JP3610511B2 - 自動閾値設定回路及び赤外線レシーバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオード（又は、他の光検出装置）を流れる平均電流に基づいて赤外線ワイヤレス・レシーバの閾値を調節するために使用される回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在の米国の赤外線データ協会（ＩｒＤＡ）標準は、適度に大きい帯域幅を持った高感度のレシーバを必要とし、従って、フォトダイオードにおける電流によって発生されるショット・ノイズの影響を受け易い。最近提案された高速ワイヤレスの使用法は更に大きい帯域幅を必要とし、問題を更に厳しいものにしている。その問題は、極めて容易にわかることである。即ち、レシーバは十分に明るい太陽光に対してはこのショット・ノイズ時にトリガするであろうし、或いは、赤外線におけるスペクトル成分を持った明るい光に対しては適度なものになるであろう。この問題はＩｒＤＡのプロトコルのために厳しい。即ち、何らかのパルスがレシーバから生じる場合、上位層プロトコルは、他の誰かかその部屋で話をしている（しかし、それらはそれを理解することができないのでそれらに話しかけているのではない）ものと見なすであろうし、周囲の太陽光（又は、卓上電気スタンド）によって非常に混乱させられたトランシーバは何にも話しかけないであろう。
【０００３】
１つの例として、或主要なベンダの回路のパフォーマンスが測定された。それが６０ワットの電球から１メートルのところにある時、レシーバの出力はショット・ノイズによって支配される。周囲の又は背景の光に対するこの感度のために、多くの消費者は赤外線（ＩＲ）ワイヤレス・パフォーマンスによって不利になることがある。レシーバにおける判断の閾値を単に増大させる場合、データを送るためには更に多くの信号が必要とされるであろうし、信号対雑音比（ＳＮＲ）は改善するであろうが、更に多くの光が必要とされ、発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力は既に目の安全限界に近いので、この雑音免疫を与えるために、結合の範囲は必ず減少するであろう。これは問題であり、ジレンマである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、広範囲の周波数及び電力レベルに跨って動作し得るＩＲレシーバ用の自動閾値設定回路を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、太陽光又は他の周囲光がレシーバにほとんど届かない環境においては非常にセンシティブな閾値を可能にするが、大量の周囲光がフォトダイオード上に注ぐ時にはレシーバの閾値を増加させる適応閾値回路が提供される。その回路は、周囲光レベルによって逆バイアスＩＲ光検出器を流れる電流を感知する。この電流測定は、レシーバの感度を調節するために使用される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図面、特に、図１を参照すると、本発明の自動閾値設定回路が一般的な形式で示される。赤外線（ＩＲ）光検出器１１が一対のバイアス抵抗器１２及び１３の間に直列に接続される。光検出器１１は逆バイアスされており、その検出器を流れる如何なる電流も（極僅かな漏洩電流又は暗電流を除いて）その逆バイアスＰＮ接合を通過する光誘起キャリアによるものである。バイアス抵抗器１２は電圧源ＶＤＤに接続され、光検出器１１に或バイアス・レベルを与える。ＩＲ光検出器１１の両側に接続された入力キャパシタ１４及び１５は差動前置増幅器１６に交流（ＡＣ）結合入力を与え、その前置増幅器１６に高周波信号だけを送る。キャパシタ１４及び１５の大きさは、増幅したい信号の周波数に依存した設計選択事項である。
【０００７】
本発明によって解決される１つの問題は、光検出器１１において感知された高い強度の光によって発生される大量のＤＣ光信号を扱う方法である。このノイズは、ＤＣ信号を阻止するキャパシタ１４及び１５によって取り除かれる。又、高い強度の光は、キャパシタ１４及び１５を通して結合される高周波ノイズも生じる。
【０００８】
