JP3413211B2 - 比率補償された光アイソレーションカプラ - Google Patents
比率補償された光アイソレーションカプラInfo
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- JP3413211B2 JP3413211B2 JP53220098A JP53220098A JP3413211B2 JP 3413211 B2 JP3413211 B2 JP 3413211B2 JP 53220098 A JP53220098 A JP 53220098A JP 53220098 A JP53220098 A JP 53220098A JP 3413211 B2 JP3413211 B2 JP 3413211B2
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- H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
- H04B10/801—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water using optical interconnects, e.g. light coupled isolators, circuit board interconnections
- H04B10/802—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water using optical interconnects, e.g. light coupled isolators, circuit board interconnections for isolation, e.g. using optocouplers
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、光カプラ及び光変圧器に関し、より具体的
には、光カプラに関連したゲインを有する光カプラに関
する。
には、光カプラに関連したゲインを有する光カプラに関
する。
従来技術の説明
小さいフォームファクタ（form factor:形状係数）の
モデム及びライン端末が、特にノートブック及びサブノ
ートブックコンピュータやパーソナルデジタルアシスタ
ンツ（PDA's）に関連した使用のために開発されるにつ
れて、電話線カプラを小型化することが必要になってき
ている。伝統的には、例えば、モデムにおいて、ライン
アイソレーション（isolation:隔離）を提供するための
電話線への結合回路は、アイソレーション変圧器を備え
ていた。PCMCIAフォームファクタモデム及びISDN端末の
開発と共に、そのような変圧器の使用は非実用的になっ
てきた。なぜなら、変圧器が、フォームファクタに対し
て大きすぎるからである。代替物として、光電アイソレ
ーション回路、すなわち、いわゆる光アイソレーション
変圧器が、開発されてきた。光アイソレーション変圧器
は、典型的には、フォトダイオード或いはフォトトラン
ジスタのような光センサに光学的に結合した一つの発光
ダイオード或いは他の発光装置を備えており、好ましく
は、単一のICパッケージの中に収納されている。装置の
送信側では、変調器或いは回路が発光ダイオードに結合
されていて、電話線或いはハイブリッド回路がフォトト
ランジスタ或いはダイオードに結合されている。逆に、
装置の受信側では、インターフェース回路が発光ダイオ
ードに結合され、フォトダイオード或いはトランジスタ
がモデム回路に結合されている。光変圧器は、送信用及
び受信用の双方の光カプラと関連する回路とを備えてい
る。
モデム及びライン端末が、特にノートブック及びサブノ
ートブックコンピュータやパーソナルデジタルアシスタ
ンツ（PDA's）に関連した使用のために開発されるにつ
れて、電話線カプラを小型化することが必要になってき
ている。伝統的には、例えば、モデムにおいて、ライン
アイソレーション（isolation:隔離）を提供するための
電話線への結合回路は、アイソレーション変圧器を備え
ていた。PCMCIAフォームファクタモデム及びISDN端末の
開発と共に、そのような変圧器の使用は非実用的になっ
てきた。なぜなら、変圧器が、フォームファクタに対し
て大きすぎるからである。代替物として、光電アイソレ
ーション回路、すなわち、いわゆる光アイソレーション
変圧器が、開発されてきた。光アイソレーション変圧器
は、典型的には、フォトダイオード或いはフォトトラン
ジスタのような光センサに光学的に結合した一つの発光
ダイオード或いは他の発光装置を備えており、好ましく
は、単一のICパッケージの中に収納されている。装置の
送信側では、変調器或いは回路が発光ダイオードに結合
されていて、電話線或いはハイブリッド回路がフォトト
ランジスタ或いはダイオードに結合されている。逆に、
装置の受信側では、インターフェース回路が発光ダイオ
ードに結合され、フォトダイオード或いはトランジスタ
がモデム回路に結合されている。光変圧器は、送信用及
び受信用の双方の光カプラと関連する回路とを備えてい
る。
上述したような従来の光カプラにおける問題は、それ
らが、それら自身に関連したゲインを有することであ
る。このゲイン或いはスケーリングは、カプラ間で変化
し、且つ温度に伴って、また、他の要因によるエージン
グに伴っても、変化する。そのような変化するゲイン補
償を補うために、一つの通常の技法が、図１に示されて
いるようなフィードバックネットワーク２の使用であ
る。そのようなフィードバック技法では、各々の光カプ
ラは、一つの発光ダイオードと、２つのフォトダイオー
ド或いはフォトトランジスタのような２つの光感受性素
子とを含み、光変圧器に必要とされる２重（デュアル）
チャンネルの各半分に対して、必要な結合を提供する。
フォトダイオード或いはトランジスタ２の一つは、図１
に示されているようにモデム或いは電話線に結合されて
おり、他方は、発光ダイオードと同じ回路４に結合され
ている。これらの回路の各々において、第２の光感受性
素子が、ゲイン補償を行うためのフィードバックを提供
するために使用されている。両方の光感受性素子は同じ
ダイ（die:半導体の小片）の上に形成されているので、
両方のゲインは同じ（或いは、お互いに対して予測でき
る比率）であろう。従って、フォトダイオード４と共に
