DE602004000299T2

DE602004000299T2 - Fotoelektrische Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung

Info

Publication number: DE602004000299T2
Application number: DE602004000299T
Authority: DE
Inventors: Makoto Ohtsu-shi Sakaguchi
Original assignee: NEC Compound Semiconductor Devices Ltd
Current assignee: NEC Compound Semiconductor Devices Ltd
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: US6956195B2; DE602004000299D1; US20050045807A1; EP1510828A1; JP2005072924A; EP1510828B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung, die einen fotoelektrischen Strom, der durch ein lichtempfangendes Element erzeugt worden ist, in eine Spannung umwandelt und die Spannung als ein Binärsignal ausgibt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine fotoelektrische Strom/Spannungs-Wandlerschaltung, die einen durch ein lichtempfangendes Element erzeugten fotoelektrischen Strom in eine Spannung umwandelt, wie beispielsweise eine Fotodiode, und die Spannung als Binärsignal ausgibt, wird auf verschiedenen technischen Gebieten angewandt.
Beispielsweise wird die fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung in einer Lichtempfangsschaltung eines Fotokopplers verwendet, um einen Eingang und einen Ausgang als Fabrikautomation elektrisch zu isolieren. Der Fotokoppler versorgt ein lichtemittierendes Element (beispielsweise eine lichtemittierende Diode) an der Eingangsseite mit einem elektrischen Signal, um von dem lichtemittierenden Element ein Lichtsignal auf ein lichtempfangendes Element an der Ausgangsseite zu übertragen und gibt ein elektrisches Signal von dem lichtempfangenden Element aus.
Diese Art von fotoelektrischer Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung ist zu einer IC hergestellt und wird als Lichtempfangs-IC verwendet.
Im Folgenden wird eine fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 200 als eine herkömmliche Technik unter Bezug auf die 1 erläutert.
Die fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 200 hat eine Fotodiode 1, einen Verstärker 12, eine Referenzspannungsschaltung 16, eine Spannungsteilerschaltung 20 und einen Komparator 30. Hierbei ist eine Anode der Fotodiode 1 an Masse gelegt.
Der Verstärker 12 hat einen invertierenden Verstärker 13, an dessen nicht invertierenden Eingangsanschluss eine Spannungsquelle 15 (Spannung wird als „Vo" beschrieben) basierend auf der Massespannung eingegeben wird. Eine Kathode der Fotodiode 1 ist an den invertierenden Eingang angeschlossen und ein Rückkopplungswiderstand 14 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Rückkopplungswiderstand 14 geschaltet.
Die Referenzspannungsschaltung 16 hat einen nicht invertierenden Verstärker 17 als Operationsverstärker. Ein Offset-Widerstand 18 ist zwischen einen invertierenden Eingang und einen Ausgang geschaltet. Der invertierende Eingang ist über eine Konstantstromquelle 19 an Masse gelegt und der nicht invertierende Eingangsanschluss ist an den invertierenden Eingang des invertierenden Verstärkers 13 angelegt.
Für die Spannungsteilerschaltung 20 sind ein Widerstand 21 und ein Widerstand 22 in Reihe mit den Ausgängen des Verstärkers 12 und der Referenzspannungsschaltung 16 geschaltet. Der Reihenschaltungspunkt ist über einen Kondensator 23 an Masse gelegt.
Ferner ist der nicht invertierende Eingang des Komparators 30 an den Ausgang des Verstärkers 12 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Komparators 30 ist an die Verbindungspunkte vom ersten Widerstand 21 und zweiten Widerstand 22 angeschlossen.
Im Folgenden wird der Betrieb der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 200 mit einer solchen Konstruktion beschrieben.
Ohne Lichteingang an der Fotodiode 1 wird niemals ein fotoelektrischer Strom Ipd erzeugt.
Daher fließt der fotoelektrische Strom Ipd nicht durch den Rückkopplungswiderstand 14 im Verstärker 12. Als Ergebnis werden die Spannungen des Ausgangs und des invertierenden Eingangs im Verstärker 12 einander gleich und werden auch gleich der Spannung Vo des nicht invertierenden Eingangs des Verstärkers 12 durch einen virtuellen Kurzschluss.
