JP3419546B2 - 正転型トランスインピーダンス回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光検出信号のような前
段からの入力信号を増幅して次段に反転せずに出力する
非反転の正転型トランスインピーダンス回路に関するも
のであり、特に、低電圧、低消費電力で大きな増幅度が
要求されるような場合、例えば、２線式光電スイッチに
おいて光センサからの信号を増幅するための前置増幅器
に用いるのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン集積化光センサは、従来
のバイポーラプロセスを利用してＰＮホトダイオードを
形成するものとの概念が強く、バイポーラの製造工程で
制約されたＰＮホトダイオードが形成されていたことか
ら、分光感度が悪く、寄生容量も大きく、空乏層の広が
りも狭くなって、単体のホトダイオードと比較してはる
かに劣る性能であった。そのため、応用分野も制限さ
れ、集積化光センサの発展の障害になっていた。そこ
で、本願発明者らは、従来の光センサの性能上の課題を
克服するデバイスとして、独自に集積化ＰＩＮホトダイ
オードセンサを開発した（M.Kyoumasu,H.Nakamura,T.Su
zuki,K.Kato and M.Sahara:"International Conference
on Solid-State sensor and Actuators pp.289-292 ;
京増幹雄, 加藤要, 中村浩康, 佐原 正哲:"モノリシッ
ク化ＰＩＮホトダイオードとその諸特性" 信学論vol.j7
4-c-2 No.5 pp.477-487(1991) ）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明者らによる上
記デバイスは、高速応答，高分光感度特性等の特徴を有
し、発明者らはこれを利用し、２線式光電スイッチ用ホ
トＩＣを開発する事とした。

【０００４】２線式光電スイッチ用ホトＩＣは、バイポ
ーラの回路構成を有し、モジュールの入出力が信号線と
グランド線の２つだけで構成され、信号線を通してモジ
ュールの電力供給と信号出力（センサに光が入るとセン
サ内部で設定されている電圧までインピーダンスを下
げ、信号線の電圧を"L" レベルにすることで、信号を伝
える機能を有している) を同時に行い、従来の３線式光
電スイッチと比較し、配線が減少することにより、シー
ケンサなどとの接続が容易になるという利点がある。

【０００５】光電スイッチはＦＡ(Factotry Automation
)分野で多く利用され、この分野では雑音耐力を向上さ
せるために、１２Ｖ系や２４Ｖ系の高電圧系がよく使わ
れている。そのため、２線式光電スイッチ用ホトＩＣ内
部のセンサ回路は３Ｖから２６．５Ｖで動作し、信号線
の「Ｌ」の出力時は３Ｖ以下であることが必要である。
したがって、内部回路を定電圧で駆動するとしてもこの
ような低い電圧で動作するものでなければならない。

【０００６】また、スイッチとして利用するものである
ので、オフの時の電流が０であるのが理想であり、内部
回路を動作させているにしてもできるだけ小さいのが望
ましく、平均消費電流はＬＥＤのドライブ電流も含めて
０．８ｍＡ以下と小さく、通常のシーケンサなどにも十
分接続可能な近接スイッチを構成する必要がある。した
がって、ＬＥＤからの光を検出したホトダイオードから
の信号の前置増幅器は、低電圧、低消費電力で大きな増
幅度が要求される。

【０００７】ホトダイオードからの光信号の前置増幅器
として広く知られているものに、反転型のトランスイン
ピーダンス回路がある。図３は、このトランスインピー
ダンス回路１１０ａ，ｂを２段接続し、非反転のトラン
スインピーダンスアンプを構成したものである。

【０００８】１段目のトランスインピーダンス回路１１
０ａの出力のバイアス電圧は、 Ｉ₁ ／β₁ Ｒ₁ ＋Ｖ_BE1 …（１） （βは増幅率、Ｉはコレクタ電流、Ｖ_BEはベース・エミ
ッタ間電圧，添字「１」は１段目のトランジスタＱ₁₀で
あることを示す。又、Ｒ₁ はコレクタに接続された抵抗
値）で与えられる。

