CN102650546B - 光传感器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够确保足够的增益而不会导致输出信号的电压下降的光传感器以及电子设备。具备：正极接地的光电二极管(PD1)、一端连接到光电二极管(PD1)的负极的二极管组(DG1)、一端连接到二极管组(DG1)的另一端的电流源(I1)、对电流源(I1)的另一端施加一定电压的电源部、以及基极连接到光电二极管(PD1)的负极且集电极连接到电流源(I1)的一端的发射极接地型的NPN晶体管(QOUT1)。上述二极管组(DG1)是串联连接成导通方向朝向光电二极管(PD1)侧的n个(n是2以上的整数)二极管(D1，D2，...，Dn)，从二极管组(DG1)与电流源(I1)的连接点，在光电二极管(PD1)中流过的光电流变换为电压而作为光电变换信号输出。
Description
技术领域
本发明涉及光传感器和电子设备。
背景技术
以往，在光传感器中，通过在二极管中对2个光电二极管电流进行对数压缩，并进行差动比较输出，从而确保增益(例如，参照日本特开2006-294682号公报(专利文献1)和日本特开昭57-142523号公报(专利文献2))。
此外，在以往的其他光传感器中，通过达林顿(darlington)连接对2个光电二极管的光电流进行放大，得到高增益(例如，参照日本特开平11-345995号公报(专利文献3))。
例如，在复印机中，由于纸在复印机内的各个部分移动，因此使用数十个的多个用于检测物体的光中断器。因此，要求更廉价且高性能的光传感器。
因此，考虑上述专利文献1和专利文献2所示的、使用2个光电二极管并在二极管中压缩之后进行差动比较从而获得增益的方法，但是存在如下的问题：二极管具有-2mV/℃的温度特性，若成为100℃等的高温，则作为输出信号而无法取得足够的电压。因此，根据下级的电路结构而产生误动作或者产生动作偏差。
专利文献1：日本特开2006-294682号公报
专利文献2：日本特开昭57-142523号公报
专利文献3：日本特开平11-345995号公报
发明内容
因此，本发明的课题在于，提供一种能够确保足够的增益而不会导致输出信号的电压下降的光传感器、以及使用了该光传感器的电子设备。
为了解决上述课题，本发明的光传感器的特征在于，具备：光电二极管，其正极接地；电流电压变换部，其一端连接到上述光电二极管的负极；电流源，其一端连接到上述电流电压变换部的另一端；电源部，对上述电流源的另一端施加一定电压；以及发射极接地型或源极接地型的输出晶体管，其基极或栅极连接到上述光电二极管的负极，并且其集电极或漏极连接到上述电流源的一端，上述电流电压变换部包括具有串联连接成其导通方向朝向上述光电二极管侧的n个(n是2以上的整数)PN结的半导体元件组，从上述电流电压变换部与上述电流源的连接点，在上述光电二极管中流过的光电流变换为电压而作为光电变换信号输出。
根据上述结构，如果在电流电压变换部中串联地叠加2级以上的半导体元件组的PN结，则来自电流电压变换部与电流源的连接点的光电变换信号的电压电平根据PN结的级数而增加到整数倍。因此，能够确保足够的增益而不会导致输出的光电变换信号的电压下降。此外，通过在半导体基板上形成上述光电二极管和电流电压变换部和电流源和电源部和输出晶体管，从而与在电流电压变换部中使用大的电阻的情况相比，能够减小芯片面积，能够实现小型且低成本的光传感器。
另外，如果代替半导体元件组而作为电流电压变换部而使用电阻，则需要大的电阻，面积增加，因此不是有益的。
此外，在一个实施方式的光传感器中，上述电源部是，具有串联连接成其导通方向成为相同的方向的n+2个(n是2以上的整数)电源部用二极管，并基于上述串联连接的n+2个电源部用二极管的导通方向电压而输出上述一定电压的恒压电路。
根据上述实施方式，通过在恒压电路中叠加多级(n+2级)电源部用二极管，从而串联连接的n+2个电源部用二极管的导通方向电压在高温下变低，在低温下变高。如此，通过在恒压电路中使用串联连接成导通方向成为相同的方向的n+2个电源部用二极管，从而上述一定电压随着温度变化而变化。在这里，电流电压变换部的半导体元件组的PN结为n级，相对于此，将恒压电路的电源部用二极管设为n+1级以上，从而能够在形成了上述恒压电路的Si基板内实施如下的结构：对使用了通常Si基板的光电二极管施加反偏置，在其上叠加n级的PN结，从而实施电流电压变换。
此外，在一个实施方式的光传感器中，上述电流电压变换部是串联连接成其导通方向朝向上述光电二极管侧的n个(n是2以上的整数)二极管。
另外，该电流电压变换部的二极管也可以使用二极管连接的晶体管。
根据上述实施方式，能够以简单的结构来实现电流电压变换部。
