DE69737876T2 - Fotosensorschaltung - Google Patents

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Katsuhiko Wako-shi Takebe
Hiroshi Atsugi-shi Abe
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fotosensorschaltungen zur Erfassung einer Sensorausgabe entsprechend der Intensität von Licht (Beleuchtung), und betrifft insbesondere eine Fotosensorschaltung mit einem breiten dynamischen Bereich und einer hohen Empfindlichkeit bei der Erfassung der Intensität von Licht.
  • Es ist eine Fotosensorschaltung bekannt, welche eine Fotodiode (PD) zur Erzeugung eines Sensorstroms entsprechend der Intensität von Licht (optisches Signal) umfasst, und eine Widerstandslast R umfasst, um den von der PD erzeugten Sensorstrom in eine erfasste Spannung zu wandeln, welche mit dem Sensorstrom linear schwankt. Somit erfasst die bekannte Fotosensorschaltung Lichtintensität (optisches Signal) als eine Sensorausgabe in der Form von Spannung.
  • Ein Beispiel einer derartigen bekannten Fotosensorschaltung ist in 8 gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt ist, ist die bekannte Fotosensorschaltung gebildet aus einer Fotodiode PD, einem Operationsverstärker OP und einem Widerstand R. Die Fotodiode PD wandelt ein optisches Signal LS in einen Sensorstrom ID, dessen Intensität proportional zu der Intensität des optischen Signals LS ist. Der Operationsverstärker OP verstärkt den Sensorstrom ID zu einer vorbestimmten Verstärkung unter Belastung des Widerstands R und gibt eine Sensorausgabe (erfasste Spannung VD) proportional zu dem Sensorstrom ID aus. Somit wird das von der Fotodiode PD zunächst erfasste optische Signal LS schließlich in der Form einer erfassten Spannung VD erfasst, welche mit dem optischen Signal LS linear schwankt.
  • Eine weitere herkömmliche bekannte Fotosensorschaltung umfasst eine Fotodiode (PD) zum Erzeugen eines Sensorstroms entsprechend der Intensität von Licht (optisches Signal) und einen Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Transistor, um den von der PD erzeugten Sensorstrom in eine erfasste Spannung zu wandeln, welche mit dem Sensorstrom logarithmisch schwankt. Somit erfasst die herkömmliche Fotosensorschaltung Lichtintensität (optisches Signal) als eine Sensorausgabe in der Form von Spannung.
  • Ein Beispiel einer derartigen herkömmlichen Fotosensorschaltung ist in 9 gezeigt. Wie in der Figur gezeigt ist, ist die Fotosensorschaltung 10 gebildet aus einer Fotodiode PD, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q1, welcher in Reihe mit der Fotodiode PD verbunden ist, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 mit einem Gate, welches mit einem Verbindungspunkt P (Sensorerfassungsanschluss) zwischen der Fotodiode PD und dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 verbunden ist, und einem n-Kanal-MOS-Transistor Q3, welcher in Reihe mit dem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 verbunden ist.
  • Mit dem Verbindungspunkt P ist ein äquivalenter Kondensator C verbunden, welcher aus einer synthetisierten Streu-Kapazität, die durch die relative Nähe der Fotodiode PD verursacht wird, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q1, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 sowie Drähten besteht, welche diese Teile verbinden, oder ist ein Kondensator verbunden, welcher während des Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet wird.
  • Die Fotodiode PD erfasst ein optisches Signal LS und wandelt es in einen Sensorstrom ID, dessen Stärke proportional zu der Intensität des optischen Signals LS ist.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 bildet eine Last der Fotodiode PD und wandelt den von der Fotodiode PD erzeugten Sensorstrom ID in eine Spannung, sodass eine erfasste Spannung VD bei dem Sensorerfassungsanschluss P entwickelt wird.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 bildet eine MOS-Transistorlast mit einer logarithmischen Eigenschaft in einem schwach invertierten Zustand oder Status für einen Bereich, in welchem der Sensorstrom ID klein ist. Indem somit der von der Fotodiode PD erzeugte Sensorstrom ID in eine erfasste Spannung VD mit einer logarithmischen Charakteristik gewandelt wird (d.h. welche mit dem Sensorstrom ID logarithmisch schwankt), kann der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 logarithmisch mit den Schwankungen des Sensorstroms ID über mehrere Zahlen oder Einheiten umgehen, und vergrößert somit den dynamischen Bereich einer Sensorausgabe (erfasste Spannung VD) relativ zu einer Eingabe (Sensorstrom ID).
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q2 bildet einen Ausgabetransistor und führt eine Spannung-zu-Strom-Wandlung aus, sodass die erfasste Spannung VD aus der Fotosensorschaltung 10 in der Form eines Sensorstromsignals genommen werden kann.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q3 bildet einen Schalter, um das Sensorstromsignal, welches von dem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 umgewandelt wird, mit einer (nicht gezeigten) externen Schaltung selektiv zu verbinden und von dieser zu trennen.
  • Die Fotosensorschaltung 10 des vorhergehenden Aufbaus arbeitet, wie folgt.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 hat eine Drain D und ein Gate G, welche beide mit einer gemeinsamen Stromzufuhrspannung VD (z.B. 5 V) verbunden sind. Wenn kein optisches Signal LS erfasst wird (d.h. wenn die Fotodiode PD nicht betrieben wird), strömt ein Ladestrom IJ von der Stromzufuhr VD durch den n-Kanal-MOS-Transistor Q1 zu dem Kondensator C und lädt somit den Kondensator C. Demgemäß steigt die erfasste Spannung VD, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P erscheint, zu einem vorbestimmten Wert nahe der Stromzufuhrspannung VD. Der vorbestimmte Spannungswert repräsentiert den Anfangszustand, in welchem die Fotodiode PD kein optisches Signal LS erfasst.
