JP2004304708A

JP2004304708A - 光電流・電圧変換回路

Info

Publication number: JP2004304708A
Application number: JP2003098001A
Authority: JP
Inventors: Akifumi Shimizu; 昌文清水
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: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】通常の光入力レベルに対しては、増幅器本来の利得を確保しつつリニアな増幅が得られ、光入力レベルが増大しても増幅器出力が飽和せず回路全体の応答速度が低下しない光電流・電圧変換回路を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１０への光電流入力を第１の増幅器１５で受け、続くクランプ回路２２で第１の増幅器１５の出力の飽和を防ぐ。クランプ回路２２は、ＮＰＮ型トランジスタ１６のエミッタが第１の増幅器１５の出力端１３に、コレクタが第１の抵抗１７を介して電源ライン７に接続され、第１、第２のダイオード１８、１９によるダイオード列２０の一端側カソード電極が接地され、他端側アノード電極が第２の抵抗２１を介して電源ライン７に接続され、ダイオード列２０と第２の抵抗２１との接続点にトランジスタ１６のベースが接続され、第１の増幅器１５の出力電圧をクランプする。
【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関連のサーボ制御機器やシーケンサやインバータ機器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２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入射光を検出し、光電流Ｉｐｄを発生する。２は反転増幅器で入力端３と出力端４の間に帰還抵抗５（抵抗値をＲｆとする）が接続され増幅器６を構成している。フォトダイオード１の一端（図示例ではアノード電極）は反転増幅器２の入力端３に接続され、他端（カソード電極）は電源ライン７に接続され、その両端にはほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられている。
フォトダイオード１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５には電流が流れないため、増幅器６の出力電圧Ｖａは入力端３とほぼ等しい電圧Ｖｏとなる。この電圧Ｖｏが基準値となり、フォトダイオード１に光入力があると、光量に応じた光電流Ｉｐｄが帰還抵抗５に流れ、帰還抵抗５の両端に（Ｉｐｄ×Ｒｆ）の電圧を発生し、出力端４の電圧Ｖａは基準値電圧Ｖｏから電圧（Ｖｏ−Ｉｐｄ×Ｒｆ）に変化する。
【０００４】
図２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ＨｉｇｈまたはＬｏｗレベルの信号が発光素子に供給されると、発光素子から受光ＩＣへ光で信号が伝わり、受光ＩＣから論理に応じたＨｉｇｈまたはＬｏｗレベルの信号が出力される。このようにして、ＩＣ論理素子からの信号が入出力間を電気的に絶縁して伝達される。
フォトカプラの受光素子への入力信号レベルが大きくなると、受光ＩＣに用いられる光電流・電圧変換回路の反転増幅器２が飽和し応答が遅くなり、ＩＣ論理素子からの信号が正確に伝達されなくなるという問題がある。
【０００５】
この増幅器の飽和の問題を回避する光電流・電圧変換回路が、特許文献１に開示されている。特許文献１にはフォトダイオードのアノードを接地しカソードを増幅器の入力端に接続した例が掲載されているが、フォトダイオードのカソードを電源に接続しアノードを増幅器の入力端に接続した例を図３、図４に示す。光入力に対する帰還抵抗に流れる電流の向きと増幅器出力の論理が異なるが、基本的な回路の動作すなわち微弱光入力時は、帰還抵抗５が支配的となり比較的リニアな増幅をし、強光入力時は、主に帰還抵抗５と並列接続されたクランプ素子の特性に従った増幅となる点は特許文献１の開示例と変わらない。
【０００６】