Andererseits wird an der Referenzspannungsschaltung 16 eine Offset-Spannung Vos durch den Offset-Widerstand 18 und die Konstantstromquelle 19 erzeugt.
Es wird eine höhere Spannung als die Spannung des invertierenden Eingangs des invertierenden Verstärkers 13 als Referenzspannung Vref (= Vo + Vos) ausgegeben.
Die höhere Spannung, die ausgegeben wird, ist gemäß der Differenz der Offset-Spannung Vos versetzt.
Die Spannung zwischen den Ausgängen des Verstärkers 12 und der Referenzspannungsschaltung 16 wird durch die ersten und zweiten Widerstände 21 und 22 in der Spannungsteilerschaltung 20 geteilt, um eine Schwellwertspannung Vth zu entwickeln.
Wenn daher die Spannung Va = Vo am Ausgang des Verstärkers 12 ausgegeben wird, wird die Spannung durch den Komparator 30 mit der Schwellwertspannung Vth verglichen.
Hierbei ist die Ausgangsspannung Vo des Verstärkers 12 niedriger als die Schwellwertspannung Vth.
Als Ergebnis wird das Binärsignal auf dem niedrigen Pegel als ein Ausgangssignal Vout am Komparator 30 in der in der 1 gezeigten fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 200 ausgegeben.
Im Gegenteil hierzu wird der fotoelektrische Strom Ipd durch den Lichteingang an der Fotodiode 1 in Antwort auf die Lichtmenge erzeugt.
Der fotoelektrische Strom Ipd fließt durch den Rückkopplungswiderstand 14 in Richtung des invertierenden Eingangs vom Ausgang des invertierenden Verstärkers 13.
Als Ergebnis wird die Spannung des fotoelektrischen Stroms Ipd in eine Spannung Vr = Ipd × Rf (Rf bedeutet den Widerstandswert des Rückkopplungswiderstandes 14) zwischen den zwei Kanten des Rückkopplungswiderstandes 14 umgewandelt und dann wird die Spannung Va am Ausgang gleich Va = Vo + Vr. Wenn diese Spannung Va vom Ausgang des Verstärkers 12 an den Komparator 30 ausgegeben wird, wird die Spannung mit dem Schwellwert Vth von der Spannungsteilerschaltung 20 verglichen.
Wenn die Intensität des Lichteingangs an der Fotodiode 1 größer als ein gewisser Pegel ist, entwickelt sich die Spannung Va höher als der Schwellwert Vth, dann wird entschieden, dass ein Signal eingegeben worden ist.
Wenn im Gegenteil zu dem vorstehenden Fall kein Lichteingang vorhanden ist, wird als Ergebnis ein Binärsignal auf den hohen Pegel ausgegeben.
Andererseits ist die Menge des Lichteingangs an der Fotodiode 1 kleiner als ein gewisser Pegel, die Spannung Va wird niedriger als der Schwellwert Vth und dann wird ein Binärsignal mit dem gleichen Pegel wie im Fall ohne den Lichteingang ausgegeben (s. japanisches Patent JP B 3121339).
Die Betriebsweise der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben.
Die Ausgangsspannung Va des Verstärkers 12 variiert von Vo bis Vo + Vr, wie dies in der 2A gezeigt ist. Andererseits hat die Referenzspannung Vref keine Beziehung zu Ipd und ist gleich V₀ + Vos. Diese Referenzspannung Vref und die Ausgangsspannung Va werden durch den ersten Widerstand 21 und den zweiten Widerstand 22 geteilt und durch den Kondensator 23 verzögert und entwickeln die Schwellwertspannung Vth, wie dies in der 2A gezeigt ist.
2A zeigt den Zeitablaufplan unter der Bedingung, dass das Verhältnis von erstem Widerstand zu zweitem Widerstand ungefähr 1 : 2 ist, wie dies in der japanischen Patentschrift JP B 3121339 beschrieben ist. Der Ausgang am Komparator 30 ändert sich nach dem Ansteigen und Vorlaufen des Ausgangs Va des Verstärkers 12. Dann erhält das Ausgangssignal Vout des Komparators 30 die in der 2B gezeigte Form.
