JP2009225096A - Photocurrent-voltage conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受光素子に発生する光電流を電圧に変換する光電流・電圧変換回路に関するものである。 The present invention relates to a photocurrent / voltage conversion circuit for converting a photocurrent generated in a light receiving element into a voltage.
この種の光電流・電圧変換回路として、下記特許文献1に開示された光電流・電圧変換回路(電流電圧変換回路)が知られている。この種の光電流・電圧変換回路51の基本構成は、図3に示すように、差動増幅回路52および帰還回路53を備えている。この場合、差動増幅回路52は、ベース(制御端子)に基準電圧Vrefが印加される第1トランジスタ54およびベース端子(制御端子)にフォトダイオード(受光素子)PDが接続されると共に第1トランジスタ54に対して差動接続される第2トランジスタ55で構成されるトランジスタ対TP、第1トランジスタ54および第2トランジスタ55の各エミッタ端子とグランドとの間に配設された定電流源56、第1トランジスタ54および第2トランジスタ55のコレクタに接続された負荷(電流ミラー回路)57、並びにエミッタフォロワ回路(電流増幅回路)で構成されたバッファ回路58を備え、フォトダイオードPDの出力電流(光電流)Ipを電圧に変換して、バッファ回路58から出力信号Voutとして出力する。
As this type of photocurrent / voltage conversion circuit, a photocurrent / voltage conversion circuit (current-voltage conversion circuit) disclosed in
この光電流・電圧変換回路51に対して出力信号Voutのカットオフ周波数fcを規定する場合には、通常、図3に示すように、抵抗53a(抵抗値R)とコンデンサ53b(容量値C)の並列回路で帰還回路53を構成する。これにより、光電流・電圧変換回路51のカットオフ周波数fcは、fc=1/(2×π×C×R)に規定されて、抵抗53aの抵抗値Rによって定まる光電流・電圧変換回路51の電流−電圧変換のゲインについての周波数特性は図2において破線で示すようになる。
ところで、この光電流・電圧変換回路51においてゲインを維持しつつカットオフ周波数fcをより高域側に規定したいときには、コンデンサ53bの容量値Cを小さくする方法が一般的である。ところが、コンデンサ53bは位相補償の機能も有しているため、この位相補償の機能を維持しようとしたときに容量値Cを小さくできない場合がある。また、コンデンサ53bの容量値Cを小さくするという方法以外の方法によって位相補償を行うことで、コンデンサ53bの容量値Cを小さくし得る状態にできたとしても、半導体プロセス上、コンデンサ53bのサイズが小さいために、十分な絶対値精度を確保した状態では容量値Cの小さいコンデンサ53bを形成するのが困難である。したがって、帰還回路53のコンデンサ53bでカットオフ周波数fcを規定する従来の光電流・電圧変換回路51には、ゲインを維持しつつカットオフ周波数fcを高周波側に規定するのが困難であるという解決すべき課題が存在している。
By the way, when it is desired to specify the cut-off frequency fc on the higher frequency side while maintaining the gain in the photocurrent /
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、ゲインを維持しつつカットオフ周波数をより高周波側に規定し得る光電流・電圧変換回路を提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a photocurrent / voltage conversion circuit capable of prescribing a cutoff frequency to a higher frequency side while maintaining a gain.
上記目的を達成すべく本発明に係る光電流・電圧変換回路は、受光素子に流れる光電流を電圧に変換して出力する光電流・電圧変換回路であって、制御端子に基準電圧が印加された第1トランジスタと制御端子に前記受光素子が接続されると共に前記第1トランジスタと差動接続された第2トランジスタとで構成されるトランジスタ対、および入力端子に印加された当該トランジスタ対の出力電圧を出力するバッファ回路を有する差動増幅回路と、当該差動増幅回路の出力信号を前記第2トランジスタの前記制御端子に帰還させる帰還回路と、前記バッファ回路の前記入力端子と基準電位との間に直列に接続された抵抗およびコンデンサで構成される直列回路とを備え、前記抵抗および前記コンデンサは、その抵抗値をR1とし、かつその容量値をC1としたときに、1/(2×π×C1×R1)で表される周波数が前記直列回路のないときの伝達関数のカットオフ周波数よりも高く、かつ前記差動増幅回路の伝達関数についてのユニティゲイン周波数よりも低くなるように、当該抵抗値R1および当該容量値C1が規定されている。 In order to achieve the above object, a photocurrent / voltage conversion circuit according to the present invention is a photocurrent / voltage conversion circuit that converts a photocurrent flowing through a light receiving element into a voltage and outputs the voltage, and a reference voltage is applied to a control terminal. A transistor pair including the first transistor and the light receiving element connected to the control terminal and a second transistor differentially connected to the first transistor, and an output voltage of the transistor pair applied to the input terminal A differential amplifier circuit having a buffer circuit that outputs a signal, a feedback circuit that feeds back an output signal of the differential amplifier circuit to the control terminal of the second transistor, and between the input terminal of the buffer circuit and a reference potential And a series circuit composed of a resistor and a capacitor connected in series to each other, the resistor and the capacitor having a resistance value R1 and a capacity thereof. When the value is C1, the frequency represented by 1 / (2 × π × C1 × R1) is higher than the cutoff frequency of the transfer function when there is no series circuit, and the transmission of the differential amplifier circuit The resistance value R1 and the capacitance value C1 are defined so as to be lower than the unity gain frequency for the function.
