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技術 光センサ回路

出願人 新日本無線株式会社
発明者 徳永敬浩
出願日 2018年9月3日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-164209
公開日 2020年3月12日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-038860
状態 未査定
技術分野 増幅器一般
主要キーワード 照度状況 高温状況下 逆リーク電流 スタートアップ回路 ゼロバイアス エミッタサイズ 光センサ回路 エミッタ面積比
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

高温かつ低照度状況下におけるトランジスタリーク電流暗電流による光電流誤差を抑え、光センサ回路感度劣化を低減した光センサ回路を提供する。

解決手段

フォトダイオードPD1の光電流IinをNPNトランジスタQ1のベースに入力してhFE倍に増幅した後に第1の電流増幅部1に入力して増幅し、第1の電流増幅部1の出力電流減衰器3にて1/hFE倍または(N+1)/hFE倍に減衰して第2の電流増幅部2に入力し、第2の電流増幅部2から所望の増幅率に増幅された出力電流Ioutを得る。

概要

背景

フォトダイオードは、入射光量に対し発生する光電流直線性が高く、小型で軽量、安価、長寿命など優れた特性が多く、光電変換素子としてよく使用されている。また、フォトトランジスタはフォトダイオードより大きな光電流を発生させることができるため、同じく光電変換素子としてよく使用されている。

フォトダイオードやフォトトランジスタで発生する微小な光電流は電流のまま増幅する回路や、光電流を電圧信号に変換する際に増幅する回路などにより増幅され、光センサ回路出力信号として出力される構成となっている。

従来の光センサ回路を図12に示す。図12において、フォトダイオードPD1に光が入射し光電流が発生すると、第1の電流増幅部1および第2の電流増幅部2からなる増幅回路により増幅され出力電流Ioutが出力される。各電流増幅部内のカレントミラー回路ミラー比を適宜設定し、多段に設けるなどして必要な増幅率を得ることができる。図12では、フォトダイオードPD1の電流Iinを第1の電流増幅部1でa×b倍に増幅し、第2の電流増幅部2でc倍に増幅して出力端子6から出力電流Ioutを出力するよう構成されている。ここで、NPNトランジスタQ10,Q11,Q12のミラー比(エミッタ面積比)を1:1:a、LPNP(ラテラルPNPトランジスタQ4,Q5のミラー比(エミッタ面積比)を1:b、LPNPトランジスタQ6,Q7のミラー比(エミッタ面積比)を1:cとしている。

しかし、図12に示す従来の光センサ回路では、高温時にトランジスタのリーク電流により光センサ回路の感度劣化する。図13は一般的なトランジスタの断面図であり、図13(1)はNPNトランジスタ、図13(2)はLPNPトランジスタの断面図である。この種のトランジスタのリーク電流は、よく知られているようにP型基板N型埋め込み層寄生ダイオード逆リーク電流によるものであり、NPNトランジスタにはコレクタ−P型基板間、LPNPトランジスタにはベース−P型基板間に寄生ダイオードが存在する。

図14は、図12の回路に上記の寄生ダイオードによるリーク電流を加えた回路図である。NPNトランジスタQ10のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードのリーク電流モデルとして電流源LC1が加わり、NPNトランジスタQ12のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ4,Q5のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流モデルとして電流源LC2が追加されている。さらにNPNトランジスタQ14のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードのリーク電流モデルである電流源LC3と、NPNトランジスタQ15のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ6,Q7のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流モデルである電流源LC4も追加される。電流源LC1,LC2,LC3,LC4のリーク電流値をそれぞれIsub1,Isub2,Isub3,Isub4とすると、出力電流Ioutは次式で表される。




寄生ダイオードによるリーク電流Isub1,Isub2,Isub3,Isub4は温度上昇によって指数関数的に増大する。また、低照度下ではフォトダイオードの光電流Iinは小さくなり、低照度で高温の状況下では最も光電流に対する誤差が大きくなり、光センサ回路の感度劣化につながってしまう。

ところで、光電変換素子として用いられるフォトダイオードやフォトトランジスタは遮光状態でも漏れ電流が流れる。この電流は暗電流と呼ばれ、フォトダイオードにおいては逆方向印加電圧周囲温度の上昇により増加する傾向を持ち、またフォトトランジスタにおいてはコレクタ−エミッタ間電圧と周囲温度の上昇により増加する傾向を持つ。特に温度上昇によって指数関数的に増大することがよく知られている。

フォトダイオードやフォトトランジスタを常温および高照度下で使用する場合には、暗電流の影響による誤差は小さいが、低照度下ではフォトダイオードやフォトトランジスタの光電流は小さくなり、高温状況下では暗電流が増大するため、高温かつ低照度な状況下では最も光電流に対する誤差が大きくなり、光センサ回路の感度劣化につながってしまう。

