JP5526935B2 - 電流制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、光信号を光電変換して信号電流を抽出する電流制御回路に関する。

光信号は、フォトダイオードなどの光デバイスにより電流信号（Ｉ）に光電変換される。電流信号（Ｉ）はトランス・インピーダンス・アンプ（Trans Impedance Amplifier：以下、「ＴＩＡ」とよぶ）などの電流電圧変換デバイスにより電圧信号（Ｖ）に変換される。

通常、フォトダイオードへの入射光には光信号成分のみならず、室内灯や太陽光などによる外乱光成分も含まれる。入射光をそのまま光電変換すると、光信号成分だけでなく外乱光成分も光電変換することになるため、ＴＩＡのダイナミックレンジを大きく確保しておかなければならない。外乱光成分は不要成分であるため、入射光から外乱光成分を除去して、光信号成分のみに対応する電流信号を生成することが望ましい。

特開平４−３２３０７号公報

図６は、従来の交流増幅器の回路図である。図６は、特許文献１の第１図に対応する。この交流増幅器は、フォトダイオードＦＤ１、ＦＤ２とカレントミラー回路ＩＣＭ１を含む。フォトダイオードＦＤ１から電流Ｉ１が生成され、電流Ｉ３としてミラーされる。電流Ｉ１は、外乱光成分に対応する直流成分と光信号成分に対応する交流成分を含む。キャパシタＣ２のフィルタ効果により、電流Ｉ３は直流成分（外乱光成分）のみである。一方、フォトダイオードＦＤ２から電流Ｉ１と等しい電流Ｉ２が生成される。カレントミラー回路ＩＣＭ１の出力電流Ｉ４＝Ｉ２（交流成分＋直流成分）−Ｉ３（直流成分）であるから、カレントミラー回路ＩＣＭ１からは交流成分（光信号成分）のみが出力される。

この回路はフォトダイオードを２つ設けるため、回路規模が大きくなりやすい。また、直流成分（外乱光成分）を含む電流Ｉ１と電流Ｉ２が同時に流れるため、消費電力の面でも好ましくない。

特許文献１の第２図には、フォトダイオードを１つだけ使うタイプの交流増幅器も開示されている。しかし、第２図の交流増幅器は、カレントミラー回路を３組も備えており、やはり小型化しにくい構成となっている。また、直流成分を含む電流が複数の経路に同時に流れるため、消費電力が大きくなりやすい。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、小規模、低消費電力にて信号電流を抽出する電流制御回路を提供することにある。

本発明に係る電流制御回路は、電流源、準備回路および除去回路と、準備期間において準備回路に電流源から第１の電流を供給し、受信期間において除去回路と電流源とを接続する経路に電流源から第２の電流を供給する制御回路を備える。準備回路は、準備期間において第１の電流に含まれる直流成分により充電され、除去回路は、受信期間において、充電により保持されている直流成分を第２の電流から差し引くことにより、交流成分を抽出する。

このような態様によれば、直流成分に交流成分が重畳された電流が供給される状況において、準備期間において直流成分の大きさを計測・保持しておくことにより、受信期間において交流成分を抽出しやすくなる。また、直流成分は準備回路と除去回路に交互に流れるため、回路全体としての消費電力を抑制しやすくなる。特に、外乱により発生する直流成分と交流成分として示される信号電流を分離する場合に有効である。なお、「電流源から供給する」とは、電流源から見たときの流出方向のみに電流の流れる方向を限定する意味ではなく、流入方向も含む。

準備回路は、直流成分によりキャパシタを充電し、除去回路は、キャパシタが保持する電圧により発生する直流成分を電流から差し引くことにより交流成分を分離してもよい。また、制御回路は、準備期間においては電流源と準備回路を接続すると共に準備回路と除去回路の接続を遮断し、受信期間においては電流源と除去回路を接続すると共に準備回路と除去回路を接続してもよい。

電流源は受光素子であってもよい。そして、この受光素子は照射光に応じて第１および第２の電流を発生させてもよい。

直流成分は環境光により発生する電流成分であってもよい。また、交流成分は光信号により発生する電流成分であってもよい。更に、除去回路の後段に、交流成分を電圧変換するための電圧変換回路を備えてもよい。

