JP4820138B2

JP4820138B2 - 光電変換回路

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Publication number: JP4820138B2
Application number: JP2005284709A
Authority: JP
Inventors: 誠波江野
Original assignee: Panasonic Electric Works SUNX Co Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007096067A

Description

本発明は、光電変換回路に関するものである。

従来、光を用いた計測器や通信システムには、光信号を電気信号に変換する光電変換回路が設けられている。光電変換回路はフォトダイオードを備え、該フォトダイオードは光信号の受光量に応じた光電流を発生させる。光電変化回路はフォトダイオードと抵抗の間から光電流に応じた電圧の電気信号を出力する。

近年、測定や通信の高速化のために、光電変換回路において高速応答性が求められている。フォトダイオードはアノード−カソード間に接合による寄生容量（接合容量）を持つため、この寄生容量が高速応答性を阻害する。このため、例えば、特許文献１には、フォトダイオードの寄生容量の影響を少なくした光電変換回路が開示されている。この特許文献１に開示された光電変換回路は、デプレッション形の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）がソースフォロワ増幅器を構成する。この増幅器の電圧増幅率ＡＶは、ＦＥＴの相互コンダクタンスをｇｍ、ＦＥＴのソースに接続したバイアス抵抗の抵抗値をＲｏとすると、
ＡＶ＝ｇｍ×Ｒｏ／（１＋ｇｍ×Ｒｏ）
となる。従って、バイアス抵抗の抵抗値を大きくすると、電圧増幅率ＡＶがほぼ「１」となり、ＦＥＴのゲート−ソース間電圧が一定となる。入射光によってフォトダイオードに流れる光電流によりＦＥＴのゲート電位が変動するとその変動に出力信号の電位が追従する。このため、入射光の変化に対する出力信号の変化、つまり応答性に対するフォトダイオードの寄生容量の影響を低減することができる。
特公平１−４５７８３号公報（第３図）

ところで、上記の構成では、フォトダイオードがＦＥＴのゲート−ソース間に接続されているため、ＦＥＴのゲート−ソース間電圧が逆バイアス電圧としてフォトダイオードに加わる。フォトダイオードの寄生容量の値を小さくするには、逆バイアス電圧を大きくする必要がある。しかしながら、フォトダイオードの逆バイアス電圧、つまりＦＥＴのゲート−ソース間電圧はそのＦＥＴの動作点により決定されるため、寄生容量の値を小さくすることができない。このため、光電変換回路を高感度化することが難しいという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、応答性が良く且つ感度が高い光電変換回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、受光用のフォトダイオードと、トランジスタを備える光電変換回路は、前記トランジスタの電源端子は第１の高電位電源に接続され、前記トランジスタの入力端子は第１のインピーダンス素子を介して第２の高電位電源に接続されるとともにコンデンサの第１端子に接続され、該コンデンサの第２端子は前記フォトダイオードのアノードに接続され、前記トランジスタの出力端子は第２のインピーダンス素子を介して第１の低電位電源に接続されるとともにフォトダイオードのカソードに接続され、前記フォトダイオードのアノードは第３のインピーダンス素子を介して第２の低電位電源に接続され、前記第１及び第２のインピーダンス素子の値が、前記入力端子と前記出力端子の電位が同レベルとなるように設定されてなる。

上記の構成によれば、フォトダイオードのアノードとトランジスタの入力端子はコンデンサにより直流的に分離されている。従って、トランジスタの動作点を決定するための入力端子の電圧と、フォトダイオードの逆バイアス電圧をそれぞれ任意に設定することができる。従って、フォトダイオードの逆バイアス電圧を大きく設定することにより、感度を高くすることができる。また、フォトダイオードのアノードとトランジスタの入力端子はコンデンサにより交流的に接続されている。そして、入力端子と出力端子の電位が交流的に同レベルに設定される、つまり電圧増幅率が１である。従って、出力端子の電位が入力端子の電位に追従して変動する、つまりフォトダイオードの逆バイアス電圧が一定のままであり、フォトダイオードの寄生容量の影響が抑えられ、出力信号の応答性が良い。

