JP2010252020A - 光受信回路、及び光結合型絶縁回路 - Google Patents

光受信回路、及び光結合型絶縁回路 Download PDF

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Abstract

【課題】ノイズによる誤動作を防止して、パルス幅を再生することができる光受信回路、及びこの光受信回路を搭載した光結合型絶縁回路を提供する。
【解決手段】本発明に係る光受信回路10は、光信号50を受光して電気信号に変換する受光素子11と、光信号50からの情報をパルス信号に復調するコンパレータ13と、受光素子11と、コンパレータ13の間に配設され、パルス信号よりも高周波のノイズ成分を除去する帯域制限回路30と、受光素子11と、コンパレータ13の間に配設され、コンパレータの閾値を生成し、2値の範囲で当該コンパレータの閾値を制限するコンパレータ閾値回路20とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、光受信回路、及び回路の入力部と出力部に電気的絶縁が求められる光結合型絶縁回路に関する。
ノイズ成分を除去する方法として、信号成分以外をローパスフィルタ、又はハイパスフィルタにより除去する方法が広く知られている。しかしながら、パルス信号を再現する場合、サイン波成分の奇数次高調波の和となるために、5倍以上の周波数帯域を確保する必要がある。従って、ローパスフィルタ、又はハイパスフィルタを用いる場合、パルス信号が通過するように設定する必要があり、多くのノイズ成分が通過していた。
赤外線データ受信装置などの光通信装置においては、比較的低い周波数信号(40kHz)が、図8の概念図に示すように、光信号103として送信機101から受信機102へ伝送される。このため、光信号103の周波数より低い周波数信号である太陽光や照明光(数kHz以下)などの外乱光104の影響を除去する必要がある。そこで、信号周波数よりも十分に低い周波数成分のノイズ除去と、立ち上がりエッジ検出を行うために微分回路を用いている。ここで、パルス信号に含まれるノイズ成分を除去するために、前述のローパスフィルタを用いた場合、高い周波数の信号成分も減衰するために、立ち上がりエッジが鈍ってしまいエッジ検出ができないという問題が生じる。
図9に、特許文献1に記載の赤外線データ通信装置における受信回路(パルス信号復調回路)131の概略構成を示すブロック図を示す。送信機101(図8参照)からの光信号103及び外乱光104は、フォトダイオード132によって光電変換され、フォトダイオード132からは、入力光レベルに対応した電流がアンプ133へ出力される。アンプ133は、フォトダイオード132の出力電流を電圧変換するとともに、増幅を行う。アンプ133からの出力は、カップリングコンデンサ134及びプルアップ抵抗135を介してアンプ136に入力される。
アンプ136からの出力は、コンパレータ137に与えられ、コンパレータ137によって、プルアップ抵抗135の電圧に対応して予め定められる検波電圧Vthでレベル弁別され、その弁別結果の矩形波パルスがコンパレータ出力138から出力される。アンプ133の出力はまた、オートバイアスコントロール回路(ABCC)140によって、外乱光104に対応した低周波成分が抽出され、低周波成分に対応した電流がアンプ133の入力側に帰還される。オートバイアスコントロール回路140は、アンプ133の出力から、外乱光104に対応した低周波信号成分を抽出する1次のローパスフィルタ141と、ローパスフィルタ141の出力を電圧電流変換してアンプ133の入力側に帰還する電流源142とで構成されている。
上記構成により、入力パルス信号電流を増幅するアンプ133に対して、オートバイアスコントロール回路140によって、外乱光ノイズ成分に対応した電流を作成する。そして、これをアンプ133の入力側に帰還することによって、アンプ133の出力から外乱光ノイズ成分の除去を行っている。
オートバイアスコントロール回路140によって、アンプ133の入出力間で、信号が1回微分される。そして、復調すべきパルス信号に対して、不所望な振動の発生を抑制し、誤動作パルスの発生を低減する。
