(57)【要約】  フィードバック抵抗が出力信号に応じて制御可能に可変である前置増幅回路が提供される。特に、出力が飽和している場合、フィードバック抵抗に並列抵抗器を付加することによって抵抗はより小さな値に低減され、出力が飽和未満まで下げられるが、出力が大きすぎない場合、抵抗はより大きな値であり続け、高い信号対雑音（ＳＮ）を維持するようにする。好ましい実施の形態において、フィードバック抵抗は、出力が常に所定の最大値に達するように変更することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードの出力に接続される前置増幅回路であって、
入力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器に並列に接続されるフィードバック抵抗と
を備え、
前記フィードバック抵抗の値は制御可能に可変である、前置増幅回路。
【請求項２】
前記値は出力信号に応じて制御可能である、請求項１に記載の前置増幅回路。
【請求項３】
前記フィードバック抵抗は、第１の抵抗器と、スイッチを通して前記第１の抵抗器に並列に接続される第２の抵抗器とを含む、請求項２に記載の前置増幅回路。
【請求項４】
前記スイッチをオンにするか又はオフにし、それにより、前記第２の抵抗器を前記第１の抵抗器に対して接続又は切断する制御回路をさらに備える、請求項３に記載の前置増幅回路。
【請求項５】
前記出力信号が所定の値に達した時にのみ前記スイッチはオンにされる、請求項４に記載の前置増幅回路。
【請求項６】
前記制御回路は、前記出力信号を前記所定の値と比較する比較器を備える、請求項５に記載の前置増幅回路。
【請求項７】
前記スイッチはバイポーラトランジスタ又はＦＥＴである、請求項３に記載の前置増幅回路。
【請求項８】
前記フィードバック抵抗は可変抵抗器を含む、請求項１に記載の前置増幅回路。
【請求項９】
前記可変抵抗器の前記値を変更し、それにより、前記出力信号が所定の最大値に実質的に等しくなるように前記増幅器の利得を変化させる制御回路をさらに備える、請求項８に記載の前置増幅回路。
【請求項１０】
前記出力信号は前記増幅器の出力であるか、又は前記増幅器の前記出力を増幅する別の増幅器の出力である、請求項２に記載の前置増幅回路。
【請求項１１】
増幅器とフィードバック抵抗とを有する前置増幅回路において入力信号を増幅する方法であって、
前記増幅器において前記入力信号を受信するステップであって、それによって、第１の出力信号を生成する、受信するステップと、
前記第１の出力信号を基準値と比較するステップであって、それによって、前記第１の出力信号が所定の要件を満たすかどうかを判断する、比較するステップと、
満たさない場合に、前記フィードバック抵抗の値を変更すると共に、前記増幅器において再び前記入力信号を受信するステップであって、それによって、第２の出力信号を生成する、変更すると共に受信するステップと
を含む、前置増幅回路において入力信号を増幅する方法。
【請求項１２】
前記所定の要件は、前記第１の出力信号が前記基準値よりも小さいことである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記変更することは、前記抵抗の前記値をより大きな値からより小さな値へ変化させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記フィードバック抵抗は、第１の抵抗器と、スイッチを通して前記第１の抵抗器に並列に接続される第２の抵抗器とを含み、
前記変更することは、前記スイッチをオンにし、それにより、前記第２の抵抗器を前記第１の抵抗器に接続することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記スイッチは通常時オフである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記所定の要件は、前記第１の出力信号が前記基準値に実質的に等しいことである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記変更することは、前記入力信号に対して前記第２の出力信号が前記基準値に実質的に等しくなるように前記フィードバック抵抗の前記値を変化させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号は前記増幅器の出力である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記前置増幅回路は、前記増幅器の出力を増幅する別の増幅器をさらに備え、
