(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6218404
(24)【登録日】2017年10月6日
(45)【発行日】2017年10月25日
(54)【発明の名称】受光回路
(51)【国際特許分類】
H03F 3/08 20060101AFI20171016BHJP
H04B 10/69 20130101ALI20171016BHJP
H03F 1/02 20060101ALI20171016BHJP
【FI】
H03F3/08
H04B10/69
H03F1/02
【請求項の数】3
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2013-55357(P2013-55357)
(22)【出願日】2013年3月18日
(65)【公開番号】特開2014-183384(P2014-183384A)
(43)【公開日】2014年9月29日
【審査請求日】2016年1月8日
(73)【特許権者】
【識別番号】715010864
【氏名又は名称】エスアイアイ・セミコンダクタ株式会社
(72)【発明者】
【氏名】宇都宮 文靖
【審査官】
緒方 寿彦
(56)【参考文献】
【文献】
特開2003−037453(JP,A)
【文献】
特開2009−290520(JP,A)
【文献】
特開平06−232917(JP,A)
【文献】
特開2014−183383(JP,A)
【文献】
特開平09−083452(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03F 1/00− 3/45、3/50− 3/52、
3/62− 3/64、3/68− 3/72
H04B 10/00−10/90
H01L 31/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光量に応じた電流を流す光電変換素子と、
ソースが前記光電変換素子に接続され、ドレインがノードに接続され、前記ソースの電圧を第1の電圧に維持しながら、前記光電変換素子の電流を前記ノードへ流すMOSトランジスタと、
前記ノードの電圧が前記第1の電圧より低い第2の電圧になるように、前記ノードからGND端子へ電流を流すリセット回路と、
前記リセット回路にリセット信号を出力する電圧検出回路と、
前記ノードの電圧の変動を検出し、検出結果を出力する電圧上昇検出回路と、を備え
前記リセット回路は、前記リセット信号が入力されると前記ノードの電圧が前記第2の電圧になるように前記ノードからGND端子へ電流を流し、前記リセット信号が入力されなくなると前記ノードからGND端子へ流す電流を保持する
ことを特徴とする受光回路。
【請求項2】
前記リセット回路は、前記ノードに接続されたリセット端子と前記電圧検出回路の出力端子と接続された入力端子を有し、
ドレインが前記リセット端子に接続され、ソースがGND端子に接続され、ゲートが容量を介してGND端子に接続された、しきい値の低いNMOSトランジスタと、
ソースが前記リセット端子に接続され、ドレインが前記しきい値の低いNMOSトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前記入力端子に接続されたPMOSトランジスタと、
を備え、
前記入力端子に前記電圧検出回路の検出信号が入力されると、前記PMOSトランジスタがオンすることを特徴とする請求項1記載の受光回路。
【請求項3】
前記光電変換素子は、PNダイオードであり、N型端子がGND端子に接続され、P型端子が前記MOSトランジスタのソースに接続される
ことを特徴とする請求項1または2記載の受光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光量の変化を検出する受光回路に係わり、特に周囲の明るさに関係なく、安定して光量の変化を検出できる受光回路に関する。
【背景技術】
【0002】
受光回路は、赤外線リモコン通信や可視光通信の光信号受光用や、フォトインタラプタや距離センサ等に用いられる。この受光回路の機能は、人が動いたり、風で物が揺れたりして発生するゆっくりとした光量変化や、50Hz周期で輝度が揺らぐ蛍光灯の光量変化は検出せずに、LED等が点灯した際の急峻な光量変化は検出する必要がある。また、周囲の明るさにより受光感度が変わらないことも重要である。
【0003】
図6に従来の受光回路のブロック図を示す。従来の受光回路は、フォトダイオード101と、抵抗素子601と、ローパスフィルタ603と、NMOSトランジスタ602と、を備える。
【0004】
フォトダイオード101は、N型端子がVDD端子に接続され、P型端子が出力端子604と抵抗素子601の一方の電極に接続される。抵抗素子601の他方の電極は、GND端子に接続される。ローパスフィルタ603は、入力端子610が抵抗素子601の一方の電極に接続され、出力端子611がNMOSトランジスタ602のゲートに接続される。NMOSトランジスタ602は、ドレインが抵抗素子601の一方の電極に接続され、ソースがGND端子に接続される。出力端子604は、抵抗素子601の一方の電極に接続される。
