JP4664017B2 - Optical semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体集積回路装置に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor integrated circuit device.
従来、CdS等を用いた光検出素子が知られている。また、シリコンフォトダイオードを光検出素子として用いた光集積回路も知られている(例えば、下記特許文献1)。
しかしながら、広いダイナミックレンジを実現するために単純な構成で感度を変化することができるものが望まれており、特に、CdSに代わって車載用光半導体に用いることができる小型の光半導体集積回路装置が望まれていた。 However, in order to realize a wide dynamic range, a device capable of changing the sensitivity with a simple configuration is desired. In particular, a small-sized optical semiconductor integrated circuit device that can be used for an on-vehicle optical semiconductor instead of CdS. Was desired.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で感度を変化することができ、それによってダイナミックレンジを広げることが容易にできる光半導体集積回路装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide an optical semiconductor integrated circuit device capable of changing the sensitivity with a simple configuration and thereby easily expanding the dynamic range. Objective.
上述の課題を解決するため、本発明に係る光半導体集積回路装置は、光検出素子と、光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、この電圧が入力される比較器と、基準時刻から比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子とを備え、更に、後述の要素を備えている。 In order to solve the above-described problems, an optical semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a light detection element, charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of charge output from the light detection element, and the voltage input Comparator, a time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched, a conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means, and an input signal to the conversion coefficient control means And an input / output terminal for taking out an output signal from the time measuring means to the outside, and further including elements to be described later.
光検出素子に入射した光の光量に応じて光検出素子から電流が出力される。この光検出素子から出力される電荷量を電圧に変換し、この電圧が比較器の基準電圧を超えた場合には比較器の出力が切り替わる。時間計測手段は、基準時刻から切り替わり時刻までの時間を計測しており、したがって、時間計測手段の出力パルス幅は、光検出素子に入射した光の光量、すなわち光検出素子から出力される電荷量に反比例することとなる。 A current is output from the light detection element in accordance with the amount of light incident on the light detection element. The amount of charge output from the photodetecting element is converted into a voltage. When this voltage exceeds the reference voltage of the comparator, the output of the comparator is switched. The time measuring means measures the time from the reference time to the switching time. Therefore, the output pulse width of the time measuring means is the amount of light incident on the light detection element, that is, the amount of charge output from the light detection element. It will be inversely proportional to.
この時間計測手段の出力を入出力兼用端子から外部に取り出すことで、光検出素子に入射した光量を検出することができるが、この入出力兼用端子には外部からの入力信号が入力される。この入力信号は、変換係数制御手段に入力され、電荷電圧変換手段の変換係数を変化させる。すなわち、電荷量の電圧への変換係数が変化する。比較器への入力信号の大きさは、変換係数を調整することで制御することができる。 By taking out the output of the time measuring means from the input / output terminal to the outside, it is possible to detect the amount of light incident on the light detection element, but an input signal from the outside is input to the input / output terminal. This input signal is input to the conversion coefficient control means, and changes the conversion coefficient of the charge voltage conversion means. That is, the conversion coefficient of the charge amount to voltage changes. The magnitude of the input signal to the comparator can be controlled by adjusting the conversion coefficient.
換言すれば、電荷量が大きい場合においても変換係数を小さくすることで比較器への入力を小さくすることができ(但し、電荷量の変化量に対しては電圧変化量も小さくなる:低精度:低感度:高光量領域に対応)、電荷量が小さい場合においても変換係数を大きくすることで比較器への入力を大きくすることができ(但し、電荷量の変化量に対しては電圧変化量は大きくなる:高精度・高感度:低光量領域に対応)。 In other words, even when the amount of charge is large, the input to the comparator can be reduced by reducing the conversion coefficient (however, the amount of change in voltage is also small with respect to the amount of change in charge: low accuracy : Low sensitivity: Corresponds to the high light quantity area), even when the charge amount is small, the input to the comparator can be increased by increasing the conversion coefficient (however, the voltage change with respect to the change amount of the charge amount) The amount becomes large: high accuracy and high sensitivity: corresponding to the low light quantity region).
特に、本装置では、これら感度の外部からの変更と、光量計測の出力の取出を入出力兼用端子から行うことができるため、簡易な構成で感度を変化することができることとなり、それによりダイナミックレンジを容易に広げることができる。 In particular, this device can change the sensitivity from the outside and take out the output of the light intensity measurement from the input / output terminal. Therefore, it is possible to change the sensitivity with a simple configuration. Can be spread easily.
上記の光半導体集積回路装置は、光検出素子、電荷電圧変換手段、比較器、時間計測手段、及び変換係数制御手段をモールドする樹脂パッケージを更に備え、入出力兼用端子は、樹脂パッケージ内から外部に延びていてもよい。 The above-described optical semiconductor integrated circuit device further includes a resin package for molding the light detection element, the charge voltage conversion means, the comparator, the time measurement means, and the conversion coefficient control means, and the input / output terminals are externally provided from within the resin package. It may extend to .
この場合、樹脂パッケージ内から外部に延びた入出力兼用端子を制御用のコンピュータに電気的に接続することで、コンピュータからの入力信号を入出力兼用端子を介して受信することができると共に、その出力信号をコンピュータに入力することができる。また、樹脂パッケージは、モールドされた各素子を保護すると共に、紫外線〜赤外線に至る波長帯域において透明であるため、光検出素子に樹脂パッケージを介して光を入射させることができる。また、樹脂パッケージは軽量であるという利点を有する。 In this case, by electrically connecting the input / output terminal extending from the inside of the resin package to the control computer, an input signal from the computer can be received via the input / output terminal, The output signal can be input to a computer. In addition, the resin package protects each molded element and is transparent in the wavelength band from ultraviolet to infrared, so that light can be incident on the light detection element via the resin package. In addition, the resin package has the advantage of being lightweight.
本発明に係る第1の光半導体集積回路装置は、上述のように、光検出素子と、光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、この電圧が入力される比較器と、基準時刻から比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子とを備え、更に、時間計測手段と入出力兼用端子とを接続するトライステートバッファを更に備え、トライステートバッファへのイネーブル信号の入力に応じて、時間計測手段と入出力兼用端子とが実質的に接続/切断されることを特徴とする。 As described above, the first optical semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the photodetection element, the charge-voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of charge output from the photodetection element, and the input voltage. Comparator, a time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched, a conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means, and an input signal to the conversion coefficient control means And an input / output terminal for taking out the output signal from the time measuring means to the outside, and further comprising a tri-state buffer for connecting the time measuring means and the input / output terminal. The time measuring means and the input / output terminal are substantially connected / disconnected in accordance with the input of the enable signal to the tri-state buffer.
すなわち、トライステートバッファを用いて、時間計測手段と入出力兼用端子とを分離することができ、入出力兼用端子から入力された入力信号は、分離時には変換係数制御回路に入力することができる。 That is, the tristate buffer can be used to separate the time measuring means and the input / output terminal, and the input signal input from the input / output terminal can be input to the conversion coefficient control circuit at the time of separation.
