CN101900603B - 光传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光传感器电路，可以确保通过入射光生成的电流的宽动态范围，并且可以降低输出电流的温度变动。该光传感器电路包括：第一端子；第二端子；电流源；第一电流镜电路，包含：第一晶体管、第二晶体管以及第一电阻；以及第二电流镜电路，包含：第三晶体管以及第四晶体管。

Description

光传感器电路

技术领域

本发明涉及光传感器电路。

背景技术

使用了光电二极管、光电晶体管的照度传感器可以用于在便携机器中将显示装置用的背光源、操作键照明用发光元件依照与周围的照度对应的亮度而控制为点亮或熄灭状态。

在作为显示装置使用透射型液晶的情况下，如果在达到几万lux的明亮的室外使背光源熄灭，在从几lux到100lux的夜晚、昏暗的室内进行发光元件、背光源的亮度调整，则可以降低功耗。在这样的宽照度变化范围内，入射光所变换的输入电流的动态范围例如宽为100pA～1μA等。

在这样的情况下，构成照度传感器的光传感器电路需要在低照度区域中保持输入输出线性而提高分辨率、并且在高照度区域中压缩输出电流。

有削减消耗电流的光传感器电路的技术公开例(专利文献1)。在该例子中，具有：输出与受光的光的照度对应的值的电流的光电变换单元；以及供给光电变换单元的输出电流而进行对数变换后输出的对数变换单元。

但是，在该例子中，由于从低照度到高照度一样地进行对数压缩，所以存在特别无法充分地确保低照度下的检测分辨率的问题。

专利文献1：日本特开2006-237380号公报

发明内容

本发明提供一种光传感器电路，可以确保依照入射光的强度生成的光电流之宽动态范围，并且可以降低输出电流的温度变动。

根据本发明的一个方式，提供一种光传感器电路，其特征在于包括：第一端子；第二端子，在与上述第一端子之间供给电源电压；电流源，一个端部与上述第一端子连接，具有能够将入射光变换为电流的受光元件；第一电流镜电路，包含：具有与上述电流源的另一个端部连接的集电极和与上述第二端子连接的发射极的第一晶体管、具有与上述第二端子侧连接的发射极即面积宽于上述第一晶体管的发射极面积的发射极的第二晶体管、以及介在于上述第二晶体管的上述发射极与上述第二端子之间且温度系数成为正的第一电阻；以及第二电流镜电路，包含：具有与上述第二晶体管的集电极连接的集电极和与上述第一端子侧连接的发射极的第三晶体管、以及具有与上述第一端子侧连接的发射极即具有大于等于上述第三晶体管的发射极面积的发射极面积的发射极且从集电极输出与上述入射光的强度对应的电流的第四晶体管。

根据本发明的另一个方式，提供一种光传感器电路，其特征在于包括：第一端子；第二端子，在与上述第一端子之间供给电源电压；电流源，一个端部与上述第一端子连接，具有能够将入射光变换为电流的受光元件；第一电流镜电路，包含：具有与上述电流源的另一个端部连接的漏极和与上述第二端子连接的源极的第一晶体管、源极与上述第二端子侧连接并且栅极宽度与栅极长度之比大于上述第一晶体管的栅极宽度与栅极长度之比的第二晶体管、以及介在于上述第二晶体管的上述源极与上述第二端子之间且温度系数成为正的第一电阻；以及第二电流镜电路，包含：具有与上述第二晶体管的漏极连接的漏极和与上述第一端子侧连接的源极的第三晶体管、以及具有与上述第一端子侧连接的源极即具有大于等于上述第三晶体管的源极面积的源极面积的源极且从漏极输出与上述入射光的强度对应的电流的第四晶体管。