Für den Fall der herkömmlichen Schaltung 200 wird die Schwellwertspannung Vth unter Verwendung der Referenzspannungsschaltung 16 erzeugt, die den nicht invertierenden Verstärker und die Spannungsteilerschaltung aufweist, wobei die Chipgröße groß ist, so dass die Kosten für die Herstellung einer derartigen Schaltung hoch werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung zu schaffen, die an einem Komparator mit einem einfacheren Schaltungsaufbau einen nicht invertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang erzeugt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung ein Lichtempfangselement, das Licht empfängt, um einen Fotostrom zu erzeugen, einen Verstärker mit einem Eingang und einen Ausgang, der den Fotostrom in eine Spannung umwandelt, einen Rückkopplungswiderstand, der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist, einen Offset-Widerstand, der mit einem Anschluss an den Ausgang angeschlossen ist, eine Konstantstromquelle, die an einen anderen Anschluss des Offset-Widerstandes angeschlossen ist, und einen Komparator, der eine Spannung eines Verbindungspunktes zwischen Offset-Widerstand und Konstantstromquelle mit einer Referenzspannung vergleicht, um ein Binärsignal auszugeben, wobei die Referenzspannung eine Eingangsspannung des Verstärkers oder eine geteilte Spannung von einem Intermediärpunkt des Rückkopplungswiderstandes ist.
In der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung werden die Ausgangsspannung des invertierter Verstärkers oder die geteilte Spannung der Intermediärposition des Rückkopplungswiderstandes mit der Spannung verglichen, die erhalten wird, indem bewirkt wird, dass ein Konstantstrom durch den Offset-Widerstand fließt, der an den Ausgang des invertierten Verstärkers angeschlossen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein nicht invertierter Eingang und ein invertierter Eingang des Komparators in der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung durch eine einfache Schaltungsstruktur realisiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild der Lichtempfangs-IC gemäß einer herkömmlichen Technik;
2A und 2B sind Zeitablaufpläne zur Erläuterung der Funktionsweise der Lichtempfangs-IC gemäß 1:
3 ist ein Schaltbild der Lichtempfangs-IC gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4A und 4B sind Zeitablaufpläne zur Erläuterung der Funktionsweise der in der 3 beschriebenen Lichtempfangs-IC.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine erste Ausführungsform der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 100 hat eine Fotodiode 1, einen Verstärker 2, einen Offset-Widerstand 6 und einen Komparator 8. Hierbei ist eine Anode der Fotodiode an Masse angelegt.
Der Verstärker 2 verwendet einen invertierenden Verstärker 3, wobei an einem nicht invertierenden Eingang basierend auf der Spannung der Masse eine Spannungsquelle 5 eingegeben wird (Spannung wird als „Vo" beschrieben). Die Kathode der Fotodiode 1 ist an einen invertierenden Eingang angeschlossen und ein Rückkopplungswiderstand 4a und 4b sind zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang in Reihe geschaltet.
Eine Seite des Offset-Widerstandes 6 ist mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers 3 verbunden und die andere ist über eine Konstantstromquelle 7 an Masse gelegt. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 8 ist mit dem Verbindungspunkt von Offset-Widerstand 6 und Konstantstromquelle 7 verbunden.
Der invertierende Eingang ist auch mit dem Punkt zwischen den in Reihe geschalteten Rückkopplungswiderständen 4a und 4b verbunden.
Im Folgenden wird der Betrieb der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 100 mit einem solchen Aufbau beschrieben.
Ein fotoelektrischer Strom Ipd wird niemals ohne Lichteingang an der Fotodiode 1 erzeugt. Daher fließt der fotoelektrische Strom Ipd nicht durch die Rückkopplungswiderstände 4a und 4b des Verstärkers 2. Dann werden die Spannungen des Ausgangs des invertierenden Eingangs im Verstärker 12 gleich und werden auch gleich der Spannung Vo des nicht invertierenden Eingangs im Verstärker 2 durch einen virtuellen Kurzschluss.
