JP4648830B2 - Optical sensor circuit - Google Patents

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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, it uses a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) inverter to amplify the photocurrent output from a photodiode, which is a photoelectric conversion element. 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6と図7に上記CMOSインバータの回路構成を示す。図6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6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。   6 and 7 show the circuit configuration of the CMOS inverter. FIG. 6 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 in FIG. 6 of the enhancement type MOS transistor 103, and the lower terminal is connected to the ground.

図6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7のごとくなる。図7において、図6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7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. 6 is expressed as a CMOS inverter IA, the electric circuit is as shown in FIG. In FIG. 7, the same elements as those described in FIG. In the circuit configuration shown in FIG. 7, the MOS switching transistor 104 connects or disconnects the input terminal and the output terminal of 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では、CMOSインバータの入出力特性曲線の線形領域を利用してフォトダイオードで変換された光電流の増幅を行うため、感度は大きいが、即座に信号が飽和してしまうので、ダイナミックレンジが当該線形領域に限定され、ダイナミックレンジが狭いという問題があった。そのため明暗の大きな画像を撮影することが難しいという問題があった。   In the image sensor disclosed in Patent Document 1 described above, the photocurrent converted by the photodiode is amplified using the linear region of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter. Since saturation occurs, the dynamic range is limited to the linear region, and there is a problem that the dynamic range is narrow. For this reason, there is a problem that it is difficult to shoot a bright and dark image.

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ダイナミックレンジを拡大することが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 provide an optical sensor circuit capable of expanding a dynamic range of an input / output characteristic curve of a CMOS inverter in an optical sensor circuit that amplifies photocurrent with a CMOS inverter.

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、光電変換素子の一方の電極に入力側が接続され、入力側電位と出力側電位の関係を示す入出力特性曲線と入力側電位及び出力側電位が等しい関係にあるときの直線との交点で示される動作点に従い電流信号を増幅する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制御すると共に、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入力側電位に対する動作点を高電位側に移動させる制御を行うPMOS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と、PMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を、CMOSインバータの動作点の電位とPMOS型スイッチングトランジスタのしきい値電圧との差分よりも大きい値に設定する電圧制御手段と、を備え、電圧制御手段は、PMOS型スイッチングトランジスタのゲート電圧を制御し、PMOS型スイッチングトランジスタのサブしきい値状態での動作になったときに、CMOSインバータの出力を直線応答特性出力から対数応答特性出力に切り替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, and a photoelectric conversion element that converts incident light into a current signal, and one of the photoelectric conversion elements Current signal according to the operating point indicated by the intersection of the input / output characteristic curve showing the relationship between the input side potential and the output side potential and the straight line when the input side potential and the output side potential are equal Controls the connection or disconnection between the CMOS inverter that amplifies and the input end and output end of the CMOS inverter, and moves the operating point for the input side potential to the high potential side due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter at the time of disconnection a PMOS-type switching transistor for controlling to make a pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter, PMOS-type switching transistor The gate voltage when turned off, and a voltage control means for setting to a value greater than the difference between the threshold voltage of the potential and PMOS-type switching transistor operating point of the CMOS inverter, the voltage control means, PMOS type controls the gate voltage of the switching transistor, when it is operating in a sub-threshold state of the PMOS-type switching transistor, configured to switch the output of the CMOS inverter to the logarithmic response characteristic output from the straight-line response characteristic output Is done.

上記の光センサ回路では、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するPMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を電圧制御手段によって所定電圧になるように設定したため、増幅時にCMOSインバータの入出力特性曲線のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。   In the above optical sensor circuit, the gate voltage when turning off the PMOS switching transistor that selects connection or disconnection between the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter is set to be a predetermined voltage by the voltage control means. The dynamic range of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter can be expanded.

