(57)【要約】【課題】  フォトダイオードの寄生容量が大きい場合であっても演算増幅器の雑音が増幅される量を抑え、低雑音の光電流積分回路を提供する。【解決手段】  フォトダイオード101 と、該フォトダイオードの一方の端子に一端が接続された抵抗素子102 と、非反転入力端子に前記フォトダイオードの他方の端子が、反転入力端子に前記抵抗素子の他端がそれぞれ接続された演算増幅器103 と、該演算増幅器の反転入力端子と出力端子107 間に接続された容量素子105 と、該容量素子と並列に接続されたスイッチ素子106 とで光電流積分回路を構成する。【選択図】        図１
2009222480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
該フォトダイオードの一方の端子に一端が接続された抵抗素子と、
非反転入力端子に前記フォトダイオードの他方の端子が、反転入力端子に前記抵抗素子の他端がそれぞれ接続された演算増幅器と、
該演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続された容量素子と、
該容量素子と並列に接続されたスイッチ素子と
を有する光電流積分回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトダイオードで検出された光電流を積分する光電流積分回路に関するものであり、特にカメラ等に利用されるフォトダイオードを備えた測光装置等に用いるフォトダイオードで検出された光電流を、低雑音に積分する光電流積分回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトダイオードで検出された光電流を電圧信号に変換する光電流積分回路として、例えば特開２００３- ３１５１４９号公報に開示されている図３に示す構成のものがよく知られている。図３に示した光電流積分回路は、フォトダイオード301 のカソード端子とアノード端子が演算増幅器302 の非反転入力端子と反転入力端子とにそれぞれ接続され、また、前記演算増幅器302 の非反転入力端子には電圧値がＥr なる定電圧源303 が接続されている。また、前記演算増幅器302 の反転入力端子と出力端子間には、光電流を蓄える積分容量304 と前記積分容量304 をリセットするスイッチ305 とが接続され、更に前記演算増幅器302 の出力端子には、光電流積分回路の出力端子306 が接続されて構成されている。
【０００３】
次に、かかる構成の光電流積分回路の動作について説明する。光電流検出前は、スイッチ305 は閉じた状態であり、このとき、演算増幅器302 の出力端子には、次式（１）に示すように定電圧源303 の電圧Ｅr が出力されている。
Ｖout ＝Ｅr   ・・・・・・・・・・・・・（１）
【０００４】
次に、スイッチ305 が開かれ、フォトダイオード301 からの光電流の検出が開始される。スイッチ305 が開かれたのち、時刻ｔが経過したとき、フォトダイオード301 により検出される光電流をＩp ，積分容量304 の値をＣint とすると、出力端子306 に現れる出力電圧Ｖout は、次式（２）となり、電圧信号が得られる。
Ｖout ＝Ｅr −Ｉp ・ｔ／Ｃint   ・・・・・・・・・（２）
【特許文献１】特開２００３- ３１５１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の光電流積分回路においては、（１）式、（２）式では示していない誤差成分があり、この誤差要因は、主に、フォトダイオードの寄生容量、積分容量、及び演算増幅器とで構成される増幅器で発生する雑音である。なお、演算増幅器から発生する雑音は、通常、入力換算雑音で表すことができ、演算増幅器の入力端子部に等価的に発生すると考えてよい。図４に、フォトダイオードの寄生容量をＣst，シャント抵抗の抵抗値をＲst，スイッチ305 の抵抗成分をＲsw，演算増幅器302 の入力換算雑音をＥn として考慮した従来の光電流積分回路の等価回路を示す。このとき、出力端子306 に現れる誤差（以下、雑音電圧と称す）をＥnoutとすると、光電流検出前においては、出力電圧Ｖout は、次式（３）となり、
Ｖout ＝Ｅr ＋Ｅnout    ・・・・・・・・・・・・・（３）
光電流検出時においては、出力電圧Ｖout は、次式（４）となる。
Ｖout ＝Ｅr −Ｉp ・ｔ／Ｃint ＋Ｅnout  ・・・・・（４）
【０００６】
次に、図４において雑音電圧Ｅnoutに注目する。演算増幅器302 のオープンループ特性が理想状態であるとすると、上述した寄生容量Ｃst，シャント抵抗Ｒst，積分容量Ｃint ，スイッチの抵抗成分Ｒsw，及び演算増幅器302 から構成される増幅器で発生する雑音電圧Ｅnoutは、帯域幅をｆＬからｆＨとすると、〔数５〕で与えられる。
【０００７】
【数５】
2009222480.tif 000003
【０００８】
但し、Ｇ(f) は雑音利得の伝達関数、ｅn は演算増幅器の入力換算雑音Ｅn の電圧密度、ｆは周波数、ｊは虚数単位であり、入力換算雑音Ｅn 〔数６〕で表される。
