JP2005308747A

JP2005308747A - プログラマブル利得選択部が組み込まれたカラー・センサ回路

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Publication number: JP2005308747A
Application number: JP2005122475A
Authority: JP
Inventors: Boon Keat Tan; キートタンブーン; Chi Mun Ho; ムンホチー
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2005-11-04
Also published as: TWI358122B; KR101131710B1; KR20060047298A; US20050237401A1; US7349017B2; CN1690674A; DE102005006645A1; TW200537679A

Abstract

【課題】カラー・センサに入射する光の光量に応じてゲインが適切に設定されるようにし、出力信号がノイズに影響されにくくする。
【解決手段】カラー・センサ１０は、単一の集積回路チップ上に実装され、複数のカラー・センサ回路と利得選択制御部４０とが含まれている。複数のカラー・センサ回路における各カラー・センサ回路には、光検出器１４、２４、３４、増幅器１３、２３、３３、及び、利得選択回路１５、２５、３５が含まれる。増幅器は、光検出器からの信号を増幅する。利得選択回路は、各増幅器ごとに接続されており、増幅器の利得を個々に制御する。利得選択回路には、可変フィードバック抵抗１７、２７、３７が含まれている。利得選択制御部４０は、各カラー・センサ回路毎に、可変フィードバック抵抗の個別値を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の検出に関するものであり、とりわけ、プログラマブル利得選択部が組み込まれたカラー・センサ回路に関するものである。

典型的なカラー・センサは、３つの色を検出する。３色は、一般に、赤、緑、及び、青である。３つの独立したコンポーネントを用いて、カラー・センサの各色が得られる。第１のコンポーネントには、その色の照度を検出ために利用される、フォトダイオード及びフィルタが含まれている。第２のコンポーネントは、トランスインピーダンス増幅器として機能する演算増幅器である。第３のコンポーネントは、フィードバック抵抗器である。一般に、各色毎に３つのコンポーネントがプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装される。

一般に、フォトダイオードは、多量の光電流の発生に必要な比較的大きい領域を備えている。多量の光電流は、センサ回路をノイズに影響されにくくするのに必要である。それに対応して、フィードバック抵抗器も大きい値が用いられる。外部抵抗器の値は、トランスインピーダンス増幅器に必要な適正利得をもたらすように選択される。

必要なフィードバック抵抗及びフィードバック・キャパシタンスは、システムによって異なり、このため、従来の技術では、フォトダイオードからの個別コンポーネントにフィードバック抵抗器を設けることが必要になった。

本発明の実施態様によれば、カラー・センサは、単一の集積回路チップ上に実装される。カラー・センサには、複数のカラー・センサ回路と利得選択制御部とが含まれている。複数のカラー・センサ回路における各カラー・センサ回路には、光検出器、増幅器、及び、利得選択回路が含まれている。増幅器は、光検出器に接続されている。増幅器は、光検出器からの信号を増幅する。利得選択回路は、増幅器に接続されている。利得選択回路は、増幅器の利得を制御する。利得選択回路には、可変フィードバック抵抗が含まれている。利得選択制御装置は、各カラー・センサ回路毎に、可変フィードバック抵抗の個別値を選択する。

図１には、単一集積回路（ＩＣ）チップ１０上で実施されるカラー・センサ回路が示されている。第１のカラー・センサ回路は、出力１８から出力される第１の出力電圧を発生する。第１の出力電圧は、第１の色の検出照度を表わしている。例えば、第１の色は赤である。フォトダイオードとフィルタ１４（フィルタの付けられたフォトダイオード１４）は第１の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ１４は、アース信号１１とライン１９の間に接続されている。演算増幅器１３は、ライン１９の電圧を増幅して、出力１８から出力される第１の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路１５によって制御される。利得選択回路１５には、フィードバック抵抗１７と補償キャパシタンス１６が含まれている。演算増幅器１３は、図示のように、アース信号１１及びＶ_CC信号１２に接続される。

第２のカラー・センサ回路は、出力２８から出力される第２の出力電圧を発生する。第２の出力電圧は、第２の色の検出照度を表わしている。例えば、第２の色は緑である。フォトダイオードとフィルタ２４は第２の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ２４は、アース信号１１とライン２９の間に接続されている。演算増幅器２３は、ライン２９の電圧を増幅して、出力２８から出力される第２の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路２５によって制御される。利得選択回路２５には、フィードバック抵抗２７と補償キャパシタンス２６が含まれている。演算増幅器２３は、図示のように、アース信号１１及びＶ_CC信号１２に接続される。

