JP2012105197A - 光電変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】広いダイナミックレンジを確保しつつレンジ切換処理による遅延をなくして、レベル変化が激しい場合にも対応可能にする。
【解決手段】フォトダイオード１１、演算増幅器１２ａおよび第１の抵抗１２ｂとで構成され、フォトダイオード１１の出力電流と第１の抵抗１２ｂの抵抗値との積に絶対値が等しい電圧を出力する反転アンプ１２と、第１の抵抗１２ｂより小さい抵抗値を有し、電源の正側とフォトダイオード１１との間に挿入された第２の抵抗２１と、第２の抵抗２１の両端の電圧を出力する差動増幅器２２と、フォトダイオード１１と演算増幅器１２ａの反転入力端子の接続点とアース間に接続され、反転アンプ１２が飽和していないときには非導通状態、飽和しているときには導通状態となってフォトダイオード１１の出力電流をバイパスさせるダイオード２３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射された光の強度に対応した大きさの電気信号を出力する光電変換回路において、広いダイナミックレンジを確保しつつレンジ切換処理による遅延をなくすための技術に関する。

光の強度測定を行う光スペクトラムアナライザや光パワー計では、入射される光の強度に比例した電圧信号を出力するＩ／Ｖ（電流電圧）変換型の光電変換回路が用いられている。

このＩ／Ｖ変換型の光電変換回路は、図６に示すように、電源の正電圧Ｖａ(＋)にカソード側が接続され、入射光の強度に比例した電流Ｉp をアノード側から出力するフォトダイオード１１と、非反転入力端子が接地された演算増幅器１２ａと帰還抵抗１２ｂを用いた反転アンプ１２とにより構成され、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp
を反転アンプ１２の入力に与えることで、その出力端子に−Ｉp ×Ｒに等しい電圧Ｖout を出力させる。

これは、演算増幅器を用いた反転アンプにおいては、その反転入力端子と非反転入力端子が仮想的に短絡接続された状態（イマジナリーショートという）となり、非反転入力端子が接地されてその電位がゼロボルトに固定された場合に、反転入力端子の電位もゼロボルトとなり、しかもその入力抵抗が非常に大きいので、フォトダイオード１１から流れ込む電流Ｉp は、演算増幅器１２ａの帰還抵抗１２ｂを介して出力に流れ、その結果−Ｉp ×Ｒに等しい電圧Ｖout を出力することになる。

このようなＩ／Ｖ変換型の光電変換回路において、一般にフォトダイオード１１のダイナミックレンジは入力光パワー換算（以下同様）で８０ｄＢ以上の広さを有しているが、アンプ側の有効なダイナミックレンジは３０〜４０ｄＢ程度であるので、フォトダイオード１１のダイナミックレンジ全体に対応する光電変換を行う場合、アンプ側でレンジ切換を行う必要が生じる。

例えば、図７のように、異なる抵抗値Ｒａ、Ｒｂ（Ｒａ＜Ｒｂ）をもつ二つの帰還抵抗１２ｃ、１２ｄのいずれかをスイッチ１２ｅによって選択できるようにし、入射光の強度が低くフォトダイオード１１の出力電流Ｉp があるしきい値Ｉth（例えばＩth＝Ｖｂ(−)／Ｒｂ）より少ない範囲（非飽和領域）では、抵抗値が大きい方の帰還抵抗１２ｄを用い、Ｖout
＝−Ｉp ×Ｒｂの出力電圧を得る。

また、入射光の強度が高くフォトダイオード１１の出力電流Ｉp がしきい値Ｉthを超える範囲（ただし、Ｖｂ(−)／Ｒａは超えない）では、抵抗値が小さい方の帰還抵抗１２ｃを用い、Ｖout ＝−Ｉp
×Ｒａの出力電圧を得るようにしていた。ただし、Ｖｂ(+)、Ｖｂ(-)は反転アンプ１２の正負同電圧の電源電圧であり、飽和出力電圧と等しいとする。