図３は、クランプ素子としてダイオード８を用いている。図において、フォトダイオード１は入射光を検出し、光電流Ｉｐｄを発生する。反転増幅器２は入力端３と出力端４の間に帰還抵抗５が接続され増幅器６を構成している。フォトダイオード１の一端（図示例ではアノード電極）は反転増幅器２の入力端３に接続され、その両端にはほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられている。図示例ではフォトダイオード１の他端であるカソード電極が電源ライン７に接続されている。そして、ダイオード８のアノードが反転増幅器２の入力端３に、カソードが出力端４に接続されている。
光入力が小さいときは、光電流Ｉｐｄも小さく、ダイオード８には電流が流れず帰還抵抗５に流れる電流も少ない。しかし、光入力が大きくなり光電流Ｉｐｄが増大すると、反転増幅器２の入出力間電圧がダイオードの順方向ターンオン電圧に達しダイオード８を流れる電流は急に増大する。光電流Ｉｐｄが増えて出力電圧が減少するが、ダイオードの作用で入力電圧よりターンオン電圧以下には低下しない。このように、微弱光入力時はダイオードがオンせずリニアな増幅をし、強光入力時は主にダイオード８のＶ−Ｉ特性に従った増幅となる。
【０００７】
図４は、クランプ素子としてエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ９を用いている。図において、フォトダイオード１は入射光を検出し、光電流Ｉｐｄを発生する。反転増幅器２は入力端３と出力端４の間に帰還抵抗５（抵抗値をＲｆとする）が接続され増幅器６を構成している。フォトダイオード１の一端（図示例ではアノード電極）は反転増幅器２の入力端３に接続され、その両端にはほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられている。図示例ではフォトダイオード１の他端であるカソード電極が電源ライン７に接続されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ９のゲートとドレインが反転増幅器２の入力端３に、ソースが出力端４に接続されている。
光入力が小さいときは、光電流Ｉｐｄも小さく、ＭＯＳＦＥＴ９には電流がほとんど流れず帰還抵抗５に流れる電流も少ない。しかし、光入力が大きくなり光電流Ｉｐｄが増大するにつれ、反転増幅器２の入出力間電圧すなわちＭＯＳＦＥＴ９のゲート・ソース間電圧ＶＧＳが増大し、ＭＯＳＦＥＴ９を流れる電流はＭＯＳＦＥＴ９のＶＧＳ−ＩＤ特性に従い増大する。つまり、ＭＯＳＦＥＴ９のオン抵抗が電流の増大とともに小さくなり、反転増幅器２の入出力間抵抗である帰還抵抗５とＭＯＳＦＥＴ９の合成抵抗も小さくなる。よって、光電流Ｉｐｄが増加しても、反転増幅器２の出力が飽和することはない。このように、微弱光入力時は帰還抵抗５が支配的となり比較的リニアな増幅をし、強光入力時は主にＭＯＳＦＥＴ９のＶＧＳ−ＩＤ特性に従った増幅となる。
【０００８】
このように図３、図４に示す回路では、フォトダイオード１に大きな光入力があった場合に、帰還抵抗５と並列に接続したクランプ素子８、９が導通状態となり、このため多くの光電流はクランプ素子を流れ反転増幅器２そのものが飽和することを防止できる。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６１−４１２１３号公報（第２−４頁、第１図、第５図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところがクランプ素子としてダイオード８を用いたものは、ダイオードがオフしているときに広がっていた空乏層をキャリアが移動する時間が長くなるため、ダイオードがオフからオンへの遷移時間が長く、微弱光入力時から強光入力時への応答速度が遅いという問題があった。
また、クランプ素子としてＭＯＳＦＥＴ９を用いたものは、反転増幅器２の入出力間に電位差が発生した時点から利得に制限がかかるため、増幅器本来の制限がかからない最大の利得を確保することができず、よりリニアな増幅が得られないという問題があった。
本発明は斯かる実情に鑑み、受光ＩＣの光電流・電圧変換回路内の増幅器が飽和しない光入力レベルに対しては、増幅器本来の制限がかからない最大の利得を確保しつつ、よりリニアな増幅が得られ、強光入力レベルに対しては、増幅器出力が飽和せず、回路全体の応答速度が低下しないことにより高速動作が維持可能となる光電流・電圧変換回路を提供しようとするものである。
【００１１】
