JPS6034848B2 - 光電流増幅回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフオトダィオード、対数圧縮特性を有する半導
体素子、演算増幅器を有する光電流増幅回路において、
回路に電源を投入したときに生じる過渡応答の時間を短
縮するようにした光電流増幅回路に関する。

第１図は電子シャツタ回路に用いられた光電流増幅回路
を示す回路図である。

図においてＰＤはフオトダィオード、Ｄ，は対数圧縮ダ
イオードである。

ＰＤは演算増幅器ＯＰ２の入力端子間に接続されており
ダイオードＤ．は帰還回路に接続されている。定電流が
供孫舎されているＶＲの分圧電圧ｙａｆはボルテージホ
ロワの演算増幅器ＯＰ．を介してフオトダィオードＰＤ
のアソード‘こ接続されている。この分圧電圧Ｖａｆは
フィルム感度指数絞り値に関する情報電圧を挿入するめ
のものであって、この電圧Ｖａｆを次のように設定する
と光電流に比例した増幅電流が得られる。ｖａｆ＝等ｌ
ｎ２ ．．・．．・■１３＝１，ｘ２ｎ
・・・・・・■ここにおいてｋ
：ボルッマンの定数 ｑ：電子の電荷 ｎ：ＡＳＡとＦ値の指数の代数和 １３：増幅電流 １２：光電流 上記構成の回路において、この回路を電源に接続した瞬
間に、フオトダイオードＰＤのカソード側、すなわちＰ
ＤとＤ，接続点に、その電圧が前記Ｖａｆ以上になるよ
うな電荷が蓄積され、演算増幅器ＯＰ２の出力端子が急
激に下るという問題が指摘されている。

すなわちＯＰ２の出力Ｃの電圧が急激に下るとトランジ
スタＱはオフ状態となり、１３は流れず、前記電荷が光
電流１，によって放電され、ＰＤのカソードとダイオー
ドＤ，の接続点Ｃ点の電圧が前記Ｖａｆになったときに
このＣ点の電圧は回復して正常な動作状態に入る。第３
図はこの異状な動作状態における各部の電圧波形を示す
図であって、第１図に示した回路の変化を点線で示して
ある。

このグラフに示す正常に作動するまでの時間をち′とす
ればｔ，′は次式で与えられる。

ち′：ＣｊミＶｂ−Ｖａｆ） ．‐
‐‐．・■１１ここにおいて Ｃｉ：ＰＤとの接合容量とＤ，の接合容量の和Ｖｂ：ｂ
点の電圧１，：光電流 ■式が示すようにＬ′は光電流１，に反比例し入射光束
が小さいほど長くなる。

Ｃｊ＝２０蛇Ｆ，Ｖｂ−Ｖａｆ＝３仇ｈＶ．１，＝３岬
ＡとするとＬ′＝３００×１０‐３秒、すなわち約１／
援助こ達する。

このように正常動作までの時間が長いことは速射が要求
されるカメラの回路としては好ましくない。特に記憶式
の一眼レフ電気シャツタカメラにおいては、回路が電源
に接続されてから回路が安定するまでの時間が２０〜３
ｍＭＳ以内であることが好ましい。前述のように回路が
初期に不安定な動作をする最大の原因はフオトダィオー
ドＰＤとダイオードＤ，の交点、すなわち全増幅回路中
もっとも高いィンピ−ダンスの所に電源投入時にフオト
ダィオードＰＤのアノードより高い電圧となる電荷が蓄
積されることであると推定される。

