JPH051808Y2

JPH051808Y2 -

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Publication number: JPH051808Y2
Application number: JP1987197153U
Authority: JP
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1993-01-18
Anticipated expiration: 2002-12-24
Also published as: JPH01100520U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この考案は、フローセルを流れる被検粒子にレ
ーザ光を照射し、被検粒子からの散乱光を受光し
て電気信号に変換して粒子分析を行う粒子分析装
置に関し、特に微少信号電流源である受光素子
（例えばフオトダイオードおよび光電子増倍管な
どの光電変換器）から得られる微少信号電流を信
号電圧に変換する信号変換回路の部分の構成に係
るものである。

〔従来の技術〕

フオトダイオード、光電子増倍管などの信号電
流源とみなせる光電変換器から得られる微少信号
電流を信号電圧に変換する粒子分析用の信号変換
回路として、第３図に示すものが従来から知られ
ている。

この信号変換回路は、第３図に示すように、カ
ソードに逆バイアス電圧V_Rが加えられたフオト
ダイオードからなる受光素子PD₄のアノードを演
算増幅器A₂の反転入力端に接続し、この演算増
幅器A₂の出力端と反転入力端との間に帰還抵抗
R₁₄を接続し、演算増幅器A₂の非反転入力端を接
地し、演算増幅器A₂の出力端に信号電圧出力端
子TM₄を設けている。

この信号変換回路においては、受光素子PD₄と
してフオトダイオードを用いていることから、そ
のＰ−Ｎ接合部に接合容量が生じ、また受光素子
PD₄から演算増幅器A₂の反転入力端までの配線
などによつて浮遊容量が生じ、この結果第４図に
示すように、演算増幅器A₂の入力部に入力容量
Ciが存在することになり、この入力容量Ciが主に
帰還抵抗R₁₄と協働して周波数f_p〔f_p＝１／
（2πCiR₁₄）〕に余分なポールを生成する。このポ
ールにより、第５図に示す閉ループ特性図〔ａは
ゲイン−信号周波数特性図を示し、ｂは位相−信
号周波数特性図を示す〕のうち、ａのゲイン−信
号周波数特性図の高域部（周波数f_p）にピーキン
グＰが生じることになり、この結果信号電圧出力
端子TM₄から出力される信号電圧にリンギング
やオーバーシユート現象が生じ、安定性が悪い。
また、ノイズも増長されやすくなる。

なお、受光素子PD₄として、光電子増倍管を使
用する場合には、電極間の静電容量および配線の
浮遊容量が前記の入力容量Ciとなる。

一方、上記第３図の信号変換回路の欠点を解消
し高域安定性を良好にすることを目的として提案
された信号変換回路として、特開昭62−030968号
公報に記載された信号変換回路がある。この信号
変換回路は、第６図に示すように、カソードに逆
バイアス電圧V_Rが加えられたフオトダイオード
からなる受光素子PD₆のアノードをベース接地ト
ランジスタT₈のエミツタに接続し、ベース接地
トランジスタT₈のコレクタを演算増幅器A₄の反
転入力端に接続し、演算増幅器A₄の出力端と反
転入力端との間に帰還抵抗R₁₆を接続し、演算増
幅器A₄の非反転入力端を抵抗R₁₈を介して接地
し、演算増幅器A₄の出力端に信号電圧出力端子
TM₆を設けている。また、演算増幅器A₄の非反
転入力端にオフセツト補償用のベース接地トラン
ジスタT₁₀のコレクタを接続し、回路電源電圧＋
Vccを抵抗R₂₀、コンデンサC₂および抵抗Re，
Re′を介してベース接地トランジスタT₈，T₁₀の
エミツタに印加し、また回路電源電圧＋Vccを抵
抗R₂₂，R₂₄およびコンデンサC₄を介してベース
接地トランジスタT₈，T₁₀のベースに印加してい
る。