【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、フォトダイオードと、入力端に前記フォトダイオードが逆バイアス状態で接続され、光電流を電圧変換する増幅器と、トランジスタのコレクタを電源側に、エミッタを前記増幅器出力端にそれぞれ接続し、複数のダイオードを同一方向に直列接続したダイオード列の一端側カソードを接地し他端側アノードを抵抗を介して電源に接続し、前記ダイオード列と抵抗の接続点に前記トランジスタのベースを接続してなるクランプ回路とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【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、１０は光照射により光電流Ｉｐｄを発生するフォトダイオード、１１は反転増幅器で、入力端１２と出力端１３の間に帰還抵抗１４が接続され第１の増幅器１５を構成している。
フォトダイオード１０の一端（図示例ではアノード電極）は第１の増幅器１５の入力端１２に接続され、他端（カソード電極）は電源ライン７に接続されてその両端はほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられている。
１６はＮＰＮ型トランジスタで、エミッタは第１の増幅器１５の出力端１３に、コレクタは第１の抵抗１７を介して電源ライン７に接続されている。
１８、１９は第１、第２のダイオードで、同一方向に直列接続されてダイオード列２０を構成し、このダイオード列２０の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第２の抵抗２１を介して電源ライン７に接続され、ダイオード列２０と第２の抵抗２１との接続点にトランジスタ１６のベースが接続されている。これらトランジスタ１６、第１、第２の抵抗１７、２１、ダイオード列２０によって、第１の増幅器１５の出力電圧をクランプするクランプ回路２２を構成している。
２３は入力抵抗、２４は反転増幅器で、入力端２５と出力端２６の間に帰還抵抗２７が接続され、入力端２５に入力抵抗２３の一端が接続され増幅器２８を構成し、入力抵抗２３の他端が第１の増幅器１５の出力端１３に接続されている。こうして光電流・電圧変換回路２９を構成している。
【００１３】
この回路の動作を以下に説明する。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、第１の帰還抵抗１４には電流が流れないため、第１の増幅器１５の出力電圧Ｖ_ａ１は入力端１２とほぼ等しい電圧Ｖ_ｏ１となる。この電圧Ｖ_ｏ１が基準値となり、フォトダイオード１０に光入力されると、光量に応じた光電流Ｉｐｄが第１の帰還抵抗１４（抵抗値をＲ_ｆ１とする）に流れ、第１の帰還抵抗１４の両端に（Ｉｐｄ×Ｒ_ｆ１）の電圧を発生し、第１の増幅器１５の出力電圧Ｖ_ａ１は基準値電圧Ｖ_ｏ１から電圧Ｖ_ａ１＝（Ｖ_ｏ１−Ｉｐｄ×Ｒ_ｆ１）に変化する。
フォトダイオード１０への光入力レベルが徐々に増加するにつれ、第１の増幅器１５の出力電圧Ｖ_ａ１も変化（低下）していく。しかし、第１の増幅器１５の出力に接続されているトランジスタ１６のベースはダイオード列２０と第２の抵抗２１との接続点に接続されており、トランジスタ１６のベース電圧は、ダイオードの順方向ターンオン電圧をＶ_ｆとすると電圧２・Ｖ_ｆにバイアスされた状態となっている。このため、トランジスタ１６がオフしているときにおいて出力電圧Ｖａ１のＶｏ１からの電圧低下（Ｉｐｄ×Ｒ_ｆ１）がほぼトランジスタ１６のベース・エミッタ間の順方向電圧Ｖｂｅにまで低下した時点でトランジスタ１６がオンし、トランジスタ１６のベース・エミッタ間には順方向電圧Ｖ_ｂｅが発生する。従って、第１の増幅器１５の出力電圧Ｖ_ａ１は
Ｖ_ｏ１≧（Ｖ_ｏ１−Ｉｐｄ×Ｒ_ｆ１）≧２Ｖ_ｆ−Ｖ_ｂｅ≒Ｖ_ｆ
の範囲で変化することになる。すなわち、ほぼダイオード１個分の順方向電圧Ｖ_ｆに相当する電圧以上に低下しようとするとクランプ動作が行われ、第１の増幅器１５の出力電圧が飽和することはない。第１の増幅器１５の出力端１３のクランプ電圧Ｖ_ｃｌとしては
Ｖ_ｃｌ＝２・Ｖ_ｆ−Ｖ_ｂｅ≒Ｖ_ｆ
となる。この第１の増幅器１５の出力電圧が、入力抵抗２３を含む次段の第２の増幅器２８に入力され、増幅度Ａ_ｖ２で増幅され光電流・電圧変換回路２９の出力となる。
増幅度Ａ_ｖ２は、入力抵抗２３（抵抗値をＲ_ｉとする）と第２の反転増幅器２４の第２の帰還抵抗２７（抵抗値をＲ_ｆ２とする）により決定され（−Ｒ_ｆ２／Ｒ_ｉ）であらわされる。
