CN102468884A - 光电转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电转换电路，其确保较宽的动态范围的同时解决基于量程切换的迟延，还能够对应量程变化较强烈的情况。本发明的光电转换电路，具备有：光电二极管(11)；反转放大器(12)，由运算放大器(12a)及第1电阻(12b)构成，输出绝对值等于光电二极管(11)的输出电流与第1电阻(12b)的电阻值之积的电压；第2电阻(21)，具有小于第1电阻(12b)的电阻值，并插入于电源的正侧与光电二级管(11)之间；差动放大器(22)，输出第2电阻(21)的两端的电压；及二极管(23)，连接于光电二极管(11)与运算放大器(12a)的反转输入端子的连接点与接地之间，当反转放大器(12)不饱和时成为非导通状态，当饱和时成为导通状态，从而使光电二极管(11)的输出电流旁通。

Description

光电转换电路

技术领域

本发明涉及一种在输出大小对应于入射的光的强度的电信号的光电转换电路中，用于确保较宽的动态范围的同时解决基于量程切换处理的迟延的技术。

背景技术

在进行光强度测定的光谱分析器或光功率计中使用输出与入射的光的强度成比例的电压信号的I/V(电流电压)转换型光电转换电路。

如图6所示，该I/V转换型光电转换电路由阴极侧连接于电源的正电压Va(+)并从阳极侧输出与入射光的强度成比例的电流Ip的光电二极管11及利用非反转输入端子接地的运算放大器12a和反馈电阻12b的反转放大器12构成，通过将光电二极管11的输出电流Ip供给至反转放大器12的输入，对其输出端子输出等于-Ip×R的电压Vout。

此现象为，在利用运算放大器的反转放大器中，其反转输入端子和非反转输入端子成为假想短路连接的状态(称作虚短)，当非反转输入端子接地而其电位固定于零伏特时，反转输入端子的电位也变成零伏特，而且由于其输入电阻非常大，因此从光电二极管11流入的电流Ip经运算放大器12a的反馈电阻12b流向输出端子侧，其结果，输出等于-Ip×R的电压Vout。

在这种I/V转换型光电转换电路中，光电二极管11的动态范围一般具有以输入光功率换算(以下相同)为80dB以上的宽度，但由于放大器侧的有效动态范围为30～40dB左右，因此进行对应于光电二极管11的整个动态范围的光电转换时，需要在放大器侧进行量程切换。

例如，如图7所示，设为能够通过开关12e选择具有不同电阻值Ra、Rb(Ra＜Rb)的2个反馈电阻12c、12d的任一个，在入射光的强度较低且光电二极管11的输出电流Ip小于某阈值Ith(例如，Ith＝Vb(-)/Rb)的范围(非饱和区域)内，利用电阻值较大一方的反馈电阻12d得出Vout＝-Ip×Rb的输出电压。

另外，设为如下，在入射光强度较高且光电二极管11的输出电流Ip超过阈值Ith的范围(但，不超过Vb(-)/Ra)内，利用电阻值较小一方的反馈电阻12c得出Vout＝-Ip×Ra的输出电压。其中，Vb(+)、Vb(-)为反转放大器12的电压正负相同的电源电压，设为等于饱和输出电压。

在此，例如，若设为Ra＝100Ω、Rb＝1MΩ、放大器的电源电压＝饱和电压＝Vb(-)＝-10V，则当连接电阻值Rb的反馈电阻12d时，相对于|Vb(-)|/Rb＝10V/1MΩ＝10μA以下的电流Ip能够得到-10V为止的非饱和输出电压。

另外，当连接电阻值Ra的反馈电阻12c时，相对于|Vb(-)|/Ra＝10V/100Ω＝10mA以下的电流Ip能够得到-10V为止的非饱和输出电压。

若将考虑了残留噪声的级别等的放大器的有效动态范围设为40dB(10000倍)，则其有效的输出范围成为-10V～-1mV，当连接有反馈电阻12d时的输出电压-1mV相当于1mV/1MΩ＝1nA，因此能够相对于光电二极管的输出电流Ip的1nA～10μA的范围得到-1mV～-10V的输出电压。

另外，由于连接有反馈电阻12c时的输出电压-1mV相当于1mV/100Ω＝10μA，因此相对于光电二极管的输出电流Ip的10μA～100mA的范围能够得到-1mV～-10V的输出电压。

