JP2012156960A - 受光回路、受光アンプ回路、フォトカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術では、回路規模の削減が難しかった。
【解決手段】反転増幅器の入出力間に帰還抵抗を接続した第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路と実質的に同様な構成を備え、前記第１の増幅回路のバイアス電流を供給する第２の増幅回路と、アノードが前記第１の増幅回路の入力に接続され、カソードが前記第２の増幅回路の入力に接続されるフォトダイオードと、前記第２の増幅回路の出力と、前記第１の増幅回路の入力との間に接続される第１の抵抗と、を有する受光回路。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光回路、受光アンプ回路、フォトカプラに関する。

バイポーラトランジスタで構成されたフォトカプラ等において、フォトダイオードに光入力に応じて発生するフォト電流を電圧に増幅するアンプの回路構成として、特許文献１のような技術がある。

図７に特許文献１の受光アンプ回路３００のブロック構成を示す。図７に示すように、受光アンプ回路３００は、電流電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）３０１と、バイアス設定回路３０４と、電圧増幅アンプ３０２と、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３と、出力トランジスタＱ３０１と、フォトダイオードＰＤ３０１と、抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０７と、キャパシタＣ３０１と、出力端子ＯＵＴとを有する。なお、受光アンプ回路３００はオープンコレクタ出力回路であり、図示しないが出力端子ＯＵＴと電源端子との間に外付けのプルアップ抵抗を接続する。

フォトダイオードＰＤ３０１は、アノードがノードＮ３０１、カソードがノードＮ３０５に接続される。出力トランジスタＱ３０１は、コレクタが出力端子ＯＵＴ、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ３０９に接続される。キャパシタＣ３０１は、ノードＮ３０１とＮ３０６との間に接続される。

抵抗Ｒ３０１がノードＮ３０１とＮ３０２との間に接続される。抵抗Ｒ３０２がノードＮ３０２とＮ３０３との間に接続される。抵抗Ｒ３０３がノードＮ３０３とＮ３０４との間に接続される。抵抗Ｒ３０４がノードＮ３０４とＮ３０９との間に接続される。抵抗Ｒ３０５がノードＮ３０５とＮ３０６との間に接続される。抵抗Ｒ３０６がノードＮ３０７とＮ３０８との間に接続される。抵抗Ｒ３０７がノードＮ３０１とＮ３０７との間に接続される。

Ｉ／Ｖ変換回路３０１は、入力がノードＮ３０１、出力がノードＮ３０２に接続される。電圧増幅アンプ３０２は、入力がノードＮ３０３、出力がノードＮ３０４に接続される。ベース電流補正リファレンスアンプ３０３は、入力がノードＮ３０８、出力がノードＮ３０７に接続される。バイアス設定回路３０４は、入力がノードＮ３０５、出力がノードＮ３０６に接続される。

図８にフォトダイオードＰＤ３０１の周辺回路の詳細な構成及びその接続関係を示す。図８に示すように、Ｉ／Ｖ変換回路３０１は、抵抗Ｒ４０１、Ｒ４０２と、ＮＰＮバイポーラトランジスタ（以後、単にトランジスタと称す）Ｑ４０１、Ｑ４０２とを有する。抵抗Ｒ４０１は、電源端子ＶｃｃとノードＮ４０１との間に接続される。トランジスタＱ４０１は、コレクタがノードＮ４０１、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ３０１に接続される。トランジスタＱ４０２は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ、エミッタがノードＮ３０２、ベースがノードＮ４０１に接続される。抵抗Ｒ４０２は、ノードＮ３０２と接地端子ＧＮＤとの間に接続される。

バイアス設定回路３０４は、抵抗Ｒ４０３、Ｒ４０４と、トランジスタＱ４０３、Ｑ４０４とを有する。抵抗Ｒ４０３は、電源端子ＶｃｃとノードＮ４０２との間に接続される。トランジスタＱ４０３は、コレクタがノードＮ４０２、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ３０５に接続される。トランジスタＱ４０４は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ、エミッタがノードＮ３０６、ベースがノードＮ４０２に接続される。抵抗Ｒ４０４は、ノードＮ３０６と接地端子ＧＮＤとの間に接続される。

