JP2014183384A

JP2014183384A - 受光回路

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Publication number: JP2014183384A
Application number: JP2013055357A
Authority: JP
Inventors: Fumiyasu Utsunomiya; 文靖宇都宮
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-29
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: TWI605684B; US20140266368A1; CN104062005A; TW201448496A; KR20140114295A; CN104062005B; KR102104773B1; US8907717B2; JP6218404B2

Abstract

【課題】急峻な光量変化のみを高感度に検出できると共に、低消費電流で、しかも、安価で小型となる受光回路を提供する。
【解決手段】入射光量に応じた電流を流す光電変換素子と、ソースが光電変換素子に接続され、ドレインがノードに接続され、ソースの電圧を第１の電圧に維持しながら、光電変換素子の電流をノードへ流すＭＯＳトランジスタと、ノードの電圧が第１の電圧より低い第２の電圧になるように、ノードからＧＮＤ端子へ電流を流すリセット回路と、リセット回路にリセット信号を出力する制御回路と、ノードの電圧の変動を検出し、検出結果を出力する電圧上昇検出回路と、を備え、リセット回路は、制御回路のリセット信号が入力される記ノードの電圧が第２の電圧になるようにノードからＧＮＤ端子へ電流を流し、リセット信号が入力されなくなるとその状態を保持する構成とした受光回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、光量の変化を検出する受光回路に係わり、特に周囲の明るさに関係なく、安定して光量の変化を検出できる受光回路に関する。

受光回路は、赤外線リモコン通信や可視光通信の光信号受光用や、フォトインタラプタや距離センサ等に用いられる。この受光回路の機能は、人が動いたり、風で物が揺れたりして発生するゆっくりとした光量変化や、５０Ｈｚ周期で輝度が揺らぐ蛍光灯の光量変化は検出せずに、ＬＥＤ等が点灯した際の急峻な光量変化は検出する必要がある。また、周囲の明るさにより受光感度が変わらないことも重要である。

図６に従来の受光回路のブロック図を示す。従来の受光回路は、フォトダイオード１０１と、抵抗素子６０１と、ローパスフィルタ６０３と、ＮＭＯＳトランジスタ６０２と、を備える。

フォトダイオード１０１は、Ｎ型端子がＶＤＤ端子に接続され、Ｐ型端子が出力端子６０４と抵抗素子６０１の一方の電極に接続される。抵抗素子６０１の他方の電極は、ＧＮＤ端子に接続される。ローパスフィルタ６０３は、入力端子６１０が抵抗素子６０１の一方の電極に接続され、出力端子６１１がＮＭＯＳトランジスタ６０２のゲートに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ６０２は、ドレインが抵抗素子６０１の一方の電極に接続され、ソースがＧＮＤ端子に接続される。出力端子６０４は、抵抗素子６０１の一方の電極に接続される。

上述したように構成された受光回路は、以下のように動作して入射する光量の変化を検出する。
周囲が暗い場合は、フォトダイオード１０１に定常的な電流が流れない。出力端子６０４の電圧はＧＮＤ端子電圧となるので、ＮＭＯＳトランジスタ６０２はオフしている。ここで、ＬＥＤ等の光が照射されると、フォトダイオード１０１に電流が発生する。その電流は、抵抗素子６０１に流れて、電圧を発生する。その電圧が出力端子６０４に出力されることで、入射光の量が変化したことを検出することが出来る。

周囲が明るい場合は、フォトダイオード１０１に定常的な電流が流れる。出力端子６０４の電圧は、抵抗素子６０１に電流が流れることで上昇する。出力端子６０４の電圧がＮＭＯＳトランジスタ６０２のしきい値電圧を超えると、ＮＭＯＳトランジスタ６０２はオンする。従って出力端子６０４の電圧は、ＮＭＯＳトランジスタ６０２のしきい値電圧付近に制御される。すなわち、周囲がいくら明るくても、出力端子６０４の電圧は、ＮＭＯＳトランジスタ６０２のしきい値電圧付近までしか上昇しない。ここで、ＬＥＤ等の光が照射されると、フォトダイオード１０１の電流が増加する。この際、ＮＭＯＳトランジスタ６０２のゲート電圧は、ローパスフィルタ６０３を介して変化するため、瞬間的に変化した電流は抵抗素子６０１のみに流れる。従って、この電流によって抵抗素子６０１の電圧が増加して、出力端子６０４の電圧が増加する。そして、出力端子６０４の電圧が所定電圧以上となったことで、入射光の量が変化したことを検出することが出来る。