従来より、暗電流の温度依存性補償する回路構成が種々提案されており、特許文献1では、主受光素子であるフォトトランジスタと同一の電気特性を有する補助用のトランジスタを、外部入射光から遮蔽されるように設けることで、暗電流の補償を行う構成が開示されている。しかし、寄生ダイオードのリーク電流による光電流に対する誤差を低減する構成については示されていない。

概要

高温かつ低照度状況下におけるトランジスタのリーク電流や暗電流による光電流の誤差を抑え、光センサ回路の感度劣化を低減した光センサ回路を提供する。フォトダイオードPD1の光電流IinをNPNトランジスタQ1のベースに入力してhFE倍に増幅した後に第1の電流増幅部1に入力して増幅し、第1の電流増幅部1の出力電流を減衰器3にて1/hFE倍または(N+1)/hFE倍に減衰して第2の電流増幅部2に入力し、第2の電流増幅部2から所望の増幅率に増幅された出力電流Ioutを得る。

目的

本発明は上記課題を解決するために、高温かつ低照度状況下でもトランジスタのリーク電流や暗電流による光電流に対する誤差を抑え、光センサ回路の感度劣化を低減することを目的とする

効果

実績

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請求項1

光電変換素子入射する光信号電気信号に変換する光センサ回路において、フォトダイオードと、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードベースに接続される第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのコレクタ電流またはエミッタ電流が入力される第1の電流増幅部と、前記第1の電流増幅部の出力電流が入力される減衰器と、前記減衰器の出力電流が入力される第2の電流増幅部を備え、前記減衰器は、第2のトランジスタのコレクタと第3のトランジスタのベースが接続されて前記第1の電流増幅部の出力電流が入力され、前記第2のトランジスタのベースと第3のトランジスタのエミッタが接続され、前記第3のトランジスタのコレクタから電流が出力され、前記第1のトランジスタにて増幅された電流増幅分を減衰することを特徴とする光センサ回路。

請求項2

光電変換素子に入射する光信号を電気信号に変換する光センサ回路において、フォトダイオードと、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードがベースに接続される第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのエミッタ電流が入力される第1の電流増幅部と、前記第1の電流増幅部の出力電流が入力される減衰器と、前記減衰器の出力電流が入力される第2の電流増幅部を備え、前記減衰器は、第2のトランジスタのコレクタと第3のトランジスタのベースが接続されて前記第1の電流増幅部の出力電流が入力され、前記第2のトランジスタのベースと第3のトランジスタのエミッタが接続され、前記第3のトランジスタのコレクタから電流が出力され、前記第1のトランジスタにて増幅された電流増幅分を減衰すると共に、前記第1の電流増幅部に前記第1のトランジスタのベース−エミッタ間電圧補正する手段を設け、フォトダイオードの逆バイアス電圧ゼロバイアスに近づけることを特徴とする光センサ回路。

請求項3

請求項1に記載の光センサ回路において、前記フォトダイオードと第1のトランジスタをフォトトランジスタに置き換えたことを特徴とする光センサ回路。

技術分野

0001

本発明はフォトダイオードフォトトランジスタなどに入射する光信号電気信号に変換する光センサ回路に関する。

背景技術

0002

フォトダイオードは、入射光量に対し発生する光電流直線性が高く、小型で軽量、安価、長寿命など優れた特性が多く、光電変換素子としてよく使用されている。また、フォトトランジスタはフォトダイオードより大きな光電流を発生させることができるため、同じく光電変換素子としてよく使用されている。

0003

フォトダイオードやフォトトランジスタで発生する微小な光電流は電流のまま増幅する回路や、光電流を電圧信号に変換する際に増幅する回路などにより増幅され、光センサ回路の出力信号として出力される構成となっている。

0004

従来の光センサ回路を図12に示す。図12において、フォトダイオードPD1に光が入射し光電流が発生すると、第1の電流増幅部1および第2の電流増幅部2からなる増幅回路により増幅され出力電流Ioutが出力される。各電流増幅部内のカレントミラー回路ミラー比を適宜設定し、多段に設けるなどして必要な増幅率を得ることができる。図12では、フォトダイオードPD1の電流Iinを第1の電流増幅部1でa×b倍に増幅し、第2の電流増幅部2でc倍に増幅して出力端子6から出力電流Ioutを出力するよう構成されている。ここで、NPNトランジスタQ10,Q11,Q12のミラー比(エミッタ面積比)を1:1:a、LPNP(ラテラルPNPトランジスタQ4,Q5のミラー比(エミッタ面積比)を1:b、LPNPトランジスタQ6,Q7のミラー比(エミッタ面積比)を1:cとしている。

