JPS6337713A - パルス変調光検出回路 - 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】 （ａ）　　産業上の利用分野 この発明は、パルス変調光方式における光電スイッチの
回路構成にかかるもので、特に、モノリシック集積回路
化したパルス変調光検出回路に関するものである。

（ｂ）　　従来の技術およびその問題点一般に、コンベ
アライン上の通過物体等を検出する光電スイッチは、検
出距離を長くする目的と、外乱光の影響をさけるためパ
ルス変調光方式を採用している。従来のパルス変調光方
式による光電スイッチの基本回路構成を第５図に示す。

このパルス変調光方式における光電スイッチにおいて、
投光部（１）は、基本的には、定電圧回路αυ、発振回
路α２、ドライブ回路Ｕおよび発光ダイオードＵωとか
ら構成される。前記発振回路（１つは、パルス発振器で
あり、第６図に示すような電流を前記発光ダイオードＩ
に流す。

発光ダイオードαａの発光出力は、順方向電流に比例し
て増大する。したがって、発光ダイオードα４は、第６
図に示すようなパルス電流を流すことにより、少ない平
均電流で大出力が得られるという利点を有している。一
方、光電スイッチにおける受光部（１）は、フォトダイ
オード（受光素子）印、受光回路（１ｅ、パルス増幅回
路（１７１、検波回路（復調回路）０ｇ、波形整形回路
住９、定電圧回路■および出力回路Ｑυから構成される
。

受光回路（１６１は、フォトダイオードＵの電流を増幅
する増幅器であり、通常、直流増幅器が用いられるので
、直流成分による増幅器の飽和が問題になる。特に、光
センサの場合、太陽光が入る窓ぎわで使用する場合もお
り、直流増幅器の飽和がさけられない。この受光回路を
構成する増幅器が飽和すると増幅作用が失なわれるので
、パルス光を受光できなくなるという問題がある。

パルス増幅回路Ｃ１７）は、投光部から送られるパルス
光の成分のみを増幅するようになっており、不要な直流
分や螢光対等の低周波成分を除去する働きをする。この
パルス増幅回路（１７）の場合、第５図に示すように、
コンデンサ（Ｃｚ）、（Ｃ２）および（Ｃ３）から成る
カップリングコンデンサが必要である。よって、受光部
（ｎ）全体を集積回路化する場合、コンデンサの容量と
数が多くなるため、集積回路化が困難である。検波回路
ａ印は、パルス信号を直流成分に変換する回路であるが
、コンデンサ（Ｃ４）を必要とすること、通常、このコ
ンデンサの容量が大きなものであること等から、上記同
様、集積回路化を阻害するものであった。

以上のように、従来のパルス変調光方式における光重ス
イッチにおいて、受光回路側全体を集積回路化しようと
する場合、コンデンサの容量が大きく、このままの回路
構成では、集積回路化は非常に困難である。

（Ｃ）　　本発明の技術的課題 この発明は、パルス変調光方式における光電スイッチに
関して、その受光部側を回路構成するにあたって、（Ｉ
）直流光による増幅器の飽和現象が起らないようにする
こと、（ＩＩ）コンデンサの容量を小さくして、集積回
路化を可能とすることを図シ、受光部全体をモノリシッ
ク集積回路化して、全く外付部品を必要としないワンチ
ップ集積回路の実現を図ってなるパルス変調光検出回路
を提供することにある。

（ｄ）　　本発明の技術的手段 この発明は、上述する目的を達成するにあたって、具体
的には、フォトダイオードと、該フォトダイオードの光
電流を電圧に変換するトランジスタおよび第１の差動増
幅回路とを有し、前記差動増幅回路の一方の入力端子に
抵抗と接合容量から成る積分回路を接続し、他方の入力
端子に電圧レベルシフト用の抵抗を接続して成るパルス
増幅回路と、 第２の差動増幅回路を有し、前記第２の差動増幅回路の
一方の入力端子に抵抗と接合容量から成る積分回路を接
続し、他方の入力端子に電圧レベルシフト用の抵抗を接
続して成るコンパレータと積分回路から構成されるパル
ス検波回路と、 前記パルス検波回路の電圧レベルシフト用抵抗が接続さ
れる端子に出力を帰還することにより信号成分に対して
ヒステレシスを付する波形整形回路とを備えて成るワン
チップ化したパルス変調光検出回路である。