第３のカラー・センサ回路は、出力３８から出力される第３の出力電圧を発生する。第３の出力電圧は、第３の色の検出照度を表わしている。例えば、第３の色は青である。フォトダイオードとフィルタ３４は第３の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ３４は、アース信号１１とライン３９の間に接続されている。演算増幅器３３は、ライン３９の電圧を増幅して、出力３８から出力される第３の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路３５によって制御される。利得選択回路３５には、フィードバック抵抗３７と補償キャパシタンス３６が含まれている。演算増幅器３３は、図示のように、アース信号１１及びＶ_CC信号１２に接続される。

さらに、選択制御回路４０は、フィードバック抵抗１７、補償キャパシタンス１６、フィードバック抵抗２７、補償キャパシタンス２６、フィードバック抵抗３７、及び、補償キャパシタンス３６に関する選択値を制御する。例えば、各色の利得選択は、他の色の利得選択と関係なく選択される。これによって、抵抗の個別選択で、各色毎に出力電圧にとって最適な電圧変動を得ることが可能になる。各色の出力電圧の分解能（精度）は、利得選択に用いられるビット数に基づいている。利用するビット数が増すほど、達成可能な分解能も高くなる。

図２は、利得選択回路１５の実施例である。フィードバック抵抗１７（図１に示す）は、図示のように接続された抵抗器５１、抵抗器５２、抵抗器５３、抵抗器５４、スイッチ５５、スイッチ５６、スイッチ５７、及び、スイッチ５８によって得られる。補償キャパシタンス１６（図１に示す）は、図示のように接続されたコンデンサ６１、コンデンサ６２、コンデンサ６３、コンデンサ６４、スイッチ６６、スイッチ６７、及び、スイッチ６８によって得られる。

利得選択回路１５の実施例の場合、利得は、２ビットで制御することが可能である。２ビットで、フィードバック抵抗１７に関する４つの異なる値、及び、補償キャパシタンス１６に関する４つの異なる値を選択することが可能である。フィードバック抵抗１７の異なる値は、スイッチ（ＳＷ）５５〜５８を用いて選択される。例えば、抵抗に関する４つの異なる値は、Ｒ₀（抵抗器５１＋抵抗器５２＋抵抗器５３＋抵抗器５４）、Ｒ₁（抵抗器５２＋抵抗器５３＋抵抗器５４）、Ｒ₂（抵抗器５３＋抵抗器５４）、Ｒ₃（抵抗器５４）とすることができる。

補償キャパシタンス１６に関する４つの値は、スイッチ（ＳＷ）６６〜６８を用いて選択される。補償キャパシタンスは、システムの安定性を維持するために用いられる。利得（フィードバック抵抗によって制御される）が変化すると、この結果、システムの安定性に影響を及ぼす周波数応答の変化が生じることになる。各利得選択オプション毎に、対応する補償キャパシタンスによって、システムの極の位置がシフトし、それによって、安定した応答を得るのに十分な利得と位相余裕が維持される。コンデンサ６１、コンデンサ６２、コンデンサ６３、及び、コンデンサ６４の値は、システムの安定性が維持されるように選択される。

下記の表１には、選択可能なビットの組み合わせ（００、０１、１０、１１）のそれぞれに関するスイッチ位置が示されている。

抵抗器５１〜５４に対応して選択される値は、回路特性及び検知システムの所望の精度（α）に基づくものである。例えば、６０％の「精度」（すなわち、α＝６０％）とは、選択された最大照度の値が、ある定められた範囲の中にあるという条件のもとで、「０〜選択された最大照度まで」として選択される任意の範囲が、最大電圧範囲（すなわち、０ボルト〜Ｖ_CC）の少なくとも６０％を利用することが保証されることを表わしている。同様に、８０％の「精度」（すなわち、α＝８０％）とは、選択された最大照度の値が、ある定められた範囲の中にあるという条件のもとで、「０〜選択された最大照度まで」として選択される任意の範囲が、最大電圧範囲の少なくとも８０％を利用することが保証されることを表わしている。このことに関しては、後で実例を挙げて説明する。

例えば、選択抵抗（Ｒ₀）として、最大値であるところの１００メガオーム（ＭΩ）に対応する最大照度が１００．０ルクスの場合において、下記の表２には、「精度」（α）が６０％に等しい場合の、必要とされる抵抗（Ｒ₀、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃）及び結果得られる照度（Ｍ₀、Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃）が提示されている。