【０００９】したがって、２段目のトランスインピーダ
ンス回路１１０ｂもまったく同一構成であれば、出力の
バイアス電圧の変動がない非反転のトランスインピーダ
ンスアンプとなるのであるが、まったく同一のパラメー
タの全く同一の構成というのは現実にはあり得ず、特
に、集積回路においては必ずいくらかの誤差を持つ。こ
の誤差ΔＶ_off は次の式（２）で与えられる。

【００１０】ΔＶ_off ＝（Ｒ２／Ｒ３）｛Ｉ₁ ／β₁ Ｒ
₁ ＋Ｖ_BE1 ）−（Ｉ₂ ／β₂ Ｒ₂ ＋Ｖ_BE2 ）｝…（２） （記号は式１と同じであり、添字「２」は２段目のトラ
ンジスタＱ１２を示す）この式から明らかなように、こ
の電圧が抵抗Ｒ₃ と抵抗Ｒ₂ の比で決まる値だけ増幅さ
れ、出力のバイアスを変動させる。このことは、大きな
増幅度をとれたとしても、十分なダイナミックレンジが
とれず、出力を小さなレベルに飽和させてしまうことに
なり、上記の用途には余り好適なものとはいえない。

【００１１】図３回路以外に、バイポーラ回路構成の非
反転のトランスインピーダンスアンプとして例えば「特
開平５−２３５６４９」記載の回路があるが、この回路
も２線式光電スイッチ用ホトＩＣのように低電圧、低消
費電力で大きな増幅度が要求されるような用途に余り好
適とはいえない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の正転型トランスインピーダンス回路は、そ
のベースが入力端に接続され、そのエミッタと接地電位
との間に第１の抵抗が接続されたエミッタ接地の第１の
トランジスタと、この第１のトランジスタのコレクタに
そのベースが接続され、エミッタフォロワ回路を構成す
る第２のトランジスタと、そのベースに第２のトランジ
スタのエミッタからの出力が与えられ、そのコレクタが
出力端に接続されたエミッタ接地の第３のトランジスタ
と、そのベースが第３のトランジスタのコレクタに接続
され、そのエミッタが第２の抵抗を介して第１のトラン
ジスタのエミッタに接続された第４のトランジスタと、
第１のトランジスタのベースと第２のトランジスタのエ
ミッタとの間に接続された第３の抵抗とを備える。

【００１３】第４のトランジスタは、第１のトランジス
タと第３のトランジスタのベースエミッタ間電圧が等し
くなるように制御しており、第１のトランジスタ及び第
３のトランジスタに流れる電流は第１の抵抗と第３の抵
抗の比で与えられるようにしても良い。

【００１４】第１のトランジスタのコレクタには、第１
の定電流源回路が接続され、第３のトランジスタのコレ
クタには、第２の定電流源回路が接続されるようにして
もよい。

【００１５】

【作用】本発明の正転型トランスインピーダンス回路で
は、自己バイアスの第１のトランジスタは反転型の初段
の増幅部を構成し、第３のトランジスタで反転型の出力
段の増幅回路部が構成されている。第１のトランジスタ
のエミッタと第３のトランジスタのコレクタとの間に接
続された第４のトランジスタによるフィードバック回路
により、出力段の出力が初段の増幅部に電圧帰還され
る。こうして、非反転の帰還増幅器を構成している。

【００１６】ここで、初段と出力段との間には、第２の
トランジスタによるエミッタフォロア回路が初段に直結
接続され、この回路に出力段は直結接続されていること
から、初段のゲインロスを非常に小さくしつつレベルシ
フトさせて出力段の第３のトランジスタのベースにバイ
アス電位を与えるようになっている。また、エミッタフ
ォロア回路から初段の第１のトランジスタのベースに帰
還バイアスを与えて自己バイアスと組み合わせること
で、第１のトランジスタのバイアスを高安定化させ、直
結構成で第３のトランジスタのベースにバイアス電位を
与えていることから、第３のトランジスタのバイアスは
良好なバイアス点で非常に安定したものになる。こうし
て、本発明のトランスインピーダンス回路は、簡単な構
成を持つだけでなく、安定で良好なバイアス点を持つダ
イナミックレンジの広いものとすることができる。