この信号変換回路は、入力インピーダンス（エ
ミツタ側）が極めて低く、かつ出力インピーダン
ス（コレクタ側）が極めて高いというベース接地
トランジスタT₈の特性を利用し、受光素子PD₆
が出力する微少信号電流を演算増幅器A₄で信号
電圧に変換するにあたつて、ベース接地トランジ
スタT₈を受光素子PD₆と演算増幅器A₄の間に介
在するバツフアとして機能させるものである。す
なわち、フオトダイオードなどの受光素子PD₆を
適当なバイアス電流を与えたベース接地トランジ
スタT₈のエミツタに接続し、そのコレクタを演
算増幅器A₄の反転入力端に接続することにより、
受光素子PD₆の入力部に生じた入力容量Ciを演算
増幅器A₄の入力側には及ばないようにし、余分
なポールの生成を阻止するようにしている。

〔考案が解決しようとする問題点〕

上記第６図の信号変換回路は、受光素子PD₆お
よび配線に起因する演算増幅器A₄の入力容量Ci
の問題は解決されて高域安定性改善の効果は一応
得られているものの、今度はベース接地トランジ
スタT₈のコレクタ−ベース間容量Cobが演算増幅
器A₄の入力部に存在することになり、このコレ
クタ−ベース間容量Cobが帰還抵抗R₁₆と協働し
てポールを生成することになり、この結果、高域
安定性が損なわれたり、またノイズが増長された
りする。

このようなノイズを増長させるような信号変換
回路を粒子分析装置に使用すると、以下に述べる
ような問題が生じる。

粒子分析装置であるフローサイトメータにおい
ては、図７に示すように、粒子１２の流れ方向に
は狭く、流れと直交する方向には幅広く光１６を
照射することは、周知のことである。なお、第７
図は、後で説明する第２図において、フオトダイ
オードからなる受光素子PD₂側からフローセル１
０側を見た図である。

図７において、２０は粒子１２の流れ方向の照
射光１６の光強度分布を示している。この強度分
布２０は、理想的にはガウス分布となる。ガウス
分布を示す光１６の中を粒子１２が通過すると、
第８図に示すように、粒子個々に単一ピークの理
想的な信号２２が得られる。

粒子１２の大きさと信号２２の大きさ（波高
値）に対応関係があることは周知のことである。

そこで、後続の回路で信号の波高値を例えば
Ａ／Ｄ変換により求めれば、波高値（粒子の大き
さ）対各波高値頻度のヒストグラム（粒度分布）
を得、粒子の大きさに基づき粒子分類・計数を行
うことができる。

しかし、現実の光１６の強度分布には歪が生
じ、これによつて測定精度が低下する。これは照
射光学系に起因した問題である。

例えば、第９図に示すような歪を有する光強度
分布の場合、検出される粒子信号も、第１０図に
示すように歪を有する粒子信号２４となる。すな
わち、本来の粒子信号２２の他に不要信号成分を
含んだ粒子信号２４となる。この不要信号成分は
本来必要な粒子信号２２に比べ高い周波数成分を
もち、また信号幅も狭いので、信号処理によつて
除去することができると考えられる。

しかしながら、フローセル１０を通る粒子１２
は、その大きさ、表面形状が一定せず、第１０図
における不要な信号成分は、大きな粒子１２に対
しては大きく出現する。

前記したように、従来の信号変換回路では、周
波数の高域部分にピーキングが生じるが、もしピ
ーキングが生じている状態で光歪による不要信号
２４が発生すると、不要信号２４はさらに増長さ
れてしまう。

通常は、信号処理（具体的には、ハイパスフイ
ルタを用いる）により、この不要信号成分を減衰
させるのであるが、不要信号成分が大きくなる
程、不要信号成分の除去が困難となる。

不要信号成分が残留した状態においては、粒子
信号の波高値を精度よく求めることができなくな
り、最終的な粒子分析結果に悪影響を及ぼすこと
になる。

したがつて、この考案の目的は、信号変換回路
における高域安定性を確実に改善するこができる
とともに、ノイズも確実に低減することができ、
粒子分析を精度良く行うことができる粒子分析装
置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案は、粒子分析装置において、従来例の
ように演算増幅器によるフイードバツク回路を用
いて電流電圧変換を行う信号変換回路を構成すれ
ば、前記したとおり余分なポールの生成が避けら
れないことに鑑み、フイードバツク回路を用いず
に電流電圧変換を行う信号変換回路を構成し、こ
の信号変換回路を粒子分析装置に使用したもので
ある。

