JPH0242178B2 - - Google Patents

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JPH0242178B2
JPH0242178B2 JP58009122A JP912283A JPH0242178B2 JP H0242178 B2 JPH0242178 B2 JP H0242178B2 JP 58009122 A JP58009122 A JP 58009122A JP 912283 A JP912283 A JP 912283A JP H0242178 B2 JPH0242178 B2 JP H0242178B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44Electric circuits

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体集積回路化測光回路に関し、
特にフオトダイオード(SPD)、フオトトランジ
スタ等の光電変換素子を使用し、この光電変換素
子により変換された電気信号(光電流)を高入力
インピーダンス演算増幅器(以下オペアンプと略
す)で増巾し、かつ帰還ダイオードにより光電流
を対数圧縮し、該対数圧縮された電圧を測定する
ことにより、光電流量を測定する測光回路に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor integrated circuit photometric circuit;
In particular, a photoelectric conversion element such as a photodiode (SPD) or a phototransistor is used, and the electrical signal (photocurrent) converted by the photoelectric conversion element is amplified by a high input impedance operational amplifier (hereinafter referred to as an operational amplifier), and The present invention relates to a photometry circuit that measures the amount of photocurrent by logarithmically compressing the photocurrent using a feedback diode and measuring the logarithmically compressed voltage.

第1図に、対数圧縮回路を使用した従来の測光
回路の例を示す。図において、Q1はSPD等の光
電変換素子、Q2,Q2′はオペアンプ100の入、
出力間に接続された対数圧縮用帰還ダイオードで
ある。又、100はオペアンプ回路で、トランジ
スタQ3〜Q8、定電流源I1〜I3、コンデンサC1から
構成され、高入力インピーダンス化のためオペア
ンプ入力部にMOS−FETQ3,Q4を使用したもの
である。このトランジスタQ3,Q4は通常、半導
体集積回路化測光回路ではP−チヤネルMOS−
FETが使用される。又、Q5,Q6は初段の電圧利
得設定用の定電流負荷、Q7は定電流源I2を負荷と
する2段目のオペアンプであり、Q8はインピー
ダンス変換用出力トランジスタである。また
Vrefはバイアス電圧設定用の基準電圧である。
FIG. 1 shows an example of a conventional photometric circuit using a logarithmic compression circuit. In the figure, Q 1 is a photoelectric conversion element such as SPD, Q 2 and Q 2 ' are the inputs of the operational amplifier 100,
This is a feedback diode for logarithmic compression connected between the outputs. Further, 100 is an operational amplifier circuit, which is composed of transistors Q 3 to Q 8 , constant current sources I 1 to I 3 , and capacitor C 1 , and MOS-FETs Q 3 and Q 4 are used in the operational amplifier input section to achieve high input impedance. This is what I did. These transistors Q 3 and Q 4 are usually P-channel MOS-
FET is used. Further, Q 5 and Q 6 are constant current loads for setting the voltage gain in the first stage, Q 7 is an operational amplifier in the second stage whose load is the constant current source I 2 , and Q 8 is an output transistor for impedance conversion. Also
Vref is a reference voltage for bias voltage setting.

従来回路の概略動作は下記の通りである。 The general operation of the conventional circuit is as follows.

光電変換素子Q1に照射された光信号は、光電
変換されて光電流となるが、この変換素子Q1
流れる光電流IPは、通常オペアンプ100の入力
電流がピコアンペアオーダーで無視できるため、
圧縮ダイオードQ2に流れる。これによりダイオ
ードQ2では VBE2=kT/q lnIP/IS (但し、k:ボルツマン定数、T:絶対温度、
IS:ダイオードの飽和電流) で表わされる電圧降下を生じる。これにより光電
流IPは圧縮用ダイオードQ2により対数圧縮された
電圧としてオペアンプ出力(トランジスタQ8
エミツタ)に生じ、本回路の出力電圧Voとなる。
そしてこの出力電圧Voは下記式(1)により表わさ
れる。
The optical signal irradiated to the photoelectric conversion element Q 1 is photoelectrically converted into a photocurrent, but the photocurrent I P flowing through this conversion element Q 1 is normally negligible because the input current of the operational amplifier 100 is on the order of picoamperes. ,
Flows into the compression diode Q 2 . As a result, for diode Q 2 , V BE2 = kT/q lnI P /I S (where k: Boltzmann's constant, T: absolute temperature,
I S :Diode saturation current). As a result, the photocurrent I P is generated as a voltage logarithmically compressed by the compression diode Q 2 at the operational amplifier output (emitter of the transistor Q 8 ), and becomes the output voltage Vo of this circuit.
This output voltage Vo is expressed by the following equation (1).

