JP6970513B2 - 光電変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置に関する。
受光素子から出力される電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いた光電変換装置が知られている。特許文献１には、トランスインピーダンスアンプの構成が示されている。
特開２０１１−１０９３３１号公報
特許文献１に示される構成において、差動増幅回路に接続される２つのトランスインピーダンスアンプの入力側が互いに異なる構成を有するため、２つのトランスインピーダンスアンプの入力側の寄生容量の値が異なる。光電変換装置に接続される電源電圧が外乱ノイズなどによって変動した場合、寄生容量を伝搬して２つのトランスインピーダンスアンプに入力されるノイズの変動量が、寄生容量値の違いによって異なりうる。２つのトランスインピーダンスアンプに入るノイズの大きさに差が生じた場合、２つのトランスインピーダンスアンプによって電流から電圧に変換され、差動増幅回路から出力される信号に、ノイズの大きさの差に起因する成分が重畳されてしまう。結果として、電源電圧の変動を取り除く能力（電源電圧変動除去比：ＰＳＲＲ）が悪化してしまう。
本発明は、光電変換装置において、電源電圧の変動に対して有利な技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る光電変換装置は、受光素子を含む受光素子部と、前記受光素子部から出力される単一の信号をそれぞれ電圧に変換するための第１および第２のトランスインピーダンスアンプと、前記第１および第２のトランスインピーダンスアンプの出力を差動増幅する差動演算部と、前記受光素子部と前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第１のスイッチと、前記受光素子部と前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第２のスイッチと、前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値を調整するための１または複数の第１のノードと前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第３のスイッチと、前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値を調整するための１または複数の第２のノードと前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第４のスイッチと、制御部であって、前記１または複数の第１のスイッチおよび前記１または複数の第３のスイッチのうちオン状態のスイッチの数と、前記１または複数の第２のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのうちオン状態のスイッチの数と、が同じになり、かつ、前記１または複数の第１のスイッチおよび前記１または複数の第３のスイッチのうちオフ状態のスイッチの数と、前記１または複数の第２のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのうちオフ状態のスイッチの数と、が同じになるように、前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのオン状態およびオフ状態を切り替えることによって、前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値と、前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値との差を低減する制御を行う制御部と、を含むことを特徴とする。
上記手段によって、光電変換装置において、電源電圧の変動に対して有利な技術を提供する。
本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示す回路図。 図１の切替部のスイッチの構成を示す断面図。 本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示す回路図。 図３の光電変換装置の切替部のスイッチの接続例を示す図。 図３の光電変換装置の切替部のスイッチの接続例を示す図。
以下、本発明に係る光電変換装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
第１の実施形態
図１、２を参照して、本発明の実施形態による光電変換装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光電変換装置１００の構成を示す回路図である。光電変換装置１００は、受光素子１１１を含む受光素子部１０１、切替部１０２、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４、および、差動演算部１０５を含む。