Dann wird die Spannung Vo gleich einer Teilspannung Vb, als Spannung zwischen dem Rückkopplungswiderstand 4a und 4b, um an dem invertierenden Eingang des Komparators 8 als Schwellwert Vth (= Vo) eingegeben zu werden.
Andererseits ist der invertierende Verstärker 3 eine normale Operationsverstärkerschaltung und eine Ausgangsimpedanz ist grenzenlos nahe null. Daher kann ein Gleichstrompegel für die Ausgangsspannung Va des Verstärkers 2 nur verschoben werden, indem ein Konstantstrom von der Konstantstromquelle 7 zu dem Offset-Widerstand 6 fließt.
Als Ergebnis wird eine niedrige Spannung Vc (= Vo – Vos), die in Übereinstimmung mit der Offset-Spannung Vos durch den Offset-Widerstand 6 und die Konstantstromquelle 7 verschoben ist, am nicht invertierenden Eingang des Komparators 8 eingegeben.
Der Komparator 8 vergleicht die Spannung Vc (= Vo – Vos) und die Schwellwertspannung Vth (= Vo), und die Spannung Vc ist niedriger als die Schwellwertspannung Vth. Daher wird am Komparator 8 ein Binärsignal mit niedrigem Pegel als ein Ausgangssignal Vout ausgegeben.
Im Gegensatz hierzu wird der fotoelektrische Strom Ipd durch Lichteingang an der Fotodiode 1 in Übereinstimmung mit der Lichtmenge erzeugt.
Der fotoelektrische Strom Ipd fließt durch die Rückkopplungswiderstände 4a und 4c in Richtung des invertierenden Eingangs vom Ausgang des invertierenden Verstärkers 3.
Als Ergebnis wird der fotoelektrische Strom Ipd umgewandelt in die Spannung Vr = Ipd × Rf (Rf: Summe der Widerstandswerte der Rückkopplungswiderstände 4a und 4b).
Die Spannung Va am Ausgang im Verstärker 2 wird zu Va = Vo + Vr.
Die Spannung Va ist gemäß der Differenz der Offsetspannung Vos durch den Offset-Widerstand 6 und der Konstantstromquelle 7 versetzt und wird an dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 8 als niedrigere Spannung Vc (= Vo + Vr – Vos) eingegeben.
Andererseits wird die Spannung Vr zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 2 gemäß dem Widerstandsverhältnis des Rückkopplungswiderstandes 4a und 4b geteilt, um dies zur Spannung Vo zu addieren und wird eine Teilspannung Vb.
Die Teilspannung Vb wird an dem invertierenden Eingang des Komparators 8 als Schwellwertspannung Vth eingegeben.
Wenn die Menge des Lichteingangs an der Fotodiode 1 größer als eingewisser Pegel ist, entwickelt sich die Spannung Vc höher als der Schwellwert Vth, dann wird sie als die Eingabe eines Signals entschieden. Als Ergebnis wird im Gegensatz zu dem vorstehend genannten Fall ohne Lichteingang ein Binärsignal auf den hohen Pegel ausgegeben.
Andererseits ist die Menge des Lichteingangs an der Fotodiode 1 kleiner als ein gewisser Pegel, die Spannung Vc wird kleiner als der Schwellwert Vth und dann wird ein Binärsignal mit dem gleichen Pegel wie im Fall ohne Lichteingang ausgegeben.
Im Folgenden wird eine Funktionsweise der fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung 100 mit Bezug auf die in 4 gezeigten Kurven- und Liniendiagramme beschrieben.
Zu allererst ändert sich, wie in der 4A gezeigt, die Ausgangsspannung Va im Verstärker 2 im Bereich von der Spannung Vo + Vr auf Vo entsprechend der Stärke des fotoelektrischen Stroms.
Die in der 4A gezeigte Spannung Vc ist diejenige, bei der der Pegel der Ausgangsspannung Va gemäß der Differenz der Offset-Spannung Vos versetzt ist.