フィードバック回路で第２の光感受性素子を使用するこ
とによって、ゲイン補償を提供することができる。
らが、それら自身に関連したゲインを有することであ
る。このゲイン或いはスケーリングは、カプラ間で変化
し、且つ温度に伴って、また、他の要因によるエージン
グに伴っても、変化する。そのような変化するゲイン補
償を補うために、一つの通常の技法が、図１に示されて
いるようなフィードバックネットワーク２の使用であ
る。そのようなフィードバック技法では、各々の光カプ
ラは、一つの発光ダイオードと、２つのフォトダイオー
ド或いはフォトトランジスタのような２つの光感受性素
子とを含み、光変圧器に必要とされる２重（デュアル）
チャンネルの各半分に対して、必要な結合を提供する。
フォトダイオード或いはトランジスタ２の一つは、図１
に示されているようにモデム或いは電話線に結合されて
おり、他方は、発光ダイオードと同じ回路４に結合され
ている。これらの回路の各々において、第２の光感受性
素子が、ゲイン補償を行うためのフィードバックを提供
するために使用されている。両方の光感受性素子は同じ
ダイ（die:半導体の小片）の上に形成されているので、
両方のゲインは同じ（或いは、お互いに対して予測でき
る比率）であろう。従って、フォトダイオード４と共に
フィードバック回路で第２の光感受性素子を使用するこ
とによって、ゲイン補償を提供することができる。
しかし、そのようなゲイン補償技法の使用は、幾つか
の欠点を有する。第１に、発光ダイオードを通した電流
を制御する周波数補償のための外部素子と共に、フィー
ドバックのための付加的な素子を必要とすることは、コ
ストと、プリント回路板の上において光変圧器が必要と
するスペースとを増加させる。また、そのようなフィー
ドバック可能な光カプラは、光カプラの各々の付加的な
センサのための２つの余分なピンを有しており、信号ピ
ンの合計数が、典型的には６になる。従来の回路板で
は、これは不利益にはならないが、PCMCIA装置のような
小さいフォームファクタの装置では、使用スペースのこ
のような増加は、非常に望ましくない。加えて、そのよ
うなフィードバック技法の使用は、より高い周波数の電
話回路に対するノイズ問題、及びネットワーク周波数の
補償問題を引き起こす。例えば、1MHzよりも速い速度で
動作しているXDSLラインを使用すると、回路を安定に維
持するために、幾つかの外部キャパシタ及びインダクタ
が必要になることがある。加えて、フォトトランジスタ
は大きなミラー容量を有しており、これが、高周波動作
時に問題を引き起こすことがある。また、外部素子はノ
イズ問題を増加させ、小さいフォームファクタの回路に
おいて付加的なスペースを必要する。更にその上、その
ような回路は、温度に対して変化する応答性を有しやす
い。
の欠点を有する。第１に、発光ダイオードを通した電流
を制御する周波数補償のための外部素子と共に、フィー
ドバックのための付加的な素子を必要とすることは、コ
ストと、プリント回路板の上において光変圧器が必要と
するスペースとを増加させる。また、そのようなフィー
ドバック可能な光カプラは、光カプラの各々の付加的な
センサのための２つの余分なピンを有しており、信号ピ
ンの合計数が、典型的には６になる。従来の回路板で
は、これは不利益にはならないが、PCMCIA装置のような
小さいフォームファクタの装置では、使用スペースのこ
のような増加は、非常に望ましくない。加えて、そのよ
うなフィードバック技法の使用は、より高い周波数の電
話回路に対するノイズ問題、及びネットワーク周波数の
補償問題を引き起こす。例えば、1MHzよりも速い速度で
動作しているXDSLラインを使用すると、回路を安定に維
持するために、幾つかの外部キャパシタ及びインダクタ
が必要になることがある。加えて、フォトトランジスタ
は大きなミラー容量を有しており、これが、高周波動作
時に問題を引き起こすことがある。また、外部素子はノ
イズ問題を増加させ、小さいフォームファクタの回路に
おいて付加的なスペースを必要する。更にその上、その
ような回路は、温度に対して変化する応答性を有しやす
い。
従って、本発明の第１の目的は、フィードバック回路
のための第２の光センサを使用することなく、光カプラ
のゲイン補償を提供することである。本発明の第２の目
的は、そのような周波数補償を、プリント回路板の上で
必要とされるスペースの量を増加させることなく提供し
て、ゲイン補償された光カプラ変圧器の小さいフォーム
ファクタにおける使用を可能にすることである。本発明
の第３の目的は、部品数、及び従ってコストを削減する
ことである。更に本発明の第４の目的は、そのような光
アイソレーションを、付加的な部品を必要とせず、従来
の技法を使用せずに、提供することである。本発明の更
に付加的な目的は、そのような光アイソレーションをフ
ィードフォワード補償とともに提供することである。更
に、第５の目的は、そのような光アイソレーションを広
い帯域幅で提供することであり、更に第６の目的は、そ
のような光アイソレーションを、エクストラの（別に設
けた）低電圧電源と共に提供することである。
のための第２の光センサを使用することなく、光カプラ
のゲイン補償を提供することである。本発明の第２の目
的は、そのような周波数補償を、プリント回路板の上で
必要とされるスペースの量を増加させることなく提供し
て、ゲイン補償された光カプラ変圧器の小さいフォーム
ファクタにおける使用を可能にすることである。本発明
の第３の目的は、部品数、及び従ってコストを削減する
ことである。更に本発明の第４の目的は、そのような光
アイソレーションを、付加的な部品を必要とせず、従来
の技法を使用せずに、提供することである。本発明の更
に付加的な目的は、そのような光アイソレーションをフ
ィードフォワード補償とともに提供することである。更
に、第５の目的は、そのような光アイソレーションを広
い帯域幅で提供することであり、更に第６の目的は、そ
のような光アイソレーションを、エクストラの（別に設
けた）低電圧電源と共に提供することである。
発明の要旨
これら及び他の目的は、光センサに光学的に結合され
た光源を、光アイソレータの可制御なコンダクタンスの
ゲインの比率補償を提供するハーフブリッジの実施形態
とともに備える、光カプラを使用する本発明の実施形態
によって達成される。特に、発光ダイオードは既知の基
準電流を供給され、従って、検出器回路の実効コンダク
タンスが固定バイアス電圧に関して一定化される。既知
