JP2000101928A - Optical sensor circuit and image sensor using the circuit - Google Patents
Optical sensor circuit and image sensor using the circuitInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、照度に応じたセン
サ出力を検出する光センサ回路およびこれを用いたイメ
ージセンサに関し、特に、ダイナミックレンジが広く、
感度が高く、且つS/N比の大きな光センサ回路および
これを用いたイメージセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical sensor circuit for detecting a sensor output corresponding to illuminance and an image sensor using the same.
The present invention relates to an optical sensor circuit having high sensitivity and a large S / N ratio, and an image sensor using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】光センサ回路をマトリクス状に組み合わ
せてなるMOS型や、CCD型のイメージセンサは、既
に従来から良く知られている。これらイメージセンサで
は、照射光(入射光)によって光センサ回路に生じる電
荷を光信号として用いている。例えば、CCD型イメー
ジセンサでは主に光信号によって発生した電荷を各光セ
ンサ回路において蓄積して光信号として用い、MOS型
イメージセンサでは、光センサ回路を構成するフォトダ
イオードの接合容量に予め電荷を充電し、照射光によっ
て放電された電荷量を再充電時に検出することによって
光信号を検出するようになっている。2. Description of the Related Art A MOS or CCD image sensor in which photosensor circuits are combined in a matrix is already well known. In these image sensors, electric charges generated in the optical sensor circuit by irradiation light (incident light) are used as optical signals. For example, in a CCD image sensor, electric charges mainly generated by an optical signal are accumulated in each optical sensor circuit and used as an optical signal, and in a MOS image sensor, electric charges are previously stored in a junction capacitance of a photodiode constituting an optical sensor circuit. The light signal is detected by detecting the amount of charge discharged by the irradiation light at the time of recharging.
【0003】このような光センサ回路による光信号検出
に際して、そのダイナミックレンジを拡大することを目
的として、フォトダイオード(受光素子)にFET(電
界効果トランジスタ、例えば、エンハンスメント型nチ
ャンネルMOSトランジスタ)等を直列に接続し、出力
電圧を対数圧縮する機能を付加したものも開発されてい
る。なお、これは、FETに流れる電流が小さいときは
その抵抗変化が対数特性を示すことを利用している。In order to expand the dynamic range when detecting an optical signal by such an optical sensor circuit, an FET (field effect transistor, for example, an enhancement type n-channel MOS transistor) or the like is used as a photodiode (light receiving element) for the purpose of expanding the dynamic range. Some have been developed that are connected in series and have the function of logarithmically compressing the output voltage. This utilizes the fact that when the current flowing through the FET is small, the resistance change shows a logarithmic characteristic.
【0004】このような光センサ回路の構成例を図7に
示している。この光センサ回路100は、フォトダイオ
ードPD、これに直列に接続されたエンハンスメント型
nチャンネルMOSトランジスタQ1、フォトダイオー
ドPDとエンハンスメント型nチャンネルMOSトラン
ジスタQ1の接続点P(センサ検出端子)にゲートが接
続されたエンハンスメント型nチャンネルMOSトラン
ジスタQ2、このエンハンスメント型nチャンネルMO
SトランジスタQ2と直列に接続されたエンハンスメン
ト型nチャンネルMOSトランジスタQ3から構成され
る。また、接続点Pには、フォトダイオードPD、エン
ハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタQ1、
Q2およびこれらを相互に接続する配線等によって生じ
る浮遊容量の合成値とからなる奇生容量コンデンサCが
接続される。FIG. 7 shows a configuration example of such an optical sensor circuit. The optical sensor circuit 100 has a gate connected to a photodiode PD, an enhancement type n-channel MOS transistor Q1 connected in series to the photodiode PD, and a connection point P (sensor detection terminal) between the photodiode PD and the enhancement type n-channel MOS transistor Q1. The enhancement type n-channel MOS transistor Q2 and the enhancement type n-channel MOS transistor Q2.
It comprises an enhancement type n-channel MOS transistor Q3 connected in series with the S transistor Q2. Further, at the connection point P, a photodiode PD, an enhancement type n-channel MOS transistor Q1,
A parasitic capacitance capacitor C composed of Q2 and a combined value of stray capacitances generated by wirings and the like interconnecting them is connected.
【0005】フォトダイオードPDは光信号Lsを検出
し、光信号Lsの照度に比例したセンサ電流Idに変換
する。エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジ
スタQ1はフォトダイオードPDの負荷を形成し、フォ
トダイオードPDで検出したセンサ電流Idを電圧に変
換してセンサ検出端子Pに検出電圧Vdを発生する。[0005] The photodiode PD detects the optical signal Ls and converts it into a sensor current Id proportional to the illuminance of the optical signal Ls. The enhancement type n-channel MOS transistor Q1 forms a load of the photodiode PD, converts a sensor current Id detected by the photodiode PD into a voltage, and generates a detection voltage Vd at a sensor detection terminal P.
【0006】また、エンハンスメント型nチャンネルM
OSトランジスタQ1は、センサ電流Idが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するMOSトランジスタ負
荷を形成し、フォトダイオードPDで検出したセンサ電
流Idを対数特性を有する検出電圧Vdに変換する。こ
のため、光信号Lsが大きく変化してセンサ電流Idが
大きく変化(桁数が異なるような大きな変化)しても、
このように対数特性を有した変換がなされて検出電圧V
dの変化は抑えられてこれが飽和することがなく、入力
に対する出力のダイナミックレンジを広くすることがで
きる。Also, an enhancement type n-channel M
The OS transistor Q1 forms a MOS transistor load having a logarithmic characteristic in a weak inversion state where the sensor current Id is small, and converts the sensor current Id detected by the photodiode PD into a detection voltage Vd having a logarithmic characteristic. For this reason, even if the optical signal Ls greatly changes and the sensor current Id greatly changes (a large change such as a different number of digits),
The conversion having the logarithmic characteristic is performed as described above, and the detection voltage V
The change in d is suppressed and does not saturate, and the dynamic range of the output with respect to the input can be widened.
【0007】nチャンネルMOSトランジスタQ2は出
力トランジスタを形成し、検出電圧Vdをセンサ電流信
号として光センサ回路10の外部に取り出すための電圧
−電流変換を行う。また、nチャンネルMOSトランジ
スタQ3は、nチャンネルMOSトランジスタQ2で変
換されたセンサ電流信号を外部回路に接続又は切断する
ためのスイッチを形成する。The n-channel MOS transistor Q2 forms an output transistor, and performs voltage-current conversion for extracting the detection voltage Vd to the outside of the optical sensor circuit 10 as a sensor current signal. The n-channel MOS transistor Q3 forms a switch for connecting or disconnecting the sensor current signal converted by the n-channel MOS transistor Q2 to an external circuit.
【0008】このように構成された従来の光センサ回路
の動作を説明する。エンハンスメント型nチャンネルM
OSトランジスタQ1のドレインDおよびゲートGは共
通の電源VD(例えば、5V)に接続されており、光信
号Lsが検出されない状態(フォトダイオードPDが不
動作状態)では、電源VDからエンハンスメント型nチ
ャンネルMOSトランジスタQ1を介して充電電流Ij
がコンデンサCに流れ、コンデンサCが充電される。こ
のため、センサ検出端子Pの検出電圧Vdは電源VDの
電圧に近い値まで上昇し、この電圧値はフォトダイオー
ドPDが光信号Lsを検出していない初期状態を示す値
となる。The operation of the conventional optical sensor circuit configured as described above will be described. Enhancement type n-channel M
The drain D and the gate G of the OS transistor Q1 are connected to a common power supply VD (for example, 5 V). In a state where the optical signal Ls is not detected (the photodiode PD is in a non-operating state), the enhancement type n-channel is supplied from the power supply VD. Charging current Ij via MOS transistor Q1
Flows into the capacitor C, and the capacitor C is charged. Therefore, the detection voltage Vd of the sensor detection terminal P rises to a value close to the voltage of the power supply VD, and this voltage value is a value indicating an initial state in which the photodiode PD has not detected the optical signal Ls.
