JPH04283970A - 受光回路 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ホトダイオード等の光
電変換素子を含む受光回路に関するものであり、特に、
交流成分を含む外乱光の影響を除去することができる受
光回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ホトダイオードから出力される光電流は
一般に微弱な場合が多く、電流を電圧値に変換（Ｉ−Ｖ
変換）する等の、いわゆるインピーダンス変換によって
回路系における浮遊容量の影響を受け難くしている。Ｉ
−Ｖ変換の方法としては図５に示すようなオペアンプを
用いる方法が一般的である。同図において、逆バイアス
電圧ＶＢ　がカソード側に印加されているホトダイオー
ド１の受光部に強度Ｉ０　の光が入射するものとし、こ
れにより、ホトダイオード１で生成された光電流をｉ、
オペアンプのフィードバック抵抗をＲｆ　とするとき、
出力電圧ＶＤＣは（１）式で与えられる。

【０００３】ＶＤＣ＝−Ｒｆ　×ｉ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　…（１） このＩ−Ｖ変換法は、入射光強度Ｉ０　が全て信号成分
である場合には有効であるが、信号光以外の外乱光が重
畳されている使用条件においては、出力電圧ＶＤＣに外
乱光成分が含まれてしまい、信号光成分との区別ができ
なくなるという問題があった。

【０００４】図６に示す回路は、この問題を解決するた
めに考え出されたものである。ホトダイオードで生成さ
れる光電流ｉのうち、信号光成分をｉｓ　、外乱光成分
をｉｎ　とするとき、一般の使用条件において最も強い
外乱光は太陽光であり、ｉｎ　＞＞ｉｓ　という使用条
件は頻繁に起こり得る。しかし、太陽光の入射によって
生成された光電流ｉｎ　は、短い時間内においては一定
の値（ＤＣ成分）を保ち、信号光を特定の周波数で変調
すれば信号光成分（ＡＣ成分）を取り出すことができる
。

【０００５】図６に示す回路は、ホトダイオード１で生
成された光電流ｉをＩ−Ｖ変換抵抗ＲＩ−Ｖ　で電圧に
変換し、コンデンサＣ１　と抵抗Ｒで構成されたハイパ
スフィルタにより、太陽光によるＤＣ電圧成分をカット
し、特定周波数ｆで変調された信号光によるＡＣ電圧成
分（ＶＡＣ）を取り出すものである。生成された光電流
ｉに対して、ＤＣ光電流成分（ｉｎ）、ＡＣ光電流成分
（ｉｓ　）との関係は（２）式になる。

【０００６】 　　　　　　ｉ＝ｉｎ　＋ｉｓ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
（２）また、ホトダイオード１のアノード−グランド間
の抵抗成分Ｒ０　は（３）式で与えられる。

【０００７】 Ｒ０　＝｛ＲＩ−Ｖ　（１＋ｊωＣ１　Ｒ）｝／｛１＋
ｊωＣ１　（Ｒ＋ＲＩ−Ｖ　）｝　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
…（３）ただし、ｊωは複素表示による角周波数（３）
式より、ホトダイオード１におけるアノード部の電圧を
Ｖ（ｆ）とすると、Ｖ（ｆ）は（４）式で与えられる。

【０００８】 Ｖ（ｆ）＝ｉ・Ｒ０　 　　　　　　　　＝｛ｉＲＩ−Ｖ　（１＋ｊωＣ１　Ｒ
）｝／｛１＋ｊωＣ１　（Ｒ＋ＲＩ−Ｖ　）｝　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（４）（４）式において、ＤＣ光電流成
分ｉｎ　について考慮すると、ω＝０の時のみ有効とな
るから、このｉｎ　による電圧Ｖｎ　は（５）式になる
。

【０００９】 　　　　Ｖｎ　＝ｉｎ　ＲＩ−Ｖ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（５）これに対して、特定周波数ｆで変
調された信号光のＡＣ光電流成分ｉｓ　による電圧Ｖｓ
　は、ω＝２πｆとおくことにより与えられ、（６）式
になる。