以上説明したように、従来の受光回路は、ローパスフィルタ６０３とＮＭＯＳトランジスタ６０２を備えたことにより、受光感度が周囲の明るさの影響を受けない（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−８３４５２号公報

しかしながら、従来の受光回路は、フォトダイオードと抵抗の接点に、フォトダイオードの大きな寄生容量や配線容量等が存在しているので、フォトダイオードの電流で上昇する接点の電圧上昇速度が低下してしまう。このため、離れた場所からＬＥＤ等を点灯させた場合、発生するフォトダイオードの電流が少なく、接点の電圧上昇速度が遅いため、接点の電圧が所定値に達成する前に、ＮＭＯＳトランジスタがフォトダイオードの電流を流してしまう。つまり、従来の受光回路は、感度が低いという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされ、感度の高い受光回路を提供する。また、フォトダイオードの電流が消費電流に加算されない構成とすることで、低消費電流化した受光回路を提供する。そしてさらには、高価で場所を必要とするローパスフィルタを用いなくても、受光感度が高く、占有面積が小さく、コストも安い受光回路を提供する。

本発明の受光回路は、従来の課題を解決するために、入射光量に応じた電流を流す光電変換素子と、ソースが光電変換素子に接続され、ドレインがノードに接続され、ソースの電圧を第１の電圧に維持しながら、光電変換素子の電流をノードへ流すＭＯＳトランジスタと、ノードの電圧が第１の電圧より低い第２の電圧になるように、ノードからＧＮＤ端子へ電流を流すリセット回路と、リセット回路にリセット信号を出力する制御回路と、ノードの電圧の変動を検出し、検出結果を出力する電圧上昇検出回路と、を備え、リセット回路は、制御回路のリセット信号が入力される記ノードの電圧が第２の電圧になるようにノードからＧＮＤ端子へ電流を流し、リセット信号が入力されなくなるとその状態を保持する構成とした。

本発明の受光回路は、急峻な光量変化のみを高感度に検出できると共に、低消費電流で、しかも、安価で小型となる。

本実施形態の受光回路を示すブロック図である。本実施形態の受光回路の電圧発生回路の一例を示した回路図である。本実施形態の受光回路のリセット回路の一例を示した回路図である。本実施形態の受光回路の電圧検出回路の一例を示した回路図である。本実施形態の受光回路の電圧上昇検出回路の一例を示した回路図である。従来の受光回路を示すブロック図である。

以下、受光回路の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の受光回路を示すブロック図である。
本実施形態の受光回路は、フォトダイオード１０１と、電圧出力回路１０２と、ＰＭＯＳトランジスタ１０３と、リセット回路１１２と、容量１０５と、電圧検出回路１０６と、電圧上昇検出回路１０７と、を備える。

フォトダイオード１０１は、Ｎ型端子がＧＮＤ端子に接続され、Ｐ型端子がＰＭＯＳトランジスタ１０３のソースと、電圧出力回路１０２の入力端子１１０と、に接続される。ＰＭＯＳトランジスタ１０３は、ゲートが電圧出力回路１０２の出力端子１１１に接続され、ドレインがノード１２０に接続される。リセット回路１０４は、リセット端子１１２がノード１２０に接続され、入力端子１１３が電圧検出回路１０６の出力端子１１４に接続される。容量１０５は、片側端子がノード１２０に接続され、もう片方の端子がＧＮＤ端子に接続される。電圧検出回路１０６は、入力端子１１５がノード１２０に接続される。電圧上昇検出回路１０７は、入力端子１１６がノード１２０に接続され、出力端子１１７が受光回路の出力端子１０８に接続される。