また、本発明に係る第2の光半導体集積回路装置は、上述のように、光検出素子と、光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、この電圧が入力される比較器と、基準時刻から比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子とを備え、更に、時間計測手段と入出力兼用端子とを接続する接続スイッチを更に備え、接続スイッチへのイネーブル信号の入力に応じて、時間計測手段と入出力兼用端子とが実質的に接続/切断されることを特徴とする。 In addition, as described above, the second optical semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a light detection element, a charge-voltage conversion unit that generates a voltage corresponding to the amount of charge output from the light detection element, and the voltage. , A time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched, a conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means, and a conversion coefficient control means An input / output terminal for inputting an input signal from the outside and taking out an output signal from the time measuring means to the outside, and a connection switch for connecting the time measuring means and the input / output terminal are further provided. The time measuring means and the input / output terminal are substantially connected / disconnected in response to the input of the enable signal to the connection switch.
すなわち、接続スイッチを用いて、時間計測手段と入出力兼用端子とを分離することができ、入出力兼用端子から入力された入力信号は、分離時には変換係数制御回路に入力することができる。 That is, the connection switch can be used to separate the time measuring means and the input / output terminal, and the input signal input from the input / output terminal can be input to the conversion coefficient control circuit at the time of separation.
第3の光半導体集積回路装置は、第1の光半導体集積回路装置において、イネーブル信号を入力するリセット端子を更に備えることを特徴とする。すなわち、リセット端子を介してイネーブル信号を入力することができる。 According to a third optical semiconductor integrated circuit device, the first optical semiconductor integrated circuit device further includes a reset terminal for inputting an enable signal. That is, an enable signal can be input through the reset terminal.
第4の光半導体集積回路装置は、第1の光半導体集積回路装置において、(A)時間計測手段と前記入出力兼用端子との切断期間内において、入出力兼用端子を介して変換係数制御手段へ入力信号が入力され、(B)時間計測手段と入出力兼用端子との接続期間内において、時間計測手段が前記時間を計測することを特徴とする。 According to a fourth optical semiconductor integrated circuit device, in the first optical semiconductor integrated circuit device, (A) a conversion coefficient control means is connected via the input / output terminal during a disconnection period between the time measuring means and the input / output terminal. An input signal is input to (B), and the time measuring means measures the time within a connection period between the time measuring means and the input / output terminal.
すなわち、イネーブル信号の入力によって、時間計測手段と入出力兼用端子とは接続・切断されるが、切断期間においては、入出力兼用端子を介して変換係数制御手段へ入力信号を入力しても時間計測手段には影響を与えず、また、接続期間内においては、時間計測手段が時間を計測した信号を入出力兼用端子から外部に取り出すことができる。 That is, the input of the enable signal connects / disconnects the time measuring means and the input / output terminal, but during the disconnection period, even if the input signal is input to the conversion coefficient control means via the input / output terminal, the time is The measuring means is not affected, and the signal obtained by measuring the time by the time measuring means can be taken out from the input / output terminal within the connection period.
第5の光半導体集積回路装置は、第3の光半導体集積回路装置において、リセット端子に入力されたイネーブル信号を、時間計測手段の基準時刻を与えるリセット信号として兼用するように、リセット端子と時間計測手段とは接続されていることを特徴とする。 In the fifth optical semiconductor integrated circuit device, in the third optical semiconductor integrated circuit device, the reset terminal and the time are used so that the enable signal input to the reset terminal is also used as a reset signal that gives a reference time of the time measuring means. The measuring means is connected.
すなわち、リセット端子はイネーブル信号としても機能するリセット信号の兼用入力端子であり、リセット信号の入力によって、時間計測手段による時間計測の基準時刻を与えることができると共に、時間計測手段と入出力兼用端子の接続を切断して入出力兼用端子への外部からの入力信号の時間計測手段への影響を除去することができる。 That is, the reset terminal is a reset signal shared input terminal that also functions as an enable signal. By inputting the reset signal, a reference time of time measurement by the time measuring means can be given, and the time measuring means and the input / output shared terminal Thus, the influence of the input signal from the outside to the input / output terminal on the time measuring means can be removed.
第6の光半導体集積回路装置は、第3の光半導体集積回路装置において、電荷電圧変換手段は、光検出素子に一方のラインが接続されたカレントミラー回路と、カレントミラー回路の他方のラインに接続された可変容量のキャパシタとを備えることを特徴とする。 According to a sixth optical semiconductor integrated circuit device, in the third optical semiconductor integrated circuit device, the charge-voltage conversion means includes a current mirror circuit in which one line is connected to the photodetecting element and the other line in the current mirror circuit. And a variable-capacitance capacitor connected thereto.
光検出素子から出力される電流に比例した電流が、カレントミラー回路の他方のラインに流れ、この電流の時間積分値に比例した電荷がキャパシタ内に蓄積され、キャパシタの両端間には、光検出素子から出力される電流の時間積分値、すなわち、電荷に比例した電圧が発生する。この電圧は、比較器に入力されるため、電荷量に対応する電圧が基準電圧を超えると、比較器の出力が切り替わる。基準時刻から比較器の切り替わり時刻までの時間は、光検出素子から出力される電荷量に逆比例する。 A current proportional to the current output from the light detection element flows to the other line of the current mirror circuit, and a charge proportional to the time integral value of this current is accumulated in the capacitor. A time proportional value of the current output from the element, that is, a voltage proportional to the charge is generated. Since this voltage is input to the comparator, when the voltage corresponding to the charge amount exceeds the reference voltage, the output of the comparator is switched. The time from the reference time to the comparator switching time is inversely proportional to the amount of charge output from the photodetecting element.
第7の光半導体集積回路装置は、第6の光半導体集積回路装置において、変換係数制御手段は、その入力信号に応じてキャパシタの容量を制御し、変換係数はこの容量に依存することを特徴とする。 According to a seventh optical semiconductor integrated circuit device, in the sixth optical semiconductor integrated circuit device, the conversion coefficient control means controls the capacitance of the capacitor according to the input signal, and the conversion coefficient depends on the capacitance. And
すなわち、キャパシタの容量が大きい場合には、比較器への入力電圧は小さくなるため(電圧=電荷/容量)、比較器の出力切り替わり時刻は遅くなり、この装置の感度が低くなり、高い光量に対応できる。キャパシタの容量が小さい場合には、比較器への入力電圧は大きくなるため(電圧=電荷/容量)、比較器の出力切り替わり時刻は早くなり、この装置の対応できる光量は低くなるが、電荷量変化に対する比較器への入力電圧変動は大きくなるため、検出感度は増加する。変換係数は、電圧に対する電荷の変換係数を規定するが、キャパシタの容量を制御することによっても、この変換係数を制御することができる。 That is, when the capacitance of the capacitor is large, the input voltage to the comparator is small (voltage = charge / capacitance), so the output switching time of the comparator is delayed, the sensitivity of the device is low, and the light quantity is high. Yes. When the capacitance of the capacitor is small, the input voltage to the comparator increases (voltage = charge / capacitance), so the output switching time of the comparator is earlier and the amount of light that can be handled by this device is lower. Since the input voltage fluctuation to the comparator with respect to the change becomes large, the detection sensitivity increases. The conversion coefficient defines the conversion coefficient of charge with respect to voltage, but this conversion coefficient can also be controlled by controlling the capacitance of the capacitor.
