JP2018017516A - 光検出回路及びそのバイアス設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度を維持しつつ測定時間を短縮する光検出回路の増幅回路のバイアス設定技術を提供する。
【解決手段】光電変換素子ＰＤと、電流電圧変換器Ａ１と、電流電圧変換器の出力端に接続され、電流電圧変換器Ａ１から出力された電圧信号を設定された増幅率に従って増幅する可変増幅率非反転増幅器Ａ２と、ＡＤＣ１２と、電流電圧変換器Ａ１及び可変増幅率非反転増幅器Ａ２に対し、動作基準となる参照電圧Ｖｒｅｆを出力するＤＡＣ１６と、可変増幅率非反転増幅器Ａ２の増幅率を設定すると共に、参照電圧Ｖｒｅｆの値を算出し、ＤＡＣ１６に対して算出した参照電圧の出力指示を行う制御器１４と、を備え、制御器１４は、光電変換素子ＰＤを遮光した状態において設定制御を行った初期参照電圧の電圧値及びその状態における増幅後電圧信号の電圧値との差分を算出し、その差分の絶対値からなる新たな参照電圧の出力指示をＤＡＣ１６に対して行う。
【選択図】図１

Description

光検出回路及びそのバイアス設定方法に関し、特にフォトダイオードの信号検出増幅器のバイアス設定方法に関する。

フォトダイオードの出力は小さく、増幅率を大きくとって信号処理をする必要があり、中間で発生する各種要因による信号の揺らぎを排除するために、交流結合増幅器が用いられている。交流結合増幅器は逆に揺らぎに近い周波数成分を持った信号を正しく受けられないという弱点がある。

その解決のために特許文献１にはコンデンサに蓄えた電圧と放電した電圧の差分を検出するようにした光検出の技術が開示されている。

特開２０１２−２７３２号公報

しかしながら、特許文献１では高精度に検出光量を把握できるものの、測定時間については考慮が薄く、微小電流の場合に測定時間が長引く等の問題があった。本発明の目的は上記問題点を解決し、光電変換素子の検出精度を維持しつつ測定時間を短縮する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を備える。その一例として、例えば本発明に係る光検出回路は、光電変換素子と、前記光電変換素子から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器と、前記電流電圧変換器の出力端に接続され、前記電流電圧変換器から出力された前記電圧信号を設定された増幅率に従って増幅する可変増幅率非反転増幅器と、前記可変増幅率非反転増幅器の出力端に接続され、前記可変増幅率非反転増幅器から得られる増幅後電圧信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記電流電圧変換器及び前記可変増幅率非反転増幅器に対し、動作基準となる参照電圧を出力するデジタルアナログ変換器と、前記可変増幅率非反転増幅器の増幅率を設定すると共に、前記参照電圧の値を算出し、前記デジタルアナログ変換器に対して算出した参照電圧の出力指示を行う制御器と、を備え、前記制御器は、前記光電変換素子を遮光した状態において出力指示を行った初期参照電圧の電圧値及びその状態における前記増幅後電圧信号の電圧値との差分を算出し、その値を新たな参照電圧の出力指示を前記デジタルアナログ変換器に対して行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、各種要因による信号の揺らぎの大小に応じて参照電圧の値を変えることにより、増幅率をできる限り大きくしてから（動作範囲を広く設定してから）微小電流を測定することができる。そのため、光電変換素子から微小電流しか出力できない場合であっても大きな増幅率を用いて微小電流を増幅してから出力することができるため、光電変換素子の検出精度を維持しつつ測定時間を短縮することができる。なお、上記した以外の課題、構成、効果は以下の実施形態において明らかにされる。

本実施形態に係る光検出回路の基本回路図 本実施形態に係るバイアス設定動作手順を示すフローチャート フォトダイオードの入力に対する増幅器の出力の関係を示す図

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、特に光検出器おいて直流増幅を行い後段でゲインを可変する場合に有効なバイアス印加方法に関するものである。図１は本実施形態に係る光検出回路の基本回路図を示す。

図１に示す光検出回路１０において、フォトダイオードＰＤは増幅器Ａ１のプラス＋入力にアノード側を接続し、フォトダイオードＰＤのカソード側は増幅器Ａ１のマイナス−側に接続される。増幅器Ａ１は帰還抵抗Ｒ１により帰還増幅器を構成しており、フォトダイオードＰＤに入射する光入力により励起された光電流Ｉｉによって増幅器Ａ１の出力Ｖｏ１にはプラス電圧出力が発生する。よって、増幅器Ａ１は電流電圧変換器に相当する。