本発明によれば、小規模・低消費電力にて信号電流を抽出可能な電流制御回路を実現しやすくなる。

第１実施形態における電流制御回路の回路図である。 電流制御回路における入出力の変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態における電流制御回路の回路図である。 第３実施形態における電流制御回路の回路図である。 第４実施形態における電流制御回路の回路図である。 従来の交流増幅器の回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における電流制御回路１００の回路図である。電流制御回路１００は、準備回路１０２、制御回路１０４、除去回路１０６、変換回路１０８およびフォトダイオードＰＤ（受光素子）を含む。フォトダイオードＰＤは、スイッチＳＷ１により準備回路１０２と除去回路１０６のいずれかと接続され、電流源として機能する。また、準備回路１０２と除去回路１０６は、スイッチＳＷ２により接続または遮断される。制御回路１０４は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。

準備回路１０２は、トランジスタＴｒ１とキャパシタＣを含む。本実施形態におけるトランジスタＴｒ１はＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）であり、ゲートとドレインがダイオード接続されている。トランジスタＴｒ１のゲートは、キャパシタＣ１を介して接地される。トランジスタＴｒ１のソースは接地され、ドレインは端子Ａ、スイッチＳＷ１を介してフォトダイオードＰＤと接続される。

除去回路１０６は、トランジスタＴｒ２を含む。トランジスタＴｒ１のゲートとトランジスタＴｒ２のゲートは、スイッチＳＷ２を介して接続される。トランジスタＴｒ２のソースは接地される。トランジスタＴｒ２のドレインは、端子Ｂ、スイッチＳＷ１を介してフォトダイオードＰＤと接続され、かつ、変換回路１０８とも接続される。なお、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２は、同一のゲート電圧に対して、同一のソース・ドレイン電流が流れるように構成されたトランジスタである。

変換回路１０８は、ＴＩＡ１１０と抵抗Ｒを含む。この変換回路１０８に流れる電流Ｉ４がＴＩＡ１１０により電流電圧変換され、出力電圧ＶＯＵＴとなる。

電流制御回路１００は、少なくとも「準備モード」と「受信モード」という２つのモードを含む。準備モードは、外乱光の強さを検出し、これを記録しておくためのモードである。一方、受信モードとは、入射光から光信号成分（交流成分）を抽出するモードである。準備モードと受信モードは１秒以下の非常に短い時間で交互に切り替わる。本実施形態においては、１００ｍｓｅｃごとに切り替わるとして説明する。

準備モードにおいてはスイッチＳＷ１は準備回路１０２側の端子Ａと接続され、スイッチＳＷ２はオフとなる。受信モードにおいてはスイッチＳＷ１は除去回路１０６側の端子Ｂと接続され、スイッチＳＷ２はオンとなる。

電流制御回路１００は、携帯情報端末などへの搭載が想定される。たとえば、店舗で音楽や画像などのデータを光信号として送出し、携帯情報端末でこれを受信することにより、光信号によるコンテンツのダウンロードが可能となる。ただし、光信号受信に際しては、太陽光や室内灯などの外乱光も検出されるため、このような外乱光成分を除去して本来の光信号成分のみを抽出できることが望ましい。特に、太陽光の光量は光信号の光量と比較して格段に大きいため、変換回路１０８で電圧ＶＯＵＴを生成する前に、いいかえれば、電流段階で外乱光成分を除去しておく必要がある。以下、準備モードと受信モードそれぞれにおける回路動作について説明する。

＜準備モード＞
制御回路１０４は、スイッチＳＷ１を準備回路１０２側のＡ端子と接続し、スイッチＳＷ２をオフにする。フォトダイオードＰＤの入射光により、準備回路１０２には電流Ｉ１が流れる。フォトダイオードＰＤが発生させる電流は、外乱光成分（直流成分）と光信号成分（交流成分）を含む。キャパシタＣ１はローパスフィルタとして機能し、外乱光成分（直流成分）により充電される。除去回路１０６は、フォトダイオードＰＤや準備回路１０２から分離されているので動作しない。

