JPH0211014A - 受光回路及び光結合回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光検出システム、あるいは光結合素子や光フ
ァイバなどを用いた任意の光学システムにおいて使用さ
れる受光回路及び光結合回路に関するものである。

例えば、テレビジョンセットのビデオ信号入力端子など
の絶縁において、光結合素子、光ファイバを用いた場合
、これらの直流伝達特性のバラツキ及び変動による出力
変動が問題とされる。本発明はこのような出力変動を改
善する受光回路及び光結合回路を提供する。

〈従来の技術〉 第５図は従来の回路構成例を示している。第５図は、発
光ダイオードＬＥＤと受光素子ＰＤからなる光伝達部Ｃ
１と、発光素子駆動回路Ｂ１と、充電流増幅回路Ａ４を
含むものであって、発光ダイオードＬＥＤを直流バイア
ス電流に交流信号電流を重畳した７Ｅ流により駆動し、
受光素子ＰＤから出力される光電流をそのまま電流−電
圧変換。

線形増幅して、コンデンサ（Ｃ２２）結合により交流成
分を出力端子ＶＱから取出している。

ところで、光伝達部ＣＩは光結合素子や光ファイバ等を
利用することができるが、発光ダイオードＬＥＤと受光
素子ＰＤ間の電流伝達率α（ＣＴ　Ｒ）は、これらそれ
ぞれにおいてかなりのバラツキがあり、又、経時変化や
温度の変動によっても変化する。

第５図の構成例において、充電流増幅回路Ａ４部に可変
抵抗器ＶＲＩを設け、増幅器の増幅率を可変とすること
により、一応、電流伝達率αのバラツキを調整できるよ
うにしている。しかし本例では、光伝達部Ｃ１の経時変
化や温度変化による変動までを調整することは困難であ
る。

そこで出願人は先に、特願昭６２−２４１７８８号（昭
和６２年９月２５日出願、名称［ホトカプラ回路」）に
おいて、出力が電流伝達率αに依存しない回路構成を提
案した。

第６図にその構成例を示す。Ｂｌ　、ＣＩは第５図と同
様の発光素子電動回路及び光伝達部である。

Ａ５は光伝達部Ｃ１の受光素子ＰＤ側に接続された対数
増幅器、Ｂ２は対数増幅器のバイアス回路であり、受光
素子ＰＤからの光電流出力１ｐをトランジスタＱ４のベ
ース・エミッタ間のＰＮ接合（ダイオード）によって対
数変換する。１１は積分回路、ＡＣは逆対数増幅器で、
これらは交流差動増幅器として作用し、対数変換した光
電流出力の交流成分のみを逆対数変換する。

上記において、発光ダイオードＬＥＤは直流バイアス電
流ＩＦ（ＤＣ）に交流信号電流ＩＦ（ＡＣ）を重畳した
電流で駆動され、光伝達部Ｃ１の電流伝達率をαとする
と、受光素子ＰＤから出力されると光電流ＩＰは次のよ
うになる。

ｌｐ＝α（Ｉ　Ｐ　（ＡＣ）　＋Ｉ　Ｆ　（ＤＣ）　）
この光電流１ｐを、対数増幅器Ａ５を構成するトランジ
スタＱ４のペース・エミッタ間のダイオドで電流−電圧
変換すると、ダイオードの微分抵抗ｒｅは光電流ＩＰの
直流成分に依存して、γｅ＝（ｋＴ／ｑ）　Ｘ　（１／
α・Ｉｐ（ｏｃ））ただし、ｋ：ボルツマン定数 ｑ：電子の電荷 Ｔ：絶対温度 で表わされる。また光電流ＩＰのうち交流信号電流成分
はα・ＩＦ（ＡＣ）であるので、ダイオードで発生する
交流信号電圧成分はγｅ×α・ＩＦ（ＤＣ）で、ＶＯＩ
（ＡＣ）＝γｅ×α１ｐ（Ａｃ）（（ｋＴ／ｑ）　Ｘ　
（１／α・ＩＦ（ＤＣ））×α・ＩＦ（ＡＱ（ｋＴ／ｑ
）　Ｘ　（Ｉ　Ｆ　（ＡＣ）　／Ｉ　ｐ　（Ｄｃ）　）
となる。

