JP2009099828A - 電流検出回路およびそれを用いた受光装置ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電流検出回路のリニアリティやミラー比精度を改善する。
【解決手段】電流検出回路１００はフォトトランジスタ２１０に流れる光電流Ｉｐを検出し、出力端子１０４から光電流Ｉｐに比例した電流Ｉｏｕｔを出力する。入力側トランジスタＱｉは、ＰＮＰバイポーラトランジスタであって、フォトトランジスタ２１０の電流経路上に設けられる。出力側トランジスタＱｏ１〜Ｑｏ４は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタであって、ベース、エミッタがそれぞれ、入力側トランジスタＱｉのそれらと共通に接続されてカレントミラー回路を形成する。第１スイッチＳＷａ１〜ＳＷａ４は、対応する出力側トランジスタＱｏのコレクタと出力端子１０４の間に設けられる。第２スイッチＳＷｂ１〜ＳＷｂ４は、対応する出力側トランジスタＱｏのコレクタと接地端子の間に設けられる。制御部１０は、第１スイッチＳＷａ、第２スイッチＳＷｂのオン、オフを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光デバイスに流れる電流を検出する電流検出回路に関する。

さまざまな電子機器において、外部から入射する光を測定し、測定した受光量に応じた信号処理を行っている。このような例としては、照度センサ、赤外線リモコンの受光装置などが挙げられる。光を受光する受光デバイスとしては、フォトトランジスタやフォトダイオード、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などが広く用いられている。

フォトトランジスタやフォトダイオードは、受光量に応じた電流を出力する。したがって、受光装置は、これらの受光デバイスに流れる電流を増幅し、あるいは電圧変換するなどして信号処理を行っている。

特開２００５−２１６９８４号公報 特開平６−２９７５８号公報 特開２００６−３３９４５８号公報

受光デバイスに流れる電流を、カレントミラー回路を利用して増幅し、増幅された電流によって信号処理を行う場合がある。なお増幅とは、ミラー比が１より高い場合のみでなく、１またはそれより小さい場合も含む。

電流検出回路に高速な応答性を要求される場合、カレントミラー回路にバイポーラトランジスタを用いる必要がある。ところがバイポーラトランジスタでカレントミラー回路を構成すると、カレントミラー回路のミラー比を切りかえる際に、各トランジスタのベース電流が変化するため、ミラー比の入力電流に対するリニアリティや、ミラー比の精度（以下、比精度ともいう）が悪化するという問題がある。

この問題はカレントミラー回路にベース電流の補償回路を設けることによって解決できるが、この場合には電源電圧が低い場合の性能が悪化する。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流検出回路のリニアリティやミラー比精度の改善にある。

本発明のある態様は、受光デバイスに流れる電流を検出する電流検出回路に関する。この電流検出回路は、受光デバイスに流れる電流に比例した電流を出力する出力端子と、受光デバイスの電流経路上に設けられたＰＮＰバイポーラ型の入力側トランジスタと、ベース、エミッタがそれぞれ、入力側トランジスタのそれらと共通に接続されてカレントミラー回路を形成する、複数のＰＮＰバイポーラ型の出力側トランジスタと、複数の出力側トランジスタごとに設けられ、対応する出力側トランジスタのコレクタと出力端子の間に設けられた複数の第１スイッチと、複数の出力側トランジスタごとに設けられ、対応する出力側トランジスタのコレクタと接地端子の間に設けられた複数の第２スイッチと、複数の第１、第２スイッチのオン、オフを制御する制御部と、を備える。

この態様によれば、第１スイッチのオン、オフの組み合わせを選択することにより、電流検出回路の増幅率（ミラー比）を好適に切りかえられる。さらに第２スイッチのオン、オフによって、カレントミラー回路の電流増幅に寄与しない出力側トランジスタの導通、非道通を個別に切りかえることができる。したがって、第１、第２スイッチのオン、オフの組み合わせによって、リニアリティやミラー比の精度を改善することができる。

第１、第２スイッチのオンオフは、受光デバイスに流れる電流が一定である条件のもと、複数の出力側トランジスタのベース電流の総和が一定となるように制御されることが望ましい。
この場合、ベース電流を一定とすることにより、カレントミラー回路のミラー比の精度、リニアリティを高めることができる。

制御部は、共通する出力側トランジスタに対応する第１、第２スイッチを相補的にオンしてもよい。この場合、複数の出力側トランジスタにはそれぞれ、常に入力側トランジスタに流れる電流に応じた電流が流れるため、各トランジスタのベース電流をミラー比の値にかからわらず一定に保つことができ、リニアリティを改善することができる。

