(57)【要約】【課題】エピ−サブ構造のフォトダイオードを用いた受光増幅器において、寄生容量に起因する充放電電流による影響を除去する。【解決手段】光増幅回路は、エピ−サブ構造のフォトダイオードＰＤと、前記ＰＤから出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路１０１と、前記ＰＤと前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１との間で、前記ＰＤから出力される電流から前記ＰＤの寄生容量に起因する充放電電流を除去する補正回路とを備える。前記補正回路は、前記寄生容量に対応する容量を有するコンデンサＣ１０１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピ−サブ構造のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路と、
前記フォトダイオードと前記Ｉ／Ｖ変換回路との間で、前記フォトダイオードから出力される電流から前記フォトダイオードの寄生容量に起因する充放電電流を除去する補正回路と、
を備える光増幅回路。
【請求項２】
前記補正回路は、前記寄生容量に対応する容量を有するコンデンサを備える、
請求項１に記載の光増幅回路。
【請求項３】
前記補正回路は、前記Ｉ／Ｖ変換回路と同一の素子構成に加え、前記寄生容量と同値のコンデンサを備える、
請求項２に記載の光増幅回路。
【請求項４】
前記Ｉ／Ｖ変換回路は、ベースが前記フォトダイオードのカソードに接続し、エミッタがＧＮＤに接続し、コレクタが電源に接続する第１のＮＰＮトランジスタを備え、
前記補正回路は、ベースが前記コンデンサを介して前記ＧＮＤに接続し、エミッタが前記ＧＮＤに接続し、コレクタが前記電源に接続する第２のＮＰＮトランジスタを備え、
前記補正回路の出力と前記Ｉ／Ｖ変換回路の入力とが、前記補正回路内の帰還抵抗と同値の抵抗を介して接続する、
請求項３に記載の光増幅回路。
【請求項５】
光増幅回路を備えるフォトカプラであって、
前記光増幅回路は、
エピ−サブ構造のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路と、
前記フォトダイオードと前記Ｉ／Ｖ変換回路との間で、前記フォトダイオードから出力される電流から前記フォトダイオードの寄生容量に起因する充放電電流を除去する補正回路とを備える、
フォトカプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードにより発生する光電流を電圧に変換する光増幅回路に関し、特に電源変動による誤動作を防止するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
出力にオープンコレクタを用いたフォトカプラには、電源電圧変動時に出力が誤動作しない耐ノイズ性が要求される。この問題に対処するものとして、特許文献１が開示されている。特許文献１に開示される光増幅回路は、ベース−エピ構造のフォトダイオードを備えている。しかしながら、低価格化を図るためには、チップ面積の占める割合が大きいフォトダイオードとして、小型化に向いているエピ−サブ構造のフォトダイオードを利用することが好ましい。
【０００３】
図４は、従来の光増幅回路の構成を例示している。図５は、図４に示す光増幅回路におけるフォトダイオードＰＤの両端の回路構成を示している。図４に示す回路において使用されている能動素子はＮＰＮトランジスタのみであり、オープンコレクタ出力回路となっている。通常は、出力端子ＯＵＴと電源ラインの間に外付けでプルアップ抵抗が挿入される。この回路は、Ｉ／Ｖ変換回路４０１、電圧増幅アンプ４０２、ベース電流補正Ｒｅｆアンプ４０３、ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４、出力トランジスタＱ４０１を含んでいる。図５の抵抗Ｒ５０３、抵抗Ｒ５０６はそれぞれ図４の抵抗Ｒ４０１、抵抗Ｒ４０５に対応する。
【０００４】
図４において、前記ＰＤに光が入射されると、それに応じた光電流ｉｐｄが前記ＰＤのカソードからアノードに向って流れ、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１に入力されるが、ここで抵抗Ｒ４０１が帰還抵抗となり、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１は、ｉｐｄ＝０の状態から、ｉｐｄ×Ｒ５０１だけ下がった電圧Ｖｏ４０１を出力する。
【０００５】
前記電圧Ｖｏ４０１は、電圧増幅アンプ４０２に入力されるが、ここでは帰還抵抗Ｒ４０２，Ｒ４０３の影響により、ｉｐｄ＝０の状態から、Ｖｏ４０１×Ｒ５０３／Ｒ５０２の電圧Ｖｏ４０２が発生し、その電圧がスレッショルド電圧であるＱ４０１のＶｆ以上となると、前記Ｑ４０１がオンとなり、前記ＯＵＴがローレベルとなる。
【０００６】
前記ＰＤで発生する電流はμＡレベルと小さく、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１の入力がＮＰＮＢｉｐトランジスタのエミッタ接地のベースでありベース電流が必要となるため、このベース電流を補正する必要がある。オン、オフレベルを補正する目的でそのベース電流に相当する電流を前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ４０３から供給する。その供給量によってオン、オフレベルの調整も可能となる。
【０００７】