前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号は、前記別の増幅器の出力である、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記基準値は前記増幅器の最大の不飽和値である、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
光入力信号から電気的出力信号を生成する光受信装置であって、
前記光入力信号を受信して、対応する光電流を生成する、光検出器と、
前記光電流を出力電圧に変換する、前置増幅回路と
を備え、
前記前置増幅回路は、
前記光電流を増幅する増幅器と、
前記増幅器に並列に接続されるフィードバック抵抗と
を備え、
前記フィードバック抵抗の値は制御可能に可変である、光受信装置。
【請求項２２】
前記フィードバック抵抗は、
第１の抵抗器と、
スイッチを通して前記第１の抵抗器に並列に接続される第２の抵抗器と
を含む、請求項２１に記載の光受信装置。
【請求項２３】
出力信号が所定の閾値に達すると前記スイッチをオンにする制御回路をさらに備える、請求項２２に記載の光受信装置。
【請求項２４】
前記光検出器はフォトダイオードである、請求項２１に記載の光受信装置。
【請求項２５】
バーコードリーダ又はバーコードスキャナである、請求項２１に記載の光受信装置。
【請求項２６】
増幅器とフィードバック抵抗とを有する前置増幅回路において入力信号を増幅する方法であって、
ａ）前記増幅器において前記入力信号を受信するステップであって、それによって、出力信号を生成する、受信するステップと、
ｂ）前記入力信号が変化しないままである場合に、前記出力信号が所定の値に実質的に等しくなる前記フィードバック抵抗の値を求めるステップと、
ｃ）前記フィードバック抵抗を前記求められた値に変更すると共に、前記増幅器において再び前記入力信号を受信するステップであって、それによって、新たな出力信号を生成する、変更すると共に受信するステップと
を含む、前置増幅回路において入力信号を増幅する方法。
【請求項２７】
前記所定の値は前記出力信号の所定の最大値である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記出力信号は前記増幅器の出力である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記フィードバック抵抗は、制御回路により制御される可変抵抗を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記出力信号を前記所定の値と比較すると共に、それらが等しい場合に、前記ステップｃ）を省略する、比較すると共に省略するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は増幅回路に関し、より具体的には、通常はバーコードスキャナ等の光受信器において用いられる、フォトダイオード等の光検出器により生成される光電流の前置増幅のための前置増幅回路に関する。
【０００２】
バーコードリーダ又はバーコードスキャナ等の光受信器において用いられる２段前置増幅回路は通常、図１に示すような３つの回路ブロックを含む。ブロック１は、フォトダイオードＰＤにより生成される光電流１１を電圧出力１５に変換するための回路である。ブロック２は、周囲光等の低周波雑音を除去するための回路である。ブロック３は、ブロック１からの出力１５を区別すると共に増幅して、前置増幅回路の最終出力１４を後続の段における処理のために生成するための回路である。
【０００３】
ブロック１では、フォトダイオードＰＤが光信号（二重矢印として示される）を受信し、第１段増幅器ＯＰ１への入力信号としてフォトダイオード電流１１を生成する。増幅器ＯＰ１の高い利得を実現するために、フィードバック抵抗（抵抗器Ｒ１として実装される）が増幅器ＯＰ１と並列に接続される。信頼できる出力１５を生成するために、ブロック１の増幅回路の信号対雑音（ＳＮ）比は比較的大きく（例えば２０ｄＢより高く）なければならない。
【０００４】
フィードバック抵抗は望ましくない雑音の主な原因であり、信号対雑音比を高めるにはフィードバック抵抗の値Ｒを増加させる必要があることはよく知られている。しかし、図１に示すような前置増幅回路の設計では、大きな抵抗Ｒは結果として高い利得を意味するため、フィードバック抵抗の値Ｒは最大入力信号１１により制限される。入力信号が高すぎる状況では、このような高利得により、増幅器ＯＰ１が飽和領域で動作することになる可能性がある。すると、増幅器は線形利得素子として動作しなくなるため、この状況は望ましくない。
【０００５】