前記トランジスタは、電界効果トランジスタによって構成され、該トランジスタはソースフォロワ回路を構成する。
上記の構成によれば、電界効果トランジスタは入力インピーダンスが高いため、第３のインピーダンス素子の値を大きく設定することが可能であり、フォトダイオードに流れる光電流を大きくする、つまり受光感度を高めることができる。

前記第２のインピーダンス素子は、定電流源によって構成される。
上記の構成によれば、定電流源はインピーダンスが高いが、電流量を少なくすることで出力端子の電圧レベルを抑えることができる。よって、第１の高電位電源の電圧を低くすることができる、つまり、低電圧化を図ることができる。また、電流量を少なくすることで、消費電流を低減することができる。また、出力端子の電圧レベルを低電位に抑えることができるので、電源に高電位のものを用意する必要がなく、コストを抑えることができる。

前記第３のインピーダンス素子は、コンデンサとコイルの並列共振回路で構成される。
上記の構成によれば、並列共振回路は、フォトダイオードに流れる光電流による電圧変化のうち、交流成分に対して抵抗として機能し、直流成分を通過させる。従って、入射光による電圧変化のうち、交流成分のみを出力信号として取り出すことができる。また、フォトダイオードに入射される光の直流成分が大きい場合であってもフォトダイオードの逆バイアス電圧の低下を防ぐことができ、フォトダイオードの寄生容量の値を小さく保つことができる。

以上記述したように、本発明によれば、応答性が良く且つ感度が高い光電変換回路を提供することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、光電変換回路１０はトランジスタＴ１を備えている。トランジスタＴ１は本実施形態ではデプレッション形電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、電源端子としてのドレインは第１の高電位電源ＶＤに接続され、入力端子としてのゲートは第１のインピーダンス素子としての抵抗Ｒ１を介して第２の高電位電源Ｖｇに接続され、出力端子としてのソースは第２のインピーダンス素子としての抵抗Ｒ２を介して第１の低電位電源ＶＳに接続されている。また、トランジスタＴ１のゲートはコンデンサＣ１の第１端子に接続され、コンデンサＣ１の第２端子はフォトダイオードＰＤのアノードに接続されている。また、フォトダイオードＰＤのアノードは第３のインピーダンス素子としての抵抗Ｒ３を介して第２の低電位電源Ｖｒに接続され、フォトダイオードＰＤのカソードはトランジスタＴ１のソースに接続されている。そして、そのフォトダイオードＰＤのカソードが接続されたトランジスタＴ１のソースから出力信号Ｖｏが出力される。

上記のように構成された光電変換回路１０において、デプレッション形電界効果トランジスタよりなるトランジスタＴ１はソースフォロワ増幅器を構成する。従って、トランジスタＴ１のソースに接続した抵抗Ｒ２の抵抗値を大きくすると、増幅器の電圧増幅率がほぼ「１」となり、増幅器の入力端子と出力端子であるトランジスタＴ１のゲートとソースの電位が交流的に同電位となり、トランジスタＴ１のゲート−ソース間電圧がほぼ一定となる。フォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた光電流を流し、この光電流によりフォトダイオードＰＤのアノードの電位が入射光の光量に応じて変化する。フォトダイオードＰＤのアノードはコンデンサＣ１を介してトランジスタＴ１のゲートに接続されている。従って、フォトダイオードＰＤのアノードとトランジスタＴ１のゲートはコンデンサＣ１により交流的に結合されているため、トランジスタＴ１のゲート電位は、フォトダイオードＰＤのアノードの電位の変化に追従して変化する。そして、トランジスタＴ１のソース電位がトランジスタＴ１のゲート電位に追従して変化し、そのソース電位の出力信号Ｖｏが出力される。この時、トランジスタＴ１が構成する増幅器の電圧増幅率がほぼ「１」であるため、トランジスタＴ１のゲートとソースの電位が交流的にほぼ等しい、つまりフォトダイオードＰＤのアノードの電位とカソードの電位が交流的にほぼ等しくなる。このため、トランジスタＴ１のゲートとソースの電位の変化に対するフォトダイオードＰＤの寄生容量（接合容量）の影響は少ない。従って、フォトダイオードＰＤに対する入射光量の変化に対して出力信号Ｖｏの変化の追従性、つまり応答性が良い。

