JPH02193402A - 光結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、テレビジョンセットのビデオ信号入力端子な
どの電気的絶縁に用いられ、発光素子と受光素子とを組
み合わせて、光により信号を伝え入出力間を電気的に絶
縁することのできる光結合素子に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の光結合素子は、例えば第２図に示すように、発光
回路２１において、交流入力信号となる入力電圧■、が
抵抗Ｒｔ１を介して接地されているとともに、コンデン
サＣ怠、を介してトランジスタＱ□のベースに接続され
ている。トランジスタＱ□は、ベースが抵抗Ｒ０を介し
て電源電圧ＶＣＣＩに接続されるとともに、抵抗Ｒ０を
介してトランジスタＱ。のベースおよびコレクタに接続
される一方、エミッタが抵抗Ｒ２４を介して接地されて
いる。また、トランジスタＱ。は、エミッタが接地され
ている０発光ダイオードＤＬ、、は、カソードがトラン
ジスタＱ！１のコレクタに接続され、アノードが電源電
圧ＶＣＣＩに接続されている。

一方、受光回路２２において、フォトダイオードＰＤｔ
、は、カソードが電源電圧Ｖ　ＣＣＩに接続され、アノ
ードがトランジスタＱ、のベースおよびログダイオード
Ｄ□のアノードに接続されている。

トランジスタＱ！、は、コレクタが電源電圧ｖ　ｃｃｚ
に接続されており、エミ°ツタが抵抗Ｒ２Ｓを介して接
地されるとともに、トランジスタＱｚ＜のベースに接続
されている。トランジスタＱ意、は、コレクタが抵抗Ｒ
□を介して電源電圧ｖ　ｃｃｔに接続されるとともに、
積分回路２３を介して差動増幅器２４のプラス入力端子
に接続される一方、エミッタが接地されている。そして
、上記トランジスタＱ　ｚａのコレクタ電圧が出力電圧
ｖ０として現れている。

また、差動増幅器２４は、マイナス入力端子が基準電圧
源２５に接続され、出力端子がログダイオ７−ドＤ□の
カソードに接続される一方、駆動電圧として電源電圧ｖ
　ｃｃｚが印加されている。

上記のような構成では、発光回路２１においてトランジ
スタＱ！ｌが抵抗ＲｔＺ”ＲＺ３によって分圧されてい
る電源電圧ＶＣＣＩをベース電圧とするとともに、抵抗
Ｒｔ４による電圧降下をエミッタ電圧とすることにより
バイアスされる。また、トランジスタＱ□のベースにコ
ンデンサＣ□を介して交流入力電圧Ｖ！が供給される。

すると、発光ダイオードＤＬｚ＋には、トランジスタＱ
　ｚ　ｌのコレクタ電流に交流電流が重畳された電流が
流れる。

受光回路２２では、発光ダイオードＤｔ、ｚｔからの光
が、フォトダイオードＰＤｚＩにおいて光電流に変換さ
れる。この光電流は、ログダイオードＤｚ＋によって光
電流の対数値に比例する電圧に変換されるが、このよう
な対数変換により、光電流に含まれる交流電流成分と直
流電流成分との比に比例し、光結合素子の電流伝達率に
依存しない交流出力電圧が得られる。そして、トランジ
スタＱｔ４と抵抗Ｒ０とからなる逆対数増幅器によって
逆対数変換が施され、交流入力電圧■□に対して線形な
交流出力電圧■。が得られる。

このとき、差動増幅器２４は、光電流の直流成分の変化
に対して負帰還動作を行い、光結合素子の電流伝達率が
変化しても、上記逆対数増幅器の利得が変動しないよう
に一定に保っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記従来の光結合素子において、発光ダイオ
ードＤＬｔ、に流れる直流電流Ｉ□ＤＣＩ　はトランジ
スタＱ！怠のベース・エミッタ間電圧をＶｍｔｔｔとす
れば、 によって示されるように、電源電圧ｖｃｃ１の変動に従
って変動する。