此外，在一个实施方式的光传感器中，上述电流电压变换部是对多个晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，对上述达林顿晶体管的集电极施加来自上述电源部的上述一定电压，上述光电二极管的负极连接到上述达林顿晶体管的发射极，上述输出晶体管的集电极或漏极连接到上述达林顿晶体管的基极。
根据上述实施方式，通过重叠多级半导体元件组的PN结，从而在因光电变换信号的电压变高而相似度消失的情况下，由对初级晶体管和输出级晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管构成，且从达林顿晶体管的基极输出光电变换信号，从而与单纯地重叠多级半导体元件组的PN结的情况相比，能够将光电变换信号的电压降低数十mV～数百mV，能够进行电压调整。
在以往的光传感器中使用的达林顿连接中，例如在专利文献3(日本特开平11-345995号公报)中对光电二极管与电路进行达林顿连接的那样，将晶体管的基极作为输入而进行电流放大，相对于此，在本发明中，调换输入输出，将达林顿晶体管的基极作为电压输出(光电变换信号)而使用。
此外，在如上述专利文献3的电流放大中，依赖于晶体管的电流放大率hfe，因此特性偏差变得非常大。
另一方面，在将达林顿晶体管的基极作为电压输出的本发明中，例如在二级结构的达林顿晶体管中，将晶体管的热电压设为VT、将基极-发射极间电压设为VBE、将电流放大率设为hfe，则通过2VBE-VT×ln(hfe)表示光电变换信号的电压。例如，如果是hfe＝30，则光电变换信号的电压成为VT×ln(hfe)＝26×3.4＝88mV，即使偏差成hfe＝25而压缩为VT×ln(hfe)＝26×3.2＝84mV，也相对于2VBE＝约1V具有足够的相似度。
此外，在对光电二极管的输入光AC(交流)变动的情况下，如果将在光电二极管中流过的光电流设为Iin，则通过dVBE/dIin＝2VT/Iin表示dVBE/dIin，能够完全不依赖于晶体管的电流放大率hfe而对交流信号进行处理。
此外，在一个实施方式的光传感器中，上述电流电压变换部是对多个晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，上述电流源的一端连接到上述达林顿晶体管的集电极，上述光电二极管的负极连接到上述达林顿晶体管的发射极，上述输出晶体管的集电极或漏极连接到上述达林顿晶体管的基极。
根据上述实施方式，达林顿晶体管的集电极电位不会直接地与上述电源部的电压的接通连动，输出晶体管的基极电位的瞬间性的上升减少，抑制了构成达林顿晶体管的各晶体管的基极电位的下降，能够提前在电源电压接通时直到正常进行动作为止所需的启动时间。
此外，在一个实施方式的光传感器中，上述电流电压变换部是对多个晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，具备对上述达林顿晶体管供应电流的电流源电路，上述电流源电路的输出端连接到上述达林顿晶体管的集电极，上述光电二极管的负极连接到上述达林顿晶体管的发射极，上述输出晶体管的集电极或漏极连接到上述达林顿晶体管的基极。
根据上述实施方式，达林顿晶体管的集电极电位不会直接地与上述电源部的电压的接通连动，输出晶体管的基极电位的瞬间性的上升减少，抑制了构成达林顿晶体管的各晶体管的基极电位的下降，能够提前在电源电压接通时直到正常进行动作为止所需的启动时间。
此外，在一个实施方式的光传感器中，具备集电极或漏极连接到上述光电二极管的负极且基极或栅极共同连接到上述输出晶体管的发射极接地型或源极接地型的电流镜用晶体管，由上述达林顿晶体管和上述输出晶体管和上述电流镜用晶体管形成威尔逊(wilson)型电流镜电路。
根据上述实施方式，能够通过使在上述威尔逊型电流镜电路中产生的恒流流过达林顿晶体管，从而调整增益。能够通过威尔逊型电流镜电路来抑制对该达林顿晶体管的基极的输入电流，能够稳定上述输入电流，能够抑制增益的偏差。
此外，在一个实施方式的光传感器中，具备在一个输入端子中输入上述光电变换信号的比较器。
根据上述实施方式，通过将在上述电流电压变换部的半导体元件组的多级PN结中进行了电流电压变换的电压输出(光电变换信号)输入到比较器，从而能够进行电压放大和A/D变换(能够通过比较器得到与差动输入电平相比高的输出电压，或者通过比较器对差动输入电平进行2值化)。在由双极元件构成这样的比较器的情况下，能够使温度特性与二极管一致，因此即使不采用多级的二极管结构也能够稳定地进行动作。此外，在使用了MOS元件的比较器中，MOS晶体管的栅极-源极间电压VGS与晶体管的基极-发射极电压VBE变动不一致，因此如果使用在多级的二极管中进行了电压变换的电压则有益。