【００１７】第４のトランジスタは、そのエミッタ−ベ
ース間の電流−電圧特性の湾曲点にバイアスされてお
り、これが略オフ状態に近くなっていると、このトラン
ジスタをオンにするようにバイアス点が変動した場合、
大きなフィードバックがかかりバイアスを安定させるた
め、高い安定性を持たせ得る。そして、オン状態にしな
いような信号に対して大きなゲインを持つ非反転増幅を
することができる。

【００１８】第４のトランジスタが、第１および第３の
トランジスタのベースエミッタ間の電圧が等しくなるよ
うに制御することにより、バイアス点の補正をする必要
がなくなり、バイアス点のバラツキの少ない回路を構成
できる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の正転型（非反転型）トランスインピー
ダンス回路の最も基本的な構成例を示したものである。
この回路は、２線式光電スイッチ用ホトＩＣ上に形成さ
れるものであり、いわゆる直結増幅回路となっている。
信号の増幅にかかる各トランジスタには上記ＩＣに形成
しやすくかつ増幅度が高くとれるようにＮＰＮ型を使用
している。

【００２０】トランジスタＱ1 は、そのコレクタに接続
された抵抗Ｒ42，そのエミッタに接続されたＲ23ととも
に自己バイアス型の初段の増幅器を構成し、入力端INか
らベースに与えられる入力電流、例えば、ＰＩＮフォト
ダイオードの検出電流を増幅してトランジスタＱ2 のベ
ースに与える。トランジスタＱ2 は、そのエミッタに接
続された定電流源回路Ｑ40とともにエミッタフォロア回
路を構成する。トランジスタＱ2 のエミッタとトランジ
スタＱ1 のベースとの間には抵抗Ｒ25が接続されてお
り、この抵抗Ｒ25を介してバイアスを与えるとともにト
ランジスタＱ1 のコレクタからの出力が帰還されるよう
になっており、いわゆる帰還バイアス回路を成してい
る。

【００２１】トランジスタＱ3 は、そのコレクタに接続
された抵抗Ｒ52，そのエミッタに接続された抵抗Ｒ27と
ともに２段目（出力段）の増幅器を構成し、ベースには
抵抗Ｒ28を介してトランジスタＱ2 のエミッタから初段
で増幅された信号及びバイアスが与えられている。そし
て、トランジスタＱ3 のコレクタの出力端OUT から増幅
された信号が出力されるようになっている。抵抗Ｒ28は
トランジスタＱ3 へのベース電流調整用である。

【００２２】また、トランジスタＱ3 のコレクタにはト
ランジスタＱ4 のベースが接続されており、トランジス
タＱ4 のエミッタは抵抗Ｒ24を介してトランジスタＱ1
のエミッタに接続されている。トランジスタＱ4 は電圧
帰還型の負帰還回路を構成している。抵抗Ｒ42と抵抗Ｒ
52の抵抗値を等しくするなどにより、トランジスタＱ4
はトランジスタＱ1 とトランジスタＱ３のベースエミッ
タ間電圧Ｖ_BEが等しくなるように制御している。このよ
うな制御を行うことにより、トランジスタＱ1とトラン
ジスタＱ3 のエミッタ電流の比は抵抗Ｒ42と抵抗Ｒ52の
比で与えられるようになる。

【００２３】そのため、各素子の制作時のバラツキがあ
ったとしても、その変動が吸収されるので、バイアス点
の補正の必要がなくなり、バイアス点の変動の小さな回
路を構成できるようになっている。

