(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード端子に定電圧が印加されたアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードのカソード端子にアバランシェ増幅をさせるだけの定電圧を印加する定電圧源と、
アンプと、
帰還抵抗と、
前記アバランシェフォトダイオードの温度特性に合わせて周囲温度により変動する基準電圧を出力するＩＣで構成された基準電圧発生回路と
を備え、
前記アンプの反転入力端子には、前記アバランシェフォトダイオードのアノード端子が接続されるとともに、前記帰還抵抗を介して前記アンプの出力端子が接続され、
前記アンプの非反転入力端子には、前記基準電圧発生回路の出力端子が接続されており、
前記アンプが、前記アバランシェフォトダイオードから光電流の入力を受けて、前記基準電圧発生回路から入力される基準電圧に基づいて、前記光電流を電圧信号に変換して外部に出力するアンプであり、
前記基準電圧発生回路は、バンド・ギャップ・リファレンス回路と、温度アンプと、レベル変換回路と、反転入力端子及び非反転入力端子を有する反転アンプとを備えて構成され、
前記バンド・ギャップ・リファレンス回路は、前記温度アンプとレベル変換回路とに一定の電圧を入力し、
前記温度アンプは、前記バンド・ギャップ・リファレンス回路が出力する電圧信号を増幅して正の温度係数を持つ電圧信号として前記反転アンプの反転入力端子に入力し、
前記レベル変換回路は、前記バンド・ギャップ・リファレンス回路が出力する電圧信号を予め設定された増幅率に応じて増幅し、前記反転アンプの非反転入力端子に入力し、
前記反転アンプは、前記レベル変換回路が出力する電圧信号を基にして、前記温度アンプが出力する電圧信号を反転入力端子から受けて反転増幅し、負の温度係数を有する基準電圧として外部に出力し、
前記温度アンプの出力電圧を前記反転アンプのゲインを調整することにより、温度係数を前記アバランシェフォトダイオードの温度係数と等しい値に設定するようになっており、
前記反転アンプが常温で出力する基準電圧の値は、前記レベル変換回路の増幅率を調整して設定できるようになっている
ことを特徴とする光検出回路。
【請求項２】
前記アンプの出力端子に交流信号抽出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
【請求項３】
前記アンプが出力する電圧信号と前記基準電圧発生回路が出力する基準電圧との差を演算する差演算手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
【請求項４】
前記アバランシェフォトダイオードと前記基準電圧発生回路とを同一基板上に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を用いた光検出回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＰＤを用いた光検出回路では、ＡＰＤに対してバイアス電圧を供給するバイアス回路が不可欠である。
【０００３】
一方、ＡＰＤは、周囲の温度によって増倍率が図１０に示すように変化することが知られている。図１０は、ＡＰＤの光電流と印加電圧との温度ごとの関係（Ｉ−Ｖ特性）を表す説明図である。
【０００４】
そこで、ＡＰＤの温度特性に合わせて、ＡＰＤのカソード端子に印加する定電圧（バイアス電圧）を調整する温度補償を行う回路が考えられており、一例として、特開平５−７５３５４号（アバランシェフォトダイオードのバイアス回路）がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡＰＤのバイアス回路では、ＡＰＤのカソード端子に印加するバイアス電圧は、ＡＰＤの温度変動をなるべく抑制するために、通常１００Ｖ以上の高電圧になっているが、当該高電圧を制御して温度補償を行っているため、高電圧発生回路等の高電圧を制御する手段が必要となって回路が複雑になり、また、動作電圧が高