ここで例えば、Ｒａ＝１００Ω、Ｒｂ＝１ＭΩ、アンプの電源電圧＝飽和電圧＝Ｖｂ(−)＝−１０Ｖとすると、抵抗値Ｒｂの帰還抵抗１２ｄが接続された場合、｜Ｖｂ(−)｜／Ｒｂ＝１０Ｖ／１ＭΩ＝１０μＡ以下の電流Ｉp に対して−１０Ｖまでの非飽和の出力電圧を得ることができる。

また、抵抗値Ｒａの帰還抵抗１２ｃが接続された場合には、｜Ｖｂ(−)｜／Ｒａ＝１０Ｖ／１００Ω＝１００ｍＡ以下の電流Ｉp
に対して−１０Ｖまでの非飽和の出力電圧を得ることができる。

残留ノイズのレベル等を考慮したアンプの有効なダイナミックレンジを４０ｄＢ（１００００倍）とすれば、その有効な出力範囲は−１０Ｖ〜−１ｍＶとなり、帰還抵抗１２ｄが接続されているときの出力電圧−１ｍＶは、１ｍＶ／１ＭΩ＝１ｎＡに相当するから、フォトダイオードの出力電流Ｉp の１ｎＡ〜１０μＡの範囲に対し、−１ｍＶ〜−１０Ｖの出力電圧が得られる。

また、帰還抵抗１２ｃが接続されているときの出力電圧−１ｍＶは、１ｍＶ／１００Ω＝１０μＡに相当するから、フォトダイオードの出力電流Ｉp の１０μＡ〜１００ｍＡの範囲に対し、−１ｍＶ〜−１０Ｖの出力電圧が得られることになる。

したがって、入射光の強度が、フォトダイオード１１の出力電流換算で１ｎＡ〜１０μＡの範囲にある場合には、スイッチ１２ｅを帰還抵抗１２ｄ側（高ゲイン側）に接続して、そのときの演算増幅器１２ａの出力電圧を有効な出力として選択し、入射光の強度が、フォトダイオード１１の出力電流換算で１０μＡ〜１００ｍＡの範囲にある場合には、スイッチ１２ｅを帰還抵１２ｃ側（低ゲイン側）に接続して、そのときの演算増幅器１２ａの出力電圧を有効な出力として選択する。

ここで、帰還抵抗１２ｃを接続しているときの出力は、帰還抵抗１２ｄを接続しているときの出力のＲａ／Ｒｂ（＝１／１００００）に圧縮されているので、実際の入射光の強度に対応した出力にするためには、後続の演算回路でＲｂ／Ｒａ倍に換算する必要がある（必要であれば負の符号をとる絶対値処理も行う）。

なお、上記のようにＩ／Ｖ変換回路の帰還抵抗の切換（レンジング）によりアンプ側のダイナミックレンジを拡大する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００７−３００３４０号公報

しかしながら、上記構成の光電変換回路では、原理的にフォトダイオード１１の出力電流に対していずれか一方のゲイン状態での電圧信号しか出力できないから、その出力を常時監視して、その出力が適正範囲、即ち、前記数値例で言うと、−１ｍＶ〜−１０Ｖまでの電圧範囲にあれば、その出力電圧を有効として現状の帰還抵抗のままとし、適正範囲にないとき、例えば−１ｍＶより高い場合や−１０Ｖ（飽和電圧）に等しい場合には、他方の帰還抵抗に切換えて、適正範囲に入るか否かを調べるという処理が必要となる。

したがって、適正範囲に無いと判断されたときのＩp に比例した正しい出力電圧は取得できず、帰還抵抗切換後の出力電圧しか得られない。つまり、上記構成の光電変換回路では、強度が一定あるいは強度変化がゆるやかな光については対応できても、高速に且つレンジを超えるように大きくレベル変化する光に対しては、その強度に正確に比例した電気信号を得ることができない。

