JP2005072925A

JP2005072925A - 光電流・電圧変換回路

Info

Publication number: JP2005072925A
Application number: JP2003299436A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sakaguchi; 誠坂口
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17
Also published as: US6960754B2; EP1511197A2; EP1511197A3; US20050045806A1

Abstract

【課題】閾値電圧Ｖthを低インピーダンスで供給し、受光素子の光入力に対する耐ノイズ性を改善した光電流・電圧変換回路を提供する。
【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Ipd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により電圧変換し、その出力電圧Ｖａを基準電圧回路６からの閾値電圧Ｖthと比較器１０で比較して２値信号を出力する光電流・電圧変換回路において、帰還抵抗４ａ、４ｂの直列接続点より取出した分割電圧Ｖｂを基準電圧回路６の非反転入力端に入力し加勢側に一定電圧Ｖ_ＯＳオフセットさせて閾値電圧Ｖthとする構成としたので、低インピーダンスでノイズに強い閾値電圧Ｖthを供給でき、比較器１０での誤動作や比較器出力のジッタを防止できる。
【選択図】図１

Description

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。

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。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。

以下、受光ＩＣの一例の光電流・電圧変換回路２００について、図３を参照して説明する。図３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。１２は反転増幅器１３を用いた増幅器で、非反転入力端に接地電圧を基準とした電圧源１５（電圧をＶ_Ｏとする）が入力され、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１４が接続されている。１６は非反転増幅器１７を用いた基準電圧回路で、反転入力端と出力端間にオフセット抵抗１８が接続され、反転入力端は定電流源１９を介して接地され、非反転入力端が反転増幅器１３の反転入力端に接続されている。２０は分圧回路で、第１、第２の分圧抵抗２１、２２が増幅器１２の出力端と基準電圧回路１６の出力端に直列接続され、その直列接続点がコンデンサ２３を介して接地されている。３０は比較器で、非反転入力端に増幅器１２の出力端が接続され、反転入力端に第１、第２の分圧抵抗２１、２２の接続点が接続されている。

上記構成の光電流・電圧変換回路２００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１２の帰還抵抗１４にも光電流Ｉpdが流れないため、増幅器１２の出力端は反転入力端と同一電圧となり、イマジナルショートにより非反転入力端と同一の電圧Ｖ_Ｏとなる。一方、基準電圧回路１６では、オフセット抵抗１８と定電流源１９によりオフセット電圧Ｖ_ＯＳが生成され、反転増幅器１３の反転入力端の電圧よりもこのオフセット電圧Ｖ_ＯＳ分加勢側にオフセットされた高い電圧が基準電圧Ｖref（＝Ｖ_Ｏ＋Ｖ_ＯＳ）として出力される。この増幅器１２の出力端の電圧Ｖａ＝Ｖ_Ｏと基準電圧Ｖref が分圧回路２０の第１、第２の分圧抵抗２１、２２で分圧され閾値電圧Ｖthとなる。よって、増幅器１２の出力端の電圧Ｖａ＝Ｖ_Ｏが比較器３０に出力されると、分圧回路２０からの閾値電圧Ｖthと比較され、増幅器１２出力電圧Ｖ_Ｏが閾値電圧Ｖthより低いので、図示例の光電流・電圧変換回路２００ではＬｏｗレベルの２値信号が比較器３０の出力信号Ｖoutとして出力される。

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１４に反転増幅器１３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１４の両端に発生する電圧Ｖｒ＝Ｉpd×Ｒｆ（Ｒｆ：帰還抵抗１４の抵抗値）に変換され、出力端の電圧ＶａはＶａ＝Ｖ_Ｏ＋Ｖｒとなる。この電圧Ｖａが増幅器１２の出力端から比較器３０へと出力されると、分圧回路２０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Ｈｉｇｈレベルの２値信号が出力される。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の信号が出力される（例えば、特許文献１参照。）。

上記の光電流・電圧変換回路２００の動作を図４の波形図を用いて説明する。まず、図４（ａ）に示すように増幅器１２の出力電圧Ｖａは、光電流の大きさに応じて電圧Ｖ_ＯからＶ_Ｏ＋Ｖｒまで変化する。一方、基準電圧Ｖref は、光電流Ｉpdに関係無くＶref＝Ｖo＋Ｖ_ＯＳである。この基準電圧Ｖrefと出力電圧Ｖａとが分圧回路２０の第１、第２の分圧抵抗２１、２２で分圧され、さらにコンデンサ２３により遅延させられるため図４（ａ）に示すような閾値電圧Ｖthとなる。すなわち、増幅器１２の出力電圧Ｖａの立上り時には閾値電圧Ｖthは基準電圧Ｖrefよりも分圧比に応じて低くなり、増幅器１２の出力電圧Ｖａの立下り時には閾値電圧Ｖthは基準電圧Ｖrefよりも分圧比に応じて高くなる。図４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。こうして、増幅器１２出力Ｖａの立上り、立下り直後で比較器３０の出力が切り替わることとなり、図４（ｂ）に示すような比較器３０の出力信号Ｖout波形となる。
特許第３１２１３３９号明細書（第３−６頁、図）