本発明に係る光電流・電圧変換回路では、差動増幅回路を構成するトランジスタ対から出力される電圧を入力するバッファ回路の入力端子と基準電位との間に抵抗(抵抗値R1)およびコンデンサ(容量値C1)で構成される直列回路が接続されることにより、1/(2×π×C1×R1)で表される周波数が、直列回路のないときの伝達関数のカットオフ周波数よりも高く、かつ差動増幅回路の伝達関数についてのユニティゲイン周波数よりも低くなるように直列回路の抵抗値R1および容量値C1が規定されている。したがって、この光電流・電圧変換回路によれば、直列回路の存在しない構成と比較して、帰還回路に変更を加えることなく(つまり、抵抗値R1によって定まる電流−電圧変換のゲインを維持しつつ)、その伝達関数のカットオフ周波数をより高速側にシフトさせることができ、より周波数の高い光電流についても、正確に出力信号に変換して出力することができる。 In the photocurrent / voltage conversion circuit according to the present invention, a resistor (resistance value R1) and a capacitor (between the input terminal of the buffer circuit for inputting the voltage output from the transistor pair constituting the differential amplifier circuit and the reference potential) By connecting a series circuit composed of capacitance value C1), the frequency represented by 1 / (2 × π × C1 × R1) is higher than the cutoff frequency of the transfer function when there is no series circuit. In addition, the resistance value R1 and the capacitance value C1 of the series circuit are defined so as to be lower than the unity gain frequency of the transfer function of the differential amplifier circuit. Therefore, according to the photocurrent / voltage conversion circuit, the feedback circuit is not changed as compared with the configuration without the series circuit (that is, the gain of the current-voltage conversion determined by the resistance value R1 is maintained). ), The cutoff frequency of the transfer function can be shifted to a higher speed side, and a photocurrent having a higher frequency can be accurately converted into an output signal and output.
以下、本発明に係る光電流・電圧変換回路の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, the best mode of a photocurrent / voltage conversion circuit according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、光電流・電圧変換回路1の構成について、図面を参照して説明する。
First, the configuration of the photocurrent /
図1に示す光電流・電圧変換回路1は、光情報媒体に対する再生動作を少なくとも実行する再生装置に使用される光ピックアップ用受光装置に組み込み可能に構成されている。具体的には、この光電流・電圧変換回路1は、同図に示すように、差動増幅回路2および帰還回路3を備え、一例としてフォトダイオード(受光素子)PDと同一チップ(ウェハ)上に配設されて、フォトダイオードPDに流れる光電流Ipを電流−電圧変換して出力信号Voutとして回路外部に出力する。
The photocurrent /
差動増幅回路2は、図1に示すように、第1トランジスタ11および第2トランジスタ12で構成されるトランジスタ対TPと、定電流源13と、カレントミラー回路14と、バッファ回路15と、抵抗31aおよびコンデンサ31bで構成された直列回路31とを備えている。この場合、トランジスタ対TP、定電流源13、カレントミラー回路14およびバッファ回路15は、一般的な演算増幅器の主要な構成であるため、差動増幅回路2は演算増幅器として構成されている。
As shown in FIG. 1, the
具体的には、トランジスタ対TPは、第1トランジスタ(一例としてn型MOSFET)11のゲート端子(制御端子)に基準電圧Vrefが印加され、第1トランジスタ11と差動接続された第2トランジスタ12(一例としてn型MOSFET)のゲート端子(制御端子)にフォトダイオードPDが接続されて構成されている。定電流源13は、このように差動接続された第1および第2トランジスタ11,12の各ソース端子(出力端子)とグランドとの間に配設されて、各トランジスタ11,12の各ソース端子から流出する電流の総和を一定の電流値に維持しつつその電流を基準電位(一例としてグランド)に流出させる。カレントミラー回路14は、2つのトランジスタ(一例としてp型MOSFET)16,17で構成されて、第1および第2トランジスタ11,12の各ドレイン端子(入力端子)と電源Vccとの間に配設されている。また、本例では、一例として、基準電圧Vrefは、基準電源18によって生成される。また、カレントミラー回路14は、本例ではトランジスタ対TPの能動負荷として使用されて、トランジスタ対TPの増幅度を高める機能を有している。
