JP2008211591A

JP2008211591A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2008211591A
Application number: JP2007047142A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Machida; 聡町田; Daisuke Okano; 大輔岡野; Daisuke Muraoka; 大介村岡; Masahiro Yokomichi; 昌弘横道
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11
Also published as: TW200849984A; KR20080079601A; US20080217519A1; CN101257573A

Abstract

【課題】光信号を高精度で補正し、高速化に対応しやすくした光電変換装置を提供する。
【解決手段】全ての光電変換ユニット３０に共通に接続され、各光電変換ユニット３０からの各増幅光信号を時系列的に出力し、第一寄生容量３１を有する光信号共通出力線１０と、全ての光電変換ユニット３０に共通に接続され、各光電変換ユニット３０からの各増幅初期電圧を時系列的に出力し、第二寄生容量３２を有する初期電圧共通出力線１１と、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続され、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する容量群２０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射光に基づいて出力電圧を出力する光電変換装置に関する。

現在、ファクシミリ、イメージスキャナ、デジタル複写機、Ｘ線撮像装置等の画像読取装置として光電変換装置が用いされている。光電変換装置は、単結晶シリコンチップによって製造され、密着型イメージセンサ（ＣＩＳ：ＣｏｎｔａｃｔＩｍａｇｅＳｅｎｓｅｒ）がよく知られている。

ここで、従来の光電変換装置について説明する。

光電変換装置は、複数のフォトダイオード、そのフォトダイオードからノイズ信号を読み出して保持するノイズ信号保持手段、及び、そのフォトダイオードから光信号を読み出して保持する光信号保持手段を備えている。また、光電変換装置は、各フォトダイオードに接続され、ノイズ信号を出力するノイズ信号共通出力線、及び、各フォトダイオードに接続され、光信号を出力する光信号共通出力線を備えている。また、光電変換装置は、ノイズ信号保持手段によって保持されたノイズ信号及び光信号保持手段によって保持された光信号を、ノイズ信号共通出力線による容量と光信号共通出力線による容量との容量分割によって読み出す読み出し手段を備えている。また、光電変換装置は、ノイズ信号共通出力線と光信号共通出力線との間に設けられ、オンすることによってノイズ信号共通出力線と光信号共通出力線との電圧のアンバランスを解消して光信号を高精度で補正するためのスイッチを備えている（例えば、特許文献１参照）。

このようにすると、単結晶シリコンチップで集積化が進み、素子及び金属配線が高密度化し、ノイズ信号共通出力線と光信号共通出力線とのマスクレイアウト設計がアンバランスになっても、ノイズ信号共通出力線と光信号共通出力線との電圧のアンバランスを解消して光信号を高精度で補正することができる。
特開平１０−１９１１７３号公報

しかし、光信号を高精度で補正するためにノイズ信号共通出力線と光信号共通出力線との間に設けられたスイッチがオンしてからオフし、その後、ノイズ信号及び光信号がそれぞれノイズ信号共通出力線及び光信号共通出力線に読み出されることになるので、スイッチが動作する時間の分、ノイズ信号及び光信号を読み出す時間が短くなってしまう。よって、光電変換装置が高速化されにくくなってしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされ、光信号を高精度で補正することができ、高速化に対応しやすい光電変換装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、入射光に基づいて出力電圧を出力する光電変換装置において、前記入射光に基づいて光信号を出力する光信号出力手段と、前記光信号出力手段の出力端子に接続され、前記光信号出力手段の出力端子の電圧を所定の初期電圧にリセットするリセット手段と、前記光信号出力手段の出力端子に接続され、前記光信号を増幅して増幅光信号を出力し、前記初期電圧を増幅して増幅初期電圧を出力する増幅手段と、前記増幅手段の出力端子に接続され、前記増幅光信号を保持する光信号保持手段と、前記増幅手段の出力端子に接続され、前記増幅初期電圧を保持する初期電圧保持手段と、を有する複数の光電変換ユニットと、全ての前記光電変換ユニットに共通に接続され、各前記光電変換ユニットからの各前記増幅光信号を時系列的に出力し、第一寄生容量を有する光信号共通出力線と、全ての前記光電変換ユニットに共通に接続され、各前記光電変換ユニットからの各前記増幅初期電圧を時系列的に出力し、第二寄生容量を有する初期電圧共通出力線と、前記光信号共通出力線または前記初期電圧共通出力線に接続され、前記第一寄生容量と前記第二寄生容量との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する調整容量と、前記増幅光信号から前記増幅初期電圧を減算する減算増幅器と、を備えていることを特徴とする光電変換装置を提供する。