第2の光センサ回路(請求項2に対応)は、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、光電変換素子の一方の電極に入力側が接続され、入力側電位と出力側電位の関係を示す入出力特性曲線と入力側電位及び出力側電位が等しい関係にあるときの直線との交点で示される動作点に従い電流信号を増幅する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制御すると共に、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入力側電位に対する動作点を低電位側に移動させる制御を行うNMOS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と、NMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を、CMOSインバータの動作点の電位とNMOS型スイッチングトランジスタのしきい値電圧との合計値よりも小さい値に設定する電圧制御手段と、を備え、電圧制御手段は、NMOS型スイッチングトランジスタのゲート電圧を制御し、NMOS型スイッチングトランジスタのサブしきい値状態での動作になったときに、CMOSインバータの出力を直線応答特性出力から対数応答特性出力に切り替えるように構成される。 A second optical sensor circuit (corresponding to claim 2) includes a capacitive element connected in parallel between two electrodes, a photoelectric conversion element that converts incident light into a current signal, and a photoelectric conversion element The input side is connected to one of the electrodes, and the current follows the operating point indicated by the intersection of the input / output characteristic curve indicating the relationship between the input side potential and the output side potential and the straight line when the input side potential and the output side potential are equal. a CMOS inverter for amplifying the signal, and controls the connection or disconnection between the input and output terminals of CMOS inverter, the operating point for the input voltage at the time of cut-off due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter to the low potential side and NMOS switching transistor for controlling to move to, and a pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter, NMOS switching transients scan The gate voltage for turning off the, and a voltage control means for setting a value smaller than the sum of the threshold voltage of the potential and NMOS switching transistor operating point of the CMOS inverter, the voltage control means, controls the gate voltage of the NMOS switching transistor, when it is operating in a sub-threshold state of the NMOS switching transistor, to switch the output of the CMOS inverter to the logarithmic response characteristic output from the straight-line response characteristic output Configured.

上記の光センサ回路では、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するNMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を電圧制御手段によって所定電圧になるように設定したため、増幅時にCMOSインバータの入出力特性曲線のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。   In the above optical sensor circuit, the gate voltage when turning off the NMOS type switching transistor that selects connection or disconnection between the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter is set to a predetermined voltage by the voltage control means. The dynamic range of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter can be expanded.

本発明によれば、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するPMOS型またはNMOS型のスイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を、電圧制御手段によって所定電圧になるように設定したため、微弱光に対しては直線応答特性を使用し、強い光には対数変換の応答特性を使用し、増幅時にCMOSインバータの入出力特性曲線のダイナミックレンジを拡大することできる   According to the present invention, the gate voltage when turning off the PMOS-type or NMOS-type switching transistor that selects connection or disconnection between the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter is set to a predetermined voltage by the voltage control means. Therefore, the linear response characteristic is used for weak light, the logarithmic conversion response characteristic is used for strong light, and the dynamic range of the input / output characteristic curve of the CMOS inverter can be expanded during amplification.

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〜図3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は本実施形態による1つの光センサ回路(画素)を示す電気回路を示す。図1において、図7で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。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。   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 present embodiment. In FIG. 1, elements that are substantially the same as those described in FIG. FIG. 2 is a graph showing a change state of the operating point (bias point) of the CMOS inverter included in the photosensor circuit.

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のアノード11aはグランドに接続されている。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、PMOS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。   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 CMOS inverter IA is a kind of push-pull circuit using P-channel and N-channel enhancement type MOS transistors. The drain and the source of the PMOS switching transistor 12 are connected to the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA in parallel connection relation.

PMOS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。PMOS型スイッチングトランジスタ12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12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12のゲート電圧をHiレベルからLoレベルに切り換えて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 PMOS switching transistor 12 connects or disconnects the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. When the PMOS type switching transistor 12 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 12 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 switching the gate voltage of the PMOS switching transistor 12 from the Hi level to the Lo level and short-circuiting the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA. 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PMOS型スイッチングトランジスタ12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。   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). When the PMOS switching transistor 12 is switched from on (connected) to off (cut off) as described above, 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PMOS型スイッチングトランジスタ12のオン・オフ動作を制御するゲート電圧は電圧制御部13から与えられる。PMOS型スイッチングトランジスタ12のゲート電圧の状態は、後述するように、電圧制御部13によってさらに精密に制御される。   A gate voltage for controlling the on / off operation of the PMOS switching transistor 12 is supplied from the voltage control unit 13. The state of the gate voltage of the PMOS switching transistor 12 is more precisely controlled by the voltage control unit 13 as will be described later.