第8の光半導体集積回路装置は、第6又は第7の光半導体集積回路装置において、カレントミラー回路の入力側ラインと出力側ラインを流れる電流比は可変であって、一方のラインを前記入力側ラインとし、他方のラインを出力側ラインとし、変換係数制御手段は、その入力信号に応じてこの電流比を制御し、変換係数はこの電流比に依存することを特徴とする。 The eighth optical semiconductor integrated circuit device is the sixth or seventh optical semiconductor integrated circuit device, wherein a ratio of current flowing through the input side line and the output side line of the current mirror circuit is variable, and one line is input to the input line. The conversion coefficient control means controls the current ratio according to the input signal, and the conversion coefficient depends on the current ratio.
すなわち、変換係数を決定するのは、キャパシタに単位時間当たりに流れ込む電荷量であってもよい。キャパシタに流れ込む電流は、カレントミラーの入力側ラインと出力側ラインを流れる電流比によって制御することができる。この装置では、電流比が可変であるので、変換係数を制御し、検出感度を制御することができる。なお、電圧=電荷/容量の関係から、キャパシタへ流れ込む電荷量の増減は、容量の増減とは逆の効果を奏する。 That is, the conversion coefficient may be determined by the amount of charge that flows into the capacitor per unit time. The current flowing into the capacitor can be controlled by the ratio of the current flowing through the input side line and the output side line of the current mirror. In this apparatus, since the current ratio is variable, the conversion coefficient can be controlled and the detection sensitivity can be controlled. From the relationship of voltage = charge / capacitance, increase / decrease in the amount of charge flowing into the capacitor has the opposite effect to increase / decrease in capacitance.
本発明に係る第9の光半導体集積回路装置は、上述のように、光検出素子と、光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、この電圧が入力される比較器と、基準時刻から比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子とを備え、更に、変換係数制御手段は、入出力兼用端子からの入力パルス数をカウントするカウンタと、カウンタの出力に応じて前記変換係数を決定するデコーダとを備えることを特徴とする。 As described above, the ninth optical semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the photodetection element, the charge-voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of electric charge output from the photodetection element, and the input voltage. Comparator, a time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched, a conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means, and an input signal to the conversion coefficient control means And an input / output terminal for taking out the output signal from the time measuring means to the outside, and the conversion coefficient control means is a counter for counting the number of input pulses from the input / output terminal. And a decoder for determining the conversion coefficient in accordance with the output of the counter.
カウンタの出力に対応づけて変換係数を決定すると、例えば、キャパシタの合成容量が当該変換係数になるように制御できるので、外部からの入力信号に応じて検出感度を調整することができる。 When the conversion coefficient is determined in association with the output of the counter, for example, since the combined capacitance of the capacitors can be controlled to be the conversion coefficient, the detection sensitivity can be adjusted according to an external input signal.
第10の光半導体集積回路装置は、第5の光半導体集積回路装置において、時間計測手段は、リセット信号の入力に応じてワンショットパルスを発生する第1ワンショット回路と、比較器の出力の切り替わりに応じてワンショットパルスを発生する第2ワンショット回路と、第1及び第2のワンショット回路の出力に応じて出力が切り替わるフリップフロップとを備えることを特徴とする。 According to a tenth optical semiconductor integrated circuit device, in the fifth optical semiconductor integrated circuit device, the time measuring means includes a first one-shot circuit that generates a one-shot pulse in response to an input of a reset signal, and an output of the comparator A second one-shot circuit that generates a one-shot pulse in response to switching, and a flip-flop that switches an output in accordance with outputs of the first and second one-shot circuits.
フリップフロップの出力は、時間計測の基準時刻を与えるリセット信号(第1ワンショット回路のパルス)と、時間計測の終了時刻を与える比較器の出力(第2ワンショット回路のパルス)に応じて切り替わるので、時間計測信号、すなわち、光検出素子に入射した光量に比例したパルス幅の方形波を出力することができる。 The output of the flip-flop is switched according to the reset signal (pulse of the first one-shot circuit) that gives the reference time for time measurement and the output of the comparator (pulse of the second one-shot circuit) that gives the end time of time measurement. Therefore, it is possible to output a time measurement signal, that is, a square wave having a pulse width proportional to the amount of light incident on the light detection element.
第11の光半導体集積回路装置は、第10の光半導体集積回路装置において、電荷電圧変換手段は、光検出素子に一方のラインが接続されたカレントミラー回路と、カレントミラー回路の他方のラインに接続された可変容量のキャパシタと、他方のラインとキャパシタとを接続する接続スイッチとを備え、リセット信号の入力に同期して発生したフリップフロップの出力によって、キャパシタへの電荷が蓄積されるように接続スイッチが接続されることを特徴とする。 An eleventh optical semiconductor integrated circuit device according to the tenth optical semiconductor integrated circuit device is characterized in that the charge-voltage conversion means includes a current mirror circuit in which one line is connected to the photodetecting element, and the other line in the current mirror circuit. A capacitor having a connected variable capacitor and a connection switch for connecting the other line to the capacitor are provided so that the charge to the capacitor is accumulated by the output of the flip-flop generated in synchronization with the input of the reset signal. A connection switch is connected.
この場合、リセット信号の入力に同期して、時間計測の基準時刻が与えられ、接続スイッチは接続され、キャパシタへの電荷の蓄積が開始する。 In this case, a reference time for time measurement is given in synchronization with the input of the reset signal, the connection switch is connected, and charge accumulation in the capacitor starts.
第12の光半導体集積回路装置は、第11の光半導体集積回路装置において、電荷電圧変換手段は、キャパシタと固定電位とを接続する放電スイッチを更に備え、第2ワンショット回路の出力に同期して発生したフリップフロップの出力によって、キャパシタに蓄積された電荷が放電されるように放電スイッチが接続されることを特徴とする。 A twelfth optical semiconductor integrated circuit device is the eleventh optical semiconductor integrated circuit device according to the eleventh optical semiconductor integrated circuit device, wherein the charge-voltage conversion means further includes a discharge switch for connecting the capacitor and a fixed potential, and is synchronized with the output of the second one-shot circuit. A discharge switch is connected so that the charge accumulated in the capacitor is discharged by the output of the flip-flop generated in this manner.