本発明では、光信号共通出力線による第一寄生容量と初期電圧共通出力線による第二寄生容量との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する調整容量が光信号共通出力線または初期電圧共通出力線に接続されるので、光信号共通出力線による寄生容量と初期電圧共通出力線による寄生容量とが等しくなる。よって、寄生容量による光信号への影響が排除され、光信号が高精度で補正される。

また、調整容量が光信号共通出力線または初期電圧共通出力線に接続され、この調整容量は信号によって制御されず、調整容量の制御のための時間が必要ないので、光信号及び初期電圧を読み出す時間が短くならない。よって、光電変換装置は高速化に対応しやすい。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

まず、入射光に基づいて出力電圧を出力する光電変換装置に搭載される光電変換ユニットの構成について説明する。図１は、光電変換ユニットを示す回路図である。

光電変換ユニット３０は、フォトダイオード１、リセットスイッチ２、バッファアンプ３、スイッチ１４、スイッチ１５、容量１２、容量１３、スイッチ１６及びスイッチ１７を有している。

リセットスイッチ２及びバッファアンプ３は、フォトダイオード１の出力端子に接続されている。容量１２は、スイッチ１４を介してバッファアンプ３の出力端子に接続され、容量１３は、スイッチ１５を介してバッファアンプ３の出力端子に接続されている。また、容量１２は、スイッチ１６を介して光信号共通出力線１０に接続され、容量１３は、スイッチ１７を介して初期電圧共通出力線１１に接続されている。

フォトダイオード１は、入射光に基づいて光電荷を発生し、光電荷に基づいて光信号を出力する。リセットスイッチ２は、フォトダイオード１の出力端子の電圧を所定の初期電圧にリセットする。バッファアンプ３は、光信号を増幅して増幅光信号を出力し、初期電圧を増幅して増幅初期電圧を出力する。容量１２は、増幅光信号を保持し、容量１３は、増幅初期電圧を保持する。

次に、光電変換装置の前段部分の構成について説明する。図２は、光電変換装置の前段部分を示す回路図である。

光電変換装置の前段部分は、複数の光電変換ユニット３０、光信号共通出力線１０、初期電圧共通出力線１１、スイッチ１８、スイッチ１９、容量群２０、金属配線２０ｚ、第一寄生容量３１及び第二寄生容量３２を有している。

光信号共通出力線１０は、全ての光電変換ユニット３０に共通に接続され、第一寄生容量３１を有している。初期電圧共通出力線１１は、全ての光電変換ユニット３０に共通に接続され、第二寄生容量を有している。また、光信号共通出力線１０は、スイッチ１８を介して電圧Ｖｃｌａｍｐ１が印加される。初期電圧共通出力線１１は、スイッチ１９を介して電圧Ｖｃｌａｍｐ１が印加される。容量群２０は、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続されている。

光信号共通出力線１０は、各光電変換ユニット３０からの各増幅光信号を時系列的に出力し、初期電圧共通出力線１１は、各光電変換ユニット３０からの各増幅初期電圧を時系列的に出力する。容量群２０は、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する。

次に、光電変換装置の後段部分の構成について説明する。図３は、光電変換装置の後段部分を示す回路図である。

光電変換装置の後段部分は、バッファアンプ２２、バッファアンプ２３、減算増幅器２４、クランプ回路２５、バッファアンプ２６、サンプルホールド回路２７、バッファアンプ２８及びトランスミッションゲート２９を有している。

光信号共通出力線１０は、バッファアンプ２２を介して減算増幅器２４に接続され、初期電圧共通出力線１１は、バッファアンプ２３を介して減算増幅器２４に接続されている。減算増幅器２４の出力端子は、クランプ回路２５に接続され、クランプ回路２５の出力端子は、バッファアンプ２６に接続されている。バッファアンプ２６の出力端子は、サンプルホールド回路２７に接続され、サンプルホールド回路２７の出力端子は、バッファアンプ２８に接続され、バッファアンプ２８の出力端子は、トランスミッションゲート２９に接続されている。