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14が接続されている。NMOS型トランジスタ14から出力端子が引き出される。   Further, a MOS transistor 14 for pixel selection is connected to the output terminal of the CMOS inverter IA. An output terminal is drawn from the NMOS transistor 14.

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12が用いられる。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AR12(蓄積時)で示される。これにより、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、PMOS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。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。   According to the configuration of the optical sensor circuit 20 described above, the following operation occurs. A PMOS type switching transistor 12 is used as a switching means for connecting or disconnecting an input terminal and an output terminal in the CMOS inverter IA. In order to accumulate photoelectric charge in the capacitor C of the photodiode PD, when the PMOS switching transistor 12 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 AR11 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 AR12 (during accumulation) in FIG. As a result, according to the photosensor circuit 10, the accumulation of photocharge in the photodiode PD is started in a state where the input terminal side potential after the PMOS switching transistor 12 is turned off is lowered. 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.

さらに、本実施形態では、CMOSインバータIAの入出端を接続・遮断するPMOS型スイッチングトランジスタ12のゲート電圧を、電圧制御部13で制御することによって、ニー(Knee)特性(対数変換)を持たせるようにしている。その動作条件は次の通りである。   Further, in the present embodiment, the voltage control unit 13 controls the gate voltage of the PMOS type switching transistor 12 that connects / disconnects the input / output end of the CMOS inverter IA, thereby providing knee characteristics (logarithmic conversion). I am doing so. The operating conditions are as follows.

PMOS型スイッチングトランジスタ12を遮断動作(オフ)させる際に、そのゲート電圧は、電圧制御部13によって所定の範囲に収まるように設定される。当該範囲の下限値は、CMOSインバータIAの動作点(P1)の電位とPMOS型スイッチングトランジスタ12のしきい値電圧との差分より大きくする。これは、PMOS型スイッチングトランジスタ12を動作させるゲート電圧値とするためである。また上記範囲の上限値は特に限定されないが、一般的には、電源(Vdd)の電圧値が用いられる。   When the PMOS switching transistor 12 is turned off (turned off), the gate voltage is set by the voltage control unit 13 to be within a predetermined range. The lower limit value of the range is made larger than the difference between the potential of the operating point (P1) of the CMOS inverter IA and the threshold voltage of the PMOS switching transistor 12. This is because the gate voltage value for operating the PMOS switching transistor 12 is set. The upper limit of the above range is not particularly limited, but generally, the voltage value of the power supply (Vdd) is used.

上記の結果、図3に示すごときCMOSインバータIAの出力特性において、或るしきい値で、直線応答特性C21から対数的な応答特性C22に切り換えることができる。この現象は、フォトダイオードPDでは光電流が流れるが、この光電流はPMOS型スイッチングトランジスタ12を介して電流が供給され、CMOSインバータIAは安定点に落ちつこうとするからである。特に、電位差がしきい値電圧値以下のときにはPMOS型スイッチングトランジスタ12はほとんどオフ状態であるため、最初の変化は直線的なものであり、他方、流れる電流が増してくるとPMOS型スイッチングトランジスタ12のサブしきい値状態での動作になってその出力は対数的な特性を示すことになる。これにより、光センサ回路10の入出力特性のダイナミックレンジを拡大することができる。   As a result, in the output characteristic of the CMOS inverter IA as shown in FIG. 3, the linear response characteristic C21 can be switched to the logarithmic response characteristic C22 with a certain threshold value. This phenomenon is because a photocurrent flows in the photodiode PD, but this photocurrent is supplied through the PMOS switching transistor 12, and the CMOS inverter IA tends to fall to a stable point. In particular, when the potential difference is equal to or lower than the threshold voltage value, the PMOS switching transistor 12 is almost in an OFF state, so that the first change is linear, and on the other hand, when the flowing current increases, the PMOS switching transistor 12 The output in the sub-threshold state exhibits logarithmic characteristics. Thereby, the dynamic range of the input / output characteristics of the optical sensor circuit 10 can be expanded.