この場合、第2ワンショット回路の出力によって、時間計測の終了時刻が与えられるので、この場合には、放電スイッチを接続してキャパシタ内に蓄積された電荷を固定電位に放電する。なお、電荷の蓄積と放電は電荷の極性によるため、固定電位が正の電源などに接続されている場合には放電スイッチの接続時には正の電荷が流入することとなるが、この場合には、蓄積時にはキャパシタに負の電荷を蓄積するものとし、放電時には負の電荷が放電されたことと解すればよい。また、蓄積時と放電時の電荷量の差分をキャパシタの出力電圧とする構成も考えられる。 In this case, the time measurement end time is given by the output of the second one-shot circuit. In this case, the discharge switch is connected to discharge the charge accumulated in the capacitor to a fixed potential. In addition, since charge accumulation and discharge depend on the polarity of the charge, when a fixed potential is connected to a positive power source or the like, a positive charge will flow when the discharge switch is connected. It can be understood that negative charge is stored in the capacitor during storage, and negative charge is discharged during discharge. Further, a configuration in which the difference between the charge amounts during storage and discharge is used as the output voltage of the capacitor is also conceivable.
第13の光半導体集積回路装置は、第6の光半導体集積回路装置において、光検出素子に対してカレントミラー回路を介して並列に接続されたダミー光検出素子と、ダミー光検出素子上に設けられた遮光体とを備えることを特徴とする。ダミー光検出素子への光の入射は遮光体によって遮られているので、このカレントミラー回路のダミー光検出素子側のラインには暗電流が流れる。この暗電流は、光検出用の光検出素子に流れる暗電流と等しいものと推定できるので、キャパシタ側に接続されるカレントミラー回路の他方のラインには、暗電流が除去された電流が流れることとなる。 A thirteenth optical semiconductor integrated circuit device according to the sixth optical semiconductor integrated circuit device is provided with a dummy photodetecting element connected in parallel to the photodetecting element via a current mirror circuit, and the dummy photodetecting element. The light-shielding body is provided. Since the incidence of light on the dummy photodetecting element is blocked by the light shield, a dark current flows through the line on the dummy photodetecting element side of the current mirror circuit. Since this dark current can be estimated to be equal to the dark current flowing through the photodetection element for light detection, the current from which the dark current has been removed flows through the other line of the current mirror circuit connected to the capacitor side. It becomes.
本発明の光半導体集積回路装置によれば、簡易な構成で感度を変化することができ、それによりダイナミックレンジを広げることができる。 According to the optical semiconductor integrated circuit device of the present invention, it is possible to change the sensitivity with a simple configuration, thereby expanding the dynamic range.
以下、実施の形態に係る光半導体集積回路装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。 The optical semiconductor integrated circuit device according to the embodiment will be described below. In addition, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は光半導体集積回路装置(光IC)100の平面図である。 FIG. 1 is a plan view of an optical semiconductor integrated circuit device (optical IC) 100.
光IC100は、樹脂パッケージ11内にモールドされたモノシリック半導体チップ10を備えており、この半導体チップ10には、4本のリードピン1,2,3,4が電気的に接続されており、それぞれ樹脂パッケージ11内から外部に延びている。リードピン1は、リセット端子、リードピン2はGND(グランド)端子、リードピン3は電源端子、リードピン4は入出力兼用端子である。
The
図2は光ICのモノシリック半導体チップ10上に形成された回路を説明するための回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a circuit formed on the
光IC100は、各リードピン1〜4を介してコンピュータCPに接続される。リセット端子1からは、コンピュータCPからリセット信号RESETが入力され、入出力兼用端子4にはコンピュータCPから入力信号INPUTが入力され、内部から出力信号OUTPUTが出力される。グランド端子2は接地されており、電源端子3は電源31を介して接地され、電源31に並列にキャパシタ32が挿入してある。
The
光IC100の半導体チップ10は、光検出素子(本例ではフォトダイオード)10aと、光検出素子10aから出力される電荷量に応じた電圧Vを発生する電荷電圧変換回路(手段)10bと、この電圧Vが入力される比較器10cと、基準時刻tRESETから比較器10cの出力が切り替わるまでの時間T0を計測する時間計測回路(手段)10dと、電荷電圧変換回路10bの変換係数αを制御する変換係数制御回路(手段)10fと、時間計測回路からの出力が変換係数制御回路に入らないようにするANDゲート10gを備えている。
The
また、光IC100は、上述のように、変換係数制御回路10fへの入力信号INPUTを外部から入力し、且つ、時間計測回路10dからの出力信号OUTPUTを外部に取り出すための入出力兼用端子4とを備えている。
In addition, as described above, the
さらに、光IC100の半導体チップ10は、時間計測回路10dと入出力兼用端子4とを接続するトライステートバッファ10eを更に備えており、トライステートバッファへ10dのイネーブル信号(制御信号:リセット信号RESET)の入力に応じて、時間計測回路10dと入出力兼用端子4とが実質的に接続/切断される。トライステートバッファ(インバータ)10eは、通常のバッファやインバータの出力をイネーブル信号のレベルにより、ハイインピーダンスにする事ができるタイプのバッファである。なお、ハイインピーダンスとは、出力端子が内部回路から切り離されたのと同じ状態である。
Further, the
トライステートバッファ10eによって、時間計測回路10dと入出力兼用端子4とは必要に応じて分離され、入出力兼用端子4から入力された入力信号INPUTは、分離時には変換係数制御回路10fに入力される。なお、イネーブル信号はリセット端子1から入力される。トライステートバッファ10eは、接続スイッチで置き換えることも可能であるし、接続スイッチの前または後ろにバッファをおいて信号を増幅しても良い。
The
なお、上述の光検出素子10a、電荷電圧変換回路10b、比較器10c、時間計測回路10d、及び変換係数制御回路10f、トライステートバッファ10e、ANDゲート10gは、樹脂パッケージ11(図1参照)内にモールドされている。樹脂パッケージ11内から外部に延びた入出力兼用端子4を制御用のコンピュータCPに電気的に接続すると、コンピュータCPからの入力信号INPUTを入出力兼用端子4を介して受信することができる。出力信号OUTPUTはコンピュータCPに入力することができる。樹脂パッケージ11は、モールドされた各素子を保護すると共に、紫外線〜赤外線に至る波長帯域において透明であるため、光検出素子10aに樹脂パッケージ11を介して光を入射させることができる(図1参照)。また、樹脂パッケージ11は軽量であるという利点を有する。
The
光が樹脂パッケージ11を透過して、光検出素子10aに入射すると、光検出素子10aに入射した光の光量に応じて光検出素子10aから電流が出力される。この光検出素子10aから出力された電荷量(q)は、電荷電圧変換回路10bによって電圧Vに変換され、この電圧Vが比較器10cへ入力される基準電圧Vrefを超えた場合には、比較器10cの出力が切り替わる。時間計測回路10dは、基準時刻tRESETから切り替わる時刻tCOMまでの時間T0を計測しており、したがって、時間計測回路10dの出力のパルス幅は、光検出素子10aに入射した光の光量、すなわち光検出素子10aから出力された電荷量qに反比例することとなる。
When light passes through the
時間計測回路10dの出力を入出力兼用端子4から外部に取り出すことで、光検出素子10aに入射した光量を検出することができる。
By extracting the output of the
入出力兼用端子4からの入力信号は、変換係数制御回路10fに入力され、電荷電圧変換回路10bの変換係数αを変化させる。
An input signal from the input /
変換係数αは、V=α×q=(K/Cx)×qで与えられる。後述するが、Kはカレントミラー回路の増倍係数、Cxは合成容量であり、それぞれ変化可能な物理量である。 The conversion coefficient α is given by V = α × q = (K / Cx) × q. As will be described later, K is a multiplication factor of the current mirror circuit, and Cx is a combined capacity, which are variable physical quantities.
