JP2007158702A - Optical sensor circuit - Google Patents

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典之 篠塚
Tomoyuki Kamiyama
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical sensor circuit capable of widely utilizing a dynamic range of a linear region of an input output characteristic curve of a CMOS inverter by effectively using the linear region in the optical sensor circuit for using the CMOS inverter to amplify an optical current. <P>SOLUTION: The optical sensor circuit 10 includes: a photodiode PD including a capacitor C connected between the anode 11a and the cathode 11b in parallel with the photodiode PD and converting incident light L1 into a current signal; the CMOS inverter IA whose input side is connected to one terminal electrode of the photodiode PD; a MOS switching transistor (12, 21) used to select connection or interruption between an input terminal and an output terminal of the CMOS inverter and for reversing a changing direction of an input side electric potential of the CMOS inverter by capacitive coupling at the interruption; and a pixel selection transistor 13 connected to an output side of the CMOS inverter. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は光センサ回路に関し、特に、光信号を電気信号に変換する光電変換素子からの光電流をCMOSインバータで増幅することにより微弱光を高感度で検出するのに好適な光センサ回路に関する。   The present invention relates to an optical sensor circuit, and more particularly to an optical sensor circuit suitable for detecting weak light with high sensitivity by amplifying a photocurrent from a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electrical signal by a CMOS inverter.

従来、微弱な光信号を高い感度で電気信号に変換して検出する光センサ回路として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)インバータを利用して光電変換素子であるフォトダイオードから出力される光電流を増幅するように構成された光センサ回路が知られている(特許文献1)。増幅手段としてCMOSインバータを使用するのは、回路構成が簡単であり、イメージセンサチップとして集積回路を作製することが容易であるという理由に基づいている。このCMOSインバータは、PチャンネルとNチャンネルのエンハンスメント形MOSトランジスタを用いた一種のプッシュ・プル回路で構成されている。   Conventionally, as a photosensor circuit that detects weak optical signals by converting them into electrical signals with high sensitivity, a photocurrent output from a photodiode, which is a photoelectric conversion element, is amplified using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) inverter. An optical sensor circuit configured to do this is known (Patent Document 1). The CMOS inverter is used as the amplifying means because the circuit configuration is simple and it is easy to manufacture an integrated circuit as the image sensor chip. This CMOS inverter is constituted by a kind of push-pull circuit using P-channel and N-channel enhancement type MOS transistors.

図7と図8に上記CMOSインバータの回路構成を示す。図7はイメージセンサの1つ画素すなわち1つの光センサ回路の要部の電気回路を示す。1つの光センサ回路101は、フォトダイオードPDと、フォトダイオードPDのアノードとカソードの間に並列に接続された寄生容量であるコンデンサCとを有する。フォトダイオードPDのカソードとアースとの間には電源102(Vdd)が接続される。フォトダイオードPDのアノード側には前述のエンハンスメント形MOSトランジスタ103が接続される。フォトダイオードPDのアノードは、エンハンスメント形MOSトランジスタ103の2つのゲートに接続され、センサ信号をエンハンスメント形MOSトランジスタ103に入力する。2つのゲートに接続される端子103aはエンハンスメント形MOSトランジスタ103の入力端子である。またエンハンスメント形MOSトランジスタ103の端子103bはセンサ信号を出力する出力端子である。エンハンスメント形MOSトランジスタ103の入力端子103aと出力端子103bのそれぞれに、並列な接続関係で、MOS型スイッチングトランジスタ104のドレインとソースが接続されている。また、エンハンスメント形MOSトランジスタ103の図7中の上端子には電圧VDD(=5V)が印加され、下端子はグランドに接続されている。   7 and 8 show the circuit configuration of the CMOS inverter. FIG. 7 shows an electric circuit of a main part of one pixel of the image sensor, that is, one photosensor circuit. One photosensor circuit 101 includes a photodiode PD and a capacitor C that is a parasitic capacitance connected in parallel between the anode and the cathode of the photodiode PD. A power supply 102 (Vdd) is connected between the cathode of the photodiode PD and the ground. The enhancement type MOS transistor 103 is connected to the anode side of the photodiode PD. The anode of the photodiode PD is connected to two gates of the enhancement type MOS transistor 103, and a sensor signal is input to the enhancement type MOS transistor 103. A terminal 103 a connected to the two gates is an input terminal of the enhancement type MOS transistor 103. The terminal 103b of the enhancement type MOS transistor 103 is an output terminal for outputting a sensor signal. The drain and source of the MOS type switching transistor 104 are connected to the input terminal 103a and the output terminal 103b of the enhancement type MOS transistor 103 in parallel connection relation. Further, the voltage VDD (= 5 V) is applied to the upper terminal of the enhancement type MOS transistor 103 in FIG. 7, and the lower terminal is connected to the ground.

