JP3881336B2

JP3881336B2 - 光受信装置及びそれを備えるデータ通信装置

Info

Publication number: JP3881336B2
Application number: JP2003411051A
Authority: JP
Inventors: 祥嗣上平; 純士藤野
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: US7509059B2; JP2005175725A; TW200520418A; CN1627669A; KR20050056154A; US20050123307A1

Description

本発明は、広範囲の照度の光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置及びそれを備えるデータ通信装置に関する。

コンピュータ相互間あるいはコンピュータとその周辺機器との間を赤外線の光信号を用いてデータ通信を行うデータ通信装置は、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）規格に準拠するようになっている。このようなデータ通信装置（例えば特許文献１）は、光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置を用いており、その従来例を図４に示す。この光受信装置１０１は、光信号を受信して電流Ｉ_ＰＤに変換するフォトダイオード１１２と、その電流Ｉ_ＰＤを検出して電圧信号に変換する、例えば抵抗よりなるインピーダンス素子１１０と、その電圧信号をクランプする（振幅を制限する）クランプ素子１１１と、インピーダンス素子１１０が変換した電圧信号のＤＣ電圧を除去するコンデンサ１２１と、ＤＣ電圧が除去された電圧信号を反転増幅する反転増幅器１２２と、反転増幅された電圧信号を出力用基準電源１２８の出力用基準電圧と比較した結果の信号（電気信号）を出力端子ＯＵＴから出力する比較器１２７と、から構成される。この出力端子ＯＵＴには、受信した光信号に対応する電気信号を処理する信号処理装置（図示せず）が接続される。

ところで、ＩｒＤＡ規格では、データ通信が行われる種々の環境に対応するよう光受信装置が受信すべき光信号の照度は広範囲（例えば１０μＷ乃至５００ｍＷ／ｃｍ^２）なものになっている。図５は、異なった照度の光信号（光パルス信号）を受信したときの、フォトダイオード１１２に流れる電流（フォトダイオード１１２が変換した電流）Ｉ_ＰＤと、インピーダンス素子１１０の電圧信号（インピーダンス素子１１０が変換した電圧信号）、すなわち図４における節点Ａの電圧信号Ｖ_Ａと、出力端子ＯＵＴの信号と、を示したものである。図５における（１）は光信号がＩｒＤＡ規格の照度範囲に含まれるが照度が低い場合であり、（２）は照度が比較的高くクランプ素子１１１が働き始めた場合であり、（３）は更に照度が高くクランプ素子１１１が完全に働いている場合である。このように、照度が高い場合はクランプ素子１１１により電圧を制限することにより広範囲の照度の光信号に対応するようにしている。なお、図５において、Ｉ_{ＣＬＡＭＰ}はクランプ素子１１１が働く電流値である。また、Ｖｔｈ_Ａは比較器１２７に入力される出力用基準電圧を換算したものであり、節点Ａの電圧信号Ｖ_ＡがＶｔｈ_Ａよりも低いと出力端子ＯＵＴにハイレベルが出力され、高いと出力端子ＯＵＴにローレベルが出力される。

特開２００１−２３０７２６号公報

このように、光受信装置１０１は、広範囲の照度の光信号に対応して出力端子ＯＵＴから論理信号であるパルス状の電気信号を出力することができる。しかし、光信号の照度が高いとフォトダイオード１１２は飽和状態となるため、光信号が無くなってからフォトダイオード１１２に蓄積された電子正孔対を排除して元の状態に戻すまで余分な時間を要することとなり、この間、電流Ｉ_ＰＤが流れ続ける。したがって、図５の（１）、（２）、（３）に示すように、光信号の照度が高くなるに従い、出力端子ＯＵＴのパルス幅（ｔ_ＰＷ１、ｔ_ＰＷ２、ｔ_ＰＷ３）は拡大する。

一方、ＩｒＤＡ規格のデータ通信には通信速度が４Ｍｂｐｓの高速データ通信が含まれており、それに従う機器も製品化されている。この高速データ通信においてパルス幅が変動すると、出力端子ＯＵＴからそのパルスを入力して処理する信号処理装置の負担が大きく、極端な場合には信号処理の誤動作の発生が懸念される。また、更に高速な１６Ｍｂｐｓのデータ通信の規格も制定されており、この場合には信号処理装置の負担がさらに大きくなり、誤動作の発生も増すと想定される。

