JP3741151B2 - 光信号を受信するための回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、開放した光通路に沿って、すなわち干渉光のそばで発信される光信号を受信するための回路装置に関する。回路は光信号を受信するために使用される。この光信号は、伝送路内にある媒体の構造の時間的な変化を認識するために強さを評価することによって発信させられる。この種の変化は例えば、光学的な伝送路の空気内にあるかまたは伝送路内に設けられたガラス板上にある水滴である。
本発明者により、ドイツ連邦共和国実用新案登録出願第９３０９８３７．５号において、所定の放射線を通過させる壁または板の湿気を測定または認識するための装置が提案された。この装置は例えば、自動車のガラス上に降水として存在する水滴を検出するために役立つ。
装置は２個の光−エミッタ−ダイオードを備えた光学装置を利用する。この光−エミッタ−ダイオードの間には光センサが設けられ、この光センサは自動車のフロントガラスの後側に配置されている。光−エミッタ−ダイオードはプッシュプルでパルス化された光を発信する。光センサはフロントガラスで反射した光−エミッタ−ダイオードの光の一部を受信する。フロントガラスは乾燥状態で、プッシュプルで発信された放射線をほぼ同じように反射するので、両光−エミッタ−ダイオードの受信された光は回路装置内で同一光のように作用する。雨滴に当たるときには、短い時間間隔で反射条件、ひいては信号−関連が不規則的に変化する。光−エミッタ−ダイオードの受信された光成分が支配的となり、光センサ内で、光−エミッタ−ダイオードが発信した光のパルス周波数のサイクルで交流が発生する。この変化が評価される。
光学的に遮蔽されない空間内で動作するこのような装置の場合には、大きく変わる定まらない環境光が存在し、この環境光が妨害光として常に光センサに寄生的に達するという問題が生じる。この光は通常は定常的な光、例えば太陽または白熱電球の光である。しかしながら、ガス放電ランプの光あるいは自動車の走行運動によって影響を受ける同一光のような、変化する光として付加的に受信することができる。環境光の強さは自動車の走行時に次から次へ定まらないように変化するので、この光から、例えば雨滴の存在に関する情報のような伝送路の性状に関する確実な情報を推測することができない。この寄生的な光は、光センサが光学的なフィルタ手段を備えているときにも、多少強く受信され、相応する電気的な信号成分に変換される。従って、変換された電気的な信号は常に、値が広い範囲内で変動する一定の信号成分と、評価可能な有効信号である重ねられた変化する信号成分とからなる。一定の信号成分のピークは有効信号の振幅の多数倍になり得る。寄生的な光は、強さが大きいときに、光センサおよびまたは受信増幅器を過負荷する。この場合、有効信号は一定の信号成分から充分に分離および評価することができない。従って、寄生的な光を除去するための手段が必要である。
この手段を補助するために、約４０ｋＨｚの周波数の光が探される。この周波数範囲では、寄生的な光はほんのわずかしか存在しない。
光受信器は一般的に、光センサ、増幅器、寄生的な光の影響を抑えるための手段および変換された光電流から信号を回収するための復調器からなっている。この信号は同期式復調器によって評価され、光学伝送路内の妨害個所の頻度に相応する信号を発生する。光センサとしては通常はフォトダイオードが使用される。
このような回路装置は、応用本“線形回路データブック１９９２”第１巻、米国のテキサス インストルメント インコーポレイテッド社の演算増幅器、第２〜７２２頁、図４７によって知られている。この回路装置は理解しやすくするために、図１に示してあり、二つの線形演算増幅器を含んでいる。この演算増幅器のために、例えばタイプＴＬＣ２７Ｍ２のＣＭＯＳ技術の精密−ダブル−演算増幅器を使用することができる。
フォトダイオードの陰極は演算増幅器の逆相入力部に接続され、陽極は回路アースに接続されている。この演算増幅器は、例えば１０メガオームの大きなオーム抵抗を含む第１のループを介して、少しだけ負フィードバックされ、光電流の伝達時に、大きな電流−電圧ファクタを有する。それによって、寄生的な光に対して変調された信号光を有する小さな光度振幅の場合にも、電気的な有効信号の充分な振幅を発生することができる。
演算増幅器の反転しない入力部は基準電圧に接続されている。この基準電圧の値は零と、２ボルトだけ低減された回路の動作電圧との間にある。この基準電圧によって、フォトダイオードの動作点が、受信した光と無関係にカットオフ領域内に置かれる。この領域は変調された光信号の振幅のための充分な過負荷耐性を保証する。
適当な回路の評価のために供給しなければならない、第１の演算増幅器の出発信号は、反転しない直流電圧増幅器としてのローパスに接続された他の演算増幅器を含む第２のループを介して、直流電圧による第１のループを介してよりもはるかに強く負フィードバックされる。この負フィードバックは、寄生的な光がフォトダイオードで発生する光電流を補正する。