ベース電流補正リファレンスアンプ３０３は、抵抗Ｒ４０５、Ｒ４０６と、トランジスタＱ４０５、Ｑ４０６とを有する。抵抗Ｒ４０５は、電源端子ＶｃｃとノードＮ４０３との間に接続される。トランジスタＱ４０５は、コレクタがノードＮ４０３、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ３０８に接続される。トランジスタＱ４０６は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ、エミッタがノードＮ３０７、ベースがノードＮ４０３に接続される。抵抗Ｒ４０６は、ノードＮ３０７と接地端子ＧＮＤとの間に接続される。

なお、電圧増幅アンプ３０２の詳細な構成は記載しないが、基本的に、Ｉ／Ｖ変換回路３０１、バイアス設定回路３０４、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３と同様の構成となっている。

フォトダイオードＰＤ３０１に光が入射されると、その光強度に応じた光電流ｉｐｄがカソードからアノードに向かって流れる。その光電流ｉｐｄがＩ／Ｖ変換回路３０１に入力される。ここで、抵抗Ｒ３０１が帰還抵抗となっている。このため、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力Ｖｏ３０１として、ｉｐｄ＝０の状態からｉｐｄ×Ｒ３０１だけ下がった電圧Ｖｏ３０１が発生する。その電圧Ｖｏ３０１が、電圧増幅アンプ３０２に入力される。

ここで、電圧増幅アンプ３０２の出力として、帰還抵抗Ｒ３０２、Ｒ３０３の関係で、ｉｐｄ＝０の状態からＶｏ３０１×Ｒ３０３／Ｒ３０２の電圧Ｖｏ３０２が発生する。この電圧が、出力トランジスタＱ３０１のスレッショルド電圧Ｖｔｈ以上となると、出力トランジスタＱ３０１がオン状態となり、出力端子ＯＵＴから出力される出力電圧ＶＯＵＴがロウレベルとなる。

ここで、図８に示したように、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の入力は、エミッタ接地のトランジスタＱ４０１のベースであるため、ベース電流が必要となる。フォトダイオードＰＤ３０１に光入力がない場合、このベース電流は帰還抵抗Ｒ３０１を介して供給される。このため、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力Ｖｏ３０１は、トランジスタＱ４０１のベース電流をＩＢＱ４０１とすると、以下のような式となる。

つまり、Ｖｏ３０１は、フォトダイオードＰＤ３０１に光入力がない場合、常にこの値分だけ上がった電圧となる。

次に、フォトダイオードＰＤ３０１に光入力あった場合、トランジスタＱ４０１のベース電流は、帰還抵抗Ｒ３０１を介して供給される電流と、フォトダイオードＰＤ３０１から発生する光電流ｉｐｄとを合わせた値となる。このため、光電流ｉｐｄがトランジスタＱ４０１のベース電流として消費される分、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力への寄与が少なく、見かけ上感度が下がったことになる。即ち、光電流ｉｐｄは「μＡ」レベルと小さいいため、フォトダイオードＰＤ３０１への光入力が大きくない場合、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧Ｖｏ３０１の値が下がらず、結果として出力電圧ＶＯＵＴがロウレベルとならない。

この問題に対応するため、受光アンプ回路３００では、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３を用い、その出力とＩ／Ｖ変換回路３０１の入力とを、抵抗Ｒ３０７を介して接続している。ここで、Ｉ／Ｖ変換回路３０１とベース電流補正リファレンスアンプ３０３を同一の回路構成、且つ、各構成を同一定数（抵抗値、トランジスタのディメンジョン等）とする。更に、抵抗Ｒ３０７と帰還抵抗Ｒ３０１を同一の値に設定する。このことによって、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧Ｖｏ３０１と、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３の出力電圧Ｖｏ３０３とが同一となる。よって、抵抗Ｒ３０１、Ｒ３０７に流れる電流ＩＲ３０１、ＩＲ３０７は、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の入力電圧をＶｉｎ３０１とすると、以下のような式となる。

ここで、上述のようにＶｏ３０１＝Ｖｏ３０３、Ｒ３０１＝Ｒ３０７であるから、上記式に代入すると、結果として、ＩＲ３０１＝ＩＲ３０７となる。

このように、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３から、Ｉ／Ｖ変換回路３０１に電流を供給することで、Ｉ／Ｖ変換回路３０１のトランジスタＱ４０１のベース電流による見かけ上の感度の低下を防止することができる。