図7に示したエンハンスメント形MOSトランジスタ103をCMOSインバータIAとして表現すると、その電気回路は図8のごとくなる。図8において、図7で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付している。図8に示した回路構成において、MOS型スイッチングトランジスタ104は、CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断する。MOS型スイッチングトランジスタ104がオン(ゲート電圧がLoレベル)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は接続(短絡)され、MOS型スイッチングトランジスタ104がオフ(ゲート電圧がHiレベル)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は遮断される。MOS型スイッチングトランジスタ104のゲート電圧をLoレベルにしてCMOSインバータIAの入力端子と出力端子を短絡させることにより、CMOSインバータIAおよびフォトダイオードPDの動作点(バイアス点)を設定する。CMOSインバータIAの動作点(バイアス点)は、CMOSインバータIAの入出力特性曲線と、入力電圧(Vin)=出力電圧(Vout)の関係を満たす直線との交点として設定される(特許文献1の図4参照)。CMOSインバータIAの動作点は、その入出力特性曲線の中央の直線的な線形領域のほぼ中央付近に設定される。線形領域のほぼ中央付近はもっとも増幅率(ゲイン)が大きな箇所である。上記のごとくMOS型スイッチングトランジスタ104がオン(接続)からオフ(遮断)に切り換わると、フォトダイオードPDの出力端子での電圧変化を高い増幅率で増幅し、その出力端子に読み出すことができ、微弱光を高感度で検出することが可能となる。   When the enhancement type MOS transistor 103 shown in FIG. 7 is expressed as a CMOS inverter IA, the electric circuit is as shown in FIG. In FIG. 8, the same elements as those described in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. In the circuit configuration shown in FIG. 8, the MOS switching transistor 104 connects or disconnects the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. When the MOS type switching transistor 104 is on (the gate voltage is Lo level), the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA are connected (short circuit), and when the MOS type switching transistor 104 is off (the gate voltage is Hi level), the CMOS inverter The input terminal and output terminal of the IA are blocked. The operating point (bias point) of the CMOS inverter IA and the photodiode PD is set by setting the gate voltage of the MOS switching transistor 104 to the Lo level and short-circuiting the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA. The operating point (bias point) of the CMOS inverter IA is set as an intersection between the input / output characteristic curve of the CMOS inverter IA and a straight line satisfying the relationship of input voltage (Vin) = output voltage (Vout) (see Patent Document 1). (See FIG. 4). The operating point of the CMOS inverter IA is set approximately near the center of the linear linear region at the center of the input / output characteristic curve. Near the center of the linear region is the place with the largest amplification factor (gain). As described above, when the MOS switching transistor 104 is switched from on (connected) to off (cut off), the voltage change at the output terminal of the photodiode PD can be amplified with a high amplification factor and read out to the output terminal. It becomes possible to detect faint light with high sensitivity.

上記のごとき回路構成を有する光センサ回路101を多数用意してマトリックス状に配列することにより、画像を撮像する2次元のイメージセンサを作ることができる。   By preparing a large number of optical sensor circuits 101 having the circuit configuration as described above and arranging them in a matrix, a two-dimensional image sensor that captures an image can be made.

このような光センサ回路101は、少ない光量であっても高感度に検出することができるという特性を有しており、夜間などの暗所での撮影への応用が検討されている。
特開平11−220657号公報
Such an optical sensor circuit 101 has a characteristic that it can be detected with high sensitivity even with a small amount of light, and its application to photographing in a dark place such as at night is under study.
JP-A-11-220657