【0009】なお、初期状態における検出電圧Vdの値
(初期値)は、コンデンサCが充電されてセンサ検出端
子Pの検出電圧Vdが上昇して電源VDの電圧に近づく
につれて、エンハンスメント型nチャンネルMOSトラ
ンジスタQ1のゲートG−ソースS間の電圧V(GS)(ド
レインD−ソースS間の電圧V(SD)と同じ)が低下し、
ドレインD−ソースS間のインピーダンスが急激に増加
するために充電電流Ijが減少してしまい、電源VDよ
り小さな値(例えば、4.5V)に設定される。The value of the detection voltage Vd in the initial state (initial value) increases as the detection voltage Vd at the sensor detection terminal P rises and approaches the voltage of the power supply VD as the capacitor C is charged. The voltage V (GS) between the gate G and the source S of the transistor Q1 (same as the voltage V (SD) between the drain D and the source S) decreases,
Since the impedance between the drain D and the source S sharply increases, the charging current Ij decreases, and is set to a value smaller than the power supply VD (for example, 4.5 V).
【0010】光センサ回路100の初期状態からフォト
ダイオードPDが光信号Lsを検出すると、フォトダイ
オードPDにセンサ電流Idが流れ、センサ検出端子P
の検出電圧Vdは光信号Lsの増加に対応してエンハン
スメント型nチャンネルMOSトランジスタQ1のドレ
インD−ソースS間のインピーダンスに対応した対数特
性で減少し、初期値よりも低下する。この検出電圧Vd
の絶対値を検出することにより、光信号Lsを検出する
ことができる。なお、フォトダイオードPDのセンサ電
流Idは光信号Lsに比例し、一方、センサ検出端子P
の検出電圧Vdはセンサ電流Idに対数特性を有するド
レインD−ソースS間のインピーダンスを乗算した値な
ので、光信号Lsを対数的特性をもって検出することが
できる。When the photodiode PD detects the optical signal Ls from the initial state of the optical sensor circuit 100, a sensor current Id flows through the photodiode PD, and the sensor detection terminal P
The detection voltage Vd decreases in accordance with the increase of the optical signal Ls in a logarithmic characteristic corresponding to the impedance between the drain D and the source S of the enhancement type n-channel MOS transistor Q1, and falls below the initial value. This detection voltage Vd
The optical signal Ls can be detected by detecting the absolute value of. The sensor current Id of the photodiode PD is proportional to the optical signal Ls, while the sensor detection terminal P
Is a value obtained by multiplying the sensor current Id by the impedance between the drain D and the source S having a logarithmic characteristic, so that the optical signal Ls can be detected with a logarithmic characteristic.
【0011】この光センサ回路100におけるセンサ電
流Id−検出電圧Vd特性図を図8に示している。この
図から分かるように、光センサ回路100の初期状態に
近いとき(センサ電流Id=10-12A)の検出電圧V
dの値(初期値)は、例えば、4.5Vであり、センサ
電流が5桁増加したとき(センサ電流Id=10-7Aの
とき)には検出電圧Vdは4.2Vになる。このよう
に、上記光センサ回路100を用いれば、光信号の5桁
レベル(10万倍)の変化を検出電圧Vdでは0.3V
の範囲の変化として検出することができるため、光信号
Lsの入力に対してダイナミックレンジの広い光センサ
回路を構成することができる。FIG. 8 shows a characteristic diagram of the sensor current Id-detection voltage Vd in the optical sensor circuit 100. As can be seen from this figure, the detection voltage V when the optical sensor circuit 100 is close to the initial state (sensor current Id = 10 −12 A).
The value of d (initial value) is, for example, 4.5 V. When the sensor current increases by 5 digits (when the sensor current Id = 10 −7 A), the detection voltage Vd becomes 4.2 V. As described above, when the optical sensor circuit 100 is used, a change of the optical signal at a 5-digit level (100,000 times) can be detected by the detection voltage Vd of 0.3V.
Therefore, an optical sensor circuit having a wide dynamic range with respect to the input of the optical signal Ls can be configured.
【0012】しかしながら、上記の構成の光センサ回路
100の場合には、光信号の全範囲においてセンサ電流
Idに対して対数特性で検出電圧Vdへの変換を行うた
め、光信号Lsが微小でセンサ電流が微小な範囲(Id
=10-12〜10-11A程度)の場合に、検出電圧Vdの
変化が小さすぎてセンサ感度があまり良くないという問
題がある。However, in the case of the optical sensor circuit 100 having the above-described configuration, since the sensor current Id is converted into the detection voltage Vd by a logarithmic characteristic in the entire range of the optical signal, the optical signal Ls is small and the sensor voltage is small. Current is in a very small range (Id
= 10 −12 to 10 −11 A), there is a problem that the change in the detection voltage Vd is too small and the sensor sensitivity is not very good.
【0013】また、上記光センサ回路100では、フォ
トダイオードPDが光信号Lsを検出しなくなった場
合、フォトダイオードPDが遮断され、コンデンサCに
は充電電流Ijが流れてセンサ検出端子Pの検出電圧V
dは上昇していくが、既に説明したように、エンハンス
メント型nチャンネルMOSトランジスタQ1のドレイ
ンD−ソースS間のインピーダンスが急激に増加して所
定値(4.5V)以上には増加しない。このように検出
電圧Vdが上昇するときの時間経過特性を図9において
波線L(100)で示しているが、この図に示す特性か
ら分かるように、検出電圧Vdは、フォトダイオードP
Dが遮断されてから所定値に近づくにつれてその増加率
が低下するため、所定値(4.5V)に達するまで時間
がかかる。In the optical sensor circuit 100, when the photodiode PD no longer detects the optical signal Ls, the photodiode PD is shut off, the charging current Ij flows through the capacitor C, and the detection voltage of the sensor detection terminal P is detected. V
Although d increases, as described above, the impedance between the drain D and the source S of the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 rapidly increases and does not increase beyond a predetermined value (4.5 V). The time lapse characteristic when the detection voltage Vd increases in this manner is shown by a dashed line L (100) in FIG. 9, and as can be seen from the characteristic shown in FIG.
Since the rate of increase decreases as the value approaches a predetermined value after D is cut off, it takes time to reach the predetermined value (4.5 V).
【0014】このため、上記光センサ回路100をマト
リクス状に配置してイメージセンサに適用する場合、検
出電圧Vdをリセットするときに初期値(4.5V)に
到達するまでの応答時間が遅く、イメージセンサには長
時間の残像として表示されるという問題がある。Therefore, when the photosensor circuits 100 are arranged in a matrix and applied to an image sensor, the response time until reaching the initial value (4.5 V) when resetting the detection voltage Vd is slow, The image sensor has a problem that the image is displayed as a long afterimage.
【0015】また、上記光センサ回路100は、ノイズ
に対してエンハンスメント型nチャンネルMOSトラン
ジスタQ1およびコンデンサCがピークホールド回路を
形成し、振幅の大きなノイズレベルを光信号Lsとして
誤検出し、S/N比が低下して検知可能照度の下限が上
昇し、感度低下を招くという問題もある。In the optical sensor circuit 100, the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 and the capacitor C form a peak hold circuit for noise, and erroneously detect a noise level having a large amplitude as an optical signal Ls. There is also a problem that the N ratio decreases and the lower limit of detectable illuminance increases, resulting in a decrease in sensitivity.
