JPH07101891B2

JPH07101891B2 - 光受信回路

Info

Publication number: JPH07101891B2
Application number: JP61246867A
Authority: JP
Inventors: 二郎田中; 孝典沢井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-10-16
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1995-11-01
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: JPS63100848A

Description

【発明の詳細な説明】（ａ）技術分野この発明は、光データリンクに於て用いられる光受信回
路に関する。

光フアイバを用いた通信システムに於ては、送信側と受
信側にそれぞれ送信機、受信機が設けられる。

双方向通信の場合は、両方の局に送受信機が設けられ
る。

光受信回路は、光信号を電気信号に変換する光電変換素
子と、これによつて得られた光電流を増幅する回路と、
これをある閾値と比較して二値化する回路と、を備えて
いる。

（イ）従来技術光受信回路に於て、二値化回路は受信した信号を、Ｈレ
ベルかＬレベルかに弁別するものである。

以前は、固定閾値と、受信信号を直流増幅したものとを
比較して二値化していた。

しかし、このような直流分を含む回路は、多くの問題が
あつた。

まず、光フアイバの長さや、発光素子、受光素子の性能
によつて、Ｈレベルの信号強度が異なる。このため固定
閾値の設定が難しい。

可能なＨレベルの最小値として固定閾値を設定すれば、
受信ミスを防ぐことができるが、そうすると、信号の振
幅の大小により、Ｈレベル信号の幅が変化してしまう、
という欠点がある。

この他、温度による暗電流の変化、オフセツトの変化な
どという問題がある。

このため、直流増幅した信号と固定閾値を比較する、と
いう回路は適用範囲が狭いという難点がある。

そこで、微分信号を得て、これを閾値を比較する、とい
う回路を、本発明者等が発明した。閾値は上下に変化す
る可動閾値である。微分信号がプラスであれば、−Δの
閾値を、微分信号がマイナスであれば＋Δの閾値を採用
する。

これは、コンパレータが±Δのヒステリシスを持つとい
う事である。このような光受信回路は特開昭60−239138（S60.11.28公開）特開昭60−240231（S60.11.29公開）特開昭60−240232（S60.11.29公開）特開昭60−242742（S60.12.2公開）特開昭60−246138（S60.12.5公開）特開昭60−247967（S60.12.7公開）特開昭61−56550（S61.3.22公開）特開昭61−111578（S61.5.29公開）などに於て詳しく説明されている。この回路は高速応答
性に優れており、波形歪みが小さい、という特長があ
る。

極めて洗練された回路であるが、複雑な回路構成である
から、デイスクリートな部品で製作すると部品点数が多
くて、高価になる。専用のICを製作するとすれば、多額
の費用が必要となる。

高速性があまり要求されないかわりに、コストを低減す
る事が要求される事もある。この場合、市販のSSI（sma
ll scale integrated circuit）を使つて構成できるも
のである事が望ましい。

そこで、本発明者は、SSIを２個使用することにより、
市販の部品により構成することのできる光受信回路を発
明した。

特願昭61−129717（S61.6.3出願）に説明されている。

この光受信回路は、光信号を光電流に変換する部分のみ
にデイスクリートな部品が使われている。高速性が要求
されるからである。インピーダンスが高く、微小な信号
であるから、トランジスタをダーリントン接続し、ホト
ダイオードと直列に接続した抵抗に流れる電流を、前述
のトランジスタ２個で増幅している。

電圧信号を、ひきつづき増幅するのであるが、直流増幅
ではなく、交流増幅している。３段の交流増幅の後、シ
ユミツトトリガ回路によつて波形整形している。

交流増幅回路は新規なものである。動作については後に
説明する。インバータの出力と入力とを抵抗で接続した
ものである。

シユミツトトリガ回路は、インバータ２つを直列に接続
し、２段目の出力と初段の入力を抵抗によつて接続した
ものである。これはよく用いられるシユミツトトリガ回
路である。

