JP2010157032A - Overcurrent preventing circuit for light receiving module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電子装置に用いられる光検出器を過電流から保護する回路に関する。 The present invention relates to a circuit for protecting a photodetector used in an optoelectronic device from overcurrent.
光信号を電気信号に変換する光検出器として、現在では半導体を用いた受光素子が用いられている。中でも低コスト、安定供給、小型化、長寿命、省電力等の条件を満たす素子として、フォトダイオードが多く使用されている。 Currently, a light receiving element using a semiconductor is used as a photodetector for converting an optical signal into an electrical signal. Among them, photodiodes are often used as elements that satisfy the conditions such as low cost, stable supply, downsizing, long life, and power saving.
フォトダイオードの種類には、pn接合フォトダイオード(pn−PD)、PIN構造フォトダイオード(PIN−PD)、及びアバランシェフォトダイオード(APD)が含まれる。しかしpn−PDは、PIN−PDやAPDと比べると低速であり、高速かつ高感度の動作が要求される現在の光電子装置では、フォトダイオードとしてPIN−PDやAPDが用いられることが多い。 Types of photodiodes include pn junction photodiodes (pn-PD), PIN structure photodiodes (PIN-PD), and avalanche photodiodes (APD). However, pn-PD is slower than PIN-PD and APD, and PIN-PD and APD are often used as photodiodes in current optoelectronic devices that require high-speed and high-sensitivity operation.
PIN−PDとAPDはその両端部に逆バイアスを印加してキャリアが励起された状態下で、それらの受光部からの入射光による内部原子の衝突電離によって、更にキャリアが励起されてブレイクダウンが誘発され、その結果として、大きな電流が流れるという特性を利用している。 The PIN-PD and APD are further excited by the collisional ionization of internal atoms by incident light from the light receiving portions under the state where carriers are excited by applying a reverse bias to both ends of the PIN-PD and APD. It takes advantage of the property that a large current flows as a result of being induced.
従来、PIN−PDやAPDのような受光素子を利用した受光モジュール回路は、電源投入時に生じる過渡応答によって破損しないように、例えばフリップフロップ回路のような回路規模の大きな順序回路を利用していた。しかし、受光モジュール回路を利用する光電子装置に対する小型化、省電力化の要請が強く、順序回路がこのような装置に搭載されないことが多い。その代替として、APDの場合は受光素子用の安定した電力供給のために昇圧回路を用いて、装置電源からの出力を増幅している。また、PIN−PDの場合は急な電圧変動に対応するためにサージ保護回路等を用いることが一般的である。 Conventionally, a light receiving module circuit using a light receiving element such as PIN-PD or APD uses a sequential circuit having a large circuit scale such as a flip-flop circuit so as not to be damaged by a transient response generated when power is turned on. . However, there is a strong demand for miniaturization and power saving for an optoelectronic device using a light receiving module circuit, and a sequential circuit is often not mounted on such a device. As an alternative, in the case of APD, a booster circuit is used to amplify the output from the apparatus power supply in order to supply stable power for the light receiving element. In the case of PIN-PD, a surge protection circuit or the like is generally used to cope with a sudden voltage fluctuation.
しかしながら、APDに用いられる昇圧回路は一般的に、ダイオードとトランジスタから構成されるスイッチと、コンデンサとから構成されており、電源投入時に受光素子に供給される電源供給は、昇圧回路の時定数分の遅れが常に生じる。その結果、電源投入時の過渡状態時間に、受光素子間に順バイアス(例えば、約1V〜2V)電圧が印加され、許容量を超える順バイアス電流が生ずるという新たな過渡応答の問題が生じる。これは、受光モジュール回路の特性変化及び回路に使用する素子の破損の一因となる。これと同様の現象はサージ保護回路等の保護回路を用いた場合にも生じる。 However, a booster circuit used for APD is generally composed of a switch composed of a diode and a transistor, and a capacitor. The power supply supplied to the light receiving element when the power is turned on corresponds to the time constant of the booster circuit. There will always be a delay. As a result, a forward bias (for example, about 1 V to 2 V) voltage is applied between the light receiving elements during the transient state time when the power is turned on, and a new transient response problem occurs in which a forward bias current exceeding an allowable amount is generated. This contributes to a change in characteristics of the light receiving module circuit and damage to elements used in the circuit. A similar phenomenon occurs when a protection circuit such as a surge protection circuit is used.
