JP2009071153A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光素子を精度よく検査でき、信頼性が改善された光結合装置を提供する。
【解決手段】発光素子と、電源端子と、入力端子と、接地端子と、に接続され、前記発光素子を駆動し光信号に変換する駆動回路と、前記入力端子に接続されたクランプ回路と、前記光信号を電気信号に変換し出力する受光部と、を備え、前記入力端子への入力電圧が第１の電圧乃至第２の電圧の範囲内にある場合、２前記駆動回路が前記発光素子を駆動し前記光信号に変換し前記受光部から前記電気信号が出力される動作モードとでき、入力電圧が前記第１の電圧乃至前記第２の電圧の範囲外にある場合、前記駆動回路が前記発光素子の駆動を停止し、前記クランプ回路がトランジスタがオンし前記クランプ回路のクランプ電流と略同一または前記クランプ電流に比例した電流が前記発光素子に供給され、前記発光素子の検査モードとできることを特徴とする光結合装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合装置に関する。

電源系間を絶縁した状態で信号が伝送できる光結合装置は、システム間を接続するバスなどの制御信号やディジタル信号などを大量に送受信することが要求される。このような信号伝送システムを構成するためには、端子数が少なく、小型、軽量化された光結合装置が必要となる。

光結合装置では、入力電気信号が半導体発光素子により光信号に変換されるが、半導体発光素子を駆動するためのドライブ回路などが光結合装置に組み込まれている場合が多い。一般に半導体発光素子の特性分布範囲は広く、また特性の温度変動もある。光結合装置として実装した状態において、ドライブ回路などの影響を受けることなく半導体発光素子の特性を検査できれば、動作余裕を明確にすることができ信頼性確保が容易となる。

端子数を増やすことなく、電源電圧が動作保証範囲よりも低い領域に検査モードを設定し、信号入力を半導体発光素子の電流入力に変え、検査する技術開示例がある（特許文献１）。しかしながら、電源電圧の立ち上がり、立ち下がりにおいて検査モードに入ることや、低い電源電圧において検査モードの動作範囲が狭いことなどの問題がある。
特許第３３６７７１８号公報

発光素子を精度よく検査でき、信頼性が改善された光結合装置を提供する。

本発明の一態様によれば、発光素子と、電源端子と、入力端子と、接地端子と、に接続され、前記入力端子へ入力されたディジタル信号により前記発光素子を駆動し光信号に変換する駆動回路と、前記入力端子に接続されたクランプ回路と、前記光信号を電気信号に変換し出力する受光部と、を備え、前記入力端子への入力電圧が第１の電圧乃至第２の電圧の範囲内にある場合、前記ディジタル信号が入力された前記駆動回路が前記発光素子を駆動し前記光信号に変換し、前記受光部から前記電気信号が外部へ出力される動作モードとでき、前記入力端子への入力電圧が前記第１の電圧乃至前記第２の電圧の範囲外にある場合、前記駆動回路が前記発光素子の駆動を停止し、前記クランプ回路がトランジスタがオンし前記クランプ回路のクランプ電流と略同一または前記クランプ電流に比例した電流が前記発光素子に供給され、前記発光素子の特性を測定する検査モードとできることを特徴とする光結合装置が提供される。

発光素子を精度よく検査でき、信頼性が改善された光結合装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光結合装置を説明するためのブロック図である。光結合装置８０は、発光部８０ａと受光部８０ｂとを含む。発光部８０ａには電源電圧（以下Ｖ_ＣＣ１）が加えられるＶ_ＣＣ１端子２０、入力電圧（以下Ｖ_ＩＮ）が入力されるＶ_ＩＮ端子２２、接地（以下ＧＮＤ_１）端子２４、半導体からなる発光素子４２、クランプ回路４０、駆動回路４４、駆動停止回路４６などを有する。なお、ＧＮＤ_１はシステムまたは機器の接地である。また受光部８０ｂは電源電圧（以下Ｖ_ＣＣ２）が加えられるＶ_ＣＣ２端子３０、出力電圧（以下Ｖ_ＯＵＴ）が出力されるＶ_ＯＵＴ端子３２、接地（以下ＧＮＤ_２）端子３４、フォトダイオード５０、受光回路５２などを有する。