第２図に示した回路は前述した問題を解決するために第
１図に示した回路にトランジスタＱ，，Ｑ２等を付加し
たものである。第１図の回路において、電源投入時ＰＤ
とＤ，の接続点の電圧は正常な電圧よりも高くなってお
り、演算増幅器ＯＰ２の出力端ｃの電圧は低くなってい
る。したがって帰還ループに接続されているダイオード
Ｄ，は逆バイアスの状態になっており正当な帰還がかか
っていない。第２図に示した回路でコレクタが定電流回
路に接続されているトランジスタＱ２はオフとなり、定
電流はトランジスタＱ，に供給されてトランジスタＱ，
をオンにする。その結果ｂ点の余剰電荷は低インピーダ
ンスであるトランジスタＱ，を介して低電位側に放電さ
れる。トランジスタＱ２のコレクタに接続されている定
電流回路の定電流１２はこの光電流増幅回路の増幅電流
１３の下限（最も暗い時の出力電流）の値と同じかまた
はわずかに少〈してある。そのため、演算増幅器ＯＰ２
の出力端Ｃ点の電圧が正常動作における狼９光範囲の下
限の電圧よりも低いときトランジスタＱ２はオフとなり
そのコレクタｄ点の電圧が上がる。その結果トランジス
タＱ，をオンにする。演算増幅器ＯＰ２の出力端（Ｃ点
）の電圧が前記下限の電流１３あるいはその寸前の電流
１３を流し得る電圧になったときトランジスタＱ，はオ
フとなる。ところがこの第２図に示す回路において、ト
ランジスタＱ，をオフさせる信号を出す時点は帰還が施
されている演算増幅器ＯＰ２の出力端子（Ｃ点）の電圧
が正常な電圧であるからＱ，がオフになった瞬間、フオ
トダィオ−ドＰＤとダイオードＤ，とＱ，のコレクタの
接続点ｂの電圧は、その正常な値より下りぎみになって
おり、次の瞬間出力様子ｃは正常以上の値となってしま
う。

そのためｃ点の第３図ｃの３角印の示すようにオーバシ
ュートしてしまう。その結果この過大な出力によりｂ点
にはまた過剰な電荷がたまるので、第３図ｂ，ｃ，ｄに
示すようなリンギングを伴なつて次第に正常な値におち
つく。この例では正常な値に達するまでの時間は２０〜
５仇ｈＳである。前記構成で定常状態に達するまでの時
間を若干短くすることができるが、まだ充分であるとい
うことはできない。本発明の目的は、前述したようなリ
ンギング等の生じないしかもさらに短い時間で定常状態
にすることができる光電流増幅回路を提供することにあ
る。

前記目的を達成するために、本発明による光電流増幅回
路は、光電流増幅回路の初段の演算増幅器の入力端子間
にフオトダィオードを接続し、増幅回路の出力端子から
前記演算増幅器の反転入力端子に負帰還回路を接続し、
前記帰還回路または前記フオトダィオードのアノードと
情報挿入回路間に接続された対数圧縮ダイオードを含み
、前記演算増幅器の両入力端子間電圧を帆に維持して光
電流を増幅する光電流増幅回路であって、前記ホトダィ
オードのアノードまたはカソードに接続された中和用ト
ランジスタと、前記中和用トランジスタを制御する制御
信号を前記光電流増幅回路の前記帰還回路が接続されて
いる出力端より前段に位置する回路部分の出力レベルを
検出して供給する制御信号接続回路を設け、電源投入時
に前記フオトダィオード‘こ蓄積された余剰電荷を電源
投入の初期に放電または中和を開始し、まだ少し余剰電
荷が残っている時点で前記放電または中和を中止するよ
うに構成されている。

上記構成によれば本発明の目的は完全に達成できる。

以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明る。

第４図は本発明による光電流増幅回路の実施例を示す回
路図である。

トランジスタＱ，はＰＤと○，の交点と他の低インピー
ダンス側を接続するためのトランジスタである。

トランジスタＱ３は出力電流を取り出す伸長用のトラン
ジスタである。ＰチャンネルモストランジスタＱ５，Ｑ
６は差動増幅器を形成している。

トランジスタＱ７，Ｑ８，Ｑ，ｏ、ダイオードＱ９は前
記差動増幅器に接続される。さらに他の差動増幅器を形
成している。ＳＷ２は記憶用のスイッチであって、いわ
ゆる脚光時は閉じられている。Ｃ，はメモリコンデンサ
である。１２，１２′，１４は定電流源およびその定電
流値を示す。

１２肌の季〜粋こしてある。

１，脱電流の値、１３は光電流に比例した出力電流を示
す。

トランジスタＱ．〇のコレクタはトランジスタＱ４のベ
ースに接続されている。この接続点（ｆ点）はコンパレ
ータ（ｃｏｍｐ）の反転入力端子が接続されている。コ
ンパレータ（ｃｏｍｐ）の非反転入力端子は定電流源１
２とダイオードＱ，．の接続点（ｅ点）に接続されてお
り、出力端子は抵抗を介して前記トランジスタＱ，のベ
ースに接続されている。このコンパレータ（ｃｏｍｐ）
の出力（ｈ点）によりトランジスタＱ，のオンオフ制御
が行なわれる。トランジスタＱのコレクタにスイッチＳ
Ｗ２を介して接続されているＰチャンネルモストランジ
スタＱ，２のドレィン（ｇ点）はダイオードＤ，を介し
て前記トランジスタＱ，のコレクタ（ｂ点）に接続され
ている。上記回路が正常に作動しているときの帰還ルー
プは次のとおりに形成される。

