JP2004260230A - 光電流・電圧変換回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フォトダイオード1への光入力により発生する光電流を、増幅器2の反転入力端と出力端に接続された帰還抵抗4により電圧変換し、その変換電圧Vaを基準電圧回路6からの閾値電圧Vthと比較器14で比較して2値信号を出力する受光ICにおいて、基準電圧回路6の非反転入力端を増幅器2出力端と同相とし、基準電圧回路出力を加勢側に一定値オフセットさせるとともに増幅器2出力を越えない範囲で増幅することおよび基準電圧回路6の持つ時定数により確実に増幅器2出力よりも遅延させかつ増幅器2出力に追従させた基準電圧回路出力を閾値電圧として比較器に出力し、増幅器2出力と比較する構成としたので、増幅器2出力Vaを閾値電圧Vthが追従し安定した比較動作を実現できる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子により発生する光電流を電圧に変換し2値信号として出力する光電流・電圧変換回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
フォトダイオードなどの受光素子により発生する光電流を電圧に変換し2値信号として出力する光電流・電圧変換回路が多くの分野で利用されている。例えば、FA関連等で入出力間を電気的に絶縁することを目的として、入力側の発光素子(例えば発光ダイオード)に電気信号を供給し、発光素子から出力側の受光素子へ光で信号を伝え、受光素子から電気信号を出力するフォトカプラの受光回路に用いられている。また、赤外線通信や光ケーブル通信等の受信回路および最近の光ディスク装置でのレーザー反射光信号を電気的ディジタル信号に変換する光検出回路にも広く用いられている。この光電流・電圧変換回路はIC化され受光ICとして使用されている。
【0003】
以下、受光ICの一例について、図4を参照して説明する。
図において、1はフォトダイオードでアノードが接地されている。2は反転増幅器3を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード1のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗4が接続されている。そして、定電流源5が反転増幅器3に接続されている。6は非反転増幅器7を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗8が接続され、反転入力端は定電流源9を介して接地され、非反転入力端が増幅器2の反転入力端に接続されている。10は時定数回路で、第1、第2の分圧抵抗11、12が増幅器2の出力端と基準電圧回路6の出力端に直列接続され、その直列接続点がコンデンサ13を介して接地されている。14は比較器で、非反転入力端に増幅器2の出力端が接続され、反転入力端に第1、第2の分圧抵抗11、12の接続点が接続されている。
【0004】
上記構成の受光ICの動作を説明する。
フォトダイオード1に光入力が無い場合は、光電流Ipdは発生せず、従って増幅器2の帰還抵抗4にも光電流Ipdが流れないため、増幅器2の出力端は反転入力端と同一電位となり、定電流源5から供給される電流に応じた電位V0が発生する。一方、基準電圧回路6では、バイアス抵抗8と定電流源9によりオフセット電圧VOSが生成され、増幅器2の反転入力端の電位よりもこのオフセット電圧VOS分加勢側にオフセットされた高い電圧が基準電圧Vref (>V0)として出力される。この増幅器2の出力端の電位Va=V0と基準電圧Vref が時定数回路10の第1、第2の分圧抵抗11、12で分圧され閾値電圧Vthとなる。よって、増幅器2の出力端の電位Va=V0が比較器14に出力されると、時定数回路10からの閾値電圧Vthと比較され、増幅器2出力端電位V0が閾値電圧Vthより低いので、論理に応じたLowまたはHighレベルの2値信号を出力する。
【0005】
フォトダイオード1に光が入力されると、その光量に応じた光電流Ipdが発生し、この光電流Ipdが帰還抵抗4に増幅器2の出力端から反転入力端の方向に流れ、その結果、光電流Ipdは、帰還抵抗4の両端に発生する電圧Vr=Ipd×Rf(Rf:帰還抵抗4の抵抗値)に変換され、出力端の電位VaはVa=V0+Vrとなる。この電位Vaが増幅器2の出力端から比較器14へと出力されると、時定数回路10からの閾値電圧Vthと比較され、フォトダイオード1への光入力が、ある一定レベル以上であれば、Va>Vthとなり、信号が入ったものと判定し、前述の光入力が無い場合とは逆のレベルを出力する。また、フォトダイオード1への光入力が、ある一定レベル以下であれば、Va<Vthとなり、前述の光入力が無い場合と同じレベルを出力する(例えば、特許文献1参照。)。
【0006】
図4に示す受光ICを用いて例えば、フォトカプラを構成した場合、IC論理素子から2値信号としてHighレベルの信号が発光素子に供給されると、発光素子から受光ICへ光で信号が伝わり、受光ICから論理に応じたLowまたはHighレベルの信号が出力される。また、Lowレベルの信号が発光素子に供給されると、発光素子から光が出力されず、受光ICには光入力が無いので、受光ICからはHighレベルの信号が発光素子に供給される場合と逆のレベルの信号が出力される。このようにして、IC論理素子からの2値信号が入出力間を電気的に絶縁して伝達される。