此外，在一个实施方式的光传感器中，具备2组具有上述光电二极管和上述电流电压变换部和上述输出晶体管的光电变换电路，具有形成了上述2组光电变换电路的半导体基板，上述电流电压变换部中的上述半导体元件组具有上述串联连接的2个上述PN结，具备在一个输入端子中输入来自上述2组光电变换电路中的一组的上述光电变换信号且在另一个输入端子中输入来自上述2组光电变换电路中的另一组的上述光电变换信号的比较器，上述2组光电变换电路的上述各电流电压变换部中的上述半导体元件组的2个上述PN结在上述半导体基板上交替地配置成交叉状。
在这里，上述半导体元件组可以是串联连接的2个二极管，也可以将二极管连接的晶体管串联连接2个，还可以是2级结构的达林顿晶体管。
根据上述实施方式，为了减少在电流电压变换部中的半导体元件组的2个PN结的导通方向电压的偏差，在半导体基板上交替地将2组光电变换电路的各电流电压变换部中的半导体元件组的2个PN结交替地配置成交叉状是有益的。由此，能够将通过扩散等而注入构成元件的杂质时的偏差、在晶片上进行图案形成时的偏差减小到最小限度。
此外，在一个实施方式的光传感器中，具备2组具有上述光电二极管和上述电流电压变换部和上述输出晶体管的光电变换电路，上述电流电压变换部是对初级晶体管和输出级晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，对上述达林顿晶体管的集电极施加来自上述电源部的上述一定电压，上述光电二极管的负极连接到上述达林顿晶体管的发射极，上述输出晶体管的集电极或漏极连接到上述达林顿晶体管的基极，具备在一个输入端子中输入来自上述2组光电变换电路中的一组的上述光电变换信号且在另一个输入端子中输入来自上述2组光电变换电路中的另一组的上述光电变换信号的比较器，上述2组光电变换电路中的一组具备集电极或漏极连接到上述光电二极管的负极的发射极接地型或源极接地型的第一电流镜用晶体管，上述2组光电变换电路中的另一组具备集电极或漏极连接到上述光电二极管的负极并且基极或栅极连接到上述集电极或漏极的、发射极接地型或源极接地型的第二电流镜用晶体管，上述第二电流镜用晶体管的基极或栅极连接到上述第一电流镜用晶体管的基极或栅极，由上述达林顿晶体管和上述输出晶体管和上述第二电流镜用晶体管形成威尔逊型电流镜电路。
根据上述实施方式，在将来自2组光电变换电路的光电变换信号输入到比较器的情况下，期望在电流电压变换部中流过的恒流是对称的。因此，通过将上述2组的光电变换电路的第一、第二电流镜用晶体管的基极或栅极的电位设为共同，从而能够削减在电流电压变换部中流过的恒流的偏差。
此外，在一个实施方式的光传感器中，具备用于遮蔽对上述2组光电变换电路中的另一组的上述光电二极管的输入光的遮蔽部。
根据上述实施方式，仅使用2组光电变换电路中的一组的光电二极管，并且在一组光电变换电路中也利用遮蔽了对光电二极管的输入光的另一组光电变换电路的电流源，因此能够抑制因对光电二极管的光电流变动而产生的电流源的微小电流变动。
此外，本发明的电子设备的特征在于，使用了上述的任意一个光传感器。
根据上述实施方式，通过使用能够确保足够的增益而不会导致输出信号的电压下降的上述光传感器，能够实现偏差少且可靠性高的电子设备。
一般，在这样的光传感器中使用的光接收IC(Integrated Circuit，集成电路)需要1mm2以上的面积，但是能够在0.5mm2以下中构成。
根据以上可知，根据本发明的光传感器，能够实现能够确保足够的增益而不会导致输出信号的电压下降的光传感器、以及使用了该光传感器的电子设备。
此外，在本发明的电子设备中，通过使用上述光传感器，能够实现偏差少并且可靠性高的电子设备。
通过以下的详细的说明和附图，能够更加充分地理解本发明。附图是用于进行说明的，而非用于限制本发明。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的光传感器的电路图。
图2是表示在上述光传感器中使用了晶体管的例子的电路图。
图3是比较例的光传感器的电路图。
图4是表示二极管的电压-电流特性的图。
图5是本发明的第二实施方式的光传感器的电路图。
图6是本发明的第三实施方式的光传感器的电路图。
图7是本发明的第四实施方式的光传感器的电路图。
图8是本发明的第五实施方式的光传感器的电路图。
图9是表示达林顿晶体管的初级晶体管和输出级晶体管的交叉配置的平面图。
图10是本发明的第六实施方式的光传感器的电路图。
图11是表示上述光传感器的变形例的电路图。
图12是表示上述光传感器的又一个变形例的电路图。
图13是表示上述光传感器的使用了虚(dummy)电容的其他的变形例的电路图。
图14是表示以往的光传感器的仿真结果的例子。
图15是表示本发明的光传感器的仿真结果的例子。
图16是比较的光传感器的电路图。
标号说明
PD1，PD2...光电二极管
Q1～Qn+2...NPN晶体管
QR...NPN晶体管
R1...电阻
D1，D2，～Dn...二极管
QOUT1，QOUT2...NPN晶体管
