JP2002124827A - 局部発振器およびその使用方法 - Google Patents

局部発振器およびその使用方法

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JP2002124827A JP2001227484A JP2001227484A JP2002124827A JP 2002124827 A JP2002124827 A JP 2002124827A JP 2001227484 A JP2001227484 A JP 2001227484A JP 2001227484 A JP2001227484 A JP 2001227484A JP 2002124827 A JP2002124827 A JP 2002124827A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成部品のバラツキや周囲の変化に影響され
ず、構成部品数および電力消費量が少なくて足り、周波
数を安定化させた局部発振器を提供する。 【解決手段】 逆方向にバイアスされた(第1の)アバ
ランシェフォトダイオード(APD2)に入射する光信
号によりこの(第1の)アバランシェフォトダイオード
から生成される(第1の)受信信号と直接混合する狭帯
域の高周波信号を生成する局部発振器であって、(第1
の)アバランシェフォトダイオード(APD2)の空乏
層容量(CAPD )が制御可能な高周波共振回路に設けら
れており、高周波信号を形成するこの共振回路の共振周
波数は、基準発振器(6)により駆動される制御ユニッ
トの選択可能な調節により決定させるようになっている
局部発振器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、逆方向にバイアス
されたアバランシェフォトダイオード(APD)を介し
てAPDに当接する光信号から生成される受信信号と直
接信号混合するために、狭帯域の高周波信号(HF信
号)を生成するための局部発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】アバランシェフォトダイオード(AP
D)は、特に繊細な光電子的な測定システムにおいて使
用される。すなわち、たとえば100メートルまでの距
離を数ミリメートルの精度で光電子的に測定すること
は、多数の使用にとって、特に建設工業や設備建設にお
いて、極めて重要である。この種の距離測定システムの
動特性は、微弱な光受信信号も強いそれも処理できるよ
うにするために、できるだけ高くすべきである。それに
よって、基準場所からのその距離を定めるべき対象にお
いて定められた目標マークを使用することが、いらなく
なる。所定の表面において直接、すなわち目標マークな
しで、距離測定が可能になることは、特に上述した技術
領域とブランチにおいて、同時に製造誤差を減少させな
がら、減少された製造時間とコスト節約を可能にする。
【0003】要請される高い動特性を保証することがで
きるようにし、かつ微弱な測定信号を検出するために、
敏感なAPDの使用はどうしても不可避であって、かつ
原理的には高精度の光電子的距離測定のための方法と装
置において知られてもいる。多くの場合に、距離測定装
置においては、光源、特にレーザーダイオードの、好ま
しくはサイン形状の輝度変調されたビームが測定対象へ
向けられる(欧州特許第0701702号、ドイツ国特
許公開第19643287号、米国特許第440385
7号明細書を参照)。測定対象から戻るように散乱され
た輝度変調された光は、フォトダイオードによって検出
される。測定すべき距離は、測定対象から戻るように散
乱されたサイン形状に変調された輝度の、求められた光
源の輝度に関する位相シフトから得られる。高精度の距
離又は位相測定システムにおいて温度および経時変化並
びに受信出力に依存する位相エラーを除去するために、
米国特許第4403857号に対する改良としてのドイ
ツ特許出願公開第10006493.1号では、メイン
エミッターおよび基準エミッターの輝度を同時に種々の
変調周波数で変調し、かつメイン受信機および基準受信
機としてAPDを使用することにより、メインエミッタ
ーの輝度変調周波数を有する信号と基準エミッターの輝
度変調周波数を有する信号とを含む信号混合を生成する
ことが、提案された。このようにして生成された2つの
信号の位相を同時に測定し、かつ中間周波数領域におい
て2つの位相を分離することによって、一義的な距離説
明を有する障害のない距離測定が可能である。
【0004】距離と技術的測定対象表面が大きい場合、
従って目標マークを使用しない場合には、極めて弱い信
号を考慮にいれなければならないので、敏感なAPDの
使用が必要であって、そのAPDはたとえばPINフォ
トダイオードに比較して、入射する光出力によって生成
される光電流の付加的な内部増幅をもたらす。この内部
増幅は、高い電場強さがその中に存在する、APDのな
だれゾーンにおける電荷担体の多数倍増からもたらされ
る。この場の強さによって、光入射によって生成される
電荷担体は著しく加速されるので、電荷担体はその高い
エネルギ状態により他の電荷担体をAPDの半導体材料
から遊離させ、それが光電流の付加的な増幅をもたら
す。
【0005】APDのなだれゾーン内で高い電場強さを
発生させるためには、逆方向の高い電圧が必要とされ
る。それは、それぞれAPDの種類に応じ、40Vから
500Vの領域にある。光電流の典型的な増幅係数は、
10と200の間にある。その増幅係数は、それぞれの
半導体材料(たとえばSi、InGaAs)、フォトダ
イオードの構造、逆電圧および温度に著しく依存する。
【0006】特に技術的な表面における、上述した種類