電荷量qの電圧Vへの変換係数αは可変であるが、比較器10cへの入力信号Vの大きさは、変換係数αを調整することで制御することができる。すなわち、電荷量qが大きい場合においても、変換係数αを小さくすることで比較器10cへの入力を小さくすることができ、この場合、電荷量の変化量に対しては電圧変化量も小さくなり、低精度であるが、低感度とすることができ、高い光量まで対応できる。
Although the conversion coefficient α of the charge amount q to the voltage V is variable, the magnitude of the input signal V to the
また、電荷量qが小さい場合においても、変換係数αを大きくすることで比較器10cへの入力を大きくすることができ、電荷量の変化量に対しては電圧変化量は大きくなり、高精度、高感度であるが、対応できる光量は低くなる。
Even when the amount of charge q is small, the input to the
本装置では、これら感度の外部からの変更と、光量計測の出力の取出を入出力兼用端子4から行うことができるため、簡易な構成で感度を変化することができることとなり、それによりダイナミックレンジを容易に広げることができる。
In this device, the sensitivity can be changed from the outside and the output of the light quantity measurement can be taken out from the input /
この変換係数αは、トライステートバッファ10eを切断したリセット信号RESETの入力時に切り替えられる。トライステートバッファ10eの切断時の期間を(A)、接続時の期間を(B)とすると、以下のように入力信号INPUTは入力される。
This conversion coefficient α is switched when the reset signal RESET that cuts off the
(A)時間計測回路10dと入出力兼用端子4との切断期間内において、入出力兼用端子4を介して変換係数制御回路10fへ入力信号が入力される。すなわち、イネーブル信号(RESET)の入力によって、時間計測回路10dと入出力兼用端子4とは接続・切断されるが、切断期間においては、入出力兼用端子4を介して変換係数制御回路10fへ入力信号INPUTを入力しても、時間計測回路10dには影響を与えない。この際、イネーブル信号(RESET)がHレベルなので、ANDゲート10gにより、入出力兼用端子4に入力された信号は変換係数制御回路へ入力される。
(A) An input signal is input to the conversion
(B)時間計測回路10dと入出力兼用端子4との接続期間内において、時間計測回路10dが時間T0を計測する。接続期間内においては、時間計測回路10dが時間T0を計測した信号を入出力兼用端子4から外部に取り出すことができる。この際、イネーブル信号(RESET)がLレベルなのでANDゲートにより時間計測回路の出力は変換係数制御回路に入力されることがない。
(B) In the
なお、リセット端子1に入力されたイネーブル信号(RESET)は、時間計測回路10dの基準時刻tRESETを与えるリセット信号RESETとして兼用されており、リセット端子1と時間計測回路10dとは、このように接続されている。リセット端子1はイネーブル信号(RESET)としても機能するリセット信号RESETの兼用入力端子であり、リセット信号RESETの入力によって、時間計測回路10dによる時間計測の基準時刻tRESETを与えることができると共に、時間計測回路10dと入出力兼用端子4の接続を切断して入出力兼用端子4への外部からの入力信号INPUTの時間計測回路10dへの影響を除去することができる。
The enable signal (RESET) input to the
図3は電荷電圧変換回路の回路図である。 FIG. 3 is a circuit diagram of the charge-voltage conversion circuit.
電荷電圧変換回路10bは、光検出素子10aに一方のラインが接続されたカレントミラー回路CMと、カレントミラー回路CMの他方のラインに接続された可変容量のキャパシタとを備えている。
The charge-
光検出素子10aを流れる電流IPDに比例した電流K・IPDが、カレントミラー回路CMの他方のラインに流れ、この電流の時間積分値に比例した電荷がキャパシタCx(便宜上、合成容量をCxで示す)内に蓄積され、キャパシタCxの両端間には、光検出素子10aに流れた電流の時間積分値、すなわち、電荷qに比例した電圧V=α×q=(K/Cx)×qが発生する。
Current K · I PD proportional to the current I PD flowing through the
この電圧Vは、基準電圧Vrefと共に比較器10cに入力されるため、電荷量に対応する電圧Vが基準電圧Vrefを超えると、比較器10cの出力VCOMが切り替わる。基準時刻tRESETから比較器10cの切り替わり時刻tCOMまでの時間T0は、光検出素子10aに流れた電荷量qに逆比例する。
Since this voltage V is input to the
カレントミラー回路CMの入力側ラインと出力側ラインを流れる電流比は可変であって、光検出素子10aが接続された一方のラインを入力側ラインとし、他方のラインを出力側ラインとする。入力側ラインにはトランジスタT0が直列に介在し、出力側ライン上にはゲートを共通としてトランジスタT1、T2、T3が並列に介在している。各トランジスタT1,T2,T3を流れる電流のON/OFFは、それぞれスイッチSWT1、SWT2、SWT3の開閉によって制御される。
The ratio of the current flowing through the input side line and the output side line of the current mirror circuit CM is variable, and one line connected to the
スイッチSWT1、SWT2、SWT3の内、接続状態のスイッチの数が多い場合には電流比の比例定数Kは大きくなる。変換係数制御回路10fは、その入力信号INPUTに応じて、この電流比を制御する。なお、変換係数αはこの電流比に依存する(α=K/Cx)。この場合、変換係数αを決定するのは、キャパシタCxに単位時間当たりに流れ込む電荷量である。キャパシタCxに流れ込む電流は、カレントミラーCMの入力側ラインと出力側ラインを流れる電流比によって制御される。本例では、電流比が可変であるので、変換係数αを制御し、検出感度を制御することができる。なお、電圧=電荷/容量の関係から、キャパシタCxへ流れ込む電荷量の増減は、容量の増減とは逆の効果を奏する。
When the number of connected switches among the switches SW T1 , SW T2 , and SW T3 is large, the proportional constant K of the current ratio increases. The conversion
容量Cxの増減の効果について説明する。 The effect of increasing / decreasing the capacitance Cx will be described.
