CN102916655A

CN102916655A - 光耦合装置

Info

Publication number: CN102916655A
Application number: CN2012100570097A
Authority: CN
Inventors: 日高美树; 佐仓成之
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102916655B; US20130032698A1; JP2013038161A; US8791442B2; JP5734784B2

Abstract

本发明提供一种能够在维持抗噪声特性的同时缩小半导体芯片的光耦合装置。具有发光元件、第一和第二光电二极管、第一和第二反相放大器及比较器。第一光电二极管将接收的光信号转换为第一电信号。第一反相放大器具有并联连接的第一反馈电阻和第一运算放大器，其输入端与第一光电二极管的阴极相连，从输出端输出第一信号。第二反相放大器具有并联连接的第二反馈电阻和第二运算放大器，输入端与第二光电二极管的阴极相连，从输出端输出第二信号。比较器接收第一和第二信号，输出比较放大后的信号。第一光电二极管的第一结电容与第一反馈电阻之积及第二光电二极管的第二结电容与第二反馈电阻之积被设定为相同值。第二结电容被设定为小于第一结电容。

Description

光耦合装置

关联申请的交叉引用

本申请以2011年8月5日申请的在先日本国专利申请第2011-171801号的优先权的利益为基础，且要求该利益，其内容整体通过引用在这里加以包含。

技术领域

这里说明的实施方式(多个方式)整体上涉及光耦合装置。

背景技术

光电耦合器等光耦合装置设有发光部和受光部。发光部位于输入侧，受光部位于输出侧。由受光部接收由发光部生成的光信号，并从该受光部输出转换为电信号后的信号。受光部上设置的放大器使用差动放大器和反相放大器等。

若光耦合装置的放大器使用作为反相放大器的互阻放大器(TIAtrans-impedance amplifier)，则容易受到电源噪声的影响。为了抑制电源噪声的影响，而设置伪(dummy)互阻放大器和伪光电二极管。光电二极管由于在光耦合装置中使用的半导体芯片中占有较大面积，所以若将伪光电二极管搭载在光耦合装置上，则有不能缩小半导体芯片的占有面积的问题。

发明内容

本发明的实施方式提供一种能够在维持抗噪声特性的同时缩小半导体芯片的光耦合装置。

根据一个实施方式，提供一种具有发光元件、第一光电二极管和第二光电二极管、第一反相放大器和第二反相放大器以及比较器的光耦合装置。

第一光电二极管具有与低电位侧电源相连的阳极和阴极，接收由所述发光元件生成的光信号，并将该光信号转换为第一电信号。第一反相放大器具有并联连接的第一反馈电阻和第一运算放大器。所述第一反相放大器的输入端与所述第一光电二极管的阴极相连。从所述第一反相放大器的输出端输出将所述第一电信号反转而得的第一信号。

第二光电二极管具有与所述低电位侧电源相连的阳极和阴极。第二反相放大器具有并联连接的第二反馈电阻和第二运算放大器。所述第二反相放大器的输入端与所述第二光电二极管的阴极连接，并从所述第二反相放大器的输出端输出第二信号。

比较器接收所述第一信号和第二信号，并将所述第二信号作为基准电压，来比较所述第一信号与第二信号，输出比较放大后的信号。

所述第一光电二极管的第一结电容与所述第一反馈电阻之积和所述第二光电二极管的第二结电容与所述第二反馈电阻之积被设定为同一值。所述第二结电容被设定为小于所述第一结电容。