【0007】
【特許文献1】
米国特許第5061859号明細書
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示した受光ICの入出力波形図を図5を参照して説明する。図は光入力周波数が高く、入力波形の立上がり時間および立下り時間が光入力パルス幅Wiの数%〜数十%程度を占める場合である。図示例では、第1、第2の分圧抵抗比を特許文献1の例示に倣い約1:2として表した波形図である。
【0009】
図5(a)に示すように、光入力により2値信号が出力される光電流Ipdの最小値をIpd0とし、その光電流波形をIpd1、これより大きい光電流波形をIpd2として、光電流Ipd1、Ipd2が流れる。この時、増幅器2の出力端の電位Vaは、その大きさに応じて光電流Ipd1のときVa1、Ipd2のときVa2となる。
【0010】
基準電圧Vref は、増幅器2の反転入力端の電位に基準電圧回路6の内部で生成されるオフセット電圧VOSを加算した電圧である。オフセット電圧VOSは予め設計段階に設定された一定電圧である。一方、増幅器2の反転入力端の電位は、光電流Ipdが流れないときは電位V0であり、光電流Ipdが流れると電位V0より降下し、光電流Ipdが大きくなるほどこの下降は大きくなる。光電流Ipd1、Ipd2が流れると、増幅器2の反転入力端すなわち基準電圧回路6の非反転入力端の電位は、図5(b)に示すように、Ipd1よりIpd2のときのほうが電位V0からの下降が大きい。従って、基準電圧Vref は、図5(c)に示すように、光電流Ipdが流れないときは電位V0+オフセット電圧VOSであり、光電流Ipdが流れるときは、増幅器2の反転入力端の電位の下降分だけ変動し、光電流Ipd1が流れたときの基準電圧Vref1より、Ipd2が流れたときの基準電圧Vref2のほうが低くなる。
この基準電圧Vref は、図5(d)に示すように、光電流Ipdが流れたときの増幅器2の出力端の電位Vaより低くなるように時定数回路10の第1、第2の分圧抵抗11、12で分圧されるとともにコンデンサ13によりその変化の割合が抑制された状態で閾値電圧Vthとして比較器14の反転入力端に入力される。
【0011】
ここで、比較器14での入力波形の立上りおよび立下りに注目すると、図5(d)の破線円部P1、P2の拡大図に示すように増幅器2出力電位Vaの変化直後から閾値電圧Vthも変化し始める。これは、閾値電圧Vthが第1、第2の分圧抵抗11、12で分圧されて生成されるためである。増幅器2出力電位波形Vaの立上がり点から閾値電圧波形Vthと交差する点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印A1、A2およびtdr1、tdr2となり、また増幅器2出力電位Vaの立下がり点から閾値電圧Vthとの交差点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印A3、A4およびtdf1、tdf2となる。この矢印A1と矢印A3および矢印A2と矢印A4であらわされる変動電位の差が、tdr1とtdf1および、tdf2とtdr2の差の原因となり、図5(d)に示すように出力波形幅Wo1、Wo2が入力波形幅Wiとは同一とはならない(図示例ではWi <Wo1<Wo2の関係となる)問題点がある。
【0012】
本発明は上記問題点に鑑み、微小〜大入力の広範囲光入力において比較器入力端の閾値を、入力信号振幅に応じ比較器動作可能な範囲に追従させ、入力パルス幅に対する出力パルス幅の上記の入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした出力が得られる光電流・電圧変換回路を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電流・電圧変換回路は、受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器と、増幅器によって増幅された電圧を入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力する基準電圧回路と、増幅器と基準電圧回路のそれぞれからの出力電圧が同相で入力され比較結果を2値信号として出力する比較器とを具備したことを特徴とする。
また、本発明の光電流・電圧変換回路は、前記増幅器が反転増幅器であり、前記基準電圧回路が非反転増幅器であることを特徴とする。
また、本発明の光電流・電圧変換回路は、前記基準電圧回路が、その入力電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせた電圧であって、前記増幅器2出力よりも低く保たれた電圧を前記増幅器2出力よりも遅延して出力することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1実施例の受光ICについて図1を参照して説明する。