因此，当入射光的强度在以光电二极管11的输出电流换算为1nA～10μA的范围内时，将开关12e连接于反馈电阻12d侧(高增益侧)，将那时的运算放大器12a的输出电压作为有效输出来选择，而当入射光的强度在以光电二极管11的输出电流换算为10μA～100mA的范围内时，将开关12e连接于反馈电阻12c侧(低增益侧)，将那时的运算放大器12a的输出电压作为有效输出来选择。

在此，连接有反馈电阻12c时的输出被压缩为连接有反馈电阻12d时的输出的Ra/Rb(＝1/10000)，因此为了设为对应于实际入射光的强度的输出，需以后续的运算电路换算为Rb/Ra倍(如有需要，还进行去掉负符号的绝对值处理)。

另外，例如在专利文献1中公开了如上述般通过I/V转换电路的反馈电阻的切换(调整量程)放大放大器侧的动态范围的技术。

专利文献1：日本特开2007-300340号公报

但是，在上述结构的光电转换电路中，原理上相对于光电二极管11的输出电流只能输出任意一方的增益状态下的电压信号，因此需进行如下处理，即，时常监控其输出，若其输出在适当范围，即以所述数值例而言，在-1mV～-10V为止的电压范围内，则将其输出电压当做有效而维持现状的反馈电阻，当不在适当范围时，例如高于-1mV时或等于-10V(饱和电压)时，切换为另一方的反馈电阻，调查是否进入适当范围。

因此，无法取得与判断为不在适当范围时的Ip成比例的正常输出电压，仅能得到反馈电阻切换后的输出电压。即，在上述结构的光电转换电路中，即使能够对应强度恒定或者强度变化较缓慢的光，对如高速且超过量程那样，级别变化较大的光，无法得到与其强度成准确比例的电信号。

发明内容

本发明的目的在于解决该问题，提供一种确保较宽的动态范围的同时解决基于量程切换处理的迟延，从而能够对应级别变化较强烈的情况的光电转换电路。

为了实现上述目的，本发明的光电转换电路，其特征在于，具备：

光电二极管(11)，阴极侧连接于电源的正侧，接受入射光并从阳极侧出射对应于其强度的电流；

反转放大器(12)，由非反转输入端子接地的运算放大器(12a)及连接于该运算放大器的输出端子与反转输入端子之间的第1电阻(12b)构成，所述运算放大器的反转输入端子连接于所述光电二极管的阳极，输出绝对值等于所述光电二极管的输出电流与所述第1电阻的电阻值之积的电压；

第2电阻(21)，具有小于所述第1电阻的电阻值，插入于所述电源的正侧与所述光电二极管的阴极之间；

差动放大器(22)，输出绝对值等于产生于所述第2电阻的两端的电位差的电压；及

二极管(23)，阳极侧连接于所述光电二极管的阳极及所述运算放大器的反转输入端子的连接点，阴极侧接地，当所述光电二极管的输出电流未达到使所述反转放大器的输出饱和的级别时，由于所述运算放大器的反转输入端子的电压低于二极管固有的正向电压下降而成为非导通状态，而当所述光电二极管的输出电流达到使所述反转放大器的输出饱和的级别时，由于所述运算放大器的反转输入端子的电压变得高于所述正向电压下降而成为导通状态，从而使所述光电二极管的输出电流旁通。

由于如此构成，因此在本发明的光电转换电路中，在光电二极管的输出电流无法饱和反转放大器的范围内二极管成为非导通，能够如以往使反转放大器的输出输出等于光电二极管的输出电流与第1电阻的电阻值之积的电压，在饱和反转放大器的范围内，由于二极管成为导通状态而使光电二极管的输出电流旁通，因此即使反转放大器处于饱和状态，也能够继续得到对应于输入光强度的电流，能够得到绝对值等于其电流与第2电阻的电阻值之积的电压。

另外，由于能够不进行量程切换处理即可一并获得对应于这些不同量程的输出，因此无需用于切换开关的处理时间，就能够输出电压准确地对应于超过量程的强烈变动的光强度而变化的信号。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的结构图。

图2是第1实施方式的动作说明图。

图3是第1实施方式的整体的动作说明图。

图4是第2实施方式的结构图。

图5是第2实施方式的动作说明图。

图6是I/V转换型光电转换电路的基本结构图。

图7是放大动态范围的以往的光电转换电路的结构图。

图中：11-光电二极管，12-反转放大器，12a-运算放大器，12b-第1电阻，20-光电转换电路，21-第2电阻，22-差动放大器，23-二极管，25、26、33、34、37、38-A/D转换器，31、32、35、36-同相放大器，27-有效值选择机构。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，根据附图对本发明的第1实施方式进行说明。

