JP3925925B2

JP3925925B2 - Bidirectional optical transceiver circuit

Info

Publication number: JP3925925B2
Application number: JP2003141839A
Authority: JP
Inventors: 廣東田; 清小俣
Original assignee: ケル株式会社
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: JP2004349801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信状態と受信状態の使用目的に応じて、１つの半導体発光素子を送信状態のときは発光素子として利用し、受信状態のときは受光素子として利用して送受信を行う半二重双方向光送受信回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード等の半導体発光素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体をｐｎ接合して順バイアス方向の電圧を印加することにより、このｐｎ接合面から発光する現象を利用したものである。この半導体発光素子のｐｎ接合面は外界に開いている関係から、ｐｎ接合面を無バイアス若しくは逆バイアス方向の電圧を印加した状態でこのｐｎ接合面に光を当てると、その光の強度に応じた電流が流れる。この現象を特に強く行う様にした半導体素子がフォトダイオードである。半導体発光素子も当然前記の性質を有している。このため、このような半導体発光素子の特性を利用して、一つの半導体発光素子を発光素子と受光素子とに切替えて双方向に送受信を行う半二重双方向光送受信回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。このように一つの半導体発光素子を切替えて使うことにより、回路を構成する電子部品の数を少なくすることができ、かつ、伝送路である光ファイバーを１本で構成することができる。
【０００３】
図８に従来の双方向光送受信回路の一例を示す。この双方向光送受信回路５０は、送信時は入力端子５２より送信信号を入力することにより、この送信信号に応じてトランジスタＴｒがオン・オフして発光ダイオードＬＥＤを発光させる。一方、受信時は送信信号を入力せずにトランジスタＴｒをオフすることにより発光ダイオードＬＥＤを無バイアス状態とし、この状態で発光ダイオードＬＥＤに入射する光の強度に応じて発生した電流をオペアンプＵ４および抵抗Ｒｆで構成される増幅器５１で増幅して出力端子５３より受信信号として出力する構成となっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１２５３１４号公報（第２−３頁，第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示した構成による従来の双方向光送受信回路５０の場合、入力端子５２により送信信号を入力して発光ダイオードＬＥＤを点滅させると、その信号が増幅器５１を通して出力端子５３に出力されてしまい、入出力信号の分離が難しいという課題があった。また、トランジスタＴｒをオフすることにより発光ダイオードＬＥＤを無バイアス状態にしても、ｐｎ接合面での容量が大きく、受信時にこの発光ダイオードＬＥＤを高速動作させることが難しくなり、信号の伝送速度を上げることができないという課題もあった。さらに、このように、増幅器５１の入力側に容量性の半導体（発光ダイオードＬＥＤ）が直接接続されていると、本来の増幅器５１の周波数特性が不安定になり、発振や動作異常を引き起こす原因になるという課題もあった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、少ない電子部品および簡単な回路構成で、送受信状態に応じて半導体発光素子に印加される電圧を順バイアス方向と逆バイアス方向に切替え可能とし、高速なデータ伝送を可能とした双方向光送受信回路を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係る双方向光送受信回路は、１つの発光ダイオードを発光素子と受光素子とに切替えて送受信を行うものであって、発光ダイオードに並列に接続される第１のスイッチ（例えば、実施形態における第１トランジスタＱ１）と、発光ダイオードに直列に接続される第２のスイッチ（例えば、実施形態における第２トランジスタＱ２）とを有して構成される。そして、送信状態のときには、第２のスイッチをオンして発光ダイオードに正バイアス方向の電圧を印加するとともに、送信信号により第１のスイッチをオン・オフすることで発光ダイオードの発光をオン・オフさせてこの発光ダイオードを発光素子として動作させる。また、受信状態のときは、第１のスイッチをオンするとともに、第２のスイッチをオフして発光ダイオードに逆バイアス方向の電圧を印加して、発光ダイオードに照射された光を受信信号として出力させてこの発光ダイオードを受光素子として動作させる。
【０００８】
このような構成によると、少ない部品点数で、かつ、簡単な回路構成で半二重双方向光送受信回路を構成することができる。また、受信状態のときは発光ダイオードに逆バイアス方向の電圧を印加することができるため、受光素子として高速動作が可能となり、高速なデータ伝送が可能となる。
【０００９】
なお、第１のスイッチおよび第２のスイッチは、半導体スイッチ素子で構成されることが好ましく、このような構成によると、この双方向光送受信回路のＩＣ化が容易となるため、量産化が可能となり、安価に提供することができる。
【００１０】
また、本発明に係る双方向光送受信回路は、発光ダイオードから出力される受信信号の電圧変化を基準電圧と比較してこの受信信号を成形するコンパレータを有することが好ましく、これにより受信信号を電圧の高低で表されるデジタル信号として出力することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る双方向光送受信回路は、送信状態と受信状態とを切替えて半導体発光素子を使用することにより、一つの半導体発光素子で送信と受信を行うものであり、基本構成としては、半導体発光素子（以下、「発光ダイオード」として説明する）と、この半導体発光素子に並列に接続される第１の半導体スイッチ素子および直列に接続される第２の半導体スイッチ素子および発光ダイオードで受信した信号をデジタル信号に変換する比較回路とから構成されている。この双方向光送受信回路を用いた送受信装置は、通常は、２台を１対として用いて発光ダイオードを光ファイバー等で繋ぐことにより、光により信号の送受信を行うものである。すなわち、この双方向光送受信回路は、切替信号により送信状態と受信状態が切替えられ、送信状態のときには、入力された送信信号により発光ダイオードを点滅させて光による送信を行い、受信状態のときには、発光ダイオードに照射された光を受信信号に変えて出力するように構成されている。以下に本発明に係る双方向光送受信回路について、２つの実施例に基づいて、回路構成およびその動作を説明する。
【００１２】
なお、本実施例において、送信信号および受信信号については、電圧の高低（Ｈ，Ｌ）で表されるパルス信号とし、このパルス信号で２値（１，０）を表現しているものとして説明する。また、切替信号についても、同様に電圧の高低で送信状態と受信状態とを表すものとする（以降の説明では、送信状態を高い電圧とし、受信状態を低い電圧とする）。