本発明は、この問題を解決し、広いダイナミックレンジを確保しつつレンジ切換処理による遅延をなくして、レベル変化が激しい場合にも対応可能な光電変換回路を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の光電変換回路は、
電源の正側にカソード側が接続され、入射光を受けてその強度に対応した電流をアノード側から出射するフォトダイオード（１１）と、
非反転入力端子が接地された演算増幅器（１２ａ）および該演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続された第１の抵抗（１２ｂ）とで構成され、前記演算増幅器の反転入力端子が前記フォトダイオードのアノードに接続されて、前記フォトダイオードの出力電流と前記第１の抵抗の抵抗値との積に絶対値が等しい電圧を出力する反転アンプ（１２）と、
前記第１の抵抗より小さい抵抗値を有し、前記電源の正側と前記フォトダイオードのカソードとの間に挿入された第２の抵抗（２１）と、
前記第２の抵抗の両端に生じる該第２の抵抗の抵抗値と前記フォトダイオードの出力電流との積に絶対値が等しい電圧を出力する差動増幅器（２２）と、
前記フォトダイオードのアノードおよび前記演算増幅器の反転入力端子の接続点にアノード側が接続され、カソード側が接地され、前記フォトダイオードの出力電流が前記反転アンプの出力を飽和させるレベルに達していないときには、前記演算増幅器の反転入力端子の電圧が素子固有の順方向電圧降下より低いことにより非導通状態となり、前記フォトダイオードの出力電流が前記反転アンプの出力を飽和させるレベルに達している範囲では、前記演算増幅器の反転入力端子の電圧が前記順方向電圧降下より高くなることにより導通状態となって前記フォトダイオードの出力電流をバイパスさせるダイオード（２３）とを備えたことを特徴とする。

このように構成したため、本発明の光電変換回路では、フォトダイオードの出力電流が反転アンプを飽和させない範囲ではダイオードが非導通となり、従来通り反転アンプの出力にフォトダイオードの出力電流と第１の抵抗の抵抗値との積に等しい電圧を出力させることができ、反転アンプが飽和している範囲では、ダイオードが導通状態となってフォトダイオードの出力電流をバイパスするので、反転アンプが飽和状態にあっても入力光強度に応じた電流が継続的に得られ、その電流と第２の抵抗の抵抗値との積に絶対値が等しい電圧を得ることができる。

また、これら異なるレンジに対する出力がレンジ切換処理無しに並行して得られるので、スイッチ切換のための処理時間が必要とならず、レンジを超える変動の激しい光の強度に正しく対応して電圧が変化する信号を出力させることができる。

本発明の第１の実施形態の構成図 第１の実施形態の動作説明図 第１の実施形態の全体の動作説明図 第２の実施形態の構成図 第２の実施形態の動作説明図 Ｉ／Ｖ変換型の光電変換回路の基本構成図 ダイナミックレンジを拡大させた従来の光電変換回路の構成図

（第１の実施形態）
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光電変換回路２０の構成を示している。

図１において、入射光を受けるフォトダイオード１１のカソード側は、電源の正側Ｖａ(+)のラインに後述する第２の抵抗２１を介して接続され、入射光を受けてその強度に対応した電流Ｉp をアノード側から出射する。

フォトダイオード１１のアノード側は、Ｉ／Ｖ変換用の反転アンプ１２に接続されている。反転アンプ１２は、非反転端子が接地され、正負の電源Ｖｂ(+)、Ｖｂ(-)の供給を受ける演算増幅器１２ａおよびその出力と反転入力端子の間を接続する抵抗値Ｒ１の第１の抵抗１２ｂとで構成され、フォトダイオード１１のアノードから出力される電流Ｉp
を演算増幅器１２ａの反転入力端子で受け、その電流Ｉp を第１の抵抗１２ｂを介して出力端子側に流し、電流電流Ｉp と抵抗値Ｒ１の積に絶対値が等しい電圧Ｖout１＝−Ｉp
×Ｒ１を出力させる。

第２の抵抗２１は、反転アンプ１２の第１の抵抗１２ｂに対して十分小さい抵抗値Ｒ２（例えば、Ｒ１＝１ＭΩに対して、その１／１００００の１００Ω程度）を有し、電源の正側Ｖａ(+)とフォトダイオード１１のカソードとの間に挿入され、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp に比例した電位差Ｉp ×Ｒ２を両端に発生させる。なお、抵抗値Ｒ２は、第１の抵抗１２ｂの抵抗値Ｒ１に比べて小さく、且つ、その抵抗値そのものが、後述するようにフォトダイオード１１の動作点を適正範囲に保持できる程度に設定されているものとする。