提供可以确保根据入射光的强度生成的光电流的宽动态范围，并且可以降低输出电流的温度变动的光传感器电路。

附图说明

图1是第一实施方式的光传感器电路。

图2是第一实施方式的输出电流的温度依赖性。

图3是第二实施方式的光传感器电路。

图4是第二实施方式的变形例的光传感器电路。

图5是第三实施方式的光传感器电路。

图6是第四实施方式的光传感器电路。

图7是光电二极管的分光特性的曲线图。

图8是第五实施方式的光传感器电路。

图9是逆导电型的电流镜电路例。

标号说明

10第一端子；12第二端子；16、17、54、68受光元件；18第一电阻；19电流源；20、21、30、31、32电流镜电路；50第二电阻；53第三电阻；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5晶体管。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1(a)是第一实施方式的光传感器电路图，图1(b)是示出其输入输出电流特性的曲线图。

光传感器电路具备光电二极管16等电流源、第一电流镜电路20、以及第二电流镜电路30。第一电流镜电路20具有NPN型的第一晶体管Q1以及第二晶体管Q2，与第二晶体管Q2的基极和集电极连接。另外，Q1、Q2的发射极与第一端子12的一侧连接。另外，作为受光元件使用了光电二极管，但也可以是光电晶体管。

光电二极管16介在于Q1的集电极与第一端子10之间。另外，Q2的发射极面积成为Q1的发射极面积的n倍。第一电阻18介在于Q2的发射极与第二端子12之间。在该图中，将第一端子10作为电源电压Vcc用的端子，将第二端子12作为接地GND，但本发明不限于此，也可以是相反的配置，或者也可以将向第一端子10供给的第一电压、与向第二端子12供给的第二电压之差作为光传感器电路中所需的电源电压。

另外，第二电流镜电路30具有PNP型的第三晶体管Q3、PNP型的第四晶体管Q4、以及NPN型的第五晶体管Q5。Q3、Q4的发射极分别与第一端子10的一侧连接。Q2的电流I2通过第二电流镜电路30被进一步放大而可以从输出端子14取出，以作为输出电流Io。

进而，在该图中，通过晶体管Q5来分别补偿第一电流镜电路20以及第二电流镜电路30中的基极电流。另外，本发明不限于此。例如，还可以将Q1的基极与集电极连接，将Q3的基极与集电极连接。但是，在如该图所示时，在直流电流放大率h_FE宽的范围内，易于将电流镜电路的电流保持为规定的比率。

在图1(a)的电路中，在由于入射光L而在电流源16中发生并输入到Q1的电流I1、与从Q2取出的电流I2之间，下式(1)～式(4)成立。

Vbe(Q1)＝Vbe(Q2)+R1×I2  式(1)

其中，

Vbe(Q1)：Q1的基极发射极间正向电压

Vbe(Q2)：Q2的基极发射极间正向电压

R1：第一电阻的值

Vt×ln(I1/Is)＝Vt×ln(I2/[n×Is])+R1×I2  式(2)

Vt＝kT/q  式(3)

其中，

Is：每单位面积的逆向饱和电流

k：Boltzmann常数

q：电子的电荷

T：绝对温度

Vt×ln(n×I1/I2)＝R1×I2  式(4)

其中，n：Q2与Q1的发射极面积比

光传感器电路的输入输出电流特性可以通过使用了式(4)的电路仿真来求出。

图1(b)是在n＝10的情况下，与第一电阻18的值R1为1以及10kΩ对应的输入输出电流特性的仿真结果。另外，在通过第二电流镜电路30放大之后，从Q4取出Q2的电流I2，以作为输出电流Io。

在R1＝1kΩ的情况下，如果向Q1的输入电流I1是10μA，则输出电流Io大致为950μA。相对于此，在R1＝10kΩ的情况下，如果输入电流I1是10μA，则输出电流Io大致为210μA而被更强地压缩。