【００１３】
（第１実施例）
まず、図１に基づいて本発明の第１実施例に係る双方向光送受信回路１の基本構成について説明する。本発明に係る双方向光送受信回路１は、送信信号が入力される送信信号入力端子２と、この送信信号によりオン・オフされるＮＰＮ型の第１トランジスタＱ１（第１の半導体スイッチ素子）と、送信状態と受信状態を切替える切替信号が入力される切替信号入力端子３と、この切替信号によりオン・オフされるＮＰＮ型の第２トランジスタＱ２（第２の半導体スイッチ素子）と、発光素子および受光素子として用いられる発光ダイオードＤ１と、電源５と、発光ダイオードＤ１を発光素子として用いるときに発光ダイオードＤ１に流れる電流を設定（制限）する抵抗Ｒｓと、発光ダイオードＤ１を受光素子として用いたときに受光した光の強度に応じて発光ダイオードＤ１で発生する電流を電圧に変換する抵抗Ｒｄと、抵抗Ｒｄで変換された電圧を基準電圧Ｖｒｅｆと比較して電圧の高低、すなわち、デジタル信号に変換する比較回路（コンパレータ）Ｕ１と、このコンパレータＵ１に基準電圧Ｖｒｅｆを供給する電源６および受信信号を出力する受信信号出力端子４とから構成されている。
【００１４】
発光ダイオードＤ１はそのアノードが抵抗Ｒｓを介して電源５に接続されており、カソードは第２トランジスタＱ２のコレクタに接続されている。そして、発光ダイオードＤ１（アノード）と抵抗Ｒｓとの接続点８には第１トランジスタＱ１のコレクタが接続されている。この第１トランジスタＱ１のベースは送信信号入力端子２に接続され、エミッタは接地されている。一方、第２トランジスタＱ２のベースは切替信号入力端子３に接続され、エミッタは接地されている。
【００１５】
さらに、発光ダイオードＤ１（カソード）と第２トランジスタＱ２との接続点７には抵抗Ｒｄを介して電源５が接続されるとともに、コンパレータＵ１の負入力端子に接続されている。このコンパレータＵ１の正入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆを印加する電源６が接続されており、また、図示しないが正電源端子には電源５が接続され、負電源端子は接地されている。そして、コンパレータＵ１の出力端子が受信信号出力端子４に接続されている。
【００１６】
ここで、コンパレータＵ１は、その正入力端子より入力される電圧と、負入力端子より入力される電圧を比較し、正入力端子より入力される電圧の方が負入力端子より入力される電圧より大きければ、出力端子から高い電圧（ほぼ正電源端子に入力される電源電圧に等しい値）を出力し、その他の場合は低い電圧（単電源の場合はほぼ０ボルト）を出力するというものである。なお、以降の説明では、基準電圧Ｖｒｅｆは電源５の電源電圧よりも低い電圧であるとする。
【００１７】
このような構成の双方向光送受信回路１において、送信信号入力端子２と切替信号入力端子３により、発光ダイオードＤ１を発光素子および受光素子として切替えて使用することで、双方向光送受信回路１を送信状態および受信状態とする。
【００１８】
まず、送信状態について説明する。切替信号入力端子３より高い電圧が入力されると、第２トランジスタＱ２のベース−エミッタ間に電位差が生じて電流が流れるため、コレクタ−エミッタ間にも電流が流れて第２トランジスタＱ２がオンされる。このとき、第１トランジスタＱ１がオフ状態であると、発光ダイオードＤ１は、抵抗Ｒｓを介して電源５の電圧が順バイアス方向に印加されるため抵抗Ｒｓを介して電流が流れ発光（点灯）する。
【００１９】
そしてこのような状態で、送信信号入力端子２より高い電圧が入力されると、第１トランジスタＱ１のベース−エミッタ間に電位差が生じて電流が流れるため、コレクタ−エミッタ間にも電流が流れて第１トランジスタＱ１がオンされる。すると、接続点８は第１トランジスタＱ１を介して接地された状態となり、電源５からの電流は第１トランジスタＱ１を流れるため発光ダイオードＤ１は消灯する。このような構成とすると、発光ダイオードＤ１のオン・オフによる電圧の変化はこの発光ダイオードＤ１の電圧分だけあるため、高速動作が可能となる。
【００２０】
以上より、切替信号入力端子３より高い電圧を入力しているときに、送信信号入力端子２より入力する送信信号としての電圧の高低を変化させることにより、高い電圧のときは発光ダイオードＤ１が消灯し、低い電圧のときは発光ダイオードＤ１が点灯するため、送信信号に対応して発光ダイオードＤ１を点滅させることが可能となる。よって、電圧の高低で表された送信信号を発光ダイオードＤ１により光の点滅に変調することができる。なお、実際には第２トランジスタＱ２のオン電圧またはオン抵抗が存在するが、抵抗Ｒｓに比べて十分小さな影響であるため、実用上は何等問題にならない。
【００２１】
このとき、第２トランジスタＱ２がオン状態であるため、コンパレータＵ２の負入力端子はこの第２トランジスタＱ２を介して接地されている状態となるため、コンパレータＵ２の正入力端子に印加されている基準電圧Ｖｒｅｆよりも負入力端子の電圧が低く、出力端子からは常に高い電圧が出力される。そのため、送信信号入力端子２から入力される送信信号に受信信号出力端子４からの出力は影響されず、入出力信号を分離することが可能となる。
【００２２】
次に、受信状態について説明する。切替信号入力端子３に低い電圧が印加されると、第２トランジスタＱ２のベース−エミッタ間には電位差が生じないため電流は流れず、よって、コレクタ−エミッタ間にも電流が流れないためトランジスタＱ２はオフ状態となる。そして、同時に、送信信号入力端子２より高い電圧を印加すると、上述のように第１トランジスタＱ１はオン状態となり、ベース−エミッタ間に電流が流れ、この状態では、接続点８は第１トランジスタＱ１を介して接地された状態となる。そのため、発光ダイオードＤ１は抵抗Ｒｄを介して電源５の電圧が逆バイアス方向に印加された状態となる。
【００２３】
このように、発光ダイオードＤ１に逆バイアス方向の電圧が印加された状態でこの発光ダイオードＤ１のｐｎ接合面に光が照射されると、その光の強度に応じて電流が流れる。発光ダイオードＤ１に光が照射されていない状態では、発光ダイオードＤ１は絶縁された状態であるため、コンパレータＵ１の負入力端子には抵抗Ｒｄを介して電源５の電圧が印加されているため、基準電圧Ｖｒｅｆよりも高くなり、コンパレータＵ１の出力端子からは低い電圧が出力される。
【００２４】
一方、発光ダイオードＤ１に光が照射されると、この発光ダイオードＤ１に電流が流れるため、抵抗Ｒｄで電圧降下が起こり、コンパレータＵ１の負入力端子に印加される電圧が下がる。よって、抵抗Ｒｄの抵抗値を適当な値にして発光ダイオードＤ１に電流が流れたときにコンパレータＵ１の負入力端子に印加される電圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなるようにすれば、発光ダイオードＤ１に光が照射されたときに、コンパレータＵ１の出力端子から高い電圧を出力するように構成することができる。
【００２５】
以上より、切替信号入力端子３より低い電圧を入力するとともに、送信信号入力端子２より高い電圧を入力すると、発光ダイオードＤ１に照射される光線の点滅に対応して受信信号出力端子４から出力される電圧の高低を切替えることができる。よって、光の点滅に変調された信号を発光ダイオードＤ１で受けて電圧の高低で表される受信信号に復調することができる。このとき、上述のように発光ダイオードＤ１に逆バイアス方向の電圧が印加されているため、発光ダイオードＤ１を高速に動作する受光素子として利用することが可能となり、本発明に係る双方向光送受信回路１の伝送速度を高速にすることができる。