次に前記ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４の動作について説明する。電源電圧に変動が発生すると、各アンプの電位も変動する。この時、前記ＰＤに寄生容量（ＰＤの接合容量）としてＣｐｄが存在するため、前記電源電圧変動によって、前記ＰＤのアノード、カソード間の電位変動がずれ、前記Ｃｐｄに対応する充放電電流が発生する。この充放電電流が前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１に入力されると、前記ｉｐｄが入力された時と同様の動作が行われる。即ち、前記ＰＤへの光入力の有無に関係無く、回路がオン／オフしてしまい、誤動作が生じてしまう。そこで、前記ＰＤのカソードに、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１と同一構成、同一定数の前記ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４を接続することにより、電源電圧変動に対する誤動作を防止する。
【０００８】
図５を参照して、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１及び前記ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４について説明する。ここでは、前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１を例として説明する。前記Ｉ／Ｖ変換回路４０１の基本構成は、ＮＰＮトランジスタＱ５０１，Ｑ５０２のエミッタ接地、エミッタフォロア構成のアンプで、帰還抵抗としてＲ５０３が前記Ｑ５０２のエミッタと前記Ｑ５０１のベースに接続され、前記Ｑ５０１のエミッタは接地端子ＧＮＤに、コレクタは負荷抵抗Ｒ５０１を通して電源端子Ｖｃｃに、また前記Ｑ５０１のコレクタと前記Ｒ５０１の接続点にはエミッタフォロアの前記Ｑ５０２のベースが、前記Ｑ５０２のコレクタは前記Ｖｃｃに、エミッタは抵抗Ｒ５０２を通して前記ＧＮＤに接続されている。前記ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４も同様の構成となっており、前記Ｑ５０１とＱ５０３、前記Ｑ５０２とＱ５０４、前記Ｒ５０１とＲ５０５、前記Ｒ５０２とＲ５０４、前記Ｒ５０３とＲ５０６が同一構成、同一定数となっている。前記ＰＤのアノードが前記Ｑ５０１のベース、カソードが前記Ｑ５０３のベースにそれぞれ接続されている。
【０００９】
上記構成によれば、電源電圧変動が発生した場合、前記ＰＤのアノード、カソードには同一構成、同一定数の回路が接続されているため、アノード、カソードの電位変動も同じとなり、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄには充放電電流が発生せず、誤動作しない。
【００１０】
ところで、近年、フォトカプラに対する低価格化の要求が特に高まっている。このような要求に応えるためには、チップ面積の大きな割合を占めるＰＤを縮小することが効果的である。しかしながら、上記のような従来の構成において、ベース−エピ構造の前記ＰＤを縮小すると、同じＬＥＤの光量によって前記ＰＤが受ける光量が減少する。そのため、Ｉ／Ｖアンプの帰還抵抗を大きくする必要があり、高速化に対応できなくなるという問題が生じる。
【００１１】
そこで、エピ−サブ構造のＰＤを使用することで、同じ面積で同じ光量を受けても、上記ベース−エピ構造より多くのｉｐｄを発生させることができる。これにより、高速化等を犠牲にすることなく、チップのシュリンクを実現することができる。その原理を、図６及び図７を用いて説明する。
【００１２】
図６は、ベース−エピ構造のＰＤを示している。このＰＤは、ベース層Ｐがアノード、エピ層Ｎがカソードとなる。入射した光がｉｐｄとして寄与するのはベース層からエピ層までの領域となり、サブに入射した光は寄与しない。図７は、エピ−サブ構造のＰＤを示している。このＰＤは、エピ層Ｎがカソード、サブ層Ｐがアノードとなる。入射した光がｉｐｄとして寄与するのはエピ層からとサブ層となり、入射した光のほとんどが寄与することとなる。これにより、エピ−サブ構成のＰＤは、ベース−エピ構成のＰＤより多くのｉｐｄを発生させることができ、同じｉｐｄを得るのに必要な面積が比較的小さい。より正確には、図８に示すように、実際に光が寄与するのは、光の波長とＳｉの深さ方向に関連している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−３２８０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、ＢｉｐＩＣの構造上、前記サブは必ず最低電位（ＧＮＤ）となるため、上記エピ−サブ構造のＰＤではアノードは必ずＧＮＤ電位となってしまう。図９は、図４に示す光増幅回路にエピ−サブ構造のＰＤを適用した場合の回路構成例を示している。エピ−サブ構造のＰＤの場合、光が入射された場合の発生するｉｐｄの方向は、Ｉ／Ｖ変換回路９０１がそのカソードに接続されるため、図４に示すベース−エピ構造のＰＤを使用した場合と逆になる。そこで、出力の論理を合わせるため、インバータ回路９０４と帰還抵抗Ｒ９０５，Ｒ９０７からなる反転アンプが挿入され、前記ＰＤカソードＲｅｆアンプ４０４が無くなっている。また、ベース電流補正Ｒｅｆアンプ９０３は、前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ４０３と同様の働きをする。その他の動作も図４の場合と同様である。
【００１５】
しかしながら、上記図９に示す構造においては、前記ＰＤのカソードはアンプに接続されているが、アノードはＧＮＤに接続される。そのため、電源変動によってカソード電位は変動するが、ＧＮＤ電位は変動せず、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄによる充放電電流が発生し、誤動作が生じてしまう。