Vo=Vref+VBE2=Vref+kT/q lnIP/IS ………(1) 従つて、同一光電流に対する圧縮電圧の信号出
力をあげるには、ダイオードを直列に多段接続
し、光電流IPの変化に対する出力電圧Voの信号
振巾を大きくとる必要がある。このためS/Nを
あげることが必要な機器、及び微少信号電圧を扱
う機器(カメラ等)では、圧縮ダイオードを2段
等の多段構成とすることが望ましく、又、そのよ
うな場合が多い。
Vo = Vref + V BE2 = Vref + kT / q lnI P /I S ...... (1) Therefore, in order to increase the signal output of the compressed voltage for the same photocurrent, connect diodes in series in multiple stages and change the photocurrent I P. It is necessary to increase the signal amplitude of the output voltage Vo. For this reason, in devices that require a high S/N ratio and devices that handle minute signal voltages (such as cameras), it is desirable, and often the case, to have a multi-stage compression diode configuration, such as a two-stage configuration.

しかるにこの場合、バツテリ使用機器等で、電
源電圧が低い電圧(1.5V〜3V)しか使えない機
器では、オペアンプ回路100の出力回路の回路
方式により、最低動作電源電圧は制限される。即
ち、ダイオードを多段接続することにより、オペ
アンプ出力電圧は増大するため、オペアンプの出
力ダイナミツクレンジとしては、+電源とオペア
ンプ出力間の電位差を大きくする必要がある。第
1図に示す従来回路での最低動作電源電圧
Vccminは圧縮ダイオードが多段接続された場
合、下記の式で表わされる。
However, in this case, for devices that use a battery and can only use a low power supply voltage (1.5V to 3V), the minimum operating power supply voltage is limited by the circuit system of the output circuit of the operational amplifier circuit 100. That is, since the operational amplifier output voltage increases by connecting diodes in multiple stages, it is necessary to increase the potential difference between the + power supply and the operational amplifier output as the output dynamic range of the operational amplifier. Minimum operating power supply voltage in the conventional circuit shown in Figure 1
When compression diodes are connected in multiple stages, Vccmin is expressed by the following formula.

Vccmin=Vo+VBE(8)+VCE(I2)=Vref+n・kT/q l
nIP/IS+VBE(8)+VCE(I2)………(2) (但しn:圧縮ダイオード段数) 従つてS/Nを改善するために圧縮ダイオード
の段数をいくつふやせるかは、電源電圧VCCとオ
ペアンプ出力Voとの間の必要動作電圧VBE(8)
VCE(I2)をいかに下げ、出力ダイナミツクレンジを
広げられるかにより決定される。
Vccmin=Vo+V BE(8) +V CE(I2) =Vref+n・kT/q l
nI P /I S +V BE(8) +V CE(I2) ......(2) (where n: number of compression diode stages) Therefore, how many stages of compression diode can be increased to improve S/N? Required operating voltage V BE(8) + between supply voltage V CC and operational amplifier output Vo
It is determined by how much you can lower V CE (I2) and widen the output dynamic range.

このような点を考えた場合、従来回路では、エ
ミツタフオロワートランジスタQ8のベース・エ
ミツタ間電圧VBEの制限をうけ、またVref≒500
mVの場合、通常の2段圧縮ダイオードでは、最
低動作電源電圧Vccminは2.5〜2.6Vが限界であつ
た。
Considering these points, the conventional circuit is limited by the base-to-emitter voltage VBE of the emitter follower transistor Q8 , and Vref≒500
In the case of mV, the minimum operating power supply voltage Vccmin of a normal two-stage compression diode is limited to 2.5 to 2.6V.