変換係数制御回路10fは、その入力信号INPUTに応じてキャパシタCxの容量(Cx)を制御する。上述のように、変換係数αはこの容量に依存する(α=K/Cx)。キャパシタの容量Cxが大きい場合には、比較器10cへの入力電圧Vは小さくなるため(電圧=電荷/容量)、比較器10cの出力切り替わり時刻tCOMは遅くなり、この装置の感度が低くなり高い光量に対応できる。キャパシタCxの容量(Cx)が小さい場合には、比較器10cへの入力電圧Vは大きくなるため(電圧=電荷/容量)、比較器10cの出力切り替わり時刻tCOMは早くなり、この装置の対応できる光量は低くなるが、電荷量変化に対する比較器10cへの入力電圧変動は大きくなるため、検出感度は増加する。このように、キャパシタCxの容量(Cx)を制御すると、この変換係数αを制御することができる。
The conversion
カレントミラー回路CMの出力側ラインと可変容量のキャパシタCxとの間には、これらを接続する接続スイッチSWBが介在している。リセット信号RESETの入力に同期して発生した第1特定出力(Q=Hレベル:スイッチ接続)によって、キャパシタCxへの電荷が蓄積されるように接続スイッチSWBが接続される。この場合、リセット信号の入力に同期して、時間計測の基準時刻tRESETが与えられ、接続スイッチSWBは接続され、キャパシタCxへの電荷の蓄積が開始する。 Between the output side line of the current mirror circuit CM and the variable-capacitance capacitor Cx, a connection switch SW B for connecting them is interposed. The connection switch SW B is connected so that the charge to the capacitor Cx is accumulated by the first specific output (Q = H level: switch connection) generated in synchronization with the input of the reset signal RESET. In this case, a time measurement reference time t RESET is given in synchronization with the input of the reset signal, the connection switch SW B is connected, and charge accumulation in the capacitor Cx starts.
電荷電圧変換回路10bは、キャパシタCxと固定電位(本例ではグランド電位)とを接続する放電スイッチSWR2を更に備え、比較器10cの切り替わり時の第2特定出力(Q=Lレベル:スイッチ切断)によって、キャパシタCxに蓄積された電荷が放電されるように放電スイッチSWR2が接続される(Qバー:スイッチ接続)。
Charge-
なお、第1特定出力Q=Hレベルは、後述のフリップフロップFFの出力であり、第2特定出力Q=Lレベルは、後述の第2ワンショット回路OS2の出力に同期して発生したフリップフロップFFの出力である。なお、Q=Lレベルの場合には、出力側ラインを固定電位(グランド電位)に接続するリセットスイッチSWR1も接続される。 The first specific output Q = H level is an output of a later-described flip-flop FF, and the second specific output Q = L level is a flip-flop generated in synchronization with an output of a later-described second one-shot circuit OS2. This is the output of FF. In the case of Q = L level, the reset switch SW R1 connecting the output side line to a fixed potential (ground potential) is also connected.
すなわち、リセット信号の立下り時刻(基準時刻tRESET)に同期して、接続スイッチSWBが接続されて電荷蓄積がなされ、リセットスイッチSWR1及び放電スイッチSWR2は切断され、比較器10cの出力の切り替わり時刻tCOMに同期して、リセットスイッチSWR1及び放電スイッチSWR2は接続され、接続スイッチSWBは切断される。
That is, in synchronization with the fall time of the reset signal (reference time t RESET ), the connection switch SW B is connected and charge accumulation is performed, the reset switch SW R1 and the discharge switch SW R2 are disconnected, and the output of the
図4はキャパシタの両端電圧Vの時間的変化を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing a temporal change in the voltage V across the capacitor.
基準時刻tRESETから電圧Vは上昇し、電圧がVrefに到達したとき、すなわち、時刻tCOMになったときに電圧Vは0となる。これらの基準時刻tRESETと時刻tCOMの間の時刻が計測時間T0となる。 The voltage V increases from the reference time t RESET and becomes 0 when the voltage reaches Vref, that is, when the time t COM is reached. The time between the reference time t RESET and the time t COM is the measurement time T 0 .
図5は時間計測回路10dの回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram of the
時間計測回路10dは、リセット信号RESET(電圧をVRESETとする)の入力に応じてワンショットパルスを発生する第1ワンショット回路OS1と、比較器10cの出力の切り替わり(本例では立下り時刻)に応じて(比較器出力電圧をVCOMとする)ワンショットパルスを発生する第2ワンショット回路OS2と、第1及び第2のワンショット回路OS1,OS2の出力に応じて出力が切り替わるフリップフロップFFとを備えている。
The
図6はSRフリップフロップの入出力対応表である。 FIG. 6 is an input / output correspondence table of the SR flip-flop.
SR(セットリセット)フリップフロップFFは、もっとも基本的なフリップフロップFFであり、セット入力端子Sと、リセット入力端子R、出力端子Q,Qバー(QのNOT)を有している。SRフリップフロップFFは、端子S,Rをともに0とすると、出力端子Qは以前の状態を保持する。端子Sを0、端子Rを1とすると、端子Qは0となる。端子Sを1、端子Rを0とすると、端子Qは1となる。端子S,Rがともに1となるのは禁止されている。なお、ここでは、Hレベルを「0」(スイッチ接続)、Lレベルを「1」(スイッチ切断)とする。 The SR (set reset) flip-flop FF is the most basic flip-flop FF, and has a set input terminal S, a reset input terminal R, output terminals Q and Q bars (Q NOT). In the SR flip-flop FF, when the terminals S and R are both 0, the output terminal Q holds the previous state. If the terminal S is 0 and the terminal R is 1, the terminal Q is 0. If the terminal S is 1 and the terminal R is 0, the terminal Q is 1. It is forbidden for both terminals S and R to be 1. Here, the H level is “0” (switch connection), and the L level is “1” (switch disconnection).
フリップフロップFFの出力は、時間計測の基準時刻tRESETを与えるリセット信号(第1ワンショット回路OS1のパルス:LレベルでS端子に入力)と、時間計測の終了時刻tCOMを与える比較器10cの出力(第2ワンショット回路OS2のパルス:LレベルでR端子に入力)に応じて切り替わる。したがって、フリップフロップFFは、時間計測信号、すなわち、光検出素子10aに入射した光量に比例したパルス幅の方形波を出力することができる。
The output of the flip-flop FF includes a reset signal (the pulse of the first one-shot circuit OS1: input to the S terminal at the L level) that gives a time reference time t RESET , and a
図3においては、第2ワンショット回路OS2の出力(R端子にLレベル)によって、時間計測の終了時刻tCOMが与えられるので、QはLレベル(スイッチ切断)となり、QバーはHレベル(スイッチ接続)となり、この場合には、放電スイッチSWR2を接続してキャパシタCx内に蓄積された電荷を固定電位に放電する。 In FIG. 3, since the time measurement end time t COM is given by the output of the second one-shot circuit OS2 (the R terminal is at the L level), Q is at the L level (switch disconnection), and the Q bar is at the H level ( In this case, the discharge switch SW R2 is connected to discharge the charge accumulated in the capacitor Cx to a fixed potential.
なお、電荷の蓄積と放電は電荷の極性によるため、固定電位が正の電源などに接続されている場合には放電スイッチSWR2の接続時には正の電荷が流入することとなるが、この場合には、蓄積時にはキャパシタに負の電荷を蓄積するものとし、放電時には負の電荷が放電されたことと解すればよい。また、蓄積時と放電時の電荷量の差分をキャパシタの出力電圧とする構成も考えられる。 Since charge accumulation and discharge depend on the polarity of the charge, when the fixed potential is connected to a positive power source or the like, a positive charge flows in when the discharge switch SW R2 is connected. It can be understood that negative charge is stored in the capacitor during storage and negative charge is discharged during discharge. Further, a configuration in which the difference between the charge amounts during storage and discharge is used as the output voltage of the capacitor is also conceivable.
