JP2004260230A

JP2004260230A - 光電流・電圧変換回路

Info

Publication number: JP2004260230A
Application number: JP2003045274A
Authority: JP
Inventors: Kurao Nakagawa; 蔵生中川
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16
Also published as: US20040164232A1

Abstract

【課題】受光ＩＣの入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を抑制した光電流・電圧変換回路を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１への光入力により発生する光電流を、増幅器２の反転入力端と出力端に接続された帰還抵抗４により電圧変換し、その変換電圧Ｖａを基準電圧回路６からの閾値電圧Ｖｔｈと比較器１４で比較して２値信号を出力する受光ＩＣにおいて、基準電圧回路６の非反転入力端を増幅器２出力端と同相とし、基準電圧回路出力を加勢側に一定値オフセットさせるとともに増幅器２出力を越えない範囲で増幅することおよび基準電圧回路６の持つ時定数により確実に増幅器２出力よりも遅延させかつ増幅器２出力に追従させた基準電圧回路出力を閾値電圧として比較器に出力し、増幅器２出力と比較する構成としたので、増幅器２出力Ｖａを閾値電圧Ｖｔｈが追従し安定した比較動作を実現できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子により発生する光電流を電圧に変換し２値信号として出力する光電流・電圧変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトダイオードなどの受光素子により発生する光電流を電圧に変換し２値信号として出力する光電流・電圧変換回路が多くの分野で利用されている。例えば、ＦＡ関連等で入出力間を電気的に絶縁することを目的として、入力側の発光素子（例えば発光ダイオード）に電気信号を供給し、発光素子から出力側の受光素子へ光で信号を伝え、受光素子から電気信号を出力するフォトカプラの受光回路に用いられている。また、赤外線通信や光ケーブル通信等の受信回路および最近の光ディスク装置でのレーザー反射光信号を電気的ディジタル信号に変換する光検出回路にも広く用いられている。この光電流・電圧変換回路はＩＣ化され受光ＩＣとして使用されている。
【０００３】
以下、受光ＩＣの一例について、図４を参照して説明する。
図において、１はフォトダイオードでアノードが接地されている。２は反転増幅器３を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード１のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗４が接続されている。そして、定電流源５が反転増幅器３に接続されている。６は非反転増幅器７を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗８が接続され、反転入力端は定電流源９を介して接地され、非反転入力端が増幅器２の反転入力端に接続されている。１０は時定数回路で、第１、第２の分圧抵抗１１、１２が増幅器２の出力端と基準電圧回路６の出力端に直列接続され、その直列接続点がコンデンサ１３を介して接地されている。１４は比較器で、非反転入力端に増幅器２の出力端が接続され、反転入力端に第１、第２の分圧抵抗１１、１２の接続点が接続されている。
【０００４】
上記構成の受光ＩＣの動作を説明する。
フォトダイオード１に光入力が無い場合は、光電流Ｉｐｄは発生せず、従って増幅器２の帰還抵抗４にも光電流Ｉｐｄが流れないため、増幅器２の出力端は反転入力端と同一電位となり、定電流源５から供給される電流に応じた電位Ｖ_０が発生する。一方、基準電圧回路６では、バイアス抵抗８と定電流源９によりオフセット電圧Ｖ_ＯＳが生成され、増幅器２の反転入力端の電位よりもこのオフセット電圧Ｖ_ＯＳ分加勢側にオフセットされた高い電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ（＞Ｖ_０）として出力される。この増幅器２の出力端の電位Ｖａ＝Ｖ_０と基準電圧Ｖｒｅｆが時定数回路１０の第１、第２の分圧抵抗１１、１２で分圧され閾値電圧Ｖｔｈとなる。よって、増幅器２の出力端の電位Ｖａ＝Ｖ_０が比較器１４に出力されると、時定数回路１０からの閾値電圧Ｖｔｈと比較され、増幅器２出力端電位Ｖ_０が閾値電圧Ｖｔｈより低いので、論理に応じたＬｏｗまたはＨｉｇｈレベルの２値信号を出力する。
