JP2008160082A - 縮小されたパルス幅歪みを有する光カプラ - Google Patents

Abstract

【課題】光送信器と光受信器とを有する光カプラを提供する。
【解決手段】光送信器と光受信器とを有する光カプラが開示される。光送信器は、光受信器に接続された回路に送信される論理信号を受信するドライバと、この論理信号の状態に関連付けられた強度を有する光信号を発生させるための光電子エミッタとを含む。光受信器は、光検出器アセンブリ、保持回路、閾値発生回路、および信号発生器を含む。光検出器アセンブリは光信号を受信して、光信号の強度に関連付けられた振幅を有する光電子信号を発生させる。保持回路は、前の期間中、光電子信号の最大振幅に関連付けられた電位を保持する。閾値発生回路は、保持された電位に関連付けられた高閾値信号を発生させる。信号発生器は、光電子信号が高閾値と交差するときに状態を変化させる、第１、第２の状態を有する出力論理信号を発生させる。
【選択図】 図３

Description

多くの回路構成においては、別の方法で互いに電気的に分離されなければならない二つの回路間で論理信号が伝送されなくてはならない。例えば、送信回路は、受信回路またはこの回路に接触する個人に危険を提示する高い内部電圧を利用し得る。より一般的なケースでは、分離回路(ｉｓｏｌａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ)は、絶縁障壁に亘って電圧と雑音の両方の分離を与えなければならない。このような分離回路はしばしば、「ガルバニック・アイソレータ（電流断路器）」と呼ばれる。１クラスのガルバニック・アイソレータは、光学信号を電気信号に変換する受信回路内の光受信器に送信される光信号に論理信号を変換することに基づいている。送信および受信回路は、典型的には、別々の基板上にあって別々の電源に接続される。

論理信号は、典型的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）への電力を変調することによって光学信号に伝えられる。変調された光信号は、受信回路内のフォトダイオードに向けられる。フォトダイオードの出力は、フォトダイオードによって生成された電流を、電圧信号が予め決められた閾値レベルと交差するポイントを検出する回路に入力される電圧信号に変換する、トランスインピーダンス増幅器によって処理される。次にこれらの交差ポイントは、受信側で論理信号を再構成するために、すなわち二つの論理レベル間で切り替わる電圧信号を生成するために使用される。

理想的には、受信器を出た論理信号は、出力信号が入力信号と小さな遅延の範囲内で一致するように送信器に入った論理信号と同じパルス幅を有するべきである。この条件を満たすためには、極めて高い周波数性能を有するトランスインピーダンス増幅器が必要とされ、これは論理信号の周波数が比較的低いシステムにおいても光結合システムのコストをかなり増加させる。

このような高周波増幅器が存在しない場合、受信器を出る信号のパルス幅は、典型的には、送信器に入る論理信号のパルス幅より大きい。受信器内のＬＥＤのばらつきとＬＥＤの時間的な劣化に適応するために、受信回路には比較的低い閾値が設定される。受信回路内のトランスインピーダンス増幅器は、信号を歪ませる有限の立上り時間と立下り時間とを有する。閾値は受信器内の電圧信号の中間点より低く設定されるので、閾値検出器は切り替わるのがパルスの立上りエッジでは早すぎ、またパルスの立下りエッジでは遅すぎる傾向がある。

本発明は、光送信器と光受信器とを有する光カプラを含む。光送信器は、光受信器に接続された回路に送信される第１、第２の状態を有する論理信号を受信するドライバと、論理信号の状態に関連付けられた強度を有する光信号を発生させるための光電子エミッタとを含む。光受信器は、光検出器アセンブリ、保持回路、閾値発生回路、および信号発生器を含む。光検出器アセンブリは、光強度によって特徴付けられる光信号を受信して、光強度に関連付けられた振幅を有する光電子信号を発生させる。保持回路は、光電子信号を受信して、その前の期間中、光電子信号の最大振幅に関連付けられた電位を保持する。閾値発生回路は、保持された電位に関連付けられた高閾値信号を発生させる。信号発生器は、光電子信号と高閾値信号とを受信して、第１、第２の状態を有する出力論理信号を発生させる。出力論理信号は、光電子信号が高閾値より高い電位から高閾値より低い電位に変化するときに、第１の状態から第２の状態に変化する。閾値発生回路はまた、低閾値信号を発生させることができ、この信号発生器は、低閾値信号を受信して、光電子信号がこの低閾値信号より低い電位から低閾値信号より高い電位に変化するときに、論理信号を第２の状態から第１の状態に変化させる。閾値発生回路はまた、最低閾値を発生させる回路を含むことができ、低閾値信号は保持された電位が予め決められた電位より低いときに最低閾値信号に設定される。

