JP4092243B2 - 光増幅回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードにより発生する光電流を電圧に変換する光増幅回路に関し、特に耐ノイズ性と高速応答性とを有する光増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅回路は、ＦＡ関連装置に使用されるＩＣカプラやパソコン間通信等に用いられる赤外線通信の受信側回路、光信号をデジタル信号に変換する回路等に広く用いられている。この光電流を電圧変換する回路の一例を図３に示す。図において、１、２はそれぞれはトランジスタで、前段のトランジスタ１のエミッタは接地され、コレクタは抵抗３を介して電源ラインＶｃｃに接続され、後段のトランジスタ２は、ベースが前段トランジスタ１のコレクタと抵抗３の接続部に接続され、エミッタが抵抗４を介して接地され、コレクタは電源ラインＶｃｃに接続されており、前段トランジスタ１のベースを入力端５とし、後段トランジスタ２のエミッタを出力端６とする反転増幅器７を構成し、さらに入出力端５、６間に帰還抵抗８（抵抗値をＲｆとする）を接続して、増幅器９を構成している。１０はフォトダイオードで、その一端（図示例ではアノード電極）は増幅器９の入力端５に接続されている。１１、１２は、第１、第２のダイオードで、同一方向に直列接続され、一端側のカソード電極が接地され、他端側のアノード電極が抵抗１３を介して電源ラインＶｃｃに接続され、ダイオード１２と抵抗１３の接続部がフォトダイオード１０の他端（カソード電極）に接続されている。図中、前後段トランジスタ１、２、はそれぞれＮＰＮ型トランジスタである。
【０００３】
この回路のフォトダイオード１０の両端にはほぼ一定の逆バイアス電圧がかけられており、フォトダイオード１０に光入力されない場合には、光電流Ｉｐｄは発生せず、帰還抵抗８にはトランジスタ１のベース電流以外には電流が流れず、増幅器９の出力電圧は入力端５とほぼ等しい電圧Ｖｏとなる。ただし、電圧Ｖｏにはトランジスタ１のベース電流による帰還抵抗８での僅かなオフセット電圧が含まれている。フォトダイオード１０に光入力されると、光量に応じて発生した光電流Ｉｐｄが帰還抵抗８に流れ、帰還抵抗８の両端に（Ｉｐｄ×Ｒｆ）の電圧を発生し、出力端６の電圧Ｖａは電圧（Ｖｏ−Ｉｐｄ×Ｒｆ）に変化する。この電圧Ｖａが、増幅器９に接続された図示しない電圧増幅回路で増幅され、図示しない出力トランジスタをオン／オフさせる。
【０００４】
この光増幅回路では、ＰＮ接合の順方向電圧をＶｆとすると、フォトダイオード１０のカソード電極には第１、第２のダイオード１１、１２によってダイオード２個分の順方向電圧（２×Ｖｆ）がかかり、アノード電極には、トランジスタ１のベース・エミッタ間の順方向電圧Ｖｆがかかるため、フォトダイオード１０の両端には逆バイアス状態で電圧Ｖｆが印加される。そのためフォトダイオード１０のＰＮ接合部での空乏層が広がりフォトダイオード１０の容量Ｃｐｄは減少する。この回路の時定数は容量Ｃｐｄと帰還抵抗８の抵抗値Ｒｆとの積を反転増幅器７のゲインＡｖで除した値（Ｃｐｄ×Ｒｆ／Ａｖ）で決定されるが、容量Ｃｐｄが小さくなれば時定数を低減でき、回路の応答性を高め、高周波動作に有利となる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ところでこの光増幅回路を発光ダイオードなどの光源と組合せたフォトカプラやフォトインタラプタはセンサとしてＦＡ機器内で多用されている。このＦＡ機器に含まれるモータやソレノイドなど大電流で電力制御される装置は、動作中にノイズを発生する。一方、センサとして用いられるフォトカプラやフォトインタラプタは通常は安定化電源に接続されて安定動作するようにしているが、電源から離れた場所に配置され配線を長く引き回さなければならないような場合、電力制御される装置が発生するノイズが電源ラインに重畳し易く、電源電圧が大きく変動することがある。
【０００６】
図３に示す光増幅回路はフォトダイオード１０に印加する逆バイアス電圧を、前段トランジスタ１のベース・エミッタ間の順方向電圧と直列接続された２個のダイオード１１、１２の順方向電圧によって得ているが、ノイズ等により電源電圧Ｖｃｃが変動した場合、フォトダイオード１０の両端の電圧の変動量が異なり、フォトダイオード１０の両端の電位差が変動する。この変動電圧によってフォトダイオード１０の容量Ｃｐｄを充放電する充放電電流を生じ、この充放電電流は光電流Ｉｐｄに重畳される。
【０００７】
この結果、光入力がないにもかかわらず帰還抵抗８に電流が流れ、ＦＡ機器を誤動作させる虞があるという問題があった。
【０００８】