【００２４】図２は、図１の抵抗Ｒ42，Ｒ52を定電流源
回路とした場合の回路構成を示したものであり、図１と
略同じ構成になっている。なお、図１と同一要素には同
一符号を用いてある。この回路では抵抗Ｒ42にかえてト
ランジスタＱ24による定電流源回路、抵抗Ｒ52にかえて
トランジスタＱ25による定電流源回路を用いている。こ
れらのトランジスタＱ24，Ｑ25には外部からバイアス電
圧Ｖ_B1を与えることにより定電流源回路として動作す
る。また、トランジスタＱ2 のエミッタにコレクタが接
続されたトランジスタＱ40も定電流源回路を構成し、ベ
ースにはバイアス電圧Ｖ_B2が与えられている。なお、ト
ランジスタＱ4 のベースとトランジスタＱ2 のベースの
間に接続されたコンデンサＣ33は位相調整用であり、入
力端INとトランジスタＱ1 のベースの間に接続された抵
抗Ｒ22はインピーダンス調整用である。

【００２５】これらのトランスインピーダンス回路で
は、トランジスタＱ1 による初段の増幅器で入力端INか
らの入力信号は反転増幅され、エミッタフォロワ回路を
経た信号は、ベースに抵抗Ｒ28が接続されたトランジス
タＱ3 による出力段の増幅器で反転増幅され、電圧とし
てコレクタの出力端OUT から出力される。こうして非反
転の増幅器を構成している。

【００２６】初段の増幅器では、自己バイアス方式をと
っており、また、エミッタフォロワ回路から帰還バイア
スされているので、そのバイアス点は非常に安定したも
のになっている。また、初段の出力をエミッタフォロワ
回路を介して出力段の増幅器に与えていることから、初
段の増幅度を下げることなく、また、ゲインをロスする
ことなく信号を出力段の増幅器に与えるとともに、レベ
ルシフトして出力段の増幅器に安定したバイアスを与え
ている。こうして、バイアス点の安定したものになって
いる。

【００２７】また、トランジスタＱ4 がＶ_BE−Ｉ_BE特性
の湾曲点にバイアスされているので、このトランジスタ
Ｑ4 をオンにするようにバイアス点が変動する場合、大
きなフィードバックがかかってバイアスを安定させる。
即ち、電源電圧ＶCCの変動などによりトランジスタＱ2
のエミッタ電位が下がると出力端OUT の電位が上がるた
め、トランジスタＱ4 がオンになって抵抗Ｒ24に電流が
流れる。これによって、トランジスタＱ1 の電流が抑え
られ、トランジスタＱ2 のエミッタ電位が下がる。こう
して、大きなフィードバックがかかって出力端OUT の電
位がトランジスタや抵抗のパラメータによらずバランス
点に落ち着くことになる。一方、トランジスタＱ2 のエ
ミッタ電位があがると出力端OUT の電位がさがるため、
トランジスタＱ4 はオフ状態に近いままなので、上述の
ようなフィードバックはほとんど働かず、２段の反転増
幅によるゲインの大きな非反転の増幅器として動作す
る。

【００２８】このように、トランジスタＱ4 をオンにす
るようなバイアス点の変動（図では、等価的に入力端IN
或いは出力端OUT の電圧をあげるような変動）に対して
高い安定性を持たせ得る。そして、オン状態にしないよ
うな信号に対して大きなゲインを持つ非反転増幅をする
ことができる。

【００２９】上記回路において、電源電圧の変動や回路
のパラメータやミスマッチング量が吸収できる分を含め
て回路の定数やトランジスタＱ4 のバイアス点を決めて
おくことで、自動的にバイアスを調節するという、安定
度の高いトランスインピーダンス回路を構成することが
できる。

【００３０】２線式光電スイッチ用ホトＩＣといったバ
イポーラのＩＣ、即ち、低電圧、低消費電力、大きな増
幅度が要求されるような場合において、本発明の回路
は、大きな増幅度を持たせることができ、素子数が少な
くて済むことから、特にトランジスタＱ4 をオフ状態と
していることから低消費電力である。また、低電圧で動
作させるためには、トランジスタをできるだけダイナミ
ックレンジがとれる安定なバイアス点で動作をさせる必
要があり、回路のミスマッチングや誤差により良好なバ
イアス点からずれると出力が飽和し十分な出力レベルが
えられないのであるが、本発明の回路は非常にバイアス
点が安定しており、これらの用途に好適なものになって
いる。したがって、２線式光電スイッチ用ホトＩＣだけ
でなく、同様な条件が要求される用途、例えば、光ファ
イバ通信の受信側ヘッドアンプや、クランプ回路を経た
低いレベルのビデオ信号の増幅、特に電池駆動の携帯用
機器などにも用い得る。