【００１０】 　　　　Ｖｓ　＝｛ｉｓ　ＲＩ−Ｖ　（１＋ｊ２πｆＣ
１　Ｒ）｝／｛１＋ｊ２πｆＣ１　（Ｒ＋ＲＩ−Ｖ　）
｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…（６）したがって、（５）式及び（６）式を用いて
ホトダイオード１におけるアノード部の電圧Ｖ（ｆ）を
表すと、　　　　Ｖ（ｆ）＝Ｖｎ　＋Ｖｓ　 　　　　　　　　　　　　＝ｉｎ　ＲＩ−Ｖ　　　　　
　　　　　　　　＋｛ｉｓ　ＲＩ−Ｖ　（１＋ｊ２πｆ
Ｃ１　Ｒ）｝／｛１＋ｊ２πｆＣ１　　　（Ｒ＋ＲＩ−
Ｖ　）｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（
７）となる。（７）式において、コンデンサＣ１　によ
りＤＣ電圧成分Ｖｎ　は除去され、ＡＣ電圧成分Ｖｓ　
が伝達されることになる。したがって、電圧成分Ｖｓ　
がコンデンサＣ１　と抵抗Ｒからなるハイパスフィルタ
の入力電圧となり、この入力電圧Ｖｓ　によってＣ１　
とＲに流れる電流が決まり、その電流値と抵抗Ｒによっ
て電圧値ＶＡＣが決まる。すなわち、ＶＡＣは（８）式
で与えられ、出力端子２から得られる。

【００１１】 　　　　ＶＡＣ＝ｊ２πｆＣ１　ＲＲＩ−Ｖ　ｉｓ　／
｛１＋ｊ２πｆＣ１　（Ｒ＋ＲＩ−Ｖ　）｝　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…（８）

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示す交
流結合によるＩ−Ｖ変換を利用する回路では、外乱光が
太陽光等のＤＣ成分のみである場合に限り、信号成分と
の分離が可能となる。しかし、蛍光燈やタングステンラ
ンプ等で照明されている室内での使用条件においては、
外乱光は交流成分を含んでいるため、外乱光により光電
流もコンデンサＣ１　を通過し、特定周波数で変調され
た信号成分の出力電圧に重畳されてしまうという問題が
あった。

【００１３】本発明の課題は、太陽光下であっても室内
照明下であっても信号成分を正確に取り出せる受光回路
を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そのために本発明の受光
回路は、光量に応じた光電流を出力する光電変換素子に
対して、光電流から制御信号に応じた量の電流を抜き取
る手段と、その電流抜取手段の入力側電位を検出し、そ
の電位変化信号の所定周波数以下の成分にしたがって変
化する信号を制御信号として出力する制御信号生成手段
とを備えたものである。

【００１５】

【作用】光電変換素子で発生する光電流ｉは、特定周波
数で変調された光信号に基づく信号光電流ｉｓ　と直流
成分及び交流成分を含む外乱光電流ｉｎ　とが互いに重
畳されたものとなっている。電流抜取手段の入力側電位
は、外乱光電流ｉｎ　及び信号光電流ｉｓ　の双方を含
む光電流ｉの変化に応答して変化する。この電位変化は
制御信号生成手段に入力されるが、ここで、信号光の変
調周波数を制御信号生成手段において予め定められた所
定周波数よりも高く設定しておくと、外乱光電流に基づ
く電位変化のみに基づいて制御信号が生成される。電流
抜取手段では、この制御信号に応じた電流を光電流ｉか
ら抜き取ることになるが、その抜き取った電流が外乱光
電流ｉｎ　に相当するため、信号光電流ｉｓ　のみが出
力される。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の一実施例である受光回路を示
す図である。光電変換素子であるホトダイオード１のカ
ソードには逆バイアス電圧ＶＢ　が印加されている。ホ
トダイオード１のアノード側には制御信号生成手段１１
と電流抜取手段１２と出力回路１３が接続されている。 制御信号生成手段１１はＮチャネル電界効果トランジス
タ１４、ローパスフィルタ１５、抵抗１６、および可変
抵抗１７で構成されており、電流抜取手段１２はＮＰＮ
トランジスタ１８で構成されており、出力回路１３はコ
ンデンサ１９および出力端子２０で構成されている。制
御信号生成手段１１についてはＮチャネル電界効果トラ
ンジスタ１４のゲートが、電流抜取手段１２については
ＮＰＮトランジスタ１８のコレクタが、出力回路１３に
ついてはコンデンサ１９の片側電極がそれぞれホトダイ
オード１のアノードに接続されている。

