JP2010263293A - Current-voltage conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電流電圧変換回路に関し、特に入力電流を対数圧縮した電圧を発生する電流電圧変換回路に関する。 The present invention relates to a current-voltage conversion circuit, and more particularly to a current-voltage conversion circuit that generates a logarithmically compressed input current.
従来より、シリコンのフォトダイオードの光電流を対数的に圧縮する対数圧縮式の電流電圧変換回路が、カメラなどの測光回路に広く使われている。その代表的な構成を図4に示す。 Conventionally, a logarithmic compression current-voltage conversion circuit that logarithmically compresses the photocurrent of a silicon photodiode has been widely used in photometric circuits such as cameras. A typical configuration is shown in FIG.
図4において、フォトダイオード6のアノードは電流入力端子1に接続され、そのカソードは基準電圧源7の基準電圧Vrefが印加される基準電圧入力端子2に接続されている。演算増幅器4の反転入力端子は電流入力端子1に接続され、その非反転入力端子は基準電圧入力端子2に接続され、その出力端子は電圧出力端子3に接続されている。また、NPN型トランジスタ8のコレクタが電源入力端子1に接続され、そのエミッタが電圧出力端子3に接続され、そのベースが基準電圧入力端子2に接続されている。
In FIG. 4, the anode of the
フォトダイオード6で光電変換電流Iが発生すると、その光電変換電流IはNPN型トランジスタ8のコレクタに流れ込み、そのベースとエミッタとの間には光電変換電流Iを対数圧縮した電圧VBEが生じる。
VBE=VT log(I/Is) …(1)
但し、VT=kT/q(k:ボルツマン定数、T:絶対温度、q:単位電荷)、IsはNPN型トランジスタの飽和電流である。
When the photoelectric conversion current I is generated in the
V BE = V T log (I / I s ) (1)
However, V T = kT / q ( k: Boltzmann constant, T: absolute temperature, q: unit charge), I s is the saturation current of the NPN transistor.
そのため、電圧出力端子3には次式(2)に示されるように、基準電圧VrefからVBEを差し引いた電圧Voutが出力される。
Vout=Vref−VBE=Vref−VT log(I/Is) …(2)
Therefore, the voltage V out obtained by subtracting V BE from the reference voltage V ref is output to the
V out = V ref −V BE = V ref −V T log (I / I s ) (2)
ところで、電流電圧変換回路はその他の種類の回路と一緒に同一の半導体基板上に形成されることが多い。このとき、同じ半導体基板上に安定化電源回路などの比較的大電流が流れる回路が形成されていると、その影響を受けて誤差が生じるという課題がある。この課題について、以下詳細に説明する。 By the way, the current-voltage conversion circuit is often formed on the same semiconductor substrate together with other types of circuits. At this time, if a circuit through which a relatively large current flows, such as a stabilized power supply circuit, is formed on the same semiconductor substrate, there is a problem that an error occurs due to the influence. This problem will be described in detail below.
図5および図6はNPN型トランジスタ8の断面図および平面図である。P型サブストレート11の上にコレクタとなるN型エピタキシャル層12が形成されている。また、N型エピタキシャル層12の上に選択的にP型拡散層13が形成され、このP型拡散層13がベースとなる。さらに、P型拡散層13の上に選択的に不純物濃度の高いN型拡散層14が形成され、エミッタとして使われる。なお、15はN+埋め込み層、16は素子分離用のP+埋め込み層、17はコンタクト用のN+層、18はSiO2層、19はAl配線層である。
5 and 6 are a cross-sectional view and a plan view of the NPN transistor 8. An N-type
集積回路において比較的大きな電流が流れると、微小な光(主に赤外線)が発生することは良く知られた現象である。この発生した微小な光が、対数圧縮を行っているNPN型トランジスタ8のN型エピタキシャル層12とP型サブストレート11との間のPN接合、N型エピタキシャル層12とP型拡散層13との間のPN接合、P型拡散層13とN+拡散層14との間のPN接合に到達すると、そこに図示の矢印a、b、cに示す向きの電流が発生する。この発生した電流を以下、誤差電流と呼ぶ。
It is a well-known phenomenon that minute light (mainly infrared rays) is generated when a relatively large current flows in an integrated circuit. The generated minute light is a PN junction between the N-type
これらの誤差電流a,b,cのうち、誤差電流a,bは、NPNトランジスタ8のコレクタに流入するフォトダイオード6からの光電変換電流I(その流れは矢印20で示す)から引き算する方向で発生する。誤差電流a、bは、通常0.01pA程度以下の非常に微小な電流ではある。しかし、近年例えば一眼レフカメラの測光では被写体情報を多分割して測光するために、1つ当たりのフォトダイオードのサイズが非常に微小なものとなっている。このため、0.01pA程度の誤差電流であっても、コレクタ電流が微小な領域では与える影響が大きくなり、低照度における測光精度の低下を招くことになる。シリコンのフォトダイオードの光電変換特性は、本来非常に高いリニアリティー(直線性)を有している。従って、誤差電流による影響を軽減することができれば、非常に低い電流値に対してもリニアリティーを持つ対数圧縮式の電流電圧変換回路が実現可能と考えられる。
Among these error currents a, b, and c, the error currents a and b are subtracted from the photoelectric conversion current I (the flow of which is indicated by an arrow 20) from the
本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、非常に低い電流値に対してもリニアリティーを持つ対数圧縮式の電流電圧変換回路を提供することにある。 The present invention has been proposed in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a logarithmic compression type current-voltage conversion circuit having linearity even for a very low current value.