光電変換素子であるフォトダイオード１０１は、入射される光量に応じた電流を出力する。電圧検出回路１０６は、ノード１２０の電圧が検出電圧以上の場合は、ロー信号を出力端子１１４から出力し、ノード１２０の電圧が検出電圧未満の場合は、ハイ信号を出力端子１１４から出力する。リセット回路１０４は、入力端子１１３にロー信号が入力された場合、リセット端子１１２からＧＮＤ端子に電流を流し、リセット端子１１２に接続されたノード１２０の電圧をリセット電圧に低下させる。入力端子１１３にハイ信号が入力された場合、リセット回路１０４はその時点での状態を保持して、ノード１２０の電圧をリセット電圧に維持する。このリセット電圧は、電圧検出回路１０６の検出電圧より低く設定される。電圧出力回路１０２は、電流が流れるＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧が、電圧検出回路１０６の検出電圧より高くなるように、ＰＭＯＳトランジスタ１０３のゲートへ出力端子１１１から電圧を出力する。ノード１２０の電圧上昇速度は、フォトダイオード１０１に発生する電流の増加分と、容量１０５の容量値で決まる。ここで、容量１０５の容量値は小さく設定する。

上述したように構成された本実施形態の受光回路は、以下のように動作して入射する光量の変化を検出する。

周囲が暗い場合は、フォトダイオード１０１に電圧も電流も発生しないため、ＰＭＯＳトランジスタ１０３のソースと、ノード１２０は、ＧＮＤ端子の電圧（基準電圧）となる。この状態から、光信号が入射される、または、周囲が急に明るくなりフォトダイオード１０１に電圧と電流が発生すると、ＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧が上昇する。上昇するＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧が、ＰＭＯＳトランジスタ１０３がオンする電圧以上になると、フォトダイオード１０１の電流が、容量１０５を充電する。ノード１２０の電圧が上昇し、電圧検出回路１０６の検出電圧に達すると、電圧検出回路１０６はリセット回路１０４へロー信号を出力する。リセット回路１０４は、電圧検出回路１０６からのロー信号を受け取ると、フォトダイオード１０１の電流をＧＮＤ端子へ流す。従って、ノード１２０の電圧が低下する。ノード１２０の電圧が低下して、電圧検出回路１０６の検出電圧未満になると、電圧検出回路１０６はハイ信号をリセット回路１０４に出力する。リセット回路１０４は、このハイ信号を受けて、その時点での状態を保持する。リセット回路１０４は、入力端子１１３にハイ信号が入力されている間は、その状態を保持する。電圧上昇検出回路１０７は、入力端子１１６に入力されるノード１２０の電圧上昇速度を検出し、電圧上昇速度が所定以上であればハイ信号、所定未満であればロー信号を出力端子１１７から出力する。電圧上昇検出回路１０７の出力端子１１７から出力された信号は、受光回路の出力端子１０８から検出信号として出力される。

周囲が明るい場合は、フォトダイオード１０１に一定電流が流れる。このため、ＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧は、フォトダイオード１０１の電流をＰＭＯＳトランジスタ６０２に流せる電圧となる。また、ノード１２０は、上述のようにリセット回路１０４により周囲の明るさに応じた電流が流されるので、リセット電圧に維持されている。この状態から、光信号が入射される、または、周囲が急に明るくなると、フォトダイオード１０１の電流が増加する。ＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧は、この増加した電流を流すため、ほんの少し上昇し、直にＰＭＯＳトランジスタ１０３がフォトダイオード１０１の増加した電流も含めた電流をノード１２０へ流す。リセット回路１０４は、ハイ信号を受けた時点での状態を保持しているため、フォトダイオード１０１の電流増加分によってノード１２０の電圧が増加する。以降は、上述と同じ動作によって、受光回路の出力端子１０８から検出信号が出力される。