の光電子的な距離測定における、すでに延べた問題は、
微弱な信号の検出である。その場合には、測定システム
内に極めてわずかな障害となる電子的ノイズおよび光送
信機(レーザー)からフォトダイオード受信機への極め
てわずかな電気的クロストーク(たとえば<110d
B)しか存在してはならない。
【0007】わずかなクロストークと外部の障害場(無
線場、デジタル障害)のできるだけ小さい結合を保証す
るために、受信機内で、たとえばすでに延べた米国特許
第4503857号から、かつセタ、オオイシ(K.S
eta、T.Oh’Ishi)の専門論文「レーザーダ
イオードから放出されるパルストレインを使用する距離
測定(Distance Measurement U
sing a Pulse Train Emitte
d from a Laser Diode)」日本応
用物理ジャーナル(Japanese J.of Ap
pl. Physics)第26巻、第10号、L16
90−L1692ページ、1987年10月から知られ
ており、かつ同様にすでに延べたドイツ国特許出願公開
第10006493.0号にも特殊な好ましい変形例に
おいて提案されているような、直接信号混合方法を使用
することができる。この種の直接混合においては、AP
Dの逆電圧に、局部発振器の周波数fLOと1Vよりも大
きい振幅の、(好ましくは)正弦波形状の信号が重畳さ
れるので、逆電圧によってAPDの増幅係数M、すなわ
ちその内部電流源も変調される。その場合にAPDの出
力電流については、第1近似においてiAPD (t)=M
(t)・iFOTO(t)が成立し、ここでM(t)は時間
tに関係する変調されたAPDの増幅度であり、iFOTO
(t)は、光入射により生成された内部の光電流を表わ
している。APDの増幅度と内部の光電流との間の非線
形の関係によって混合信号、すなわち中間周波数信号
(ZF信号)が発生し、その中間周波数信号は局部発振
器の周波数fLOと変調された、検出された光出力の周波
数fMESSの間の周波数差により発振する。
【0008】従って周波数変換は、APDの内部の電流
源内で行われる。低域通過フィルタリングによってより
高い周波数成分が除去される。APDの出力信号、すな
わちZF信号は、(比較的)低周波であって、従って問
題なくさらに処理される。混合プロセスはAPDのチッ
プの内部で行われるので、混合装置の構造大きさは、典
型的には使用される変調波長よりも3から4桁だけ小さ
い。それによって外部の電磁的な障害出力の混信と電気
的なクロストークは、ほぼ無視される。混信された障害
出力は、原則的に増大されたノイズももたらす。従って
上述した手段によってノイズ特性も著しく改良される。
また、直接混合からもたらされるZF信号は、通常比較
的極めて低周波であり、たとえば10kHzから100
kHzであることも、効果的である。この周波数領域に
おいては、障害混信は予測されない。その他の電子的な
構成素子の寄生的な特性も、この低周波においては、無
視できる。APDの出力信号は、ZF領域にあるので、
局部発振器の他の受信部分においては他の高周波構成部
品は必要とされない。従ってこの種のAPDを搭載した
光電子的な距離測定システムの製造コスト、あるいはま
た電流消費は、劇的に減少する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしその場合に本発
明の課題となる問題が生じる。通常はできるだけ小さい
バッテリにより、望ましくはできるだけ少ない電力消費
量で駆動すべき距離測定器に用いられ、後段に50オー
ムHF増幅器が接続されたPLL(位相ロックループ)
発振器は、周波数混合のための局部発振器信号を生成す
るためには全く、あるいは不満足な結果でしか使用でき
ない。アバランシェフォトダイオードは純粋な容量性負
荷であるが、このHF増幅器は安定した駆動のためには
低オームの50オーム信号端子を必要とするので、増幅
器のためには出力消費と結びついた強制的な整合を行わ
なければならない。そのために、たとえば2Vの振幅が
望ましい場合いは、たとえば40mWのHF出力が必要
となる。しかしこれは、得ようと努力されているわずか
な電流消費では、実現できない。
【0010】上述したK.セタ他の専門論文によれば、
必要なHF増幅器の信号端子整合のために、高周波変成
器が使用される。しかし、実際においては、これも同様
に問題であることが明らかにされた。というのは、必要
とされる局部発振器の高い周波数のために(たとえば1
GHz)1:2の電圧変換比しか使用できず、変成器の
使用によりさらに著しいEMI問題が発生したからであ
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく解決にお
いては、逆方向にバイアスされたアバランシェフォトダ
イオード(APD)に入射する光信号から生成される
(第1の)受信信号と直接混合するための狭帯域のHF
信号を生成する局部発振器が設けられ、APDの空乏層
容量が制御可能なHF共振回路に設けられ、HF信号を
形成するこもHF共振回路の共振周波数は、基準発振器
により駆動される制御ユニットの選択可能な調節によっ
て決定されるようにする。
【0012】本発明は、同時に直接混合器として用いら
れるAPDの空乏層容量を発振を(一緒に)定める素子
として、特にPLL安定化HF発振器内へ取り入れる、
という考えに基づいており、その場合に特にLC発振器
が興味の前景にある。このPLLにより安定化された駆
動によって、測定信号として使用される受信信号との混
合のために必要とされる、局部発振器信号の要請される
狭帯域性が保証されるだけではない。電力消費量を比較
的わずかにした場合においても、電圧振幅を比較的高く
