JP2004120145A - 光電流・電圧変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波特性および電源電圧変動に対する誤動作を改善した光電流・電圧変換回路を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１０の一端が負帰還増幅器９の入力端子に接続され、他端が第１トランジスタ１８のベースに接続し、この第１トランジスタ１８のコレクタを定電流源１９を介して電源Ｖｃｃに接続するとともにエミッタをダイオード２０を介して接地し、第２トランジスタ２１のベースを第１トランジスタ１８のコレクタと定電流源１９の接続部に、コレクタを電源Ｖｃｃに、エミッタをフォトダイオード１０と第１トランジスタ１８の接続部にそれぞれ接続する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードにより発生する光電流を電圧に変換する光電流・電圧変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電流・電圧変換回路は、ＦＡ関連装置に使用されるＩＣカプラやパソコン間通信等に用いられる赤外線通信の受信側回路、光信号をデジタル信号に変換する回路等に広く用いられている。この光電流を電圧変換する回路の一例を図２に示す。図において、１、２はそれぞれはトランジスタで、前段のトランジスタ１のエミッタは接地され、コレクタは抵抗３を介して電源ラインＶｃｃに接続され、後段のトランジスタ２は、ベースが前段トランジスタ１のコレクタと抵抗３の接続部に接続され、エミッタが抵抗４を介して接地され、コレクタは電源ラインＶｃｃに接続されており、前段トランジスタ１のベースを入力端子５とし、後段トランジスタ２のエミッタを出力端子６とする増幅器７を構成し、さらに入出力端子５、６間に帰還抵抗８（抵抗値をＲｆとする）を接続して、負帰還増幅器９を構成している。１０はフォトダイオードで、その一端（図示例ではアノード電極）は負帰還増幅器９の入力端子５に接続されている。１１、１２は、第１、第２のダイオードで、同一方向に直列接続され、一端側のカソード電極が接地され、他端側のアノード電極が抵抗１３を介して電源ラインＶｃｃに接続され、ダイオード１２と抵抗１３の接続部がフォトダイオード１０の他端（カソード電極）に接続されている。
【０００３】
この回路のフォトダイオード１０の両端にはほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられており、フォトダイオード１０に光入力されない場合には、光電流Ｉｐｄは発生せず、帰還抵抗８にはトランジスタ１のベース電流以外には電流が流れず、負帰還増幅器９の出力電圧は入力端子５とほぼ等しい電圧Ｖａとなる。ただし、電圧Ｖａにはトランジスタ１のベース電流による帰還抵抗８での僅かなオフセット電圧が含まれている。フォトダイオード１０に光入力されると、光量に応じて発生した光電流Ｉｐｄが帰還抵抗８に流れ、帰還抵抗８の両端に（Ｉｐｄ×Ｒｆ）の電圧を発生し、出力端子６の電圧は電圧Ｖａから電圧（Ｖａ−Ｉｐｄ×Ｒｆ）に変化する。
【０００４】
この光電流・電圧変換回路では、ＰＮ接合の順方向電圧をＶｆとすると、フォトダイオード１０のカソード電極には第１、第２のダイオード１１、１２によってダイオード２個分の順方向電圧（２×Ｖｆ）がかかり、アノード電極には、トランジスタ１のベース・エミッタ間の順方向電圧Ｖｆがかかるため、フォトダイオード１０の両端には逆バイアス状態で電圧Ｖｆが印加される。そのためフォトダイオード１０のＰＮ接合部での空乏層が広がりフォトダイオード１０の容量Ｃｐｄは減少する。この回路の時定数は容量Ｃｐｄと負帰還抵抗８の抵抗値Ｒｆを増幅器７のゲインＡｖで除した値とのの積（Ｃｐｄ×Ｒｆ／Ａｖ）で決定されるが、容量Ｃｐｄが小さくなれば時定数を低減でき、回路の応答性を高め、高周波動作に有利となる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ところでこの光電流・電圧変換回路を発光ダイオードなどの光源と組合せたフォトカプラやフォトインタラプタはセンサとしてＦＡ機器内で多用されている。このＦＡ機器に含まれるモータやソレノイドなど大電流で電力制御される装置は、動作中にノイズを発生する。一方、センサとして用いられるフォトカプラやフォトインタラプタは通常は安定化電源に接続されて安定動作するようにしているが、電源から離れた場所に配置され配線を長く引き回さなければならないような場合、電力制御される装置が発生するノイズが電源ラインに重畳し易く、電源電圧が大きく変動することがある。
【０００６】
図２に示す光電流・電圧変換回路はフォトダイオード１０に印加する逆バイアス電圧を、前段トランジスタ１のベース・エミッタ間の順方向電圧と直列接続された２個のダイオード１１、１２の順方向電圧によって得ているが、ノイズ等により電源電圧Ｖｃｃが変動した場合、フォトダイオード１０の両端の電圧の変動量が異なり、フォトダイオード１０の両端の電位差が変動する。この変動電圧によってフォトダイオード１０の容量Ｃｐｄを充放電する充放電電流を生じ、この充放電電流は光電流Ｉｐｄに重畳される。