【０００９】
【数６】
2009222480.tif 000004
【００１０】
ここで、フォトダイオード301 のシャント抵抗Ｒstは通常数百Ｍ〜数百ＧΩと非常に大きいので、Ｒst＝∞として〔数５〕を整理すると、〔数７〕となる。
【００１１】
【数７】
2009222480.tif 000005
【００１２】
更に、〔数７〕を変形すると、〔数８〕となる。
【００１３】
【数８】
2009222480.tif 000006
【００１４】
ところで、光電流検出前は、スイッチ305 は閉じた状態であるので、スイッチ305 の抵抗成分はほぼゼロである。よって〔数７〕より、Ｒsw＝０とすると、出力雑音（雑音電圧）Ｅnoutは、〔数９〕で表され、演算増幅器302 の入力換算雑音Ｅn が出力される。
【００１５】
【数９】
2009222480.tif 000007
【００１６】
一方、スイッチ305 が開かれ、フォトダイオード301 からの光電流の検出が開始されたとき、スイッチ305 の抵抗成分はほぼ無限大となる。よって、Ｒsw＝∞とすると、〔数８〕より、出力雑音Ｅnoutは、〔数10〕で表され、演算増幅器302 の入力換算雑音Ｅn が（１＋Ｃst／Ｃint ）なる雑音利得倍されて出力される。
【００１７】
【数１０】
2009222480.tif 000008
【００１８】
一般に、カメラ用測光装置のフォトダイオードでは、寄生容量Ｃstは数十ｐＦ程度、積分容量Ｃint は数ｐＦ程度であり、寄生容量Ｃstと積分容量Ｃint の比は数倍程度である。一方、デジタル一眼レフカメラでは高感度である必要があるため、積分容量Ｃint は数百ｆＦ〜数ｐＦ程度の値となる。よって、積分回路から出力される雑音は、演算増幅器の雑音の数十倍〜数百倍となり、フォトダイオードで検出される光電流が微少な場合には、信号成分が雑音に埋もれてしまい、検出できなくなる。
【００１９】
本発明は、従来の光電流積分回路における上記問題点を解消するためになされたもので、フォトダイオードの寄生容量が大きい場合であっても演算増幅器の雑音が増幅される量を抑え、低雑音な光電流積分回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、フォトダイオードと、該フォトダイオードの一方の端子に一端が接続された抵抗素子と、非反転入力端子に前記フォトダイオードの他方の端子が、反転入力端子に前記抵抗素子の他端がそれぞれ接続された演算増幅器と、該演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続された容量素子と、該容量素子と並列に接続されたスイッチ素子とで光電流積分回路を構成するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光電流積分回路によれば、抵抗素子とフォトダイオードの寄生容量から成るローパスフィルタにより帯域制限がかかるので、フォトダイオードの寄生容量、積分容量、及び演算増幅器から構成される増幅器で発生する雑音の影響を抑え、低雑音な光電流積分回路を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明に係る光電流積分回路の実施例について説明する。図１は、本発明に係る光電流積分回路の実施例を示す回路構成図である。図１に示す本実施例に係る光電流積分回路では、101 は入射する光信号を電流信号に変換するフォトダイオードであり、該フォトダイオード101 の一方の端子は抵抗値がＲなる抵抗素子102 の一端に、他方の端子は演算増幅器103 の非反転入力端子に接続されている。また、前記演算増幅器103 の反転入力端子には、前記フォトダイオード101 に一端が接続された前記抵抗素子102 の他端が接続され、前記演算増幅器103 の非反転入力端子には電圧値がＥr なる基準電圧源104 が接続されている。更に、前記演算増幅器103 の反転入力端子と出力端子間には容量値がＣint なる容量素子105 とスイッチ素子106 が並列に接続されている。また、前記演算増幅器103 の出力は光電流積分回路の出力端子107 に接続されている。
【００２４】
次に、このように構成された光電流積分回路の動作について説明する。先ず光電流検出前の動作について説明する。光電流検出前は、スイッチ素子106 は閉じた状態であり、このとき、演算増幅器103 の出力端子、すなわち光電流積分回路の出力端子107 には、次式（11）で示す出力電圧Ｖout が出力される。但し、Ｅnoutは雑音電圧である。
Ｖout ＝Ｅr ＋Ｅnout    ・・・・・・・・・・・・・（11）
【００２５】
次に、光電流検出時の動作について説明する。フォトダイオード101 で検出する光信号は光電流検出時間の範囲においては一定であるので、フォトダイオード101 で生成される光電流Ｉｐは直流電流である。よって、抵抗素子102 とフォトダイオード101 の寄生容量Ｃstとで構成されるローパスフィルタの影響は受けない。したがって、図示しない指令によりスイッチ素子106 が開かれたのち時刻ｔが経過したとき、光電流積分回路の出力端子107 に現れる出力電圧Ｖout は、次式（12）となり、電圧信号が得られる。