Ｖ_ＩＮ端子２２から入力されたディジタル信号は駆動回路４４により、ディジタル信号のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応じて発光素子４２をＯＮ／ＯＦＦし、光信号に変換される。光信号は、フォトダイオード５０により電流に変換され、受光回路５２で増幅、整形され、光信号のＯＮ／ＯＦＦに応じたディジタル信号に戻されてＶ_ＯＵＴ端子３２から出力される。これは光結合装置８０の動作モードである。ディジタル信号の入力電圧Ｖ_ＩＮを、例えばＶ_ＣＣ１とＧＮＤ_１との電圧の範囲内とすると、システムまたは機器を構成する他の電子回路との整合性がよい。このため、ディジタル信号の電圧は、ＧＮＤ_１（例えばゼロ）乃至Ｖ_ＣＣ１の範囲を少なくとも含んで設定する。

他方、動作電圧がディジタル信号の入力電圧の範囲外に設定されたクランプ回路４０を設け、クランプ回路４０が動作した場合に検査モードとなり、駆動回路４４から発光素子４２へ流れる電流をオフとし、クランプ回路４０へ流れ込むクランプ電流Ｉ_ＣＬと略同一か、あるいはＩ_ＣＬに比例する電流を発光素子４２へ供給することにより、発光素子４２の電流感度などのアナログ的電流特性を測定できるようにする。

この場合、例えばクランプ回路４０に設定された動作電圧以上の電圧がＶ_ＩＮ端子２２に入力されると、設定された動作電圧を駆動停止回路４４が検出し、駆動回路４４の動作を停止し、発光素子４２を外部から任意の電流で駆動し、電流感度などアナログ的な動作特性を測定する。

図２は比較例にかかる光結合装置のブロック図である。光結合装置１８０は発光部１８０ａ及び受光部１８０ｂとを含む。発光部１８０ａは、Ｖ_ＣＣ１端子１２０、Ｖ_ＩＮ端子１２２，ＧＮＤ_１端子１２４、電圧検出回路１３０、駆動回路１４４、駆動停止回路１４６、電流バイパス回路１４８などを有する。 本比較例において、例えばＶ_ＣＣ１端子１２０の電源電圧Ｖ_ＣＣ１が光結合装置１８０の動作保証範囲内の場合、Ｖ_ＩＮ端子１２２からのディジタル信号は駆動回路１４４を介して発光素子１４２へ伝達される。発光素子１４２からの光信号は受光部１８０ｂにより電気信号に変換されて光結合装置１８０のディジタル出力となる。

他方、Ｖ_ＣＣ１が動作保証範囲外の場合、Ｖ_ＣＣ１端子の入力電圧により、駆動回路停止回路１４６及び電流バイパス回路１４８がオンする。このために駆動回路１４４がオフとなり、発光素子１４２を通った電流Ｉ_Ｄは、電流バイパス回路１４８を介して、ＧＮＤ_１端子１２４から流出する。比較例の場合、電源電圧で検査モードを判別し、Ｖ_ＩＮ端子１２２で発光素子１４２の電流を制御する。このため２つの端子を制御する必要があり、検査装置が複雑となる。また、光結合装置を機器やシステムに組み込んだ状態では電源電圧が制御できず、検査が困難となる。これに対して本実施形態では、ＶＩＮ端子１２２への入力電圧を制御するだけで容易に検査モードとするとできる。

化合物半導体の積層からなり、可視光〜赤外光を放射する発光素子４２は製造プロセス制御が容易ではなく、素子特性のバラツキが大きく、温度による特性変動が大きく、長時間の連続動作による劣化を生じることもある。また、光の伝達効率によって感度が変化する。このため、光結合装置８０に組み込まれた発光素子４２を精度よく測定することが重要である。

本実施形態においては、検査モードで電流はＶ_ＣＣ１端子２０及びＶ_ＩＮ端子２２の間に流れ、ＧＮＤ_１端子２４を経由しない。このためにクランプ回路４０、駆動回路４４などを経由してＧＮＤ_１端子２４から流出する電流を分離でき、検査モードで精度よくクランプ回路４０の電流Ｉ_ＣＬを測定することができる。

すなわち、検査モードのための端子を新たに設けることなく、クランプ回路４０が動作するクランプ電圧を設定することにより検査モードとし、駆動回路４４とは分離され、クランプ回路４０に流れるクランプ電流Ｉ_ＣＬと略同一または、これに比例した電流を発光素子４２に供給し、電流感度などアナログ的な発光素子４２の特性を測定できる。これにより、使用状態における光結合装置８０としての動作余裕が保てるかを精度よく評価することができ、信頼性改善が容易となる。