しうる。その場合に、PLL回路の調節可能な分周比
は、基準発振器の周波数と共に、HF共振回路の固有周
波数を定める。
【0013】特に効果的で簡単な解決は、HF共振回路
がLC共振回路として構成されており、その共振周波数
は、空乏層容量に対して並列または直列に接続され、か
つPLL回路によって制御可能な容量、特に容量性ダイ
オードによって調節される場合に、得られる。それに代
わる、あるいは補足する可能性は、周波数的に制御可能
な、APDの空乏層容量に対して並列または直列のHF
共振回路を、制御可能なインダクタンスによって実現す
ることにあって、その場合にたとえばインダクタンスと
して作用する制御可能なトランジスタが考えられる。
【0014】APDの空乏層容量がその中へ取り入れら
れる、HF共振回路は、直接制御可能な、あるいは制御
可能な容量および/または制御可能なインダクタンスを
付加的に使用して制御可能な、共振器によっても実現す
ることができる。この種の共振器としては、たとえばク
ォーツ、誘電セラミック共振器、空胴共振器または出力
共振器が考えられ、その等価回路は、当業者によく知ら
れているように、LC回路に相当する。
【0015】本発明の好適な形態は、従属請求項に記載
されており、以下で図1から7を参照して本発明の実施
例の説明との関連において詳細に説明する。
【0016】
【発明の実施の形態】まず、図1を参照する。オーム抵
抗Rを介して、たとえば測定信号受信機として用いられ
るAPD2に高電圧が逆方向に供給される。APD2の
空乏層容量CAPD に対して、容量性ダイオード3の容量
CとインダクタンスLとがHF信号に関して並列に接続
されている。この回路配置は、LC並列共振回路を形成
し、そのLC並列共振回路は無負荷においてはその共振
周波数で駆動される。APD2の陰極側の点、容量性ダ
イオード3、インダクタンスL、インダクタンスL、H
F増幅器4の出力端のそれぞれの間の回路内に存在して
いる結合容量CK は、共振周波数を有する信号に対し短
絡回路となる。これらは単に、当業者にとって周知のよ
うに、APD2、容量性ダイオード3およびインダクタ
ンスLに印加すべき種々の直流電圧を減結合するために
用いられる。直接APD2内で形成される混合信号であ
る、APD2の受信信号と、本発明に基づくLC発振器
を介して生成される狭帯域のHF信号とから得られるZ
F信号は、APD2の陽極側の低域通過フィルタ7を介
して取り出される。低域通過フィルタ7は、たとえばH
F信号にとって、すなわちAPD2の受信信号と、LC
発振器からもたらされる局部発振器信号にとっては、ア
ースへの容量的な短絡回路となることができるが、その
場合にZF信号は阻止されずに通過することができる。
さらに、低域通過フィルタ7によって、APD2の陽極
は比較的高オームの抵抗を介してアースへ接続されてい
るので、この陽極の直流電圧成分はほぼ0ボルトとな
る。
【0017】たとえば高周波トランジスタの形式のHF
増幅器4は、当業者にとっては原理的に知られているの
でここで詳しく説明する必要のない帰還回路網5と相俟
って、LC発振器の確実な発振開始を可能にする。さら
に、このようにして、損失が補償され、かつ一定の振幅
の発振が保証される。逆方向に接続された容量性ダイオ
ード3の容量Cは、それに印加される逆電圧に依存す
る。LC発振器信号の小さい成分は、増幅器4の出力信
号と一緒にPLL回路1へ供給され、その中でLC発振
器信号の周波数はたとえば分周器によって下げられ、次
に基準発振器6によって生成された位相固定の基準発振
器信号と位相位置に関して比較される。PLL回路1
は、容量性ダイオード3の逆電圧の変化によって、ダイ
オード容量Cとそれに伴なうLC発振器の共振周波数と
を、周波数減少されたLC発振器信号と基準発振器信号
との間で位相が同一となるように、制御する。この場合
にLC発振器の共振周波数は、PLL回路1の分周器の
調節可能な分周比と基準発振器6の周波数とに依存する
目標値をとる。その場合に、基準発振器6が、システム
全体の、従って特に、たとえば光電子的な距離測定装置
の、共通のマザー発振器とするのが効果的である。
【0018】本発明にとって重要なことは、LC発振器
の共振周波数が、PLL回路1の自由に選択可能な分周
比と基準発振器6の周波数とのみに依存することであ
る。すなわち、LC発振器の共振周波数は、特に、構成
要素の著しいばらつきと結びつくおそれがあるとともに
温度、電圧および受信出力に関係するAPD2の空乏層
容量CAPD には依存しないようにすることが重要であ
る。容量性ダイオード3の制御可能な容量Cによって、
APD容量CAPD の変動は、完全に補償される。
【0019】温度および受信機出力に依存するAPD2
の容量変動は、局部発振器の位相特性に影響を及ぼすと
ともに、それに伴ってAPD2を介して得られる、中間
周波数領域における受信信号の、特に測定信号の、位相
特性にも影響を及ぼすので、同時にそれによってもたら
される距離測定エラーも除去される。従って障害となる
周囲条件とは関係なく、自動的に常に定められたシステ
ム状態が生じる。他の障害となる寄生的な回路容量も、
補償される。
【0020】さらに、共振周波数においては、インダク
タンスLの並列回路によって、特に構成要素のばらつ
き、温度、APD逆電圧および受信出力に関係なく、回
路容量が低域通過を制限する影響を除去する。これが、
回路の上方の限界周波数の増大をもたらす。
【0021】PLL回路1のプログラミング可能な分周
比によって、上述の定められた狭帯域のシステム状態
が、PLL回路1の周波数捕捉領域内にある任意の周波
数において実現される。
【0022】選択的な可能性として、PLL回路を図2