すなわち、対数変換出力ＶＯＩの交流出力電圧成成は、
直流バイアス電流ＩＰ（ＤＣ）と交流信号電流ＩＦ（Ａ
Ｃ）の比に比例し、光伝達部Ｃ１の電流伝達率αに依存
しないようにできる。これを積分回路１１と逆対数増幅
器へ６からなる交流差動増幅器により逆対数変換すると
、交流出力電圧Ｖ、）として交流信号電流ＩＦ（ＡＣ）
に線形に比例する出力が得られる。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、第６図の回路構成において、対数変換出力Ｖ
ＯＩの交流信号電圧成分の周波数ｆが、積分回路１１の
時定数Ｒｇ　ＸＣ２と Ｄ＞１／（２πＸＲｇ　ＸＣ２） の関係を満たすとき、交流差動増幅器の２つの入力端Ｔ
ｌ１Ｉ７２間に生じる電圧は交流信号電圧成分（ｋＴ／
ｑ）　Ｘ　（Ｉ　ｐ　（ＡＣ）　／Ｉ　Ｆ　（ＤＣ）　
）に等しい。そして、差動増幅器の片側の増幅率ＡＶは
差動入力電圧が小さいとき、 ＡＶ＝（＋／４）　ＸＲ＋ｏＸ　Ｉ　ｓｓ／　（ｋＴ／
ｑ）であり、交流出力電圧Ｖ、）は、 Ｖｏ＝　（１／４）ＸＲ＋ｏＸＩｓｓＸ　（ＩＦ　（Ａ
Ｃ）／ＩＦ　（ｐｃ）　）となるが、差動入力電圧が大
きくなると交流出力電圧Ｖ（、は上式からずれ、入力−
出力間の直線性が悪くなるという欠点がある。

本発明は、上述の点に鑑みて、直流成分と交流信号成分
を含んで受光または光結合され、受光素子からの光電流
出力を対数変換し、その対数変換した光電流の対数変換
電圧の交流成分を逆対数変換するものにおいて、直線性
の劣化を改善した受光回路、及び発光素子駆動回路を含
む光結合回路を提供することを目的とするものである。

〈課題を解決するための手段〉 本発明の受光回路は、光を受光する受光素子と、受光素
子に接続され受光素子から出力される光電流を対数変換
するためのダイオードと、このダイオードにより対数変
換された信号を逆対数変換する逆対数増幅器と、逆対数
増幅器の直流成分出力を検出し、ダイオードのアノード
電位を直流的に一定に保持する負帰還回路部とを有して
なる。

負帰還回路部は、例えば、逆対数増幅器の出力を積分す
る積分回路と、この積分値と基準電圧との差を増幅する
差動増幅器等からなり、差動出力によりダイオードのカ
ソード電位を負帰還制御するものである。

光結合回路としては、上記を受光側回路とし、この受光
側回路と、発光素子及び発光素子を直流バイアス電流に
交流信号電流を重畳して駆動する発光素子駆動回路部と
からなる発光側回路とを備える。

〈作用〉 上記構成により、受光素子からの光電流出力を対数変換
し、その対数変換した交流電圧成分を逆対数変換するの
で、受光素子に至る光伝達部の電流伝達比α等に依存せ
ず、また経時変化や温度変化による影響もない安定した
出力交流電圧が得られる。さらにダイオードのアノード
電位を直流的に一定に保持する負帰還回路により、大電
流の直流成分の変動に対しても逆対数増幅器の利得を一
定にでき、その結果、直線性に優れたさらに安定した出
力交流電圧が得られる。

〈実施例〉 以下図面に従って本発明の詳細な説明する。

第１図はブロック構成図、第２図はそのより具体的な一
例を示す回路図である。

発光素子駆動回路８．１は、電源電圧ｖｃｃｌとアース
ＧＮＤの間を抵抗Ｒ１とＲ２で分割した直流バイアス電
圧を、駆動用トランジスタＱ１のベースに印加し、交流
入力信号端電圧ＶＩＮに信号がないときも一定の直流バ
イアス電流１ｐ（ｏｃ）を流す構成になっている。