  • Der vorbestimmte Wert der erfassten Spannung VD in dem Anfangszustand ist auf einen kleineren Wert als die Stromzufuhrspannung VD gesetzt, da, wenn die erfasste Spannung VD bei dem Sensorerfassungsanschluss P, welche mit der Ladung des Kondensators C ansteigt, die Stromzufuhrspannung VD erreicht, eine Gate-Source-Spannung VGS (gleich der Drain-Source-Spannung VDS) des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 derart verringert wird, dass bewirkt wird, dass die Drain-Source-Impedanz schnell ansteigt, um dadurch den Ladestrom IJ zu verringern.
  • Während sich die Fotosensorschaltung 10 in dem Anfangszustand befindet, erfasst die Fotodiode PD ein optisches Signal LS, woraufhin ein Sensorstrom ID durch die Fotodiode PD fließt, und so nimmt die erfasste Spannung VD bei dem Sensorerfassungsanschluss P von dem vorbestimmten Wert als eine Funktion der Drain-Source-Impedanz des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 logarithmisch ab, wenn das optische Signal LS zunimmt.
  • Da der Sensorstrom ID der Fotodiode PD proportional zu dem optischen Signal LS ist, und da die erfasste Spannung VD bei dem Sensorerfassungsanschluss P das Produkt des Sensorstroms ID und der Drain-Source-Impedanz mit einer logarithmischen Charakteristik ist, kann das optische Signal LS erfasst werden, indem ein absoluter Wert der erfassten Spannung VD erfasst wird.
  • 10 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VD) gegen die charakteristische Kurve des Sensorstroms (ID) der oben erwähnten herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 zeigt.
  • Wie in 10 gezeigt ist, hat die erfasste Spannung VD einen vorbestimmten Wert von 4,5 V, während sich die Fotosensorschaltung 10 in dem Anfangszustand befindet (Sensorstrom ID = 10-12 A). Wenn der Sensorstrom ID über fünf Zahlen bis zu 10-7 zunimmt, wird die erfasste Spannung VD 4,2 V.
  • Somit ist die Fotosensorschaltung 10 in der Lage, eine 5-Zahlen-Änderung (Änderung um das Hundertausendfache) in dem optischen Signal LS durch lediglich eine 0,3 V-Änderung in der erfassten Spannung VD zu erfassen, und stellt somit einen breiten dynamischen Bereich relativ zu der Eingabe des optischen Signals LS bereit.
  • Bei der in 8 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung werden jedoch die entsprechend den optischen Signalen LS erfassten Spannungen VD in einer linearen Charakteristik erfasst. Wenn der Bereich der optischen Signale LS, welche erfasst werden sollen, breit ist (wie z.B. 5 Zahlen), wird demgemäß die erfasste Spannung VD wegen der Beschränkung durch die Source-Spannung gesättigt, was es schwierig macht, den dynamischen Bereich der Fotosensorschaltung zu vergrößern oder zu verbreitern.
  • Im Falle der in 9 gezeigten Fotosensorschaltung 10, wenn die Fotodiode PD darin versagt, das optische Signal LS zu erfassen, wird sie derart getrennt, dass bewirkt wird, dass der Ladestrom IJ in den Kondensator C fließt, wodurch die erfasste Spannung VD zunimmt, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P erscheint. Wegen einem plötzlichen Anstieg der Drain-Source-Impedanz des zuvor beschriebenen n-Kanal-MOS-Transistors Q1 kann in diesem Moment jedoch die erfasste Spannung VD nicht den vorbestimmten Wert übersteigen (siehe 10).
  • 11 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VD) gegen die charakteristische Kurve der Zeit (t) der in 9 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 zeigt.
  • Wie aus 11 ersichtlich ist, zeigt die erfasste Spannung VD einen plötzlichen Anstieg relativ zu der Zeit t, welche nach der Trennung der Fotodiode PD verstrichen ist, bis sie sich einem vorbestimmten Wert nähert (erfasste Spannung VD = 4,5). Danach zeigt die erfasste Spannung VD sogar dann keine weitere Zunahme von dem vorbestimmten Wert von 4,5 V aus, wenn die Zeit vergeht.
  • Wenn die Fotosensorschaltung in einer Anzeigeeinrichtung verwendet wird, in welchem eine Mehrzahl derartiger Fotosensorschaltungen in einem Matrixmuster angeordnet sind, um ein Fotosensorfeld zu bilden, entsteht demgemäß eine Schwierigkeit darin, dass wegen einer relativ langen Antwortzeit, welche erforderlich ist, damit die erfasste Spannung VD den vorbestimmten Wert (4,5 V) erreicht, die Anzeigeeinrichtung ein Restbild über eine relativ lange Zeitdauer halten kann.
  • Im Falle der herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 zeigt die erfasste Spannung VD sogar in einem Bereich des optischen Signals LS, in welchem das optische Signal LS sehr kleine Werte aufweist (Sensorstrom ID = 10-12 – 10-11 A) eine logarithmische Charakteristik, wie in 10 gezeigt ist. Es ist deshalb schwierig, einen Wert des minimalen erfassbaren Niveaus des sehr kleinen optischen Signals LS zu verringern, was zu einer verringerten Sensorempfindlichkeit führt.
  • Da der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 und der Kondensator C der herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 gemeinsam eine Spitzenhalteschaltung gegen Rauschen bilden, kann ein Rauschniveau mit großer Amplitude fehlerhaft als ein optisches Signal LS erfasst werden, was das Signal-zu-Rauschen (S/N)-Verhältnis der Fotosensorschaltung 10 verringert. Folglich nimmt das erfassbare minimale Niveau der Beleuchtung (Intensität von Licht) zu, während die Empfindlichkeit der Fotosensorschaltung verringert ist.
