JP2008251770A - 光電変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】１個のフォトダイオードのみで、光信号を光電変換した出力信号からコモンモードノイズを除く光電変換回路を提供する。
【解決手段】フォトダイオードのカソードとアノードを、それぞれ差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子の一方及び他方に接続する。各入力端子には、光電変換信号が逆相で、コモンモードノイズが同相で入力されるので、差動増幅回路によって両者の光電変換信号の差分を加えた出力信号が出力され、コモンモードノイズがキャンセルされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、フォトダイオードが検出した光信号を電気信号に変換する光電気変換回路に関し、更に詳しくは、コモンモードノイズが除かれた電気信号に変換する光電変換回路に関する。

フォトダイオードは、光信号を受光する光電変換素子として、光通信システムの受光部や、ノイズを遮断するフォトカプラーなどの光結合デバイスに発光素子と対で用いられている。一般にフォトダイオードは、カソードを高圧側、アノードを低圧側とする逆バイアス電圧を印加した状態で用いられ、光信号を受光することによりカソードからアノード側に流れる光電変換電流から、若しくは光電変換電流が流れる電流検出抵抗両端の電圧から出力信号を得て、光信号を電気信号の出力信号に光電変換している。

フォトダイオードと、光信号を検出する検出回路は、共通する電源及びグランドパターンでその他の回路と接続されるので、電源回路またはその他の回路で発生したコモンモードノイズを電源とグランドパターンを通じて、検出回路に悪影響を与え、検出した信号のＳ／Ｎ低下になることがあった。そこで、同一条件で動作する一組のフォトダイオードを光信号の検出に用いて、それぞれに発生するコモンモードノイズをその出力側に接続する差動増幅回路によってキャンセルする光電変換回路が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平８−２３６８０４号（第２頁２欄２３行乃至第３頁３欄４１行、図１４）

以下、この種の従来の光電変換回路１００を図３で説明すると、光電変換回路１００は、対として対向配置された発光素子１０１から発光された信号光を受光するフォトダイオード１０２と、遮光板１０３により信号光を含む外来光が遮断された遮光フォトダイオード１０４との一組のフォトダイオードを備えている。

フォトダイオード１０２のアノードとカソードは、帰還抵抗１０５が並列に接続された第１増幅器１０６の非反転入力端子と反転入力端子に接続され、アノードが接地されることにより逆バイアス電圧が印加される。また、遮光フォトダイオード１０４のアノードとカソードも、第１増幅器１０６と同一条件で動作するように、帰還抵抗１０７が並列に接続された第２増幅器１０８の非反転入力端子と反転入力端子に接続され、アノードが接地されることにより逆バイアス電圧が印加される。

第１増幅器１０６と第２増幅器１０８の出力は、差動増幅回路１０９の反転入力端子と非反転入力端子に接続し、両者の差電圧が出力信号として差動増幅回路１０９から出力されるように構成されている。

この光電変換回路１００において、発光素子１０１が消灯している間は、フォトダイオード１０２と遮光フォトダイオード１０４ともに光信号を受光しないので、アノード、カソード間に光電流が発生せず、差動増幅回路１０９の出力は、信号電圧では０Ｖに近似した電圧となる。一方、発光素子１０１が発光すると、受光面を対向させたフォトダイオード１０２のアノード、カソード間に光電流が発生するので、抵抗１０５および第１増幅器１０６により光電流が電圧に変換され、差動増幅回路１０９の非反転入力端子に入力され、他側の反転入力端子には、発光素子１０１が消灯している状態から変化しない第２増幅回路１０８の出力電圧が入力される。従って、発光素子１０１の光信号の出力は、フォトダイオード１０２の光電流を抵抗１０５及び第１増幅器１０６で電圧に変換され、その電圧が差動増幅回路１０９に増幅され、信号電圧として変換される。