の電流バイアスが検出器トランジスタ或いはダイオード
にフォーワード供給され、バイアス電圧にリファレンス
される。
た光源を、光アイソレータの可制御なコンダクタンスの
ゲインの比率補償を提供するハーフブリッジの実施形態
とともに備える、光カプラを使用する本発明の実施形態
によって達成される。特に、発光ダイオードは既知の基
準電流を供給され、従って、検出器回路の実効コンダク
タンスが固定バイアス電圧に関して一定化される。既知
の電流バイアスが検出器トランジスタ或いはダイオード
にフォーワード供給され、バイアス電圧にリファレンス
される。
従来のモデムに適しているような低周波の実施形態で
は、パッシブハーフブリッジ実施形態が使用され得る。
固定基準DC電流が発光ダイオードに供給される。フォト
トランジスタは、発光ダイオードからの光を受けるよう
に光学的に結合され、電源電圧とグラウンドとの間に直
列に位置するノードに、FETのような可変コンダクタン
ス素子と直列に結合される。ハーフブリッジ回路は、固
定バイアス電圧のための基準電圧を提供する電圧分配器
も備えている。低いカットオフ周波数を有する積分器
が、可変コンダクタンス素子のコンダクタンスを制御す
ることによって、ノードにおけるDC電圧を、電圧分配器
によって提供されたDC電圧に等しく維持する。これが、
比率的に、光カプラの電流転送率を相殺する。
は、パッシブハーフブリッジ実施形態が使用され得る。
固定基準DC電流が発光ダイオードに供給される。フォト
トランジスタは、発光ダイオードからの光を受けるよう
に光学的に結合され、電源電圧とグラウンドとの間に直
列に位置するノードに、FETのような可変コンダクタン
ス素子と直列に結合される。ハーフブリッジ回路は、固
定バイアス電圧のための基準電圧を提供する電圧分配器
も備えている。低いカットオフ周波数を有する積分器
が、可変コンダクタンス素子のコンダクタンスを制御す
ることによって、ノードにおけるDC電圧を、電圧分配器
によって提供されたDC電圧に等しく維持する。これが、
比率的に、光カプラの電流転送率を相殺する。
XDSLのような高周波回路のための代替例として、アク
ティブハーフブリッジ回路が、検出器側から実効的に除
去された光検出器のミラー容量と共に使用される。FET
と光センサとの間のノードにおけるDC及びAC電圧は一定
に維持されて、制御された抵抗性フィードバックを使用
する第１のオペアンプによる比率制御を提供して、ノー
ドにおける電圧のAC及びDC成分を両方とも一定に保持す
る。低電圧アプリケーションのための第３の実施形態で
は、フォトトランジスタの出力が、電流ミラーを通じ
て、制御された抵抗に結合される。
ティブハーフブリッジ回路が、検出器側から実効的に除
去された光検出器のミラー容量と共に使用される。FET
と光センサとの間のノードにおけるDC及びAC電圧は一定
に維持されて、制御された抵抗性フィードバックを使用
する第１のオペアンプによる比率制御を提供して、ノー
ドにおける電圧のAC及びDC成分を両方とも一定に保持す
る。低電圧アプリケーションのための第３の実施形態で
は、フォトトランジスタの出力が、電流ミラーを通じ
て、制御された抵抗に結合される。
図面の説明
図１は、モデムのような電話回路で一般に使用され
る、従来技術の光電変圧器の図である。
る、従来技術の光電変圧器の図である。
図２は、約20kHzよりも低い周波数で使用される、本
発明の第１の実施形態の図である。
発明の第１の実施形態の図である。
図３は、より高い周波数で使用される、本発明の第２
の実施形態の図である。
の実施形態の図である。
図４は、低電圧アプリケーションで使用される、本発
明の第３の実施形態の図である。
明の第３の実施形態の図である。
発明の詳細な説明
図２は、本発明の第１の実施形態100の模式図であ
る。発光ダイオード104とフォトトランジスタ106とを備
えた光カプラ102が、２重チャンネルの各々の半分に対
して使用されている。発光ダイオード104は、変圧器の
１次側110の一部として、電話線、電話線に結合された
ハイブリッド回路、或いはモデムの変調器のような可変
電流源（図示せず）に結合されている。電圧源に直列に
結合されているのは固定電流源114であって、既知のバ
イアス電流I1を提供する。固定バイアス電流I1は、変調
器或いは電話線の何れかからのAC電流isに加えられて、
発光ダイオード104を通る合成電流が、発光ダイオード1
04を発光させる。I1に対して小さい信号電流isに対して
は、発光ダイオード出力の変調は、変調電流isに比例す
る。
る。発光ダイオード104とフォトトランジスタ106とを備
えた光カプラ102が、２重チャンネルの各々の半分に対
して使用されている。発光ダイオード104は、変圧器の
１次側110の一部として、電話線、電話線に結合された
ハイブリッド回路、或いはモデムの変調器のような可変
電流源（図示せず）に結合されている。電圧源に直列に
結合されているのは固定電流源114であって、既知のバ
イアス電流I1を提供する。固定バイアス電流I1は、変調
器或いは電話線の何れかからのAC電流isに加えられて、
発光ダイオード104を通る合成電流が、発光ダイオード1
04を発光させる。I1に対して小さい信号電流isに対して
は、発光ダイオード出力の変調は、変調電流isに比例す
る。
光変圧器の半分の２次側120は、電話線、或いは電話
線のハイブリッド回路、或いは電話線の復調器（図示せ
ず）に結合されている。２次側120はフォトトランジス
タ106を備えており、これは光によって光学的に結合さ
れて、コレクタ電流が、フォトトランジスタ電流（I1＋
is）の電流転送率Ｋ倍になる。フォトトランジスタ106
のコレクタは、出力ノード126で可制御トランスコンダ
クタンス素子122に直列に結合されており、可制御トラ
ンスコンダクタンス素子122は、例えば、電圧制御され
た抵抗として動作する電界効果トランジスタであり得
る。トランスコンダクタンス素子122は、好ましくはVCC
のような固定基準電圧に結合されている。固定DCバイア
スVBもまた、VCCとグラウンドとの間に結合された電圧
分配器121によるVCC/2のように、提供される。或いは、
温度補償されたバンドギャップ発生器のような他の基準
電圧発生器を使用しても良い。２重チャンネル光変圧器
の２次側120の半分を備えるハーフブリッジ回路を完成
させるのが制御素子128であり、これは、好ましくは、1
0Hzよりも低いような（或いは最小の対象信号周波数以