Ｖout ＝Ｅr −Ｉp ・ｔ／Ｃint ＋Ｅnout  ・・・・・（12）
【００２６】
ところで、図１において、演算増幅器103 のオープンループ特性が理想状態であるとすると、フォトダイオード101 の寄生容量Ｃstとシャント抵抗Ｒst，抵抗素子102 ，容量素子105 ，スイッチ素子106 の抵抗成分Ｒsw，及び演算増幅器103 から構成される増幅器で発生する雑音電圧Ｅnoutは、帯域幅をｆＬからｆＨとすると、〔数13〕で与えられる。
【００２７】
【数１３】
2009222480.tif 000009
【００２８】
但し、Ｃst及びＲstはそれぞれフォトダイオード101 の寄生容量及びシャント抵抗、Ｃint は容量素子105 の容量、Ｒswはスイッチ素子106 の抵抗成分、Ｇ(f) は雑音利得の伝達関数、ｅn は演算増幅器103 の入力換算雑音Ｅn の電圧密度、ｆは周波数、ｊは虚数単位であり、入力換算雑音Ｅn は〔数14〕で表される。
【００２９】
【数１４】
2009222480.tif 000010
【００３０】
ここで、フォトダイオード101 のシャント抵抗Ｒstは通常数ＧΩ〜数百ＧΩと非常に大きいので、Ｒst＝∞として〔数13〕を整理すると、〔数15〕となる。
【００３１】
【数１５】
2009222480.tif 000011
【００３２】
更に〔数15〕を変形すると、〔数16〕となる。
【００３３】
【数１６】
2009222480.tif 000012
【００３４】
ところで、光電流検出前は、スイッチ素子106 は閉じた状態であるので、スイッチ素子106 の抵抗成分はほぼゼロである。よってＲsw＝０とすると、〔数16〕より、出力雑音（雑音電圧）Ｅnoutは、〔数17〕で表され、出力信号Ｖout には演算増幅器103 の入力換算雑音Ｅn が加算され出力される。
【００３５】
【数１７】
2009222480.tif 000013
【００３６】
一方、スイッチ素子106 が開かれ、フォトダイオード101 からの光電流の検出が開始されたとき、スイッチ106 の抵抗成分Ｒswはほぼ無限大となる。よってＲsw＝∞とすると、〔数15〕より、出力雑音Ｅnoutは、〔数18〕となる。
【００３７】
【数１８】
2009222480.tif 000014
【００３８】
ここで、〔数18〕において、雑音利得の伝達関数Ｇ(f) は、〔数19〕で表され、
【００３９】
【数１９】
2009222480.tif 000015
【００４０】
その大きさ｜Ｇ(f) ｜は、〔数20〕となる。
【００４１】
【数２０】
2009222480.tif 000016
【００４２】
図２に、〔数19〕に示す光電流検出時の雑音利得の伝達係数Ｇ(f) の周波数特性を示す。図２に示されるように、雑音利得の伝達係数Ｇ(f) はポール周波数ｆｐをカットオフ周波数ｆｃとするローパスフィルタ特性を示す。このように、次式（21）で示すカットオフ周波数ｆｃより低い周波数においては、入力換算雑音電圧密度ｅｎは（１＋Ｃst／Ｃint ）倍される。
ｆｃ＝ｆｐ＝１／２πＣstＲ    ・・・・・・・・・・（21）
【００４３】
一方、カットオフ周波数ｆｃ以降では雑音利得は減衰し、次式（22）で示すゼロ周波数ｆｚ以降で１倍に漸近し、結果として光電流積分回路の出力信号に重畳される出力雑音は演算増幅器103 の入力換算雑音に近づく。
ｆｚ＝（１＋Ｃst／Ｃint ）・１／２πＣstＲ    ・・・・・・・（22）
【００４４】
このように抵抗素子とフォトダイオードの寄生容量から成るローパスフィルタにより帯域制限がかかるので、フォトダイオードの寄生容量、積分容量、及び演算増幅器から構成される増幅器で発生する雑音の影響を抑え、低雑音な光電流積分回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る光電流積分回路の実施例を示す回路構成図である。
【図２】図１に示した実施例において、光電流検出時の雑音利得の伝達係数の周波数特性を示す図である。
【図３】従来の光電流積分回路の構成を示す回路構成図である。
【図４】図３に示した従来の光電流積分回路においてフォトダイオードの寄生容量、シャント抵抗、スイッチの抵抗成分、演算増幅器の入力換算雑音を考慮した等価回路を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
101   フォトダイオード
102   抵抗素子
103   演算増幅器
104   基準電圧源
105   容量素子
106   スイッチ素子
107   出力端子
【図１】
2009222480.tif 000017
【図２】
2009222480.tif 000018
【図３】
2009222480.tif 000019
【図４】
2009222480.tif 000020