JP3654737B2

JP3654737B2 - 光電気変換ｉｃ

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Publication number: JP3654737B2
Application number: JP10047997A
Authority: JP
Inventors: 裕之船橋; 剛濱口; 卓司木村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JPH10293061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＣＤ、ＤＶＤプレイヤなどに搭載される光ピックアップを構成する光電気変換ＩＣ、いわゆる、ＯＥＩＣに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の光電気変換ＩＣの回路ブロック図を示しており、１−１、１−２、１−３、１−４は光電変換素子であるフォトダイオード（実際には、１つのフォトダイオードの受光部が４分割されて、フォトダイオード１−１、１−２、１−３、１−４が形成されている）、１２−１、１２−２、１２−３、１２−４は入力した電流信号を電圧信号に変換して出力する電流／電圧変換部、１３は入力電圧に基づいて所定の演算を行う（この例では４つの電流電圧変換部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４の出力電圧を加算する）演算部、１４は入力信号の位相を反転させて出力する位相反転部、ＯＵＴは当該光電気変換ＩＣの出力端子である。
【０００３】
電流／電圧変換部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４は同一の構成であって、抵抗１２２を介して負帰還がかけられた差動型アンプ（演算増幅器）１２１からなっており、その非反転入力端子（＋）には所定電圧Ｖ_refが印加されており、一方、反転入力端子（−）には、それぞれフォトダイオード１−１、１−２、１−３、１−４のカソード側が接続されている。
【０００４】
演算部１３は抵抗１３２を介して負帰還がかけられた差動型アンプ１３１を有しており、その非反転入力端子（＋）は所定電圧Ｖ_refが印加されており、一方、反転入力端子（−）には、電流／電圧変換部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４の出力がそれぞれ抵抗１３３を介して並列に接続されている。
【０００５】
位相反転部１４は抵抗１４２を介して負帰還がかけられた差動型アンプ１４１を有しており、その非反転入力端子（＋）は所定電圧Ｖ_refが印加されており、一方、反転入力端子（−）には、演算部１３の出力が抵抗１４３を介して接続されている。また、差動型アンプ４１の出力に出力端子ＯＵＴが接続されている。
【０００６】
以上の構成により、フォトダイオード１−ｎ（ｎ＝１、２、３、４）に光が照射されていない状態では、電流／電圧変換部１２−ｎの出力電圧はＶ_refとなるが、一方、フォトダイオード１−ｎに光が照射されている状態では、その光量に応じた電流Ｉ_nが差動型アンプ１２１の出力側から抵抗１２２を通してフォトダイオード１−ｎに流れ、電流／電圧変換部１２−ｎの出力電圧は、抵抗１３２の抵抗値をＲとすると、Ｖ_ref＋Ｉ_n×Ｒとなる。このようにして、フォトダイオード１−ｎの出力電流が電流／電圧変換部２−ｎにて電圧に変換される。
【０００７】
そして、４つの電流／電圧変換部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４の出力電圧は演算部３にて互いに加算され、この加算された電圧（位相が反転している）は位相反転部４を経ることにより位相が反転されて（これにより位相の反転がキャンセルされる）、出力端子ＯＵＴから出力されることになる。
【０００８】