前置増幅器１６の出力は差動ポスト増幅器１７の入力に直接に接続される。ポスト増幅器１７の出力は、処理回路に出力信号を供給するオフチップ・ドライバ１９に接続される。好適な実施例におけるその回路の利得は７００万のオーダにある。これは、或入力信号のレベルが１５０ナノ・アンペア程度に低くなり得るためである。この電流は１０ミリ・アンペア程度に高くもなり得る。従って、極めて広範囲の信号強度が存在することがわかる。大きい振幅の入力ノイズは増幅後の信号を著しく劣化させることがある。測定されるべき極めて小さい振幅の信号のために、本発明による自動閾値回路は、広範囲の振幅に跨るデータ信号の検出を可能にするために設けられなければならない。
【０００９】
光検出器１１を流れる電流は、抵抗器に跨って発生される電圧によって、又はアクティブ・バイアス回路により印加される制御電圧によって感知可能である。直流（ＤＣ）自体或いはその電流に比例した電圧が、比較器（アクティブ利得段の後）における閾値を増加させるために使用可能である。図１に示された実施例では、感知抵抗器２１がバイアス抵抗器１３と回路接地レベルとの間に直列に接続される。これはその自動閾値設定回路に対する感知素子であり、抵抗器２１を流れる電流は光検出器１１における周囲光の関数である。抵抗器２１に跨る電圧降下がバッファ及びレベル・シフタ２２に入力される。バッファ及びレベル・シフタ２２の出力は、共通ベース接続及びエミッタ接続を持つ一対のＮＰＮバイポーラ・トランジスタ２３及び２４より成る電流ミラーに対する入力である。バッファ及びレベル・シフタ２２の出力はトランジスタ２３のコレクタ及びトランジスタ２３及び２４の共通ベース接続部に接続される。トランジスタ２４のコレクタは、ノードＢにおいて、閾値設定抵抗器２５と直列に接続される。その抵抗器２５は、ノードＣにおいて、ポスト増幅器１７の負出力に接続される。
【００１０】
その電流ミラーは、バッファ及びレベル・シフタ２２によって制御される可変インピーダンスとして動作する。光検出器１１に当たる周囲光が小さければ小さいほど、感知抵抗器２１を流れる電流は少なくなるが、その逆のことも云える。周囲の低い光レベルに対しては、トランジスタ２４の導通は減少するので、抵抗器２５を流れる電流は少なくなる。
【００１１】
レベル回復回路２６がポスト増幅器１７の入力に跨って接続される。その回路２６は、一方の入力をノードＡとして示された増幅器１７の正の出力に接続され、他方の入力をノードＢに接続される。閾値は、抵抗器２５を通して電流を引き入れ、そしてノードＢにおいて電圧を発生することによりポスト増幅器１７の出力における電圧レベルを感知することによって設定される。増幅器１７の出力は、ノードＡ及びＢにおける電圧が等しいことを保証するレベル回復回路２６に印加される。従って、ノードＣにおける電圧は、いつも、ノードＡにおけるレベルから正にオフセットされるであろう。ノードＣがノードＡからオフセットされる量が閾値である。従って、その閾値が如何なるノイズよりも大きい場合、ノイズはオフ・チップ・ドライバ１９の出力に現れないであろう。
【００１２】
図１に示された実施例は、図２の第２実施例に示されるように単純化可能である。図２では、図１のものと同じエレメント又はそれに対応するエレメントを同じ参照番号で示す。この第２実施例では、レベル回復回路２６が省略され、閾値設定抵抗器２５がポスト増幅器１７の正の出力及びオフチップ・ドライバ１９と直列になるように移動される。電流ミラーのＮＰＮトランジスタ２４のコレクタは、閾値設定抵抗器２５とオフチップ・ドライバ１９との間の接続点に接続される。従って、トランジスタ２４の導通によって、オフチップ・ドライバ１９に出力された信号はその閾値に従って調節されるであろう。
【００１３】
第３実施例では、感知抵抗器２１からの信号は利得段の１つの利得を減少させるために使用される（それは閾値を変更させることと同じことを効果的に行うであろう）。その第３実施例は図３に示される。それも又、同じ参照番号は同じエレメント又は対応するエレメントを表す。この第３実施例では、ポスト増幅器１７は調節可能な利得制御を持った増幅器である。これは、第１及び第２実施例において使用された電流ミラー及び閾値設定レジスタの削除を可能にする。バッファ及びレベル・シフタ２２の出力はポスト増幅器１７の利得制御入力に直接に接続される。この実施例では、その回路の閾値は一定であるが、その回路が受けることができる入力信号レベルを変えるためには、利得が変更される。光のレベルは依然として感知抵抗器２１によって感知される。信号レベル（従って、ショット・ノイズ）が高い時、利得制御信号はポスト増幅器１７の利得を減少させる。これは、信号感度を犠牲にするけれども、周囲光によるノイズに対するその回路の感度を減少させる。
【００１４】