出力電圧ｖ０は１．発光ダイオードＤＬｚ＋に流れる交
流電流ＩＦ（ＡＣ）　　と直流電流Ｉ　Ｆ　（ＤＣ）　
との比であるＩ　ｒ５（ａｃ＋　／　Ｉ　Ｆ　＜ｎｃ＋
　に比例するので、上記直流電流ＩＦ（ＤＣ）の変動す
なわち電源電圧ＶＣＣＩの変動に従って変動するという
問題点を有していた。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光結合素子は、上記課題を解決するために
、電流を光に変換する発光素子と、発光素子に電流を供
給するトランジスタと、温度補償されるとともに上記ト
ランジスタを定電圧にて駆動する定電圧駆動回路と、上
記発光素子の発する光を受光し電流に変換する受光素子
と、受光素子に流れる電流をこの電流の対数に比例する
電圧に変換するログダイオードと、ログダイオードによ
って変換された電圧を逆対数変換する逆対数増幅器と、
逆対数増幅器の利得を一定に保つ利得安定手段とを備え
たことを特徴としている。

〔作　用〕

上記の構成によれば、定電圧駆動回路は、温度補償され
ているので、温度変化に影響されることなく定電圧でト
ランジスタを駆動することができる。このため、トラン
ジスタは発光素子に一定の直流電流を流すことができる
。

また、受光素子に流れる電流がログダイオードによりこ
の電流の対数に比例する電圧に変換される。ログダイオ
ードの微分抵抗は、光電流の直流成分に反比例するので
、ログダイオードに発生する交流電圧は、上記微分抵抗
と光電流の交流成分とを乗算して、光電流の交流成分と
直流成分との比として得られる。ところで、光電流の直
流成分および交流成分は、発光素子に流れる直流電流お
よび交流電流が所定の電流伝達率により変換されること
により得られる。それゆえ、光電流の交流嚢分と直流成
分との比、すなわち発光素子に流れる交流電流線分と直
流電流成分との比によって決定される一方、電流伝達率
に依存しない交流電圧を得ることができる。

ログダイオードにより対数変換された交流電圧は、逆対
数増幅器によって逆対数変換される。このとき、逆対数
増幅器の交流出力電圧は、発光素子に流れる交流電流成
分と直流電流成分との比に比例するが、上記交流電流成
分が交流入力電圧に比例することから、上記交流出力電
圧は交流入力電圧に対して線形となる。また、逆対数増
幅器は、利得安定手段により利得が一定に保たれるので
、安定した電圧を出力することができる。

このように、光結合素子の出力電圧は、発光素子に流れ
る直流電流に依存するので、これを一定にすることによ
り、電源電圧の変動等の影響を受けず常に安定した状態
で得られる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に基づいて説明すれば、以下
の通りである。

光結合素子は、第１図に示すように発光素子となる発光
ダイオードＤＬ、を備えた発光回路ｌと、受光素子とな
るフォトダイオードＰＤ、を備えた受光回路２とからな
っている。

発光回路１において、交流入力信号となる入力電圧■直
が抵抗ＲＩを介して接地されるとともに、コンデンサＣ
Ｉを介してトランジスタＱ、のベースに接続されている
。トランジスタＱ、は、エミッタが抵抗Ｒ２を介して接
地され、コレクタが発光素子となる発光ダイオードＤ　
Ｌ　＋のカソードに接続されている。そして、発光ダイ
オードＤ　Ｌ　Ｉのアノードは、電源電圧■。、Ｉに接
続されている。

上記トランジスタＱ、は、後述する定電圧駆動回路３に
より定電圧駆動されて、発光ダイオードＤＬ、に一定の
直流電流を供給するようになっている。

また、トランジスタＱ２〜Ｑｓのエミッタおよびトラン
ジスタＱ６のコレクタは、ともに電源電圧ＶＣＣＩに接
続されている。トランジスタＱ２は、ベースがトランジ
スタＱ３〜Ｑ、のベースに接続され、コレクタがトラン
ジスタＱ、のコレクタおよびベースに接続されている。

トランジスタＱ。

のエミッタは、トランジスタＱ−のコレクタおよびベー
スに接続されている。上記トランジスタＱ２〜Ｑ４は、
カレントミラー回路を構成している。

トランジスタＱＩｌのエミッタは、抵抗Ｒ５を介してト
ランジスタＱ、のコレクタおよびベースに接続される一
方、トランジスタＱ、のエミッタは接地されている。ト
ランジスタＱｈは、ベースがトランジスタＱ、のベース
に接続され、エミッタがトランジスタＱ、のベースに接
続されている。

トランジスタＱ３のコレクタは、トランジスタＱ　＋　
ｏのコレクタおよびベースに接続されるとともに、コン
デンサＣｔを介してトランジスタＱ目のベースに接続さ
れている。トランジスタＱ　Ｉｏのエミッタは、抵抗Ｒ
４を介して接地されている。トランジスタＱ　、ｔは、
コレクタがトランジスタＱ４のコレクタに接続され、ベ
ースがトランジスタＱＩ。