したがって、以上の光電気変換ＩＣでは、出力端子ＯＵＴからは所定電圧Ｖ_refを基準電圧とした電圧が出力される、すなわち、光電気変換ＩＣの出力の基準電圧（以下、出力の基準電圧のことを「出力動作点」と呼ぶ）がＶ_refとなるので、当該光電気変換ＩＣに、その次段に接続される回路からその回路の入力に対する基準電圧（以下、入力に対する基準電圧を「入力動作点」と呼ぶ）を所定電圧Ｖ_refとして与えてやれば、光電気変換ＩＣの出力動作点と次段の回路と入力動作点とを一致させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光電気変換ＩＣでは、オフセット電圧を抑制するために電流／電圧変換部２の増幅器として差動型アンプを使用しているので、ＰＮＰ型トランジスタを有する回路構成となり、差動型アンプ単体のセカンドポールを高域へ設定できる限界が低くなる。したがって、フォトダイオードや帰還抵抗の寄生容量に起因した帰還ループのポールから差動型アンプ単体のセカンドポールを十分に遠ざけることができず、帯域幅が狭いという問題があった（図４参照）。
【００１０】
そこで、本発明は、より広い帯域幅を有する光電気変換ＩＣを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光電気変換ICでは、光電変換素子であるフォトダイオードと、該フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する電流／電圧変換部と、該電流／電圧変換部の出力電圧に基づいて所定の演算を行う演算部とを有する光電変換ICにおいて、直流電圧を出力する電源部と、前記演算部の出力電圧と前記電源部が出力する直流電圧と外部から与えられる所定電圧とを入力して、前記演算部の出力電圧を、その基準電圧を前記所定電圧に変換して出力するレベルシフト部とを有し、前記電流／電圧変換部と前記演算部と前記電源部とが同一の増幅器で構成されているとともに、それらの増幅器が、エミッタホロワを有する入力段と、 NPN 型トランジスタのエミッタ接地増幅回路を有する増幅段と、バッファを有する出力段とからなる構成であり、前記電流／電圧変換部はその増幅器の出力を入力側に帰還する帰還抵抗回路に前記電源部が出力する直流電圧が与えられ、前記電源部を構成する増幅器は入力に直接帰還がかけられることにより入力と出力の電圧が同一となっている。
なお、前記電流／電圧変換部を構成する増幅器の帰還抵抗回路は各々一端がスター結線された第１、第２、第３抵抗から成り、その第１抵抗の他端は前記増幅器の入力側に接続され、第２抵抗の他端は前記増幅器の出力側に接続され、第３抵抗の他端は前記電源部の出力に接続されている。
【００１２】
ここで、図２にその回路構成に示すように、エミッタホロワ回路を有する入力段と、ＮＰＮ型トランジスタのエミッタ接地増幅回路を有する増幅段と、バッファ回路（図２ではプッシュプル回路）を有する出力段とを有する構成の増幅器は、増幅段がＰＮＰ型トランジスタに比べて寄生容量が小さなＮＰＮ型トランジスタのみで構成されているため、帯域幅が広く、一般に広帯域型増幅器と呼ばれている。
【００１３】
そして、上記従来技術として示した光電気変換ＩＣにおいて、帯域幅を向上させるために、差動型アンプの代わりに上記広帯域型増幅器を用いて電流／電圧変換部を構成したいところであるが、これを実行することはできなかった。というのは、上記広帯域型増幅器は入力動作点を自ら作りだす、言い換えれば、入力動作点が増幅器自体によって決まってしまい、これにより、電流／電圧変換部、ひいては、光電気変換ＩＣの出力動作点が固定されてしまうので、光電気変換ＩＣの出力動作点とその次段に接続される回路の入力動作点とが必ずしも一致しないからである。
【００１４】
しかしながら、以上の構成にすることにより、その理由は後述するが、外部から与えられる所定電圧として次段に接続される回路の入力動作点である電圧を与えてやれば、自ら入力動作点を作り出す増幅器を用いて電流／電圧変換部を構成しても、光電気変換ＩＣの出力動作点を次段の回路の入力動作点と一致させることができる。したがって、上記広帯域型増幅器を電流電圧／変換部を構成する増幅器として使用することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態である光電気変換ＩＣの回路ブロック図であって、２−１、２−２、２−３、２−４は入力した電流信号を電圧信号に変換して出力する電流／電圧変換部、３は入力電圧に基づいて所定の演算を行う（本実施形態では４つの電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４の出力電圧を加算する）演算部、４は直流電圧を出力する電源部、５は入力信号を、その動作点を変換して出力するレベルシフト部、Ｓは外部から所定電圧を入力するための所定電圧入力端子である。尚、従来技術と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１６】