本発明は、上記のような測光回路で必要とされ
る検出電圧レベルに応じて、通常用いられる一段
のみの対数圧縮回路でなく、圧縮ダイオードを直
列に多段接続することにより、一定光電流値に対
する圧縮電圧出力をあげる場合であつて、例えば
カメラ用IC等のバツテリのように電源電圧が低
く、該低い電圧で動作することが必要とされる場
合に特に有効な手段を提供しようというものであ
る。
In accordance with the detection voltage level required in the photometric circuit as described above, the present invention uses a logarithmic compression circuit with only one stage, which is normally used, but by connecting compression diodes in multiple stages in series, so that the detection voltage level can be adjusted for a constant photocurrent value. The purpose of this invention is to provide a particularly effective means for increasing the compressed voltage output when the power supply voltage is low and operation at the low voltage is required, such as in batteries for camera ICs, etc. .

即ち、本発明はオペアンプ内での信号の位相ま
わりを抑えるよう、エミツタフオロワnpnトラン
ジスタ、エミツタフオロワpnpトランジスタの複
合接続によるレベルシフト回路をオペアンプの出
力回路に使用することにより、オペアンプの2段
目出力(トランジスタQ7のコレクタ出力)から
見た入力インピーダンスをおとすことなく、しか
もオペアンプの出力と電源電圧Vcc間の信号ダイ
ナミツクレンジをVCE(4)だけできまる構成にする
ことにより、多段接続された圧縮ダイオードの場
合でも安定な動作の確保及び最低動作電源電圧の
低下ができる半導体集積回路化測光回路を提供す
ることを目的としている。
That is, the present invention uses a level shift circuit with a composite connection of an emitter follower NPN transistor and an emitter follower PNP transistor in the output circuit of the operational amplifier so as to suppress the phase rotation of the signal within the operational amplifier. By configuring the signal dynamic range between the operational amplifier output and the power supply voltage Vcc to be determined only by V CE (4) without reducing the input impedance seen from the Q7 collector output), multi-stage compression can be achieved. It is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit photometry circuit that can ensure stable operation and reduce the minimum operating power supply voltage even in the case of a diode.

第2図に本発明の一実施例による半導体集積回
路化測光回路を示す。
FIG. 2 shows a semiconductor integrated circuit photometric circuit according to an embodiment of the present invention.

第2図において、トランジスタQ1〜Q8、及び
電流源I1〜I3までは第1図に示す従来回路を同じ
である。
In FIG. 2, transistors Q 1 to Q 8 and current sources I 1 to I 3 are the same as the conventional circuit shown in FIG. 1.

本実施例は、従来回路ではトランジスタQ8
みで構成されていたエミツタフオロワ段を、同図
に示すnpnトランジスタQ8、pnpトランジスタQ9
及び定電流源I3,I4より成るレベルシフト回路2
00で構成したことが特長である。
In this embodiment, the emitter follower stage, which in the conventional circuit was composed of only the transistor Q 8 , is replaced with the npn transistor Q 8 and the pnp transistor Q 9 shown in the figure.
and a level shift circuit 2 consisting of constant current sources I 3 and I 4
The feature is that it is configured with 00.

本実施例の回路動作は、従来回路での説明と同
じであるが、レベルシフト回路200により、オ
ペアンプ出力(トランジスタQ9のエミツタ出力)
と電源電圧Vcc間の回路動作に必要な電圧または
定電流源I4の電圧(VCE(4))だけとなり(通常
0.2V)、オペアンプ100の出力ダイナミツクレ
ンジが狭いことに起因する圧縮ダイオードの多段
接続段数が制限されることは改善された。
The circuit operation of this embodiment is the same as that described in the conventional circuit, but the level shift circuit 200 converts the operational amplifier output (emitter output of transistor Q 9 ) into
The voltage required for circuit operation between
0.2V), the limitation on the number of stages in which compression diodes are connected in multiple stages due to the narrow output dynamic range of the operational amplifier 100 has been improved.

また、本発明の他の実施例では、トランジスタ
Q8,Q9、定電流源I3,I4により構成されるレベル
シフト回路に直列にダイオードを接続することに
より、オペアンプ初段、2段目の回路構成に影響
を与えることなく、圧縮ダイオードの段数に応じ
たレベルシフトが可能である。
In other embodiments of the invention, the transistor
By connecting a diode in series with the level shift circuit composed of Q 8 , Q 9 and constant current sources I 3 and I 4 , the compression diode can be used without affecting the circuit configuration of the first and second stages of the operational amplifier. Level shifting is possible according to the number of stages.