上記のごとく、PMOS型スイッチングトランジスタ12をオフしてCMOSインバータIAを遮断する時、CMOSインバータIAの動作点の位置は線形領域端部に向かって高電位側に移動するが、その移動範囲はPMOS型スイッチングトランジスタ12のトランジスタ特性に依存して異なる。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る時にカソード11b側の電位が低下するためCMOSインバータIAの入力電圧は低電位側に降下する。   As described above, when the PMOS switching transistor 12 is turned off and the CMOS inverter IA is shut off, the position of the operating point of the CMOS inverter IA moves toward the high potential side toward the end of the linear region. It depends on the transistor characteristics of the type switching transistor 12. After that, when the photodiode PD causes a photoelectric conversion action, the potential on the cathode 11b side is lowered, so that the input voltage of the CMOS inverter IA falls to the low potential side.

上記光センサ回路10によれば、フォトダイオードPDで発生する光電荷が少ないとき、すなわち光L1の照度が小さい微弱光であるときには、CMOSインバータIAの線形領域を使用して線形的な動作を行う。また光L1の照度が強くなり光電荷が増大したときには、PMOS型スイッチングトランジスタ12の上記のニー特性を利用して対数変換動作が行われ、対数的な出力とする。PMOS型スイッチングトランジスタ12のゲート電圧の値を上記のように所定範囲に収めることで、当該所定範囲の下限値に近づくほど線形動作の領域が狭くなり、上限値に近づくほど対数変換動作が広くなる。   According to the optical sensor circuit 10, when the photoelectric charge generated in the photodiode PD is small, that is, when the light L1 has low illuminance, linear operation is performed using the linear region of the CMOS inverter IA. . When the illuminance of the light L1 increases and the photocharge increases, a logarithmic conversion operation is performed using the above knee characteristics of the PMOS switching transistor 12 to obtain a logarithmic output. By keeping the gate voltage value of the PMOS switching transistor 12 within a predetermined range as described above, the linear operation region becomes narrower as the lower limit value of the predetermined range is approached, and the logarithmic conversion operation becomes wider as the upper limit value is approached. .

以上により、PMOS型スイッチングトランジスタ12のゲート電圧の値を上記のように所定範囲に収めることによりそのダイナミックレンジを拡大することができる。   As described above, the dynamic range can be expanded by keeping the value of the gate voltage of the PMOS switching transistor 12 within the predetermined range as described above.

次に、図4と図5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4は図1と同様な図であり、図5は図2と同様な図である。図4と図5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. 4 is a view similar to FIG. 1, and FIG. 5 is a view similar to FIG. 4 and 5, the same elements as those described in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

この実施形態による光センサ回路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の入力端子と出力端子のそれぞれに、並列な接続関係で、NMOS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。   The photosensor circuit 20 according to this embodiment includes a photodiode PD and a capacitor C connected in parallel between the anode 11a and the cathode 11b of the photodiode PD. 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 drain and source of the NMOS switching transistor 21 are connected to the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter IA in a parallel connection relationship.

NMOS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。NMOS型スイッチングトランジスタ21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、NMOS型スイッチングトランジスタ21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。NMOS型スイッチングトランジスタ21を遮断動作(オフ)させる際のゲート電圧は、電圧制御部13によって所定の範囲に収まるように設定される。当該範囲の下限値は、一般的にはグランドであり、上限値はCMOSインバータIAの動作点(P1)の電位とNMOSスイッチングトランジスタ21のしきい値電圧との合計値である。その他のNMOS型スイッチングトランジスタ21の機能等は、第1実施形態で説明したPMOS型スイッチングトランジスタ12の機能等を同じである。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 NMOS switching transistor 21 connects or disconnects the input terminal and the output terminal in the CMOS inverter IA. When the NMOS switching transistor 21 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 NMOS type switching transistor 21 is off (the gate voltage is low level Lo) The input terminal and output terminal of the CMOS inverter IA are cut off. The gate voltage when the NMOS switching transistor 21 is cut off (turned off) is set by the voltage control unit 13 so as to be within a predetermined range. The lower limit value of the range is generally ground, and the upper limit value is the total value of the potential of the operating point (P1) of the CMOS inverter IA and the threshold voltage of the NMOS switching transistor 21. The other functions of the NMOS switching transistor 21 are the same as the functions of the PMOS switching transistor 12 described in 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NMOS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、NMOS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低電位側に移動させることができる。この状態を図5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5の矢印AR22(蓄積時)で示されている。   According to the configuration of the optical sensor circuit 20 described above, the following operation occurs. An NMOS type 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, when the NMOS switching transistor 21 is turned off and the MOS inverter IA is cut off in order to accumulate photocharge 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. 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 AR21 in FIG. Further, when the photodiode PD subsequently undergoes a photoelectric conversion action and the potential on the cathode 11b side rises due to the incidence of the light L1 (at the time of accumulation), the operating point of the CMOS inverter IA is oppositely high in terms of the input end side potential. To the side. This state is indicated by an arrow AR22 (during accumulation) in FIG.