＜受信モード＞
制御回路１０４は、スイッチＳＷ１を除去回路１０６側のＢ端子と接続し、スイッチＳＷ２をオンにする。この結果、フォトダイオードＰＤと変換回路１０８は直接接続されることになる。フォトダイオードＰＤの入射光は外乱光成分と光信号成分が含まれるため、除去回路１０６への経路に流れる電流Ｉ３にも、外乱光成分（直流成分）と光信号成分（交流成分）が含まれる。一方、スイッチＳＷ２がオンになるので、トランジスタＴｒ２のゲート電位は、キャパシタＣ１の電位に等しくなる。この結果、トランジスタＴｒ２には、直流成分（外乱光成分）に対応する電流Ｉ２が流れる。変換回路１０８に流れる電流Ｉ４＝Ｉ３−Ｉ２である。電流Ｉ３は外乱光成分（直流成分）および光信号成分（交流成分）を含み、電流Ｉ２は外乱光成分（直流成分）のみを含むので、電流Ｉ４には光信号成分（交流成分）のみが含まれることになる。変換回路１０８は、交流成分のみを含む電流Ｉ４を電流電圧変換して電圧信号ＶＯＵＴを出力する。なお、増幅不要であれば、変換回路１０８は、単なる抵抗回路でもよい。

図２は、電流制御回路１００における入出力の変化を示すタイムチャートである。入射光は、光信号成分（交流成分）と外乱光成分（直流成分）を含む。外乱光成分は、厳密には、直流でなくてもよいが、準備モードの期間（以下、「準備期間」とよぶ）や受信モードの期間（以下、「受信期間」とよぶ）において直流と見なせる程度の低周波数成分であればよい。また、光信号成分（交流成分）は準備期間において交流と見なせる程度の高周波数成分である必要がある。このためには、準備期間の長さを適切に調整する必要がある。具体的には、制御回路１０４による切り替えタイミングやキャパシタＣ１の容量により調整できる。

図２においては、時刻ｔ０〜時刻ｔ１が準備期間、時刻ｔ１〜時刻ｔ２が受信期間、時刻ｔ２〜ｔ３が準備期間に対応する。本実施形態における電流制御回路１００は、準備モードと受信モードを１００ｍｓｅｃごとに交互に繰り返す。実際には、受信期間が終了してから次の準備期間が開始するまでの間、電力をセーブするために休止期間を設ける場合もある。

準備モードにおいては、スイッチＳＷ１がＡ端子に接続されスイッチＳＷ２がオフとなる。このとき直流成分と交流成分を含む電流Ｉ１が流れる。一方、除去回路１０６は分離されるため、電流Ｉ２〜Ｉ４はゼロとなり、出力電圧ＶＯＵＴもゼロとなる。準備回路１０２のキャパシタＣ１は、電流Ｉ１の外乱光成分（直流成分）によって充電される。

受信モードになると、スイッチＳＷ１がＢ端子に接続されスイッチＳＷ２がオンとなる。準備回路１０２には電流が供給されなくなるため、電流Ｉ１はゼロになる。一方、フォトダイオードＰＤと除去回路１０６、変換回路１０８が接続されるため、直流成分と交流成分を含む電流Ｉ３が流れる。また、直流成分のみを含む電流Ｉ２が流れる。この結果、交流成分、すなわち、光信号成分のみを含む電流Ｉ４が変換回路１０８に流れ、光信号成分のみを含む電圧信号ＶＯＵＴが出力される。

本実施形態における電流制御回路１００によれば、変換回路１０８には光信号成分のみを含む電流Ｉ４が供給されるため、ＴＩＡ１１０のダイナミックレンジを無駄なく利用できる。太陽光が強い環境で光信号を受信した場合でも、電流電圧変換をする前に外乱光成分（直流成分）を効果的に取り除くことができる。また、フォトダイオードＰＤを１つしか使用しないで済むため、低コストかつ小規模に構成可能である。

また、準備モードにおいては直流成分は電流Ｉ１に現れ、受信モードにおいては直流成分は電流Ｉ２、Ｉ３に現れている。電流Ｉ１と電流Ｉ２が同時に流れないため、消費電力を抑制しやすい構成となっている。図６に関連して説明した従来例のように２つのトランジスタＱ３、Ｑ４を常時有効にするのではなく、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を交互に動作させることにより、消費電力を低下させている。なお、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２は、ＭＯＳではなくバイポーラトランジスタであってもよい。

キャパシタＣ１はローパスフィルタとしても、電圧保持用デバイスとしても機能する。このため、受信期間の長さとローパスフィルタとしてのカットオフ周波数等の設計条件に応じて、キャパシタＣ１の静電容量を決定する必要がある。なお、トランジスタＴｒ１のゲート容量によりこのような設計条件を充足できるのならば、キャパシタＣ１を不使用としてもよい。