【0005】
上述したように構成された受光回路は、以下のように動作して入射する光量の変化を検出する。
周囲が暗い場合は、フォトダイオード101に定常的な電流が流れない。出力端子604の電圧はGND端子電圧となるので、NMOSトランジスタ602はオフしている。ここで、LED等の光が照射されると、フォトダイオード101に電流が発生する。その電流は、抵抗素子601に流れて、電圧を発生する。その電圧が出力端子604に出力されることで、入射光の量が変化したことを検出することが出来る。
【0006】
周囲が明るい場合は、フォトダイオード101に定常的な電流が流れる。出力端子604の電圧は、抵抗素子601に電流が流れることで上昇する。出力端子604の電圧がNMOSトランジスタ602のしきい値電圧を超えると、NMOSトランジスタ602はオンする。従って出力端子604の電圧は、NMOSトランジスタ602のしきい値電圧付近に制御される。すなわち、周囲がいくら明るくても、出力端子604の電圧は、NMOSトランジスタ602のしきい値電圧付近までしか上昇しない。ここで、LED等の光が照射されると、フォトダイオード101の電流が増加する。この際、NMOSトランジスタ602のゲート電圧は、ローパスフィルタ603を介して変化するため、瞬間的に変化した電流は抵抗素子601のみに流れる。従って、この電流によって抵抗素子601の電圧が増加して、出力端子604の電圧が増加する。そして、出力端子604の電圧が所定電圧以上となったことで、入射光の量が変化したことを検出することが出来る。
【0007】
以上説明したように、従来の受光回路は、ローパスフィルタ603とNMOSトランジスタ602を備えたことにより、受光感度が周囲の明るさの影響を受けない(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−83452号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来の受光回路は、フォトダイオードと抵抗の接点に、フォトダイオードの大きな寄生容量や配線容量等が存在しているので、フォトダイオードの電流で上昇する接点の電圧上昇速度が低下してしまう。このため、離れた場所からLED等を点灯させた場合、発生するフォトダイオードの電流が少なく、接点の電圧上昇速度が遅いため、接点の電圧が所定値に達成する前に、NMOSトランジスタがフォトダイオードの電流を流してしまう。つまり、従来の受光回路は、感度が低いという課題があった。
【0010】
本発明は上記課題に鑑みてなされ、感度の高い受光回路を提供する。また、フォトダイオードの電流が消費電流に加算されない構成とすることで、低消費電流化した受光回路を提供する。そしてさらには、高価で場所を必要とするローパスフィルタを用いなくても、受光感度が高く、占有面積が小さく、コストも安い受光回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の受光回路は、従来の課題を解決するために、入射光量に応じた電流を流す光電変換素子と、ソースが光電変換素子に接続され、ドレインがノードに接続され、ソースの電圧を第1の電圧に維持しながら、光電変換素子の電流をノードへ流すMOSトランジスタと、ノードの電圧が第1の電圧より低い第2の電圧になるように、ノードからGND端子へ電流を流すリセット回路と、リセット回路にリセット信号を出力する
電圧検出回路と、ノードの電圧の変動を検出し、検出結果を出力する電圧上昇検出回路と、を備え、リセット回路
はリセット信号が入力される
ノードの電圧が第2の電圧になるようにノードからGND端子へ電流を流し、リセット信号が入力されなくなると
ノードからGND端子へ流す電流を保持する構成とした。
【発明の効果】
【0012】
本発明の受光回路は、急峻な光量変化のみを高感度に検出できると共に、低消費電流で、しかも、安価で小型となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】本実施形態の受光回路を示すブロック図である。
【
図2】本実施形態の受光回路の電圧発生回路の一例を示した回路図である。
【
図3】本実施形態の受光回路のリセット回路の一例を示した回路図である。
【
図4】本実施形態の受光回路の電圧検出回路の一例を示した回路図である。
【
図5】本実施形態の受光回路の電圧上昇検出回路の一例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、受光回路の実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の受光回路を示すブロック図である。
本実施形態の受光回路は、フォトダイオード101と、電圧出力回路102と、PMOSトランジスタ103と、リセット回路