本発明がその利点を提供する方法は、典型的な従来技術の光カプラと受信セクションにおけるトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）の出力信号とを示す図１、２を参照することによって、より容易に理解されることが可能である。図１を参照すると、光カプラは典型的には、送信セクション２０と受信セクション２５とを有する。送信セクションは、二つの予め決められたレベルの間で切り替わる論理信号を受信する。この信号は、典型的にはＬＥＤである光エミッタ２２に印加される。ＬＥＤからの光は、受信器内のフォトダイオード２６によって受信される。フォトダイオード２６によって生成された電流は、演算増幅器２４とフィードバック抵抗器２３からなるＴＩＡによって、電圧信号に変換される。ＴＩＡの出力は、入力が閾値電圧を横切るときに二つの予め決められたレベルの間で切り替わる出力を有する検出器２７によって、論理信号に変換される。

閾値電圧は通常、ＬＥＤの経時変化とフォトダイオードおよびＬＥＤのばらつきとを補正するために、比較的低く設定される。検出器２７によって利用される閾値レベルは典型的には、カプラが製造されるときに一度、設定される。したがってこのレベルは、装置の寿命に亘って適切に機能しなければならず、また更にＬＥＤ、フォトダイオード、およびカプラ内のＬＥＤとフォトダイオードの位置合わせに関連する製造のばらつきに対しても、適切に機能しなくてはならない。光カプラの全寿命に亘ってＬＥＤ２２の出力は、時間と共にかなり減少する。位置合わせ誤差もまた、フォトダイオード２６によって検出される光信号の減少という結果を招く。したがって閾値は、妥当な最も低いレベルに設定される。

低閾値レベルは、ＴＩＡの有限な周波数応答と共に、パルス幅歪みにつながる。すなわち入力信号におけるパルス幅Ｗ_inは、Ｗ_inとはかなり異なる受信器におけるパルス幅Ｗ_outに変換される。この歪みが生成される方法は、図２を参照することによって、より容易に理解され得る。ドライバ２１への入力が３１で示されるような持続時間Ｗ_inの方形波である場合を考える。一般に増幅器２４は、有限の周波数応答を有する。したがって増幅器２４の出力は、３２で示すように有限の立上がり時間と立下り時間とを有する。その結果、増幅器２４の出力は、出力パルスの立上りエッジでは早く、また立下りエッジでは遅く閾値３３を横切る。したがって、交差ポイントで切り替わることによって生成される論理信号の持続時間Ｗ_outは、元の入力信号の持続時間より長い。

この問題は、かなり高い周波数応答を有するＴＩＡを使用することによって克服され得る。しかしながら、より高速のＴＩＡを利用することのコストは、多くの用途には実用的でない。

原則としてこの問題は、閾値３３をより高く設定することによって克服され得る。例えば閾値３３は、出力パルス持続時間が入力パルス持続時間と同じになるまで高くできる。しかしながらこれは、各カプラを別々に較正することを必要とし、それがこれらの装置のコストをかなり増加させる。更に如何なるこのような較正も、ある期間の間だけ有効である。この点に関して、ＬＥＤからの時間的に減少する光出力が閾値を上げることと同等であり、したがって出力パルス全体が閾値より低いという理由で、装置が動作しなくなるまで出力パルス持続時間が時間と共に減少することに留意されたい。

