JP2005072924A

JP2005072924A - 光電流・電圧変換回路

Info

Publication number: JP2005072924A
Application number: JP2003299435A
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: DE602004000299T2; EP1510828A1; DE602004000299D1; US20050045807A1; EP1510828B1; US6956195B2

Abstract

【課題】より簡単な回路構成で比較器の非反転入力および反転入力を生成できる光電流・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、反転増幅器３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、比較器１０で閾値電圧Ｖthと比較して２値信号を出力する光電流・電圧変換回路において、反転増幅器３の出力端に接続したオフセット抵抗６に定電流源７による定電流を流して得た電圧Ｖｃを比較器１０の一方の入力としたので、従来回路の比較器に入力される閾値電圧を生成するための分圧抵抗や基準電圧回路の中の非反転増幅器を用いることなく、簡単な回路構成で光電流・電圧変換回路を実現できる。
【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はオペアンプである非反転増幅器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。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）

このように図３に示す従来回路２００では、非反転増幅器１７を用いた基準電圧回路１６や分圧回路２０を用いて閾値電圧Ｖthを生成するために回路構成が大きくなり、チップサイズが大きくなるという問題がある。チップサイズ増大は、製造コスト低減の面で不利である。
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、より簡単な回路構成で比較器の非反転入力および反転入力を生成できる光電流・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、増幅器の出力端に一端が接続されたオフセット抵抗と、オフセット抵抗の他端に接続された定電流源と、オフセット抵抗および定電流源の接続点の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、基準電圧が増幅器の入力端の電圧または帰還抵抗の途中より取出した分割電圧である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、反転増幅器の入力端の電圧または帰還抵抗の途中より取出した分割電圧を比較器の閾値電圧に利用し、反転増幅器の出力端に接続したオフセット抵抗に定電流を流して得た電圧と比較する構成としたので、従来回路の比較器に入力される閾値電圧を生成するための分圧抵抗や基準電圧回路の中の非反転増幅器を用いることなく、簡単な回路構成で光電流・電圧変換回路を実現できる。

光電流・電圧変換回路内の比較器の非反転入力および反転入力を生成する方法を、より簡単な回路構成で実現した。

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はオフセット抵抗で一端が反転増幅器３の出力端に接続され他端が定電流源７を介して接地されている。８は比較器で、非反転入力端にオフセット抵抗６と定電流源７との接続点が接続され、反転入力端に帰還抵抗４ａと帰還抵抗４ｂとの直列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となり閾値電圧Ｖth（＝Ｖ_Ｏ）として比較器８の反転入力端に入力される。一方、反転増幅器３は一般的なオペアンプ回路であり出力インピーダンスが非常に小さく０と見なせるため、オフセット抵抗６に定電流源７による定電流を流すだけで増幅器２の出力電圧Ｖａの直流レベルをシフトさせることができる。したがって、オフセット抵抗６と定電流源７によるオフセット電圧Ｖ_ＯＳだけシフトされた低い電圧Ｖｃ（＝Ｖ_Ｏ−Ｖ_ＯＳ）が比較器８の非反転入力端に入力される。この電圧Ｖｃ（＝Ｖ_Ｏ−Ｖ_ＯＳ）と閾値電圧Ｖth（＝Ｖ_Ｏ）が比較器８で比較され、電圧Ｖｃ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８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、増幅器２の出力端の電圧ＶａはＶａ＝Ｖ_Ｏ＋Ｖｒとなる。この電圧Ｖａが、オフセット抵抗６と定電流源７によるオフセット電圧Ｖ_ＯＳだけオフセットされた低い電圧Ｖｃ（＝Ｖ_Ｏ＋Ｖｒ−Ｖ_ＯＳ）として比較器８の非反転入力端に入力される。一方、増幅器２の反転入力端と出力端間の電圧Ｖｒが帰還抵抗４ａ、４ｂの抵抗比に応じて分割され、これに電圧Ｖ_Ｏを加えた分割電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖthとして比較器８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、Ｖｃ>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、Ｖｃ<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。この出力電圧Ｖａをオフセット電圧Ｖ_ＯＳだけオフセットさせた電圧が図２（ａ）に示す電圧Ｖｃである。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を加えた電圧となり図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８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８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を比較器８の閾値電圧Ｖthに利用し、反転増幅器３の出力端に接続したオフセット抵抗６に定電流を流して得た電圧Ｖｃと比較する構成としたので、従来回路の比較器に入力される閾値電圧を生成するための分圧抵抗や基準電圧回路の中の非反転増幅器を用いることなく、簡単な回路構成で光電流・電圧変換回路を実現できる。

尚、比較器８の反転入力端には帰還抵抗の途中の電圧に替え反転増幅器３の反転入力端の電圧でもよく、この場合、閾値電圧Ｖthは電圧Ｖ_Ｏで一定となる。
また、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８の反転入力端に電圧Ｖｃを入力し、非反転入力端に閾値電圧Ｖthを入力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、１８オフセット抵抗
７、１９定電流源
８、３０比較器
１６基準電圧回路
１７非反転増幅器
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、
前記増幅器の出力端に一端が接続されたオフセット抵抗と、
前記オフセット抵抗の他端に接続された定電流源と、
前記オフセット抵抗および定電流源の接続点の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、
前記基準電圧が前記増幅器の入力端の電圧または前記帰還抵抗の途中より取出した分割電圧であることを特徴とする光電流・電圧変換回路。