【００２６】
このように、第１トランジスタＱ１を送信状態における発光ダイオードＤ１の点滅のためだけでなく、受信状態における発光ダイオードＤ１への逆バイアス方向の電圧の印加に利用することにより簡単な回路で高速に動作する双方向光送受信回路１を提供することができる。
【００２７】
ところで、図２に示すように、発光ダイオードＤ１のアノードとカソードに取り付ける抵抗Ｒｓ，Ｒｄを逆にした回路も以上に説明した図１の場合と同等であり、電源５との接続や接地との関係、および、コンパレータＵ１の正負入力端子への入力を逆にすることで対応可能である。また、第１および第２トランジスタＱ１，Ｑ２は電流の流れる方向が逆になるため、図２の場合はＰＮＰ型トランジスタが用いられる。なお、以上の実施例において、コンパレータＵ１の正負入力端子のどちらに基準電圧Ｖｒｅｆを印加するかは、この双方向光送受信装置１を使用する機器の仕様に合わせて、つまり、受信信号出力端子４から出力される電圧の高低を受信信号の論理（０，１）にどう対応させるかで決定することができる。また、抵抗Ｒｄによる電圧降下が少ない場合等、コンパレータＵ１への入力の前に増幅回路を入れても良い。
【００２８】
（第２実施例）
第１実施例においては、受信信号出力端子４から出力される受信信号は送信信号と完全に分離されていたが、本発明に係る双方向光送受信回路１を受信状態にするときに送信信号を常に高い電圧状態にしなければならず、送受信信号が完全に回路から独立してはいない。また、送信状態において、送信信号の高い電圧に対して発光ダイオードＤ１が消灯し、低い電圧に対して点灯する構成となっているため、受信状態の別の回路でこの信号を受信すると、送信回路の点灯に対して高い電圧が出力され、消灯に対して低い電圧が出力されることとなり、送信信号と受信信号における電圧の高低の対応が逆転してしまう。
【００２９】
そこで、この第２実施例においては、送受信信号を完全に回路から独立させ（つまり、送信状態と受信状態の切換は切替信号のみにより行う）、かつ、送信信号と受信信号の電圧の高低を一致させるように構成した場合について図３（ａ）を用いて説明する。なお、図３において図１および図２と同じ機能の電子部品は同じ符号を付している。このとき、第１実施例においてはスイッチ素子としてトランジスタを用いていたが、本第２実施例ではデジタル回路との接続が容易なＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いて実現した場合について示している。
【００３０】
図３（ａ）に示す第２実施例において、回路構成は基本的に第１実施例と同じであるが、送信信号入力端子２と第１トランジスタＱ１のゲートとの間にＮＡＮＤゲート回路Ｕ２を追加して、このＮＡＮＤゲート回路Ｕ２に送信信号と切替信号を入力し、その出力により第１トランジスタＱ１をオン・オフしている。このＮＡＮＤゲート回路Ｕ２は、入力された２つの信号の論理積を反転した信号を出力するものである。
【００３１】
そのため、切替信号入力端子３より高い電圧を印加して双方向光送受信回路１′を送信状態にした場合、送信信号入力端子２より入力された高い電圧に対してＮＡＮＤゲート回路Ｕ２からは低い電圧が出力され、第１トランジスタＱ１はオフ状態となり発光ダイオードＤ１は点灯する。また、送信信号入力端子２より低い電圧を入力すると、ＮＡＮＤゲート回路Ｕ２からは高い電圧が出力され、第１トランジスタＱ１はオン状態となり発光ダイオードＤ１は消灯する。
【００３２】
一方、切替信号入力端子３より低い電圧を印加して双方向光送受信回路１′を受信状態にすると、ＮＡＮＤゲート回路Ｕ２の出力は送信信号入力端子２から入力された送信信号の状態に関わりなく常に高い電圧が出力されるため、第１実施例で説明したとおり、第１トランジスタＱ１がオン状態となり、発光ダイオードＤ１に逆バイアス方向の電圧を印加して受光素子とすることができる。この受信状態における、その他の動作については、上述の第１実施例の場合と同様である。
【００３３】
図４に、本第２実施例における送受信の状態におけるタイミングチャートを示す。このタイミングチャートにおてい、ＳＥＬは、切替信号入力端子３より入力される切替信号である。この切替信号においてＯＮ（高い電圧のとき）が本発明に係る双方向光送受信回路１′を送信状態にする信号であり、ＯＦＦ（低い電圧のとき）が受信状態にする信号であることを示している。また、ＩＮは、送信信号入力端子２より入力される送信信号である、Ｈが高い電圧を示し、Ｌが低い電圧を示している。光出力と光入力はそれぞれ、送信状態および受信状態において発光ダイオードＤ１の発光状態および受光状態を示している。つまり送信側の回路が発光（点灯）したときに、受信側の回路が明となり、消灯したときに暗となることを示している。最後に、ＯＵＴは、受信信号出力端子４より出力される受信信号であり、Ｈ，Ｌの意味は送信信号と同様である。
【００３４】
図４は、時刻Ｔ０の時点で送信状態となり、Ｔ１の時点で受信状態となった場合について示している。この図４からも明らかなように、切替信号（ＳＥＬ）に応じて、送信状態と受信状態が切替えられており、送信状態において発光ダイオードＤ１に光が照射されても送信動作（発光ダイオードＤ１の点滅）に影響は無く、また同様に、受信状態において送信信号（ＩＮ）が入力されても、受信信号（ＯＵＴ）に影響は無い。そのため、本第２実施例に係る双方向光送受信回路１′において、送受信信号は完全に分離されている。また、電圧の高低と論理レベル（０，１）の対応も送信信号（ＩＮ）と受信信号（ＯＵＴ）で一致している。
【００３５】
本第２実施例においても、第１実施例で説明したとおり、図３（ｂ）に示すように、発光ダイオードＤ１のアノードとカソードに接続する抵抗Ｒｓ，Ｒｄを逆にした回路も同等である。この場合、ゲート回路の論理も反転している。なお、本第１および第２実施例では、発光ダイオードＤ１を受光素子として利用するときに用いる抵抗Ｒｄを、この発光ダイオードＤ１を発光させるために用いる電源５に接続している（図１および図３（ａ）の場合）が、コンパレータＵ１に対して基準電圧Ｖｒｅｆを供給する電源６や、その他本発明に係る双方向光送受信回路１，１′が用いられる装置が有するノイズを制限された電源等に接続することも可能であり、発光ダイオードＤ１が受光素子として動作するものであれば、目的に合わせて選択することができる。
【００３６】
なお、第２実施例において、図４に示す通り、送信状態のときの受信信号（ＯＵＴ）が、発光ダイオードＤ１に光が照射されているときの状態で固定されている。このため、この図２に示す回路構成とする場合、切替信号入力端子３から高い電圧の信号が入力されているとき（つまり、受信状態のとき）は、受信信号出力端子４から出力されている信号は、受信信号として処理しないように構成する必要がある。
【００３７】