図３は第１の実施形態にかかる光結合装置の回路図である。しかし回路は図２に限定されることはない。Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＣＣ１＜ＶＦ（但し、ＶＦ：トランジスタＱ１のベース・エミッタ間順方向電圧）の場合、Ｑ１はオフであり、動作モードである。Ｖ_ＩＮ端子２２から入力されたディジタル信号は駆動回路４４を介して発光素子４２へ入力され、光信号に変換され、受光部８０ｂで再びディジタル信号に変換される。

クランプ回路４０は、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、並びに抵抗Ｒ１を含む。Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＣＣ１≧ＶＦの場合、Ｑ１がオンし、クランプ回路４０へクランプ電流Ｉ_ＣＬが流れ始める。Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はカレントミラー回路を構成し、Ｑ１のオンと同時に電流Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４がそれぞれに流れ始める。すなわち、光結合装置８０は検査モードとなる。

この場合、駆動停止回路４６は、Ｖ_ＣＣ１端子２０と、ＧＮＤ_１端子２４との間に配置された抵抗Ｒ２とＱ４とを含み、抵抗Ｒ２による電圧降下によりＱ４の出力電圧が降下し、検査モードとなることを検出し駆動回路４４の動作を停止し、発光素子４２への電流供給を停止する。

図３において、Ｑ３のコレクタは発光素子４２のカソードに接続されており、クランプ回路４０に流れるクランプ電流Ｉ_ＣＬと略同一か、またはＩ_ＣＬに比例した電流Ｉ_３を発光素子４２に供給することができる。この場合、発光素子４２に供給される電流Ｉ_３は駆動回路４４を経由しないので精度よく測定することが可能となる。

図４は第２の実施形態にかかる光結合装置の回路図である。なお、ブロック図は図１で表すことができる。本実施形態ではクランプ回路４０をＧＮＤ_１よりも低い電位に設定している。例えば、（ＧＮＤ_１電位−５００ｍＶ）でクランプをかける場合、Ｐ点の電位ＶＢを抵抗Ｒ６、Ｒ７で分割して設定する。すなわち、ＶＦを７００ｍＶとしＶＢを２００ｍＶに設定すると、（ＧＮＤ_１電位−５００ｍＶ）でトランジスタＱ６、Ｑ７がオンし、電流が流れ、抵抗Ｒ９の電圧が降下し、Ｑ７の出力電圧が低下する。

また、駆動停止回路４６が検査モードであることを検出し、駆動回路４４の動作を停止する。Ｑ６のコレクタは発光素子４２のカソードに接続されておりＩ_６が流れる。Ｑ７に流れる電流が十分小さいとすると、発光素子４２に流れる電流Ｉ_６はＩ_ＣＬと略一致した電流となり、駆動回路４４を介すことなく発光素子４２の感度などの測定ができる。

ＶＦ以上に低下する過電圧は、ＥＳＤ（Electro Static Discharge)保護用ダイオード４８を介して流れ、Ｑ６及びＱ７を保護する。このように、通常Ｖ_ＩＮ端子２２とＧＮＤ_１端子２４との間に、ＥＳＤ保護用ダイオード４８や内部回路の寄生素子が入る場合、これらの素子が動作するＧＮＤ_１端子２４よりも順方向電圧以上離れた電圧で動作するようにクランプ回路４０を設定することは実用的ではない。

すなわち、ＧＮＤ_１＞Ｖ_ＩＮ＞（ＧＮＤ_１−ＶＦ）の入力電圧Ｖ_ＩＮをクランプ動作電圧として設定し、検査モードとすることが好ましい。この場合、ＥＳＤ保護ダイオード４８が動作する直前の電圧でクランプされるようにＱ６のバイアスＶＢを設定することが好ましい。ＥＳＤ保護用ダイオード４８を用いない場合は、ＧＮＤ_１＞Ｖ_ＩＮ とする。また、クランプ回路４０の動作電圧の設定は、ＥＳＤ保護ダイオード４８に限定されない。すなわち、所望の動作電圧を有するＥＳＤ保護回路などとすることができ、ツェナーダイオードなどであってもよい。

図５は第３の実施形態を表すブロック図、図６はその回路図である。本実施形態のように、発光素子４２をＧＮＤ側に配置し駆動する場合も多い。
図６において、Ｖ_ＩＮがＶ_ＣＣ１よりも低い場合は駆動回路４４により動作モードであることを検出し、駆動回路４４により発光素子４２が駆動される。他方、Ｖ_ＩＮがＶ_ＣＣ１よりもＶＦだけ高くなると、トランジスタＱ８及びＱ９がオンとなり電流が流れる。Ｒ１２の電圧降下によりＱ９の出力電圧が上昇し、検査モードであることを検出し、駆動回路４４の動作を停止する。Ｑ９に流れる電流が十分に小さいとすると、クランプ電流Ｉ_ＣＬは、Ｑ８に流れるコレクタ電流Ｉ_８と略一致し、発光素子４２を駆動し、発光素子４２の電流感度などのアナログ的な動作特性を精度よく測定できる。