【００１６】
図１０は、エピ−サブ構造のフォトダイオードにおける正常時及び誤動作時の波形を例示している。本例において、電源電圧Ｖｃｃは図示のように変動している。図１０（Ａ）は、出力がローとなっている状態での正常波形であり、図１０（Ｂ）は、出力がハイとなっている状態での正常波形である。一方、誤動作が生ずると、図１０（Ｃ）に示すように、本来ローレベルにあるべき波形がハイレベルになる場合があったり、図１０（Ｄ）に示すように、本来ハイレベルにあるべき波形がローレベルになる場合があったりする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様は、エピ−サブ構造のフォトダイオードと、前記フォトダイオードから出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路と、前記フォトダイオードと前記Ｉ／Ｖ変換回路との間で、前記フォトダイオードから出力される電流から前記フォトダイオードの寄生容量に起因する充放電電流を除去する補正回路とを備える光増幅回路である。
【００１８】
また、本発明の他の態様は、光増幅回路を備えるフォトカプラであって、前記光増幅回路は、エピ−サブ構造のフォトダイオードと、前記フォトダイオードから出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路と、前記フォトダイオードと前記Ｉ／Ｖ変換回路との間で、前記フォトダイオードから出力される電流から前記フォトダイオードの寄生容量に起因する充放電電流を除去する補正回路とを備えるものである。
【００１９】
上記態様によれば、電源電圧変動時に、エピ−サブ構造のフォトダイオードの寄生容量に起因して発生する充放電電流が、Ｉ／Ｖ変換回路の入力である該フォトダイオードのカソードに流れる。これにより、前記寄生容量に起因する充放電電流が相殺される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、エピ−サブ構造のフォトダイオードを使用した場合でも、該フォトダイオードの寄生容量に起因して発生する充放電電流による影響を除去し、電源電圧変動による誤動作を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光増幅回路の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る光増幅回路におけるＩ／Ｖ変換回路及びベース電流補正Ｒｅｆアンプの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係るフォトカプラの構成を示す図である。
【図４】従来の光増幅回路の構成を例示する図である。
【図５】図４に示す光増幅回路におけるフォトダイオードの両端の回路構成を示す図である。
【図６】ベース−エピ構造のフォトダイオードを示す図である。
【図７】エピ−サブ構造のフォトダイオードを示す図である。
【図８】ベース−エピ構造及びエピ−サブ構造のフォトダイオードそれぞれにおいて、入射した光がｉｐｄとして寄与する領域を示す図である。
【図９】図４に示す光増幅回路にエピ−サブ構造のフォトダイオードを適用した場合の構成を例示する図である。
【図１０】エピ−サブ構造のフォトダイオードにおける正常時及び誤動作時の波形を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光増幅回路の構成を示している。この光増幅回路は、Ｉ／Ｖ変換回路１０１、インバータ回路１０４、電圧増幅アンプ１０２、ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３、出力トランジスタＱ１０１を含んでいる。上記図９に示す光増幅回路との差異は、前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３の入力に、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃｐｄ（ＰＤの接合容量）と同じ容量値のコンデンサＣ１０１が付加されているところにある。前記ＰＤのカソードはＮＰＮトランジスタＱ２０１（図２参照）のベースに接続され、アノードはＧＮＤに接続されているので、前記ＰＤの逆バイアスはＱ２０１のベース・エミッタ間のビルトイン電圧Ｖｆで決まっており、ほとんど一定である。従って、前記Ｃｐｄは等価的に固定容量とみなすことができる。
【００２３】
図２は、前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１及び前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３の構成を示している。前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１は、前記ＮＰＮトランジスタＱ２０１のエミッタがＧＮＤに、コレクタが抵抗Ｒ２０１を通して電源端子Ｖｃｃに接続されている。前記ＮＰＮトランジスタＱ２０１のコレクタと前記抵抗Ｒ２０１の接続点には、ＮＰＮトランジスタＱ２０２のベースが接続されている。前記ＮＰＮトランジスタＱ２０２のコレクタは前記電源端子Ｖｃｃに接続され、エミッタは抵抗Ｒ２０２を介して前記ＧＮＤに接続される。前記ＮＰＮトランジスタＱ２０２のエミッタと前記抵抗Ｒ２０２の接続点は、前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１の出力となり、次段に接続されるとともに、帰還抵抗Ｒ２０３を介して前記ＮＰＮトランジスタＱ２０１のベースに接続される。また、前記ＮＰＮトランジスタＱ２０１のベースには前記ＰＤのカソードが接続され、このＰＤのアノードは前記ＧＮＤに接続される。