本発明は、上記事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、広範囲の照度の光信号に対し安定した電気信号が出力できる、詳しくは、電気信号として変換出力したパルスの幅変動を抑えることができる光受信装置を提供し、それを用いて安定したデータ通信を行うことができるデータ通信装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光受信装置は、光信号を受信して電流に変換する受光素子と、受光素子が変換した電流の一部を流すバイパス素子と、受光素子が変換した電流の残部を検出して電圧信号に変換するインピーダンス素子と、インピーダンス素子と受光素子との間に介装され、両側の電圧を分離する電圧分離素子と、インピーダンス素子が変換した電圧信号を入力し、その電圧信号に応じてバイパス素子に流れる電流を制御する自動利得制御回路と、を備え、前記電圧分離素子は、エミッタ、コレクタ、ベースにそれぞれ受光素子及びバイパス素子、インピーダンス素子、電圧分離用基準電源が接続されるバイポーラトランジスタであり、該コレクタの電圧がインピーダンス素子に生じる電圧となることを特徴とする。望ましくは、前記バイパス素子はＭＯＳトランジスタであり、ソースが電圧分離素子のエミッタに接続されている。更に望ましくは、前記受光素子と並列に設けられた定電流源と、前記インピーダンス素子に生じる電圧をベースに入力する第２のバイポーラトランジスタと、を更に備え、前記自動利得制御回路は、エミッタ、ベースにそれぞれ第２のバイポーラトランジスタのエミッタ、自動利得制御用基準電源が接続される第３のバイポーラトランジスタと、第３のバイポーラトランジスタに流れる電流を伝達するカレントミラー回路と、該カレントミラー回路に接続されるコンデンサと、を有する。

本発明に係るデータ通信装置は、上記の光受信装置を備えるデータ通信装置であって、前記光信号は赤外線であることを特徴とする。

本発明の光受信装置は、光信号の照度が変化しても、特に光信号の照度が大きくなった場合、自動利得制御回路がバイパス素子の電流を制御することによりインピーダンス素子に流れる電流を少なくなるようにして安定化させるので、広範囲の照度の光信号に対し電気信号として変換出力したパルスの幅変動を抑えることを可能とし、安定した電気信号が出力できる。

以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態である光受信装置１の回路図である。この光受信装置１は、光信号を受信して電流Ｉ_ＰＤに変換する、例えばフォトダイオードである受光素子１２と、受光素子１２の電流（受光素子１２が変換した電流）Ｉ_ＰＤの一部Ｉ_１を流す、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタであるバイパス素子１５と、受光素子１２の電流Ｉ_ＰＤの残部Ｉ_２を検出して電圧信号に変換する、例えば抵抗であるインピーダンス素子１０と、インピーダンス素子１０と受光素子１２との間に介装され、両側の電圧を分離する、例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタである電圧分離素子１４と、インピーダンス素子１０の電圧信号（インピーダンス素子１０が変換した電圧信号）を入力し、その電圧信号に応じてバイパス素子１５に流れる電流を制御する自動利得制御（ＡＧＣ）回路１６と、を主な構成要素とする。

具体的には、受光素子（フォトダイオード）１２は、陽極が接地され、陰極は節点Ｂで電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４のエミッタとバイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５のソースに接続される。この受光素子１２には、バイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳを流す定電流源１３が並列に設けられる。電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４は、コレクタがインピーダンス素子１０の一端とＮＰＮ型バイポーラトランジスタ１７のベースに、ベースが電圧分離用基準電源２０に、それぞれ接続される。このＮＰＮ型バイポーラトランジスタ１７は、後述の定電流源１８と共にエミッタフォロア回路を構成している。インピーダンス素子１０の他端は、検出用基準電源１９に接続される。ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ１７は、コレクタが電源Ｖｃｃに、エミッタが節点Ａにおいて他端を接地した定電流源１８の一端とコンデンサ２１の一端に接続されると共に、後に詳述する自動利得制御回路１６の入力端ＡＧＣｉｎに接続される。バイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５は、ドレインが電源Ｖｃｃに、ゲートが自動利得制御回路１６の出力端ＡＧＣｏｕｔに、それぞれ接続される。コンデンサ２１の他端は抵抗２３の一端に接続され、抵抗２３の他端は抵抗２４の一端とオペアンプ２５の反転入力端子とに接続される。抵抗２３、２４とオペアンプ２５とは反転増幅器２２を構成するものであり、オペアンプ２５の非反転入力端子には増幅用基準電源２６の増幅用基準電圧が入力される。比較器２７は、非反転入力端子にオペアンプ２５の出力端子が、反転入力端子に増幅用基準電圧より高い出力用基準電圧を出力する出力用基準電源２８が、それぞれ接続され、出力端子は光受信装置１の出力端子ＯＵＴに接続される。