更に、抵抗Ｒ３０７や、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３の定数を変更することで、Ｉ／Ｖ変換回路３０１に供給する補正電流を変化させることができ、フォトカプラの出力がハイレベルからロウレベルとなる入力光レベルＩＦＨＬを調整することができる。

次に、バイアス設定回路３０４については、以下のような機能がある。電源電圧Ｖｃｃに変動が発生すると各アンプ（３０１〜３０４）の電位も変動するが、フォトダイオードＰＤ３０１には寄生容量としてＣｐｄが存在する。電源変動によって、フォトダイオードＰＤ３０１のアノード、カソード間の電位がずれると、寄生容量Ｃｐｄに充放電が発生する。これにより発生する電流がＩ／Ｖ変換回路３０１に入力された場合、光電流ｉｐｄが入力されたときと同様の動作を行い、光電流ｉｐｄの入力の有無にかかわらず、回路のオン、オフしてしまう。このため、受光アンプ回路３００が誤動作してしまう。

そこで、フォトダイオードＰＤ３０１のカソードに、Ｉ／Ｖ変換回路３０１と同一の回路構成、各構成を同一定数とするバイアス設定回路３０４を接続し、電源電圧の変動に対する誤動作を防止する。更に、耐ノイズ特性と高速応答性を両立させるため、バイアス設定回路３０４の出力と、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の入力間にキャパシタＣ３０１が接続される。

特開２００４−３２８０６１号公報

ここで、従来技術の図８で示したように、フォト電流ｉｐｄが入力される素子がバイポーラトランジスタＱ４０１のベースである場合、このフォト電流ｉｐｄがベース電流として消費されてしまう。このため、見かけ上、任意の強度の光に対して、フォトダイオードＰＤ３０１から発生するフォト電流ｉｐｄが少なくなる。このことで、閾値Ｖｔｈが高くなってしまい、最悪の条件では、受光アンプ回路３００がオンしなくなる虞がある。

このため、フォトダイオードＰＤ３０１のアノードと、その入力であるバイポーラトランジスタＱ４０１のベースとの接続点に、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３からベース電流を相殺する電流を加えている。しかし、近年、フォトカプラを含めたチップコスト削減の要求が強くなり、回路規模の縮小が求められている。このため、可能な限り回路構成を削減する必要があるが、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３を削減した場合、上述したように受光アンプ回路３００がオンしなくなる問題が発生する。

本発明は、反転増幅器の入出力間に帰還抵抗を接続した第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路と実質的に同様な構成を備え、前記第１の増幅回路のバイアス電流を供給する第２の増幅回路と、アノードが前記第１の増幅回路の入力に接続され、カソードが前記第２の増幅回路の入力に接続されるフォトダイオードと、前記第２の増幅回路の出力と、前記第１の増幅回路の入力との間に接続される第１の抵抗と、を有する受光回路。

本発明は、第１の増幅回路の入力と、第２の増幅回路の出力とを第１の抵抗で接続する。このことにより、フォトダイオードに光入射が無い場合において、第１の増幅回路から第２の増幅回路に補正用の電流供給が可能となり、補正用の電流供給回路を特別に用意する必要が無い。

本発明によれば、回路規模を削減することが可能となる。

実施の形態にかかるフォトカプラ（受光アンプ回路）の構成である。 実施の形態にかかるフォトカプラの受光回路部分の構成である。 従来の受光回路の入出力特性である。 実施の形態にかかる受光回路の入出力特性である。 従来のフォトカプラの瞬時同相除去電圧（ＣＭＲ）特性を説明するグラフである。 実施の形態にかかるフォトカプラのＣＭＲ特性を説明するグラフである。 従来の受光アンプ回路の構成である。 従来の受光回路部分の構成である。

発明の実施の形態

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明をフォトカプラに適用したものである。図１に本実施の形態のフォトカプラ１００の出力側（受光アンプ回路）のブロック構成を示す。なお、フォトカプラ１００は、入力電気信号を光信号に変換し、後述のフォトダイオードＰＤ１０１に出力する入力側の回路ブロックも当然有するが図面の簡略化のためここでは省略する。