受光素子部１０１は、切替部１０２を介して受光素子１１１に入射する光に応じて生成される信号をトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４に出力する。受光素子部１０１に配される受光素子１１１のカソードは、電源電圧に接続され、アノードは、切替部１０２の出力切替部１１０のスイッチ１１２に接続される。（本明細書において、スイッチ１１２ａのように、複数のスイッチ１１２のうち特定のスイッチを示す場合、参照符号の後に「ａ」、「ｂ」などの添え字を追加する。またさらに、スイッチ１１２ａが複数存在する場合、特定のスイッチ１１２ａを示すために、スイッチ１１２ａ−ａのように、「−ａ」、「−１」などの添え字を追加する。他の構成要素に関しても同様である。）切替部１０２の構成については後述する。切替部１０２の出力は、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力端子である反転端子に接続される。トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の非反転端子には、光電変換装置３００に配された基準電圧部１０６から基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の出力は、差動演算部１０５に入力される。
切替部１０２は、出力切替部１１０と容量調整部１２０とを含み、それぞれ複数のスイッチによって構成される。出力切替部１１０は、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４との接続関係を定めるように配される。容量調整部１２０は、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の容量値を調整するために配される。図１に示される回路構成において、切替部１０２は、以下の４つのスイッチを備える。出力切替部１１０のスイッチ１１２ａは、受光素子部１０１に配される受光素子１１１のアノードとトランスインピーダンスアンプ１０３の入力端子との間に配される。出力切替部１１０のスイッチ１１２ｂは、受光素子部１０１に配される受光素子１１１のアノードとトランスインピーダンスアンプ１０４の入力端子との間に配される。容量調整部１２０のスイッチ１２２ａは、トランスインピーダンスアンプ１０３の入力側の容量値を調整するためのノードＮ１とトランスインピーダンスアンプ１０３の入力端子との間に配される。容量調整部１２０のスイッチ１２２ｂは、トランスインピーダンスアンプ１０４の入力側の容量値を調整するためのノードＮ２とトランスインピーダンスアンプ１０４の入力端子との間に配される。本実施形態において、ノードＮ１、Ｎ２は、フローティングになっている。ノードＮ１、Ｎ２に接続されるスイッチ１２２ａ、１２２ｂは、ダミースイッチとして機能しうる。詳細については、後述する。
次いで、切替部１０２の動作について説明する。受光素子部１０１に配された受光素子１１１は、受光素子１１１に入射する光の量に応じた信号（電流信号）を切替部１０２に出力する。切替部１０２は、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の何れかに受光素子１１１で発生した信号を供給するように出力切替部１１０のスイッチ１１２ａ、１１２ｂを切替える。例えば、受光素子１１１で発生した信号をトランスインピーダンスアンプ１０３へ供給する場合を考える。この場合、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０３の入力端子との間に配されるスイッチ１１２ａがオン状態（導通状態）となる。また、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０４の入力端子との間に配されるスイッチ１１２ｂがオフ状態（非導通状態）となる。さらに、容量調整部１２０のノードＮ１とトランスインピーダンスアンプ１０３との間のスイッチ１２２ａがオフ状態、ノードＮ２とトランスインピーダンスアンプ１０４との間のスイッチ１２２ｂがオン状態となる。
トランスインピーダンスアンプ１０３に入力する信号は、トランスインピーダンスアンプ１０３に含まれる抵抗素子によって、受光量に応じた電圧に変換され、トランスインピーダンスアンプ１０３から出力される。一方、トランスインピーダンスアンプ１０４の反転端子にはアンプの仮想接地によって、基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、トランスインピーダンスアンプ１０４から基準電圧Ｖｒｅｆが出力される。２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の出力は、差動演算部１０５に入力される。差動演算部１０５は、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の出力を差動増幅し、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の出力の差に応じた出力が得られる。結果として、光電変換装置１００は、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の一方に受光素子１１１から出力される信号を入力することによって、受光素子１１１の受光量に応じた出力電圧をモニタすることができる。
