JP4545064B2 - 光信号受信回路 - Google Patents

Description

本発明は、可視光を用いて通信を行うときの光信号受信回路に関し、特に、雑音の影響を低減して安定した動作を得られる光信号受信回路に関するものである。

従来、この種の光信号受信回路に用いる受光部すなわち電流−電圧変換回路としては、図９に示す抵抗型回路、図１０に示す並列帰還型回路、図１１に示すレギュレーティッド・カスコード型回路の３種類が一般に知られている。

図９に示す抵抗型回路は、光信号を電流信号に変換するフォトダイオードからなる受光素子111と、抵抗器112とから構成され、受光素子111のカソードには＋Ｖ１の電圧が印加されており、アノードは抵抗器112を介して接地されている。これにより、アノードと抵抗器112との接続点を出力端子113とし、出力端子113からは光信号に応じて受光素子101を流れる電流Ｉと抵抗器102の抵抗値Ｒとを乗算した値の電圧Ｖが出力される。この抵抗型回路の長所は回路構成が容易なことであるが、短所として高速化と低ノイズの両立が困難であることが挙げられる。

図１０に示す並列帰還型回路は、光信号を電流信号に変換するフォトダイオードからなる受光素子121と、抵抗器122及び電圧増幅器123とから構成され、受光素子121のカソードには＋Ｖ１の電圧が印加されており、アノードは抵抗器122の一端と電圧増幅器123の入力端に接続され、抵抗器122の他端は電圧増幅器123の出力端に接続されている。これにより、電圧増幅器123の出力端子124からは光信号に応じて受光素子121を流れる電流Ｉと抵抗器122の抵抗値Ｒとを乗算した値の電圧に近い電圧Ｖが出力される。この並列帰還型回路の長所は高速化と低ノイズの両立が可能なことであるが、短所として帯域幅とノイズが入力容量に依存することが挙げられる。

図１１に示すレギュレーティッド・カスコード型回路は、光信号を電流信号に変換するフォトダイオードからなる受光素子131と、抵抗器132、電圧増幅器133、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）134及び定電流源135とから構成され、受光素子131のカソード及び抵抗器132の一端には＋Ｖ１の電圧が印加されている。また、抵抗器132の他端はＦＥＴ134のソースに接続され、ＦＥＴ134のドレインは受光素子131のアノードと電圧増幅器133の入力端と定電流源135の入力端のそれぞれに接続されている。電圧増幅器133の出力端はＦＥＴ134のゲートに接続され、定電流源135の出力端は接地されている。これにより、ＦＥＴ134のソースと抵抗器132との接続点を出力端子136とし、出力端子136からは光信号に応じて受光素子131を流れる電流Ｉと抵抗器132の抵抗値Ｒとを乗算した値の電圧Ｖが出力される。このレギュレーティッド・カスコード型回路の長所は帯域幅が入力容量に依存しないことであるが、短所としてＦＥＴ134の１／ｆ雑音が無視できないことが挙げられる。

一方、可視光通信を行う場合は、太陽光などの自然光が受光素子に入射すると、この自然光による電流が受光素子に発生するため、電流−電圧変換回路において直流電位のズレが生じてしまう。例えば、前述したレギュレーティッド・カスコード型回路の場合、出力電圧Ｖには太陽光などの自然光の入射或いはその変動による直流電流によって直流電位のズレが発生し、これによりＦＥＴ134の動作領域が変化して増幅器として動作しなくなってしまう。

このような自然光の受光素子への入射によって発生する直流電流の影響を低減する方法としては、次の２つの手法が知られている。

１つ目の手法は、図１２に示すように、受光素子141と受信回路142との間に大容量コンデンサ等のフィルタ143を挿入して直流電位のズレの影響をなくすことである。この手法の長所は回路構成が容易なことであるが、短所として時定数の大きなフィルタ143が必要であるため集積化が困難であると共に適用できる通信方式が制限されることが挙げられる。