ｆｅｌ　　本発明の実施例 以下、この発明に成るパルス変調光検出回路について、
図面に示す具体的な実施例にもとづいて詳細に説明する
。

第１図に、この発明の一実施例に成るパルス変調光検出
回路を示す。このパルス変調光検出回路は、フォトダイ
オード（１）、受光回路（２）、第１のパルス増幅回路
（３Ａ　）、第２のパルス増幅回路（３Ｂ）、検波回路
（４）、波形整形回路（５）、定電圧回路（６）および
出力回路（７）によって構成され、電源端子（８）、出
力端子（９）およびグランド端子αＱを備えている。前
記受光回路（２）は、トランジスタ（Ｔ、）、（Ｔ２）
を含む差動増幅回路の十人力端子に対して、抵抗（Ｒ１
）、コンデンサ（Ｃ１）から構成される積分回路（ロー
パスフィルタ）を接続した構成のものからなる。前記ト
ランジスタ（ＴＩ）のベースは、抵抗（Ｒ７）でバイア
スされており、フォトダイオ−白ｌ）に直流光が入射す
ると、バイアス電流はフォトダイオードｆｉ＋の方に流
れ、結果としてトランジスタ（Ｔｌ）のコレクタ電位が
上昇するように作動する。トランジスタ（Ｔ１）のコレ
クタ電位が上昇すると、抵抗（Ｒ＋）ヲａして、トラン
ジスタ（Ｔ２）のベース電位が上昇し、トランジスタ（
Ｔ２）のエミッタ電位も上昇する。したがって、トラン
ジスタ（Ｔ、）のバイアス電位は、高くなるように働き
、フォトダイオード（１）に分流する分を補正するよう
に作動する。これによって、トランジスタ（ＴＩ）のコ
レクタ電位は、大きく変動しないように制御される。と
ころが、パルス光成分に対しては、抵抗（Ｒ１）、コン
デンサ（Ｃ１）のローパスフィルタの作用によシ、トラ
ンジスタ（Ｔ２）のベース電圧は変化しないので、トラ
ンジスタ’（’Ｔ＋）のバイアス電位も一定となり、フ
ォトダイオード（１）の電流を打ち消す作用がない。よ
って、直流光に対しては出力は小さく、パルス光に対し
ては、大きな出力がとり出せる。トランジスタ（ＴＩ）
のコレクタから抵抗（Ｒｔ）、）ランジスタ（Ｔ２）、
抵抗（Ｒ７）を介して前記トランジスタ（ＴＩ）のベー
スへの接続により、負帰還回路が構成される。この負帰
還回路の一部に、抵抗（Ｒ１）、コンデンサ（Ｃ＋）の
ローパスフィルタを入しることにより、高周波の領域に
おいて、増幅度を上げ、逆に直流成分は、増幅度を下げ
ることができる。これによって太陽光等の直流成分によ
る増幅回路の飽和をさけ、パルス光を効率良く受光する
ことができる。この回路において、抵抗（Ｒ１）は、Ｒ
１：３３にΩ、コンデンサ（Ｃ１）は、Ｃ１：４５ＰＦ
程度である。この回路を集積回路化する場合、抵抗は拡
散抵抗を用い、コンデンサはジャンクション容量を用い
ることができるので、コンデンサの占める面積が少なく
てすむというメリットがある。第２図ＡおよびＢは、ジ
ャンクション容量の構造およびその等何回路を示すもの
であるが、集積回路内では、トランジスタのエミッタ・
コレクタを短絡し、ヘース領域との接合容量を利用する
ものであり、極性が反転するような回路では用いられな
い。これに対し、ＭＯ８容量は、極性が変化するような
回路でも使用できるが、単位面積あたりの容量が小さい
ので、同じ容量のコンデンサを作ろうとする場合、チッ
プ面積を多く必要とし、集積度が下がるという欠点があ
る。このように、受光回路は、回路構成上、ジャンクシ
ョン容量を用いることができるので、集積回路化に適し
ている。パルス増幅回路（３Ａ）は、トランジスタ（Ｔ
２）〜（Ｔ６）を有する直流差動増幅回路により構成さ
れていて、トランジスタ（Ｔ２）側が十人力、トランジ
スタ（Ｔ３）側が一人力で、抵抗（Ｒ３）、および（Ｒ
４）が増幅率を決定する抵抗である。十人力側には、第
３図のように、抵抗（Ｒ１）、コンチンｆ（Ｃ１）のロ
ーパスフィルタが入っているので、高周波成分は、ここ
で減衰する。よって、差動増幅回路の出力は、逆に、高
周波領域で増幅率が増大するような特性を有する。抵抗
（Ｒ２）は、レベルシフト用抵抗で、抵抗（Ｒ１）にお
ける電圧ドロップを補正するものである。この回路の増
幅度Ａは、抵抗（Ｒ２）を無視すると、 ■ （ただし　■＝２πｆ） 「＝Ｏつまシ直流では、増幅度が０となり、交流増幅器
と同様の作用をする。すなわち、この回路によれば、コ
ンデンサ（Ｃ１）の両端の電位は反転することがなく、
前述したジャンクションコンデンサ（接合容量）が利用
できるため、集積回路化に適している。これに対し、従
来のカップリングコンデンサ（Ｃ１）は、極性が反転す
るためＭＯ８容量しか使えず、集積回路化には不向きで
ある。また、この回路の特徴は、抵抗（Ｒ，）トコンデ
ンサ（Ｃ１）とのローパスフィルりを受光回路部とパル
ス増幅回路部に共用していることである。これによって
、比較的チップ面積を必要とするローパスフィルタ回路
部が１つですみ、チップ面積を下げることができる。