光電薪紅．が増えるとＤ，のカソード、すなわちＱのゲ
ート電圧が下る煩向になりＱのドレィン電流が増加する
。そのためＱのコレクタ電流が増加し、Ｑのコレクタす
なわちＱ４のベース電流が増加し、Ｑ４のコレクタ電位
は下がりＳＷ２を通して、Ｑ，２のゲート電圧を下げ、
Ｑ，２のドレィン電流を増加させる。そしてｇ点の電圧
が上昇しダイオードＤ，を通してＱのゲート電圧を上昇
させて平衡するように負帰還回路が形成されている。ト
ランジスタＱのコレクタ電流１３１ま、この増幅回路の
オフセットが完全に調整されており、フオトダィオード
ＰＤのアノードに前述したような電圧Ｖａｆ（■式参照
）が印加されたとすると、光電流に比例した電流１３，
１３＝１，×２ｎとなる。電源投入時にフオトダィオー
ドＰＤとター・ィオータドＤ，の交点の電圧がＰＤのア
ノードよりも高電圧にバイアスされる。

その結果Ｑ６のゲート電圧が上昇し、Ｑ６のドレィン電
流が減少し、Ｑ５のドレィン電流が上昇する。すると次
段のＱ７，Ｑ８，Ｑ，Ｑ，。よりなる差動増幅器の出力
、Ｑ，ｏのコレ０クタ電圧はＯＶ近くまで下り、Ｑ４は
カットオフ、したがってＱ，２のゲートも電源Ｎｃｃ近
くまでつり上げられ、Ｑ，２のドレィン電流はピンチオ
フ時のもれ電流のみとなる。したがって出力端ｇはＯＶ
近くとなり、トランジスタＱ３はカットオフとなる。こ
のとき出力端ｇの電圧はきわめて低いのでＤ，は逆バイ
アスとなり、帰還がかからなくなっている。この時ｆ点
の電圧はｅ点の電圧よりも低いので、コンパレータ（ｃ
ｏｍｐ）の出力端ｈはハイレベルとなり、トランジスタ
Ｑ，をオンにする。

Ｑ，がオンになるとＰＤのカソードＤ，の接続点に蓄積
されていた過剰電荷は急速に放電してゆき、公，Ｑより
なる差動増幅器の入力部の電圧関係は正常状態に接近し
てくる。次に具体例を示し、さらに説明する。

第４図に示した回路において、１２′＝１／８１２＝２
‐３１２，（ｋＴ／ｑ）ｌｎ２：１８ｍＶ、とし、ｅ点
の電圧はｆ点の正常時の電圧よりも（ｋＴ／ｑ）ｌｎ２
‐３＝５４ｍＶ低くなっていたとする。

さらに回路の入力部から、トランジスタＱ，。のコレク
タ（ｆ点）までの増幅度をＡ，＝１００、また同入力部
からＱ，２のドレィン電流（ｇ点）までの増幅度をん＝
１０００、そして正常作動時におけるｆ点およびｇ点の
電圧を５０肌Ｖと設定する。

なお差動増幅器鴇，Ｑ６や比較器（ｃｏｍｐ）の入力部
オフセット電圧はＯＶであるとする。以上の条件下に光
電流増幅回路が不活性領域から、正常な動作に移行する
過程を順に説明する。

‘ｉ｝ ＰＤのカソード側がアノード側に比較して数１
肌Ｖ高いときは、Ｑ，がオンしその過剰電荷を放電開始
する。このときｆ，ｇ点はＯＶ，ｈ点はハイレベルであ
る。‘ｉｉ｝ ＰＤのカソード側がアノードに対して十
耳ｈＶ位になると、ｆ点はＯＶから上昇しはじめる。

ｇ点はいまだＯＶ，ｈ点はハイレベルである。（第５図
Ｖｆ，Ｖ安参照）。なえＶｆはＶｆ＝５０ｍｈＶ−耳ｈ
Ｖ×Ａ，（Ａ，＝１００）で与えられ５ｈＶより下ると
Ｖｆ＞０となる。剛 ＰＤのカソード側がアノードに対
して０．５４ｍＶ位に近づいたときのｆ点の電圧はＶｆ
＝５００一０．５４Ａ，＝５００−０．５４×１００＝
４４６（ｍＶ）まで上昇する。