本実施形態において、スイッチ１２２ａはスイッチ１１２ａと、スイッチ１２２ｂはスイッチ１１２ｂと、それぞれ互いに異なる状態になるよう動作する。そして、トランスインピーダンスアンプ１０３に接続されるスイッチ１１２ａ、１２２ａのうちオン状態のスイッチの数とトランスインピーダンスアンプ１０４に接続されるスイッチ１１２ｂ、１２２ｂのうちオン状態のスイッチの数とが近づくように動作する。また、トランスインピーダンスアンプ１０３に接続されるスイッチ１１２ａ、１２２ａのうちオフ状態のスイッチの数とトランスインピーダンスアンプ１０４に接続されるスイッチ１１２ｂ、１２２ｂのうちオフ状態のスイッチの数とが近づくように動作する。本実施形態において、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４に接続されるスイッチのうちオン状態のスイッチの数およびオフ状態のスイッチの数が、それぞれ同じ数になるように動作する。
ここで、電源電圧に外乱ノイズが入力された場合を考える。外乱ノイズは受光素子部１０１から切替部１０２の出力切替部１１０の寄生容量を伝播し、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４に入力され、差動演算部１０５から出力される。この場合、基準電圧Ｖｒｅｆなど、光電変換装置１００の系全体にも同等の外乱ノイズが入力され、切替部１０２の寄生容量を伝播し、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４に入力され、差動演算部１０５から出力されうる。
図２を用いて、切替部１０２のスイッチ１１２、１２２に含まれる寄生容量成分について説明する。図２は、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２の構成例を示す断面図である。切替部１０２の各スイッチは、ＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳスイッチによって構成されうる。図２に示す構成は、スイッチにＮＭＯＳスイッチ２００を用いた場合の断面図である。ＮＭＯＳスイッチ２００は、Ｐ型ウエル領域２０１、Ｎ型ドレイン領域２０２、Ｎ型ソース領域２０３、ゲート電極２０４、絶縁膜２０５、Ｐ型ウエル電極２０６を含む。Ｐ型ウエル領域２０１は、例えばＰ型の半導体層であり、Ｐ型ウエル電極２０６を介して接地電圧に接続されている。Ｎ型ドレイン領域２０２は受光素子１１１のアノードに接続される。Ｎ型ソース領域２０３は、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力端子（反転端子）に接続される。
ゲート電極２０４に電源電圧相当のＶｏｎが印加され、ＮＭＯＳスイッチ２００がオン状態となった場合、図２（ａ）に示すようにＮＭＯＳスイッチ２００には、対電源電圧側に以下の寄生容量の成分が生じる。ゲート電極２０４−チャネル間容量Ｃｇ１、ゲート電極２０４−Ｎ型ドレイン領域２０２間容量Ｃｇｄ１、ゲート電極２０４−Ｎ型ソース領域２０３間容量Ｃｇｓ１である。これらの容量が合成され、対電源電圧側の寄生容量Ｃｖｄ１となり、
Ｃｖｄ１＝Ｃｇ１＋Ｃｇｄ１＋Ｃｇｓ１
で表される。また、対接地電圧側には以下の寄生容量の成分が生じる。チャネル−Ｐ型ウエル領域２０１間容量Ｃｇ２、Ｎ型ドレイン領域２０２−Ｐ型ウエル領域２０１間容量Ｃｄｂ１、Ｎ型ソース領域２０３−Ｐ型ウエル領域２０１間容量Ｃｓｂ１である。対接地電圧側の寄生容量Ｃｇｎｄ１は、
Ｃｇｎｄ１＝Ｃｇ２＋Ｃｄｂ１＋Ｃｓｂ１
で表される。
ゲート電極２０４に接地電圧相当の電圧Ｖｏｆｆが印加され、ＮＭＯＳスイッチ２００がオフ状態となった場合、図２（ｂ）に示すようにＮＭＯＳスイッチ２００には、対電源電圧側、対グランド側に以下の寄生容量の成分が生じる。ゲート電極２０４−Ｎ型ドレイン領域２０２間容量Ｃｇｄ２、ゲート電極２０４−Ｎ型ソース領域２０３間容量Ｃｇｓ２である。対電源電圧側の寄生容量Ｃｖｄ２は、
Ｃｖｄ２＝Ｃｇｄ２＋Ｃｇｓ２
で表される。また、対接地電圧側には以下の寄生容量成分が生じる。Ｎ型ドレイン領域２０２−Ｐ型ウエル領域２０１間容量Ｃｄｂ２、Ｎ型ソース領域２０３−Ｐ型ウエル領域２０１間容量Ｃｓｂ２である。対接地電圧側の寄生容量成分Ｃｇｎｄ２は、
Ｃｇｎｄ２＝Ｃｄｂ２＋Ｃｓｂ２
で表される。
このとき、Ｃｖｄ１＞Ｃｖｄ２であり、Ｃｇｎｄ１＞Ｃｇｎｄ２である。以上のように、切替部１０２のスイッチのそれぞれは、オン状態の場合とオフ状態の場合とで寄生容量の容量値が異なる。その結果、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４に接続されるスイッチのオン状態の数およびオフ状態の数にそれぞれ違いが生じると、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の寄生容量の容量値が異なることになる。このため、入力時には同じ大きさの外乱ノイズであるにもかかわらず、寄生容量を伝播して入力されるノイズの大きさが、トランスインピーダンスアンプ１０３とトランスインピーダンスアンプ１０４とで異なりうる。トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれに入力されるノイズの大きさが異なる場合、差動演算部１０５の反転端子、非反転端子にレベルの異なるノイズが入る。このため、差動演算部１０５にて同相ノイズ成分が足し合わされ、差動演算部１０５から出力される信号に、ノイズの大きさの差に起因する成分が重畳されてしまう。
