JP2014187075A - 光結合装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電流伝達比の範囲を広く保ちつつスイッチング時間を短縮し、小型化が容易な光結合装置を提供する。
【解決手段】光結合装置５は、発光素子１０と、電源電圧端子４４と、フォトトランジスタ２０と、出力端子４６と、出力側接地端子４８と、カレントミラー回路３０と、を有する。発光素子１０は、入力電気信号を光信号に変換して放出する。フォトトランジスタ２０は、エミッタと、電源電圧端子４４と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換する。カレントミラー回路３０は、フォトトランジスタ２０のエミッタ電流が入力されるコレクタを有する第１のトランジスタＱ１と、第１のトランジスタＱ１のサイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍のサイズを有する第２のトランジスタＱ２とを有する。第２のトランジスタＱ２は、フォトトランジスタ２０のエミッタ電流のｎ倍のコレクタ電流をコレクタに接続された出力端子４６を介して供給可能である。
【選択図】図１
【解決手段】光結合装置５は、発光素子１０と、電源電圧端子４４と、フォトトランジスタ２０と、出力端子４６と、出力側接地端子４８と、カレントミラー回路３０と、を有する。発光素子１０は、入力電気信号を光信号に変換して放出する。フォトトランジスタ２０は、エミッタと、電源電圧端子４４と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換する。カレントミラー回路３０は、フォトトランジスタ２０のエミッタ電流が入力されるコレクタを有する第１のトランジスタＱ１と、第１のトランジスタＱ１のサイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍のサイズを有する第２のトランジスタＱ２とを有する。第２のトランジスタＱ２は、フォトトランジスタ２０のエミッタ電流のｎ倍のコレクタ電流をコレクタに接続された出力端子４６を介して供給可能である。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、光結合装置に関する。
入力端子と、出力端子と、が電気的に絶縁された状態で信号伝送が可能な光結合装置は、ＤＣ電圧系、ＡＣ電源系、電話回線系などの異なる電源系を有する電子機器などに広く用いられる。
光結合装置のうち、フォトトランジスタを受光素子としたトランジスタ出力フォトカプラは、汎用性が広く、用途も広汎である。
トランジスタ出力フォトカプラにおいて、受光素子に流れる電流Ｉｃと、発光素子に流す順方向電流ＩＦとの百分率は、ＣＴＲ（電流伝達率）と定義される。
電流伝達率は、広汎な用途に応じて設定範囲を広く設定できることが要求される。また、負荷抵抗が変化しても、スイッチング時間の変動が小さいことが要求される。
電流伝達比の範囲を広く保ちつつスイッチング時間を短縮し、小型化が容易な光結合装置を提供する。
実施形態の光結合装置は、発光素子と、電源電圧端子と、フォトトランジスタと、出力端子と、出力側接地端子と、カレントミラー回路と、を有する。前記発光素子は、入力電気信号を光信号に変換して放出する。前記フォトトランジスタは、エミッタと、前記電源電圧端子と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換する。カレントミラー回路は、前記フォトトランジスタのエミッタ電流が入力されるコレクタを有する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの平面サイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍の平面サイズを有する第２のトランジスタとを有する。前記第２のトランジスタは、前記フォトトランジスタのエミッタ電流のｎ倍のコレクタ電流をコレクタに接続された前記出力端子を介して供給可能である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
光結合装置５は、発光素子１０と、フォトトランジスタ（受光素子）と、カレントミラー回路３０と、電源電圧端子４４と、出力端子４６と、出力側接地端子４８と、を有する。