ｅ点の電圧は５０仇ｈＶから３×ｌａｍＶ低いから４４
８ｈＶであり、この時点で比較器（ｃｏｍｐ）は反転し
、出力端（ｈ点）はローレベル（≠ＯＶ）まで下る。

その結果Ｑ，はオフになるが、この時点でｇ点の電圧Ｖ
ｇはまだＯＶに近い値を保っている。なおＶｆ＝５００
−０．５４Ａ２は計算上負となっている。‘Ｎ’ Ｑ，
がオフになると、ＰＤのカソード側の残存電荷は光電流
による放電あるいは、中和によりいわゆる「自力回復」
の状態に入る。

「自力回復」によりＰＤのカソードが０．０５４ｍＶア
ノードより高い電圧のところに達した時のｆ点の電圧Ｖ
ｆはＶｆ＝５００−○‐０５４ＸＡ．＝４９４‐６ｍＶ
，ＶｇはＶｇ＝５００−０．０５４×Ａ２＝４４ａｈＶ
に達する。第５図は前述した各点の電圧変化を示すグラ
フである。（Ｖｂ−Ｖａ）の示す波形はＰＤのカソード
電圧のアノード電圧に対する変化を示している。

ｔｏの時点に光電流増幅回路を電源に接続すると、Ｖｄ
−Ｖａは相当な電位差が生じる。基準電圧点ｅは瞬時に
Ｖｅとなる。ｆ点の電圧はただちにＯＶになるのでＶｅ
＞Ｖｆで比較器出力Ｖｆは／・ィレベルとなりトランジ
スタＱ，はオンとなりｂ点の電荷を放電する。時点らか
らｆ点の電圧は上昇を開始し、ｔ２の時点でＶｆ＝Ｖｅ
となり比較器（ｃｏｍｐ）は反転し、Ｑ，はオフになる
。らの時点近辺からＶｇも上昇し始めらの時点では正常
な光電流増幅状態が形成される。すなわち本発明による
光電流増幅回路は、高インピーダンス点に蓄積された余
剰電荷を当初Ｑ，を介して放電し、まだ少し余剰電荷が
残っている時点にＱ，をオフにし、後はＰＤの光電流に
より放電させることにより第２図に示した回路の問題を
解決しているのである。

前記の例で光電流による放電、または中和に要した時間
ｔは次のとおりである。

ここにおいて Ｃｉ：ＰＤの接合容量とＤ，の接合容量の和、３００Ｐ
Ｆ１，：光電流 ３ゆＡ Ｖａ−ｂ：ＰＤのカソードアノード間電圧０．弦ｍＶ 第５図に示したｔｏからのｔ３までの時間は、この５．
４ｍｓに比較器（ｃｏｍｐ）がＱ，をオンに保った時間
を加えたものであって、この実施例では１０〜２仇ｈｓ
の測定値を得た。

第４図に示した実施例において１２′と１２の比を変え
るとＱ，をオフにする時点を変えることができる。

１２′によりダイオードＱ，．の電圧降下すなわちｅ点
の電圧が決定でき、１２によりＱ４のベース電圧つまり
ｆ点の電圧を制御できるからである。

第６図は定電流源１２′，１２の構成例を示す回路図で
ある。トランジスタＱ２。，Ｑ２，のベースはベースコ
レクタが接続たれたトランジスタＱ，９のコレクタに接
続されて一定電圧に保たれる。可変抵抗ＶＲの最大抵抗
値は抵抗Ｒのほゞ１０倍に設定されており、ＶＲの抵抗
値を変えることにより１２′を変化させて１２との比を
自由に変えることができるようにしてある。第７図は本
発明による光電流増幅回路のさらに他の実施例を示す回
路図である。

図中の符号の意味は第４図に示した符号と同義に用いて
ある。

ＯＰ２は高入力インピーダンス入力部を有する演算増幅
器である。トランジスタＱ．のベースはＯＰ２の出力端
より前段の増幅度の低い点に抵抗を介して接続されてい
る。この回路を電源に接続すると、前述したようにＰＤ
の開放電圧がＯＰ２の非反転入力端子を反転入力端子よ
り正にする。