ここで、発光素子１０１の点滅状態にかかわらず、フォトダイオード１０２と遮光フォトダイオード１０４とから検出回路である差動増幅回路１０９の方向に流れる２つのコモンモードノイズは、ぞれぞれの対となる回路素子が同一で同一の環境で動作するように設定されているので、ほぼ同一のレベルであり、また、第１増幅器１０６と第２増幅器１０８によって同一の増幅率で増幅され、差動増幅回路１０９の反転入力端子と非反転入力端子に入力されるので、差動増幅回路１０９によってキャンセルされ、その出力信号に表れない。

しかしながら、上述の従来の光電変換回路１００では、差動増幅回路１０９を用いてコモンモードノイズを除くので、同相のコモンモードノイズを差動増幅回路１０９の反転入力端子と非反転入力端子へ入力する必要があり、２つの同一構成としたフォトダイオード及び増幅回路が必要となり、製造コストが上昇する原因となった。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、１個のフォトダイオードのみで、光信号を光電変換した出力信号からコモンモードノイズを除く光電変換回路を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の光電変換回路は、入力される光信号に応じて光電変換電流を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードのカソードとアノード間に逆バイアス電圧を印加する定電圧電源と、フォトダイオードのカソードと定電圧電源の高圧側端子間に接続される第１電流検出抵抗と、フォトダイオードのアノードと定電圧電源の低圧側端子間に接続される第２電流検出抵抗と、反転入力端子と非反転入力端子を、それぞれ直接若しくはカップリングコンデンサを介してフォトダイオードのカソードとアノードのいずれか一方と他方に接続させた差動増幅回路と、を備え、
第１電流検出抵抗及び第２電流検出抵抗に流れる光電変換電流に比例して変化するカソードとアノード間の電圧を、差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子間に入力し、フォトダイオードに入力される光信号を、差動増幅回路の出力信号に変換するとともに、反転入力端子と非反転入力端子に同相で入力されるコモンモードノイズを、差動増幅回路によりキャンセルし、出力信号から取り除くことを特徴とする。

フォトダイオードが光信号を受光しない状態では、カソードとアノード間に電流が流れず、差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子間には、信号電圧が印加されない。また、フォトダイオードが光信号を受光すると、カソードからアノードの方向に受光量に応じた光電変換電流が流れ、第１、第２電流検出抵抗の両端に光電変換電流に比例した電圧降下が生じるので、第１、第２電流検出抵抗に降下する電圧がカップリングコンデンサを通じて差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子間に印加される。従って、差動増幅回路の出力電圧は、フォトダイオードが光信号を受光している間、第１、第２電流検出抵抗両端の電圧差分に比例して増幅回路の増幅率を乗じた電圧が出力される。

光信号の入力状態にかかわらず、フォトダイオードのカソードから差動増幅回路の一方の反転入力端子若しくは非反転入力端子へ流れるコモンモードノイズと、アノードから差動増幅回路の他方の反転入力端子若しくは非反転入力端子へ流れるコモンモードノイズは、同相であるので、差動増幅回路によってキャンセルされ、出力信号から除かれる。

また、フォトダイオードのカソードとアノードを、それぞれ差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子の一方及び他方に、カップリングコンデンサを介して接続することにより、太陽光、照明光などの緩やかに変化する光ノイズが、差動増幅回路に伝達されず、相対的に周波数が高い目標光信号のみによる電圧が出力される。

請求項１の発明によれば、１個のフォトダイオードを用いるだけで、光電変換した出力信号からコモンモードノイズが除くことができる。

また、差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子に、同相の一組のコモンモードノイズと、逆相の一組の光電変換信号が入力されるので、コモンモードノイズがキャンセルされるとともに、光電変換信号の両者の差分の和を表す出力信号を出力することができる。

第１電流検出抵抗と第２電流検出抵抗の抵抗値を調整して、差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子に入力される一組のコモンモードノイズのレベルをほぼ等しくし、コモンモードノイズを出力信号から完全に除くことが可能となる。