従って、光伝達部ＣＩの発光ダイオードＬＥＤには、交
流信号による電流ｉ　ｐ　（ＡＣ）と直流バイアス７Ｅ
流ＩＰ（ＤＣ）が流れ、この２つの電流を重畳した電流
に比例した光信号りが、受光素子ＰＤに伝達される。以
上から、発光ダイオード駆動電流ＩＦは次のようになる
。なお、下記でＶＢＥはトランジスタＱ１のベース・エ
ミッタ間電圧である。

ＩＦ＝ＩＦ（ＤＣ）＋ＩＰ（ＡＣ） ＩＦ（ｏｃ）＝　（Ｖｃｃｌ　　ＶｎＥ）ＸＲ２／（Ｒ
＋＋Ｒ２）ＸＲａ）ＩＦ（Ａｃ）ｍ　ＶＩＮ／Ｒ３ 光伝達部ＣＩの電流伝達率をαとすると、受光素子ＰＤ
の光電流１ｐは次のようになる。

ｉｐ＝α（ＩＰ（ＤＣ）＋ＩＰ（ＡＣ））ダイオードＲ
Ｄは光電流１ｐを電流−電圧変換（対数圧縮）するため
のログダイオードであり、ダイオードＲＤの微分抵抗ｒ
ｅは光電流ＩＰの直流成分により決定され、 ｒｅ＝（ｋＴ／ｑ）Ｘ（１／α−ＩＦ（−ＤＣ））で示
される○よって、ダイオードＲＤのアノード・カソード
間に現われる交流電圧成分ＶＡＣは、ＶＡＣ”α１１１
Ｆ（ＡＣ）×ｒｅ ＝（ｋＴ／ｑ）Ｘ（ＩＦ（ＡＣ）／　ＩＦ（ＤＣ））で
与えられ、光伝達部Ｃ１の電流伝達率αに依存しない。

この交流電圧成分ＶＡＣを逆対数変換すれれば、交流入
力電圧ＶＩＮに対しαに依存しない線形な交流出力電圧
ＶＱ　が得られる。

第１図、第２図において、Ａｌはエミッタホロア回路、
Ａ２は逆対数増幅器、Ａ３は逆対数増幅器Ａ２の出力電
圧の積分値と基準電圧値Ｖｒｅｆとの差を増幅し、ダイ
オードＤ１のカソード電圧端子を制御する差動増幅器で
ある。また第２図のｐｓは、基準電圧値Ｖｒｅｆの発生
部を含む定電圧回路、０はエミッタホロアの出力回路で
ある。

上記のエミッタホロア回路ＡＩ、逆対数増幅器Ａ２．差
動増幅器Ａ３からダイオードＲＤへ帰還する負帰還回路
を構成することにより、ダイオードＲＤのアノード電位
を一定にし、逆対数増幅器Ａ２の利得を一定とする。

逆対数増幅器Ａ２はトランジスタＱＢ２と抵抗ＲＢ６で
構成され、その利得ＡＶは、 ＡｖｒＲＢｓＸＩｃ／（ｋＴ／ｑ） ここで ＩＣ：ＱＢ２に流れるコレクタ電流 ただし、Ｉｃ＝ｈｐＥＸＩＩＩＺ（ｂｐＥ＋１　）＃Ｉ
Ｅとした。

ＩＥ：ＱＢ２に流れるエミッタ電流 ｈｐＥ：Ｑｎ２のｈＦＥ で示される。

１（は０点の電位で決定され、差動増幅器へ３の出力電
圧すなわち■点電位が一定ならば、光電流１ｐの直流成
分であるα・Ｉｐ（Ｄｃ）が大きくなれば増加し、α・
Ｉｐ（Ｄｃ）が小さくなれば減少する。

