生代表接收光的信号(例如，电流，I_light)。在一个实施例中，光探测器120装备有感应具有预定波长或预定波长范围的光的滤色器，从而使得光探测器120对色彩变化敏感。例如，光探测器120可探测彩色光(例如，红光、绿光、蓝光)。光探测器120包括耦合到偏置电流发生器110的第二电极的第一电极和耦合到第二预定信号122(例如，预定电压信号)的第二电极。在一个实施例中，第二预定电压信号122是地电位(VGND)。
存储器件130包括可以选择性地耦合到第一节点116的第一电极和耦合到第二预定电压122(例如，VGND)的第二电极。存储器件130临时地存储代表被光探测器120接收或入射在光探测器120上的光量的信号(例如，电荷、电流或其他电信号)。
第一开关140基于充电控制信号(CCS)144，选择性地将第一节点116(即，偏置电流发生器110的第二电极和光探测器120的第一电极)耦合到存储器件130的第一电极。
信号处理电路160包括可以选择性地耦合到存储器件130的第一电极的第一电极(例如，输入节点)和输出。信号处理电路160产生代表光探测器接收光的输出信号164。例如，信号处理电路160可包括多个输出管脚，以产生代表光探测器120接收光的信号。在一个实施例中，输出信号164包括多个彩色光信号(例如，每个色彩通道(R、G、B)的输出彩色光信号)。信号处理电路160可以实现为状态机。下文中参考图2更详细的描述了信号处理电路160的状态机实现的示意性状态图。
第二开关150基于赋值控制信号(ECS)154，选择性地将存储器件130的第一电极耦合到信号处理电路160的第一电极。下文中参考图4更详细的描述了充电控制信号(CCS)144、赋值控制信号(ECS)154和复位控制信号(RCS)114的时序图。
在一个实施例中，根据本发明的色彩传感器电路包括三个色彩传感器(R、G和B传感器)，并且被集成在单个集成电路(IC)或“芯片”上。
此外注意，根据本发明的色彩感应电路可以实现在透射性色彩感应应用和反射性色彩感应应用中。
在一个实施例中，色彩传感器电路针对透射性应用，如自照明的应用而设计。在这些应用中，色彩传感器电路不包括光源。相反，光源可以是环境光、白炽灯泡、发光二极管(LED)或自发射显示器。
在另一个实施例中，色彩传感器电路针对反射性应用设计。在这个实施例中，根据本发明的色彩传感器电路还包括光源170和将反射光聚焦到色彩传感器上的光学透镜180。这个色彩传感器电路封装有光源170和光学透镜180的实施例适用于光从目标表面或目标物反射的反射性应用。光源170可以例如是高亮度白色发光二极管(LED)。
在一个实施例中，透射性色彩传感器电路实现为具有紧密外形的单个集成电路(IC)，并且该电路利用单个5V DC电源工作，且该电路具有大约20mA或更少的典型电流消耗。在另一个实施例中，反射性色彩传感器电路实现为具有紧密外形的单个集成电路(IC)，并且该电路利用单个5V DC电源工作，且该电路需要约25mA的额外电流以运行LED光源。在这些实施例中，R、G和B输出可以是但不限于是在预定范围内的电压信号(例如，从0到3V)。
色彩感应电路的电路图
图2图示了根据本发明一个实施例的图1中的色彩感应电路100的电路图。光探测器120可以是由光电二极管202和滤色器204实现的色彩传感器。在一个实施例中，光探测器120包括只允许某一波长的光通过的滤色器204。这里，光电二极管202和滤色器204的组合也被称为“过滤耦合光电二极管(filter-coupled photodiode)”或“色彩传感器”。在可替代实施例中，光探测器120可由光电晶体管实现。
在一个实施例中，复位电路110包括产生偏置电流(I_bias)的偏置电流发生器212和复位晶体管(P1)214。偏置电流发生器212可由产生偏置电流的电流源实现。电流源包括耦合到第一预定电压的第一电极和耦合到第一节点116的第二电极。复位晶体管包括耦合到第一预定电压的第一电极、耦合到电流源的第二电极的第二电极和接收复位控制信号(RCS)114的第三节点。当声明复位控制信号(RCS)114时，复位晶体管选择性地将第一节点116处的电压复位到第一预定电压。
