JP2002353495A - 光結合装置 - Google Patents
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Abstract
置において、ノイズに対する誤動作の耐量を低下させず
に、パルスの伝送レートを高速化する。 【解決手段】 フォトダイオードD1に隣接してダミー
フォトダイオードD2を設け、それらの電流−電圧変換
アンプA1,A2からの出力をヒステリシスコンパレー
タ33で比較してパルスを波形整形することで同相雑音
信号除去比を向上するようにした光結合装置の受光回路
31において、前記アンプA1,A2の負帰還回路に、
入力光電流Ipdのレベルが大きくなる程、インピーダ
ンスが減少するインピーダンス可変回路Z1,Z2を備
える。したがって、電流Ipdが、大きくなる程アンプ
A1,A2のゲインが低下して帯域が狭くなり、小さく
なる程ゲインが上昇して帯域が広くなる。したがって、
入射光量の変化に対するパルス幅歪みを最小限に抑え、
伝送レートを高速化することができる。
Description
として実現される光結合装置に関し、特に2次側の受光
集積回路における高速化に関する。
を示す断面図である。フォトカプラ1は、1次側の端子
2から入力された電気信号を1次側の発光集積回路3で
一旦光信号に変換し、2次側の前記受光集積回路4で再
び電気信号に変換し、2次側の端子5から出力すること
で、1次側回路と2次側回路とを電気的に遮断し、機器
間が電気的に絶縁状態で、信号の送受信を実現するもの
である。発光ダイオードなどの前記発光集積回路3上の
発光素子と、フォトダイオードなどの前記受光集積回路
4上の受光素子とは、相互に近接して対向配置され、そ
れらの間のギャップには所定の誘電率を有する半透明の
エポキシ樹脂6が充填され、さらに外側は遮光性のエポ
キシ樹脂7で封止されている。
気的構成を示すブロック図である。1次側回路は、送信
用ドライバIC12と発光素子13とから構成されてお
り、2次側回路は、受信用IC14から構成されてい
る。送信用ドライバIC12では、端子Vcc1−GN
D1間の電圧を電源電圧とし、アンプ15が入力端子I
Nに入力された電圧信号を電流信号に変換し、駆動素子
16がその電流信号で前記発光素子13を点灯駆動す
る。また、1次側回路としては、入力された電気信号を
光信号に変換する発光素子のみで構成されることもあ
る。
D2間の電圧を電源電圧とし、前記光信号を受光素子1
7が電流信号に変換し、その電流信号を電流−電圧変換
アンプ18が電流−電圧変換した後、コンパレータ19
が波形整形して出力端子OUTへ出力する。
を特徴付ける重要な特性として、パルス幅歪特性があ
る。近年、特にFA機器は、半導体の高性能化やデジタ
ル機器の拡大等によって高性能化が進んでおり、ACサ
ーボやプログラマブルコントローラのユニット間をノイ
ズ対策や機器保護のために絶縁しているフォトカプラに
ついても、高速化が要求されている。たとえば、25M
bpsの伝送速度のフォトカプラでは、前記パルス幅歪
みは、パルス幅の40nsecに対して、±6nsec
以下が要求される。
前記エポキシ樹脂6,7でのモールド成型時の送信側回
路と受信側回路との間の距離の製造ばらつきなどによっ
て受光素子17に入射する光量が大きく変化するととも
に、受信側回路の製造ばらつきによる電流−電圧変換ア
ンプ18のゲインのばらつきがあり、高速のフォトカプ
ラを実現するためには、受光素子17への入射光量の変
化に対する出力パルス幅の歪みを最小限に抑える必要が
ある。
の重要な特性として、同相雑音信号除去比(CMRR:
Commmon Mode Rejection Ratio)がある。このCMR特
性は外乱ノイズに対しての誤動作のしにくさを表す量で
ある。前述の図6で示すように、フォトカプラ1は、前
記集積回路3,4間が所定の誘電率を有するエポキシ樹
脂6で充填されてコンデンサ構造となっており、該集積
回路3,4間がその寄生容量によって接続されることに
なる。したがって、フォトカプラ1の入力側と出力側と
にパルスの立上り、立下りが(dv/dt)であるよう
な急峻なノイズが入った場合、前記寄生容量をCとする
と、C・(dv/dt)のノイズ電流が入出力間に流
れ、このノイズ電流の一部が受光集積回路4上の受光素
子に流込んだ場合、誤動作を生じる原因になる。
にITO膜のような透明の導電性膜を被せ、その電位を
受信側のGND電位に接地しておく方式がある。このよ
うな構成では、前記寄生容量によるノイズ電流は、前記
透明導電膜を介して出力側のGNDに流れ、入力側の光
