(57)【要約】【課題】受光素子（フォトダイオード）の出力信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路において、初段増幅器の増幅率を大きくする。【解決手段】フォトダイオード２で光電変換された電気信号を増幅する初段増幅器３１の出力信号に含まれる直流成分をローパスフィルタ３４にて抽出し、その抽出した直流成分を打ち消すように、初段増幅器３１の入力側にバイアス電流を帰還する。このようにして初段増幅器３１の入力側にバイアス電流を流すことによって、初段増幅器３１に入力される電気信号の直流成分（照明光等の信号成分）を除去することができ、初段増幅器３１の増幅率を大きくすることが可能になる。【選択図】図１
2013005326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電気信号に変換して出力する受光素子に適用され、前記受光素子が出力する電気信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路であって、
前記初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分を検出する直流成分検出手段と、この直流成分を打ち消すように、前記初段増幅器の入力側にバイアス電流を帰還するバイアス手段とを備えていることを特徴とする増幅回路。
【請求項２】
請求項１記載の増幅回路において、
前記直流成分検出手段は、抵抗器とコンデンサとからなり、前記初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分のみを抽出するローパスフィルタであることを特徴とする増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信等において光変調信号を受信する受信器に用いられる増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの光源が出力する可視光を利用してデータ通信を行う可視光通信システムが開発されている。
【０００３】
可視光通信システムの一例として、送信データに応じて照明機器等の光源を点滅制御することにより、照明光（可視光）に光変調信号を重畳して出力する送信器と、この送信器から送信される可視光信号（光変調信号）を受信し、その受信した光変調信号を復調して通信データを取得する受信器とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような可視光通信システム等において、光変調信号を受信する受信器は、光変調信号を電気信号に変換する受光素子（例えば、フォトダイオード）、この受光素子の出力信号を増幅する増幅回路、及び、受信信号を復調する復調回路などを備えている（例えば、特許文献２〜４参照）。
【０００４】
また、この種の受信器に用いられる増幅回路は、例えば、受光素子で光電変換された電気信号（電流信号）を増幅する初段増幅器、この初段増幅器にて増幅された電気信号から光変調信号（通信データ）に対応する周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ、及び、バンドパスフィルタによって抽出された電気信号のゲインを調整して信号の振幅を一定にするＡＧＣ（Ａｕｔｏ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ；自動利得制御）回路などを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５２４６５号公報
【特許文献２】特開２００８−１１７２０６号公報
【特許文献３】特開２００９−１１８１８０号公報
【特許文献４】特開２０１０−１３６１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記した増幅回路において、受光素子で光電変換された電気信号を増幅する初段増幅器の出力には、光変調信号（通信データ）と、照明光等の２つの信号成分が含まれている（図４参照）。
【０００７】
ここで、この種の増幅回路において、初段増幅器で増幅率を稼ぐことが、例えば、微弱な光変調信号の受信にも対応することができ、光変調信号の受信のダイナミックレンジを広げることが可能であるという点で有利である。しかしながら、上述の如く、初段増幅器の出力には光変調信号と照明光等との２つの信号成分が含まれているので、初段増幅器の増幅率を大きくすると、照明光等の信号成分（ほぼ直流成分）も大きく増幅され、初段増幅器の出力が飽和してしまう。このため、初段増幅器の増幅率を大きくすることはできない。