【0016】このようなことから本出願人は、微小光信
号の検出が高精度で可能であり、残像現象の発生がほと
んど生じなく、S/N比が高いような光センサ回路を考
案した(これについては既に別途出願済み)。この光セ
ンサ回路200を図10に示しており、上述の光センサ
回路100とは、エンハンスメント型nチャンネルMO
SトランジスタQ1のドレインDには定電圧電源(例え
ば、5V)VDが接続され、ゲートGには高低二種類の
ゲート電圧を印加可能なゲート電圧電源VGが接続され
ている点が異なる。In view of the above, the present applicant has devised an optical sensor circuit which can detect a minute optical signal with high accuracy, hardly causes an afterimage phenomenon, and has a high S / N ratio ( This has already been filed separately). This optical sensor circuit 200 is shown in FIG. 10, and the above-described optical sensor circuit 100 is an enhancement type n-channel MO.
The difference is that a constant voltage power supply (for example, 5 V) VD is connected to the drain D of the S transistor Q1, and a gate voltage power supply VG capable of applying two kinds of high and low gate voltages is connected to the gate G.
【0017】このような構成の光センサ回路200の場
合には、図11に示すようなタイミングで、ドレイン電
圧VD(=5V)より十分高い高電圧VHと、ドレイン
電圧VDに等しいもしくはこれより低い低電圧VLとが
ゲート電圧VGに印加される。まず、ゲート電圧VGと
して高電圧VHが設定されると、エンハンスメント型n
チャンネルMOSトランジスタQ1のドレインD−ソー
スS間のインピーダンスは低抵抗状態となり、コンデン
サCは、図9において実線L(200)で示すように、
急速に充電され、センサ検出端子Pの検出電圧Vdはド
レイン電圧VD(=5V)にほぼ等しい値(例えば、
4.95V)まで上昇する。このため、光センサ回路2
00をマトリクス状に配置してイメージセンサに適用す
る場合、検出電圧Vdをリセットするときに初期値
(4.95V)に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像の問題を防止できる。In the case of the optical sensor circuit 200 having such a configuration, at a timing shown in FIG. 11, a high voltage VH sufficiently higher than the drain voltage VD (= 5 V) and a high voltage VH equal to or lower than the drain voltage VD. The low voltage VL is applied to the gate voltage VG. First, when the high voltage VH is set as the gate voltage VG, the enhancement type n
The impedance between the drain D and the source S of the channel MOS transistor Q1 is in a low resistance state, and the capacitor C is, as shown by a solid line L (200) in FIG.
The battery is rapidly charged, and the detection voltage Vd of the sensor detection terminal P is substantially equal to the drain voltage VD (= 5 V) (for example,
4.95V). Therefore, the optical sensor circuit 2
When 00 is arranged in a matrix and applied to an image sensor, the responsiveness until reaching the initial value (4.95 V) when resetting the detection voltage Vd is improved, and the problem of afterimage of the image sensor can be prevented. .
【0018】次に、検出可能期間としてゲート電圧VG
が低電圧VLに設定されると、エンハンスメント型nチ
ャンネルMOSトランジスタQ1は弱反転状態となる。
そして、フォトダイオードPDに光が照射されるとコン
デンサCに蓄えられた電荷が放電される。ここで、フォ
トダイオードPDに入射する光が弱い場合はセンサ電流
Idはほとんど流れないため、エンハンスメント型nチ
ャンネルMOSトランジスタQ1は高インピーダンス状
態であり、主にコンデンサCに充電された電荷が利用さ
れる。このため、出力電圧の変化はリニア(線形)的に
なる。一方、フォトダイオードPDに入射する光が強く
なると、検出電圧Vdの特性は図11において矢印で示
すように変化し、コンデンサCに蓄えられた電荷は急速
に消費され、フォトダイオードPDを流れるセンサ電流
Idはエンハンスメント型nチャンネルMOSトランジ
スタQ1を通る電流となり、出力電圧Vdの変化は対数
的となる。Next, the gate voltage VG is set as a detectable period.
Is set to the low voltage VL, the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 enters a weak inversion state.
When the photodiode PD is irradiated with light, the electric charge stored in the capacitor C is discharged. Here, when the light incident on the photodiode PD is weak, the sensor current Id hardly flows, so that the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 is in a high impedance state, and mainly the charge charged in the capacitor C is used. . Therefore, the change of the output voltage becomes linear. On the other hand, when the light incident on the photodiode PD becomes stronger, the characteristic of the detection voltage Vd changes as shown by an arrow in FIG. 11, the electric charge stored in the capacitor C is rapidly consumed, and the sensor current flowing through the photodiode PD is changed. Id becomes a current passing through the enhancement type n-channel MOS transistor Q1, and the change of the output voltage Vd becomes logarithmic.
【0019】この関係を図12に示しており、光が弱く
センサ電流Idが10-12〜10-11の場合には、コンデ
ンサCの電荷が放電され、検出電圧Vdは線形的に変化
するが、光が強くセンサ電流が10-11を超える領域で
は、検出電圧Vdは対数的に変化する。つまり、この光
センサ回路200の場合には、光が弱いとき(センサ電
流Idが小さいとき)には通常のMOS型素子と同等の
線形的な出力特性が得られ、光が強くなると(センサ電
流がある程度大きくなると)対数型の素子と同等の出力
特性が得られる。これにより、センサ電流が小さい時は
蓄積効果を利用することによって高感度を実現でき、且
つ対数型素子で問題となる入射光が小さいときでのS/
N比の問題も改善できる。FIG. 12 shows this relationship. When the light is weak and the sensor current Id is 10 -12 to 10 -11 , the charge of the capacitor C is discharged and the detection voltage Vd changes linearly. In a region where the light is strong and the sensor current exceeds 10 -11 , the detection voltage Vd changes logarithmically. That is, in the case of the light sensor circuit 200, when the light is weak (when the sensor current Id is small), a linear output characteristic equivalent to that of a normal MOS element is obtained, and when the light becomes strong (the sensor current The output characteristics equivalent to those of a logarithmic element can be obtained. Accordingly, when the sensor current is small, high sensitivity can be realized by utilizing the accumulation effect, and S / S when the incident light which is a problem in the logarithmic element is small is small.
The problem of N ratio can also be improved.
【0020】なお、光センサ回路200がそれぞれ一つ
の画素を構成し、この光センサ回路200がマトリクス
状に配設されてイメージセンサが構成される。この光セ
ンサ回路200においては、エンハンスメント型nチャ
ンネルMOSトランジスタQ3のドレンDの電圧V0 が
各画素の出力電圧となるが、この電圧V0 とフォトダイ
オードPDの検出電流との関係は図13に示すようにな
る。Each of the photosensor circuits 200 forms one pixel, and the photosensor circuits 200 are arranged in a matrix to form an image sensor. In this photosensor circuit 200, the voltage V0 of the drain D of the enhancement type n-channel MOS transistor Q3 becomes the output voltage of each pixel. The relationship between this voltage V0 and the detection current of the photodiode PD is as shown in FIG. become.