在一个实施例中，存储器件130可由电荷存储器件(例如，电容器230)实现。注意存储器件130可由存储其他类型电信号(例如，电流、电压等)的公知电器件(例如，电感器、电阻器等)或其组合实现。第一开关140由晶体管(N1)240实现。晶体管240包括耦合到第一节点116的第一电极、耦合到存储器件130的第一电极的第二电极和接收充电控制信号144的第三电极。当声明充电控制信号144时，晶体管的第一电极和第二电极形成电流通路，且电流流经该电流通路。晶体管240可以是MOS晶体管。
第二开关150也可由晶体管(N2)250实现。晶体管250包括耦合到电荷存储器件的第一电极的第一电极、耦合到信号处理电路160的第一电极的第二电极和接收赋值控制信号154的第三电极。当声明赋值控制信号154时，晶体管的第一电极和第二电极形成电流通路，且电流流经该电流通路。所述晶体管可以是MOS晶体管。信号处理电路160包括选择性地声明控制信号114、144、154的状态机262。本领域技术人员公知的是，信号处理电路160可包括接收其他信号260(例如，时钟信号、参考信号等)的输入。
在一个实施例中，根据本发明的色彩感应电路包括跟随有后传感器电路的色彩传感器前端。色彩传感器包括滤光涂覆的光电二极管，并将光的原色分量，即红(R)、绿(G)和蓝(B)转换为光电流。对于每种红、绿和蓝(RGB)色彩分量，后传感器电路将光电流转换为模拟电压。这些输出可以分别指示为VROUT、VGOUT和VBOUT。例如，输出信号264可包括三个输出信号，对于每种色彩通道有一个输出信号。注意对于每种色彩通道，可以复制图2中所示的组件(例如，110、130、140、150、160)。
状态机262的状态图
图3图示了根据本发明一个实施例的图1中信号处理电路160的状态图300。状态机262的状态图300包括第一状态310和第二状态320。下文中第一状态310被称为充电(CHARGE)状态310。当处于充电状态310时，信号处理电路160声明充电控制信号144，不声明(de-assert)赋值控制信号154。也不声明复位控制信号114。在充电状态310期间，净电流(I_bias-I_light)被转换为电荷，并被存储在存储器件130中。如前所述，这个状态中第一开关140接通，以允许电荷从第一节点116流到存储器件130。
在经过预定的时间量(例如，100μs)后，信号处理电路160的状态图300从充电状态310转变到第二状态320。下文中第二状态320被称为赋值(EVALUATE)状态320。当处于赋值状态320时，信号处理电路160声明赋值控制信号154，不声明充电控制信号144。也不声明复位控制信号114。
时序图
图4是根据本发明一个实施例的图1中控制信号的示意性时序图。时序图图示了充电控制信号144、赋值控制信号154和复位控制信号114。注意充电控制信号144和赋值控制信号154优选地是不重叠的。通过不允许第一开关140和第二开关150同时接通，信号处理电路160减少或避免了沿充电-赋值通路的反馈或馈通(feed through)。
根据本发明的色彩感应电路利用了多个开关(例如，晶体管)、一个色彩传感器件和一个存储器件(例如，电荷存储器件)。根据本发明的色彩感应电路不需要运算放大器，从而避免了与运算放大器有关联的问题。例如，根据本发明的色彩感应电路没有由饱和运算放大器引起的偏移问题。而且，根据本发明的色彩感应电路不需要用在基于放大器的设计中的外部组件(例如，反馈电阻)，从而去除了将色彩传感器功能集成到单个集成电路中去的其中一个障碍。
此外，根据本发明的色彩感应电路利用了更少的温度相关器件，从而避免了与现有技术色彩传感器所使用的温度相关器件有关联的问题。例如，由于根据本发明的色彩感应电路没有采用现有技术传感器所使用的大反馈电阻器，因此根据本发明的色彩感应电路比现有技术色彩传感器对温度的变化更具鲁棒性。
此外，因为与现有技术传感器采用的电流相比，根据本发明的色彩感应电路采用的光电流更小，所以比起现有技术色彩传感器，根据本发明的色彩感应电路的空间效率更高(即，占据的芯片面积更小)。
而且，因为积累的电荷量由充电时间和赋值时间控制，所以根据本发明的色彩感应电路提供了更大的照明/照射范围，其中，充电时间和赋值时间可由数字电路和开关来编程或容易地控制。此外，因为由光电流产生的电荷在被放大或赋值前要积累一段时间，所以根据本发明的色彩感应电路提供了比现有技术传感器更敏感的色彩感应机制。
根据本发明的色彩感应电路可实现在多种不同的检测色彩的应用中。例如，该宽广的应用范围可包括控制内部发光和背光(例如，液晶显示器(LCD)背光)的应用、化学分析的应用、化妆品和纺织品的色彩控制的应用以及在办公自动化中用于控制打印机的色彩输出和图像扫描仪的色彩校准的应用。