表２から推論可能なように、下記の関係が得られる。

Ｒ_n+1＝αＲ_n
Ｍ_n+1＝Ｒ_n／α
例えば、選択抵抗（Ｒ₀）として、最大値であるところの１００メガオーム（ＭΩ）に対応する最大照度が１００．０ルクスの場合において、下記の表３には、「精度」（α）が８０％に等しい場合の、必要とされる抵抗（Ｒ₀、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃）及び結果得られる照度（Ｍ₀、Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃）が提示されている。

表３から推論可能なように、やはり、下記の関係が得られる。

Ｒ_n+1＝αＲ_n
Ｍ_n+1＝Ｒ_n／α
表３から明らかなように、「精度」が高くなると（αが増すと）、照度範囲が縮小され（表２、表３の例では、α＝６０％で０〜４６３ルクスのところ、α＝８０％では０〜１９５ルクスに照度範囲が減じられている）、抵抗値が高くなる。「精度」（α）が高くなっても照度範囲を同じに保つためには、選択ビットを追加することが必要になる。

図３は、選択抵抗（Ｒ₀）として、最大値であるところの１００メガオーム（ＭΩ）が選択され、結果として最大照度が１００．０ルクスで、精度（α）が６０％に等しい場合における、出力の振れ幅対照度（出力の振れ幅に対する照度の関係）を示すグラフである。

軸７１は、フォトダイオード及びフィルタ１４（図１に示す）によって検出される照度（ルクス）を表わしている。軸７２は、出力１８（図１に示す）から出力される第１の出力電圧を表している。

トレース７３は、選択スイッチ５５〜５８（図２に示す）によってＲ₀（抵抗器５１＋抵抗器５２＋抵抗器５３＋抵抗器５４）が選択された場合の応答を表している。トレース７４は、選択スイッチ５５〜５８（図２に示す））によってＲ₁（抵抗器５２＋抵抗器５３＋抵抗器５４）が選択される場合の応答を表している。トレース７５は、選択スイッチ５５〜５８（図２に示す））によってＲ₂（抵抗器５３＋抵抗器５４）が選択される場合の応答を表している。トレース７６は、選択スイッチ５５〜５８（図２に示す））によってＲ₃（抵抗器５４）が選択される場合の応答を表している。

図３から明らかなように、６０ルクスから４６３ルクスまでの、定められた範囲内で選択された最大照度に対し、０から選択された最大照度までの任意の選択範囲は、最大電圧範囲（０V〜Ｖ_CC）の少なくとも６０％を利用することが保証される。必要なのは、選択ビットを利用して、正しい抵抗値を選択することだけである。

例えば、選択された最大照度が１２０ルクスと仮定する（図３の符号７７を参照）。この場合、選択抵抗は、Ｒ₁になり、結果得られる応答はトレース７４によって表される。図３に示すグラフの表示ポイント７７から明らかなように、０〜１２０ルクスの選択された範囲では、最大電圧範囲（０V〜Ｖ_CC）の７１．９％が利用される。［これについて図３のグラフに示される具体的な値を用いて説明すると、選択された最大照度の値（１２０ルクス）が、ある定められた範囲（６０ルクス〜４６３ルクス）の中にあるという条件のもとで、「０〜選択された最大照度（１２０ルクス）まで」として選択される任意の範囲が、最大電圧範囲（０ボルト〜Ｖ_CC）の少なくとも６０％を利用することが保証される。］
さまざまな実施態様に従い、その用途に基づいて、チャネル数は変化する可能性がある。例えば、図４には、単一集積回路（ＩＣ）チップ１１０上に実装されたカラー・センサ回路が示されている。第１のカラー・センサ回路は、出力１１８から出力される第１の出力電圧を発生する。第１の出力電圧は、第１の色の検出照度を表わしている。例えば、第１の色は赤である。フォトダイオード及びフィルタ１１４は、第１の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ１１４は、アース信号１１１とライン１１９の間に接続されている。演算増幅器１１３が、ライン１１９の電圧を増幅して、出力１１８から出力される第１の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路１１５によって制御される。演算増幅器１１３は、図示のように、アース信号１１１とＶ_CC信号１１２の間に接続されている。

第２のカラー・センサ回路は、出力１２８から出力される第２の出力電圧を発生する。第２の出力電圧は、第２の色の検出照度を表わしている。例えば、第２の色は緑である。フォトダイオード及びフィルタ１２４は、第２の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ１２４は、アース信号１１１とライン１２９の間に接続されている。演算増幅器１２３が、ライン１２９の電圧を増幅して、出力１２８から出力される第２の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路１２５によって制御される。演算増幅器１２３は、図示のように、アース信号１１１とＶ_CC信号１１２の間に接続されている。