のベースに接続される一方、エミッタが接地されている
。上記トランジスタＱ　Ｉｏ・Ｑｌ！は、エミッタの面
積比が１０＝１となるように設定されている。

トランジスタＱＳは、ベースとコレクタとが互いに接続
されるとともに、トランジスタＱ　Ｉ＋のコレクタに接
続されており、トランジスタＱ目のエミッタは、抵抗Ｒ
３を介して接地されている。また、上記トランジスタＱ
Ｓ　−Ｑ、、によって負帰還回路が構成されている。

上記トランジスタＱ２〜Ｑ　＋　ｔ、抵抗Ｒ１〜Ｒ６お
よびコンデンサＣｔからなる回路は、温度変化に介して
一定電圧を出力するように温度補償されており、定電圧
でトランジスタＱ１を駆動する定電圧駆動回路３として
動作するようになっている。

一方、受光回路２において、フォトダイオードＰＤ、は
、カソードが電源電圧ｖ　ｅｃｚに接続され、アノード
がトランジスタＱ１３のベースおよびログダイオードＤ
＋　のアノードに接続されている。

トランジスタＱ　ｒ　ｓは、コレクタが電源電圧ｖｃｃ
ｚに接続され、エミッタが抵抗Ｒ６を介して接地される
とともに、トランジスタＱ　ｉ　ａのベースに接続され
ており、上記抵抗Ｒ６とでエミッタホロワを形成してい
る。トランジスタＱ、４は、コレクタが抵抗Ｒ１を介し
て電源電圧ｖ　ｃｅｚに接続されるとともに、積分回路
４を介して差動増幅器５のプラス入力端子に接続される
一方、エミッタが接地されている。上記トランジスタＱ
、４と抵抗Ｒ１とて逆対数増幅器６が構成されており、
トランジスタＱ１４のコレクタ電圧が出力電圧ｖ０とし
て現れている。

差動増幅器５は、マイナス入力端子が基準電圧源７に接
続され、出力端子がログダイオードＤ＋のカソードに接
続される一方、駆動電圧として電源電圧ｖ　ｃｃｔが印
加されている。差動増幅器５は、逆対数増幅器６の利得
を一定に保つ利得安定手段として動作するようになって
いる。また、上記ログダイオードＤ＋　は、フォトダイ
オードＰＤ＋に流れる光電流をこの光電流の対数に比例
する電圧に変換するようになっている。

上記のように構成されている光結合素子の動作について
説明する。

発光回路１において、コンデンサＣ１を介して入力電圧
ｖｉが供給される。トランジスタＱｓＱ、からなる負帰
還回路の負帰還動作によってトランジスタＱ３　・Ｑ４
には同じコレクタ電流が流れる。また、トランジスタＱ
ＩＩのベース電流を無視すると、トランジスタＱ１゜・
Ｑ　ｔ　ｔには、同じコレクタ電流が流れる。トランジ
スタＱ、。・Ｑ　ｌｚのエミツタ面積比は１０：１であ
るから、トランジスタＱ、。・Ｑ、ｔのエミッタ・ベー
ス間電圧ＶＯＩ。

・ｖｍｔｔｚには、エミッタ電流密度の差により、（ｋ
Ｔ／ｑ）ｊ！ｎｌＯの電位差が生じている。ただし、ｋ
はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷であ
る。上記の電位差は、抵抗Ｒ４の両端に現れており、こ
のとき抵抗Ｒ４に流れる電流をＩＲ４とすると、 １Ｒ４＝　（（ｋＴ／ｑ）ｆｎ　１０）／Ｒ４となる。

この電流１１４の大きさは、トランジスタＱｓ　　・Ｑ
４のコレクタ電流の大きさに等しく、また、トランジス
タＱ、・Ｑ４とでカレントミラー回路を構成しているト
ランジスタＱ２のコレクタ電流にも等しくなっている。

一方、トランジスタＱ、のベース電流を無視するとトラ
ンジスタＱ。

・Ｑ９にもＩ３．と同じ大きさの電流が流れることにな
り、このとき、トランジスタＱ、のベース・エミッタ間
電圧をＶ　ｍｔ９とすると、Ａ点における電位Ｖ　ｒｅ
ｆｔは、 Ｖｒｅｆｌ＝ＶＯ９＋Ｒ３・ｌｌＩ４ となる。