本発明の別の態様は、受光装置である。この装置は、受光デバイスと、上述の電流検出回路と、電流検出回路の第１、第２スイッチのオンオフを制御する制御部と、を備える。受光装置は、電流検出回路の出力端子から出力される電流に応じて、受光デバイスの受光量を検出する。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、発光デバイスと、発光デバイスから発せられた光が、外部の物体により反射した光を検出する受光装置と、を備える。

発光デバイスはフラッシュであり、受光装置により検出した反射光の光量が所定値に達すると、発光を停止してもよい。

ある態様の電子機器は、ズーム機能付きの撮像部をさらに備えてもよい。制御部は撮像部のズーム状態に応じて、第１、第２スイッチのオン、オフを切りかえてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る電流検出回路によれば、リニアリティやミラー比の精度を保ちつつ、電流増幅率を切りかえることができる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、本実施の形態に係る電子機器３００の構成を示す図である。本実施の形態に係る電子機器３００は、たとえば、カメラ付き携帯電話端末であり、フラッシュを備えている。電子機器３００は、フラッシュを発光した後、反射して戻ってきた光を検出する受光装置を備えており、所定の光量を検出すると、フラッシュの発光を停止するものである。

電子機器３００は、電池３１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０、発光デバイス３３０、発光制御部３４０、発光制御トランジスタ３５０、撮像部３６０、受光装置２００を備える。
電池３１０は、Ｌｉイオン電池などであり、３Ｖ〜４Ｖ程度の電池電圧Ｖｂａｔを出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、発光デバイス３３０を駆動するために、電池電圧Ｖｂａｔを３００Ｖ程度まで昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０により生成される駆動電圧Ｖｄｒｖは、発光デバイス３３０へと供給される。

発光デバイス３３０は、たとえばキセノンチューブランプであって、３００Ｖ程度まで昇圧された駆動電圧Ｖｄｒｖがその一端に印加されている。発光デバイス３３０の他端には、発光制御トランジスタ３５０が接続される。発光制御トランジスタ３５０としては、高耐圧のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが用いられる。発光制御トランジスタ３５０のゲートには、発光制御部３４０から出力される発光制御信号ＳＩＧ１が入力される。

発光制御部３４０には、ユーザがフラッシュをオンにすると、撮像部３６０のシャッターのタイミングと同期してハイレベルとなる制御信号ＣＮＴが入力されている。発光制御部３４０は後述のように、制御信号ＣＮＴにもとづいて発光制御信号ＳＩＧ１をハイレベルに切り換える。発光制御信号ＳＩＧ１がハイレベルとなると、遅延時間τ経過後に発光制御トランジスタ３５０がオンし、発光デバイス３３０が発光する。遅延時間τは、キセノンチューブランプの特性で決まる。

また、発光制御部３４０は、制御信号ＣＮＴにもとづき、第１制御信号ＣＮＴ１〜第３制御信号ＣＮＴ３を生成し、受光装置２００へと出力する。受光装置２００は、発光制御部３４０から出力される第１制御信号ＣＮＴ１〜第３制御信号ＣＮＴ３によって、受光のためのスタンバイ状態へと遷移する。その後、受光装置２００は、発光デバイス３３０から発光され、外部の撮影対象物に反射して戻ってきた光を検出し、検出電圧Ｖｄｅｔとして出力する。発光制御部３４０は、検出電圧Ｖｄｅｔが所定のしきい値電圧Ｖｔｈを超えると、すなわち検出した反射光が、所定の光量に達すると、発光制御信号ＳＩＧ１をローレベルとして、発光デバイス３３０の発光を停止する。

次に、本実施の形態に係る受光装置２００の構成について詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る受光装置２００の構成を示す回路図である。受光装置２００は、電流検出回路１００、フォトトランジスタ２１０、充電キャパシタＣｃｈｇ、を含む。電流検出回路１００はひとつの半導体基板上に一体集積化されたＩＣであり、本実施の形態においては、図１の発光制御部３４０や、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０の制御回路などとともに、機能ＩＣ３０２として一体集積化されている。

フォトトランジスタ２１０は、受光デバイスとして設けられており、入射した光に応じた光電流Ｉｐが流れる。フォトトランジスタ２１０のエミッタは接地され、コレクタは電流検出回路１００の検出端子１０２に接続される。

電流検出回路１００は、検出端子１０２に接続されるフォトトランジスタ２１０に流れる光電流Ｉｐを検出する。具体的には電流検出回路１００は、光電流Ｉｐを増幅率αで増幅し、増幅した電流Ｉｏｕｔを出力端子１０４から出力する。出力端子１０４には充電キャパシタＣｃｈｇが接続されており、出力電流Ｉｏｕｔによって充電キャパシタＣｃｈｇが充電される。充電キャパシタＣｃｈｇには受光量に応じた電荷が蓄えられ、その一端の電圧Ｖｏｕｔが受光量に応じた信号として出力される。