【００１７】Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のド
レインは逆バイアス電圧ＶＢ　に接続されており、ソー
スは抵抗値ｒ１　の抵抗１６を介して接地されている。 Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４と抵抗１６の接続
点にはローパスフィルタ１５の入力端子が接続されてお
り、ローパスフィルタ１５の出力端子はＮＰＮトランジ
スタ１８のベースに接続されている。ＮＰＮトランジス
タ１８のエミッタは接地されており、そのベースとロー
パスフィルタ１５の出力端子との接続点には片側接地さ
れた可変抵抗１７が接続されている。

【００１８】つぎに、本実施例の動作を説明する。まず
、信号光成分が入射していない状態を想定し、ＤＣ成分
およびＡＣ成分を含む外乱光がホトダイオード１の受光
面に入射して生成された外乱光電流をｉｎ　とする。こ
のとき、もしＮＰＮトランジスタ１８がオフ状態になっ
ていれば、コレクタ電位はＮＰＮトランジスタ１８のオ
フ抵抗値Ｒｏｆｆ　と外乱光電流ｉｎ　との積（ｉｎ　
×Ｒｏｆｆ　）の値まで上昇する。これにともないＮチ
ャネル電界効果トランジスタ１４のゲート・ソース間電
圧ＶＧＳがＮＰＮトランジスタ１８のコレクタ電位と等
しくなり、ドレイン・ソース間にＶＧＳの値に対応した
ドレイン電流が流れる。このドレイン電流の値に応じて
抵抗１６には電圧が発生し、これによりローパスフィル
タ１５の入力側電位が上昇する。この電圧は、ローパス
フィルタ１５の出力端に伝達されＮＰＮトランジスタ１
８のベース電位を持ち上げる。ＮＰＮトランジスタ１８
では、このベース電位に対応したコレクタ電流ＩＤ　が
流れ、外乱光電流ｉｎ　を抜き取ることになる。外乱光
電流ｉｎ　が抜き取られると、ＮＰＮトランジスタ１８
のコレクタ電位が下がり、これにともないＮチャネル電
界効果トランジスタ１４のゲート電位が下がってそのド
レイン電流が小さくなる。するとローパスフィルタ１５
の入力電圧が下がり、ローパスフィルタ１５を伝達して
ＮＰＮトランジスタ１８のベース電位が下がる。このル
ープ動作によりある平衡状態に集束する。なお、可変抵
抗１７はＮＰＮトランジスタ１８の動作点を調整するた
めのものであり、外乱光電流ｉｎ　に対して制御する最
小値を設定することができる。また、ローパスフィルタ
１５のカットオフ周波数ｆｃ　は、外乱光電流ｉｎ　に
含まれる最高周波数よりもやや大きく設定しておくと、
ＤＣ成分を含めて外乱光電流ｉｎ　は全てＮＰＮトラン
ジスタ１８により抜き取ることができる。

【００１９】つぎに、信号光を入射したときの動作を説
明する。ここで重要なことは、信号光の変調周波数ｆｍ
　はローパスフィルタ１５のカットオフ周波数ｆｃ　よ
り高く設定することである。ｆｍ　＞Ａ・ｆｃ　（ただ
し、Ａは定数）で示される定数Ａの値は、用いられるロ
ーパスフィルタ１５の減衰特性により異なり、１次のロ
ーパスフィルタであれば少なくともＡ≧１０に設定して
おく必要がある。変調周波数ｆｍ　に設定された信号光
がホトダイオード１の受光面に入射し、これによって生
成された信号光電流をｉｓ　とすると、ＮＰＮトランジ
スタ１８は変調周波数ｆｍには応答せず、信号光電流ｉ
ｓ　はＮＰＮトランジスタ１８のコレクタに流れ込むこ
とができない。 これは、信号光電流ｉｓ　によるＮＰＮトランジスタ１
８のコレクタ電位の変化がローパスフィルタ１５を伝達
することができないからである。信号光電流ｉｓ　はコ
ンデンサ１９を通過し、出力端子２０に電流のまま出力
される。出力端子２０に図５に示すオペアンプを接続す
れば、オペアンプの出力端子に（９）式で示す電圧値（
ＶＳ　）が出力される。

【００２０】 ＶＳ　＝±ｉｓ　・Ｒｆ　／２　　　　　　　　　　　
　　　　　…（９）ホトダイオード１で生成される信号
光電流ｉｓ　は常に正の値になるが（９）式で与えられ
る場合、コンデンサ１９を介しているため、正負両符号
に変化し、出力電圧ＶＳ　も正負両方の値を持つ。また
、図５に示すオペアンプは反転入力になっており、出力
電圧の位相は１８０度シフトする。なお、出力端子２０
に片側接地されたＩ−Ｖ変換抵抗ＲＩ−Ｖ　を接続する
と電圧値としてＶＳ　＝±ｉｓ　・ＲＩ−Ｖ　／２が得
られ、この場合、位相はシフトしない。