0005

しかし、図12に示す従来の光センサ回路では、高温時にトランジスタのリーク電流により光センサ回路の感度劣化する。図13は一般的なトランジスタの断面図であり、図13(1)はNPNトランジスタ、図13(2)はLPNPトランジスタの断面図である。この種のトランジスタのリーク電流は、よく知られているようにP型基板N型埋め込み層寄生ダイオード逆リーク電流によるものであり、NPNトランジスタにはコレクタ−P型基板間、LPNPトランジスタにはベース−P型基板間に寄生ダイオードが存在する。

0006

図14は、図12の回路に上記の寄生ダイオードによるリーク電流を加えた回路図である。NPNトランジスタQ10のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードのリーク電流モデルとして電流源LC1が加わり、NPNトランジスタQ12のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ4,Q5のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流モデルとして電流源LC2が追加されている。さらにNPNトランジスタQ14のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードのリーク電流モデルである電流源LC3と、NPNトランジスタQ15のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ6,Q7のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流モデルである電流源LC4も追加される。電流源LC1,LC2,LC3,LC4のリーク電流値をそれぞれIsub1,Isub2,Isub3,Isub4とすると、出力電流Ioutは次式で表される。




寄生ダイオードによるリーク電流Isub1,Isub2,Isub3,Isub4は温度上昇によって指数関数的に増大する。また、低照度下ではフォトダイオードの光電流Iinは小さくなり、低照度で高温の状況下では最も光電流に対する誤差が大きくなり、光センサ回路の感度劣化につながってしまう。

0007

ところで、光電変換素子として用いられるフォトダイオードやフォトトランジスタは遮光状態でも漏れ電流が流れる。この電流は暗電流と呼ばれ、フォトダイオードにおいては逆方向印加電圧周囲温度の上昇により増加する傾向を持ち、またフォトトランジスタにおいてはコレクタ−エミッタ間電圧と周囲温度の上昇により増加する傾向を持つ。特に温度上昇によって指数関数的に増大することがよく知られている。

0008

フォトダイオードやフォトトランジスタを常温および高照度下で使用する場合には、暗電流の影響による誤差は小さいが、低照度下ではフォトダイオードやフォトトランジスタの光電流は小さくなり、高温状況下では暗電流が増大するため、高温かつ低照度な状況下では最も光電流に対する誤差が大きくなり、光センサ回路の感度劣化につながってしまう。

0009

従来より、暗電流の温度依存性補償する回路構成が種々提案されており、特許文献1では、主受光素子であるフォトトランジスタと同一の電気特性を有する補助用のトランジスタを、外部入射光から遮蔽されるように設けることで、暗電流の補償を行う構成が開示されている。しかし、寄生ダイオードのリーク電流による光電流に対する誤差を低減する構成については示されていない。

先行技術

0010

特開平8−181348号公報

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は上記課題を解決するために、高温かつ低照度状況下でもトランジスタのリーク電流や暗電流による光電流に対する誤差を抑え、光センサ回路の感度劣化を低減することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、光電変換素子に入射する光信号を電気信号に変換する光センサ回路において、フォトダイオードと、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードがベースに接続される第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのコレクタ電流またはエミッタ電流が入力される第1の電流増幅部と、前記第1の電流増幅部の出力電流が入力される減衰器と、前記減衰器の出力電流が入力される第2の電流増幅部を備え、前記減衰器は、第2のトランジスタのコレクタと第3のトランジスタのベースが接続されて前記第1の電流増幅部の出力電流が入力され、前記第2のトランジスタのベースと第3のトランジスタのエミッタが接続され、前記第3のトランジスタのコレクタから電流が出力され、前記第1のトランジスタにて増幅された電流増幅分を減衰することを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、光電変換素子に入射する光信号を電気信号に変換する光センサ回路において、フォトダイオードと、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードがベースに接続される第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのエミッタ電流が入力される第1の電流増幅部と、前記第1の電流増幅部の出力電流が入力される減衰器と、前記減衰器の出力電流が入力される第2の電流増幅部を備え、前記減衰器は、第2のトランジスタのコレクタと第3のトランジスタのベースが接続されて前記第1の電流増幅部の出力電流が入力され、前記第2のトランジスタのベースと第3のトランジスタのエミッタが接続され、前記第3のトランジスタのコレクタから電流が出力され、前記第1のトランジスタにて増幅された電流増幅分を減衰すると共に、前記第1の電流増幅部に前記第1のトランジスタのベース−エミッタ間電圧を補正する手段を設け、フォトダイオードの逆バイアス電圧ゼロバイアスに近づけることを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項1に記載の光センサ回路において、前記フォトダイオードと第1のトランジスタをフォトトランジスタに置き換えたことを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明によれば、寄生ダイオードによるリーク電流の影響を受ける前に光電変換素子の光電流を増幅し、増幅した光電流を電流増幅部に入力して電流増幅した後に減衰器で減衰するため、寄生ダイオードによるリーク電流は減衰器で減衰される。また、フォトダイオードがゼロバイアスで動作するように逆バイアス電圧を補正するため、暗電流を抑えることができる。高温かつ低照度状況下でもフォトダイオードやフォトトランジスタの光電流に対する誤差であるリーク電流と暗電流を極力抑えることができるため、光センサ回路の感度劣化を低減することが可能である。