I1，I2，I3...电流源
C1...电容器
QA1，QA2...NPN晶体管
DG1，DG2...二极管组
CMP1，CMP2...比较器
M1，M2...MOS晶体管
DT0，DT1，DT2...达林顿晶体管
Q11，Q12，Q21，Q22...NPN晶体管
A1，A2，A3，A10，B1，B2，B3...光电变换电路
E1...电流源电路
具体实施方式
以下，通过图示的实施方式来详细说明本发明的光传感器。
【第一实施方式】
图1表示本发明的第一实施方式的光传感器的电路图。
如图1所示，在该第一实施方式的光传感器中，将发射极朝向地GND侧而对将发射极连接到地GND并将集电极连接到基极的NPN晶体管Q1、将集电极连接到基极的NPN晶体管Q2、将集电极连接到基极的NPN晶体管Q3、...、将集电极连接到基极的NPN晶体管Qn+2(n是2以上的整数)进行了串联连接。而且，将电阻R1的一端连接到NPN晶体管Qn+2的集电极，对该电阻R1的另一端施加电源电压Vcc。此外，将NPN晶体管QR的基极连接到电阻R1的一端，对NPN晶体管QR的集电极施加电源电压Vcc。由电阻R1和NPN晶体管Q1，Q2，Q3，...，Qn+2和NPN晶体管QR构成作为电源部的一例的恒压电路。从该恒压电路的NPN晶体管QR的发射极输出与n+1级的二极管(Q1，Q2，Q3，...，Qn+1)的导通方向电压量相当的一定电压Vref。
此外，将光电二极管PD1的正极连接到地GND，将作为电流电压变换部的一例的串联连接的二极管D1，D2，...，Dn的负极侧的端连接到该光电二极管PD1的负极。该二极管D1，D2，...，Dn是，具有串联连接成导通方向朝向光电二极管侧的、n个PN结的半导体元件组。
然后，将作为发射极接地型的输出晶体管的一例的NPN晶体管QOUT1的基极连接到光电二极管PD1的负极，将NPN晶体管QOUT1的发射极连接到地GND。而且，将NPN晶体管QOUT1的集电极连接到电流源I1的一端，对电流源I1的另一端施加一定电压Vref。此外，将串联连接的二极管D1，D2，...，Dn的正极侧的端连接到电流源I1的一端。
此外，在NPN晶体管QOUT1的基极与集电极之间连接电容器C1。
在该光传感器中，从串联连接了n个二极管D1，D2，...，Dn的二极管组DG1的正极侧的端输出光电变换信号VOUT1。
由上述光电二极管PD1和二极管组DG1(D1，D2，...，Dn)和电流源I1和NPN晶体管QOUT1和电容器C1，构成光电变换电路A1。
根据上述结构的光传感器，在光电二极管PD1和n级的二极管D1，D2，...，Dn中得到电压输出(光电变换信号VOUT1)。由此，能够得到以往的n倍的电压。
如图1所示，在恒压电路(R1，Q1，Q2，Q3，...，Qn+2，QR)中，对n+2级以上的二极管(Q1，Q2，Q3，...，Qn+2)和电阻R1供应电源电压Vcc，在n+2级的二极管(Q1，Q2，Q3，...，Qn+2)与电阻R1之间连接NPN晶体管QR的基极，从而得到与n+1级的二极管(Q1，Q2，Q3，...，Qn+2)的导通方向电压量相当的一定电压Vref。
在上述结构的光传感器中，在光电二极管PD1中没有入射光的情况下，从电流源I1经由二极管组DG1(D1，D2，...，Dn)而在NPN晶体管QOUT1中流过基极电流。因此，光电变换信号VOUT1的电压成为，对NPN晶体管QOUT1的基极-发射极间电压相加了偏置了上述基极电流的上述二极管组DG1(D1，D2，...，Dn)的导通方向电压的电压。另一方面，当存在对光电二极管PD1的入射光的情况下，在上述二极管组DG1(D1，D2，...，Dn)中流过光电二极管PD1的光电流IPD1，从而上述导通方向电压增加，与没有入射光的情况相比，光电变换信号VOUT1的电压电平变大。
根据上述结构的光传感器，如果在二极管组DG1(D1，D2，...，Dn)中串联地叠加2级以上的PN结，则光电变换信号的电压电平根据PN结(二极管D1，D2，...，Dn)的级数而增加到整数倍。因此，能够确保足够的增益而不会导致输出的光电变换信号的电压下降。
通常，在形成了上述恒压电路(R1，Q1，Q2，Q3，...，Qn+2，QR)的半导体基板内，能够实现对光电二极管PD1连接n级的PN结而实施电流电压变换的结构。如此，通过在同一半导体基板中形成上述恒压电路和光电变换电路A1，从而与在电流电压变换部中使用大的电阻的情况相比，能够减小芯片面积，能够实现小型且低成本的光传感器。
在这里，如图4所示，二极管的导通方向电压根据电流值而变动，因此通过使0.1mA～1mA程度的电流流过恒压电路侧的二极管(NPN晶体管Q1，Q2，Q3，...，Qn+2)，从而能够得到每一级0.8V的电压。