そして、電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４は同一の構成であって、いわゆるスター接続された抵抗２１、２２、２３を介して帰還がかけられたアンプＡからなっており、その入力にはそれぞれフォトダイオード１−１、１−２、１−３、１−４のカソード側が接続されており、また、その一端が抵抗２１と抵抗２２との接続点に接続されている抵抗２３の他端は後述する電源部４の出力に接続されている。
【００１７】
また、演算部３は抵抗３２を介して帰還がかけられたアンプＡを有しており、その入力には、電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４の出力がそれぞれ抵抗３１を介して並列に接続されている。また、電源部４は直接帰還がかけられたアンプＡからなっている。
【００１８】
また、レベルシフト部５は抵抗５５を介して負帰還がかけられた差動型アンプ５１を有しており、その非反転入力端子（＋）は、抵抗５２を介して電源部４の出力が接続されているとともに、抵抗５３を介して所定電圧入力端子Ｓに接続されており、一方、反転入力端子（−）は抵抗５４を介して演算部３の出力に接続されている。また、差動型アンプ５１の出力には出力端子ＯＵＴが接続されている。
【００１９】
ここで、アンプＡとしては、エミッタホロワ回路を有する入力段と、ＮＰＮ型トランジスタのエミッタ接地増幅回路を有する増幅段と、バッファ回路（下記例ではバッファ回路としてプッシュプル回路を設けている）を有する出力段とで構成されているものが考えられる。その具体的な回路図を図２に示す。
【００２０】
同図において、Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₅はＮＰＮ型トランジスタ、Ｑ₄、Ｑ₆はＰＮＰ型トランジスタ、Ｄはダイオード、ＣＣ₁、ＣＣ₂は定電流回路、Ｃはコンデンサであって、ＮＰＮ型トランジスタＱ₁のベースは当該アンプＡの入力端子であり、そのコレクタは電源ラインに接続されており、そのエミッタは直列接続されたダイオードＤと定電流回路ＣＣ₁を介してグランドラインに接続されている。
【００２１】
また、トランジスタＱ₂のベースはダイオードＤと定電流回路ＣＣ₁との接続点に接続されており、そのコレクタと電源ラインとの間には定電流回路ＣＣ₂、ダイオード接続されたＮＰＮ型トランジスタＱ₃、ＰＮＰ型トランジスタＱ₄が直列に接続されており、そのエミッタはグランドラインに接続されている。尚、ＮＰＮ型トランジスタＱ₂のベース−コレクタ間には位相補償用にコンデンサＣが接続されている。
【００２２】
また、トランジスタＱ₅のベースは定電流回路ＣＣ₂とダイオード接続されたＮＰＮ型トランジスタＱ₃との接続点に接続されており、そのコレクタは電源ラインに接続されている。ＰＮＰ型トランジスタＱ₆のベースはダイオード接続されたＰＮＰ型トランジスタＱ₄とＮＰＮ型トランジスタＱ₂のコレクタとの接続点に接続されており、そのコレクタはグランドラインに接続されている。そして、ＮＰＮ型トランジスタＱ₅のエミッタとＰＮＰ型トランジスタＱ₆のエミッタとが接続されており、この接続点が当該アンプＡの出力端子となっている。
【００２３】
このように、アンプＡは、増幅段がＰＮＰ型トランジスタに比べて小さな寄生容量をもつＮＰＮ型トランジスタＱ₂のみで構成されているので、帯域幅が広く、また、増幅段の負荷として定電流回路を有し、出力段はプッシュプル回路であるため、ドライブ能力も高く、消費電流も小さい。したがって、光電気変換ＩＣとしてみると、ドライブ能力及び消費電流能力を維持しつつ、帯域幅を広域化することができる。
【００２４】
尚、それほど大きなドライブ能力を必要とせず、また、消費電流も気にする必要がない場合は、アンプＡの構成としては、増幅段の負荷を抵抗とし、出力段をエミッタホロワ回路で構成するなどするようにしてもよい。
【００２５】