図面の簡単な説明

0014

本発明の第1の実施例を示す図である。
本発明の第1の実施例にリーク電流モデルを追加した図である。
本発明の減衰器を示す図である。
本発明の第2の実施例を示す図である。
本発明の第3の実施例を示す図である。
本発明の第3の実施例にリーク電流モデルを追加した図である。
本発明の第4の実施例を示す図である。
本発明の減衰器の別の構成例を示す図である。
本発明の第4の実施例において第2の電流増幅部をシンク(吸い込み)型とした構成例を示す図である。
本発明の第1の実施例においてフォトダイオードのカソードから光電流を取り出す構成例を示す図である。
本発明の第4の実施例においてフォトダイオードのカソードから光電流を取り出す構成例を示す図である。
従来の光センサ回路例を示す図である。
トランジスタの寄生ダイオードを示す図である。
従来の光センサ回路例にリーク電流モデルを追加した図である。

0015

本発明は光電変換素子で発生する光電流を増幅した後、その増幅した出力電流を減衰させ、その後所望の増幅率に増幅させて出力信号とすることで、電流増幅部のリーク電流や暗電流の影響を低減する構成としている。以下本発明の実施例について詳細に説明する。

0016

図1は本発明の第1の実施例を示す図である。図1の光センサ回路は、フォトダイオードPD1のアノードが第1のトランジスタであるNPNトランジスタQ1のベースに接続され、カソードは電源端子4に接続されている。NPNトランジスタQ1のエミッタは接地端子5に接続され、コレクタはLPNPトランジスタQ4,Q5のカレントミラーから成る第1の電流増幅部1に接続されている。LPNPトランジスタQ5のコレクタは減衰器3を構成するNPNトランジスタQ2のコレクタとNPNトランジスタQ3のベースに接続され、NPNトランジスタQ2のエミッタは接地端子5に接続され、NPNトランジスタQ2のベースはNPNトランジスタQ3のエミッタに接続され、NPNトランジスタQ3のコレクタはLPNPトランジスタQ6,Q7のカレントミラーから成る第2の電流増幅部2に接続されている。フォトダイオードPD1の光電流IinはNPNトランジスタQ1にてhFE倍に増幅され、第1の電流増幅部1でb倍に増幅された後に減衰器3にて1/hFE倍に減衰され、第2の電流増幅部2でc倍に増幅されて出力電流Ioutとして出力端子6から出力する。ここで、hFEはNPNトランジスタQ1,Q2,Q3の電流増幅率を示し、各トランジスタの電流増幅率は等しいものとしている。また、LPNPトランジスタQ4,Q5のミラー比(エミッタ面積比)を1:b、LPNPトランジスタQ6,Q7のミラー比(エミッタ面積比)を1:cとしている。また、本実施例ではフォトダイオードPD1のカソードと、LPNPトランジスタQ4,Q5のエミッタおよびLPNPトランジスタQ6,Q7のエミッタはいずれも電源端子4に接続されているが、異なる電圧印加されるように構成してもよい。また、本実施例ではNPNトランジスタQ1のエミッタは接地端子5に接続されているが、接地端子5に接続することに限定されない。

0017

次に、図1の光センサ回路の動作を説明する。フォトダイオードの光電流をIinとし、光センサ回路から得られる出力電流をIoutとすると、出力電流Ioutはミラー比b,cおよび電流増幅率hFEを用いて次式で表される。




上記の式(1)はトランジスタのリーク電流モデルが加わらない場合であり、光電流Iinが第1の電流増幅部1および第2の電流増幅部2による増幅率によりb×c倍に増幅されて出力電流Ioutが得られることを示している。

0018

常温あるいは高照度状況下では、製造工程のバラツキによるフォトダイオードPD1の光電変換効率のバラツキと比較するとトランジスタのリーク電流による影響は少なく、式(2)の出力電流Ioutが得られる。