に示すデジタルの制御回路によって代用することができ
る。その場合にLC発振器によってもたらされる局部発
振器信号の周波数の実際値は、周波数カウンタ20によ
って基準発振器信号を用いて常に測定されて、次に制御
ユニット21へ供給される。制御ユニット21は、好ま
しくはデジタル計算機、従ってたとえばマイクロコント
ローラまたは信号プロセッサによって形成される。常に
測定される周波数実際値に基づいて、制御ユニット21
は制御アルゴリズムを介してデジタル−アナログ変換器
22によって適切な制御電圧を生成し、その制御電圧が
容量性ダイオード3へ供給されるので、共振周波数は予
め定められて安定化された目標値をとる。従ってLC共
振器変量、空乏層容量CAPD およびインダクタンスLに
おける変動は、制御アルゴリズムによって制御電圧を介
して変化される、容量性ダイオード3の容量Cによって
補償される。
【0023】また、制御されないシステムも考えられ
る。その場合には共振周波数は、デジタル−アナログ変
換器22を有する制御ユニット21によって生成され
る、容量性ダイオード3の制御電圧を介して大まかに調
節され、その場合にたとえばテーブル値を基礎にするこ
とができる。共振周波数の変動は、補償されない。すな
わち制御アルゴリズムは使用されない。しばしば調節さ
れた周波数値は予め設定された目標値には大体において
しか一致せず、すなわち目標値からのわずかな一定の偏
差および時間的な変動が許されている。しかし定められ
た時点における共振周波数ないしは局部発振器周波数の
実際値は、後の計算のためには正確にわかっていなけれ
ばならないことが多い。従って周波数カウンタ20によ
って周波数の実際値が測定されて、制御ユニット21へ
供給される。
【0024】図3は、LC発振器の変形例を示してい
る。容量性ダイオード3の容量Cは、APD2の空乏層
容量に対して直列に接続されている。この直列回路は、
インダクタンスLと共に並列共振回路を形成する。イン
ダクタンスLを介して容量性ダイオード3の陽極は、直
流電圧的に0ボルトに、すなわちアースに接続される。
PLL回路1の正の制御電圧は、容量性ダイオード3の
陰極に再び供給される。
【0025】図4は、インダクタンスL、容量性ダイオ
ードの容量CおよびAPD空乏層容量CAPD からなる他
の直列発振回路を説明している。インダクタDrを介し
て、容量性ダイオード3の陽極は直流電圧的にアース電
位に接続される。
【0026】図3および4に示す配置の利点は、比較的
大きいダイオード容量C(たとえばCAPD の10倍大き
い)が必要な場合に、図1又は2に示す接続におけるよ
りも容量性ダイオード3を介して電圧振幅が小さくなる
ことである。振幅が大きい場合には、容量性ダイオード
3は局部発振器信号の半波において順方向に接続され
る。それによって振幅が制限され、局部発振器信号内に
強い高調波成分が発生する。従って容量性ダイオードに
おける振幅を減少させるために、図1の実施例において
は、ダイオード容量Cに対して通常さらに他の容量(図
示せず)を直列に接続しなければならない。これは、容
量性の分圧器に相当する。しかしこの手段によって、こ
の直列回路の実効容量は小さくなるので、共振回路の同
調可能な周波数領域も制限される。
【0027】特に図4に示す配置においては、供給線か
らもたらされるAPD2、容量性ダイオード3および結
合コンデンサの寄生的な誘導成分が、同様にLC発振回
路内に結合されていることが、効果的に作用する。従っ
てわずかな寄生共振が発生するので、それが同調領域に
ポジティブに作用する。
【0028】図3および4に示す配置において注意すべ
きことは、容量性ダイオード3の可変の容量CとAPD
2の空乏層容量CAPD の直列回路によって、たとえば2
pFの小さい空乏層容量によって、実効共振器容量の可
変の領域、すなわちCとCAP D との直列回路を、図1に
示す回路におけるように極めて小さくすることができる
ことである。それによって、発振回路の周波数同調領域
は制限される。さらに、APD2における電圧の振幅
は、CとCAPD とからなる容量性の分圧器によって、容
量Cが可変であることによりPLLの制御電圧に依存す
る。
【0029】図5は、図1に示す原則的な回路配置のさ
らに補足された変形例を示している。この回路配置にお
いては、上述したPLLにより安定化されたLC発振器
は、この場合には光電子的な距離測定器の基準受信機と
して用いられるAPD2の第1の空乏層容量CAPD
R、測定信号受信機として使用されるAPD10の空乏
層容量CAPD 、M、容量性ダイオード3の容量Cおよび
インダクタンスLのHF信号的な並列回路によって形成
される。基準受信機のAPD2は、レーザーダイオード
送信機(図示せず)から放出されたサイン形状の輝度変
調された光を、既知の光学的ルート長さを有する基準区
間の通過直後に受信する。測定受信機のAPD10は、
離れた対象から戻るように散乱された同様にサイン形状
に輝度変調された光を検出する。APD2、10内で生
成された2つの電気的な信号は、LC発振器からもたら
される局部発振器信号との直接混合によって、(比較
的)低周波の中間周波数領域へ変換される。付設されて
いる低域通過フィルタ7又は11を介してZF基準信号
ZFR又はZF測定信号ZFMが抽出される。2つの中
間周波数信号の位相差を定めることによって、測定すべ
き距離を求めることができる。レーザーダイオード送信
機によって形成される位相エラーは、この差形成によっ
て除去される。その点で、すでに述べてあり、かつドイ
ツ特許出願第10006493.0号に記載されている
光電子的な距離測定装置を参照することができる。
【0030】測定受信機のAPD10と基準受信機のA
PD2の増幅係数をその空乏層電圧を介して個別に調節