【0021】ここで、各画素を構成する光センサ回路2
00は、フォトダイオードPD、フォトダイオードの寄
生容量Cの電荷を充放電するためのMOSトランジスタ
Q1、検出電圧を増幅して電流変換するためのMOSト
ランジスタQ2、この変換電流を外部に取り出すための
MOSトランジスタQ3等を一つの画素エリア内に組み
込んで構成される。そして、イメージセンサを構成する
場合に、画素数を多くしてイメージセンサの解像度を向
上させる要求があり、このためには画素面積をできる限
り小さくする必要がある。Here, the light sensor circuit 2 constituting each pixel
Reference numeral 00 denotes a MOS transistor Q1 for charging / discharging the charge of the photodiode PD, the parasitic capacitance C of the photodiode, a MOS transistor Q2 for amplifying the detected voltage and converting the current, and a MOS for extracting the converted current to the outside. The transistor Q3 and the like are incorporated in one pixel area. When configuring an image sensor, there is a demand to increase the number of pixels to improve the resolution of the image sensor. To this end, it is necessary to reduce the pixel area as much as possible.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】ところが、画素を小さ
くするとフォトダイオードのサイズも必然的に小さくな
り、上記光センサ回路200のように信号を読み出すた
めに様々な素子を組み合わせると、小さなダイオードで
は取り扱える電荷が小さくなるために、S/N比が低下
し、イメージセンサの感度が低下するという問題があ
る。さらに、フォトダイオードの寄生容量は感度に影響
し、寄生容量が大きいほど感度が低下するため、上記光
センサ回路200のように様々な素子を組み合わせる
と、その配線等によって寄生容量が発生し、フォトダイ
オードの寄生容量が実質的に増加して感度が低下すると
いう問題がある。However, when the size of the pixel is reduced, the size of the photodiode is inevitably reduced. When various elements are combined to read a signal as in the photosensor circuit 200, the size of the photodiode can be reduced. Since the charge is small, there is a problem that the S / N ratio is reduced and the sensitivity of the image sensor is reduced. Furthermore, the parasitic capacitance of the photodiode affects sensitivity, and the sensitivity decreases as the parasitic capacitance increases. Therefore, when various elements are combined as in the optical sensor circuit 200, the parasitic capacitance occurs due to the wiring and the like, and There is a problem that the parasitic capacitance of the diode is substantially increased and the sensitivity is reduced.
【0023】本発明はこのような問題に鑑み、寄生容量
が小さくて感度の良好な光センサ回路およびこれを用い
たイメージセンサを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an optical sensor circuit having small parasitic capacitance and good sensitivity, and an image sensor using the same.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、光信号をセンサ電流に変換する
光−電気変換手段と、光−電気変換手段が変換したセン
サ電流を弱反転状態で対数特性を有する検出電圧に変換
する変換用MOSトランジスタ(例えば、実施形態にお
けるエンハンスメント型nチャンネルMOSトランジス
タQ1、デプレッション型nチャンネルMOSトランジ
スタQD1)と、この変換用MOSトランジスタの検出
端子に接続して配設されたコンデンサと、光信号を検出
する際に、変換用MOSトランジスタのゲート電圧にリ
セット用電圧を印加してドレイン−ソース間のインピー
ダンスを低下させてコンデンサの充電または放電を制御
する初期設定手段(例えば、実施形態におけるゲート電
圧VG)とを備えて光センサ回路が構成され、この光セ
ンサ回路においては、光−電気変換手段がフォトゲート
型光センサから構成され、フォトゲート型光センサのフ
ォトゲートに所定電圧を印加するフォトゲート電圧印加
手段(例えば、実施形態におけるフォトゲート印加電圧
VPG)を備える。そして、この光センサ回路は、光−
電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流以下の電
流である場合には、コンデンサの充電電流または放電電
流に比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備え、
光−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流を超
える電流である場合には、変換用MOSトランジスタの
負荷特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出す
る対数応答領域を備える。In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an optical-electrical conversion means for converting an optical signal into a sensor current, and a weak inversion of the sensor current converted by the optical-electrical conversion means. A MOS transistor for conversion (for example, an enhancement type n-channel MOS transistor Q1 and a depletion type n-channel MOS transistor QD1 in the embodiment) for converting into a detection voltage having a logarithmic characteristic in a state and a detection terminal of the conversion MOS transistor And an initial capacitor for controlling the charge or discharge of the capacitor by applying a reset voltage to the gate voltage of the conversion MOS transistor to reduce the drain-source impedance when detecting the optical signal. Setting means (for example, a gate voltage VG in the embodiment) An optical sensor circuit is configured, and in this optical sensor circuit, the light-to-electric conversion unit is formed of a photogate type optical sensor, and a photogate voltage applying unit (for example, a photogate voltage applying unit that applies a predetermined voltage to the photogate of the photogate type optical sensor) , The photogate application voltage VPG in the embodiment). And this optical sensor circuit has a light-
When the sensor current converted by the electric conversion means is a current equal to or less than a predetermined current, a linear response region for detecting a detection voltage proportional to a charging current or a discharging current of the capacitor is provided.
When the sensor current converted by the photoelectric conversion means is a current exceeding a predetermined current, a logarithmic response region for detecting a detection voltage having a logarithmic characteristic corresponding to a load characteristic of the conversion MOS transistor is provided.
【0025】なお、上記コンデンサが接続された変換用
MOSトランジスタの検出端子の電圧信号を増幅して検
出するための増幅用MOSトランジスタ(例えば、実施
形態におけるエンハンストメント型nチャンネルMOS
トランジスタQ2)を設けることが好ましく、上記コン
デンサが接続された変換用MOSトランジスタの検出端
子の電圧信号を検出するタイミングを設定するための選
択用MOSトランジスタ(例えば、実施形態におけるエ
ンハンストメント型nチャンネルMOSトランジスタQ
3)を設けることが好ましい。An amplification MOS transistor for amplifying and detecting the voltage signal at the detection terminal of the conversion MOS transistor to which the capacitor is connected (for example, the enhancement type n-channel MOS transistor in the embodiment)
It is preferable to provide a transistor Q2), and a selection MOS transistor (for example, an enhancement type n-channel MOS in the embodiment) for setting a timing for detecting a voltage signal of a detection terminal of the conversion MOS transistor to which the capacitor is connected. Transistor Q
Preferably, 3) is provided.
【0026】上記のように構成された本発明に係る光セ
ンサ回路では、光−電気変換手段がフォトゲート型光セ
ンサから構成され、フォトゲート型光センサのフォトゲ
ートに所定電圧を印加するフォトゲート電圧印加手段を
備えるので、このフォトゲート電圧印加手段によりフォ
トゲートに印加される電圧を調整してフォトゲート型光
センサの寄生容量の大きさを調整することができる。こ
のため、フォトゲートへの印加電圧を小さくして寄生容
量を小さくし、光センサ回路の感度を向上させることが
できる。In the optical sensor circuit according to the present invention having the above-described structure, the photoelectric conversion means is constituted by a photogate type optical sensor, and a photogate for applying a predetermined voltage to the photogate of the photogate type optical sensor. Since the voltage applying means is provided, the magnitude of the parasitic capacitance of the photogate-type photosensor can be adjusted by adjusting the voltage applied to the photogate by the photogate voltage applying means. Therefore, the parasitic capacitance can be reduced by reducing the voltage applied to the photogate, and the sensitivity of the optical sensor circuit can be improved.