  • Angesichts des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fotosensorschaltung bereitzustellen, welche frei von der Erzeugung eines Restbildes ist und einen beachtlich breiten dynamischen Bereich aufweist.
  • Kurz gesagt ist die Fotosensorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung derart aufgebaut, dass ein Einstellungswert der erfassten Spannung für eine Standby-Zeit bei einem Wert eingestellt ist, welcher höher als ein Wert ist, welcher einem minimalen erfassbaren optischen Signalniveau entspricht, wodurch die Erzeugung eines Restbildes ausgeschlossen wird. Sehr kleine optische Signale können in einem linearen Antwortbereich der Fotosensorschaltung erfasst werden, während größere optische Signale in einem logarithmischen Antwortbereich der Fotosensorschaltung erfasst werden. Somit hat die Fotosensorschaltung einen beachtlich breiten dynamischen Bereich, welcher eine zuverlässige Erfassung der sehr kleinen optischen Signale genauso wie der großen optischen Signale sicherstellt.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist genauer gesagt eine Fotosensorschaltung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Die Fotosensorschaltung weist vorzugsweise einen linearen Antwortbereich auf, in welchem der von dem fotoelektrischen Wandler erzeugte Sensorstrom ein sehr kleiner Strom unter einem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung proportional zu einem Ladestrom oder einem Entladestrom des Kondensators ist, und weist einen logarithmischen Antwortbereich auf, in welchem der durch den fotoelektrischen Wandler erzeugte Sensorstrom ein großer Strom über dem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung eine logarithmische Charakteristik entsprechend einer lastdynamischen Charakteristik der MOS-Transistormittel aufweist.
  • Vorzugsweise erfassen die MOS-Transistormittel einen n-Kanal-MOS-Transistor oder alternativ einen p-Kanal-MOS-Schalttransistor. Die Anfangseinstellungseinheit setzt die Gate-Spannung des n-Kanal-MOS-Transistors oder die Gate-Spannung des p-Kanal-MOS-Schalttransistors auf einen höheren bzw. niedrigeren Wert für eine vorbestimmte Zeitdauer, um die Drain-Source-Impedanz des MOS-Transistors zu verringern, um dadurch die Ladung oder Entladung des Kondensators derart zu steuern/regeln, dass ein Einstellungswert der erfassten Spannung für die Standby-Zeit auf einen Wert eingestellt ist, welcher höher als der Wert ist, welcher dem minimal erfassbaren optischen Signalniveau entspricht. Bei dieser Anordnung kann eine Erzeugung eines Restbildes vermieden werden.
  • Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung offensichtlicher werden, wenn Bezug zu der ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungsblättern genommen wird, in welchen bevorzugte strukturelle Ausführungsformen, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpern, mittels dargestellten Beispielen gezeigt werden.
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Fotosensorschaltung unter Verwendung von n-Kanal-MOS-Transistoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Blockdiagramm, welches einen Hauptabschnitt einer Anfangseinstellungseinheit der Fotosensorschaltung zeigt;
  • 3 ist ein Zeitplan, welcher die Beziehung zwischen einem Zeitgebersignal TS und einer Gate-Spannung VG der Anfangseinstellungseinheit zeigt;
  • 4 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VDO) gegen die charakteristische Kurve der Zeit (t) der Fotosensorschaltung zeigt;
  • 5 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VDO) gegen die charakteristische Kurve des Sensorstroms (ID) der Fotosensorschaltung zeigt;
  • 6 ist ein Schaltungsdiagramm, welches einen Hauptabschnitt einer Fotosensorschaltung unter Verwendung eines n-Kanal-MOS-Transistors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 ist ein Schaltungsdiagramm, welches einen Hauptabschnitt einer Fotosensorschaltung unter Verwendung eines Paars von parallel verbundenen p-Kanal-MOS-Transistoren gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 8 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine herkömmliche Fotosensorschaltung zeigt;
  • 9 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine weitere herkömmliche Fotosensorschaltung zeigt;
  • 10 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VDO) gegen die charakteristische Kurve des Sensorstroms (ID) der in 9 gezeigten Fotosensorschaltung zeigt; und
  • 11 ist ein Graph, welcher die erfasste Spannung (VD) gegen die charakteristische Kurve der Zeit (t) der in 9 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung zeigt.
  • 1 zeigt in einem Schaltungsdiagramm eine Fotosensorschaltung einschließlich n-Kanal-MOS-Transistoren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Fotosensorschaltung 1 umfasst im Allgemeinen eine Anfangseinstelleinheit 2 und einen Fotosensor 3, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Der Fotosensor 3 ist gebildet aus einem fotoelektrischen Wandler, wie z.B. einer Fotodiode PD, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q1, welcher in Reihe mit der Fotodiode PD verbunden ist, einem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 mit einem Gate, welches mit einem Verbindungspunkt P (Sensorerfassungsanschluss) zwischen der Fotodiode PD und dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 verbunden ist, und einem n-Kanal-MOS-Transistor Q3, welcher in Reihe mit dem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 verbunden ist.
  • Ein äquivalenter Kondensator C, welcher aus einer synthetisierten Streukapazität, die durch die relative Nähe der Fotodiode PD verursacht ist, dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1, dem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 und Drähten besteht, die diese Teile verbinden, oder ein Kondensator, welcher während des Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet wird, ist zwischen dem Sensorerfassungsanschluss P und der Erde (GND) angeordnet.
