JP4696631B2 - 光電流増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、光電流増幅回路に関する。

ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の光記録媒体に対するリード又はライトで使用される光ピックアップには、光記録媒体からの反射光を受光し、受光した反射光の強さに応じた信号を出力する光電流増幅回路が搭載されている。

この光電流増幅回路で、光記録媒体からの反射光を受光する受光素子（フォトダイオード）の受光感度は、光記録媒体に照射される光の波長によって異なっている。又、光記録媒体に照射された光の反射率も、光記録媒体の種類によって異なっている。従って、受光素子（フォトダイオード）の出力電流は、光記録媒体に照射する光の波長や光記録媒体の種類によって変化する。

このような受光素子の出力電流の変化に対応するため、下記特許文献１に示された回路では、受光素子の出力電流を分流して電流電圧変換回路に供給する構成とし、その分流比を適宜切替えている。
特開平２００２−２１７６４９号公報

特許文献１（特開平２００２−２１７６４９号公報）に示されたように、受光素子（フォトダイオード）の出力電流を分流し、分流した出力電流を電流電圧回路に供給するようにすれば、光記録媒体に照射する光の波長や光記録媒体の種類の違いに基づく出力電流の変化に対応することができる。

しかしながら、受光素子（フォトダイオード）の受光感度には温度依存性があるため、光電流増幅回路からより忠実な出力信号を得るためには、受光感度の温度係数に応じた補正が必要になる。更に、受光感度の温度係数は、受光される光の波長に異なっているため、光の波長に応じた補正が必要になる。上記特許文献１では、このような受光素子（フォトダイオード）の受光感度の温度依存性についての対策は、採られていない。

本発明は光の波長に応じて温度の補正を容易に施すことができる光電流増幅回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の観点に係る光電流増幅回路は、
受光素子と、
抵抗値の温度係数が互いに相違する複数の抵抗と、
前記受光素子が受光する光の波長に応じて前記複数の抵抗を選択し、選択した抵抗に前記受光素子の出力電流に基づく電流を流すスイッチ手段とを備え、
前記スイッチ手段により、前記出力電流に基づく電流を流す電流経路に前記選択した抵抗が接続され、該抵抗の一端から前記出力電流に基づく電流と前記選択した抵抗の抵抗値との積算値に対応する電圧を出力信号として出力し、
前記受光素子が受光する光の波長に対する受光感度の温度係数と前記複数の抵抗の抵抗値の温度係数が逆特性になるように設定されていることを特徴とする。

この場合、前記受光素子が受光する各波長の光に対する前記出力信号のレベルの温度に依存した差異が小さくなるように前記各抵抗の抵抗値の温度係数が設定されてもよい。

また、前記受光素子の受光感度が低い波長の光に対応する前記抵抗の抵抗値は、受光感度が高い波長の光に対応する前記抵抗の抵抗値よりも大きく設定されてもよい。
また、前記選択した抵抗に流れる前記出力電流に基づく電流を電圧変換し、前記出力信号として出力する演算増幅器を備えてもよい。

本発明に係る光電流増幅回路によれば、受光素子の受光感度の温度依存性と抵抗の温度依存性とが打消し合うので、光電流増幅回路の出力信号における温度依存性を低減させることができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電流増幅回路を示す回路図である。
この光電流増幅回路は、受光素子であるフォトダイオードＰＤ１及び電流電圧変換回路１で構成されている。

電流電圧変換回路１は、演算増幅器（以下、オペアンプという）ＯＰ１と、定電圧源Ｖ１と、スイッチＳＷ１と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを備えている。
フォトダイオードＰＤ１のカソードは電源ＶＣＣに接続され、フォトダイオードＰＤ１のアノードが、電流電圧変換回路１中のオペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）に接続されている。

オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）とグランドＧＮＤとの間に、定電圧源Ｖ１が接続されている。オペアンプＯＰ１の出力端子は、光電流増幅回路の出力端子Ｖｏｕｔに接続され、このオペアンプＯＰ１の出力端子に、抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端が共通に接続されている。スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）と抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端との間に配置され、これら抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端を選択してオペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）に接続する構成になっている。

２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２を電流電圧変換回路１に備えた図１の光電流増幅回路は、２つの異なる波長の光を受光する光電流増幅回路の構成例を示している。例えば、ＣＤ（Compact Disc）用の光（波長が７８０ｎｍの光）と、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用の光（波長が６５０ｎｍの光）を受光する場合の構成である。

このような場合、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２のうちの一方がＣＤ用の光に合わせて設定され、他方がＤＶＤ用の光に合わせて設定される。抵抗Ｒ１をＣＤ用の光に合わせて設定し、抵抗Ｒ２をＤＶＤ用の光に合わせて設定した場合、ＣＤ用の光を受光する時には抵抗Ｒ１がオペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子（−）間に接続されるように、スイッチ回路ＳＷ１が切り替わり、ＤＶＤ用の光を受光する時には、抵抗Ｒ２がオペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子（−）間に接続されるよう、スイッチ回路ＳＷ１が切り替わる。