可能であるようにしなければならないことが、重要では
ない場合には、2つのAPDは図6の実施例に示すよう
にHF信号に関しても直流電圧に関しても並列に接続さ
れる。
【0031】図5又は6に示す回路配置において決定的
なことは、測定分岐のAPD10と基準分岐のAPD2
とのHF信号的な並列回路によって、APDの内部抵抗
が無視できる場合には、局部発振器の共通の電圧信号が
APD2および10のそれぞれの空乏層へ同位相で伝達
されることである。シリコンAPDにおける内部抵抗
は、通常は0.1Ωよりも小さいので、この前提は実際
においても与えられている。局部発振器信号の位相は、
並列回路C||CAPD,R ||CAPD,M の合計容量によっての
み影響を受け、周囲の影響や構成要素のばらつきに依存
するAPD2および10の個々の空乏層容量によっては
影響を受けない。直接混合においては、混合プロセスは
それぞれのAPDの内部の電流源内で行われるので、高
周波の受信信号も、該当するAPDの空乏層容量や他の
外部の寄生的な容量によっては影響を受けない。さら
に、周波数変換されたZF信号は、周囲の影響や構成要
素のばらつきに依存する空乏層容量がそれについて何の
役割も果たさない程度に、低周波である。
【0032】従って距離測定器の場合には、測定分岐の
APD10と基準分岐のAPD2は、同一の局部発振器
によって供給を受け、かつ合計容量の変動は2つの分岐
について等しく作用するので、それぞれのZF信号の位
相の差を形成することによって、所定の限界内でエラー
補償を行うことができる。極めて正確な補償は、もちろ
ん不可能である。というのは、局部発振器信号のための
APDの結合容量と接続端容量は他の、しかし極めてわ
ずかな、位相エラーを含んでいるからである。それぞれ
のAPDの空乏層内の電荷担体の異なるドリフト時間に
より生じる、受信信号内の位相変化も、補償されない。
しかし、それにもかかわらず図5又は6に示す回路配置
の使用によって、著しい位相エラー源、すなわち空乏層
容量の特性を除去することができるので、特に光電子的
な距離測定においてエラーの減少が達成される。
【0033】しかし効果的なのは、これが回路の高周波
信号にとってのみ当てはまり、あまり重要ではない低周
波のZF−信号にとっては当てはまらないことであっ
て、そのZF信号にとっては寄生的な容量は大体におい
て無視できる。しかしそれを増幅するために、通常は測
定分岐と基準分岐内で中間周波数増幅器が使用される。
信号振幅が著しく異なる場合には、場合によっては増幅
も異なるように選択されなければならないので、信号位
相は両方の分岐において異なるように影響を受ける可能
性がある。ZF増幅器(図示せず)の個体のばらつき
は、付加的なエラーをもたらすおそれがある。その場合
にこの位相エラーは、計算機的に考慮しなければなら
ず、あるいはドイツ特許出願第10006493.0号
に記載されているような装置によって、自動的に除去さ
れる。
【0034】特に効果的なことは、インダクタンスLが
ZF信号にとって良性の短絡となり、それによって基準
信号分岐から測定信号分岐へのZF信号のクロストーク
が著しく減少されることである。その場合にそれぞれの
容量性ダイオードとLC発振回路による容量の補償はそ
れほど重要ではなく、本発明に基づく並列回路によって
2つのAPD−空乏層に位相の等しい局部発振器信号が
供給される、従って差形成によって位相変動を補償でき
る、という事実が重要である。これに関連して、容量の
補償は、一定の共振周波数を発生させるためだけに重要
である。
【0035】図7に示す実施例においては、たとえば基
準受信機と測定受信機の、HF信号に関して並列に接続
されたアバランシェフォトダイオード2と10の空乏層
容量CAPD,R およびCAPD,M は、LC直列共振回路内へ
結合されている。その場合にLC回路は、インダクタン
スLと、このLに対して直列に接続された容量性ダイオ
ード3の容量CおよびLに対して直列に接続された並列
接続のAPD2および10の合計容量CAPD,R およびC
APD,M とによって形成される。この場合、結合容量CK
は、ここでもHF信号に対し短絡回路となる。低域通過
フィルタ7および11は、測定チャネルと基準チャネル
のZF信号を減結合するために用いられ、比較的高オー
ムの抵抗を介してアースへの接続が形成されることによ
り、APD2および10の陽極にほぼ0ボルトの直流電
圧成分を発生させる。低域通過フィルタ7、11は、H
F信号、すなわちAPD2および10の受信信号および
LC発振器からもたらされる局部発振器信号を通過させ
ない。増幅器4は、帰還回路網5と共に、ここでも一定
の振幅を有するLC発振器の安定した駆動をもたらす。
【0036】共振周波数は、この例においても上述した
ように、PLL回路によって容量性ダイオード3におけ
る逆電圧の調節により制御される。インダクタDrを介
して容量性ダイオードの陽極は、直流電圧的に接地さ
れ、すなわちアースに接続される。インダクタDrは、
HF信号を通過させず、低周波のZF信号にとっては短
絡回路となるので、基準信号分岐から測定信号分岐への
ZF信号のクロストークは、ここでも著しく減少され
る。結合容量CK は、低周波のZF信号にとっては高イ
ンピーダンスを示す。測定受信機のAPD10と基準受
信機のAPD2の増幅係数をその空乏層電圧を介して個
別に調節可能であるようにしなければならないことが重
要でない場合には、APD2および10の陰極における
結合容量が導通する接続によって代用されることによ
り、2つのAPD2および10は図6におけるのと同様
に、直流電圧的にも並列に接続することができる。
【0037】図8に示す実施例においては、たとえば基