上記の特許文献1に開示されたイメージセンサの各光センサ回路101では、MOS型スイッチングトランジスタ104はPMOS型の構造である。このため、MOS型スイッチングトランジスタ104をオフしてフォトダイオードPDのコンデンサCに光電荷を蓄積させる時、当該オフ動作に基づく容量結合によってCMOSインバータIAの動作点の位置が入力端側電位に関して高電位側に移動してしまうという現象が起きる。換言すれば、MOS型スイッチングトランジスタ104のオフ動作(遮断時)によってCMOSインバータIAの入力端の電位が容量結合によって上昇する。さらにフォトダイオードPDのアノード側の電位も光入射によって上昇する(蓄積時)。この結果、この蓄積時に、CMOSインバータIAの動作点は、入力端側電位の観点で、ますます高電位側に推移する。この状態を図9に示す。図9のグラフで、横軸は入力電圧(Vin)を示し、縦軸は出力電圧(Vout)を意味する。CMOSインバータIAの動作点(バイアス点)は、CMOSインバータIAの入出力特性曲線C1と、入力電圧(Vin)=出力電圧(Vout)の関係を満たす直線C2との交点P1として設定されている。図9において、矢印AR1は上記の「遮断時」における電位の上昇を示し、矢印AR2は上記の「蓄積時」における電位の上昇を示している。   In each photosensor circuit 101 of the image sensor disclosed in Patent Document 1, the MOS type switching transistor 104 has a PMOS type structure. For this reason, when the MOS type switching transistor 104 is turned off and the photoelectric charge is accumulated in the capacitor C of the photodiode PD, the position of the operating point of the CMOS inverter IA is high with respect to the input terminal side potential by capacitive coupling based on the off operation. The phenomenon of moving to the side occurs. In other words, the potential at the input terminal of the CMOS inverter IA rises due to capacitive coupling due to the off operation (when shutting off) of the MOS switching transistor 104. Furthermore, the potential on the anode side of the photodiode PD also rises upon light incidence (during accumulation). As a result, during this accumulation, the operating point of the CMOS inverter IA shifts to a higher potential side in terms of the input end side potential. This state is shown in FIG. In the graph of FIG. 9, the horizontal axis represents the input voltage (Vin), and the vertical axis represents the output voltage (Vout). The operating point (bias point) of the CMOS inverter IA is set as an intersection P1 between the input / output characteristic curve C1 of the CMOS inverter IA and the straight line C2 that satisfies the relationship of input voltage (Vin) = output voltage (Vout). In FIG. 9, the arrow AR <b> 1 indicates a potential increase during the above-mentioned “cut-off”, and the arrow AR <b> 2 indicates a potential increase during the “accumulation”.

以上のように、フォトダイオードPDでの光電荷の蓄積は、MOS型スイッチングトランジスタ104のオフ動作後の入力端側電位が上昇した状態で開始されることになる。その結果、CMOSインバータIAの入出力特性曲線C1の線形領域をほとんど使用することができなくなり、線形領域のダイナミックレンジが極端に低下してしまうという問題ががあった。   As described above, the accumulation of photoelectric charges in the photodiode PD is started in a state where the input terminal side potential after the MOS-type switching transistor 104 is turned off is increased. As a result, there is a problem that the linear region of the input / output characteristic curve C1 of the CMOS inverter IA can hardly be used, and the dynamic range of the linear region is extremely lowered.

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、CMOSインバータで光電流を増幅する光センサ回路において、CMOSインバータの入出力特性曲線の線形領域を有効に使用し、線形領域のダイナミックレンジを広く利用できる光センサ回路を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to effectively use the linear region of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter and widely use the dynamic range of the linear region in an optical sensor circuit that amplifies photocurrent with a CMOS inverter. It is to provide an optical sensor circuit.

本発明に係る光センサ回路は、上記目的を達成するために、次のように構成される。   The optical sensor circuit according to the present invention is configured as follows in order to achieve the above object.

第1の光センサ回路(請求項1に対応)は、2つの電極(アノード、カソード)の間に並列に接続される静電容量素子を含み、入射光を電流信号に変換する光電変換素子(フォトダイオード)と、光電変換素子の一方の電極に入力側が接続されるCMOSインバータと、CMOSインバータの入力端と出力端との接続または遮断を選択し、かつ遮断時にCMOSインバータの入力側電位での容量結合による変化方向を反対にするMOS型スイッチングトランジスタと、CMOSインバータの出力側に接続される画素選択用トランジスタを備えるように構成される。   A first photosensor circuit (corresponding to claim 1) includes a capacitive element connected in parallel between two electrodes (anode, cathode), and a photoelectric conversion element (converting incident light into a current signal) Photodiode), a CMOS inverter whose input side is connected to one electrode of the photoelectric conversion element, and a connection or disconnection between the input end and the output end of the CMOS inverter, and at the input side potential of the CMOS inverter at the time of disconnection A MOS type switching transistor that reverses the direction of change due to capacitive coupling and a pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter are provided.