  • Die Fotodiode (fotoelektrischer Wandler) PD erfasst ein optisches Signal LS und wandelt es in einen Sensorstrom ID, dessen Intensität in der Proportion zu Veränderungen bei dem optischen Signal LS schwankt. Der fotoelektrische Wandler sollte keinesfalls auf die Fotodiode PD beschränkt sein, sondern kann einen Fototransistor, einen MOS-Transistor usw. enthalten.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 bildet eine Last der Fotodiode PD und wandelt den von der Fotodiode PD erfassten Sensorstrom ID in eine Spannung um, um eine erfasste Spannung VD bei dem Sensorerfassungsanschluss P zu erzeugen.
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 bildet ebenso eine MOS-Transistor-Last mit einer logarithmischen Eigenschaft in einem schwach invertierten Zustand oder Status für einen Bereich, in welchem der Sensorstrom ID klein ist und wandelt den von der Fotodiode PD erfassten Sensorstrom ID in eine erfasste Spannung VD mit einer logarithmischen Charakteristik (d.h. als eine Funktion des Sensorstroms sich logarithmisch verändernd). Der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 ist ebenso in der Lage, mit Veränderungen bei dem Sensorstrom ID über mehrere Zahlen umzugehen, und verbreitert somit den dynamischen Bereich einer Ausgabe (erfasste Spannung VD) relativ zu einer Eingabe (Sensorstrom ID).
  • Der n-Kanal-MOS-Transistor Q2 bildet eine Ausgabevorrichtung und führt eine Spannung-zu-Strom-Wandlung aus, sodass die erfasste Spannung VD aus der Fotosensorschaltung 1 in der Form eines Sensorstromsignals herausgenommen werden kann. Der n-Kanal-MOS-Transistor Q3 bildet einen Schalter, um das von dem n-Kanal-MOS-Transistor Q2 umgewandelte Sensorstromsignal relativ zu einer (nicht gezeigten) externen Schaltung selektiv zu verbinden und von dieser zu trennen. Die Ausgabevorrichtung und der Schalter sollten keineswegs auf die in der dargestellten Ausführungsform verwendeten n-Kanal-MOS-Transistoren Q2 und Q3 beschränkt werden sondern können jegliche weiteren Vorrichtungen umfassen, solange sie eine Ausgabevorrichtung und einen Schalter bilden können.
  • Die Anfangseinstelleinheit 2 ist mit einem Gate G des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 verbunden. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Anfangseinstelleinheit 2 gebildet aus einem Zeitgeber 4 und einem Umschalteschalter 5, welche miteinander verbunden sind, um dem Gate G des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 des Fotosensors 3 eine Gate-Spannung VG bei zwei verschiedenen Werten zuzuführen: eine für eine Betriebszeit des Fotosensors 3 und die andere für eine Standby-Zeit des Fotosensors 3.
  • Der Zeitgeber 4 führt dem Umschalteschalter 5 ein Zeitgebersignal TS mit einer Zyklusdauer T (T1 + T2) zu, welche gleich der Summe einer Betriebszeit T1, in der der Fotosensor 3 in der Lage ist, ein optisches Signal LS zu erfassen, und einer Standby-Zeit T2 ist, in der der Fotosensor 3 für die nachfolgende Erfassung eines optischen Signals LS auf Standby gesetzt ist.
  • Der Umschalteschalter 5 ist z.B. durch einen elektronischen Schalter gebildet und wählt auf Grundlage des Zeitgebersignals TS, welches von dem Zeitgeber 4 zugeführt wird, entweder eine Drain-Spannung VD des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 oder eine Spannung VH eines Werts aus, welcher ausreichend höher ist als die Drain-Spannung VD, um die ausgewählte Spannung VD oder VH als eine Gate-Spannung VG dem Gate G des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 zuzuführen.
  • Die Gate-Spannung VG ist für die Betriebszeit T1 des Zeitgebersignals TS als eine Drain-Spannung VD eingestellt, während sie für die Standby-Zeit T2 des Zeitgebersignals TS bei der hohen Spannung VH eingestellt ist.
  • 3 ist ein Zeitplan, welcher die Beziehung zwischen dem Zeitgebersignal TS und der Gate-Spannung VG zeigt. Wie in dieser Figur gezeigt ist, führt der Zeitgeber 4 dem Umschalteschalter 5 ein Zeitgebersignal TS mit hohem Niveau (H) für eine relativ lange Betriebszeit T1 zu, in welcher ein optisches Signal LS erfasst werden kann, und führt ein Zeitgebergsignal TS mit niedrigem Niveau (L) für eine relativ kurze Standby-Zeit T2 zu.
  • Der Umschalteschalter 5 wählt, solange er das H-Niveau-Zeitgebersignal TS empfängt (d.h. für die Betriebszeit T1), die Drain-Spannung VD aus und gibt sie als eine Gate-Spannung VG aus.
  • Umgekehrt wählt der Umschalteschalter 5, solange er das L-Niveau-Zeitgebersignal TS empfängt (d.h. für die Standby-Zeit T2) die Spannung VH aus, welche ausreichend höher ist als die Drain-Spannung DV und gibt sie als eine Gate-Spannung VG aus.
  • Die Gate-Spannung VG, welche selektiv den Wert der Drain-Spannung VD für die Zeit T1 und den Wert der hohen Spannung VH für die Zeit T2 auswählt, wird bei der Zyklusdauer T (T1 + T2) wiederholt ausgegeben, um den Betrieb des Fotosensors 3 zu steuern/regeln.
  • Die Fotosensorschaltung 1 des vorhergehenden Aufbaus arbeitet, wie folgt.