下であるような）任意の低カットオフ周波数を有する積
分器であり得る。制御素子128の反転入力はノード126に
結合されて、非反転入力は、基準電圧VBに結合されてい
る。
線のハイブリッド回路、或いは電話線の復調器（図示せ
ず）に結合されている。２次側120はフォトトランジス
タ106を備えており、これは光によって光学的に結合さ
れて、コレクタ電流が、フォトトランジスタ電流（I1＋
is）の電流転送率Ｋ倍になる。フォトトランジスタ106
のコレクタは、出力ノード126で可制御トランスコンダ
クタンス素子122に直列に結合されており、可制御トラ
ンスコンダクタンス素子122は、例えば、電圧制御され
た抵抗として動作する電界効果トランジスタであり得
る。トランスコンダクタンス素子122は、好ましくはVCC
のような固定基準電圧に結合されている。固定DCバイア
スVBもまた、VCCとグラウンドとの間に結合された電圧
分配器121によるVCC/2のように、提供される。或いは、
温度補償されたバンドギャップ発生器のような他の基準
電圧発生器を使用しても良い。２重チャンネル光変圧器
の２次側120の半分を備えるハーフブリッジ回路を完成
させるのが制御素子128であり、これは、好ましくは、1
0Hzよりも低いような（或いは最小の対象信号周波数以
下であるような）任意の低カットオフ周波数を有する積
分器であり得る。制御素子128の反転入力はノード126に
結合されて、非反転入力は、基準電圧VBに結合されてい
る。
回路100のDC動作をみると、１次側を通って流れる電
流はI1であって、フォトトランジスタを通るDC電流はKI
1となる。制御素子128はDCゲインのみを有しており、可
制御トランスコンダクタンス素子122のコンダクタンス
を制御して、ノード126のDC電圧を一定に保つ。DCバイ
アスはフォトトランジスタ106を通じて一定であるの
で、フォトトランジスタの等価抵抗は、 REQ＝VB/（Ｋ＊I1） となる。フォトトランジスタを通るAC電流はＫ＊isに等
しいので、フォトトランジスタにかかるAC電圧VACは、
Ｋ＊is＊Reqに等しくなる。置換によって、変数Ｋを、
フォトトランジスタにかかるAC電圧成分で置き換えれ
ば、 Vac＝Is＊VB/I1 となり、比率補償が明らかになる。
流はI1であって、フォトトランジスタを通るDC電流はKI
1となる。制御素子128はDCゲインのみを有しており、可
制御トランスコンダクタンス素子122のコンダクタンス
を制御して、ノード126のDC電圧を一定に保つ。DCバイ
アスはフォトトランジスタ106を通じて一定であるの
で、フォトトランジスタの等価抵抗は、 REQ＝VB/（Ｋ＊I1） となる。フォトトランジスタを通るAC電流はＫ＊isに等
しいので、フォトトランジスタにかかるAC電圧VACは、
Ｋ＊is＊Reqに等しくなる。置換によって、変数Ｋを、
フォトトランジスタにかかるAC電圧成分で置き換えれ
ば、 Vac＝Is＊VB/I1 となり、比率補償が明らかになる。
ここで、ノード126での出力AC電圧は、モデムの復調
部（図示せず）による更なる処理や電話線を介した送信
のために、バッファ或いは他のアイソレーション回路を
介して提供され得る。この出力電圧は、ＫがAC電圧の変
数ではないので、光アイソレータの電流ゲインからは独
立している。更に、比率補償（すなわちVB＝VCC/2）の
ため、電圧分配器がVBを生成するために使用されると、
VCCはゲイン効果なしに変化できる。出力電圧は、バッ
ファ増幅器などを介して、ノード126で取り出され得
る。
部（図示せず）による更なる処理や電話線を介した送信
のために、バッファ或いは他のアイソレーション回路を
介して提供され得る。この出力電圧は、ＫがAC電圧の変
数ではないので、光アイソレータの電流ゲインからは独
立している。更に、比率補償（すなわちVB＝VCC/2）の
ため、電圧分配器がVBを生成するために使用されると、
VCCはゲイン効果なしに変化できる。出力電圧は、バッ
ファ増幅器などを介して、ノード126で取り出され得
る。
代替的なアナリシスでは、VB及びI1が定数であるの
で、光変圧器は固定トランスコンダクタンスVB/I1を有
する。更に、比率補償は、固定基準電流をエミッタダイ
オードに提供し、且つ検出器のコンダクタンスを固定バ
イアス電圧VBに関して一定化することによって、達成さ
れる。エミッタダイオードにおける電流バイアスI1は、
検出器トランジスタでバイアス電圧VBにフォワードリフ
ァレンスされて、これによって、フィードフォワード補
償が提供される。
で、光変圧器は固定トランスコンダクタンスVB/I1を有
する。更に、比率補償は、固定基準電流をエミッタダイ
オードに提供し、且つ検出器のコンダクタンスを固定バ
イアス電圧VBに関して一定化することによって、達成さ
れる。エミッタダイオードにおける電流バイアスI1は、
検出器トランジスタでバイアス電圧VBにフォワードリフ
ァレンスされて、これによって、フィードフォワード補
償が提供される。
しかし、図２の回路の欠点は、回路の周波数応答特性
がフォトトランジスタ106のミラー容量によって制限さ
れることである。従って、図２の実施形態は、V.34モデ
ムのような約20kHzの周波数カットオフを有する信号に
限られる。
がフォトトランジスタ106のミラー容量によって制限さ
れることである。従って、図２の実施形態は、V.34モデ
ムのような約20kHzの周波数カットオフを有する信号に
限られる。
図３は、ISDNモデム或いは端末、或いはXDSL（ADSL或
いはHDSL）モデムのような高周波動作のための、本発明
の第２の実施形態200を示しており、同様の構成要素
は、図２で使用されているものと同様の参照番号を有し
ている。発光ダイオード204とフォトトランジスタ206と
を備えた光アイソレータ202が、２重チャンネルの各々
の半分に対して使用されている。発光ダイオード204
は、１次側210の一部として、電話線（図示せず）、或
いは端末或いはモデムの変調回路のような、可変電流is
を生成する可変電源に結合されている。可変電流に直列
に結合されているのは固定電流源214であって、固定バ
イアス電流I1を提供する。
いはHDSL）モデムのような高周波動作のための、本発明
の第２の実施形態200を示しており、同様の構成要素
は、図２で使用されているものと同様の参照番号を有し
ている。発光ダイオード204とフォトトランジスタ206と