光が入射する際に、光度に相応してフォトダイオードの遮断抵抗が小さくなる。負フィードバックを経てフォトダイオードに流れる光電流の変化は、第１の演算増幅器で、出力電圧を増大させる。ローパスはインテグレータとしてのその機能によって、第１の演算増幅器から発生した出力電圧の直流電圧成分だけが第２のループを経てフォトダイオードの陰極にフィードバックされるようにする。これにより、光パルスによって発生し、周波数がローパスの限界周波数の上側にある。フォトダイオードから発生した信号電流の成分だけが、大きな電流−電圧ファクターで回路の出力部に伝送される。寄生的な光の影響が充分に抑えられる。
しかし、この解決策の欠点は第１の演算増幅器の高いオームの負のフィードバックにある。このフィードバックは高い電流−電圧ファクタを得るために必要である。それによって、有効信号の反射した光の小さな成分を充分大きな信号電圧に伝送することができる。この場合に発生し得る、信号光に対する寄生的な光の不所望な比の場合には、充分な一定信号抑制および回路の過負荷耐性のために、自動車の搭載電圧の上側にある高い動作電圧が必要である。この要求に基づいて、この公知の回路は、動作電圧要求が高すぎ、伝送周波数が不充分でそして高いオームの接続の結果妨害に対して敏感であるので、所定の用途にはあまり適していない。
公知の解決策では、フォトダイオード、信号導線および受信増幅器の幾何学的な配置に関して他の問題が生じる。フォトダイオードがカットオフ領域において約数百キロオームの大きな内部抵抗を有するので、回路の多数の部品は、例えば自動車の点火の妨害、電力線ノイズ、切り換えパルスのような妨害信号の結合にきわめて敏感であり、そして特別な場合には、光−エミッタ−ダイオードの結合信号について、特別な場合には、誘導信号およびまたは容量信号が漏れ場を通って回路内に達する。従って、電磁的な遮蔽と、フォトダイオードと増幅器のコンパクトな構造が必要である。これにより、フォトダイオードの場合、光の入口を、目の細かい金網からなるシールドの後側に配置しなければならない。このようなコンパクトで遮蔽された構造はコストがかかり、例えば自動車のフロントガラスの構造的および形状的な用途にとって非常に支障がある。
そこで、本発明の課題は光受信器のためめの次のような回路を提供することである。
この回路は高価なフィルタ手段を用いずに、比較的に高いパルス周波数（例えば４０ｋＨｚ）の信号を選択し、かつ正確に復調し、
信号光に対する寄生的な光の強さの大きな比に対して鈍感であり、
電磁的な妨害場による影響に関して非常に高い安定性を有するような回路を提供することである。
回路は、公知のごとく強い電磁場、常時変化する環境光、大きな温度変化および搭載電圧の強い干渉が発生し得る自動車において、故障せずに作動すべきである。
この課題は請求項１記載の特徴によって解決される。
本発明の本質は、光センサ、特にフォトダイオードの各々の接続端子のために、電流−電圧変換器として別個の同種の直流電圧増幅器が設けられ、接続端子がそれぞれ、それに付設された電流−電圧変換器の同種の入力部、特に反転形入力端子に接続され、接続端子が同一の直流経路を経て周波数に依存して負フィードバックされ、直流経路が光センサの接続端子に接続されているので、負フィードバックされた直流がこの光センサを流れることにある。直流負フィードバックは次のような強さに調節されている。すなわち、直流電圧が光センサの接続端子を経て一定の光（正常的な光、同一光）の高さと無関係に一定であり、この光によって発生する光電流が小さな電流−電圧ファクタによって伝達されるような強さに調節されている。
電流−電圧変換器は特に対称的なフィルタによって次のように接続されている。すなわち、信号光の範囲内の周波数でパルス化される光電流が、出力に対して、一定の光の光電流よりもはるかに高い電流−電圧ファクタで伝達されるように接続されている。この一定の光はこの場合、寄生的な低周波数のおよびまたは同様な光と、乾燥状態で両光−エミッタ−ダイオードから同じ部分に交互に送信される光とからなっている。対称的なフィルタは電流−電圧変換器内の信号光のパルス周波数の範囲内でも同じ電流−電圧ファクタを保証する。電流−電圧変換器 − この間には逆相のパルス化された電圧の形の伝達される光電流が存在する − の出力部は、交流的にそれぞれ差動増幅器の入力部に接続されている。この差動増幅器はコモンモード抑制を実現し、それによって同一の光の定まらない成分のようなすべてのコモンモード干渉と電磁的な妨害信号が抑制され、パルス電圧を有利に増幅する。