このような問題を解消するものとして本出願人は、図４に示す光増幅回路を特許文献２で提案している。図中、図３と同一部分には同一符号を付し重複する説明を省略する。図において、１４は反転増幅器７と同一構成の第２反転増幅器、１５は帰還抵抗８と同一の第２の帰還抵抗で、第２反転増幅器１４の入出力間に接続され、バイアス設定回路１６を構成している。フォトダイオード１０は一端（アノード電極）が増幅器９の入力端５に接続され、他端（カソード電極）がバイアス設定回路１６の入力端１７に接続されている。即ち、内部回路が同一構成の増幅器９、バイアス設定回路１６の各入力端５、１７間にフォトダイオード１０を接続し増幅器９の出力端６から出力電圧Ｖａを得るようにしている。
【０００９】
この回路は、光入力がない場合、フォトダイオード１０には光電流Ｉｐｄは発生せず、帰還抵抗８にはトランジスタ１のベース電流以外には電流が流れず、増幅器９の出力電圧は入力端５とほぼ等しい電圧Ｖｏとなる。ただし、電圧Ｖｏにはトランジスタ１のベース電流による帰還抵抗８での僅かなオフセット電圧が含まれている。フォトダイオード１０に光入力されると、その光量に応じた光電流Ｉｐｄが発生し、この光電流Ｉｐｄが増幅器９の入力端５から帰還抵抗８に流れ、帰還抵抗８の両端に電圧（Ｉｐｄ×Ｒｆ）が発生し、出力端６の電圧Ｖａは電圧（Ｖｏ−Ｉｐｄ×Ｒｆ）となる。一方、バイアス設定回路１６は帰還抵抗１５の両端に帰還抵抗８とは逆向きの電圧降下を生じさせて入力端１７から光電流Ｉｐｄに相当する電流をフォトダイオード１０に供給する。
【００１０】
この回路のフォトダイオード１０の両端には増幅器９、バイアス設定回路１６の初段トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧Ｖｆがかかるため、フォトダイオード１０の両端の電位差はほぼゼロで、外部ノイズが重畳するなどの理由により電源電圧Ｖｃｃが変動してもフォトダイオード１０の両端にかかる電圧はほぼ同じように変化し、フォトダイオード１０の両端の電位差をほぼゼロに保つことができる。そのためフォトダイオード１０内部で充放電電流が発生せず、光入力がなくても出力電圧が発生するということがなくなり、図３回路の問題が解消される。
【００１１】
ところが、フォトダイオード１０の両端の電圧がほぼ同じで、両端の電位差がほぼゼロであるため、容量Ｃｐｄが図３回路より大きくなり、そのため回路の時定数（Ｃｐｄ×Ｒｆ／Ａｖ）が大きくなり応答性が低下し高周波動作には不向きであるという問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−２８８６０５号公報 （第２頁、第６図）
【特許文献２】
特願２００２−２７８３８７号 （第３図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の光増幅回路では、回路の応答特性を優先させると電源変動等の外来ノイズに対する回路の安定性が低下し、逆に外来ノイズに対する回路の安定性を向上させると応答特性が低下するという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光増幅回路は上記課題に鑑み提案されたもので、反転増幅器の入出力間に帰還抵抗を接続した、電流入力を電圧出力に変換する増幅器と、前記増幅器と同一構成のバイアス設定回路と、アノード電極が前記増幅器の入力端に接続され、カソード電極が前記バイアス設定回路の入力端に接続されたフォトダイオードと、前記バイアス設定回路の出力端と前記増幅器の入力端とを接続するコンデンサとを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１を参照して説明する。図において、図４と同一部分には同一符号を付し重複する説明を省略する。図４とは、バイアス設定回路１６の出力端１８と増幅器９の入力端５とをコンデンサ１９で接続する点でのみ異なる。
【００１６】
この回路の動作を以下に説明する。フォトダイオード１０のアノード電極、カソード電極にはそれぞれ増幅器９およびバイアス設定回路１６の初段トランジスタのベース・エミッタ間の順方向電圧がかかっている。この状態でフォトダイオード１０に光が照射されると発生した光電流Ｉｐｄが帰還抵抗８に流れ電圧降下させるため増幅器９の出力端６の電圧が変化し、光電流・電圧変換が行なわれる。
【００１７】
この回路は、光入力がない場合、フォトダイオード１０には光電流Ｉｐｄは発生せず、帰還抵抗８にはトランジスタ１のベース電流以外には電流が流れず、増幅器９の出力電圧は入力端５とほぼ等しい電圧Ｖｏとなる。フォトダイオード１０に光入力されると、その光量に応じた光電流Ｉｐｄが発生し、この光電流Ｉｐｄがフォトダイオード１０から増幅器９の入力端５に流れ込む。一方、バイアス設定回路１６は、その出力端１８から帰還抵抗１５（抵抗値をＲｆとする）を経て入力端１７へ光電流Ｉｐｄに相当する電流をフォトダイオード１０に供給する。よって、バイアス設定回路１６の出力端１８の電圧は入力端１７のそれよりも電圧（Ｉｐｄ×Ｒｆ）だけ高くなり、増幅器９の出力端６の電圧は入力端５のそれよりも同じ電圧（Ｉｐｄ×Ｒｆ）だけ低くなる。
【００１８】