外乱光が高速変化する環境は通常は想定しがたいため、準備モードから受信モードへの移行中に、直流成分の電流が変化することはほとんどなく、目的とする効果が得られる。また、準備モードから受信モードへの移行を高速で行う必要もない為、キャパシタＣ１によるスイッチＳＷ１、ＳＷ２への遅延は、電流制御回路１００の動作上、影響しない。
なお、図２では準備モードと受信モードが繰り返される態様を示しているが、繰り返しは必須条件ではなく、準備モードのあと受信モードを実行してそのまま処理を終了させてもよい。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態における電流制御回路１１２の回路図である。第２実施形態における電流制御回路１１２の構成は、スイッチＳＷ２とキャパシタＣ１の位置関係を除けば、第１実施形態における電流制御回路１００の構成と同一である。第２実施形態においては、トランジスタＴｒ１は、スイッチＳＷ２を介してキャパシタＣ１と接続される。

準備モードでは、スイッチＳＷ１は端子Ａに接続され、スイッチＳＷ２はオンとなる。これにより、電流Ｉ１が流れ、キャパシタＣ１が充電される。このとき、トランジスタＴｒ２にもゲート電圧が印加されるため、直流成分を含む電流Ｉ２が流れる。受信モードでは、スイッチＳＷ１は端子Ｂに接続され、スイッチＳＷ２はオフとなる。キャパシタＣ１が保持する電圧により、直流成分を含む電流Ｉ２が流れる。第１実施形態に比べると準備モードにおいても電流Ｉ２が流れるため消費電力が大きくなるが、受信モードにおいては電流Ｉ１をゼロにできるため、図６に関連して説明した従来構成に比べれば消費電力を抑制できる。

［第３実施形態］
図４は、第３実施形態における電流制御回路１１４の回路図である。第３実施形態における電流制御回路１１４は、第１実施形態における電流制御回路１００にトランジスタＴｒ３を追加した構成を有する。

第１実施形態における電流制御回路１００の場合、トランジスタＴｒ２の寄生容量の影響で回路の高周波特性が低下する可能性が考えられる。このような問題に対処するため、第３実施形態では、ゲート・ドレインを短絡したトランジスタＴｒ３をトランジスタＴｒ２のドレイン側に追加している。トランジスタＴｒ３は、小サイズにて設計できるため、寄生容量成分を抑制し周波数特性を改善する上で有効に機能する。

［第４実施形態］
図５は、第４実施形態における電流制御回路１１６の回路図である。第１から第３実施形態では、フォトダイオードＰＤはアノードを接地するタイプとして説明した。第４実施形態においては、図５に示すように、カソードを電源ＶＣＣに接続して使用するタイプのフォトダイオードＰＤを使用可能である。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００、１１２、１１４、１１６ 電流制御回路、１０２ 準備回路、１０４ 制御回路、１０６ 除去回路、１０８ 変換回路、１１０ ＴＩＡ、ＰＤ フォトダイオード、Ｒ 抵抗、ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ、Ｔｒ１〜Ｔｒ３ トランジスタ。

Claims (6)

1. 電流源、準備回路および除去回路と、
   準備期間において前記準備回路に前記電流源から第１の電流を供給し、受信期間において前記除去回路と前記電流源とを接続する経路に前記電流源から第２の電流を供給する制御回路と、を備え、
   前記準備回路は、前記準備期間において前記第１の電流に含まれる直流成分により充電され、
   前記除去回路は、前記受信期間において、前記第２の電流から前記充電された直流成分を差し引くことにより、前記第２の電流から交流成分を分離することを特徴とする電流制御回路であって、
   前記準備回路は、前記直流成分によりキャパシタを充電し、
   前記除去回路は、前記キャパシタが保持する電圧により発生する前記直流成分を前記第２の電流から差し引き、
   前記制御回路は、前記準備期間においては前記電流源と前記準備回路を接続し、前記受信期間においては前記電流源と前記除去回路を接続すると共に前記準備回路が有する前記キャパシタと前記除去回路を接続することを特徴とする電流制御回路。
2. 前記制御回路は、前記準備期間においては前記電流源と前記準備回路を接続すると共に前記準備回路と前記除去回路の接続を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電流制御回路。
3. 前記電流源は受光素子であって、照射光に応じて前記第１および第２の電流を発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の電流制御回路。
4. 前記直流成分は環境光により発生する電流成分であることを特徴とする請求項３に記載の電流制御回路。
5. 前記交流成分は光信号により発生する電流成分であることを特徴とする請求項３または４に記載の電流制御回路。
6. 前記除去回路の後段に、前記交流成分を電圧変換するための電圧変換回路を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電流制御回路。

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