根据上述的结构，可以在维持抗噪声特性的同时缩小半导体芯片。

附图说明

图1是表示第一实施方式的光耦合装置的结构的电路图；

图2是表示所述光耦合装置中使用的互阻放大器的结构和光电二极管的电路图；

图3是表示所述光耦合装置中使用的互阻放大器和光电二极管的等效电路图；

图4是表示伪光电二极管的芯片占有面积和伪互阻放大器的反馈电阻的芯片占有面积的和的变化相对所述光耦合装置中使用的伪光电二极管的面积变化的图。

图5是表示变形例中使用的互阻放大器的结构的电路图；

图6是表示第二实施方式的光耦合装置的结构的电路图；

图7是表示将第二实施方式的光耦合装置中使用的伪光电二极管替换为MOS电容时的芯片占有面积的变化的图。

具体实施方式

下面，参考附图来说明多个实施方式。

附图中，同一附图标记表示相同或类似的部分。

参考图1～图3来说明本发明的第一实施方式的光耦合装置。

图1是表示光耦合装置的结构的电路图。图2是表示互阻放大器的结构的电路图。图3是表示互阻放大器的等效电路图。

本实施方式中，将光电二极管的结电容与互阻放大器的反馈电阻之积及伪(dummy)光电二极管的结电容和伪互阻放大器的反馈电阻之积保持为相同值，同时缩小了半导体芯片。

如图1所示，光耦合装置90中设有发光部50和受光部60。光耦合装置90通过1次侧的发光部50将所输入的电信号暂时变换为光信号，并通过2次侧的受光部60再次变换为电信号。光耦合装置90是光电耦合器。本实施方式中作为其他光耦合装置还可适用于中断器。

发光部50设有发光二极管(LED：light emitting diode)13、端子Pad1和端子Pad2。向端子Pad1和端子Pad2输入电信号。发光二极管13将电信号转换为光信号。

受光部60中设有比较器1、作为第一反相放大器的互阻放大器2、作为第二反相放大器的伪互阻放大器3、作为第一光电二极管的光电二极管11、作为第二光电二极管的伪光电二极管12和端子Pado。这些元件作为集成电路形成在半导体芯片内。

光电二极管(PD)11的阳极与低电位侧电源(接地电位)Vss相连，光电二极管(PD)11的阴极与互阻放大器2的输入侧相连。光电二极管11将由发光二极管13生成的光信号转换为电信号，并输出转换为电信号后的信号S1。

互阻放大器(TIA)2设置在光电二极管11和比较器1之间。互阻放大器2中，并联配置运算放大器2a和反馈电阻Rfb1。反馈电阻Rfb1的一端与互阻放大器2的输入侧相连，反馈电阻Rfb1的另一端与互阻放大器2的输出侧相连。互阻放大器2输入信号S1，并输出反转放大后的信号S2。

伪光电二极管12的阳极与低电位侧电源(接地电位)Vss相连，伪光电二极管12的阴极与伪互阻放大器3的输入侧相连。伪光电二极管12通过例如铝板等来遮光。

作为第二反相放大器的伪互阻放大器3被设置在伪光电二极管12和比较器1之间。伪互阻放大器3中，并联配置运算放大器3a和反馈电阻Rfb2。将反馈电阻Rfb2的一端与伪互阻放大器3的输入侧相连，将反馈电阻Rfb2的另一端与伪互阻放大器3的输出侧相连。伪互阻放大器3生成作为比较器1的基准电压使用的信号S3。

互阻放大器2和伪互阻放大器3容易受到电源噪声的影响。为了避免电源噪声的影响，受光部60上设置的光电二极管11通常尺寸被设为与为产生基准电压而设置的伪光电二极管12相同。本实施例中，如后所述，缩小了构成受光部60的半导体芯片的尺寸。

比较器1被设置在互阻放大器2和伪互阻放大器3与端子Pado之间。向比较器1输入信号S2和信号S3。比较器1将信号S3作为基准电压来比较信号S2与信号S3，并将比较放大后的信号作为输出信号Sout经端子Pado输出。

互阻放大器2和伪互阻放大器3具有相同的电路结构。如图2所示，互阻放大器2和伪互阻放大器3中设有电流源14、NPN晶体管NT1、NT2、电阻R2和反馈电阻Rf。反馈电阻Rf对应于互阻放大器2的反馈电阻Rfb1或伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2。

NPN晶体管NT1的集电极与节点N1相连，基极与光电二极管(PD)的阴极相连，发射极与低电位侧电源(接地电位)Vss相连。电阻R2的一端与高电位侧电源Vcc相连，另一端与节点N1相连。反馈电阻Rfb1的一端与光电二极管(PD)的阴极和NPN晶体管NT1的基极相连，另一端与输出侧的节点N2相连。