【０００７】
この結果、光入力がないにもかかわらず帰還抵抗８に電流が流れ、ＦＡ機器を誤動作させる虞があるという問題があった。
【０００８】
このような問題を解消するものとして図３に示す光電流・電圧変換回路が考えられる。図中、図２と同一部分には同一符号を付し重複する説明を省略する。図において、１４は増幅器７と同一構成の第２増幅器、１５は帰還抵抗８と同様の第２の帰還抵抗で、第２増幅器１４の入出力間に接続され、負帰還増幅器１６を構成している。フォトダイオード１０は一端（アノード電極）が負帰還増幅器９の入力端子５に接続され、他端（カソード電極）が第２負帰還増幅器１６の入力端子１７に接続されている。即ち、内部回路が同一構成の負帰還増幅器９、１６の各入力端子５、１７間にフォトダイオード１０を接続しフォトダイオード１０のアノード電極が接続された負帰還増幅器９の出力端子６から出力電圧Ｖｏを得るようにしている。
【０００９】
この回路は、光入力がない場合、フォトダイオード１０には光電流Ｉｐｄは発生せず、帰還抵抗８にはトランジスタ１のベース電流以外には電流が流れず、負帰還増幅器９の出力電圧は入力端子５とほぼ等しい電圧Ｖａとなる。ただし、電圧Ｖａにはトランジスタ１のベース電流による帰還抵抗８での僅かなオフセット電圧が含まれている。フォトダイオード１０に光入力されると、その光量に応じた光電流Ｉｐｄが発生し、この光電流Ｉｐｄが増幅器７の入力端子５から帰還抵抗８に流れ、帰還抵抗８の両端に電圧（Ｉｐｄ×Ｒｆ）が発生し、出力端子６の電圧は電圧Ｖａから電圧（Ｖａ−Ｉｐｄ×Ｒｆ）となる。一方、第２の負帰還増幅器１６は帰還抵抗１５の両端に帰還抵抗８とは逆向きの電圧降下を生じさせて入力端子１７から光電流Ｉｐｄに相当する電流をフォトダイオード１０に供給する。
【００１０】
この回路のフォトダイオード１０の両端には各負帰還増幅器９、１６の初段トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧Ｖｆがかかるため、フォトダイオード１０の両端の電位差はほぼゼロで、外部ノイズが重畳するなどの理由により電源電圧Ｖｃｃが変動してもフォトダイオード１０の両端にかかる電圧はほぼ同じように変化し、電源電圧Ｖｃｃが変動してもフォトダイオード１０の両端の電位差をほぼゼロに保つことができる。そのためフォトダイオード１０内部で充放電電流が発生せず、光入力がなくても出力電圧が発生するということがなくなり、図２回路の問題が解消される。
【００１１】
ところが、フォトダイオード１０の両端の電圧がほぼ同じで、両端の電位差がほぼゼロであるため、容量Ｃｐｄが図２回路より大きくなり、そのため回路の時定数（Ｃｐｄ×Ｒｆ／Ａｖ）が大きくなり応答性が低下し高周波動作には不向きであるという問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−２８８６０５号公報　（第２頁、第６図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の光電流・電圧変換回路では、回路の高周波特性を優先させると電源変動に対する回路の安定性が低下し、逆に電源変動に対する回路の安定性を向上させると高周波特性が低下するという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み提案されたもので、エミッタ接地されたトランジスタにより初段増幅部を構成した負帰還増幅器の入力端子にフォトダイオードの一端を逆バイアス接続し、フォトダイオードの光電流出力を電圧変換する光電流・電圧変換回路において、上記フォトダイオードの他端を第１トランジスタのベースに接続し、この第１トランジスタのコレクタを定電流源を介して電源に接続するとともにエミッタをダイオードを介して接地し、第２トランジスタのベースを第１トランジスタのコレクタと定電流源の接続部に、コレクタを電源に、エミッタをフォトダイオードと第１トランジスタの接続部にそれぞれ接続したことを特徴とする光電流・電圧変換回路を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１を参照して説明する。図において、図２、図３と同一部分には同一符号を付し重複する説明を省略する。図２、図３とは、フォトダイオード１０の一端（アノード電極）側に接続される回路構成が同一であり、フォトダイオード１０の他端（カソード電極）側に第１トランジスタ１８、定電流源１９、ダイオード２０および第２トランジスタ２１からなる回路構成が接続される点で異なる。
【００１６】
フォトダイオード１０の他端（カソード電極）に第１トランジスタ１８のベースと第２トランジスタ２１のエミッタが接続されている。第１トランジスタ１８のコレクタは定電流源１９を介して電源ラインＶｃｃに接続され、第１トランジスタ１８のエミッタはダイオード２０を介して接地されている。第２トランジスタ２１のコレクタは電源ラインＶｃｃに接続され、第２トランジスタ２１のベースは第１トランジスタ１８のコレクタと定電流源１９の接続部に接続されている。