を備えた光アイソレータ202が、２重チャンネルの各々
の半分に対して使用されている。発光ダイオード204
は、１次側210の一部として、電話線（図示せず）、或
いは端末或いはモデムの変調回路のような、可変電流is
を生成する可変電源に結合されている。可変電流に直列
に結合されているのは固定電流源214であって、固定バ
イアス電流I1を提供する。
２重チャンネル光変圧器の２次側220の半分は、フォ
トトランジスタ206を備えており、これは光によって光
学的に結合されて、コレクタ電流が、発光ダイオード電
流を電流転送率Ｋ倍したものになる。フォトトランジス
タ206のコレクタは、JFET233のドレイン及び演算増幅器
235の反転入力に結合されている。増幅器235の出力は、
JFET233のソース及び抵抗R1に接続されている。動作時
には、JFET233は電圧制御された抵抗のように動作し
て、オペアンプ235が、反転入力での電圧を、アンプ235
の非反転入力に印加されている基準電圧VBに等しくす
る。抵抗R1は、増幅器237の反転入力にも結合されてい
て、増幅器237の出力は、JFET233のゲートに結合されて
いる。増幅器237は、積分器或いはその他のタイプのロ
ーパスフィルタとして構成されていて、好ましくは、約
10Hzのカットオフ周波数を有する。ここで、増幅器237
は、増幅器235の出力のDC電圧をＶσとする。２つの固
定基準電圧VB及びＶσは、ゲイン効果なしにVCCを変化
させる電圧分配器（図示せず）、或いは、Ｖσ及びVBの
両方を生成する電圧乗算器を有するバンドギャップ電圧
生成器のような他の基準電源によって提供される。２つ
の基準電圧は、好ましくは、以下の公式： Ｖσ≒2VB を満たす。
トトランジスタ206を備えており、これは光によって光
学的に結合されて、コレクタ電流が、発光ダイオード電
流を電流転送率Ｋ倍したものになる。フォトトランジス
タ206のコレクタは、JFET233のドレイン及び演算増幅器
235の反転入力に結合されている。増幅器235の出力は、
JFET233のソース及び抵抗R1に接続されている。動作時
には、JFET233は電圧制御された抵抗のように動作し
て、オペアンプ235が、反転入力での電圧を、アンプ235
の非反転入力に印加されている基準電圧VBに等しくす
る。抵抗R1は、増幅器237の反転入力にも結合されてい
て、増幅器237の出力は、JFET233のゲートに結合されて
いる。増幅器237は、積分器或いはその他のタイプのロ
ーパスフィルタとして構成されていて、好ましくは、約
10Hzのカットオフ周波数を有する。ここで、増幅器237
は、増幅器235の出力のDC電圧をＶσとする。２つの固
定基準電圧VB及びＶσは、ゲイン効果なしにVCCを変化
させる電圧分配器（図示せず）、或いは、Ｖσ及びVBの
両方を生成する電圧乗算器を有するバンドギャップ電圧
生成器のような他の基準電源によって提供される。２つ
の基準電圧は、好ましくは、以下の公式： Ｖσ≒2VB を満たす。
第１の演算増幅器は、光検出器235の出力とバイアスV
Bとの間の差をとって、フォトトランジスタ206を通るAC
（Kis）電流に比例するAC電圧部分を提供する。FET233
は、第２の演算増幅器237によって制御されて、DCバイ
アスＶσを第１の増幅器233の出力に加える。FETは、AC
信号成分の効果を実質的に減衰させる積分器によって制
御されているので、FET233によって第１の増幅器の出力
に加えられたDC成分は、その出力を、実質的にＶσに等
しく維持する。更に、フォトトランジスタのDC電圧は、
FET233における電圧降下であるVBに等しく制約される。
その結果、上記で説明したものと同じ比率制御が、２次
ステージでの２つの固定バイアス電圧と１次ステージで
の１つの固定バイアス電流とを使用して、達成される。
Bとの間の差をとって、フォトトランジスタ206を通るAC
（Kis）電流に比例するAC電圧部分を提供する。FET233
は、第２の演算増幅器237によって制御されて、DCバイ
アスＶσを第１の増幅器233の出力に加える。FETは、AC
信号成分の効果を実質的に減衰させる積分器によって制
御されているので、FET233によって第１の増幅器の出力
に加えられたDC成分は、その出力を、実質的にＶσに等
しく維持する。更に、フォトトランジスタのDC電圧は、
FET233における電圧降下であるVBに等しく制約される。
その結果、上記で説明したものと同じ比率制御が、２次
ステージでの２つの固定バイアス電圧と１次ステージで
の１つの固定バイアス電流とを使用して、達成される。
加えて、図３の回路は、典型的な光アイソレーション
回路に比べて、はるかに広い帯域を有する。図２の回路
では、高周波において、フォトトランジスタ106のミラ
ー容量が高周波動作を劣化させて、典型的には、帯域を
20kHzに制限する、しかし、ACドメインのオペアンプ235
は、トランスレジスタンス増幅器として構成されてお
り、ノード206をVBに等しく保持する。その結果、可変
電流（Kis）がフォトトランジスタ206を通って流れる
が、ミラー容量は、（増幅器235の開ループゲイン限界
の範囲内で）影響を及ぼさない。ここで、オペアンプ23
5の出力は回路の出力として使用されることができて、
帯域を、発光ダイオード204のジャンクション容量の限
界まで効果的に増加させる。これにより、光変圧器の全
体的な帯域が、数MHzのオーダになる。
回路に比べて、はるかに広い帯域を有する。図２の回路
では、高周波において、フォトトランジスタ106のミラ
ー容量が高周波動作を劣化させて、典型的には、帯域を
20kHzに制限する、しかし、ACドメインのオペアンプ235
は、トランスレジスタンス増幅器として構成されてお
り、ノード206をVBに等しく保持する。その結果、可変
電流（Kis）がフォトトランジスタ206を通って流れる
が、ミラー容量は、（増幅器235の開ループゲイン限界
の範囲内で）影響を及ぼさない。ここで、オペアンプ23
5の出力は回路の出力として使用されることができて、
帯域を、発光ダイオード204のジャンクション容量の限
界まで効果的に増加させる。これにより、光変圧器の全
体的な帯域が、数MHzのオーダになる。
図３の実施形態は、JFET233を用いて説明されている
が、Ｐ−或いはＮ−チャネルMOSFET或いはJFETを用いて
構成されることもできる。その場合には、第２の演算増
幅器237の反転及び非反転入力に対する結合が切り替え