く、ＩＣの動作電圧の範囲内にないため、ＩＣ化が困難であるという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、簡便な回路で構成でき、ＩＣ化に適し、温度補償を高い精度で行うことができる光検出回路を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光検出回路は、カソード端子に定電圧が印加されたアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードのカソード端子にアバランシェ増幅をさせるだけの定電圧を印加する定電圧源と、アンプと、帰還抵抗と、アバランシェフォトダイオードの温度特性に合わせて周囲温度により変動する基準電圧を出力するＩＣで構成された基準電圧発生回路とを備え、アンプの反転入力端子には、アバランシェフォトダイオードのアノード端子が接続されるとともに、帰還抵抗を介してアンプの出力端子が接続され、アンプの非反転入力端子には、基準電圧発生回路の出力端子が接続されており、アンプが、アバランシェフォトダイオードから光電流の入力を受けて、基準電圧発生回路から入力される基準電圧に基づいて、光電流を電圧信号に変換して外部に出力するアンプであり、基準電圧発生回路は、バンド・ギャップ・リファレンス回路と、温度アンプと、レベル変換回路と、反転入力端子及び非反転入力端子を有する反転アンプとを備えて構成され、バンド・ギャップ・リファレンス回路は、温度アンプとレベル変換回路とに一定の電圧を入力し、温度アンプは、バンド・ギャップ・リファレンス回路が出力する電圧信号を増幅して正の温度係数を持つ電圧信号として反転アンプの反転入力端子に入力し、レベル変換回路は、バンド・ギャップ・リファレンス回路が出力する電圧信号を予め設定された増幅率に応じて増幅し、反転アンプの非反転入力端子に入力し、反転アンプは、レベル変換回路が出力する電圧信号を基にして、温度アンプが出力する電圧信号を反転入力端子から受けて反転増幅し、負の温度係数を有する基準電圧として外部に出力し、温度アンプの出力電圧を反転アンプのゲインを調整することにより、温度係数をアバランシェフォトダイオードの温度係数と等しい値に設定するようになっており、反転アンプが常温で出力する基準電圧の値は、レベル変換回路の増幅率を調整して設定できるようになっていることを特徴としている。
【０００８】
このように、アバランシェフォトダイオードのアノード側の電圧を簡便な回路で制御して、ＩＣの動作電圧程度の電圧で、アバランシェフォトダイオードの増倍率の温度変動を補償し、アバランシェフォトダイオードが受けた光の強度に対応する電圧信号を高い精度で出力できる。従って、本発明では、簡便な回路で構成でき、バイアス電圧以外には高電圧を用いておらず、ＩＣの動作電圧の範囲内で動作するためＩＣ化に適し、温度補償を高い精度で行うことができる。
【０００９】
本発明の光検出回路は、アンプの出力端子に交流信号抽出手段を備えたことを特徴としても良い。また、本発明の光検出回路は、アンプが出力する電圧信号と基準電圧発生回路が出力する基準電圧との差を演算する差演算手段を備えたことを特徴としても良い。
【００１０】
アンプからの出力を交流信号抽出手段で抽出するか、またはアンプからの出力と基準電圧との差を演算する差演算手段で抽出することで、光信号のみを得ることができる。
【００１１】
本発明の光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと基準電圧発生回路とを同一基板上に形成したことを特徴としても良い。
【００１２】