信号のみを受光素子で受けることで、ノイズによる誤動
作を防止し、高いCMR特性を実現することができる。
しかしながら、前記導電性膜を形成するための専用のプ
ロセス装置が必要となり、プロセスが複雑になるという
問題がある。
する他の方法として、たとえば特許第2531070号
で示されるように、ダミーフォトダイオードを用いる構
成がある。図8は、そのようなダミーフォトダイオード
用いた他の従来技術の受光回路21のブロック図であ
る。この受光回路21では、同一形状、同一容量で相互
に特性の等しい2個のフォトダイオードd1,d2を用
い、一方のフォトダイオードd1のみを発光素子からの
光信号の受信用に用い、他方のフォトダイオードd2は
遮光してダミーフォトダイオードとする。ダミーフォト
ダイオードd2は、その受光面がカーソドのメタル配線
22で覆われ、カーソド電位で遮光されている。
ードd2とは、図9に示すように、田の字のクロス配置
になっており、しかも前記の集積回路3,4を搭載する
フレームの大きさが、たとえば2×2mm程度であるの
に対して、これらフォトダイオードd1,d2の面積は
0.1×0.1mm程度で充分小さく、フォトダイオー
ドd1,d2に流込むノイズ電流は略等しくなる。
の出力電流を、電流−電圧変換アンプa1,a2でそれ
ぞれ電圧変換した後、差動アンプであるヒステリシスコ
ンパレータ23で相互に比較し、こうしてフォトダイオ
ードd1からの出力をパルス信号に波形整形することに
よって、同相のノイズ成分が除去され、出力は高いCM
R特性を実現することができる。
a1,a2は、抵抗r1,r2およびコンデンサc1,
c2で負帰還された線形増幅のアンプであり、入射光量
の変化に対する出力パルス幅の歪みを小さくしようとし
た場合、初段アンプの帯域を十分広く取る必要がある。
しかしながら、アンプの帯域を広くした場合、前記CM
R特性が悪化するという問題がある。
送速度の高速高CMRのフォトカプラには、CMR耐量
が10kV/μsecで、Vcm=1000Vの目標が
あり、この場合、図10(a)で示すようにノイズパル
スの立上がり時間が100nsecとすると、その波高
値は1kVとなり、それによって1次−2次間の容量結
合でフォトダイオードd1,d2に流れるノイズ電流波
形は、図10(b)で示すように100nsecのパル
ス波形になり、したがって10MHz以上の高周波成分
を含んでいるので、アンプの帯域を前記25Mbpsに
対応した帯域から広くする程、前記の高周波成分を増幅
し易くなり、ノイズによる誤動作が起こり易くなる。
て、前記アンプの帯域で対応することができず、フォト
ダイオードd1への入射光量を一定にすることで対応す
ることになり、製造ばらつきに対する許容範囲が狭くな
り、高速高CMRのフォトカプラを充分な歩留まりを確
保して製造することは困難であるという問題がある。
耐量を低下させずに、受光素子への入射光量の変化に対
するパルス幅歪みを最小限に抑え、パルスの伝送レート
を高速化することができる光結合装置を提供することで
ある。
1次側回路では入力された電気信号を発光素子で光信号
に変換し、2次側回路では前記発光素子に近接して対向
配置される受光素子で受光した前記光信号を電気信号に
変換して出力するようにした光結合装置において、前記
2次側回路では、前記受光素子で光電変換された光電流
を増幅するための電流−電圧変換アンプの負帰還回路
に、入力光電流のレベルに対応してインピーダンスが変
化するインピーダンス可変手段を備え、該インピーダン
ス可変手段によって、前記入力光電流のレベルが大きく
なる程、電流−電圧変換アンプのゲインを低下すること
を特徴とする。
を1次側回路で一旦光信号に変換し、2次側回路で再び
電気信号に変換することで、1次側回路と2次側回路と
を電気的に遮断する、いわゆるフォトカプラなどとして
実現される光結合装置において、受光素子で光電変換さ
れた光電流を増幅するための電流−電圧変換アンプの負
帰還回路に、入力光電流のレベルに対応してインピーダ
ンスが変化するインピーダンス可変手段を設け、該電流
−電圧変換アンプのゲインを、前記入力光電流が小さい
ときは大きくし、入力光電流が大きくなると小さくする
ことによって、該電流−電圧変換アンプからの出力を同
じしきい値で波形整形しても、光量によるパルス幅歪み
を最小限に抑えることができる。
高速化することができる。また、2次側回路を2組設
け、前記受光素子をフォトダイオードとダミーフォトダ
イオードとして、同相雑音信号を除去するようにした構
成では、ノイズによる同相電流に対しては電流−電圧変