ここで、比較器３０の反転入力端のインピーダンスを考える。反転増幅器１３および非反転増幅器１７は一般的なオペアンプ回路であり、入力インピーダンスが非常に大きく無限大と見なせ、出力インピーダンスが非常に小さく０と見なせるものである。したがって、比較器３０の反転入力端のインピーダンスは、ほぼ第１の分圧抵抗２１と第２の分圧抵抗２２とコンデンサ２３を並列接続した値となり、図３の従来回路では抵抗２１と抵抗２２は通常高抵抗となるため、インピーダンスが大きくなりノイズなどに弱くなる。特に、増幅器１２の出力電圧Ｖａの立上り時には閾値電圧Ｖthは基準電圧Ｖrefよりも分圧比に応じて低くなるため、増幅器１２の出力電圧Ｖａと閾値電圧Ｖthの差が小さくなり比較器３０での誤動作や比較器３０の出力にジッタが発生するといった問題点がある。
本発明は上記問題点に鑑み、閾値電圧Ｖthを低インピーダンスで供給し、受光素子の光入力に対する耐ノイズ性を改善した光電流・電圧変換回路を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、受光素子と、入出力端間に帰還抵抗が接続され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、基準電圧を生成する基準電圧回路と、増幅器の出力電圧を基準電圧と比較して２値信号を出力する比較器とを具備した光電流・電圧変換回路において、帰還抵抗は、直列接続された第１の帰還抵抗と第２の帰還抵抗を有し、基準電圧回路は、オペアンプと、オペアンプの反転入力端と出力端間に接続されたオフセット抵抗と、オペアンプの反転入力端と接地間に接続された定電流源とを有し、オペアンプの非反転入力端が帰還抵抗の直列接続点に接続されたことを特徴とする光電流・電圧変換回路である。

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、帰還抵抗の途中より取出した分割電圧を基準電圧回路の非反転入力に入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力し、増幅器出力と比較する構成としたので、従来回路の増幅器の出力端と基準電圧回路の出力端間に接続された分圧抵抗やコンデンサといった比較器に入力される閾値電圧を生成するための素子が不要となり受光ＩＣの製造コストを削減できるとともに、閾値電圧が入力される比較器の入力端のインピーダンスを非常に小さくできるのでノイズに強く、比較器での誤動作や比較器出力のジッタを防止できる光電流・電圧変換回路を実現することができる。

光電流・電圧変換回路内の比較器に入力される閾値電圧を生成する方法を、閾値電圧生成の専用素子を用いることなく増幅器の入出力間に接続された帰還抵抗からの分割電圧を利用することで実現した。

以下、本発明の実施例１の光電流・電圧変換回路１００について、図１を参照して説明する。図１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、非反転入力端に接地電圧を基準とした電圧源５（電圧をＶ_Ｏとする）が入力され、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４ａと帰還抵抗４ｂとが直列接続されている。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オフセット抵抗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、非反転入力端が帰還抵抗４ａ、４ｂの直列接続点に接続されている。１０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。

上記構成の光電流・電圧変換回路１００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４ａ、４ｂ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圧となり、イマジナルショートにより非反転入力端と同一の電圧Ｖ_Ｏとなる。したがって、帰還抵抗４ａ、４ｂの直列接続点の分割電圧をＶｂとするとＶｂ＝Ｖ_Ｏとなる。一方、基準電圧回路６では、オフセット抵抗８と定電流源９によりオフセット電圧Ｖ_ＯＳが生成され、帰還抵抗４ａ、４ｂの直列接続点の電圧よりもこのオフセット電圧Ｖ_ＯＳ分加勢側にオフセットされた高い電圧が閾値電圧Ｖth（＝Ｖ_Ｏ＋Ｖ_ＯＳ）として比較器１０の反転入力端に入力される。この増幅器２の出力端の電圧Ｖａ＝Ｖ_Ｏと閾値電圧Ｖthが比較器１０で比較され、増幅器２出力電圧Ｖ_Ｏが閾値電圧Ｖthより低いので、図示例の光電流・電圧変換回路１００ではＬｏｗレベルの２値信号が比較器１０の出力信号Ｖoutとして出力される。