この出力Ｖｏ１は次段の増幅器Ａ２の入力として増幅器Ａ２のプラス＋入力に接続される。増幅器Ａ２は可変帰還抵抗Ｒ２によって構成される帰還回路により、設定された増幅率でＶｏ１が増幅され、Ｖｏ２に出力される。よって増幅器Ａ２は、可変増減率非反転増幅器に相当する。なお、本実施形態では増幅器Ａ１の出力Ｖｏ１の極性が＋である場合を例に挙げて説明するが、フォトダイオードＰＤのプラスマイナスの向きを逆向きに接続した場合には増幅器Ａ１から出力される出力Ｖｏ１にはマイナス−電圧出力が発生する。この場合であっても本実施形態を適用することができる。

増幅器Ａ２はアナログデジタルコンバータ（以下「ＡＤＣ」）１２に接続され、増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２の出力がアナログデジタル変換されて制御器１４に入力される。制御器１４は可変帰還抵抗Ｒ２に接続され、可変帰還抵抗Ｒ２の抵抗値を可変制御することで増幅器Ａ２の増幅率が増減する。

制御器１４の出力端は、デジタルアナログコンバータ（以下「ＤＡＣ」）１６にも接続される。制御器１４はＤＡＣ１６に参照電圧Ｖｒｅｆの値を出力する。ＤＡＣ１６はフォトダイオードＰＤのプラス入力側及び増幅器Ａ１のアノード側に接続される。

フォトダイオードＰＤに光入力がなかった場合、光電流Ｉｉは発生しないからＶｏ１の出力は、増幅器Ａ１のプラス＋入力に接続されているＶｒｅｆと同じ電圧出力（増幅されない）が見られる。一方、増幅器Ａ２のプラス＋入力はＶｒｅｆと同じ電圧出力となっているＶｏ１が接続されているので、マイナス−入力に接続されたＲ２の参照電圧（バイアス電圧ともいう）Ｖｒｅｆと同一電圧となるから増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２にはＶｒｅｆと同じ電圧が出ていることになり、フォトダイオードＰＤに光入力がなかった場合には、出力変化しないことになる。よって、光出力がない場合、ＤＡＣ１６は、増幅器Ａ１及び増幅器Ａ２には、同一の参照電圧Ｖｒｅｆを与えていることとなる。

本回路構成では、増幅器Ａ２の出力がＶｒｅｆに依存して動作する。最近はレールツウレール動作と称して、単一電源で広い範囲の動作を保証するオペアンプが入手できる。フォトダイオードＰＤは光入力に応じた電流出力が得られるということは、単一方向の出力しかないということであるから、増幅器の動作をプラス出力のみで構成すると、フォトダイオードＰＤの入力が０の時、出力が約０になるように構成すると、０から電源電圧までの範囲を動作範囲とすることができる。

次にＶｒｅｆの決定方法について説明する。フォトダイオードＰＤの光入力がなく０であった場合、増幅器Ａ１の出力は、理想的には０である。しかしフォトダイオードＰＤ自身が発生するノイズ成分、及び増幅器Ａ１の入力ノイズ等で増幅器Ａ１の出力に増幅されたノイズが観測される。この時、Ｖｒｅｆを０Ｖにしてしまうと、ノイズ成分のマイナス側がクリップされ、真の０入力と違った出力結果が得られてしまう。そこでノイズ成分のマイナス分を正しく増幅できるようにＶｒｅｆにオフセットを加える必要がある。

具体的なオフセット値は、フォトダイオードＰＤの光入力を０にした状態でＶｒｅｆをプラス側にオフセットさせ増幅器Ａ２の出力のマイナス側がクリップされない電圧に設定することで達成できる。（フォトダイオードＰＤが逆向きに接続されているときは、Ｖｒｅｆをマイナス側にオフセットさせ増幅器Ａ２の出力のプラス側がクリップされない電圧に設定することで達成できる。）

Ｖｒｅｆのオフセット値はＤＡＣ１６の出力で設定するように構成しているから、オフセット値をＤＡＣ１６にセットする必要がある。ＤＡＣ１６への設定値は、制御器１４がＡＤＣ１２で読み取った増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２が増幅器Ａ２の下限値に接しない値を演算して求める。これは出力が飽和しない条件と一致する。以下、図２を参照して本光検出回路におけるバイアス設定処理について説明する。図２は、図１の光検出回路を用いたバイアス設定動作手順を示すフローチャートである。

（準備段階）
準備段階ではフォトダイオードＰＤへの入力が０となるように光源をＯＦＦするか、遮光処理をする（Ｓ１）。制御器１４はＤＡＣ１６に初期参照電圧としてＶｒｅｆ、例えば１／２Ｖｃｃを設定するための指示を出力する（Ｓ２）。初期参照電圧の値は１／２Ｖｃｃに限定されない。また、増幅器Ａ２の増幅率は設定できる最大値とする。