0019

図2は、図1の第1の実施例に高温時のトランジスタのリーク電流モデルを追加した図であり、NPNトランジスタQ1のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ4,Q5のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流を合わせて電流源LC1とし、NPNトランジスタQ2のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードを電流源LC2として図示している。電流源LC1,LC2に流れるリーク電流をそれぞれIsub1,Isub2とすると、出力電流Ioutは次式で表される。




上記の式(3)はトランジスタの寄生ダイオードによるリーク電流モデルが加わった場合に、リーク電流Isub1,Isub2がNPNトランジスタQ2,Q3から成る減衰器により従来例と比べて1/hFE倍に減衰するため、高温時においても光電流に対する誤差を抑え光センサ回路の感度劣化を低減することが可能であることを示している。

0020

厳密には、高温時のトランジスタのリーク電流は、NPNトランジスタQ3のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ6,Q7のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流も存在する。NPNトランジスタQ2,Q3から成る減衰器3以降のトランジスタのリーク電流は低減できないため、減衰器3に入力する前に第1の電流増幅部1にて十分に増幅しておく必要がある。減衰器3に入力する前に十分に増幅することで、減衰器3以降のリーク電流の影響は無視できる程度となる。

0021

なお、本実施例のように光電流を増幅する構成の場合、初段のリーク電流(図2では電流源LC1)による影響が最も大きくなる。本発明では最初に光電流Iinを第1のトランジスタによりhFE倍しているため、初段のリーク電流の影響が小さくなる構成となっている。

0022

ここで、図3に示すNPNトランジスタQ2,Q3から成る減衰器3の動作を説明する。減衰器3に入力された電流Iiは1/hFE倍となり電流Ioとして減衰器3から出力される。NPNトランジスタQ2のベース電流とコレクタ電流をIb2,Ic2とし、NPNトランジスタQ3のベース電流,コレクタ電流とエミッタ電流をIb3,Ic3,Ie3とすると以下の式が得られる。




ただし、ここではNPNトランジスタQ2,Q3の電流増幅率をそれぞれhFE2,hFE3とする。よって、減衰器3の出力電流Ioは、




となり、減衰器3に入力された電流Iiが1/hFE2倍された電流Ioが出力される。

0023

図1においてフォトダイオードPD1の光電流IinをNPNトランジスタQ1にてhFE倍に増幅すると説明したが、このhFEはNPNトランジスタQ1のhFE1であり、減衰器3の1/hFE倍のhFEはNPNトランジスタQ2のhFE2である。そのため、NPNトランジスタQ1のhFE1が変動した場合にはNPNトランジスタQ2のhFE2も同様に変動すること、つまりNPNトランジスタQ1,Q2の各hFE1,hFE2のマッチングが取れるように回路およびレイアウトの設計を行う。

0024

一方、減衰器3のNPNトランジスタQ3のhFE3はマッチングが取れていることは必ずしも必要ではない。NPNトランジスタQ1とQ2の各hFE1,hFE2のマッチングが取れている場合、製造工程のバラツキや温度変動要因とした光センサ回路の出力電流のバラツキとなる項は1/(1/hFE3+1)である。例えば、製造工程のバラツキあるいは温度変動によりhFE3が100から170に変動した場合でも、光センサ回路の出力電流のバラツキは0.4%程度となる。これは、フォトダイオードPD1の光電変換効率の製造工程のバラツキや周囲温度変動によるバラツキと比較すると無視できるレベルである。これより、減衰器3のNPNトランジスタQ3はNMOSトランジスタで構成してもよい。

0025

以上、減衰器3の動作について説明した通り、光センサ回路に減衰器3を設けたことにより、寄生ダイオードによるリーク電流が減衰器3で減衰されて光センサ回路の感度劣化を低減する効果に加えて、光センサ回路の出力電流が製造工程のバラツキや周囲温度変動によるhFE変動の影響をほとんど受けないという効果も得られる。

0026

図4は本発明の第2の実施例を示す図である。図4の光センサ回路は、フォトダイオードPD1とNPNトランジスタQ1に代えてフォトトランジスタPT1を用いた構成である。フォトトランジスタPT1の電流増幅率が図1のNPNトランジスタQ1,Q2,Q3の電流増幅率と等しくhFEであるとすると、フォトトランジスタPT1のベースに入力される光電流Iinは電流増幅され、式(3)に示すように寄生ダイオードによるリーク電流が減衰器3により1/hFE倍に減衰するため、高温時においても光電流に対する誤差を抑えた出力電流が出力端子6から出力され、光センサ回路の感度劣化を低減することが可能である。また、フォトダイオードPD1とNPNトランジスタQ1に代えてフォトトランジスタPT1を用いることで、光センサ回路の回路面積縮小することができる。

