JP2015002463A - Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device, electronic apparatus, and method of limiting optical current for photoelectric conversion circuit - Google Patents

Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device, electronic apparatus, and method of limiting optical current for photoelectric conversion circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2015002463A
JP2015002463A JP2013126638A JP2013126638A JP2015002463A JP 2015002463 A JP2015002463 A JP 2015002463A JP 2013126638 A JP2013126638 A JP 2013126638A JP 2013126638 A JP2013126638 A JP 2013126638A JP 2015002463 A JP2015002463 A JP 2015002463A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photoelectric conversion
conversion circuit
field effect
photocurrent
gate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013126638A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6115343B2 (en
Inventor
和洋 米田
Kazuhiro Yoneda
和洋 米田
渡辺 博文
Hirobumi Watanabe
博文 渡辺
宝昭 根来
Takaaki Negoro
宝昭 根来
克彦 愛須
Katsuhiko Aisu
克彦 愛須
勝之 桜野
Katsuyuki Ono
勝之 桜野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2013126638A priority Critical patent/JP6115343B2/en
Publication of JP2015002463A publication Critical patent/JP2015002463A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6115343B2 publication Critical patent/JP6115343B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion circuit that allows increasing operating speed as compared to conventional techniques.SOLUTION: A photoelectric conversion circuit includes: a phototransistor 1 outputting an optical current corresponding to the magnitude of incident light; a MOS transistor 3 outputting the optical current to a bias line at the time of standby; and a MOS transistor 2 outputting the optical current to an output line at the time of reading. The photoelectric conversion circuit limits the optical current to be outputted to a predetermined limit current value by using saturation drain currents of the MOS field-effect transistors 2 and 3. The limit current value is set by setting an inter-gate-source voltage applied to each gate of the MOS transistors 2 and 3 or the limit current value is set by setting each transistor size of the MOS transistors 2 and 3.

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, Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion device for reducing current consumption, but there is a problem that it takes time from the start of optical signal output until the photocurrent is stabilized, and the operation speed is slow. .

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.

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。1 is a circuit diagram illustrating a pixel cell circuit 11 that is a photoelectric conversion circuit according to an embodiment of the present invention and a peripheral circuit thereof. FIG. 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。It is a block diagram which shows the structure of the photoelectric conversion apparatus formed by juxtaposing the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 in two dimensions. 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。3 is a graph showing drain current Id characteristics with respect to a drain-source voltage Vds of the switch transistors 2 and 3 when the switch transistors 2 and 3 of the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 are N-channel MOS transistors. 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Vdsに対するドレイン電流Id特性を示すグラフである。4 is a graph showing drain current Id characteristics with respect to a drain-source voltage Vds of the switch transistors 2 and 3 when the switch transistors 2 and 3 of the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 are P-channel MOS transistors.

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 pixel cell circuit 11 which is a photoelectric conversion circuit according to an embodiment of the present invention and its peripheral circuit. In FIG. 1, a pixel cell circuit 11 corresponds to one pixel, and includes a phototransistor 1 and switch transistors 2 and 3 that are N-channel MOS field effect transistors (hereinafter, MOS field effect transistors are referred to as MOS transistors), for example. It is prepared for. Here, the collector of the phototransistor 1 is connected to the DC voltage VDD, and the emitter thereof is connected to the drains of the switch transistors 2 and 3. The phototransistor 1 photoelectrically converts incident light and outputs a photocurrent corresponding to the intensity of the incident light. The source of the switch transistor 2 is connected to the output line 4 that outputs the photocurrent from the phototransistor 1. The source of the switch transistor 3 is connected to a bias line 5 connected to a bias voltage source 7 that generates a predetermined bias voltage. A gate voltage for turning on or off the switch transistors 2 and 3 is applied to each gate of the switch transistors 2 and 3 from the gate voltage generation circuit 6.

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 pixel cell circuits 11 of FIG. 1 are juxtaposed in two dimensions. 2 includes a plurality of pixel cell circuits 11-1-1-1 to 11-MN arranged in a two-dimensional array, a plurality of row selection lines 12-1 to 12-M, and a plurality of pixel cell circuits 11-1-1 to 11-MN. Column output lines 4-1 to 4-N (corresponding to the output line 4 in FIG. 1), a row selector 10, an IV conversion circuit 20, and an AD conversion circuit 30 are provided. Here, the pixel cell circuits 11-1-1-1 to 11-MN are the pixel cell circuits 11 of FIG.