この回路は、電流電圧変換部にダーリントン接続した２
個のトランジスタなどを用いるので、十分に単純化され
ているとは言えない。

用途により、より単純な回路構成の方が望ましい、とい
う事もある。

（ウ）構成第４図によつて光送受信回路の概略を説明する。

光コネクタＧには、発光ダイオードLEDと、ホトダイオ
ードPDが並設されている。光コネクタＧには、２本の光
フアイバが着脱自在に取付けられる。

LEDは、送信信号SDによつて駆動されるLEDドライバＪに
よつてドライブされる。これは、ＨレベルとＬレベルの
２値の光信号を生ずる。

PDは光信号を受信する。これを微弱な電流とする。

電流電圧変換Ａは、微弱な電流に比例した電圧信号を生
ずる。

交流増幅Ｂは、この電圧信号を交流増幅するものであ
る。直流増幅しないのが、ひとつの特徴である。

これを波形整形Ｅによつて、整つた矩形パルスに変換す
る。

出力バツファＦは、電圧値、および出力インピーダンス
を適合した値にし、受信信号RDとするものである。

＋5Vの電源が外部から供給される。これは送信部電源と
もなるし、電源フイルタＨを通して受信部電源ともな
る。

このような一般構成は、前述の特願昭61−129717にも共
通するものである。

第１図によつて具体的な回路例を説明する。

この回路の主要部は、インバータを６個、直列に接続し
てなる。

インバータW₁〜W₃は交流増幅回路を構成する。

インバータW₄,W₅は波形整形回路を構成する。

W₆は出力バツフアである。

電流電圧変換回路Ａは、ホトダイオードPD、抵抗R₁、ダ
イオードD₁とよりなる。

ホトダイオードPDのカソードは電源（5V）に接続してあ
る。アノードは抵抗R₁に接続してある。この点をａ点と
する。R₁の他端は接地してある。ａ点とアースの間に、
バイパス用のダイオードD₁が順方向に接続されている。

ホトダイオードPDに光が入射すると、逆バイアスされて
いるので、PDに光電流が流れる。これは抵抗R₁にも流れ
るから、ａ点の電圧Vaは、 Va＝IR₁ （１）となる。これが電流電圧変換である。R₁を大きくすれば
電圧信号が大きくなるが、そうすると、動作が遅れるの
で、高速の要求、入力インピーダンスの要求を満すよう
に、適当な値とする。

ダイオードD₁は、入力信号が大き過ぎる場合に、ａ点の
電圧を、ダイオードの順方向電圧降下分以下に保つため
のものである。

入力信号が大きい場合、（１）式に従わず、光信号が存
在する時でも、0.6V以上にならないようにしてある。

後段の増幅回路の増幅率は十分大きくて、微弱な光信号
であつても十分な大きさに増幅できるようにしてある。

反対に、入力信号の振幅が大きすぎると、増幅回路が飽
和してしまう。このため、Ｈレベルの時間が、実際より
長くなつてしまう。

つまり波形が歪む。このようなことを防ぎ、入力信号が
大き過ぎる時は、これを適当なレベルへ引きもどすため
に、ダイオードD₁が入つているのである。

インバータW₁は、点ａとカツプリングコンデンサC₁を介
してつながつている。

インバータW₁の出力ｃと入力ｂとは抵抗R₂によつて接続
される。

インバータW₂の出力ｅと入力ｄとは抵抗R₃によつて接続
される。

インバータW₃の出力ｇと入力ｆとは抵抗R₄によつて接続
される。

インバータW₁の出力ｃと、インバータW₂の入力ｄとはカ
ツプリングコンデンサC₂によつて接続される。

インバータW₂の出力ｅと、W₃の入力ｆとは、カツプリン
グコンデンサC₃によつて接続される。

W₁〜W₃と、これに伴う抵抗R₂〜R₄は、交流増幅回路を構
成する。

インバータは論理回路に用いられるデイジタル回路素子
である。これは入力がＬ又はＨの２レベル、出力がＨ又
はＬの２レベルを取るように利用される。これがふつう
の使いかたである。