Specifically, in the transistor pair TP, the reference voltage Vref is applied to the gate terminal (control terminal) of the first transistor (for example, n-type MOSFET) 11, and the
バッファ回路15は、電源Vccにドレイン端子(入力端子)が接続されると共に、第2トランジスタ12のドレイン端子(入力端子)にゲート端子(制御端子)が接続された第3トランジスタ(一例としてn型MOSFET)19と、第3トランジスタ19のソース端子(出力端子)とグランドとの間に配設された定電流源20とを備え、いわゆるソースフォロワ回路で構成されている。この構成により、バッファ回路15は、第2トランジスタ12のドレイン端子に生成される電圧Vdを低インピーダンスで出力信号Voutとして出力する。
The
直列回路31は、抵抗31aおよびコンデンサ31bが直列に接続されて構成されて、バッファ回路15の入力端子でもある第3トランジスタ19のゲート端子とグランド(本発明における基準電位の一例)との間に接続されている。この場合、第3トランジスタ19のゲート端子と電源Vccとの間に直列回路31を接続してもよい。また、この直列回路31によって差動増幅回路2の伝達関数にはゼロ(伝達ゼロ)が挿入され、このゼロの周波数は、抵抗31aの抵抗値をR1とし、かつコンデンサ31bの容量値をC1としたときに、f1=1/(2×π×C1×R1)で表される。本例では、このゼロの周波数f1が帰還回路3の後述する抵抗3aの抵抗値Rとコンデンサ3bの容量値Cとで規定される光電流・電圧変換回路1の伝達関数のカットオフ周波数、つまり直列回路31のないときの光電流・電圧変換回路1の伝達関数のカットオフ周波数fc(=1/(2×π×C×R))よりも高く、かつ差動増幅回路2の伝達関数(オープンループゲインの伝達関数)についてのユニティゲイン周波数(利得が1となる周波数)f2よりも低くなるように、抵抗31aの抵抗値R1およびコンデンサ31bの容量値C1が規定されている。
The
帰還回路3は、一例として互いに並列に接続された抵抗3a(抵抗値R)とコンデンサ3b(容量値C)とで構成されている。また、帰還回路3は、その一端側が第3トランジスタ19のソース端子(差動増幅回路2の出力端子でもある)に接続され、かつその他端側が第2トランジスタ12のゲート端子(差動増幅回路2の入力端子でもある)に接続されている。
As an example, the feedback circuit 3 includes a
次に、光電流・電圧変換回路1の動作について説明する。
Next, the operation of the photocurrent /
電源Vccが供給され、かつフォトダイオードPDに光が照射されている状態において、フォトダイオードPDで発生する光電流Ipは図1において一点鎖線で示す経路(第3トランジスタ19のソース端子から、帰還回路3を経由して第2トランジスタ12のゲート端子に至る経路)に流れて、差動増幅回路2は上記したように演算増幅器として作動している。このため、光電流・電圧変換回路1は、光電流Ipを電圧信号である出力信号Voutに変換して出力している。この場合、この光電流・電圧変換回路1の差動増幅回路2は、その伝達関数に直列回路31によってゼロ(周波数f1)が挿入されているため、光電流・電圧変換回路1全体のゲインについての周波数特性におけるカットオフ周波数は、図2において実線で示すように、直列回路31のない構成のときのカットオフ周波数fc(=1/(2×π×C×R)。破線で示されている周波数特性のカットオフ周波数)よりも、高域側にシフトしている。したがって、この光電流・電圧変換回路1では、より周波数の高い光電流Ipについても、正確に出力信号Voutに変換して出力される。
In a state where the power supply Vcc is supplied and light is irradiated to the photodiode PD, the photocurrent Ip generated in the photodiode PD is a path indicated by a one-dot chain line in FIG. 1 (from the source terminal of the
このように、この光電流・電圧変換回路1では、差動増幅回路2を構成するトランジスタ対TPから出力される電圧Vdを入力するバッファ回路15の入力端子(第3トランジスタ19のゲート端子)とグランドとの間に抵抗31a(抵抗値R1)およびコンデンサ31b(容量値C1)で構成される直列回路31が接続されることにより、直列回路31のないときの光電流・電圧変換回路1の伝達関数のカットオフ周波数fc(=1/(2×π×C×R))よりも下限値が高く、かつ差動増幅回路2の伝達関数(オープンループゲインの伝達関数)についてのユニティゲイン周波数f2よりも上限値が低い周波数帯域に含まれる周波数f1(=1/(2×π×C1×R1))のゼロが差動増幅回路2に挿入されている。
Thus, in the photocurrent /
したがって、この光電流・電圧変換回路1によれば、直列回路31の存在しない構成と比較して、帰還回路3に変更を加えることなく(つまり、抵抗3aの抵抗値R1によって定まる電流−電圧変換のゲインを維持しつつ)、光電流・電圧変換回路1の伝達関数のカットオフ周波数をより高速側にシフトさせることができ、より周波数の高い光電流Ipについても、正確に出力信号Voutに変換して出力することができる。