この第２の抵抗２１の両端に発生する電位差は、利得１の差動増幅器２２に入力され、その電位差に絶対値が等しい電圧Ｖout２＝−Ｉp ×Ｒ２が出力される。この差動増幅器２２の電源も反転アンプ１２と共通とする。ここで、差動増幅器２２の出力電圧の極性は、反転アンプ１２の出力電圧の極性と一致するように設定されている。

このように、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp に比例した２種類の電圧信号Ｖout１、Ｖout２を出力させており、しかもその比例係数としての抵抗値Ｒ１、Ｒ２の比α＝Ｒ１／Ｒ２は非常に大きく（例えば１００００）設定されている。また、各電圧信号が出力できる負の最大の電圧は、飽和電圧、即ち、電源電圧Ｖｂ(−)であるから、α＝Ｒ１／Ｒ２の比をもつ異なる入力レンジに対して同一電圧範囲の出力が並行して得られることになる。ここで、負の出力電圧範囲の下限は理論上０ボルトであるが、実際にはノイズの影響が無視できないので、両出力電圧の範囲（これが適正範囲となる）が同一となるように、出力範囲の上限と下限の比がα（＝Ｒ１／Ｒ２）に等しくなるようにしている。つまり上限をＶｂ(−)とすれば、下限は、その１／α＝Ｖｂ(−)／αとなる。

ただし、反転アンプ１２の出力が電源電圧Ｖｂ(−)に達して飽和し、さらにフォトダイオード１１の出力電流Ｉp が増した場合、出力側の電圧は電源電圧Ｖｂ(−)のままであるから、前記したイマジナリーショートの状態を維持できなくなり、その電流に応じて演算増幅器１２ａの反転入力端子の電位がゼロボルトから上昇し、フォトダイオード１１の両端に印加される電圧が低下する。このフォトダイオード１１の両端に印加される電圧は、フォトダイオード１１の動作点を決定するものであり、印加電圧が大きく下がってしまうと出力電流も低下して、入力光強度に対応した電流が得られなくなり、その電流による電圧降下を検出している差動増幅器２２の出力が不正確となる。

これを解消するために、実施形態ではダイオード２３のアノード側をフォトダイオード１１のアノードと演算増幅器１２の反転入力端子の接続点に接続し、カソード側を接地している。

このようにダイオード２３を接続したことで、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が反転アンプ１２の出力を飽和させるレベルに達していない範囲では、ダイオード２３のアノードにかかる電圧は、演算増幅器１２ａのイマジナリーショートによりゼロボルトとなり、ダイオード素子固有の順方向電圧降下（例えば０．１Ｖ）より低いために非導通状態となり、フォトダイオード１１と反転アンプ１２によるＩ／Ｖ変換作用に影響を与えない。

これに対し、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が反転アンプ１２の出力を飽和させるレベルに達してさらに増加しようとすると、前記したように演算増幅器１２ａの反転入力端子の電位が上昇しようとするが、その電位がダイオード２３の素子固有の順方向電圧降下より高くなった時点でダイオード２３が導通状態となり、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp
をバイパスする。

ここで、ダイオード２３の順方向電圧降下は、ショットキーバリアダイオード等を用いることでゼロボルトに極めて近くすることができ、しかもその電圧は、電流が変化してもほとんど一定であるので、反転アンプ１２が飽和している状態でフォトダイオード１１のカソード側の電位はほとんど変化しない。ただし、フォトダイオード１１のアノード側の電圧は、第２の抵抗２１による電圧降下分低くなるが、前記したように、第２の抵抗２１の抵抗値を１００Ω程度（あるいはそれ以下でもよい）と小さくしているので、その電圧降下は少なくて済み、フォトダイオード１１の両端電圧を適正動作点から逸脱させないで済み、入力光強度に比例した電流を出力させることができる。