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 row selector 10 enables only one of the pixel cell circuits 11-1-n to 11-Mn using the row selection lines 12-1 to 12-M. When light is incident, the enabled pixel cell sends a photocurrent having a magnitude corresponding to the intensity of the incident light to the IV conversion circuit 20 via the column output line.

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 conversion circuit 20 includes IV converters 21-1 to 21-N connected to the column output lines 4-1 to 4-N, respectively. The IV converters 21-1 to 21-N operate as current-voltage conversion means that converts the output current of the pixel cell into an output voltage. At this time, each of the IV converters 21-1 to 21-N preferably compresses the dynamic range of the output voltage with respect to the dynamic range of the output current when converting the output current of the pixel cell into the output voltage. It may be. The AD conversion circuit 30 executes processing such as analog / digital conversion on the output voltage of the IV conversion circuit 20 to generate an output image signal.

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 pixel cell circuits 11, and the photoelectric conversion device is configured. However, the present invention is not limited to this, and a single pixel cell circuit 11 is used for photo A sensor may be configured. In addition, electronic devices such as an image sensor, an image reading device, a digital camera, and a security monitoring camera may be configured using a photoelectric conversion device.

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 pixel cell circuit 11 according to the present embodiment, in particular, a standby bias current control method in a photoelectric conversion circuit driven by a non-accumulated signal readout method will be described below with reference to FIG. Here, the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 is characterized in that current control at the pixel level is performed by providing a current limiting means using the saturation current of the switch transistors 2 and 3 in the pixel.

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 pixel cell circuit 11 that is on standby as an initial state, the gate voltage generation circuit 6 applies a low level voltage to the gate of the switch transistor 2 and applies a high level voltage to the gate of the switch transistor 3. At this time, the switch transistor 2 is turned off, the switch transistor 3 is turned on, the bias line 5 is selected, and a photocurrent is output from the phototransistor 1 to the bias line 5 during light reception. When the order of signal readout reaches a certain pixel cell circuit 11, the switch transistors 2 and 3 are switched on / off. That is, the gate voltage generation circuit 6 applies a high level voltage to the gate of the switch transistor 2 and applies a low level voltage to the gate of the switch transistor 3. At this time, the switch transistor 2 is turned on, the switch transistor 3 is turned off, and the output line 4 is selected. As described above, the switch transistors 2 and 3 are not turned on and off at the same time, and are switched to the bias line 5 via the switch transistor 3 during standby and to the output line 4 via the transistor 2 during the signal readout period. Photocurrent is output.

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 pixel cell circuit 11 has an upper limit value (= saturated drain current) that can be supplied to the switch transistors 2 and 3, and this value is set appropriately. Thus, as will be described in detail later, a desired operation speed can be ensured.

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 switch transistors 2 and 3 when the switch transistors 2 and 3 of the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 are N-channel MOS transistors. As shown in FIG. 3, when the drain-source voltage Vds enters the saturation region (Vds> Vgs−Vth), the drain current Id converges to a substantially constant value. The drain current Id in the saturation region is expressed by the following equation (1), and assuming a MOS transistor in which the channel length modulation parameter λ can be ignored, the drain current Id is determined by the gate-source voltage Vgs and the transistor size W / L. Is done.

Figure 2015002463
Figure 2015002463

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 switch transistors 2 and 3 are N-channel MOS transistors will be described below. When the phototransistor 1 in FIG. 1 is irradiated with light and a photocurrent is generated, the selected switch transistor 2 or 3 has an emitter voltage (switch transistors 2 and 2) to ensure a drain-source voltage Vds corresponding to the photocurrent. 3 drain voltage) increases. As the light intensity increases, the photocurrent increases and the emitter voltage increases, but the voltage does not exceed the power supply voltage VDD. From the characteristics of the drain current Id in FIG. 3, when the photocurrent is relatively small, the drain-source voltage Vds is small and the device operates in a non-saturated region. Therefore, the switch transistors 2 and 3 can pass a current corresponding to the photocurrent, but when the photocurrent increases and the drain-source voltage Vds enters the saturation region, the saturated drain current value calculated from the equation (1) It can only flow.

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 phototransistor 1 to the output line 4 and the bias line 5 is limited by the saturation drain current of the transistors 2 and 3, and the limit current value is determined by arbitrarily setting this value. be able to. From the equation (1), the value of the saturation drain current is determined by the voltage Vgs applied to the gates of the switch transistors 2 and 3 and the transistor size W / L. In other words, the limit current value can be set by changing the applied voltage Vgs from the gate voltage generation circuit 6 to the gates of the switch transistors 2 and 3 and the transistor size W / L.