図において、図4と同一のものについては同一符号を付してその説明を省略する。1はフォトダイオードでアノードが接地されている。2は反転増幅器3を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード1のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗4が接続されている。そして、定電流源5が反転増幅器3に接続されている。6は非反転増幅器7を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗8が接続され、反転入力端は定電流源9を介して接地され、非反転入力端が増幅器2の出力端に接続されている。14は比較器で、非反転入力端に増幅器2の出力端が接続され、反転入力端に基準電圧回路6の出力端が接続されている。図4に示す受光ICと異なる点は、基準電圧回路6の非反転入力端が増幅器2の出力端に接続されている点および時定数回路10が削除され基準電圧回路6の出力端が比較器14の反転入力端に接続されている点である。
【0015】
上記構成の受光ICの動作を説明する。フォトダイオード1に光入力が無い場合は、図4の受光ICと同様に、増幅器2の反転入力端と出力端は同一電位V0となる。増幅器2の出力端の電位Va=V0が基準電圧回路6に供給されるとともに比較器14に出力されると、比較器14において、基準電圧回路6からの基準電圧Vref =電位V0+オフセット電圧VOS(>V0)と比較され、基準電圧Vref より低いので、図4の受光ICと同様に、論理に応じたLowまたはHighレベルの2値信号を出力する。
【0016】
基準電圧Vref は、増幅器2の出力端の電位にバイアス抵抗8と定電流源6により生成されるオフセット電圧VOSにより加勢する側にオフセットした電位である。オフセット電圧VOSは予め設計段階に設定された一定電圧である。一方、増幅器2の出力端の電位は、光電流Ipdが流れないときは電位V0であり、光電流Ipdが流れると、図4の受光ICとは逆に電位V0より上昇し、光電流Ipdが大きくなるほどこの上昇は大きくなる。光電流Ipd1、Ipd2が流れると、基準電圧回路6の非反転入力端の電位は、図2(b)に示すように、Ipd1よりIpd2のときのほうが電位V0からの上昇が大きい。従って、基準電圧Vref は、図2(c)に示すように、光電流Ipdが流れないときは電位V0+オフセット電圧VOSであり、光電流Ipdが流れるときは、増幅器2の出力端の電位の上昇分だけ変動し、光電流Ipd1が流れたときの基準電圧Vref1より、Ipd2が流れたときの基準電圧Vref2のほうが高くなる。
この基準電圧Vrefは、増幅器2出力端から基準電圧回路6の非反転入力端に直接入力されるため、図2(d)に示すように、増幅器2出力に対して基準電圧回路6が持つ時定数により遅延時間tdを有するとともに、光電流Ipdが流れたときの増幅器2出力電位Vaより低くなるように基準電圧回路6で増幅され、閾値電圧Vthとして比較器14の反転入力端に入力される。図示例では、基準電圧回路6の増幅度を約2/3とした。そして、比較器14において、基準電圧回路6からの閾値電圧Vthと比較され、Va>Vref=Vthであり、前述の光入力が無い場合とは逆のレベルを出力する。
【0017】
ここで、比較器14での入力波形の立上りおよび立下りに注目すると、図2(d)の破線円部Q1、Q2の拡大図に示すように増幅器2出力電位Vaの変化直後からではなく遅延時間tdだけ遅れて閾値電圧Vthが変化し始める。これは前述の通り、増幅器2出力端から基準電圧回路6の非反転入力端に直接入力されるためである。増幅器2出力電位波形Vaの立上がり点から閾値電圧波形Vthと交差する点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印B1、B2およびtdr1、tdr2となり、また増幅器2出力電位Vaの立下がり点から閾値電圧Vthとの交差点までの変動電位および時間は、それぞれ矢印B3、B4およびtdf1、tdf2となる。この矢印B1と矢印B3および矢印B2と矢印B4であらわされる変動電位の差が、tdr1とtdf1および、tdf2とtdr2の差の原因となるのは先の図5の場合と同じであるが、図2(d)に示すようにその差は大きく改善され出力波形幅Wo1、Wo2がほぼ入力波形幅Wiと同一となり、図示例のとおりWi ≒Wo1≒Wo2の関係となる。よって、入力波形幅Wiと出力波形幅Woのずれが小さく(Wi≒Wo)、しかも、光入力強度の違いによってHighまたはLowレベルである時間の差異もほとんど無くなる(Wo1≠Wo2)。つまり、入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪の問題が大きく改善される。
なお、立上り側の交差する点および立下がり側の交差する点は、基準電圧回路6のオフセット値VOSおよび増幅度を調整することで最適化できる。
【0018】
以上のように、光電流Ipdが増加したとき、電位V0より電位が上昇する増幅器2の出力端を基準電圧回路6に供給するように構成したので、光量にかかわらず、基準電圧Vref は、常に電位V0+オフセット電圧VOSより高く維持され、増幅器2出力Vaに対して基準電圧回路6が持つ時定数による遅延時間tdを持つようになる。このように、増幅器2の電位Vaに同相で追従し、かつ遅延を持った閾値を比較器14に供給することで、図2(d)の矢印B1、B2、B3、B4で示すように増幅器2の出力の立上がりおよび立下りからほぼ同程度の変動電位で、しかも増幅器2出力波形Vaと閾値電圧波形Vthとが90度に近い鋭角で交差するため、安定した比較動作ができ、フォトダイオードへの入力信号に対応する歪の少ない出力信号を受光ICから再現して出力できる。従って、従来よりも広範囲の光電流Ipdに対して入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした光電流・電圧変換動作が可能である。
