JP2015002463A - Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device, electronic apparatus, and method of limiting optical current for photoelectric conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換回路と、複数の光電変換回路からなる光電変換装置と、上記光電変換装置を備えた電子機器と、光電変換回路の光電流制限方法とに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion circuit that converts incident light into an electrical signal, a photoelectric conversion device that includes a plurality of photoelectric conversion circuits, an electronic device that includes the photoelectric conversion device, and a photoelectric current limiting method for the photoelectric conversion circuit. .
高感度なフォトセンサとして受光部分にフォトトランジスタを採用したものが知られている。フォトトランジスタには増幅作用があり大きな出力信号が得られることから高感度化が可能となるが、ダイナミックレンジに関してはフォトダイオード同様に接合容量に蓄積できる飽和電荷量により上限が決められていた。現在、この制約を回避して広ダイナミックレンジ化を図る方法がいくつか考案されており、その一つとして、光電流が広範囲でリニア特性を持つことに着目した、電荷を蓄積せずに光電流をそのまま出力信号として扱う非蓄積の信号読み出し方式が既に知られている。 A photosensor that uses a phototransistor in a light receiving portion is known as a highly sensitive photosensor. Although the phototransistor has an amplifying function and a large output signal can be obtained, it is possible to increase the sensitivity. However, the upper limit of the dynamic range is determined by the amount of saturation charge that can be accumulated in the junction capacitance like the photodiode. At present, several methods have been devised to avoid this restriction and widen the dynamic range. One of them is that the photocurrent has a linear characteristic over a wide range. There is already known a non-accumulated signal readout system that handles the signal as an output signal as it is.
この読み出し方式では照射光量に応じた光電流を安定して出力する必要があるが、フォトトランジスタは反応速度が遅く光電流が安定するまで一定の時間が掛かるという問題点があった。例えば、特許文献1では、消費電流を低減するための光電変換装置が開示されているが、光信号の出力開始から光電流が安定するまで時間を要し、動作速度が遅いという問題があった。
In this readout method, it is necessary to stably output a photocurrent according to the amount of irradiation light. However, the phototransistor has a problem that the reaction speed is slow and it takes a certain time until the photocurrent is stabilized. For example,
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して動作速度を速くすることができる光電変換回路を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a photoelectric conversion circuit capable of increasing the operation speed as compared with the prior art.
本発明に係る光電変換回路は、
入射光の強度に対応する光電流を出力するフォトトランジスタと、
待機時に上記光電流をバイアス線に出力する第1の電界効果トランジスタと、
読み出し時に上記光電流を出力線に出力する第2の電界効果トランジスタとを備えた光電変換回路であって、
上記第1及び第2の電界効果トランジスタの飽和ドレイン電流を利用して上記出力される光電流を所定の制限電流値に制限することを特徴とする。
The photoelectric conversion circuit according to the present invention is
A phototransistor that outputs a photocurrent corresponding to the intensity of incident light;
A first field effect transistor that outputs the photocurrent to the bias line during standby;
A photoelectric conversion circuit including a second field effect transistor that outputs the photocurrent to an output line at the time of reading;
The output photocurrent is limited to a predetermined limit current value by using saturated drain currents of the first and second field effect transistors.
