JP5038988B2

JP5038988B2 - 光受信器

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Publication number: JP5038988B2
Application number: JP2008191257A
Authority: JP
Inventors: 豊明卯尾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: US8138464B2; US20100019132A1; JP2010028768A

Description

本発明は、光受信器に関する。

光結合装置や光伝送装置では、光信号を受信し電気信号に変換可能な光受信器が用いられる。

また、これらの光結合装置及び光伝送装置では、信号の伝達遅延時間及び入力感度の温度依存性の低減が要求される。しかし、これらの装置は、発光素子、受光素子、トランスインピーダンスアンプ、コンパレータ回路、及び出力アンプなどから構成されており、伝達遅延時間及び入力感度などの特性が温度上昇とともに低下することが多い。

周囲温度の変化の影響を抑制する光受信器に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、前置増幅器、平均値検出回路、電圧・電流変換回路、及び前置増幅器レプリカ回路、を備えており、前置増幅器の入力部から分流する電流値を電圧変動や周囲温度変化の影響を受けることなく一定値に制御している。
しかしながら、この技術開示例を用いても、入力感度及び伝達遅延時間の温度依存性を低減するには十分とは言えない。
特開２００６−５７６１号公報

信号伝達遅延時間の温度依存性の低減が可能な光受信器を提供する。

本発明の一態様によれば、光信号を電流信号に変換可能な第１のフォトダイオードと、Ｖ_ｒｅｇなる第１の電源電圧が供給され、負帰還抵抗を有し、前記電流信号が入力され電圧信号を出力可能な第１のトランスインピーダンスアンプと、前記第１のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号が入力され、電圧信号を外部に出力可能な出力回路と、を備え、前記第１のトランスインピーダンスアンプに含まれるトランジスタのベース・エミッタ間電圧をＶ_ｂｅとしたとき、（Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ）なる電圧の温度係数がプラスであることを特徴とする光受信回路が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、光信号を電流信号に変換可能な第１のフォトダイオードと、第１の電源電圧が供給され、負帰還抵抗を有し、前記電流信号が入力され電圧信号を出力可能な第１のトランスインピーダンスアンプと、前記第１のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号が入力され、電圧信号を外部に出力可能な出力回路と、を備え、第１の電源電圧をＶ _ｒｅｇ、トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧をＶ _ｂｅ、絶対温度をＴとしたとき、動作温度Ｔ１において、下記式
Ｖ _ｒｅｇ＝２Ｖ _ｂｅ −２Ｔ１×（ｄＶ _ｂｅ／ｄＴ）
を満たすことを特徴とする光受信回路が提供される。

信号伝達遅延時間の温度依存性の低減が可能な光受信器が提供される。

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受信器のブロック図を表す。
本実施形態の光受信器５は、第１のフォトダイオード１０、第１のトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１２、及び出力回路１８を備えている。ＴＩＡ１２は出力電圧の温度依存性が制御可能な電圧源４０により駆動され、出力回路１８は出力電圧の温度依存性が制御可能な電圧源４２により駆動されている。

フォトダイオード１０は、光結合装置を構成するＬＥＤ８からの光信号ｂを受光し電流変換された信号をＴＩＡ１２に入力する。ＴＩＡ１２の出力ｈは出力回路１８により増幅されたのち外部に出力される（ｇ）。トランスインピーダンスアンプ１２は、２つの縦続接続されたトランジスタ、負荷抵抗Ｒ_Ｌ、帰還抵抗Ｒ_ｆ、及びバイアス電流源Ｉ_ＢＩＡＳから構成されている。