図7は変換係数制御回路の回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram of the conversion coefficient control circuit.
変換係数制御回路10fは、入出力兼用端子4からの入力パルス数をカウントするカウンタ10f1と、カウンタ10f1の出力に応じて変換係数αを決定するデコーダ10f2とを備えている。カウンタ10f1の出力に対応づけて変換係数αを決定すると、例えば、キャパシタの合成容量Cxが変換係数αになるように制御できるので、外部からの入力信号INPUTに応じてダイナミックレンジ及び検出感度を調整することができる。
Transform
また、変換係数αは、電流比Kにも比例するため、カウンタ10f1の出力に対応づけて、電流比Kを変えることもできる。
Moreover, the conversion factor alpha, to also proportional to the current ratio K, in association with the output of the
キャパシタCxは、比較器10cの入力端子とグランド電位との間に並列に接続された複数のキャパシタC1、C2,C3を有しており、各キャパシタC1、C2,C3を有効に機能させるためには、比較器10cの入力端子(反転入力端子)と各キャパシタC1、C2,C3間をそれぞれ接続する複数のスイッチSWC1、SWC2、SWC3を接続する。この接続数が多いほど、合成容量Cxは大きくなり、感度は低くなり、高い光量まで対応できる。
The capacitor Cx has a plurality of capacitors C1, C2, and C3 connected in parallel between the input terminal of the
また、カレントミラー側のスイッチSWT1、SWT2,SWT3の接続数が大きいほど、電流比Kは大きくなり、感度は高くなり、対応できる光量は低くなる。なお、変換係数α=K/Cxである。また、トランジスタの数は入力側及び出力側とも調整することができる。 Further, the larger the number of connections of the switches SW T1 , SW T2 , SW T3 on the current mirror side, the larger the current ratio K, the higher the sensitivity, and the lower the amount of light that can be handled. Note that the conversion coefficient α = K / Cx. The number of transistors can be adjusted on both the input side and the output side.
図8はデコーダの出力の一例を示す入出力対応表である。 FIG. 8 is an input / output correspondence table showing an example of the output of the decoder.
各スイッチの接続を示すビットを「0」、切断を示すビットを「1」とする。入力されたパルス数が0〜8の場合、カウンタ出力、デコーダ出力が示される。入力信号INPUTのパルス数が0〜2である場合、電流比Kが大の場合において、感度レンジがそれぞれ、低(L)、中(M)、高(H)を示す。入力パルス数が多いほど、感度は低くなる。 A bit indicating connection of each switch is “0”, and a bit indicating disconnection is “1”. When the number of input pulses is 0 to 8, counter output and decoder output are indicated. When the number of pulses of the input signal INPUT is 0 to 2, when the current ratio K is large, the sensitivity ranges indicate low (L), medium (M), and high (H), respectively. The greater the number of input pulses, the lower the sensitivity.
図9は各種信号のタイミングチャートである。 FIG. 9 is a timing chart of various signals.
リセット信号RESETがHレベルの期間trにおいては、トライステートバッファ10eは切断されており、入出力兼用端子4は入力ピンとして機能し、変換係数αの調整が行われる。例えば、感度レンジがHのときには、2つのパルスが入力され、キャパシタC1〜C3が全て接続され、感度が低くなる。
In the reset signal RESET period t r of the H level, the
リセット信号の立下り時において、フリップフロップFFのS端子にLレベルが入力されることで、時間計測回路10d(フリップフロップFF)の出力QはHレベルとなり、電荷蓄積が開始される。トライステートバッファ10eは接続される。電荷に比例した電圧Vが、比較器10cの基準電圧Vrefを超えた場合には、フリップフロップFFのR端子にLレベルが入力され、時間計測回路10d(フリップフロップFF)の出力QはLレベルとなり、電荷放電が行われる。次のリセット信号が入力されるまでは、トライステートバッファ10eは接続されており、入出力兼用端子4は出力ピンとして機能する。時間計測回路10dからは、光量に比例したパルス幅T0を有する方形波が出力されることとなる。
At the falling edge of the reset signal, the L level is input to the S terminal of the flip-flop FF, whereby the output Q of the
図10は入射光量(a.u.)に対するパルス幅(s)の関係を示すグラフである。感度レンジL,M,Hに応じて、パルス幅を変えることができる。なお、同図は、電源電位を3Vとし、入射光の波長は650nm、温度は25℃のときのグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the relationship of the pulse width (s) to the incident light amount (au). The pulse width can be changed according to the sensitivity ranges L, M, and H. The graph is a graph when the power supply potential is 3 V, the wavelength of incident light is 650 nm, and the temperature is 25 ° C.
図11は波長(nm)に対する相対感度(a.u.)の関係を示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the relationship of relative sensitivity (au) to wavelength (nm).
この例の光検出素子10aは、シリコンフォトダイオードであり、紫外線〜赤外線までの光に対して感度を有する。なお、上述の樹脂パッケージ11は、透明であるため、これらの光を透過する。
The
図12はダミー光検出素子と遮光体を備えた光ICの部分回路図である。 FIG. 12 is a partial circuit diagram of an optical IC provided with a dummy photodetecting element and a light shield.
本例では、光検出素子10aに対してカレントミラー回路CM’を介して並列に接続されたダミー光検出素子10a’と、ダミー光検出素子10a’上に設けられた遮光体SLDとを更に備えたものが開示されている。ダミー光検出素子10a’への光の入射は遮光体SLDによって遮られているので、このカレントミラー回路CM’のダミー光検出素子10a’側のラインには暗電流が流れる。
In this example, a dummy
この暗電流は、光検出用の光検出素子10aに流れる暗電流と等しいものと推定できるので、キャパシタCx側に接続されるカレントミラー回路CMの他方のラインには、暗電流が除去された電流が流れることとなる。
Since this dark current can be estimated to be equal to the dark current flowing in the
本発明は、光半導体集積回路装置に利用できる。 The present invention can be used for an optical semiconductor integrated circuit device.
10a・・・光検出素子、10b・・・電荷電圧変換回路、10c・・・比較器、10d・・・時間計測回路、10f・・・変換係数制御回路、10g・・・ANDゲート、4・・・入出力兼用端子。 10a, photodetection element, 10b, charge voltage conversion circuit, 10c, comparator, 10d, time measurement circuit, 10f, conversion coefficient control circuit, 10g, AND gate, 4, ..Input / output terminals.
Claims (13)
光検出素子と、
前記光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、
この電圧が入力される比較器と、
基準時刻から前記比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、
前記電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、
前記変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、前記時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子と、
を備え、
前記時間計測手段と前記入出力兼用端子とを接続するトライステートバッファを更に備え、
前記トライステートバッファへのイネーブル信号の入力に応じて、前記時間計測手段と前記入出力兼用端子とが実質的に接続/切断される、
ことを特徴とする光半導体集積回路装置。 In an optical semiconductor integrated circuit device,
A light detection element;
Charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of charge output from the photodetecting element;
A comparator to which this voltage is input;
Time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched;
Conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means;
An input / output terminal for inputting an input signal to the conversion coefficient control means from the outside and taking out an output signal from the time measurement means, and
Bei to give a,
A tristate buffer for connecting the time measuring means and the input / output terminal;
In response to the input of the enable signal to the tri-state buffer, the time measuring means and the input / output terminal are substantially connected / disconnected,
An optical semiconductor integrated circuit device.
