JP2006005599A

JP2006005599A - 受光装置

Info

Publication number: JP2006005599A
Application number: JP2004179091A
Authority: JP
Inventors: Fukumi Ueda; 福美上田; Masahiko Iwasaki; 正彦岩崎
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】定常的な強い光と信号光とを同時に受光して生成された入力信号から、定常的な強い光による直流成分を除去して信号光による交流成分を抽出し、幅広いダイナミックレンジで出力の飽和を防止しながら位相変動を抑えて増幅する。
【解決手段】受光装置１は、帰還増幅回路２と受光素子３と直流成分除去回路４とを備えている。直流成分除去回路４の積分器４１は、受光素子３で光を受けて生成された入力電流Ｉｐのうち、太陽光等から生成される直流成分を直流成分除去回路４に流し、信号光を受けて受光素子３から生成される高周波の交流成分のみを帰還回路２２に流す。ショットキーダイオード２３は、出力電圧Ｖｏの飽和を防止するとともに、位相変動を小さく抑える。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力される信号を増幅して出力する受光装置に関する。

屋外で信号光を受光して増幅する受光器は、例えば図４に示すように受光素子９１と負荷抵抗９２と増幅器９３とにより構成される。信号光を受光した受光素子９１から光電変換により出力される光電流Ｉは、抵抗値Ｒの負荷抵抗９２を流れることにより増幅器９３の入力端子に起電力Ｖ＝ＩＲを発生させる。一般に、光電流Ｉは負荷抵抗９２の抵抗値Ｒに依存しないため、負荷抵抗Ｒを大きくするほど起電力Ｖが大きくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。起電力ＶはゲインＡをもつ増幅器９３により、出力電圧Ｖｏ＝ＡＩＲに変換される。

屋外環境下において光学式通信を行う場合、受光素子９１には、信号光以外に外乱として太陽光が入力される。信号光は100分の数ルクス（ｌｘ）以下であるのに対し、真夏の太陽光は10万ルクス（ｌｘ）に達するため、光電流Ｉのうち圧倒的に太陽光により発生する電流が大きくなる。

例えば、負荷抵抗９２の抵抗値Ｒ＝100ｋΩ、増幅器９３のゲインＡ＝1000倍とする受光器に最も弱い信号光が入力され、最小交流光電流10ｎＡが発生する場合、出力電圧Ｖｏ＝ＡＩＲ＝1000×10ｎＡ×100ｋΩ＝1Ｖを得る。この受光器に太陽光が入射すると直流光電流10ｍＡが発生し、増幅器９３の入力はＶ＝ＩＲ＝10ｍＡ×100ｋΩ＝1000Ｖとなり、太陽光により増幅器９３の入力が飽和することにより信号光を抽出できなくなる問題がある。

交流成分の信号光と直流成分の太陽光とを分離するため、負荷抵抗９２に並列にインダクタンスを挿入する方法が考えられる。増幅器９３及び受光素子９１等の影響で増幅器９３の入力側に存在する浮遊容量９４（Ｃ）との共振周波数を考慮すると、インダクタンスＬを大きくできないためインピーダンスは数ｋΩ程度となることから受光回路のゲインに限界がある。

さらに、浮遊容量９４（Ｃ）の影響により、出力電圧Ｖｏは式１のように表され、図５（ａ）に示すように階段状に光電流Ｉが発生すると、出力電圧Ｖｏは図５（ｂ）に示すように徐々に立上がる。

浮遊容量９４の値をＣ＝10ｐＦとし、信号光のパルス幅Ｔ＝10ｎｓとすると、最小交流電流10ｎＡに対する出力電圧は約0.01Ｖに減衰する。すなわち、浮遊容量の存在が、高速な信号光を遅延させることにより出力を減衰させるとともに、信号光の入力レベルの変動に伴って位相遅れ量が大きく変動する。位相遅れ量が変動すると、高速通信ができず、また、例えば距離計測では物体の反射率の違いにより距離に誤差を発生させる。

特許文献１では、増幅器の入力端子と出力端子との間に帰還インダクタンスを接続し、受光素子からの入力のうち、太陽光による直流成分を出力端子に短絡して流し、信号光による交流成分のみを帰還インダクタンスで出力電圧に変換する受光回路が記載されている。特許文献１の受光回路では、浮遊容量等の共振周波数を考慮すると、インダクタンスを大きくできずゲインに限界がある。

さらに、従来の受光回路では、光電流を10ｎＡ〜10ｍＡ程度の大きなダイナミックレンジで変化させる信号光で通信を行う場合、増幅器の入力が飽和したり、出力電圧の位相が大きく変動するため、高速通信に適さない。