図１に示すように、フォトカプラ１００は、電流電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）１０１と、バイアス設定回路１０４と、電圧増幅アンプ１０２と、出力トランジスタＱ１０１と、フォトダイオードＰＤ１０１と、抵抗Ｒ１０１〜Ｒ１０５、Ｒ１０７と、キャパシタＣ１０１と、出力端子ＯＵＴとを有する。なお、フォトカプラ１００はオープンコレクタ出力回路であり、図示しないが出力端子ＯＵＴと電源端子との間に外付けのプルアップ抵抗を接続する。

フォトダイオードＰＤ１０１は、アノードがノードＮ１０１、カソードがノードＮ１０５に接続される。出力トランジスタＱ１０１は、コレクタが出力端子ＯＵＴ、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ１０９に接続される。キャパシタＣ１０１は、ノードＮ１０１とＮ１０６との間に接続される。なお、このキャパシタＣ１０１は、従来技術のキャパシタＣ３０１と同様、フォトカプラ１００の耐ノイズ特性と高速応答性を両立させる機能を有する。

抵抗Ｒ１０１がノードＮ１０１とＮ１０２との間に接続される。抵抗Ｒ１０２がノードＮ１０２とＮ１０３との間に接続される。抵抗Ｒ１０３がノードＮ１０３とＮ１０４との間に接続される。抵抗Ｒ１０４がノードＮ１０４とＮ１０９との間に接続される。抵抗Ｒ１０５がノードＮ１０５とＮ１０６との間に接続される。抵抗Ｒ１０７がノードＮ１０１とＮ１０６との間に接続される。なお、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０３、Ｒ１０５は、同一定数とする。

Ｉ／Ｖ変換回路１０１は、入力がノードＮ１０１、出力がノードＮ１０２に接続される。電圧増幅アンプ１０２は、入力がノードＮ１０３、出力がノードＮ１０４に接続される。バイアス設定回路１０４は、入力がノードＮ１０５、出力がノードＮ１０６に接続される。

なお、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０３、Ｒ１０５は、それぞれＩ／Ｖ変換回路１０１、電圧増幅アンプ１０２、バイアス設定回路１０４の帰還抵抗である。Ｉ／Ｖ変換回路１０１、電圧増幅アンプ１０２、バイアス設定回路１０４は、基本的に同様の構成を有した反転増幅器である。このため、抵抗Ｒ１０１とＩ／Ｖ変換回路１０１、抵抗Ｒ１０３と電圧増幅アンプ１０２、抵抗Ｒ１０５とバイアス設定回路１０４は、それぞれ入力した電圧を反転増幅する増幅回路を構成する。

なお、Ｉ／Ｖ変換回路１０１、バイアス設定回路１０４、フォトダイオードＰＤ１０１、抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０５、Ｒ１０７、キャパシタＣ１０１で受光回路を構成する。

図２にフォトダイオードＰＤ１０１の周辺回路の詳細な構成及びその接続関係を示す。図２に示すように、Ｉ／Ｖ変換回路１０１は、抵抗Ｒ２０１、Ｒ２０２と、ＮＰＮバイポーラトランジスタ（以後、単にトランジスタと称す）Ｑ２０１、Ｑ２０２とを有する。抵抗Ｒ２０１は、電源端子ＶｃｃとノードＮ２０１との間に接続される。トランジスタＱ２０１は、コレクタがノードＮ２０１、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ１０１に接続される。トランジスタＱ２０２は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ、エミッタがノードＮ１０２、ベースがノードＮ２０１に接続される。抵抗Ｒ２０２は、ノードＮ１０２と接地端子ＧＮＤとの間に接続される。

バイアス設定回路１０４は、抵抗Ｒ２０３、Ｒ２０４と、トランジスタＱ２０３、Ｑ２０４とを有する。抵抗Ｒ２０３は、電源端子ＶｃｃとノードＮ２０２との間に接続される。トランジスタＱ２０３は、コレクタがノードＮ２０２、エミッタが接地端子ＧＮＤ、ベースがノードＮ１０５に接続される。トランジスタＱ２０４は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ、エミッタがノードＮ１０６、ベースがノードＮ２０２に接続される。抵抗Ｒ２０４は、ノードＮ１０６と接地端子ＧＮＤとの間に接続される。