光受信器５の特性のうち、信号が入力されてから出力されるまでの伝達遅延時間と、及び出力信号が反転し始める入力信号値で表す入力感度Ｉｆ_ＨＬが重要である。

まず、ＬＥＤ８の遅延時間を含めた光結合装置の伝達遅延時間ｔ_Ｔは、次式により表すことができる。

ｔ_Ｔ＝ｔ_ＬＥＤ＋ｔ_ＴＩ＋ｔ_ｏ

但し、ｔ_ＬＥＤ：ＬＥＤの遅延時間
ｔ_ＴＩ：ＴＩＡの伝達遅延時間
ｔ_ｏ：出力回路の伝達遅延時間

ここで、ｔ_ＴＩは、近似的に次式で表すことができる。

ｔ_ＴＩ＝Ｋ／ｆ_ｃ

但し、Ｋ：定数
ｆ_ｃ：ＴＩＡの遮断周波数

上式より、ｆ_ｃを高くするとｔ_ＴＩを短くできることが明らかである。

また、光受信器の重要な特性のひとつである遮断周波数ｆ_ｃは、式（１）で表すことができる。

図１のブロック図において、電圧源４０の電圧をＶ_ｒｅｇとし、トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧をＶ_ｂｅとし、帰還抵抗Ｒ_ｆが温度に依存しないものとすると、式（１）は式（２）となる。

この場合、例えば、帰還抵抗Ｒ_ｆに拡散抵抗を用いるとその温度係数が大きくなり過ぎるが、ポリシリコン抵抗とするとその温度係数を小さくでき、絶対温度Ｔの変化に対して抵抗値を略一定値と見なすことができる。

図２は、第１の実施形態における電圧源４０を説明するグラフ図である。すなわち、図２（ａ）は出力電圧Ｖ_ｒｅｇが絶対温度に略比例する場合、図２（ｂ）は出力電圧Ｖ_ｒｅｇが温度に依存しない場合をそれぞれ表し、縦軸は出力電圧Ｖ_ｒｅｇ、横軸は絶対温度Ｔである。光受信器５の動作温度範囲を絶対温度で表すと、例えばその下限値ＴＬが２７３Ｋ、その上限値ＴＨが３５３Ｋなどとできる。

式（２）において、分母は絶対温度Ｔの増加とともに増加する。また、分子のうち、（Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ）が絶対温度Ｔの関数であるが、動作温度範囲内（ＴＬ〜ＴＨ）において、例えば次式のように近似的に表すことができるものとする。

Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ≒αＴ＋α０

但し、α：プラスの温度係数
α０：定数

図２（ａ）のように、温度係数α＞０とすると、（Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ）が、絶対温度Ｔの増加と共に増加する。なお、シリコンを用いた場合、ｄＶ_ｂｅ／ｄＴは略マイナス２ｍＶ／℃となるので２Ｖ_ｂｅは高温側において低下する。以上から、遮断周波数ｆｃの温度特性をなくすのに必要なＶ_ｒｅｇの条件は、式（３）のようになる。

ダイオードのｐｎ接合順方向電圧またはトランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧Ｖ_ｂｅを用いた温度依存電圧源などを用いることにより、温度係数αをプラスに制御することが可能である。すなわち、（Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ）なる電圧を、動作温度の全範囲内（ＴＬ〜ＴＨ）において（αＴ＋α０）で近似的に表すことができるような電圧源４０を実現することができる。

なお、図１は、ＴＩＡ１２が最も簡単な構成であり、この変形例も有る。ＴＩＡの変形例の場合、次式を成立させると遮断周波数ｆ_ｃの温度依存性を広い動作温度内において低減できる。

Ｖ_ｒｅｇ−ＭＶ_ｂｅ≒αＴ

但し、Ｍ：絶対温度に依存しない係数

他方、遮断周波数ｆ_ｃの温度依存性をより狭い温度範囲内で低減すれば良い場合もある。図２（ｂ）は、第１の実施形態の変形例を説明するグラフ図である。すなわち、トランスインピーダンスアンプの電源として温度係数を有する電圧Ｖ_ｒｅｇを用いずバンドギャップ定電圧源などを用いる。このようにすると、動作温度範囲内にある任意の温度（Ｔ１）において、遮断周波数ｆ_ｃの温度係数をゼロとし、温度Ｔ１近傍において遮断周波数ｆ_ｃの温度依存性を低減できる。