图1表示应用了本发明的光电转换电路20的结构。

在图1中，接受入射光的光电二极管11的阴极侧经后述的第2电阻21连接于电源的正侧Va(+)的线路，接受入射光并从阳极侧出射对应于其强度的电流Ip。

光电二极管11的阳极侧连接于I/V转换用的反转放大器12。反转放大器12的非反转端子接地，由接受正负电源Vb(+)、Vb(-)的供给的运算放大器12a及连接其输出与反转输入端子之间的电阻值R1的第1电阻12b构成，由运算放大器12a的反转输入端子接受从光电二极管11的阳极输出的电流Ip，经第1电阻12b使其电流Ip流向输出端子侧，输出绝对值等于电流Ip与电阻值R1之积的电压Vout1＝-Ip×R1。

第2电阻21具有相对于反转放大器12的第1电阻12b非常小的电阻值R2(例如，相对于R1＝1MΩ，为它的1/10000的100Ω左右)，插入于电源的正侧Va(+)与光电二极管11的阴极之间，在两端产生与光电二极管11的输出电流Ip成比例的电位差Ip×R2。另外，设为如下，电阻值R2与第1电阻12b的电阻值R1相比，较小，且如后述，其电阻值本身设定为能够将光电二极管11的动作点保持于适当范围的程度。

产生于该第2电阻21两端的电位差输入至增益1的差动放大器22，输出绝对值等于其电位差的电压Vout2＝-Ip×R2。该差动放大器22的电源也与反转放大器12共用。在此，差动放大器22的输出电压的极性设定为与反转放大器12的输出电压的极性一致。

如此，输出与光电二极管11的输出电流Ip成比例的2种电压信号Vout1、Vout2，而且作为其比例系数的电阻值R1、R2的比α＝R1/R2设定得非常大(例如为10000)。并且，由于各电压信号能够输出的负的最大电压为饱和电压，即电源电压Vb(-)，因此能够相对于具有α＝R1/R2的比的不同输入量程一并获得相同电压范围的输出。在此，虽然理论上负的输出电压范围的下限为0伏特，但实际上无法忽视噪声的影响，因此使输出范围的上限与下限之比等于α(＝R1/R2)，以便两个输出电压的范围(此成为适当范围)相同。即，若将上限设为Vb(-)，则下限成为它的1/α＝Vb(-)/α。

其中，反转放大器12的输出达到电源电压Vb(-)而饱和，进而光电二极管11的输出电流Ip增加时，输出侧的电压维持为电源电压Vb(-)的状态，因此无法维持前述虚短状态，运算放大器12a的反转输入端子的电位按照其电流而从零伏特上升，外加于光电二极管11两端的电压下降。外加于该光电二极管11两端的电压决定光电二极管11的动作点，若外加电压大幅度下降则输出电流也下降，变得无法得到对应于输入光强度的电流，检测由该电流引起的电压下降的差动放大器22的输出变得不准确。

为了解除这个问题，在实施方式中将二极管23的阳极侧连接于光电二极管11的阳极与运算放大器12的反转输入端子的连接点，并使阴极侧接地。

通过如此连接二极管23，在光电二极管11的输出电流Ip未达到使反转放大器12的输出饱和的级别的范围内，施加于二极管23的阳极的电压由于运算放大器12a的虚短而成为零伏特，由于低于二极管元件固有的正向电压下降(例如0.1V)而成为非导通状态，不会对基于光电二极管11和反转放大器12的I/V转换作用带来影响。

与此相反，若光电二极管11的输出电流Ip达到使反转放大器12的输出饱和的级别而欲进一步增加，则如前述，运算放大器12a的反转输入端子的电位欲上升，但在其电位变得高于二极管23的元件固有的正向电压下降的时刻，二极管23成为导通状态，使光电二极管11的输出电流Ip旁通。

在此，能够通过利用肖特基二极管等使二极管23的正向电压下降极其接近零伏特，而且即使电流变化，其电压也几乎恒定，因此在反转放大器12饱和的状态下，光电二极管11的阴极侧的电位几乎不变。其中，光电二极管11的阳极侧的电压变低与由第2电阻21引起的电压下降相应的量，但如前述，由于使第2电阻21的电阻值小到100Ω左右(或者也可以为其以下)，因此其电压下降较少，不会使光电二极管11的两端电压从适当工作点脱离，能够输出与输入光强度成比例的电流。

因此，即使输入如反转放大器12饱和那样的强度的光时，也能够得到与其强度成比例的输出电压Vout2。

反转放大器12的输出及差动放大器22的输出分别通过A/D转换器25、26与预定频率的计时C(相对于输入至光电二极管11的光强度变化足够高速的计时)同步采样，分别转换为数字值D1、D2而输出至有效值选择机构27。