本発明によれば、従来技術に比較して動作速度を速くすることができる光電変換回路を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion circuit capable of increasing the operation speed as compared with the prior art.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
図1は本発明の実施形態にかかる光電変換回路である画素セル回路11とその周辺回路を示す回路図である。図1において、画素セル回路11は1つの画素に対応し、フォトトランジスタ1と、例えばNチャネルMOS電界効果トランジスタ(以下、MOS電界効果トランジスタをMOSトランジスタという。)であるスイッチトランジスタ2,3とを備えて構成される。ここで、フォトトランジスタ1のコレクタは直流電圧VDDに接続され、そのエミッタはスイッチトランジスタ2,3の各ドレインに接続される。フォトトランジスタ1は入射光を光電変換して当該入射光の強度に対応する光電流を出力する。スイッチトランジスタ2のソースはフォトトランジスタ1からの光電流を出力する出力線4に接続される。スイッチトランジスタ3のソースは、所定のバイアス電圧を発生するバイアス電圧源7に接続されたバイアス線5に接続される。スイッチトランジスタ2,3の各ゲートには、ゲート電圧発生回路6からスイッチトランジスタ2,3をそれぞれオン又はオフするためのゲート電圧が印加される。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a
図2は図1の画素セル回路11を2次元で並置してなる光電変換装置の構成を示すブロック図である。図2の光電変換装置は、2次元アレー状に配置された複数の画素セル回路11−1−1〜11−M−Nと、複数の行選択線12−1〜12−Mと、複数の列出力線4−1〜4−N(図1の出力線4に対応する)と、行セレクタ10と、IV変換回路20と、AD変換回路30とを備える。ここで、画素セル回路11−1−1〜11−M−Nはそれぞれ図1の画素セル回路11である。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a photoelectric conversion device in which the
画素セル回路11−1−1〜11−M−Nのそれぞれは、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタ1(図1)をそれぞれ含む光電変換手段として動作する。画素セル回路11−1−1〜11−M−Nのそれぞれは、行選択線12−1〜12−Mのうちの1つに接続され、さらに、列出力線4−1〜4−Nのうちの1つに接続される。1つの列出力線4−n(1≦n≦N)には、異なる行選択線12−1〜12−Mにそれぞれ接続された画素セル回路11−1−n〜11−M−nが接続される。行セレクタ10は、行選択線12−1〜12−Mを用いて、画素セル回路11−1−n〜11−M−nのうちの1つのみをイネーブルにする。イネーブルにされた画素セルは、光が入射したとき、入射光の強度に対応する大きさの光電流を、列出力線を介してIV変換回路20に送る。
Each of the pixel cell circuits 11-1-1 to 11-MN operates as a photoelectric conversion unit including the phototransistor 1 (FIG. 1) that generates an output current having a magnitude corresponding to the intensity of incident light. Each of the pixel cell circuits 11-1-1 to 11 -M-N is connected to one of the row selection lines 12-1 to 12 -M, and is further connected to the column output lines 4-1 to 4 -N. Connected to one of them. One column output line 4-n (1 ≦ n ≦ N) is connected to pixel cell circuits 11-1-n to 11-Mn connected to different row selection lines 12-1 to 12-M, respectively. Is done. The
IV変換回路20は、列出力線4−1〜4−Nにそれぞれ接続されたIV変換器21−1〜21−Nを備える。IV変換器21−1〜21−Nは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段として動作する。このとき、IV変換器21−1〜21−Nのそれぞれは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換するとき、好ましくは、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを圧縮するようにしてもよい。AD変換回路30は、IV変換回路20の出力電圧に対するアナログ/ディジタル変換などの処理を実行して、出力画像信号を生成する。
The IV
図2の光電変換装置では、複数の画素セル回路11を含む光電変換回路を備えて光電変換装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、1つの画素セル回路11を用いてフォトセンサを構成してもよい。また、光電変換装置を用いてイメージセンサ、画像読取装置、デジタルカメラ、セキュリティ用監視カメラなどの電子機器を構成してもよい。
The photoelectric conversion device in FIG. 2 includes a photoelectric conversion circuit including a plurality of
次いで、本実施形態にかかる画素セル回路11の動作について、特に、非蓄積の信号読み出し方式で駆動する光電変換回路における待機時バイアス電流の制御方法について、図1を参照して以下に説明する。ここで、図1の画素セル回路11は、画素内のスイッチトランジスタ2,3の飽和電流を利用して電流制限手段を持たせることにより画素レベルでの電流制御を行うことを特徴としている。
Next, the operation of the
図1において、初期状態として待機中の各画素セル回路11において、ゲート電圧発生回路6はローレベル電圧をスイッチトランジスタ2のゲートに印加し、ハイレベル電圧をスイッチトランジスタ3のゲートに印加する。このとき、スイッチトランジスタ2はオフされ、スイッチトランジスタ3はオンされて、バイアス線5が選択され、受光時のフォトトランジスタ1からバイアス線5へ光電流が出力されている。ある画素セル回路11に信号読み出しの順番が回ってくると、スイッチトランジスタ2,3のオン/オフが切り替わる。すなわち、ゲート電圧発生回路6はハイレベル電圧をスイッチトランジスタ2のゲートに印加し、ローレベル電圧をスイッチトランジスタ3のゲートに印加する。このとき、スイッチトランジスタ2はオンされ、スイッチトランジスタ3はオフされて出力線4が選択される。このように、スイッチトランジスタ2,3は同時にオン、オフすることはなく、待機時はスイッチトランジスタ3を経由してバイアス線5へ、信号読み出し期間中はトランジスタ2を経由して出力線4へと光電流が出力される。