相反地，通过调整光电二极管尺寸使得光电二极管PD1的光电流IPD1成为1nA～10nA程度，从而能够在光电变换电路A1侧的二极管(D1，D2，...，Dn)中得到每一级0.5V的电压。如此，能够在每一级形成0.8V-0.5V＝0.3V程度的电压差。例如，如图2所示，即使恒压Vref为3VBE、光电变换信号VOUT1也为3VBE，也产生晶体管QA1、QA2的VBE2级量的上述电压差、0.3V×2＝0.6V的电压相似度，能够向下级进行电压输出。
图3表示比较例的光传感器的电路图，在该比较例的光传感器中，电流电压变换部在常温下晶体管1级的电压为0.5V时，在高温下电压大幅下降为0.3V程度，无法得到足够的输出电压，但是，如图1、图2所示，通过将电流电压变换部的PN结设为多级，从而得到2倍以上的输出电压。
【第二实施方式】
图5表示本发明的第二实施方式的光传感器的电路图。该第二实施方式的光传感器，除了达林顿晶体管之外具有与第一实施方式的光传感器相同的结构，并且对相同的结构部附加了相同的参考号。
如图5所示，在该第二实施方式的光传感器中，将恒压电路的输出级的NPN晶体管QR的发射极连接到达林顿晶体管DT1的集电极，将达林顿晶体管DT1的发射极连接到光电二极管PD1的负极。而且，将达林顿晶体管DT1的基极连接到NPN晶体管QOUT1的集电极。
上述达林顿晶体管DT1具有：基极连接到NPN晶体管QOUT1的集电极的初级的NPN晶体管Q11、以及基极连接到NPN晶体管Q11的发射极且集电极连接到NPN晶体管Q11的集电极的输出级的NPN晶体管Q12。
由上述光电二极管PD1和达林顿晶体管DT1和电流源I1和NPN晶体管QOUT1和电容器C1，构成光电变换电路A2。
上述第二实施方式的光传感器具有与第一实施方式的光传感器相同的效果。
此外，根据上述结构的光传感器，通过设为将电流电压变换部作为达林顿晶体管DT1、将达林顿晶体管DT1的基极作为输出的电路结构，从而在将初级的NPN晶体管Q11和输出级的NPN晶体管Q12的热电压分别设为VT、将基极-发射极间电压设为VBE、将电流放大率设为hfe时，所输出的光电变换信号的电压成为2VBE-VT×1n(hfe)。因此，能够将光电变换信号的电压降低数十mV～数百mV，能够进行电压调整。
【第三实施方式】
图6表示本发明的第三实施方式的光传感器的电路图。该第三实施方式的光传感器，除了对供应至达林顿晶体管DT1的电流源电路的连接点之外，具有与第二实施方式的光传感器相同的结构，并且对相同的结构部附加了相同的参考号。
如图6所示，在该第三实施方式的光传感器中，在上述电流源I1的一端与NPN晶体管QOUT1的集电极的连接点中连接有达林顿晶体管DT1的集电极。
由上述光电二极管PD1和达林顿晶体管DT1和电流源I1和NPN晶体管QOUT1和电容器C1，构成光电变换电路A10。
上述第三实施方式的光传感器具有与第二实施方式的光传感器相同的效果。
此外，根据上述结构的光传感器，在接通电源电压Vcc时，能够缩短直到正常动作为止所需的时间即启动时间。对此，在以下进行说明。
在上述第二实施方式中，在电源电压Vcc接通的同时，来自电源部(R1，Q1，Q2，Q3，...，Qn+2，QR)的电压Vref也接通。这时，由于NPN晶体管Q12的寄生电容(集电极-发射极间电容)和NPN晶体管QOUT1的基极与地之间的寄生电容，在电源电压Vcc接通的瞬间，NPN晶体管QOUT1的基极的电位瞬间性地上升。该NPN晶体管QOUT1的基极电位的瞬间性的上升导致NPN晶体管Q11的基极电位的下降，并且导致NPN晶体管Q12的基极电位的下降。使上述基极电位的下降恢复到通常电位状态的偏置电流是，流过NPN晶体管Q11和Q12的偏置电流，但是在该偏置电流微小的情况下，恢复上述基极电位需要时间。根据以上的理由，存在启动时间(在电源电压Vcc接通时直到正常动作为止所需的时间)变长的可能性。
因此，作为解决上述启动时间的增加的问题的手段，如图6那样，将达林顿晶体管DT1的集电极连接到电流源I1的一端与NPN晶体管QOUT1的集电极的连接点。由此，达林顿晶体管DT1的集电极电位直接地与上述电压Vref的电位的接通连动的情况不会存在。因此，上述NPN晶体管QOUT1的基极电位的瞬间性的上升减少，抑制了NPN晶体管Q11的基极电位的下降，并且抑制了NPN晶体管Q12的基极电位的下降，能够提前启动时间(在电源电压Vcc接通时直到正常动作为止所需的时间)。
此外，在上述第三实施方式的例子中，将达林顿晶体管DT1的集电极即NPN晶体管Q11和NPN晶体管Q12的集电极连接到电流源I1的一端与NPN晶体管QOUT1的集电极的连接点，但是，即使将NPN晶体管Q11的集电极连接到恒压电路的输出级的NPN晶体管QR的发射极，仅将NPN晶体管Q12的集电极连接到电流源I1的一端与NPN晶体管QOUT1的集电极的连接点，也能够得到与上述相同的效果。
【第四实施方式】