以下、本発明に係る光電変換回路１の一実施の形態を、図１で説明する。図１は、光電変換回路１を示す回路図である。同図に示すように、光電変換回路１は、入力される光信号を光電変換電流Ｉ_Ｌに光電変換するフォトダイオード２と、高圧側端子３ａと低圧側端子となる接地端子３ｂとの間にＶ_ＣＣの直流電圧を印加する定電圧電源３と、フォトダイオード２と定電圧電源３との間に直列に接続された一組の電流検出抵抗Ｒ_１、Ｒ_２と、差動増幅回路６と、フォトダイオード２のカソード及びアノードと差動増幅回路６の非反転入力端子６ａ及び反転入力端子６ｂとの間に接続された一組のカップリングコンデンサＣ_１、Ｃ_２とを有している。

ここで、定電圧電源３は、高圧側端子３ａを第１電流検出抵抗Ｒ_１を介してフォトダイオード２のカソード（陰極）へ接続すると共に、接地端子３ｂを第２電流検出抵抗Ｒ_２を介してフォトダイオード２のアノード（陽極）へ接続し、フォトダイオード２に逆バイアス電圧を印加している。

フォトダイオード２のカソード（陰極）は、更に、第１カップリングコンデンサＣ_１を介して差動増幅回路６の非反転入力端子６ａ（または反転入力端子６ｂ）に接続し、アノード（陽極）は、第２カップリングコンデンサＣ_２を介して差動増幅回路６の反転入力端子６ｂ（または非反転入力端子６ａ）に接続し、それぞれ非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂにカソードとアノードの電圧を入力している。

本実施の形態では、同一抵抗値ｒの第１電流検出抵抗Ｒ_１と第２電流検出抵抗Ｒ_２と、同一容量値の第１カップリングコンデンサＣ_１と第２カップリングコンデンサＣ_２をそれぞれ用い、差動増幅回路６の非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂに入力される一組のコモンモードノイズＣＮ_１、ＣＮ_２が同一レベルとなるようにしている。尚、ここでは、差動増幅回路６の増幅率Ａを１とする。

以下、この光電変換回路１の基本動作を、第１カップリングコンデンサＣ_１と第２カップリングコンデンサＣ_２を通過する光信号がフォトダイオード２に入力される場合で説明する。

フォトダイオード２に光信号が入力されていない期間は、光電変換電流Ｉ_Ｌが発生しないので、カソードの電位はＶ_ＣＣ、アノードの電位は、接地電位となっている。カップリングコンデンサでこれらの直流成分がカットされ、増幅回路の入力端子には設定されるバイアス電圧となる（図１は、簡略図のため、回路のバイアスが設定されていない）。入力端子間の電位差は０Ｖとなる。従って、信号の出力電圧Ｖ_ＯＵＴも０Ｖとなる。

フォトダイオード２に光信号が入力されると、カソードからアノードの方向に流れる光電変換電流Ｉ_Ｌが発生するので、フォトダイオード２に直列に接続された第１電流検出抵抗Ｒ_１と第２電流検出抵抗Ｒ_２にも光電変換電流Ｉ_Ｌが流れ、それぞれの両端にｒ＊Ｉ_Ｌの電圧降下が生じ、カソードの電位はＶ_ＣＣからｒ＊Ｉ_Ｌ低下し、変化された電圧は−ｒ＊Ｉ_Ｌとなる。アノードの電位は逆に接地電位からｒ＊Ｉ_Ｌ上昇する。変化された電圧はｒ＊Ｉ_Ｌとなる。カップリングコンデンサの影響で直流成分がカットされ、差動増幅回路６の非反転入力端子６ａ、または反転入力端子６ｂには変化された電圧しか入力できなくて、それぞれ−ｒ＊Ｉ_Ｌとｒ＊Ｉ_Ｌとなる。その差分電圧は、−２ｒ＊Ｉ_Ｌとなる。差動増幅回路６の増幅率が１なので、出力に−２ｒ＊Ｉ_Ｌの電圧が表れる。