例えば、図10(a)に示すような外乱光104の影響が大きい入射光に対しても、アンプ136の出力波形は、図10(b)に示すように不所望な振動がない。従って、コンパレータ137から出力端子138への出力パスルは、図10(c)に示すように誤動作パルスが発生しないようになる。
特許文献2においては、外乱光ノイズとして入力される連続波ノイズやインパルスノイズを抑制するために、以下の構成が提案されている。すなわち、増幅手段からの増幅出力に入力信号が含まれている際には、信号レベル制御手段により、入力信号が所定の信号レベルとなるように増幅手段の利得制御を行う。これに加え、増幅手段からの増幅出力にノイズ成分が含まれている際には、ノイズレベル制御手段により、ノイズ成分が所定のノイズレベルとなるように増幅手段の利得制御を行う構成が提案されている。
ところで、最近、絶縁回路、例えば絶縁型増幅器(以降、「アイソレーションアンプ」とも称する)が、大きなコモンモードノイズの排除または安全の確保を目的として、工場、プラント、更に、医療器具の備えられる病院など様々な場所で用いられる。特に大きなコモンモードノイズは、工場またはプラントなど、大電力の機器と高感度の電子機器とが混在する場所で、双方に1000V以上の電源差をもって頻繁に発生する。フォトカプラを使ったアイソレーションアンプは、光学的に信号を伝達し、電気的には完全に絶縁されているため、磁気を使ったアイソレーションアンプなどよりも、ノイズ耐量に優れた特徴をもつ。近年では、工場またはプラントで用いられるACサーボまたはインバータの、より高精度な制御を可能にするために、例えばマイクロコンピュータのような精密機器とモータとの間にアイソレーションアンプが使われている。
特開平11−234098号公報 第6頁 第1図、第3図、第6図 特開2003−152649号公報
高精度なアナログ情報伝達を行うために、アイソレーションアンプは、高い動作周波数におけるパルス幅変調(以降、「高速デジタル変調」とも称する)によって情報伝達を行う光信号に対応する技術が求められている。
しかしながら、特許文献1の技術においては、光信号103に含まれるノイズにより高速デジタル変調に要求されるパルス幅の再生ができず、正常に受信できないという問題がある。特許文献1に記載の受信回路は、前述したように、比較的周波数が低い(40kHz)光信号103を送信機101から受信機102へ空間伝送するので、光信号103の周波数よりも低い周波数信号である太陽光や照明光(数kHz以下)などの外乱光104の成分を除去する必要がある。また、パルス信号の立ち上がりエッジ検出を行う必要がある。このため、プルアップ抵抗135とカップリングコンデンサ134からなる微分回路を用いている。これにより、十分低い周波数成分の外乱光104ノイズが除かれるが、光信号103に含まれるそれ以外のノイズ成分は、常に通過してアンプによって増幅される。そして、コンパレータ出力138の閾値Vthを超えてノイズ成分が検出される。
パルス信号は、微分回路を通過することによってパルス波形が微分波形となり、図10(b)に示すように、コンパレータ13の閾値Vthとの関係から出力パルス幅が決定される。このため、図10(c)に示すように、常に入力信号(図10(a)参照)のパルス幅と異なるものとなる。このため、受信回路が正常に動作できない。
特許文献2の技術においては、パルス幅で情報を伝達する高速デジタル変調に適用することは困難である。これは、パルス信号を信号検波器及び積分器を介することでパルス幅の情報が失われてしまうためである。
本発明に係る光受信回路は、光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記光信号からの情報をパルス信号に復調するコンパレータと、前記受光素子と、前記コンパレータの間に配設され、前記パルス信号よりも高周波のノイズ成分を除去する帯域制限回路と、前記受光素子と、前記コンパレータの間に配設され、前記コンパレータの閾値を生成し、2値の範囲で当該コンパレータの閾値を制限するコンパレータ閾値回路とを備えるものである。
本発明に係る光受信回路によれば、微分回路や積分回路を配設せず、パルス信号より周波数が高いノイズ成分を除去する帯域制限回路と、コンパレートの閾値を生成し、2値の範囲で当該コンパレータの閾値を制限するコンパレータ閾値回路を備えることにより、ノイズによる受信回路の誤動作を低減し、パルス幅変調に要求されるパルス幅の再生が可能となるため、正常に受信することができる。