したがって、フィードバック抵抗は、入力信号が高い時に増幅器が飽和しないよう十分に低くなければならないため、小さい入力信号に関して最適でないことが多い。この問題は、入力信号が大きなダイナミックレンジにわたって変化する時に特に顕著となる。例えば、バーコードリーダ又はバーコードスキャナがバーコードに近い時、又は明るい光（太陽光等）がバーコードリーダに入る時の入力信号は、スキャナが遠くにあるバーコードを読み取る時よりも遥かに大きくなる。したがって、十分な信号対雑音（ＳＮ）比が必要であることから、考え得る最大入力信号に従って決定される比較的小さな値のフィードバック抵抗がバーコード読み取り距離を制限する。
【０００６】
［発明の概要］
したがって、本発明の一目的は、広範囲にわたって可変である入力信号に対して最適な信号対雑音（ＳＮ）比を有する前置増幅回路を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、入力信号が小さい時に許容可能な信号対雑音（ＳＮ）を有すると共に、入力信号が大きい時に飽和しない前置増幅回路を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、最適な又は許容可能な信号対雑音（ＳＮ）を有する前置増幅回路により入力信号を増幅する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の一態様によれば、入力信号を増幅する前置増幅回路が提供される。フィードバック抵抗が増幅器に並列に接続され、当該フィードバック抵抗の値は、好ましくは予期又は測定される入力信号のレベルに応じて、制御可能に可変である。したがって、入力信号が大きい時に飽和を防ぐためにフィードバック抵抗（ひいては利得）の値は低減することができ、それでいて、入力信号が小さい時には十分な信号対雑音（ＳＮ）比を維持するために比較的大きな値であり続けることができる。
【００１０】
好ましい一実施の形態において、フィードバック抵抗は、第１の抵抗器と第２の抵抗器とを含み、第２の抵抗器は、出力信号が所定の閾値に達した時にのみオンにされる通常時オフのスイッチを通して第１の抵抗器に並列に接続される。したがって、入力信号が小さい時、フィードバック抵抗はより大きな値であり続けて高い信号対雑音（ＳＮ）を得るが、入力信号が大きい時、フィードバック抵抗は小さな値に変化させられ、それにより増幅器の利得を低減し、増幅器が飽和モードで動作しないようにする。入力信号が大きい時、フィードバック抵抗の値が小さくなるために雑音が増加しても、その大きな入力信号のためにＳＮは依然として許容可能なレベルに維持されることに留意されたい。
【００１１】
別の好ましい実施の形態において、フィードバック抵抗は単一の可変抵抗器として実装され、その値は、出力信号が所定の最大値に実質的に等しくなるように制御可能に変更される。抵抗値の変化は階段状に増加してもよく、連続的でもよい。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、入力信号を増幅する方法が提供される。本方法は、増幅器において入力信号を受信するステップであって、それによって、第１の出力信号を生成する、受信するステップと、第１の出力信号を基準値と比較するステップであって、それによって、第１の出力信号が所定の要件を満たすかどうかを判断する、比較するステップと、満たさない場合に、フィードバック抵抗の値を変更すると共に、増幅器において再び入力信号を受信するステップであって、それによって、新たな出力信号を生成する、変更すると共に受信するステップとを含む。したがって、フィードバック抵抗の値は、増幅回路の最適性能を実現するように、観測される出力信号の大きさに応じて調節することができる。
【００１３】
好ましい一実施の形態において、第１の出力信号が基準値に達するか又は基準値よりも大きい時、フィードバック抵抗の値はより大きな値からより小さな値へ変化させられる。好ましくは、フィードバック抵抗は、第１の抵抗器と、スイッチを通して第１の抵抗器に並列に接続される第２の抵抗器とを含み、フィードバック抵抗の値の変化は、第２の抵抗器を第１の抵抗器に接続するようにスイッチをオンにすることによって行われる。
【００１４】
別の好ましい実施の形態において、フィードバック抵抗の値は、新たな出力信号が基準値に実質的に等しくなるように変化させられる。
【００１５】
別の好ましい実施の形態において、読み取るべき信号の１回又は複数回の走査が、最初に、システムを較正するために、より具体的には、第２の抵抗器をスイッチにより接続すべきかどうか、又は可変抵抗器をどのように変えるべきかを判定することによって行われる。次に、シンボルを読み取るために１回又は複数回の実際の走査が行われる。
【００１６】
上記及び他の特徴及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を添付図面に関連して読むことでより明確になるであろう。