そして、アンプＡが以上の構成であることから、その出力電圧は入力電圧に対して反転するので、出力を入力に帰還することによって、トランジスタＱ₁、Ｑ₂のベース−エミッタ間、及び、ダイオードＤの順方向降下電圧をＶ_Fとすると、帰還制御の働きにより、アンプＡの入力点の電位が３Ｖ_FとなるようにアンプＡの出力電圧が安定する、すなわち、アンプＡの入力動作点は３Ｖ_Fとなる。尚、本実施形態では、ダイオードＤを１つ設けているが、ダイオードＤの数を変化させることで、アンプＡの入力動作点を調整することができる。
【００２６】
以上の内容に基づいて、光電気変換ＩＣの各部の動作について説明する。まず、電源部４は、アンプＡに直接帰還をかけた構成であるので、アンプＡの出力電圧は３Ｖ_Fとなる。すなわち、電源部４は３Ｖ_Fの直流電圧源である。
【００２７】
次に、電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４は、アンプＡにスター接続された抵抗２１、２２、２３を介して帰還をかけており、そのアンプＡの入力にそれぞれフォトダイオード１−１、１−２、１−３、１−４が接続されており、また、その一端が抵抗２１と抵抗２２との接続点に接続された抵抗２３の他端は直流電圧３Ｖ_Fを出力する電源部４の出力に接続された構成であるので、フォトダイオード１−ｎに光が照射されていない状態では、フォトダイオード１−ｎには電流は流れ得ず、抵抗２１、２２、２３にも電流は流れないので、電流／電圧変換部２−ｎの出力電圧は３Ｖ_Fとなるが、一方、フォトダイオード１−ｎに光が照射されている状態では、その光量に応じた電流Ｉ_nがアンプＡの出力側から抵抗２１、２２を通してフォトダイオード１−ｎに流れ、電流／電圧変換部２−ｎの出力電圧は、抵抗２１、２２、２３の抵抗値をそれぞれＲ₁、Ｒ₂、Ｒ₃とすると、３Ｖ_F＋Ｉ_n×（Ｒ₁×Ｒ₂＋Ｒ₂×Ｒ₃＋Ｒ₃×Ｒ₁）／Ｒ₃となる。
【００２８】
すなわち、電流／電圧変換部２−ｎは、フォトダイオード１−ｎに照射される光量に応じて流れる電流を電圧に変換して出力するが、その出力動作点は３Ｖ_Fとなっている。
【００２９】
次に、演算部３はアンプＡに１つの抵抗３２を介して負帰還をかけており、そのアンプＡの入力にそれぞれ抵抗３１を介して電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４の出力を接続した構成であるので、抵抗３１、３２の抵抗値を同一とし、電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４の出力電圧をそれぞれＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、Ｖ₄とすると、演算部３の出力電圧は３Ｖ_F−｛（Ｖ₁−３Ｖ_F）＋（Ｖ₂−３Ｖ_F）＋（Ｖ₃−３Ｖ_F）＋（Ｖ₄−３Ｖ_F）｝となる。
【００３０】
すなわち、演算部３からは電流／電圧変換部２−１、２−２、２−３、２−４の出力電圧が加算された電圧が位相が反転して出力されるが、電流／電圧変換部２−ｎの出力動作点が３Ｖ_Fであることから、演算部３の出力電圧は３Ｖ_F−（ｖ₁＋ｖ₂＋ｖ₃＋ｖ₄）となり、その出力動作点は３Ｖ_Fとなっている。但し、ｖ_nは、ｖ_n＝Ｉ_n×（Ｒ₁×Ｒ₂＋Ｒ₂×Ｒ₃＋Ｒ₃×Ｒ₁）／Ｒ₃であって、電流／電圧変換部２−ｎの出力電圧Ｖ_nの信号成分である。
【００３１】
そして、レベルシフト部５においては、抵抗５２と抵抗５３との接続点の電位と抵抗５４と抵抗５５との接続点との電位とが等しくなるように帰還制御が働いて差動型アンプ５１の出力が決定するので、抵抗５２の一端は直流電圧３Ｖ_Fを出力する電源部４の出力に接続されていて、抵抗５３の一端は所定電圧入力端子Ｓに接続されており、また、抵抗５４は出力動作点が３Ｖ_Fである演算部３の出力に接続されていることからして、抵抗５２の抵抗値と抵抗５４の抵抗値とが同一で、抵抗５３の抵抗値と抵抗５５の抵抗値が同一であるとすると、差動型アンプ５１からは所定電圧入力端子Ｓに与えられる所定電圧を出力動作点とした電圧が出力されることになる。
【００３２】
すなわち、レベルシフト部５は出力動作点が３Ｖ_Fである演算部３の出力電圧と電源部４が出力する直流電圧３Ｖ_Fと所定電圧入力端子Ｓに与えられる所定電圧とを入力し、演算部３の出力電圧の基準電圧を３Ｖ_Fから所定電圧入力端子Ｓに与えられる所定電圧に変換して出力する。尚、レベルシフト部５を経ることによって演算部３の出力電圧は位相が反転するので、電流／電圧変換部２の出力電圧は演算部３にて位相が反転してしまうが、出力端子ＯＵＴからは電流／電圧変換部２の出力電圧と同位相の電圧が出力されることになる。