【0027】本発明に係るイメージセンサは、上記の構
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、フォトゲ
ート電圧を小さくして光センサ回路の感度を高くするこ
とができるため、この光センサ回路を用いて感度の良い
イメージセンサを得ることができる。The image sensor according to the present invention is configured by arranging the photosensor circuits having the above-described configuration in a one-dimensional or two-dimensional array. Since the sensitivity of the optical sensor circuit can be increased, an image sensor with high sensitivity can be obtained using the optical sensor circuit.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について図面を参照して説明する。本発明に係る光セン
サ回路10の第1の構成例を図1に示している。この光
センサ回路10は、フォトゲート型光センサ(光−電気
変換手段)PS、これに直列に接続されたエンハンスメ
ント型nチャンネルMOSトランジスタ(変換用MOS
トランジスタ)Q1、フォトゲート型光センサPSとエ
ンハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタQ1
の接続点P(センサ検出端子)にゲートが接続されたエ
ンハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタ(増
幅用MOSトランジスタ)Q2、このエンハンスメント
型nチャンネルMOSトランジスタQ2と直列に接続さ
れたエンハンスメント型nチャンネルMOSトランジス
タ(選択用MOSトランジスタ)Q3を有して構成され
る。また、接続点Pには、フォトゲート型光センサP
S、エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジス
タQ1、エンハンスメント型nチャンネルMOSトラン
ジスタQ2およびこれらを相互に接続する配線等によっ
て生じる浮遊容量の合成値である奇生容量コンデンサC
が接続される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first configuration example of the optical sensor circuit 10 according to the present invention. The optical sensor circuit 10 includes a photogate type optical sensor (optical-electrical conversion means) PS and an enhancement type n-channel MOS transistor (conversion MOS
Transistor) Q1, photogate type optical sensor PS and enhancement type n-channel MOS transistor Q1
An n-channel MOS transistor (amplification MOS transistor) Q2 having a gate connected to a connection point P (sensor detection terminal) of the N-channel MOS transistor Q2, and an n-channel MOS transistor (amplification type) connected in series with the n-channel MOS transistor Q2 (A selection MOS transistor) Q3. The connection point P has a photogate type optical sensor P
S, a parasitic capacitance capacitor C which is a combined value of stray capacitances generated by an enhancement type n-channel MOS transistor Q1, an enhancement type n-channel MOS transistor Q2, and a wiring connecting these components;
Is connected.
【0029】フォトゲート型光センサPSは光信号Ls
を検出し、光信号Lsの照度に比例したセンサ電流Id
に変換する。エンハンスメント型nチャンネルMOSト
ランジスタQ1はフォトゲート型光センサPSの負荷を
形成し、フォトゲート型光センサPSで検出変換したセ
ンサ電流Idを電圧に変換してセンサ検出端子Pに検出
電圧Vdを発生する。The photogate type optical sensor PS generates an optical signal Ls
And a sensor current Id proportional to the illuminance of the optical signal Ls
Convert to The enhancement type n-channel MOS transistor Q1 forms a load on the photogate type photosensor PS, converts the sensor current Id detected and converted by the photogate type photosensor PS into a voltage, and generates a detection voltage Vd at the sensor detection terminal P. .
【0030】なお、フォトゲート型光センサPSにおい
て、フォトゲートGpにはフォトゲート印加電圧VPG
から所定のフォトゲート電圧が印加されるようになって
いる。このフォトゲート電圧の印加によりセンサPS内
に電荷井戸が形成され、しかもこの電荷井戸の深さは印
加されるフォトゲート電圧に応じて変化する。この電荷
井戸の深さはフォトゲート型光センサPSの寄生容量に
対応し、このことから分かるように、フォトゲートGp
の印加電圧の大きさを調整すれば、その寄生容量を調整
することができる。In the photogate type photosensor PS, the photogate Gp is applied to the photogate applied voltage VPG.
, A predetermined photogate voltage is applied. By applying the photogate voltage, a charge well is formed in the sensor PS, and the depth of the charge well changes according to the applied photogate voltage. The depth of the charge well corresponds to the parasitic capacitance of the photogate-type optical sensor PS.
By adjusting the magnitude of the applied voltage, the parasitic capacitance can be adjusted.
【0031】また、エンハンスメント型nチャンネルM
OSトランジスタQ1は、センサ電流Idが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するMOSトランジスタ負
荷を形成し、フォトゲート型光センサPSで検出したセ
ンサ電流Idを対数特性を有する検出電圧Vdに変換す
る。このため、光信号Lsが大きく変化してセンサ電流
Idが大きく変化(桁数が異なるような大きな変化)し
ても、このように対数特性を有した変換がなされて検出
電圧Vdの変化は抑えられてこれが飽和することがな
く、入力に対する出力のダイナミックレンジを広くする
ことができる。Further, the enhancement type n-channel M
The OS transistor Q1 forms a MOS transistor load having a logarithmic characteristic in a weak inversion state in a range where the sensor current Id is small, and converts the sensor current Id detected by the photogate type optical sensor PS into a detection voltage Vd having a logarithmic characteristic. . For this reason, even if the optical signal Ls largely changes and the sensor current Id changes greatly (a large change such that the number of digits differs), the conversion having the logarithmic characteristic is performed and the change in the detection voltage Vd is suppressed. This does not saturate, and the dynamic range of the output with respect to the input can be widened.
【0032】エンハンスメント型nチャンネルMOSト
ランジスタQ2は出力トランジスタを形成し、検出電圧
Vdを電流信号に増幅して変換し、光センサ回路10の
外部に増幅した電圧信号V0 として取り出す作用を行
う。また、エンハンスメント型nチャンネルMOSトラ
ンジスタQ3は、エンハンスメント型nチャンネルMO
SトランジスタQ2で増幅された電圧信号を外部回路に
接続又は切断するためのスイッチを形成する。The enhancement type n-channel MOS transistor Q2 forms an output transistor, and performs an operation of amplifying and converting the detection voltage Vd into a current signal and extracting it as an amplified voltage signal V0 outside the optical sensor circuit 10. Further, the enhancement type n-channel MOS transistor Q3 is
A switch for connecting or disconnecting the voltage signal amplified by the S transistor Q2 to an external circuit is formed.
【0033】このような構成の光センサ回路10におい
ては、図11に示したタイミングで、ドレイン電圧VD
(=5V)より充分高い高電圧VHとドレイン電圧VD
と等しいもしくはこれより低い低電圧VLとがゲート電
圧VGとして印加される。高電圧VHは回路リセットの
ための信号電圧として短時間t1の間だけ作用するもの
で、ゲート電圧VGとして高電圧VHが設定されると、
エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタQ
1のドレインD−ソースS間のインピーダンスは低抵抗
状態となり、コンデンサCは、図9において実線L(2
00)で示すように、急速に充電され、センサ検出端子
Pの検出電圧Vdはドレイン電圧VD(=5V)にほぼ
等しい値(例えば、4.95V)まで急速に上昇する。
このため、後述(図6)するように、光センサ回路10
をマトリクス状に配置してなるイメージセンサに適用す
る場合、検出電圧Vdをリセットするときに初期値
(4.95V)に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像発生を防止できる。In the optical sensor circuit 10 having such a configuration, at the timing shown in FIG.
(= 5V) High voltage VH and drain voltage VD sufficiently higher than
Is applied as the gate voltage VG. The high voltage VH acts only for a short time t1 as a signal voltage for circuit reset, and when the high voltage VH is set as the gate voltage VG,
Enhancement type n-channel MOS transistor Q
9, the impedance between the drain D and the source S is in a low resistance state, and the capacitor C is indicated by a solid line L (2
As shown by (00), the battery is rapidly charged, and the detection voltage Vd of the sensor detection terminal P rapidly rises to a value substantially equal to the drain voltage VD (= 5V) (for example, 4.95V).
For this reason, as described later (FIG. 6), the optical sensor circuit 10
Is applied to an image sensor having a matrix arrangement, when the detection voltage Vd is reset, the response until the detection voltage Vd reaches the initial value (4.95 V) is improved, and occurrence of an afterimage of the image sensor can be prevented.