【００１７】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明による前置増幅回路の好ましい実施形態を図２ａ及び図３ａに示し、それらの動作を図２ｂ及び図３ｂに示す。同様の要素を示すために全図を通じて同様の参照符号を用いる。
【００１８】
図２ａは、４つの回路ブロックを含む本発明による２段前置増幅回路の第１の好ましい実施形態を示す。ブロック１及びブロック３の回路は、図１に示すような従来技術の前置増幅回路と同じであるため、さらなる説明は行わない。
【００１９】
ブロック１の回路は、フィードバック抵抗が、第１段増幅器ＯＰ１に並列に接続される抵抗器Ｒ１だけでなく、通常時オフのスイッチＳＷを通して抵抗器Ｒ１に並列に接続される別の抵抗器Ｒ２も含むという点で図１に示すものと異なる。したがって、フィードバック抵抗の値は、より大きなもの（スイッチＳＷがオフにされた時）とより小さなもの（スイッチＳＷがオンである時）とから選択することができる。
【００２０】
ブロック４は、スイッチＳＷをオン又はオフにするように制御する制御回路である。より具体的には、増幅器ＯＰ１の出力１５を増幅することにより生成される、ブロック３の第２段増幅器ＯＰ２の出力１４が、制御回路（ブロック４）の比較器１２に供給される。比較器１２は、出力１４を基準信号１３と比較して結果を制御器１６に供給し、制御器１６はこれに応答して抵抗器Ｒ２のスイッチＳＷをオン又はオフにする。
【００２１】
基準信号１３は、増幅器ＯＰ２の出力１４が飽和する所定の値を有する。比較器１２からの結果が、出力１４が基準信号１３の値に達するか又はその値よりも大きいことを示す場合、制御器１６はスイッチＳＷをオンにして抵抗器Ｒ２を抵抗器Ｒ１と並列に接続し、フィードバック抵抗の値を下げ、よって増幅器ＯＰ１の利得を低減する。その結果、増幅器ＯＰ２への入力である出力１５も低減されるため、増幅器ＯＰ２の出力１４は飽和レベル未満まで下がる。
【００２２】
図２ａに示す２段前置増幅回路の動作を、図２ｂに関して以下に説明する。ステップ２００において、前置増幅回路は第１段増幅器ＯＰ１において入力信号１１を受信し、第２段増幅器ＯＰ２において出力１４を生成する。図２ａに示すように、入力信号１１は、バーコードリーダ又はバーコードスキャナ等の光入力信号からフォトダイオードＰＤにより生成されてもよい。第１段増幅器ＯＰ１の出力１５が第２段増幅器ＯＰ２へ入力信号として供給され、前置増幅回路の最終出力１４が生成される。ステップ２１０において、増幅器ＯＰ２からの出力１４を基準信号１３と比較するために比較器１２に供給し、ステップ２２０において、出力１４が基準信号１３（増幅器ＯＰ２の飽和レベルに等しいことが好ましい）を下回るかどうかに関する結果を得る。出力１４が基準信号１３よりも低い場合、ステップ２５０において出力１４をさらなる処理のために次段に供給する。出力１４が基準信号１３以上である（よって飽和している）ことが分かった場合、ステップ２３０において制御器１６によりスイッチＳＷをオンにし、よってフィードバック抵抗をより大きな値からより小さな値へ変化させる。スイッチＳＷがオンになると、ステップ２４０において、第１段増幅器ＯＰ１が再び入力信号１１を受信し、新たな出力１４を生成する。これは例えば、バーコードを再び走査することによって行われてもよい。ステップ２５０において、新たな出力１４をさらなる処理のために次段に供給する。
【００２３】
したがって、入力信号１１が比較的小さい時、例えば、スキャナがバーコードから遠くにある時、出力１４は飽和レベルを下回る。スイッチＳＷは通常時オフであるため、フィードバック抵抗は第１の抵抗器Ｒ１のみを含み、よって大きな値を取る。この結果、高い信号対雑音（ＳＮ）が得られる。
【００２４】
スキャナがバーコードの近くにある時、大きな光電流が増幅器ＯＰ１への入力信号１１として生成される。光電流が増幅器で処理するには大きすぎる場合、スイッチＳＷが自動的にオンにされ、第２の抵抗器Ｒ２が抵抗器Ｒ１と並列に接続され、フィードバック抵抗ひいては増幅器ＯＰ１の利得が低減されるため、増幅器ＯＰ２の出力１４は飽和レベル未満まで下げられる。フィードバック抵抗の低減は雑音を増加させるが、このような状況は入力信号が高い場合にのみ生じるため、許容可能な信号対雑音比が達成される。
【００２５】
通常、必須ではないが、１回目の走査サイクルは抵抗を調節するために用いられ、その後の走査サイクルが実際にデータを読み取るために用いられる。したがって、１回目の走査後、追加の抵抗は必要に応じてスイッチにより回路に接続されるか又は回路から切断される。
【００２６】