NPN晶体管NT2的集电极与高电位侧电源Vcc相连，基极与节点N1相连，发射极与节点N2相连。电流源14的一端与节点N2相连，另一端与低电位侧电源(接地电位)Vss相连。电流源14向低电位侧电源(接地电位)Vss侧流过电流。该实施方式中，NPN晶体管NT1和NT2使用高频特性好的Si双极晶体管或SiGe双极晶体管。

互阻放大器2和伪互阻放大器3与光电二极管可以表示为图3所示的这种等效电路。

结电容Cp被标记为光电二极管11或伪光电二极管12的结电容。NPN晶体管NT2被标记为理想晶体管Q2。寄生电容C1被标记为理想晶体管Q2的集电极-基极间的寄生电容。等效电阻r1被标记为使NPN晶体管NT1为理想晶体管Q1(未标记)的情况下的厄利(Early)效应形成的等效电阻。负载电阻r2是将电阻R2表示为负载电阻而成的。电导系数gm被标记为理想晶体管Q1的电导系数。反馈电阻Rf的一端与输入电压v1侧的电路(结电容Cp)相连，另一端与输出电压vo侧的电路(晶体管Q2的发射极)相连。互阻放大器2和伪互阻放大器3容易受到电源噪声的影响。为估算电源噪声的影响，而标记了在高电位侧电源Vcc上添加的噪声电压vn。

理想晶体管Q1的集电极-基极间的寄生电容充分小，而为可忽视的水平。由于理想晶体管Q2的厄利效应形成的等效电阻并行连接到施加了负反馈的互阻放大器的输出端，所以阻抗低，对其他电路的影响小，所以可省略。

参考图3所示的等效电路，求出输出电压vo相对在高电位侧电源Vcc上添加的噪声电压vn的传导函数(vo/vn)。传导函数标记为复数频率s的函数。PSRR(power supply rejection ratio)用该传导函数(vo/vn)的倒数(vn/vo)表示。传导函数(vo/vn)表示为

\frac{vo}{vn} = \frac{C_{p} C_{1} R_{f} \times s^{2} + (C_{1} + \frac{C_{p} R_{f}}{r_{2}}) \times s + \frac{1}{r_{2}}}{C_{p} C_{1} R_{f} \times s^{2} + (C_{1} + \frac{C_{p} R_{f}}{(r_{1} / / r_{2})}) \times s + g_{m} + \frac{1}{(r_{1} / / r_{2})}} - - - (1) .

输出电压vo相对噪声电压vn的响应用上述的式(1)表示。作为光电二极管11和伪光电二极管12的结电容的结电容Cp与作为互阻放大器2和伪互阻放大器3的反馈电阻的反馈电阻Rf作为一对，在式中加以标记。因此，若结电容Cp和反馈电阻Rf之积相同，则对电源噪声的响应相同。其关系可以通过式子表示为

Cp1×Rf1＝Cp2×Rf2 (2)

。

将光电二极管11的结电容表示为Cp1，将伪光电二极管12的结电容表示为Cp2。根据上述式(2)，即使将互阻放大器2的反馈电阻Rfb1、伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2、结电容Cp1、结电容Cp2的关系设定为Cp1＞Cp2、且Rfb1＜Rfb2的关系，输出电压vo相对噪声电压vn的响应也相同。若输出电压vo的响应相同，则由于比较器1对噪声电压没有响应，所以可以维持与现有技术相同的抗噪声性。

一般来说，光电二极管的占有面积比电阻的占有面积大1位以上。因此，在边维持上述式(2)的关系边减小伪光电二极管12的占有面积时，能够缩小伪光电二极管12的占有面积+伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和。即，可以缩小形成这些元件的半导体芯片的面积。

参考图4来说明上述的占有面积缩小的效果。图4是表示伪光电二极管12的芯片占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的芯片占有面积之和的变化相对于伪光电二极管的面积变化的图。将伪光电二极管12和光电二极管11的占有面积相同的情况下的、伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻的占有面积之和表示为占有面积100％。

如图4所示，若将伪光电二极管12的占有面积减半(1/2)，则由于伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积的增加较少，所以伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和变为55％，可以减少45％的占有面积。

若将伪光电二极管12的占有面积减为(1/4)，则伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和变为38％，可以减少62％的占有面积。