图7表示本发明的第四实施方式的光传感器的电路图。该第四实施方式的光传感器，除了供应至达林顿晶体管DT1的电流源电路之外，具有与第三实施方式的光传感器相同的结构，并且对相同的结构部附加了相同的参考号。
如图7所示，在该第四实施方式的光传感器中，对达林顿晶体管DT1的集电极连接了设置成用于达林顿晶体管DT1的、专用的电流源电路E1。
上述电流源电路具有：发射极接地且基极与集电极连接的NPN晶体管Q03、发射极连接到NPN晶体管Q03的集电极的达林顿晶体管DT0、一端连接到达林顿晶体管DT0的集电极且在另一端中施加有一定电压Vref的电流源I0。达林顿晶体管DT0具有：集电极和基极连接到电流源I0的一端的初级的NPN晶体管Q01、以及基极连接到NPN晶体管Q01的发射极且集电极连接到NPN晶体管Q01的集电极的输出级的NPN晶体管Q02。
上述第四实施方式的光传感器具有与第三实施方式相同的效果。
此外，在第三实施方式中，从电流源I1供应在达林顿晶体管DT1中流过的电流，电流源I1也供应集电极接地型的NPN晶体管QOUT1的偏置电流。因此，在接受了输入光的光电二极管PD1中流过光电流IPD1，在达林顿晶体管DT1中流过电流，则NPN晶体管QOUT1的偏置电流减少在达林顿晶体管DT1中流过的电流量。这引起光电变换电路A10的AC特性的恶化，为了使得光电二极管PD1的光电流IPD1变大且NPN晶体管QOUT1的偏置电流不减少，需要增大电流源I1的电流。
因此，作为解决上述问题的手段，如图7所示，从专用的电流源电路E1供应在达林顿晶体管DT1中流过的电流。在图7的一例中，设为如下的结构：在一定电压Vref与地GND之间，串联连接了电流源I0和由NPN晶体管Q01，Q02构成的达林顿晶体管DT0和二极管连接的NPN晶体管Q03，并且从电流源I0与达林顿晶体管DT0的连接点将电流供应至达林顿晶体管DT1。对由上述NPN晶体管Q01，Q02，Q03构成的电路部进行调整，使得电流源I0和达林顿晶体管DT1不会处于饱和状态。
【第五实施方式】
图8表示本发明的第五实施方式的光传感器的电路图。该第五实施方式的光传感器被使用于光学式编码器用的光接收电路，该光学式编码器在发光元件与光接收元件之间设置具有缝隙的移动体，并读取移动体的缝隙动作。
上述第五实施方式的光传感器具备：第一实施方式的图1所示的恒压电路(电阻R1和NPN晶体管Q1，Q2，Q3，...，Qn+2和NPN晶体管QR)和图1所示的第一光电变换电路A1、比较器CMP1、与光电变换电路A1相同的结构的第二光电变换电路B1。
上述第二光电变换电路B1具有光电二极管PD2、二极管组DG2、NPN晶体管QOUT2、电流源I2、电容器C2。此外，比较器CMP1由电阻R11，R12、MOS晶体管M1，M2、以及由MOS元件组成的电流源I3构成。
根据上述结构的光传感器，如图8所示，通过将在第一、第二光电变换电路A1、B1中进行了电流电压变换的电压输出(光电变换信号)输入到比较器CMP1，从而能够进行电压放大和A/D变换。
此外，通过将来自上述两组的光电变换电路A1、B1的光电变换信号分别输入到由MOS元件构成的比较器CMP1，从而通过比较器CMP1的输入部和恒流部的MOS元件，即使在高温下也能够确保比较器CMP1的输出电压。
将图8的光电变换电路A1、B1的二极管组DG1、DG2设为n＝2级而实施光电变换的情况下，作为例子而例举图5所示的2级结构的达林顿晶体管的情况，则如图9所示，将一个光电变换电路的达林顿晶体管的初级晶体管Q11、输出级晶体管Q12和另一个光电变换电路的达林顿晶体管的初级晶体管Q21、输出级晶体管Q22，在半导体基板上交替地配置为交叉状。
在这里，在达林顿晶体管的初级晶体管和输出级晶体管中，将上述最外周的n型扩散区域作为集电极，将其内侧的p型扩散区域作为基极，将最内侧的n型扩散区域作为发射极，构成基极与发射极相连接的晶体管(二极管)。
如此，通过将构成2组光电变换电路的各个达林顿晶体管的初级晶体管和输出级晶体管在半导体基板上交替地配置为交叉状，从而能够抑制通过扩散等而将杂质注入到n型扩散区域或p型扩散区域时的偏差、在晶片上进行图案形成时的偏差。
另外，作为交叉状配置的说明，例举了2级结构的达林顿晶体管，但也可以是串联连接的2个二极管，也可以串联连接2个二极管连接的晶体管。
【第六实施方式】
图10表示本发明的第六实施方式的光传感器的电路图。该第六实施方式的光传感器具备：第一实施方式的图1所示的恒压电路(电阻R1和NPN晶体管Q1，Q2，Q3，...，Qn+2和NPN晶体管QR)和光电变换电路A3、比较器CMP2、与光电变换电路A3相同的结构的光电变换电路B3。对上述比较器CMP2的一个输入端子输入来自光电变换电路A3的光电变换信号VOUT1，对比较器CMP2的另一个输入端子输入来自光电变换电路B3的光电变换信号VOUT2。