さらに、比較器14での増幅器2出力波形Vaと閾値電圧波形Vthとの交差する角度が格段に大きくなるため、両波形が持つジッタ成分による比較器からのノイズ出力も抑制され対ジッタ性能が改善される。また、増幅器2出力Vaよりも基準電圧回路6の時定数分だけは確実に遅延時間を確保できるため、新たに時定数回路を設ける必要もなく回路の簡素化にも寄与できる。
【0019】
次に、本発明の第2実施例の受光ICについて図3を参照して説明する。
図において、図1と同一のものについては同一符号を付してその説明を省略する。
1はフォトダイオードでアノードが接地されている。2は反転増幅器3を用いた増幅器で、非反転入力端が接地され、反転入力端にフォトダイオード1のカソードが接続され、反転入力端と出力端間に帰還抵抗4が接続されている。そして、定電流源5が反転増幅器3に接続されている。6は非反転増幅器7を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にバイアス抵抗8が接続され、反転入力端は定電流源9を介して接地され、非反転入力端が増幅器2の出力端と同相である反転増幅器3の中間段に接続されている。14は比較器で、非反転入力端に増幅器2の出力端が接続され、反転入力端に基準電圧回路6の出力端が接続されている。15は遅延回路で、抵抗16とコンデンサ17の各一端が直列接続されコンデンサ17の他端が接地されており、抵抗16の他端が増幅器2の出力端に接続されると共に、直列接続点が基準電圧回路6の出力端および比較器14の反転入力端に接続されている。図1に示す受光ICと異なる点は、基準電圧回路6の非反転入力端が増幅器2の出力端と同相である反転増幅器3の中間段に接続されている点と、基準電圧回路6の出力を増幅器2の出力よりも遅延させる遅延回路15を接続した点である。
【0020】
全体の動作については、図1の受光ICと同様であり、その説明を省略する。基準電圧回路6についても増幅器2を構成する反転増幅器3の中間段同相出力を基準電圧回路6が持つ時定数および遅延回路15により増幅器2の出力電位Vaの立上がり又は立下りタイミングよりも遅延させ、増幅器2の出力電位Vaより基準電圧Vref(=Vth)が高くならない範囲で同相を保ちながら増幅させた閾値電圧Vthを生成する点で図1の受光ICと同様である。
効果については、図1の受光ICと同様、安定した比較動作ができ、フォトダイオードへの入力信号に対応する歪の少ない出力信号を受光ICから再現して出力でき、比較器入力の両波形が持つジッタ成分による比較器からのノイズ出力も抑制される効果に加え、遅延回路15を設けたことで閾値電圧Vthの持つ遅延時間を最適化することが容易に調整できる。従って、従来よりも広範囲の光電流Ipdに対して入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を少なくした光電流・電圧変換動作が可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電流・電圧変換回路によれば、受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器において、基準電圧回路の非反転入力を増幅器によって増幅された電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせ増幅器出力よりも低く保たれた電圧を増幅器出力よりも遅延して出力し、増幅器出力と比較する構成としたので、微弱な光入力から大きな光入力に対しても増幅器出力を閾値電圧が好適に追従し安定した比較動作ができ、入出力間波形幅歪および出力間波形幅歪を抑制した光電流・電圧変換回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の受光ICの回路図。
【図2】図1に示す受光ICの動作を説明する波形図。
【図3】本発明の第2実施例の受光ICの回路図。
【図4】従来の受光ICの回路図。
【図5】図4に示す受光ICの動作を説明する波形図。
【符号の説明】
1 フォトダイオード(受光素子)
2 増幅器
6 基準電圧回路
14 比較器
Claims (3)
- 受光素子により発生する光電流を電圧に変換する増幅器と、増幅器によって増幅された電圧を入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力する基準電圧回路と、増幅器と基準電圧回路のそれぞれからの出力電圧が同相で入力され比較結果を2値信号として出力する比較器とを具備したことを特徴とする光電流・電圧変換回路。
- 前記増幅器が反転増幅器であり、前記基準電圧回路が非反転増幅器であることを特徴とする請求項1記載の光電流・電圧変換回路。
- 前記基準電圧回路が、その入力電圧と同相で入力電圧を加勢側に一定値オフセットさせた電圧であって、前記増幅器出力よりも低く保たれた電圧を前記増幅器出力よりも遅延して出力することを特徴とする請求項2記載の光電流・電圧変換回路。
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