JP6887849B2 - 光センサ - Google Patents
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Description
同一の例えばN型半導体基板に形成された光センサは、光信号を電気的信号に変換する光センサ部と、光センサ部から入力した電気的信号を電流信号から電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路の出力信号をサンプリングするサンプル&ホールド回路とを備えている。電流電圧変換回路及びサンプル&ホールド回路は、光センサ部100からの信号を処理する信号処理回路を構成している。信号処理回路の出力信号は、出力アンプ(OUT AMP)500を介して光センサの出力端600から外部(半導体基板外)に導出される。
光センサ部は、フォトダイオードPDからなり、フォトダイオードPDのカソード端子は、電源Vddに接続されている。光センサ部からの出力信号は、電流電圧変換回路に入力する。
電流電圧変換回路からの出力信号は、サンプル&ホールド回路に入力する。
サンプル&ホールド回路は、コンデンサCA、NMOSトランジスタMN2、NMOSトランジスタMN3、NMOSトランジスタNM4、コンデンサCHを有しており、コンデンサCAの他方の端子と、NMOSトランジスタMN2のドレイン端子、NMOSトランジスタMN3のソース端子が配線VAJCに、NMOSトランジスタMN3、MN4のドレイン端子、コンデンサCHが配線VHLDに接続されている。NMOSトランジスタMN2、MN4のソース端子は、それぞれ信号処理回路の基準となるリファレンス電源REF1、REF2に接続されている。さらに、配線VHLDにはNMOSトランジスタMN7がスイッチとして接続されており、このスイッチを介して出力アンプへ信号を送り込むように構成されている。
以上の回路は全て同一半導体基板上に形成されている。
これによりPMOSトランジスタMP0のゲート電圧が上がり、ドレイン電流が流れ、配線POの電位が降下する。
それと同時に、フォトダイオードCFに電荷がチャージされ、配線PDと配線POの間に電位差が生まれる。この電位差はコンデンサCFの容量によって決まるため、容量を調整することで電流/電圧(I/V)変換の倍率をコントロールできる。配線POの電位が下がると、コンデンサCAを介して配線VAJCの電位も降下し、配線POと配線VAJCの電位差分の電荷がコンデンサCAにチャージされる。
ここで、NMOSトランジスタMN3をオン(ON)させると、コンデンサCAにチャージされた電荷がコンデンサCAとコンデンサCHに分配され、サンプル&ホールドされる。電荷の配分はコンデンサCAとコンデンサCHの容量比で決まる。
コンデンサCHにホールドされた電荷は、NMOSトランジスタMN7をオン(ON)することで出力アンプ500へ送られ、結果として、入力された光Aの強度に応じたIC出力が出力される。
このような場合露光中において、スイッチであるNMOSトランジスタMN3はオフ(OFF)のため、NMOSトランジスタMN3のゲート端子には0Vが印加されているが、ソース端子に接続している配線VAJCの電位が下がり続け、NMOSトランジスタMN3のゲート‐ソース間の電位差がしきい値電圧(Vth)を超えた場合、NMOSトランジスタMN3のソース-ドレイン間がリークし、いずれはオン(ON)してしまい、本来の動作とは異なるタイミングでサンプル&ホールドが行われて出力が上書きされてしまうという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、光センサ本体と当該本体からの信号を処理する回路が同一半導体基板に形成され、限界以上の入力があっても、出力に異常が現れるのを防ぐ光センサを提供する。
実施例1の光センサは、光センサ部と当該光センサ部から得られる信号を処理する回路から成る撮像装置が同一の半導体基板上に複数形成された光センサである。図2に示すように、同一の例えばN型半導体基板に形成された光センサは、光信号を電気的信号に変換する光センサ部1と、光センサ部1から入力した電気的信号を電流信号から電圧信号に変換する電流電圧変換回路2と、この電流電圧変換回路2の出力信号をサンプリングするサンプル&ホールド回路3とを備えている。ここで、電流電圧変換回路2及びサンプル&ホールド回路3は、光センサ部1からの信号を処理する信号処理回路4を構成している。信号処理回路4の出力信号は、出力アンプ(OUT AMP)5を介して光センサの出力端6から外部(半導体基板外)に導出される。