【0034】次に、検出可能期間t2の間だけゲート電
圧VGが低電圧VLに設定される。この状態では、エン
ハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタQ1は
弱反転状態となる。そして、フォトゲート型光センサP
Sに光が照射されるとまずコンデンサCに蓄えられた電
荷が放電される。ここで、フォトゲート型光センサPS
に入射する光が弱い場合はセンサ電流Idはほとんど流
れないため、エンハンスメント型nチャンネルMOSト
ランジスタQ1は高インピーダンス状態であり、主にコ
ンデンサCに充電された電荷が利用される。このため、
出力電圧VdはコンデンサCからの放電量に対応してお
りその変化はリニア(線形)的になる。このときの出力
電圧Vdの検出は、検出可能時間t2内での累積された
放電量を検出するものであり、ピーク的なノイズの影響
を受けることがなく、S/N比の高い検出が行われる。Next, the gate voltage VG is set to the low voltage VL only during the detectable period t2. In this state, enhancement type n-channel MOS transistor Q1 is in a weakly inverted state. Then, the photogate type optical sensor P
When light is applied to S, first, the charge stored in the capacitor C is discharged. Here, the photogate type optical sensor PS
When the light incident on is weak, the sensor current Id hardly flows, so that the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 is in a high impedance state, and mainly the electric charge charged in the capacitor C is used. For this reason,
The output voltage Vd corresponds to the amount of discharge from the capacitor C, and its change becomes linear (linear). The detection of the output voltage Vd at this time is for detecting the accumulated discharge amount within the detectable time t2, and is not affected by peak noise, and detection with a high S / N ratio is performed. Will be
【0035】一方、フォトゲート型光センサPSに入射
する光が強くなると、検出電圧Vdの特性は図11にお
いて矢印で示すように変化し、コンデンサCに蓄えられ
た電荷は急速に消費され、フォトゲート型光センサPS
を流れるセンサ電流Idはエンハンスメント型nチャン
ネルMOSトランジスタQ1を通る電流となり、出力電
圧Vdの変化は対数的となる。On the other hand, when the light incident on the photogate type optical sensor PS becomes strong, the characteristic of the detection voltage Vd changes as shown by the arrow in FIG. 11, and the charge stored in the capacitor C is rapidly consumed, Gate type optical sensor PS
Is a current passing through the enhancement type n-channel MOS transistor Q1, and the change of the output voltage Vd is logarithmic.
【0036】この関係は図12に示すようになり、図1
0に示した光センサ回路200と同様の特性が得られ
る。すなわち、光センサ回路10によれば、光が弱くセ
ンサ電流Idが10-12〜10-11の場合には、コンデン
サCの電荷が放電され、検出電圧Vdは線形的に変化す
るが、光が強くセンサ電流が10-11を超える領域で
は、検出電圧Vdは対数的に変化する。つまり、この光
センサ回路10の場合には、光が弱いとき(センサ電流
Idが小さいとき)には通常のMOS型素子と同等の線
形的な出力特性が得られ、光が強くなると(センサ電流
がある程度大きくなると)対数型の素子と同等の出力特
性が得られる。これにより、センサ電流が小さい時は蓄
積効果を利用することによって高感度を実現でき、且つ
対数型素子で問題となる入射光が小さいときでのS/N
比低下の問題も改善できる。This relationship is as shown in FIG.
The same characteristics as those of the optical sensor circuit 200 shown in FIG. That is, according to the optical sensor circuit 10, when the light is weak and the sensor current Id is 10 −12 to 10 −11 , the charge of the capacitor C is discharged and the detection voltage Vd changes linearly. In a region where the sensor current strongly exceeds 10 -11 , the detection voltage Vd changes logarithmically. That is, in the case of the optical sensor circuit 10, when the light is weak (when the sensor current Id is small), a linear output characteristic equivalent to that of a normal MOS element is obtained, and when the light becomes strong (the sensor current The output characteristics equivalent to those of a logarithmic element can be obtained. Thereby, when the sensor current is small, high sensitivity can be realized by utilizing the accumulation effect, and the S / N when the incident light which is a problem in the logarithmic element is small.
The problem of the ratio drop can also be improved.
【0037】このようにして得られた出力電圧Vdは、
エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジスタQ
2により増幅され、さらに、エンハンスメント型nチャ
ンネルMOSトランジスタQ3により設定されるスイッ
チタイミングでライン11から検出電圧V0 として外部
に取り出される。なお、この検出電圧V0 とセンサ電流
との関係は、図13に示すようになる。The output voltage Vd thus obtained is
Enhancement type n-channel MOS transistor Q
2 and is extracted from the line 11 to the outside as a detection voltage V0 at a switch timing set by the enhancement type n-channel MOS transistor Q3. The relationship between the detection voltage V0 and the sensor current is as shown in FIG.
【0038】以上のように構成された光センサ回路10
において、フォトゲート型光センサPSのフォトゲート
Gpに印加されるフォトゲート電圧VPGは、一般的に
低電圧に設定され、その寄生容量が小さくなるようにし
ている。このため、コンデンサCの容量が小さくなり、
光センサ回路10の感度が向上する。The optical sensor circuit 10 configured as described above
In the above, the photogate voltage VPG applied to the photogate Gp of the photogate type optical sensor PS is generally set to a low voltage so that the parasitic capacitance is reduced. For this reason, the capacity of the capacitor C decreases,
The sensitivity of the optical sensor circuit 10 is improved.
【0039】本発明に係る光センサ回路の第2の構成例
を図2に示している。この光センサ回路10’は、図1
の光センサ回路10から、スイッチを構成するエンハン
スメント型nチャンネルMOSトランジスタQ3を取り
外した構成を有し、この回路はスイッチ機能は得られな
いが、図1の場合と同様の特性の光信号の検出を行うこ
とができる。FIG. 2 shows a second configuration example of the optical sensor circuit according to the present invention. This optical sensor circuit 10 'is configured as shown in FIG.
1 has a configuration in which an enhancement-type n-channel MOS transistor Q3 constituting a switch is removed from the optical sensor circuit 10. Although this circuit does not provide a switch function, detection of an optical signal having characteristics similar to those in FIG. It can be performed.
【0040】本発明に係る光センサ回路の第3の構成例
を図3に示している。この光センサ回路10”は、図2
の光センサ回路10から、信号増幅手段となるエンハン
スメント型nチャンネルMOSトランジスタQ2を取り
外した構成を有し、この回路は信号増幅はできないが、
図1の場合と同様の特性の光信号の検出を行うことがで
きる。FIG. 3 shows a third configuration example of the optical sensor circuit according to the present invention. This optical sensor circuit 10 ″ is configured as shown in FIG.
Has a configuration in which an enhancement type n-channel MOS transistor Q2 serving as a signal amplifying means is removed from the optical sensor circuit 10 described above.
Optical signals having the same characteristics as those in the case of FIG. 1 can be detected.
【0041】また、以上の構成におけるエンハンスメン
ト型nチャンネルMOSトランジスタQ1に変えて、デ
プレッション型nチャンネルMOSトランジスタを用い
て光センサ回路を構成しても良い。図4に、デプレッシ
ョン型nチャンネルMOSトランジスタQD1の特性を
実線で示し、エンハンスメント型nチャンネルMOSト
ランジスタQ1,Q2,Q3の特性を鎖線で示してい
る。この特性から分かるように、エンハンスメント型n
チャンネルMOSトランジスタQ1,Q2,Q3はゲー
ト電圧VG=0のときには検出電流Idは出力されず、
常にOFFの状態となるが、デプレッション型nチャン
ネルMOSトランジスタQD1の場合には、ゲート電圧
VG=0の状態で弱反転状態とすることができる。Further, instead of the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 in the above configuration, a light sensor circuit may be configured using a depression type n-channel MOS transistor. In FIG. 4, the characteristics of the depletion type n-channel MOS transistor QD1 are indicated by solid lines, and the characteristics of the enhancement type n-channel MOS transistors Q1, Q2, Q3 are indicated by chain lines. As can be seen from this characteristic, the enhancement type n
When the gate voltage VG = 0, the channel MOS transistors Q1, Q2, and Q3 do not output the detection current Id.
Although it is always in the OFF state, in the case of the depletion-type n-channel MOS transistor QD1, the weak inversion state can be achieved with the gate voltage VG = 0.