【０００８】
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、受光素子で光電変換された電気信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路において、初段増幅器の増幅率を大きくすることが可能な構成を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子に適用され、前記受光素子が出力する電気信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路であって、前記初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分を検出する直流成分検出手段（例えば、ローパスフィルタ）と、この直流成分を打ち消すように、前記初段増幅器の入力側にバイアス電流を帰還するバイアス手段とを備えていることを技術的特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、初段増幅器の入力側に、直流成分を打ち消す（直流成分をゼロにする）ようなバイアス電流を流しているので、初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分つまり照明光等の信号成分を取り除くことができる。これによって初段増幅器の増幅率を大きくすることができる。
【００１１】
本発明において、初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分を検出する直流成分検出手段の一例として、抵抗器とコンデンサとからなり、初段増幅器が出力する電気信号に含まれる直流成分のみを抽出するローパスフィルタを挙げることができる。このようなローパスフィルタを用いると、簡単な回路構成で直流成分を検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受光素子が出力する電気信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路において、初段増幅器の増幅率を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用する増幅回路を備えた受信器の一例を示すブロック図である。
【図２】ローパスフィルタの一例を示す図である。
【図３】光通信システムを構成する送信器の一例を示すブロック図である。
【図４】フォトダイオードの出力信号を増幅する初段増幅器の出力信号（直流成分を含む信号）の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
この実施形態では、可視光通信にてデータ通信を行う送信器と受信器とを備えた光通信システムにおいて、受信器に設けられる増幅回路に本発明を適用した場合の例について説明する。
【００１６】
まず、光通信システムを構成する送信器１００の一例について、図３を参照して説明する。この例の送信器１００は、変調回路１０１、ＬＥＤ駆動回路１０２、及び、照明機器の光源であるＬＥＤ（発光ダイオード）１０３などを備えている。
【００１７】
変調回路１０１は、通信データ（照明光に重畳するデータ）を変調してＬＥＤ駆動回路１０２に出力する。変調回路１０１の信号変調方式は、光通信などで一般に用いられている変調方式であればよく、例えば、ＡＳＫ方式（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ；振幅偏移変調）方式やＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；パルス位置変調）方式を挙げることができる。また、ＱＰＳＫ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ  ｋｅｙｉｎｇ）方式などの直交変復調方式などを用いてもよい。
【００１８】
ＬＥＤ駆動回路１０２は、変調回路１０１にて変調された変調データに基づいてＬＥＤ１０３を高速点滅する。これによって照明光に重畳して光変調信号（通信データ）が出力される。その出力された光変調信号は受信器１にて受信される。
【００１９】
−受信器−
次に、受信器１について図１を参照して説明する。
【００２０】