ここで、式（２）を絶対温度Ｔで微分すると式（４）となる。

今、温度Ｔ１において、ｄｆｃ／ｄＴをゼロとする条件を求める。
例えば、Ｔ１＝３００Ｋ（すなわち室温）において（ｄＶ_ｒｅｇ／ｄＴ）＝０と置くと、ｄｆｃ／ｄＴ＝０となるＶ_ｒｅｇの条件は次式となる。

Ｖ_ｒｅｇ＝２Ｖ_ｂｅ（Ｔ＝Ｔ１）−２Ｔ１（ｄＶ_ｂｅ／ｄＴ）

一般的なプロセスでは、Ｖ_ｂｅ＝０．７Ｖ、ｄＶ_ｂｅ／ｄＴ＝−２ｍＶ／℃であるので、Ｖ_ｒｅｇ（３００Ｋ）は、略２．６Ｖとなる。すなわち、温度に依存せず電圧Ｖ_ｒｅｇを、例えば略２．６Ｖに一定に保つと、遮断周波数ｆ_ｃの温度係数を３００Ｋ近傍においてゼロに近づけることができ、遮断周波数ｆｃの温度依存性を低減することが容易となる。

本実施形態では、（Ｖ_ｒｅｇ−ＭＶ_ｂｅ）がプラスの温度係数を有するか、または温度に依存しない電圧源４０からのＶ_ｒｅｇを用いて、遮断周波数ｆ_ｃの温度依存性を低減し、伝達遅延時間ｔ_ＴＩの温度変動を低減することが容易となる。

また、図３は、第２の実施形態におけるオープンコレクタ型出力回路を表すブロック図である。すなわち、出力回路１８は、アンプ１８ａ及び出力トランジスタ１８ｂから構成されている、電圧源４２は端子Ｖｃｃ１を備えており、Ｖｃｃ２は次段回路の電源電圧である。もし端子Ｖｃｃ２のみであると、出力トランジスタ１８ｂがオンの場合、コレクタ電流はＶｃｃ２から出力抵抗Ｒｏｕｔ介して供給されるため、動作温度低下と共に出力トランジスタ１８ｂのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ｃｅは低下していき、出力トランジスタ１８ｂが飽和領域に入りやすくなる。出力トランジスタ１８ｂが飽和領域で動作すると、ベース領域に過剰な少数キャリアが蓄積されているため、出力トランジスタ１８ｂをオフ状態としても、ベース領域の過剰な少数キャリアが放電されるまでオン状態が持続され、その分、出力回路１８の伝達遅延時間ｔ_ｏが長くなる。

一般にＬＥＤ８の遅延時間ｔ_ＬＥＤを含む伝達遅延時間ｔ_Ｔの中で、出力回路１８の伝達遅延時間ｔ_ｏは大きいので、出力回路１８の伝達遅延時間ｔ_ｏを低減することが重要である。図３のように、もし端子Ｖｃｃ１が備えられていると、直列接続されたＮ個のダイオード４３を介してＶ_ｃｃ１が出力トランジスタ１８ｂのコレクタに供給され、Ｖ_ｃｅは次式で表される。

Ｖ_ｃｅ＝Ｖ_ｃｃ１−Ｎ×Ｖ_ｂｅ

上式をＴに関して微分すると、下式が得られる。

ｄＶ_ｃｅ／ｄＴ＝ｄＶ_ｃｃ１／ｄＴ−Ｎ×ｄＶ_ｂｅ／ｄＴ

もし、ｄＶ_ｃｅ／ｄＴ＝０とできると、温度低下を生じてもＶ_ｃｅを一定値に保ち、出力トランジスタ１８ｂが飽和領域に入ることを抑制できる。すなわち、この条件は、式（５）で表すことができる。

