(57)【要約】【課題】フォトダイオード等の受光素子への入射光量の変化に対するパルス幅歪みを最小限に抑えて、信号の伝送レートの高速化をはかる。【解決手段】電気信号を光信号に変換する１次側の発光部からの光信号を２次側の受光部で電気信号に変換して出力する光結合装置において、２次側の受光部のフォトダイオード１で光電変換された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換アンプ２と、電流−電圧変換アンプ２の出力信号に比例した信号が導かれるローパスフィルタ４と、ヒステリシスコンパレータ５とを設け、電流−電圧変換アンプ２の出力信号と、ローパスフィルタ４を通過した信号とをヒステリシスコンパレータ５にて比較して波形整形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を光信号に変換する１次側の発光部からの光信号を２次側の受光部で電気信号に変換して出力する光結合装置において、
２次側の受光部の受光素子で光電変換された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換アンプと、前記電流−電圧変換アンプの出力信号に比例した信号が導かれるローパスフィルタと、比較器とを備え、前記電流−電圧変換アンプの出力信号と、前記ローパスフィルタを通過した信号とを比較器にて比較して波形整形するように構成されていることを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記ローパスフィルタの帯域が、伝送する信号の周波数と同程度であることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
【請求項３】
前記電流−電圧変換アンプの帯域が、伝送する信号の周波数と同程度に制限されているとともに、前記ローパスフィルタの帯域が、電流−電圧変換アンプの帯域よりも数％だけ狭く設定されていることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光結合装置において、前記電流−電圧変換アンプの出力信号と、前記ローパスフィルタを通過した信号にオフセットを持たすことを特徴とする光結合装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光結合装置において、前記電流−電圧変換アンプ、ローパスフィルタ及び比較器を備えた受光回路と、前記受光素子とが同一集積回路上に集積されているとともに、その受光素子上に前記発光部からの光を透過させる導電性の膜が形成されており、その導電性の膜が一定の電位に保持されていることを特徴とする光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトカプラやレーザカプラなどの光結合装置に関し、特に、２次側の受光集積回路における高速化と同相雑音信号除去比（Ｃｏｍｍｏｎ　Ｍｏｄｅ　Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　Ｒａｔｉｏ：ＣＭＲＲ）を高めた光結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なフォトカプラの構成を図６に示す。図６に示すフォトカプラでは、送信側（１次側）に電気信号を光信号に変換する発光素子ＰＤ１（あるいは電圧信号を電流信号に変換する送信用ドライバＩＣと発光素子）が配置されている。また、受信側（２次側）には送信側の発光素子ＰＤ１からの光信号を電気信号に変換する受光素子ＰＤ２と受光集積回路（図示せず）が配置されており、発光素子ＰＤ１と受光素子ＰＤ２とが対向している。このようなフォトカプラでは、１次側の入力信号を電気信号から一旦光信号に変換し、その変換された光信号を、２次側の受光集積回路で再び電気信号に変換して出力することで、１次側と２次側回路とを電気的に遮断し、機器間において電気的に絶縁された状態で信号の送受信を実現するものである。
【０００３】
図７は従来のフォトカプラの電気的構成を示すブロック図である。図７に示すフォトカプラでは、電圧信号を電流信号に変換する送信用ドライバ用ＩＣ６１と発光素子ＰＤ１が配置されている。また、受信側には送信側の発光素子ＰＤ１からの光信号を電気信号に変換する受光素子ＰＤ２と受光集積回路６２が配置されており、発光素子ＰＤ１と受光素子ＰＤ２とが対向している。一般的に、受光素子ＰＤ２は光信号を電流信号に変換するフォトダイオードであり、受光集積回路６２は、フォトダイオード（受光素子ＰＤ２）からの電流信号を電流−電圧変換する電流−電圧変換アンプ６３及び波形整形するためのコンパレータ６４等で構成されており、１つのＩＣチップ（受信用ＩＣ）に集積されている。
【０００４】