また、この回路のフォトダイオード１０の両端にはそれぞれ増幅器９、バイアス設定回路１６の初段トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧Ｖｆがかかるため、フォトダイオード１０の両端の電位差はほぼゼロである。したがって、バイアス設定回路１６の出力端１８と増幅器９の入力端５とを接続するコンデンサ１９（容量をＣとする。）の両端にも電圧（Ｉｐｄ×Ｒｆ）が発生し、出力端１８から入力端５にコンデンサ１９を流れる電流Ｉｃは、光電流Ｉｐｄの時間変化の割合に応じたものとなる。つまり、
Ｉｃ＝Ｃ×ｄ（Ｉｐｄ×Ｒｆ）／ｄｔ
＝Ｃ×Ｒｆ×ｄ（Ｉｐｄ）／ｄｔ
で表わされる電流Ｉｃが、光電流Ｉｐｄ波形の立上がり、立下り時のみにコンデンサ１９に流れ、この電流Ｉｃがフォトダイオード１０の光電流Ｉｐｄに重畳されて帰還抵抗８に流れ電圧変換されるため、帰還抵抗８の両端に電圧（（Ｉｐｄ＋Ｉｃ）×Ｒｆ）が発生し、増幅器９の出力端６にはオーバーシュート、アンダーシュートを含む電圧（Ｖｏ−（Ｉｐｄ＋Ｉｃ）×Ｒｆ）が表れる。
【００１９】
上記図１の構成の光増幅回路の動作を図２の波形図を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すようにフォトダイオード１０への光入力に応じた光電流Ｉｐｄが発生する。フォトダイオード１０の寄生容量をＣｐｄとし、反転増幅器７の増幅度をＡｖすると、この光電流波形の立上がり、立下りは、時定数（Ｃｐｄ×Ｒｆ／Ａｖ）で決定される。一方、図２（ｂ）に示すように電流Ｉｃは、前述の通り図２（ａ）の光電流Ｉｐｄの微分波形となる。従って、帰還抵抗８に流れる電流（Ｉｐｄ＋Ｉｃ）は図２（ｃ）のようになり、この電流が電圧変換されるため、図２（ｄ）に実線で示す電流波形を反転したような出力波形Ｖａとなる。図２（ｄ）に示す破線は、コンデンサ１９がないときの波形である。立上がり、立下り時の傾きは、破線よりも実線の方が急峻で、図２（ｄ）のΔｔｐHL、ΔｔｐLHに示すように応答時間は、従来よりも改善されている。図示例は、５０％変化点までの応答時間の改善時間を示している。
【００２０】
このように従来の光増幅回路にコンデンサ１９を好適に選定し追加することで、外来ノイズに対する回路の安定性を向上させるとともに、回路の応答特性を向上させ、高速動作が可能となる。
【００２１】
尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、反転増幅器７、１４は図示例ではエミッタ接地の前段トランジスタ１とエミッタフォロワの後段トランジスタ２の二段構成であるが、これに限定されず一般に知られている反転増幅器を構成するものであればよい。また、増幅器９の出力端６に波形整形回路を接続し出力トランジスタを駆動する実施例も考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、フォトダイオードの両電極を同一回路でバイアスする構成としたので、電源ラインＶｃｃに大振幅のノイズが重畳したような場合でもフォトダイオード１０の両端の電位差をほぼゼロに保つことができ、また、フォトダイオードのアノード電極側の増幅器入力と同じ電圧変動をするカソード電極側のバイアス設定回路出力とをコンデンサで接続する構成としたので、光入力に応じてフォトダイオードに流れる光電流の変化を強調する電流が光電流に重畳されて電圧変換され出力電圧の立上がり、立下りを急峻にできるため、耐ノイズ性と高速応答性とを両立させた光増幅回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による光増幅回路を示す回路図。
【図２】 図１に示す光増幅回路の動作を説明する波形図。
【図３】 従来の光増幅回路の一例を示す回路図。
【図４】 従来の光増幅回路の他の例を示す回路図。
【符号の説明】
７、１４ 反転増幅器
８、１５ 帰還抵抗
９ 増幅器
１０ フォトダイオード
１６ バイアス設定回路
１９ コンデンサ

Claims (2)

1. 反転増幅器の入出力間に帰還抵抗を接続した、電流入力を電圧出力に変換する増幅器と、前記増幅器と同一構成のバイアス設定回路と、アノード電極が前記増幅器の入力端に接続され、カソード電極が前記バイアス設定回路の入力端に接続されたフォトダイオードと、前記バイアス設定回路の出力端と前記増幅器の入力端とを接続するコンデンサとを有することを特徴とする光増幅回路。
2. 前記フォトダイオードへ光信号が入力されると前記光信号に応じて前記バイアス設定回路の入力端と出力端の間に電位差が生じ、前記電位差の時間変化に応じて前記コンデンサに流れる電流が、前記光信号により前記フォトダイオードで生じる光電流に重畳されて前記増幅器の入力端に入力されることを特徴とする請求項１に記載の光増幅回路。

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