（処理）
準備段階終了後、増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２をＡＤＣ１２でＡＤ変換し、変換後の信号（増幅後電圧信号）が制御器１４にされる。増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２の測定は、設定した時間内に複数回行う（Ｓ３）。これは、構成しているフォトダイオードＰＤやオペアンプの特性によりドリフト周波数は変動するためである。

制御器１４は複数回の測定結果の内、最低値ＶＡ２を抽出する（Ｓ４）。初期参照電圧として１／２Ｖｃｃを印加した状態では、理想的には増幅器Ａ２の出力Ｖｏ２は約１／２Ｖｃｃ付近であるが、実際には１／２ＶｃｃにフォトダイオードＰＤの暗電流や増幅器Ａ１のオフセットが重畳された入力を増幅器Ａ２で増幅した結果、出力Ｖｏ２として１／２Ｖｃｃより大きくずれた値が得られる。ここで得られる値Ｖｏ２はフォトダイオードＰＤや増幅器Ａ１のドリフトが重畳しているから一回のＡＤ変換では増幅器Ａ２の出力の最低値とは言えないので、制御器１４は、比較的長い時間のＡＤ変換の結果をスタックし、最低値ＶＡ２を選択してこの値を増幅器Ａ２の出力値とする。

制御器１４はＶＡ２をメモリに保存し、ＶＡ２と１／２Ｖｃｃとの差分の絶対値（正の値）をオフセット値として求める（Ｓ５）。このオフセット値は増幅器Ａ２の出力を飽和させることのない最低レベルを保証するので、フォトダイオードＰＤの無入力時の０を増幅器Ａ２の出力とすることができる。

（完了段階）
完了段階では、制御器１４はオフセット値、即ちＶＡ２と１／２Ｖｃｃとの差分の絶対値（正の値）をＶｒｅｆとしてＤＡＣ１６に設定する（Ｓ６）。

以上の手順で設定したＶｒｅｆを基準に動作する増幅器Ａ２の出力は、フォトダイオードＰＤの入力０の時にカットオフすることなく正しく０情報が出力され、なお且つ最大のダイナミックレンジを確保することができる。

図３はフォトダイオードＰＤの入力に対する増幅器Ａ２の出力の関係を示す図である。光入力の小さいときは（符号Ｇ１参照）、増幅率大で示す動作特性に設定すると、増幅器Ａ２の出力の変動幅は大きくなるから変動幅のマイナスの最大値が０Ｖを下回らないようにオフセットを与える。このオフセットがＶｒｅｆである。

増幅器Ａ２の増幅率は可変であるが、運用上最大増幅率でＶｒｅｆを設定すれば、増幅率を変更してより大きな入力に対応するようにしても（つまり符号Ｇ２のように、増幅率を減少させてより大きな出力に対応するようにしても）、フォトダイオードＰＤの入力０の時の増幅器Ａ２の出力は安定した０情報が出力される。

フォトダイオードＰＤの大出力の場合は、より広いダイナミックレンジを得るために、図２のステップＳ２において増幅器Ａ２の増幅率を最小に設定してからステップＳ３以下の手順を実行してＶｒｅｆを求めればよい。

ノイズ成分のマイナス側がクリップされ、真の０入力と違った出力結果が得られてしまうといった不具合を解消するためには、参照電圧（基準電圧値といってもよい）は可変増幅率非反転増幅器（増幅器Ａ２）の増幅率が最大の場合でも出力が飽和しないことが必要であるから、光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）と電流電圧変換器（増幅器Ａ１）と可変増幅率非反転増幅器（増幅器Ａ２）の変動の結果出力が飽和しないためのオフセット値が参照電圧になる。そこで上記実施形態では、このオフセット値は光電変換素子と電流電圧変換器と可変増幅率非反転増幅器の変動の結果をＡＤＣ１２でデジタル変換したのち、制御器で与えるべきオフセット値を求め、この値でＤＡＣ１６を駆動して、基準となる参照電圧Ｖｒｅｆとして出力する。

このように参照電圧を設定することで、光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）の出力が０から増加するにつれ、光検出回路の出力は設定された基準値レベルから変化し、参照電圧値との差が増加する。先にも述べたが、参照電圧は、可変増幅率非反転増幅器（増幅器Ａ２）が０入力の時飽和しない限界値に設定しておくことで、入力が増加したときの出力範囲を最大化することができる。

このように本実施形態によれば、光入力が０の下で増幅器Ａ２（可変増幅率非反転増幅器）の増幅率が可変された場合にも、増幅器Ａ１（電流電圧変換器）が基準とする参照電圧、及び増幅器Ａ２（可変増幅率非反転増幅器）が基準とする参照電圧が共通であるため、０から変動することがない。よって参照電圧を可変増幅率非反転増幅器の下限値に近い値に設定すると光の光量に応じた直流出力をする光検出回路の動作範囲を最大化することができる。