上記基準電圧Ｖ　ｒｌｌｆｌの温度係数は、Ｖ　ｌ’＠
ｆｌを絶対温度Ｔで偏微分することにより求められ、と
なる。ここで、抵抗Ｒ１・Ｒ４は、同種の抵抗、例えば
ベース拡散抵抗などが用いられ、Ｒｓ／Ｒ４は温度に依
存しないものとする。また、Ｖ　０９は、約−２ｍ　Ｖ
　／　”Ｃの負の温度係数を有する一方、抵抗Ｒ１の両
端の電圧は、正の温度係数を有している。そこで、両者
の温度係数が等しくなるようにＲ，／Ｒ４の値を設定す
れば、基準電圧Ｖ　ｒ　ｔａ　ｆ　１の温度係数をＯに
することができるので、絶対温度Ｔの変化によって基準
電圧Ｖｒｓｆｌにドリフトが生じることはない。

ところで、発光ダイオードＤＬＩに流れる直流電流ＩＦ
（。。は、トランジスタＱ、のベース電流を無視すれば
、トランジスタＱ、のエミッタ電流に等しく、また、ト
ランジスタＱ１　・Ｑ＆〜Ｑ。

のベース・エミッタ間電圧を同一とすれば、ＩＦ（１１
゜−ｖｒ、、、／Ｒｚ　　　　　　　・・・第１式とな
る。また、発光ダイオードＤＬ、に流れる交流電流ＩＦ
（ＡＣ）　は、交流入力電圧ｖｉに対しコンデンサＣＩ
のインピーダンスおよびトランジスタＱ、のベース・エ
ミッタ間抵抗を無視すると、ＩＦ（ＡＣ）　＝Ｖ！　／
Ｒｔ　　　　　　　　・”第２式となる。従って、発光
ダイオードＤＬ、に流れる電流■２は、 １Ｆ　＝　ＩｚＤｃ＞　＋　ＩＦ（ＡＣ）＝　（Ｖ　Ｐ
−ｒ＋　＋　Ｖ　ｔ　）　／　Ｒｘとなり、発光ダイオ
ードＤＬ、において上記直流電流ＩＦが光に変換される
。

発光ダイオードＤ　Ｌ　＋が発する光は、受光回路２の
フォトダイオードＰＤ、において光電流に変換される。

この光電流をＩ、とすると、■、は光結合素子の電流伝
達率αにより、 ■、−α・ＩＦ ＝α・（ＩＦ。。＋Ｉ　Ｆ　（ＡＣ）　）で表される。

そして、ログダイオードＤ＋において、上記光電流■、
が電圧変換される。ログダイオードＤ、の微分抵抗ｒ、
は、光電流ＩＦの直流成分により決定され、 ｒ、＝　（ｋＴ／ｑ）／　（ｃｒ−ＩＦ＋ＤＣＩ　）で
表される。それゆえ、ログダイオードＤＩのアノード・
カソード間に現れる交流電圧Ｖ　Ｄ　ｔＡＣ）　は、Ｖ
　１１　（ＡＣ）　＝α’　ＩＦ（Ａｅ）　　’　ｒ。

−（ｋ　Ｔ／　ｑ）・（Ｉ　Ｆ（ＡＣ）　／　Ｉ　ｖ＜
ｏｃ＋　）・・・第３式 となり、光結合素子の電流伝達率αに依存しない値とな
る。

トランジスタＱＩｆｆは、上記交流電圧ＶＤ（ＡＣ）に
よってバイアスされ、さらに、トランジスタＱＩ４は、
トランジスタＱ　＋　ｓのエミッタ電圧によりバイアス
される。また、上記トランジスタＱ、は、抵抗Ｒ１とて
エミッタホロワを形成して、入力インピーダンスを高く
するとともに出力インピーダンスを低（しているので、
トランジスタＱ　Ｉ　４のベースに光電流ｒｐの直流成
分Ｉ　Ｆ　＋ＤＣ）の変動による影響を与えないように
している。

逆対数増幅器６は、交流電圧Ｖ　Ｄ　（ＡＣ）に逆対数
変換を施すようになっており、逆対数変換を施された交
流電圧Ｖ　Ｄ　（ＡＣ）は、トランジスタＱ　Ｉ　４の
コレクタ電流によって決まる。その利得ＡＶは、トラン
ジスタＱ　＋　ａのベース電流を無視すれば、ＡＶ＝Ｉ
ｃ　−Ｒｔ　／（ｋＴ／ｑ）　　　・・・第４式に示さ
れるようにＩ、によって決まる。この■。