このような問題を解決するためには、図５に示すように、コンパレータＵ１の出力端子と受信信号出力端子４の間に１つのゲート回路Ｕ３を加えることで対応することができる。このゲート回路Ｕ３は、コンパレータＵ１の出力端子から出力される信号と、切替信号との排他的論理和を出力するように構成されたものである。切替信号が高い電圧のとき（つまり、送信状態のとき）は、第１実施例で説明したとおり、コンパレータＵ１からの出力信号は常に低い電圧が出力されており、このためゲート回路Ｕ３からの出力は常に低い電圧が出力される。よって、受信信号出力端子４からは常に低い電圧（つまり、発光ダイオードＤ１に光が照射されていない状態）が出力される。一方、切替信号が低い電圧のとき（つまり、受信状態のとき）は、コンパレータＵ１の出力が受信信号出力端子４へそのまま出力される。この図５に対応するタイミングチャートを図６に示す。ゲート回路Ｕ３により、送信状態において、受信信号（ＯＵＴ）が低い電圧の状態に固定されていることが分かる。
【００３８】
なお、図７に、図５に示す双方向光送受信回路１′に対して、コンパレータＵ１の正負入力端子への入力を逆にして、このコンパレータＵ１からの出力の論理を逆にした場合を示している。この図７の場合、ゲート回路Ｕ３′は、コンパレータＵ１からの出力と切替信号をそれぞれ反転させて論理和を出力するものが使われる。このように、本発明に係る双方向光送受信回路１，１′は、コンパレータＵ１およびゲート回路Ｕ３（Ｕ３′）を自由に選択することが可能であり、回路構成が簡単で自由度が高いことが分かる。
【００３９】
以上、第１および第２実施例で説明した通り、本発明に係る双方向光送受信回路は、簡単な回路構成で光による信号を高速にやり取りすることができる。また、上述の半導体スイッチ素子（第１および第２のトランジスタＱ１，Ｑ２）は、差動増幅回路で構成することができるため、さらに、回路を構成する上での自由度が高いため、本発明に係る双方向光送受信回路はＩＣ化が容易となり、量産化が可能で安価に提供することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る双方向光送受信回路によれば、２つのスイッチ（半導体スイッチ素子）により、半導体発光素子に印加される電圧を順バイアス方向と逆バイアス方向に切替えることができる。そのため、少ない電子部品および簡単な回路構成で、高速なデータ伝送を実現することができる。また、本発明に係る双方向光送受信回路は、半導体スイッチ素子等で構成されているためＩＣ化が容易となり、量産化が可能で安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る双方向光送受信回路の第１実施例を示す回路図である。
【図２】本発明に係る双方向光送受信回路の第１実施例の別の回路構成での回路図である。
【図３】本発明に係る双方向光送受信回路の第２実施例を示す回路図であり、（ａ）は発光ダイオードのアノード側に第１トランジスタを接続し、カソード側に第２トランジスタを接続した場合であり、（ｂ）はカソード側に第１トランジスタを接続し、アノード側に第２トランジスタを接続した場合である。
【図４】第２実施例におけるタイミングチャートである。
【図５】第２実施例において、送信状態での受信信号をオフするように構成した場合の回路図である。
【図６】図５に示す回路構成におけるタイミングチャートである。
【図７】第２実施例において、送信状態での受信信号をオフするように構成した場合の別の回路構成での回路図である。
【図８】従来の双方向光送受信回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１双方向光送受信回路
Ｄ１発光ダイオード（半導体発光素子）
Ｑ１第１トランジスタ（第１のスイッチ）
Ｑ２第２トランジスタ（第２のスイッチ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In accordance with the purpose of use of the transmission state and the reception state, the present invention uses a single semiconductor light emitting element as a light emitting element in the transmission state, and uses it as a light receiving element in the reception state to perform transmission / reception. The present invention relates to a bidirectional optical transceiver circuit.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor light emitting element such as a light emitting diode utilizes a phenomenon in which light is emitted from a pn junction surface by applying a forward bias voltage by applying a pn junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. Since the pn junction surface of this semiconductor light emitting device is open to the outside, when light is applied to the pn junction surface with no bias or reverse bias applied to the pn junction surface, the light intensity depends on the intensity of the light. Current flows. A semiconductor element that makes this phenomenon particularly strong is a photodiode. Naturally, the semiconductor light emitting element also has the above-mentioned properties. For this reason, a half-duplex bidirectional optical transmission / reception circuit that performs bidirectional transmission / reception by switching one semiconductor light-emitting element to a light-emitting element and a light-receiving element using the characteristics of such a semiconductor light-emitting element is known. (For example, refer to Patent Document 1). Thus, by switching and using one semiconductor light emitting element, the number of electronic components constituting the circuit can be reduced, and an optical fiber serving as a transmission path can be configured by one.