0027

図5は本発明の第3の実施例を示す図であり、暗電流の影響を極力抑えるように構成している。図5の光センサ回路は、フォトダイオードPD1のアノードが第1のトランジスタであるNPNトランジスタQ1のベースに接続され、フォトダイオードPD1のカソードとNPNトランジスタQ1のコレクタは電源端子4に接続されている。NPNトランジスタQ1のエミッタは、LPNPトランジスタQ4,Q5,Q8,Q9、NPNトランジスタQ10,Q11,Q12およびダイオードD1から成る第1電流増幅部1に接続されている。LPNPトランジスタQ5のコレクタは減衰器3を構成するNPNトランジスタQ2のコレクタとNPNトランジスタQ3のベースに接続され、NPNトランジスタQ2のエミッタは接地端子5に接続され、NPNトランジスタQ2のベースはNPNトランジスタQ3のエミッタに接続され、NPNトランジスタQ3のコレクタはLPNPトランジスタQ6,Q7のカレントミラーから成る第2の電流増幅部2に接続されている。図1に示した第1の実施例では、フォトダイオードPD1のアノード−カソード間には電源電圧VCC−Vbeの逆バイアス電圧が印加されている。ここでVbeはNPNトランジスタまたはPNPトランジスタのベース−エミッタ間電圧を表す。フォトダイオードの逆バイアス電圧が数百mV以下の領域では、フォトダイオードの暗電流は逆バイアス電圧に比例して大きくなる。

0028

図5に示す第3の実施例では、図12に示す従来例に対し、光IinをすぐにhFE倍するために設けたNPNトランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧Vbeが加わるため、ダイオードD1を設けてフォトダイオードがゼロバイアス(±100mV以内)で動作するように補正して暗電流の影響を抑える構成としている。具体的には、NPNトランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧VbeをダイオードD1の順方向電圧Vfで相殺する。LPNPトランジスタQ9のエミッタ電位は、電源電圧VCCからダイオードの順方向電圧Vf分降下し、LPNPトランジスタQ8,Q9のベース電位はさらにVbe分降下する。そしてLPNPトランジスタQ8のエミッタ電位はVbe分上昇し、さらにNPNトランジスタQ1のVbe分上昇することによりNPNトランジスタQ1のベース電位は電源電圧VCCとほぼ等しくなり、フォトダイオードPD1はゼロバイアスで動作する。本実施例では、フォトダイオードPD1のカソードとNPNトランジスタQ1のコレクタとダイオードD1のアノードと、LPNPトランジスタQ4,Q5のエミッタおよびLPNPトランジスタQ6,Q7のエミッタはいずれも電源端子4に接続されているが、フォトダイオードPD1のカソードとダイオードD1のアノードを同電位にして、トランジスタのベース−エミッタ間電圧Vbeとダイオードの順方向電圧Vfの段数を合わせてフォトダイオードPD1がゼロバイアスで動作するように構成していればよく、LPNPトランジスタQ4,Q5,Q6,Q7のエミッタはフォトダイオードPD1のカソードと異なる電圧が印加されるように構成してもよい。

0029

次に図5の動作について説明する。図5で示す第1の電流増幅部1には、スタートアップ回路がないが、回路を構成するトランジスタの微小なリーク電流により起動する。光が入力されない暗闇の状態において、NPNトランジスタQ10のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードおよびLPNPトランジスタQ8,Q9のベース−P型基板間の寄生ダイオードにP型基板に流れるごく微小なリーク電流が存在し、そのリーク電流は電源端子4に接続するダイオードD1より供給されている。その後光が入力されると、フォトダイオードPD1のアノード電位が上昇し、NPNトランジスタQ1,LPNPトランジスタQ8のベース−エミッタ間電圧Vbeが上昇して、前記寄生ダイオードに流れるリーク電流は光電流Iinを増幅したNPNトランジスタQ1から供給される。そのため、光が入力した直後は光電流Iinの一部はカレントミラー回路に入力されないが、光電流により第1の電流増幅部1が起動すると、フォトダイオードPD1の光電流IinはNPNトランジスタQ1でhFE倍に増幅し、第1の電流増幅部1でa×b倍に増幅した後にNPNトランジスタQ2,Q3から成る減衰器3により1/hFE倍に減衰し、第2の電流増幅部2でc倍に増幅して出力電流Ioutとして出力端子6から出力する。ここで、NPNトランジスタQ10,Q11,Q12のミラー比(エミッタ面積比)を1:1:a、LPNPトランジスタQ4,Q5のミラー比(エミッタ面積比)を1:b、LPNPトランジスタQ6,Q7のミラー比(エミッタ面積比)を1:cとしている。