準受信機と測定受信機の、HF信号に関して直列に接続
されたアバランシェフォトダイオード2および10の空
乏層容量CAPD,R およびCAPD,M は、LC直列共振回路
内に結合されている。この回路は、インダクタンスL
と、このLに対して直列に接続された容量性ダイオード
3の容量Cおよび同様にLに対して直列に接続されたA
PD2および10の容量CAPD,R およびCAPD,M とから
構成されている。ここでも結合容量CK は、HF信号に
とって短絡回路となる。低域通過フィルタ7および11
は、測定チャネルと基準チャネルのZF信号を減結合す
るために用いられ、HF信号、従ってAPD2および1
0の受信信号とLC発振器からもたらされる局部発信器
信号とを通さない。増幅器4は、帰還回路網5と共に、
一定の振幅を有する発振器の安定した駆動をもたらす。
共振周波数は、この例においてもPLL回路1によって
容量性ダイオード3における逆電圧の調節により制御さ
れる。インダクタDr1およびDr2を介して容量性ダ
イオード3の陽極とAPD2および10の陽極とは、直
流電圧的に接地され、すなわちアースへ導かれている。
インダクタはHF信号を通さず、かつ低周波のZF信号
にとっては短絡となるので、基準信号分岐から測定信号
分岐へのZF信号のクロストークは著しく減少される。
結合容量CK は、低周波のZF信号にとっては高インピ
ーダンスを有している。測定受信機のAPD10と基準
受信機のAPD2との増幅係数をその空乏層電圧を介し
て個別に調節可能としなければならないことが重要でな
い場合には、図8においてそれらの間の結合容量が導通
接続によって代用されることにより、2つのAPD2お
よび10の陰極を直流電圧的にも接続することができ
る。
【0038】図7および8に示す変形例の、図6に示す
本発明の実施例に比較しての利点と欠点とは、図3およ
び4における同様な実施例の説明においてすでに詳細に
論じられている。その場合に利点は、容量性ダイオード
3を介してのより小さい電圧振幅において裏付けられて
いる。特に図8に示す配置においては、さらに、APD
2および10、容量性ダイオード3および結合コンデン
サCK の寄生的な誘導成分は、LC振動回路の構成部分
であるので、発生する寄生共振はわずかとなる。しか
し、図7および8に示す配置において注意しなければな
らないのは、容量性ダイオード3とAPD2および10
の空乏層容量との直列回路によって、APD容量がたと
えば2pFと小さいために、実効共振器容量の可変領域
が小さくなることがあるので、発振回路の周波数同調領
域が制限されることである。さらに、APD電圧の振幅
は、容量的な分圧器と容量性ダイオード3の可変の容量
Cによって、PLL回路1の制御電圧に依存する。図8
に示す変形例においてさらに注意すべきことは、空乏層
容量CAPD,R およびCAPD,M が異なる場合に、局部発振
器信号はそれぞれのAPD2および10へ非対称に伝達
されることである。それによって、構成要素のばらつき
と受信位相へ及ぼされる周囲の影響は、他の例の場合よ
りも余り良好には補償されない。さらに、APD空乏層
容量の直列回路によって、それによりもたらされる容量
的な分圧器により、それぞれのAPD2および10にお
ける電圧振幅は半分にされる。しかし、効率の高い直接
混合のためには、LO信号の振幅はできるだけ高くすべ
きである。
【0039】LC発振回路にまとめるために、他の組合
せも考えられる。たとえば、インダクタンスと、直列に
接続されたAPD空乏層容量を有する容量性ダイオード
の直列回路とからなる並列振動回路を使用することがで
きる。インダクタンスと、並列に接続されたAPD空乏
層容量を有する容量性ダイオードの直列回路とからなる
並列振動回路も可能である。APDの接続は、それぞれ
使用に応じて高周波信号的または直流電圧的に行うこと
ができる。もちろん、すべての実施例において、PLL
により制御される局部発振器の代わりに、図2に示すデ
ジタルの制御ユニットを使用することも可能であって、
その場合に図2についての説明に従って、制御されるシ
ステムも制御されないシステムも可能である。
【0040】本発明に基づく、局部発振器の回路の本質
的な利点は、次のものから得られる:APDは、内部で
生成された光電流を供給する電流源である。APDの空
乏層容量は、その電流源に対して並列である。周波数が
高い場合には、空乏層容量によって信号が短絡されるの
で、低域通過特性がもたらされる。局部発振器信号も、
この空乏層容量に「直面し」、かつその空乏層容量によ
って同様にアースへ短絡される。しかしこれは、局部発
振器信号が、たとえば増幅器を介して供給される場合に
のみ、そうなる。上述した場合において、かつ局部発振
器信号がLC−共振回路自体によって形成される、本発
明に従って、容量性の影響と、それに伴ってそれぞれの
空乏層容量からもたらされる低域通過特性も、並列又は
直列に接続されたインダクタンスLによって除去され、
すなわち除くように調節される。空乏層容量は、共振回
路に内蔵されており、従ってもはや低域通過特性を発生
させることはない。低域通過特性は、半導体内部で形成
される電荷担体のドリフト時間によってのみ、まだ形成
される。
【0041】従って本発明に基づく特徴を備えた局部発
振器は、次の好ましい特性を特徴としている: −クロストークおよび外部の電磁的な障害出力の寄生に
より生じるおそれのある障害は、極めて小さい構造が可
能であることにより、わずかとなる。 −受信信号、たとえば測定信号の通路内には、測定信号
又はAPD受信信号が狭帯域であるので、EMIに敏感
な高周波信号、高周波要素および高周波構造は存在しな
い。 −1つ又は複数のAPDを介して生成される出力信号