図７はＶ_ＩＮ と、動作または検査モードとの関係を表す。Ｖ_ＩＮ 端子２２への入力電圧が第１の電圧乃至第２の電圧の範囲内にある場合に光結合装置８０は動作モードであり、範囲外にある場合に光結合装置８０は検査モードである。第２の電圧は、第１の電圧よりも低く、かつ０Ｖまたは負の電圧とすることが好ましい。図７を用いて、図３に表す第１の実施形態及び図６に表す第３実施形態を説明することができる。

すなわち、第１及び第３の実施形態では、Ｖ_ＩＮ端子２２とＶ_ＣＣ１端子２０との間にＥＳＤ保護用ダイオード４８のようなＥＳＤ保護回路が無い場合、入力電圧Ｖ_ＩＮ が（Ｖ_ＣＣ１＋ＶＦ）以上において斜線に表す検査モードである。他方、ＥＳＤ保護回路がある場合、検査モードの範囲には（Ｖ_ＣＣ１＋Ｖ_ＥＳＤ）よりも小さい条件が加わる。

また、図７を用いて図４に表す第２の実施形態を説明することができる。すなわち、ＥＳＤ保護回路が無い場合には入力電圧Ｖ_ＩＮが（ＧＮＤ_１＋ＶＢ−ＶＦ）以下で斜線に表す検査モードである。この場合、ＧＮＤ_１よりも低いＶ_ＩＮでクランプを掛けるために、ＶＦ＞ＶＢ≧０とし、（ＶＢ−ＶＦ）は負となる。他方、順方向電圧がＶ_ＥＳＤであるＥＳＤ保護用ダイオード４８が有る場合、検査モードにはＶ_ＩＮが（ＧＮＤ_１−Ｖ_ＥＳＤ）よりも高い条件が加わる。すなわち、検査モードのＶ_ＩＮは（式１）の範囲で表される。

ＧＮＤ_１−Ｖ_ＥＳＤ＜Ｖ_ＩＮ≦ ＧＮＤ_１＋ＶＢ−ＶＦ （式１）

なお、ｐｎ接合がシリコンの場合、ＶＦとＶ_ＥＳＤは、それぞれ７００ｍＶの近傍である。

図７より、Ｖ_ＩＮが（式２）に表される範囲である場合においても動作モードとなることが理解される。

Ｖ_ＣＣ１＜Ｖ_ＩＮ＜Ｖ_ＣＣ１＋ＶＦ （式２）

すなわち、第１の電圧は（Ｖ_ＣＣ１＋ＶＦ）よりも小さい範囲で設定できる。しかし、動作モードと検査モードとが隣接していると、ノイズなどによる誤動作を生じやすくなる。このため、ディジタル信号の入力電圧Ｖ_ＩＮは、Ｖ_ＣＣ１以下であることがより好ましい。

また、Ｖ_ＩＮが（式３）に表される範囲である場合においても動作モードとなることが理解される。

ＧＮＤ_１＋ＶＢ−ＶＦ＜Ｖ_ＩＮ＜ＧＮＤ_１ （式３）

すなわち、第２の電圧は第１の電圧よりも低く、かつ（式３）の範囲で設定できる。しかし、動作モードと検査モードとが隣接していると、ノイズなどによる誤動作を生じやすくなる。このため、ディジタル信号の入力電圧Ｖ_ＩＮはＧＮＤ_１以上であることがより好ましい。従って、動作モードであるディジタル信号の入力電圧Ｖ_ＩＮのより好ましい範囲Ｚは、（式４）で表される。

ＧＮＤ_１≦Ｖ_ＩＮ≦Ｖ_ＣＣ１ （式４）
但し、Ｖ_ＣＣ１＞０

なお、検査モードを電源側とする第１の実施形態（図３）及び第３の実施形態（図６）においてもＥＳＤ保護回路を設けることができる。

第１〜第３の実施形態において、検査のために新たに端子を設けることが不要で、光結合装置８０の小型化が可能となり、発光素子４２の電流感度などのアナログ的な特性を精度よく測定でき、動作余裕を精度高く知ることができる。このために用途に適合した光結合装置を提供することが容易になり、信頼性がより改善される。しかも入力のインピーダンスや電源の過渡特性などの制約の少ない信号カプラなどの光結合装置が可能となる。さらに、電源電圧の立ち上がり、立ち下がりにおいて検査モードに入ることを抑制し、低い電源電圧においても検査モードの動作範囲を広く保つことができる。