  • Wenn, wie in 3 gezeigt ist, der Betrieb von der Betriebszeit T1, in welcher ein optisches Signal LS erfasst werden kann, zu der Standby-Zeit T2 wechselt, beginnt die Anfangseinstelleinheit 2 (1), dem Gate G des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 eine hohe Spannung VH zuzuführen, welche ausreichend höher als die Drain-Spannung VD ist. Bei diesem Anlegen der hohen Spannung VH wird eine Impedanz zwischen der Drain D und der Source S (Drain-Source-Impedanz) des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 niedrig, wodurch gestattet wird, dass ein Ladestrom in den Kondensator C fließt, um den zuletzt Genannten schnell aufzuladen. Folglich steigt die erfasste Spannung VDO, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P entwickelt wird, bis zu einem Wert (z.B. 4,95 V), welcher näherungsweise gleich der Stromzufuhr VD (z.B. Drain-Spannung VD = 5 V) in der Zeit T2 ist.
  • Eine weitere Beschreibung wird unten mit Bezugnahme auf die erfasste Spannung (VDO) gegen die in 4 gezeigte charakteristische Kurve der Zeit (t) gegeben.
  • Wie durch die in 4 gezeigte durchgezogene Linie angezeigt ist, steigt die erfasste Spannung VDO in einer kurzen Zeitdauer ist (1 ms oder weniger) steil zu einem Wert, welcher beinahe gleich der Stromzufuhr VD (5 V) ist.
  • Was die Zeit T2 betrifft, wird die erfasste Spannung VDO (durch die in 4 gezeigte durchgezogene Linie angezeigt) anfangs auf einen höheren Wert eingestellt (Ableitung ΔVD = VDO – VD) als der erfasste Wert VD (durch die in 4 gezeigte unterbrochene Linie angezeigt) der in 9 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung 10.
  • Indem von der Betriebszeit T1 zu der Standby-Zeit T2 gewechselt wird, geht demgemäß die erfasste Spannung VDO unmittelbar zu dem Wert hoch, welcher nahe der Stromzufuhr VD (5 V) ist. Da die erfasste Spannung VDO somit bei einem höheren Wert eingestellt sein kann als das minimale erfassbare Niveau des optischen Signals LS, erzeugt die Fotosensorschaltung 1 kein Restbild, welches anderenfalls verursacht werden würde, wenn der anfänglich eingestellte Wert des erfassten Werts VD niedrig ist, wie z.B. einer, welcher in einen Bereich des minimalen erfassbaren Niveaus des optischen Signals LS fällt, wie man es im Fall der in 9 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 erfahren hat.
  • Während der Betriebszeit T1, da Rauschen durch eine Integralwirkung des Kondensators C ausgeglichen oder geglättet werden, nimmt die Fotosensorschaltung 1 sogar dann kein Rauschen als ein optisches Signal LS auf oder erfasst dieses nicht, wenn sie einer plötzlichen Veränderung des Rauschpegels begegnet. Somit weist die Fotosensorschaltung 1 ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) auf.
  • Aus diesem Zustand verschiebt sich der Betrieb zu der in 3 gezeigten Betriebszeit T1, woraufhin die Anfangseinstelleinheit 2 (1) dem Gate G des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 die Drain-Spannung VD zuführt, was bewirkt, dass die Drain-Source-Impedanz ansteigt. In einem Bereich des optischen Signals LS, in welchem das optische Signal LS sehr klein ist, und somit der Sensorstrom ID ebenfalls klein ist, wird demgemäß ein Entladestrom IL, welcher von dem Kondensator C freigegeben oder entladen wird, in dem Sensorstrom ID über den Strom dominant, welcher von dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 zugeführt wird. Demgemäß nimmt eine erfasste Spannung VDO, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P entwickelt wird, mit dem Entladestrom IL linear ab und bildet somit einen linearen Antwortbereich.
  • Wenn der Sensorstrom ID der Fotodiode PD mit einem Anstieg des optischen Signals LS zunimmt, wird der von dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 zugeführte Strom in dem Sensorstrom ID dominant. Demgemäß nimmt die erfasste Spannung VDO, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P entwickelt wird, derart logarithmisch ab, sodass sie einen logarithmischen (log) Antwortbereich bildet, in welchem die erfasste Spannung VDO einen Wert einer logarithmischen Charakteristik entsprechend einer lastdynamischen Charakteristik des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 repräsentiert.
  • 5 zeigt die erfasste Spannung (VDO) gegenüber der charakteristischen Kurve des Sensorstroms (ID) der Fotosensorschaltung 1.
  • Wie in 5 gezeigt ist, bildet die erfasste Spannung VDO für sehr kleine Sensorströme ID (welche von 10-12 A bis 10-11 A reichen) den linearen Antwortbereich, in welchem sie mit der Änderung des Entladestroms IL (1) des Kondensators C linear abnimmt, für größere Sensorströme ID (welche 10-11 A übersteigen), bildet sie den log-Antwortbereich, in welchem sie entsprechend der lastdynamischen Charakteristik des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 logarithmisch abnimmt.
  • Im Gegensatz zur Fotosensorschaltung 1 bildet die in 9 gezeigte Fotosensorschaltung 10 keinen linearen Antwortbereich für die sehr kleinen Sensorströme ID, sondern bildet einen log-Antwortbereich, wie durch die erfasste Spannung VD durch die in 5 gezeigte durchgezogene Linie angezeigt ist, da die Gate-Spannung VG des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 immer bei der Drain-Spannung VD eingestellt ist.
  • In 5 verändert die erfasste Spannung VDO ihren Antwortbereich von dem nicht-linearen Antwortbereich (log-Antwortbereich) zu dem linearen Antwortbereich und umgekehrt, und zwar bei einem Punkt, bei welchem der Sensorstrom ID, der in der Fotodiode PD fließt, gleich dem Strom ist, der in dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 fließt (in 5 der Punkt, welcher dem Sensorstrom ID = 10-11 A entspricht). Die erfasste Spannung VDO bei diesem Punkt ist hier als eine Last-MOS-begrenzende Spannung des lastbildenden n-Kanal-MOS-Transistors Q1 definiert.