在本实施方式中，与Q1相比，将Q2的发射极面积设定得更大(n＞1)。另外，在将第二电流镜电路30的发射极面积比设为大于1时，可以增大电流，所以是优选的。

另外，在低照度下来自光电二极管16的光电流Iin变低。在该情况下，通过式(1)，由第一电阻18引起的电压下降小，根据发射极面积比n来放大Q2中流过的电流I2。另一方面，在高照度下，光电流Iin变高。在该情况下，如式(1)所示，(R1×I2)的值变大，Q2的电流I2被压缩。

另外，在式(4)中，通常，n×I1＞I2，所以式(5)成立。

ln(n×I1/I2)＞0  式(5)

式(4)表示如果可以将电阻值R1的温度系数与式(3)的Vt的温度系数同样地设为正并适当地选择其值，则可以减小I2以及I1/I2的温度依赖性。

但是，即使使用了式(4)，一般也难以将电阻值R1简单地表示为温度变量的函数。因此，在动作温度范围中，通过仿真来求出数值解是实用的。

图2(a)以及图2(b)是通过仿真求出输出电流对温度的依赖性的曲线图。纵轴表示来自Q4的输出电流Io，横轴表示温度T(℃)。

图2(a)是输入电流I1为100nA的情况，且R1的温度系数为零(虚线)、1400ppm/℃(实线)、以及3000ppm/℃(单点划线)下的来自Q4的输出电流Io(A)。

如果温度系数在正的方向上增大，则输出电流Io相对温度的变动被降低。在集成电路中，使用形成晶体管的基极层的工序来形成电阻时，可以容易地形成例如温度系数是1400ppm/℃以上的扩散电阻。另外，在通过离子注入注入了杂质之后，通过热处理工序形成的电阻也包含在扩散电阻中。

如果可以将温度系数设为3000ppm/℃，则负40℃下的输出电流Io大致为22.6μA，100℃下的输出电流Io大致为22.9μA，所以可以将其变动降低为0.3μA。另一方面，在温度系数是零的情况下，负40℃下的输出电流Io大致为21.6μA，100℃下的输出电流Io大致为23.8μA，所以其变动为2.2μA。

另外，图2(b)是输入电流I1为1μA的情况。在温度系数是零时，负40℃下的输出电流Io大致为83.5μA，100℃下的输出电流Io大致为106μA，所以其变动大致为22.5μA。相对于此，在温度系数是1400ppm/℃时，负40℃下的输出电流Io为88μA，100℃下的输出电流Io大致为101μA，所以其变动被降低为大致13μA。进而，在温度系数是3000ppm/℃时，负40℃下的输出电流Io为94.5μA，100℃下的输出电流Io大致为95.5μA，所以其变动成为1.0μA而几乎不依赖于温度。

如上所述，在本实施方式中，可以通过将电阻温度系数设为正而降低输出电流Io相对温度的变动。因此，可以降低在低照度区域中亮度调整等级的由于温度引起的变动，另外可以降低在高照度区域中熄灭的照度等级的由于温度引起的变动。

这样，图1的光传感器电路的结构比将晶体管等非线性元件与运算放大器组合的光传感器电路的结构简单，所以易于缩小光传感器电路的芯片尺寸。另外，电源电压是基极发射极间正向电压Vbe与构成第二电流镜电路30的Q3的饱和电压之和，所以可以低到1V左右。因此，便携电子机器等的低功耗化变得容易。另外，光传感器电路检测的光的变化比数据传送用的光信号的变化慢。因此，即使集电极电容通过低电压动作增大而上升或下降时间变长，对光传感器电路的功能造成的影响也小。

图3(a)是第二实施方式的光传感器电路图，图3(b)是通过其直线刻度显示得到的输入输出电流特性的曲线图，图3(c)是通过两对数刻度显示得到的输入输出电流特性的曲线图。

通过来自光电二极管17的光电流Iin，输入电流I1被供给给晶体管Q6。电流源19具备由Q6以及晶体管Q7构成的电流镜电路、与可以对其输出进一步进行放大且由晶体管Q8、Q9构成的电流镜电路，所以可以放大输入电流I1。即，光电二极管17的端子经由电流镜电路，与第一晶体管Q1的集电极连接。

