KR20040063639A - 포토 다이오드 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드 회로에 관한 것으로 포토 다이오드가 빛을 받아 빛 신호를 전기 신호로 변환할 때 회로에 연결된 전원전압의 변동이나 포토 다이오드 내부의 기생 커패시터가 포토 다이오드회로에 끼치는 영향을 최소화하도록 하는 설계 기술에 관한 것이다.

Description

포토 다이오드 회로{PHOTO DIODE CIRCUIT}

본 발명은 빛 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드 회로에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 포토 다이오드 내부의 기생 커패시턴스가 회로 동작에 미치는 영향을 최소화하고 전원 전압의 변동에 따라 포토 다이오드의 전기 신호의 변동이 최소화되도록 한 회로기술에 관한 것이다.

본 발명의 포토 다이오드 회로는 특히 리모콘 신호를 수신하여 전자자기기의 동작을 제어할 때 쓰이는 적외선 수신장치의 입력단에 많이 쓰이는 회로이다.

도 1에 나타낸 종래의 회로를 참조로 하여 종래 기술을 설명하면 다음과 같다. 외부로부터의 빛 신호가 포토다이오드(PD)에 입력되면 포토다이오드는 빛의 세기에 따라 광전류 Ipd를 생성시킨다. 이 광전류는 포토 다이오드 양단의 등가저항 Rpd와 곱해져서 노드 A에

V_A = VCC - Ipd ~ Rpd ---- (1)

의 전압을 야기시켜 전류-전압 변환이 이루어진다. 변환된 전압은 증폭부(11)의 OP AMP와 Cin, Rf 등으로 구성된 하이 패스 필터 회로의 기능과 증폭 작용에 의해 원하지 않는 주파수 대역의 노이즈를 제거할 뿐만 아니라 원하는 신호를 적절히 증폭한다.

그러나 이와 같은 종래의 회로에는 여러 가지의 문제점이 있다. 그 가운데 하나는 전원전압 VCC가 변동 될 때 변동전압의 일정부분이 식 (1)에서 보는 바와 같이 바로 VA 노드에 직접적으로 영향을 준다는 점이다. VA 노드는 전원전압 VCC와 단지 저항 Rpd를 통해 연결되어 있으므로 식 (1)에서 보듯이 VCC의 변동이 VA의 전압값에 영향을 미치게 되어 있다.

종래의 회로가 나타내는 또 다른 문제점 가운데 하나는 포토 다이오드 내부의 기생 커패시턴스가 야기하는 문제이다. 포토 다이오드 역시 PN 접합 다이오드의일종이므로 다이오드 내부에 접합에 의한 전하공핍(depletion) 영역이 필연적으로 존재한다. 이런 공핍영역은 일종의 커패시턴스 성분으로 작용하고 공핍 커패시터(depletion capacitor), 접합 커패시터(junction capacitor) 등으로 잘 알려져 있다. 이러한 공핍 커패시터 성분은 포토 다이오드 내부의 각종 기생 저항성분과 도 1의 Rpd 저항 성분등과 조합되어 RC 회로를 구성하므로 회로 설계자가 의도하지 않았던 또 다른 RC 형태의 필터 회로를 구성한다. 이러한 필터 회로는 도 1에 표시된 Cin, Rf 등에 의한 필터회로와는 다른 특성을 가진 로우패스필터(low pass filter)의 특성을 나타내게 된다. 이 로우패스 필터의 컷-오프(cut-off) 주파수는

f_C = 1/ (2 PI ~ Rpd ~Cpd) -----(2)

로 주어지게 된다. 설계자가 의도하지 않았던 이러한 로우 패스필터는 빛의 크기가 변동할 때 VA 전압을 변동시키고 또한 공핍영역의 커패시턴스 또한 변동 시킨다. 왜냐 하면 잘 알려진 대로 공핍 커패시턴스는 PN 접합 양단의 전압 VA의 함수이기 때문이다. 공핍 커패시턴스 값의 변동은 결국 로우패스 필터의 주파수 특성조차 변동하는 값으로 만들게 된다. 이 로우패스필터의 컷-오프 주파수 특성에 의해 상대적으로 높은 주파수 대역의 신호가 도 1 의 증폭기에 입력되면 신호의 이득을 감소시키게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토 다이오드가 장착된 회로부가 전원전압의 변동에 보다 둔감하게 동작하도록 하여 보다 안정된 적외선 수신장치 회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 포토 다이오드 내부의 기생커패시터의 불안정한 역할에도 불구하고 보다 넓은 주파수 대역 응답 특성을 갖는 적외선 수신장치를 제공하여 본 발명의 수신장치를 내장하고 있을 전자기기의 신뢰성 있는 동작을 보장케 하는데 있다.