そこで、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれに接続される切替部１０２のオン状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂの数が近づくように、またオフ状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂの数が近づくようにスイッチ１２２ａ、１２２ｂを設ける。そして、ダミースイッチとして、スイッチ１２２ａ、１２２ｂを動作させる。図１に示されるように、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれに接続されるオン状態およびオフ状態のスイッチ１１２、１２２の数が、それぞれ同じになってもよい。これによって、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれの入力側に接続される寄生容量の容量値を近づける。結果として、電源に外乱ノイズが乗り、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力にノイズが乗った場合でも、差動演算部１０５にて同相ノイズを除去することが可能となる。２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の寄生容量の容量値の差を小さくすることによって、電源電圧変動除去比（ＰＳＲＲ）が向上し、外乱ノイズに対して強い光電変換装置１００が実現可能となる。
図２に示される構成において、切替部１０２のスイッチをＮＭＯＳスイッチで示したが、その限りではなく、ＰＭＯＳスイッチなど、受光素子部１０１から出力される信号を伝達できれば、どのような構成でも構わない。また、例えば、切替部１０２のスイッチ１１２、１２２ａ、１２２ｂのそれぞれが、オン状態において同じ容量値を有するように構成してもよいし、オフ状態において同じ容量値を有するように構成してもよい。さらに、例えば、切替部１０２のスイッチ１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂのそれぞれが、同じ構造を有するようにすることによって、それぞれの状態での容量値をそろえるようにしてもよい。また、図２には、ＮＭＯＳスイッチのオン状態およびオフ状態での寄生容量を記載したが、その他の寄生容量成分が生じてもよい。例えば、受光素子部１０１からスイッチ１１２までの配線パターンの寄生容量などが生じうる。この場合、これらの寄生容量を含め、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４にそれぞれに接続される寄生容量の容量値を近づけてもよい。また例えば、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、それぞれのスイッチ１１２、１２２の寄生容量や配線パターンなどの寄生容量の差を小さくするために、ノードＮ１、Ｎ２に、適宜、容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊを供給する電源を接続してもよい。例えば、容量Ｃａｄｊは、受光素子部１０１からスイッチ１１２までの配線パターンの寄生容量に応じた容量値を有していてもよい。また例えば、電圧Ｖａｄｊは基準電圧Ｖｒｅｆと同じであってもよいし、接地電圧であってもよい。また、容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊは、ノードＮ１とノードＮ２とで、同じ値を有していてもよいし、それぞれ異なる値を有していてもよい。
第２の実施形態
図３〜５を参照して、本発明の実施形態による光電変換装置の構成について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態における光電変換装置３００の構成を示す回路図である。本実施形態の光電変換装置３００は、上述の第１の実施形態の光電変換装置１００と比較して、受光素子部１０１に含まれる受光素子１１１が複数になり、これに伴って切替部１０２の構成が異なる。また、切替部１０２を制御するための制御部３０１を含む。光電変換装置３００のこれ以外の構成は、上述の光電変換装置１００と同じであってもよい。