また、ノードＮ１０１とＮ１０６との間に、キャパシタＣ１０１と抵抗Ｒ１０７が並列に接続されている。

なお、電圧増幅アンプ１０２の詳細な構成は記載しないが、基本的にＩ／Ｖ変換回路１０１、バイアス設定回路１０４と同様の構成となっている。

フォトダイオードＰＤ１０１に光が入射されない場合、光電流ｉｐｄが流れない。

ここで、各回路ブロック（Ｉ／Ｖ変換回路１０１と、電圧増幅アンプ１０２と、バイアス設定回路１０４）の回路構成と、帰還抵抗である抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０５及び抵抗Ｒ１０７の抵抗値が同じであると仮定して受光アンプ回路１００の動作を考える。

Ｉ／Ｖ変換回路１０１の入力であるトランジスタＱ２０１のベース電流は、抵抗Ｒ１０７を介してバイアス設定回路１０４から供給される。このため、抵抗Ｒ１０１には電流が流れず、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧（ノードＮ１０２の電圧）は入力電圧（ノードＮ１０１の電圧）と同じ、つまり、トランジスタＱ２０１のベース電圧と同じになる。

次に、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧が、電圧増幅アンプ１０２に入力されるが、抵抗Ｒ１０１に電流が流れないため、電圧増幅アンプ１０２での電圧増幅は行われない。このため、電圧増幅アンプ１０２の出力電圧（ノードＮ１０３の電圧）もトランジスタＱ２０１のベース電圧と同じになる。そうすると、出力トランジスタＱ１０１がオン状態となるスレッショルド電圧もトランジスタのベース電圧となるので、両者が近い電圧となる。このため、フォトダイオードＰＤ１０１に光が入射されない状態でも出力トランジスタＱ１０１がオン状態となる危険性がある。

よって、このような上記出力トランジスタＱ１０１がオン状態となる危険性を除去するため、オフセットを持たせる必要がある。このため本実施の形態では、所定の強度の光入力がないと出力トランジスタＱ１０１がオン状態とならないように、抵抗Ｒ１０７の値を抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０５と同値でなく、より大きい抵抗値とする。こうすることで、Ｉ／Ｖ変換回路１０１への供給電流をトランジスタＱ２０１のベース電流より小さくし、電圧増幅アンプ１０２の出力電圧を出力トランジスタＱ１０１がオン状態となるスレッショルド電圧より低い値に設定する。ここで、その抵抗Ｒ１０７に流れる電流をＩＲ１０７とし、トランジスタＱ２０１のベース電流をＩＢＱ２０１とすると、以下の式が成り立つ。

そして、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧Ｖｏ１０１は、以下のような式となる。

次に、フォトダイオードＰＤ１０１に光が入射されると、その光強度に応じた光電流ｉｐｄがカソードからアノードに向かって流れる。その光電流ｉｐｄがＩ／Ｖ変換回路１０１に入力される。この光電流ｉｐｄが十分大きい場合、以下のような式となる。

このようになると、抵抗Ｒ１０１が帰還抵抗となり、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力としては、ｉｐｄ＝０の状態から以下の値分だけ下がった電圧Ｖｏ１０１が発生する。

その電圧Ｖｏ１０１が電圧増幅アンプ１０２に入力される。ここでは抵抗Ｒ１０２、Ｒ１０３の関係により、ｉｐｄ＝０の状態からＶｏ１０１×Ｒ１０３／Ｒ１０２分高い電圧値のＶｏ１０２が電圧増幅アンプ１０２から出力される。その電圧Ｖｏ１０２が出力トランジスタＱ１０１のスレッショルド電圧Ｖｔｈ以上となると、出力トランジスタＱ１０１がオン状態となり、出力端子ＯＵＴのレベルがロウレベルとなる。

ここで、光入射がある場合と無い場合とで、図８の従来技術のＩ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧Ｖｏ３０１を図３に示す。また、図３に示すように、フォトカプラの出力がロウレベルからハイレベルに切り替わるために必要なＩ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧をＶｔｈとする。つまり、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧がＶｔｈ以上ではフォトカプラ３００の出力はハイレベルとなり、Ｖｔｈ以下ではフォトカプラの出力はロウレベルとなる。