前述した自動利得制御回路１６は、詳しくは図２に示す構成になっている。自動利得制御回路１６の入力端ＡＧＣｉｎはＮＰＮ型バイポーラトランジスタ３１のエミッタに接続され、このＮＰＮ型バイポーラトランジスタ３１は、ベースに自動利得制御用基準電圧を出力する自動利得制御用基準電源３６が接続され、コレクタはＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３２のベースとコレクタに接続されると共にＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３３のベースに接続される。そして、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３２及び３３のエミッタは共に電源Ｖｃｃに接続される。したがって、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３２及び３３はカレントミラー回路を構成する。ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３３のコレクタは、他端がいずれも接地されるコンデンサ３４の一端と定電流源３５の一端に接続されると共に、自動利得制御回路１６の出力端ＡＧＣｏｕｔに接続される。したがって、自動利得制御回路１６は、インピーダンス素子１０が変換した電圧信号の節点Ａにおける電圧信号Ｖ_Ａが自動利得制御用基準電圧との関係において所定値になるとバイパス素子１５へ制御信号（コンデンサ３４の電圧）の出力を開始し、電圧信号Ｖ_Ａの振幅の増大に応じてバイパス素子１５への制御信号（コンデンサ３４の電圧）も大きくなり、これによりインピーダンス素子１０に流れる電流を安定化するようバイパス素子１５に流れる電流を制御するのである。

次に、光受信装置１の動作を説明する。先ず、光信号を受信しない場合、定電流源１３のバイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳが電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４を介してインピーダンス素子１０に流れているので、インピーダンス素子１０には所定のＤＣ電圧が生じている。そして、節点Ａは、インピーダンス素子１０のＤＣ電圧からＮＰＮ型バイポーラトランジスタ１７のベース・エミッタ間順バイアス電圧Ｖｆだけ下がったＤＣ電圧になっている。自動利得制御回路１６は、このＤＣ電圧では働かない（前述の所定値に達しない）ように自動利得制御用基準電源３６の自動利得制御用基準電圧を設定しているので、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ３１、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３２及び３３には電流は流れず、コンデンサ３４の電圧は定電流源３５により放電され接地電位になっている。したがって、バイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５には電流は流れない。また、節点Ｂの電圧は、電圧分離用基準電源２０の電圧分離用基準電圧から電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４のベース・エミッタ間順バイアス電圧Ｖｆだけ下がったＤＣ電圧になっている。また、コンデンサ２１はＤＣ電圧の伝達を阻止するので、反転増幅器２２の出力は増幅用基準電源２６の増幅用基準電圧と等しくなり、出力端子ＯＵＴにはローレベルが出力される。

受光素子１２が光信号を受信した場合を図３に基づいて説明する。受光素子１２が光信号を受信するとその照度に応じて電流Ｉ_ＰＤが流れる。光信号の照度がＩｒＤＡ規格の照度範囲（例えば１０μＷ乃至５００ｍＷ／ｃｍ^２）に含まれるが照度が低い場合（図３における（１）の場合）、インピーダンス素子１０の電圧信号は節点Ａにおいて所定値に達しないので自動利得制御回路１６は働かず、バイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５には電流は流れない。電流Ｉ_ＰＤはそのまま電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４を介してインピーダンス素子１０に流れ、インピーダンス素子１０には小電圧信号が負方向に生じる。この小電圧信号は節点Ａに伝達されて電圧信号Ｖ_Ａとなり、コンデンサ２１を通過して反転増幅器２２で反転増幅され、正方向の小電圧信号となる。この小電圧信号が比較器２７において出力用基準電圧と比較され、出力端子ＯＵＴにはハイレベル（正のパルス）が出力される。

光信号の照度が所定の照度（例えば１ｍＷ／ｃｍ^２）を超えている場合（図３における（２）及び（３）の場合）、自動利得制御回路１６が働いてバイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５に受光素子１２の電流Ｉ_ＰＤの一部Ｉ_１が流れる。受光素子１２の電流Ｉ_ＰＤの残部Ｉ_２は、電圧分離素子（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）１４を介してインピーダンス素子１０に流れ、その電流Ｉ_２に応じた小電圧信号が負方向に生じる。この小電圧信号は、節点Ａに伝達されて電圧信号Ｖ_Ａとなり、前述と同様にコンデンサ２１と反転増幅器２２、比較器２７を介して出力端子ＯＵＴに出力されると共に、自動利得制御回路１６に入力される。自動利得制御回路１６は、節点Ａの電圧信号Ｖ_Ａの振幅が所定値を超えるとＮＰＮ型バイポーラトランジスタ３１、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３２及び３３に電流が流れる。そして、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ３３の電流が定電流源３５の電流よりも多ければコンデンサ３４の電圧は上昇し、バイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５に電流Ｉ_１を流すのである。