【0042】具体的には、デプレッション型nチャンネ
ルMOSトランジスタQD1のゲート電圧VG=0の状
態が、図1に示した光センサ回路10においてエンハン
スメント型nチャンネルMOSトランジスタQ1のゲー
トに低電圧VLを印加した状態と同一の状態となる。さ
らに、デプレッション型nチャンネルMOSトランジス
タQD1のゲート電圧VG=VSとすれば、ドレインD
−ソースS間の低抵抗状態とすることができる。このた
め、図5で示すタイミングでデプレッション型nチャン
ネルMOSトランジスタQD1のゲート電圧VG=VS
とするだけで、図1の光センサ回路10において図11
のタイミングで高電圧VHと低電圧VLとを印加する場
合と同様の検出が可能である。このため、電源の数を少
なくすることができる。Specifically, when the gate voltage VG of the depletion type n-channel MOS transistor QD1 is VG = 0, the low voltage VL is applied to the gate of the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 in the optical sensor circuit 10 shown in FIG. It becomes the same state as the state that was done. Further, if the gate voltage VG of the depletion type n-channel MOS transistor QD1 is VG = VS, the drain D
A low resistance state between the sources S can be achieved. Therefore, at the timing shown in FIG. 5, the gate voltage VG of the depletion type n-channel MOS transistor QD1 is VG = VS.
11 in the optical sensor circuit 10 of FIG.
The same detection as in the case where the high voltage VH and the low voltage VL are applied at the timing described above can be performed. Therefore, the number of power supplies can be reduced.
【0043】以上説明した光センサ回路では全てnチャ
ンネルMOSトランジスタを用いているが、pチャンネ
ルMOSトランジスタを用いることもできる。Although the above-described optical sensor circuits all use n-channel MOS transistors, p-channel MOS transistors can also be used.
【0044】次に、上記のような構成の本発明に係る光
センサ回路10をマトリクス状に並べて構成したイメー
ジセンサ50について、図6を参照して説明する。この
イメージセンサ50は光センサ回路(画素)10を平面
上にアレイ状に配設して長方形もしくは正方形状に形成
されており、ここでは定電圧電源VD,VDDは省略し
て示している。Next, an image sensor 50 in which the photosensor circuits 10 according to the present invention having the above-described configuration are arranged in a matrix will be described with reference to FIG. The image sensor 50 is formed in a rectangular or square shape by arranging photosensor circuits (pixels) 10 in an array on a plane, and here, the constant voltage power supplies VD and VDD are omitted.
【0045】このイメージセンサ50によりイメージ検
出を行うには、一度に縦列に位置する各画素10の検出
電圧V0を検出ライン55から取り出すとともに、この
縦列の検出を各列毎に順次走査させて行う。なお、検出
ライン55は、図1に示す出力ライン11に対応する。
このような検出電圧V0の取り出しは、所定のタイミン
グでスイッチ電源VCを印加して行われ、検出完了の度
に各縦列毎にエンハンスメント型nチャンネルMOSト
ランジスタQ1のゲートにゲート電圧VG=VSを印加
してこれをリセットする。In order to perform image detection by the image sensor 50, the detection voltage V0 of each pixel 10 located in a column at a time is taken out from the detection line 55, and the column detection is performed by sequentially scanning each column. . Note that the detection line 55 corresponds to the output line 11 shown in FIG.
The extraction of the detection voltage V0 is performed by applying the switch power supply VC at a predetermined timing. Each time the detection is completed, the gate voltage VG = VS is applied to the gate of the enhancement type n-channel MOS transistor Q1 for each column. And reset this.
【0046】このような、検出電圧V0の取り出しのた
めのスイッチ電源VCの印加端子を各画素10において
SELで示し、リセットのためのゲート電圧印加端子を
RSTで示している。図4に示すように、縦列の画素の
各取り出し用印加端子SELには取り出し信号ライン5
2が繋がり、各リセット用印加端子RSTにはリセット
信号ライン53が繋がる。さらに、各取り出し信号ライ
ン52は、図における左隣の縦列の画素の端子RSTに
繋がるリセット信号ライン53に繋がる。The application terminal of the switch power supply VC for extracting the detection voltage V0 is indicated by SEL in each pixel 10, and the gate voltage application terminal for reset is indicated by RST. As shown in FIG. 4, a takeout signal line 5 is connected to each takeout application terminal SEL of a column of pixels.
2 are connected, and a reset signal line 53 is connected to each reset application terminal RST. Further, each extraction signal line 52 is connected to a reset signal line 53 which is connected to a terminal RST of a pixel in the column on the left in the figure.
【0047】上記の構成のイメージセンサ50を用いる
ときには、左端側の縦に並んだ画素列から右方に向かっ
て順次、取り出し信号ライン52に取り出し信号(スイ
ッチ電源電圧VC)を印加(走査)して、検出電圧V0
を取り出す。これにより、各縦の画素列を左から右に走
査してイメージ検出を行う。ここで、左端縦画素列の検
出電圧V0の取り出しが完了して、次に左から2番目の
縦画素列の取り出し信号ライン52に取り出し信号を印
加してこの縦画素列から検出信号の取り出しを行うとき
に、取り出し信号ライン52は左端の縦画素列のリセッ
ト信号ライン53に繋がるため、このリセット信号ライ
ン53にリセット信号が印加され、左端側の縦画素列が
全てリセットされ、次の光検出が行われる。以下、同様
にして検出信号の取り出しが行われるときに同時に左隣
の縦画素列のリセットが行われる。When the image sensor 50 having the above configuration is used, a take-out signal (switch power supply voltage VC) is applied (scanned) to the take-out signal line 52 sequentially from the vertical pixel row on the left end side to the right. And the detection voltage V0
Take out. Thus, image detection is performed by scanning each vertical pixel row from left to right. Here, the extraction of the detection voltage V0 of the leftmost vertical pixel column is completed, and then the extraction signal is applied to the extraction signal line 52 of the second vertical pixel column from the left to extract the detection signal from this vertical pixel column. When performing, the take-out signal line 52 is connected to the reset signal line 53 of the leftmost vertical pixel column, so a reset signal is applied to this reset signal line 53, all the leftmost vertical pixel columns are reset, and the next light detection Is performed. Hereinafter, when the detection signal is extracted in the same manner, the vertical pixel row on the left is reset at the same time.
【0048】このように構成すれば、検出信号の取り出
しとリセットとを一つの信号で行うことができ、制御が
簡単となる。なお、この検出信号の取り出しおよびリセ
ットは、図5もしくは図11における時間t2の終了時
点で行われる。With this configuration, the detection signal can be extracted and reset with a single signal, and the control is simplified. The extraction and reset of the detection signal are performed at the end of time t2 in FIG. 5 or FIG.
【0049】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光セ
ンサ回路では、光−電気変換手段がフォトゲート型光セ
ンサから構成され、フォトゲート型光センサのフォトゲ
ートに所定電圧を印加するフォトゲート電圧印加手段を
備えるので、このフォトゲート電圧印加手段によりフォ
トゲートに印加される電圧を調整してフォトゲート型光
センサの寄生容量の大きさを調整することができる。こ
のため、フォトゲートへの印加電圧を小さくして寄生容
量を小さくし、光センサ回路の感度を向上させることが
できる。As described above, in the optical sensor circuit according to the present invention, the light-to-electricity conversion means is composed of a photogate type optical sensor, and a photogate for applying a predetermined voltage to the photogate of the photogate type optical sensor. Since the gate voltage applying means is provided, the magnitude of the parasitic capacitance of the photogate type photosensor can be adjusted by adjusting the voltage applied to the photogate by the photogate voltage applying means. Therefore, the parasitic capacitance can be reduced by reducing the voltage applied to the photogate, and the sensitivity of the optical sensor circuit can be improved.