【０００５】
フォトダイオード１に光が入力されると、その光量に応じた光電流Ｉｐｄが発生し、この光電流Ｉｐｄが帰還抵抗４に増幅器２の出力端から反転入力端の方向に流れ、その結果、光電流Ｉｐｄは、帰還抵抗４の両端に発生する電圧Ｖｒ＝Ｉｐｄ×Ｒｆ（Ｒｆ：帰還抵抗４の抵抗値）に変換され、出力端の電位ＶａはＶａ＝Ｖ_０＋Ｖｒとなる。この電位Ｖａが増幅器２の出力端から比較器１４へと出力されると、時定数回路１０からの閾値電圧Ｖｔｈと比較され、フォトダイオード１への光入力が、ある一定レベル以上であれば、Ｖａ＞Ｖｔｈとなり、信号が入ったものと判定し、前述の光入力が無い場合とは逆のレベルを出力する。また、フォトダイオード１への光入力が、ある一定レベル以下であれば、Ｖａ＜Ｖｔｈとなり、前述の光入力が無い場合と同じレベルを出力する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
図４に示す受光ＩＣを用いて例えば、フォトカプラを構成した場合、ＩＣ論理素子から２値信号としてＨｉｇｈレベルの信号が発光素子に供給されると、発光素子から受光ＩＣへ光で信号が伝わり、受光ＩＣから論理に応じたＬｏｗまたはＨｉｇｈレベルの信号が出力される。また、Ｌｏｗレベルの信号が発光素子に供給されると、発光素子から光が出力されず、受光ＩＣには光入力が無いので、受光ＩＣからはＨｉｇｈレベルの信号が発光素子に供給される場合と逆のレベルの信号が出力される。このようにして、ＩＣ論理素子からの２値信号が入出力間を電気的に絶縁して伝達される。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５０６１８５９号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した受光ＩＣの入出力波形図を図５を参照して説明する。図は光入力周波数が高く、入力波形の立上がり時間および立下り時間が光入力パルス幅Ｗ_ｉの数％〜数十％程度を占める場合である。図示例では、第１、第２の分圧抵抗比を特許文献１の例示に倣い約１：２として表した波形図である。
【０００９】
図５（ａ）に示すように、光入力により２値信号が出力される光電流Ｉｐｄの最小値をＩｐｄ０とし、その光電流波形をＩｐｄ１、これより大きい光電流波形をＩｐｄ２として、光電流Ｉｐｄ１、Ｉｐｄ２が流れる。この時、増幅器２の出力端の電位Ｖａは、その大きさに応じて光電流Ｉｐｄ１のときＶａ１、Ｉｐｄ２のときＶａ２となる。
【００１０】
基準電圧Ｖｒｅｆは、増幅器２の反転入力端の電位に基準電圧回路６の内部で生成されるオフセット電圧Ｖ_ＯＳを加算した電圧である。オフセット電圧Ｖ_ＯＳは予め設計段階に設定された一定電圧である。一方、増幅器２の反転入力端の電位は、光電流Ｉｐｄが流れないときは電位Ｖ_０であり、光電流Ｉｐｄが流れると電位Ｖ_０より降下し、光電流Ｉｐｄが大きくなるほどこの下降は大きくなる。光電流Ｉｐｄ１、Ｉｐｄ２が流れると、増幅器２の反転入力端すなわち基準電圧回路６の非反転入力端の電位は、図５（ｂ）に示すように、Ｉｐｄ１よりＩｐｄ２のときのほうが電位Ｖ_０からの下降が大きい。従って、基準電圧Ｖｒｅｆは、図５（ｃ）に示すように、光電流Ｉｐｄが流れないときは電位Ｖ_０＋オフセット電圧Ｖ_ＯＳであり、光電流Ｉｐｄが流れるときは、増幅器２の反転入力端の電位の下降分だけ変動し、光電流Ｉｐｄ１が流れたときの基準電圧Ｖｒｅｆ１より、Ｉｐｄ２が流れたときの基準電圧Ｖｒｅｆ２のほうが低くなる。
この基準電圧Ｖｒｅｆは、図５（ｄ）に示すように、光電流Ｉｐｄが流れたときの増幅器２の出力端の電位Ｖａより低くなるように時定数回路１０の第１、第２の分圧抵抗１１、１２で分圧されるとともにコンデンサ１３によりその変化の割合が抑制された状態で閾値電圧Ｖｔｈとして比較器１４の反転入力端に入力される。
【００１１】