次に、図１の光電流増幅回路の動作を説明する。
フォトダイオードＰＤ１は、光を受光するとその光に対応する出力電流Ｉｐを出力する。フォトダイオードＰＤの出力電流Ｉｐは、スイッチＳＷ１で選択された抵抗Ｒ１又は抵抗Ｒ２に流れる。

図１に示した光電流増幅回路で、抵抗Ｒ１の抵抗値をＲａ、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲｂ、定電圧源Ｖ１の出力電圧をＶｃとした場合、出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧Ｖは次式（１）又は（２）で与えられる。即ち、電流電圧変換回路１は、出力電流Ｉｐと抵抗Ｒ１又は抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒａ，Ｒｂとの積算値に対応した電圧を生成する。
Ｖ＝Ｖｃ−Ｒａ・Ｉｐ （１）
Ｖ＝Ｖｃ−Ｒｂ・Ｉｐ （２）

上記式（１）は、抵抗Ｒ１がオペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子（−）間に接続されるようにスイッチ回路ＳＷ１が切り替わっている場合であり、上記式（２）は、抵抗Ｒ２がオペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子（−）間に接続されるようにスイッチ回路ＳＷ１が切り替わっている場合である。

フォトダイオードＰＤ１の出力電流Ｉｐには、温度依存性がある。即ち、フォトダイオードＰＤ１の受光感度は、温度依存性がある。そこで、０℃の時のフォトダイオードＰＤ１の出力電流ＩｐをＩｐ_０、受光感度の温度係数をΔＩｔとした場合、温度Ｔ℃における出力電流Ｉｐは下記の式（３）で与えられる。
Ｉｐ＝Ｉｐ_０・（１＋ΔＩｔ・Ｔ） （３）

抵抗Ｒ１の０℃の時の抵抗値をＲａ_０、抵抗Ｒ１の温度係数をΔＲａｔとした場合、温度Ｔ℃における抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒａは下記の式（４）で与えられる。
Ｒａ＝Ｒａ_０（１＋ΔＲａｔ・Ｔ） （４）

上記式（１）に上記式（３）及び式（４）を代入すると、下記の式（５）が得られる。
Ｖ＝Ｖｃ−Ｒａ_０・Ｉｐ_０・{１＋（ΔＲａｔ＋ΔＩｔ）・Ｔ
＋ΔＲａｔ・ΔＩｔ・Ｔ^２} （５）

上記式（５）でΔＲａｔ・ΔＩｔ・Ｔ^２については無視できるので、ΔＲａｔ＋ΔＩｔ＝０となるように抵抗Ｒ１の温度係数ΔＲａｔを設定すれば、光電流増幅回路の出力信号（出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧Ｖ）における温度依存性を低減させることができる。

つまり、フォトダイオードＰＤ１の受光感度の温度係数ΔＩｔと抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒａの温度係数ΔＲａｔが、逆特性（一方が正の温度係数で他方が負の温度係数）で絶対値が略等しくなるように設定すればよい。

同様に抵抗Ｒ２の０℃の時の抵抗値をＲｂ_０、抵抗Ｒ２の温度係数をΔＲｂｔとした場合、温度Ｔ℃における抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｂは下記の式（６）で与えられる。
Ｒｂ＝Ｒｂ０・（１＋ΔＲｂｔ・Ｔ） （６）

上記式（１）に上記式（３）及び式（６）を代入すると、下記の式（７）が得られる。
Ｖ＝Ｖｃ−Ｒｂ_０・Ｉｐ_０・{１＋（ΔＲｂｔ＋ΔＩｔ）・Ｔ
＋ΔＲｂｔ・ΔＩｔ・Ｔ^２} （７）

上記式（７）の場合も、ΔＲｂｔ＋ΔＩｔ＝０となるように抵抗Ｒ２の温度係数ΔＲｂｔを設定すれば、光電流増幅回路の出力信号（出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧Ｖ）における温度依存性を低減させることができる。つまり、抵抗Ｒ２の設定についても、フォトダイオードＰＤ１の受光感度の温度係数ΔＩｔと抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｂの温度係数ΔＲｂｔが、逆特性で絶対値が略等しくなるように設定すればよい。

図２は、フォトダイオードＰＤ１の受光感度の温度特性を示す図である。
フォトダイオードＰＤ１の受光感度の温度係数ΔＩｔは、図２に示したように、受光する光の波長に依存している。従って、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の温度係数は、それぞれ受光する光の波長に応じて設定しなければならない。

例えば、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒａの温度係数ΔＲａｔを波長７８０ｎｍの光に合わせて設定し、抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｂの温度係数ΔＲｂｔを波長６５０ｎｍの光に合わせて設定する。波長７８０ｎｍにおける受光感度の温度係数ΔＩｔが＋０．１％／℃である場合、抵抗Ｒ１の温度係数ΔＲａｔは−０．１％／℃になるように設定する。

波長６５０ｎｍにおける受光感度の温度係数ΔＩｔが殆ど０％／℃である場合、抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｂの温度係数ΔＲｂｔも殆ど０％／℃になるように設定する。抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒａ，Ｒｂについては、所望のゲインと帯域特性が得られるように適宜設定すればよい。