特開平６−２５２７３１号公報

この発明は、定常的な強い光と信号光とを同時に受光して生成された入力信号から、定常的な強い光による直流成分を除去して信号光による交流成分を抽出し、幅広いダイナミックレンジで出力の飽和を防止しながら位相変動を抑えて増幅できる受光装置を提供することを目的とする。

この発明の受光装置は、屋外環境において発光器から送出された変調光信号を受光する受光装置において、受光素子と帰還増幅回路及び直流成分除去回路を有する。帰還増幅回路は増幅器と帰還回路を有し、増幅器は受光素子より出力される電気信号を増幅するものであり受光素子の出力が接続され、帰還回路は並列に接続された帰還抵抗と一定電圧以上で低インピーダンスになる非直線回路素子とを有し、非直線回路素子は受光素子から出力される電気信号に応じて帰還回路全体の抵抗を可変する。直流成分除去回路は積分器と直流分流抵抗を有し、積分器は入力端子が増幅器の出力端子側に接続され、出力端子が直流分流抵抗を介して受光素子の出力側に接続され、増幅器から出力される直流成分を積分し、受光素子から出力される直流成分を全て直流分流抵抗側に分流させる。さらに、非直線回路素子にショットキーダイオードを用いるとよい。また、入力信号に交流成分を含まない場合の増幅器の出力電圧を調整する出力電圧調整部を備えるとよい。

この受光装置によれば、定常的な強い光と信号光とを同時に受光して生成された入力信号から、定常的な強い光による直流成分を除去して信号光による交流成分を抽出し、幅広いダイナミックレンジで出力の飽和を防止しながら位相変動を抑えて増幅できる。非線形回路素子にショットキーダイオードを用いることにより位相変動の抑制効果が増大する。さらに出力電圧調整部を備えることにより入力信号に交流成分を含まない場合の増幅器の出力電圧を調整できる

第１の実施形態の受光装置１は、図１の構成図に示すように、帰還増幅回路２と受光素子３と直流成分除去回路４とを備える。

帰還増幅回路２は増幅器２１と帰還回路２２とを有し、帰還回路２２はショットキーダイオード２３と帰還抵抗２４とを並列に接続して構成され、増幅器２１の逆相入力端子２５と出力端子２６との間に接続される。増幅器２１の正相入力端子２７は接地されている。受光素子３は、出力端子３１を増幅器２１の逆相入力端子２５に接続され、バイアス端子３２に印加された電圧Ｖｂにより逆バイアスが印加されており、光が照射されると入力電流Ｉｐを発生して出力端子３１を通じて流出させる。

直流成分除去回路４は積分器４１と直流分流抵抗４２とを有し、積分器４１は入力端子４３が増幅器２１の出力端子２６に接続され、出力端子４４が直流分流抵抗４２を介して受光素子３の出力端子３１及び増幅器２１の逆相入力端子２５に接続されている。

積分器４１は、例えば図２の構成図に示すような差動積分器で実現される。増幅器４０１の逆相入力端子４０２は、コンデンサ４０３を介して増幅器４０１の出力端子４０４に接続されて積分器４１の出力端子４４に接続されるとともに、抵抗４０５を介してバイアス端子４０６に接続されている。増幅器４０１の正相入力端子４０７は、コンデンサ４０８を介して接地されるとともに、抵抗４０９を介して積分器４１の入力端子４３に接続されている。

バイアス端子４０６に電圧Ｖ１を印加し、入力端子４３に電圧Ｖ２を印加すると、式２で表されるように、逆相入力端子４０２の電圧Ｖｃは、バーチャルショートされた正相入力端子４０７の電圧に等しくなる。

逆相入力端子４０２からコンデンサ４０３を通って出力端子４０４に流れる電流Ｉは、式３で表されるように、バイアス端子４０６から抵抗４０５に流れ込む電流に等しい。出力端子４０４の電圧Ｖｄｃは、式４で表されるように、逆相入力端子４０２の電圧Ｖｃにコンデンサ４０３の電圧を加えて得られる。

電圧Ｖｄｃは、電圧Ｖｃと電流Ｉを代入して積分定数Ａを用いて式５で表され、時間ｔ＝０のとき電圧Ｖｄｃ＝０であることから積分定数Ａ＝−Ｖ２が定まる。電圧Ｖｄｃは式６で表されるように、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間に差があれば、時間ｔに比例して積分される。バイアス端子４０６を接地して電圧Ｖ１＝０とすると、式７で表されるように、電圧Ｖｄｃは、入力端子４３に電圧Ｖ２が印加されると、時間ｔに比例して積分する。

