JPH11211563A - 光検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のＡＰＤのバイアス回路では、回路が複
雑になり、また、動作電圧が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
が、本発明では、簡便な回路とし、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。 【解決手段】 基準電圧発生回路４がＡＰＤ１の温度係
数と略一致した温度係数の電圧を周囲温度に応じて変化
させてアンプ２の非反転入力端子に供給し、アンプ２
が、ＡＰＤ１から反転入力端子に入力される光電流を当
該非反転入力端子に供給される電圧に基づいて増幅する
ことにより、光電流をＩ−Ｖ変換して得られる電圧信号
の温度変動を抑制して、温度補償を達成する光検出回路
である。

Description

【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、Ａ
ＰＤ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
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、Ｉ
Ｃ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ＡＰＤ
１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ＡＰ
Ｄ１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（ＢＧ
Ｒ）回路４１と、温度アンプ４２と、レベル変換回路４
３と、反転アンプ４４と、入力抵抗Ｒ１と、帰還抵抗Ｒ
２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４
４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４
３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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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、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ることを特徴とする光
   検出回路。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。