なお、本実施形態において、トランジスタがバイポーラトランジスタである場合について説明したが、同じ極性の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれら実施の形態に限定されることはない。本発明を構成するクランプ回路、駆動回路、駆動停止回路、発光素子、ＥＳＤ保護用ダイオード、受光部などの配置及び構成などに関して当業者が変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第１の実施形態にかかる光結合装置のブロック図 比較例にかかる光結合装置のブロック図 第１の実施形態にかかる光結合装置の回路図 第２の実施形態にかかる光結合装置の回路図 第３の実施形態にかかる光結合装置のブロック図 第３の実施形態にかかる光結合装置の回路図 Ｖ_ＩＮ と動作及び検査モードとの関係を表す図

符号の説明

２０ Ｖ_ＣＣ１端子、２２ Ｖ_ＩＮ端子、２４ ＧＮＤ_１端子、４０ クランプ回路、４２ 発光素子、４４ 駆動回路、４８ ＥＳＤ保護用ダイオード、８０ 光結合装置、８０ｂ 受光部

Claims (5)

1. 発光素子と、
   電源端子と、入力端子と、接地端子と、に接続され、前記入力端子へ入力されたディジタル信号により前記発光素子を駆動し光信号を出力させる駆動回路と、
   前記入力端子に接続された第１のトランジスタを含むクランプ回路と、
   前記光信号を電気信号に変換し出力する受光部と、
   を備え、
   前記入力端子への入力電圧が第１の電圧乃至第２の電圧の範囲内にある場合、前記ディジタル信号が入力された前記駆動回路が前記発光素子を駆動し前記光信号に変換し、前記受光部から前記電気信号が外部へ出力される動作モードとでき、
   前記入力端子への入力電圧が前記第１の電圧乃至前記第２の電圧の範囲外にある場合、前記駆動回路が前記発光素子の駆動を停止し、前記クランプ回路の前記第１のトランジスタがオンし、前記クランプ回路のクランプ電流と略同一または前記クランプ電流に比例した電流が前記発光素子に供給され、前記発光素子の特性を測定可能な検査モードとできることを特徴とする光結合装置。
2. 前記クランプ回路は第２及び第３のトランジスタからなるカレントミラーをさらに含み、前記入力端子と前記接地端子との間に前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとを直列に接続し、
   前記発光素子は前記電源端子に接続され、
   前記入力電圧が前記電源端子の電圧よりも上がった範囲で前記第１のトランジスタがオンし、前記クランプ電流を前記第２のトランジスタに供給すると共に前記クランプ電流と略同一または前記クランプ電流に比例した前記電流が前記第３のトランジスタから前記発光素子に供給され、前記検査モードとできることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
3. 前記発光素子は、前記電源端子または前記接地端子に接続され、
   前記発光素子が前記電源端子に接続された場合は、前記入力電圧が前記接地端子の電圧よりも下がった範囲で前記第１のトランジスタがオンし、前記クランプ電流が前記発光素子に供給されて、前記検査モードとでき、
   前記発光素子が前記接地端子に接続された場合は、前記入力電圧が前記電源端子の電圧よりも上がった範囲でオンし、前記クランプ電流が前記発光素子に供給されて、前記検査モードとできることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
4. 前記クランプ回路は第２及び第３のトランジスタからなるカレントミラーをさらに含み、前記入力端子と前記電源端子との間に前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとを直列に接続し、
   前記発光素子は前記接地端子に接続され、
   前記入力電圧が前記接地端子の電圧よりも下がった範囲でオンし、前記クランプ電流を前記第２のトランジスタに供給すると共に前記クランプ電流と略同一または前記クランプ電流に比例した前記電流が前記第３のトランジスタから前記発光素子に供給され、前記検査モードとできることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
5. 前記入力端子と前記接地端子との間、または前記入力端子と前記電源端子との間に接続され、前記駆動回路または前記クランプ回路を保護するＥＳＤ保護回路をさらに備え、
   前記入力電圧が前記接地端子の前記電圧と前記ＥＳＤ保護回路がオンする電圧との間であるか、または前記入力電圧が前記電源端子の前記電圧と前記ＥＳＤ保護回路がオンする電圧との間である場合に、前記第１のトランジスタがオンするように前記第１のトランジスタのベースバイアス電圧を設定したことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の光結合装置。

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