られる必要があり、且つ、信号電圧がゲートで半分にさ
れるように、小さいRCネットワークが第２の演算増幅器
の出力とＰ−チャネルFETの制御ノードとの間に付加さ
れる必要がある。
が、Ｐ−或いはＮ−チャネルMOSFET或いはJFETを用いて
構成されることもできる。その場合には、第２の演算増
幅器237の反転及び非反転入力に対する結合が切り替え
られる必要があり、且つ、信号電圧がゲートで半分にさ
れるように、小さいRCネットワークが第２の演算増幅器
の出力とＰ−チャネルFETの制御ノードとの間に付加さ
れる必要がある。
更に、第３の実施形態300として、特に低電圧アプリ
ケーションでの使用のためのものが図４に示されてお
り、これも広い帯域を有する。図４の実施形態におい
て、２重チャンネルに対する１次側310の各々の半分
は、他の実施形態においてとは異なった構成を有してい
る。電話線或いは送信器装置のような入力からの電圧ド
ライブVINが、ハイパスフィルタを形成する直列抵抗301
及びキャパシタ303を駆動する。電流源は、一定バイア
ス電流I1を提供して、光カプラ302の発光ダイオード304
に並列になっている。発光ダイオード304は、ゲインス
ケーリングファクタＫによって、光変圧器302のフォト
トランジスタ306に光学的に結合されていて、Ｋ（I1＋i
V）に等しいコレクタ電流を提供する。ここで、iVは、
入力VINでの電圧に応答して発光ダイオード304を流れる
電流である。
ケーションでの使用のためのものが図４に示されてお
り、これも広い帯域を有する。図４の実施形態におい
て、２重チャンネルに対する１次側310の各々の半分
は、他の実施形態においてとは異なった構成を有してい
る。電話線或いは送信器装置のような入力からの電圧ド
ライブVINが、ハイパスフィルタを形成する直列抵抗301
及びキャパシタ303を駆動する。電流源は、一定バイア
ス電流I1を提供して、光カプラ302の発光ダイオード304
に並列になっている。発光ダイオード304は、ゲインス
ケーリングファクタＫによって、光変圧器302のフォト
トランジスタ306に光学的に結合されていて、Ｋ（I1＋i
V）に等しいコレクタ電流を提供する。ここで、iVは、
入力VINでの電圧に応答して発光ダイオード304を流れる
電流である。
フォトトランジスタ306のコレクタを流れる誘導電流
Ｋ（I1＋iV）は、電流ミラー350の入力から結合され
て、フォトトランジスタのコレクタ電流Ｋ（I1＋iV）に
比例する出力電流IOUTを提供する。エミッタ抵抗RE1及
びRE2は、出力電流のコレクタに対する電流比率を、電
流ミラー350のエミッタ抵抗及びトランジスタ寸法に基
づいて設定する。出力電流は、電圧制御された抵抗351
に電圧（VOUT）を生成し、その電圧が、積分器356によ
って、低電圧源354（ここでは3.6V）から電圧分配器352
によって生成された基準電圧（ここでは0.62V）と比較
されて、VCCがゲイン効果なしに変化することを可能に
する。その比較は、約10Hzの低いカットオフ周波数を有
する積分器356によって積分されて、JFET351の抵抗を制
御する。また、AC電流がJFET351のゲートに提供され
て、DCアイソレーションを提供するキャパシタと共にJF
ETの動作を線形化する。出力電圧VOUTは、適切なバッフ
ァを介して電話線或いは受信器に結合されても良い。
Ｋ（I1＋iV）は、電流ミラー350の入力から結合され
て、フォトトランジスタのコレクタ電流Ｋ（I1＋iV）に
比例する出力電流IOUTを提供する。エミッタ抵抗RE1及
びRE2は、出力電流のコレクタに対する電流比率を、電
流ミラー350のエミッタ抵抗及びトランジスタ寸法に基
づいて設定する。出力電流は、電圧制御された抵抗351
に電圧（VOUT）を生成し、その電圧が、積分器356によ
って、低電圧源354（ここでは3.6V）から電圧分配器352
によって生成された基準電圧（ここでは0.62V）と比較
されて、VCCがゲイン効果なしに変化することを可能に
する。その比較は、約10Hzの低いカットオフ周波数を有
する積分器356によって積分されて、JFET351の抵抗を制
御する。また、AC電流がJFET351のゲートに提供され
て、DCアイソレーションを提供するキャパシタと共にJF
ETの動作を線形化する。出力電圧VOUTは、適切なバッフ
ァを介して電話線或いは受信器に結合されても良い。
図４の実施形態は、極めて低い電圧での動作を可能に
する。トランジスタ306の飽和電圧がVCC−VBEにRE1での
電圧降下を加えたものよりも大きい限りは、回路は動作
する。電流ミラーにおける２つのエミッタ抵抗RE1及びR
E2は、フォトトランジスタ306が通常はその動作範囲の
中心で動作するように電流を制御し、且つ、PFETの特定
の所望の抵抗を得るために、使用されることもできる。
更に、この回路の帯域は図２の実施形態ほど良くない
が、この回路は、電流ミラーがフォトトランジスタ306
のコレクタの電圧を一定に保持させようとするので、広
い帯域を有する。更に、この回路は、積分器306のよう
な低い周波数制御ループを使用してFETの抵抗を基準電
圧に関して調節することによって、上記で説明したよう
な方法でフォトトランジスタの等価抵抗を制御すること
で、同じ信号の比率無し変換はやはり提供する。
する。トランジスタ306の飽和電圧がVCC−VBEにRE1での
電圧降下を加えたものよりも大きい限りは、回路は動作
する。電流ミラーにおける２つのエミッタ抵抗RE1及びR
E2は、フォトトランジスタ306が通常はその動作範囲の
中心で動作するように電流を制御し、且つ、PFETの特定
の所望の抵抗を得るために、使用されることもできる。
更に、この回路の帯域は図２の実施形態ほど良くない
が、この回路は、電流ミラーがフォトトランジスタ306
のコレクタの電圧を一定に保持させようとするので、広
い帯域を有する。更に、この回路は、積分器306のよう
な低い周波数制御ループを使用してFETの抵抗を基準電
圧に関して調節することによって、上記で説明したよう
な方法でフォトトランジスタの等価抵抗を制御すること
で、同じ信号の比率無し変換はやはり提供する。
光変圧器を形成するためには、図４に示されているよ
うな２つの回路300が使用される。第１のそのような回
路300の入力ともう一つのそのような回路300の出力と
が、適切なバッファ回路及びハイブリッドを介して電話