[0003]
FIG. 8 shows an example of a conventional bidirectional optical transceiver circuit. The bidirectional optical transmission / reception circuit 50 receives a transmission signal from the input terminal 52 during transmission, and the transistor Tr is turned on / off in response to the transmission signal to cause the light emitting diode LED to emit light. On the other hand, at the time of reception, by turning off the transistor Tr without inputting a transmission signal, the light emitting diode LED is brought into a non-biased state, and the current generated according to the intensity of light incident on the light emitting diode LED in this state is converted into the operational amplifier U4 and The signal is amplified by an amplifier 51 composed of a resistor Rf and output as a received signal from an output terminal 53.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-125314 (page 2-3, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the conventional bidirectional optical transceiver circuit 50 having the configuration shown in FIG. 8, when a transmission signal is input through the input terminal 52 and the light emitting diode LED is blinked, the signal is output to the output terminal 53 through the amplifier 51. Therefore, there is a problem that it is difficult to separate input / output signals. Further, even if the light emitting diode LED is brought into a non-bias state by turning off the transistor Tr, the capacitance at the pn junction surface is large, and it becomes difficult to operate the light emitting diode LED at a high speed during reception, thereby increasing the signal transmission speed. There was also a problem that it was not possible. Furthermore, when a capacitive semiconductor (light emitting diode LED) is directly connected to the input side of the amplifier 51 as described above, the frequency characteristic of the original amplifier 51 becomes unstable, causing oscillation and abnormal operation. There was also a problem of becoming.
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and the voltage applied to the semiconductor light emitting element can be switched between the forward bias direction and the reverse bias direction according to the transmission / reception state with few electronic components and a simple circuit configuration. It is an object of the present invention to provide a bidirectional optical transmission / reception circuit that enables high-speed data transmission.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention performs transmission / reception by switching one light emitting diode between a light emitting element and a light receiving element, and is connected to the light emitting diode in parallel. 1 switch (for example, the first transistor Q1 in the embodiment) and a second switch (for example, the second transistor Q2 in the embodiment) connected in series to the light emitting diode . Then, when the transmission state, applies a positive bias direction of voltage to a light-emitting diode to turn on the second switch, the light emitting on and off of the light emitting diode by turning on and off the first switch by transmission signal Thus, the light emitting diode is operated as a light emitting element. Further, when the reception state, the turns on the first switch, turns off the second switch by applying a voltage of reverse bias direction to the light emitting diode, the output light is irradiated to the light-emitting diode as a received signal It is allowed to operate the light-emitting diode as a light receiving element.
[0008]
According to such a configuration, a half-duplex bidirectional optical transmission / reception circuit can be configured with a small number of parts and a simple circuit configuration. Further, since a voltage in the reverse bias direction can be applied to the light emitting diode in the reception state, the light receiving element can operate at high speed, and high speed data transmission is possible.
[0009]
Note that the first and second switches, rather preferably be a semiconductor switching element, according to this configuration, the IC of the bidirectional optical transceiver circuit is facilitated, mass production Can be provided at low cost.
[0010]
Further, the bidirectional optical transmission / reception circuit according to the present invention preferably has a comparator for shaping the reception signal by comparing a voltage change of the reception signal output from the light emitting diode with a reference voltage, thereby converting the reception signal into a voltage. It can be output as a digital signal represented by the height of.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The bidirectional optical transmission / reception circuit according to the present invention performs transmission and reception with one semiconductor light emitting element by using a semiconductor light emitting element by switching between a transmission state and a reception state. Light-emitting element (hereinafter referred to as “light-emitting diode”), a first semiconductor switch element connected in parallel to the semiconductor light-emitting element, a second semiconductor switch element connected in series, and a signal received by the light-emitting diode And a comparison circuit for converting the signal into a digital signal. A transmission / reception apparatus using this bidirectional optical transmission / reception circuit normally transmits and receives signals by light by connecting two light emitting diodes with an optical fiber or the like as a pair. That is, this bidirectional optical transmission / reception circuit is switched between a transmission state and a reception state by a switching signal, and in the transmission state, the light emitting diode is blinked by the input transmission signal and transmitted by light, and in the reception state, Light emitted to the light emitting diode is converted into a reception signal and output. In the following, the circuit configuration and operation of the bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention will be described based on two embodiments.