ところが、差動増幅器Ａ３はα・ＩＦ（ＰＣ）の変化に
対して負帰還動作し、α・ＩＦ（ＤＣ）が増加しダイオ
ードＲＤのアノード−カソード間電圧がΔＶだけ上がる
と■点電位はΔＶだけ下がり、■点電位を一定にするよ
うに働く。

よってトランジスタＱＢ２のコレクタ電流ＩＣは一定と
なり、逆対数増幅器Ａ２の利得はＡＶ”ＲＢ６×Ｉｃ／
（ｋＴ／ｑ）は光電流１ｐの直流的な変化に対し一定と
なる。

ここで、差動増幅器へ３の動作についてさらに詳しく説
明する。

差動増幅器へ３の一端子は基準電圧源Ｅに接続されてい
る。この基準電圧源Ｅは電源電圧ＶＣＣ２から基準電圧
源出力端子（［Ｆ］点）までを一定電圧Ｖｒｅｆになる
ように動作する。

差動増幅器Ａ３の子端子には逆対数増幅器Ａ２の出力の
積分値（■点電位）が入力される。積分回路１１の時定
数をτ（＝Ｒ９ＸＣ２）とすると、１／２πτ以下の交
流信号及び直流的な出力変動のみが差動増幅器Ａ３に入
力され、差動増幅器へ３はこの変動を抑えるように働く
。

差動増幅器Ａ３は■点電位と■点電位を同じにしようと
するので、積分回路ＩＩでの直流的な電圧降下、及び差
動増幅器Ａ３の入力バイアス電流による［Ｆ］−■点間
の電位差を無視すると、ＶＣＣ２とトランジスタＱＢ２
のコレクタ電位差、すなわち抵抗ＲＩ３６の直流電位差
ｖＤｃは基準電圧Ｖｒｅｆと同じになる。従って、トラ
ンジスタＱＢ２に流れるコレクタ電流ＩＣは、 １（＝Ｖｒｅｆ／ＲＢ６　（一定） となる。

また、逆対数増幅器Ａ２の交流入力電圧ＶＡＣは、ＶＡ
ｃ＝（ｋＴ／ｑ）Ｘ（Ｉｐ（Ａｃ）／ＩＦ（Ｄｃ））で
あるので、逆対数増幅器Ａ２の交流出力電圧ＶＯは、 ＶＯ＝ＡｙＸＶＡＣ ＝ｖｒｅｆＸ（Ｉｐ（Ａｃ）／ＩＦ（Ｄｃ））で、発光
ダイオードＬＥＤの順方向電流ＩＦの交流分と直流分の
比ＩＦ（ＡＣ）／ＩＦ（ＤＣ）　に比例し、光伝達部Ｃ
Ｉの電流伝達率αやその他の影響を全く受けないように
できる。

第３図、第４図に他の構成例を示す。第１図及び第２図
と同一機能部分については同一符号を付している。

第３図は第２図における出力電圧の直流分（＋／２πτ
以下の低周波成分）の検出を、逆対数増幅器Ａ２から直
接行わず、逆対数増幅器Ａ２のトランジスタＱＢ２とカ
レントミラー構成されるトランジスタＱＢ２＋のコレク
タ電位で行うようにしている。

すなわち、カレントミラー回路ＣＭの構成により、ＱＢ
２のペース電位及びＱＢ２＋のベース電位を同時に制御
し％　ＶＣＣ２とＱＢ２１のコレクタ電圧の間の電圧を
一定に保つ。ＱＢ２＋とＱＢ２には同じ直流電流が流れ
、結果的にＱＢ２とＶＣＣＲ間の直流電圧も一定に保た
れる。

これによって、出力端子ｖｏ−ＶＣＣ間に生じる直流電
圧を任意に可変できる。例えば、抵抗ＲＢ６をＲＢ６１
の値を２倍にすると、抵抗ＲＢ６の両端に生じる電圧を
２倍の２ＸＶｒｅｆとすることができる。