トランジスタＴ１のゲートは抵抗Ｒ１を介して第２の高電位電源Ｖｇに接続されている。このため、電界効果トランジスタであるトランジスタＴ１の動作点を決定するゲート電圧は、第２の高電位電源Ｖｇにより決定される。そして、トランジスタＴ１のゲートはコンデンサＣ１を介してフォトダイオードＰＤのアノードに接続されている。つまり、トランジスタＴ１のゲートとフォトダイオードＰＤのアノードはコンデンサＣ１により直流的に分離されている。従って、フォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧は、当該フォトダイオードＰＤのカソード−アノード間電圧、つまり第１の高電位電源ＶＤと第１の低電位電源ＶＳと抵抗Ｒ２の抵抗値と第２の低電位電源Ｖｒにより決定される。第１の高電位電源ＶＤと第１の低電位電源ＶＳと抵抗Ｒ２の抵抗値はトランジスタＴ１の動作を決定するものであるため、フォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧は、第２の低電位電源Ｖｒにより決定されるといえる。従って、トランジスタＴ１の動作点に関わらずにフォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧を設定することができるため、その逆バイアス電圧を大きく設定することで、フォトダイオードＰＤの寄生容量（接合容量）の値を小さくすることができる。このため、入射光に対してフォトダイオードＰＤに流れる光電流のほとんどがトランジスタＴ１のゲート電圧を変化させるため、光量が少なくてもゲート電圧が変化する、つまり出力信号Ｖｏが変化するため、感度が従来例に比べて高くなる。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
・光電変換回路１０のトランジスタＴ１はソースフォロワ回路を構成し、このトランジスタＴ１のゲート−ソース間にコンデンサＣ１を介してフォトダイオードＰＤを接続し、トランジスタＴ１のゲートを抵抗Ｒ１を介して第２の高電位電源Ｖｇに接続した。フォトダイオードＰＤのアノードとトランジスタＴ１のゲートはコンデンサＣ１により直流的に分離されているため、第２の高電位電源ＶｇによりトランジスタＴ１の動作点であるゲート電圧が決定される。言い換えれば、フォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧をトランジスタＴ１のゲート電圧に関わらず任意に設定することができる。このため、フォトダイオードＰＤの寄生容量を小さくすることができ、フォトダイオードＰＤの受光電流を大きくすることができる、つまり受光感度を高めることができる。また、フォトダイオードＰＤと関係なくトランジスタＴ１を設計する又は選定することができる、光電変換回路１０の回路設計の自由度を増すことができる。

・フォトダイオードＰＤはコンデンサＣ１を介してソースフォロワ回路を構成するトランジスタＴ１のゲート−ソース間に接続されている。ソースフォロワ回路は、出力インピーダンスである抵抗Ｒ２の抵抗値を大きくすることで電圧増幅率がほぼ「１」となり、入力電圧であるトランジスタＴ１のゲート電圧と出力電圧であるトランジスタＴ１のソース電圧とが交流的にほぼ同じ値となる。従って、フォトダイオードＰＤのアノードとカソードを交流的に略同電位にすることができるので、出力信号Ｖｏに対するフォトダイオードＰＤの接合容量の影響を小さくすることができ、受光時の高速応答（受光してから受光信号が出力されるまでの時間を早くする）を可能とすることができる。

・トランジスタＴ１を電界効果トランジスタとした。電界効果トランジスタは入力インピーダンスが高いため、入力インピーダンスである負荷抵抗としての抵抗Ｒ３の抵抗値を大きく設定することでフォトダイオードＰＤの寄生容量を小さくすることができ、フォトダイオードＰＤの受光電流を大きくすることができる、つまり受光感度を高めることができる。