次いで、上述の光電変換装置１００とは異なる構成を有する光電変換装置３００の受光素子部１０１、切替部１０２、制御部３０１について説明する。本実施形態において、受光素子部１０１には、４つの受光素子１１１ａ〜１１１ｄが配される。それぞれの受光素子１１１ａ〜１１１ｄの出力は、切替部１０２の出力切替部１１０のスイッチ１１２の何れか１つを介してトランスインピーダンスアンプ１０３およびトランスインピーダンスアンプ１０４の少なくとも一方に供給される。換言すると、受光素子１１１ａ〜１１１ｄのアノードは、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０３との間のスイッチ１１２ａおよび受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０４との間のスイッチ１１２ｂの少なくとも一方に接続される。
切替部１０２は、受光素子部１０１に配される受光素子１１１の数が複数になったのに応じて、光電変換装置１００よりも多くのスイッチが配される。出力切替部１１０には、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０３の入力端子に接続されるノードＳ１との間に複数のスイッチ１１２ａが配される。また、出力切替部１１０には、受光素子部１０１とトランスインピーダンスアンプ１０４の入力端子に接続されるノードＳ２との間に複数のスイッチ１１２ｂが配される。容量調整部１２０には、トランスインピーダンスアンプ１０３の入力側の容量値を調整するためのノードＮ１とトランスインピーダンスアンプ１０３の入力端子との間に複数のスイッチ１２２ａが配される。また、容量調整部１２０には、トランスインピーダンスアンプ１０４の入力側の容量値を調整するためのノードＮ２とトランスインピーダンスアンプ１０４の入力端子との間に複数のスイッチ１２２ｂが配される。さらに、出力切替部１１０には、受光素子部１０１と、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力端子に接続されないノードＳ３との間に複数のスイッチ１３２が配されてもよい。本実施形態において、ノードＳ３は、接地されている。
本実施形態において、受光素子１１１ａ〜１１１ｄは、スイッチ１１２ａにおける１つのスイッチ、および、スイッチ１１２ｂにおける１つのスイッチの少なくとも一方に接続される。具体的には、受光素子１１１ａは、スイッチ１１２ｂ−ａを介してトランスインピーダンスアンプ１０４に、スイッチ１３２−ａを介してノードＳ３に、それぞれ接続可能に配される。受光素子１１１ｂは、スイッチ１１２ａ−ｂを介してトランスインピーダンスアンプ１０３に、スイッチ１３２−ｂを介してノードＳ３に、それぞれ接続可能に配される。受光素子１１１ｃは、スイッチ１１２ａ−ｃを介してトランスインピーダンスアンプ１０３に、スイッチ１１２ｂ−ｃを介してトランスインピーダンスアンプ１０４に、それぞれ接続可能に配される。受光素子１１１ｄは、スイッチ１１２ａ−ｄを介してトランスインピーダンスアンプ１０３に、スイッチ１３２−ｄを介してノードＳ３に、それぞれ接続可能に配される。受光素子１１１ｃは、スイッチ１１２ａのうちスイッチ１１２ａ−ｃ、スイッチ１１２ｂのうちスイッチ１１２ｂ−ｃの両方に接続され、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の何れにも信号を供給可能に配されている。また、受光素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｄは、スイッチ１１２ａにおける１つのスイッチおよびスイッチ１１２ｂにおける１つのスイッチの少なくとも一方と、スイッチ１３２における１つのスイッチと、に接続される。
制御部３０１は、受光素子部１０１のそれぞれの受光素子１１１ａ〜１１１ｄの接続先を切り替える制御を行う。また、制御部３０１は、出力切替部１１０のスイッチ１１２ａ、１１２ｂのそれぞれのオン状態のスイッチの数およびオフ状態のスイッチの数に応じて、容量調整部１２０のスイッチ１２２ａ、１２２ｂに含まれるスイッチのオン状態およびオフ状態を切り替える。より具体的には、制御部３０１は、ノードＳ１に接続されるスイッチ１１２ａ、１２２ａのうちオン状態のスイッチの数とノードＳ２に接続されるスイッチ１１２ｂ、１２２ｂのうちオン状態のスイッチの数とが近づくように容量調整部１２０を駆動する。容量調整部１２０のスイッチ１２２ａ、１２２ｂのオン状態とオフ状態と切り替えることによって、ノードＳ１およびノードＳ２にそれぞれ接続されるオン状態のスイッチの数が制御される。また、制御部３０１は、ノードＳ１に接続されるスイッチ１１２ａ、１２２ａのうちオフ状態のスイッチの数とノードＳ２に接続されるスイッチ１１２ｂ、１２２ｂのうちオフ状態のスイッチの数とが近づくように容量調整部１２０を駆動する。容量調整部１２０のスイッチ１２２ａ、１２２ｂのオン状態とオフ状態と切り替えることによって、ノードＳ１およびノードＳ２にそれぞれ接続されるオフ状態のスイッチの数が制御される。上述したように、ノードＳ１およびノードＳ２にそれぞれ接続されるオン状態のスイッチ１１２、１２２の数が同じになるように制御部３０１は、容量調整部１２０のスイッチ１２２を制御してもよい。さらに、ノードＳ１およびノードＳ２にそれぞれ接続されるオフ状態のスイッチ１１２、１２２の数が同じになるように制御部３０１は、容量調整部１２０のスイッチ１２２を制御してもよい。