例えば屋外で信号光を受信する場合、信号光に加え、太陽光による定常的な強い光が受光素子３に入射される。受光素子３は信号光と太陽光とを含む入力光を受光すると、太陽光による直流成分と信号光による交流成分とを含んだ入力電流Ｉｐを生成し、増幅器２１の逆相入力端子２５に入力する。

ここで、入力電流Ｉｐに太陽光による直流成分のみが含まれる場合の動作を説明する。帰還増幅回路２を流れる電流Ｉｆと、直流成分除去回路４を流れる電流Ｉｂとに分かれることから、入力電流Ｉｐは式８のように電流Ｉｆと電流Ｉｂとの和で表される。

出力電圧Ｖｏは式９のように、抵抗値Ｒｆの帰還回路２２を流れる電流Ｉｆによる電圧降下で表される。

式７で表される積分器４１の出力端子４０４の電圧Ｖｄｃは、式１０のように表されるように、積分器４１の入力端子４３の電圧Ｖ２に増幅器２１の出力電圧Ｖｏが印加される。同時に、積分器４１の出力端子４０４の電圧Ｖｄｃは、式１１のように抵抗値Ｒｂの直流分流抵抗４２を流れる電流Ｉｂによる電圧降下としても表されるため、式１２のような等式が導かれる。

式１２を電流Ｉｂで解くと明らかなように、電流Ｉｂは式１３のように時間応答する。

式１３が示すように、入力電流Ｉｐが入力されたばかりの時間ｔ＝０ではＩｂ＝０かつＩｆ＝Ｉｐとなり、入力電流Ｉｐのほぼ全てが帰還回路２２を流れる電流Ｉｆとなり、徐々に直流成分除去回路４へ流れ込む電流Ｉｂが増えて帰還回路２２を流れる電流Ｉｆが減り、十分時間が経過するとｔ＝∞ではＩｂ＝ＩｐかつＩｆ＝Ｉｐとなり、入力電流Ｉｐのほぼ全てが直流成分除去回路４へ流れ込む電流Ｉｂとなる。従って、定常状態では、太陽光等の定常的な光は出力に現れない。

一方、入力電流Ｉｐに信号光による交流成分が含まれる場合、交流成分は十分な時間が経過するよりも速く高周波で変化することから、電流Ｉｆにのみ含まれて電流Ｉｂには含まれない。

直流成分除去回路４とを設けることにより、入力電流Ｉｐのうち、太陽光等の定常的な光から生成される直流成分と、信号光を受けて生成される高周波の交流成分とを分離し、直流成分を直流成分除去回路４に流すことにより帰還回路２２に流れて出力に影響することを防止し、信号光を受けて受光素子３から生成される高周波の交流成分のみを帰還回路２２に流して増幅して出力することができる。また、インダクタンスを用いないため、浮遊容量との共振周波数による増幅率の抑制を防止できるとともにＬＳＩ化が容易になる。

増幅器２１及び積分器４１の帰還により、受光素子３や増幅器２１等の浮遊容量の電位を一定に保つことができるため、浮遊容量による位相変化及び振幅率の低下を防止できる。増幅器２１の積分器４１を通る帰還により、増幅器２１の入力オフセット電圧の影響を除去できる。

信号光により過大かつ高速な交流成分が電流Ｉｆとして帰還回路２２に流れる場合、帰還抵抗２４に並列に接続され、一定電圧以上で低抵抗になる非直線回路素子として機能するショットキーダイオード２３は、他のダイオード等に比較して高速に非線形抵抗Ｒｄを減少させて出力電圧Ｖｏの変動量を小さくすることにより、出力電圧Ｖｏの飽和を防止できるとともに、位相変動を小さくできる。ショットキーダイオード２３を用いることで、通常、入力電流Ｉｐを10ｎＡから10ｍＡの約1,000,000倍の範囲等の広範囲でレベル変動させるパルス幅10ｎｓ程度の高周波の信号光を受けて増幅する場合でも、出力電圧Ｖｏの飽和及び位相変動を抑制できる。さらに、ショットキーダイオード２３は、他のダイオード等に比較して浮遊容量が非常に小さいため位相遅れを小さく抑えられる。

例えばレーザ光を受光して距離を計測する場合、光は１ｎｓで約３０ｃｍ進み、位相変動を低減することにより距離分解能を高められる。また、ダイナミックレンジを広範囲にすることにより、遠い物体や低反射率の物体からの弱い反射光や、近い物体や高反射率の物体からの強い反射光等を幅広く、高い分解能で検出できる。

この受光装置１によれば、受光した入力信号から太陽光等による大きな直流成分を除去して信号光による交流成分を抽出し、幅広いダイナミックレンジにおいて出力電圧を飽和させることなく、かつ、位相変動を小さく抑えて高周波パルスの交流成分の増幅を行うことができる。