本発明に係る光結合型絶縁回路は、パルス幅変調信号を光パルス信号に変えて送信する発光素子を備える入力側チップと、前記光パルス信号を受信する光受信回路を備える受信側チップとを備え、前記光受信回路として、上記態様の光受信回路が備えられたものである。
本発明によれば、ノイズによる誤動作を防止して、パルス幅を再生することができる光受信回路、及びこの光受信回路を搭載した光結合型絶縁回路を提供することができるという優れた効果を有する。
本実施形態に係る光結合型絶縁回路のシステム構成図。 本実施形態に係る光結合型絶縁回路における受信回路のブロック図。 本実施形態に係るコンパレータ閾値回路のブロック図。 本実施形態に係る帯域制限回路のブロック図。 本実施形態に係る受信回路における信号波形図。 本実施形態に係るクランプ回路の下限値動作を示す波形図。 本実施形態に係るクランプ回路の上限値動作を示す波形図。 特許文献1に記載の赤外線データ通信装置のシステム構成図。 特許文献1に記載のパルス信号復調回路。 特許文献1に記載のパルス信号復調回路の出力波形図。
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
図1に、本実施形態に係る光結合型絶縁回路のシステム構成図を示す。光結合型絶縁回路1は、入力側チップ2として機能する送信部チップ2A、LED(発光ダイオード)2Bと、受信側チップ3として機能する受信部チップ3Aとが共にIC(集積回路)に形成されている。そして、これらは、1つのパッケージ5に収容されている。送信部チップ2Aは、入力信号端子6に接続され、受信部チップ3Aは、出力信号端子7に接続されている。入力信号端子6と出力信号端子7は、互いに電気的絶縁の状態となっている。入力信号端子6から入力した信号は、送信部チップ2Aから受信部チップ3AにLED2Bを介して転送される。
受信部チップ3Aには、光信号を信号処理可能なレベルに増幅する光受信回路10が具備されている。図2に、本実施形態に係る光受信回路10のブロック図を示す。光受信回路10は、図2に示すように、受光素子であるフォトダイオード11、電流電圧変換回路12、コンパレータ13、コンパレータ閾値回路20、帯域制限回路30を備える。
フォトダイオード11は、光パルス信号である光信号50を電気信号に変換する役割を担う。フォトダイオード11からは、入力光レベルに対応した電流が、電流電圧変換回路12、及びコンパレータ閾値回路20に出力される。
電流電圧変換回路12は、フォトダイオード11からの電気信号を電圧信号に変換するとともに、増幅を行う。電流電圧変換回路12からの出力は、帯域制限回路30及びコンパレータ閾値回路20に入力される。
帯域制限回路30は、電流電圧変換回路12から出力された電圧信号のうち、パルス信号より周波数が高いノイズ成分を除去する役割を担う。電流電圧変換回路12は、帯域制限回路30を介してコンパレータ入力電圧51を生成する。生成されたコンパレータ入力電圧51は、コンパレータ13に入力される。
コンパレータ13には、コンパレータ入力電圧51の他、コンパレータ閾値電圧52が入力される。コンパレータ13に入力されたコンパレータ入力電圧51は、コンパレータ閾値電圧52でレベル弁別され、その弁別結果の矩形波のパルス信号が再生され、コンパレータ出力60から出力される。コンパレータ閾値電圧52は、フォトダイオードカソード電圧53と電流電圧変換回路出力電圧54からコンパレータ閾値回路20を介して生成される。
図3に、本実施形態に係るコンパレータ閾値回路20のブロック図を示す。コンパレータ閾値回路20は、増幅手段であるバッファアンプ21、ローパスフィルタ22、ピーク検波回路23、クランプ回路24を備える。
図3のコンパレータ閾値回路20には、フォトダイオードカソード電圧53が入力される。このフォトダイオードカソード電圧53は、バッファアンプ21により増幅され、次いでローパスフィルタ22に入力される。ローパスフィルタ22は、パルス信号より周波数が高いノイズ成分を除去し、ピーク検波基準電圧56のみを抵抗R2に与える。