次に、光電変換装置３００の動作について説明する。光電変換装置３００において、ノードＳ１、Ｓ２の両方に受光素子部１０１からの信号が入力される場合、受光素子１１１ａ〜１１１ｄのそれぞれに入力される光の強弱を差動演算部１０５で処理し、位置検出を行う回路として動作しうる。また、ノードＳ１、Ｓ２の何れか一方に受光素子部１０１からの信号が入力される場合は、受光素子１１１〜１１１ｄの受光量に応じた出力電圧をモニタする回路として動作しうる。
図４は、位置検出を行う場合の、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続例を示す回路図である。受光素子部１０１に光を入射させる前に、制御部３０１は、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続を制御する。図４に示される構成において、受光素子１１１ａ、１１１ｃはノードＳ２に接続され、トランスインピーダンスアンプ１０４に信号を出力する。受光素子１１１ｂ、１１１ｄはノードＳ１に接続され、トランスインピーダンスアンプ１０３に信号を出力する。２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４には、同数の受光素子１１１が接続される。制御部３０１は、出力切替部１１０の制御と平行して、容量調整部１２０のスイッチ１３２の制御も行う。図４に示される構成の場合、ノードＳ１に接続されるオン状態のスイッチ１１２ａが２つ、オフ状態のスイッチ１１２ａが１つとなる。また、ノードＳ２に接続されるオン状態のスイッチ１１２ｂが２つ、オフ状態のスイッチ１１２ｂが０となる。ノードＳ１とノードＳ２とで、オフ状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂの数が異なる。このため、制御部３０１は、ノードＳ１とノードＳ２とで、オフ状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂの数が近づくように、容量調整部１２０のスイッチ１２２ａ、１２２ｂを制御する。図４に示される構成において、容量調整部１２０のスイッチ１２２をすべてオフ状態にすることで、ノードＳ１とノードＳ２とに接続されるスイッチ１１２、１２２のオン状態のスイッチの数とオフ状態のスイッチの数とを、それぞれ一致させることができる。制御部３０１が、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続先を設定した後、受光素子部１０１に光を入射させる。
例えば、発光ダイオードなどの発光部（不図示）から発せられた光を濃淡のある反射スケール（不図示）に照射し、反射スケールを受光素子１１１の配列方向に動かすと、濃淡のある反射スケールで反射した光が、受光素子１１１に入射する。このとき、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４から、位置検出に必要な信号が出力されるように、事前に制御部３０１は、受光素子１１１ａ〜１１１ｄの接続先を指定する。このとき、光電変換装置３００を２つ用意し、２つの光電変換装置３００のそれぞれ差動演算部１０５から出力された信号から位置検出を行ってもよい。
次いで、受光素子１１１〜１１１ｄの受光量に応じた出力電圧をモニタする回路として光電変換装置３００を用いる場合について、図５を用いて説明する。図５は、出力電圧をモニタする場合の、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続例を示す回路図である。
上述の図４の位置検出を行う場合と同様に受光素子部１０１に光を入射させる前に、制御部３０１は、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続を制御する。図５に示される構成において、受光素子１１１ａはノードＳ３に接続される。また、受光素子１１１ｂ〜１１１ｄはノードＳ１に接続され、トランスインピーダンスアンプ１０３に信号を出力する。制御部３０１は、出力切替部１１０の制御と平行して、容量調整部１２０のスイッチ１３２の制御も行う。図５に示される構成の場合、ノードＳ１に接続されるオン状態のスイッチ１１２ａが３つ、オフ状態のスイッチ１１２ａが０となる。また、ノードＳ２に接続されるオン状態のスイッチ１１２ｂが０、オフ状態のスイッチ１１２ｂが２つとなる。ノードＳ１とノードＳ２とで、オン状態およびオフ状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂの数が異なる。このため、制御部３０１は、ノードＳ１とノードＳ２とで、オン状態およびオフ状態のスイッチ１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂの数が近づくように、容量調整部１２０のスイッチ１２２ａ、１２２ｂを制御する。図５に示される構成において、容量調整部１２０のスイッチ１２２ａをすべてオフ状態にし、スイッチ１２２ｂをすべてオン状態にする。これによって、ノードＳ１とノードＳ２とに接続されるスイッチ１１２、１２２のオン状態のスイッチの数とオフ状態のスイッチの数とを、それぞれ一致させることができる。制御部３０１が、切替部１０２のそれぞれのスイッチ１１２、１２２、１３２の接続先を設定した後、受光素子部１０１に光を入射させる。