次に、光電変換ユニット３０の動作について説明する。

信号φＲによってリセットスイッチ２がオンする。すると、フォトダイオード１の出力端子の電圧Ｖｄｉは、リセット電圧Ｖｒｅｓｅｔになる。その後、信号φＲによってリセットスイッチ２がオフする。すると、電圧Ｖｄｉは、リセット電圧Ｖｒｅｓｅｔにフォトダイオード１によるノイズ電圧Ｖｏｆｆを加算した電圧（以下、初期電圧という）になる。リセットスイッチ２がオフした直後、信号φＲＩＮによってスイッチ１５がオンし、初期電圧は信号φＳＥＬによって制御されたバッファアンプ３を介して増幅初期電圧ＶＢＩＴＲになり、この増幅初期電圧ＶＢＩＴＲは容量１３に読み出される。増幅初期電圧ＶＢＩＴＲは、リセットスイッチ２がオフしてからスイッチ１５がオフするまで、読み出される。

その後、フォトダイオード１が入射光に基づいて光電荷を発生して保持し、光電荷の量に基づいて電圧Ｖｄｉが変動する。すると、電圧Ｖｄｉは、リセット電圧Ｖｒｅｓｅｔにフォトダイオード１によるノイズ電圧Ｖｏｆｆ及びフォトダイオード１によって保持された光電荷の量に基づいた電圧を加算した電圧（以下、光信号という）になる。信号φＳＩＮによってスイッチ１４がオンしていて、光信号はバッファアンプ３を介して増幅光信号ＶＢＩＴＳになり、この増幅光信号ＶＢＩＴＳは容量１２に読み出される。増幅光信号ＶＢＩＴＳは、リセットスイッチ２がオフしてからスイッチ１４がオフするまで、読み出される。

信号φＳＣＨに基づいてスイッチ１６及びスイッチ１７が同時にオンし、さらに、所定の条件が成立すると、増幅光信号ＶＢＩＴＳ及び初期電圧ＶＢＩＴＲがそれぞれ光信号共通出力線１０及び初期電圧共通出力線１１に読み出される。後段の回路が増幅光信号ＶＢＩＴＳから初期電圧ＶＢＩＴＲを減算することにより、入射光に基づいた光電荷に基づいた出力電圧が取り出される。

上記における増幅初期電圧ＶＢＩＴＲが容量１３に読み出される動作と増幅光信号ＶＢＩＴＳが容量１２に読み出される動作とは、繰り返し行われる。

次に、光電変換装置の前段部分の動作について説明する。

ここで、各光電変換ユニット３０は、時系列的に順番に、増幅光信号ＶＢＩＴＳ及び増幅初期電圧ＶＢＩＴＲを出力している。

信号φＳＣＨがハイになって信号φｃｌａｍｐ１がローになると（以下、前半期間という）、スイッチ１６及びスイッチ１７がオンし、スイッチ１８及びスイッチ１９がオフする。よって、容量１２に保持された所定の光電変換ユニット３０からの増幅光信号ＶＢＩＴＳが、容量１２と第一寄生容量３１との分圧比により、光信号共通出力線１０に読み出され、同時に、容量１３に保持された所定の光電変換ユニット３０からの増幅初期電圧ＶＢＩＴＲが、容量１３と第一寄生容量３２との分圧比により、初期電圧共通出力線１１に読み出される。

また、信号φＳＣＨがハイになって信号φｃｌａｍｐ１がハイになると（以下、後半期間という）、スイッチ１６及びスイッチ１７がオンし、スイッチ１８及びスイッチ１９もオンする。よって、光信号共通出力線１０及び初期電圧共通出力線１１の電圧が、電圧Ｖｃｌａｍｐ１の電圧に初期化される。

光信号共通出力線１０は、第一寄生容量３１を有し、第一寄生容量３１による影響を受けている。また、初期電圧共通出力線１１は、第二寄生容量３２を有し、第二寄生容量３２による影響を受けている。また、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１は、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する容量群２０を有し、容量群２０による影響を受けている。よって、容量による光信号共通出力線１０への影響は、容量による初期電圧共通出力線１１への影響と等しくなっている。

ここで、例えば、バッファアンプ３、バッファアンプ２２及びバッファアンプ２３の増幅率は約１倍であり、減算増幅器２４の増幅率は約４倍であり、バッファアンプ２６及びバッファアンプ２８の増幅率は約２倍である。増幅光信号ＶＢＩＴＳ及び増幅初期電圧ＶＢＩＴＲが大きく増幅される前の段階で、容量による光信号共通出力線１０への影響は、容量による初期電圧共通出力線１１への影響と等しくなることになる。