ここで、比較器１４での入力波形の立上りおよび立下りに注目すると、図５（ｄ）の破線円部Ｐ１、Ｐ２の拡大図に示すように増幅器２出力電位Ｖａの変化直後から閾値電圧Ｖｔｈも変化し始める。これは、閾値電圧Ｖｔｈが第１、第２の分圧抵抗１１、１２で分圧されて生成されるためである。増幅器２出力電位波形Ｖａの立上がり点から閾値電圧波形Ｖｔｈと交差する点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印Ａ１、Ａ２およびｔｄ_ｒ１、ｔｄ_ｒ２となり、また増幅器２出力電位Ｖａの立下がり点から閾値電圧Ｖｔｈとの交差点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印Ａ３、Ａ４およびｔｄ_ｆ１、ｔｄ_ｆ２となる。この矢印Ａ１と矢印Ａ３および矢印Ａ２と矢印Ａ４であらわされる変動電位の差が、ｔｄ_ｒ１とｔｄ_ｆ１および、ｔｄ_ｆ２とｔｄ_ｒ２の差の原因となり、図５（ｄ）に示すように出力波形幅Ｗ_ｏ１、Ｗ_ｏ２が入力波形幅Ｗ_ｉとは同一とはならない（図示例ではＷ_ｉ＜Ｗ_ｏ１＜Ｗ_ｏ２の関係となる）問題点がある。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑み、微小〜大入力の広範囲光入力において比較器入力端の閾値を、入力信号振幅に応じ比較器動作可能な範囲に追従させ、入力パルス幅に対する出力パルス幅の上記の入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした出力が得られる光電流・電圧変換回路を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電流・電圧変換回路は、受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器と、増幅器によって増幅された電圧を入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力する基準電圧回路と、増幅器と基準電圧回路のそれぞれからの出力電圧が同相で入力され比較結果を２値信号として出力する比較器とを具備したことを特徴とする。
また、本発明の光電流・電圧変換回路は、前記増幅器が反転増幅器であり、前記基準電圧回路が非反転増幅器であることを特徴とする。
また、本発明の光電流・電圧変換回路は、前記基準電圧回路が、その入力電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせた電圧であって、前記増幅器２出力よりも低く保たれた電圧を前記増幅器２出力よりも遅延して出力することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例の受光ＩＣについて図１を参照して説明する。
図において、図４と同一のものについては同一符号を付してその説明を省略する。１はフォトダイオードでアノードが接地されている。２は反転増幅器３を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード１のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗４が接続されている。そして、定電流源５が反転増幅器３に接続されている。６は非反転増幅器７を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗８が接続され、反転入力端は定電流源９を介して接地され、非反転入力端が増幅器２の出力端に接続されている。１４は比較器で、非反転入力端に増幅器２の出力端が接続され、反転入力端に基準電圧回路６の出力端が接続されている。図４に示す受光ＩＣと異なる点は、基準電圧回路６の非反転入力端が増幅器２の出力端に接続されている点および時定数回路１０が削除され基準電圧回路６の出力端が比較器１４の反転入力端に接続されている点である。
【００１５】
上記構成の受光ＩＣの動作を説明する。フォトダイオード１に光入力が無い場合は、図４の受光ＩＣと同様に、増幅器２の反転入力端と出力端は同一電位Ｖ_０となる。増幅器２の出力端の電位Ｖａ＝Ｖ_０が基準電圧回路６に供給されるとともに比較器１４に出力されると、比較器１４において、基準電圧回路６からの基準電圧Ｖｒｅｆ＝電位Ｖ_０＋オフセット電圧Ｖ_ＯＳ（＞Ｖ_０）と比較され、基準電圧Ｖｒｅｆより低いので、図４の受光ＩＣと同様に、論理に応じたＬｏｗまたはＨｉｇｈレベルの２値信号を出力する。
【００１６】
基準電圧Ｖｒｅｆは、増幅器２の出力端の電位にバイアス抵抗８と定電流源６により生成されるオフセット電圧Ｖ_ＯＳにより加勢する側にオフセットした電位である。オフセット電圧Ｖ_ＯＳは予め設計段階に設定された一定電圧である。一方、増幅器２の出力端の電位は、光電流Ｉｐｄが流れないときは電位Ｖ_０であり、光電流Ｉｐｄが流れると、図４の受光ＩＣとは逆に電位Ｖ_０より上昇し、光電流Ｉｐｄが大きくなるほどこの上昇は大きくなる。光電流Ｉｐｄ１、Ｉｐｄ２が流れると、基準電圧回路６の非反転入力端の電位は、図２（ｂ）に示すように、Ｉｐｄ１よりＩｐｄ２のときのほうが電位Ｖ_０からの上昇が大きい。従って、基準電圧Ｖｒｅｆは、図２（ｃ）に示すように、光電流Ｉｐｄが流れないときは電位Ｖ_０＋オフセット電圧Ｖ_ＯＳであり、光電流Ｉｐｄが流れるときは、増幅器２の出力端の電位の上昇分だけ変動し、光電流Ｉｐｄ１が流れたときの基準電圧Ｖｒｅｆ１より、Ｉｐｄ２が流れたときの基準電圧Ｖｒｅｆ２のほうが高くなる。