In FIG. 1, in each
このような画素構成で駆動することにより、各画素セル回路11から出力できる電流はスイッチトランジスタ2,3に流すことができる値(=飽和ドレイン電流)が上限値となり、この値を適切に設定することにより、詳細後述するように、所望の動作速度を確保することができる。
By driving with such a pixel configuration, the current that can be output from each
さらに、後述するように、バイアス線5に電流制限機能付きバイアス電圧源を有する比較例にかかる回路ではバイアス電流の総和で電流制限を行っており一定の動作速度を確保するためには上限値を高めに設定する必要があった。しかし、本実施形態では、光の強い領域では画素毎に電流制限が働き、光の弱い領域ではバイアス電流を流し続けるという動作になるため、同じ動作速度を確保するのに電流の上限値を上げる必要がなくなる。結果として、このように簡単な構成の画素セルで画素レベルの電流制限が可能となり全体の消費電力を抑えることが可能となる。 Further, as will be described later, in the circuit according to the comparative example having the bias voltage source with the current limiting function in the bias line 5, the current is limited by the sum of the bias currents, and an upper limit value is set to ensure a constant operation speed. It was necessary to set it higher. However, in the present embodiment, current limitation works for each pixel in a region with strong light, and a bias current continues to flow in a region with low light. Therefore, the upper limit value of the current is increased to ensure the same operation speed. There is no need. As a result, it is possible to limit the current at the pixel level with the pixel cell having such a simple configuration, and it is possible to suppress the overall power consumption.
図3は図1の画素セル回路11のスイッチトランジスタ2,3がNチャネルMOSトランジスタであるときにおけるスイッチトランジスタ2,3のドレイン−ソース間電圧Vdsに対するドレイン電流Id特性を示すグラフである。図3に示すように、ドレイン−ソース間電圧Vdsが飽和領域(Vds>Vgs−Vth)に入ると、ドレイン電流Idはほぼ一定の値に収束する。飽和領域でのドレイン電流Idは次式(1)で表され、チャネル長変調パラメータλを無視できるMOSトランジスタを想定した場合、ドレイン電流Idはゲート−ソース間電圧Vgs及びトランジスタサイズW/Lで決定される。
FIG. 3 is a graph showing drain current Id characteristics with respect to the drain-source voltage Vds of the
ここで、μはキャリア移動度、Cox単位面積あたりのゲート容量、Wはトランジスタ幅、Lはトランジスタ長、Vthはしきい値電圧である。 Here, μ is the carrier mobility, the gate capacitance per Cox unit area, W is the transistor width, L is the transistor length, and Vth is the threshold voltage.
スイッチトランジスタ2,3がNチャネルMOSトランジスタである場合の動作について以下に説明する。図1のフォトトランジスタ1に光が照射されて光電流が発生すると、選択されているスイッチトランジスタ2又は3は光電流に応じたドレイン−ソース間電圧Vdsを確保すべくエミッタ電圧(スイッチトランジスタ2,3のドレイン電圧)が上昇する。光が強くなるに連れて光電流が増しエミッタ電圧が上昇していくが、その電圧は電源電圧VDDを超えることはない。図3のドレイン電流Idの特性から、光電流が比較的小さい場合はドレイン−ソース間電圧Vdsが小さく非飽和領域で動作する。そのため、スイッチトランジスタ2,3は光電流に応じた電流を流すことができるが、光電流が大きくなりドレイン−ソース間電圧Vdsが飽和領域に入ると式(1)から算出される飽和ドレイン電流値までしか流せなくなる。
The operation when the
以上のことから、フォトトランジスタ1から出力線4及びバイアス線5へ出力できる電流はトランジスタ2,3の飽和ドレイン電流で律束されており、この値を任意に設定することにより制限電流値を決めることができる。そして、(1)式より飽和ドレイン電流の値はスイッチトランジスタ2,3のゲートへの印加電圧Vgs及びトランジスタサイズW/Lにより決定される。言い換えれば、ゲート電圧発生回路6からスイッチトランジスタ2,3のゲートへの印加電圧Vgs及びトランジスタサイズW/Lを変化させて設定することにより、上記制限電流値を設定できる。
From the above, the current that can be output from the
以上の実施形態においては、スイッチトランジスタ2,3としてNチャネルMOSトランジスタを用いているが、本発明はこれに限らず、PチャネルMOSトランジスタなどの電界効果トランジスタの選択スイッチ素子で構成してもよい。
In the above embodiment, the N-channel MOS transistors are used as the
図4は図1の画素セル回路11のスイッチトランジスタ2,3がPチャネルMOSトランジスタであるときにおけるスイッチトランジスタ2,3のドレイン−ソース間電圧に対するドレイン電流特性を示すグラフである。図4において、点線は図3のNチャネルMOSトランジスタの場合を比較のため図示している。