インバータはアナログ回路素子として設計されたもので
はないし、アナログ素子として使われる事もない。

インバータはしかしながら、最も簡単な論理回路であ
る。これを増幅回路として利用できれば、極めて安価で
単純な増幅回路となる。

本発明者達は、インバータの入出力を抵抗でつなぐ、と
いう極めて簡単な工夫によつて交流増幅回路を構成でき
ることに、最初に想い到つた。

これは、特願昭60−218840（S60.10.1出願）に説明して
ある。

本発明の特徴は、インバータによる交流増幅回路にある
のではない。しかし、この交流増幅回路は、未だ公知で
ないから、ここで説明する。

インバータの入力と出力とを抵抗で接続する、という事
が、そもそも反常識的である。２段のインバータの入
力、出力を抵抗で接続するということ、すなわち、ここ
でW₄,W₅をR₆で接続するという事は、しばしば行われ
る。

しかし、インバータ１個の入出力を抵抗で接続するとい
う事はかつてなされた事がない。論理素子として使われ
るインバータであるから、入出力を接続するという事は
考えられない。

抵抗Ｒでつながれたインバータの入力、出力は、電源電
圧Vccの半分程度の電圧V₀にとどまる。発振するのでは
ない。

V₀は、入力のＬレベルでもなければ、Ｈレベルでもな
い。中間的な電圧であつて、入力が禁止されている領域
の電圧である。通常の使い方では、遷移の瞬間に通過す
るだけの電圧である。

しかしながら、入力＝出力＝V₀という状態は安定な状態
である。入力電圧がなければ、入力、出力はV₀であり続
ける。

交流の入力信号がインバータの入力に入るとする。

入力がV₀から上るか、下るかする。出力は入力と反対に
動く。入力変化より、出力変化が大きいから、増幅作用
が生ずる。

ところが、負帰還を与える抵抗があるので、入力電圧は
出力に引寄せられる。このため抵抗が小さい時は、増幅
率も小さい。入力電圧は、出力に引寄せられてV₀に戻ろ
うとする。入力がV₀に近づくと、出力もV₀に近づくの
で、出力が入力を引寄せる力は弱くなる。緩和函数に従
つて、入力、出力ともV₀へ戻つてゆく。

この緩和はＲの値にもよるが、かなり遅い。そこで、交
流入力信号が十分に速ければ、インバータはこの信号を
忠実に交流増幅する事ができる。

三段増幅W₁〜W₃であるから、全体のゲインは、それらの
積になる。増幅は四段であつても五段であつてもかまわ
ない。三段以上であればよい。

一例を示す。

R₂＝50kΩ、R₃＝1MΩ、R₄＝100kΩ、C₂＝0.01μＦ、C₃
＝2.2pFとする。増幅率はこの例で、１段目が10dB、２
段目20dB、３段目が3dBである。合計33dBになる。

３段目の増幅率が小さいのは、カツプリングコンデンサ
C₃が小さいからである。

この他に、入力信号の大きさやインピーダンス、速度に
応じて、適当な定数を決定する。

こうして、ｇ点に交流増幅した信号が得られる。C₁〜C₃
を用いて直流分を落しているから、ホトダイオードPDの
暗電流や、直流外乱光の影響、温度による暗電流変化な
ど、直流分が全て落ちている。

W₄の出力ｉとW₅の入力が接続され、W₅の出力ｊが、W₄の
入力ｈに抵抗R₆で接続される。R₆は正帰還を与える抵抗
である。これはシユミツトトリガ回路として、しばしば
使われる。周知である。

入力ｈが、例えばＨレベルに変わつたとする。中間点ｉ
がＬレベルに変わる。するとｊ点がＨレベルに変わる。
Ｈレベルであるｊ点は、最初の入力ｈを強くＨレベルに
引上げるから、ｈは急速にＨレベルになり、出力ｊもＨ
レベルとなる。このように、ヒステリシスともなつたシ
ユミツト回路となるのである。

R₅とC₄によつて、交流増幅回路Ｂの出力ｇが、シユミツ
ト回路の入力ｈに接続される。

R₅は例えば62kΩ、C₄は例えば、0.01μＦである。

交流信号は、主にC₄を通じて、シユミツト回路に伝わ
り、ここで波形整形される。規則正しい矩形波になるわ
けである。

R₅は、比較的遅い信号をも通すために設けてある。また
信号に変化が少ない場合、シユミツト回路のレベルが狂
う惧れがあるので、これを防ぐ作用がある。

インバータW₆は出力バツフアである。これは出力インピ
ーダンスを下げ、電圧をSSIレベルにする、ということ
もあるが、インバータの数を偶数にして、ａ点とｋ点の
レベル変化を同方向にするためにも設けてあるのであ
る。