0030

図6図5の第3の実施例にトランジスタのリーク電流モデルを追加した図であり、NPNトランジスタQ10のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流を電流源LC1、NPNトランジスタQ12のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ4,Q5のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流を合わせて電流源LC2とし、NPNトランジスタQ2のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードを電流源LC3として図示している。電流源LC1,LC2,LC3に流れるリーク電流をそれぞれIsub1,Isub2,Isub3とすると、出力電流Ioutは次式で表される。




上記の式(5)は、出力電流の誤差分を表すIsub1,Isub2,Isub3の項が1/hFE倍されており、式(3)と同様に、寄生ダイオードによるリーク電流Isub1,Isub2,Isub3がNPNトランジスタQ2,Q3から成る減衰器3により従来例と比べて1/hFE倍に減衰するため、高温時においてもリーク電流の影響による光電流に対する誤差を抑えることが可能であることを示している。

0031

厳密には、第1の実施例と同様に、高温時のトランジスタのリーク電流は、NPNトランジスタQ3のコレクタ−P型基板間の寄生ダイオードとLPNPトランジスタQ6,Q7のベース−P型基板間の寄生ダイオードによるリーク電流も存在する。本実施例においても、減衰器3に入力する前に十分に増幅することで、減衰器3以降のリーク電流の影響は無視できる程度となる。

0032

また、図5に示す第3の実施例においては、フォトダイオードPD1がゼロバイアスで動作するようNPNトランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧VbeをダイオードD1の順方向電圧Vfで補正しており、高温かつ低照度状況下でもフォトダイオードやフォトトランジスタの光電流に対する誤差である寄生ダイオードによるリーク電流だけでなく暗電流による誤差も極力抑えているため、光センサ回路の感度劣化をさらに低減することが可能である。

0033

図7は本発明の第4の実施例を示す図であり、第3の実施例である図5の光センサ回路と同様に、フォトダイオードPD1がゼロバイアスで動作するように補正して暗電流の影響を極力抑えるように構成している。図5においてNPNトランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧Vbeを相殺して暗電流の影響を抑えるために設けたダイオードD1に代えて、NPNトランジスタQ13を用いた構成である。NPNトランジスタQ1と同じ素子であるNPNトランジスタQ13を用いることでベース−エミッタ間電圧Vbeが等しくなり、ダイオードD1の順方向電圧Vfよりも正確に補正することができる。このため、図5の構成よりもフォトダイオードPD1の逆バイアス電圧はゼロに近づくため、さらに暗電流の影響を抑えることができる。そのため、高温かつ低照度状況下でもフォトダイオードやフォトトランジスタの光電流に対する誤差である寄生ダイオードによるリーク電流だけでなく暗電流を極力抑えることができるため、光センサ回路の感度劣化を最大限に低減することが可能である。

0034

図8は本発明の減衰器3の別の例を示す図であり、減衰器3に増幅機能を追加した構成である。図3に示した減衰器3の構成にNPNトランジスタQ2のエミッタサイズのN倍のエミッタサイズであるNPNトランジスタQ16を追加している。図8の減衰器3Aでは、次式の通り、減衰器3Aに入力された電流Iiは(N+1)/hFE倍となり電流Ioとして減衰器3Aから出力される。ここでNPNトランジスタQ2とNPNトランジスタQ16は特性が等しいとし、NPNトランジスタQ2,Q3の電流増幅率をそれぞれhFE2,hFE3としている。




式(6)で示すように、図3に示す減衰器3と比較して(N+1)倍の電流が出力され、増幅効果を持つため、第1の電流増幅部1や第2の電流増幅部2のカレントミラーの段数を減らすことができる。

0035

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変更が可能である、例えば、上記した実施例では、カレントミラー回路の段数は2または3としたが、所望の増幅率となるようにさらに多段にしてもよい。また、上記の実施例では第2の電流増幅部2はソース(吐き出し)型の電流源としたが、図9に示すようにシンク(吸い込み)型としてもよい。