この基準電圧Ｖｒｅｆは、増幅器２出力端から基準電圧回路６の非反転入力端に直接入力されるため、図２（ｄ）に示すように、増幅器２出力に対して基準電圧回路６が持つ時定数により遅延時間ｔ_ｄを有するとともに、光電流Ｉｐｄが流れたときの増幅器２出力電位Ｖａより低くなるように基準電圧回路６で増幅され、閾値電圧Ｖｔｈとして比較器１４の反転入力端に入力される。図示例では、基準電圧回路６の増幅度を約２／３とした。そして、比較器１４において、基準電圧回路６からの閾値電圧Ｖｔｈと比較され、Ｖａ＞Ｖｒｅｆ＝Ｖｔｈであり、前述の光入力が無い場合とは逆のレベルを出力する。
【００１７】
ここで、比較器１４での入力波形の立上りおよび立下りに注目すると、図２（ｄ）の破線円部Ｑ１、Ｑ２の拡大図に示すように増幅器２出力電位Ｖａの変化直後からではなく遅延時間ｔ_ｄだけ遅れて閾値電圧Ｖｔｈが変化し始める。これは前述の通り、増幅器２出力端から基準電圧回路６の非反転入力端に直接入力されるためである。増幅器２出力電位波形Ｖａの立上がり点から閾値電圧波形Ｖｔｈと交差する点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印Ｂ１、Ｂ２およびｔｄ_ｒ１、ｔｄ_ｒ２となり、また増幅器２出力電位Ｖａの立下がり点から閾値電圧Ｖｔｈとの交差点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印Ｂ３、Ｂ４およびｔｄ_ｆ１、ｔｄ_ｆ２となる。この矢印Ｂ１と矢印Ｂ３および矢印Ｂ２と矢印Ｂ４であらわされる変動電位の差が、ｔｄ_ｒ１とｔｄ_ｆ１および、ｔｄ_ｆ２とｔｄ_ｒ２の差の原因となるのは先の図５の場合と同じであるが、図２（ｄ）に示すようにその差は大きく改善され出力波形幅Ｗ_ｏ１、Ｗ_ｏ２がほぼ入力波形幅Ｗ_ｉと同一となり、図示例のとおりＷ_ｉ ≒Ｗ_ｏ１≒Ｗ_ｏ２の関係となる。よって、入力波形幅Ｗ_ｉと出力波形幅Ｗ_ｏのずれが小さく（Ｗ_ｉ≒Ｗ_ｏ）、しかも、光入力強度の違いによってＨｉｇｈまたはＬｏｗレベルである時間の差異もほとんど無くなる（Ｗ_ｏ１≠Ｗ_ｏ２）。つまり、入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪の問題が大きく改善される。
なお、立上り側の交差する点および立下がり側の交差する点は、基準電圧回路６のオフセット値Ｖ_ＯＳおよび増幅度を調整することで最適化できる。
【００１８】
以上のように、光電流Ｉｐｄが増加したとき、電位Ｖ_０より電位が上昇する増幅器２の出力端を基準電圧回路６に供給するように構成したので、光量にかかわらず、基準電圧Ｖｒｅｆは、常に電位Ｖ_０＋オフセット電圧Ｖ_ＯＳより高く維持され、増幅器２出力Ｖａに対して基準電圧回路６が持つ時定数による遅延時間ｔ_ｄを持つようになる。このように、増幅器２の電位Ｖａに同相で追従し、かつ遅延を持った閾値を比較器１４に供給することで、図２（ｄ）の矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４で示すように増幅器２の出力の立上がりおよび立下りからほぼ同程度の変動電位で、しかも増幅器２出力波形Ｖａと閾値電圧波形Ｖｔｈとが９０度に近い鋭角で交差するため、安定した比較動作ができ、フォトダイオードへの入力信号に対応する歪の少ない出力信号を受光ＩＣから再現して出力できる。従って、従来よりも広範囲の光電流Ｉｐｄに対して入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした光電流・電圧変換動作が可能である。
さらに、比較器１４での増幅器２出力波形Ｖａと閾値電圧波形Ｖｔｈとの交差する角度が格段に大きくなるため、両波形が持つジッタ成分による比較器からのノイズ出力も抑制され対ジッタ性能が改善される。また、増幅器２出力Ｖａよりも基準電圧回路６の時定数分だけは確実に遅延時間を確保できるため、新たに時定数回路を設ける必要もなく回路の簡素化にも寄与できる。
【００１９】
次に、本発明の第２実施例の受光ＩＣについて図３を参照して説明する。
図において、図１と同一のものについては同一符号を付してその説明を省略する。