換アンプのゲインが共に低下するので、誤動作がおきに
くくなり、CMR特性を高くすることができる。
ピーダンス可変手段は、第1の抵抗およびトランジスタ
の直列回路と、コンデンサとが前記電流−電圧変換アン
プの出力と負入力との間に相互に並列に設けられるとと
もに、前記トランジスタのコレクタとベースとの間に設
けられる第2の抵抗を備えて構成されることを特徴とす
る。
が高くなるとインピーダンス可変手段のトランジスタの
電流増幅率が小さくなってゆき、該インピーダンス可変
手段のインピーダンスが大きくなるので、電流−電圧変
換アンプの周波数特性にはカットオフ周波数付近にゲイ
ンのピーキングが発生し、前記光電流に対する帯域の延
び率が大きくなり、該光電流のばらつきによるによるパ
ルス幅歪みをさらに小さくすることができる。
受光素子を同相雑音信号を除去するためにフォトダイオ
ードとダミーフォトダイオードとで構成し、それらに個
別に対応する前記電流−電圧変換アンプの内、フォトダ
イオード側の電流−電圧変換アンプの出力に受信感度を
調整するためのオフセット回路を設け、前記オフセット
回路による電流−電圧変換アンプの出力の不整合をキャ
ンセルするように、前記フォトダイオードとダミーフォ
トダイオードとを相互に異なる面積に形成することを特
徴とする。
ダミーフォトダイオードを設け、それらに個別に対応す
る電流−電圧変換アンプの出力の差分を求めることで同
相雑音信号を除去し、高CMR特性を得るようにした構
成において、受信感度の調整のために設けたオフセット
回路による出力の不整合を、フォトダイオードとダミー
フォトダイオードとの面積比を調整することでキャンセ
ルする。
行うことができる。
図1に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
31の電気的構成を示すブロック図である。この受光回
路31では、同一形状、同一容量で相互に特性の等しい
2個のフォトダイオードD1,D2を用い、一方のフォ
トダイオードD1のみを発光素子からの光信号の受信用
に用い、他方のフォトダイオードD2は遮光してダミー
フォトダイオードとする。ダミーフォトダイオードD2
は、その受光面がカーソドのメタル配線32で覆われ、
カーソド電位で遮光されている。
は、電流−電圧変換アンプA1,A2でそれぞれ電圧変
換された後、差動アンプであるヒステリシスコンパレー
タ33で相互に比較され、こうしてフォトダイオードD
1からの出力をパルス信号に波形整形することによっ
て、同相のノイズ成分が除去され、高いCMR特性の出
力が得られている。
換アンプA1,A2は、インピーダンス可変回路Z1,
Z2を介して負帰還がそれぞれ行われる非線形増幅のア
ンプであることである。インピーダンス可変回路Z1
は、電流−電圧変換アンプA1の出力と負入力との間
に、抵抗Rlおよびダイオード接続されたトランジスタ
Q1の直列回路と、コンデンサC1とが相互に並列に設
けられて構成されている。整合性を得るために、ダミー
フォトダイオードD2側でも、インピーダンス可変回路
Z2は、電流−電圧変換アンプA2の出力と負入力との
間に、抵抗R2およびダイオード接続されたトランジス
タQ2の直列回路と、コンデンサC2とが相互に並列に
設けられて構成され、R2=R1、Q2=Q1およびC
2=C1に形成されている。
る電流をIpd、電流−電圧変換アンプA1の入力端子
のバイアス電流をIbとすると、インピーダンス可変回
路Z1のインピーダンスZ1は、以下のように表され
る。
り、qは素電荷である。
Ipdが増加すると、インピーダンスZ1は減少するの
で、大きな信号が入ってきた場合、電流−電圧変換アン
プA1のゲインが低下する。こうして、電流−電圧変換
アンプA1は対数圧縮した出力電圧をヒステリシスコン
パレータ33に与えるので、該ヒステリシスコンパレー
タ33が電流−電圧変換アンプA2からの固定しきい値
で波形整形しても、出力パルス幅の増大を防ぐことがで
きる。また、ダミーフォトダイオードD2とフォトダイ
オードD1とにノイズによる同相電流が流れた場合、電
流−電圧変換アンプA1,A2のゲインが低下するの
で、誤動作がおきにくくなり、高CMR特性を実現する
ことができる。
オフ周波数(帯域)fcは、該電流−電圧変換アンプA
1自体の帯域が充分広いとすると、 fc=1/(2π・C1・Z1) …(2) となる。
ドD1の電流Ipdが増加し、インピーダンスZ1が減
少すると、カットオフ周波数fcは大きくなる。たとえ
ば、R1=5kΩ、C1=0.3pF、Ib=2μA、
Ipd=1μA、T=300Kとすると、Z1=13.