また、コンパレータ閾値回路20には、電流電圧変換回路12から送出された電圧である電流電圧変換回路出力電圧54が入力される。この電流電圧変換回路出力電圧54は、ピーク検波を行うピーク検波回路23に入力される。電流電圧変換回路出力電圧54が入力されたピーク検波回路23は、ピーク検波回路出力電圧55を抵抗R1に与える。
抵抗R1の他端部と抵抗R2の他端部は、互いに共通接続されている。共通接続部においては、式(1)に基づいて、中間電圧57が生成される。
Figure 2010252020
中間電圧57は、クランプ回路24に入力される。クランプ回路24は、帯域制限回路30で除去できないノイズ成分に対し、コンパレータ閾値電圧52の閾値の範囲を制限する回路である。クランプ回路24により、コンパレータ閾値電圧52が、以下の式(2)の関係を満たす。
Figure 2010252020
クランプ回路24から出力されたコンパレータ閾値電圧52は、コンパレータ13に入力される。上記構成のコンパレータ閾値回路20の出力をコンパレータ13に入力することにより、光信号50の変化に対して安定した動作を実現させ、光信号50の変化と等分なパルス幅を再生することができる。
図4に、本実施形態に係る帯域制限回路30のブロック図を示す。帯域制限回路30は、スイッチ回路31、増幅手段であるバッファアンプ32、第1容量C1,第2容量C2を備える。スイッチ回路31は、任意のクロック周波数で動作する回路であり、電流電圧変換回路12から出力された電流電圧変換回路出力電圧54が入力される。
サンプリング期間において、スイッチ回路31は、第1容量C1に接続され、電流電圧変換回路出力電圧54の電荷が積分される。これにより、スイッチ回路31のノイズ成分も積分され減衰する。一方、ホールド期間において、スイッチ回路31は、電流電圧変換回路出力電圧54と第1容量C1との接続を切離し、電流電圧変換回路出力電圧54と第2容量C2を接続する。また、第1容量C1から第2容量C2に電荷の移動が行われる。そして、バッファアンプ32を介して、コンパレータ入力電圧51を出力する。コンパレータ入力電圧51は、式(3)の関係を満たす。
Figure 2010252020
図5に、本実施形態に係る光結合型絶縁回路1における光受信回路10の信号波形図を示す。以下、図5を用いて図2、図3及び図4の動作を説明する。光信号50は、LED2B(図1参照)を介してパルス周期Tw、パルス幅Tpの光信号50を送信する。ここで、光信号50には、エッジノイズ70が重畳するため、フォトダイオードカソード電圧53にわずかなエッジノイズ71が発生する。しかしながら、エッジノイズ71の周波数成分より十分低いカットオフ周波数のローパスフィルタ22を介することにより、ピーク検波基準電圧56が得られる。
電流電圧変換回路12は、エッジノイズ70を含む光信号50を電流電圧変換して電流電圧変換回路出力電圧54を出力する。そして、出力された電流電圧変換回路出力電圧54は、エッジノイズを低減する帯域制限回路30に入力される。帯域制限回路30からは、コンパレータ入力電圧51が出力される。出力されたコンパレータ入力電圧51は、コンパレータ13に入力される。
また、出力された電流電圧変換回路出力電圧54は、コンパレータ閾値回路20内のピーク検波を行うピーク検波回路23を介して、ピーク検波回路出力電圧55を抵抗R1に印加する。また、抵抗R1と、ピーク検波基準電圧56が接続された抵抗R2との抵抗比によって中間電圧57が決定される。そして、中間電圧57は、クランプ回路24を介してコンパレータ閾値電圧52を生成する。生成されたコンパレータ閾値電圧52は、コンパレータ13に入力され、コンパレータ出力60を得る。
図6は、本実施形態に係るクランプ回路24の下限値動作を示す波形図である。エッジノイズ70とノイズ成分80を含む光信号50は、電流電圧変換回路12により電流電圧変換され、電流電圧変換回路出力電圧54が生成される。電流電圧変換回路出力電圧54のエッジノイズ72は、帯域制限回路30を介することにより低減される。帯域制限回路30からは、前述したとおり、コンパレータ入力電圧51が出力され、コンパレータ13に入力される。また、電流電圧変換回路出力電圧54は、ピーク検波を行うピーク検波回路23を介して、ピーク検波回路出力電圧55を抵抗R1に与える。そして、抵抗R2との抵抗比により中間電圧57が決定される。中間電圧57は、クランプ回路24を介し、TcL期間(図6参照)のみ、クランプ回路上限値電圧をコンパレータ閾値電圧52としてコンパレータ13に入力してコンパレータ13をアクティブにし、コンパレータ出力60を得る。