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 switch transistors 2 and 3. However, the present invention is not limited to this, and the switch transistors 2 and 3 may be configured by a selection switch element of a field effect transistor such as a P-channel MOS transistor. .

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 switch transistors 2 and 3 when the switch transistors 2 and 3 of the pixel cell circuit 11 of FIG. 1 are P-channel MOS transistors. In FIG. 4, the dotted line shows the case of the N channel MOS transistor of FIG. 3 for comparison.

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 phototransistor 1 is irradiated with light and a photocurrent is generated, the emitter voltage rises in order to secure the drain-source voltage | Vds | even in the P-channel MOS transistor. However, since the emitter in this case corresponds to the source for the phototransistor 1, when the emitter voltage increases, the drain-source voltage | Vds | increases, and at the same time, the gate-source voltage | Vgs | changes. Therefore, unlike the N-channel MOS transistor, the P-channel MOS transistor always outputs a current while performing a saturation operation. As the photocurrent increases, the emitter voltage also increases, but does not exceed the power supply voltage VDD. Further, the gate applied voltage with respect to the upper limit of the emitter voltage becomes the upper limit of the gate-source voltage | Vgs |. The saturation drain current of the P-channel MOS transistor is calculated by the following equation (2), and the voltage | Vgs | applied to the gate from the gate voltage generation circuit 6 and the transistor size W / L are appropriately set as in the N-channel MOS transistor. The current limit can be realized with an arbitrary value. Here, the limit current value is set by setting the gate voltage applied to each gate so that the gate-source voltage Vgs of the MOS transistors 2 and 3 becomes a predetermined value.

Figure 2015002463
Figure 2015002463

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 switch transistors 2 and 3 are P-channel MOS transistors, they have the same effects as the N-channel MOS transistors.

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 bias voltage source 7 of FIG. 1 is a bias voltage source with a current limiting function as compared to the embodiment of FIG.

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 switch transistor 2 is switched from OFF to ON, and the output line 4 is selected. During the readout period, the photocurrent flows to the output line 4, undergoes voltage conversion in the IV conversion circuit 20, and is processed later as an output signal of each pixel, so that it becomes a photocurrent according to the illuminance during the readout period. It is necessary to stabilize. For early stabilization of the photocurrent, it is effective to suppress fluctuations in the base and emitter potentials during standby and output. In the conventional method that does not output photocurrent during standby, the base and emitter voltages increase during this period. End up. However, in this method, since a photocurrent is allowed to flow to the bias line 5 even during standby, the point is that fluctuations in the base and emitter potentials immediately after switching can be suppressed. The time required for stabilization decreases as the photocurrent increases. However, since the photocurrent of all the pixels on standby flows to the bias line 5 and greatly affects the power consumption of the entire system, a bias voltage source with a current limiting function is used. The upper limit is controlled. Therefore, if this upper limit value is set higher, the operating speed will improve, but the power consumption will increase.If it is set lower, the operating speed will decrease but the power consumption will also be reduced. There was a problem that it was necessary to do.

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 switch transistors 2 and 3 in the pixel with current limiting means. Therefore, since current limitation can be performed for each pixel, a pixel in a region where light is strong exceeds the limit current value and current limitation works. Operation such as continuing to flow is possible. Therefore, the power consumption can be effectively reduced while maintaining the operation speed without increasing the current limit value.

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.

特開2000−244004号公報JP 2000-244004 A

Claims (10)