本発明は、ＴＩＡからの観測された信号強度に基づいて、装置の動作中、閾値を絶えず調整することによってこの問題を克服する。さて、本発明の一実施形態による光受信器の模式図である図３を参照する。受信器４０は、フォトダイオード２６によって受信された光強度に比例する信号を生成するＴＩＡ４１に接続されたフォトダイオード２６を含む。ＴＩＡ４１の出力は、二つの論理レベルの間で切り替わる出力を有する信号発生器４３によって処理される。信号発生器４３は、その出力を、信号発生器４３に入力された信号が低閾値レベルと交差するときに、低レベルから高レベルに切り替える。信号発生器４３は、その出力を、入力された信号が高閾値レベルと交差するときに、高レベルから低レベルに切り替える。これらの低閾値レベルと高閾値レベルは、信号発生器４３に入力される。これらの閾値レベルは、レベル発生器への入力レベルのプリセット関数である信号を発生させるレベル発生器４４、４５によって生成される。各レベル発生器への入力は、前の期間中にＴＩＡ４１によって生成された最高電位を捕捉する保持回路４２によって供給される。したがって閾値レベルは、絶えず更新される。

受信器が最初に電力供給されるか、保持回路への入力が延長された期間の間、低いレベルにあったとき、この保持回路に保持された電圧は、有効な閾値レベルを生成するためには十分に高くない。この問題は、光信号が受信されない延長された期間の後に受信器が始動するときに動作閾値レベルを与えるために十分である、保持回路４２の出力のための最低レベルを設定することによって克服される。このレベルは、装置が常に動作できることを保証するが、ただし初期の低閾値は最適値より低く、またしたがって受信器からの最初のパルス出力には、あるパルス幅歪みが存在し得る。

さて、上記の最低出力電圧を与え得る保持回路の一実施形態の模式図である図４を参照する。ＴＩＡからの信号は、ダイオード５１によってキャパシタ５２にトラップされる。比較器５３は、キャパシタ５２上の電圧を最低電圧レベルＶ_minと比較する。次にマルチプレクサ５４は、閾値発生回路に出力されるＶ_minまたはキャパシタ５２上の電圧を選択する。

キャパシタ５２上の電圧が、このキャパシタに取り付けられた回路を経由する漏洩によって時間的に減少することに留意されたい。もしＴＩＡからの連続するパルスが、キャパシタ５２上の前に保持された電圧と実質的に同じ高さであるか、より高ければ、キャパシタ５２上の電圧は現在のパルスにおける最高電位に更新される。しかしながら、もしＴＩＡの出力が漏洩による電圧損失より多い電圧だけ突然減少すれば、新しいパルスはキャパシタ５２上に保持された値を更新しない。一般にこれは、フォトダイオード２６によって検出される光源を生成するＬＥＤの経時変化のゆえに、ＴＩＡの出力が時間と共にゆっくり減少するだけなので、実際的にはほとんど重要でない。

上記の実施形態は、４４、４５で示される閾値レベル発生回路に依存している。これらの回路は、前述のサンプルおよび保持機能と共に組み込まれ得る。さて本発明の一実施形態による受信器の模式図である図５を参照する。受信器８０は、ＴＩＡ７５内のフィードバック抵抗器６１を通る電流をコピーするために電流コピー回路を利用する。次にこの電流は、一つは各パルスの正のエッジのためのものであり、一つは負のエッジのためのものである、二つの基準閾値電流を発生させるために使用される。これらの閾値電流は、下記の論議でＭによって示される電流ミラートランジスタ７１、７３の面積の比率を調整することによって、必要とされる如何なる比率にも調整され得る。ＴＩＡ７５のノード間の電圧を抵抗器６３のどちらかの側のノードにコピーするために、二つの利得上昇（ｇａｉｎ ｂｏｏｓｔｉｎｇ）増幅器７６、７９が使用される。小さな閾値電流Ｉ_thが電流源７８によって設定される。この閾値電流は、ミラートランジスタ７３における初期電流を設定するために使用され、低基準閾値を設定する。ミラートランジスタ７３における初期電流は、Ｍ＊Ｉ_thである。コピーされた電流プラスＩ_thは、ミラートランジスタ７３によって増幅器７７にミラー反映される。もし抵抗器６２の抵抗もまた抵抗器６３と同じ値に設定されれば、抵抗器６２を通る電流はフォトダイオード２６を通る電流と同じになる。