特に単一電源で動作させる増幅器、具体的にはオペアンプ等で構成する電流電圧変換器と可変増幅率非反転増幅器は、帰還増幅器が使用され、入力０の場合、参照電圧がそのまま出力される。従って電流電圧変換器の電流０の場合は参照電圧値がそのまま出力され、同様に可変増幅率増幅器も増幅率に関係なく参照電圧値が出力される。

本実施形態に係る光検出回路及びバイアス設定方法は、例えばデジタルカメラのＣＣＤやＣＭ０Ｓ、またスキャナーを搭載したコピー装置等、広く光電変換素子を備えた製品に適用できる。本実施形態によれば、フォトダイオードの出力のように無入力状態がゼロ出力となるような検出器の信号検出に使用する増幅器に適用することで、広い範囲のセンシング情報に対応可能となる。すなわち、従来の交流増幅では低域のカットオフ周波数以下の信号の検出ができないため、構成された増幅器の持つ帯域以下の周波数に対する適用ができなかった。またより低域に動作点を設定しようとすると、たとえば結合コンデンサの大容量化とバイアス抵抗の高抵抗化が伴いよりノイズ発生量が増えるため高感度化ができなかった。これに対し、本実施形態によれば、前記の高ノイズ部品を使用することがないため高感度化しやすく、また現場で校正動作が可能な構成であるから、常に最適な状態での使用が可能となり、機器の高性能化が期待できる。

１０：光検出回路
１２：ＡＤコンバータ
１４：制御部
１６：ＤＡコンバータ
ＰＤ：フォトダイオード
Ａ１：増幅器（オペアンプ）１
Ｒ１：帰還抵抗
Ｖｏ１：増幅器Ａ１の出力電圧
Ａ２：増幅器（オペアンプ）２
Ｒ２：可変帰還抵抗
Ｖｏ２：増幅器（オペアンプ）Ａ２の出力電圧
Ｖｃｃ：回路電源

Claims (3)

1. 光電変換素子と、
   前記光電変換素子から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器と、
   前記電流電圧変換器の出力端に接続され、前記電流電圧変換器から出力された前記電圧信号を設定された増幅率に従って増幅する可変増幅率非反転増幅器と、
   前記可変増幅率非反転増幅器の出力端に接続され、前記可変増幅率非反転増幅器から得られる増幅後電圧信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
   前記電流電圧変換器及び前記可変増幅率非反転増幅器に対し、動作基準となる参照電圧を出力するデジタルアナログ変換器と、
   前記可変増幅率非反転増幅器の増幅率を設定すると共に、前記参照電圧の値を算出し、前記デジタルアナログ変換器に対して算出した参照電圧の出力指示を行う制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記光電変換素子を遮光した状態において出力指示を行った初期参照電圧の電圧値及びその状態における前記増幅後電圧信号の電圧値との差分を算出し、その差分の絶対値を新たな参照電圧の出力指示を前記デジタルアナログ変換器に対して行う、
   ことを特徴とする光検出回路。
2. 光電変換素子と、前記光電変換素子から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器と、前記電流電圧変換器の出力端に接続され、前記電流電圧変換器から出力された前記電圧信号を設定された増幅率に従って増幅する可変増幅率非反転増幅器と、前記可変増幅率非反転増幅器の出力端に接続され、前記可変増幅率非反転増幅器から得られる増幅後電圧信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記電流電圧変換器及び前記可変増幅率非反転増幅器に対し、動作基準となる参照電圧を出力するデジタルアナログ変換器と、前記可変増幅率非反転増幅器の増幅率を設定すると共に、前記参照電圧の値を算出し、前記デジタルアナログ変換器に対して算出した参照電圧の出力指示を行う制御器と、を備えた光検出回路のバイアス設定方法であって、
   前記光電変換素子を遮光した状態において前記制御器が前記デジタルアナログ変換器に対して初期参照電圧の出力指示を行うステップと、
   前記デジタルアナログ変換器が前記初期参照電圧を前記電流電圧変換器及び前記可変増幅率非反転増幅器に与えるステップと、
   前記制御器が前記増幅後電圧信号を前記アナログデジタル変換器から取得し、前記初期参照電圧の電圧値と前記増幅後電圧信号の電圧値との差分を演算するステップと、
   前記制御器が前記デジタルアナログ変換器に対して前記差分の絶対値からなる新たな参照電圧の出力指示を行うステップと、
   前記デジタルアナログ変換器が前記新たな参照電圧を前記電流電圧変換器及び前記可変増幅率非反転増幅器に与えるステップと、
   を含むことを特徴とする光検出回路のバイアス設定方法。
3. 請求項２に記載の光検出回路のバイアス設定方法において、
   前記初期参照電圧は、電源電圧の半値である、
   ことを特徴とする光検出回路のバイアス設定方法。