線に結合される。第１のそのような回路300の出力は、
適切なバッファ回路を介して、受信器或いはモデムの変
調器に結合され、そのような回路300の他方の入力は、
送信器或いは変調器の出力に結合される。この組合せ
は、完全２重光変圧器を提供するが、従来技術の回路よ
りも４つの少ないピンを必要とするのみであり、図１の
従来技術の回路に比べて、より少ない外部部品しか必要
としない。
うな２つの回路300が使用される。第１のそのような回
路300の入力ともう一つのそのような回路300の出力と
が、適切なバッファ回路及びハイブリッドを介して電話
線に結合される。第１のそのような回路300の出力は、
適切なバッファ回路を介して、受信器或いはモデムの変
調器に結合され、そのような回路300の他方の入力は、
送信器或いは変調器の出力に結合される。この組合せ
は、完全２重光変圧器を提供するが、従来技術の回路よ
りも４つの少ないピンを必要とするのみであり、図１の
従来技術の回路に比べて、より少ない外部部品しか必要
としない。
回路の更に他の実施形態が、当該分野の当業者には容
易に明らかになるであろう。もちろん、光変圧器の使用
は電話アプリケーションに限られるものではなく、他の
アプリケーションでも使用されることができる。例え
ば、図４の１次側310は、図１及び図２の実施形態の何
れかにおける１次側として使用されることができる。加
えて、比率補償は、同じ或いは同様の問題に遭遇する他
のタイプのアイソレーションカプラにおいて使用される
こともできる。更にまた、光変圧器の全体或いは好まし
くは光変圧器の一部が集積回路に組み込まれて、唯一の
外部部品が積分器のキャパシタであるようにされること
もできる。或いは、光カプラ以外の回路の全体を一つの
集積回路上に製造し、光カプラを他の集積回路上に製造
して、より良いアイソレーションを提供することもでき
る。従って、本発明の範囲に関しては、請求の範囲に頼
るべきである。
易に明らかになるであろう。もちろん、光変圧器の使用
は電話アプリケーションに限られるものではなく、他の
アプリケーションでも使用されることができる。例え
ば、図４の１次側310は、図１及び図２の実施形態の何
れかにおける１次側として使用されることができる。加
えて、比率補償は、同じ或いは同様の問題に遭遇する他
のタイプのアイソレーションカプラにおいて使用される
こともできる。更にまた、光変圧器の全体或いは好まし
くは光変圧器の一部が集積回路に組み込まれて、唯一の
外部部品が積分器のキャパシタであるようにされること
もできる。或いは、光カプラ以外の回路の全体を一つの
集積回路上に製造し、光カプラを他の集積回路上に製造
して、より良いアイソレーションを提供することもでき
る。従って、本発明の範囲に関しては、請求の範囲に頼
るべきである。
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭61−59928（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−34709（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−171908（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−177041（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−102741（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−43004（ＪＰ，Ａ)
実開 平１−147533（ＪＰ，Ｕ)
実開 平２−81081（ＪＰ，Ｕ)
米国特許4190747（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H03K 17/78
H04B 10/00
Claims (27)
- 【請求項１】光アイソレータ回路であって、可変入力信
号を受信する１次側（110）と、該一次側に光学的に結
合した二次側（120）とを含み、 前記１次側が、 印加される信号に応答して光を発する発光源（104）
と、 固定バイアス信号を生成し、前記可変入力信号を該固定
バイアス信号と合成し、該合成された信号を発光源に印
加するバイアス生成回路（114）と、 を含み、 前記２次側が、 光検出器（106）を含み、前記発光源からの光に応答し
て、前記発光源に印加される前記信号に対しスケーリン
グファクタにより関連づけられている出力電流を出力ノ
ード（126）に生成する検出回路（106） を含み、 前記２次側が、さらに、 前記出力ノード及び基準電圧（121）に結合され、前記
出力ノードにおいて実質的に一定のDC電圧を維持する制
御回路（122,128）を含み、これにより前記出力ノード
におけるAC電圧が前記可変入力信号に応答するとともに
前記スケーリングファクタからは実質的に独立している
ことを特徴とする、 光アイソレータ回路。 - 【請求項２】請求項１に記載の回路において、前記制御
回路が、 前記検出回路の出力ノードに接続された可制御トランス
コンダクタンス回路（122）と、 前記出力ノード及び基準電圧に接続され、前記出力ノー
ドにおける電圧と前記基準電圧との差に基づき前記可制
御トランスコンダクタンス回路を制御する差回路（12
8）と、 を含む、回路。 - 【請求項３】請求項２に記載の回路において、前記検出
回路の出力電流は実質的にすべて前記可制御トランスコ
ンダクタンス回路を流れる、回路。 - 【請求項４】請求項２または３項に記載の回路におい
て、前記差回路が約100Hzより少ないカットオフ周波数
を有する、回路。 - 【請求項５】請求項４に記載の回路において、前記差回
路が約10Hzより少ないカットオフ周波数を有する、回
路。 - 【請求項６】請求項１に記載の回路において、前記１次
側が、電話線と送信器とからなるグループの１つに結合
され、前記２次側が、電話線と受信器とからなるグルー
プの１つに接続される、回路。 - 【請求項７】請求項１に記載の回路において、前記発光
源が発光ダイオードであり、前記光検出器がフォトトラ
ンジスタである、回路。 - 【請求項８】請求項１に記載の回路において、前記制御
回路が積分器を含み、該積分器の出力を用いて前記トラ
ンスコンダクタンス回路を制御する、回路。 - 【請求項９】請求項８に記載の回路において、前記積分