したがって、反転アンプ１２が飽和するような強さの光が入力した場合でも、その強度に比例した出力電圧Ｖout２を得ることができる。

反転アンプ１２の出力および差動増幅器２２の出力は、それぞれＡ／Ｄ変換器２５、２６によって所定周波数のクロックＣ（フォトダイオード１１に入力される光の強度変化に対して十分高速なクロック）に同期してサンプリングされ、デジタル値Ｄ１、Ｄ２にそれぞれ変換されて、有効値選択手段２７に出力される。

有効値選択手段２７は、入力されたデジタル値Ｄ１、Ｄ２を内部のバッファに記憶し、適正範囲（前記例では、Ｖｂ(-)未満、Ｖｂ(-)／α以上の範囲）に入る値を選択して有効値Ｄout として、倍率情報Ｋとともに出力する。

ここで倍率情報Ｋは、例えばデジタル値Ｄ１側が有効値として選択された場合には倍率１を示す「０」のデータ、デジタル値Ｄ２側が有効値として選択された場合には倍率α（＝Ｒ１／Ｒ２）を示す「１」のデータである。

次に、上記構成の光電変換回路２０の数値例について簡単に説明する。
例えば、Ｒ１＝１ＭΩ、Ｒ２＝１００Ω（α＝１００００）とし、反転アンプ１２および差動増幅器２２の電源電圧Ｖｂ(-)＝飽和電圧＝−１０Ｖとする。なお、フォトダイオード１１の電源Ｖａ(+)は、第２の抵抗２１による電圧降下を見込んで、十分高く（例えば２４Ｖ）設定されているものとする。

上記条件で、図２のように、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１ｎＡ〜１０μＡの範囲で変化するとき、反転アンプ１２の出力電圧Ｖout１は、−１ｍＶ（＝−１ｎＡ×１ＭΩ）〜−１０Ｖ（＝−１０μＡ×１ＭΩ）の範囲でＩp
に比例して変化する。この範囲の動作は従来技術と同様である。

また、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１０μＡ〜１００ｍＡの範囲で変化するとき反転アンプ１２は飽和状態となり、その出力電圧Ｖout１は飽和電圧のまま変化しないが、ダイオード２３が導通してフォトダイオード１１のアノード側の電位をほぼゼロボルト（ダイオードの順方向電位）保持しつつ、フォトダイオード１１の出力電流をバイパスする。

このため、フォトダイオード１１からは入力光強度に比例した電流が継続的に出力され、その電流が第２の抵抗２１に流れることによって生じる電圧降下分が差動増幅器２２の出力電圧Ｖout２に現れる。

したがって、図２に示しているように、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１０μＡ〜１００ｍＡの範囲で変化するとき、差動増幅器２２の出力電圧Ｖout２は、−１ｍＶ（＝−１０μＡ×１００Ω）〜−１０Ｖ（＝−１００ｍＡ×１００Ω）の範囲でＩp
に比例して変化する。

図３は、この光電変換回路２０のフォトダイオード１１の出力電流に対する最終的な出力との関係を示す図であり、出力電流Ｉp が１ｎＡ以上１０μＡ未満の範囲では、デジタル値Ｄ１×倍率１が有効な出力値となり、出力電流Ｉp が１０μＡ以上１００ｍＡ未満の範囲では、デジタル値Ｄ２×倍率１００００が有効な出力値となるから、全体でみてＩp
＝１ｎＡ〜１００ｍＡの１０^８倍（パワー換算で８０ｄＢ相当）の広い範囲をカバーしている。

また、前記したように、反転アンプ１２の出力と差動増幅器２２の出力は並行して出力されていて、その出力のうち適正範囲にあるものを選択出力するだけであるので、たとえ、図３に示しているように、レンジの境界の１０μＡを通過するようにＩp(t)が変動しても、遅延なく有効値を選択して、その電流に対応した電圧信号Ｄout(t)を出力させる。

（第２の実施形態）
なお、上記説明では発明を理解しやすいように反転アンプ１２と差動増幅器２２の出力のいずれかを有効値として選択する構成としていたが、これは本発明を限定するものではない。