まず、光入射が無い場合において、Ｉ／Ｖ変換回路３０１とベース電流補正回路３０３とに注目する。Ｉ／Ｖ変換回路３０１とベース電流補正回路３０３との回路構成、及び、帰還抵抗である抵抗Ｒ３０１、Ｒ３０６の抵抗値が同じとする。この場合、ベース電流補正回路３０３の入力部であるトランジスタＱ４０５のベース電圧をＶＢＱ４０５、ベース電流をＩＢＱ４０５とすると、ベース電流補正回路３０３の出力部であるトランジスタＱ４０６のエミッタ電圧Ｖｏ３０３は、以下のような式となる。

Ｉ／Ｖ変換回路３０１の入力部であるトランジスタＱ４０１のベース電圧をＶＢＱ４０１、ベース電流をＩＢＱ４０１とする。ここで、抵抗Ｒ３０７に流れる電流ＩＲ３０７は、抵抗Ｒ３０７の両端の電圧Ｖｏ３０３とＶｉｎ３０１とから以下のような値となる。

ここで、Ｒ３０７＞Ｒ３０６＝Ｒ３０１とすると、以下のような式で表せる。

Ｖｏ３０１は、Ｖｔｈより、以下の値だけ高くなり、フォトカプラ３００の出力がハイレベルとなる。

次に、フォトダイオードＰＤ３０１に光入射がある場合でのＩＲ３０７の動作については、光入射が無い場合とほぼ同様であるが、フォトダイオードＰＤ１０１からＩ／Ｖ変換回路３０１の入力に対してｉｐｄが発生することを考慮する。そのため、Ｖｏ３０１はＶｔｈより、以下の値だけ低い値となり、フォトカプラ３００の出力がロウレベルとなる。

次に、本実施の形態について以下に説明する。光入射がある場合と無い場合とにおける、図１のＩ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧を図４に示す。図４に示すように、フォトカプラ１００の出力がロウレベルからハイレベルに切り替わるために必要なＩ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧をＶｔｈとする。つまり、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧がＶｔｈ以上ではフォトカプラ１００の出力はハイレベルとなり、Ｖｔｈ以下ではフォトカプラ１００の出力はロウレベルとなる。

まず、フォトダイオードＰＤ１０１に光入射がない場合において、Ｒ１０７＞Ｒ１０５＝Ｒ１０１とすると、従来回路と同様、Ｖｏ１０１は、Ｖｔｈよりも以下の値だけ高い値となり、フォトカプラ１００の出力がハイレベルとなる。

次に、フォトダイオードＰＤ１０１に光入射がある場合では、ｉｐｄが抵抗Ｒ１０５に流れるため、バイアス設定回路１０４の出力電圧Ｖｏ１０４は、以下のような式で表せる。なお、トランジスタＱ２０３のベース電圧をＶＢＱ２０３、ベース電流をＩＢＱ２０３とする。

抵抗Ｒ１０７を流れる電流ＩＲ１０７は、抵抗Ｒ１０７の両端の電圧Ｖｏ１０４とＶｉｎ１０１（Ｉ／Ｖ変換回路１０１の入力電圧）とから以下のような値となる。

Ｖｏ１０１は、Ｖｔｈより以下の値だけ低い値となり、フォトカプラ１００の出力がロウレベルとなる。

ここで、従来回路の補正電流ＩＲ３０７と本実施の形態の補正電流ＩＲ１０７とを比較すると以下の値分だけ電流値が増加する。

また、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力Ｖｏ１０１とＩ／Ｖ変換回路３０１の出力Ｖｏ３０１とを比較しても、Ｖｏ１０１の方がＶｏ３０１よりも、以下の値分だけＶｔｈより低くすることができる。

このように、同じ光入射であっても、従来技術に比べて、本実施の形態のＩ／Ｖ変換回路１０１の出力変動幅が広くなる。このことから、本実施の形態の方が、見かけ上感度が高くなったことと同じ働きとなる。すなわち、従来技術のＶｏ３０１と、本実施の形態のＶｏ１０１とを比較すると、以下のような差があることが分かる。