该光电变换电路A3除了NPN晶体管QOUT11、QOUT12之外，具有与第二实施方式的光电变换电路A2相同的结构，对相同的结构部施加了相同的参考号。
在该光电变换电路A3中，将作为输出晶体管的一例的MOS晶体管QOUT11的漏极连接到达林顿晶体管DT1的基极，将MOS晶体管QOUT11的源极连接到地。此外，将MOS晶体管QOUT11的栅极连接到光电二极管PD1的负极。进而，将作为电流镜用晶体管的一例的MOS晶体管QOUT12的漏极连接到光电二极管PD1的负极，将该MOS晶体管QOUT12的栅极连接到MOS晶体管QOUT11的栅极。将该MOS晶体管QOUT12的源极连接到地。
由上述达林顿晶体管DT1和NPN晶体管QOUT11、QOUT12构成威尔逊型电流镜电路。此外，由上述达林顿晶体管DT2和NPN晶体管QOUT21、QOUT22构成威尔逊型电流镜电路。
此外，比较器CMP2是，将由MOS晶体管构成的电流镜电路作为电流源负载而使用的一般的比较器，省略对其的说明。
如图10所示，通过在威尔逊型电流镜电路中的基极电流补偿用的二极管部中使用光电二极管PD1、PD2，从而例如若将电流源I1设为1μA，将镜像比设为1000∶1而将在MOS晶体管QOUT12中流过的电流设为1nA，则能够进行光电变换的增益调整。
另外，在光电变换电路A3、B3的通过MOS晶体管的威尔逊型电流镜电路的结构中，镜像比由栅极的尺寸比决定。
为了将上述光电变换电路A3、B3设为高灵敏度，需要将无输入光时的光电二极管电流设为nA量级，因在各自的电流镜电流中产生偏差，偏差变大。
因此，如图11所示，将光电变换电路A3的MOS晶体管QOUT12的栅极连接到光电变换电路B3的MOS晶体管QOUT22的栅极，而并非连接到MOS晶体管QOUT11的栅极。由此，在光电变换电路A3、B3中，将作为威尔逊型电流镜电路的基准的栅极电位设为共同，从而能够抑制光电变换电路A3、B3的特性偏差。
在不是如光学式编码器那样的对邻接的光的大小进行比较的传感器、而是如用于物体的检测的光电二极管中断器或光耦合器、亮度传感器那样使用1个光电二极管的传感器中，由虚光电二极管或虚电容构成单侧，因此通过如图12所示那样在成为基准的虚侧产生基准电流，从而完全不会受到依赖光量的影响。在这里，图12中的虚侧也可以不是虚光电二极管、即通过遮蔽部S遮蔽了输入光的光电二极管PD2，而是相等尺寸的虚电容CD(参照图13)。
在图14、图15中表示，通过如此的本发明中的多级的二极管导入而调整了输入电压电平的比较器输出中的滞后(hysteresis)特性的偏差改善的仿真结果(105℃)。图14是图16所示的比较例的光传感器的仿真结果，此外图15是图11所示的光传感器的仿真结果。图16所示的比较例的光传感器的不同点在于，在光电变换电路A4、B4中，代替达林顿晶体管DT1、DT2(表示于图11)而使用了NPN晶体管QA1、QA2。
在图14、图15中，横轴表示滞后比率(非检测→检测)/(检测→非检测)，纵轴表示个数。该图14、图15表示滞后比率的MOS偏差分布。另外，在图14、图15中，为了方便进行比较，通过2个纵线(实线)表示了滞后比率550E-3～950E-3的范围(“E-3”是10×-3)。
在这里，图14所示的比较例的光传感器的仿真结果中，通过“标准偏差σ/平均”表示的变动系数为12.36％，相对于此，在图15所示的本发明的光传感器中，变动系数成为4.16％。
在图14所示的比较例的光传感器中，MOS晶体管若漏极-源极间电压VDS变小，则滞后特性的偏差变得非常大，无法保留特性，相对于此，从图15可知，在本发明的光传感器中，通过能够使构成恒流部的MOS晶体管在饱和特性区域进行动作，从而能够确保足够的漏极-源极间电压VDS，变动系数大约成为1/3，大幅改善了滞后特性的偏差。
作为使用了本发明的光传感器的电子设备，适合使用于如下的电子设备：例如作为用于物体检测或用于检测物体动作速度的装置，使用了需要高灵敏度且小型化的光中断器的复印机、打印机、携带设备、使用了电动机的电子产品等。
此外，也适合使用于在烟传感器、近接传感器、测距传感器等中需要高灵敏度的电子设备、或者无法确保充分的容积来安装光传感器的小型的电子设备。
在上述第一～第六实施方式中，说明了作为电流电压变换部而具备串联连接的二极管D1，D2，...，Dn、NPN晶体管Q11，Q12，Q11，Q12、达林顿管DT1，DT2的光传感器。但是电流电压变换部不限定于此，只要是包括如下的半导体元件组即可：该半导体元件组具有，串联连接成其导通方向朝向光电二极管侧的n(n是2以上的整数)个PN结。
对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述第一～第六实施方式，在本发明的范围内能够进行各种变更而实施。
Claims (8)