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４ａ、４ｂに反転増幅器３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、電圧Ｖｒ＝Ｉpd×Ｒｆ（Ｒｆ：帰還抵抗４ａ、４ｂの抵抗値の和）に変換され、出力端の電圧ＶａはＶａ＝Ｖ_Ｏ＋Ｖｒとなる。一方、基準電圧回路６では、帰還抵抗４ａ、４ｂの抵抗比に応じた分割電圧Ｖｂよりもオフセット電圧Ｖ_ＯＳ分加勢側にオフセットされた高い電圧が閾値電圧Ｖth（＝Ｖｂ＋Ｖ_ＯＳ）として比較器１０の反転入力端に入力される。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Ｈｉｇｈレベルの２値信号が出力される。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の信号が出力される。

上記の光電流・電圧変換回路１００の動作を図２の波形図を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すように増幅器２の出力電圧Ｖａは、光電流の大きさに応じて電圧Ｖ_ＯからＶ_Ｏ＋Ｖｒまで変化する。一方、分割電圧Ｖｂは、光電流Ｉpdに応じた電圧Ｖｒ（＝Ｉpd×Ｒｆ）を帰還抵抗４ａ、４ｂの抵抗比に分割した電圧と電圧Ｖ_Ｏを加えた電圧となる。この分割電圧Ｖｂにオフセット電圧Ｖ_ＯＳが加算され、さらにオペアンプ回路である非反転増幅器７の持つ時定数により遅延させられるため図２（ａ）に示すような閾値電圧Ｖthとなる。こうして、増幅器２出力の立上り、立下り直後で比較器１０の出力が切り替わることとなり、図２（ｂ）に示すような比較器１０の出力信号Ｖout波形となる。

以上説明したように、帰還抵抗の途中より取出した分割電圧Ｖｂを基準電圧回路６の非反転入力に入力し加勢側に一定電圧オフセットさせて出力し、増幅器２出力と比較する構成としたので、従来回路の分圧抵抗やコンデンサといった比較器１０に入力される閾値電圧Ｖthを生成するための素子が不要となり受光ＩＣの製造コストを削減できるとともに、閾値電圧Ｖthが入力される比較器の入力端のインピーダンスを非常に小さくできるのでノイズに強く、比較器１０での誤動作や比較器出力のジッタを防止できるできる。

尚、本発明の増幅器２は、例えばＮｃｈ型ＭＯＳトランジスタのソースが接地されドレインと電源電圧端子との間に定電流源が接続され、ドレインと定電流源との接続点が次段への入力端となる増幅段が複数直流結合されて反転増幅器を構成し、初段の入力端と最終段の出力端に帰還抵抗が接続された構成であってもよい。また、実施例１とは逆の論理の２値信号出力が必要であれば、比較器１０の反転入力端に増幅器２の出力端を接続し、非反転入力端に基準電圧回路６の出力端を接続する構成にすればよい。

本発明の光電流・電圧変換回路は、赤外線通信や光ケーブル通信等の光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適用できる。

本発明の第１実施例の受光ＩＣの回路図。図１に示す受光ＩＣの動作を説明する波形図。従来の受光ＩＣの回路図。図３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
２、１２増幅器
３、１３反転増幅器
４ａ、４ｂ、１４帰還抵抗
５、１５電圧源
６、１６基準電圧回路
７、１７非反転増幅器
８、１８オフセット抵抗
９、１９定電流源
１０、３０比較器
２０分圧回路
２１、２２分圧抵抗
２３コンデンサ
１００、２００光電流・電圧変換回路
Ｖａ出力電圧
Ｖｂ分割電圧
Ｖth 閾値電圧
Ｖref 基準電圧
Ｖ_ＯＳオフセット電圧
Ｖout 出力信号

Claims

受光素子と、入出力端間に帰還抵抗が接続され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、基準電圧を生成する基準電圧回路と、増幅器の出力電圧を基準電圧と比較して２値信号を出力する比較器とを具備した光電流・電圧変換回路において、
前記帰還抵抗は、直列接続された第１の帰還抵抗と第２の帰還抵抗を有し、
前記基準電圧回路は、オペアンプと、オペアンプの反転入力端と出力端間に接続されたオフセット抵抗と、オペアンプの反転入力端と接地間に接続された定電流源とを有し、
前記オペアンプの非反転入力端が前記帰還抵抗の直列接続点に接続されたことを特徴とする光電流・電圧変換回路。