도 1 - 종래의 포토 다이오드 회로

도 2 - 본 발명의 포토 다이오드 회로 제 1 실시 예

도 3 - 본 발명의 포토 다이오드 회로 제 2 실시 예

도 4 - 본 발명의 포토 다이오드 회로 제 3 실시 예

<도면의 주요부분에 대한 기호의 설명>

PD : 포토 다이오드 10 : 포토 입력부

11 : 증폭부 21 : 리플리카 회로부

20 : 포토트랜스임피던스인터페이스부 22 : 차동증폭부

본 발명의 회로구성을 나타내는 도 2를 참조로 하여 본 발명의 회로동작을 설명한다. 본 발명을 나타내는 도 2는 포토 트랜스 임피던스(trans impedance) 인터페이스부(20), 리플리카 회로부(21) 및 차동증폭부(22)로 구성되어 있다. 포토 트랜스 임피던스부(20)는 포토 다이오드가 장착되어 있어 외부에서 들어온 빛 신호를 전기신호로 변환하는 회로부이다. 이 회로의 상세한 동작은 다음과 같다. 입력된 빛 신호는 포토 다이오드에 Ipd라는 광전류를 생성 시킨다. 이 광전류는 M1과 M2로 이루어진 전류 미러회로의 동작에 의해 M2가 연결된 전류 전류 미러회로의 다른쪽 브랜취(branch)에도 같은 크기의 전류를 발생시키고 이 전류는 Rpd를 통해 흐른다. 따라서 노드 A에는 V_A = Ipd~ Rpd ----- (3)

의 전압이 생기게 된다. 이 포토 트랜스 임피던스부(20) 회로의 동작특징을 요약하면 외부로부터의 빛신호를 전류신호로 변환한 다음 전압신호로 다시 바꾸어주는 역할을 하는 것이다.

이 포토 트랜스 임피던스 회로부(20)의 또 다른 중요한 구성상의 특징은 종래의 기술과는 달리 포토 다이오드가 차동 증폭부(22)의 입력에 직접적으로 연결되어 있지 않다는 점이다. 이러한 구성상 특징은 회로 동작상 중요한 차이점을 가져온다. 광전류가 생성되는 노드와 차동증폭부(22) 의 입력노드가 분리되어 있음으로 인해 전술한 포토다이오드의 기생 커패시터가 차동증폭기 및 차동증폭부를 이루고 있는 여러 소자들과 분리되어 종래 기술의 문제점으로 전술된 로우패스 필터의 특성을 나타내지 않게 되어 차동증폭부, 나아가서는 적외선 수신장치의 주파수 응답특성의 저감, 이득감소와 같은 문제점들이 최소화 된다.

도 2의 리플리카 회로부(21)은 포토 트랜스 임피던스 회로부(20)와 그 회로구성 및 구성요소간의 결합 상태가 서로 유사하다. 이 회로를 포토트랜스임피던스 회로부와 같은 회로 구성을 가지게 함으로써 차동증폭부(22)가 이른바 커먼모드 노이즈(common mode noise)에 보다 둔감하도록 하기 위해 필요한 것이다. 특히 리플리카 회로부의 도입으로 인해 차동증폭단이 여러 커먼모드 노이즈 가운데 전원전압의 변동에 의해 받는 영향을 나타내는 지수인 이른바 파워서플라이 리젝션 비(power supply rejection ratio)가 특별히 개선된다.

리플리카 회로부(21)의 바이어스 전류원 Ibias는 포토 트랜스임피던스 회로부(20)내의 포토 다이오드가 빛을 받아 생성시키는 광전류의 값 Ipd와 근접한 값을 갖도록 회로설계자가 적절히 설계한다. 이 전류원 역시 여러 트랜지스터들의 조합으로 간단히 설계할 수 있다. 전류원 회로의 상세한 회로는 본 발명의 명세서에서 생략한다.