回路は過負荷耐性があり、同一信号抑制が大きいと共に、光センサが同一光の高さと無関係に零点近くの動作点で動作することができるという利点がある。この範囲では、フォトダイオードは、平均インピーダンス値、高い光感度および高い伝送速度のような、信号変換器よりも望ましい特性を有する。更に、回路は、アースに関連しない信号流れのために、電気的および磁気的な妨害場にとって非常に鈍感である。従って、遮蔽のための手段やコンパクトな構造は必要でない。センサは例えば形状および構造上の理由から、電流−電圧変換器から離して作動させることができる。この場合、センサから電流−電圧変換器の入力部までの電気的な接続線と、光送信器出力部から送信ダイオードまでの接続線は、共通の４芯線の簡単に遮蔽されたケーブル内に配置可能である。
次に、本発明の実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。しかし、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。特に個々の増幅段階の実施に関して、他の特別な実施の形態が考えられ、重要である。
図１は公知の回路装置を示す図、
図２は本発明の基本原理による回路装置を示す図、
図３は光−エミッタ−ダイオードとセンサがその他の電子装置から離して運転される本発明の他の実施の形態を示す図である。
図２には、パルス化された光を受信および認識するための本発明による回路装置の原理が概略的に示してある。光信号２を受信するためのフォトダイオード１の第１の極は電流−電圧変換器ＮＩの反転入力端子に接続され、他の極は電流−電圧変換器Ｎ２の反転入力部に接続されている。電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２は、それぞれ、抵抗３．１，４．１または３．２，４．２を含む直流経路によって反転入力端子を介して等しく負フィードバックされている演算増幅器である。
直流経路はフィルタコンデンサ５と誘導抵抗６からなる直列回路に接続されている。このフィルタコンデンサと誘導抵抗は、抵抗３．１，３．２，４．１，４．２と共に、有効信号Ｕ_a0の周波数ｆｏを負フィードバック分岐部で遮断するための対称のフィルタを形成している。これにより、電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２は、一定の光が発生する直流Ｉ_p'よりもはるかに大きな電流−電圧ファクタを有するフォトダイオードの信号交流を伝達する。同様に演算増幅器であってもよく、そして抵抗７〜１０を接続した差動増幅器Ｎ３は、コンデンサ１１，１２を介して電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２の出力部に接続されている。
電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２の非反転入力部は好ましくは共通の基準直流電圧Ｕ_refに接続されている。従って、フォトダイオード１はバイアスされずに光電池として運転され、光るときに光電流Ｉ_fを発生する。
回路は次のように作用する。
入射する全部の光はフォトダイオード１において光電流Ｉ_f＝Ｉ_p＋ｉ_s（t）を発生する。すなわち、光電流Ｉ_fは同一光を発生する直流成分Ｉ_p'と、直流成分Ｉ_pに重ねられる交流成分ｉ_s（t）とからなっている。光はパルス周波数ｆｏ＝４０ｋＨｚで放射される。回路の既存の用途では、伝達路内にある媒体の均質な構造の場合、光−エミッタ−ダイオード１５，１６から放射される光はフォトダイオード内で一定の光電流Ｉ_fを発生するので、この光は直流成分Ｉ_pの一部である。従って、本例の場合、光電流の交流成分ｉ_s（t）＝０である。例えば雨で湿った自動車ガラスとして発生する媒体の不均質な構造の場合初めて、パルス化された光の異なる反射条件によって、交流成分ｉ_s（t）＞０が発生する。
光電流Ｉ_fは例えば電流−電圧変換器Ｎ１の出力端子から抵抗３．１，４．１フォトダイオード１および抵抗３．２，４．２を経て他の電流−電圧変換器Ｎ２の出力部に流れる。電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２が同じように接続されているので、電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２に対する接続極の付設は任意に選択可能である。電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２の直流負帰還により、電圧はフォトダイオードを経て、直流成分Ｉ_p'の高さとは無関係に、零の近くにある。すなわち、電流−電圧変換器Ｎ１，Ｎ２の出力部には、直流成分Ｉ_pの結果、直流電圧
Ｕ_a1＝Ｕ_ref−Ｕ_p−ｕ_s（t） または
Ｕ_a2＝Ｕ_ref＋Ｕ_p＋ｕ_ｓ（t）
が生じる。この直流電圧は光電流に反作用する。