ここで、光信号の照度が所定の照度（例えば１ｍＷ／ｃｍ^２）を超えていれば、照度が変化しても、インピーダンス素子１０に流れる電流Ｉ_２は変化せず、インピーダンス素子１０の小電圧信号（すなわち節点Ａの電圧信号Ｖ_Ａ）の波形は変化しない。すなわち、光信号の照度が増加すると受光素子１２の電流Ｉ_ＰＤは増えるが、電流Ｉ_ＰＤの増加分はバイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５に流れる電流Ｉ_１の増加分となる。仮にインピーダンス素子１０に流れる電流Ｉ_２が増えたとすると、節点Ａ（すなわち自動利得制御回路１６の入力端ＡＧＣｉｎ）の電圧信号Ｖ_Ａの振幅が増え、自動利得制御回路１６の出力端ＡＧＣｏｕｔの電圧が上がり、バイパス素子（Ｎ型ＭＯＳトランジスタ）１５の電流Ｉ_１が増え、インピーダンス素子１０に流れる電流Ｉ_２を減少させるようにしてインピーダンス素子１０に流れる電流を安定化するようにしている。このように負帰還が働くことによりインピーダンス素子１０の小電圧信号（すなわち節点Ａの電圧信号Ｖ_Ａ）の波形は保持される。したがって、図３の（１）、（２）、（３）に示すように光信号の照度が高くなっても、出力端子ＯＵＴのパルス幅（ｔ_ＰＷ１、ｔ_ＰＷ２、ｔ_ＰＷ３）はほとんど変化しない。

このように、本発明の実施形態である光受信装置１は、広範囲の照度の光信号に対し電気信号として変換出力したパルスの幅変動を抑えることが可能になる。

また、一般に、インピーダンス素子１０の小電圧信号（Ｓ）は抵抗値に比例し、熱雑音（Ｎ）は抵抗値の平方根に比例するため、Ｓ／Ｎは抵抗値を大きくすれば改善される。しかし、図４で示した前述の光受信装置１０１では、インピーダンス素子１１０の抵抗値を大きくすると出力するパルス幅も更に拡がるため抵抗値を大きくすることはできない。これに対し、光受信装置１は、自動利得制御回路１６がバイパス素子１５の電流を制御することにより、インピーダンス素子１０に流れる電流を自動的に減少させて流れる電流を安定化するので、インピーダンス素子１０の抵抗値は自由に大きくすることができ、Ｓ／Ｎを改善することが可能になる。

そして、この光受信装置１を用いてＩｒＤＡ規格のデータ通信装置を構成すると、通信速度が４Ｍｂｐｓ等の高速データ通信を安定して行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る光受信装置の回路図。同上の自動利得制御（ＡＧＣ）回路の回路図。同上の動作波形図。背景技術の光受信装置の回路図。同上の動作波形図。

符号の説明

１光受信装置
１０インピーダンス素子
１２受光素子
１４電圧分離素子
１５バイパス素子
１６自動利得制御（ＡＧＣ）回路
Ｉ_ＰＤ受光素子の電流
Ｉ_１バイパス素子の電流
Ｉ_２インピーダンス素子の電流

Claims

光信号を受信して電流に変換する受光素子と、
受光素子が変換した電流の一部を流すバイパス素子と、
受光素子が変換した電流の残部を検出して電圧信号に変換するインピーダンス素子と、
インピーダンス素子と受光素子との間に介装され、両側の電圧を分離する電圧分離素子と、
インピーダンス素子が変換した電圧信号を入力し、その電圧信号に応じてバイパス素子に流れる電流を制御する自動利得制御回路と、
を備え、
前記電圧分離素子は、エミッタ、コレクタ、ベースにそれぞれ受光素子及びバイパス素子、インピーダンス素子、電圧分離用基準電源が接続されるバイポーラトランジスタであり、該コレクタの電圧がインピーダンス素子に生じる電圧となることを特徴とする光受信装置。
請求項１に記載の光受信装置において、
前記バイパス素子はＭＯＳトランジスタであり、ソースが電圧分離素子のエミッタに接続されていることを特徴とする光受信装置。
請求項１又は２に記載の光受信装置において、
前記受光素子と並列に設けられた定電流源と、
前記インピーダンス素子に生じる電圧をベースに入力する第２のバイポーラトランジスタと、を更に備え、
前記自動利得制御回路は、エミッタ、ベースにそれぞれ第２のバイポーラトランジスタのエミッタ、自動利得制御用基準電源が接続される第３のバイポーラトランジスタと、第３のバイポーラトランジスタに流れる電流を伝達するカレントミラー回路と、該カレントミラー回路に接続されるコンデンサと、を有することを特徴とする光受信装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光受信装置を備えるデータ通信装置であって、
前記光信号は赤外線であることを特徴とするデータ通信装置。