[0012]
In this embodiment, the transmission signal and the reception signal are assumed to be pulse signals represented by high and low voltages (H, L), and binary (1, 0) is expressed by the pulse signals. To do. Similarly, regarding the switching signal, the transmission state and the reception state are represented by high and low voltages (in the following description, the transmission state is a high voltage and the reception state is a low voltage).
[0013]
(First embodiment)
First, the basic configuration of the bidirectional optical transceiver circuit 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A bidirectional optical transmission / reception circuit 1 according to the present invention includes a transmission signal input terminal 2 to which a transmission signal is input, an NPN-type first transistor Q1 (first semiconductor switch element) that is turned on / off by the transmission signal, and A switching signal input terminal 3 to which a switching signal for switching between a transmission state and a reception state is input, an NPN-type second transistor Q2 (second semiconductor switch element) that is turned on / off by the switching signal, a light emitting element, and When the light emitting diode D1 used as the light receiving element, the power source 5, the resistor Rs for setting (limiting) the current flowing through the light emitting diode D1 when the light emitting diode D1 is used as the light emitting element, and the light emitting diode D1 as the light receiving element A resistor Rd that converts a current generated in the light emitting diode D1 into a voltage according to the intensity of the light received by the light source, and a voltage converted by the resistor Rd. A comparison circuit (comparator) U1 that compares the voltage with the reference voltage Vref to convert the voltage into a digital signal, a power supply 6 that supplies the reference voltage Vref to the comparator U1, and a reception signal output terminal that outputs a reception signal 4.
[0014]
The anode of the light emitting diode D1 is connected to the power source 5 via the resistor Rs, and the cathode is connected to the collector of the second transistor Q2. The collector of the first transistor Q1 is connected to a connection point 8 between the light emitting diode D1 (anode) and the resistor Rs. The base of the first transistor Q1 is connected to the transmission signal input terminal 2, and the emitter is grounded. On the other hand, the base of the second transistor Q2 is connected to the switching signal input terminal 3, and the emitter is grounded.
[0015]
Further, a power source 5 is connected to a connection point 7 between the light emitting diode D1 (cathode) and the second transistor Q2 via a resistor Rd, and is connected to a negative input terminal of the comparator U1. A power source 6 for applying a reference voltage Vref is connected to the positive input terminal of the comparator U1, and a power source 5 is connected to the positive power source terminal and the negative power source terminal is grounded, although not shown. The output terminal of the comparator U1 is connected to the reception signal output terminal 4.
[0016]
Here, the comparator U1 compares the voltage input from the positive input terminal with the voltage input from the negative input terminal, and the voltage input from the positive input terminal is higher than the voltage input from the negative input terminal. If it is large, a high voltage (approximately equal to the power supply voltage input to the positive power supply terminal) is output from the output terminal, and a low voltage (approximately 0 volt for a single power supply) is output in other cases. . In the following description, it is assumed that the reference voltage Vref is a voltage lower than the power supply voltage of the power supply 5.
[0017]
In the bidirectional optical transceiver circuit 1 configured as described above, the bidirectional optical transceiver circuit 1 is used by switching the light emitting diode D1 as a light emitting element and a light receiving element by the transmission signal input terminal 2 and the switching signal input terminal 3. The transmission state and the reception state are assumed.
[0018]
First, the transmission state will be described. When a voltage higher than the switching signal input terminal 3 is inputted, a potential difference is generated between the base and emitter of the second transistor Q2, and current flows. Therefore, current also flows between the collector and emitter, and the second transistor Q2 is turned on. The At this time, if the first transistor Q1 is in an OFF state, the light emitting diode D1 emits light (lights up) because a current flows through the resistor Rs because the voltage of the power source 5 is applied in the forward bias direction via the resistor Rs. .
[0019]
In this state, when a voltage higher than the transmission signal input terminal 2 is input, a potential difference is generated between the base and emitter of the first transistor Q1, and current flows. Therefore, current also flows between the collector and emitter. The first transistor Q1 is turned on. Then, the connection point 8 is grounded via the first transistor Q1, and the current from the power source 5 flows through the first transistor Q1, so the light emitting diode D1 is turned off. With such a configuration, a change in voltage caused by turning on / off the light emitting diode D1 is equal to the voltage of the light emitting diode D1, so that high speed operation is possible.
[0020]
As described above, when a voltage higher than that of the switching signal input terminal 3 is input, the light emitting diode D1 is turned off when the voltage is high by changing the level of the voltage as the transmission signal input from the transmission signal input terminal 2. However, since the light emitting diode D1 is lit when the voltage is low, the light emitting diode D1 can be blinked corresponding to the transmission signal. Therefore, the transmission signal expressed by the voltage level can be modulated by the light emitting diode D1 to blink the light. In actuality, the on-voltage or on-resistance of the second transistor Q2 exists, but since the influence is sufficiently smaller than the resistance Rs, there is no practical problem.
[0021]
At this time, since the second transistor Q2 is in the on state, the negative input terminal of the comparator U2 is grounded via the second transistor Q2, and therefore the reference applied to the positive input terminal of the comparator U2 The voltage at the negative input terminal is lower than the voltage Vref, and a high voltage is always output from the output terminal. Therefore, the output from the reception signal output terminal 4 is not affected by the transmission signal input from the transmission signal input terminal 2, and the input / output signals can be separated.
[0022]
Next, the reception state will be described. When a low voltage is applied to the switching signal input terminal 3, no current difference flows between the base and emitter of the second transistor Q2, so no current flows. Therefore, no current flows between the collector and emitter, so that the transistor Q2 Is turned off. At the same time, when a voltage higher than the transmission signal input terminal 2 is applied, the first transistor Q1 is turned on as described above, and a current flows between the base and the emitter. In this state, the connection point 8 is connected to the first transistor Q1. It will be in the state grounded via. Therefore, the light emitting diode D1 is in a state where the voltage of the power source 5 is applied in the reverse bias direction via the resistor Rd.
[0023]
As described above, when light is applied to the pn junction surface of the light emitting diode D1 in a state where a voltage in the reverse bias direction is applied to the light emitting diode D1, a current flows according to the intensity of the light. When the light emitting diode D1 is not irradiated with light, the light emitting diode D1 is in an insulated state, and therefore, the voltage of the power source 5 is applied to the negative input terminal of the comparator U1 via the resistor Rd. The voltage becomes higher than the voltage Vref, and a low voltage is output from the output terminal of the comparator U1.