  • Die Fotosensorschaltung 1 wird im Allgemeinen in einer Anzeigeeinrichtung verwendet, in welchem eine Mehrzahl derartiger Fotosensorschaltungen 1 derart in einem Matrixmuster angeordnet sind, dass sie ein Fotosensorfeld bilden.
  • Die Fotosensorschaltung 1 ist in der Lage, die erfasste Spannung VDO für sehr kleine Sensorströme ID derart einzustellen, dass sie in einem breiteren Bereich als die erfasste Spannung VD in der in 9 gezeigten herkömmlichen Fotosensorschaltung 10 variierbar ist. Dies bedeutet, dass die Fotosensorschaltung 1 sehr kleine optische Signale LS mit einer hohen Auflösung erfassen kann und somit einen verbesserten Empfindlichkeitsgrad aufweist.
  • Weiterhin weist die Fotosensorschaltung 1 durch den breiten variablen Bereich der erfassten Spannung VDO, welcher für sehr kleine Sensorströme ID bereitgestellt ist, einen breiten dynamischen Bereich auf. Da Rauschen durch die Integralwirkung des Kondensators C eingeebnet oder geglättet wird, wird das S/N-Verhältnis der Fotosensorschaltung 1 ebenfalls verbessert.
  • 6 zeigt in einem Schaltungsdiagramm einen Hauptabschnitt einer Fotosensorschaltung, welche darin einen n-Kanal-MOS-Transistor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
  • Die in 6 gezeigte Fotosensorschaltung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Fotosensorschaltung darin, dass ein Kondensator C, welcher aus einer synthetisierten Streu-Kapazität besteht oder während des Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet wird, zwischen einem Sensorerfassungsanschluss P und einer Stromzufuhr (VD) angeordnet ist.
  • Indem die Fotosensorschaltung derart aufgebaut ist, bewirkt sie dann, wenn der Betrieb von der Betriebszeit T1 zu der Standby-Zeit T2 geschaltet oder gewechselt wird, wie z.B. in 3 gezeigt ist, dass der n-Kanal-MOS-Transistor Q1 leitet, und somit fällt die Drain-Source-Impedanz auf einen sehr kleinen Wert. Somit wird gestattet, dass ein Entladestrom IHO von dem Kondensator C durch die Drain-Source-Verbindung des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 fließt, woraufhin die erfasste Spannung VDO bis zu einem Wert steigt (z.B. 4,95 V), welcher im Wesentlichen gleich der Stromzufuhr VD (z.B. Drain-Spannung VD = 5 V) ist, und zwar auf dieselbe Weise, wie durch die in 4 gezeigte charakteristische Kurve repräsentiert ist.
  • Von diesem Zustand aus verschiebt sich der Betrieb zu der Betriebszeit T1 (3), wobei in dem linearen Antwortbereich, in welchem der Sensorstrom ID sehr klein ist, ein Ladestrom IL, welcher in der Fotodiode PD über den Kondensator C fließt, dominant wird, während in dem log-Antwortbereich, in welchem der Sensorstrom ID relativ groß ist, der Strom, welcher in dem n-Kanal-MOS-Transistor Q1 fließt, dominant wird. Somit weist die erfasste Spannung VDO, welche bei dem Sensorerfassungsanschluss P entwickelt wird, in Bezug auf den Sensorstrom IP im Wesentlichen dieselben Charakteristika auf, wie sie in 5 gezeigt sind,.
  • Man versteht aus dem zuvor Gesagten, dass die Fotosensorschaltung mit einem Kondensator C, welcher zwischen dem Sensorerfassungsanschluss P und der Stromzufuhr VD angeordnet ist, im Wesentlichen dieselben Leistungscharakteristika wie die Fotosensorschaltung 1 aufweist, in welcher ein Kondensator C zwischen dem Sensorerfassungsanschluss P und der Erde (GND) angeordnet ist, wie in 1 gezeigt ist.
  • 7 zeigt im Schaltungsdiagramm einen Hauptabschnitt einer Fotosensorschaltung, welche darin p-Kanal-MOS-Transistoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Die in 7 gezeigte Fotosensorschaltung unterscheidet sich von der Fotosensorschaltung von 1 darin, dass zwei p-Kanal-MOS-Transistoren Q5 und Q6 anstelle des n-Kanal-MOS-Transistors Q1 verwendet werden und die Gate-Spannung VG der Anfangseinstelleinheit 2 (2) bei einer niedrigen Spannung VL anstatt bei der hohen Spannung VH eingestellt ist.
  • Wie in 7 gezeigt ist, ist der p-Kanal-MOS-Transistor Q5 in Reihe mit einer Fotodiode PD verbunden, sodass er eine Last der Fotodiode PD bildet. Der p-Kanal-MOS-Transistor Q6, welcher für Schaltzwecke verwendet wird, ist parallel mit dem p-Kanal-MOS-Transistor Q5 verbunden, sodass die zwei p-Kanal-MOS-Transistoren Q5 und Q6 gemeinsam eine Last bilden, welche einer entspricht, die von dem in 1 gezeigten n-Kanal-MOS-Transistor Q1 gebildet wird. Der Schaltungs-p-Kanal-MOS-Transistor Q6 weist ein Gate G auf, welches mit der Anfangseinstelleinheit verbunden ist (nicht gezeigt, aber mit der in den 1 und 2 gezeigten identisch), sodass eine Spannung VD, welche zu der Source-Spannung und der zuvor genannten niedrigen Spannung VL äquivalent ist, selektiv als eine Gate-Spannung dem Gate G des p-Kanal-MOS-Transistors Q6 von der Anfangseinstelleinheit 2 aus zugeführt wird.