２つ目の手法は、図１３に示すように、受光素子151からの直流電流と信号電流を分流し、直流電流をバイアス回路153に流すことによって、直流電流を受信回路152に流入させない方法である。このとき、受信回路152の出力をバイアス回路153にフィードバックして制御する。このようなフィードバック制御に関しては、例えば特開平１１−２３４０９８号公報に開示されるような赤外線通信に適用したものが知られている。この手法の長所は時定数の大きなフィルタが不要なことであるが、短所として太陽光電流（直流電流）が大きくなるとＳＮＲ（Signal vs. Noise Ratio）が下がることが挙げられる。したがって、太陽光などの自然光が存在する空間での可視光通信に適用することは難しい。
特開平１１−２３４０９８号公報

前述したように、抵抗型の電流−電圧変換回路は、回路構成が容易であると言う長所を有しているが、高速化と低ノイズの両立が困難であるという短所がある。

また、並列帰還型の電流−電圧変換回路は、高速化と低ノイズの両立が可能であるという長所を有しているが、帯域幅とノイズが入力容量に依存するという短所がある。

また、レギュレーティッド・カスコード型の電流−電圧変換回路は、帯域幅が入力容量に依存しないという長所を有しているが、ＦＥＴ134の１／ｆ雑音が無視できないという短所がある。さらに、可視光通信を行う場合、レギュレーティッド・カスコード型の電流−電圧変換回路は、太陽光などの自然光が受光素子に入射すると、この自然光による電流が受光素子に発生するため、直流電位のズレが生じてしまい、ＦＥＴ134の動作領域が変化して増幅器として動作しなくなってしまうという問題点がある。

さらに、太陽光などによる直流電流の影響を低減する従来手法においては、集積化が困難であったり、太陽光電流（直流電流）が大きくなるとＳＮＲ（Signal vs. Noise Ratio）が下がる等の問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、雑音の影響を低減して安定した動作を得られる光信号受信回路を提供することである。

本発明は前記目的を達成するために、定電流源と、前記定電流源と出力端子との間に接続されたゲート接地ＦＥＴと、前記出力端子と接地または電源との間に接続された負荷と、前記定電流源に並列接続され、制御電圧に基づいて前記定電流源と同方向に出力する電流量を変化させる電圧制御電流源と、前記出力端子に出力される直流電圧成分が所定の基準電圧と同じになるように、前記出力端子に出力される電圧と前記基準電圧との差の電圧を前記制御電圧として前記電圧制御電流源に出力するエラーアンプと、直列接続された前記ゲート接地ＦＥＴと前記負荷とに対して並列接続され、信号光を含む光を受光して受光量に対応した電流を流す光電変換素子とからなる受光部を備えている可視光通信用光信号受信回路を提案する。

本発明の光信号受信回路によれば、直列接続されたゲート接地ＦＥＴと負荷及びこれらに対して並列接続された光電変換素子に定電流源から電流が流され、光電変換素子に光が入射するとこの光量に対応して光電変換素子に流れる電流が変化し、これに伴い直列接続されたゲート接地ＦＥＴと負荷に流れる電流も変化する。また、光電変換素子に太陽光などの信号光以外の自然光が入射すると、直列接続されたゲート接地ＦＥＴと負荷に流れる電流が変化して出力端子から出力される電圧が変化するが、出力端子から出力される直流電圧成分の値が常に基準電圧の値と同じになるようにエラーアンプによって電圧制御電流源から直列接続されたゲート接地ＦＥＴと負荷及びこれらに対して並列接続された光電変換素子に流れるバイアス電流が制御される。

また、前記出力端子から出力される電圧に低周波雑音が重複した場合に備えて、前記出力端子から出力される電圧から２値化信号をデコードするデコード部に相関二重サンプリング回路を備えた。

この相関二重サンプリング回路により、前後のサンプリング電圧値が比較されて信号電圧の変化が検出されて２値化信号がデコード（復号）される。

本発明の光信号受信回路によれば、信号光以外の太陽光等の自然光が光電変換素子に入射し、その光量が変化しても、出力端子から出力される直流電圧成分は基準電圧の値に一定に保たれるので、太陽光等の自然光の変化に影響されることなく信号光の成分のみを電圧の変化として出力することができる。従って、太陽光等の自然光の変化による雑音の影響を低減して安定した動作を得ることができる。