另外，例如将第一电流镜电路20的发射极面积比设为3，将第二电流镜电路30的发射极面积比设为30。另外，例如，将由Q6、Q7构成的电流镜电路的发射极面积比设为20，将由Q8、Q9构成的电流镜电路的发射极面积比设为5。另外，设R1＝10kΩ。

如图3(c)的两对数刻度曲线所示，在输入电流I1为几nA时，根据发射极面积比n，通过大致一定的增益，对输出电流Io进行放大，可以在低照度下高分辨率地检测照度。另一方面，在输入电流I1超过10nA时，输出被第一电阻18压缩的输出电流Io。因此，在室外超过规定的照度时，输出用于使发光元件熄灭的控制信号等变得容易。即，本实施方式的光传感器电路可以在从几直至几万lux的宽照度范围内进行照度检测。在使用了这样的光传感器电路时，可以实现可以维持高视觉辨认性并且可以降低功耗的显示装置。

图4(a)是第二实施方式的变形例的电路图，图4(b)是通过其直线刻度显示得到的输入输出电流特性，图4(c)是通过其两对数刻度显示得到的输入输出电流特性。

在本变形例中，在第二实施方式的结构中具备具有第四电阻48的第三电流镜电路21以及与其纵向连接并可以放大电流的第四电流镜电路31，可以进一步大幅压缩输出电流Io。

将第三电流镜电路21的发射极面积比设为5，将第四电流镜电路31的发射极面积比设为30等。另外，将第四电阻48的值R4设为1kΩ等。在本变形例中，如图3(c)所示，在输入电流I1为1～10μA的高照度范围中，与图2(c)相比可以压缩电流，可以得到更宽的输入动态范围。

图5(a)是第三实施方式的光传感器电路，图5(b)示出其输出电流的温度特性。

在第一实施方式中，将第一电阻18的值R1的温度系数例如设为1400ppm/℃。在该情况下，与温度系数是零的情况相比，可以降低输出电流Io的温度依赖性，但如图5(b)的实线A所示在从负40℃到正80℃的温度范围内，输出电流Io在139～160μA的范围内变动。如果温度系数是大致正3000ppm/℃，则可以如图2(a)以及图2(b)所示进一步改善温度特性。但是，在该情况下，需要通过与基极扩散工序不同的工艺来实现高温度系数。

相对于此，在第三实施方式中，第五电流镜电路32在Q3的发射极与第一端子10之间具有第二电阻50，在Q4与第一端子10之间具有第三电阻52。在该情况下，在Q3的电流I3与Q4的电流I4之间，下式(6)～式(8)的关系成立。

Vbe(Q3)+I3×R2＝Vbe(Q4)+I4×R3  式(6)

其中，

Vbe(Q3)：Q3的基极发射极间正向电压

Vbe(Q4)：Q4的基极发射极间正向电压

R2：第二电阻的值

R3：第三电阻的值

Vt×ln(I3/[A3×Is])+I3×R2

＝Vt×ln(I4/[A4×Is])+I4×R3  式(7)

其中，

A3：Q3的发射极面积

A4：Q4的发射极面积

在设发射极面积比n＝A4/A3时，成为下式(8)。

I4＝(R2/R3)×I3+(1/R3)×Vt×ln(n×I3/I4)  式(8)

第五电流镜电路32由于在保持了线性的区域中动作，所以是R2×I3＞＞Vt×ln(n×I3/I4)。因此，式(8)可以用下式(9)来近似。

I4＝(R2/R3)×I3  式(9)