一方、周囲が明るく、人が動いたり、カーテンが揺れたりすることで、フォトダイオード１０１に入射する光量がゆっくり変化する場合、フォタダイオード１０１の電流もゆっくり増加する。このため、増加し始めた初期の非常に少ないフォトダイオードの増加電流から、ＰＭＯＳトランジスタ１０３を介して容量１０５を充電し始める。しかし、容量１０５の容量値が小さいため、ノード１２０の電圧は、非常に少ない電流でもあっという間に上昇する。このため、フォトダイオード１０１の電流が増えないうちに、ノード１２０の電圧が電圧検出回路１０６の検出電圧に達し、後の動作は上記した周囲が暗い場合と同じ動作となる。そして、フォトダイオード１０１の電流がゆっくり変化する場合は、ノード１２０の電圧上昇速度は、電圧上昇検出回路１０７が検出する電圧上昇速度未満となり、フォトダイオード１０１に入射される光量の変化として検知されない。

図２は、本実施形態の受光回路の電圧発生回路１０２の一例を示した回路図である。
電圧出力回路１０２は、入力端子１１０と、出力端子１１１と、ＮＭＯＳトランジスタ２０１と、ＰＭＯＳトランジスタ２０２と、を備える。

入力端子１１０は、ＮＭＯＳトランジスタ２０１のゲートと、ＰＭＯＳトランジスタのソースと、に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２０１は、ソースがＧＮＤ端子に接続され、ドレインが出力端子１１１と、ＰＭＯＳトランジスタ２０２のゲートとドレインと、に接続される。

入力端子１１０の電圧が、ＮＭＯＳトランジスタ２０１のしきい値電圧とＰＭＯＳトランジスタ２０２のしきい値電圧の絶対値よりも高い場合、各トランジスタに電流が流れ、入力端子１１０の電圧からＰＭＯＳトランジスタ２０２のしきい値電圧の絶対値を引いた電圧が出力端子１１１から出力される。このため、入力端子１１０に接続されたＰＭＯＳトランジスタ１０３のソース電圧が、図２で示すＮＭＯＳトランジスタ２０１のしきい値電圧とＰＭＯＳトランジスタ２０２のしきい値電圧の絶対値よりも高い場合、ＰＭＯＳトランジスタ１０３がオンする。

図３は、本実施形態の受光回路のリセット回路１０４の一例を示した回路図である。
リセット回路１０４は、リセット端子１１２と、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１と、ＰＭＯＳトランジスタ３０２と、容量３０３と、入力端子１１３と、を備える。

リセット端子１１２は、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１のドレインと、ＰＭＯＳトランジスタ３０２のソースと、に接続される。しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１は、ソースがＧＮＤ端子に接続され、ゲートがＰＭＯＳトランジスタ３０２のドレインと、容量３０３の片側端子と、に接続される。容量３０３のもう片方の端子はＧＮＤ端子に接続される。ＰＭＯＳトランジスタ３０２は、ゲートが入力端子１１３に接続される。

入力端子１１３にロー信号が入力されると、ＰＭＯＳトランジスタ３０２がオンするため、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１が飽和結線される。このため、リセット端子１１２とノード１２０は、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１のしきい値電圧付近にリセットされる。

一方、入力端子１１３にハイ信号が入力されると、ＰＭＯＳトランジスタ３０２がオフし、容量３０３により、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１のゲート電圧は維持される。即ち、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１は、ハイ信号が入力された時の電流を維持する。従って、リセット端子１１２とノード１２０は、フォトダイオード１０１の電流が変化しない場合は、リセット電圧を維持する。そして、この状態からフォトダイオード１０１の電流が増加した場合、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ３０１は増加分の電流を流すことができない。このため、フォトダイオード１０１の増加分の電流がＰＭＯＳトランジスタ１０３を介して容量１０５を充電し、ノード１２０の電圧が上昇する。