本発明の電流電圧変換回路は、入力電流が印加される電流入力端子と、基準電圧が印加される基準電圧入力端子と、電圧出力端子と、反転入力端子が前記電流入力端子に、非反転入力端子が前記基準電圧入力端子に、出力端子が前記電圧出力端子にそれぞれ接続され、P型半導体基板上に形成された演算増幅器と、コレクタが前記電流入力端子に、ベースが前記基準電圧入力端子に、エミッタが前記電圧出力端子にそれぞれ接続され、前記P型半導体基板上に形成されたNPN型トランジスタとを備え、前記NPN型トランジスタは、前記P型半導体基板上に形成され、前記エミッタに相当するN型エピタキシャル層と、前記N型エピタキシャル層上に選択的に形成され、前記ベースに相当するP型拡散層と、前記P型拡散層上に選択的に形成され、前記コレクタに相当するN型拡散層とから構成されている。 The current-voltage conversion circuit of the present invention includes a current input terminal to which an input current is applied, a reference voltage input terminal to which a reference voltage is applied, a voltage output terminal, an inverting input terminal, and a non-inverting input. An operational amplifier formed on a P-type semiconductor substrate, a collector connected to the current input terminal, a base connected to the reference voltage input terminal, a terminal connected to the reference voltage input terminal, an output terminal connected to the voltage output terminal, respectively. And an NPN transistor connected to the voltage output terminal and formed on the P-type semiconductor substrate. The NPN transistor is formed on the P-type semiconductor substrate and corresponds to the emitter. An N-type epitaxial layer, a P-type diffusion layer selectively formed on the N-type epitaxial layer and corresponding to the base, and a shape selectively formed on the P-type diffusion layer It is, and a N-type diffusion layer corresponding to the collector.
本発明によれば、非常に低い電流値に対してもリニアリティーを持つ対数圧縮式の電流電圧変換回路が得られる。 According to the present invention, a logarithmic compression type current-voltage conversion circuit having linearity even for a very low current value can be obtained.