即，在第一电阻18的电阻值R1的温度系数并不充分高、而例如是1400ppm/℃的情况下，即使相对温度增加而增加了输出电流Io，只要相对温度增加降低R2/R3，则可以降低输出电流Io的增加。即，将R2的温度系数设为负，将R3的温度系数设为零或正即可。例如，在使用低浓度多晶硅而将R2的温度系数设为大致负1850ppm/℃，使用高浓度多晶硅而将R3的温度系数设为大致零时，如图5(b)的虚线B所示，在从负40℃到正80℃的温度范围内，可以将输出电流Io的变动减小至146.5～150μA。即，无需特别使用用于形成温度系数高的扩散电阻的制造工艺，而形成温度系数不同的多晶硅电阻即可。

图6(a)是第四实施方式的光传感器电路，图6(b)是其光电二极管附近的示意剖面图。

光电二极管17具有形成在p型硅基板60中的n+型埋入区域62、n型外延层64、以及其表面的p型扩散层66，在n型外延层64与p型扩散层66之间形成有结。另外，光电二极管54在p型硅基板60与n+埋入区域62之间形成有结。

图7(a)是光电二极管17、54的分光特性，图7(b)是得到的电流的分光特性。

由于光电二极管17的结比光电二极管54的结浅，所以其相对分光灵敏度的峰值处于大致540nm，与光电二极管54的相对分光灵敏度的峰值即850nm更靠近短波长侧。可以将光电二极管17的面积与光电二极管18的面积设定为适当的比率。这样，在从光电二极管17的光电流Iin1减去光电二极管54的光电流Iin2而得到的电流Iin3中，长波长分量被消除，如图7(b)所示，可以得到接近视灵敏度的光传感器电路中所需的分光特性。在该情况下，在硅中，长波长侧的绝对光灵敏度比短波长侧的绝对光灵敏度高，所以优选将光电二极管17的面积设定为比光电二极管54的面积宽的比率。

图8(a)是第五实施方式的光传感器电路，图8(b)是其光电二极管附近的示意剖面图。

光电二极管68以及光电二极管17都具有n型外延层64与p型扩散层66之间的结。在光电二极管68的上方，设置有红外光透射滤色片70，使与其分光特性对应的红外区域的光电流透射。另一方面，对光电二极管17，输出与可见光～红外光的区域的分光特性对应的光电流，仅使可见光透射的滤色片在并非充分的特性的情况下可以使用这样的结构。

在将光电二极管17以及光电二极管68的面积设定为相等，将构成电流镜电路的晶体管Q16、Q17的发射极面积设为相同时，与光电二极管68的光电流大致相同的电流成为晶体管Q17的集电极电流，晶体管Q6的集电极电流成为从光电二极管17的光电流中减去光电二极管68的光电流而得到的电流、即与减去了红外光分量的电流Iin大致相同。另外，如果将光电二极管17与光电二极管68的面积比设为1∶(1/n)，将晶体管Q16与晶体管Q17的发射极面积比设为1∶n，则可以得到去除了红外分量的分光特性。另外，在该图中，电阻18、48压缩输出电流Io。另外，电阻82、83以及电容器84、85抑制电流镜电路的振荡。

在以上的实施方式中，第一电阻18也可以设置在导电型相反的晶体管的发射极侧。图9是在由相反导电型的晶体管构成的电流镜电路中设置了第一电阻18的例子。即，将Q1、Q2设为横向PNP晶体管，在第二端子12侧连接各自的发射极侧。在该情况下，对第二端子12供给正的电源电压Vcc，第一端子10被接地。

另外，晶体管不限于双极性晶体管，而也可以设为MOSFET、结型FET等。在该情况下，组合由P沟道MOFET构成的电流镜电路与由N沟道MOSFET构成的电流镜电路即可。另外，在利用MOSFET的结构中，电流镜比由栅极的尺寸比(栅极宽度W/栅极长度L)决定。