Da andererseits die Spannung Vr (= Ipd × Rf) entsprechend dem fotoelektrischen Strom Ipd gemäß dem Widerstandsverhältnis der Rückkopplungswiderstände 4a und 4b geteilt wird, wird die Teilspannung Vb in den Pegel der Summe dieser geteilten Spannung und der Spannung Vo geändert, um die Schwellwertspannung Vth wie in 4A gezeigt zu bilden.
Auf diese Weise wird der Ausgang des Komparators 8 schnell unmittelbar nach dem Ansteigen und Vorlaufen des Ausgangs des Verstärkers 2 geschaltet, so dass der Pegel des Ausgangssignals Vout am Komparator 8 so wie die in der 4B gezeigte Liniengrafik beschrieben werden kann.
In der bis hierher beschriebenen fotoelektrischen Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Teilspannung Vb, die vom Intermediärpunkt der Rückkopplungswiderstände gewonnen wird, als Schwellwertspannung Vth im Komparator 8 verwendet werden und wird mit der Spannung Vc verglichen, die gewonnen wird, indem der Konstantstrom zu dem Offset-Widerstand 6 fließt, der mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers 3 verbunden ist.
Daher kann die fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung durch einen einfachen Schaltungsaufbau erzielt werden, ohne dass ein geteilter Widerstand zum Erzeugen einer Schwellwertspannung, die am Komparator einzugeben ist, und ein nicht invertierenden Verstärker in der Referenzspannungsschaltung, wie beispielsweise bei der herkömmlichen Schaltung verwendet wird.
Anzumerken ist, dass für den invertierenden Eingang des Komparators 8 die Intermediärspannung des Rückkopplungswiderstandes die Spannung an dem invertierenden Eingang im invertierenden Verstärker 3 substituieren kann. In diesem Fall ist die Schwellwertspannung Vth bei einem Pegel der Spannung Vo konstant.
Der Verstärker 2 gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch wie folgt gebildet sein. Das heißt, eine Source des Nch-MOS-Transistors ist an Masse gelegt und eine Konstantstromquelle ist zwischen den Drain und einen Netzversorgungsspannungsanschluss geschaltet. Der Verbindungspunkt des Drains und der Konstantstromquelle wirkt als ein Eingang der nächsten Stufe für die Verstärkung. Solche mehrere Verstärkerstufen werden in Reihe geschaltet, um einen invertierenden Verstärker zu bilden, und der Rückkopplungswiderstand ist mit dem Eingang an der ersten Stufe und dem Ausgang der letzten Stufe verbunden.
Wenn es im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform weiterhin notwendig ist, den Ausgang des Binärsignals zu invertieren, sollte die Spannung Vc an dem invertierenden Eingang eingegeben werden und die Schwellwertspannung Vth an dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 8 eingegeben werden.
Die fotoelektrische Strom- und Spannungs-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer Infrarotstrahlen-Kommunikation, bei einer optischen Empfängerschaltung wie beispielsweise einer Glasfaserkabel-Kommunikation, einer Fotodetektorschaltung, die ein Laser-reflektiertes Lichtsignal in ein elektrisches digitales Signal umwandelt, das bei einer jüngsten optischen Disk-Vorrichtung verwendet wird, angewandt werden.

Claims

Photoelektrische Strom/Spannungs-Wandlerschaltung mit: Einem Lichtempfangselement, das Licht empfängt, um einen Photostrom zu erzeugen; einem Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der den Photostrom in eine Spannung umwandelt; einem Rückkopplungswiderstand, der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist; einem Offset-Widerstand, der mit einem Anschluss an den Ausgang angeschlossen ist; einer Konstantstromquelle, die an den anderen Anschluss des Offset-Widerstandes angeschlossen ist; und einem Komparator, der eine Spannung eines Verbindungspunktes zwischen Offset-Widerstand und Konstantstromquelle mit einer Referenzspannung vergleicht, um ein Binärsignal auszugeben, wobei die Referenzspannung eine Eingangsspannung des Verstärkers oder eine geteilte Spannung von einem Intermediärpunkt des Rückkopplungswiderstandes ist.