図7は、本実施形態に係るクランプ回路上限値動作を示す波形図である。エッジノイズ70とノイズ成分81を含む光信号50は、電流電圧変換回路12により電流電圧変換され、電流電圧変換回路出力電圧54が生成される。そして、前述したとおり、帯域制限回路30により、エッジノイズ72が低減され、コンパレータ入力電圧51を生成する。また、電流電圧変換回路出力電圧54は、ピーク検波回路23を介して、ピーク検波回路出力電圧55を抵抗R1に与える。そして、抵抗R2との抵抗比で中間電圧57が決定される。中間電圧57は、クランプ回路24を介し、TcH期間(図7参照)のみ、クランプ回路下限値電圧をコンパレータ閾値電圧52としてコンパレータ13に入力してコンパレータ13をアクティブにし、コンパレータ出力60を得る。
次に、図6、図7を用いて具体的に解決されるメカニズムを説明する。図6において、光信号50として、周期(Tw)100ns、パルス幅(Tp)20ns、振幅100mVpのパルス信号に加え、エッジノイズ70として、周期25ns、パルス幅2ns、振幅100mVpが乗った場合、図6に示すような電流電圧変換回路出力電圧54波形が得られる。
帯域制限回路30に設けられたスイッチ回路31の動作周波数foは、以下の式(4)及び式(5)により求められる。
Figure 2010252020
Figure 2010252020
ここで、動作周波数foをパルス信号周波数の10倍に設定した帯域制限回路30においては、コンパレータ入力電圧51にエッジノイズが25mVp以下まで低減する。また、中間電圧57は、電流電圧変換回路出力電圧54により変動するが、TcL期間のみ、クランプ回路下限値電圧を、例えば30mVに設定することにより、ノイズによる受信回路の誤動作を低減することができる。
一方、図7に示すように、光信号50として、周期(Tw)100ns、パルス幅(Tp)20ns、振幅100mVpのパルス信号に加え、エッジノイズ成分81として、周期100ns、パルス信号と同等の振幅100mVpが乗った場合、図7に示すような電流電圧変換回路出力電圧54の波形が得られる。
帯域制限回路30に設けられたスイッチ回路31の動作周波数foは、上記式(4)及び式(5)により求められる。
ここで、動作周波数foをパルス信号周波数の10倍に設定した帯域制限回路30においては、コンパレータ入力電圧51にエッジノイズを低減させることができる。また、中間電圧57は、電流電圧変換回路出力電圧54により変動するが、TcH期間のみ、クランプ回路上限値電圧を、例えば80mVに設定することにより、ノイズによる受信回路の誤動作を低減し、高速デジタル変調に要求されるパルス幅の再生を行い、正常に受信を行うことができる。
本実施形態によれば、光信号50に含まれるエッジノイズ70、ノイズ成分80、81による光受信回路10の誤動作に対して、パルス信号より周波数が高いノイズ成分を低減する帯域制限回路30を設けている。これに加え、帯域制限回路30で除去できないノイズ成分に対し、ピーク検波回路23を用いてコンパレータの閾値を生成し、2値の範囲でコンパレータ13の閾値を制限するクランプ回路24を設けている。換言すると、帯域制限回路30で除去できないノイズ成分に対し、電流電圧変換回路12の入出力電圧差によりパルス信号をピーク検波し、出力を任意の抵抗比で分割することにより、コンパレータ13の閾値を生成し、2値の範囲でコンパレータ13の閾値を制限するクランプ回路24を設けている。
光受信回路10内に微分回路を形成せず、上記構成を採用することにより、ノイズによる光誤動作を低減でき、高速デジタル変調に要求されるパルス幅の再生を行うことができる。その結果、光受信回路10は、正常に受信することができる。すなわち、高速デジタル変調された光信号のノイズによる誤動作を低減し、高速デジタル変調に要求されるパルス幅の再生ができるため正常に受信することができる。