若将伪光电二极管12的占有面积减为(1/8)，则伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和变为37％，可以减少73％的占有面积。即使占有面积为1/8，与占有面积为1/4的情形相比，减少效果稍微减小。

如上所述，本实施方式的光耦合装置中，在作为半导体芯片的受光部60上设置比较器1、互阻放大器2、伪互阻放大器3、光电二极管11、伪光电二极管12和端子Pado。光电二极管11和伪光电二极管12在光耦合装置90中占有较大的面积。将光电二极管11的结电容Cp1与反馈电阻Rfb1之积及伪光电二极管12的结电容Cp2与反馈电阻Rfb2之积设定为相同。进一步，使伪光电二极管12的结电容Cp2的占有面积减小，使反馈电阻Rfb2的占有面积增加。

因此，可以减小伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器的反馈电阻Rfb2的占有面积之和。因此，可以缩小光耦合装置90上装载的所述半导体芯片的占有面积。

本实施方式中，使用了具有反馈电阻Rfb1的互阻放大器2与具有反馈电阻Rfb2的伪互阻放大器3，但是也可在互阻放大器2和伪互阻放大器3上设置多个反馈电阻。例如，如图5所示的变形例的互阻放大器4那样，也可串联连接反馈电阻Rfb21和Rfb22加以使用。反馈电阻Rfb21和Rfb22设置在光电二极管PD的阴极和输出侧的节点N23之间，并向这些之间的节点N22供给电流Ib4。互阻放大器4中，在高电位侧电源Vcc和低电位侧电源(接地电位)Vss之间级联连接电阻R21、PNP晶体管PT21、PNP晶体管PT22、NPN晶体管NT22和NPN晶体管NT21。进一步，在高电位侧电源Vcc和低电位侧电源(接地电位)Vss之间级联连接电阻R22、NPN晶体管NT23和电流源21。

本实施方式中，由双极晶体管构成互阻放大器2，但是并非必然限于此。可以由例如CMOS、BiCMOS、或异质FET构成互阻放大器2。

参考附图来说明本发明的第二实施方式的光耦合装置。图6是表示该光耦合装置的结构的电路图。本实施方式中，将伪光电二极管替换为MOS电容。

如图6所示，在光耦合装置91上设有发光部50和作为半导体芯片的受光部61。光耦合装置91由1次侧的发光部50将所输入的电信号暂时转换为光信号后，由2次侧的受光部61再次变换为电信号。

本实施例的光耦合装置91是光电耦合器。作为其他光耦合装置可以使用中断器等。

受光部61中设有比较器1、互阻放大器2、伪互阻放大器3、光电二极管11、电容器C21和端子Pado。

电容器C1的一端与低电位侧电源(接地电位)Vss相连，另一端与伪互阻放大器3的输入侧相连。由例如铝板等来遮住对电容器C21的光。电容器C21具有MOS型结构，但是也可以是MIS型结构。所谓MOS型是指在硅基板上层积膜厚较薄的氧化硅膜(SiO₂)和金属或高浓度多結晶硅等的电极膜后形成的结构。所谓MIS型是指在硅基板上层积膜厚较薄且介电常数比氧化硅膜(SiO₂)大的绝缘膜例如氮化硅膜和金属或高浓度多结晶硅等的电极膜的层积结构。若将具有本实施方式的MOS型结构的电容器21代替第一实施方式的伪光电二极管12使用，则可以将占有面积减小为例如小于等于(1/30)。

参考图7来说明半导体芯片的占有面积的缩小效果。图7是用于说明将伪光电二极管替换为MOS电容时的占有面积的变化的图。

若图7所示，若将伪光电二极管12替换为具有MOS型结构的电容器C21，则与伪光电二极管12的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和为100％的情形相比，电容器C21的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积的和例如为9.7％，可以将占有面积减少90.3％。

如上所述，本实施方式的光耦合装置中，受光部61中设有比较器1、互阻放大器2、伪互阻放大器3、光电二极管11、电容器C21和端子Pado。将光电二极管11的结电容Cp1与反馈电阻Rfb1之积和电容器C21的容量与反馈电阻Rfb2之积设定为相同。进一步，具有MOS型结构的电容器C21与第一实施方式的伪光电二极管12相比，面积非常小。