以上のようにフォトダイオード１０に光が照射されると、第１の増幅器１５およびクランプ回路２２で第１の増幅器１５の出力が飽和することなく電圧変換され、第２の増幅器２８で所望の電圧に増幅され、光電流・電圧変換が行なわれる。
なお、クランプ回路２２の第１、第２のダイオード１８、１９の順方向電圧Ｖ_ｆは、第１、第２のダイオード１８、１９を流れる電流値およびその素子サイズで、また、トランジスタ１６のベース・エミッタ間の順方向電圧Ｖ_ｂｅは、トランジスタ１６を流れる電流値およびその素子サイズでそれぞれ決まり、具体的には、各素子を流れる電流値は、第１および第２の抵抗１７、２１の抵抗値でそれぞれ調整される。
【００１４】
このように、フォトダイオード１０に入力される光の強度が上昇し光電流Ｉｐｄが増加しても、第１の増幅器１５の出力が飽和することなく、第１の増幅器１５の応答性が維持された状態で第２の増幅器２８で所望の電圧に増幅され、光電流・電圧変換が行なわれる。逆に、強光入力から微弱光入力へ入力される光が変化しても、第１の増幅器１５の出力が飽和していないため、光電流・電圧変換回路の応答速度が遅くなるということもない。
また、第１の増幅器１５の出力がクランプ電圧Ｖ_ｃｌに達するまでは、利得制限なく動作し、従来例のように第１の増幅器１５の入出力端間に電位差が発生した時点から利得制限がかかるという問題も解消される。
そのため、増幅器が飽和しない光入力レベルでは、増幅器本来の制限がかからない最大の利得を確保しつつ、よりリニアな増幅が得られ、また、強光入力レベルに変化しても、出力が飽和せず、光電流・電圧変換回路２９全体での応答速度も低下しないため高速動作が維持可能である。
【００１５】
尚、本発明の第１、第２の反転増幅器１１、２４としては、例えばエミッタ接地の前段トランジスタとエミッタフォロワの後段トランジスタの２段構成であってもよい。また、第１、第２のダイオード１８、１９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。
さらに、フォトダイオード１０の逆バイアスのかけ方として、図１ではフォトダイオード１０の他端が電源ライン７に接続されているが、カソード電極を第１の増幅器１５の入力に接続しアノード電極を接地した構成でもよい。この場合のクランプ回路は、ＮＰＮ型トランジスタに替えＰＮＰ型トランジスタを用い、エミッタを第１の増幅器１５の出力端１３に、コレクタを第３の抵抗を介して接地するとともに、同一方向に直列接続されたダイオード列の一端側カソード電極を接地し、他端側アノード電極を第４の抵抗を介して電源ライン７に接続し、ＰＮＰ型トランジスタのベースをダイオード列と第４の抵抗との接続点に接続する構成とすればよい。
【００１６】
【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、第１の増幅器出力にダイオードの順方向電圧およびトランジスタのベース・エミッタ間の順方向電圧を利用したクランプ回路を設けたことにより、第１の増幅器が飽和しない光入力レベルに対しては、増幅器本来の最大の利得を確保しつつ、よりリニアな増幅が得られ、微弱光入力から強光入力へ入力が変化しても、第１の増幅器出力が飽和しないため、回路全体での応答速度が低下せず高速動作が維持可能となり、光電流・電圧変換回路の光入力レベルのダイナミックレンジを拡大できるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光電流・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。
【図４】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】
１０フォトダイオード
１５第１の増幅器
１６トランジスタ
１７，２１抵抗
１８，１９ダイオード
２２クランプ回路
２８第２の増幅器

Claims

フォトダイオードと、入力端に前記フォトダイオードが逆バイアス状態で接続され、光電流を電圧変換する増幅器と、トランジスタのコレクタを電源側に、エミッタを前記増幅器出力端にそれぞれ接続し、複数のダイオードを同一方向に直列接続したダイオード列の一端側カソードを接地し他端側アノードを抵抗を介して電源に接続し、前記ダイオード列と抵抗の接続点に前記トランジスタのベースを接続してなるクランプ回路とを備えたことを特徴とする光電流・電圧変換回路。