有效值选择机构27将输入的数字值D1、D2存储于内部的缓冲器，选择进入适当范围(前述例子中为不到Vb(-)且Vb(-)/α以上的范围)内的值来当作有效值Dout，与倍率信息K一同输出。

在此，倍率信息K例如在作为有效值选择数字值D1侧时为表示倍率1的“0”的数据，作为有效值选择数字值D2侧时为表示倍率α(＝R1/R2)的“1”的数据。

接着，对上述结构的光电转换电路20的数值例进行简单说明。

例如，设为R1＝1MΩ、R2＝100Ω(α＝10000)、反转放大器12及差动放大器22的电源电压Vb(-)＝饱和电压＝-10V。另外，将由第2电阻21引起的电压下降计算在内，将光电二极管11的电源Va(+)设定得非常高(例如24V)。

如图2，在上述条件下，当光电二极管11的输出电流Ip在1nA～10μA的范围内变化时，反转放大器12的输出电压Vout1在-1mV(＝-1nA×1MΩ)～-10V(＝-10μA×1MΩ)的范围内与Ip成比例而变化。该范围的动作与以往技术相同。

另外，当光电二极管11的输出电流Ip在10μA～100mA范围内变化时，反转放大器12成饱和状态，其输出电压Vout1维持饱和电压的状态而不变化，但二极管23导通而将光电二极管11的阳极侧电压保持为大致零伏特(二极管的正向电位)的同时使光电二极管11的输出电流旁通。

因此，从光电二极管11继续输出与输入光强度成比例的电流，通过该电流在第2电阻21流过而产生的电压下降量体现在差动放大器22的输出电压Vout2。

因此，如图2所示，当光电二极管11的输出电流Ip在10μA～100mA的范围内变化时，差动放大器22的输出电压Vout2在-1mV(＝-10μA×100)～-10V(＝-100mA×100)的范围内与Ip成比例而变化。

图3是表示相对于该光电转换电路20的光电二极管11的输出电流的最终输出关系的图，在输出电流Ip为1nA以上且不到10μA的范围内，数字值D1×倍率1成为有效输出值，在输出电流Ip为10μA以上且不到100mA的范围内，数字值D2×倍率10000成为有效输出值，因此从整体来看覆盖Ip＝1nA～100mA的108倍(以功率换算，相当于80dB)的较宽范围。

另外，如前述，一并输出反转放大器12的输出与差动放大器22的输出，并仅选择输出其输出中属于适当范围的部分，因此，例如如图3所示，即使Ip(t)以通过量程边界10μA的方式变动，也能够无延迟地选择有效值并输出对应于其电流的电压信号Dout(t)。

(第2实施方式)

另外，在上述说明中，为了容易理解发明，设为选择反转放大器12和差动放大器22的输出中的任意一个作为有效值的结构，但本发明并不限定于此。

例如，在上述说明中，将运算放大器12a或差动放大器22的有效动态范围分别设为10000倍(以功率换算，为40dB)，并在双方得到相当于80dB的动态范围，但是考虑输入至A/D转换器的信号的直流漂移或噪声问题，为了使放大器的有效输出量程的下限(在前述例子中为-1mV)远离噪声级别，还可考虑如图4所示的结构。

即，在反转放大器12的后级并列设置增益A(例如，设为A＝100)的同相放大器31、增益1的同相放大器32(电压跟随器，可省略)，通过A/D转换器33、34将各个输出Vout3、Vout4转换为数字值D3、D4。

另外，在差动放大器22的后级也并列设置增益A(＝100)的同相放大器35、增益1的同相放大器36(电压跟随器，可省略)，通过A/D转换器将各个输出Vout5、Vout6转换为数字值D5、D6。另外，在此利用同相放大器31、32、35、36，但也可以利用反转放大器将向各A/D转换器的输入信号的电压转换为正极性。

在该电路中，例如，若与前述相同地将第1电阻12b的电阻值R1设为1MΩ，第2电阻21的电阻值R2设为100Ω(α＝10000)，则如图5所示，在光电二极管11的输出电流Ip为1nA～100nA的范围内，反转放大器12的输出Vout1在-1mV～-100mV的范围内与Ip成比例而变化，增益100的同相放大器31的输出Vout3在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化。

另外，光电二极管11的输出电流Ip在100nA～10μA的范围内时，反转放大器12的输出Vout1在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化，增益1的同相放大器32的输出Vout4在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化。