6kΩとなり、fc=39MHzとなる。Ipd=2μ
Aに増加した場合、Z1=11.45kΩ、fc=4
6.3MHzとなる。
トランジスタQ1および抵抗Rlの直列回路に並列にコ
ンデンサC1を入れることによって、フォトダイオード
D1の電流Ipdに比例して前記式1からインピーダン
スZ1が低下すると、前記式2から電流−電圧変換アン
プA1の帯域が広くなる。この作用によって、入射光量
変動によるパルス幅歪みをさらに低減することが可能と
なる。また、フォトダイオードD1の電流Ipdが流れ
ていないときの電流−電圧変換アンプA1の帯域を狭く
することができ、高いCMR特性を実現するのにも都合
がよい。
よび図3に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
路41の電気的構成を示すブロック図である。この受光
回路41は前述の受光回路31に類似し、対応する部分
には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略す
る。前述の受光回路31では、インピーダンス可変回路
Z1,Z2内でインピーダンスの可変を実現するトラン
ジスタQ1,Q2は、コレクタとベースとの間を接続し
たダイオード構造となっているのに対して、注目すべき
は、この受光回路41のインピーダンス可変回路Z1
a,Z2aでは、前記コレクタとベースとの間に、抵抗
R1a,R2aがそれぞれ介在されており、電流−電圧
変換アンプA1,A2は、その周波数特性にピーキング
を有することである。そして、ダミーフォトダイオード
D2側も整合性を得るために、前記R2=R1ととも
に、R2a=R1aとなっている。
1の電流増幅率である。この電流増幅率hFEは、周波
数特性を有し、以下の複素表現で表される。
なる周波数である。
1とC1とを並列接続した値になり、周波数特性を持つ
ことになる。
5kΩ、R1a=10kΩ、C1=0.3pF、Ib=
2μA、Ipd=5μA、T=300K、hFE0=1
00、fTh=1GHzとして、前記式5からゲイン抵
抗の周波数特性を計算すると、図3(a)で示すように
なり、ピーキングが発生する。抵抗R1aの値を小さく
すると、前記ピーキングはなくなる。
Z1を用いた電流−電圧変換アンプA1の周波数特性を
図3(b)において参照符α1で示すとき、このインピ
ーダンス可変回路Z1aを用いた場合には、周波数が高
くなるとhFE(Q1)が小さくなってゆき、インピー
ダンスZ1が大きくなるので、周波数特性には、前記式
2から、参照符α2で示すように、カットオフ周波数f
c付近にゲインのピーキングが発生する。これによっ
て、前記フォトダイオードD1の電流Ipdに対する帯
域の延び率が大きくなり、該電流Ipdのばらつきによ
るによるパルス幅歪みをさらに小さくすることができ
る。
図4および図5ならびに前記図9に基づいて説明すれ
ば、以下のとおりである。
受光回路51の電気的構成を示すブロック図である。こ
の受光回路51は前述の受光回路31,41に類似し、
対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説
明を省略する。注目すべきは、この受光回路51では、
フォトダイオードD1a側の電流−電圧変換アンプA1
の出力に、受信感度を調整するためのオフセット回路5
2を設けていることである。したがって、前述のように
フォトダイオードD1a側とダミーフォトダイオードD
2側とで、電流−電圧変換アンプA1,A2間やインピ
ーダンス可変回路Z1,Z2(Z1a,Z2a)間で整
合が取れているために、それらの出力間に若干の不整合
が生じる。
aとダミーフォトダイオードD2との面積は、前述の図
9のように相互に等しく形成されるのに対して、前記不
整合をキャンセルするように、図5で示すように、相互
に異なる面積に形成される。その面積比は、1:0.9
程度である。これによって、最もCMR特性が良くなる
ように受光回路51を構成することができる。