【００３１】これに対し、前述の従来例では、図３の回
路については前述したとおりであり、「特開平５−２３
５６４９」記載の回路（特に図４）は広帯域にわたって
利得を一定化し、入出力インピーダンスの一定化を目的
に構成されたものである。

【００３２】この公報記載の回路は、２段のエミッタ接
地回路により構成され、出力段から入力段へ直並列帰還
及び並列帰還をかけている。そして、入力段の出力はダ
ーリントン接続され、トランジスタ（上記引例図４のTr
7 ）を介して並直列帰還されているため、帰還回路の利
得は圧縮され、また、直流電位差が出力端子（上記引例
図４の符号102 ）と第１のトランジスタのエミッタとの
間に生じる欠点を有していた。

【００３３】これに対して、本発明は、広帯域化を目的
としたものではなく、高利得化を目的としたものである
ため、上記ダーリントン接続の回路はなく、かわりに高
利得を得ながらレベルシフトをしてトランジスタＱ3 に
良好なバイアスを与えるためのエミッタフォロワ回路が
設けられている。したがって、ゲインを小さくするよう
な利得の圧縮は行われない。さらに、本発明では、トラ
ンジスタＱ4 をＶ_BE−Ｉ_BE特性の湾曲点にバイアスし、
バイアスの高安定化を図っている。

【００３４】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、簡単な構成
を持つトランスインピーダンス回路としつつも、安定で
良好なバイアス点を持つダイナミックレンジの広いトラ
ンスインピーダンス回路とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路構成例を示す図。

【図２】本発明の回路構成例を示す図。

【図３】従来の回路構成例を示す図。

【符号の説明】

Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 …トランジスタ，Ｑ24，Ｑ25，
Ｑ40…定電流源回路、 Ｒ23，Ｒ24，Ｒ25，Ｒ27…抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−78506（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−85556（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−175305（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−278906（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03F 1/34 H03F 3/08 H03F 3/343

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 そのベースが入力端に接続され、そのエ
   ミッタと接地電位との間に第１の抵抗が接続されたエミ
   ッタ接地の第１のトランジスタと、 この第１のトランジスタのコレクタにそのベースが接続
   され、エミッタフォロワ回路を構成する第２のトランジ
   スタと、 そのベースに前記第２のトランジスタのエミッタからの
   出力が与えられ、そのコレクタが出力端に接続されたエ
   ミッタ接地の第３のトランジスタと、 そのベースが前記第３のトランジスタのコレクタに接続
   され、そのエミッタが第２の抵抗を介して前記第１のト
   ランジスタのエミッタに接続された第４のトランジスタ
   と、 前記第１のトランジスタのベースと前記第２のトランジ
   スタのエミッタとの間に接続された第３の抵抗とを備え
   た正転型トランスインピーダンス回路。
2. 【請求項２】 前記第４トランジスタは、そのエミッタ
   ーベース間の電流−電圧特性の湾曲点にバイアスされて
   おり、略オフ状態に近くなっていることを特徴とする請
   求項１記載の正転型トランスインピーダンス回路。
3. 【請求項３】 前記第１のトランジスタのコレクタと電
   源との間には、第１の定電流源回路が接続され、 前記第２のトランジスタのエミッタと接地電位との間に
   は、第２の定電流源回路が接続され、 前記第３のトランジスタのコレクタと電源との間には、
   第３の定電流源回路が接続されていることを特徴とする
   請求項１記載の正転型トランスインピーダンス回路。
4. 【請求項４】 前記第１乃至第４のトランジスタはＮＰ
   Ｎトランジスタであることを特徴とする請求項１記載の
   正転型トランスインピーダンス回路。