光検出回路を一つの基板に実装することにより、アバランシェフォトダイオードと温度センサとして働く基準電圧発生回路とが互いに近接したものとなり、両者の周囲の温度が略一致することによって、基準電圧の温度係数をアバランシェフォトダイオードの温度係数に合わせる調整が容易にできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を説明する。また、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図１は、本発明の光検出回路の概略の回路図であり、図２は、本発明の光検出回路が出力する電圧信号の一例を表す説明図であり、図３は、温度に対する基準電圧の変化の概略を表す説明図である。また、図４は、基準電圧を出力する回路の一例を表す概略の回路図である。これらを用いて本発明の光検出回路について説明する。
【００１４】
本発明の光検出回路は、図１に示すように、ＡＰＤ１と、アンプ２と、帰還抵抗３（以下、帰還抵抗Ｒfという）と、基準電圧発生回路４とを備えて基本的に構成されている。
【００１５】
ＡＰＤ１は、一般的なアバランシェフォトダイオードであり、図１０に示したようなＩ−Ｖ特性を有するものである。また、ＡＰＤ１のカソード端子には、一定の電圧（ＶR ）が印加されており、アノード端子は、アンプ２の反転入力端子に接続されている。すなわち、ＡＰＤ１が出力する光電流は、アンプ２に反転入力端子（−）を介して入力されることになる。ここで、カソード端子に印加されている電圧ＶR は、ＡＰＤ１にアバランシェ増幅させるだけの電圧として、シリコンの場合で、通常１００Ｖ以上の高電圧になっている。
【００１６】
アンプ２は、反転入力端子を介してＡＰＤ１が出力する光電流を受けて、非反転入力端子（＋）から入力される基準電圧（Ｖref ）に基づいて増幅し、外部に出力するものである。また、アンプ２が出力する電圧信号は、帰還抵抗Ｒf を介して反転入力端子にフィードバックされている。すなわち、アンプ２は、光電流を電圧信号にＩ−Ｖ変換するインピーダンス変換回路として動作するものである。
【００１７】
基準電圧発生回路４は、ＡＰＤ１の温度係数に略一致する温度係数を有する基準電圧Ｖref を出力するものである。
【００１８】
ここで、本発明の光検出回路の動作について説明すると、ＡＰＤ１が受光する光の強度を一定として、基準電圧Ｖref と、ＶR とを一定にした場合、アンプ２の出力端子に得られる電圧信号は、温度上昇に対してＡＰＤ１の増倍率が低下するため、図２（Ａ）に示すように下に凸の曲線を描いて降下するようになっている。
【００１９】
そこで、基準電圧Ｖref の温度係数とＡＰＤ１の温度係数とが略一致するように設定する。すなわち、基準電圧Ｖref の温度係数を負に設定して、図３に示すようなものとすると、ＡＰＤ１に入射する光の強度が一定であるとき、ＶR を一定にした場合、アンプ２の出力端子に得られる電圧信号は、図２（Ｂ）に示すように温度変動を抑制されたものとなって温度補償を達成できる。
【００２０】
このような温度補償は、温度係数が小さいほど、少ない電圧で補償範囲が広くなる。例えば、補償回路を電源電圧５ＶのＩＣで構成すれば、通常ΔＶ＝３〜４Ｖの電圧変化で温度変動に対応でき、補償温度範囲は、ΔＴ＝（ΔＶ／温度係数）となる。
【００２１】
かかる基準電圧発生回路４について図４を参照しつつ説明する。基準電圧を出力する回路は、図４に示すように、バンド・ギャップ・リファレンス（ＢＧＲ）回路４１と、温度アンプ４２と、レベル変換回路４３と、反転アンプ４４と、入力抵抗Ｒ１と、帰還抵抗Ｒ２とを備えて構成されている。
【００２２】
ＢＧＲ回路４１は、いわゆる基準電圧発生回路であり、広い温度範囲にわたって一定の電圧を供給できるものである。ここでは、ＢＧＲ回路４１は、温度アンプ４２とレベル変換回路４３とに当該一定の電圧を入力している。
【００２３】
温度アンプ４２は、ＢＧＲ回路４１が出力する電圧信号を増幅し、正の温度係数を持つ電圧信号として、入力抵抗Ｒ１を介して反転アンプ４４の反転入力端子に入力するものである。つまり、温度アンプ４２は、温度上昇に伴って増幅のゲインが増大するよう作用するものである。
【００２４】
レベル変換回路４３は、ＢＧＲ回路４１が出力する電圧信号を予め設定された増幅率に応じて増幅し、反転アンプ４４の非反転入力端子に入力するものである。
【００２５】