104と、容量105と、電圧検出回路106と、電圧上昇検出回路107と、を備える。
【0015】
フォトダイオード101は、N型端子がGND端子に接続され、P型端子がPMOSトランジスタ103のソースと、電圧出力回路102の入力端子110と、に接続される。PMOSトランジスタ103は、ゲートが電圧出力回路102の出力端子111に接続され、ドレインがノード120に接続される。リセット回路104は、リセット端子112がノード120に接続され、入力端子113が電圧検出回路106の出力端子114に接続される。容量105は、片側端子がノード120に接続され、もう片方の端子がGND端子に接続される。電圧検出回路106は、入力端子115がノード120に接続される。電圧上昇検出回路107は、入力端子116がノード120に接続され、出力端子117が受光回路の出力端子108に接続される。
【0016】
光電変換素子であるフォトダイオード101は、入射される光量に応じた電流を出力する。電圧検出回路106は、ノード120の電圧が検出電圧以上の場合は、ロー信号を出力端子114から出力し、ノード120の電圧が検出電圧未満の場合は、ハイ信号を出力端子114から出力する。リセット回路104は、入力端子113にロー信号が入力された場合、リセット端子112からGND端子に電流を流し、リセット端子112に接続されたノード120の電圧をリセット電圧に低下させる。入力端子113にハイ信号が入力された場合、リセット回路104はその時点での状態を保持して、ノード120の電圧をリセット電圧に維持する。このリセット電圧は、電圧検出回路106の検出電圧より低く設定される。電圧出力回路102は、電流が流れるPMOSトランジスタ103のソース電圧が、電圧検出回路106の検出電圧より高くなるように、PMOSトランジスタ103のゲートへ出力端子111から電圧を出力する。ノード120の電圧上昇速度は、フォトダイオード101に発生する電流の増加分と、容量105の容量値で決まる。ここで、容量105の容量値は小さく設定する。
【0017】
上述したように構成された本実施形態の受光回路は、以下のように動作して入射する光量の変化を検出する。
【0018】
周囲が暗い場合は、フォトダイオード101に電圧も電流も発生しないため、PMOSトランジスタ103のソースと、ノード120は、GND端子の電圧(基準電圧)となる。この状態から、光信号が入射される、または、周囲が急に明るくなりフォトダイオード101に電圧と電流が発生すると、PMOSトランジスタ103のソース電圧が上昇する。上昇するPMOSトランジスタ103のソース電圧が、PMOSトランジスタ103がオンする電圧以上になると、フォトダイオード101の電流が、容量105を充電する。ノード120の電圧が上昇し、電圧検出回路106の検出電圧に達すると、電圧検出回路106はリセット回路104へロー信号を出力する。リセット回路104は、電圧検出回路106からのロー信号を受け取ると、フォトダイオード101の電流をGND端子へ流す。従って、ノード120の電圧が低下する。ノード120の電圧が低下して、電圧検出回路106の検出電圧未満になると、電圧検出回路106はハイ信号をリセット回路104に出力する。リセット回路104は、このハイ信号を受けて、その時点での
GND端子へ流す電流を保持する。リセット回路104は、入力端子113にハイ信号が入力されている間は、
GND端子へ流す電流を保持する。電圧上昇検出回路107は、入力端子116に入力されるノード120の電圧上昇速度を検出し、電圧上昇速度が所定以上であればハイ信号、所定未満であればロー信号を出力端子117から出力する。電圧上昇検出回路107の出力端子117から出力された信号は、受光回路の出力端子108から検出信号として出力される。
【0019】
周囲が明るい場合は、フォトダイオード101に一定電流が流れる。このため、PMOSトランジスタ103のソース電圧は、フォトダイオード101の電流をPMOSトランジスタ602に流せる電圧となる。また、ノード120は、上述のようにリセット回路104により周囲の明るさに応じた電流が流されるので、リセット電圧に維持されている。この状態から、光信号が入射される、または、周囲が急に明るくなると、フォトダイオード101の電流が増加する。PMOSトランジスタ103のソース電圧は、この増加した電流を流すため、ほんの少し上昇し、直にPMOSトランジスタ103がフォトダイオード101の増加した電流も含めた電流をノード120へ流す。リセット回路104は、ハイ信号を受けた時点での状態を保持しているため、フォトダイオード101の電流増加分によってノード120の電圧が増加する。以降は、上述と同じ動作によって、受光回路の出力端子108から検出信号が出力される。
【0020】