受光素子部１０１に光を入射させ、それぞれの受光素子１１１は、受光した光量に応じた信号を切替部１０２に出力する。図５に示される構成において、ノードＳ１を介してトランスインピーダンスアンプ１０３にのみ信号が入力され、ノードＳ２に接続されるトランスインピーダンスアンプ１０４には、信号が入力されない。差動演算部１０５で、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４から出力される電圧の差分を取得することによって、受光素子部１０１に入射した光量をモニタすることができる。
本実施形態においても、トランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の容量値を調整するためのノードＮ１、Ｎ２に、図１（ｂ）、（ｃ）に示すような容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊを供給する電源を接続してもよい。容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊは、ノードＮ１とノードＮ２とで、同じ値を有していてもよいし、それぞれ異なる値を有していてもよい。また例えば、容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊは、ノードＮ１−１とノードＮ１−２とで、それぞれ異なる値を有していてもよい。同様に、容量Ｃａｄｊや電圧Ｖａｄｊは、ノードＮ２−１とノードＮ２−２とノードＮ２−３とで、それぞれ異なる値を有していてもよい。
本実施形態において、受光素子部１０１に複数の受光素子１１１が配された場合であっても、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれに接続されるオン状態およびオフ状態のスイッチ１１２、１２２、１３２の数を近づけることができる。これによって、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の寄生容量の容量値の差を小さくすることが可能となり、電源電圧変動除去比（ＰＳＲＲ）が向上し、外乱ノイズに対して強い光電変換装置１００が実現可能となる。
また、本実施形態において、受光素子部１０１に配される受光素子１１１の数が４つの場合を示したが、２または３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。また、スイッチ１１２、１２２、１３２の配置も、上述の構成に限られることはない。２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４のそれぞれに接続されるオン状態のスイッチ１１２、１２２、１３２の数が近づくように、また、オフ状態のスイッチ１１２、１２２、１３２の数が近づくように構成されればよい。
以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。例えば、図１に示される構成において、受光素子部１０１が２つの受光素子１１１を有し、一方の受光素子１１１のアノードがスイッチ１１２ａに接続され、他方の受光素子１１１のアノードがスイッチ１１２ｂに接続されていてもよい。この構成において、位置検出を行う場合は、スイッチ１１２ａ、１１２ｂをオン状態にし、スイッチ１２２ａ、１２２ｂをオフ状態にしてもよい。また、受光量に応じた出力電圧をモニタする場合は、スイッチ１１２ａ、１２２ｂをオン状態、スイッチ１１２ｂ、１２２ａをオフ状態、または、その逆の状態にしてもよい。これによって、２つのトランスインピーダンスアンプ１０３、１０４の入力側の寄生容量の容量値の差を小さくすることができる。
１００、３００：光電変換装置、１０１：受光素子部、１０２：切替部、１０３、１０４：トランスインピーダンスアンプ、１０５：差動演算部、１１０：出力切替部、１１１：受光素子、１２０：容量調整部

Claims (9)

  1. 受光素子を含む受光素子部と、
    前記受光素子部から出力される単一の信号をそれぞれ電圧に変換するための第１および第２のトランスインピーダンスアンプと、
    前記第１および第２のトランスインピーダンスアンプの出力を差動増幅する差動演算部と、
    前記受光素子部と前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第１のスイッチと、
    前記受光素子部と前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第２のスイッチと、
    前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値を調整するための１または複数の第１のノードと前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第３のスイッチと、