[0024]
On the other hand, when light is emitted to the light emitting diode D1, a current flows through the light emitting diode D1, so that a voltage drop occurs in the resistor Rd, and the voltage applied to the negative input terminal of the comparator U1 decreases. Therefore, if the resistance value of the resistor Rd is set to an appropriate value so that the voltage applied to the negative input terminal of the comparator U1 when a current flows through the light emitting diode D1, the light emitting diode D1 is reduced. When light is irradiated to the light source, a high voltage can be output from the output terminal of the comparator U1.
[0025]
As described above, when a voltage lower than the switching signal input terminal 3 is input and a voltage higher than the transmission signal input terminal 2 is input, the voltage is output from the reception signal output terminal 4 in response to blinking of the light beam irradiated to the light emitting diode D1. The voltage level can be switched. Therefore, the signal modulated by the blinking of light can be received by the light emitting diode D1 and demodulated into a received signal represented by the voltage level. At this time, since the voltage in the reverse bias direction is applied to the light emitting diode D1 as described above, the light emitting diode D1 can be used as a light receiving element that operates at high speed. The transmission speed of 1 can be increased.
[0026]
As described above, the first transistor Q1 is used not only for blinking of the light emitting diode D1 in the transmission state but also for applying a voltage in the reverse bias direction to the light emitting diode D1 in the reception state. The bidirectional optical transmission / reception circuit 1 can be provided.
[0027]
By the way, as shown in FIG. 2, the circuit in which the resistors Rs and Rd attached to the anode and cathode of the light emitting diode D1 are reversed is equivalent to the case of FIG. This can be dealt with by reversing the relationship and the input to the positive and negative input terminals of the comparator U1. Further, since the first and second transistors Q1 and Q2 have opposite directions of current flow, PNP transistors are used in the case of FIG. In the above embodiment, the reference voltage Vref is applied to which of the positive and negative input terminals of the comparator U1 in accordance with the specifications of the device using the bidirectional optical transceiver 1, that is, the received signal output terminal 4 The level of the voltage output from can be determined by how to correspond to the logic (0, 1) of the received signal. Further, when the voltage drop due to the resistor Rd is small, an amplifier circuit may be inserted before the input to the comparator U1.
[0028]
(Second embodiment)
In the first embodiment, the reception signal output from the reception signal output terminal 4 is completely separated from the transmission signal. However, when the bidirectional optical transceiver circuit 1 according to the present invention is set to the reception state, the transmission signal is not transmitted. The high voltage state must always be maintained, and the transmitted / received signal is not completely independent of the circuit. Further, in the transmission state, the light emitting diode D1 is turned off with respect to the high voltage of the transmission signal and is turned on with respect to the low voltage. Therefore, when this signal is received by another circuit in the reception state, the transmission circuit A high voltage is output for turning on and a low voltage is output for turning off, and the correspondence between the high and low voltages in the transmission signal and the reception signal is reversed.
[0029]
Therefore, in the second embodiment, the transmission / reception signal is completely independent of the circuit (that is, the transmission state and the reception state are switched only by the switching signal), and the voltage levels of the transmission signal and the reception signal coincide with each other. The case where it comprises is demonstrated using FIG. 3 (a). In FIG. 3, electronic components having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. At this time, the transistor is used as the switching element in the first embodiment, but the second embodiment shows a case where the transistor is realized by using a MOS-FET (field effect transistor) that can be easily connected to the digital circuit. Yes.
[0030]
In the second embodiment shown in FIG. 3A, the circuit configuration is basically the same as in the first embodiment, but a NAND gate circuit U2 is provided between the transmission signal input terminal 2 and the gate of the first transistor Q1. In addition, the transmission signal and the switching signal are input to the NAND gate circuit U2, and the first transistor Q1 is turned on / off by the output. The NAND gate circuit U2 outputs a signal obtained by inverting the logical product of two input signals.
[0031]
Therefore, when a voltage higher than that of the switching signal input terminal 3 is applied to place the bidirectional optical transmission / reception circuit 1 'in the transmission state, the NAND gate circuit U2 has a lower voltage than the high voltage input from the transmission signal input terminal 2. Is output, the first transistor Q1 is turned off, and the light emitting diode D1 is lit. When a voltage lower than the transmission signal input terminal 2 is input, a high voltage is output from the NAND gate circuit U2, the first transistor Q1 is turned on, and the light emitting diode D1 is turned off.
[0032]
On the other hand, when a voltage lower than that of the switching signal input terminal 3 is applied to place the bidirectional optical transceiver circuit 1 'in the reception state, the output of the NAND gate circuit U2 is independent of the state of the transmission signal input from the transmission signal input terminal 2. Since a high voltage is always output, as described in the first embodiment, the first transistor Q1 is turned on, and a voltage in the reverse bias direction can be applied to the light emitting diode D1 to form a light receiving element. Other operations in this reception state are the same as those in the first embodiment.
[0033]
FIG. 4 shows a timing chart in the state of transmission / reception in the second embodiment. In this timing chart, SEL is a switching signal input from the switching signal input terminal 3. In this switching signal, ON (when the voltage is high) indicates that the bidirectional optical transceiver circuit 1 ′ according to the present invention is in a transmission state, and OFF (when the voltage is low) indicates that the signal is in a reception state. ing. In addition, IN is a transmission signal input from the transmission signal input terminal 2, H indicates a high voltage, and L indicates a low voltage. The light output and the light input respectively indicate the light emitting state and the light receiving state of the light emitting diode D1 in the transmission state and the reception state. That is, when the circuit on the transmission side emits light (lights up), the circuit on the reception side becomes bright, and when the circuit is turned off, it becomes dark. Finally, OUT is a reception signal output from the reception signal output terminal 4, and the meanings of H and L are the same as those of the transmission signal.