受信器１は、上記送信器１００が出力する光変調信号（通信データ）を受光して、その光変調信号を電気信号（電流信号）に変換するフォトダイオード（受光素子）２、このフォトダイオード２で光電変換された電気信号を増幅する増幅回路３、及び、増幅回路３を通過した電気信号（光変調信号）を復調する復調回路４などを備えている。
【００２１】
増幅回路３は、初段増幅器（フォトダイオード受光回路）３１、バンドパスフィルタ３２、可変ゲイン増幅器３３、ローパスフィルタ３４、ＡＤコンバータ３５、処理制御部３６、及び、バイアス回路３７などを備えている。
【００２２】
初段増幅器３１は、オペアンプ３１ａと帰還抵抗器３１ｂとからなる増幅器（Ｉ−Ｖ変換器）であって、フォトダイオード２で光電変換された電気信号を増幅する。初段増幅器３１で増幅された電気信号はバンドパスフィルタ３２に入力される。
【００２３】
なお、初段増幅器（Ｉ−Ｖ変換回路）３１は、オペアンプ３１ａを用いた反転増幅回路であるので、オペアンプ３１ａの出力電圧Ｖは［Ｖ＝−Ｉｐｄ×Ｒ  Ｉｐｄ：フォトダイオード２の出力電流  Ｒ：帰還抵抗器３１ｂの抵抗値］となり、後述する直流成分（図４参照）は負の値となる。
【００２４】
バンドパスフィルタ３２は、例えば、減衰特性が３段バターワース特性（振幅平坦特性）のフィルタであって、初段増幅器３１が出力する電気信号に含まれるノイズ成分を除去して光変調信号（通信データ）のみを抽出する。このバンドパスフィルタ３２にて抽出された光変調信号は可変ゲイン増幅器３３によってゲインが調整される。可変ゲイン増幅器３３はＡＤコンバータ３５にてＡ／Ｄ変換された後に、処理制御部３６に入力される。
【００２５】
処理制御部３６は、バンドパスフィルタ３２にて抽出され、可変ゲイン増幅器３３及びＡＤコンバータ３５を通過した光変調信号（通信データ）に所定の信号処理を行って復調回路４に出力する。具体的には、光変調信号をＡＤコンバータ３５により、光変調信号の２倍より高い周波数でサンプリングし、光変調信号をデジタル信号に変換する（サンプリング定理）。次に、その変換後のデータを移動平均フィルタに通してノイズ除去し復調回路４に出力する。復調回路４は処理制御部３６からの光変調信号を復調して通信データを取得する。
【００２６】
また、処理制御部３６は、ＡＤコンバータ３５の出力値（ＡＤ値）が予め設定した規定範囲内に収まるように、可変ゲイン増幅器３３の増幅率を調整する。このようなＡＧＣ増幅率制御により、バンドパスフィルタ３２を通過した信号の振幅を一定に揃えることができる。
【００２７】
さらに、処理制御部３６は、ローパスフィルタ３４にて抽出された信号（Ａ／Ｄ変換後）に基づいて、バイアス回路３７に、後述する直流成分を打ち消すためのバイアス信号（デジタル信号）を出力する。
【００２８】
−特徴部分−
次に、本実施形態の特徴部分について説明する。
【００２９】
まず、図１に示す増幅回路３において、本実施形態の特徴部分（ローパスフィルタ３４及びバイアス回路３７等）を備えていない場合、初段増幅器３１の出力信号は図４に示すような波形となる。この図４から判るように、初段増幅器３１の出力信号には、光変調信号（通信データ）と、照明光等の２つの信号成分が含まれている。このため、初段増幅器３１の増幅率を大きくすることができない。つまり、初段増幅器３１の増幅率を大きくすると、照明光等の信号成分（ほぼ直流成分）も大きく増幅され初段増幅器３１の出力が飽和してしまう。
【００３０】
このような点を考慮して、本実施形態では、初段増幅器３１の出力信号に含まれる直流成分を抽出し、この直流成分を打ち消すように初段増幅器３１の入力側にバイアス電流を帰還することで、初段増幅器３１に入力される電気信号の直流成分を除去する。その具体的な構成について以下に説明する。
【００３１】
まず、本実施形態では、図１に示すように、初段増幅器３１の出力信号に含まれる光変調信号（通信データ）を除去して直流成分（照明光等の信号成分）を抽出するローパスフィルタ３４と、ＤＡコンバータ３７ａ及び抵抗器３７ｂによって構成されるバイアス回路３７とを設け、このバイアス回路３７の出力端子（抵抗器３７ｂ）を初段増幅器３１の入力側（フォトダイオード２と初段増幅器３１との間）に接続している。
【００３２】
上記ローパスフィルタ３４にて抽出された直流成分はＡＤコンバータ３５にてＡ／Ｄ変換された後に処理制御部３６に入力される。処理制御部３６は、ローパスフィルタ３４で抽出された直流成分（Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号）を一時記憶するとともに、その直流成分を打ち消す（直流成分がゼロになる）ようなバイアス信号（デジタル信号）をバイアス回路３７に出力する。バイアス回路３７では、処理制御部３６からのバイアス信号（デジタル信号）をＤＡコンバータ３７ａでアナログ信号（バイアス電流）に変換し、抵抗器３７ｂを通じて初段増幅器３１の上流側に帰還する。