すなわち、この考案の粒子分析装置は、被検粒
子を整列させて流すためのフローセルと、前記フ
ローセルを流れる前記被検粒子にレーザ光を照射
する手段と、前記被検粒子からの散乱光を受光し
て電気信号に変換する受光素子を含んだ信号変換
回路と、前記信号変換回路の信号電圧出力端子に
接続された信号処理回路とを備え、前記信号変換回路を、所定のバイアス電流を常
時エミツタに流している低入力インピーダンス・
高出力インピーダンスのベース接地トランジスタ
のエミツタに微少信号電流源を接続し、前記ベー
ス接地トランジスタのコレクタを負荷抵抗を介し
て定電圧源に接続し、前記ベース接地トランジス
タのコレクタを高入力インピーダンス・低出力イ
ンピーダンスのドレイン接地トランジスタのゲー
トに接続し、このドレイン接地トランジスタのソ
ースを動作点付与用の定電流源に接続し、前記ド
レイン接地トランジスタのソースに前記信号電圧
出力端子を設けた構成とすることを特徴とする。

なお、上記のドレイン接地トランジスタは電界
効果型のトランジスタであつたが、これに代えて
バイポーラ型のトランジスタを使用できるのはい
うまでもない。

〔作用〕

この考案の構成によれば、粒子分析装置を構成
する信号変換回路において、低入力インピーダン
ス・高出力インピーダンスのベース接地トランジ
スタのエミツタに入力される受光素子からの微少
信号電流は、ベース接地トランジスタおよびその
負荷抵抗により信号電圧に変換され、ベース接地
トランジスタのコレクタから高インピーダンス状
態で出力されることになる。そして、この信号電
圧は、高入力インピーダンス・低出力インピーダ
ンスのドレイン接地トランジスタのゲートに入力
されてドレイン接地トランジスタでインピーダン
ス変換され、ドレイン接地トランジスタのソース
に設けた信号電圧出力端子から低インピーダンス
状態で出力されることになる。

この場合、ベース接地トランジスタのエミツタ
には、バイアス電流と微少信号電流との和の電流
が流れる。また、ベース接地トランジスタのh_fe
は十分大きいので、ベース接地トランジスタのコ
レクタ側の負荷抵抗に流れる電流は、バイアス電
流と微少信号電流との和になる。したがつて、微
少信号電流が流れることにより、ベース接地トラ
ンジスタのコレクタに現れる高インピーダンス状
態の信号電圧は、上記バイアス電流に相当するオ
フセツト電圧が重畳されたものとなる。

また、ベース接地トランジスタのコレクタは、
定電流源により適当な動作点を与えられた高入力
インピーダンス・低入力インピーダンスのドレイ
ン接地トランジスタのゲートに接続されるので、
ベース接地トランジスタのコレクタに現れる高イ
ンピーダンス状態の信号電圧はあるオフセツトを
もつた低インピーダンスの信号電圧としてドレイ
ン接地トランジスタのソースから出力されること
になる。

このように、この考案の粒子分析装置における
信号変換回路は、フイードバツク回路を用いず
に、ベース接地トランジスタおよびその負荷抵抗
で電流電圧変換を行つているので、従来例のポー
ル生成のような問題は起きず、高い周波数域にお
ける安定性を保つことができるとともに、ノイズ
を低減することができる。この結果、この信号変
換回路を用いた粒子分析装置は、不要信号成分の
増大を抑えることができ、粒子分析を精度良く行
うことが可能となる。

また、ベース接地トランジスタのコレクタから
出力される高インピーダンス状態の信号電圧をド
レイン接地トランジスタで低インピーダンスの信
号電圧にインピーダンス変換しているので、後続
にどのような回路を接続しても不都合なく使用で
きる。

また、ベース接地トランジスタのエミツタに
は、常時所定のバイアス電流が流れているので、
受光素子からの微少信号電流が断続しても、ベー
ス接地トランジスタがスイツチング動作を起こさ
ず、ベース接地トランジスタにおけるキヤリアの
蓄積、消滅による蓄積時間が発生せず、ベース接
地トランジスタおよびその負荷抵抗による電流電
圧変換動作の高速応答性が損なわれることがな
い。