つまり光が存在する時ｋ点はＨレベルとなり、光が無い
時、ｋ点はＬレベルとなる。

しかし、このような事が要求されない事もある。その場
合は、W₆を省いてもよいし、反対にひとつ加えて、W₆,W
₇としてもよい。

（エ）作用光信号に応じて、ホトダイオードに光電流が流れる。こ
れが、R₁によつて電圧となる。この電圧信号は微弱であ
る。３段の交流増幅回路W₁〜W₃によつて、適当な振幅の
交流信号になる。これが、W₄,W₅のシユミツト回路を通
る事により、矩形波になる。さらに反転して、光の存
在、非存在に対応した出力Voutとなる。

（オ）回路例II 第２図に第２の回路例を示す。

これは、電流電圧変換部の接続が異なつている。

ホトダイオードのアノードを接地している。カソード
は、抵抗R₁と接続してある。抵抗R₁の他端は電源に接続
してある。R₁と並列に、ダイオードD₁が順方向に接続し
てある。

ａ点の電圧Vaは、前例とは反対になつて、 Va＝Vcc−IR₁ （２）となる。

これに応じて、インバータの数を５個にし、W₆を除いて
いる。光の存在を、VoutのＨレベルに対応させるためで
ある。

（カ）回路例III 第３図に第３の回路例を示す。

これは、光電変換素子としてホトダイオードPDのかわり
に、ホトトランジスタPTrを用いている。

ホトトランジスタのコレクタが電源に接続されている。
エミツタの抵抗R₁に接続される。R₁の他端は接地されて
いる。

R₁と並列に、ダイオードD₁が順方向に接続されている。

ホトトランジスタであるから、自らの中に増幅作用を持
つている。従つて、微弱な入力信号に対しても好適に機
能する。

しかし、ホトトランジスタは動作が遅いので、入力信号
の変化の遅いものに対してのみ、使用する事ができる。

（キ）効果（１）入力信号を光電変換し、電圧信号に変換する部
分の構成が極めて単純である。

（２）交流増幅するから、光受素子の暗電流や、直流
外乱光の影響を除くことができる。温度変化による暗電
流変化の影響も除くことができる。

（３）ダイオードD₁によつて、過大な信号をカツトす
るから、ダイナミツクレンジが広くなる。光フアイバの
長短により、信号光の強さはさまざまであるが、どのよ
うな光信号であつても増幅、二値化する事ができる。

（４）インバータを用いる事により増幅、二値化を行
なつている。直流増幅器やコンパレータ、定電流回路な
どを不要とする。

極めて、簡単な回路構成であるから、SSIを用いて容易
にしかも安価に製作する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信回路の第１の例を示す回路図。第２図は本発明の光受信回路の第２の例を示す回路図。第３図は本発明の光受信回路の第３の例を示す回路図。第４図は光受信回路の構成図。 PD……ホトダイオード D₁……ダイオード、 R₁〜R₆……抵抗 C₁〜C₄……コンデンサ W₁〜W₆……インバータ PTr……ホトトランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 10/14 10/26 10/28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２値のデジタル信号を伝送する光データリ
ンクの受信回路において、光電変換素子、電流電圧変換
回路、交流増幅回路、波形整形回路及び出力バッファよ
りなる光受信回路であって、電流電圧変換回路は、光電
変換素子とこれに直列に接続された抵抗R₁と、抵抗R₁に
対して並列で順方向に接続されたダイオードD₁となり、
交流増幅回路は、インバータの入出力を抵抗によって接
続し、相互にコンデンサによって接続された３段あるい
はそれ以上の段数のインバータによって構成されてお
り、それぞれの段のインバータは入力信号を交流増幅
し、波形整形回路は直列につながれた２つのインバータ
W₄、W₅と、インバータW₅の出力をW₄の入力に帰還する抵
抗R₆と、交流増幅回路の増幅出力をインバータW₄に入力
するための抵抗R₅とこれに並列に接続されるコンデンサ
C₄とよりなり、出力バッファは出力入力信号を合致させ
るためのインバータよりなる事を特徴とする光受信回
路。