【００３３】
このようにして、初段増幅器３１の入力側に、直流成分を打ち消すバイアス電流を流すことによって、初段増幅器３１に入力される電気信号の直流成分（照明光等の信号成分）を除去することができ、初段増幅器３１の増幅率を大きくすることが可能になる。これによって、例えば、微弱な光変調信号を受信することが可能になり、光変調信号の受信のダイナミックレンジを広げることができる。
【００３４】
ここで、処理制御部３６は、例えば、上記送信器１００からの送信データを受信する毎に、上記初段増幅器３１の出力信号に含まれる直流成分を取り込んで（一時記憶して）、その直流成分を打ち消すように、バイアス回路３７にバイアス信号を出力する動作（初段増幅器３１の入力側にバイアス電流を流す動作）を順次繰り返す処理を行うようにしてもよい。
【００３５】
なお、以上説明した処理制御部３６及びバイアス回路３７などによって、本発明のバイアス手段が実現されている。
【００３６】
−ローパスフィルタ−
次に、本実施形態に用いるローパスフィルタ３４の一例について図２を参照して説明する。図２に示すローパスフィルタ３４は、１個の抵抗器３４ａと、１個のコンデンサ３４ｂとからなる簡単な回路構成のフィルタである。
【００３７】
本実施形態に用いるローパスフィルタ３４では、上記したように初段増幅器３が出力する電気信号の直流成分のみを抽出することを目的としているので、カットオフ周波数ｆｃを小さい値に設定している。例えば、この例では、図２に示す抵抗器３４ａの抵抗値Ｒを１０ｋΩ、コンデンサ３４ｂの容量Ｃを１μＦとして、カットオフ周波数ｆｃを約１６Ｈｚ［ｆｃ＝１／（２π・Ｒ・Ｃ）≒１６Ｈｚ］に設定している。
【００３８】
そして、このようなローパスフィルタ３４を用いると、簡単な回路構成で、初段増幅器３１の出力信号に含まれる光変調信号（通信データ）を除去して直流成分（蛍光灯光等の信号成分）のみ抽出（検出）することが可能になる。
【００３９】
−他の実施形態−
以上の実施形態では、初段増幅器３１の出力信号に含まれる直流成分を検出する手段として、ローパスフィルタ３４を用いているが、本発明はこれに限られることなく、初段増幅器３１の出力信号に含まれる直流成分を検出できるものであれば、他の回路構成の検出手段を用いてもよい。
【００４０】
以上の実施形態では、変調回路１０１及びＬＥＤ１０３等を有する送信器１００と、フォトダイオード２、増幅回路３及び復調回路４等を有する受信器１とを備えた片方向通信の光通信システムを例にとって説明したが、本発明はこれに限られることなく、送信側及び受信側の両方に、ＬＥＤ駆動回路系（変調回路等）及び受光回路系（復調回路等）を備えさせた双方向通信の光通信システムに用いられる増幅回路にも適用可能である。
【００４１】
以上の実施形態では、ＬＥＤが出力する可視光を利用してデータ通信を行う可視光通信システムを例にとって説明したが、本発明にこれに限られることなく、例えば、蛍光灯などの放電灯、有機ＥＬ、無機ＥＬなどの光源が出力する可視光を利用してデータ通信を行う可視光通信システムに用いられる増幅回路にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、可視光通信などにおいて光変調信号を受信する受信器に用いられる増幅回路に利用可能であり、さらに詳しくは、受光素子で光電変換された電気信号を増幅する初段増幅器を有する増幅回路において、初段増幅器の増幅率を大きくする技術に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  受信器
２  フォトダイオード（受光素子）
３  増幅回路
３１  初段増幅器
３１ａ  オペアンプ
３１ｂ  帰還抵抗器
３２  バンドパスフィルタ
３３  可変ゲイン増幅器
３４  ローパスフィルタ（直流成分検出手段）
３５  ＡＤコンバータ
３６  処理制御部
３７  バイアス回路
３７ａ  ＤＡコンバータ
３７ｂ  抵抗器
４  復調回路
１００  送信器
１０１  変調回路
１０２  ＬＥＤ駆動回路
１０３  ＬＥＤ
【図１】
2013005326.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2013005326.tif 000006