上記の光センサ回路では、入射された光信号を電流信号に変換する光電変換素子の出力信号を増幅するCMOSインバータ入力端と出力端との接続または遮断を選択するMOS型スイッチングトランジスタを遮断時にCMOSインバータの入力側電位での容量結合による変化方向を反対にする特性を有するものにしたので、増幅時にCMOSインバータの入出力特性曲線の線形領域を有効に活用でき、線形領域のダイナミックレンジを広く利用することが可能となる。   In the above optical sensor circuit, a CMOS switching transistor that selects connection or disconnection between a CMOS inverter input terminal and an output terminal that amplifies an output signal of a photoelectric conversion element that converts an incident optical signal into a current signal is turned off when a CMOS switching transistor is cut off. Since the inverter has a characteristic that reverses the direction of change due to capacitive coupling at the input side potential, the linear region of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter can be used effectively during amplification, and the dynamic range of the linear region is widely used. It becomes possible to do.

第2の光センサ回路(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは、CMOSインバータの入力側が接続される光電変換素子の電極はアノードであり、MOS型スイッチングトランジスタはNMOS型スイッチングトランジスタであることで特徴づけられる。   In the second photosensor circuit (corresponding to claim 2), the electrode of the photoelectric conversion element to which the input side of the CMOS inverter is connected is preferably an anode, and the MOS type switching transistor is an NMOS type switching transistor. It is characterized by being.

第3の光センサ回路(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、CMOSインバータの入力側が接続される光電変換素子の電極はカソードであり、MOS型スイッチングトランジスタはPMOS型スイッチングトランジスタであることで特徴づけられる。   In the third photosensor circuit (corresponding to claim 3), preferably, the electrode of the photoelectric conversion element connected to the input side of the CMOS inverter is a cathode, and the MOS type switching transistor is a PMOS type switching transistor. It is characterized by being.

本発明によれば、光センサ回路における光電変換素子での光電荷の蓄積が、CMOSインバータの入力端と出力端を接続または遮断するMOS型スイッチングトランジスタの遮断動作後におけるCMOSインバータの入力側電位での容量結合による変化方向を反対にしたため、電荷蓄積時に動作点が最適に設定され、CMOSインバータの入出力特性曲線の線形領域を有効に使用することができ、線形領域のダイナミックレンジが有効に活用して応答領域を広げることができる。   According to the present invention, photoelectric charge accumulation in the photoelectric conversion element in the optical sensor circuit is determined by the input side potential of the CMOS inverter after the cutoff operation of the MOS type switching transistor that connects or shuts off the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter. Since the direction of change due to capacitive coupling is reversed, the operating point is optimally set during charge accumulation, the linear region of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter can be used effectively, and the dynamic range of the linear region is effectively utilized Thus, the response area can be expanded.

以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1と図2を参照して本発明に係る光センサ回路の第1の実施形態を説明する。図1は第1実施形態による1つの光センサ回路(画素)を示す電気回路を示し、図2は当該光センサ回路に含まれるCMOSインバータの動作点(バイアス点)の変化状態のグラフを示す。図1に示した電気回路は基本的に図8で説明した電気回路と同じであり、図2に示したグラフは図9で説明したグラフと同じである。図1と図2において、図8と図9で説明した要素と同じ要素には同一の符号を付している。   A first embodiment of an optical sensor circuit according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows an electric circuit showing one photosensor circuit (pixel) according to the first embodiment, and FIG. 2 shows a graph of a change state of an operating point (bias point) of a CMOS inverter included in the photosensor circuit. The electric circuit shown in FIG. 1 is basically the same as the electric circuit described in FIG. 8, and the graph shown in FIG. 2 is the same as the graph described in FIG. 1 and 2, the same elements as those described in FIGS. 8 and 9 are denoted by the same reference numerals.

図1において、1つの光センサ回路10は、フォトダイオードPDと、フォトダイオードPDのアノード11aとカソード11bの間に並列に接続された、寄生の静電容量であるコンデンサCとを有する。フォトダイオードPDは、受光面に入射される光L1を電流信号に変換する。この電流信号は、フォトダイオードPDの出力側がオープン状態にあるときにはコンデンサCに蓄積される。   In FIG. 1, one photosensor circuit 10 includes a photodiode PD and a capacitor C, which is a parasitic capacitance, connected in parallel between the anode 11a and the cathode 11b of the photodiode PD. The photodiode PD converts the light L1 incident on the light receiving surface into a current signal. This current signal is accumulated in the capacitor C when the output side of the photodiode PD is in an open state.