器が約10Hzより少ないカットオフ周波数を有する、回
路。 - 【請求項１０】請求項１に記載の回路において、前記光
検出器が電流モードで動作する、回路。 - 【請求項１１】請求項１に記載の回路において、前記制
御回路が、 前記検出回路の出力ノードに結合された第１の入力と出
力とを有する第１の回路（233,235）と、 該第１の回路にフィードバック結合し、該第１の回路に
おける前記第１の入力及び前記出力との間のDC電圧を制
御する、第２の回路（237）と、 を備える、回路。 - 【請求項１２】請求項11に記載の回路において、前記第
１の回路が、反転及び非反転入力と出力とを有する演算
増幅器（235）と、該反転入力と該出力との間に結合さ
れたFET（233）とを備え、該FETが制御電極を有する、
回路。 - 【請求項１３】請求項12に記載の回路において、前記第
２の回路が、前記演算増幅器の前記出力に応答するロー
パスフィルタを備え、前記FETの前記制御電極が該フィ
ルタに応答する、回路。 - 【請求項１４】請求項11に記載の回路において、前記光
検出器が出力電圧スイングを有し、前記第１及び第２の
回路が該光検出器の該出力電圧スイングを実質的に相殺
するゲインを有し、これによって、前記光アイソレータ
回路の周波数帯域を増加する、回路。 - 【請求項１５】請求項11に記載の回路において、前記制
御回路が、第１及び第２の基準電圧を供給する基準電圧
生成器を含み、該第１の基準電圧は、第２の基準電圧の
半分にほぼ等しく、 前記第１の回路が、該第１の基準電圧と前記検出回路の
出力ノードにおける前記電圧との間の差を決定する第１
の差回路（235）を含み、 前記第２の回路が、該第１の回路の出力と該第２の基準
電圧との間の差を決定する第２の差回路（237）を含
む、回路。 - 【請求項１６】請求項15に記載の回路において、前記第
１の回路はFET（233）を含み、該FETは、該FETがDC電圧
を前記第１の差回路の出力における第２の基準電圧にほ
ぼ等しくするように、前記第１の回路の入力と出力との
間に結合された、回路。 - 【請求項１７】請求項11に記載の回路において、前記第
２の回路が、10Hzのカットオフ周波数を有する積分器
（237）を備える、回路。 - 【請求項１８】請求項１に記載の回路において、前記制
御回路が、 前記光検出器（306）の電流パスに結合された入力と、
前記検出回路の出力ノードにおいて出力電流を供給する
出力とを有する電流ミラー（350）を、さらに含む、回
路。 - 【請求項１９】請求項18に記載の回路において、前記電
流ミラーが、更に、該電流ミラーの入力と出力とにおけ
る電流の比率を調整するエミッタ抵抗（250,330）を含
む、回路。 - 【請求項２０】請求項１に記載の回路において、前記可
変入力信号は電流信号であり、前記バイアス生成回路が
電流源を含む、回路。 - 【請求項２１】請求項１に記載の回路において、前記可
変入力信号は電圧信号であり、前記バイアス生成回路が
電圧源を備えている、回路。 - 【請求項２２】請求項１に記載の回路において、前記光
検出器（106）は単一の電流パスを有する、回路。 - 【請求項２３】光アイソレータ回路の２次側の出力ノー
ドにおいて出力を生成する方法であって、前記光アイソ
レータ回路が、発光源を含む１次側と、該発光源に光学
的に結合された光検出器を含む前記２次側とを含み、前
記出力は可変入力信号に応答し、 前記方法は、 固定バイアス信号成分と前記可変入力信号との合成であ
る入力信号を前記発光源に供給するステップと、 前記発光源に印加された入力信号に対しスケーリングフ
ァクタにより関連付けられている出力電流を前記出力ノ
ードにおいて生成するステップと、 を含み、 前記出力ノードにおいて実質的に一定のDC電圧を維持す
るステップをさらに含み、これによって、前記可変信号
と応じて変化すると共に、前記スケーリングファクタか
らは実質的に独立しているAC電圧を前記出力ノードにお
いて得ることを特徴とする方法。 - 【請求項２４】請求項23に記載の方法において、前記維
持ステップが、 実質的にすべての出力電流に前記出力ノードに結合され
た可制御トランスコンダクタンス回路を通過させるステ
ップと、 前記可制御トランスコンダクタンス回路を調節して前記
出力ノードにおいて実質的に一定のDC電圧を維持するス
テップと、を 含む、方法。 - 【請求項２５】請求項24に記載の方法において、前記調
節ステップが、前記出力ノードにおける電圧と基準電圧
との差に基づき前記トランスコンダクタンス回路を調節
するステップを含む、方法。 - 【請求項２６】請求項23に記載の方法において、前記生
成ステップが、 前記光検出器の出力電流をミラーリングするステップ
と、 該ミラーリングした電流を前記出力電流として前記出力
ノードに供給するステップと、 を含む、方法。 - 【請求項２７】請求項25に記載の方法において、前記調
節ステップとが、 前記出力ノードにおける電圧と基準電圧とを比較し、該
比較を積分し、該積分に基づき前記トランスコンダクタ
ンス回路を調節するステップとを含む、方法。
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|---|---|---|---|
| US08/791,758 US5949085A (en) | 1997-01-29 | 1997-01-29 | Ratiometric compensated optical isolation coupler |
| US08/791,758 | 1997-01-29 | ||
| PCT/US1998/001470 WO1998033285A1 (en) | 1997-01-29 | 1998-01-27 | Ratiometric compensated optical isolation coupler |
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Family
ID=25154703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP53220098A Expired - Lifetime JP3413211B2 (ja) | 1997-01-29 | 1998-01-27 | 比率補償された光アイソレーションカプラ |
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