反転アンプ４４は、レベル変換回路４３が出力する電圧信号を基にして、温度アンプ４２が出力する電圧信号を入力抵抗Ｒ１を介して反転入力端子から受けて反転増幅し、負の温度係数を有する基準電圧Ｖref として外部に出力するものである。なお、反転アンプ４４が出力する電圧信号は、帰還抵抗Ｒ２を介して反転アンプ４４の反転入力端子にフィードバックされている。つまり、図４に示す基準電圧Ｖref を出力する回路は、ＢＧＲ回路４１と、温度アンプ４２との組み合わせにより温度アンプ４２からの出力電圧と周囲温度とを１対１に対応づけられることとなり、当該温度アンプ４２の出力電圧を反転アンプ４４のゲインを調整することにより、温度係数をＡＰＤ１の温度係数と等しい値に設定するようになっている。なお、反転アンプ４４のゲインは、帰還抵抗Ｒ２と、入力抵抗Ｒ１との比、Ｒ２／Ｒ１で与えられる。
【００２６】
また、反転アンプ４４が常温（一般には、２５℃）で出力する基準電圧の値は、レベル変換回路４３の増幅率を調整して設定できるようになっている。すなわち、図４に示すような回路が出力する基準電圧を図１のアンプ２の非反転入力端子に供給すれば、図２（Ｂ）に示すように温度による変動を抑制でき、温度補償を達成できることとなる。
【００２７】
例えば、図１のアンプ２のオフセット電圧に温度依存性がない場合には、ＡＰＤ１の温度特性のみを補償する温度係数を有する基準電圧Ｖref が出力されるように反転アンプ４４のゲインを調整する。
【００２８】
また、図１のアンプ２のオフセット電圧に温度依存性がある場合には、ＡＰＤ１の温度特性と当該オフセット電圧の温度特性との双方を補償する温度係数を有する基準電圧Ｖref が出力されるように反転アンプ４４のゲインを調整する。さらに、アンプ２の帰還抵抗Ｒfに温度変動があっても、同様にゲインを調整する。
【００２９】
ただし、現実には図１のアンプ２において、非反転入力端子に印加する基準電圧Ｖref を変動させた場合、反転入力端子の電位も追従して変動するため、ＡＰＤ１のアノード電位が変動する。その結果、アンプ２が出力する電圧信号は光電流を増幅したことによる電圧信号（光信号）と基準電圧Ｖref との和となる。
【００３０】
そこで、光信号のみを抽出するには、アンプ２からの出力から交流成分を抽出するか、基準電圧を減算して抽出することが考えられる。
【００３１】
図５と図６とは、本発明の光検出回路の一例を表す概略の回路図である。図５に示すように、出力端子に交流信号抽出手段、例えば容量Ｃを接続すれば、交流成分のみを抽出でき、光信号を抽出できることとなる。また、図６に示すように、アンプ２の出力と基準電圧Ｖref との差を演算する差演算手段を設けて光信号を抽出するようにしても構わない。具体的には、基準電圧Ｖref の入力を受けて、アンプ２が出力する電圧信号から減算処理する差動アンプ５を設けて光信号を抽出することが考えられる。
【００３２】
本発明の光検出回路によれば、ＡＰＤ１のアノード側の電圧を簡便な回路で制御して、ＩＣの動作電圧程度の電圧で、ＡＰＤ１の増倍率の温度変動を補償し、ＡＰＤ１が受けた光の強度に対応する電圧信号を高い精度で出力できる。
【００３３】
また、本発明の光検出回路によれば、アンプ２のオフセット電圧や帰還抵抗Ｒf に温度変動があっても、当該オフセット電圧や帰還抵抗Ｒf の温度係数を考慮して基準電圧Ｖref を設定することにより、適切な温度補償を行うことができる。
【００３４】
さらに、本発明の光検出回路によれば、略同一の温度係数を有するＡＰＤ１であれば、一つの基準電圧発生回路４を用いて一斉に温度補償を行いつつ、独立に電圧信号を得ることができる。
【００３５】
図７は、本発明の光検出回路の実装例を表す概略の回路図である。図７に示すように、ＡＰＤ１と、アンプ２とをアレイ状に配列した場合でも、一つの基準電圧発生回路４を用いて一斉に温度補償を行いつつ、それぞれのＡＰＤ１に入射する光信号を独立に得ることができる。
【００３６】
さらに、本発明の光検出回路を一つの基板に実装したり、ＡＰＤ１のみを材質の異なる基板上に実装したりすることも考えられる。
【００３７】