Therefore, according to this photocurrent /
なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、光電流・電圧変換回路1では、トランジスタ対TP、カレントミラー回路14およびバッファ回路15をMOSFETで構成しているが、従来の光電流・電圧変換回路51と同様にして、バイポーラトランジスタで構成することもできる。また、光電流・電圧変換回路1では、差動増幅回路2をトランジスタ対TPと、定電流源13と、カレントミラー回路14と、バッファ回路15とで構成したが、他の構成を採用した差動増幅回路においても、差動増幅を行う回路部分の後段であるバッファ回路15の入力端子と基準電位(高周波的にグランド電位となるグランド電位または電源電位)との間に直列回路31を接続することにより、直列回路31によって伝達関数内に形成されるゼロの周波数を光電流・電圧変換回路1と同様にして上記の周波数帯域内に規定することができる。したがって、このように他の構成を採用した差動増幅回路においても、カットオフ周波数を高周波側にシフトさせることができる結果、より周波数の高い光電流Ipについても、正確に出力信号Voutに変換することができる。また、1つの抵抗31aと1つのコンデンサ31bとを直列に接続して直列回路31を構成した例について上記したが、差動増幅回路2の伝達関数に等価的にゼロを挿入できる構成であれば、この構成に限定されず、種々の回路構成を採用することができる。
In addition, this invention is not limited to said structure. For example, in the photocurrent /
1 光電流・電圧変換回路
2 差動増幅回路
3 帰還回路
31 直列回路
31a 抵抗
31b コンデンサ
Ip 光電流
11 第1トランジスタ
12 第2トランジスタ
PD フォトダイオード
TP トランジスタ対
Vout 出力信号
DESCRIPTION OF
Claims (1)
制御端子に基準電圧が印加された第1トランジスタと制御端子に前記受光素子が接続されると共に前記第1トランジスタと差動接続された第2トランジスタとで構成されるトランジスタ対、および入力端子に印加された当該トランジスタ対の出力電圧を出力するバッファ回路を有する差動増幅回路と、
当該差動増幅回路の出力信号を前記第2トランジスタの前記制御端子に帰還させる帰還回路と、
前記バッファ回路の前記入力端子と基準電位との間に直列に接続された抵抗およびコンデンサで構成される直列回路とを備え、
前記抵抗および前記コンデンサは、その抵抗値をR1とし、かつその容量値をC1としたときに、1/(2×π×C1×R1)で表される周波数が前記直列回路のないときの伝達関数のカットオフ周波数よりも高く、かつ前記差動増幅回路の伝達関数についてのユニティゲイン周波数よりも低くなるように、当該抵抗値R1および当該容量値C1が規定されている光電流・電圧変換回路。 A photocurrent / voltage conversion circuit that converts a photocurrent flowing through a light receiving element into a voltage and outputs the voltage.
A transistor pair composed of a first transistor having a reference voltage applied to the control terminal, the light receiving element connected to the control terminal and a second transistor differentially connected to the control terminal, and an input terminal A differential amplifier circuit having a buffer circuit for outputting the output voltage of the transistor pair,
A feedback circuit that feeds back an output signal of the differential amplifier circuit to the control terminal of the second transistor;
A series circuit composed of a resistor and a capacitor connected in series between the input terminal of the buffer circuit and a reference potential;
The resistor and the capacitor transmit when the frequency expressed by 1 / (2 × π × C1 × R1) does not exist in the series circuit when the resistance value is R1 and the capacitance value is C1. A photocurrent / voltage conversion circuit in which the resistance value R1 and the capacitance value C1 are defined so as to be higher than the cutoff frequency of the function and lower than the unity gain frequency of the transfer function of the differential amplifier circuit .
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