第３のカラー・センサ回路は、出力１３８から出力される第３の出力電圧を発生する。第３の出力電圧は、第３の色の検出照度を表わしている。例えば、第３の色は青である。フォトダイオード及びフィルタ１３４は、第３の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ１３４は、アース信号１１１とライン１３９の間に接続されている。演算増幅器１３３が、ライン１３９の電圧を増幅して、出力１３８から出力される第３の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路１３５によって制御される。演算増幅器１３３は、図示のように、アース信号１１１とＶ_CC信号１１２の間に接続されている。

第４のカラー・センサ回路は、出力１４８から出力される第４の出力電圧を発生する。第４の出力電圧は、第４の色の検出照度を表わしている。例えば、第４の色は白である。フォトダイオード及びフィルタ１４４は、第４の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ１４４は、アース信号１１１とライン１４９の間に接続されている。演算増幅器１４３が、ライン１４９の電圧を増幅して、出力１４８から出力される第３の出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路１４５によって制御される。演算増幅器１４３は、図示のように、アース信号１１１とＶ_CC信号１１２の間に接続されている。

例えば、６チャネル・システムの場合、６つの色の照度を検出する６つのカラー・センサ回路が含まれている。例えば、６つの色は、赤、青、緑、シアン、マゼンタ、及び、黄である。あるいはまた、他の色を利用することも可能である。

図１及び図４には、当該技術者には明らかなように、単一段の増幅器を備えた実施態様が示されているが、多段の増幅器を利用することも可能である。用途に応じて、単一段または多段について、利得選択を制御することが可能である。

例えば、図５には、各段毎に利得選択を行う多段増幅器が示されている。すなわち、カラー・センサ回路が、回路出力２３８から出力される回路出力電圧を発生する。フォトダイオード及びフィルタ２１４は、第１の色の照度を検出する。フォトダイオード及びフィルタ２１４は、アース信号２１１とライン２１９の間に接続されている。演算増幅器２１３が、ライン２１９の電圧を増幅して、出力２１８に出力される中間出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路２１５によって制御される。演算増幅器２１３は、図示のように、アース信号２１１とＶ_CC信号２１２の間に接続されている。

演算増幅器２２３が、ライン２１８の電圧を増幅して、出力２２８に出力される中間出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路２２５によって制御される。演算増幅器２２３は、図示のように、アース信号２１１とＶ_CC信号２１２の間に接続されている。演算増幅器２３３が、ライン２２８の電圧を増幅して、出力２３８に出力される中間出力電圧を生じさせる。利得は、利得選択回路２３５によって制御される。演算増幅器２３３は、図示のように、アース信号２１１とＶ_CC信号２１２の間に接続されている。