また、前記出力端子から出力される電圧に低周波雑音が重複した場合には、この電圧をデコードするデコード部に相関二重サンプリング回路を備えることにより、この相関二重サンプリング回路によって前後のサンプリング電圧が比較されて信号電圧の変化が検出されるので、信号電圧に低周波雑音成分が重複していても信号電圧の変化を正確に検出することができ、２値化信号への正確なデコードを行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態における光信号受信回路を示すブロック図である。図において、200は光信号受信回路で、受光部210とデコード部220とから構成されている。

受光部210は、受光量に対応した電流を流すフォトダイオード等の光電変換素子からなる受光素子211と、レギュレーティッド・カスコード（ＲＧＣ：ReGulated Cascode）型の電流−電圧変換回路を有する電流バッファ回路212、バイアス電流制御回路213とから構成されている。

受光素子211は電流バッファ回路212に接続され、外部から信号光を含む光が入射されると、この光の量に対応した電流が受光素子211に流れ、この電流が電流バッファ回路212によって電圧に変換されて出力される。さらに、バイアス電流制御回路213によって電流バッファ回路212に流れるバイアス電流が制御される。即ち、バイアス電流制御回路213は、受光素子211に入射される太陽光や蛍光灯の光等の自然光が変化した際も、この自然光の変化によって電流バッファ回路212から出力される電圧の直流成分が変化しないように、つまり、直流電圧成分の電圧値が常に一定になるように電流バッファ回路212を流れるバイアス電流を制御する。

デコード部220は、サンプル／ホールド回路221と、２値化回路222、サンプリング信号生成回路223から構成され、これらにより周知の相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃorrelated Ｄouble Ｓampling）回路が形成されている。

サンプル／ホールド回路221は、サンプリング信号生成回路223から入力したサンプリング信号によって、電流バッファ回路212から入力した電圧を所定のサンプリング間隔でサンプリングし、サンプリングした電圧値をディジタル値で２値化回路222に出力する。

２値化回路222は、後述するように、サンプリング信号生成回路223から入力したサンプリング信号に基づいて、サンプル／ホールド回路221から取得したサンプリング電圧の値を順次比較し、その変化を検出して電圧値の変化の方向、すなわち電圧値が大きくなる方向に変化しているか或いは小さくなる方向に変化しているかによって２値化の値を決定し２値化した電圧信号を出力端子224を介して外部装置（図示せず）に出力する。

サンプリング信号生成回路223は、所定のサンプリング間隔でサンプリング信号を生成し、このサンプリング信号をサンプル／ホールド回路221と２値化回路222に出力する。

図２は、本実施形態における受光部210の一実施例を示す回路図である。図において、この受光部210は、受光素子211を構成するフォトダイオード311と、ＰチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴ312,313,314とＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴ315、電圧増幅器316、及びエラーアンプ317から構成され、周知のレギュレーティッド・カスコード（ＲＧＣ：ReGulated Cascode）型の電流−電圧変換回路を備えている。

フォトダイオード311のカソードはＦＥＴ311,313のドレインとＦＥＴ314のソースに接続され、アノードはＦＥＴ315のソースに接続されると共に接地されている。

ＦＥＴ312,313のソースは電源に接続され、ＦＥＴ312のゲートには所定のバイアス電圧VB2（定電圧）が印加され、ＦＥＴ312によって定電流源が構成されている。また、ＦＥＴ313のゲートにはエラーアンプ317から出力されるバイアス制御電圧Vcnt2が印加され、ＦＥＴ313によって電圧制御電流源が構成されている。

ＦＥＴ314は周知のゲート接地ＦＥＴであり、そのドレインはＦＥＴ315のドレインと電圧増幅器316の入力端およびエラーアンプ317の非反転入力端子に接続されている。また、ＦＥＴ314のゲートには電圧増幅器316の出力端が接続され、電圧増幅器316から出力される電圧が印加されている。

ＦＥＴ315のゲートには所定のバイアス電圧VB1（定電圧）が印加され、ＦＥＴ315によって能動負荷が構成されている。また、エラーアンプ317の反転入力端子には基準電圧（定電圧）Vrefが印加されている。尚、ＦＥＴ315による能動負荷に代えて抵抗負荷を用いても良い。また、上記受光部210の一実施例では能動負荷を構成するＦＥＴ315を出力端子と接地との間に配置したが、出力端子と電源との間に配置するように回路を構成しても良い。この場合、受光部210の各ＦＥＴのＰチャネル型とＮチャネル型を適宜設定すればよい。