図４は、第２の実施形態におけるＶ_ｃｃ１の絶対温度依存性を表すグラフ図である。Ｖ_ｃｃ１は、絶対温度に対して傾きがＮ×（ｄＶ_ｂｅ／ｄＴ）で絶対温度Ｔの増加に対して減少している。Ｎ個の直列接続されたダイオード４３の順方向電圧の温度変動によりＶ_ｃｃ１の低下分がキャンセルされ、オン状態において出力トランジスタ１８ｂのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ｃｅが飽和電圧以下に低下することを抑制できる。出力トランジスタ１８ｂには、Ｎ個のダイオード４３を介してＶ_ｃｃ１が供給されており、出力回路１８の伝達遅延時間ｔ_ｏの増大を抑制できる。

図５は、第３の実施形態にかかる光受信回路のブロック図である。
また、図６は、各部の動作波形を表す。
本実施形態にかかる光受信器は、第２のフォトダイオード３０、第２のＴＩＡ３２をさらに備えている。第１及び第２のＴＩＡ１２、３２の出力ｃ、ｄは、オフセット発生回路１４にそれぞれ入力され、それぞれのオフセット出力ｅ、ｆがコンパレータ１６に入力されＨレベルまたはＬレベルの出力が出力回路１８に入力される。第２のフォトダイオード３０は遮光部３１により覆われている。

入力電流信号ａによってＬＥＤ８が駆動され、光信号ｂが生じる。また、光信号ｂに応じてＴＩＡ１２は電圧信号ｃを生じる。ＴＩＡ３２は遮光部３１で覆われているので、電圧信号ｄは電圧信号ｃの低レベル電位と等しい電位となる。電圧信号ｃをオフセット電圧Ｖ_ｏｓ分低下させ、電圧信号ｅを生成し、コンパレータ１６の一方の端子へ入力する。他方、オフセット発生回路１４の出力ｆが、コンパレータ１６の他方の端子へ入力される。

すなわち、コンパレータ１６の一方の入力端子へ、第１のＴＩＡ１２の出力を入力し、コンパレータ１６の他方の端子へ、且つ第２のＴＩＡ３２の出力を入力し、２つの入力の間にオフセット電圧Ｖ_ｏｓを発生させると、ノイズなどの影響があっても、正しく信号を判別することができる。このために、ＴＩＡ１２、３２、及び出力回路１８における伝達遅延時間の温度依存性を低減しつつ、波形ｇに表すように、パルス幅歪みの少ない「１」または「０」信号が出力可能となる。

本実施形態において、全体の伝達遅延時間ｔ_Ｔは次式で表される。

ｔ_Ｔ＝ｔ_ＬＥＤ＋ｔ_ＴＩ＋ｔ_ｏｓ＋ｔ_ｃｏｍ＋ｔ_ｏ

但し、ｔ_ＬＥＤ：ＬＥＤの遅延時間
ｔ_ＴＩ：ＴＩＡの伝達遅延時間
ｔ_ｏｓ:オフセット発生回路の伝達遅延時間
ｔ_ｃｏｍ：コンパレータの伝達遅延時間
ｔ_ｏ：出力回路の伝達遅延時間

一般的に、オフセット発生回路の伝達遅延時間ｔ_ｏｓ及びコンパレータの伝達遅延時間ｔ_ｃｏｍは全体に比べて非常に小さい。

図７は、第４の実施形態にかかる光受信回路のブロック図である。
本図において、オフセット発生回路１４は、絶対温度Ｔに比例するＰＴＡＴ電流源（ＰＴＡＴ：proportional to absolute temperature）１４ａ、１４ｂ、第１の抵抗Ｒ１、及び第２の抵抗Ｒ２を備えているものとする。この場合、ＰＴＡＴ電流源１４ａ、１４ｂの電流値Ｉ_ＰＴＡＴを次式で表す。