フォトダイオードPDのカソード11bには電圧Vddが印加されている。フォトダイオードPDのアノード11aにはCMOSインバータIAの入力端子が接続されている。CMOSインバータIAは、PチャンネルとNチャンネルのエンハンスメント形MOSトランジスタを用いた一種のプッシュ・プル回路である。CMOSインバータIAの入力端子と出力端子のそれぞれに、並列な接続関係で、MOS型スイッチングトランジスタ12のドレインとソースが接続されている。   A voltage Vdd is applied to the cathode 11b of the photodiode PD. The input terminal of the CMOS inverter IA is connected to the anode 11a of the photodiode PD. The CMOS inverter IA is a kind of push-pull circuit using P-channel and N-channel enhancement type MOS transistors. The drain and source of the MOS type switching transistor 12 are connected to the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA in a parallel connection relationship.

MOS型スイッチングトランジスタ12は、CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断する。MOS型スイッチングトランジスタ12がオン(ゲート電圧が高レベルHi)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は接続(短絡)され、MOS型スイッチングトランジスタ12がオフ(ゲート電圧が低レベルLo)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は遮断される。MOS型スイッチングトランジスタ12のゲート電圧を低レベル(Lo)から高レベル(Hi)に切り換えてCMOSインバータIAの入力端子と出力端子を短絡させることにより、CMOSインバータIAおよびフォトダイオードPDの動作点(バイアス点)を設定する。CMOSインバータIAの動作点(バイアス点)は、図2に示すごとく、CMOSインバータIAの入出力特性曲線C1と、入力電圧(Vin)=出力電圧(Vout)の関係を満たす直線C2との交点P1として設定される。   The MOS type switching transistor 12 connects or disconnects the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. When the MOS type switching transistor 12 is on (the gate voltage is high level Hi), the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA are connected (short-circuited), and when the MOS type switching transistor 12 is off (the gate voltage is low level Lo) The input terminal and output terminal of the CMOS inverter IA are cut off. By switching the gate voltage of the MOS switching transistor 12 from a low level (Lo) to a high level (Hi) and short-circuiting the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA, the operating points (bias) of the CMOS inverter IA and the photodiode PD are biased. Point). As shown in FIG. 2, the operating point (bias point) of the CMOS inverter IA is an intersection P1 between the input / output characteristic curve C1 of the CMOS inverter IA and a straight line C2 that satisfies the relationship of input voltage (Vin) = output voltage (Vout). Set as

CMOSインバータIAの動作点は、入出力特性曲線C1の中央の直線的な線形領域のほぼ中央付近に設定される。線形領域のほぼ中央付近はもっとも増幅率(ゲイン)が大きな箇所である。上記のごとくMOS型スイッチングトランジスタ12がオフ(遮断)からオン(接続)に切り換わると、フォトダイオードPDの出力端子での電圧変化を高い増幅率で増幅し、その出力端子に読み出すことができ、微弱光を高感度で検出することが可能となる。   The operating point of the CMOS inverter IA is set near the center of the linear linear region at the center of the input / output characteristic curve C1. Near the center of the linear region is the place with the largest amplification factor (gain). As described above, when the MOS type switching transistor 12 is switched from off (blocking) to on (connection), the voltage change at the output terminal of the photodiode PD can be amplified with a high amplification factor and read out to the output terminal. It becomes possible to detect faint light with high sensitivity.

上記のMOS型スイッチングトランジスタ12はNMOS型スイッチングトランジスタである。   The MOS type switching transistor 12 is an NMOS type switching transistor.

さらにCMOSインバータIAの出力端子には画素選択用のMOS型トランジスタ13が接続されている。MOS型トランジスタ13から出力端子が引き出される。   Further, a MOS transistor 13 for pixel selection is connected to the output terminal of the CMOS inverter IA. An output terminal is drawn from the MOS transistor 13.