而且，根据本发明的色彩感应电路可用在成像应用(例如，墨水检测)、医学/生命科学应用(例如，血液测试)、照相机应用(例如，照相机校准)以及背光应用(例如，背光控制系统)中。例如，根据本发明的色彩感应电路可实现在蜂窝电话的显示器、便携式计算机的显示器、个人数字助理(PDA)的显示器、计算机监视器或显示器以及电视机显示器中。
在包括但不限于色彩检测应用、色彩测量应用和色彩控制应用的应用中可利用根据本发明的色彩感应电路。色彩检测应用识别具体色彩的存在或缺失。色彩测量应用基于色彩的红、绿和蓝色分量识别色彩。色彩控制应用使用色彩传感器作为闭环反馈系统的一部分，以产生并维持需要的色彩。
在前述说明书中，已参考具体实施例描述了本发明。然而，很明显可以对本发明进行各种修改和变化，而不脱离本发明更宽广的范围。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种色彩感应电路，包括：
a)接收光并产生依赖于所接收的光的信号的光探测器；其中，所述光探测器包括耦合到第一节点的第一电极和耦合到第二预定信号的第二电极；
b)包括第一电极和耦合到所述第二预定信号的第二电极的存储器件；
c)基于充电控制信号，选择性地将所述第一节点与所述存储器件的所述第一电极相耦合的第一开关；
d)包括第一电极和输出的信号处理电路，所述的输出产生代表所述光探测器所接收的光的信号；以及
e)基于赋值控制信号，选择性地将所述存储器件的所述第一电极与所述信号处理电路的所述第一电极相耦合的第二开关；其中，所述信号处理电路选择性地声明所述充电控制信号和赋值控制信号。
2.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述电荷存储器件由电容器实现。
3.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述第一开关还包括：
晶体管，所述晶体管包括耦合到电流源的第二节点的第一电极、耦合到所述电荷存储器件的所述第一节点的第二电极，以及接收所述充电控制信号的第三电极；其中，当声明所述充电控制信号时，所述第一电极和所述第二电极形成电流通路，且电流流经所述电流通路。
4.如权利要求3所述的色彩感应电路，其中，所述第二开关还包括：
晶体管，所述晶体管包括耦合到所述电荷存储器件的所述第一节点的第一电极、耦合到所述信号处理电路的所述第一节点的第二电极，以及接收所述赋值控制信号的第三电极；其中，当声明所述赋值控制信号时，所述第一电极和所述第二电极形成电流通路，且电流流经所述电流通路。
5.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述光探测器包括接收光并产生对应于所接收的光的光电二极管电流的光电二极管，以及只允许预定波长的光通过的滤色器。
6.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述信号处理电路包括状态机，所述状态机包括充电状态和赋值状态；其中，在所述充电状态期间声明所述充电控制信号，在所述赋值状态期间声明所述赋值控制信号，并且在所述赋值状态期间声明复位信号。
7.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述色彩感应电路实现在色彩检测应用、色彩测量应用、色彩控制应用、控制内部发光的应用、控制背光的应用、成像应用、医学/生命科学应用、照相机应用、化学分析中的应用、控制化妆品和纺织品色彩的应用、办公自动化应用、控制蜂窝电话中的背光的应用、控制便携式计算机显示器中的背光的应用、控制个人数字助理显示器中的背光的应用、控制计算机监视器中的背光的应用以及控制电视机显示器中的背光的应用的其中一个中。
8.如权利要求1所述的色彩感应电路，其中，所述色彩感应电路包括产生代表第一色彩通道的第一色彩信号的第一输出、产生代表第二色彩通道的第二色彩信号的第二输出和产生代表第三色彩通道的第三色彩信号的第三输出。
9.如权利要求1所述的色彩感应电路，还包括：
耦合到所述第一节点的复位电路，所述复位电路基于复位控制信号，选择性地将所述第一节点处的电压复位到第一预定电压；其中，所述信号处理电路选择性地声明所述复位控制信号。
10.如权利要求9所述的色彩感应电路，其中，所述复位电路包括
