(57)【要約】【課題】フォトカプラにおける発光ダイオードの電流−電圧特性に関する非線形性を改善し、比較的高速の信号伝送が可能であるフォトカプラを提供する。【解決手段】第１及び第２の発光ダイオード（３０、４０）と、第１の発光ダイオード（３０）への入力信号を補正して第２の発光ダイオード（４０）への入力信号を生成し、第２の発光ダイオード（４０）における電流波形を第１の発光ダイオード（３０）における電流波形に対して相補的なものとする補正回路（１５０）と、第１及び第２の発光ダイオード（３０、４０）の発光を検出する少なくとも一つのフォトダイオード（６０、７０）とを有する。【選択図】図１
2005038905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の発光ダイオードと、
前記第１の発光ダイオードへの入力信号を補正して前記第２の発光ダイオードへの入力信号を生成し、前記第２の発光ダイオードにおける電流波形を前記第１の発光ダイオードにおける電流波形に対して相補的なものとする補正回路と、
前記第１及び第２の発光ダイオードの発光を検出する少なくとも一つのフォトダイオードとを有することを特徴とするフォトカプラ装置。
【請求項２】
前記補正回路は、前記第２の発光ダイオードに提供される入力電圧波形を、前記第１の発光ダイオードへの入力電圧波形に対して出力振幅の小さい相似形となるように決定することを特徴とする、請求項１のフォトカプラ装置。
【請求項３】
前記補正回路は、前記入力電圧波形の交流成分を所定のゲインで増幅するよう動作することを特徴とする、請求項２のフォトカプラ装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の発光ダイオードは、一側で接地接続されることを特徴とする、請求項１のフォトカプラ装置。
【請求項５】
前記フォトダイオードは、前記第１及び第２の発光ダイオードに対応して、それぞれの発光を受光するべく個別に設けられた第１及び第２のフォトダイオードを含むことを特徴とする、請求項１のフォトカプラ装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のフォトダイオードによる検出信号の単純和となる信号を出力するよう構成されることを特徴とする、請求項５のフォトカプラ装置。
【請求項７】
前記第１の発光ダイオードと前記第１のフォトダイオードからなる第１の組と、前記第２の発光ダイオードと前記第２のフォトダイオードから成る第２の組とは、それぞれ別個にＩＣパッケージ化されたフォトカプラにより構成されることを特徴とする、請求項５のフォトカプラ装置。
【請求項８】
前記フォトダイオードは、前記第１及び第２の発光ダイオードからの発光を合わせて同時に受光する単一の素子とされることを特徴とする、請求項１のフォトカプラ装置。
【請求項９】
前記補正回路は、前記発光ダイオード及び前記フォトダイオードとともに、単一のＩＣパッケージに含まれることを特徴とする、請求項１のフォトカプラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード及びフォトダイオードを有する改良されたフォトカプラ単体、或いはフォトカプラを応用した装置に関し、特に線形性が改善されたフォトカプラ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、フォトカプラは、入力信号と出力信号の間で信号を絶縁分離するために使用されている。近年、フォトカプラを、その絶縁分離の性質を生かしつつ、高速のアナログ信号伝送に適用することの要求がある。かかる場合には、フォトカプラの非線形性、特にＬＥＤの電圧−電流特性に起因する非線形性が問題となる。即ち、アナログ信号伝送の際に、フォトカプラに強い非線形性があれば、それにより信号のひずみが生じることとなる。
【０００３】
かかる問題を回避するための技術の一例として、負帰還をかける方法が考えられている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。この方法によれば、発光ダイオードの近傍に追加のフォトダイオードが配置される。この追加のフォトダイオードは、発光ダイオードから発光される光量をモニタし、これを発光ダイオードの動作電流にフィードバックする構成としている。
【０００４】
しかしながら、この構成では、正確なモニタが困難であることに加えて、信号を増幅するアンプに伝送信号帯域幅の約１０倍以上の帯域を必要とし、かつ、非線形素子を用いていることから、高速回路の設計が極めて難しい。従って、この構成は、高速の通信用途には、採用することができない。
【０００５】
もっとも、アナログ信号を伝送するのではなく、アナログ信号を一旦ディジタル信号に変換してから伝送し、これを再度アナログ信号に変換する方法も考えられるが、その場合は、ＡＤ／ＤＡコンバータ、或いは変調・復調のための追加の回路を必要とし、回路構成を複雑にするとともに、やはり動作の高速化が難しくなる。