例えば、上記説明では演算増幅器１２ａや差動増幅器２２の有効なダイナミックレンジをそれぞれ１００００倍（パワー換算で４０ｄＢ）とし、双方で８０ｄＢ相当のダイナミックレンジを得ていたが、Ａ／Ｄ変換器に入力される信号の直流ドリフトやノイズの問題を考慮し、アンプの有効な出力レンジの下限（前記例では−１ｍＶ）をノイズレベルから離すために、図４に示すような構成も考えられる。

即ち、反転アンプ１２の後段に、利得Ａ（例えばＡ＝１００とする）の同相増幅器３１、利得１の同相増幅器３２（電圧ホロワ 省略可能）を並列に設け、それぞれの出力Ｖout３、Ｖout４をＡ／Ｄ変換器３３、３４によってデジタル値Ｄ３、Ｄ４に変換する。

また、差動増幅器２２の後段にも、利得Ａ（＝１００）の同相増幅器３５、利得１の同相増幅器３６（電圧ホロワ 省略可能）を並列に設け、それぞれの出力Ｖout５、Ｖout６をＡ／Ｄ変換器３７、３８によってデジタル値Ｄ５、Ｄ６に変換する。なお、ここでは同相増幅器３１、３２、３５、３６を用いているが、反転増幅器を用いて各Ａ／Ｄ変換器への入力信号の電圧を正極性に変換してもよい。

この回路で、例えば、前記同様に第１の抵抗１２ｂの抵抗値Ｒ１を１ＭΩ、第２の抵抗２１の抵抗値Ｒ２を１００Ω（α＝１００００）とすれば、図５のように、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１ｎＡ〜１００ｎＡの範囲では、反転アンプ１２の出力Ｖout１が−１ｍＶ〜−１００ｍＶの範囲でＩp に比例して変化し、利得１００の同相増幅器３１の出力Ｖout３が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp
に比例して変化する。

また、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１００ｎＡ〜１０μＡの範囲では、反転アンプ１２の出力Ｖout１が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp に比例して変化し、利得１の同相増幅器３２の出力Ｖout４が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp
に比例して変化する。

同様に、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１０μＡ〜１ｍＡの範囲では、差動増幅器２２の出力Ｖout２が−１ｍＶ〜−１００ｍＶの範囲でＩp に比例して変化し、利得１００の同相増幅器３５の出力Ｖout５が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp
に比例して変化し、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１ｍＡ〜１００ｍＡの範囲では、差動増幅器２２の出力Ｖout２が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp に比例して変化し、利得１の同相増幅器３６の出力Ｖout６が−１００ｍＶ〜−１０Ｖの範囲でＩp
に比例して変化する。

なお、フォトダイオード１１の出力電流Ｉp が１０μＡを超える範囲では、前記同様に反転アンプ１２は飽和しているが、フォトダイオード１１の出力電流はダイオード２３を介してバイパスされるので、入力光強度に比例した電流が継続して得られる。

各同相増幅器３１、３２、３５、３６の出力は、それぞれＡ／Ｄ変換器３３、３４、３７、３８によってデジタル値Ｄ３〜Ｄ６に変換されて、前記同様に有効値選択手段２７に入力され、そのうちの適正範囲（この場合絶対値が１００ｍＶ以上１０Ｖ未満）に入るものが有効値Ｄout として選択され、倍率情報Ｋとともに出力される。

ここで倍率情報Ｋとしては、２ビット構成として、例えばデジタル値Ｄ３が有効値として選択された場合には倍率１を示す「００」のデータ、デジタル値Ｄ４が有効値として選択された場合には倍率１００を示す「０１」のデータ、デジタル値Ｄ５が有効値として選択された場合には倍率１００００を示す「１０」のデータ、デジタル値Ｄ６が有効値として選択された場合には倍率１００００００を示す「１１」のデータを出力する。