上記の光センサ回路10の構成によれば次の作用が生じる。CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断するスイッチ手段としてNMOS型スイッチングトランジスタ12を用いる。従って、フォトダイオードPDのコンデンサCに光電荷を蓄積させるため、NMOS型スイッチングトランジスタ12をオフしてMOSインバータIAを遮断する時、CMOSインバータIAの入力側電位での容量結合による変化方向が反対になり、CMOSインバータIAの動作点の位置が入力端側電位に関して低電位側に移動させることができる。この状態を図2の矢印AR11(遮断時)で示す。さらに、その後、フォトダイオードPDが光電変換作用を生じアノード11a側の電位が光L1の入射によって上昇する(蓄積時)と、CMOSインバータIAの動作点は入力端側電位の観点で反対に高電位側に推移する。この状態は、図2の矢印AR12(蓄積時)で示される。   According to the configuration of the optical sensor circuit 10 described above, the following operation occurs. An NMOS type switching transistor 12 is used as a switching means for connecting or blocking the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. Therefore, when the NMOS switching transistor 12 is turned off and the MOS inverter IA is shut off in order to accumulate photoelectric charge in the capacitor C of the photodiode PD, the direction of change due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter IA is reversed. Thus, the position of the operating point of the CMOS inverter IA can be moved to the low potential side with respect to the input terminal side potential. This state is indicated by an arrow AR11 in FIG. Further, when the photodiode PD subsequently undergoes a photoelectric conversion action and the potential on the anode 11a side rises upon incidence of the light L1 (during accumulation), the operating point of the CMOS inverter IA is on the contrary high potential in terms of the input end side potential. To the side. This state is indicated by an arrow AR12 (during accumulation) in FIG.

以上のように、本実施形態の光センサ回路10によれば、フォトダイオードPDでの光電荷の蓄積は、NMOS型スイッチングトランジスタ12のオフ動作後の入力端側電位が低下した状態で開始されることになる。その結果、CMOSインバータIAの入出力特性曲線C1の線形領域を有効に使用することができ、線形領域のダイナミックレンジが有効に活用して応答領域を広げることができる。   As described above, according to the photosensor circuit 10 of the present embodiment, accumulation of photocharge in the photodiode PD is started in a state where the input terminal side potential after the NMOS switching transistor 12 is turned off is lowered. It will be. As a result, the linear region of the input / output characteristic curve C1 of the CMOS inverter IA can be used effectively, and the response region can be expanded by effectively utilizing the dynamic range of the linear region.

次に、図3と図4を参照して本発明に係る光センサ回路の第2の実施形態を説明する。図3は図1と同様な図であり、図4は図2と同様な図である。図3と図4において、図1と図2で説明した要素と同じ要素には同一の符号を付している。   Next, a second embodiment of the optical sensor circuit according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 is a view similar to FIG. 1, and FIG. 4 is a view similar to FIG. 3 and 4, the same elements as those described in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

1つの光センサ回路20は、フォトダイオードPDと、フォトダイオードPDのアノード11aとカソード11bの間に並列に接続されたコンデンサCとを有する。フォトダイオードPDのアノード11aはアースに接続されている。他方、フォトダイオードPDのカソード11bにはCMOSインバータIAの入力端子が接続されている。CMOSインバータIAの入力端子と出力端子のそれぞれに、並列な接続関係で、PMOS型スイッチングトランジスタ21のドレインとソースが接続されている。   One photosensor circuit 20 includes a photodiode PD and a capacitor C connected in parallel between the anode 11a and the cathode 11b of the photodiode PD. The anode 11a of the photodiode PD is connected to the ground. On the other hand, the input terminal of the CMOS inverter IA is connected to the cathode 11b of the photodiode PD. The drain and source of the PMOS switching transistor 21 are connected to the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA in a parallel connection relationship.

PMOS型スイッチングトランジスタ21は、CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断する。PMOS型スイッチングトランジスタ21がオン(ゲート電圧がLoレベル)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は接続(短絡)され、PMOS型スイッチングトランジスタ21がオフ(ゲート電圧がHiレベル)のときCMOSインバータIAの入力端子と出力端子は遮断される。PMOS型スイッチングトランジスタ21の機能は、第1実施形態のNMOS型スイッチングトランジスタ12の機能を同じである。その他の回路構成は、第1実施形態の光センサ回路10と同じである。   The PMOS switching transistor 21 connects or disconnects the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. When the PMOS type switching transistor 21 is on (the gate voltage is Lo level), the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA are connected (short-circuited), and when the PMOS type switching transistor 21 is off (the gate voltage is Hi level), the CMOS inverter The input terminal and output terminal of the IA are blocked. The function of the PMOS switching transistor 21 is the same as that of the NMOS switching transistor 12 of the first embodiment. Other circuit configurations are the same as those of the optical sensor circuit 10 of the first embodiment.