受光モジュール回路の安定動作に関連する技術が、特許文献1乃至3で開示されている。特許文献1では入射光を効率よく電圧に変換できる半導体受光素子が提案され、特許文献2では入射光の状態によらず最適な増倍率の出力を得るためのバイアス方法が提案され、特許文献3では過電圧によるAPDの破損を防ぐための光受信回路が提案されている。
しかしながら、これらの特許文献1及び2に記載の技術は入射光を効率よく出力変換するための技術であり、上述のような過渡応答による受光モジュール回路に生ずる問題を解決するものではない。また、特許文献3には、過渡応答期の過電圧によるAPDの破損を防止する保護回路について記載されているが、逆バイアスの過電圧に対する保護回路であり、上述のような過渡応答から受光モジュール回路を保護する回路を提供するものではない。従って、上述のような過渡応答から受光モジュール回路を保護する手段に対する要求は未だ残されたままである。
However, the techniques described in
従って、上述のような過渡応答から受光モジュール回路を保護する小型かつ簡単な回路があれば、実用的な受光モジュール回路保護を提供することができる。 Therefore, if there is a small and simple circuit for protecting the light receiving module circuit from the transient response as described above, practical light receiving module circuit protection can be provided.
本発明の受光モジュール回路は、受光素子のカソードと昇圧回路との間に逆電流防止回路が挿入され、電気的に直列接続されていることを最も主要な特徴とする。 The light receiving module circuit of the present invention is characterized in that a reverse current prevention circuit is inserted between the cathode of the light receiving element and the booster circuit and is electrically connected in series.
具体的には、本発明の受光モジュール回路において、受光素子が、APDであることを特徴とする。 Specifically, in the light receiving module circuit of the present invention, the light receiving element is an APD.
別の様態において、本発明の受光モジュール回路は、PIN−PDのカソードとサージ保護回路との間に逆電流防止回路が挿入され、電気的に直列接続されていることを特徴とする。 In another aspect, the light receiving module circuit of the present invention is characterized in that a reverse current prevention circuit is inserted between the cathode of the PIN-PD and the surge protection circuit and electrically connected in series.
また、本発明の受光モジュール回路の逆電流防止回路がダイオードを具えることを特徴とする。 The reverse current prevention circuit of the light receiving module circuit according to the present invention includes a diode.
また、本発明の受光モジュール回路において、このダイオードのカソードと受光素子のカソードとが電気的に直列接続されることを特徴とする。 In the light receiving module circuit of the present invention, the cathode of the diode and the cathode of the light receiving element are electrically connected in series.
本発明の受光素子モジュールは更に、様々な光電子装置に利用できることを特徴とする。 The light receiving element module of the present invention is further characterized in that it can be used for various optoelectronic devices.
受光素子のカソードと昇圧回路との間に、逆電流防止回路を挿入し、電気的に直列接続することによって、過渡応答時に受光素子に許容量を超える順バイアス電流が流れるのを有効に防ぐことができる。従って、TIAから受光素子への電流流出による過電流でTIAまたは受光素子が破損してしまうことはない。 By inserting a reverse current prevention circuit between the cathode of the light receiving element and the booster circuit and electrically connecting them in series, it is possible to effectively prevent the forward bias current from exceeding the allowable amount from flowing in the light receiving element during a transient response. Can do. Therefore, the TIA or the light receiving element is not damaged by an overcurrent due to a current outflow from the TIA to the light receiving element.
更に、受光素子として、一般的な光電子装置に用いられるAPDを用いることによって、本発明の受光モジュール回路を、既存の、及び将来開発されるであろう数多くの光電子装置に適用することができる。 Furthermore, by using an APD used for a general optoelectronic device as a light receiving element, the light receiving module circuit of the present invention can be applied to many existing and future developed optoelectronic devices.
PIN−PDのカソードとサージ保護回路との間に、逆電流防止回路を挿入し、電気的に直列接続することによって、過渡応答時に受光素子に許容量を超える順バイアス電流が流れるのを有効に防ぐことができる。従って、TIAから受光素子への電流流出による過電流がTIAまたは受光素子を破損するのを防ぐ。それに加えて、サージ保護回路による急な電圧変動に対する保護効果も同時に保証することができる。 By inserting a reverse current prevention circuit between the cathode of the PIN-PD and the surge protection circuit and electrically connecting them in series, the forward bias current exceeding the allowable amount can be effectively passed to the light receiving element during a transient response. Can be prevented. Accordingly, an overcurrent caused by current outflow from the TIA to the light receiving element is prevented from damaging the TIA or the light receiving element. In addition, the protection effect against sudden voltage fluctuations by the surge protection circuit can be guaranteed at the same time.
また、逆電流防止回路に、整流作用を有する素子であるダイオードを使用することによって、小型化、省電力等の条件を満たす受光モジュール回路を構築することができる。 Further, by using a diode, which is a rectifying element, in the reverse current prevention circuit, a light receiving module circuit that satisfies conditions such as downsizing and power saving can be constructed.