上記構成よりなる受光部210によれば、直列接続されたゲート接地ＦＥＴ314と能動負荷を構成するＦＥＴ315及びこれらに対して並列接続されたフォトダイオード311に、ＦＥＴ312によって形成されている定電流源から電流が流され、フォトダイオード311に光が入射するとこの光量に対応してフォトダイオード311に流れる電流が変化し、これに伴い直列接続されたゲート接地ＦＥＴ314と能動負荷のＦＥＴ315に流れる電流も変化する。

また、フォトダイオード311に太陽光などの信号光以外の自然光が入射すると、直列接続されたゲート接地ＦＥＴ314と能動負荷のＦＥＴ315に流れる電流が変化してＦＥＴ314のドレイン（出力端子）から出力される電圧Voutが変化するが、出力端子から出力される電圧Voutにおける直流電圧成分が常に基準電圧Vrefと同じになるようにエラーアンプ317によって、ＦＥＴ313が形成する電圧制御電流源から、直列接続されたゲート接地ＦＥＴ314と能動負荷のＦＥＴ315及びこれらに対して並列接続されたフォトダイオード311に流れるバイアス電流が制御される。

従って、図３に示すように、受光部210の出力電圧Voutにおける直流成分は基準電圧Vrefと同じになり、この直流成分の上に信号成分が重複する。また、図４に示すように、フォトダイオード311に太陽光等の自然光が入射し太陽光電流が流れても、この太陽光電流の変化に追従してバイアス電流が変化し、出力電圧Voutの直流成分が一定に保たれる。

また、上記のように受光部210を、フォトダイオード311と、ＦＥＴ312,313,314,315、電圧増幅器316、及びエラーアンプ317から構成することにより、半導体集積化技術によって受光部210の小型化が可能である。

通常であれば、上記の出力電圧Voutを所定の閾値電圧と比較して２値化信号を生成することができるが、受光部210にレギュレーティッド・カスコード型の電流−電圧変換回路を用いているので、これを構成するＦＥＴの１／ｆノイズが信号に重複した場合に備えて、本実施形態ではデコード部220を相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃorrelated Ｄouble Ｓampling）回路によって構成している。

即ち、受光部210の出力電圧VoutにＦＥＴの１／ｆノイズが重複した場合、図５に示すように、出力電圧Voutを一定の閾値電圧Vthと比較したのでは正確な２値化信号を復調することはできない。このため、本実施形態では、図６及び図７に示すように、相関二重サンプリング回路によって、前後のサンプリング電圧値を比較することにより２値化信号を復調している。

図６には低周波の１／ｆノイズが重複した出力電圧Voutとその一部拡大図を示している。この拡大図に示すように、出力電圧Voutは所定のサンプリング間隔でサンプリングされ、電圧SV1〜SV8のようにサンプリング点での電圧値がサンプリングされる。

また、図７に示すように、２値化回路222では、隣接する２つのサンプリング電圧値を比較し、その変化を検出して電圧値の変化の方向、すなわち電圧値が大きくなる方向に変化しているか或いは小さくなる方向に変化しているかによって２値化の値を決定している。

例えば、隣接する２つのサンプリング電圧値SV(n)とSV(n+1)（ｎは自然数）とを比較し、その差の電圧Vd（＝SV(n+1)−SV(n)）が正であり且つその絶対値が所定の基準値Vth1よりも大きいときに電圧は大きくなる方向に変化していると判定し、これらのサンプリング電圧値SV(n)とSV(n+1)との間では「大」であると判定して２値化の値をハイレベル「Ｈ」とする。また、差の電圧Vd（＝SV(n+1)−SV(n)）が負であり且つその絶対値が基準値Vth1よりも大きいときに電圧は小さくなる方向に変化していると判定し、これらのサンプリング電圧値SV(n)とSV(n+1)との間では「小」であると判定して２値化の値をローレベル「Ｌ」とする。さらに、差の電圧Vd（＝SV(n+1)−SV(n)）の絶対値が基準値Vth1以下のときは１つ前の区間の判定結果と同じとして２値化の値を決定している。