【0050】本発明に係るイメージセンサは、上記の構
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、フォトゲ
ート電圧を小さくして光センサ回路の感度を高くするこ
とができるため、この光センサ回路を用いて感度の良い
イメージセンサを得ることができる。The image sensor according to the present invention is configured by arranging the optical sensor circuits having the above-described configuration in a one-dimensional or two-dimensional array. Since the sensitivity of the optical sensor circuit can be increased, an image sensor with high sensitivity can be obtained using the optical sensor circuit.
【図1】本発明に係る光センサ回路の第1の構成例を示
す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a first configuration example of an optical sensor circuit according to the present invention.
【図2】本発明に係る光センサ回路の第2の構成例を示
す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a second configuration example of the optical sensor circuit according to the present invention.
【図3】本発明に係る光センサ回路の第3の構成例を示
す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a third configuration example of the optical sensor circuit according to the present invention.
【図4】デプレッション型およびエンハンスメント型n
チャンネルMOSトランジスタの特性を示すグラフであ
る。FIG. 4 shows a depletion type and an enhancement type n
4 is a graph showing characteristics of a channel MOS transistor.
【図5】デプレッション型nチャンネルMOSトランジ
スタを用いた光センサ回路におけるゲート電圧VG(取
り出し信号)および検出電圧Vdの時間変化を示すグラ
フである。FIG. 5 is a graph showing a temporal change of a gate voltage VG (a takeout signal) and a detection voltage Vd in an optical sensor circuit using a depletion-type n-channel MOS transistor.
【図6】本発明に係るイメージセンサの構成を示す概略
図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of an image sensor according to the present invention.
【図7】従来の光センサ回路を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a conventional optical sensor circuit.
【図8】従来の光センサ回路のセンサ電流Id−検出電
圧Vdの特性を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a characteristic of a sensor current Id-a detection voltage Vd of a conventional optical sensor circuit.
【図9】従来および本発明の光センサ回路の検出電圧V
dの時間変化を示すグラフである。FIG. 9 shows a detection voltage V of the optical sensor circuit of the related art and the present invention.
It is a graph which shows the time change of d.
【図10】従来の光センサ回路の構成を示す回路図であ
る。FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional optical sensor circuit.
【図11】従来および本発明の光センサ回路におけるゲ
ート電圧VG(取り出し信号)および検出電圧Vdの時
間変化を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a temporal change of a gate voltage VG (a takeout signal) and a detection voltage Vd in the optical sensor circuits of the related art and the present invention.
【図12】従来および本発明の光センサ回路のセンサ電
流Id−検出電圧Vdの特性を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing characteristics of a sensor current Id and a detection voltage Vd of the optical sensor circuits of the related art and the present invention.
【図13】従来および本発明の光センサ回路のセンサ電
流Id−出力電圧V0 の特性を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing characteristics of a sensor current Id and an output voltage V0 of the optical sensor circuits of the related art and the present invention.
10,10’,10” 光センサ回路 50 イメージセンサ C コンデンサ PS フォトゲート型光センサ(光−電気変換手段) Q1 エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジ
スタ(変換用MOSトランジスタ) Q2 エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジ
スタ(増幅用MOSトランジスタ) Q3 エンハンスメント型nチャンネルMOSトランジ
スタ(選択用MOSトランジスタ)10, 10 ', 10 "optical sensor circuit 50 image sensor C capacitor PS photogate type optical sensor (optical-electrical conversion means) Q1 enhancement type n-channel MOS transistor (conversion MOS transistor) Q2 enhancement type n-channel MOS transistor (amplification) MOS transistor) Q3 Enhancement type n-channel MOS transistor (selection MOS transistor)
フロントページの続き (72)発明者 武部 克彦 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 今井 俊雄 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内 Fターム(参考) 4M118 AA02 AA05 AB10 BA14 BA15 CA03 DD09 FA06 FA08 5C024 AA01 CA12 CA15 FA01 FA08 FA11 GA01 GA31 GA33 Continued on front page (72) Inventor Katsuhiko Takebe 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Pref. Honda Research Laboratory Co., Ltd. F-term in Technical Research Institute, Inc. (reference) 4M118 AA02 AA05 AB10 BA14 BA15 CA03 DD09 FA06 FA08 5C024 AA01 CA12 CA15 FA01 FA08 FA11 GA01 GA31 GA33
Claims (4)
変換手段と、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流を弱反転状
態で対数特性を有する検出電圧に変換する変換用MOS
トランジスタと、 前記変換用MOSトランジスタの検出端子に接続して配
設されたコンデンサと、 光信号を検出する際に、前記変換用MOSトランジスタ
のゲート電圧にリセット用電圧を印加してドレイン−ソ
ース間のインピーダンスを低下させ、前記コンデンサの
充電または放電を制御する初期設定手段とを備え、 前記光−電気変換手段がフォトゲート型光センサから構
成され、前記フォトゲート型光センサのフォトゲートに
所定電圧を印加するフォトゲート電圧印加手段を備え、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流
以下の電流である場合には、前記コンデンサの充電電流
または放電電流に比例した検出電圧を検出する線形応答
領域を備えるとともに、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流が前記所定
電流を超える電流である場合には、前記変換用MOSト
ランジスタの負荷特性に対応した対数特性を有する検出
電圧を検出する対数応答領域を備えることを特徴とする
光センサ回路。1. An optical-to-electrical converter for converting an optical signal into a sensor current, and a conversion MOS for converting the sensor current converted by the optical-to-electrical converter into a detection voltage having a logarithmic characteristic in a weakly inverted state.
A transistor connected to a detection terminal of the conversion MOS transistor, and a capacitor connected to a detection terminal of the conversion MOS transistor. Initializing means for reducing the impedance of the capacitor and controlling the charging or discharging of the capacitor, wherein the photoelectric conversion means comprises a photogate type optical sensor, and a predetermined voltage is applied to the photogate of the photogate type optical sensor. A photogate voltage application unit for applying a voltage, and when the sensor current converted by the photoelectric conversion unit is a current equal to or less than a predetermined current, a detection voltage proportional to a charging current or a discharging current of the capacitor is detected. Having a linear response region, wherein the sensor current converted by the photoelectric conversion means corresponds to the predetermined current. If it is obtain current light sensor circuit, characterized in that it comprises a logarithmic response region for detecting a detection voltage having a logarithmic characteristic corresponding to a load characteristic of the conversion MOS transistor.
MOSトランジスタの検出端子の電圧信号を増幅して検
出するための増幅用MOSトランジスタを備えることを
特徴とする請求項1に記載の光センサ回路。2. The optical sensor circuit according to claim 1, further comprising an amplification MOS transistor for amplifying and detecting a voltage signal at a detection terminal of the conversion MOS transistor to which the capacitor is connected. .
MOSトランジスタの検出端子の電圧信号を検出するタ
イミングを設定するための選択用MOSトランジスタを
備えることを特徴とする請求項1もしくは2に記載の光
センサ回路。3. The conversion MOS transistor according to claim 1, further comprising a selection MOS transistor for setting a timing for detecting a voltage signal of a detection terminal of the conversion MOS transistor to which the capacitor is connected. Optical sensor circuit.
の光センサ回路を、一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されることを特徴とするイメージセンサ。4. An image sensor comprising a plurality of optical sensor circuits according to claim 1 arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10264111A JP2000101928A (en) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | Optical sensor circuit and image sensor using the circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10264111A JP2000101928A (en) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | Optical sensor circuit and image sensor using the circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000101928A true JP2000101928A (en) | 2000-04-07 |
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ID=17398661
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP10264111A Pending JP2000101928A (en) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | Optical sensor circuit and image sensor using the circuit |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000101928A (en) |
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1998
- 1998-09-18 JP JP10264111A patent/JP2000101928A/en active Pending
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