【０００６】
【特許文献１】特表平１１−５０９３６７号公報
【特許文献２】特開昭６１−３６９８１号公報
【０００７】
【発明の解決すべき課題】
そこで本発明は、フォトカプラにおける発光ダイオードの電流−電圧特性に関する非線形性を改善し、比較的高速のアナログ信号伝送が可能であるフォトカプラを提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、フォトカプラの非線形性、特に発光ダイオードの特性に起因する非線形性を改善するために、本発明では、Ｉ−Ｖ特性がほぼ共通する発光ダイオードを２つ備え、一方を主発光素子とし、他方を補正用発光素子としたフォトカプラ装置を提供する。主発光素子に提供される動作入力信号から補正用発光素子に提供される補正用信号が決定される。一例として、補正用信号は電圧波形にして主発光と略相似した波形を有する。この補正用信号は、補正用発光素子の入力として提供される。両発光素子からの発光は、光学的に足しあわされて単一の光電変換検出器（フォトダイオード）で検出されるか、或いは別個の検出器で検出され、その出力が電気的に足しあわされる。かかる光学的或いは電気的な信号の重ね合わせにより、歪みが少ない伝送出力信号が得られる。
【０００９】
本発明によるフォトカプラ装置では、回路に負帰還手段を設ける必要はなく、アナログ／ディジタルの変換も必要とされない。従って、本発明のフォトカプラ装置では高速動作が可能であり、例えば、約３０ＭＨｚ以上で信号歪みの小さいアナログ信号伝送が可能となる。
【００１０】
即ち、本発明は、第１及び第２の発光ダイオードと、第１の発光ダイオードへの入力信号を補正して第２の発光ダイオードへの入力信号を生成し、第２の発光ダイオードにおける電流波形を第１の発光ダイオードにおける電流波形に対して相補的なものとする補正回路と、第１及び第２の発光ダイオードの発光を検出する少なくとも一つのフォトダイオードとを有することを特徴とするフォトカプラ装置が提供される。
【００１１】
好ましくは、補正回路は、第２の発光ダイオードに提供される入力電圧波形を、第１の発光ダイオードへの入力電圧波形に対して出力振幅の小さい相似形となるように決定する。
【００１２】
好ましくは、補正回路は、入力電圧波形の交流成分を所定のゲインで増幅するよう動作する。
【００１３】
好ましくは、第１及び第２の発光ダイオードは、一側で接地接続される。
【００１４】
好ましくは、フォトダイオードは、第１及び第２の発光ダイオードに対応して、それぞれの発光を受光するべく個別に設けられた第１及び第２のフォトダイオードを含む。
【００１５】
好ましくは、第１及び第２のフォトダイオードによる検出信号の単純和となる信号を出力するよう構成される。
【００１６】
好ましくは、第１の発光ダイオードと第１のフォトダイオードからなる第１の組と、第２の発光ダイオードと第２のフォトダイオードから成る第２の組とは、それぞれ別個にＩＣパッケージ化されたフォトカプラにより構成される。
【００１７】
好ましくは、フォトダイオードは、第１及び第２の発光ダイオードからの発光を合わせて同時に受光する単一の素子とされる。
【００１８】
好ましくは、補正回路は、発光ダイオード及びフォトダイオードとともに、単一のＩＣパッケージに含まれる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となるフォトカプラ装置について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を説明する概略図である。
【００２０】
図１に示すように、第１の実施形態によるフォトカプラ装置１０は、入力端子２０、第１の発光ダイオード（主発光素子）３０、第２の発光ダイオード（補正用発光素子）４０、第２の発光ダイオード４０に補正入力信号を提供する補正回路５０、第１の発光ダイオード３０に対応して設けられる第１のフォトダイオード６０、第２の発光ダイオード４０に対応して設けられる第２のフォトダイオード７０、及び出力端子８０を有する。
【００２１】
フォトカプラ装置１０を構成する各要素は、複数のパッケージ化されたＩＣを回路基板に実装して構成される。第１の発光ダイオード３０と第１のフォトダイオード６０、及び第２の発光ダイオード４０と第２のフォトダイオード７０とはそれぞれ独立して光信号の送受信を行うよう構成される必要があるので、通常はこれらの組は独立したフォトカプラＩＣ（参照番号９１、９２参照）とされる。この場合、補正回路は、これらのＩＣの外部に構成されるが、これらのＩＣの一方に含まれる構成であっても良い。尚、フォトカプラ１０は、電気的な絶縁分離を提供するための素子であり、発光ダイオード３０、４０側と、それらの発光を受光するフォトダイオード６０、７０側は、別基板とされる。