上記の光センサ回路20の構成によれば次の作用が生じる。CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断するスイッチ手段としてPMOS型スイッチングトランジスタ21を用いる。従ってフォトダイオードPDのコンデンサCに光電荷を蓄積させるため、PMOS型スイッチングトランジスタ21をオフしてMOSインバータIAを遮断する時、CMOSインバータIAの入力側電位での容量結合による変化方向が反対になり、CMOSインバータIAの動作点の位置を入力端側電位に関して高電位側に移動させることができる。この状態を図4の矢印AR21(遮断時)で示す。さらに、その後、フォトダイオードPDが光電変換作用を生じカソード11b側の電位が光L1の入射によって降下する(蓄積時)と、CMOSインバータIAの動作点は入力端側電位の観点で反対に低電位側に推移する。この状態は、図4の矢印AR22(蓄積時)で示される。   According to the configuration of the optical sensor circuit 20 described above, the following operation occurs. A PMOS switching transistor 21 is used as a switching means for connecting or blocking the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. Therefore, in order to accumulate photocharge in the capacitor C of the photodiode PD, when the PMOS switching transistor 21 is turned off and the MOS inverter IA is shut off, the direction of change due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter IA is reversed. The position of the operating point of the CMOS inverter IA can be moved to the high potential side with respect to the input terminal side potential. This state is indicated by an arrow AR21 (when shut off) in FIG. Further, when the photodiode PD subsequently undergoes a photoelectric conversion action and the potential on the cathode 11b side drops due to the incidence of the light L1 (accumulation), the operating point of the CMOS inverter IA is conversely low in terms of the input end side potential. To the side. This state is indicated by an arrow AR22 (during accumulation) in FIG.

以上のように、本実施形態の光センサ回路20によれば、フォトダイオードPDでの光電荷の蓄積(電位の降下)は、PMOS型スイッチングトランジスタ21のオフ動作後の入力端側電位が上昇した状態で開始されることになる。その結果、CMOSインバータIAの入出力特性曲線C1の線形領域を有効に使用することができ、線形領域のダイナミックレンジが有効に活用して応答領域を広げることができる。   As described above, according to the photosensor circuit 20 of the present embodiment, the photoelectric charge accumulation (potential drop) in the photodiode PD is caused by an increase in the input terminal side potential after the PMOS switching transistor 21 is turned off. Will be started in the state. As a result, the linear region of the input / output characteristic curve C1 of the CMOS inverter IA can be used effectively, and the response region can be expanded by effectively utilizing the dynamic range of the linear region.

図5は本発明の光センサ回路の第3実施形態を示し、この光センサ回路30は上記第1実施形態の変形例である。光センサ回路30の特徴的構成は、NMOS型スイッチングトランジスタ12を用いる代わりに、P/N−MOS型スイッチングトランジスタ31を用いて、CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断する点である。その他の回路構成は第1実施形態と同じである。この実施形態の構成によれば、上記の作用効果に加えて、スイッチング時の変化をなくすことができる。   FIG. 5 shows a third embodiment of the photosensor circuit of the present invention, and this photosensor circuit 30 is a modification of the first embodiment. A characteristic configuration of the optical sensor circuit 30 is that a P / N-MOS type switching transistor 31 is used instead of using the NMOS type switching transistor 12 to connect or block the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. . Other circuit configurations are the same as those of the first embodiment. According to the configuration of this embodiment, in addition to the above-described effects, changes during switching can be eliminated.

図6は本発明の光センサ回路の第4実施形態を示し、この光センサ回路40は上記第2実施形態の変形例である。光センサ回路40の特徴的構成は、PMOS型スイッチングトランジスタ21を用いる代わりに、P/N−MOS型スイッチングトランジスタ41を用いて、CMOSインバータIAにおける入力端子と出力端子を接続または遮断する点である。その他の回路構成は第2実施形態と同じである。この実施形態の構成によれば、上記の作用効果に加えて、スイッチング時の変化をなくすことができる。   FIG. 6 shows a fourth embodiment of the photosensor circuit of the present invention, and this photosensor circuit 40 is a modification of the second embodiment. The characteristic configuration of the optical sensor circuit 40 is that a P / N-MOS type switching transistor 41 is used instead of using the PMOS type switching transistor 21 to connect or block the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. . Other circuit configurations are the same as those of the second embodiment. According to the configuration of this embodiment, in addition to the above-described effects, changes during switching can be eliminated.