なお、本発明では、半導体集積回路化を考え、
即ちIC内でのpnpトランジスタの電流増巾率hfe
あまり高くできないことを考えて、上記npnトラ
ンジスタ、pnpトランジスタの複合接続を用い
て、高入力インピーダンスかつ低出力インピーダ
ンスをもつレベルシフト回路を構成したが、pnp
トランジスタのhfe(エミツタ接地電流増巾率)が
高い場合、又はpnpトランジスタのhfeが低くと
も、2段目出力(トランジスタQ7のコレクタ出
力)に対する負荷効果及び初段へのオフセツト電
圧等の影響が無視できるようであれば、pnpトラ
ンジスタによるエミツタフオロワ構成も本発明の
範囲に含まれる。
In addition, in the present invention, considering the semiconductor integrated circuit,
In other words, considering that the current amplification rate h fe of the pnp transistor in the IC cannot be very high, a level shift circuit with high input impedance and low output impedance is constructed using the composite connection of the above npn transistor and pnp transistor. However, pnp
If the h fe (grounded emitter current amplification factor) of the transistor is high, or even if the h fe of the PNP transistor is low, the load effect on the second stage output (collector output of transistor Q7 ) and the influence of offset voltage on the first stage etc. An emitter follower configuration using a pnp transistor is also included within the scope of the present invention, if it can be ignored.

以上のように、本発明によれば、高入力インピ
ーダンス化オペアンプの出力回路にnpnトランジ
スタ、pnpトランジスタの複合接続を基本とした
レベルシフト回路を付加することにより、電源−
オペアンプ出力間の必要動作電圧を低下させるよ
うにしたので、電源電圧を低下でき、かつ対数圧
縮用ダイオードを多段接続できる効果がある。
As described above, according to the present invention, by adding a level shift circuit based on a composite connection of npn transistors and pnp transistors to the output circuit of a high input impedance operational amplifier, the power supply
Since the required operating voltage between the operational amplifier outputs is lowered, the power supply voltage can be lowered, and logarithmic compression diodes can be connected in multiple stages.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の半導体集積回路化測光回路の回
路図、第2図は本発明の一実施例による半導体集
積回路化測光回路の回路図である。 Q1……光電変換素子、100……オペアンプ、
Q2,Q2′……対数圧縮ダイオード(対数圧縮回
路)、200……レベルシフト回路。なお図中同
一符号は同一又は相当部分を示す。
FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional semiconductor integrated circuit photometric circuit, and FIG. 2 is a circuit diagram of a semiconductor integrated circuit photometric circuit according to an embodiment of the present invention. Q 1 ... photoelectric conversion element, 100 ... operational amplifier,
Q 2 , Q 2 '...logarithmic compression diode (logarithmic compression circuit), 200...level shift circuit. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 光信号を電気信号に変換する光電変換素子
と、 該光電変換素子の電流信号を電圧信号に変換し
増幅する演算増幅器とを備え、 該光電変換素子のアノード、カソードを各々該
演算増幅器の非反転および反転入力の2入力間に
接続し、 該演算増幅器の反転入力と出力間に単一または
複数個のダイオードを直列接続してなる対数圧縮
回路により、上記光電変換素子の光電流を対数圧
縮し電圧変換する測光回路において、 該演算増幅器の出力段を、pnpトランジスタ、
npnトランジスタによるエミツタフオロワ回路を
複数段接続して構成し、該出力段により出力電圧
をレベルシフトすることを特徴とする半導体集積
回路化測光回路。
[Claims] 1. A photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric signal, and an operational amplifier that converts a current signal of the photoelectric conversion element into a voltage signal and amplifies it, and an anode and a cathode of the photoelectric conversion element. A logarithmic compression circuit connected between two inputs, a non-inverting input and an inverting input of the operational amplifier, and comprising a single or a plurality of diodes connected in series between the inverting input and the output of the operational amplifier, converts the photoelectric conversion element into a logarithmic compression circuit. In a photometric circuit that logarithmically compresses the photocurrent and converts it into voltage, the output stage of the operational amplifier is a pnp transistor,
1. A semiconductor-integrated photometric circuit comprising a plurality of connected emitter follower circuits using npn transistors, and level-shifting an output voltage using the output stage.
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