また、光結合装置５は、入力端子４０と、入力側接地端子４２と、をさらに有することができる。
図１は、第１の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
光結合装置５は、発光素子１０と、フォトトランジスタ（受光素子）と、カレントミラー回路３０と、電源電圧端子４４と、出力端子４６と、出力側接地端子４８と、を有する。
また、光結合装置５は、入力端子４０と、入力側接地端子４２と、をさらに有することができる。
発光素子１０は、第１入力端子４０に接着され、入力側接地端子４２の一方の端部にボンディングワイヤなどで接続される。発光素子１０は、入力電気信号を、赤色光〜赤外光の波長の光信号に変換する。
フォトトランジスタ２０は、エミッタと、電源電圧端子４４と接続されるコレクタと、を有し、光信号を電気信号に変換する。フォトトランジスタ２０は、ｎｐｎまたはｐｎｐ接合を有し、縦型または横型（ラテラル構造）を有することができる。
カレントミラー回路３０は、第１のトランジスタＱ１と、第２のトランジスタＱ２と、を有する。図１において、第１および第２のトランジスタＱ１、Ｑ２は、バイポーラトランジスタとするが、ＭＯＳＦＥＴなどであってもよい。
また、フォトトランジスタ２０と、カレントミラー回路３０と、は、Ｓｉからなる１チップ受光回路とすることができる。１チップ受光回路とすることにより、光結合装置５を小型化できる。また、光結合装置の組立工程が簡素になる。
フォトトランジスタ２０のエミッタ電流は、第１のトランジスタＱ１に入力される（ＩＱ１）。また、第１のトランジスタＱ１において、ベースとコレクタとが接続されているものとする。第２のトランジスタＱ２の平面サイズは、第１のトランジスタＱ１の平面サイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍であるとする。このようにすると、第２のトランジスタＱ２は第１のトランジスタＱ１のコレクタ電流ＩＱ１のｎ倍のコレクタ電流ＩＱ２を出力端子４６から出力できる。なお、本明細書において、バイポーラトランジスタの平面サイズとは、コレクタ・ベース間接合領域の面積を意味する。
光結合装置５は、樹脂成型体７０をさらに有することができる。樹脂成型体７０は、発光素子１０と、フォトトランジスタ２０と、カレントミラー回路３０と、電源電圧端子４４の一方の端部と、出力端子４６の一方の端部と、出力側接地端子４８の一方の端部と、入力端子４０の一方の端部と、入力側接地端子４２の一方の端部と、を覆う。また、電源電圧端子４４の他方の端部と、出力端子４６の他方の端部と、出力側接地端子４８の他方の端部と、は、樹脂成型体７０から外方へ突出し、実装基板の配線部と接続される。
発光素子１０からの光信号がフォトトランジスタ２０へ向かって伝搬する光路に、透光性樹脂層を設けることができる。また、透光性樹脂層を覆うように設けられた樹脂成型体７０が遮光性であると、光結合装置５が、外乱光による誤動作することを抑制できる。
図２は、電流伝達比の定義を説明する模式図である。
発光素子１０の順方向電流をＩＦとし、フォトトランジスタ２０のコレクタ電流をＩｃとするとき、光結合装置５の電流伝達率ＣＴＲ（％）は、式（１）で表すことができる。
発光素子１０の順方向電流をＩＦとし、フォトトランジスタ２０のコレクタ電流をＩｃとするとき、光結合装置５の電流伝達率ＣＴＲ（％）は、式（１）で表すことができる。
図３は、比較例にかかる光結合装置１０５に負荷抵抗を接続した構成図である。
抵抗値ＲＬである負荷抵抗（プルアップ抵抗）１５０は、フォトトランジスタ１２０のコレクタと電源電圧端子１４４との間に接続される。
抵抗値ＲＬである負荷抵抗（プルアップ抵抗）１５０は、フォトトランジスタ１２０のコレクタと電源電圧端子１４４との間に接続される。
図４（ａ）は発光素子の順方向電流、図４（ｂ）は負荷抵抗が、たとえば１０ｋΩ以上のように大きい第１比較例の出力電圧、図４（ｃ）は負荷抵抗が小さい第２比較例の出力電圧、図４（ｄ）は第１の実施形態の出力電圧、の波形図である。
図４（ａ）に表すような順方向電流ＩＦが発光素子１０に流れるものとする。負荷抵抗ＲＬが大きい第１比較例（図４（ｂ））において、フォトトランジスタ２０は飽和しやすくなり、ロー（Ｌ）レベルの出力電圧ＶｏｕｔがＧＮＤレベルに近くなる。
図４（ａ）に表すような順方向電流ＩＦが発光素子１０に流れるものとする。負荷抵抗ＲＬが大きい第１比較例（図４（ｂ））において、フォトトランジスタ２０は飽和しやすくなり、ロー（Ｌ）レベルの出力電圧ＶｏｕｔがＧＮＤレベルに近くなる。
しかしながら、フォトトランジスタ２０がオンからオフに切り替わる時、ベースにキャリアが飽和状態で多く蓄積されている。この場合、電流経路に負荷抵抗１５０が接続されていると、キャリアの放電によるオフ時間t offは長くなる。
一方、負荷抵抗１５０の抵抗値ＲＬが、たとえば２ｋΩのように小さい第２比較例において（図４（ｃ））、ベースに蓄積されたキャリアは少ないため、オフ時間ｔoffは短くできる。但し、フォトトランジスタ２０は飽和しにくい。この結果、Ｌレベルの出力電圧ＶｏｕｔはＧＮＤレベルから浮いてしまい、デジタル信号の伝達におけるノイズマージンが低下する。
図５は、第１および第２比較例において、負荷抵抗値に対するスイッチング時間ｔoff、t on、ｔｓの依存性を表すグラフ図である。
縦軸はスイッチング時間（μｓ）、横軸は負荷抵抗の値（ｋΩ）、である。スイッチング時間は、ベース・エミッタ間等価容量の放電による蓄積時間ｔｓ、オフ時間ｔoff、オン時間ｔon、を含む。
縦軸はスイッチング時間（μｓ）、横軸は負荷抵抗の値（ｋΩ）、である。スイッチング時間は、ベース・エミッタ間等価容量の放電による蓄積時間ｔｓ、オフ時間ｔoff、オン時間ｔon、を含む。
なお、オン時間ｔonは、出力電圧Ｖｏｕｔが、電源電圧Ｖｃｃと出力電圧ＶｏｕｔのＬレベル値との差Ａに対する所定比（たとえば１０％）に低下する時間として定義する。また、オフ時間ｔoffは、出力電圧Ｖｏｕｔが、Ｌレベルから、電源電圧Ｖｃｃと出力電圧ＶｏｕｔのＬレベル値との差Ａに対する所定比（たとえば１０％）に増加する時間として定義する。
蓄積時間ｔｓおよびオフ時間ｔoffは、負荷抵抗の値ＲＬの増大に応じて増大するが、負荷抵抗値ＲＬに対するオン時間ｔonの依存性は、負荷抵抗値ＲＬに対するオフ時間ｔoffの依存性よりも小さい。なお、フォトトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥは５Ｖ、発光素子の順方向電流ＩＦは１６ｍＡとする。
これに対して、第１の実施形態では、図４（ｄ）に表すように、フォトトランジスタ２０の電流経路に負荷抵抗が接続されておらず、カレントミラー回路３０が接続されている。このため、フォトトランジスタ２０にはキャリアの飽和が生じず、オフ時間ｔoffを低減できる。また、負荷抵抗の抵抗値ＲＬによらず、Ｌレベルの出力電圧ＶｏｕｔをＧＮＤレベルに近づけることができる。
第１の実施形態において、第１のトランジスタＱ１の平面サイズに対する第２のトランジスタＱ２の平面サイズの比ｎを変化するとカレントミラー回路３０の出力電流を制御することができる。たとえば、ｎ＝１とすると、電流ＩＱ１と電流ＩＱ２とを略同一にすることができる。また、ｎ＝２とすると、電流ＩＱ２は電流ＩＱ１の略２倍とできる。このようにｎを変化することにより、出力電流Ｉｃを制御し、電流伝達率ＣＴＲを１００〜２０００％とすることができ、各種用途に対応が可能である。この場合、フォトトランジスタ２０の容量を増やす必要がないのでスイッチング時間が増大することを抑制できる。
フォトトランジスタのサイズは、フォトダイオードのサイズよりも小さくできる。また、カレントミラー回路３０のサイズは、フォトトランジスタよりも小さくすることができる。もし、実装部材に搭載した光結合装置５に、パッケージに搭載したカレントミラー回路を外付けしても略同様の光学特性を得ることができる。しかし、小さいチップサイズのカレントミラー回路であっても、パッケージは大きくなり、合計されたサイズを小さくすることは困難である。第１の実施形態では、スイッチング時間を短く保ちつつ負荷抵抗値を大きくできるので、消費電力を低減することができる。
図６は、第２の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
第２の実施形態の光結合装置５は、第１のトランジスタＱ１のエミッタと出力側接地端子４８との間に接続された第１の抵抗７２と、第２のトランジスタＱ２のエミッタと出力側接地端子４８との間に接続された第２の抵抗７４と、をさらに有する。第１の抵抗７２の値ＲＱ１と、第２の抵抗７４の値ＲＱ２と、を変化することにより、第２のトランジスタＱ２のコレクタ電流ＩＱ２を制御可能である。
第２の実施形態の光結合装置５は、第１のトランジスタＱ１のエミッタと出力側接地端子４８との間に接続された第１の抵抗７２と、第２のトランジスタＱ２のエミッタと出力側接地端子４８との間に接続された第２の抵抗７４と、をさらに有する。第１の抵抗７２の値ＲＱ１と、第２の抵抗７４の値ＲＱ２と、を変化することにより、第２のトランジスタＱ２のコレクタ電流ＩＱ２を制御可能である。
たとえば、ｎ＝１かつＲＱ１＝ＲＱ２のとき、ＩＱ１は略ＩＱ２に等しい。また、ｎ＝１かつＲＱ２＝ＲＱ１／２のとき、ＩＱ２はＩＱ１の略２倍とできる。このようにして、電流伝達率ＣＴＲの範囲を広く設定することができる。
図７は、第３の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
負荷抵抗５０を光結合装置５の樹脂成型体７０の内部に設ける。負荷抵抗５０は、電源電圧端子４４と、出力電圧端子４６と、に接続される。この場合、フォトトランジスタ２０と、カレントミラー回路３０と、負荷抵抗５０と、をＳｉからなる１チップ受光回路とすることができる。このため、光結合装置５および電子機器の小型化が容易となり、組立工程が簡素化できる。
負荷抵抗５０を光結合装置５の樹脂成型体７０の内部に設ける。負荷抵抗５０は、電源電圧端子４４と、出力電圧端子４６と、に接続される。この場合、フォトトランジスタ２０と、カレントミラー回路３０と、負荷抵抗５０と、をＳｉからなる１チップ受光回路とすることができる。このため、光結合装置５および電子機器の小型化が容易となり、組立工程が簡素化できる。
図８は、第４の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
フォトトランジスタのエミッタ電流は、バイポーラトランジスタのベースへ入力される。すなわち、フォトトランジスタ７９は、ダーリントン接続される。このため、電流伝達率ＣＴＲを高めることがさらに容易となる。
フォトトランジスタのエミッタ電流は、バイポーラトランジスタのベースへ入力される。すなわち、フォトトランジスタ７９は、ダーリントン接続される。このため、電流伝達率ＣＴＲを高めることがさらに容易となる。
図９は、第５の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
カレントミラー回路３１は、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴからなる第１のトランジスタＭ１と、第２のトランジスタＭ２と、を含むことができる。バイポーラトランジスタによるカレントミラー回路は、電流増幅率ｈＦＥのバラツキが大きい。このため、電流伝達率ＣＴＲもバラツキが大きい。発明者らの実験によると、ＭＯＳＦＥＴからなるカレントミラー回路３１では、光結合装置の電流伝達率ＣＴＲのバラツキが低減できることが判明した。
カレントミラー回路３１は、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴからなる第１のトランジスタＭ１と、第２のトランジスタＭ２と、を含むことができる。バイポーラトランジスタによるカレントミラー回路は、電流増幅率ｈＦＥのバラツキが大きい。このため、電流伝達率ＣＴＲもバラツキが大きい。発明者らの実験によると、ＭＯＳＦＥＴからなるカレントミラー回路３１では、光結合装置の電流伝達率ＣＴＲのバラツキが低減できることが判明した。
第１〜第５の実施形態の光結合装置によれば、電流伝達率ＣＴＲの範囲を広く保ちつつスイッチング時間ｔon、ｔoffを短縮し、小型化が容易となる。このような、光結合装置は、入力端子と、出力端子と、が電気的に絶縁された状態で信号伝送が可能である。このため、光結合装置は、ＤＣ電圧系、ＡＣ電源系、電話回線系などの異なる電源系を有する電子機器などに広く用いられる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
５ 光結合装置、１０ 発光素子、２０ フォトトランジスタ、３０、３１ カレントミラー回路、４４ 電源電圧端子、４６ 出力端子、４８ 出力側接地端子、５０ 負荷抵抗、７０ 樹脂成型体、７２ 第１の抵抗、７４ 第２の抵抗、７９ ダーリントン接続型フォトトランジスタ、Ｑ１ 第１のトランジスタ（バイポーラ）、Ｍ１ 第１トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、Ｑ２ 第２のトランジスタ（バイポーラ）、Ｍ２ 第２のトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ｔon オン時間、ｔoff オフ時間、ｔｓ 蓄積時間、ＩＦ 順方向電流、ＣＴＲ 電流伝達率、ｎ カレントミラー比、Ｖｏｕｔ 出力電圧、ＲＬ 負荷抵抗値
Claims (7)
- 入力電気信号を光信号に変換して放出する発光素子と、
電源電圧端子と、
エミッタと、前記電源電圧端子と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換するフォトトランジスタと、
出力端子と、
出力側接地端子と、
前記フォトトランジスタのエミッタ電流が入力されるコレクタを有する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの平面サイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍の平面サイズを有する第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタのエミッタと前記出力側接地端子との間に接続された第１の抵抗と、前記第２のトランジスタのエミッタと前記出力側接地端子との間に接続された第２の抵抗と、を有し、前記第２のトランジスタはコレクタに接続された前記出力端子を介してコレクタ電流を供給可能なカレントミラー回路と、
を備え、
前記第２のトランジスタの前記コレクタ電流は、前記第１の抵抗の値と、第２の抵抗の値と、を変化することにより制御される光結合装置。 - 入力電気信号を光信号に変換して放出する発光素子と、
電源電圧端子と、
エミッタと、前記電源電圧端子と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換するフォトトランジスタと、
出力端子と、
出力側接地端子と、
前記フォトトランジスタのエミッタ電流が入力されるコレクタを有する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの平面サイズのｎ（但し、ｎ≧１）倍の平面サイズを有する第２のトランジスタとを有し、前記第２のトランジスタは前記フォトトランジスタのエミッタ電流のｎ倍のコレクタ電流をコレクタに接続された前記出力端子を介して供給可能なカレントミラー回路と、
を備えた光結合装置。 - 入力電気信号を光信号に変換して放出する発光素子と、
電源電圧端子と、
エミッタと、前記電源電圧端子と接続されるコレクタと、を有し、前記光信号を電気信号に変換するフォトトランジスタと、
出力端子と、
出力側接地端子と、
前記フォトトランジスタのエミッタ電流が入力されるドレインを有する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタのゲート幅のｎ（但し、ｎ≧１）倍のゲート幅を有する第２のトランジスタとを有し、前記第２のトランジスタは前記フォトトランジスタのエミッタ電流のｎ倍のドレイン電流をドレインに接続された前記出力端子を介して供給可能なカレントミラー回路と、
を備えた光結合装置。 - 前記発光素子と、前記フォトトランジスタと、前記カレントミラー回路と、前記電源電圧端子の一方の端部と、前記出力端子の一方の端部と、前記出力側接地端子の一方の端部と、を覆う樹脂成型体さらに備え、
前記電源電圧端子の他方の端部と、前記出力端子の他方の端部と、前記出力側接地端子の他方の端部と、は、前記樹脂成型体から外方へ突出する請求項２または３に記載の光結合装置。 - 前記電源電圧端子と、前記出力端子と、の間に接続された負荷抵抗をさらに備えた請求項２〜４のいずれか１つに記載の光結合装置。
- 前記発光素子と、前記フォトトランジスタと、前記カレントミラー回路と、前記負荷抵抗と、は、シリコン基板の上に設けられた請求項５記載の光結合装置。
- 前記フォトトランジスタは、ダーリントン接続である請求項１〜６のいずれか１つに記載の光結合装置。
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