FIG. 4 is a graph showing drain current characteristics with respect to the drain-source voltage of the
フォトトランジスタ1に光が照射され光電流が発生すると、PチャネルMOSトランジスタにおいても、ドレイン−ソース間電圧|Vds|を確保するためにエミッタ電圧が上昇する。しかし、この場合のエミッタはフォトトランジスタ1にとってのソースに相当するため、エミッタ電圧が上昇するとドレイン−ソース間電圧|Vds|が大きくなると同時にゲート−ソース間電圧|Vgs|も変化していく。このため、PチャネルMOSトランジスタはNチャネルMOSトランジスタの場合とは異なり常に飽和動作しながら電流を出力していく。光電流が大きくなるに連れてエミッタ電圧も上昇していくが、電源電圧VDDを越えることはない。また、このエミッタ電圧の上限に対するゲート印加電圧がゲート−ソース間電圧|Vgs|の上限となる。PチャネルMOSトランジスタの飽和ドレイン電流は次式(2)で算出され、NチャネルMOSトランジスタと同様にゲート電圧発生回路6からのゲートへの印加電圧|Vgs|及びトランジスタサイズW/Lを適切に設定でき、任意の値で電流制限を実現できる。ここで、MOSトランジスタ2,3のゲート−ソース間電圧Vgsが所定値となるように各ゲートに印加されるゲート電圧を設定することにより上記制限電流値を設定する。
When the
従って、スイッチトランジスタ2,3がPチャネルMOSトランジスタであっても、NチャネルMOSトランジスタと同様の作用効果を有する。
Therefore, even if the
比較例との相違点と本実施形態の作用効果.
比較例として、図1の実施形態に比較して図1のバイアス電圧源7が電流制限機能付きバイアス電圧源である場合を考える。
Differences from the comparative example and operational effects of this embodiment.
As a comparative example, consider a case where the
比較例において、初期状態として待機中の各画素セル回路はバイアス線5が選択されておりバイアス線5へ光電流が出力されている。画素に信号読み出しの順番が回ってくるとスイッチトランジスタ2がオフからオンに切り替わり出力線4が選択される。読み出し期間中、光電流は出力線4へと流れIV変換回路20での電圧変換を経て各画素の出力信号として後段で処理されていくため、読み出し期間内に照度に応じた光電流となるように安定させる必要がある。光電流の早期安定化には待機時と出力時のベース、エミッタ電位の変動を小さく抑えることが効果的であり、待機中に光電流を出力しない従来方式ではこの間にベース、エミッタ電圧が上昇してしまう。しかし、この方式では待機時もバイアス線5へ光電流を流しているため切り替え直後のベース、エミッタ電位の変動を抑えられることがポイントとなっている。また、安定化に要する時間は光電流が大きいほど短くなるが、待機中画素の光電流は全てバイアス線5へ流れシステム全体の消費電力に大きく影響を与えるため、電流制限機能付きバイアス電圧源により上限値を制御している。よって、この上限値を高めに設定すると動作速度は向上するが消費電力も増す、低めに設定すると動作速度は低下するが消費電力も低減することができるため、用途に応じて制限電流値を設定する必要があるという問題点があった。
In the comparative example, the bias line 5 is selected for each pixel cell circuit waiting in the initial state, and a photocurrent is output to the bias line 5. When the order of signal readout reaches the pixel, the
すなわち、比較例にかかるバイアス電流の総和を検出する方法は、複数の画素が配置されたセンサー全面に均一な光が照射されている場合は問題ないが、局所的に光の強弱があるような場合は対応が難しくなる。例えば、部分的に光が強い領域があるとその部分での光電流が増えることにより全体のバイアス電流の総和が電流制限値を越えてセンサー全体に電流制限が働く可能性がある。そうなると、待機中画素のベース、エミッタ電位が上昇するため、弱い光しか受けていない領域では読み出し時の光電流の安定に時間が掛かり高速動作出来なくなる。これを回避してある程度の動作速度を確保するためには電流制限値を上げる必要があるが、そうするとバイアス電流の総和が増しセンサー全体の消費電力が高くなるという問題があった。 That is, the method for detecting the sum of the bias currents according to the comparative example has no problem when uniform light is irradiated on the entire sensor surface where a plurality of pixels are arranged, but there is local light intensity. In such cases, it becomes difficult to respond. For example, if there is a region where the light is partially strong, the photocurrent in that portion increases, so that the total of the total bias current exceeds the current limit value, and there is a possibility that the current limit is applied to the entire sensor. In this case, the base and emitter potentials of the waiting pixels rise, so that in a region where only weak light is received, it takes time to stabilize the photocurrent at the time of reading, and high-speed operation cannot be performed. In order to avoid this and secure a certain operating speed, it is necessary to increase the current limit value. However, if this is done, there is a problem in that the sum of the bias currents increases and the power consumption of the entire sensor increases.