図３は、本発明による別の好ましい実施形態を示す。本実施形態では、２つの並列抵抗器Ｒ１及びＲ２を用いる代わりに、フィードバック抵抗は、制御器１６により値が変化するように制御される単一の可変抵抗器Ｒ３を含む。第１段増幅器ＯＰ１の出力１５が、可変抵抗器Ｒ３の変化を制御するために用いられる。より具体的には、出力１５は、基準信号１３と比較するために比較器１２に供給される。
【００２７】
好ましくは、基準信号１３の値は増幅器ＯＰ１の出力１５の所定の許容可能な最大値に等しく、この値は、増幅器ＯＰ１の飽和レベルを下回り、次段の増幅器ＯＰ２において飽和出力１４を生じない。比較器１２は、増幅器ＯＰ１の出力１５が基準信号１３に実質的に等しいかどうかを判断し、その結果が制御器１６へ供給される。制御器１６は、同一の入力信号１１において出力１５が基準信号１３と等しくなる可変抵抗器Ｒ３の新たな値を求めるアルゴリズムを含むマイクロプロセッサであってもよい。新たな値が求められると、制御器１６は制御信号を可変抵抗器Ｒ３へ送り、可変抵抗器Ｒ３を新たに求められた値に変更する。
【００２８】
次に、図３ａに示す前置増幅回路の動作を以下の通り説明する。ステップ３００において、第１段増幅器ＯＰ１は入力信号１１を受信して増幅器ＯＰ１の出力１５を生成する。入力信号１１は、スキャナのフォトダイオードＰＤによって、バーコードから反射された光入力から生成される光電流であってもよい。増幅器ＯＰ１の出力１５を、ステップ３１０において基準信号１３と比較するために比較器１２へ供給する。出力１５が基準信号１３に等しい場合、出力１５は処理のために第２段増幅器ＯＰ２に供給される。出力１５が基準信号１３に等しくない場合、制御器１６は、ステップ３３０において、適切なアルゴリズムを実行することによって可変抵抗器Ｒ３の新たな値を求める。ステップ３４０において、制御器１６は指令信号を可変抵抗器Ｒ３へ送り、抵抗器Ｒ３の値を求められた新たな値に変更する。次に、ステップ３５０において、増幅器ＯＰ１は再び入力信号１１を受信し（これは、実質的に同じ距離でバーコードを再び走査することによって行ってもよい）、新たな出力１５を生成する。この新たな出力１５は、増幅器ＯＰ１の所定の最大出力に実質的に等しくなるであろう。新たな出力１５を次に、ステップ３６０において第２段増幅器ＯＰ２により処理する。
【００２９】
本実施形態を用いた場合、可変抵抗器Ｒ３は常に、出力１５の所定の最大値を生成する値に調節され得る。より具体的には、出力１５が許容可能な最大値よりも大きい場合（例えば出力１５が飽和している場合）、抵抗器Ｒ３及びひいては増幅器ＯＰ１の利得は低減されるため、出力１５は、飽和レベル未満の所定の最大値まで下がる。出力１５が所定の最大値よりも小さい場合、可変抵抗器Ｒ３は、制御器１６により求められる、より大きな値に変更されるため、増幅器ＯＰ１の利得が増加して所定の最大値の出力１５が生成されると共に、信号対雑音（ＳＮ）が増加する。したがって、特定の入力信号毎に、可変抵抗器Ｒ３は常に、出力１５に鑑みて許容可能な最大値を取るように変更され、よって結果として、あらゆる特定の入力信号に対して実質的に最高の信号対雑音（ＳＮ）が得られる。
【００３０】
上記は本発明の好ましい実施形態を詳細に説明してきた。しかし、本発明の主旨から逸脱することなく、当業者には多数の変形、変更及び適応が容易に利用可能であることを理解すべきである。例えば、フィードバック抵抗を微調整するために、図２ａの実施形態における抵抗器の一方又は両方もまた値が可変であってもよい。図２ａ及び図３ａに示す両方の実施形態において基準信号１３と比較される出力信号は、増幅器ＯＰ２の出力１４又は増幅器ＯＰ１の出力１５とするか、或いは前置増幅回路内の適切な任意の場所における出力とすることができる。さらに、図３ｂのステップ３１０及び３２０は省略してもよい。このように、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲においてのみ規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術における従来の前置増幅回路を示す図である。
【図２ａ】本発明による前置増幅回路の第１の実施形態を示す図である。
【図２ｂ】図２ａの前置増幅回路の動作を示すブロック図である。
【図３ａ】本発明による前置増幅回路の第２の実施形態を示す図である。
【図３ｂ】図３ａの前置増幅回路の動作を示すブロック図である。
【図１】
2008518490.tif 000003
【図２ａ】
2008518490.tif 000004
【図２ｂ】
2008518490.tif 000005
【図３ａ】
2008518490.tif 000006
【図３ｂ】
2008518490.tif 000007
【国際調査報告】
2008518490.tif 000008
2008518490.tif 000009