第２の実施形態の受光装置５は、図３に示すように、帰還増幅回路５１と受光素子５２と直流成分除去回路５３と出力電圧調整部５４と電圧フォロワ５５とを備えている。

帰還増幅回路５１は増幅器５１１と帰還回路５１２とを有し、帰還回路５１２はショットキーダイオード５１３と帰還抵抗５１４とを並列に接続して構成され、増幅器５１１の逆相入力端子５１５と出力端子５１６との間に接続される。受光素子５２は、出力端子５２１を増幅器５１１の逆相入力端子５１５に接続され、バイアス端子５２２に印加された電圧Ｖｂにより逆バイアスが印加されており、光が照射されると入力電流Ｉｐを発生して出力端子５２１を通じて流出させる。

直流成分除去回路５３は積分器５３１と直流分流抵抗５３２とを有し、積分器５３１は入力端子５３３が増幅器５１１の出力端子５１６に接続され、出力端子５３４が直流分流抵抗５３２を介して受光素子５２の出力端子５２１及び増幅器５１１の逆相入力端子５１５に接続されている。

帰還増幅回路５１、受光素子５２及び直流成分除去回路５３は、それぞれ、第１の実施形態の受光装置１が備える帰還増幅回路２、受光素子３及び直流成分除去回路４と同様に機能する。

出力電圧調整部５４では、積分器５３１のバイアス端子５３５に印加する電圧を調整することにより、信号光が入力されない場合の増幅器５１の出力電圧を決定する。増幅器５１の出力端子５１２には、電圧フォロワ５５が接続されており、受光装置の出力端子５６における出力インピーダンスを低減させている。

この受光装置５によれば、第１の実施形態の受光装置１の効果を得られるとともに、信号光が入力されない場合の増幅器の出力電圧を自由に調整できるとともに、出力インピーダンスを低減することで、出力電圧を利用する後段への影響を低減できる。

この発明は、レーザ光を用いた測距計、光ベースバンド符号化通信装置、右折車両検出装置、ＬＥＤ灯器符号化受光回路、物体検出センサ等の受光装置に応用できる。

受光装置の構成図である。積分器の構成図である。他の受光装置の構成図である。従来の受光回路の構成図である。従来の受光回路の入力信号及び出力信号の波形図である。

符号の説明

１；受光装置、２；帰還増幅回路、３；受光素子、４；直流成分除去回路、
２１；増幅器、２２；帰還回路、２３；ショットキーダイオード、２４；帰還抵抗、
２５；逆相入力端子、２６；出力端子、２７；正相入力端子、３１；出力端子、
３２；バイアス端子、４１；積分器、４２；直流分流抵抗、４３；入力端子、
４４；出力端子、５１；帰還増幅回路、５２；受光素子、５３；直流成分除去回路、
５４；出力電圧調整部、５５；電圧フォロワ、４０１；増幅器、４０２；逆相入力端子、
４０３；コンデンサ、４０４；出力端子、４０５；抵抗、４０６；バイアス端子、
４０７；正相入力端子、４０８；コンデンサ、４０９；抵抗、５１１；増幅器、
５１２；帰還回路、５１３；ショットキーダイオード、５１４；帰還抵抗、
５１５；逆相入力端子、５１６；出力端子、５２１；出力端子、５２２；バイアス端子、
５３１；積分器５３１、５３２；直流分流抵抗、５３３；入力端子、５３４；出力端子、
５３５；バイアス端子。

Claims

屋外環境において発光器から送出された変調光信号を受光する受光装置において、
受光素子と帰還増幅回路及び直流成分除去回路を有し、
前記帰還増幅回路は増幅器と帰還回路を有し、前記増幅器は前記受光素子より出力される電気信号を増幅するものであり前記受光素子の出力が接続され、前記帰還回路は並列に接続された帰還抵抗と一定電圧以上で低抵抗になる非直線回路素子とを有し、前記非直線回路素子は前記受光素子から出力される電気信号に応じて前記帰還回路全体の抵抗を可変し、
前記直流成分除去回路は積分器と直流分流抵抗を有し、前記積分器は入力端子が前記増幅器の出力端子側に接続され、出力端子が前記直流分流抵抗を介して前記受光素子の出力側に接続され、前記増幅器から出力される直流成分を積分し、前記受光素子から出力される直流成分を全て前記直流分流抵抗側に分流させることを特徴とする受光装置。
前記非直線回路素子はショットキーダイオードである請求項１に記載の受光装置。
入力信号に交流成分を含まない場合の増幅器の出力電圧を調整する出力電圧調整部を備える請求項１または請求項２に記載の受光装置。