次に、光電変換装置の後段部分の動作について説明する。

前半期間に、所定の光電変換ユニット３０からの増幅光信号ＶＢＩＴＳはバッファアンプ２２を介して減算増幅器２４に入力し、所定の光電変換ユニット３０からの増幅初期電圧ＶＢＩＴＲもバッファアンプ２３を介して減算増幅器２４に入力する。減算増幅器２４は、増幅光信号ＶＢＩＴＳから増幅初期電圧ＶＢＩＴＲを減算することにより、増幅光信号ＶＢＩＴＳのノイズ電圧Ｖｏｆｆを除去する。減算増幅器２４の前半期間の出力信号は、増幅光信号ＶＢＩＴＳから増幅初期電圧ＶＢＩＴＲを減算してゲイン倍して基準電圧ＶＲＥＦを加算した信号になる。

また、後半期間に、電圧Ｖｃｌａｍｐ１はバッファアンプ２２及びバッファアンプ２３を介して減算増幅器２４に入力する。よって、減算増幅器２４の２つの入力端子は、電圧差を有さないので、減算増幅器２４の後半期間の出力信号は、基準電圧ＶＲＥＦになる。

ここで、前半期間及び後半期間で、バッファアンプ２２、バッファアンプ２３及び減算増幅器２４のオフセットが、減算増幅器２４の出力信号に乗っている。この減算増幅器２４の出力信号は、クランプ回路２５に入力する。

後半期間に、クランプ回路２５へのクランプパルスφＣＬＡＭＰに基づき、図示しないが、基準電圧ＶＲＥＦが印加された端子がスイッチ回路を介してクランプ回路２５の出力端子に接続される。よって、クランプ回路２５の後半期間の出力信号は、基準電圧ＶＲＥＦにクランプされる。

また、前半期間に、クランプパルスφＣＬＡＭＰに基づき、図示しないが、基準電圧ＶＲＥＦが印加された端子がクランプ回路２５の出力端子に接続されない。よって、クランプ回路２５の入力端子と出力端子との間に容量が設けられていて、クランプ回路２５の前半期間の出力信号は、入力端子における減算増幅器２４の前半期間の出力信号から、出力端子における基準電圧ＶＲＥＦにクランプされているクランプ回路２５の１期間前の後半期間の出力信号を減算し、基準電圧ＶＲＥＦを加算した信号になる。よって、クランプ回路２５の前半期間の出力信号は、増幅光信号ＶＢＩＴＳから増幅初期電圧ＶＢＩＴＲを減算してゲイン倍して基準電圧ＶＲＥＦを加算した信号になる。なお、バッファアンプ２２、バッファアンプ２３及び差動増幅器２４のオフセットが、このクランプ回路２５の前半期間の出力信号に乗らなくなる。

クランプ回路２５の出力信号はバッファアンプ２６に入力する。バッファアンプ２６の出力信号はサンプルホールド回路２７に入力する。

前半期間に、サンプルホールド回路２７は、サンプルホールド回路２７へのサンプルホールドパルスφＳＨに基づき、クランプ回路２５の前半期間の出力信号に基づいたバッファアンプ２６の出力信号をサンプルする。

また、後半期間に、サンプルホールド回路２７は、サンプルホールドパルスφＳＨに基づき、サンプルされた信号をホールドし、サンプルホールド回路２７の出力信号が、長い期間維持される。

サンプルホールド回路２７の出力信号はバッファアンプ２８に入力する。バッファアンプ２８の出力信号はトランスミッションゲート２９に入力する。トランスミッションゲート２９は、入射光に基づいた光電荷に基づいた出力電圧ＶＯＵＴを出力する。

このようにすると、光信号共通出力線１０による第一寄生容量３１と初期電圧共通出力線１１による第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する容量群２０が光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続されるので、光信号共通出力線１０による寄生容量と初期電圧共通出力線１１による寄生容量とが等しくなる。よって、寄生容量による光信号への影響が排除され、光信号が高精度で補正される。

また、容量群２０が光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続され、この容量群２０は信号によって制御されず、容量群２０の制御のための時間が必要ないので、光信号及び初期電圧を読み出す時間が短くならない。よって、光電変換装置は高速化に対応しやすい。