そのためｃまたはｇより過大な電流が流れ、ＰＤのカソ
ード‘こ正常以上の電荷（逆の電荷）がたまると瞬時に
ｃまたはｇはローレベルとなる。そのためＰＤのカソー
ドはＯＶ，ＰＤのアノードは０または負万向に下げられ
る。この状態のときにａ点が正常な電圧に達するように
Ｑ，から電流が供給され、光電流増幅回路は正常な動作
領域に向う、正常な動作領域に入るとｈ点の電圧はロー
レベルとなりトランジスタＱ・をオフとし、以後トラン
ジスタＱ，に無関係に正常な増幅動作が行なわれる。本
発明による光電流増幅回路は、以上のよ．うに構成され
動作するものであるから、電源投入時の異状動作は迅速
に解消される。

したがって電気シャツタ回路に応用ることができる以上
詳しく説明した実施例につき、本発明の範囲内でさらに
種々の変形、応用が可能である。

本発明の範囲はそのような変形、応用を含めて特許請求
の範囲記載のすべてにおよぶものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光電流増幅回路を用いた電子シャツタカメラの
回路を示す図、第２図は第１図に示した回路に電源投入
時の問題を解決するめの回路を設けた電子シャツタカメ
ラの回路図、第３図は第２図に示した回路の問題を示す
ために動作波形を示したグラフ、第４図は本発明による
光電流増幅回路の第１の実施例を示す回路図、第５図は
第４図に示した回路の動作を説明するための波形図、第
６図は比較器の動作時点を調節可能にするための回路の
実施例を示す回路図、第７図は本発明による光電流増幅
回路の第２の実施例を示す回路図である。 ＰＤ・・・・・・ホオトダィオード、Ｄ．・・・・・・
対数圧縮ダイオード、ＯＰ．・・・・・・ボルテージホ
ロワ接続の演算増幅器、ＯＰ２・・・・・・高入力イン
ピーダンス演算増幅器、Ｑ，……中和または放電用のト
ランジスタ、Ｑ・・・・・・伸張用トランジスタ、Ｑ６
，Ｑ５，Ｑ，２・・・・・・Ｐチヤンネルモストランジ
スタ、Ｑ７，Ｑ８，Ｑ，。 ，Ｑ４・・・・・・トランジスタ、Ｃｏｍｐ・・・・・
・比較器、ＳＷ．・・・・・・０トリガスイッチ、ＳＷ
２・・・・・・記憶スイッチ、Ｃ．・・・・・・時定コ
ンデンサ、Ｃ２・・・・・・記憶コンデンサ、１４，１
２，１２′・…・・定電流源。第１図 第６図 第２図 第３図 第４図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光電流増幅器の初段の演算増幅器の入力端子間にフ
   オトダイオードを接続し、増幅回路の出力端子から前記
   演算増幅器の反転入力端子に負帰還回路を接続し、前記
   帰還回路または前記フオトダイオードのアノードと情報
   挿入回路間に接続された対数圧縮ダイオードを含み、前
   記演算増幅器の両入力端子間電圧を０Ｖに維持して光電
   流を増幅する光電流増幅回路であつて、前記ホトダイー
   ドのアノードまたはカソードに接続された中和用トラン
   ジスタと、前記中和用トランジスタを制御する制御信号
   を前記光電流増幅回路の前記帰還回路が接続されている
   出力端より前段に位置する回路部の出力レベルを検出し
   て供給する制御信号接続回路を設け、電源投入時に前記
   フオトダイオードに蓄積された余剰電荷を電源投入の初
   期に放電または中和を開始し、まだ少し余剰電荷が残つ
   ている時点で前記放電または中和を中止するように構成
   した光電流増幅回路。 ２ 前記中和用トランジスタの導通期間は前記制御信号
   接続回路により、前記光電流増幅回路が定常状態に達す
   る時点以前に終了せられ、前記フオトダイオードは、自
   己の光電流により定常状態に達するようにした第１項記
   載の光電流増幅回路。 ３ 前記制御信号接続回路は、一方の入力端子が定電圧
   点に接続され、他方の入力端子が、前記光電流増幅回路
   の前記帰還回路が接続されている出力端より前段に位置
   する回路部分に接続され、出力端子が前記中和用トラン
   ジスタのベースに接続されている比較器で形成され、前
   記中和用トランジスタは、前記他方の入力端子の電圧が
   前記定電圧点に達するまで前記中和用トランジスタを導
   通させる特許請求の範囲第１項記載の光電流増幅回路。 ４ 前記定電圧点の電圧は定電圧回路に供給される定電
   流に以存させ、その定電流の値を変化させることにより
   前記半導体素子の導通時間を可変にするようにした特許
   請求の範囲第１項記載の光電流増幅回路。