受信器８０によって与えられる低閾値電圧は、Ｉ_th＊Ｒ＊Ｍに等しい。ここでＲは抵抗器６１〜６３の抵抗であり、Ｍはトランジスタ７３、７１の面積の比率である。高閾値は、低閾値プラスＤＶ＊Ｍに等しい。ここでＤＶはフォトダイオード２６を通る光電流のピークにおける抵抗器６１にかかる電圧差である。フォトダイオード２６に印加される光パルスの始まりにおいて、キャパシタ８５は放電すると仮定する。この場合、増幅器７６に流入する電流は、電流源７８からの電流、すなわちＩ_thである。その結果、Ｉ_thＭという大きさを有する電流が抵抗器６２を流れ、増幅器７７の出力はＩ_th＊Ｒ＊Ｍとなる。この基準電圧は、比較器８６の入力に印加される。比較器８６への他の入力は、ＴＩＡ７５の出力である。したがってこの出力が低い基準電圧に達すると、インバータ８７によって生成されたデータ出力信号は、高い（ハイ）状態に切り替わる。ＴＩＡ７５の出力が増加するにつれて、キャパシタ８５に電圧が蓄積され、増幅器７６への電流は、ＴＩＡ７５からの出力が最大値に達するまで増加する。この出力電圧はＤＶである。この追加の電圧は、この実施形態ではＲに等しい抵抗器６３の抵抗によって除算されたＤＶに等しい追加の電流を生じさせる。したがって抵抗器６２内の電流は、ＤＶ＊Ｍ／Ｒだけ増加し、抵抗器６２にかかる電圧は、高閾値Ｉ_th＊Ｒ＊Ｍ＋ＤＶ＊Ｍに増加する。この電圧は比較器８６の入力にコピーされて新しい閾値になる。ＴＩＡ７５の出力がこの値より低く降下すると、出力データ信号は低い（ロー）状態に切り替わる。

キャパシタ８５のキャパシタンスは、このキャパシタが低いデータ状態のときに放電するように選択され、したがって各サイクルは電流源７８からの電流によって設定される低閾値で始まる。したがってこの低閾値は、固定した値に設定されるが、高閾値はフォトダイオード２６からの光電流のピークの高さに依存した値に設定される。

当業者には、前述の説明と添付の図面から本発明の種々の修正版が明らかになる。したがって本発明は、前述の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

典型的な従来技術の光カプラを示す図である。 受信セクションにおけるＴＩＡの出力信号を示す図である。 本発明の一実施形態による光受信器の模式図である。 最低出力電圧を与え得る保持回路の一実施形態の模式図である。 本発明による受信器の一部分の模式図である。

符号の説明

２０ 送信セクション
２１ ドライバ
２２ 光エミッタ
２３ フィードバック抵抗器
２４ 演算増幅器
２５ 受信セクション
２６ フォトダイオード
２７ 検出器
Ｗ_in 入力信号パルス幅
Ｗ_out 受信器におけるパルス幅
３１ 方形波持続時間_Win
３２ 立上りおよび立下り時間
３３ 閾値
４０、８０ 受信器
４１ ＴＩＡ
４２ 保持回路
４３ 信号発生器
４４、４５ 閾値レベル発生器
５１ ダイオード
５２、８５ キャパシタ
５３、８６ 比較器
５４ マルチプレクサ
６１ フィードバック抵抗器
６２、６３ 抵抗器
７１、７３ ミラートランジスタ
７５ ＴＩＡ
７６、７９ 利得上昇増幅器
７８ 電流源
８７ インバータ

Claims (13)