  • Über die gesamte in 3 gezeigte Betriebszeit T1 hinweg wird die Spannung VD, welche der Source-Spannung entspricht, dem Gate des p-Kanal-MOS-Transistors Q6 zugeführt, sodass der p-Kanal-MOS-Transistor Q6 in einem AUS-Zustand gehalten wird. Umgekehrt wird während der Standby-Zeit T2 die niedrige Spannung VL, welche ausreichend niedriger ist als die Drain-Spannung, dem Gate des p-Kanal-MOS-Transistors Q6 zugeführt, sodass der p-Kanal-MOS-Transistor Q6 in einem EIN-Zustand gehalten wird.
  • Somit bildet in der Betriebszeit T1 der p-Kanal-MOS-Transistor Q5 kontinuierlich eine Last mit einer logarithmischen Eigenschaft auf dieselbe Weise wie der in 1 gezeigte n-Kanal-MOS-Transistor Q1, während in der Standby-Zeit T2 der p-Kanal-MOS-Transistor Q6 auf "EIN" gehalten wird, und so wird die Source-Drain-Impedanz zurückgetutzt. Die Fotosensorschaltung von 7 kann deshalb im Wesentlichen dieselben Leistungscharakteristika wie die in 1 gezeigte Fotosensorschaltung bereitstellen.
  • Auf dieselbe Weise, wie es von dem einzelnen n-Kanal-MOS-Transistor Q1 ausgeführt wird, sind die zwei parallelen verbundenen p-Kanal-MOS-Transistoren Q5, Q6 ebenso in der Lage, einen Einstellungswert der erfassten Spannung VDO für die Standby-Zeit T2 bei einem höheren Niveau als ein Wert einzustellen, welcher dem minimalen erfassbaren optischen Signalniveau entspricht, wodurch das Auftreten eines Restbildes vermieden werden kann.
  • Man kann schließlich verstehen, dass dieselben Leistungscharakteristika, wie oben beschrieben, sogar dann erhalten werden können, wenn der in 7 gezeigte Kondensator C zwischen dem Sensorerfassungsanschluss P und der Stromzufuhr (VD), wie z.B. in 6 gezeigt ist, angeordnet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung umfasst eine Fotosensorschaltung, wie oben beschrieben ist, eine Anfangseinstelleinheit, um nach der Erfassung eines optischen Signals durch eine Fotodiode (fotoelektrischer Wandler) die Gate-Spannung eines n-Kanal-MOS-Transistors bei einem höheren Wert für eine vorbestimmte Zeit einzustellen, um die Drain-Source-Impedanz des n-Kanal-MOS-Transistors zu verringern, um dadurch eine Ladung oder Entladung eines Kondensators zu steuern/regeln, welcher mit einem Erfassungsanschluss verbunden ist, der bei einer Verbindung der Fotodiode und dem n-Kanal-MOS-Transistor angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann der Einstellungswert der erfassten Spannung für die Standby-Zeit bei einem höheren Wert eingestellt werden als ein Wert, welcher dem minimalen erfassbaren optischen Signalniveau entspricht, und so kann das Auftreten eines Restbildes vermieden werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung umfasst eine Fotosensorschaltung eine Anfangseinstelleinheit, um nach der Erfassung eines optischen Signals durch einen fotoelektrischen Wandler die Gate-Spannung eines Schaltungs-p-Kanal-MOS-Transistors bei einem niedrigen Wert für eine vorbestimmte Zeit einzustellen, um die Drain-Source-Impedanz des Schaltungs-p-Kanal-MOS-Transistors zu verringern, um dadurch eine Ladung oder Entladung eines Kondensators zu steuern/regeln, welcher mit einem Erfassungsanschluss verbunden ist, der bei einer Verbindung zwischen dem fotoelektrischen Wandler und einem weiteren p-Kanal-MOS-Transistor angeordnet ist, welcher in Reihe mit dem fotoelektrischen Wandler und parallel mit dem Schaltungs-p-Kanal-MOS-Transistor verbunden ist. Auf dieselbe Weise wie bei dem n-Kanal-MOS-Transistor sind die parallel verbundenen p-Kanal-MOS-Transistoren ebenfalls in der Lage, die erfasste Spannung für die Standby-Zeit bei einem höheren Wert als bei einem Wert einzustellen, welcher dem minimalen erfassbaren optischen Signalniveau entspricht, mit dem Ergebnis, dass das Auftreten eines Restbildes vermieden werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung weist die Fotosensorschaltung einen linearen Antwortbereich und einen logarithmischen Antwortbereich auf, welcher mit dem linearen Antwortbereich zusammenhängt. In dem linearen Antwortbereich ist der von dem fotoelektrischen Wandler erzeugte Sensorstrom ein sehr kleiner Strom unterhalb eines vorbestimmten Werts, und die erfasste Spannung ist proportional zu einem Ladestrom oder einem Entladestrom des Kondensators. In dem logarithmischen Antwortbereich ist der von dem fotoelektrischen Wandler erzeugte Sensorstrom ein großer Strom über dem vorbestimmten Wert, und die erfasste Spannung weist eine logarithmische Charakteristik entsprechend einer lastdynamischen Charakteristik des MOS-Transistors auf.
  • Der vorbestimmte Wert des Sensorstroms wird durch den Wert eines Sensorstroms bestimmt, welcher dann erhalten wird, wenn der Strom, welcher in dem fotoelektrischen Wandler fließt, gleich dem Strom wird, welcher in dem MOS-Transistor fließt.
  • Da Rauschen durch die Integralwirkung des Kondensators eingeebnet oder geglättet wird, wird zusätzlich das S/N-Verhältnis der Fotosensorschaltung vergrößert, was gestattet, dass das minimale erfassbare optische Signalniveau verringert wird. Die Empfindlichkeit der Fotosensorschaltung kann deshalb verbessert werden.