以上，参照附图，说明了本发明的实施方式。但是，本发明不限于这些实施方式。即使由本领域技术人员，关于构成本发明的电流镜电路、电流源、受光元件、电阻、以及晶体管的配置、材质、形状、尺寸、及导电型等进行了各种设计变更，只要不脱离本发明的要旨，则包含在本发明的范围中。

Claims (8)

1.一种光传感器电路，其特征在于包括：

第一端子；

第二端子，在与上述第一端子之间供给电源电压；

电流源，一个端部与上述第一端子连接，具有能够将入射光变换为电流的受光元件；

第一电流镜电路，包含：具有与上述电流源的另一个端部连接的集电极和与上述第二端子连接的发射极的第一晶体管、具有与上述第二端子连接的发射极的第二晶体管、以及介在于上述第二晶体管的上述发射极与上述第二端子之间且温度系数成为正的第一电阻；以及

第二电流镜电路，包含：具有与上述第二晶体管的集电极连接的集电极和与上述第一端子连接的发射极的第三晶体管、以及具有与上述第一端子连接的发射极且从集电极输出与上述入射光的强度对应的电流的第四晶体管，其中，

上述第二晶体管的发射极的发射极面积宽于上述第一晶体管的发射极面积，上述第四晶体管的发射极具有大于等于上述第三晶体管的发射极面积的发射极面积。

2.根据权利要求1所述的光传感器电路，其特征在于：

在上述入射光是低照度时，来自上述第四晶体管的上述电流，相对由上述受光元件变换的上述电流具有大致一定的增益并被输出，

在上述入射光是高照度时，来自上述第四晶体管的上述电流，由上述第一电阻压缩并被输出。

3.根据权利要求1或2所述的光传感器电路，其特征在于还包括：

温度系数成为负的第二电阻，设置在上述第三晶体管的上述发射极与上述第一端子之间；以及

温度系数成为零或正的第三电阻，设置在上述第四晶体管的上述发射极与上述第一端子之间。

4.根据权利要求1或2所述的光传感器电路，其特征在于：

上述第二电流镜电路还包含第五晶体管，该第五晶体管能够对向上述第三晶体管以及第四晶体管的各自的基极电流进行补偿。

5.根据权利要求3所述的光传感器电路，其特征在于：

上述第二电流镜电路还包含第五晶体管，该第五晶体管能够对向上述第三晶体管以及第四晶体管的各自的基极电流进行补偿。

6.一种光传感器电路，其特征在于包括：

第一端子；

第二端子，在与上述第一端子之间供给电源电压；

电流源，一个端部与上述第一端子连接，具有能够将入射光变换为电流的受光元件；

第一电流镜电路，包含：具有与上述电流源的另一个端部连接的漏极和与上述第二端子连接的源极的第一晶体管、源极与上述第二端子连接并且栅极宽度与栅极长度之比大于上述第一晶体管的栅极宽度与栅极长度之比的第二晶体管、以及介在于上述第二晶体管的上述源极与上述第二端子之间且温度系数成为正的第一电阻；以及

第二电流镜电路，包含：具有与上述第二晶体管的漏极连接的漏极和与上述第一端子连接的源极的第三晶体管、以及具有与上述第一端子连接的源极且从漏极输出与上述入射光的强度对应的电流的第四晶体管，其中，

上述第四晶体管的源极具有大于等于上述第三晶体管的源极面积的源极面积。

7.根据权利要求6所述的光传感器电路，其特征在于：

在上述入射光是低照度时，来自上述第四晶体管的上述电流，相对由上述受光元件变换的上述电流具有大致一定的增益并被输出，

在上述入射光是高照度时，来自上述第四晶体管的上述电流，由上述第一电阻压缩并被输出。

8.根据权利要求6或7所述的光传感器电路，其特征在于还包括：

温度系数成为负的第二电阻，设置在上述第三晶体管的上述源极与上述第一端子之间；以及

温度系数成为零或正的第三电阻，设置在上述第四晶体管的上述源极与上述第一端子之间。

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