Ｉ_ＰＴＡＴ＝Ｂ×Ｔ＋Ｂ０

但し、Ｂ：マイナスの温度係数
Ｔ：絶対温度
Ｂ０：温度に依存しない定数

すなわち、本実施形態で用いるＰＴＡＴ電流源１４ａ、１４ｂにおいて温度係数Ｂがマイナスであるので、電流値Ｉ_ＰＴＡＴは絶対温度Ｔの増加に対して減少していく。また、図８はＰＴＡＴ電源１４ａ、１４ｂの回路構成の一例を表し、電流Ｉ＝Ｖ_ｂｅ／Ｒはカレントミラー回路１５を介して取り出し可能である。

光受信器の重要な特性の１つである入力感度Ｉｆ_ＨＬは、式（６）により表される。

通常、ＬＥＤの発光効率ηは温度上昇と共に低下するので、入力感度Ｉｆ_{ＨＬの値は}温度上昇と共に増大することになる。

また、ＰＴＡＴ電流源を用いると、オフセット電圧Ｖ_ｏｓは次式で表される。

Ｖ_ｏｓ＝Ｂ×Ｔ×（Ｒ１−Ｒ２）＋Ｂ０×（Ｒ１−Ｒ２）

但し、Ｂ＜０

なお、オフセット電圧Ｖ_ｏｓは、ＴＩＡ１２の出力ｃ側、ＴＩＡ３２の出力ｄ側、のいずれで発生させてもよい。

さらに、図８のようなＶ_ｂｅに比例するＰＴＡＴ電流源１４ａ、１４ｂの場合、オフセット電圧Ｖ_ｏｓは次式で表される。

Ｖ_ｏｓ＝Ｃ（Ｒ１−Ｒ２）Ｖ_ｂｅ

但し、Ｃ＞０

この式を用いて、式（６）で表す入力感度Ｉｆ_ＨＬの温度係数がゼロとなる条件は式（７）である。

すなわち、ＰＴＡＴ電流源を用いてオフセット発生回路１４を構成した場合、ＬＥＤの発光効率ηの温度特性を打ち消して、入力感度Ｉｆ_ＨＬの温度係数を小さくすることができる。

しかしながら、ＬＥＤの発光効率ηの温度係数が式（７）を満たしていない場合、入力感度Ｉｆ_ＨＬの温度係数を小さくすることができない。そこで、任意の温度特性を有する電流源を用いると、ＬＥＤの発光効率ηの温度係数がどのような場合でも容易に対応できる。例えば図９は、ＰＴＡＴ電流源と、絶対温度に依存しないＣＴＡＴ（complementary to absolute temperature）電流源とを組み合わせて所望の温度係数を得る回路図を表す。すなわち、図９（ａ）は、ＰＴＡＴ電流源を構成しているカレントミラー回路１５の点Ｐ２と接地との間にＣＴＡＴ電流源５０を設けることにより、Ｉｏｕｔ＝Ｖ_ｂｅ／Ｒ＋Ｉ_ＣＴＡＴとすることができる。また、図９（ｂ）は、点Ｐ２とＶｃｃ電源端子との間にＣＴＡＴ電流源５１を設けることにより、Ｉｏｕｔ＝Ｖ_ｂｅ／Ｒ−Ｉ_ＣＴＡＴとすることができる。

このようにして、ＰＴＡＴ電流からＣＴＡＴ電流を加減算することにより、オフセット電圧Ｖ_ｏｓに任意の温度特性を生じることができる。なお、ＣＴＡＴ電流は、温度係数の小さい電圧源を用いて生成することができる。このようにして、入力感度Ｉｆ_ＨＬの温度依存性が抑制できる。

以上のように、電圧源及び電流源の温度依存性を制御することにより、遮断周波数ｆ_ｃ、出力トランジスタの伝達遅延時間、及び入力感度Ｉｆ_ＨＬ、などの温度依存性を低減し、高温においても伝達遅延時間ｔ_Ｔの増大を抑制すると同時に入力感度Ｉｆ_ＨＬの温度依存性を低減できる。

このような光受信器を備えた光結合装置及び光伝送装置は、入力及び出力間において電源間を絶縁した状態で、広い動作温度範囲において入力感度を良好に保ちつつ、データを高速伝送することが容易となる。このため、産業機器、電子機器、通信機器、及び測定機器などに広く用いることができる。