ここで、フォトカプラを特徴づける重要な特性として、パルス幅歪み特性がある。近年、特にＦＡ機器は、半導体の高性能化やディジタル機器の拡大などによって高性能化が進んでおり、ＡＣサーボやプログラマブルコントローラのユニット間をノイズ対策や機器保護のために絶縁している、フォトカプラについても高速化が要求されている。例えば、２５Ｍｂｐｓの伝送速度のフォトカプラでは、パルス幅歪みは、パルス幅の４０ｎｓに対して±６ｎｓ以下であり、さらに１００Ｍｂｐｓの伝送速度ではパルス幅１０ｎｓに対して±１ｎｓ以下の特性が要求される。
【０００５】
また、フォトカプラにおいて、発光素子の光出力のばらつきや、発光素子と受光素子間の位置のばらつきによって受光素子に入射する光量が大きく変化する。さらに、受信側ＩＣの製造ばらつきによる受光素子の感度や増幅回路のゲインのばらつきがあり、高速のフォトカプラを実現するためには、受光素子への入射光量の変化に対する出力パルス幅の歪みを最小限に抑える必要がある。
【０００６】
一方、フォトカプラを特徴づける、他の重要な特性として、同相雑音信号除去比（ＣＭＲＲ）がある。
【０００７】
ＣＭＲ特性は、外乱ノイズに対しての誤動作のしにくさを表す量であり、フォトカプラの入力側と出力側に、パルスの立上り／立下りが（ｄｖ／ｄｔ）であるような、急峻なノイズが入った場合、フォトカプラの入出力間の容量Ｃにより、Ｃ（ｄｖ／ｄｔ）のノイズ電流が入力側−出力側間に流れる。このようなノイズ電流の一部が、受光集積回路上のフォトダイオードに流れ込んだ場合、誤動作を生じる原因になる。この誤動作を防ぐ方法として、フォトダイオードと遮光したダミーフォトダイオードを使うことにより、同相のノイズ成分を差動アンプにより除去する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
ダミーフォトダイオードとフォトダイオードを用いた受光回路の構成を図８に示す。ここでは同一形状で相互に特性の等しいフォトダイオード１０１とダミーフォトダイオード１０２を用いている。ダミーフォトダイオード１０２はメタル配線で遮光されており、遮光メタルはカソード電位が与えられている。
【０００９】
前記フォトダイオード１０１とダミーフォトダイオード１０２は、図９に示すように田の字状のクロス配置になっており、フォトダイオード１０１とダミーフォトダイオード１０２に流れ込むノイズ電流が等しくなるようにしている。
【００１０】
図８は典型的なフォトカプラの回路構成を示す図であり、この図８のフォトカプラにおいて、フォトダイオード１０１で検出された光電流は、ＡＭＰ１とＲ１、Ｃ１で構成された電流−電圧変換アンプ１１０で線形に電圧変換された後、ヒステリシスコンパレータ１０３に入力される。これとは対称に、ダミーフォトダイオード１０２を、ＡＭＰ２とＲ２、Ｃ２で構成された電流−電圧変換アンプ１２０に接続し、その電流−電圧変換アンプ１２０の出力をヒステリシスコンパレータ１０３に入力する。そして、図８に示す回路構成において、ノイズが入った場合、フォトダイオード１０１とダミーフォトダイオード１０２の双方に同じレベルのノイズ電流が流れ、差動アンプにより同相成分が打ち消される。従って、出力への影響が無いため、高いＣＭＲ特性を実現することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２５３１０７０号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フォトカプラ等の光結合装置において、高速信号を伝送する際に、入射光量の変化に対する出力パルス幅の歪みを小さくしようとした場合、初段アンプの帯域を十分広く取る必要がある。また、フォトダイオードに入射する光信号の強度の違いによって、フォトダイオード側の初段アンプの出力振幅は変化する。
【００１３】
一方、光信号が大きい場合と小さい場合の信号波形を、ある一定のレベルで波形整形しようとしたとき、初段アンプの出力の立上り時間と立下り時間が大きいほど、すなわち初段アンプの帯域が狭いほど、出力パルス幅の歪みが大きくなってしまう。これを解消するには、電流−電圧変換アンプの帯域を広くすればよいが、アンプ帯域を広くするとＣＭＲ特性が悪化するという問題がある。
【００１４】
本発明はそのような問題を解消するためになされたもので、フォトダイオード等の受光素子への入射光量の変化に対するパルス幅歪みを最小限に抑えることができ、信号の伝送レートを高速化することが可能な光結合装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気信号を光信号に変換する１次側の発光部からの光信号を２次側の受光部で電気信号に変換して出力する光結合装置において、２次側の受光部の受光素子で光電変換された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換アンプと、前記電流−電圧変換アンプの出力信号に比例した信号が導かれるローパスフィルタと、比較器とを備え、前記電流−電圧変換アンプの出力信号と、前記ローパスフィルタを通過した信号とを比較器にて比較して波形整形するように構成されていることによって特徴づけられる。