図４は、本実施形態の受光回路の電圧検出回路１０６の一例を示した回路図である。
電圧検出回路１０６は、入力端子１１５と、ＮＭＯＳトランジスタ４０１と、ディプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ４０２と、インバータ回路４０３と、インバータ回路４０４と、を備える。

入力端子１１５は、ＮＭＯＳトランジスタ４０１のゲートに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ４０１は、ソースがＧＮＤ端子に接続され、ドレインがディプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ４０２のソースとゲートと、インバータ回路４０３の入力端子と、に接続される。ディプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ４０２は、ドレインがＶＤＤ端子に接続される。インバータ４０３は、出力端子がインバータ回路４０４の入力端子に接続される。インバータ回路４０４は、出力端子が出力端子１１４に接続される。

入力端子１１５の電圧が上昇し、ＮＭＯＳトランジスタ４０１の電流が、ディプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ４０２が流す定電流よりも大きくなると、インバータ回路４０３の入力端子がハイからローレベルとなり、インバータ回路４０４の入力端子がローからハイレベルとなる。これにより、インバータ回路４０４の出力端子はハイからローレベルとなるため、ハイ信号が出力されていた出力端子１１４からロー信号が出力される。なお、インバータ回路４０３の入力端子は、ハイレベルからローレベルになるのは速いが、ローレベルからハイレベルになるのは、ディプレッション型ＮＭＯＳトランジスタ４０２の流す定電流が少ない電流のため遅くなる。このため、出力端子１１４からロー信号が出力される期間が長くなり、リセット回路１１３は、一旦リセット状態となるとしばらくリセット状態が続く。よって、リセット回路１１３は、ノード１２０を確実にリセットすることができる。

図５は、本実施形態の受光回路の電圧上昇検出回路１０７の一例を示した回路図である。
電圧上昇検出回路１０７は、入力端子１１６と、ＮＭＯＳトランジスタ５０１と、ＰＭＯＳトランジスタ５０２と、を備える。さらに、ＰＭＯＳトランジスタ５０３と、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４と、抵抗５０５と、容量５０６と、出力端子１１７と、を備える。

入力端子１１６は、ＮＭＯＳトランジスタ５０１のゲートと、抵抗５０５の片側端子に接続される。抵抗５０５のもう片方の端子は、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４のゲートと、容量５０６の片側端子と、に接続される。容量５０６のもう片方の端子は、ＧＮＤ端子に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ５０１は、ソースがＧＮＤ端子に接続され、ドレインがＰＭＯＳトランジスタ５０２のドレインとゲートと、ＰＭＯＳトランジスタ５０３のゲートと、に接続される。ＰＭＯＳトランジスタ５０２は、ソースがＶＤＤ端子に接続される。ＰＭＯＳトランジスタ５０３は、ソースがＶＤＤ端子に接続され、ドレインが出力端子１１７と、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４のドレインと、に接続される。しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４は、ソースがＧＮＤ端子に接続される。

ＮＭＯＳトランジスタ５０１の電流は、ＰＭＯＳトランジスタ５０２とＰＭＯＳトランジスタ５０３で構成される電流ミラー回路にて、ＰＭＯＳトランジスタ５０２からＰＭＯＳトランジスタ５０３へミラーされ、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４の電流と比較される。ＮＭＯＳトランジスタ５０１の電流がしきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４の電流より大きい場合、出力端子１１７からはハイ信号が出力される。一方、ＮＭＯＳトランジスタ５０１の電流がしきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４の電流より小さい場合、出力端子１１７からはロー信号が出力される。抵抗５０５に発生する電圧は、入力端子１１６の電圧上昇速度に比例して大きくなる。抵抗５０５に発生する電圧が、ＮＭＯＳトランジスタ５０１としきい値の低いＮＭＯＳトランジスタ５０４とのしきい値差よりも大きくなる速度で入力端子１１６が上昇する場合に、通常ロー信号が出力されている出力端子１１７からハイ信号が出力される。