これまでの説明では、オフセット電圧を持たせるため、Ｒ１０７、Ｒ３０７を調整していたが、上記式からＲ１０７、Ｒ３０７に流れる電流ＩＲ１０７、ＩＲ３０７をそれぞれＩＢＱ２０１、ＩＢＱ４０１より少なくすればよいことがわかる。つまり、従来回路においては、ベース電流補正リファレンスアンプ３０３を構成する回路の定数、本実施の形態においては、バイアス設定回路１０４を構成する回路の定数を調整すればよい。

例えば、Ｉ／Ｖ変換回路１０１とバイアス設定回路１０４におけるそれぞれの抵抗Ｒ２０１、Ｒ２０３について、抵抗Ｒ２０３をＲ２０１よりも大きくする。このことで、バイアス設定回路１０４の出力とＩ／Ｖ変換回路１０１の入力との間に接続される抵抗Ｒ１０７の値を帰還抵抗である抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０５と同じ値とした場合であっても、バイアス設定回路１０４からＩ／Ｖ変換回路１０１へ入力されるベース電流の補正値が、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の入力トランジスタのベース電流値よりも少なく設定できる。

以上のように、本実施の形態では、従来技術で必要としていたベース電流補正リファレンスアンプ３０３に相当する回路規模を削減しつつ、フォトカプラの誤作動も同時に防止することが可能である。

また、スレッショルド電圧と信号電圧のレベルの差に依存するフォトカプラ特有の特性として、瞬時同相除去電圧（ＣＭＲ）がある。近年では、フォトカプラの特性向上が期待され、このＣＲＭ特性の改善も同時に求められる。また更に、フォトカプラの要求特性の１つとして、帰還抵抗値に依存する高速化も求められている。しかし、ＣＲＭを改善するため、スレッショルド電圧と信号電圧レベルの差を広くするとＩＦＨＬが高くなるが、高速化対応のため帰還抵抗値を小さくすると更にＩＦＨＬが高くなってしまう問題があった。

以下に、瞬時同相除去電圧（ＣＭＲ）について、図５、図６を用いて説明する。図５は、従来技術のＩ／Ｖ変換回路３０１の出力電圧波形と、フォトカプラ３００の出力波形であり、図６は、本実施の形態のＩ／Ｖ変換回路１０１の出力電圧波形と、フォトカプラ１００の出力波形である。

まず、図５に示すように、従来技術では、何らかの原因で、Ｉ／Ｖ変換回路３０１にノイズが入力されると、Ｉ／Ｖ変換回路３０１の出力が変動する。そして、その変動がＶｔｈを超えた場合、フォトカプラ３００の出力も誤作動する。

しかし、図６に示すように、本実施の形態では、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力ダイナミックレンジが広いため、Ｖｔｈを調整することで、Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力の変動がＶｔｈを超えないように設定できる。このような設定を行うことで、フォトカプラ１００の出力も誤作動を防ぐことができ、瞬時同相除去電圧（ＣＭＲ）を改善することが可能となる。

以下に、上述した説明を定量的に行う。なお、説明を容易にするため、本実施の形態と従来技術のＩ／Ｖ変換回路の出力電圧Ｖｏ３０１、Ｖｏ１０１を簡略化する。

まず、従来技術において、ＩＢＱ４０１＝ＩＢＱ４０５、Ｒ３０６≒Ｒ３０７とすると、Ｖｏ３０１＝ｉｐｄ×Ｒ３０１となる。次に、本実施の形態において、ＩＢＱ２０１＝ＩＢＱ２０３、Ｒ１０５≒Ｒ１０７とすると、Ｖｏ１０１＝２×ｉｐｄ×Ｒ１０１となる。

帰還抵抗の値を従来技術と本実施の形態とで同じ値とすると、同一光強度の光入射で、本実施の形態の方が、従来技術よりも２倍の光電流ｉｐｄがＩ／Ｖ変換回路に入力されることになり、従来技術と本実施の形態とで同じＩ／Ｖ変換回路の出力と設定すると帰還抵抗である抵抗Ｒ１０１の値が従来技術のＲ３０１の１／２でよいことになる。このため、回路規模の縮小が可能となる。