は、たとえば10kHzから100kHzの領域の低周
波であって、従って問題なくさらに処理され、かつ少な
いノイズで増幅される。インピーダンス整合、アッセン
ブリの構造上の大きさ、反射、クロストーク、EMIお
よび他の寄生的効果に対する問題は、生じない。 −構成部品数が削減され、それに伴って原理的に、シス
テムコストも削減される。 −電流消費は、高周波伝送に対する従来の解決策、ある
いはインピーダンス整合が不可避なシステムに比較し
て、著しく減少される。 −それぞれのAPD陰極における損失出力は、LC共振
回路における電圧振幅が高い場合の無負荷駆動によっ
て、わずかになる。 −信号特性に加わる、温度のような妨害となるおそれの
ある周囲の影響、受信出力の著しい変動、空乏層電圧の
変化および構成要素のばらつきは、寄生容量の除去によ
って自動的に補償される。 −構成要素のばらつきや生じるおそれのある周囲の影響
に関係なく、所定のシステム状態を受信部分および信号
処理部分内に自由に定めることができる。 −本発明を光電子的な距離測定装置に使用する場合に
は、測定精度が著しく改良される。 −周囲の影響や構成要素のばらつきとは関係なく、回路
容量の除去により低域通過制限特性を自動的に除去す
る。 −生じるおそれのある構成要素のばらつきや周囲の影響
に依存せずに、所定の局部発振器周波数が保証される。 −局部発振器周波数と信号位相特性が、基準発振器の周
波数およびPLL回路の分周比のみに依存する。 −位相時間又は動作時間の変化は、光電子距離測定装置
においては、測定受信機および基準受信機におけるLC
発振回路内の基準APDおよび測定APDのHF信号並
列回路によって除去される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 APDの空乏層容量に対して並列に接続され
た容量性ダイオードを備えたPLL安定化LC並列発振
回路として実現された、本発明に基づく局部発振器の第
1の実施例を示す。
【図2】 第1の実施例の変形例を示し、この場合図1
のPLL回路の代りにデジタル制御回路を用いている。
【図3】 APDの空乏層容量に対して直列に接続され
た容量性ダイオードを有するLC並列発振回路に基づ
く、本発明による局部発振器の第2の実施例を示す。
【図4】 LC直列発振回路に基づく、本発明の局部発
振器の第3の実施例を示す。
【図5】 PLL安定化LC発振器に基づく、本発明の
第4の実施例を示し、この場合LC並列共振回路に結合
された2つの高周波に対する並列接続APDが設けられ
ている。
【図6】 PLL安定化LC発振器の他の変形例を示
し、この場合2つのAPDは高周波および直流電圧の双
方に対し並列接続されている。
【図7】 PLL安定化LC発振器の更に他の実施例を
示し、この場合2つのAPDは高周波に対して並列に接
続されており、かつLC直流共振回路に結合されてい
る。
【図8】 PLL安定化LC発振器の更に他の実施例を
示し、この場合2つのAPDは高周波に対して直列に接
続されており、かつLC直列共振回路に結合されてい
る。
【符号の説明】
1 PLL(位相ロックループ)回路 2 APD(アバランシェフォトダイオード) 3 容量性ダイオード 4 HF(高周波)増幅器 5 帰還回路網 6 基準発振器 7 低域通過フィルタ 20 周波数カウンタ 21 制御ユニット 22デジタル−アナログ変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03L 7/099 H03L 7/08 F (72)発明者 ゴゴッラ トルステン オーストリア国 6820 フラスタンツ イ ム ブーフホルツ 17 (72)発明者 ヴィンテル アンドレアス オーストリア国 6800 フェルトキルヒ マルクトガッセ 9−11 (72)発明者 ザイフェルト ヘルムート ドイツ国 07616 セルバ アイゼンバー ガー シュトラーセ 24アー Fターム(参考) 5J081 AA02 AA11 BB10 CC44 DD01 EE02 EE03 EE05 EE08 EE09 EE13 KK02 KK09 KK22 LL05 MM01 5J084 AA05 AD02 BA36 DA01 EA01 5J106 AA04 BB09 CC01 JJ01 KK40

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 逆方向にバイアスされた第1のアバラン
    シェフォトダイオード(APD2)に入射する光信号に
    よりこの第1のアバランシェフォトダイオードから生成
    される第1の受信信号と直接混合する狭帯域の高周波信
    号を生成する局部発振器であって、第1のアバランシェ
    フォトダイオード(APD2)の空乏層容量(CAPD
    が制御可能な高周波共振回路に設けられており、高周波
    信号を形成するこの共振回路の共振周波数は、基準発振
    器(6)により駆動される制御ユニットの選択可能な調
    節により決定させるようになっている局部発振器。
  2. 【請求項2】 前記制御ユニットが周波数又は位相制御
    用のPLL回路(1)であり、その調節可能な分周比が
    基準発振器(6)の周波数を用いて高周波共振回路の周
    波数を決定するようになっていることを特徴とする請求
    項1に記載の局部発振器。
  3. 【請求項3】 前記制御ユニットがデジタル計算ユニッ
    トであり、このデジタル計算ユニットはこれによって生
    成される制御信号により高周波共振回路の周波数を調節
    し、かつ基準発振器の周波数に基づいて高周波共振回路
    の周波数の実際値を求めるようになっていることを特徴
    とする請求項1に記載の局部発振器。