1.一种光传感器，其特征在于，具备：
光电二极管，其正极接地；
电流电压变换部，其一端连接到所述光电二极管的负极；
电流源，其一端连接到所述电流电压变换部的另一端；
电源部，对所述电流源的另一端施加一定电压；以及
发射极接地型或源极接地型的输出晶体管，其基极或栅极连接到所述光电二极管的负极，并且其集电极或漏极连接到所述电流源的一端，
所述光传感器是，从所述电流电压变换部与所述电流源的连接点，在所述光电二极管中流过的光电流变换为电压而作为光电变换信号输出的光传感器，
所述电流电压变换部是，对多个晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，
对所述达林顿晶体管的集电极施加来自所述电源部的所述一定电压，所述光电二极管的负极连接到所述达林顿晶体管的发射极，所述输出晶体管的集电极或漏极连接到所述达林顿晶体管的基极，
所述光传感器具备：发射极接地型或源极接地型的电流镜用晶体管，其集电极或漏极连接到所述光电二极管的负极，并且其基极或栅极共同连接到所述输出晶体管，
由所述达林顿晶体管和所述输出晶体管和所述电流镜用晶体管形成威尔逊型电流镜电路。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，
所述电源部是恒压电路，其中该恒压电路具有串联连接成其导通方向成为相同的方向的n+2个电源部用二极管，并基于所述串联连接的n+2个电源部用二极管的导通方向电压而输出所述一定电压，n是2以上的整数。
3.如权利要求1或2所述的光传感器，其特征在于，具备：
比较器，在其一个输入端子中输入所述光电变换信号。
4.如权利要求1或2所述的光传感器，其特征在于，
所述光传感器具备2组光电变换电路，其中该光电变换电路具有所述光电二极管和所述电流电压变换部和所述输出晶体管，
所述光传感器具有形成了所述2组光电变换电路的半导体基板，
所述2组光电变换电路的各电流电压变换部中的所述达林顿晶体管由初级晶体管和输出级晶体管构成，
所述光传感器具备比较器，该比较器在其一个输入端子中输入来自所述2组光电变换电路中的一组的所述光电变换信号，并且在其另一个输入端子中输入来自所述2组光电变换电路中的另一组的所述光电变换信号，
所述2组光电变换电路中的一组光电变换电路的达林顿晶体管的初级晶体管与输出级晶体管、以及另一组光电变换电路的达林顿晶体管的初级晶体管与输出级晶体管在所述半导体基板上交替地配置成交叉状。
5.一种光传感器，其特征在于，具备：
光电二极管，其正极接地；
电流电压变换部，其一端连接到所述光电二极管的负极；
电流源，其一端连接到所述电流电压变换部的另一端；
电源部，对所述电流源的另一端施加一定电压；以及
发射极接地型或源极接地型的输出晶体管，其基极或栅极连接到所述光电二极管的负极，并且其集电极或漏极连接到所述电流源的一端，
所述光传感器是，从所述电流电压变换部与所述电流源的连接点，在所述光电二极管中流过的光电流变换为电压而作为光电变换信号输出的光传感器，
所述光传感器具备2组光电变换电路，其中该光电变换电路具有所述光电二极管和所述电流电压变换部和所述输出晶体管，
所述电流电压变换部是，对初级晶体管和输出级晶体管进行了达林顿连接的达林顿晶体管，
对所述达林顿晶体管的集电极施加来自所述电源部的所述一定电压，所述光电二极管的负极连接到所述达林顿晶体管的发射极，所述输出晶体管的集电极或漏极连接到所述达林顿晶体管的基极，
所述光传感器具备比较器，该比较器在其一个输入端子中输入来自所述2组光电变换电路中的一组的所述光电变换信号，并且在其另一个输入端子中输入来自所述2组光电变换电路中的另一组的所述光电变换信号，
所述2组光电变换电路中的一组具备，其集电极或漏极连接到所述光电二极管的负极的发射极接地型或源极接地型的第一电流镜用晶体管，
所述2组光电变换电路中的另一组具备，其集电极或漏极连接到所述光电二极管的负极并且其基极或栅极连接到所述集电极或漏极的、发射极接地型或源极接地型的第二电流镜用晶体管，
所述第二电流镜用晶体管的基极或栅极连接到所述第一电流镜用晶体管的基极或栅极，由所述达林顿晶体管和所述输出晶体管和所述第二电流镜用晶体管形成威尔逊型电流镜电路。
6.如权利要求5所述的光传感器，其特征在于，
所述电源部是恒压电路，其中该恒压电路具有串联连接成其导通方向成为相同的方向的n+2个电源部用二极管，并基于所述串联连接的n+2个电源部用二极管的导通方向电压而输出所述一定电压，n是2以上的整数。
7.如权利要求5或6所述的光传感器，其特征在于，具备：
遮蔽部，用于遮蔽对所述2组光电变换电路中的另一组的所述光电二极管的输入光。
8.一种电子设备，其特征在于，使用了权利要求1至7的任一项所述的光传感器。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |