JP2015002470A - 信号検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 発生したオフセット電圧を効率的に取り除くオフセットキャンセル回路を備えた信号検出回路を提供する。
【解決手段】 リセットスイッチ３１を有する電流電圧変換回路１と、この回路１の出力を増幅する増幅回路２と、増幅回路２の出力電圧を基に電流電圧変換回路１のオフセット電圧と増幅回路２のオフセット電圧とオフセットキャンセル回路３のオフセット電圧とを同時にキャンセルするオフセットキャンセル回路３とを有する。電流電圧変換回路１のリセット期間にキャンセル容量Ｃ１に電流電圧変換回路１及び増幅回路２のオフセット電圧を保持し、増幅回路２の出力にオフセット電圧を加算して出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オフセットキャンセル回路を有する信号検出回路に関するものである。

従来、フォトダイオードによって生成された光電流をオペアンプと積分容量によって構成された電荷アンプ（電流電圧変換回路）による光電変換回路を用いて検出することが知られている。光電変換回路は、入射した光量に応じた電圧を生成し、その電圧を後段の増幅回路によって増幅して出力電圧を得ている。この電荷アンプは、その入出力間を短絡するリセットスイッチを有しており、都度スイッチをオンし、積分容量に蓄積された電荷をリセットすることで入射光の検出時間を制御している。

特許文献１には、光電変換素子と第１の積分回路と第２の積分回路とを具備し、光電変換素子と第１の積分回路とが接続され、第１の積分回路と、第２の積分回路とが接続容量成分を介して接続され、第１の積分回路及び第２の積分回路は、演算増幅器の一方の入力側と出力側とに積分容量とスイッチとが並列に接続されて構成されている。このため、従来のように積分回路の容量成分を低減させることなく当該回路の出力電圧を上げることができ、積分容量を低減することによって生じるスイッチングノイズが生じず、また、当該回路を複数用いた場合の各回路の感度のバラツキを抑止しつつ、当該回路の感度を向上させている。

特許文献２には、入力されたアナログ電位と同じ電位を出力する出力回路が開示されている。このアナログ出力回路では、差動増幅器と、第１および第２のキャパシタと、差動増幅器の第１の入力端子に参照電位を与えるとともに出力端子と第２の入力端子とを接続し、参照電位に差動増幅器のオフセット電圧を加算した電位を差動増幅器に出力させるための第１の切換回路と、差動増幅器から出力された参照電位にオフセット電圧を加算した電位を第１のキャパシタの一方電極に与えるとともにその他方電極に参照電位を与えて充電させるための第２の切換回路と、第１および第２の切換回路を用いて充電された第１のキャパシタの一方電極および他方電極をそれぞれ差動増幅器の第２の入力端子および出力端子に接続するとともに、第２のキャパシタに保持されたアナログ電位を差動増幅器の第１の入力端子に与えて、アナログ電位と同じ電位を差動増幅器に出力させるための第３の切換回路とが設けられる。したがって、第１および第２のキャパシタの容量値に関係なくオフセット電圧を完全にキャンセルできる。よって、第２のキャパシタの容量値すなわち電極面積が小さくて済み、レイアウト面積が小さくて済むようにしている。

特開平６−２３５６５８号公報 特開２００１−３２６５４５号公報

従来の電流電圧変換回路及び増幅回路は、製造工程などに起因するオフセット電圧を有しており、入出力電圧の関係が個々の製品によりばらつきが生じる。従って、このオフセット電圧を回路的にキャンセルすることが必要であるという問題があった。また、例えば、電流電圧変換回路によって生じるオフセット電圧が回路の出力に影響を無視できる大きさであったとしても、このオフセット電圧は、次段の増幅回路において増幅されて、回路の動作に大きな影響を与えるという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、発生したオフセット電圧を効率的に取り除くオフセットキャンセル回路を備えた信号検出回路を提供する。

本発明の信号検出回路の一態様は、検出した信号に応じて生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、当該電流電圧変換回路の出力電圧をリセット状態にする第１スイッチと、前記出力電圧を増幅する増幅回路と、反転入力端子と出力端子間に充放電可能な容量を有し、前記増幅回路により増幅された前記出力電圧を非反転入力端子に入力する非反転増幅器からなるオフセットキャンセル回路とを具備し、前記電流電圧変換回路と前記増幅回路と前記オフセットキャンセル回路によって生じる全てのオフセット電圧を前記電流電圧変換回路の前記リセット状態において前記容量に保持し、前記リセット状態後に前記オフセットキャンセル回路の出力に前記容量に保持された電圧を合わせ込み出力することを特徴とする。

前記オフセットキャンセル回路は、前記リセット状態において、前記容量の一方の電極に前記非反転増幅器の前記出力端子と接続し、他方の電極に基準電圧を接続するための一対の第２スイッチと、前記容量の他方の電極に前記非反転増幅器の前記出力端子を接続するための第３スイッチをさらに具備するようにしても良い。前記第１スイッチおよび前記一対の第２スイッチが開放かつ前記第３スイッチが短絡の状態から、前記第１スイッチを短絡して前記電流電圧変換回路を前記リセット状態にし、その後、前記一対の第２スイッチを短絡かつ前記第３スイッチを開放にして前記容量に前記全てのオフセット電圧を保持し、その後、前記一対の第２スイッチを開放かつ前記第３スイッチを短絡した後、前記第１スイッチを開放して前記オフセットキャンセル回路の出力に前記容量に保持された電圧を合わせ込み出力するようにしても良い。前記オフセットキャンセル回路の出力に対して蓄積および出力を相補的に行うサンプルホールド回路をさらに有するようにしても良い。

本発明の信号検出回路は、オフセットキャンセル回路により、電流電圧変換回路および増幅回路で生じるオフセット電圧とオフセットキャンセル回路自体で生じるオフセット電圧を纏めてキャンセルすることができるので、オフセットキャンセルを効率的に行うことが出来る。

実施例１に係る信号検出回路を説明する回路図。 図１の信号検出回路の動作を説明するタイミングチャート図。 図１の信号検出回路の期間Ａ、期間Ｅ（図２）での光信号検出状態を説明する回路図。 図１の信号検出回路の期間Ｂ、期間Ｄ（図２）を説明する回路図。 図１の信号検出回路の期間Ｃ（図２）でのオフセット電圧保持状態を説明する回路図。 実施例２に係る信号検出回路を説明する回路図。 図６の信号検出回路の動作を説明するタイミングチャート図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図５を参照して実施例１を説明する。この実施例の信号検出回路は、例えば、光検出手段により検出された光電流を入射した光量に応じた電圧に変換する光電変換回路に適用される。即ち、この信号検出回路は、検出した信号に応じて生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換回路（この実施例では、Ｉ−Ｖアンプを用いる）１と、電流電圧変換回路１をリセット状態にする第１スイッチ３１と、前記出力電圧を増幅する増幅回路２と、反転入力端子と出力端子間に充放電可能な容量を有し、増幅回路２により増幅された前記出力電圧を非反転入力端子に入力する非反転増幅器からなるオフセットキャンセル回路３と、フォトダイオード等の光信号検出手段４と、出力端子（ＯＵＴ）５とを備えている。
電流電圧変換回路（Ｉ−Ｖアンプ）１は、第１入力端（＋）１１ａ、第２入力端（−）１１ｂおよび出力端１１ｃを有するオペアンプ１１、第２入力端１１ｂおよび出力端１１ｃに両端が接続された抵抗Ｒ１、および抵抗Ｒ１に並列接続されたリセットスイッチ（第１スイッチ３１）を有し、オペアンプ１１の第１入力端１１ａには基準電圧Ｖrefが入力し、第２入力端１１ｂには光信号検出手段４の出力が入力する。

増幅回路２は、第１入力端（＋）１２ａ、第２入力端（−）１２ｂおよび出力端１２ｃを有するオペアンプ１２、オペアンプ１１の出力端１１ｃとオペアンプ１２の第２入力端１２ｂとの間に接続された抵抗Ｒ２、およびオペアンプ１２の第２入力端１２ｂおよび出力端１２ｃの間に接続された抵抗Ｒ３から構成され、オペアンプ１２の第１入力端１２ａには基準電圧Ｖrefが入力し、第２入力端１２ｂにはオペアンプ１１の出力が抵抗Ｒ２を介して入力する。

オフセットキャンセル回路３は、第１入力端（＋）１３ａ、第２入力端（−）１３ｂおよび出力端１３ｃを有するオペアンプ１３と、キャンセル容量Ｃ１と、一対の第２スイッチ３２、３３と、第３スイッチ３４とを備えている。オペアンプ１３の第１入力端１３ａは、オペアンプ１２の出力端１２ｃに接続される。キャンセル容量Ｃ１は、一方の電極がオペアンプ１３の第２入力端１３ｂおよび一対の第２スイッチ３２の一端に接続され、他方の電極が一対の第２スイッチ３３の一端および第３スイッチ３４の一端に接続され、一対の第２スイッチ３２の他端は、第３スイッチ３４の他端およびオペアンプ１３の出力端１３ｃに接続され、一対の第２スイッチ３３の他端は、基準電圧Ｖrefに接続されている。

信号検出回路は、図２のタイミングチャートに基づくスイッチ３１乃至３４のオンオフ制御によって動作する。図２に示すように、スイッチ３１の最初のオフ（ｏｆｆ）期間からオン（ｏｎ）期間を経て、次のオフ期間までを１サイクルとして、このサイクルが繰り返される。なお、スイッチのオフ状態を開放、オン状態を短絡と表現する。
期間Ａおよび期間Ｅは、光信号検出期間であり、この期間では、リセットスイッチ（第１スイッチ３１）および１対の第２スイッチ３２、３３を開放にし、第３スイッチ３４を短絡にする。（図３に示される状態である。）この状態において、フォトダイオードなどの光信号検出手段４によって検出された光電流が、電流電圧変換回路１によって電圧変換され、増幅回路２で増幅される。そして、増幅回路２で増幅された電圧はオフセットキャンセル回路３に入力され、キャンセル容量Ｃ１に保持された電圧と合わせ込まれて出力端子（ＯＵＴ）５から出力される。
期間Ｂは、期間Ａから期間Ｃへの移行期間であり、この期間では、期間Ａの光信号検出期間から、リセットスイッチ（第１スイッチ３１）をオンし、１対の第２スイッチ３２、３３及び第３スイッチ３４は図３に示す状態を維持する。（図４に示される状態である。）

期間Ｃは、オフセット電圧保持期間であり、この期間では、期間Ｂの状態から、第１スイッチ３１を短絡の状態に維持したまま、第３スイッチ３４を開放し、ついで、第２スイッチ３２、３３を短絡にする。（図５に示される状態である。）これにより、電流電圧変換回路１は、入出力が短絡しているので、電流電圧変換を行わず、電流電圧変換回路１のオフセット電圧のみを出力する。この出力は、次段の増幅回路２に入力され、電流電圧変換回路１と増幅回路２のオフセット電圧が増幅されて、増幅回路２の出力に付加される。さらに、増幅回路２の出力は、オフセットキャンセル回路３に入力される。オフセットキャンセル回路３の出力には電流電圧変換回路１、増幅回路２及びオフセットキャンセル回路３自体のオフセット電圧が付加される。これらオフセット電圧は、キャンセル容量Ｃ１に蓄積される。
期間Ｄは、期間Ｃから期間Ｅへの移行期間であり、この期間では、期間Ｃのオフセット電圧保持期間から、第１スイッチ３１は短絡を維持したまま、１対の第２スイッチ３２、３３を開放にし、ついで、第３スイッチ３４を短絡にする。（図４に示される状態である。）
なお、リセットスイッチ（第１スイッチ３１）が短絡している期間（期間Ｂから期間Ｄまでの期間）を、リセット期間という。

次に、この実施例に係る信号検出回路の動作を図３乃至図５にしたがって説明する。
まず、図３は、第１スイッチ３１及び一対の第２スイッチ３２、３３が開放且つ第３スイッチ３４が短絡の状態にあって、光信号検出状態（期間Ａ）にある。その後、図４に示すように、第１スイッチ３１を短絡して電流電圧変換回路１をリセット状態（期間Ｂ）にする。その後、図５に示すように、一対の第２スイッチ３２、３３を短絡し、且つ第３スイッチ３４を開放にして、オフセットキャンセル回路３のキャンセル容量Ｃ１に全てのオフセット電圧Ｖofを保持する（期間Ｃ）。

オフセット電圧Ｖofは、電流電圧変換回路１のオペアンプ１１で生じるオフセット電圧Ｖof11、増幅回路２のオペアンプ１２で生じるオフセット電圧Ｖof12及びオフセットキャンセル回路３のオペアンプ１３で生じるオフセット電圧Ｖof13を足し込んでなる。増幅回路ではオフセット電圧は、増幅されるので、キャンセル容量Ｃ１に保持されるオフセット電圧Ｖofは、―（Ｒ３／Ｒ２）・Ｖof11＋（１＋Ｒ３／Ｒ２）・Ｖof12＋Ｖof13で表わされる。
その後、図４に示すように、一対の第２スイッチ３２、３３を開放し且つ第３スイッチ３４を短絡する（期間Ｄ）。その後、図３に示すように、第１スイッチ３１を開放してオフセットキャンセル回路３の出力にキャンセル容量Ｃ１に保持された電圧Ｖofを合わせ込むことで、それらのオフセット電圧がキャンセルされ、増幅回路２で増幅された光検出信号のみが出力端子５に出力される（期間Ｅ）。

以上、この実施例によれば、電流電圧変換回路のリセット期間と同時に、信号検出回路を構成する電流電圧変換回路、増幅回路およびオフセットキャンセル回路に起因する全てのオフセット電圧を纏めてキャンセル容量に保持し、光信号検出期間にて、それらのオフセット電圧をオフセットキャンセル回路の出力に合わせ込むことでオフセットキャンセルをすることができ、効率的かつ簡単な構成でオフセットキャンセルを行うことが可能になる。なお、増幅回路は反転増幅回路を用いたが、非反転増幅回路を用いることも出来る。

つぎに、図６および図７を参照して実施例２を説明する。
この実施例の信号検出回路は、実施例１と同様に、光検出手段により検出された光電流を入射した光量に応じた電圧に変換する光電変換回路に適用される。即ち、この信号検出回路は、検出した信号に応じて生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換回路（この実施例では、電荷アンプを用いる）１と、電流電圧変換回路１をリセット状態にする第１スイッチ４１と、前記出力電圧を増幅する増幅回路２と、反転入力端子と出力端子間に充放電可能な容量を有し、増幅回路２により増幅された前記出力電圧を非反転入力端子に入力する非反転増幅器からなるオフセットキャンセル回路３と、オフセットキャンセル回路３の出力に対して蓄積および出力を相補的に行うサンプルホールド回路６と、フォトダイオードなどの光信号検出手段４と、出力端子（ＯＵＴ）５とを備えている。

電流電圧変換回路（電荷アンプ）１は、第１入力端（＋）２１ａ、第２入力端（−）２１ｂおよび出力端２１ｃを有するオペアンプ２１、第２入力端２１ｂおよび出力端２１ｃに両端が接続された容量Ｃ２、及び容量Ｃ２に並列接続されたリセットスイッチ（第１スイッチ４１）を有し、オペアンプ２１の第１入力端２１ａには基準電圧Ｖrefが入力し、第２入力端２１ｂには光信号検出手段４の出力が入力する。
増幅回路２は、第１入力端（＋）２２ａ、第２入力端（−）２２ｂおよび出力端２２ｃを有するオペアンプ２２、オペアンプ２１の出力端２１ｃとオペアンプ２２の第２入力端２２ｂとの間に接続された抵抗Ｒ４、及びオペアンプ２２の第２入力端２２ｂ及び出力端２２ｃの間に接続された抵抗Ｒ５から構成され、オペアンプ２２の第１入力端２２ａには基準電圧Ｖrefが入力し、第２入力端２２ｂにはオペアンプ２１の出力が抵抗Ｒ４を介して入力する。

オフセットキャンセル回路３は、第１入力端（＋）２３ａ、第２入力端（−）２３ｂ及び出力端２３ｃを有するオペアンプ２３と、キャンセル容量Ｃ３と、一対の第２スイッチ４２、４３と、第３スイッチ４４とを備えている。オペアンプ２３の第１入力端２３ａは、オペアンプ２２の出力端２２ｃに接続される。キャンセル容量Ｃ３は、一方の電極がオペアンプ２３の第２入力端２３ｂ及び第２スイッチ４２の一端に接続され、他方の電極が第３スイッチ４４の一端及び第２スイッチ４３の一端に接続され、第２スイッチ４２の他端は、第３スイッチ４４の他端及びオペアンプ２３の出力端２３ｃに接続され、第２スイッチ４３の他端は、基準電圧Ｖrefに接続されている。

サンプルホールド回路６は、一対の回路からなり、オフセットキャンセル回路３の出力に対して蓄積・出力を相補的に行う。その入力は、オフセットキャンセル回路６の出力に接続され、当該出力は、出力アンプ７を介して信号検出回路の出力端子（ＯＵＴ）５に接続されている。一対の回路は、並列接続された第１回路と第２回路からなる。第１の回路は、一方の電極が接地され、他方の電極が入力側（オフセットキャンセル回路３の出力に接続される）にスイッチ４５と接続し、出力側（出力アンプ７に接続される）にスイッチ４６と接続する第１容量Ｃ４を有し、第２の回路は、一方の電極が接地され、他方の電極が入力側（オフセットキャンセル回路３の出力に接続される）にスイッチ４７と接続し、出力側（出力アンプ７に接続される）にスイッチ４８と接続する第２容量Ｃ５を有する。

出力アンプ２７は、第１入力端（＋）２７ａ、第２入力端（−）２７ｂおよび出力端２７ｃを有するオペアンプ２７からなり、第１入力端２７ａは、サンプルホールド回路６の出力と接続され、第２入力端２７ｂは、出力端２７ｃに接続されている。

つぎに、この実施例に係る信号検出回路の動作を説明する。
図６に示す信号検出回路は、まず、第１スイッチ４１及び一対の第２スイッチ４２、４３を開放且つ第３スイッチ４４を短絡の状態にする。これは光信号検出状態である。その後、第１スイッチ４１を短絡して電流電圧変換回路１をリセット状態にする。その後、一対の第２スイッチ４２、４３を短絡し、且つ第３スイッチ４４を開放にして、オフセットキャンセル回路３のキャンセル容量Ｃ３に全てのオフセット電圧を保持する。

保持された全てのオフセット電圧は、電流電圧変換回路１のオペアンプ２１で生じるオフセット電圧、増幅回路２のオペアンプ２２で生じるオフセット電圧及びオフセットキャンセル回路３のオペアンプ２３で生じるオフセット電圧を足し込んでなる。その後、一対の第２スイッチ４２、４３を開放し且つ第３スイッチ４４を短絡する。その後、第１スイッチ４１を開放してオフセットキャンセル回路３の出力にキャンセル容量Ｃ３に保持された電圧を合わせ込んで出力する。

このオフセットキャンセル回路３の出力は、サンプルホールド回路６に入力する。サンプルホールド回路６の第１の回路のスイッチ４５、４６及び第２の回路のスイッチ４７、４８は、開放と短絡を互いに繰り返す（図７参照）。したがって、サンプルホールド回路６の一対の回路（第１の回路および第２の回路）からは、交互に蓄積・出力が行われ、その信号が離散的に出力端子５から出力することができる。
以上の実施例は、電流電圧変換回路として電荷アンプを用い、オフセットキャンセル回路の出力をサンプルホールド回路と接続し、増幅された光検出信号を離散的に出力端子５から出力する信号検出回路である。実施例１と同様、電流電圧変換回路のリセット期間と同時に、信号検出回路を構成する電流電圧変換回路、増幅回路およびオフセットキャンセル回路に起因する全てのオフセット電圧を纏めてキャンセル容量に保持し、光信号検出期間にて、それらのオフセット電圧をオフセットキャンセル回路の出力に合わせ込むことでオフセットキャンセルをすることができ、効率的かつ簡単な構成でオフセットキャンセルを行うことが可能になる。なお、増幅回路は反転増幅回路を用いたが、非反転増幅回路を用いることも出来る。

１・・・電流電圧変換回路
２・・・増幅回路
３・・・オフセットキャンセル回路
４・・・光信号検出手段
５・・・出力端子（ＯＵＴ）
６・・・サンプルホールド回路
７・・・出力アンプ
１１−１３、２１−２３、２７・・・オペアンプ
３１−３３、４１−４８・・・スイッチ

Claims (4)

1. 検出した信号に応じて生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、当該電流電圧変換回路の出力電圧をリセット状態にする第１スイッチと、前記出力電圧を増幅する増幅回路と、反転入力端子と出力端子間に充放電可能な容量を有し、前記増幅回路により増幅された前記出力電圧を非反転入力端子に入力する非反転増幅器からなるオフセットキャンセル回路とを具備し、前記電流電圧変換回路と前記増幅回路と前記オフセットキャンセル回路によって生じる全てのオフセット電圧を、前記電流電圧変換回路の前記リセット状態において前記容量に保持して、前記リセット状態後に前記オフセットキャンセル回路の出力に前記容量に保持された電圧を合わせ込み出力することを特徴とする信号検出回路。
2. 前記オフセットキャンセル回路は、前記リセット状態において、前記容量の一方の電極に前記非反転増幅器の前記出力端子と接続し、他方の電極に基準電圧を接続するための一対の第２スイッチと、前記容量の他方の電極に前記非反転増幅器の前記出力端子を接続するための第３スイッチをさらに具備したことを特徴とする請求項１に記載の信号検出回路。
3. 前記第１スイッチおよび前記一対の第２スイッチが開放かつ前記第３スイッチが短絡の状態から、前記第１スイッチを短絡して前記電流電圧変換回路を前記リセット状態にし、その後、前記一対の第２スイッチを短絡かつ前記第３スイッチを開放にして前記容量に前記全てのオフセット電圧を保持し、その後、前記一対の第２スイッチを開放かつ前記第３スイッチを短絡した後、前記第１スイッチを開放して前記オフセットキャンセル回路の出力に前記容量に保持された電圧を合わせ込み出力することを特徴とする請求項２に記載の信号検出回路。
4. 前記オフセットキャンセル回路の出力に対して蓄積および出力を相補的に行うサンプルホールド回路をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の信号検出回路。
   
   

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