以上のように、本実施形態の光電流増幅回路では、温度により、フォトダイオードＰＤ１の受光感度が変化しても、それを打ち消すように抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値Ｒａ，Ｒｂが変化するので、適正な出力信号が得られるという利点を有する。また、スイッチＳＷ１により、抵抗Ｒ１又は抵抗Ｒ２を選択することができるので、２種類の光の波長に対応した出力信号が得られる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光電流増幅回路を示す構成図であり、図１中の要素と共通する要素には、共通の符号を付している。

この光電流増幅回路は、図１の光電流増幅回路に、さらに電流増幅器（ＡＭＰ）２を設けたものであり、他の構成は、図１の光電流増幅回路と同様である。
電流増幅器２の入力端子は、フォトダイオードＰＤ１のアノードに接続され、電流増幅器２の出力端子が電流電圧変換回路１中のオペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）に接続されている。即ち、フォトダイオードＰＤ１の出力電流Ｉｐが電流増幅器２で増幅されて電流電圧変換回路１に入力されている。

この図３に示した光電流増幅回路の場合も、図１の光電流増幅回路と同様に、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の温度係数を設定すれば、光電流増幅回路の出力信号（出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧（Ｖ）における温度依存性を低減させることができる。

電流増幅器２の増幅率がｋの場合、電流増幅器２に入力されるフォトダイオードＰＤ１の出力電流Ｉｐと電流増幅器２から出力される電流Ｉｐ’の関係は次式（８）で与えられる。
Ｉｐ’＝ｋ・Ｉｐ （８）

上記式（８）に上記式（３）を代入すれば、電流増幅器２から出力される電流Ｉｐ’は下記の式（９）で与えられる。
Ｉｐ’＝ｋ・Ｉｐ_０・（１＋ΔＩｔ・Ｔ） （９）

上記式（９）を上記式（５）に代入すると、下記の式（１０）が得られる。
Ｖ＝Ｖｃ−ｋ・Ｒａ_０・Ｉｐ_０・{１＋（ΔＲａｔ＋ΔＩｔ）・Ｔ
＋ΔＲａｔ・ΔＩｔ・Ｔ^２} （１０）

上記式（１０）からも分かるように、この場合も上記と同様にΔＲａｔ＋ΔＩｔ＝０となるように抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒａの温度係数ΔＲａｔを設定すれば、光電流増幅回路の出力信号（出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧Ｖ）における温度依存性を低減させることができる。

また、上記式（９）を上記式（７）に代入すると、下記の式（１１）が得られる。
Ｖ＝Ｖｃ−ｋ・Ｒｂ_０・Ｉｐ_０・{１＋（ΔＲｂｔ＋ΔＩｔ）・Ｔ
＋ΔＲｂｔ・ΔＩｔ・Ｔ^２} （１１）

上記式（１１）からも分かるように、この場合も上記と同様にΔＲｂｔ＋ΔＩｔ＝０となるように抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｂの温度係数ΔＲｂｔを設定すれば、光電流増幅回路の出力信号（出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧Ｖ）における温度依存性を低減させることができる。

従って、本実施形態の光電流増幅回路は、第１の実施形態の光電流増幅回路と同様の利点を有する。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、抵抗Ｒ１，Ｒ２の数は、任意数でよく、フォトダイオードＰＤ１で受光する光の波長が１種類であれば、抵抗Ｒ１だけでもよい。この場合には、スイッチＳＷ１が不要である。

本発明の第１の実施形態に係る光電流増幅回路を示す構成図である。 フォトダイオードの受光感度の温度特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電流増幅回路を示す構成図である。

符号の説明

１ 電流電圧変換回路
２ 電流増幅器
ＰＤ１ フォトダイオード
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
ＯＰ１ オペアンプ
Ｖ１ 定電圧源
ＳＷ１ スイッチ

Claims (4)

1. 受光素子と、
   抵抗値の温度係数が互いに相違する複数の抵抗と、
   前記受光素子が受光する光の波長に応じて前記複数の抵抗を選択し、選択した抵抗に前記受光素子の出力電流に基づく電流を流すスイッチ手段とを備え、
   前記スイッチ手段により、前記出力電流に基づく電流を流す電流経路に前記選択した抵抗が接続され、該抵抗の一端から前記出力電流に基づく電流と前記選択した抵抗の抵抗値との積算値に対応する電圧を出力信号として出力し、
   前記受光素子が受光する光の波長に対する受光感度の温度係数と前記複数の抵抗の抵抗値の温度係数が逆特性になるように設定されていることを特徴とする光電流増幅回路。
2. 前記受光素子が受光する各波長の光に対する前記出力信号のレベルの温度に依存した差異が小さくなるように前記各抵抗の抵抗値の温度係数が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光電流増幅回路。
3. 前記受光素子の受光感度が低い波長の光に対応する前記抵抗の抵抗値は、受光感度が高い波長の光に対応する前記抵抗の抵抗値よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電流増幅回路。
4. 前記選択した抵抗に流れる前記出力電流に基づく電流を電圧変換し、前記出力信号として出力する演算増幅器を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電流増幅回路。

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