パルス増幅回路（３Ｂ）は、前記の回路と同一であるが
、レベルシフトの抵抗（Ｒ８）が定電流源（Ｉ３）で引
っ張られていることに特徴がある。

抵抗（Ｒ８）の電圧降下分を補正するために、Ｒ９・工
３　　のレベルシフトを設ける必要がある。電流（Ｉ３
）が定電流源であるため、直流分に対しては電圧降下す
るが、交流針に対しては電圧降下しないため、増幅度を
下げることなく、パルス成分を増幅できるメリットがあ
る。一方、前記パルス険波回路（４）も差動増幅器で構
成され、同じように、抵抗（Ｒ１３）、コンデンサ（Ｃ
３）のローパスフィルタを有している。これを、第４図
に示す動作波形にもとづいて説明する。差動増幅器の十
人力端子は、ローパスフィルタの出力であるため、高周
波成分は減衰して、第４図Ａのように■ヤの直流電圧の
上にパルス成分がわずかに出ている程度である。これに
対し、−入力端子は、■＋　より直流電圧で−Ｒ１□（
Ｉ４＋Ｉ５）だけ低く、その上にパルス信号が重畳して
いる形となる。このパルス成分が、前記十人力端子の■
＋を越える部分、ｔ１〜ｔｎ　　の間で差動増幅器の出
力側に、第４図Ｂに示すような信号が出力される。これ
によって、トランジスタ（Ｔ８）に電流（工。）が流れ
、ついで、トランジスタ（Ｔ９）が導通し、電流（Ｉ７
）がコンデンサ（Ｃ４）を充電し、第４図Ｃに示すよう
な出力波形を得る。コンデンサ（Ｃ４）の電位が、次の
差動増幅器（Ａ３）の動作レベルを越えると、差動増幅
器（Ａ３）は、時間ｔ３　　の点でＨＩ　Ｇ　Ｈ”を出
力する。これによって、トランジスタ（Ｔ’＋ｔ）が導
通するので、今までトランジスタ（Ｔｌｏ　）に流れて
いた電流が流れなくなり、これに伴って電流（工５）も
流れなくなるので、差動増幅器（Ａ２）の−入力端子の
電位■−は、−Ｒ１□（Ｉ４＋Ｉ５）から−Ｒ１２・工
、となシ、Ｒ１□・１．５の分だけ上昇する。よって、
差動増幅器（Ａ２）は、さらに動作しゃすくなシ、スイ
ッチング動作が安定する（このＲ１２・■５の電圧を一
般にはヒステリシス電圧と称する）。このように、差動
増幅器（Ａ２）の−入力端子の電位をわずかに変化させ
ることニヨリ、スイッチング動作を安定させることは、
回路の動作上、不可欠のものである。この回路機能がな
いと、例えば、入力のパルスがぎりぎりの状態におかれ
た場合、出力に波形われ（チャタリング）を生じ、性能
上好ましくない。ところが、この回路によれば、一旦差
動増幅器（Ａ３）の出力が出力されると、差動増幅器（
Ａ２）の入力のレベルがシフトし、より動作しやすくな
るのでさらに、差動増幅器（Ａ３）は動作しゃすい方向
に働き、前述のような問題が生じないことになる。この
発明のパルス変調光検出回路において、前記検波回路と
波形整形回路は、パルス増幅回路のパルス電圧の高さを
判別し、間欠信号であるパルス信号を連続したスイッチ
ング出力に変換すると共に、パルス電圧の高さ、の判定
レベ／ｖを変化させて、スイッチング動作ノ安定性を上
げている。また、この発明のパルス変調光検出回路は、
コンデンサ（Ｃ４）の積分作用を利用しているので、第
４図Ｃに示されるような動作波形図から明らかなように
、実際は、時間ｔ１の時点で、差動増幅器（Ａ２）の出
力が出ているにもかかわらず、差動増幅器（Ａ３）の出
力は、時間ｔ３のところまで遅れて出力され、この遅れ
時間Ｔ。が、外来ノイズの除去に役立つ。