〔実施例〕

この考案の一実施例を第１図および第２図に基
づいて説明する。この粒子分析装置は、被検粒子
を整列させて流すためのフローセルと、前記フロ
ーセルを流れる前記被検粒子にレーザ光を照射す
る手段と、前記被検粒子からの散乱光を受光して
電気信号に変換する受光素子を含んだ信号変換回
路と、前記信号変換回路の信号電圧出力端子に接
続された信号処理回路とを備えている。

この粒子分析装置において使用する信号変換回
路は、第１図に示すように、所定のバイアス電流
を常時エミツタに流している低入力インピーダン
ス・高出力インピーダンスのベース接地トランジ
スタ（バイポーラ型）T₂のエミツタに光センサ
である例えばフオトダイオードからなる受光素子
PD₂を接続し、ベース接地トランジスタT₂のコ
レクタを負荷抵抗R₆を介して定電圧源CVに接続
し、ベース接地トランジスタT₂のコレクタを高
入力インピーダンス・低出力インピーダンスのド
レイン接地トランジスタ（電界効果型）T₆のゲ
ートＧに接続し、このドレイン接地トランジスタ
T₆のソースＳを動作点付与用の定電流源CIに接
続し、ドレイン接地トランジスタT₆のソースＳ
に信号電圧出力端子TM₂を設けたことを特徴と
する。

この信号変換回路は、低入力インピーダンス・
高出力インピーダンスのベース接地トランジスタ
T₂のエミツタに入力される受光素子PD₂からの
微少信号電流Ipは、ベース接地トランジスタT₂
およびその負荷抵抗R₆により信号電圧ｖに変換
され、ベース接地トランジスタT₂のコレクタか
ら高インピーダンス状態で出力されることにな
る。そして、この信号電圧ｖは、定電流源CIに
よつて適当な動作点が与えられた高入力インピー
ダンス・低出力インピーダンスのドレイン接地ト
ランジスタT₆のゲートＧに入力されてドレイン
接地トランジスタT₆でインピーダンス変換され、
ドレイン接地トランジスタT₆のソースＳに設け
た信号電圧出力端子TM₂から信号電圧V_OUTとし
て低インピーダンス状態で出力されることにな
る。

＋Vcc，−Vccは回路電源電圧である。

ベース接地トランジスタT₂は、エミツタ側の
入力インピーダンスが極めて低いため、フオトダ
イオードからなる受光素子PD₂を短絡モードに近
い状態で動作させることができる。この結果、受
光素子PD₂であるフオトダイオードの入射光に対
する出力電流の直線性が良く、応答性も良い。

ダイオードD₂，D₄、抵抗R₂，R₄はベース接地
トランジスタT₂に一定のバイアス電流I₂を供給し
ている。受光素子PD₂であるフオトダイオード
は、抵抗R₂の両端電圧により約0.5Vの逆バイア
ス電圧が印加されている。この逆バイアス電圧
は、小さくすると発生するノイズが小さくなるも
のの、接合容量が大きくなるという問題がある。
しかし、この実施例では、接合容量の影響が電流
電圧交換部分に及ばないため、逆バイアス電圧を
小さく設定することができる。したがつて、受光
素子PD₂であるフオトダイオード内で発生するシ
ヨツト雑音を低く抑えることができ、低ノイズ化
を図ることができる。

今、受光素子PD₂であるフオトダイオードに流
れる微少信号電流をIpとすると、ベース接地トラ
ンジスタT₂のエミツタには、バイアス電流I₂と微
少信号電流Ipとの和の電流が流れる。また、ベー
ス接地トランジスタT₂のh_feが十分大きいので、
電流電圧変換するための負荷抵抗R₆には、 I₆＝I₂＋Ip なる電流I₆が流れる。ベース接地トランジスタT₂
には、上記のように、常時バイアス電流I₂を流し
ているので、スイツチング動作を起こさず、応答
時間の遅れもなく、負荷抵抗R₆において電流電
圧変換が行われる。

ツエナーダイオードD₆、抵抗R₈は電圧Ｅなる
定電圧源CVを構成しており、この定電圧源CVの
電圧Ｅが負荷抵抗R₆を介してベース接地トラン
ジスタT₂のコレクタに印加される。この場合、
定電圧源CVの電圧Ｅを回路電源電圧Vccより小
さくすればするほど、後述のドレイン接地トラン
ジスタT₆のゲート−ドレイン間電圧V_GDを大きく
することができ、この結果、ドレイン接地トラン
ジスタT₆の帰還容量Crssを小さく抑えることが
でき、ドレイン接地トランジスタT₆の高速応答
が可能となる。