0036

また、上記した実施例では、フォトダイオードPD1のアノードから光電流Iinを取り出してNPNトランジスタのベースに入力して増幅したが、図10図11に示すようにフォトダイオードPD1のカソードから光電流Iinを取り出す構成にしてもよい。図10に示す構成例は、図1に示す第1の実施例においてフォトダイオードPD1のアノードから光電流Iinを取り出す構成であるのに対し、フォトダイオードPD1のカソードから光電流Iinを取り出してVPNP(バーティカルPNP)トランジスタで増幅する構成としている。そのため、第1の電流増幅部1,第2の電流増幅部2,減衰器3の各トランジスタをNPN型からPNP型に、PNP型からNPN型に変更して等価な回路を構成しており、図1の各トランジスタと同一の機能を有するトランジスタには同一の符号を付して動作説明は省略する。図10の光センサ回路は、フォトダイオードPD1のカソードが第1のトランジスタであるVPNPトランジスタQ1のベースに接続され、アノードは接地端子5に接続されている。VPNPトランジスタQ1のエミッタは電源端子4に接続され、コレクタがNPNトランジスタQ4,Q5の差動対から成る第1の電流増幅部1に接続されている。NPNトランジスタQ5のコレクタは減衰器3を構成するPNPトランジスタQ2のコレクタとPNPトランジスタQ3のベースに接続され、PNPトランジスタQ2のエミッタは電源端子4に接続され、PNPトランジスタQ2のベースはPNPトランジスタQ3のエミッタに接続され、PNPトランジスタQ3のコレクタはNPNトランジスタQ6,Q7の差動対から成る第2の電流増幅部2に接続されている。減衰器3を構成するPNPトランジスタQ2は、フォトダイオードPD1の光電流IinをhFE倍に増幅するVPNPトランジスタQ1とのhFEのマッチングが取れるようにするため、VPNPトランジスタを使用する。減衰器3を構成するもう一方のPNPトランジスタQ3は、VPNPトランジスタでもLPNPトランジスタでもよい。本実施例では、フォトダイオードPD1のアノードと、NPNトランジスタQ4,Q5のエミッタおよびNPNトランジスタQ6,Q7のエミッタはいずれも接地端子5に接続されているが、接地端子5に接続することに限定されない。また、PNPトランジスタQ1のエミッタも電源端子4に接続することに限定されない。

0037

図11に示す構成例は、図7に示す第4の実施例においてフォトダイオードPD1のアノードから光電流Iinを取り出す構成であるのに対し、フォトダイオードPD1のカソードから光電流Iinを取り出してVPNPトランジスタで増幅する構成としている。図11の光センサ回路は、フォトダイオードPD1のカソードが第1のトランジスタであるVPNPトランジスタQ1のベースに接続され、フォトダイオードPD1のアノードとVPNPトランジスタQ1のコレクタは接地端子5に接続されている。VPNPトランジスタQ1のエミッタは、NPNトランジスタQ4,Q5,Q8,Q9およびPNPトランジスタQ10,Q11,Q12,Q13から成る第1の電流増幅部1に接続されている。NPNトランジスタQ5のコレクタは減衰器3を構成するPNPトランジスタQ2のコレクタとPNPトランジスタQ3のベースに接続され、PNPトランジスタQ2のエミッタは電源端子4に接続され、PNPトランジスタQ2のベースはPNPトランジスタQ3のエミッタに接続され、PNPトランジスタQ3のコレクタはNPNトランジスタQ6,Q7の差動対から成る第2の電流増幅部2に接続されている。減衰器3を構成するPNPトランジスタQ2は、フォトダイオードPD1の光電流IinをhFE倍に増幅するVPNPトランジスタQ1とのhFEのマッチングが取れるようにするため、VPNPトランジスタを使用する。減衰器3を構成するもう一方のPNPトランジスタQ3と、第1の電流増幅部1のカレントミラー回路を構成するPNPトランジスタQ10,Q11,Q12は、VPNPトランジスタでもLPNPトランジスタでもよい。PNPトランジスタQ13は、フォトダイオードPD1がゼロバイアスで動作するように、PNPトランジスタQ1と同じ素子であるVPVPトランジスタを用いる。なお、本実施例では、フォトダイオードPD1のアノードとVPNPトランジスタQ1のコレクタとVPNPトランジスタQ13のコレクタとベースと、NPNトランジスタQ4,Q5のエミッタおよびNPNトランジスタQ6,Q7のエミッタはいずれも接地端子5に接続されているが、フォトダイオードPD1のアノードとVPNPトランジスタQ13のコレクタとベースを同電位にして、トランジスタのベース−エミッタ間電圧Vbeの段数を合わせてフォトダイオードPD1がゼロバイアスで動作するように構成していればよく、NPNトランジスタQ4,Q5,Q6,Q7のエミッタはフォトダイオードPD1のカソードと異なる電圧が印加されるように構成してもよい。

実施例

0038

以上のように、本発明によれば、高温時においても光センサ回路のトランジスタのリーク電流による誤差およびフォトダイオードの暗電流による誤差を極力抑えることができるため、フォトダイオードやフォトトランジスタの光電流はこれらの誤差による影響を受けにくくなり、光センサ回路の感度劣化を低減することが可能である。また、減衰器3を設けたことにより、製造工程のバラツキや周囲温度変動によるトランジスタのhFEの変動の影響をほとんど受けずに、光センサ回路の出力電流を得ることができる。

0039

1:第1の電流増幅部
2:第2の電流増幅部
3:減衰器
4:電源端子
5:接地端子
6:出力端子

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