また、このダイオードのカソードと、受光モジュール回路のカソードとを電気的に直列接続することによって、ダイオードの整流作用によって順バイアス電流が流れるのを防ぐことができる。 Further, by electrically connecting the cathode of the diode and the cathode of the light receiving module circuit in series, it is possible to prevent a forward bias current from flowing due to the rectifying action of the diode.
更に、本発明のAPD及びPIN−PDを利用した受光モジュール回路を、既存、又は今後開発されるであろう光通信分野、光制御分野の光電子装置等の専門的な光電子装置から、又はリモコン受光器等のような一般的な光電子装置に至るまでの幅広い分野に応用することによって、汎用性を高めることができる。 Further, the light receiving module circuit using the APD and the PIN-PD of the present invention can be obtained from a professional optoelectronic device such as an optoelectronic device in the existing optical communication field or the light control field, which will be developed in the future, or from a remote controller. The versatility can be enhanced by applying to a wide range of fields up to general optoelectronic devices such as instruments.
本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。 Best modes for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に本発明の受光モジュール回路のブロック図を示す。受光モジュール回路は、昇圧回路1と、受光素子であるAPD2と、APD2で生じた逆バイアス電流を電圧に増幅変換するトランスインピーダンスアンプ(TIA)3と、受光モジュール回路に印加され、TIA3の駆動にも用いられる外部供給電源4と、ダイオード5を具えている。
FIG. 1 shows a block diagram of a light receiving module circuit of the present invention. The light receiving module circuit is applied to the
昇圧回路1は外部供給電源4から電源供給を受け、受光した際にAPD2が逆バイアス電流をTIA4に提供するのに必要な電圧(HV)を発生させる。昇圧回路からのHVはAPD2のカソード側に印加され、APD2は動作可能となる。また、APD2のアノードはTIA3に接続されている。APD2は通常、アノード−カソード間に逆電圧が印加される領域で使用される。
The
ここで図2を参照してダイオード5がない場合の回路について検討する。図2のAPD2では電源投入の過渡応答時に、昇圧回路1の時定数分だけAPD2のカソード側への電源供給に遅れが生じる。ここで、APD2のアソード側の電圧をV1、カソード側の電圧をV2、APDの立ち上がり電圧をVF(通常、0.6〜1V)とする。電源投入からの時間に対するV1とV2の変化を図3に示す。図3の過渡応答期間に示すように、VF≦V1−V2となる期間が存在し、この時V1−V2は1〜2V程度となる。この期間については、V1−V2がAPD2のVFを越えるため、APD2に順バイアス電流が流れてしまう。TIA3は電流流出を想定した設計となっていないため、特性劣化や破損を生じ、APD2についても順バイアス電流を考慮した設計となっていないため、許容電流値を超えた順バイアス電流が流れることによって発熱などを生じ、結果として特性劣化や破損を生ずる。
Here, referring to FIG. 2, a circuit in the case where the
しかしながら、図1に示す本発明の受光モジュール回路は、昇圧回路1とAPD2間に逆電流防止のダイオード5が挿入されている。このダイオード5の整流効果によって、電源投入時の過渡応答時に、APD2に順バイアス電流が生ずるのを防ぎ、本発明の受光モジュール回路の破損を防ぐことができる。
However, in the light receiving module circuit of the present invention shown in FIG. 1, a reverse
図4に、本発明の別の実施例である、受光素子にPIN−PD 2−1を用いた本発明の受光モジュール回路のブロック図を示す。本発明では、昇圧回路1の位置に、サージ保護回路1−1が配置されている。このようなサージ保護回路1−1についても、一般的にはコンデンサを含むため、上述と同様に電圧供給に遅れが生じる。しかし、上述と同様に、ダイオード5の整流効果によって、電源投入時の過渡応答時に、PIN−PD 2−1に順バイアス電流が生ずるのを防ぎ、本発明の受光モジュール回路の破損を防ぐことができる。
FIG. 4 shows a block diagram of a light receiving module circuit of the present invention using PIN-PD 2-1 as a light receiving element, which is another embodiment of the present invention. In the present invention, the surge protection circuit 1-1 is disposed at the position of the
本発明は、光通信、光制御分野から一般用途に至るまで幅広く利用することができる受光モジュール回路であり、高感度が要求される様々な光電子装置に使用することができる。 The present invention is a light receiving module circuit that can be widely used from the fields of optical communication and light control to general applications, and can be used in various optoelectronic devices that require high sensitivity.
1 昇圧回路
1−1 サージ保護回路
2 APD
2−1 PIN−PD
3 TIA
4 外部供給電源
5 ダイオード
1 Booster circuit 1-1
2-1 PIN-PD
3 TIA
4
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