これに対して、本実施形態では、画素内のスイッチトランジスタ2,3に電流制限手段を持たせることにより画素毎にリミット検知することができる。それ故、画素毎に電流制限を行うことができるため、光が強い領域にある画素は制限電流値を越えて電流制限が働き、光が弱い領域にある画素は電流制限が働かずバイアス電流を流し続ける、といった動作が可能となる。それ故、徒に電流制限値を上げることなく動作速度を維持したまま効果的に消費電力を低減できるという特有の効果を奏する。
In contrast, in this embodiment, limit detection can be performed for each pixel by providing the
1…フォトトランジスタ、
2,3…スイッチトランジスタ、
4…出力線、
4−1〜4−N…列出力線、
5…バイアス線、
6…ゲート電圧発生回路、
7…バイアス電圧源、
10…行セレクタ、
11,11−1−1〜11−M−N…画素セル回路、
12−1〜12−M…行選択線、
20…IV変換回路、
21−1〜21−N…IV変換器、
30…AD変換回路。
1 ... Phototransistor,
2, 3 ... Switch transistors,
4 ... Output line,
4-1 to 4-N: column output lines,
5 ... Bias line,
6: Gate voltage generation circuit,
7 ... Bias voltage source,
10 ... row selector,
11, 11-1-1 to 11-MN ... pixel cell circuit,
12-1 to 12-M ... row selection lines,
20 ... IV conversion circuit,
21-1 to 21-N ... IV converter,
30: AD conversion circuit.
Claims (10)
待機時に上記光電流をバイアス線に出力する第1の電界効果トランジスタと、
読み出し時に上記光電流を出力線に出力する第2の電界効果トランジスタとを備えた光電変換回路であって、
上記第1及び第2の電界効果トランジスタの飽和ドレイン電流を利用して上記出力される光電流を所定の制限電流値に制限することを特徴とする光電変換回路。 A phototransistor that outputs a photocurrent corresponding to the intensity of incident light;
A first field effect transistor that outputs the photocurrent to the bias line during standby;
A photoelectric conversion circuit including a second field effect transistor that outputs the photocurrent to an output line at the time of reading;
A photoelectric conversion circuit, wherein the output photocurrent is limited to a predetermined limit current value by using saturated drain currents of the first and second field effect transistors.
待機時に上記光電流をバイアス線に出力する第1の電界効果トランジスタと、
読み出し時に上記光電流を出力線に出力する第2の電界効果トランジスタとを備えた光電変換回路の光電流制限方法であって、
上記第1及び第2の電界効果トランジスタの飽和ドレイン電流を利用して上記出力される光電流を所定の制限電流値に制限することを含むことを特徴とする光電変換回路の光電流制限方法。 A phototransistor that outputs a photocurrent corresponding to the intensity of incident light;
A first field effect transistor that outputs the photocurrent to the bias line during standby;
A photoelectric current limiting method for a photoelectric conversion circuit comprising a second field effect transistor that outputs the photocurrent to an output line at the time of reading,
A photoelectric current limiting method for a photoelectric conversion circuit, comprising limiting the output photocurrent to a predetermined limiting current value by using saturated drain currents of the first and second field effect transistors.
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