抵抗３．１〜４．２の大きさは次のように定められている。すなわち、直流成分Ｉ_pが非常に大きく、動作電圧Ｕ_Bが低い場合でも、電流−電圧変換器が飽和に達しないように定められている。直流経路の間にフィルタコンデンサ５と誘導抵抗６を配置することは、パルス化される信号電流ｉ_s（t）のために電流−電圧ファクタを増大する。出力電圧Ｕ_a1，Ｕ_a2は、光電流Ｉ_fよりもはるかに良好な、同一信号に対する有効信号の比を有する。差動増幅器Ｎ３の出力端子のコンデンサ１４の前方の信号Ｕ_a3は、低周波数成分と直流成分から完全に解放され、同期検波器での評価のために利用可能である。回路装置は、例えば自動車の動作電圧によって上記の課題が解決されるように構成することができる。
回路の重要な利点は同一光の大きな抑制、動作電圧が低い場合にも過負荷耐性（飽和耐性）が良好であることおよび有効信号感度が非常に良好であると共に電磁的な外乱信号に関する妨害耐性が非常に高いことにある。従って、遮蔽のための手段は不要である。
図３は雨センサとしての本発明の特別な実施の形態を示している。この実施の形態の場合には、フォトダイオード１は受信回路から離して設けられている。フォトダイオード１と共に、光−エミッタ−ダイオード１５，１６が自動車のフロントガラスに設けられている。光−エミッタ−ダイオード１５，１６はプッシュプル−パルス発生器１７から交互にパルスが供給される。フォトダイオード１および光−エミッタ−ダイオードへの信号の供給は、ケーブル内のフォトダイオード１に至る２本の供給線が光−エミッタ−ダイオード１５，１６のそれぞれの供給線に対して斜めに配置されているときには、図示のように、４オームの簡単に遮蔽されたケーブルで行うことができる。

Claims (6)

1. 定まらない強さの環境光が寄生的に重ねられるパルス化された光信号を受信および復調するための回路装置であって、双極の光センサ（１）を備え、この光センサが同一信号を増幅するための手段に接続され、この手段が周波数に依存する負フィードバックを備え、負フィードバック電流が光センサ（１）を流れ、回路が環境光によって発生する信号成分（Ｉ_p）のために高い負フィードバックファクタを有し、それによってこの信号成分を補正し、光センサ（１）の各々の端子に対して、直流用の電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）が設けられ、この場合、各々の端子は各電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）の同極の信号入力部に接続され、電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）が、同一の伝送作用を有し、光信号のために増幅するフィルタとして接続され、そして光センサ（１）の端子を設けた入力部を経て、直流的におよび周波数に依存して、直流電圧が光センサ（１）の端子を介して、上記の寄生的に重ねられる環境光の強さに関係なく、一定になるような強さで負フィードバックされ、負フィードバックが電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）の負フィードバック路の間に、フィルタコンデンサ（５）と誘導抵抗（６）とを直列に接続することによって行われ、電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）の出力部が交流的にそれぞれ差動増幅器（Ｎ３）の入力部に接続されていることを特徴とする回路装置。
2. 光センサ（１）がバイアスされないフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
3. 電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）の同極の信号入力部が反転入力部であることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
4. 電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）と差動増幅器（Ｎ３）が線形の演算増幅器であることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
5. 両電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）のための周波数に依存する負フィードバックが対称的なフィルタを構成し、この対称的なフィルタが前記のフィルタコンデンサ（５）および誘導抵抗（６）と、負フィードバック路の抵抗を備えていることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
6. 電流−電圧変換器（Ｎ１，Ｎ２）と差動増幅器（Ｎ３）が回路チップに含まれる線形の演算増幅器（Ｎ３）であることを特徴とする請求項１記載の回路装置。

Images