【００２２】
尚、第１の発光ダイオード３０と第１のフォトダイオード６０、及び第２の発光ダイオード４０と第２のフォトダイオード７０のそれぞれの組を、全て同じパッケージ内に含ませることもできなくはないが、独立した信号伝送が必要であることから、両組の間に、光学的に分離するための障壁構造が設けられる必要があるため製造は難しい。この場合、同じパッケージ内に第３の基板に設けられた補正回路を含むようにしても良い。
【００２３】
入力端子２０は、通信に使用される高周波信号を受ける端子である。入力端子２０で受けた光信号は、抵抗Ｒｃ１を介して第１の発光ダイオード３０に導かれる。第１の発光ダイオード３０では、入力信号の信号電圧波形に応じて流れる電流により所定の発光を生じる。第１の発光ダイオード３０における電流−電圧特性は通常線形ではないので、信号強度に対する発光強度が非線形となり、これを直接受けるフォトダイオードの出力は信号歪みを生じることになる。この信号歪みを防ぐべく、第２の発光ダイオード４０他の各要素が設けられる。以下にそれらの作用について説明する。
【００２４】
信号補正用の第２の発光ダイオード４０への入力信号は、補正回路５０より提供される。補正回路５０は、第１の発光ダイオード３０への入力信号波形（Ｐ点）を参照して、補正用の電圧信号を生成する。即ち、第２の発光ダイオード４０は、信号波形補正のために補正回路が生成した信号を受信し、それに応じた発光を行う。
【００２５】
本実施形態では、補正回路５０は、図１中のＰ点の電圧波形をｋ倍して相似した電圧波形の信号を形成し、これを補正信号としている。補正信号はＲｃ２を介して、第２の発光ダイオード４０に提供される。
【００２６】
図２には、各信号波形が示される。図中に破線（ＷＶ１）で示すのは、図１中のＰ点における電圧波形である。第１の発光ダイオード３０の入力前段では、信号の電圧波形は既に歪んだものとなっており、無歪正弦波形（一点鎖線：ＷＲ）に比較して、正側で振幅が比較的小さくなっており、負側で振幅が大きくなっている。この電圧波形の歪みは、図示されるように、負端子側で接地接続された発光ダイオードの正端子の入力位置にＰ点が位置することに起因する。
【００２７】
一方で、このときの第１の発光ダイオード３０を流れる電流の波形は実線（ＷＩ１）で示される。一般に発光ダイオードにおける発光強度は、適正な範囲であれば、略電流に比例するものと考えられるので、この電流波形は第１のフォトダイオード６０における検出値に略等しいと考えられる。本図から理解されるように、電流波形、即ち第１のフォトダイオード６０における検出信号の波形は、正側で振幅が大きく、負側で振幅が小さいものとなっている。
【００２８】
前述したように、補正回路５０は、Ｐ点における電圧信号波形に相似した形状の補正用信号波形を提供する。補正用信号が第２の発光ダイオード４０に入力される際には、第２の発光ダイオード４０への入力電圧信号の波形は、Ｐ点における電圧波形に生じる歪みと同様に、更に変形され、図２中に補正信号波形として一点鎖線で示されるように、負側に比して正側で更に小さな振幅とされる（ＷＶ２）。このときの第２の発光ダイオード４０に流れる電流の波形（ＷＩ２）は、実線で示され正側で小さな振幅となり、負側で大きくなる。この電流波形は、第１の発光ダイオード３０におけるのと同様、第２のフォトダイオード７０の出力波形に略等しい。
【００２９】
注目すべき点は、前述の「ｋ」値を適正化することにより、第１の発光ダイオード３０の電流波形と第２の発光ダイオード４０の電流波形との和、即ち第１のフォトダイオード６０の出力波形と第２のフォトダイオード７０の出力波形との和によって、略無歪みの交流信号（Ｗｏｕｔ）を再生できる点である。即ち、第１及び第２の発光ダイオード３０、４０と、それらに対応する第１及び第２のフォトダイオード６０、７０を利用することにより、信号の歪みが補償される。
【００３０】
第１の発光ダイオード３０及び第２の発光ダイオード４０の電流波形の和を形成する際に、電流波形信号の位相ずれが大きい場合には、歪み補償が十分でなくなる可能性もある。そこで、歪みの低減を効率よく実現するために、電流波形の和をとる時に２つの信号の位相を合わせるための構成を備えることができる。具体的な手段として、例えば、回路構成の対称性を良くするためにフォトダイオード６０の後に補正回路５０と同等な遅延を持つバッファーを入れる方法等がある。尚、補正回路５０をより高速なものとすることのみによっても実用上十分な効果を得ることができる。
【００３１】
図３は、補正回路の一例を示す回路図であり、それと組み合わされるフォトカプラとを合わせて示す図である。補正回路５０は、差動増幅器５１を含む。第１の発光ダイオード３０の入力側で分岐された電圧信号は、コンデンサＣ１を介して差動増幅器５１の正端子に入力される。図示されるように、この正端子は、抵抗器Ｒ１（１０ｋΩ）を介して接地されており、負端子は、それより小さい抵抗の抵抗器Ｒ２（２．１５ｋΩ）を介して接地される。尚、負端子は、可変抵抗Ｒｖを介して出力側に接続されるが、最適値に固定された抵抗値を有する抵抗器であっても良い。