光検出素子と、
前記光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、
この電圧が入力される比較器と、
基準時刻から前記比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、
前記電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、
前記変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、前記時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子と、
を備え、
前記時間計測手段と前記入出力兼用端子とを接続する接続スイッチを更に備え、
前記接続スイッチへのイネーブル信号の入力に応じて、前記時間計測手段と前記入出力兼用端子とが実質的に接続/切断される、
ことを特徴とする光半導体集積回路装置。 In an optical semiconductor integrated circuit device,
A light detection element;
Charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of charge output from the photodetecting element;
A comparator to which this voltage is input;
Time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched;
Conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means;
An input / output terminal for inputting an input signal to the conversion coefficient control means from the outside and taking out an output signal from the time measurement means, and
Bei to give a,
A connection switch for connecting the time measuring means and the input / output terminal;
In response to an enable signal input to the connection switch, the time measuring means and the input / output terminal are substantially connected / disconnected.
An optical semiconductor integrated circuit device.
ことを特徴とする請求項1に記載の光半導体集積回路装置。 A reset terminal for inputting the enable signal;
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 1 .
前記入出力兼用端子を介して前記変換係数制御手段へ入力信号が入力され、
前記時間計測手段と前記入出力兼用端子との接続期間内において、
前記時間計測手段が前記時間を計測する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光半導体集積回路装置。 Within the disconnection period of the time measuring means and the input / output terminal,
An input signal is input to the conversion coefficient control means via the input / output terminal,
In the connection period between the time measuring means and the input / output terminal,
The time measuring means measures the time;
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項3に記載の光半導体集積回路装置。 The reset terminal and the time measuring means are connected so that the enable signal input to the reset terminal is also used as a reset signal for giving the reference time of the time measuring means.
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 3 .
前記光検出素子に一方のラインが接続されたカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路の他方のラインに接続された可変容量のキャパシタと、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の光半導体集積回路装置。 The charge voltage conversion means includes
A current mirror circuit having one line connected to the light detection element;
A variable capacitor connected to the other line of the current mirror circuit;
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 3 , further comprising:
前記変換係数はこの容量に依存する、
ことを特徴とする請求項6に記載の光半導体集積回路装置。 The conversion coefficient control means controls the capacitance of the capacitor according to the input signal,
The conversion factor depends on this capacity,
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 6 .
前記一方のラインを前記入力側ラインとし、
前記他方のラインを前記出力側ラインとし、
前記変換係数制御手段は、その入力信号に応じて前記電流比を制御し、
前記変換係数はこの電流比に依存する、
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の光半導体集積回路装置。 The current ratio flowing through the input side line and the output side line of the current mirror circuit is variable,
The one line is the input line,
The other line is the output line,
The conversion coefficient control means controls the current ratio according to the input signal,
The conversion factor depends on this current ratio,
8. The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 6 or 7 , wherein:
光検出素子と、
前記光検出素子から出力される電荷量に応じた電圧を発生する電荷電圧変換手段と、
この電圧が入力される比較器と、
基準時刻から前記比較器の出力が切り替わるまでの時間を計測する時間計測手段と、
前記電荷電圧変換手段の変換係数を制御する変換係数制御手段と、
前記変換係数制御手段への入力信号を外部から入力し、且つ、前記時間計測手段からの出力信号を外部に取り出すための入出力兼用端子と、
を備え、
前記変換係数制御手段は、
前記入出力兼用端子からの入力パルス数をカウントするカウンタと、
前記カウンタの出力に応じて前記変換係数を決定するデコーダと、
を備えることを特徴とする光半導体集積回路装置。 In an optical semiconductor integrated circuit device,
A light detection element;
Charge voltage conversion means for generating a voltage corresponding to the amount of charge output from the photodetecting element;
A comparator to which this voltage is input;
Time measuring means for measuring the time from the reference time until the output of the comparator is switched;
Conversion coefficient control means for controlling the conversion coefficient of the charge voltage conversion means;
An input / output terminal for inputting an input signal to the conversion coefficient control means from the outside and taking out an output signal from the time measurement means, and
Bei to give a,
The conversion coefficient control means includes
A counter for counting the number of input pulses from the input / output terminal;
A decoder for determining the conversion coefficient according to the output of the counter;
An optical semiconductor integrated circuit device comprising:
前記リセット信号の入力に応じてワンショットパルスを発生する第1ワンショット回路と、
前記比較器の出力の切り替わりに応じてワンショットパルスを発生する第2ワンショット回路と、
前記第1及び第2のワンショット回路の出力に応じて出力が切り替わるフリップフロップと、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の光半導体集積回路装置。 The time measuring means includes
A first one-shot circuit that generates a one-shot pulse in response to the input of the reset signal;
A second one-shot circuit that generates a one-shot pulse in response to switching of the output of the comparator;
A flip-flop whose output switches according to the outputs of the first and second one-shot circuits;
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 5 , comprising:
前記光検出素子に一方のラインが接続されたカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路の他方のラインに接続された可変容量のキャパシタと、
前記他方のラインと前記キャパシタとを接続する接続スイッチと、
を備え、
前記リセット信号の入力に同期して発生した前記フリップフロップの出力によって、前記キャパシタへの電荷が蓄積されるように前記接続スイッチが接続されることを特徴とする請求項10に記載の光半導体集積回路装置。 The charge voltage conversion means includes
A current mirror circuit having one line connected to the light detection element;
A variable capacitor connected to the other line of the current mirror circuit;
A connection switch connecting the other line and the capacitor;
With
11. The optical semiconductor integrated circuit according to claim 10 , wherein the connection switch is connected so that electric charges are accumulated in the capacitor by an output of the flip-flop generated in synchronization with an input of the reset signal. Circuit device.
前記キャパシタと固定電位とを接続する放電スイッチを更に備え、
前記第2ワンショット回路の出力に同期して発生した前記フリップフロップの出力によって、前記キャパシタに蓄積された電荷が放電されるように前記放電スイッチが接続されることを特徴とする請求項11に記載の光半導体集積回路装置。 The charge voltage conversion means includes
A discharge switch for connecting the capacitor and a fixed potential;
12. The discharge switch according to claim 11 , wherein the discharge switch is connected so that the charge accumulated in the capacitor is discharged by the output of the flip-flop generated in synchronization with the output of the second one-shot circuit. The optical semiconductor integrated circuit device described.
前記ダミー光検出素子上に設けられた遮光体と、
を備えることを特徴とする請求項6に記載の光半導体集積回路装置。 A dummy photodetecting element connected in parallel to the photodetecting element via a current mirror circuit;
A light shield provided on the dummy photodetecting element;
The optical semiconductor integrated circuit device according to claim 6 , further comprising:
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