【００１６】
本発明によれば、受光部の受光素子で光電変換された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換アンプの出力信号と、電流−電圧変換アンプの出力信号に比例した信号でローパスフィルタを通過した信号とを比較器により比較しているので、電流−電圧変換アンプの出力の立上り時は信号の下部で比較され、立下り時は信号の上部で比較されることになる。これにより、固定閾値による比較に対して電流−電圧変換アンプの帯域を上げずに、パルス幅歪みを最小限に抑えることができ、電流−電圧変換アンプの帯域を最小限に抑えることができる。その結果として、ＣＭＲ特性を高くすることができる。
【００１７】
本発明において、ローパスフィルタの帯域は、ノイズによる誤動作を低減するために、伝送する信号の周波数と同程度にすることが好ましい。
【００１８】
本発明において、電流−電圧変換アンプの帯域を、伝送する信号の周波数と同程度に制限するとともに、ローパスフィルタの帯域を、電流−電圧変換アンプの帯域よりも数％だけ狭く設定することが好ましい。このように電流−電圧変換アンプの帯域とローパスフィルタの帯域を設定すると、パルス幅歪みをより効果的に抑えることができる。
【００１９】
本発明において、ローパスフィルタの後段にオフセット回路を付加して、電流−電圧変換アンプの出力信号と、ローパスフィルタを通過した信号にオフセットを持たせるようにしてもよい。このようにすれば、ノイズによる誤動作を最小限に抑えることが可能となり、受信部（受信回路）の感度を最適に調整することができる。
【００２０】
本発明において、電流−電圧変換アンプ、ローパスフィルタ及び比較器などを備えた受光回路と、受光素子とを同一集積回路上に集積するとともに、受光素子上に発光部からの光を透過させる導電性の膜を形成して、その導電性の膜をＧＮＤ電位か、もしくはインピーダンスの十分低い定電圧に接地するという構成を採用すれば、ＣＭＲ特性を大幅に改善することができ、高速・高ＣＭＲのフォトカプラを実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
まず、本発明の光結合装置は、電気信号を光信号に変換する１次側の発光部からの光信号を２次側の受光部（受光回路）で電気信号に変換して出力する装置である。受光部の構成（実施形態）を図１に示す。
【００２３】
本実施形態の受光部は、発光部の発光素子（図示せず）からの光信号を電流信号に変換するフォトダイオード１と受光回路１０によって構成されている。受光回路１０は、電流−電圧変換アンプ２、アッテネータ３、ローパスフィルタ４及びヒステリシスコンパレータ５などを備えている。
【００２４】
フォトダイオード１の電流信号は、電流−電圧変換アンプ２で電圧変換され、その電圧変換された信号（パルス信号）がアッテネータ３及びヒステリシスコンパレータ５に導かれる。アッテネータ３側に導かれるパルス信号は、アッテネータ３にて振幅がＮ倍（０＜Ｎ＜１）にされた後、ローパスフィルタ４において帯域制限されて、パルスの立上り時間／立下り時間が遅くなった信号となり、ヒステリシスコンパレータ５に導かれる。
【００２５】
ヒステリシスコンパレータ５では、電流−電圧変換アンプ２からの出力信号と前記したローパスフィルタ４を通過した信号とを比較して波形整形を行う。
【００２６】
このように、電流−電圧変換アンプ２の出力信号と、電流−電圧変換アンプ２の出力信号に比例した信号でローパスフィルタ４を通過した信号とをヒステリシスコンパレータ５で比較すると、電流−電圧変換アンプ２の出力の立上り時は信号の下部で比較され、立下り時は信号の上部で比較されることになり、固定閾値による比較に対して電流−電圧変換アンプ２の帯域を上げずに、パルス幅歪みを最小限に抑えることができる。
【００２７】
その具体的な動作を図２の信号波形図を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、フォトダイオード１からの電流信号▲１▼は、電流−電圧変換アンプ２で電圧変換され、フォトダイオード電流のピーク電流に比例する電圧出力が波形▲２▼となる。波形▲２▼の振幅はアッテネータ３にてＮ倍（図２ではＮ＝２／３とする）にされ、アッテネータ３から波形▲３▼が出力される。その波形▲３▼はローパスフィルタ４により帯域が制限され、ローパスフィルタ４から波形▲４▼が出力される。波形▲４▼の立上り時間ｔｒ、立下り時間ｔｆ（振幅の１０％から９０％）は、ローパスフィルタ４のカットオフ周波数をｆｃ＿１ｐｆとすると、０．３５／ｆｃ＿１ｐｆとなる。ここで、ローパスフィルタ４のカットオフ周波数ｆｃ＿１ｐｆは、伝送する信号の最大伝送速度により最適化する必要がある。