【００１７】
定電流源１９は、一対のトランジスタ（第３、第４のトランジスタ）２２、２３の各ベースを互いに接続し、第３トランジスタ２２のベースとコレクタを共通接続した電流ミラー回路を構成し、第３トランジスタ２２のコレクタを抵抗２４を介して接地し、エミッタを抵抗２５及びベース、コレクタが共通接続された第５トランジスタ２６を介して電源ラインＶｃｃに接続し、第４トランジスタ２３のエミッタを抵抗２７を介して電源ラインＶｃｃに接続している。この定電流源１９内の第４トランジスタ２３のコレクタが第１トランジスタ１８のコレクタに接続されている。
【００１８】
図中、前後段トランジスタ１、２、第１、第２、第５トランジスタ１８、２１、２６はそれぞれＮＰＮ型トランジスタ、第３、第４トランジスタはＰＮＰ型トランジスタである。
【００１９】
この回路の動作を以下に説明する。フォトダイオード１０のアノード電極には負帰還増幅器９の初段トランジスタ１のベース・エミッタ間の順方向電圧がかかっている。一方、フォトダイオード１０のカソード電極には第１トランジスタ１８のベース・エミッタ間の順方向電圧とダイオード２０の順方向電圧を加算した電圧がかかっている。このようにフォトダイオード１０のカソード電極にはアノード電極にかかる電圧の約２倍の電圧がかかっているためフォトダイオード１０は逆バイアス状態に保たれる。この状態でフォトダイオード１０に光が照射されると発生した光電流Ｉｐｄが負帰還抵抗８に流れ電圧降下させるため負帰還増幅器８の出力端子６の電圧が変化し、光電流・電圧変換が行なわれる。
【００２０】
フォトダイオード１０に照射される光の強度を上昇させると光電流Ｉｐｄが増加し第１トランジスタ１８のベース電極から電流が引き出されるためベース電圧は低下しコレクタ電流も減少する。トランジスタ１８のベース電圧低下によってフォトダイオード１０のカソード電圧が低下し、フォトダイオード１０の両端にかかる電圧を変化させる。一方、第１トランジスタ１８のコレクタ電流は定電流源１９から供給されておりコレクタ電流が減少するとコレクタ電圧は上昇する。その結果、第２トランジスタ２１はエミッタ電圧が低下しベース電圧が上昇して、ベース・エミッタ間電圧が上昇するため、コレクタ・エミッタ間が導通し電源ラインＶｃｃからフォトダイオード１０に電流が供給され、これにより第１トランジスタ１８のベース電圧、即ちフォトダイオード１０のカソード電圧は上昇しその逆バイアス状態を復旧させる。
【００２１】
また電源ラインＶｃｃの電圧が変動したり電源ラインＶｃｃに大振幅のノイズが重畳したような場合に、フォトダイオード１０のカソード電圧、即ち第１トランジスタ１８のベース電圧が変動すると第２トランジスタ２１の導通状態が制御され、フォトダイオード１０のカソード電圧を一定に保つ。そのため、電源電圧が変動してもフォトダイオード１０の端子間電位差の変動がなく、端子間容量Ｃｐｄが小さく保たれ、負帰還抵抗８との時定数も小さく保たれ、高速動作が可能である。
【００２２】
尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、負帰還増幅器９は図示例ではエミッタ接地の前段トランジスタ１とエミッタフォロワの後段トランジスタ２の二段構成であるが、これに限定されず負帰還増幅器を構成するのであればよい。またダイオード２０はトランジスタのベース、コレクタ間を共通接続したものを用いることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば高速動作と安定動作を両立させた光電流・電圧変換回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光電流・電圧変換回路を示す回路図
【図２】従来の光電流・電圧変換回路の一例を示す回路図
【図３】従来の光電流・電圧変換回路の他の例を示す回路図
【符号の説明】
１　初段（前段）トランジスタ
５　入力端子
９　負帰還増幅器
１０　フォトダイオード
１８　第１トランジスタ
１９　定電流源
２０　ダイオード
２１　第２トランジスタ

Claims (1)

1. エミッタ接地されたトランジスタにより初段増幅部を構成した負帰還増幅器の入力端子にフォトダイオードの一端を逆バイアス接続し、フォトダイオードの光電流出力を電圧変換する光電流・電圧変換回路において、上記フォトダイオードの他端を第１トランジスタのベースに接続し、この第１トランジスタのコレクタを定電流源を介して電源に接続するとともにエミッタをダイオードを介して接地し、第２トランジスタのベースを第１トランジスタのコレクタと定電流源の接続部に、コレクタを電源に、エミッタをフォトダイオードと第１トランジスタの接続部にそれぞれ接続したことを特徴とする光電流・電圧変換回路。

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