ベース接地トランジスタT₂のコレクタ側に現
れる信号電圧ｖは、ｖ＝Ｅ−R₆（I₂＋Ip）で表される。

一方、ドレイン接地トランジスタT₆は、上記
信号電圧ｖを高入力インピーダンスで受け、低出
力インピーダンスで信号電圧V_OUTとして信号電
圧出力端子TM₂から出力させるためのインピー
ダンス変換用の素子であり、そのゲートＧにベー
ス接地トランジスタT₂のコレクタが接続される。
同ソースＳには、トランジスタ（バイポーラ型）
T₄、ツエナーダイオードD₈、抵抗R₁₀，R₁₂で構
成されてドレイン接地トラジスタT₆の駆動用の
電流I₁₀を出力する定電流源CIが接続される。こ
の場合、トランジスタT₄のh_feが十分大きいので、
ドレイン接地トランジスタT₆のソース電流Isは
定電流I₁₀と等しく、ドレイン電流I_Dはソース電流
Isと等しい。したがつて、ドレイン電流I_Dは、定
電流となり、ドレイン接地トランジスタT₆の特
性から、そのゲート−ソース間電圧V_GSも一定に
なる。この結果、ドレイン接地トランジスタT₆
のソースに現れる信号電圧V_OUTとしては、つぎ
のように、受光素子PD₂に流れる微少信号電流Ip
に応じた電圧値が得られ、その特性にはピーキン
グは発生せず、高周波数域においても安定で、低
ノイズである。

V_OUT＝ｖ−V_GS ＝Ｅ−R₆（I₂＋Ip）−V_GS ＝Ｋ−R₆Ip ただし、Ｋは、Ｋ＝Ｅ−R₆I₆−V_GS で表される一定のオフセツト電圧である。

上記の信号電圧V_OUTのオフセツト電圧Ｋは、
回路定数の設定により、適当な値にすることがで
きる。

以上述べた構成の信号変換回路において、負荷
抵抗R₆の抵抗値を例えば56KΩとすると、電流電
圧変換率は、56×10³〔Ｖ／Ａ〕となる。

つぎに、上記信号変換回路を用いて構成した粒
子分析装置の実施例の構成を第２図に示す。第２
図は、フローセル１０の中をシース液１４ととも
に矢印Ｘの方向に流れる直径約0.76μmのラテツ
クス粒子１２に約10mWのレーザ光１６を照射
し、その散乱光１８を変換効率0.5〔Ｗ／Ａ〕のフ
オトダイオードからなる受光素子PD₂で検出する
システムである。

上記の散乱光１８は、フオトダイオードからな
る受光素子PD₂にて微少信号電流に変換され、さ
らに信号変換回路Ｂにおいて信号電圧V_OUTに変
換されることになる。そして、この信号電圧
V_OUTは、信号処理回路であるハイパスフイルタ
Ｆに通され、その高周波成分のみが抽出される。
この場合、ハイパスフイルタＦは、コンデンサ
C₆、抵抗R₂₆，R₂₈，R₃₀、演算増幅器A₆で構成さ
れている。

いま、ハイパスフイルタＦの増幅度を11倍に設
定して散乱光１８を検出したときに例えば0.9V
の波高値を有するパルス状信号が得られるように
システム調整した場合に、高域遮断周波数が3M
Hzの特性が得られ、受光素子PD₂であるフオトダ
イオードを遮光した場合のノイズは、2.7mV_R.M.S.
であつた。

なお、同一の条件で、第３図の従来回路では、
高域遮断周波数およびノイズはそれぞれ2.2MHz，
5.6mV_R.M.S.であつた。また、第６図の従来回路と
比べても、本実施例の方が高域遮断周波数および
ノイズともに優れた性能を示した。

なお、上記実施例では、インピーダンス変換用
にドレイン接地トランジスタT₆を用いたが、こ
れに代えてコレクタ接地トランジスタを用いるこ
ともできる。この場合、ゲートはベースに、ソー
スはエミツタに、ドレインはコレクタにそれぞれ
置き換えればよい。