また、コンデンサCFの他方の端子とPMOSトランジスタMP0のドレイン端子は、電流源として用いられるNMOSトランジスタMN0及びコンデンサCAの一方の端子に接続されている。PMOSトランジスタMN1のソース端子はコンデンサCFの一方の端子に、MP1のドレイン端子は、コンデンサCFの他方の端子に、それぞれ接続されている。PMOSトランジスタMN1は、リセットスイッチとして用いられる。図2に記載された電流電圧変換回路2は、PMOSトランジスタMP0、コンデンサCF、PMOSトランジスタMP1及びNMOSトランジスタMN0から構成されている。そして、電流電圧変換回路2からの出力信号は、サンプル&ホールド回路3に入力する。
ここで、図2に記載されたサンプル&ホールド回路3は、コンデンサCA、NMOSトランジスタMN2、MN3、MN4、コンデンサCH及びダイオード7から構成されている。
さらに、配線VHLDにはスイッチであるNMOSトランジスタMN7が接続されており、このトランジスタスイッチを介してサンプル&ホールド回路の出力信号が出力アンプ(OUT AMP)5へ送り込まれる。
このように同一半導体基板に形成された光センサにおいて、配線VAJCには、さらに、2段構成のダイオード7が接続されている。この配線には第1段のダイオード(ダイオード接続のトランジスタ)D1のカソード(ドレイン)端子が接続されている。また、第1段のダイオードD1のアノード(ゲート・ソース)端子には第2段のダイオード(ダイオード接続のトランジスタ)D2のカソード(ドレイン)端子が接続され、第2段のダイオードD2のアノード(ゲート・ソース)端子はリファレンス電源REF1に接続されている。
このような回路において、光AがフォトダイオードPDに入射した場合、配線VAJCのリファレンス電源REF1との電位差が第1段及び第2段のダイオードD1、D2のしきい値電圧(Vth)の合計より小さければ、回路の動作は図4に示す従来回路と全く同じである。
具体的には、リファレンス電源REF1が1.5V、ダイオードD1、D2のしきい値Vthはそれぞれ0.7V程度であるので、配線VAJCは0.1V程度より低い電位にはならず、NMOSトランジスタMN3がリーク、もしくはスイッチオンして出力が上書きされる現象は発生しない。
この実施例は、実施例1の光センサと基本構造が同じであるが(図1参照)、配線VAJCに接続されているダイオード8が1段構造である点で相違している。
配線VAJCにおいて、1つのダイオード(ダイオード接続のトランジスタ)Dが接続されている。配線VAJCには、ダイオードDのカソード(ドレイン)端子が接続されている。そして、ダイオードDのアノード(ゲート・ソース)端子は、リファレンス電源REF1に接続されている。
2・・・電流電圧変換回路
3・・・サンプル&ホールド回路
4・・・信号処理回路
5・・・出力アンプ(OUT AMP)
6・・・出力端
7、8・・・ダイオード
Claims (2)
- 半導体基板と、前記半導体基板に形成され光信号を電気的信号に変換する光センサ部と、光センサ部から入力した電気的信号を電流信号から電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力信号をサンプリングするサンプル&ホールド回路とを備え、前記サンプル&ホールド回路は、前記サンプル&ホールド回路を構成するスイッチがオンとなる場合、前記サンプル&ホールド回路を構成するサンプル容量にチャージされた電荷が前記サンプル&ホールド回路を構成するホールド容量に分配され、前記サンプル&ホールド回路を構成する前記サンプル容量及び前記スイッチが接続された配線とレファレンス電源との間に1個のダイオードもしくは複数直列接続したダイオードを接続したことを特徴とする光センサ。
- 前記ダイオードが、ダイオード接続をしたトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
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