一方、周囲が明るく、人が動いたり、カーテンが揺れたりすることで、フォトダイオード101に入射する光量がゆっくり変化する場合、フォタダイオード101の電流もゆっくり増加する。このため、増加し始めた初期の非常に少ないフォトダイオードの増加電流から、PMOSトランジスタ103を介して容量105を充電し始める。しかし、容量105の容量値が小さいため、ノード120の電圧は、非常に少ない電流でもあっという間に上昇する。このため、フォトダイオード101の電流が増えないうちに、ノード120の電圧が電圧検出回路106の検出電圧に達し、後の動作は上記した周囲が暗い場合と同じ動作となる。そして、フォトダイオード101の電流がゆっくり変化する場合は、ノード120の電圧上昇速度は、電圧上昇検出回路107が検出する電圧上昇速度未満となり、フォトダイオード101に入射される光量の変化として検知されない。
【0021】
図2は、本実施形態の受光回路の電圧
出力回路102の一例を示した回路図である。電圧出力回路102は、入力端子110と、出力端子111と、NMOSトランジスタ201と、PMOSトランジスタ202と、を備える。
【0022】
入力端子110は、NMOSトランジスタ201のゲートと、PMOSトランジスタのソースと、に接続される。NMOSトランジスタ201は、ソースがGND端子に接続され、ドレインが出力端子111と、PMOSトランジスタ202のゲートとドレインと、に接続される。
【0023】
入力端子110の電圧が、NMOSトランジスタ201のしきい値電圧とPMOSトランジスタ202のしきい値電圧の絶対値よりも高い場合、各トランジスタに電流が流れ、入力端子110の電圧からPMOSトランジスタ202のしきい値電圧の絶対値を引いた電圧が出力端子111から出力される。このため、入力端子110に接続されたPMOSトランジスタ103のソース電圧が、
図2で示すNMOSトランジスタ201のしきい値電圧とPMOSトランジスタ202のしきい値電圧の絶対値よりも高い場合、PMOSトランジスタ103がオンする。
【0024】
図3は、本実施形態の受光回路のリセット回路104の一例を示した回路図である。
リセット回路104は、リセット端子112と、しきい値の低いNMOSトランジスタ301と、PMOSトランジスタ302と、容量303と、入力端子113と、を備える。
【0025】
リセット端子112は、しきい値の低いNMOSトランジスタ301のドレインと、PMOSトランジスタ302のソースと、に接続される。しきい値の低いNMOSトランジスタ301は、ソースがGND端子に接続され、ゲートがPMOSトランジスタ302のドレインと、容量303の片側端子と、に接続される。容量303のもう片方の端子はGND端子に接続される。PMOSトランジスタ302は、ゲートが入力端子113に接続される。
【0026】
入力端子113にロー信号が入力されると、PMOSトランジスタ302がオンするため、しきい値の低いNMOSトランジスタ301が飽和結線される。このため、リセット端子112とノード120は、しきい値の低いNMOSトランジスタ301のしきい値電圧付近にリセットされる。
【0027】
一方、入力端子113にハイ信号が入力されると、PMOSトランジスタ302がオフし、容量303により、しきい値の低いNMOSトランジスタ301のゲート電圧は維持される。即ち、しきい値の低いNMOSトランジスタ301は、ハイ信号が入力された時の電流を維持する。従って、リセット端子112とノード120は、フォトダイオード101の電流が変化しない場合は、リセット電圧を維持する。そして、この状態からフォトダイオード101の電流が増加した場合、しきい値の低いNMOSトランジスタ301は増加分の電流を流すことができない。このため、フォトダイオード101の増加分の電流がPMOSトランジスタ103を介して容量105を充電し、ノード120の電圧が上昇する。
【0028】
図4は、本実施形態の受光回路の電圧検出回路106の一例を示した回路図である。
電圧検出回路106は、入力端子115と、NMOSトランジスタ401と、ディプレッション型NMOSトランジスタ402と、インバータ回路403と、インバータ回路404と、を備える。
【0029】
入力端子115は、NMOSトランジスタ401のゲートに接続される。NMOSトランジスタ401は、ソースがGND端子に接続され、ドレインがディプレッション型NMOSトランジスタ402のソースとゲートと、インバータ回路403の入力端子と、に接続される。ディプレッション型NMOSトランジスタ402は、ドレインがVDD端子に接続される。インバータ403は、出力端子がインバータ回路404の入力端子に接続される。インバータ回路404は、出力端子が出力端子114に接続される。
【0030】
入力端子115の電圧が上昇し、NMOSトランジスタ401の電流が、ディプレッション型NMOSトランジスタ402が流す定電流よりも大きくなると、インバータ回路403の入力端子がハイからローレベルとなり、インバータ回路404の入力端子がローからハイレベルとなる。これにより、インバータ回路404の出力端子はハイからローレベルとなるため、ハイ信号が出力されていた出力端子114からロー信号が出力される。なお、インバータ回路403の入力端子は、ハイレベルからローレベルになるのは速いが、ローレベルからハイレベルになるのは、ディプレッション型NMOSトランジスタ402の流す定電流が少ない電流のため遅くなる。このため、出力端子114からロー信号が出力される期間が長くなり、リセット回路