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.
上記第1及び第2の電界効果トランジスタはNチャネル電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1記載の光電変換回路。   2. The photoelectric conversion circuit according to claim 1, wherein the first and second field effect transistors are N-channel field effect transistors. 上記第1及び第2の電界効果トランジスタはPチャネル電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1記載の光電変換回路。   2. The photoelectric conversion circuit according to claim 1, wherein the first and second field effect transistors are P-channel field effect transistors. 上記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧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したことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の光電変換回路。   The limit current value is set by setting a gate voltage applied to each gate so that a gate-source voltage of the first and second field effect transistors becomes a predetermined value. The photoelectric conversion circuit as described in any one of 1-3. 上記第1及び第2の電界効果トランジスタの各トランジスタサイズを設定することにより上記制限電流値を設定したことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の光電変換回路。   The photoelectric conversion circuit according to claim 1, wherein the limit current value is set by setting a transistor size of each of the first and second field effect transistors. 請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の複数の光電変換回路を備えたことを特徴とする光電変換装置。   A photoelectric conversion device comprising the plurality of photoelectric conversion circuits according to claim 1. 請求項6記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the photoelectric conversion device according to claim 6. 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.
上記制限電流値に制限することは、記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧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ことを含むことを特徴とする請求項8記載の光電変換回路の光電流制限方法。   The limitation to the limit current value is achieved by setting the gate voltage applied to each gate so that the gate-source voltages of the first and second field effect transistors have a predetermined value. The photoelectric current limiting method for a photoelectric conversion circuit according to claim 8, further comprising: 上記制限電流値に制限することは、上記第1及び第2の電界効果トランジスタの各トランジスタサイズを設定することにより上記制限電流値を設定することを含むことを特徴とする請求項8記載の光電変換回路の光電変換方法。   9. The photoelectric device according to claim 8, wherein limiting to the limiting current value includes setting the limiting current value by setting each transistor size of the first and second field effect transistors. A photoelectric conversion method of the conversion circuit.
JP2013126638A 2013-06-17 2013-06-17 Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device and electronic apparatus, and photoelectric current limiting method for photoelectric conversion circuit Active JP6115343B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013126638A JP6115343B2 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device and electronic apparatus, and photoelectric current limiting method for photoelectric conversion circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013126638A JP6115343B2 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device and electronic apparatus, and photoelectric current limiting method for photoelectric conversion circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015002463A true JP2015002463A (en) 2015-01-05
JP6115343B2 JP6115343B2 (en) 2017-04-19

Family

ID=52296734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013126638A Active JP6115343B2 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device and electronic apparatus, and photoelectric current limiting method for photoelectric conversion circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6115343B2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000077644A (en) * 1998-08-31 2000-03-14 Canon Inc Optical sensor and solid-state image pickup device
JP2010045293A (en) * 2008-08-18 2010-02-25 Canon Inc Photo-sensor, measurement apparatus and camera system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000077644A (en) * 1998-08-31 2000-03-14 Canon Inc Optical sensor and solid-state image pickup device
JP2010045293A (en) * 2008-08-18 2010-02-25 Canon Inc Photo-sensor, measurement apparatus and camera system

Also Published As

Publication number Publication date
JP6115343B2 (en) 2017-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8537259B2 (en) Photoelectric conversion circuit and solid state imaging device including same
US9807323B2 (en) Pixel circuit with constant voltage biased photodiode and related imaging method
JP6080447B2 (en) Photoelectric conversion device
KR100757034B1 (en) Pixel sensor with a low dark current photodiode
US9478568B2 (en) Photoelectric conversion device having two switch elements
KR20090051410A (en) Method of driving an image sensor
JP6484513B2 (en) Image sensor
US10180501B2 (en) Radiation detector
US20200162688A1 (en) Pixel sensing circuit and driving method thereof, image sensor and electronic device
US9257459B2 (en) Image pickup apparatus with pixels that include an amplifier and method for driving the same
CN110460786B (en) Pixel sensing circuit, first bias voltage determining method and electronic equipment
US10757354B2 (en) Pixel sensing circuit and driving method thereof, image sensor and electronic device
JP3664035B2 (en) Solid-state imaging device
JP4300654B2 (en) Solid-state imaging device
JP6115343B2 (en) Photoelectric conversion circuit, photoelectric conversion device and electronic apparatus, and photoelectric current limiting method for photoelectric conversion circuit
US20160381314A1 (en) Image sensor with high dynamic range and method
KR101194873B1 (en) High-senditivety cmos image sensor device with wide dynamic range
KR20140128636A (en) High-sensitivity cmos image sensor device with controllable reset voltage
US9641775B2 (en) Imaging apparatus, imaging system, and driving method of imaging apparatus
JP7165873B2 (en) Imaging processing circuit, imaging system, imaging processing method and program
JP2009168611A (en) Infrared solid-state imaging device
KR101340839B1 (en) High-sensitivity cmos image sensor device
Hassanli et al. A compact, low-power, and fast pulse-width modulation based digital pixel sensor with no bias circuit
US10659704B2 (en) Imaging device
JP7257300B2 (en) Imaging system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160607

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170210

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170221

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170306

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6115343

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151