さらに、上記光センサ回路20によれば、フォトダイオードPDで発生する光電荷が少ないとき、すなわち光L1の照度が小さい微弱光であるときには、CMOSインバータIAの線形領域を使用して線形的な動作を行う。また光L1の照度が強くなり光電荷が増大したときには、NMOS型スイッチングトランジスタ21の上記のニー特性を利用して対数変換動作が行われ、対数的な出力とする。   Furthermore, according to the photosensor circuit 20, when the photocharge generated in the photodiode PD is small, that is, when the light L1 has low illuminance, linear operation is performed using the linear region of the CMOS inverter IA. I do. When the illuminance of the light L1 increases and the photocharge increases, a logarithmic conversion operation is performed using the above knee characteristics of the NMOS switching transistor 21 to obtain a logarithmic output.

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(CMOSインバータIAの入力側電位の上昇)は、NMOS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降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。さらに、NMOS型スイッチングトランジスタ21のゲート電圧の値を上記のように所定範囲に収めることによりそのダイナミックレンジを拡大することができる。   As described above, according to the photosensor circuit 20 of the present embodiment, the accumulation of photocharge in the photodiode PD (the increase in the input side potential of the CMOS inverter IA) is the input after the NMOS switching transistor 21 is turned off. This is started in a state where the end side potential is lowered. As a result, the linear region of the input / output characteristic curve 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. Furthermore, the dynamic range can be expanded by keeping the value of the gate voltage of the NMOS switching transistor 21 within the predetermined range as described above.

本発明に係る光センサ回路は次のように変形することができる。第1実施形態の光センサ回路において、PMOS型スイッチングトランジスタを用いる代わりに、P/N−MOS型スイッチングトランジスタを用いることができる。また第2実施形態の光センサ回路で、NMOS型スイッチングトランジスタを用いる代わりに、P/N−MOS型スイッチングトランジスタを用いることができる。これらの変形の実施形態の構成によれば、前述した作用効果に加えて、スイッチング時の変化をなくすことができる。   The optical sensor circuit according to the present invention can be modified as follows. In the photosensor circuit of the first embodiment, a P / N-MOS type switching transistor can be used instead of using a PMOS type switching transistor. In the photosensor circuit of the second embodiment, a P / N-MOS type switching transistor can be used instead of using an NMOS type switching transistor. According to the configuration of these modified embodiments, it is possible to eliminate changes during switching in addition to the above-described operational effects.

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.

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、さらにダイナミックレンジを拡大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 faint light with high sensitivity, can widely use a dynamic range in a linear region, and can further expand the dynamic range.

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. 第1実施形態に係る光センサ回路のCMOSインバータの出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the output characteristic of the CMOS inverter of the optical sensor circuit which concerns on 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. 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.