前述したように本実施形態によれば、信号光以外の太陽光等の自然光がフォトダイオード311に入射し、その光量が変化しても、出力端子から出力される電圧Voutの直流電圧成分は基準電圧Vrefの値に一定に保たれるので、太陽光等の自然光の変化に影響されることなく信号光の成分のみを電圧の変化として出力することができる。従って、太陽光等の自然光の変化による雑音の影響を低減して安定した動作を得ることができるので、太陽光などの自然光が存在する空間での可視光通信に適用することができる。

また、出力端子から出力される電圧Voutに低周波雑音が重複した場合には、この電圧Voutから信号をデコードするデコード部220に相関二重サンプリング回路を備えることにより、この相関二重サンプリング回路によって前後のサンプリング電圧が比較されて信号電圧の変化が検出されるので、信号電圧に低周波雑音成分が重複していても信号電圧の変化を正確に検出することができ、２値化信号への正確なデコードを行うことができる。

尚、上記実施形態は、本発明の一具体例であって本発明が上記実施形態の構成のみに限定されることはない。例えば、図８に示すように、２つ以上の受光部210-1〜210-n(ｎは２以上の自然数)と１つのデコード部220及び加算回路240を備えて、受光部210-1〜210-nの出力電圧Voutを加算回路240によって加算した電圧をデコード部220のサンプル／ホールド回路221に入力してもよい。このようにすることによってＳＮＲ（Signal vs. Noise Ratio）を大きくすることができる。

本発明の一実施形態における光信号受信回路を示すブロック図 本発明の一実施形態における受光部210の一実施例を示す回路図 本発明の一実施形態における基準電圧Vrefと出力電圧Voutを示す波形図 本発明の一実施形態における太陽光電流とバイアス電流の関係を示す波形図 本発明の一実施形態における１／ｆノイズが重複した出力電圧Voutを示す波形図 本発明の一実施形態における１／ｆノイズが重複した出力電圧Voutのサンプリングを示す波形図 本発明の一実施形態における出力電圧Voutの２値化を説明する図 本発明の一実施形態における他の構成例を示すブロック図 従来例の抵抗型電流−電圧変換回路を示す図 従来例の並列帰還型電流−電圧変換回路を示す図 従来例のレギュレーティッド・カスコード型電流−電圧変換回路を示す図 従来例における直流電流の影響防止用フィルタ回路を示す図 従来例における直流電流の影響防止用バイアス回路を示す図

符号の説明

200…光信号受信回路、210…受光部、211…受光素子、212…電流バッファ回路、213…バイアス電流制御回路、220…デコード部、221…サンプル／ホールド回路、222…２値化回路、223…サンプリング信号生成回路、311…フォトダイオード、312…ＰチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ（定電流源）、313…ＰチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ（電圧制御電流源）、314…ＰチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ（ゲート接地ＦＥＴ）、315…ＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ（能動負荷）、316…電圧増幅器、317…エラーアンプ。

Claims (4)

1. 定電流源と、
   前記定電流源と出力端子との間に接続されたゲート接地ＦＥＴと、
   前記出力端子と接地または電源との間に接続された負荷と、
   前記定電流源に並列接続され、制御電圧に基づいて前記定電流源と同方向に出力する電流量を変化させる電圧制御電流源と、
   前記出力端子に出力される直流電圧成分が所定の基準電圧と同じになるように、前記出力端子に出力される電圧と前記基準電圧との差の電圧を前記制御電圧として前記電圧制御電流源に出力するエラーアンプと、
   直列接続された前記ゲート接地ＦＥＴと前記負荷とに対して並列接続され、信号光を含む光を受光して受光量に対応した電流を流す光電変換素子とからなる受光部を備えている
   ことを特徴とする可視光通信用光信号受信回路。
2. 前記受光部がレギュレーティッド・カスコード型回路であることを特徴とする請求項１記載の光信号受信回路。
3. 前記出力端子に接続され、前記出力端子から出力される低周波雑音が重複した電圧信号をデコードして２値化信号を出力するデコード部を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の光信号受信回路。
4. 前記デコード部が相関二重サンプリング回路を有することを特徴とする請求項３記載の光信号受信回路。

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