  4. 【請求項4】 前記デジタル計算ユニットは、基準発振
    器(6)の周波数と高周波共振回路の周波数の求められ
    た実際値とを用いて、調整器とデジタル計算ユニットに
    より生成された制御信号とを介して、高周波共振回路の
    周波数の目標値を決定するようになっていることを特徴
    とする請求項3に記載の局部発振器。
  5. 【請求項5】 前記調整器が計算プログラムによって実
    現されていることを特徴とする請求項4に記載の局部発
    振器。
  6. 【請求項6】 前記高周波共振回路は、空乏層容量(C
    APD )に対して並列または直列に接続された制御可能な
    容量(C)を有する高周波共振回路であることを特徴と
    する請求項2または3に記載の局部発振器。
  7. 【請求項7】 前記制御可能な容量が、容量性ダイオー
    ド(3)であることを特徴とする請求項6に記載の局部
    発振器。
  8. 【請求項8】 前記高周波共振回路は、空乏層容量(C
    APD )に対して並列または直列に接続された制御可能な
    インダクタンスを有する高周波共振回路であることを特
    徴とする請求項2または3に記載の局部発振器。
  9. 【請求項9】 前記高周波共振回路は、第1のアバラン
    シェフォトダイオード(APD2)の空乏層容量(C
    APD )と一緒に、共振器と、制御可能な容量および制御
    可能なインダクタンスの双方またはいずれか一方とによ
    って形成されていることを特徴とする請求項2または3
    および/または6または8に記載の局部発振器。
  10. 【請求項10】 前記共振器が、LC直列またはLC並
    列共振回路であることを特徴とする請求項9に記載の局
    部発振器。
  11. 【請求項11】 前記共振器が、空胴共振器であること
    を特徴とする請求項9に記載の局部発振器。
  12. 【請求項12】 前記共振器が、線路共振器であること
    を特徴とする請求項9に記載の局部発振器。
  13. 【請求項13】 前記共振器が、水晶共振器または表面
    弾性波共振器であることを特徴とする請求項9に記載の
    局部発振器。
  14. 【請求項14】 前記共振器が、誘電体セラミック共振
    器であることを特徴とする請求項9に記載の局部発振
    器。
  15. 【請求項15】 損失を補償し、かつ高周波共振回路の
    一定の振幅の発振を維持するために、高周波共振回路に
    帰還増幅器(4、5)が接続されていることを特徴とす
    る請求項2または3に記載の局部発振器。
  16. 【請求項16】 所望の中間周波数信号を越える限界周
    波数を有するとともに、第1のアバランシェフォトダイ
    オードの混合信号出力を生じるように接続された低域通
    過フィルタ(7)が設けられていることを特徴とする請
    求項1に記載の局部発振器。
  17. 【請求項17】 直接混合によって他の周波数領域へ変
    換すべき第2の受信周波数を生成する逆方向バイアスの
    第2のアバランシェフォトダイオード(APD10)が
    設けられ、その空乏層容量(CAPD,M )が第1のアバラ
    ンシェフォトダイオード(APD2)の空乏層容量(C
    APD,R )に対しておよびLC共振回路に対して並列に接
    続されていることを特徴とする請求項1から16のいず
    れか一項に記載の局部発振器。
  18. 【請求項18】 直接混合によって他の周波数領域へ変
    換すべき第2の受信信号を生成する逆方向バイアスの第
    2のアバランシェフォトダイオード(APD10)が設
    けられ、その空乏層容量(CAPD,M )が第1のアバラン
    シェフォトダイオード(APD2)の空乏層容量(C
    APD,R )と並列に接続されており、この並列回路の全容
    量(CAPD,M +CAPD,R )がLC直列共振回路に対して
    直列に接続されていることを特徴とする請求項1から1
    6のいずれか一項に記載の局部発振器。
  19. 【請求項19】 直接混合によって他の周波数領域へ変
    換すべき第2の受信信号を生成する逆方向バイアスの第
    2のアバランシェフォトダイオード(APD10)が設
    けられ、その空乏層容量(CAPD,M )が第1のアバラン
    シェフォトダイオード(APD2)の空乏層容量(C
    APD,R )およびLC直列共振回路と直列に接続されてい
    ることを特徴とする請求項1から16のいずれか一項に
    記載の局部発振器。
  20. 【請求項20】 直接混合によって他の周波数領域へ変
    換すべき第2の受信信号を生成する逆方向バイアスの第
    2のアバランシェフォトダイオード(APD10)が設
    けられ、その空乏層容量(CAPD,M )が第1のアバラン
    シェフォトダイオード(APD2)の空乏層容量(C
    APD,R )と直列に接続されており、この直列回路の全容
    量がLC並列共振回路に対して並列に接続されているこ
    とを特徴とする請求項1から16のいずれか一項に記載
    の局部発振器。
  21. 【請求項21】 少なくとも1つのアバランシェフォト
    ダイオードを、光学的測定信号および基準信号の双方ま
    たはいずれか一方のための受信素子として使用する請求
    項1から20のいずれか一項に記載の局部発振器の、光
    電子的な距離測定装置における使用方法。
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