更に、本実施の形態において、Ｉ／Ｖ変換回路の応答速度は、フォトダイオードの寄生容量と帰還抵抗とで決定されるＣＲ時定数で決まる。上述したように、帰還抵抗の抵抗値が１／２とできることは、Ｉ／Ｖ変換回路の応答速度の高速化する効果がある。よって、光入力レベル（ＩＦＨＬ）に影響を与えることなく、瞬時同相除去電圧（ＣＭＲ）を改善しつつ、回路動作の高速化が可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものでなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００、２００ フォトカプラ
１０１ 電流電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）
１０２ 電圧増幅アンプ
１０４ バイアス設定回路
Ｑ１０１ 出力トランジスタ
ＰＤ１０１ フォトダイオード
Ｒ１０１〜Ｒ１０５、Ｒ１０７ 抵抗
Ｃ１０１ キャパシタ
ＯＵＴ 出力端子
Ｒ２０１、Ｒ２０２ 抵抗
Ｑ２０１、Ｑ２０２ トランジスタ
Ｒ２０３、Ｒ２０４ 抵抗
Ｑ２０３、Ｑ２０４ トランジスタ

Claims (9)

1. 反転増幅器の入出力間に帰還抵抗を接続した第１の増幅回路と、
   前記第１の増幅回路と実質的に同様な構成を備え、前記第１の増幅回路のバイアス電流を供給する第２の増幅回路と、
   アノードが前記第１の増幅回路の入力に接続され、カソードが前記第２の増幅回路の入力に接続されるフォトダイオードと、
   前記第２の増幅回路の出力と、前記第１の増幅回路の入力との間に接続される第１の抵抗と、を有する
   受光回路。
2. 前記第２の増幅回路の出力と、前記第１の増幅回路の入力との間に接続されるキャパシタを更に有する
   請求項１に記載の受光回路。
3. 前記第１の増幅回路及び第２の増幅回路のそれぞれの入力トランジスタ及び出力トランジスタがバイポーラトランジスタで構成され、
   前記第２の増幅回路から前記第１の増幅回路へのバイアス電流を前記第１の増幅回路の入力トランジスタのベース電流より小さい値とする
   請求項１または請求項２に記載の受光回路。
4. 前記第１の抵抗は、前記第１の増幅回路の帰還抵抗及び前記第２の増幅回路の帰還抵抗よりも大きな抵抗値を有する
   請求項３に記載の受光回路。
5. 前記第１、第２の増幅回路の反転増幅器は、それぞれ入力トランジスタである第１のトランジスタ、及び、出力トランジスタである第２のトランジスタと、第２、第３の抵抗とを有し、
   前記第２の抵抗は、一方の端子が第１の電源端子、他方の端子が第１のノードに接続され、
   前記第１のトランジスタは、一方の端子が前記第１のノード、他方の端子が第２の電源端子、制御端子が当該第１の増幅回路の入力に接続され、
   前記第２のトランジスタは、一方の端子が前記第１の電源端子、他方の端子が当該第１の増幅回路の出力、制御端子が前記第１のノードに接続され、
   前記第３の抵抗は、一方の端子が当該第１の増幅回路の出力、他方の端子が前記第２の端子に接続される
   請求項３に記載の受光回路。
6. 前記第１の増幅回路の帰還抵抗の抵抗値と、前記第２の増幅回路の帰還抵抗の抵抗値とが実質的に同様であり、
   前記第２の増幅回路の反転増幅器の第２の抵抗が、前記第１の増幅回路の反転増幅器の第２の抵抗より大きい抵抗値を有する
   請求項５に記載の受光回路。
7. 前記第１の抵抗は、前記第１の増幅回路の帰還抵抗及び前記第２の増幅回路の帰還抵抗よりも大きな抵抗値を有する
   請求項６に記載の受光回路。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の受光回路と、
   前記受光回路の出力に応じて、オン状態、オフ状態が制御される出力トランジスタと、を有する
   受光増幅回路。
9. 請求項８に記載の受光増幅回路と、
   電気信号を入力し、前記電気信号に応じた光信号を前記フォトダイオードに出力する入力段を備える
   フォトカプラ。

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