相同地，光电二极管11的输出电流Ip在10μA～1mA的范围内时，差动放大器22的输出Vout2在-1mV～-100mV的范围内与Ip成比例而变化，增益100的同相放大器35的输出Vout5在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化，光电二极管11的输出电流Ip在1mA～100mA的范围内时，差动放大器22的输出Vout2在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化，增益1的同相放大器36的输出Vout6在-100mV～-10V的范围内与Ip成比例而变化。

另外，光电二极管11的输出电流Ip超过10μA的范围内时，与前述相同地，反转放大器12饱和，但由于光电二极管11的输出电流经二极管23旁通，因此可继续得到与输入光强度成比例的电流。

各同相放大器31、32、35、36的输出分别通过A/D转换器33、34、37、38转换为数字值D3～D6，与前述相同地，输入至有效值选择机构27，选择其中进入适当范围(此时，绝对值为100mV以上且不到10V)内的部分作为有效值Dout，与倍率信息K一同输出。

在此，作为倍率信息K，设为2比特结构，例如在选择数字值D3作为有效值时输出表示倍率1的“00”的数据，在选择数字值D4作为有效值时输出表示倍率100的“01”的数据，在选择数字值D5作为有效值时输出表示倍率10000的“10”的数据，在选择数字值D6作为有效值时输出表示倍率1000000的“11”的数据。

如此，当在反转放大器12和差动放大器22的后级连接同相放大器31、32、35、36时，如图5所示，各同相放大器31、32、35、36的有效输出量程(即，向A/D转换器的有效输入量程)收敛在10V～100mV的比较狭窄的范围，不易受到直流漂移或噪声等的影响。

另外，由于以4个放大器(反转放大器12、差动放大器22、同相放大器31、35)分配输入量程，因此与仅以反转放大器12和差动放大器22的输出分配输入量程的结构相比，能够降低直流漂移或噪声等的影响的同时扩展动态范围。

上述实施方式的数值例也是仅仅一例，本发明并不限定于此。另外，由于增益1的同相放大器32、36是电压跟随器，因此可省略这些。

在上述电路中，第1电阻12b的电阻值R1与第2电阻21的电阻值R2之比α＝R1/R2＝10000，其相当于整个反转放大器12侧的输入量程的宽度(10μA/1nA＝10000)及整个差动放大器22侧的输入量程的宽度(100mA/10μA＝10000)，在该实施例中，以增益100和增益1的同相放大器覆盖各宽度，但只要使反转放大器侧和差动放大器侧的各输入量程的宽度对应于电阻比α＝R1/R2即可，在其他数值例中也能够进行相同的光电转换处理。

另外，在所述实施方式中，为从反转放大器12的输出和差动放大器22的输出中的任意一个或它们的放大输出中选择有效值并与倍率信息一同输出的结构，但输出方式为任意，可根据利用该光电转换电路的装置的处理方式进行各种变更。例如，还可考虑如下情况，以恒定时间通过A/D转换器将反转放大器12的输出和差动放大器22的输出转换为数字值并存储于存储器，对其存储的数据乘以相当于所述倍率的加权进行加法运算，从而求出入射光的强度。

Claims (1)

1.一种光电转换电路，其具备：

光电二极管(11)，阴极侧连接于电源的正侧，接受入射光并从阳极侧出射对应于其强度的电流；及

反转放大器(12)，由非反转输入端子接地的运算放大器(12a)及连接于该运算放大器的输出端子与反转输入端子之间的第1电阻(12b)构成，所述运算放大器的反转输入端子连接于所述光电二极管的阳极，输出绝对值等于所述光电二极管的输出电流与所述第1电阻的电阻值之积的电压；

其特征在于，进一步具备：

第2电阻(21)，具有小于所述第1电阻的电阻值，插入于所述电源的正侧与所述光电二极管的阴极之间；

差动放大器(22)，输出绝对值等于产生于所述第2电阻的两端的电位差的电压；及

二极管(23)，阳极侧连接于所述光电二极管的阳极及所述运算放大器的反转输入端子的连接点，阴极侧接地，当所述光电二极管的输出电流未达到使所述反转放大器的输出饱和的级别时，由于所述运算放大器的反转输入端子的电压低于二极管固有的正向电压下降而成为非导通状态，而当所述光电二极管的输出电流达到使所述反转放大器的输出饱和的级别时，由于所述运算放大器的反转输入端子的电压变得高于所述正向电压下降而成为导通状态，从而使所述光电二极管的输出电流旁通。

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