【００３３】
まとめると、本実施形態の光電気変換ＩＣの出力端子ＯＵＴからは、照射される光量に応じてフォトダイオードに流れる電流が電圧に変換され、その変換された電圧が加算されて出力されるが、その出力動作点は外部から所定電圧入力端子Ｓに与えられる所定電圧となっている。
【００３４】
したがって、本実施形態の光電気変換ＩＣでは、電流／電圧変換部の増幅器として出力動作点が固定される増幅器を使用しても、次段の回路の入力動作点である電圧を所定電圧入力端子Ｓに与えることさえできれば、光電気変換ＩＣの出力動作点を次段の回路の入力動作点と一致させることができるので、使用が制約されることがない。
【００３５】
尚、本実施形態の光電気変換ＩＣでは、電流／電圧変換部２−ｎにおいて、アンプＡにスター接続された抵抗２１、２２、２３を介して帰還がかけられているが、このようにする代わりに、単にアンプＡに１つの抵抗を介して帰還をかけるようにしてもよい。但し、スター接続された抵抗２１、２２、２３を介して帰還をかけた方が、帰還ループのポール周波数も高域に存在することになるので、帯域幅は広くなる。
【００３６】
また、本実施形態の光電気変換ＩＣは、電流／電圧変換部を４つ設けており、フォトダイオードが４分割されたものである場合を想定しているが、当然のことながら、本発明はこれに限定されるものではなく、フォトダイオードが分割されている数に応じて電流／電圧変換部の数を設定するようにすればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電気変換ＩＣによれば、外部から与えられる所定電圧として次段に接続される回路の入力動作点である電圧を与えてやれば、自ら入力動作点を作り出す増幅器を用いて電流／電圧変換部を構成しても、光電気変換ＩＣの出力動作点を次段の回路の入力動作点と一致させることができる。したがって、自ら入力動作点を作り出す広帯域型増幅器を電流電圧／変換部を構成する増幅器として使用することができるようになり、帯域幅を広域化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である光電気変換ＩＣの回路ブロック図である。
【図２】アンプＡの回路図である。
【図３】従来の光電気変換ＩＣの回路ブロック図である。
【図４】従来の光電気変換ＩＣにおける周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１−１、１−２、１−３、１−４フォトダイオード
２−１、２−２、２−３、２−４電流／電圧変換部
３演算部
４電源部
５レベルシフト部
ＯＵＴ出力端子
Ｓ所定電圧入力端子
Ａアンプ
２１、２２、２３、３１、３２、５２、５３、５４、５５抵抗
５１差動型アンプ（演算増幅器）
Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₅ ＮＰＮ型トランジスタ
Ｑ₄、Ｑ₆ ＰＮＰ型トランジスタ
Ｄダイオード
ＣＣ₁、ＣＣ₂ 定電流回路
Ｃコンデンサ
１２−１、１２−２、１２−３、１２−４電流／電圧変換部
１３演算部
１４位相反転部
１２１、１３１、１４１差動型アンプ（演算増幅器）
１２２、１３２、１３３、１４２、１４３抵抗

Claims

光電変換素子であるフォトダイオードと、該フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する電流／電圧変換部と、該電流／電圧変換部の出力電圧に基づいて所定の演算を行う演算部とを有する光電変換ICにおいて、
直流電圧を出力する電源部と、前記演算部の出力電圧と前記電源部が出力する直流電圧と外部から与えられる所定電圧とを入力して、前記演算部の出力電圧を、その基準電圧を前記所定電圧に変換して出力するレベルシフト部とを有し、前記電流／電圧変換部と前記演算部と前記電源部とが同一の増幅器で構成されているとともに、それらの増幅器が、エミッタホロワを有する入力段と、 NPN 型トランジスタのエミッタ接地増幅回路を有する増幅段と、バッファを有する出力段とからなる構成であり、前記電流／電圧変換部はその増幅器の出力を入力側に帰還する帰還抵抗回路に前記電源部が出力する直流電圧が与えられ、前記電源部を構成する増幅器は入力に直接帰還がかけられることにより入力と出力の電圧が同一となっていることを特徴とする光電気変換IC。