なお、上記実施形態においては、光結合型絶縁回路を構成する送信部チップ2Aと、LED2Bと、受信部チップ3Aとが1つのパッケージ5内に収容されている例について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、様々な形態を採用することができる。例えば、送信部チップ2A、LED2B、受信部チップ3Aが、同一パッケージに収容されておらず、別体に設けられているものであってもよい。また、本発明に係る光受信回路は、光結合型絶縁回路の受信部チップに搭載する態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の電子部品に搭載することができる。
1 光結合型絶縁回路
2 送信側チップ
2A 送信部チップ
2B LED
3 受信側チップ
3A 受信部チップ
5 パッケージ
6 入力信号端子
7 出力信号端子
10 光受信回路
11 フォトダイオード
12 電流電圧変換回路
13 コンパレータ
20 コンパレータ閾値回路
21 バッファアンプ
22 ローパスフィルタ
23 ピーク検波回路
24 クランプ回路
30 帯域制限回路
31 スイッチ回路
32 バッファアンプ
50 光信号
51 コンパレータ入力電圧
52 コンパレータ閾値電圧
53 フォトダイオードカソード電圧
54 電流電圧変換回路出力電圧
55 ピーク検波回路出力電圧
56 ピーク検波基準電圧
57 中間電圧
60 コンパレータ出力
70、71、72 エッジノイズ
80、81 ノイズ成分
C1 第1容量
C2 第2容量
fo 動作周波数

Claims (6)

  1. 光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、
    前記光信号からの情報をパルス信号に復調するコンパレータと、
    前記受光素子と、前記コンパレータの間に配設され、前記パルス信号よりも高周波のノイズ成分を除去する帯域制限回路と、
    前記受光素子と、前記コンパレータの間に配設され、前記コンパレータの閾値を生成し、2値の範囲で当該コンパレータの閾値を制限するコンパレータ閾値回路と
    を備える光受信回路。
  2. 前記受光素子は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の光受信回路。
  3. 前記帯域制限回路は、任意のクロック周波数で動作するスイッチ回路と、
    サンプリング期間中、前記帯域制限回路に入力される電圧の電荷を積分する第1容量と、
    ホールド期間中、前記帯域制限回路に入力される電圧が接続され、かつ当該電圧と切離された前記第1容量の電荷の移動が行われる第2容量と、
    前記第2容量に接続され、前記コンパレータの入力電圧を出力する増幅手段と
    を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の光受信回路。
  4. 前記受光素子と、前記帯域制限回路の間に、電流電圧変換回路が配設されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光受信回路。
  5. 前記コンパレータ閾値回路は、前記受光素子からの電気信号が増幅される増幅手段と、
    前記増幅手段からの出力が入力され、前記パルス信号より周波数が高いノイズ成分を除去するローパスフィルタと、
    前記電流電圧変換回路から出力された電圧からピーク検波を行うピーク検波回路と、
    前記ピーク検波回路から出力された電圧と、前記ローパスフィルタから出力された電圧から中間電圧を生成するために設けられた抵抗と、
    前記中間電圧に対し、前記コンパレータに入力される閾値を2値の範囲内に制限するクランプ回路と
    を備える請求項4に記載の光受信回路。
  6. パルス幅変調信号を光パルス信号に変えて送信する発光素子を備える入力側チップと、
    前記光パルス信号を受信する光受信回路を備える受信側チップと
    を備え、
    前記光受信回路として、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光受信回路が備えられた光結合型絶縁回路。
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