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。しかしながら本発明はこれらの実施形態に限定されない。光受信器を構成するフォトダイオード、ＴＩＡ、オフセット発生回路、コンパレータ、出力回路、電圧源、ダイオード、ＰＴＡＴ電流源、ＣＴＡＴ電流源の形状、サイズ、配置などに関して当業者が設計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受信器のブロック図温度依存性を説明するグラフ図第２の実施形態にかかる光受信器のブロック図出力回路の電源電圧の温度依存性を説明するグラフ図第３の実施形態にかかる光受信器のブロック図第３の実施形態の波形図第４の実施形態にかかる光受信器のブロック図ＰＴＡＴ電源の回路図任意の温度特性を有する電源の回路図

符号の説明

５光受信器、８ＬＥＤ、１０、３０フォトダイオード、１２、３２ＴＩＡ、１４オフセット発生回路、１６コンパレータ、１８出力回路、４０、４２電圧源、４３ダイオード、１４ａ、１４ｂＰＴＡＴ電流源、５０、５１ＣＴＡＴ電流源、Ｖ_ｒｅｇ電圧、Ｖ_ｂｅベース・エミッタ間順方向電圧

Claims

光信号を電流信号に変換可能な第１のフォトダイオードと、
Ｖ_ｒｅｇなる第１の電源電圧が供給され、負帰還抵抗を有し、前記電流信号が入力され電圧信号を出力可能な第１のトランスインピーダンスアンプと、
前記第１のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号が入力され、電圧信号を外部に出力可能な出力回路と、
を備え、
前記第１のトランスインピーダンスアンプに含まれるトランジスタのベース・エミッタ間電圧をＶ_ｂｅとしたとき、（Ｖ_ｒｅｇ−２Ｖ_ｂｅ）なる電圧の温度係数がプラスであることを特徴とする光受信回路。
光信号を電流信号に変換可能な第１のフォトダイオードと、
第１の電源電圧が供給され、負帰還抵抗を有し、前記電流信号が入力され電圧信号を出力可能な第１のトランスインピーダンスアンプと、
前記第１のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号が入力され、電圧信号を外部に出力可能な出力回路と、
を備え、
第１の電源電圧をＶ _ｒｅｇ、トランジスタのベース・エミッタ間順方向電圧をＶ _ｂｅ、絶対温度をＴとしたとき、動作温度Ｔ１において、下記式

Ｖ _ｒｅｇ＝２Ｖ _ｂｅ −２Ｔ１×（ｄＶ _ｂｅ／ｄＴ）

を満たすことを特徴とする光受信回路。
前記出力回路は、出力トランジスタを含み、
直列接続されたＮ個（但し、Ｎ≧１）のダイオードを介して第２の電源電圧が前記出力トランジスタのコレクタに供給され、
前記第２の電源電圧の温度係数は、前記ダイオードの温度係数の略Ｎ倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の光受信回路。
光信号を電流信号に変換可能であり、遮光部を有する第２のフォトダイオードと、
前記第１の電源電圧が供給され、負帰還抵抗を有し、前記第２のフォトダイオードからの前記電流信号が入力され電圧信号を出力可能な第２のトランスインピーダンスアンプと、
前記第１のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号と前記第２のトランスインピーダンスアンプから出力された前記電圧信号とが入力され、これらの電圧信号のうちの、いずれか一方にオフセット電圧を印加して第１の比較電圧信号として出力し、いずれか他方には前記オフセット電圧を印加せず第２の比較電圧信号として出力可能なオフセット発生回路と、
前記第１の比較電圧信号と前記第２の比較電圧信号とが入力され、これら比較電圧信号の大小関係に関する情報を含む信号を、前記出力回路に向けて出力可能なコンパレータと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光受信回路。
前記オフセット電圧は、マイナスの温度係数を有する絶対温度比例電流源を用いて生成可能とされることを特徴とする請求項４記載の光受信回路。