電流検出回路１００は、入力側トランジスタＱｉ、出力側トランジスタＱｏ０〜Ｑｏ４、第１スイッチＳＷａ１〜ＳＷａ４、第２スイッチＳＷｂ１〜ＳＷｂ４、出力端子１０４を備える。

出力端子１０４からは、フォトトランジスタ２１０に流れる光電流Ｉｐに比例した電流Ｉｏｕｔが出力される。入力側トランジスタＱｉは、フォトトランジスタ２１０の電流経路上に設けられたＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。具体的には、入力側トランジスタＱｉのエミッタは電源端子１０６に接続され、コレクタとベースが共通に接続されている。

複数の出力側トランジスタＱｏ０〜Ｑｏ４は、入力側トランジスタＱｉと同型、すなわちＰＮＰ型バイポーラトランジスタであって、ベース、エミッタがそれぞれ、入力側トランジスタＱｉのベース、エミッタと共通に接続されてカレントミラー回路を形成する。入力側トランジスタＱｉ０のコレクタは、出力端子１０４と接続されている。

複数の第１スイッチＳＷａ１〜ＳＷａ４（以下、必要に応じて第１スイッチＳＷａと総称する）は、複数の出力側トランジスタＱｏ１〜Ｑｏ４ごとに設けられ、ｉ番目の第１スイッチＳＷａｉは、対応する出力側トランジスタＱｏｉのコレクタと出力端子１０４の間に設けられる。本実施の形態において第１スイッチＳＷａはトランスファゲートであるが、その構成は限定されない。

複数の第２スイッチＳＷｂ１〜ＳＷｂ４（以下、必要に応じて第２スイッチＳＷｂと総称する）は、複数の出力側トランジスタＱｏ１〜Ｑｏ４ごとに設けられ、ｉ番目の第２スイッチＳＷｂｉは、対応する出力側トランジスタＱｏｉのコレクタと接地端子の間に設けられる。本実施の形態において第２スイッチＳＷｂはＮ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、その構成は限定されない。
出力側トランジスタＱｏならびにそれらに対応する第１スイッチＳＷａ、第２スイッチＳＷｂの個数は４個に限定されず任意である。

制御部１０は、複数の第１スイッチＳＷａおよび第２スイッチＳＷｂのオン、オフを制御する。

たとえば、入力側トランジスタＱｉおよび出力側トランジスタＱｏのサイズ比を２のべき乗となるように設計する。電流検出回路１００の増幅率αは、各トランジスタのサイズ比によって決定される。各トランジスタのサイズをＳｉおよびＳｏと書くとき、電流増幅率αの最大値は、
αｍａｘ＝ΣＳｏ／Ｓｉ
となり、最小値は、
αｍｉｎ＝Ｓｏ０／Ｓｉ
となる。図２の例では、Ｓｉ：Ｓｏ０：Ｓｏ１：Ｓｏ２：Ｓｏ３：Ｓｏ４＝３２：１：１：２：４：８であるから、αｍａｘ＝１／２、αｍｉｎ＝１／３２となる。

以上の構成によって、第１スイッチＳＷａ１〜ＳＷａ４のオン、オフの組み合わせを選択することにより、電流検出回路１００の増幅率α（ミラー比）を好適に切りかえられる。さらに第２スイッチＳＷｂのオン、オフによって、カレントミラー回路の電流増幅に寄与しない出力側トランジスタの導通、非道通を個別に切りかえることができる。したがって、第１スイッチＳＷａ、第２スイッチＳＷｂのオン、オフの組み合わせによって、リニアリティやミラー比の悪化を抑制しつつ、ミラー比を切りかえることができる。

実施の形態において制御部１０は、共通する出力側トランジスタＱｏｉに対応する第１スイッチＳＷａｉと第２スイッチＳＷｂｉを、相補的にオンさせる。つまり、ｉ番目の第１スイッチＳＷａｉがオンのとき、第２スイッチＳＷｂｉはオフとなる。この場合、ｉ番目の出力側トランジスタＱｏｉのコレクタは、出力端子１０４または接地端子のいずれかに接続されることになる。したがって、制御部１０がこの方法によってスイッチの制御を行う場合、すべての出力側トランジスタＱｏには光電流Ｉｐに比例したコレクタ（エミッタ）電流が流れることになる。

つまり増幅率αに応じた第１スイッチＳＷａの状態にかかわらず、各出力側トランジスタＱｏ１〜Ｑｏ４のコレクタ電流が一定であるため、それぞれのベース電流も一定となる。その結果、入力側トランジスタＱｉおよび出力側トランジスタＱｏで構成されるカレントミラー回路のミラー比の精度、リニアリティを改善することができる。