1. 光強度によって特徴付けられる光信号を受信して、前記光強度に関連付けられた振幅を有する光電子信号を発生させる、光検出器アセンブリと、
   前記光電子信号を受信し、前の期間中、前記光電子信号の最大振幅に関連付けられた電位を保持する、保持回路と、
   前記保持された電位に関連付けられた高閾値信号を発生させる閾値発生回路と、
   前記光電子信号と前記高閾値信号とを受信して、前記光電子信号が前記高閾値より高い電位から前記高閾値より低い電位に変化するとき第１の状態から第２の状態に変化する、前記第１、第２の状態を有する出力論理信号を発生させる、信号発生器と、
   を備える、光受信器。
2. 前記光検出器アセンブリは、フォトダイオードと、前記フォトダイオード内を流れる電流を前記光電子信号に変換するためのトランスインピーダンス増幅器とを備える、請求項１に記載の光受信器。
3. 前記閾値発生回路はまた低閾値信号を生成し、前記信号発生器は前記低閾値信号を受信して、前記光電子信号が前記低閾値信号より低い電位から前記低閾値信号より高い電位に変化するときに、前記論理信号を前記第２の状態から前記第１の状態に変化させる、請求項１に記載の光受信器。
4. 最低閾値を発生させるための回路を更に備え、前記低閾値信号は前記保持された電位が予め決められた電位より低いときに前記最低閾値に設定される、請求項１に記載の光受信器。
5. 前記閾値発生器は第１、第２のトランジスタを備え、前記高閾値レベルは前記第１、第２のトランジスタの面積の比率に依存する、請求項１に記載の光受信器。
6. 前記最低閾値を生成するための前記回路は、予め決められた電流を発生させる定電流源を備える、請求項４に記載の光受信器。
7. 光送信器と光受信器とを備える光カプラであって、
   前記光送信器は、
   前記光受信器に接続された回路に送信される第１、第２の状態を有する論理信号を受信するドライバと、
   前記論理信号内の前記状態に関連付けられた強度を有する光信号を発生させるための光電子エミッタと、を備え、
   前記光受信器は、
   光強度によって特徴付けられる光信号を受信して、前記光強度に関連付けられた振幅を有する光電子信号を発生させる、光検出器アセンブリと、
   前記光電子信号を受信し、前の期間中、前記光電子信号の最大振幅に関連付けられた電位を保持する回路と、
   前記保持された電位に関連付けられた高閾値信号を発生させる閾値発生回路と、
   前記光電子信号と前記高閾値信号とを受信して、前記光電子信号が前記高閾値より高い電位から前記高閾値より低い電位に変化するとき第１の状態から第２の状態に変化する、前記第１、第２の状態を有する出力論理信号を発生させる、信号発生器と、
   を備える、光カプラ。
8. 前記光検出器アセンブリは、フォトダイオードと、前記フォトダイオード内を流れる電流を前記光電子信号に変換するためのトランスインピーダンス増幅器とを備える、請求項７に記載の光カプラ。
9. 前記閾値発生回路はまた、前記保持された電位に関連付けられた低閾値信号を生成し、前記信号発生器は前記低閾値信号を受信して、前記光電子信号が前記低閾値信号より低い電位から前記低閾値信号より高い電位に変化するときに、前記論理信号を前記第２の状態から前記第１の状態に変化させる、請求項７に記載の光カプラ。
10. 最低閾値を発生させるための回路を更に備え、前記低閾値信号は前記保持された電位が予め決められた電位より低いときに前記最低閾値信号に設定される、請求項７に記載の光カプラ。
11. 光学信号から論理信号を発生させるための方法であって、
    前記光学信号を、前記光学信号の強度に関連付けられた振幅を有する電気信号に変換するステップと、
    前の期間に亘って前記電気信号の最高電位に関連付けられた信号を保持するステップと、
    前記保持された信号に関連付けられた高閾値を発生させるステップと、
    前記電気信号が前記高閾値より高い電位から前記高閾値より低い電位に変化するときに、第１の状態から第２の状態に変化する、前記第１、第２の状態を有する論理信号を前記電気信号から発生させるステップと、
    前記論理信号を出力するステップと、
    を含む、方法。
12. 前記保持された信号に関連付けられた低閾値を発生させるステップと、
    前記電気信号が前記低閾値より低い電位から前記低閾値より高い電位に変化するときに、前記論理信号を前記第２の状態から前記第１の状態に変化させるステップと、
    を更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 最低閾値を発生させるステップを更に備え、前記低閾値は前記保持された電位が予め決められた値より小さい値を有するときに前記最低閾値信号に設定される、請求項１１に記載の方法。

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