以上の説明では、ただ単に本発明の典型的な方法及び実施態様が開示及び解説されただけである。当該技術者には明らかなように、本発明は、その精神または本質的な特性を逸脱することなく、他の特定の形態で実施することも可能である。本発明の開示は、付属の請求項に記載の、本発明の範囲を例示することを意図したものであって、制限を意図したものではない。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］単一の集積回路チップ上に実装されるカラー・センサであって、
（ａ）複数のカラー・センサ回路であって、
（ａ−１）光検出器（１４、２４、３４、１１４、１２４、１３４、１４４）と、
（ａ−２）前記光検出器（１４、２４、３４、１１４、１２４、１３４、１４４）に接続されて、前記光検出器（１４、２４、３４、１１４、１２４、１３４、１４４）からの信号を増幅する増幅器（１３、２３、３３、１１３、１２３、１３３、１４３）と、
（ａ−３）前記増幅器（１３、２３、３３、１１３、１２３、１３３、１４３）に接続された利得選択回路であって、前記増幅器（１３、２３、３３、１１３、１２３、１３３、１４３）の利得を制御し、可変フィードバック抵抗（１７、２７、３７）を有する、利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）回路と
を含む、複数のカラー・センサ回路と、
（ｂ）各カラー・センサ回路毎に、前記可変フィードバック抵抗（１７、２７、３７）の値を選択する利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部と
を備えることを特徴とするカラー・センサ。
［２］前記複数のカラー・センサ回路に、赤色センサ回路、緑色センサ回路、及び、青色センサ回路が含まれることを特徴とする、上記［１］に記載のカラー・センサ。
［３］前記複数のカラー・センサ回路に、赤色センサ回路、緑色センサ回路、青色センサ回路、及び、白色センサ回路が含まれることを特徴とする、上記［１］に記載のカラー・センサ。
［４］前記複数のカラー・センサ回路中の、それぞれのカラー・センサ回路において、前記可変フィードバック抵抗（１７、２７、３７）が、
直列に接続された複数の抵抗器（５１〜５４）と、
前記複数の抵抗器（５１〜５４）に接続された複数のスイッチ（５５〜５８）とを具備し、
前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部が、前記複数のスイッチ（５５〜５８）を制御することによって、前記可変フィードバック抵抗（１７、２７、３７）の値を選択するように構成される
ことを特徴とする上記［１］に記載のカラー・センサ。
［５］前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部が、各カラー・センサ回路毎に、選択された最小照度（図３の０ルクス）から選択された最大照度（図３の１２０ルクス）までとして選択される任意の範囲（図３の０〜１２０ルクスの範囲）が、前記選択された最大照度の値が予め定められた範囲内（図３の６０〜４６３ルクス）にあるという条件のもとで、最大電圧範囲（図３の０ボルト〜Ｖ_CC）に対して予め定められたパーセンテージ（図３においては６０％）を少なくとも利用することが保証されるように、各カラー・センサ回路毎に、前記可変フィードバック抵抗（１７、２７、３７）の個別値を選択することを特徴とする、上記［１］に記載のカラー・センサ。
［６］
前記増幅器（１３、２３、３３、１１３、１２３、１３３、１４３）が多段増幅器（２１３、２２３、２３３）であることを特徴とする、上記［１］に記載のカラー・センサ。
［７］
前記増幅器（１３、２３、３３、１１３、１２３、１３３、１４３）が、多段増幅器であって、当該多段増幅器のそれぞれにおいて個別に利得選択（２１５、２２５、２３５）を行う、多段増幅器（２１３、２２３、２３３）であることを特徴とする、上記［１］に記載のカラー・センサ。
［８］前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）回路が、さらに、可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）を含み、
前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部が、前記可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）の値を選択するように構成される
ことを特徴とする上記［１］に記載のカラー・センサ。
［９］前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）回路が、さらに、可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）を含み、
前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部が、前記可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）の値を選択し、
前記可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）が、複数のスイッチ（６６〜６８）に接続された複数のコンデンサ（６１〜６４）を含み、
前記利得選択（１５、２５、３５、１１５、１２５、１３５、１４５）制御部が、前記複数のスイッチ（６６〜６８）を制御して、前記可変補償キャパシタンス（１６、２６、３６）の値を選択するように構成される
ことを特徴とする上記［１］に記載のカラー・センサ。

本発明の一実施の形態に係るカラー・センサ回路の概略ブロック図である。本発明の一実施の形態に係る利得選択回路の概略ブロック図である。本発明の一実施の形態に係る出力変動対照度を示すグラフである。本発明のもう１つの実施の形態に係るカラー・センサ回路の概略ブロック図である。本発明のもう１つの実施の形態に係るカラー・センサ回路の概略ブロック図である。

符号の説明

１３増幅器
１４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
１５利得選択回路
１６可変補償キャパシタンス
１７フィードバック抵抗
２３増幅器
２４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
２５利得選択回路
２６可変補償キャパシタンス
２７フィードバック抵抗
３３増幅器
３４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
３５利得選択回路
３６可変補償キャパシタンス
３７フィードバック抵抗
５１〜５４抵抗器
５５〜５８スイッチ
１１３増幅器
１１４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
１１５利得選択回路
１２３増幅器
１２４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
１２５利得選択回路
１３３増幅器
１３４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
１３５利得選択回路
１４３増幅器
１４４光検出器（フォトダイオードおよびフィルタ）
１４５利得選択回路
２１３多段増幅器
２１５利得選択回路
２２３多段増幅器
２２５利得選択回路
２３３多段増幅器
２３５利得選択回路

Claims

（ａ）複数のカラー・センサ回路であって、
（ａ−１）光検出器と、
（ａ−２）前記光検出器に接続されて、前記光検出器からの信号を増幅する増幅器と、
（ａ−３）前記増幅器に接続された利得選択回路であって、前記増幅器の利得を制御し、可変フィードバック抵抗を有する、利得選択回路と
を含む、複数のカラー・センサ回路と、
（ｂ）各カラー・センサ回路毎に、前記可変フィードバック抵抗の値を選択する利得選択制御部と
を備えることを特徴とする、単一の集積回路チップ上に実装されるカラー・センサ。