図１に戻り、電流検出回路１００および電子機器３００全体の動作を説明する。撮像部３６０はズーム機能を備える。一般にズームが望遠側に設定される場合と広角側に設定される場合とでは電子機器３００と被写体の距離は異なっている。受光装置２００は発光デバイス３３０から出射され被写体によって反射された光を検出するものであるから、ズームの状態に応じて受光量そのものが変化し、ひいてはフォトトランジスタ２１０に流れる光電流Ｉｐが変化する。

電流検出回路１００をズーム機能付きの撮像部３６０を搭載する電子機器３００に利用する場合、制御部１０は、撮像部３６０のズーム状態に応じて第１スイッチＳＷａ、第２スイッチＳＷｂのオン、オフを切りかえる。
この制御によれば、被写体からの反射光の強さに応じて電流検出回路１００の増幅率αを制御することができるため、出力端子１０４から出力される電圧Ｖｏｕｔのレベルを、好適に調節することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では出力端子１０４に充電キャパシタＣｃｈｇを接続する場合を説明したが、代わりに抵抗を接続してもよい。この場合、抵抗に発生する出力電流Ｉｏｕｔに比例した電圧降下を電圧Ｖｏｕｔとして利用できる。

図２では、第１スイッチＳＷａが接続されない出力側トランジスタＱｏ０が設けられているが、これを設けない構成としてもよい。

実施の形態では、受光デバイスとしてフォトトランジスタ２１０を用いたが、フォトダイオードや、照度センサを代わりに用いてもよい。

実施の形態においては、受光装置２００および発光制御部３４０が一体集積化される場合を説明したが、一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積、用途などに応じて決めればよい。

本実施の形態に係る電流検出回路１００あるいは受光装置２００を用いた電子機器３００としては、上述の携帯電話端末に限定されるものではなく、照度センサや赤外線通信機器など、フォトダイオードやフォトトランジスタを用いて光を検出する機器に広く用いることができる。

実施の形態に係る電子機器の構成を示す図である。 実施の形態に係る受光装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

Ｑｉ…入力側トランジスタ、Ｑｏ…出力側トランジスタ、ＳＷａ…第１スイッチ、ＳＷｂ…第２スイッチ、１０…制御部、１００…電流検出回路、１０２…検出端子、１０４…出力端子、２００…受光装置、２１０…フォトトランジスタ、３００…電子機器、３０２…機能ＩＣ、３１０…電池、３２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３０…発光デバイス、３４０…発光制御部、３５０…発光制御トランジスタ、３６０…撮像部、Ｃｃｈｇ…充電キャパシタ。

Claims (7)

1. 受光デバイスに流れる電流を検出する電流検出回路であって、
   前記受光デバイスに流れる電流に比例した電流を出力する出力端子と、
   前記受光デバイスの電流経路上に設けられたＰＮＰバイポーラ型の入力側トランジスタと、
   ベース、エミッタがそれぞれ、前記入力側トランジスタのそれらと共通に接続されてカレントミラー回路を形成する、複数のＰＮＰバイポーラ型の出力側トランジスタと、
   前記複数の出力側トランジスタごとに設けられ、対応する出力側トランジスタのコレクタと出力端子の間に設けられた複数の第１スイッチと、
   前記複数の出力側トランジスタごとに設けられ、対応する出力側トランジスタのコレクタと接地端子の間に設けられた複数の第２スイッチと、
   複数の前記第１、第２スイッチのオン、オフを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする電流検出回路。
2. 前記制御部は、前記受光デバイスに流れる電流が一定である条件のもと、前記複数の出力側トランジスタのベース電流の総和が一定となるように前記第１、第２スイッチのオンオフを制御することを特徴とする請求項１に記載の電流検出回路。
3. 前記制御部は、共通する出力側トランジスタに対応する第１、第２スイッチを相補的にオンすることを特徴とする請求項２に記載の電流検出回路。
4. 受光デバイスと、
   請求項１から３のいずれかに記載の電流検出回路と、
   を備え、前記電流検出回路の前記出力端子から出力される電流に応じて、前記受光デバイスの受光量を検出することを特徴とする受光装置。
5. 発光デバイスと、
   前記発光デバイスから発せられた光が、外部の物体により反射した光を検出する請求項４に記載の受光装置と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
6. 前記発光デバイスはフラッシュであり、前記受光装置により検出した反射光の光量が所定値に達すると、発光を停止することを特徴とする請求項５に記載の電子機器。
7. ズーム機能付きの撮像部をさらに備えるとともに、前記制御部は前記撮像部のズーム状態に応じて、前記第１、第２スイッチのオン、オフを切りかえることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。

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