【００２１】図２はより具体的な実施例を示す回路図で
ある。この実施例では、ホトダイオード１のカソード側
に電源安定化回路２１を備えている。電源安定化回路２
１は片側がプラス電源（＋Ｖ）に接続された抵抗値ｒ３
　の抵抗２２と片側接地された容量Ｃ３　のコンデンサ
２３を備え、これにより、ホトダイオード１に対する逆
バイアス電圧の安定化が図られている。同様に制御信号
生成手段１１内のＮチャネル電界効果トランジスタ１４
に対して安定なドレイン電圧を与えるために、抵抗値ｒ
２　の抵抗２５及び容量Ｃ２のコンデンサ２６からなる
電源安定化回路２４が設けられている。また、抵抗値ｒ
４　の抵抗２７及び容量Ｃ４　のコンデンサ２８でロー
パスフィルタ１５が構成されており、可変抵抗１７に代
えて抵抗値ｒ５　の固定抵抗３０が設けられている。

【００２２】この受光回路が安定な平衡動作状態にある
とき、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４にはホトダ
イオード１で生成された全光電流ｉ（＝ｉｎ＋ｉｓ　）
に対応したドレイン電流が流れている。ここで、抵抗１
６及び抵抗２７の間にｒ１　＜＜ｒ４　の条件を設定す
ると、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のドレイン
電流ＩＤ　はほとんど抵抗１６に流れ込む。このとき、
抵抗１６の両端間に発生する電圧ＶＤ　は（１０）式で
与えられる。

【００２３】 　　　　ＶＤ　＝ｒ１　ＩＤ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１０）また、
ローパスフィルタ１５のカットオフ周波数ｆｃ　は（１
１）式で与えられる。

【００２４】 　　　　カットオフ周波数ｆｃ　＝１／２πＣ２　ｒ４
　　　　　　　　　　　　　…（１１）（１１）式で与
えられるカットオフ周波数ｆｃ　は図１の実施例と同様
に外乱光電流ｉｎ　に含まれる周波数成分の最高値より
やや高い値に設定し、これに対応するようにｒ４　とＣ
４　の値を選定する。これにより、外乱光電流ｉｎ　の
周波数成分がローパスフィルタ１５を全て通過し、この
周波数成分によりＮＰＮトランジスタ１８のベース・エ
ミッタ間電圧が制御される。したがって、外乱光電流ｉ
ｎ　の全てをＮＰＮトランジスタ１８のコレクタ電流と
して抜き取る事ができる。一方、信号光の変調周波数ｆ
ｍ　をカットオフ周波数ｆｃ　よりも十分に高く設定し
ておくと、変調周波数ｆｍ　の成分がローパスフィルタ
１５で全てカットされるため、これに基づいてＮＰＮト
ランジスタ１８のベースエミッタ間電圧が影響を受ける
ことがなく、信号光電流ｉｓ　はＮＰＮトランジスタ１
８のコレクタに流れ込まない。それゆえ、信号光電流ｉ
ｓ　はコンデンサ１９を通過し、出力端子２０にそのま
ま出力される。

【００２５】なお、この実施例では、ＮＰＮトランジス
タ１８の動作点の設定に固定抵抗３０が用いられており
、ベース・エミッタ感電圧ＶＢ　は（１２）式で近似さ
れる。

【００２６】 　　　　ＶＢ　＝ｒ５　ＶＤ　／｛（１＋ｒ５　／ｊω
Ｃ４　）ｒ４　＋ｒ５　｝　　　　…（１２）ただし、
実際にはＮＰＮトランジスタ１８において、ベース・エ
ミッタ間にはベース電流が流れるため、（１２）式で求
まるベース・エミッタ間電圧ＶＢ　よりも若干小さくな
る。また、この実施例では、図１の実施例と異なり、Ｎ
ＰＮトランジスタ１８のエミッタ、抵抗１６、３０の片
側端子、及びコンデンサ２８の片側端子はマイナス電源
（−Ｖ）に接続されている。マイナス電源まで拡張され
た分だけ、光電流の飽和領域を拡大できることになる。