以上述べてきたように、本実施形態の受光回路では、フォトダイオードに入射される光量が変化したことを、ＰＭＯＳトランジスタを介した内部ノードの電圧上昇速度で判断する。フォトダイオードの電流増加が微小であっても、変化速度が急峻であれば、この内部ノードの電圧は急峻に上昇する。従って、高感度な受光回路が提供できる。

また、フォトダイオードの増加電流による電圧上昇速度を検出するノードの電圧レベルを、ノードが所定電圧まで上昇したら、リセット回路にてリセット電圧に制御する構成とした。これにより、面積増加や検出感度低下の原因であったローパスフィルタが必要なくなるため、回路面積が小さく、高感度な受光回路が提供できる。

さらに、フォトダイオードは、Ｎ型端子をＧＮＤ端子に接続し、Ｐ型端子から出力される電流の変化を検出する構成とした。これにより、フォトダイオードの電流がＶＤＤ端子からＧＮＤ端子へ流れないため、受光回路が低消費電流化されるという効果もある。

なお、本実施形態の受光回路では、フォトダイオード１０１を用いた場合で説明したが、ＬＥＤや太陽電池のような光電変換特性を有する光電変換素子を用いても同じ機能や特徴が得られることは言うまでもない。
また、本実施形態の受光回路では、ノード１２０の電圧上昇速度を調整するために容量１０５を設けたが、特に調整の必要がなければ容量１０５は設けなくてもよい。

また、本実施形態の受光回路では、リセット回路１０４は電圧出力回路１０２の検出信号で制御されるように構成したが、ノード１２０の電圧がリセット電圧に調整されれば、この後世に限定されるものでははい。例えば、タイマー回路のような制御回路を設け、定期的にリセット回路１０４に制御信号としてリセット信号を出力するような構成としてもよい。

また、各ＮＭＯＳトランジスタをＰＭＯＳトランジスタに変更し、各ＰＭＯＳトランジスタをＮＭＯＳトランジスタに変更した場合でも、上記した機能や特徴が得られることも言うまでもない。

１０１フォトダイオード
１０２電圧出力回路
１０３ＰＭＯＳトランジスタ
１０４リセット回路
１０５容量
１０６電圧検出回路
１０７電圧上昇検出回路
１０８出力端子

Claims

入射光量に応じた電流を流す光電変換素子と、
ソースが前記光電変換素子に接続され、ドレインがノードに接続され、前記ソースの電圧を第１の電圧に維持しながら、前記光電変換素子の電流を前記ノードへ流すＭＯＳトランジスタと、
前記ノードの電圧が前記第１の電圧より低い第２の電圧になるように、前記ノードからＧＮＤ端子へ電流を流すリセット回路と、
前記リセット回路にリセット信号を出力する制御回路と、
前記ノードの電圧の変動を検出し、検出結果を出力する電圧上昇検出回路と、を備え
前記リセット回路は、前記制御回路のリセット信号が入力されると前記ノードの電圧が前記第２の電圧になるように前記ノードからＧＮＤ端子へ電流を流し、前記リセット信号が入力されなくなるとその状態を保持する
ことを特徴とする受光回路。
前記リセット回路は、前記ノードに接続されたリセット端子と前記電圧検出回路の出力端子と接続された入力端子を有し、
ドレインが前記リセット端子に接続され、ソースがＧＮＤ端子に接続され、ゲートが容量を介してＧＮＤ端子に接続された、しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタと、
ソースが前記リセット端子に接続され、ドレインが前記しきい値の低いＮＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前記入力端子に接続されたＰＭＯＳトランジスタと、
を備え、
前記入力端子に前記電圧検出回路の検出信号が入力されると、前記ＰＭＯＳトランジスタがオンすることを特徴とする請求項１記載の受光回路。
前記光電変換素子は、ＰＮダイオードであり、Ｎ型端子がＧＮＤ端子に接続され、Ｐ型端子が前記ＭＯＳトランジスタのソースに接続される
ことを特徴とする請求項１または２記載の受光回路。