（第２の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に従って説明する。
尚、第１の実施の形態と同様の部材については同じ符号を付し、説明を省略する。

図２に示すように、本実施の形態の光電変換回路２０は、トランジスタＴ１のソースと第１の低電位電源ＶＳとの間に定電流源２１が接続されている。従って、トランジスタＴ１のソースと第１の低電位電源ＶＳとの間の抵抗値は、定電流源２１の等価出力抵抗と等しくほぼ無限大となる。従って、出力インピーダンスがほぼ無限大となるため、トランジスタＴ１が構成するソースフォロワ増幅器の電圧増幅率をほぼ「１」とすることができる。

また、トランジスタＴ１のソースと第１の低電位電源ＶＳとの間に定電流源２１を接続し、定電流源２１に流れる電流を少なくすることにより、トランジスタＴ１のソース電圧を第１の低電位電源ＶＳの電圧に近づけることができる。その結果、第１の高電位電源ＶＤの電圧を低くすることができ、光電変換回路２０の動作電圧を低くする、つまり低電圧化を図ることができる。

（第３の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第３の実施の形態を図面に従って説明する。
尚、第１，第２の実施の形態と同様の部材については同じ符号を付し、説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態の光電変換回路３０は、トランジスタＴ１のソースと第１の泥電圧電源（本実施の形態ではグランド）との間にトランジスタＴ２と抵抗Ｒ１１が接続されている。トランジスタＴ２はデプレッション形又はデプレッション・エンハンスメント形の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、トランジスタＴ２のドレインはトランジスタＴ１のソースに接続され、トランジスタＴ２のソースは抵抗Ｒ１１を介してグランドに接続され、トランジスタＴ２のゲートはグランドに接続されている。

トランジスタＴ２はインピーダンスが高く、抵抗Ｒ１１はトランジスタＴ２の動作点を決定する、つまりトランジスタＴ２に流れる電流を決定する。従って、ソースフォロワ増幅器を構成するトランジスタＴ１のソースとグランドとの間のインピーダンスを高くするとともに、そのソースとグランドとの間で流れる電流量を抵抗Ｒ１１の抵抗値により決定することで、増幅器の電圧増幅率をほぼ「１」にすることと、光電変換回路３０の動作電圧を低くすることができる。

入力インピーダンスである負荷抵抗としての抵抗Ｒ３はグランドに接続されている。従って、光電変換回路３０では、フォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧を、トランジスタＴ２のインピーダンスと抵抗Ｒ１１の抵抗値により決定することができる。このため、第１，第２の実施の形態に於ける第２の低電位電源Ｖｒを設定・供給する必要がなく、光電変換回路３０を適用する装置の構成が簡略化される。

また、本実施の形態の光電変換回路３０は第１の高電位電源ＶＤとグランドとの間に直列接続された抵抗Ｒ１２，Ｒ１３を備え、トランジスタＴ１のゲートは抵抗Ｒ１を介して抵抗Ｒ１２，Ｒ１３の間のノードに接続されている。抵抗Ｒ１２，Ｒ１３は、第１の高電位電源ＶＤとグランドとの間の電圧を分圧する分圧回路を構成し、この分圧回路による分圧電圧によりトランジスタＴ１のゲート−ソース間電圧、つまりバイアス電圧が設定される。つまり、第１の高電位電源ＶＤの電圧と抵抗Ｒ１２，Ｒ１３の抵抗値により、トランジスタＴ１のゲート電圧が設定される。このため、第１，第２の実施の形態に於ける第２の高電位電源Ｖｇを設定・供給する必要がなく、光電変換回路３０を適用する装置の構成が簡略化される。

抵抗Ｒ１３には、コンデンサＣ２が並列に接続されている。このコンデンサＣ２により、フォトダイオードＰＤへの入射光によってトランジスタＴ１のゲート電圧が変動しても、抵抗Ｒ１２，Ｒ１３によるバイアス電圧が変動するのを防ぐことができる。

尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記各実施の形態では、第３のインピーダンス素子として周波数特性を持たない素子（上記実施の形態では抵抗Ｒ３）を接続したが、周波数特性を持つインピーダンス素子を接続しても良い。尚、素子は、１つの電子部品又は複数の電子部品を接続した回路である。例えば、図４に示すように、光電変換回路４０は、フォトダイオードＰＤのアノードとグランドとの間に第３のインピーダンス素子としてコイルＬ１とコンデンサＣ３を並列に接続した並列共振回路４１が接続されている。並列共振回路４１の共振周波数及びＱ値は、フォトダイオードＰＤに入射光の信号周波数成分が必要量だけ通過可能な値に設定される。尚、Ｑ値は、構成部品に含まれる等価並列抵抗の抵抗値により決定されるが、必要に応じてコイルＬ１に抵抗を並列に接続しても良い。

並列共振回路４１は、フォトダイオードＰＤに流れる光電流による電圧変化のうち、交流成分に対して抵抗として機能し、直流成分を通過させる。従って、入射光による電圧変化のうち、交流成分のみを出力信号Ｖｏとして取り出すことができる。また、フォトダイオードＰＤに入射される光の直流成分が大きい場合であってもフォトダイオードＰＤの逆バイアス電圧の低下を防ぐことができ、フォトダイオードＰＤの寄生容量の値を小さく保つことができる。更に、共振周波数付近ではインピーダンスが極めて大きくなるため、交流成分に対する受光感度を高めることができる。その結果、光電変換回路４０の高速化・高感度化を図ることができる。

・上記各実施の形態において、トランジスタＴ１をバイポーラトランジスタにより構成しても良い。この場合、バイポーラトランジスタはエミッタフォロワ回路を構成し、ベースが入力端子、エミッタが出力端子、コレクタが電源端子となる。

上記各実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）前記第２の高電位電源の電圧は、前記第１の高電位電源と前記第１の低電位電源との間に接続された分圧回路により生成される分圧電圧であることを特徴とする請求項１〜４のうちの何れか一項に記載の光電変換回路。この構成によれば、光電変換回路に第２の高電位電源の電圧を供給する必要がなく、構成が簡略化される。
（ロ）前記分圧回路を構成する抵抗にコンデンサが並列接続されたことを特徴とする上記（イ）記載の光電変換回路。この構成によれば、トランジスタの動作点を設定する分圧電圧の変動を抑えることができる。

第１の実施の形態の光電変換回路の回路図。第２の実施の形態の光電変換回路の回路図。第３の実施の形態の光電変換回路の回路図。別の光電変換回路の回路図。

符号の説明

１０，２０，３０，４０…光電変換回路、２１…定電流源、４１…並列共振回路、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…コンデンサ、Ｌ１…コイル、ＰＤ…フォトダイオード、Ｔ１，Ｔ２…トランジスタ、ＶＤ…第１の高電位電源、Ｖｇ…第２の高電位電源、Ｖｒ…第２の低電位電源、ＶＳ…第１の低電位電源。

Claims

受光用のフォトダイオードと、トランジスタを備える光電変換回路であって、
前記トランジスタの電源端子は第１の高電位電源に接続され、前記トランジスタの入力端子は第１のインピーダンス素子を介して第２の高電位電源に接続されるとともにコンデンサの第１端子に接続され、該コンデンサの第２端子は前記フォトダイオードのアノードに接続され、前記トランジスタの出力端子は第２のインピーダンス素子を介して第１の低電位電源に接続されるとともにフォトダイオードのカソードに接続され、前記フォトダイオードのアノードは第３のインピーダンス素子を介して第２の低電位電源に接続され、
前記第１及び第２のインピーダンス素子の値が、前記入力端子と前記出力端子の電位が同レベルとなるように設定された、ことを特徴とする光電変換回路。
前記トランジスタは、電界効果トランジスタによって構成され、該トランジスタはソースフォロワ回路を構成することを特徴とする請求項１記載の光電変換回路。
前記第２のインピーダンス素子は、定電流源によって構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換回路。
前記第３のインピーダンス素子は、コンデンサとコイルの並列共振回路で構成されることを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項３記載の光電変換回路。