つまυ、外部からの電気的ノイズの到来によって、前記
パルスと同様のパルスが入ったとしても、遅れ時間Ｔ。

の長さを適当に選ぶことにより、最終出力として出力し
ないようなノイズカット機能をもたせることができる。

さらに、この発明に成るパルス変調光検出回路によれば
、コンデンサ（Ｃ３）、（Ｃ４）は、いずれも電位が反
転しないのでジャンクションコンデンサヲ用いることが
でき、検出回路そのものを小型で集積回路化することが
でき、ワンチップ検出素子として提供されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明になるパルス変調光検出回路の具体
的な実施例を示す回路図、 第２図ＡおよびＢは、この発明の回路に適用されるジャ
ンクション容量の構造を示す原理図およびその等価回路
図、 第３図は、パルス増幅回路を説明するための略示的回路
図、 第４図Ａ−Ｄは、検波回路、波形整形回路の動作波形図
、 第５図は、従来の典型的なパルス変調光方式の光電スイ
ッチシステムを示すブロック回路図、第６図は、光電ス
イッチシステムにおける発光ダイオードの電流波形図で
ある。 （１１・・・・・フォトダイオード （２）・・・・・受光回路 （３Ａ）、（３Ｂ）・・・・・パルス増幅回路（４）・
・・・・検波回路 （５）・・・・・波形整形回路 （６）・・・・・定電圧回路 （力・・・・・出力回路 （８）・・・・・電源端子 （９］・・・・・出力端子 （１０１・・・・・グランド端子 特許出願人　　　　　株式会社光電子工業研究所代　　
理　　人　　　　　　新　　実　　健　　部（外１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）フォトダイオードと、該フォトダイオードの光電
   流を電圧に変換するトランジスタおよび第１の差動増幅
   回路とを有し、前記差動増幅回路の一方の入力端子に抵
   抗と接合容量から成る積分回路を接続し、他方の入力端
   子に電圧レベルシフト用の抵抗を接続して成るパルス増
   幅回路と、 第２の差動増幅回路を有し、前記第２の差動増幅回路の
   一方の入力端子に抵抗と接合容量から成る積分回路を接
   続し、他方の入力端子に電圧レベルシフト用の抵抗を接
   続して成るコンパレータと積分回路から構成されるパル
   ス検波回路と、 前記パルス検波回路の電圧レベルシフト用抵抗が接続さ
   れる端子に出力を帰還することにより信号成分に対して
   ヒステレシスを付する波形整形回路とを備えて成ること
   を特徴とするワンチップ化したパルス変調光検出回路。
2. （２）前記パルス増幅回路およびパルス検波回路におい
   て、レベルシフト抵抗が接続される入力端子とグランド
   間に定電流シンク回路を挿入し、直流成分のみレベルシ
   フトし、交流成分は減衰しないようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項に記載のワンチップ化し
   たパルス変調光検出回路。