図８と図９とは、本発明の光検出回路の実装例を表す説明図である。本発明の光検出回路は、図８に示すように、ＡＰＤ１と、アンプ２と、基準電圧発生回路４とを同一のＳｉ基板１０上に作成し、基板１０上のメタル配線で接続するように構成することが考えられる。尚、アンプ２の出力端子側に電極６が設けられている。
【００３８】
さらに、図９に示すように、ＡＰＤ１を、アンプ２と基準電圧発生回路４とを実装した基板１１とは別の基板（ＡＰＤアレイ基板１２）に作成し、これらの２つの基板をワイヤボンディング等の接続手段１３で外部接続することが考えられる。
【００３９】
尚、図８と図９とは、図７に示したアレイ状の配列を実装した場合の例を表しているものである。
【００４０】
図８に示したように実装すれば、ＡＰＤ１と基準電圧発生回路４において温度センサとして働く温度アンプ４２とが同一の基板上にあり、互いに近接しているため、両者の周囲の温度が略一致したものとなり、基準電圧Ｖref の温度係数をＡＰＤ１の温度係数に合わせる調整が容易にでき、温度補償の精度を高めることができる。
【００４１】
同様に図９に示したように実装しても、両基板の温度が略一致するように配置することで、各基板の材質を異にすることができる。このような構成であっても、図８に示した実装例と同様に、基準電圧Ｖref の温度係数をＡＰＤ１の温度係数に合わせる調整が容易にでき、温度補償の精度を高めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によって、ＡＰＤのアノード側の電圧を簡便な回路で制御して、ＩＣの動作電圧程度の電圧で、ＡＰＤの増倍率の温度変動を補償し、ＡＰＤが受けた光の強度に対応する電圧信号を高い精度で出力できる。
【００４３】
すなわち、本発明によって、簡便な回路で構成でき、バイアス電圧ＶR 以外には高電圧を用いておらず、ＩＣの動作電圧の範囲内で動作するためＩＣ化に適し、温度補償を高い精度で行うことができる光検出回路を提供できる。
【００４４】
また、本発明では、アンプからの出力を交流信号抽出手段で抽出するか、またはアンプからの出力と基準電圧との差を演算する差演算手段で抽出することにより、光信号のみを得ることができる。
【００４５】
さらに、本発明の光検出回路を一つの基板に実装すれば、ＡＰＤと温度センサとして働く温度アンプとを互いに近接させて、両者の周囲の温度を略一致したものとし、基準電圧の温度係数をＡＰＤの温度係数に合わせる調整が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光検出回路の概略の回路図である。
【図２】本発明の光検出回路が出力する電圧信号の一例を表す説明図である。
【図３】温度に対する基準電圧の変化の概略を表す説明図である。
【図４】基準電圧を出力する回路の一例を表す概略の回路図である。
【図５】本発明の光検出回路の一例を表す概略の回路図である。
【図６】本発明の光検出回路の一例を表す概略の回路図である。
【図７】本発明の光検出回路の実装例を表す概略の回路図である。
【図８】本発明の光検出回路の実装例を表す説明図である。
【図９】本発明の光検出回路のもう一つの実装例を表す説明図である。
【図１０】ＡＰＤの光電流と印加電圧との温度ごとの関係を表す説明図である。
【符号の説明】
１…ＡＰＤ、  ２…アンプ、  ４…基準電圧発生回路、  ５…差動アンプ、  ６…電極、  １０…基板、  １１…基板、  １２…ＡＰＤアレイ基板、  １３…接続手段、  ４１…ＢＧＲ回路、  ４２…温度アンプ、  ４３…レベル変換回路、  ４４…反転アンプ
【図１】
0003999325.tif 000002
【図２】
0003999325.tif 000003
【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】
0003999325.tif 000008
【図８】
0003999325.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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