产生偏置电流的电流源；其中，所述电流源包括耦合到所述第一预定电压的第一电极和耦合到所述第一节点的第二电极；以及
复位晶体管，所述复位晶体管具有耦合到所述第一预定电压的第一电极、耦合到所述电流源的所述第二电极的第二电极和接收所述复位控制信号的第三节点；其中，当声明所述复位控制信号时，所述复位晶体管选择性地将所述第一节点处的电压复位到所述第一预定电压。
11.一种色彩感应电路，包括：
a)产生光的光源；
b)接收反射光并产生依赖于所接收的光的信号的光探测器；其中，所述光探测器包括耦合到第一节点的第一电极和耦合到第二预定信号的第二电极；
c)包括第一电极和耦合到所述第二预定信号的第二电极的存储器件；
d)基于充电控制信号，选择性地将所述第一节点与所述存储器件的所述第一电极相耦合的第一开关；
e)包括第一电极和输出的信号处理电路，所述的输出产生代表所述光探测器所接收的光的信号；以及
f)基于赋值控制信号，选择性地将所述存储器件的所述第一电极与所述信号处理电路的所述第一电极相耦合的第二开关；其中，所述信号处理电路选择性地声明所述充电控制信号和赋值控制信号。
12.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述电荷存储器件由电容器实现。
13.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述第一开关还包括：
晶体管，所述晶体管包括耦合到电流源的第二节点的第一电极、耦合到所述电荷存储器件的所述第一节点的第二电极，以及接收所述充电控制信号的第三电极；其中，当声明所述充电控制信号时，所述第一电极和所述第二电极形成电流通路，且电流流经所述电流通路。
14.如权利要求13所述的色彩感应电路，其中，所述第二开关还包括：
晶体管，所述晶体管包括耦合到所述电荷存储器件的所述第一节点的第一电极、耦合到所述信号处理电路的所述第一节点的第二电极，以及接收所述赋值控制信号的第三电极；其中，当声明所述赋值控制信号时，所述第一电极和所述第二电极形成电流通路，且电流流经所述电流通路。
15.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述光探测器包括接收所述光并产生对应于所接收的光的光电二极管电流的光电二极管，以及只允许预定波长的光通过的滤色器。
16.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述信号处理电路包括状态机，所述状态机包括充电状态和赋值状态；其中，在所述充电状态期间声明所述充电控制信号，在所述赋值状态期间声明所述赋值控制信号，并且在所述赋值状态期间声明复位信号。
17.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述色彩感应电路实现在色彩检测应用、色彩测量应用、色彩控制应用、控制内部发光的应用、控制背光的应用、成像应用、医学/生命科学应用、照相机应用、化学分析中的应用、控制化妆品和纺织品色彩的应用、办公自动化应用、控制蜂窝电话中的背光的应用、控制便携式计算机显示器中的背光的应用、控制个人数字助理显示器中的背光的应用、控制计算机监视器中的背光的应用以及控制电视机显示器中的背光的应用的其中一个中。
18.如权利要求11所述的色彩感应电路，其中，所述色彩感应电路包括产生代表第一色彩通道的第一色彩信号的第一输出、产生代表第二色彩通道的第二色彩信号的第二输出和产生代表第三色彩通道的第三色彩信号的第三输出。
19.如权利要求11所述的色彩感应电路，还包括：
耦合到所述第一节点的复位电路，所述复位电路基于复位控制信号，选择性地将所述第一节点处的电压复位到第一预定电压；其中，所述信号处理电路选择性地声明所述复位控制信号。
20.如权利要求19所述的色彩感应电路，其中，所述复位电路包括
产生偏置电流的电流源，所述电流源包括耦合到所述第一预定电压的第一电极和耦合到所述第一节点的第二电极；以及
复位晶体管，所述复位晶体管具有耦合到所述第一预定电压的第一电极、耦合到所述电流源的所述第二电极的第二电极和接收所述复位控制信号的第三节点；其中，当声明所述复位控制信号时，所述复位晶体管选择性地将所述第一节点处的电压复位到所述第一预定电压。
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