【００３２】
図示されるように、補正回路５０の出力は、コンデンサＣ２を介してバイアス端子に接続され、フォトカプラ９２のＬＥＤ端子へと入力される。これにより、補正回路で所定の強度に増幅された交流信号がフォトカプラに入力される。
【００３３】
図１の実施形態では、第１のフォトダイオード６０と第２のフォトダイオード７０の出力波形は、電気的に足し合わされ、和信号として出力される。これによって、入力端子２０に入力された交流信号は、最小限の歪みにして電気絶縁されつつ出力端子８０まで伝送される。尚、第１及び第２のフォトダイオード６０、７０の検出信号、或いはそれらの和信号には、必要な増幅等の信号処理が行われるが、通常知られている増幅方法が適用できるので説明は省略する。
【００３４】
図４は、本発明の第２の好適実施形態となるフォトカプラ装置を示す概略図である。このフォトカプラ装置１５０は、入力端子１２０、第１及び第２の発光ダイオード１３０、１４０、補正回路１５０、フォトダイオード１６０、及び出力端子１８０を含む。通常、第１の実施形態同様に、フォトカプラ１９０が単独のパッケージ化されたＩＣとされるが、補正回路１５０他を含めて単一のＩＣパッケージとすることも可能である。
【００３５】
第１の実施形態と異なる点は、第１及び第２の発光ダイオード１３０、１４０が単一のフォトダイオード１６０により受光される点である。即ち、第１の実施形態と同様に、第１の発光ダイオード１３０には、入力端子１２０からの入力信号が提供され、第２の発光ダイオード１４０には、第１の発光ダイオード１３０の入力側における信号電圧を補正回路１５０で補正した信号が提供される。これらの信号によって発光ダイオード１３０、１４０で発光された光は、単一のフォトダイオード１６０により受光される。
【００３６】
従って、第１の実施形態によれば、第１及び第２のフォトダイオード６０、７０からの信号が、電気的に合成されて和信号とされて出力されたのに対して、第２の実施形態では、フォトカプラ１６０における受光の際に、光量の和（フォトン数の和）として合成されフォトダイオード１６０において、その和に対応する電気信号が出力されることとなる。即ち、再度図２を参照すれば、第２の実施形態においては、第１の発光ダイオード１３０の入力側、即ちＰ点における信号波形、及び第２のフォトダイオード１４０入力側の信号波形を光学的に合成する。即ち、図中右側に示す和波形は、単一のフォトダイオード１６０で受光する光量に等しく、当該フォトダイオード１６０からの出力として理解される。
【００３７】
第２の実施形態による利点は、使用される素子の数を最小にすることができ、これによって装置をより単純に構成することができる点である。特に、フォトダイオードは一つのみであることに加えて、後段における電気的な信号の増幅及びその合成のために追加の回路を必要としないので、実用的にも利点となる。
【００３８】
以上のように、本発明の好適実施形態について説明したが、これはあくまでも例示的なものであり、当業者によって更に様々な変形、変更が可能である。例えば、本実施形態では、発光ダイオードの数を２としたが、更に発光ダイオードを追加することも可能である。この場合、フォトダイオードをそれにあわせて追加することもできるが、単一のフォトダイオードにより３以上の発光ダイオードの光を受光することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の好適実施形態となるフォトカプラ装置を説明する図である。
【図２】本発明の原理を信号波形により説明する図である。
【図３】第１の実施形態で説明される補正回路を説明する図である。
【図４】第２の好適実施形態となるフォトカプラ装置を説明する図である。
【符号の説明】
１０、１１０                フォトカプラ装置
２０、１２０                入力端子
３０、１３０                第１の発光ダイオード
４０、１４０                第２の発光ダイオード
５０、１５０                補正回路
６０、７０、１７０          フォトダイオード
８０、１８０                出力端子
【図１】
2005038905.tif 000003
【図２】
2005038905.tif 000004
【図３】
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【図４】
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