符号の説明Explanation of symbols

10 光センサ回路
12 PMOS型スイッチングトランジスタ
13 電圧制御部
14 画素選択用MOS型トランジスタ
20 光センサ回路
21 NMOS型スイッチングトランジスタ
PD フォトダイオード
IA CMOSインバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Photosensor circuit 12 PMOS type switching transistor 13 Voltage control part 14 Pixel selection MOS type transistor 20 Photosensor circuit 21 NMOS type switching transistor PD Photodiode IA CMOS inverter

Claims (2)

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、入力側電位と出力側電位の関係を示す入出力特性曲線と前記入力側電位及び前記出力側電位が等しい関係にあるときの直線との交点で示される動作点に従い前記電流信号を増幅するCMOSインバータと、前記CMOSインバータの入力端と出力端との接続または遮断を制御すると共に、遮断時に前記CMOSインバータの前記入力側電位での容量結合による前記入力側電位に対する前記動作点を高電位側に移動させる制御を行うPMOS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、
前記PMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を、前記CMOSインバータの動作点の電位と前記PMOS型スイッチングトランジスタのしきい値電圧との差分よりも大きい値に設定する電圧制御手段と、を備え、
前記電圧制御手段は、
前記PMOS型スイッチングトランジスタの前記ゲート電圧を制御し、前記PMOS型スイッチングトランジスタのサブしきい値状態での動作になったときに、前記CMOSインバータの出力を直線応答特性出力から対数応答特性出力に切り替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;
The input side is connected to one of the electrodes of the photoelectric conversion element, an input / output characteristic curve indicating a relationship between the input side potential and the output side potential, and a straight line when the input side potential and the output side potential are in the same relationship A CMOS inverter that amplifies the current signal according to the operating point indicated by the intersection, and connection or disconnection between the input terminal and the output terminal of the CMOS inverter, and capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter at the time of disconnection A PMOS type switching transistor that performs control to move the operating point with respect to the input side potential to a high potential side ,
A pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter;
Voltage control means for setting a gate voltage when turning off the PMOS type switching transistor to a value larger than a difference between the potential of the operating point of the CMOS inverter and the threshold voltage of the PMOS type switching transistor. ,
The voltage control means includes
The controls the gate voltage, the sub when it is operating in a threshold state, several pairs of output of the CMOS inverter from linearity response output response characteristic of the PMOS-type switching transistor of the PMOS type switching transistor An optical sensor circuit characterized by switching to an output.
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、入力側電位と出力側電位の関係を示す入出力特性曲線と前記入力側電位及び前記出力側電位が等しい関係にあるときの直線との交点で示される動作点に従い前記電流信号を増幅するCMOSインバータと、
前記CMOSインバータの入力端と出力端との接続または遮断を制御すると共に、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前記入力側電位に対する前記動作点を低電位側に移動させる制御を行うNMOS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、
前記NMOS型スイッチングトランジスタをオフする際のゲート電圧を、前記CMOSインバータの動作点の電位と前記NMOS型スイッチングトランジスタのしきい値電圧との合計値よりも小さい値に設定する電圧制御手段と、を備え、
前記電圧制御手段は、
前記NMOS型スイッチングトランジスタの前記ゲート電圧を制御し、前記NMOS型スイッチングトランジスタのサブしきい値状態での動作になったときに、前記CMOSインバータの出力を直線応答特性出力から対数応答特性出力に切り替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;
The input side is connected to one of the electrodes of the photoelectric conversion element, an input / output characteristic curve indicating a relationship between the input side potential and the output side potential, and a straight line when the input side potential and the output side potential are in the same relationship A CMOS inverter that amplifies the current signal according to the operating point indicated by the intersection;
Controls the connection or disconnection between the input and output terminals of said CMOS inverter, a control for moving the operating point to the low potential side with respect to the input side potential due to capacitive coupling at the input side potential of the CMOS inverter at blocking NMOS type switching transistor to perform ,
A pixel selection transistor connected to the output side of the CMOS inverter;
Voltage control means for setting a gate voltage when turning off the NMOS switching transistor to a value smaller than a total value of the potential of the operating point of the CMOS inverter and the threshold voltage of the NMOS switching transistor; Prepared,
The voltage control means includes
The controls the gate voltage, the sub when it is operating in a threshold state, several pairs of output of the CMOS inverter from linearity response output response characteristic of the NMOS switching transistor of the NMOS-type switching transistor An optical sensor circuit characterized by switching to an output.
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