【００２４】
前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３も、上記Ｉ／Ｖ変換回路１０１と同様に構成されるため、その説明を省略する。両者１０１，１０３の相違点は、ＮＰＮトランジスタＱ２０３のベースにコンデンサＣ１０１が接続され、このコンデンサＣ１０１の他端が前記ＧＮＤに接続されている点、ＮＰＮトランジスタＱ２０４のエミッタと抵抗Ｒ２０４の接続点から、前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１の入力である前記ＮＰＮトランジスタＱ２０１のベースに抵抗Ｒ１０８が接続されている点である。図２の抵抗Ｒ２０３、抵抗Ｒ２０６はそれぞれ図１の抵抗Ｒ１０１、抵抗Ｒ１０６に対応する。
【００２５】
上記本実施の形態に係る光増幅回路の動作について、図１を参照して説明する。電源電圧が変動すると、前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１の入力電位である前記ＰＤのカソード電位が変動し、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄの充放電電流が発生し、この電流が誤動作の要因となる。本実施の形態に係る受光増幅器においては、前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３の入力と前記ＧＮＤとの間に前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄと同じ値の前記コンデンサＣ１０１が追加されている。前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１と前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３が同一構成、同一定数の回路であれば、前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３の入力電位、すなわち前記コンデンサＣ１０１には、前記ＰＤのカソード電位と同じ変動量が生じる。これにより、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄの充放電電流と同じ充放電電流が前記コンデンサＣ１０１に発生し、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄへの充放電電流ｉｃｐｄが補完され、前記電源電圧の変動による誤動作を防止することができる。
【００２６】
また、本実施の形態に係る光増幅回路の動作について、図２を参照して説明する。電源電圧変動ΔＶｃｃによって前記ＰＤのカソードに印加される電圧変動をΔＶｂｅＱ２０１とし、それに応じて前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄに発生する充放電電流をｉｃｐｄとする。また、同様の電源電圧変動によって前記コンデンサＣ１０１に印加される電圧変動をΔＶｂｅＱ２０３とし、それに応じて前記コンデンサＣ１０１に発生する充放電電流をｉＣ１０１とする。
【００２７】
ここで、前記Ｉ／Ｖ変換回路１０１と前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３とが同一回路で、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄと前記コンデンサＣ１０１とが同じ値であるため、
ΔＶｂｅＱ２０１＝ΔＶｂｅＱ２０３
ｉｃｐｄ＝ｉＣ１０１
となる。
【００２８】
次に、前記ｉＣ１０１によって、前記ベース電流補正Ｒｅｆアンプ１０３の出力である前記ＮＰＮトランジスタＱ２０４のエミッタに発生する電圧変動をΔＶとすると、前記抵抗Ｒ２０６と前記抵抗Ｒ１０８には、下記同じ電位差が生ずる。
ΔＶ−ΔＶｂｅＱ２０３＝ΔＶ−ΔＶｂｅＱ２０１
【００２９】
ここで、前記抵抗Ｒ２０６と前記抵抗Ｒ１０８を同じ値とすることで、前記抵抗Ｒ１０８に流れる電流をＩＲ１０８とすると、
ｉＣ１０１＝ＩＲ１０８＝ｉｃｐｄ
となり、前記ＰＤの寄生容量Ｃｐｄへの前記充放電電流ｉｃｐｄを補完することができ、前記電源電圧変動による誤動作を防止することができる。
【００３０】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２に係るフォトカプラの構成を示している。このフォトカプラは、上記実施の形態１に係る光増幅回路を利用するものであって、前記ＰＤの光入力としてＬＥＤが前記ＰＤの対向位置に設置されている。また、出力がオープンコレクタであり、プルアップ抵抗としてＲ３０５が前記出力端子ＯＵＴ端子と前記電源端子Ｖｃｃ間に接続されている。各アンプの動作については、本発明と同様であるので省略する
【００３１】
尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  Ｉ／Ｖ変換回路
１０２  電圧増幅アンプ
１０３  ベース電流補正Ｒｅｆアンプ
１０４  インバータ回路
Ｃ１０１  コンデンサ
ＰＤ  フォトダイオード
Ｑ１０１  出力トランジスタ
Ｑ２０１〜２０４  ＮＰＮトランジスタ
Ｒ１０１〜１０６，１０８  抵抗
Ｒ２０１〜２０６  抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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