フォトカプラなどとして実現される光結合装置におい
て、受光素子で光電変換された光電流を増幅するための
電流−電圧変換アンプの負帰還回路に、入力光電流のレ
ベルに対応してインピーダンスが変化するインピーダン
ス可変手段を設け、該電流−電圧変換アンプのゲイン
を、前記入力光電流が小さいときは大きくし、入力光電
流が大きくなると小さくする。
力を同じしきい値で波形整形しても、光量によるパルス
幅歪みを最小限に抑えることができ、前記パルスの伝送
レートを高速化することができる。また、2次側回路を
2組設け、前記受光素子をフォトダイオードとダミーフ
ォトダイオードとして、同相雑音信号を除去するように
した構成では、ノイズによる同相電流に対しては電流−
電圧変換アンプのゲインが共に低下するので、誤動作が
おきにくくなり、CMR特性を高くすることができる。
に、前記インピーダンス可変手段を、第1の抵抗および
トランジスタの直列回路と、コンデンサとを前記電流−
電圧変換アンプの出力と負入力との間に相互に並列に設
けるとともに、前記トランジスタのコレクタとベースと
の間に第2の抵抗を設けて構成する。
とインピーダンス可変手段のトランジスタの電流増幅率
が小さくなってゆき、該インピーダンス可変手段のイン
ピーダンスが大きくなるので、電流−電圧変換アンプの
周波数特性にはカットオフ周波数付近にゲインのピーキ
ングが発生し、前記光電流に対する帯域の延び率が大き
くなり、該光電流のばらつきによるによるパルス幅歪み
をさらに小さくすることができる。
のように、フォトダイオードにダミーフォトダイオード
を設け、それらに個別に対応する電流−電圧変換アンプ
の出力の差分を求めることで同相雑音信号を除去し、高
CMR特性を得るようにした構成において、受信感度の
調整のために設けたオフセット回路による出力の不整合
を、フォトダイオードとダミーフォトダイオードとの面
積比を調整することでキャンセルする。
うことができる。
を示すブロック図である。
成を示すブロック図である。
電圧変換アンプの周波数特性を示すグラフである。
気的構成を示すブロック図である。
およびダミーフォトダイオードの形状を示す正面図であ
る。
る。
を示すブロック図である。
すブロック図である。
およびダミーフォトダイオードの形状を示す正面図であ
る。
によるフォトダイオードの出力波形を示す図である。
路
Claims (3)
- 【請求項1】1次側回路では入力された電気信号を発光
素子で光信号に変換し、2次側回路では前記発光素子に
近接して対向配置される受光素子で受光した前記光信号
を電気信号に変換して出力するようにした光結合装置に
おいて、 前記2次側回路では、前記受光素子で光電変換された光
電流を増幅するための電流−電圧変換アンプの負帰還回
路に、入力光電流のレベルに対応してインピーダンスが
変化するインピーダンス可変手段を備え、該インピーダ
ンス可変手段によって、前記入力光電流のレベルが大き
くなる程、電流−電圧変換アンプのゲインを低下するこ
とを特徴とする光結合装置。 - 【請求項2】前記インピーダンス可変手段は、第1の抵
抗およびトランジスタの直列回路と、コンデンサとが前
記電流−電圧変換アンプの出力と負入力との間に相互に
並列に設けられるとともに、前記トランジスタのコレク
タとベースとの間に設けられる第2の抵抗を備えて構成
されることを特徴とする請求項1記載の光結合装置。 - 【請求項3】前記受光素子を同相雑音信号を除去するた
めにフォトダイオードとダミーフォトダイオードとで構
成し、それらに個別に対応する前記電流−電圧変換アン
プの内、フォトダイオード側の電流−電圧変換アンプの
出力に受信感度を調整するためのオフセット回路を設
け、 前記オフセット回路による電流−電圧変換アンプの出力
の不整合をキャンセルするように、前記フォトダイオー
ドとダミーフォトダイオードとを相互に異なる面積に形
成することを特徴とする請求項1または2記載の光結合
装置。
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