１はフォトダイオードでアノードが接地されている。２は反転増幅器３を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード１のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗４が接続されている。そして、定電流源５が反転増幅器３に接続されている。６は非反転増幅器７を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗８が接続され、反転入力端は定電流源９を介して接地され、非反転入力端が増幅器２の出力端と同相である反転増幅器３の中間段に接続されている。１４は比較器で、非反転入力端に増幅器２の出力端が接続され、反転入力端に基準電圧回路６の出力端が接続されている。１５は遅延回路で、抵抗１６とコンデンサ１７の各一端が直列接続されコンデンサ１７の他端が接地されており、抵抗１６の他端が増幅器２の出力端に接続されると共に、直列接続点が基準電圧回路６の出力端および比較器１４の反転入力端に接続されている。図１に示す受光ＩＣと異なる点は、基準電圧回路６の非反転入力端が増幅器２の出力端と同相である反転増幅器３の中間段に接続されている点と、基準電圧回路６の出力を増幅器２の出力よりも遅延させる遅延回路１５を接続した点である。
【００２０】
全体の動作については、図１の受光ＩＣと同様であり、その説明を省略する。基準電圧回路６についても増幅器２を構成する反転増幅器３の中間段同相出力を基準電圧回路６が持つ時定数および遅延回路１５により増幅器２の出力電位Ｖａの立上がり又は立下りタイミングよりも遅延させ、増幅器２の出力電位Ｖａより基準電圧Ｖｒｅｆ（＝Ｖｔｈ）が高くならない範囲で同相を保ちながら増幅させた閾値電圧Ｖｔｈを生成する点で図１の受光ＩＣと同様である。
効果については、図１の受光ＩＣと同様、安定した比較動作ができ、フォトダイオードへの入力信号に対応する歪の少ない出力信号を受光ＩＣから再現して出力でき、比較器入力の両波形が持つジッタ成分による比較器からのノイズ出力も抑制される効果に加え、遅延回路１５を設けたことで閾値電圧Ｖｔｈの持つ遅延時間を最適化することが容易に調整できる。従って、従来よりも広範囲の光電流Ｉｐｄに対して入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした光電流・電圧変換動作が可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電流・電圧変換回路によれば、受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器において、基準電圧回路の非反転入力を増幅器によって増幅された電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせ増幅器出力よりも低く保たれた電圧を増幅器出力よりも遅延して出力し、増幅器出力と比較する構成としたので、微弱な光入力から大きな光入力に対しても増幅器出力を閾値電圧が好適に追従し安定した比較動作ができ、入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を抑制した光電流・電圧変換回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の受光ＩＣの回路図。
【図２】図１に示す受光ＩＣの動作を説明する波形図。
【図３】本発明の第２実施例の受光ＩＣの回路図。
【図４】従来の受光ＩＣの回路図。
【図５】図４に示す受光ＩＣの動作を説明する波形図。
【符号の説明】
１フォトダイオード（受光素子）
２増幅器
６基準電圧回路
１４比較器

Claims

受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器と、増幅器によって増幅された電圧を入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力する基準電圧回路と、増幅器と基準電圧回路のそれぞれからの出力電圧が同相で入力され比較結果を２値信号として出力する比較器とを具備したことを特徴とする光電流・電圧変換回路。
前記増幅器が反転増幅器であり、前記基準電圧回路が非反転増幅器であることを特徴とする請求項１記載の光電流・電圧変換回路。
前記基準電圧回路が、その入力電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせた電圧であって、前記増幅器出力よりも低く保たれた電圧を前記増幅器出力よりも遅延して出力することを特徴とする請求項２記載の光電流・電圧変換回路。