このように、反転アンプ１２と差動増幅器２２の後段に同相増幅器３１、３２、３５、３６を接続した場合には、図５に示したように、各同相増幅器３１、３２、３５、３６の有効な出力レンジ（つまりＡ／Ｄ変換器への有効な入力レンジ）は、１０Ｖ〜１００ｍＶの比較的狭い範囲におさまり、直流ドリフトやノイズ等の影響を受けにくくなる。

また、４つの増幅器（反転アンプ１２、差動増幅器２２、同相増幅器３１、３５）で入力レンジを分割しているから、反転アンプ１２と差動増幅器２２の出力だけで入力レンジを分割する構成に比べて、直流ドリフトやノイズ等の影響を低減しつつ、ダイミックレンジを広げることができる。

上記実施形態の数値例も一例であり、本発明を限定するものではない。また、利得１の同相増幅器３２、３６は電圧ホロアであるから、これらを省略してもよい。

上記回路で第１の抵抗１２ｂの抵抗値Ｒ１と第２の抵抗２１の抵抗値Ｒ２との比α＝Ｒ１／Ｒ２＝１００００であり、これは、反転アンプ１２側全体の入力レンジの広さ（１０μＡ／１ｎＡ＝１００００）および差動増幅器２２側全体の入力レンジの広さ（１００ｍＡ／１０μＡ＝１００００）に相当しており、この実施例では、それぞれの広さを利得１００と利得１倍の同相増幅器でカバーしているが、反転アンプ側と差動増幅器側それぞれの入力レンジの広さを抵抗比α＝Ｒ１／Ｒ２に対応させればよく、他の数値例でも同様な光電変換処理が可能である。

また、前記実施形態では、反転アンプ１２の出力と差動増幅器２２の出力のいずれか、あるいはそれらの増幅出力から有効値を選択して倍率情報とともに出力する構成であったが、出力形態は任意であり、この光電変換回路を用いる装置の処理方式に応じて種々変更可能である。例えば、反転アンプ１２の出力と差動増幅器２２の出力を一定時間Ａ／Ｄ変換器でデジタル値に変換してメモリに記憶し、その記憶したデータに対して、前記倍率に相当するウエイトを掛けて加算演算することで、入射光の強度を求める場合も考えられる。

１１……フォトダイオード、１２……反転アンプ、１２ａ……演算増幅器、１２ｂ……第１の抵抗、２０……光電変換回路、２１……第２の抵抗、２２……差動増幅器、２３……ダイオード、２５、２６、３３、３４、３７、３８……Ａ／Ｄ変換器、３１、３２、３５、３６……同相増幅器、２７……有効値選択手段

Claims (1)

1. 電源の正側にカソード側が接続され、入射光を受けてその強度に対応した電流をアノード側から出射するフォトダイオード（１１）と、
   非反転入力端子が接地された演算増幅器（１２ａ）および該演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続された第１の抵抗（１２ｂ）とで構成され、前記演算増幅器の反転入力端子が前記フォトダイオードのアノードに接続されて、前記フォトダイオードの出力電流と前記第１の抵抗の抵抗値との積に絶対値が等しい電圧を出力する反転アンプ（１２）と、
   前記第１の抵抗より小さい抵抗値を有し、前記電源の正側と前記フォトダイオードのカソードとの間に挿入された第２の抵抗（２１）と、
   前記第２の抵抗の両端に生じる該第２の抵抗の抵抗値と前記フォトダイオードの出力電流との積に絶対値が等しい電圧を出力する差動増幅器（２２）と、
   前記フォトダイオードのアノードおよび前記演算増幅器の反転入力端子の接続点にアノード側が接続され、カソード側が接地され、前記フォトダイオードの出力電流が前記反転アンプの出力を飽和させるレベルに達していないときには、前記演算増幅器の反転入力端子の電圧が素子固有の順方向電圧降下より低いことにより非導通状態となり、前記フォトダイオードの出力電流が前記反転アンプの出力を飽和させるレベルに達している範囲では、前記演算増幅器の反転入力端子の電圧が前記順方向電圧降下より高くなることにより導通状態となって前記フォトダイオードの出力電流をバイパスさせるダイオード（２３）とを備えたことを特徴とする光電変換回路。

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