[0034]
FIG. 4 shows a case where the transmission state is reached at time T0 and the reception state is entered at T1. As apparent from FIG. 4, the transmission state and the reception state are switched according to the switching signal (SEL), and the transmission operation (the light emitting diode D1 of the light emitting diode D1) is performed even if light is irradiated on the light emitting diode D1 in the transmission state. (Blinking) is not affected. Similarly, even if the transmission signal (IN) is input in the reception state, the reception signal (OUT) is not affected. Therefore, in the bidirectional optical transmission / reception circuit 1 ′ according to the second embodiment, the transmission / reception signals are completely separated. The correspondence between the voltage level and the logic level (0, 1) is also the same for the transmission signal (IN) and the reception signal (OUT).
[0035]
In the second embodiment, as described in the first embodiment, as shown in FIG. 3B, a circuit in which the resistors Rs and Rd connected to the anode and the cathode of the light emitting diode D1 are reversed is equivalent. . In this case, the logic of the gate circuit is also inverted. In the first and second embodiments, the resistor Rd used when the light emitting diode D1 is used as a light receiving element is connected to the power source 5 used for causing the light emitting diode D1 to emit light (FIGS. 1 and 2). 3 (a)) is a power source 6 for supplying noise to the comparator U1 and a power source for which noise is limited in a device using the bidirectional optical transceiver circuits 1 and 1 'according to the present invention. If the light emitting diode D1 operates as a light receiving element, it can be selected in accordance with the purpose.
[0036]
In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the reception signal (OUT) in the transmission state is fixed in a state where the light emitting diode D1 is irradiated with light. Therefore, in the case of the circuit configuration shown in FIG. 2, when a high voltage signal is input from the switching signal input terminal 3 (that is, in the reception state), the signal is output from the reception signal output terminal 4. The signal must be configured not to be processed as a received signal.
[0037]
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 5, it is possible to cope with this problem by adding one gate circuit U3 between the output terminal of the comparator U1 and the reception signal output terminal 4. The gate circuit U3 is configured to output an exclusive OR of the signal output from the output terminal of the comparator U1 and the switching signal. When the switching signal is a high voltage (that is, in the transmission state), as described in the first embodiment, the output signal from the comparator U1 always outputs a low voltage, and therefore, the output from the gate circuit U3. Always outputs a low voltage. Therefore, a low voltage is always output from the reception signal output terminal 4 (that is, a state where no light is emitted to the light emitting diode D1). On the other hand, when the switching signal has a low voltage (that is, in the reception state), the output of the comparator U1 is output to the reception signal output terminal 4 as it is. FIG. 6 shows a timing chart corresponding to FIG. It can be seen that the received signal (OUT) is fixed to a low voltage state in the transmission state by the gate circuit U3.
[0038]
FIG. 7 shows a case where the input to the positive / negative input terminal of the comparator U1 is reversed and the logic of the output from the comparator U1 is reversed with respect to the bidirectional optical transmission / reception circuit 1 ′ shown in FIG. ing. In the case of FIG. 7, a gate circuit U3 'that outputs a logical sum by inverting the output from the comparator U1 and the switching signal is used. As described above, the bidirectional optical transmission / reception circuits 1 and 1 'according to the present invention can freely select the comparator U1 and the gate circuit U3 (U3'), have a simple circuit configuration and a high degree of freedom. I understand.
[0039]
As described above, as described in the first and second embodiments, the bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention can exchange light signals at high speed with a simple circuit configuration. In addition, since the above-described semiconductor switch elements (first and second transistors Q1, Q2) can be configured by a differential amplifier circuit, and further, the degree of freedom in configuring the circuit is high, the present invention. The bidirectional optical transmission / reception circuit according to the above can be easily integrated, can be mass-produced, and can be provided at low cost.
[0040]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention, the voltage applied to the semiconductor light emitting element is switched between the forward bias direction and the reverse bias direction by two switches (semiconductor switch elements). be able to. Therefore, high-speed data transmission can be realized with a small number of electronic components and a simple circuit configuration. In addition, since the bidirectional optical transmission / reception circuit according to the present invention is composed of a semiconductor switch element or the like, it can be easily integrated into an IC, can be mass-produced, and can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of another circuit configuration of the first embodiment of the bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the bidirectional optical transceiver circuit according to the present invention, in which (a) is a first transistor connected to the anode side of the light emitting diode and a second transistor connected to the cathode side; (B) shows the case where the first transistor is connected to the cathode side and the second transistor is connected to the anode side.
FIG. 4 is a timing chart in the second embodiment.
FIG. 5 is a circuit diagram in a case where it is configured to turn off a reception signal in a transmission state in the second embodiment.
6 is a timing chart in the circuit configuration shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram of another circuit configuration in a case where the second embodiment is configured to turn off a reception signal in a transmission state.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a conventional bidirectional optical transceiver circuit.
[Explanation of symbols]
1 Bidirectional optical transceiver circuit D1 Light emitting diode (semiconductor light emitting element)
Q1 first transistor (first switch)
Q2 Second transistor (second switch)

Claims

A half-duplex bidirectional optical transceiver circuit that performs transmission / reception by switching one light-emitting diode between a light-emitting element and a light-receiving element,
A first switch connected in parallel to the light emitting diode ;
A second switch connected in series to the light emitting diode ;
When the transmission state, said applies a positive bias direction voltage to the second switch turning on, the light emitting diode, on the light emission of the light emitting diode by turning on and off the first switch by transmission signal -Turn off and operate the light emitting diode as a light emitting element,
When the reception state, the well as on the first switch, said off the second switch by applying a reverse bias direction of voltage to a light-emitting diode, receives the signal light irradiated on the light emitting diode bidirectional optical transceiver circuit, characterized in that for operating the light-emitting diode as a light receiving element to output a.

The bidirectional optical transceiver circuit according to claim 1, wherein the first switch and the second switch are configured by semiconductor switch elements.

The bidirectional optical transmission / reception circuit according to claim 1, further comprising a comparator configured to compare a voltage change of the reception signal output from the light emitting diode with a reference voltage to shape the reception signal.