バッファ及びレベル・シフタ回路ブロック２２には幾つかの可能な実施方法がある。好適な実施方法が図４に示される。この回路はＰ型の電界効果トランジスタ（ＰＦＥＴ）２７より成り、それは、回路接地レベルに接続されたドレイン及びバイアス抵抗器２８と直列に電圧源ＶＤＤに接続されたソースを有する。その回路に対する入力はＰＦＥＴ２７のゲートに接続され、その出力はソース及び抵抗器２８の接続部から取られる。その回路は３つの主な機能を遂行する。第１に、それは、光検出器バイアス回路上に最小の負荷を与えるために高い入力インピーダンスを与える。第２に、それは、光検出器とレシーバの入力との間の信号の損失を最小にするために低い入力キャパシタンスを与える。第３に、その回路の出力は、次に続く電流ミラー段が所望のモードで動作することを可能にするために高い電圧レベルにある。
【００１５】
図５は、調節可能な利得制御を持ったポスト増幅器１７の実施方法を示す。この回路は、出力から入力にフィードバック・パスで接続された電界効果トランジスタＦＥＴ３１及び３２を有する基本増幅段より成る。バッファ及びレベル・シフタ２２からの利得制御信号がＦＥＴ３１及び３２のゲートに印加される。ＦＥＴ３１及び３２のゲート電圧を変えることによって、フィードバック・インピーダンスは変更可能になり、従って、回路の利得が変更可能である。
【００１６】
基本増幅段のバイアス電流を変えるために利得制御電圧を使用することを含む可変利得増幅器を実現する他の幾つかの方法がある。従って、当業者には明らかなように、本発明の実施は如何なる特定の利得制御回路にも限定されない。更に、本発明の幾つかの実施例は差動増幅器を使用して実現されたけれども、シングルエンド増幅器を使用した同等の方法が実施可能であることは当業者には明らかであろう。実際に本発明を実施する方法に関係なく、本発明を組み込んだＩＲレシーバは、暗いところでは送信された信号に対して高い感度を有し、直接の太陽光では低い感度を有するであろうし、明るい太陽光又は白熱光においてさえノイズのある出力を生じることはないであろう。この方法では、レシーバは周囲の発光環境に適応し、所定量の周囲光が光検出器に達する場合、最良の感度を与える。
【００１７】
３つの実施例によって本発明を説明したけれども、本発明がその精神の範囲内で修正して実施可能であることは当業者には明らかであろう。
【００１８】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００１９】
（１）周囲光によって逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる直流電流を測定するための感知抵抗器と、
前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる測定された直流電流に応答して制御信号を発生するためのレベル・シフタと、
前記制御信号に応答して、前記逆バイアスされた赤外線光検出器からの交流信号を増幅するように接続された増幅段の利得を制御するための閾値手段と、
を含む赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（２）前記閾値手段は、
前記逆バイアスされた赤外線光検出器のための前記増幅段の出力に接続された閾値設定抵抗器と、
前記制御信号に応答して、前記閾値設定抵抗器を通して流れる電流を制御するための手段と、
を含むことを特徴とする上記（１）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（３）前記制御するための手段は電流ミラーであることを特徴とする上記（２）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（４）前記閾値設定抵抗器に接続され、前記増幅段の利得を制御するための手段を含むことを特徴とする上記（３）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（５）前記閾値手段は前記増幅段に対する調節可能な利得制御であることを特徴とする上記（１）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（６）前記調節可能な利得制御は前記増幅段のフィードバック・パスにおいて接続された電界効果トランジスタを含むこと、及び
前記電界効果トランジスタは前記制御信号を受信するようにゲートを接続されること、