104は、一旦リセット状態となるとしばらくリセット状態が続く。よって、リセット回路
104は、ノード120を確実にリセットすることができる。
【0031】
図5は、本実施形態の受光回路の電圧上昇検出回路107の一例を示した回路図である。
電圧上昇検出回路107は、入力端子116と、NMOSトランジスタ501と、PMOSトランジスタ502と、を備える。さらに、PMOSトランジスタ503と、しきい値の低いNMOSトランジスタ504と、抵抗505と、容量506と、出力端子117と、を備える。
【0032】
入力端子116は、NMOSトランジスタ501のゲートと、抵抗505の片側端子に接続される。抵抗505のもう片方の端子は、しきい値の低いNMOSトランジスタ504のゲートと、容量506の片側端子と、に接続される。容量506のもう片方の端子は、GND端子に接続される。NMOSトランジスタ501は、ソースがGND端子に接続され、ドレインがPMOSトランジスタ502のドレインとゲートと、PMOSトランジスタ503のゲートと、に接続される。PMOSトランジスタ502は、ソースがVDD端子に接続される。PMOSトランジスタ503は、ソースがVDD端子に接続され、ドレインが出力端子117と、しきい値の低いNMOSトランジスタ504のドレインと、に接続される。しきい値の低いNMOSトランジスタ504は、ソースがGND端子に接続される。
【0033】
NMOSトランジスタ501の電流は、PMOSトランジスタ502とPMOSトランジスタ503で構成される電流ミラー回路にて、PMOSトランジスタ502からPMOSトランジスタ503へミラーされ、しきい値の低いNMOSトランジスタ504の電流と比較される。NMOSトランジスタ501の電流がしきい値の低いNMOSトランジスタ504の電流より大きい場合、出力端子117からはハイ信号が出力される。一方、NMOSトランジスタ501の電流がしきい値の低いNMOSトランジスタ504の電流より小さい場合、出力端子117からはロー信号が出力される。抵抗505に発生する電圧は、入力端子116の電圧上昇速度に比例して大きくなる。抵抗505に発生する電圧が、NMOSトランジスタ501としきい値の低いNMOSトランジスタ504とのしきい値差よりも大きくなる速度で入力端子116が上昇する場合に、通常ロー信号が出力されている出力端子117からハイ信号が出力される。
【0034】
以上述べてきたように、本実施形態の受光回路では、フォトダイオードに入射される光量が変化したことを、PMOSトランジスタを介した内部ノードの電圧上昇速度で判断する。フォトダイオードの電流増加が微小であっても、変化速度が急峻であれば、この内部ノードの電圧は急峻に上昇する。従って、高感度な受光回路が提供できる。
【0035】
また、フォトダイオードの増加電流による電圧上昇速度を検出するノードの電圧レベルを、ノードが所定電圧まで上昇したら、リセット回路にてリセット電圧に制御する構成とした。これにより、面積増加や検出感度低下の原因であったローパスフィルタが必要なくなるため、回路面積が小さく、高感度な受光回路が提供できる。
【0036】
さらに、フォトダイオードは、N型端子をGND端子に接続し、P型端子から出力される電流の変化を検出する構成とした。これにより、フォトダイオードの電流がVDD端子からGND端子へ流れないため、受光回路が低消費電流化されるという効果もある。
【0037】
なお、本実施形態の受光回路では、フォトダイオード101を用いた場合で説明したが、LEDや太陽電池のような光電変換特性を有する光電変換素子を用いても同じ機能や特徴が得られることは言うまでもない。
また、本実施形態の受光回路では、ノード120の電圧上昇速度を調整するために容量105を設けたが、特に調整の必要がなければ容量105は設けなくてもよい。
【0038】
また、本実施形態の受光回路では、リセット回路104は電圧
検出回路
106の検出信号で制御されるように構成したが、ノード120の電圧がリセット電圧に調整されれば、この
構成に限定されるものでは
ない。例えば、タイマー回路のような制御回路を設け、定期的にリセット回路104に制御信号としてリセット信号を出力するような構成としてもよい。
【0039】
また、各NMOSトランジスタをPMOSトランジスタに変更し、各PMOSトランジスタをNMOSトランジスタに変更した場合でも、上記した機能や特徴が得られることも言うまでもない。
【符号の説明】
【0040】
101 フォトダイオード
102 電圧出力回路
103 PMOSトランジスタ
104 リセット回路
105 容量
106 電圧検出回路
107 電圧上昇検出回路
108 出力端子