また、フォトダイオード１の数が増減したり光電変換ユニット３０の数が増減したりしても、その時の状態に基づき、光信号共通出力線１０による寄生容量と初期電圧共通出力線１１による寄生容量とが等しくなる。よって、フォトダイオード１の数及び光電変換ユニット３０の数に関係なく、寄生容量による光信号への影響が排除され、光信号が高精度で補正される。

次に、容量群２０について説明する。図４は、第一の容量群を示す図である。

容量群２０は、図４に示すように、複数の容量２０ａ及び複数の金属配線２０ｂを有している。同じ容量値の容量２０ａが複数用意されてもよいし、異なる容量値の容量２０ａが複数用意されてもよい。各容量において、容量２０ａは、対応する金属配線２０ｂを介し、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続されている。

このようにすると、半導体装置を製造するために使用されるマスクが変更されて金属配線２０ｂが変更されることにより、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続される容量２０ｃの数が変更され、容量群２０の容量値がトリミングされる。よって、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値が実現されやすくなる。

次に、上記と異なる容量群２０について説明する。図５は、第二の容量群を示す図である。

容量群２０は、図５に示すように、複数の容量２０ｃ及び複数のスイッチ２０ｄを有している。同じ容量値の容量２０ｃが複数用意されてもよいし、異なる容量値の容量２０ｃが複数用意されてもよい。各容量において、容量２０ｃは、対応するスイッチ２０ｄを介し、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続されている。

このようにすると、スイッチ２０ｄのオンオフが制御されることにより、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続される容量２０ａの数が変更され、容量群２０の容量値がトリミングされる。よって、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値が実現されやすくなる。

なお、この電圧Ｖｃｌａｍｐ１は、通常、バッファアンプ２２及びバッファアンプ２３の電源電圧である。

また、図２では、容量群２０は、初期電圧共通出力線１１に接続されているが、光信号共通出力線１０に接続されてもよい。この時、容量群２０は、光信号共通出力線１０と初期電圧共通出力線１１との中で寄生容量が小さいほうに接続される。

また、図４では、全ての容量２０ａが、光信号共通出力線１０または初期電圧共通出力線１１に接続されているが、一部の容量２０ａが、接続されてもよい。この時、容量群２０の容量値が、第一寄生容量３１と第二寄生容量３２との差分容量値とほぼ等しい容量値になるよう接続される。

また、図１では、フォトダイオードが使用されているが、フォトトランジスタが使用されてもよい。

光電変換ユニットを示す回路図である。光電変換装置の前段部分を示す回路図である。光電変換装置の後段部分を示す回路図である。第一の容量群を示す図である。第二の容量群を示す図である。

符号の説明

３０光電変換ユニット１０光信号共通出力線
１１初期電圧共通出力線１８、１９スイッチ
２０容量群３１第一寄生容量
３２第二寄生容量

Claims

入射光に基づいて出力電圧を出力する光電変換装置において、
前記入射光に基づいて光信号を出力する光信号出力手段と、
前記光信号出力手段の出力端子に接続され、前記光信号出力手段の出力端子の電圧を所定の初期電圧にリセットするリセット手段と、
前記光信号出力手段の出力端子に接続され、前記光信号を増幅して増幅光信号を出力し、前記初期電圧を増幅して増幅初期電圧を出力する増幅手段と、
前記増幅手段の出力端子に接続され、前記増幅光信号を保持する光信号保持手段と、
前記増幅手段の出力端子に接続され、前記増幅初期電圧を保持する初期電圧保持手段と、を有する複数の光電変換ユニットと、
全ての前記光電変換ユニットに共通に接続され、各前記光電変換ユニットからの各前記増幅光信号を時系列的に出力し、第一寄生容量を有する光信号共通出力線と、
全ての前記光電変換ユニットに共通に接続され、各前記光電変換ユニットからの各前記増幅初期電圧を時系列的に出力し、第二寄生容量を有する初期電圧共通出力線と、
前記光信号共通出力線または前記初期電圧共通出力線に接続され、前記第一寄生容量と前記第二寄生容量との差分容量値とほぼ等しい容量値を有する調整容量と、
前記増幅光信号から前記増幅初期電圧を減算する減算増幅器と、
を備えていることを特徴とする光電変換装置。
前記調整容量は、複数の容量を有し、前記複数の容量は、それぞれ金属配線を介して前記光信号共通出力線または前記初期電圧共通出力線に接続されることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
前記調整容量は、複数の容量を有し、前記複数の容量は、それぞれスイッチ回路を介して前記光信号共通出力線または前記初期電圧共通出力線に接続されることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。