因此，可以大幅减小电容器21的占有面积和伪互阻放大器3的反馈电阻Rfb2的占有面积之和。因此，可以缩小在光耦合装置91上装载的作为受光部61的半导体芯片的面积。

说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式仅作为例子来提示，不用于限定发明的范围。这些新的实施方式可以以其他各种方式来加以实施，可以在不脱离发明的精神的范围内进行各种省略、替换和改变。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和精神中，同时包含在权利要求书所记载的发明及其等价范围中。

Claims

1.一种光耦合装置，包括：

发光元件；

第一光电二极管，具有与低电位侧电源相连的阳极和阴极，所述第一光电二极管接收由所述发光元件生成的光信号，并将该光信号转换为第一电信号；

第一反相放大器，具有输入输出端、以及并联连接的第一反馈电阻和第一运算放大器，所述输入端与所述第一光电二极管的阴极相连，所述第一反相放大器从所述输出端输出将所述第一电信号反转而得的第一信号；

第二光电二极管，具有与所述低电位侧电源相连的阳极和阴极；

第二反相放大器，具有输入输出端、以及并联连接的第二反馈电阻和第二运算放大器，且所述第二反相放大器的所述输入端与所述第二光电二极管的阴极相连，所述第二反相放大器从输出端输出第二信号；以及

比较器，接收所述第一信号和第二信号，且将所述第二信号作为基准电压，来比较所述第一信号与第二信号，且输出比较放大后的信号；

其中，所述第一光电二极管的第一结电容与所述第一反馈电阻之积及所述第二光电二极管的第二结电容与所述第二反馈电阻之积被设定为相同值，且所述第二结电容被设定为小于所述第一结电容。

2.根据权利要求1所述的装置，还具有遮光板，可通过该遮光板进行朝向所述第二光电二极管的光的遮光。

3.根据权利要求1所述的装置，所述第一反馈电阻和第二反馈电阻中的至少一个分别由串联连接的多个电阻构成。

4.根据权利要求1所述的装置，所述第二光电二极管是伪光电二极管。

5.根据权利要求1所述的装置，至少将所述第一光电二极管和第二光电二极管与所述第一反相放大器和第二反相放大器形成在同一半导体芯片上。

6.根据权利要求1所述的装置，所述第一反相放大器和第二反相放大器分别由双极晶体管、CMOS、BiCMOS或HFET构成。

7.一种光耦合装置，包括：

发光元件；

光电二极管，具有与低电位侧电源相连的阳极和阴极，所述光电二极管接收由所述发光元件生成的光信号，且将该光信号转换为第一电信号；

第一反相放大器，具有输入输出端、以及并联连接的第一反馈电阻和第一运算放大器，所述输入端与所述光电二极管的阴极相连，且从所述输出端输出将所述第一电信号反转而得的第一信号；

电容器，具有与所述低电位侧电源相连的一端和另一端；

第二反相放大器，具有输入输出端、以及并联连接的第二反馈电阻和第二运算放大器，所述第二反相放大器的所述输入端与所述电容器的所述另一端相连，所述第二反相放大器从所述输出端输出第二信号；以及

比较器，接收所述第一信号和第二信号，且将所述第二信号作为基准电压，来比较所述第一信号与第二信号，输出比较放大后的信号，其中，

所述光电二极管的结电容与所述第一反馈电阻之积及所述电容器的电容与所述第二反馈电阻之积被设定为相同值。

8.根据权利要求7所述的装置，还具有遮光板，可通过该遮光板进行朝向所述电容器的光的遮光。

9.根据权利要求7所述的装置，所述电容器具有MOS型或MIS型结构。

10.根据权利要求7所述的装置，所述第一反馈电阻和第二反馈电阻中的至少一个分别由串联连接的多个电阻构成。

11.根据权利要求7所述的装置，所述电容器的所述电容设定为比所述光电二极管的所述结电容小。

12.根据权利要求7所述的装置，至少将所述光电二极管、所述电容器和所述第一反相放大器和第二反相放大器形成在同一半导体芯片上。

13.根据权利要求7所述的装置，所述第一反相放大器和第二反相放大器分别由双极晶体管、CMOS、BiCMOS或HFET构成。