上記のごとき回路構成を有する各実施形態の光センサ回路を多数用意してマトリックス状に配列することにより、2次元の画像を撮像するイメージセンサを作ることができる。   An image sensor that captures a two-dimensional image can be made by preparing a large number of optical sensor circuits of the respective embodiments having the circuit configuration as described above and arranging them in a matrix.

また前述した各実施形態の光センサ回路において「蓄積時」の蓄積時間を変化させることにより、光センサ回路の検出感度を任意に調整することができる。   Further, the detection sensitivity of the photosensor circuit can be arbitrarily adjusted by changing the accumulation time of “during accumulation” in the photosensor circuit of each embodiment described above.

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。   The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood and implemented. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be variously modified without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.

本発明は、微弱光を高感度で検出することができかつ線形領域のダイナミックレンジを広く活用できるイメージセンサの光センサ回路として利用される。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used as an optical sensor circuit of an image sensor that can detect weak light with high sensitivity and can widely use a dynamic range in a linear region.

本発明に係る光センサ回路の第1の実施形態を示す電気回路図である。1 is an electric circuit diagram showing a first embodiment of an optical sensor circuit according to the present invention. 第1実施形態に係る光センサ回路の動作特性を示すグラフである。It is a graph which shows the operation characteristic of the photosensor circuit concerning a 1st embodiment. 本発明に係る光センサ回路の第2の実施形態を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows 2nd Embodiment of the optical sensor circuit based on this invention. 第2実施形態に係る光センサ回路の動作特性を示すグラフである。It is a graph which shows the operation characteristic of the photosensor circuit concerning a 2nd embodiment. 本発明に係る光センサ回路の第3の実施形態を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows 3rd Embodiment of the optical sensor circuit based on this invention. 本発明に係る光センサ回路の第4の実施形態を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows 4th Embodiment of the optical sensor circuit based on this invention. 従来の光センサ回路の具体的回路構成を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the concrete circuit structure of the conventional optical sensor circuit. 従来の光センサ回路をCMOSインバータの表現で示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the conventional photosensor circuit by the expression of a CMOS inverter. 従来の光センサ回路の動作特性を示すグラフである。It is a graph which shows the operating characteristic of the conventional optical sensor circuit.

符号の説明Explanation of symbols

10 光センサ回路
12 NMOS型スイッチングトランジスタ
13 画素選択用MOS型トランジスタ
20 光センサ回路
21 PMOS型スイッチングトランジスタ
30 光センサ回路
40 光センサ回路
PD フォトダイオード
IA CMOSインバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Photosensor circuit 12 NMOS type switching transistor 13 Pixel selection MOS type transistor 20 Photosensor circuit 21 PMOS type switching transistor 30 Photosensor circuit 40 Photosensor circuit PD Photodiode IA CMOS inverter

Claims (3)

2つの電極の間に並列に接続される静電容量素子を含み、入射光を電流信号に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の一方の前記電極に入力側が接続されるCMOSインバータと、
前記CMOSインバータの入力端と出力端の接続または遮断を選択し、かつ遮断時に前記CMOSインバータの入力側電位での容量結合による変化方向を反対にするMOS型スイッチングトランジスタと、
前記CMOSインバータの出力側に接続される画素選択用トランジスタと、
を備えることを特徴とする光センサ回路。
A photoelectric conversion element that includes a capacitive element connected in parallel between the two electrodes, and converts incident light into a current signal;
A CMOS inverter whose input side is connected to one of the electrodes of the photoelectric conversion element;
A MOS type switching transistor that selects connection or disconnection between the input end and output end of the CMOS inverter and reverses the direction of change due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter at the time of disconnection;
A pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter;
An optical sensor circuit comprising:
前記CMOSインバータの前記入力側が接続される前記光電変換素子の前記電極はアノードであり、前記MOS型スイッチングトランジスタはNMOS型スイッチングトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の光センサ回路。   2. The optical sensor circuit according to claim 1, wherein the electrode of the photoelectric conversion element to which the input side of the CMOS inverter is connected is an anode, and the MOS type switching transistor is an NMOS type switching transistor. 前記CMOSインバータの前記入力側が接続される前記光電変換素子の前記電極はカソードであり、前記MOS型スイッチングトランジスタはPMOS型スイッチングトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の光センサ回路。   2. The optical sensor circuit according to claim 1, wherein the electrode of the photoelectric conversion element connected to the input side of the CMOS inverter is a cathode, and the MOS type switching transistor is a PMOS type switching transistor.
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