도 2에서 차동 증폭부(22)는 2-입력 2출력을 가진 OP AMP와 두 개의 커패시터, 두 개의 저항으로 구성되어 있다. 도 1에 나타난 종래의 회로구조와는 달리 완전히 대칭적인 차동증폭단을 구성하고 있어서 커먼모드에 해당하는 신호는 차단하고 차동입력에 해당하는 성분만을 증폭시키는 특징이 있다. 이러한 차동증폭단은 전술한 바와 같이 전원 리플(ripple)같은 전원전압의 변동이나 증폭단 입력신호에 노이즈가 부가될 때 특히 유효하게 동작한다. 예를 들면 같은 크기의 노이즈 신호가 증폭기의 두 입력에 모두 부가될 때 이 노이즈 성분은 차동증폭기에서 이론적으로는 완전히 제거된다.

본 발명의 또 다른 실시 예를 도 3에 나타내었다. 도 3은 도 2의 회로와 서로 상보적(complemetary), 혹은 대칭적(symetrical)인 회로구성을 갖는다. 이러한 상보적인 회로 구성은 주로 MOS 트랜지스터를 이용하여 회로를 설계하는 연구자들에게는 일반적으로 잘 알려진 기술이다. 도 3의 주요부분의 기호는 도 2와 같은 기호를 사용하였음을 유의하여야 하고 같은 기호를 갖는 회로들은 서로 유사한 회로동작을 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예를 도 4에 나타내었다. 이 실시 예는 많이 쓰이는 구조는 아니지만 완전 차동입력구조의 증폭기 대신 종래의 증폭기와 유사하게 하나의 입력만을 갖는 증폭기를 이용한 것이다. 이 경우는 리플리카 회로부가 필요없어 전류소모, 회로면적 감소등의 장점은 있으나 커먼모드 노이즈에 약한 단점이 있다. 이러한 구성은 이른바 single-ended 증폭기 구성이라 불리는 구성이다.

본 발명은 전원전압의 변동이나 포토 다이오드 내부의 기생 커패시터가 포토 다이오드회로에 끼치는 영향을 최소화시키고, 나아가 빛 신호에서 변환된 전기 신호의 증폭을 위한 회로의 특성 저감을 막을 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 회로를 채택하고 있는 적외선 수신장치의 동작 신뢰성이 좋아지는 효과가 있을 뿐 아니라 본 발명의 적외선 수신장치를 내장하고 있는 전자기기의 신뢰성 역시 제고할 수 있게 된다.

본 발명을 나타내는 도면에는 여러 가지 실시예를 나타내었지만 이것에만 본 발명의 사상이 국한 되는 것은 아니다. 예를 들어 전류 미러회로를 이루는 쌍들을 MOS 트랜지스터 대신 바이폴라 트랜지스터로 대체하여도 무방하다. 또 각 회로부의 전류 미러 회로를 두단 이상으로 꾸미는 이른바 전류미러의 스택(stack)구조도 가능하다.

본 발명의 중요한 기술적인 사상 가운데 하나는 포토 다이오드와 증폭단회로가 직접적인 연결이 되지 않도록 하여 여러 가지 잇점을 취한다는데 있는 것이므로 여러 가지 변형된 형태의 회로구성이 있을수 있으나 이 또한 본 발명의 사상을 벗어나는 것이 아니라 본 발명의 기술적인 사상에 포함되는 설계변경의 범주에 포함된 것으로 간주되어야 한다.

Claims (2)

1. 포토 다이오드를 이용하여 빛 신호를 전기신호로 변환하는 포토 다이오드 회로에 있어서,

   빛 신호를 광전류로 변환하는 포토 다이오드와;

   상기 광전류를 미러링(mirroring)하는 전류 미러 회로와;

   차동증폭기와;

   상기 차동 증폭기의 입력은 상기 전류 미러 회로에 연결됨으로써 상기 포토 다이오드에 직접적으로 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 포토다이오드 회로.
2. 포토 다이오드를 이용하여 빛 신호를 전기신호로 변환하는 포토 다이오드 회로에 있어서,

   빛 신호를 광전류로 변환하는 포토 다이오드와;

   상기 광전류를 미러링(mirroring)하는 전류 미러 회로와;

   리플리카 회로부와;

   두 개의 입력을 갖는 차동증폭기와;

   상기 차동 증폭기의 한 입력은 상기 전류 미러 회로에 연결됨으로써 상기 포토 다이오드에 직접적으로 연결되지 않고, 상기 차동 차동 증폭기의 또 다른 입력은 상기 리플리카 회로부와 연결된 것을 특징으로 하는 포토다이오드 회로.