は、Ｂ点における直流電位により定まるので、利得ＡＶ
を一定値に保つには、上記直流電位の変動を抑え一定に
する必要がある。

いま、電流伝達率αの変動等により光電流■。

の直流成分α・ＩＦ（。Ｃ）が変動し、Ｂ点における直
流電位が変動すると、これに応じてｒｅも変動する。第
４式に示すように、Ｉｃの変動により逆対数増幅器６の
利得Ａ、が変化するので、これに従ってトランジスタＱ
　ｒ　ａのコレクタ電圧も変動することになる。このと
き積分回路４は、上記コレクタ電圧に積分変換を施し、
差動増幅器５のプラス入力端子に入力する。また、差動
増幅器５のマイナス入力端子に接続されている基準電圧
源７は、電源電圧ｖ　ｃｃｔと基準電圧源７の出力端子
との間を一定の基準電圧Ｖ　ｒｅｆｔに保つように動作
している。そして、差動増幅器５は、上記の変動を抑え
てマイナス入力端子とプラス入力端子との電位を等しく
しようとＢ点における電位を制御（負帰還制御）するの
で、積分回路４における電圧降下を０とすると、電源電
圧ｖＣＣ！とトランジスタＱ　＋　ａのコレクタ電圧と
の電位差、すなわを抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖ１？　（Ｄ
Ｃ）は基準電圧ｖ９゜と等しくなる。このため、トラン
ジスタＱＩ４のコレクタ電流ＩＣは、Ｉ　ｃ　＝　Ｖ　
、、ｔｔ／　Ｒｑにより一定となる。

ゆえに、逆対数増幅器６の利得ＡＶは、第４式Ａｙ　＝
Ｖｒｍ／　（ｋＴ／ｑ）　　　　　・・・第５式となり
、光電流■−が変化しても基準電圧Ｖ　ｒａｔ□が一定
に保たれることにより一定に保たれる。従って、逆対数
増幅器６の出力電圧ｖ０は、Ｖｏ　＝Ａｙ　°ＶＨａｃ
） であるから、第１式、第２式、第３式および第５式によ
り、 Ｖｏ　＝Ｖｔ＊ｔｔ　・（ＩＦ（ＥＩＣ）　／　ＩＦ（
ＡＣ）　　）＝　（ｖ、、ｔｚ／ｖ、、ｒ＋）　　・■
。

となり、基準電圧Ｖ　ｒｅｆｔとＶ　ｒｅｆｔとの比と
して得られる。

〔発明の効果〕

本発明に係る光結合素子は、以上のように、電流を光に
変換する発光素子と、発光素子に電流を供給するトラン
ジスタと、温度補償されるとともに上記トランジスタを
定電圧にて駆動する定電圧駆動回路と、発光素子の発す
る光を受光し電流に変換する受光素子と、上記受光素子
に流れる電流をこの電流の対数に比例する電圧に変換す
るログダイオードと、ログダイオードによって変換され
た電圧を逆対数変換する逆対数増幅器と、逆対数増幅器
の利得を一定に保つ利得安定手段とを備えた構成である
。

これにより、トランジスタが温度補償されている定電圧
駆動回路により定電圧駆動されているので、温度変化や
電源電圧の変動に影響されることなく、発光素子に流れ
る直流電流が一定になる。

一方、受光素子に流れる電流が、ログダイオードにより
この電流の対数に比例する電圧に変換されるとともに、
利得安定手段により利得が一定に保たれている逆対数増
幅器によって逆対数変換され入力電圧に対し線形な出力
電圧を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光結合素子の構成を
示す回路図である。 第２図は従来例おける光結合素子の構成を示す回路図で
ある。 ３は定電圧駆動回路、６は逆対数増幅器、Ｑ。 はトランジスタ、ＤＬ、は発光ダイオード（発光素子）
、ＰＤ、はフォトダイオード（受光素子）、ＤＩ　はロ
グダイオードである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電流を光に変換する発光素子と、発光素子に電流を
   供給するトランジスタと、温度補償されるとともに上記
   トランジスタを定電圧にて駆動する定電圧駆動回路と、
   上記発光素子の発する光を受光し電流に変換する受光素
   子と、受光素子に流れる電流をこの電流の対数に比例す
   る電圧に変換するログダイオードと、ログダイオードに
   よって変換された電圧を逆対数変換する逆対数増幅器と
   、逆対数増幅器の利得を一定に保つ利得安定手段とを備
   えたことを特徴とする光結合素子。