【００２７】つぎに、出力端子２０にオペアンプあるい
はＩ−Ｖ変換抵抗ＲＩ−Ｖ　を接続して電流−電圧変換
を行う際のコンデンサ１９の容量Ｃ１　の選定方法につ
いて説明する。出力端子２０に接続されるインピーダン
スをＲＰ　とすると、このインピーダンスＲＰ　とコン
デンサ１９によって一次のハイパスフィルタが形成され
ることになる。このカットオフ周波数ｆｃｐは（１３）
式になる。

【００２８】 　　　　ｆｃｐ＝１／２πＣ１　ＲＰ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　…（１３）すなわち、信号光の
変調周波数ｆｍ　がカットオフ周波数ｆｃｐより小さい
条件（ｆｍ　＜ｆｃｐ）の場合、一次のハイパスフィル
タの減衰特性に対応して、信号光電流ｉｓ　が減衰して
しまうため、少なくともｆｍ　＞ｆｃｐの条件が成り立
つようにコンデンサ１９の容量Ｃ１　を選定する必要が
ある。

【００２９】図３は、電流抜取手段１２にＰＮＰトラン
ジスタ３２を用いた実施例を示す回路図である。ＰＮＰ
トランジスタ３２のコレクタが接地され、エミッタがホ
トダイオード１のアノードに接続されている。図１の実
施例と比較すると、電流抜取手段１２として用いられる
トランジスタがＮＰＮ型からＰＮＰ型に置き換えられた
ことにより、抵抗１６の接続位置がＮチャネル電界効果
トランジスタ１４のドレイン側になっている。その他の
構成は図１と同じである。

【００３０】図４は、図３の実施例を基本としてローパ
スフィルタ１５の位置を換えたものである。この実施例
では、ホトダイオード１のアノードとＮチャネル電界効
果トランジスタ１４との間にローパスフィルタ１５が配
置されている。

【００３１】なお、電流抜取手段１２としては、上記各
実施例のようなバイポーラトランジスタに限定されるも
のではなく、電界効果トランジスタでもかまわない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の受光回路
によれば、直流成分及び交流成分のいずれも含む外乱光
電流を信号光電流から完全に分離することができ、信号
光電流のみを正確に取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である受信回路を示す回路図
。

【図２】本発明の他の実施例を示す回路図。

【図３】電流抜取手段としてＰＮＰトランジスタを用い
た実施例を示す回路図。

【図４】制御信号生成手段の構成要素であるローパスフ
ィルタを電界効果トランジスタのゲート側に配置した実
施例を示す回路図。

【図５】ホトダイオードのアノードにオペアンプを用い
たＩ−Ｖ変換回路が接続された従来回路を示す回路図。

【図６】ホトダイオードのアノードに交流結合によるＩ
−Ｖ変換回路が接続された従来回路を示す回路図。

【符号の説明】

１…ホトダイオード １１…制御信号生成手段 １２…電流抜取手段 １３…出力回路 １４…Ｎチャネル電界効果トランジスタ１５…ローパス
フィルタ １６、２２、２５、２７、３０、３１、３３…抵抗１７
…可変抵抗 １８…ＮＰＮトランジスタ １９、２３、２６…コンデンサ ２０…出力端子 ２１、２４…電源安定化回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光量に応じた光電流を出力する光電変
   換素子と、前記光電流から制御信号に応じた量の電流を
   抜き取る手段と、前記電流抜取手段の入力側電位を検出
   し、その電位変化信号の所定周波数以下の成分にしたが
   って変化する信号を前記制御信号として出力する制御信
   号生成手段とを備えた受光回路。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の受光回路において、
   制御信号生成手段は電流抜取手段の入力側電位に応じて
   電流が変化する電圧制御型能動素子と、この電圧制御型
   能動素子の出力電流を電圧に変換する手段と、この電流
   電圧変換手段の出力信号の所定周波数以下の成分のみを
   通過させる低域通過フィルタとを備え、前記低域通過フ
   ィルタの出力信号を制御信号として電流抜取手段に与え
   ることを特徴とする受光回路。
3. 【請求項３】　　請求項２に記載の受光回路において、
   電圧制御型能動素子が電界効果トランジスタであり、電
   流抜取手段が制御信号をベース入力とするバイポーラト
   ランジスタまたは制御信号をゲート入力とする電界効果
   トランジスタであることを特徴とする受光回路。