【００２９】
そして、ヒステリシスコンパレータ５で波形▲２▼と波形▲４▼が比較されるとき、信号の立上りでは波形▲２▼の下の部分で波形▲４▼とクロスし、立下りでは波形▲２▼の上の部分で波形▲４▼とクロスすることにより、入力電流波形▲１▼のパルス幅にほぼ等しいパルスが出力パルス波形▲５▼として出力される。これによって入射光量によるパルス幅歪みを最小限に抑えることができ、高速信号の伝送が可能となる。
【００３０】
以上の実施形態において、図３に示すようにローパスフィルタ４の後段にオフセット回路６を付加してもよい。このようにオフセット回路６を設けておけば、ノイズによる誤動作を最小限に抑えることが可能となり、受信回路１０の感度を最適に調整することができる。
【００３１】
また、フォトダイオード１と受光回路１０を同一集積回路上に集積し、フォトダイオード１上に発光部からの光を透過させる導電性の膜（透明導電膜）を形成して、その導電性の膜をＧＮＤ電位か、もしくはインピーダンスの十分低い定電圧に接地することにより、ＣＭＲ特性を大幅に改善することができ、高速・高ＣＭＲのフォトカプラを実現することができる（図５参照）。
【００３２】
図４は本発明の別の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３３】
この実施形態において、電流−電圧変換アンプ１２は、演算増幅器ＡＭＰと抵抗Ｒｆ、容量Ｃｆで構成されており、フォトダイオード電流Ｉｐｄとすると、電流−電圧変換アンプ１２の出力はＩｐｄ×Ｒｆとなる。なお、容量Ｃｆは帯域制限用の容量であり、電流−電圧変換アンプ１２の帯域は１／（２πＲｆ・Ｃｆ）となる。
【００３４】
電流−電圧変換アンプ１２の帯域は最大伝送信号速度によって決定するが、電流−電圧変換アンプ１２の帯域を広くすると、ノイズによる誤動作がしやすくなるため、伝送信号が通過できる範囲にまで、可能な限り狭くする必要がある。
【００３５】
そして、この実施形態では、電流−電圧変換アンプ１２の出力信号を、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によって分圧してバッファＢ１を通過させ、次いで、抵抗Ｒ１ｐｆと容量Ｃ１ｐｆからなるローパスフィルタ１４を通過させた後、バッファＢ２を通してヒステリシスコンパレータ１５に供給し、電流−電圧変換アンプ１２からの出力信号と比較して波形整形する。この実施形態の場合、抵抗Ｒ１ｐｆと容量Ｃ１ｐｆからなるローパスフィルタ１４のカットオフ周波数（１／（２πＲ１ｐｆ・Ｃ１ｐｆ））を、電流−電圧変換アンプ１２の帯域（１／（２πＲｆ・Ｃｆ））よりも数％（例えば５〜１０％）だけ狭く設定することにより、パルス幅歪みを抑えることが可能になる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気信号を光信号に変換する１次側の発光部からの光信号を２次側の受光部で電気信号に変換して出力する光結合装置において、２次側の受光部の受光素子で光電変換された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換アンプと、電流−電圧変換アンプの出力信号に比例した信号が導かれるローパスフィルタと、比較器とを備え、電流−電圧変換アンプの出力信号と、前記ローパスフィルタを通過した信号とを比較器にて比較して波形整形するように構成しているので、フォトダイオード等の受光素子への入射光量の変化によるパルス幅歪みを低減することができ、信号の伝送レートを高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の信号波形図である。
【図３】本発明の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の別の実施形態の回路構成図である。
【図５】本発明の更に別の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】一般的なフォトカプラの構造を模式的に示す断面図である。
【図７】一般的なフォトカプラの電気的構成を示すブロック図である。
【図８】従来の光結合装置の受光装置の回路構成図である。
【図９】図８の受光装置に用いるフォトダイオードとダミーフォトダイオードの配置を示す図である。
【符号の説明】
１　フォトダイオード（受光素子）
２，１２　電流−電圧変換アンプ
ＡＭＰ　演算増幅器
Ｒｆ　抵抗
Ｃｆ　容量
３　アッテネータ
４，１４　ローパスフィルタ
５，１５　ヒステリシスコンパレータ
６　オフセット回路
１０　受光回路
【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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