    前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値を調整するための１または複数の第２のノードと前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力端子との間に配される１または複数の第４のスイッチと、
    制御部であって、
    前記１または複数の第１のスイッチおよび前記１または複数の第３のスイッチのうちオン状態のスイッチの数と、前記１または複数の第２のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのうちオン状態のスイッチの数と、が同じになり、かつ、
    前記１または複数の第１のスイッチおよび前記１または複数の第３のスイッチのうちオフ状態のスイッチの数と、前記１または複数の第２のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのうちオフ状態のスイッチの数と、が同じになるように、
    前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのオン状態およびオフ状態を切り替えることによって、前記第１のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値と、前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力側の容量値との差を低減する制御を行う制御部と、を含むことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記受光素子部は、複数の受光素子を含み、
    前記複数の受光素子のそれぞれは、前記１または複数の第１のスイッチにおける１つの第１のスイッチ、および、前記１または複数の第２のスイッチにおける１つの第２のスイッチの少なくとも一方に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記複数の受光素子は、前記１または複数の第１のスイッチにおける１つの第１のスイッチ、および、前記１または複数の第２のスイッチにおける１つの第２のスイッチの両方に接続される受光素子を含むことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
  4. 前記受光素子部と、前記第１および第２のトランスインピーダンスアンプの入力端子に接続されない第３のノードと、の間に配される１または複数の第５のスイッチをさらに含み、
    前記複数の受光素子は、前記１または複数の第１のスイッチにおける１つの第１のスイッチおよび前記１または複数の第２のスイッチにおける１つの第２のスイッチの少なくとも一方と、前記１または複数の第５のスイッチにおける１つの第５のスイッチと、に接続される受光素子を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の光電変換装置。
  5. 前記第３のノードが、接地されていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
  6. 前記１または複数の第１のスイッチ、前記１または複数の第２のスイッチ、前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのそれぞれのスイッチが、ＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳスイッチによって構成され、
    前記１または複数の第１のスイッチ、前記１または複数の第２のスイッチ、前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのそれぞれのスイッチのオン状態での寄生容量が同じ容量値を有し、
    前記１または複数の第１のスイッチ、前記１または複数の第２のスイッチ、前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのそれぞれのスイッチのオフ状態での寄生容量が同じ容量値を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光電変換装置。
  7. 前記１または複数の第１のスイッチ、前記１または複数の第２のスイッチ、前記１または複数の第３のスイッチおよび前記１または複数の第４のスイッチのそれぞれのスイッチが、同じ構造を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光電変換装置。
  8. 前記１または複数の第１のノードおよび前記１または複数の第２のノードが、フローティングであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光電変換装置。
  9. 前記光電変換装置が、前記第１および第２のトランスインピーダンスアンプのそれぞれ非反転端子に接続される基準電圧部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の光電変換装置。
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