この信号変換回路は、フイードバツク回路を用
いずに、ベース接地トランジスタT₂およびその
負担抵抗R₆で電流電圧変換を行つているので、
従来例のポール生成のような問題は起きず、高い
周波数域における安定性を保つことができるとと
もに、ノイズを低減することができる。この結
果、この信号変換回路を用いた粒子分析装置は、
不要信号成分の増大を抑えることができ、粒子分
析を精度良く行うことが可能となる。

また、ベース接地トランジスタT₂のエミツタ
側の入力インピーダンスが極めて低いので、受光
素子PD₂であるフオトダイオードを短絡に近い状
態で動作させることができ、入射光量に対する出
力電流の直線性を良好にすることができ、また応
答性も良好にすることができる。

また、ベース接地トランジスタT₂のエミツタ
には、常時所定のバイアス電流I₂が流れているの
で、受光素子PD₂からの微少信号電流Ipが断続し
ても、ベース接地トランジスタT₂がスイツチン
グ動作を起こさず、ベース接地トランジスタT₂
におけるキヤリアの蓄積、消滅による蓄積時間が
発生せず、ベース接地トランジスタT₂およびそ
の負荷抵抗R₆による電流電圧変換動作の高速応
答性が損なわれることがない。

また、ベース接地トランジスタT₂のコレクタ
から出力される入射光の変動に応じた高インピー
ダンス状態の信号電圧ｖをドレイン接地トランジ
スタT₆で低インピーダンスの信号電圧V_OUTにイ
ンピーダンス変換しているので、後続にフイルタ
等、どのような回路を接続しても不都合なく使用
できる。

〔考案の効果〕

この考案の粒子分析装置によれば、信号変換回
路が、フイードバツク回路を用いずに、ベース接
地トランジスタおよびその負荷抵抗で電流電圧変
換を行つているので、信号変換回路において、従
来例のポール生成のような問題は起きず、高い周
波数域における安定性を保つことができるととも
に、ノイズを低減することができ、したがつて、
粒子分析に信号変換回路を使用する際に不要信号
成分の増大を抑えることができ、粒子分析を精度
良く行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例の粒子分析装置に
おける信号変換回路の構成を示す回路図、第２図
は第１図の信号変換回路を使用した実施例の粒子
分析装置の構成を示す概略図、第３図は従来の信
号変換回路の構成を示す回路図、第４図は入力容
量の説明のための回路図、第５図は第３図の回路
のゲインおよび位相の閉ループ特性図、第６図は
他の従来の信号変換回路の構成を示す回路図、第
７図は粒子分析装置における粒子と光の様子なら
びに粒子の流れ方向の照射光の強度分布を示す概
略図、第８図は歪のない粒子信号の波形図、第９
図は歪を有する照射光の強度分布を示す概略図、
第１０図は歪を有する粒子信号の波形図である。 T₂……ベース接地トランジスタ、T₆……ドレ
イン接地トランジスタ、CV……定電圧源、CI…
…定電流源、PD₂……受光素子、R₆……負荷抵
抗。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】被検粒子を整列させて流すためのフローセル
と、前記フローセルを流れる前記被検粒子にレー
ザ光を照射する手段と、前記被検粒子からの散乱
光を受光して電気信号に変換する受光素子を含ん
だ信号変換回路と、前記信号変換回路の信号電圧
出力端子に接続された信号処理回路とを備え、前記信号変換回路を、所定のバイアス電流を常
時エミツタに流している低入力インピーダンス・
高出力インピーダンスのベース接地トランジスタ
のエミツタに微少信号電流源を接続し、前記ベー
ス接地トランジスタのコレクタを負荷抵抗を介し
て定電圧源に接続し、前記ベース接地トランジス
タのコレクタを高入力インピーダンス・低出力イ
ンピーダンスのドレイン接地トランジスタのゲー
トに接続し、このドレイン接地トランジスタのソ
ースを動作点付与用の定電流源に接続し、前記ド
レイン接地トランジスタのソースに前記信号電圧
出力端子を設けた構成としたことを特徴とする粒
子分析装置。