図1を参照すると、本発明の実施の形態に係る電流電圧変換回路は、図4に示した従来の電流電圧変換回路と比較して、対数圧縮に使用するNPN型トランジスタ8がNPN型トランジスタ5に置き換えられている点でのみ相違する。なお、NPN型トランジスタ5の表記におけるエミッタは実際の動作上ではコレクタとして動作しているエミッタ拡散による端子を、I2L(インテグレーテッドインジェクションロジック)などの例に倣い、通常であればエミッタを意味する矢印で表している。
Referring to FIG. 1, in the current-voltage conversion circuit according to the embodiment of the present invention, the NPN transistor 8 used for logarithmic compression is an
図2および図3はNPN型トランジスタ5の断面図および平面図である。P型サブストレート11の上にエミッタとなるN型エピタキシャル層12が形成されている。また、N型エピタキシャル層12の上に選択的にP型拡散層13が形成され、このP型拡散層13がベースとなる。さらに、P型拡散層13の上に選択的に不純物濃度の高いN型拡散層14が形成され、このN型拡散層14がコレクタとして使われる。すなわち、NPN型トランジスタ5は、NPN型トランジスタ8におけるコレクタ領域をエミッタ領域とし、エミッタ領域をコレクタ領域としている。換言すれば、NPN型トランジスタ5は、NPN型トランジスタ8を逆接続したものに相当する。
2 and 3 are a sectional view and a plan view of the
なお、図2および図3において、15はN+埋め込み層、16は素子分離用のP+埋め込み層、17はコンタクト用のN+層、18はSiO2層、19はAl配線層である。また、31は、ベースに相当するP型拡散層13の周囲を取り囲むように形成されたN+拡散層から成るウォールである。
In FIG. 2 and FIG. 3, 15 N + buried layer, 16 is the P + buried layer for element isolation, N + layer of
フォトダイオード6で光電変換電流Iが発生すると、その光電変換電流IはNPN型トランジスタ5のコレクタに流れ込み、そのベースとエミッタとの間には、光電変換電流Iを対数圧縮した式1で示す電圧VBEが生じる。そのため、電圧出力端子3には式(2)に示したように、基準電圧VrefからVBEを差し引いた電圧Voutが出力される。
When the photoelectric conversion current I is generated in the
また、NPN型トランジスタ5が形成されているP型サブストレート11上には、図2および図3には図示していないが、フォトダイオード6に加えて、安定化電源回路などの比較的大電流が流れる回路が形成されている。このため、安定化電源回路などで発生した大電流によって生じた微小な光が、対数圧縮を行っているNPN型トランジスタ5のN型エピタキシャル層12とP型サブストレート11との間のPN接合、N型エピタキシャル層12とP型拡散層13との間のPN接合、P型拡散層13とN+拡散層14との間のPN接合に到達すると、そこに図示の矢印a、b、cに示す向きの誤差電流が発生する。
Although not shown in FIGS. 2 and 3, on the P-
しかし、NPN型トランジスタ5のコレクタに流入するフォトダイオード6からの光電変換電流Iの向きは、図5のNPN型トランジスタ8とは逆方向であるため(その流れは矢印40で示す)、これらの誤差電流a,b,cのうち、誤差電流a,bは、NPN型トランジスタ5のコレクタ電流に影響を及ぼさない。他方、図5のNPN型トランジスタ8ではコレクタ電流に影響を及ぼさなかった誤差電流cが、図2のNPN型トランジスタ5ではコレクタに流入するフォトダイオード6からの光電変換電流Iから引き算する方向で発生する。しかし、N型エピタキシャル層12とP型サブストレート11との間のPN接合、N型エピタキシャル層12とP型拡散層13との間のPN接合に比べて、P型拡散層13とN+拡散層14との間のPN接合の接合面積は格段に小さい。従って、誤差信号cは誤差信号a、bに比べて十分に小さいために、NPN型トランジスタ5のコレクタ電流に及ぼす影響は軽微である。この結果、図4の従来の電流電圧変換回路に比べて、一桁以上低照度までリニアリティーを持って測光できる対数圧縮式の電流電圧変換回路が実現できる。
However, the direction of the photoelectric conversion current I from the
また、ウォール31を設けたことにより、エミッタの直列に入る寄生抵抗値が低減され、大電流側でのリニアリティーの悪化を防止することができる。
Further, the provision of the
1…電流入力端子
2…基準電圧入力端子
3…電圧出力端子
4…演算増幅器
5、8…NPN型トランジスタ
6…フォトダイオード
7…基準電圧源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
前記NPN型トランジスタは、前記P型半導体基板上に形成され、前記エミッタに相当するN型エピタキシャル層と、前記N型エピタキシャル層上に選択的に形成され、前記ベースに相当するP型拡散層と、前記P型拡散層上に選択的に形成され、前記コレクタに相当するN型拡散層とから構成される、
ことを特徴とする電流電圧変換回路。 A current input terminal to which an input current is applied, a reference voltage input terminal to which a reference voltage is applied, a voltage output terminal, an inverting input terminal to the current input terminal, a non-inverting input terminal to the reference voltage input terminal, An operational amplifier formed on a P-type semiconductor substrate, an output terminal is connected to the voltage output terminal, a collector is the current input terminal, a base is the reference voltage input terminal, and an emitter is the voltage output terminal And an NPN transistor formed on the P-type semiconductor substrate,
The NPN-type transistor is formed on the P-type semiconductor substrate, and an N-type epitaxial layer corresponding to the emitter, a P-type diffusion layer corresponding to the base selectively formed on the N-type epitaxial layer, , Selectively formed on the P-type diffusion layer, and composed of an N-type diffusion layer corresponding to the collector,
A current-voltage conversion circuit characterized by that.
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