言い換えれば第３図の回路構成例は、逆対数増幅器Ａ２
の利得ＡＶを任意に選択できる利点があるものである。

第４図は、電流出力型の差動増幅器を構成して、電流に
よりダイオードＲＤに負帰還をかけるようにしている。

Ａ　３’は利得１の差動増幅器で、ＡＬ＋はカレントミ
ラー回路を構成するトランジスタＱ１２とＱａａ及び電
圧−電流変換を行うトランジスタＱａ＋からなる電圧−
電流変換回路、ＡＬ２はダイオードＲＤ部で帰還電流を
電流−電圧変換する回路である。

例えば、差動増幅器Ａ３の入力において、０点電圧が０
点電圧よりΔｖ１高くなると、トランジスタＱａ＋によ
ってこの電位差は電圧−電流変換され、ただし、ＩＤＣ
０は０点電圧と０点電圧が同じときの電流 を出力する。そして、電流−電圧変換回路ＡＬ２におい
て％　　ＩＤＣ０→ＩＤＣｌの電流変化が電圧変化に変
換され、■点電位を△ｖ１上昇するように動作するＯ このように本回路構成例では、■点、■点間の電位差は
そのまま０点電圧に伝えられ、０点から０点への負帰還
回路の利得はｌである。すなわち、本例において負帰還
回路で発生するノイズを増幅することがなく、受光側回
路の低ノイズを図ることができる。

なお、Ａ２は逆対数増幅器であり、積分回路■１との間
にカレントミラー回路ＣＭを設け、抵揶Ｂ６とＲＢ６１
の抵抗値比により、逆対数増幅器Ａ　２’の利得ＡＶを
任意に選択できるようにしている。

なお、上述の各実施例において、受光素子ＰＤを除くあ
るいは受光素子ＰＤを含めて受光側回路部の一部又は全
部を１テツプのモノシック集積回路とすることができる
。従って、光伝達部Ｃ１に光結合素子を用いる場合等に
あっては、発光ダイオードＬＥＤと、受光素子ＰＤ及び
その他の受光側回路、または受光素子ＰＤを含むすべて
の受光側回路を１パツケージ化することが可能である。

特に本発明は、テレビジョンセットのビデオ信号入力端
子の絶縁等に用いて有用であるが、このような光結合素
子や光ファイバを用いた光学システムの他、本発明の受
光回路は、交流信号光が外部光等の直流バイアス光に重
畳されて入射される場合に単独で有効に使用することが
できる。

〈発明の効果〉 以上本発明によれば、直流成分と交流信号成分を含んで
受光または光結合されるものにおいて、安定した状態で
直線性に優れた有用な受光回路及び光結合回路が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図は具体例を示す回路図、第３図は他の具体例を示す回
路図、第４図は更に他の具体例を示す回路図、第５図は
従来例を示す回路図、第６図は他の従来例を示す回路図
である。 Ｂ１・・・発光素子駆動回路、ＬＥＤ・・・発光ダイオ
ード、ＰＤ・・・受光素子、ＲＤ・・・ダイオード、Ａ
２・・・逆対数増幅器、１１・・・積分回路、Ａ３・・
・差動増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を受光する受光素子と、該受光素子に接続され受
   光素子から出力される光電流を対数変換するためのダイ
   オードと、該ダイオードにより対数変換された信号を逆
   対数変換する逆対数増幅器と、該逆対数増幅器の直流成
   分出力を検出し、前記ダイオードのアノード電位を直流
   的に一定に保持する負帰還回路部とを有してなることを
   特徴とする受光回路。２、発光素子と、該発光素子を直
   流バイアス電流に交流信号電流を重畳して駆動する発光
   素子駆動回路部とからなる発光側回路と、 前記発光素子から出射された光を受光する受光素子と、
   該受光素子に接続され受光素子から出力される光電流を
   対数変換するためのダイオードと、該ダイオードにより
   対数変換された信号を逆対数変換する逆対数増幅器と、
   該逆対数増幅器の直流成分出力を検出し、前記ダイオー
   ドのアノード電位を直流的に一定に保持する負帰還回路
   部とを有する受光側回路とを備えてなることを特徴とす
   る光結合回路。