  • Offensichtlich sind verschiedene geringfügige Änderungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. Man muss deshalb verstehen, dass innerhalb des Rahmens der angehängten Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann als genau beschrieben wurde.

Claims (8)

  1. Fotosensorschaltung (1), umfassend: einen fotoelektrischen Wandler (PD) zum Erzeugen eines optischen Signals in der Form eines Sensorstroms; MOS-Transistormittel (Q1; Q5, Q6), welche in Reihe mit dem fotoelektrischen Wandler (PD) verbunden sind, zum Umwandeln des durch den fotoelektrischen Wandler (PD) erzeugten Sensorstroms in eine erfasste Spannung mit einer logarithmischen Charakteristik in einem schwach invertieren Zustand; eine Anfangssetzeinheit (2), welche mit einem Gate (G) der MOS-Transistormittel (Q1; Q5, Q6) verbunden ist, wobei die Anfangssetzeinheit gebildet ist aus einem Zeitgeber (4) und einem Umschalteschalter (5), welche miteinander verbunden sind, um dem Gate (G) der MOS-Transistormittel (Q1; Q5, Q6) eine Gatespannung (VG) bei einem ersten Wert während einer vorbestimmten Betriebsperiode (T1) zuzuführen, während welcher die Fotosensorschaltung in der Lage ist, optische Signale zu erfassen, und bei einem zweiten Wert während einer vorbestimmten Standbyperiode (T2) zuzuführen, welche zwischen Betriebsperioden (T1) auftritt, wobei der zweite Wert der Gatespannung (VG) dazu dient, eine Impedanz zwischen einer Drain und einer Source der MOS-Transistormittel (Q1; Q5, Q6) abzusenken, um dadurch eine schnellere Ladung oder Entladung eines Kondensators (C) bereitzustellen, welche mit einem Erfassungsanschluss (P) verbunden ist, der an einer Verbindung zwischen dem fotoelektrischen Wandler (PD) und den MOS-Transistormitteln (Q1; Q5, Q6) angeordnet ist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die MOS-Transistormittel einen n-Kanal-MOS-Transistor (Q1) umfassen und der zweite Wert höher als der erste Wert der Gatespannung der MOS-Transistormittel während der Betriebsperiode (T1) ist, während welcher die Fotosensorschaltung in der Lage ist, Signale zu erfassen.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die MOS-Transistormittel einen p-Kanal- MOS-Lasttransistor (Q5) umfassen, welcher in Reihe mit dem fotoelektrischen Wandler (PD) verbunden ist, und einen p-Kanal-MOS-Schalttransistor (Q6) umfassen, welcher parallel mit dem p-Kanal-MOS-Lasttransistor (Q5) verbunden ist, wobei das Gate des Schalttransistors (Q6) derart eingestellt ist, dass eine niedrigere Impedanz zwischen der Drain und der Source zu erzeugen, um dadurch eine schnellere Ladung oder Entladung des Kondensators (C) bereitzustellen, wobei der zweite Wert niedriger als der erste Wert der Gatespannung des Schalttransistors (Q6) während der Betriebsperiode ist, während welcher die Fotosensorschaltung in der Lage ist, optische Signale zu erfassen.
  4. Fotosensorschaltung nach Anspruch 2, bei welcher die Fotosensorschaltung (1) einen linearen Antwortbereich aufweist, in welchem der durch den fotoelektrischen Wandler (PD) erzeugte Sensorstrom ein sehr kleiner Strom unter einem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung (VDO) proportional zu einem Ladestrom oder einem Entladestrom des Kondensators (C) ist, und einen logarithmischen Antwortbereich aufweist, in welchem der durch den fotoelektrischen Wandler (PD) erzeugte Sensorstrom ein großer Strom über dem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung (VDO) eine logarithmische Charakteristik entsprechend einer lastdynamischen Charakteristik des n-Kanal-MOS-Transistors (Q1) aufweist.
  5. Fotosensorschaltung nach Anspruch 2 oder 4, bei welcher die Gatespannung auf den höheren Wert gesetzt wird, und zwar nach einer Erfassung eines optischen Signals durch Steuern/Regeln der Gatespannung auf den höheren Wert während der Standbyperiode (T2) zwischen Betriebsperioden (T1), während welcher die Fotosensorschaltung in der Lage ist, optische Signale zu erfassen.
  6. Fotosensorschaltung nach Anspruch 3, bei welcher die Fotosensorschaltung (1) einen linearen Antwortbereich aufweist, in welchem der durch den fotoelektrischen Wandler (PD) erzeugte Sensorstrom ein sehr kleiner Strom unter einem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung (VDO) proportional zu einem Ladestrom oder einem Entladestrom des Kondensators (C) ist, und einen logarithmischen Antwortbereich aufweist, in welchem der durch den fotoelektrischen Wandler (PD) erzeugte Sensorstrom ein großer Strom über dem vorbestimmten Wert ist und die erfasste Spannung (VDO) eine logarithmische Charakteristik entsprechend einer lastdynamischen Charakteristik des p-Kanal-Mos-Transistors (5) aufweist.
  7. Fotosensor nach Anspruch 3 oder 6, bei welchem die Gatespannung auf den niedrigeren Wert gesetzt wird, und zwar nach einer Erfassung eines optischen Signals durch Steuern/Regeln der Gatespannung auf den niedrigeren Wert während der Standbyperiode (T2) zwischen Betriebsperioden (T1), während welcher die Fotosensorschaltung in der Lage ist, optische Signale zu erfassen.
  8. Fotosensorfeld, umfassend eine Mehrzahl von Fotosensorschaltung in nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in einem Matrixmuster angeordnet sind.
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