光信号の入力と入力遮断を繰り返すことによって、差動増幅回路６の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、２ｒ＊Ｉ_Ｌの振幅で変化し、光信号は、同一周波数で２ｒ＊Ｉ_Ｌの振幅の出力信号に光電変換される。ここで、差動増幅回路６の非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂには、図１に示すように、光信号の入力に同期して、互いに逆相の光電変換信号が入力されることとなり、各信号の差分が差動増幅回路６により加えられ、出力信号に表れる。尚、差動増幅回路６に帰還抵抗を加えて、差動増幅回路６の増幅率Ａを変え、出力信号の出力電圧を調整することもできる。また、増幅回路の反転入力と非反転入力の接続を入れ替えることで、出力信号の位相反転もできる。

非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂに接続する各回路素子の回路定数を同一とするので、非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂには、同位相でほぼ同一レベルのコモンモードノイズＣＮ_１、ＣＮ_２が入力されることとなり、差動増幅回路６によってキャンセルされ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴはコモンモードノイズによる影響を受けない。その結果、コモンモードノイズが除かれた出力信号を得ることができ、光信号の入力を正確に出力信号によって表すことができる。

また、定電圧電源３の高圧側端子３ａから低圧側端子へ流れる低周波ノイズは、一組のカップリングコンデンサＣ_１、Ｃ_２によって遮断され、差動増幅回路６の非反転入力端子６ａ及び反転入力端子６ｂに伝達されないので、出力信号は、低周波ノイズによる影響も受けない。

上述の実施の形態では、フォトダイオード２のカソードを差動増幅回路６の非反転入力端子６ａ側へ、アノードを反転入力端子６ｂ側へ電気的に接続したが、カソードを反転入力端子６ｂ側へ、アノードを非反転入力端子６ａ側へ接続してもよい。

また、上述の実施の形態では、非反転入力端子６ａと反転入力端子６ｂに入力されるコモンモードノイズＣＮ_１、ＣＮ_２を同一レベルとして、差動増幅回路６によって完全にキャンセルされる例で説明したが、両者のレベルが異なっていても同相であるので、差動増幅回路６によってキャンセルされ、出力信号に含まれるコモンモードノイズを減衰させることができる。

本発明は、光通信機器の受光部などの他、ＬＥＤなどの発光素子の発光面を、フォトダイオードの受光面に対向させた光カプラーに備えられた光電変換回路にも適用できる。

本発明は、フォトダイオードにより光信号を光電変換する光電変換回路に適している。

本発明の第１実施の形態に係る光電変換回路１を示す回路図である。 従来の光電変換回路１００示す回路図である。

符号の説明

１ 光電変換回路
２ フォトダイオード
３ 定電圧電源
３ａ 定電圧電源の高圧側端子
３ｂ 定電圧電源の低圧側端子（接地端子）
６ 差動増幅回路
６ａ 差動増幅回路の非反転入力端子
６ｂ 差動増幅回路の反転入力端子
Ｒ_１ 第１電流検出抵抗
Ｒ_２ 第２電流検出抵抗
Ｃ_１ 第１カップリングコンデンサ
Ｃ_２ 第２カップリングコンデンサ

Claims (1)

1. 入力される光信号に応じて光電変換電流を発生するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードのカソードとアノード間に逆バイアス電圧を印加する定電圧電源と、
   前記フォトダイオードのカソードと前記定電圧電源の高圧側端子間に接続される第１電流検出抵抗と、
   前記フォトダイオードのアノードと前記定電圧電源の低圧側端子間に接続される第２電流検出抵抗と、
   反転入力端子と非反転入力端子を、それぞれ直接若しくはカップリングコンデンサを介して前記フォトダイオードのカソードとアノードのいずれか一方と他方に接続させた差動増幅回路と、を備え、
   前記第１電流検出抵抗及び前記第２電流検出抵抗に流れる光電変換電流に比例して変化する前記カソードと前記アノード間の電圧を、前記差動増幅回路の反転入力端子と非反転入力端子間に入力し、前記フォトダイオードに入力される光信号を、前記差動増幅回路の出力信号に変換するとともに、
   前記反転入力端子と前記非反転入力端子に同相で入力されるコモンモードノイズを、前記差動増幅回路によりキャンセルし、出力信号から取り除くことを特徴とする光電変換回路。

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