を特徴とする上記（１）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（７）前記レベル・シフタは、前記感知抵抗器に接続されたゲートを有し且つ前記制御信号を発生するための電界効果トランジスタを含むことを特徴とする上記（１）に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
（８）逆バイアスされた赤外線光検出器と、
前記逆バイアスされた赤外線光検出器のための増幅段と、
周囲光によって前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる直流電流を測定するための感知抵抗器と、
前記逆バイアスされた赤外線光検出器のための前記増幅段の出力に接続された閾値設定抵抗器と、
前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる測定された直流電流に応答して前記閾値設定抵抗器を通して流れる電流を制御するための閾値手段と、
を含む赤外線レシーバ。
（９）前記閾値設定抵抗器に接続され、前記増幅段の利得を制御するための手段を含むことを特徴とする上記（８）に記載の赤外線レシーバ。
（１０）前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる測定された直流電流に応答して制御信号を発生するためのレベル・シフタと、
前記制御信号に応答して、前記閾値設定抵抗器を通して流れる電流を制御するための電流ミラーと、
を含むことを特徴とする上記（８）に記載の赤外線レシーバ。
（１１）前記閾値設定抵抗器に接続され、前記増幅段の利得を制御するための手段を含むことを特徴とする上記（９）に記載の赤外線レシーバ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例による自動閾値設定回路の第１実施例を示す概略図である。
【図２】本発明の好適な実施例による自動閾値設定回路の第２実施例を示す概略図である。
【図３】本発明の好適な実施例による自動閾値設定回路の第３実施例を示す概略図である。
【図４】図１、図２、及び図３に示された自動閾値設定回路に使用されるバッファ及びレベル・シフタ回路の１つの実施方法の概略図である。
【図５】図３に示された自動閾値設定回路に使用される調節可能な利得回路を持ったポスト増幅器の１つの実施方法の概略図である。

Claims (6)

1. 周囲光によって電流が流れる逆バイアスされた赤外線光検出器と、
   前記赤外線光検出器を通して流れる直流電流を測定するための感知抵抗器と、
   前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる測定された直流電流に応答して制御信号を発生するためのレベル・シフタと、
   前記逆バイアスされた赤外線光検出器からの交流信号を増幅するように接続された増幅段と、
   前記増幅段の出力に接続された閾値設定抵抗器と、
   前記制御信号に応答して、前記閾値設定抵抗器を通して流れる電流を制御するための手段と、
   を含む赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
2. 前記制御するための手段は電流ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
3. 前記閾値設定抵抗器に接続され、前記増幅段の利得を制御するための手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線レシーバ用自動閾値設定回路。
4. 周囲光によって電流が流れる逆バイアスされた赤外線光検出器と、
   前記赤外線光検出器を通して流れる直流電流を測定するための感知抵抗器と、
   前記逆バイアスされた赤外線光検出器を通して流れる測定された直流電流に応答して制御信号を発生するための手段と、
   前記逆バイアスされた赤外線光検出器からの交流信号を増幅するように接続された増幅段と、
   前記増幅段の出力に接続された閾値設定抵抗器と、
   前記制御信号に応答して、前記閾値設定抵抗器を通して流れる電流を制御するための手段と、
   を含む赤外線レシーバ。
5. 前記制御するための手段は電流ミラーであることを特徴とする請求項４に記載の赤外線レシーバ。
6. 前記閾値設定抵抗器に接続され、前記増幅段の利得を制御するための手段を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の赤外線レシーバ。

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