JPS59208917A - 光電変換増幅回路 - 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】 本発明は、フォトダイオードの光発電電流（以下光電流
と略す）を増幅して出力電圧を得る光電変換増幅回路に
関する。

一般にフォトダイオードによって光電変換された光電流
は、周囲外光など定常光によるものは数十ピコアンペア
から数マイクロアンペアの範囲で変化するため、対数圧
縮用のダイオードを用いて出力グイナミンクレンジを狭
めるとともに光電流が小さい場合にも良好な感度をもた
せるようにするのが普通である。ところが、前記定常光
として光が入力されている中にパルス状の光信号が混在
している場合、前記対数圧縮ダイオードを用いると、パ
ルス状の光信号も定常光に重畳して入力されるため、パ
ルス状の光信号を検出することが困難になり、対数圧縮
用のダイオードを用いることができない。このように従
来技術では、前記定常光によるグイナミソクレンジとパ
ルス状の光信号を検出するための増幅度の関係が相互に
関与するため、第１図に示す回路を用いざるを得ない状
況にある。第１図において、ＳＰＤはフォトダイオード
を、Ｒ１は光電流を電圧に変換する負荷抵抗を、Ｅｌば
フォトダイオードＳＰＤにバイアスするための電源を、
Ｃ１はパルス状の光信号を検出するカノプリングコンデ
ンザを、ＯＰは演算増幅器を、Ｒ２は負帰還用抵抗を、
Ｒ２は演算増幅器ＯＰにバイアス電圧を与えるための電
源を、ＶｃＣは電源端子を、０は出力端子を、Ｅは接地
をそれぞれ表わしている。

第１図において、フォトダイオードＳＰＤによって光電
変換された定常光に相当する光電流は、抵抗Ｒ１に流れ
て電圧変換され、電力消費される。

一方パルス状の光信号に相当する光電流は、抵抗Ｒ１と
：ＩンデンザＣ１に分流して流れるため、演算増幅器０
１）の負帰還抵抗Ｒ２を通して演算増幅器０１）の出力
Ｏに電圧増幅して得られる。

このように第１図の回路では、検出すべきパルス状の光
電流が抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１および抵抗Ｒ２に分流
して流れるため、抵抗Ｒ１に流れて電力消費されるパル
ス状の光電流分がロスとなること、抵抗Ｒ１に流れてい
る定常光に相当する光電流が電力消費される時に発生す
る雑音によりＳ／Ｎ比が低下すること、演算増幅器ＯＰ
は高入力インピーダンスで、かつ周波数特性の良いもの
を必要とするため多素子となることなどの欠点があった
。

本発明は上記のような従来の欠点を除去するためになさ
れたもので、２つのカレントミラーと１つの定電流源と
１つのトランジスタとを用いて回路を構成することによ
り、光電流をバイアス用の抵抗に流さないですむために
Ｓ／Ｎ比を改善でき、また従来回路に比し素子数が少な
くても済む等の多くの効果を有する光電変換増幅回路を
提供することを目的としている。

以下本発明の実施例を図を用いて説明する。

第２図は本出願の第１の発明の一実施例を示し、同図に
おいて、ＳＰＤはフォトダイオード、Ｑｌ。

Ｃ２はカレントミラーを構成する第１．第２のＰＮＰ）
ランジスタであり、Ｃ２はベースとコレクタが接続され
、ダイオード機能を有している。Ｑ３、Ｃ４はカレント
ミラーを構成する第３．第４のＮＰＮトランジスタであ
り、Ｃ３はベースとコレクタが接続され、ダイオード機
能を有している。

Ｃ５は負帰還増幅用の第５のＮＰＮ　Ｉ−ランジスタ、
ＩＯは定電流源、Ｖｃｃは電源端子、Ｅは接地端子であ
る。

そして図中には出力端子を示していないが、この出力端
子は第１のカレントミラーを構成するトランジスタＱｌ
、Ｑ２と並列にトランジスタを接続してそのＩ・ランジ
スクから出力を取り出す、即ちトランジスタＱｌ、Ｑ２
とベース、エミッタを共通接続したトランジスタを設り
、このトランジスタのコレクタと接地間に抵抗を接続し
、該トランジスタのコレクタがら出力端子を取り出して
もよく、またトランジスタＱ５のベースから直接出力を
取り出してもよく、さらに第３図に示すよ・うにトラン
ジスタＱ５とベース、エミッタを共通接続したトランジ
スタＱ６およびその出力負荷抵抗Ｒ５を設け、該トラン
ジスタＱ６のコレクタがら出力を取り出してもよく、こ
の第３図に示すものが本出願の第２の発明（請求範囲第
２項）である。

またこの第３図の抵抗Ｒ５は、第４図に示すようにこれ
を第２の定電流源■１で置き換えてもよく、これが本出
願の第３の発明（請求範囲第３項）でする場合、第３図
の回路のように出力負荷用に抵抗Ｒ５を用いると、電源
電圧変動による出力変動。

消費電力の増大、ＩＣの専有面積の増大という問題が生
じるため、これを避けるために定電流源１１を用いたも
のであり、この場合第２の定電流源１１からの電流とト
ランジスタＱ６のコレクタ電流との差が出力電流として
得られる。

このような本出願の第１ないし第３の発明では、宇宙光
による光電流を第１図の従来回路におりるバイアス用の
抵抗Ｒ１に流さないですむためＳ／Ｎ比を大きく改善す
ることができ、かつ第１図のような演算増幅器を使用し
ないですむため素子数を大きく減少させることができる
。

次に第５図は本出願の第４の発明（請求範囲第４項）の
−実施料を示し、図において、Ｑｌ、Ｃ２はカレントミ
ラーを構成する第１．第２のＰＮＰトランジスタであり
、Ｃ２はベースとコレクタが接続され、ダイオード機能
を有している。Ｃ３゜Ｃ４はカレントミラーを構成する
第３．第４のＮＰＮ）ランジスタであり、Ｃ３はベース
とコレクタが接続され、ダイオード機能を有している。

Ｃ５は負帰還増幅用の第５のＮＰＮ　トランジスタ、Ｒ
３はトランジスタＱ５のエミッタに接続された自己バイ
アス負荷用の第１の抵抗、Ｃ６は電流増幅用の第６のト
ランジスタ、Ｒ４はトランジスタＱ６のエミッタに接続
された自己バイアス負荷用の第２の抵抗、Ｃ２はトラン
ジスタＱ６のエミッタに接続されたバイパスコンデンサ
、Ｒ５は出力用負荷の第３の抵抗、Ｒ０は定電流源、Ｖ
ｃｃは電源端子、０は出力端子、Ｅは接地端子である。

ここで定電流源ＩＯは前記宇宙光に相当する光電流と、
パルス状の光信号に相当する光電流を加算して、予想さ
れる最大加算値よりも少し大きめの電流値に設定する。

さらに抵抗Ｒ３とＲ４は説明を簡単にするため同一抵抗
値として、その値は前記定電流源の電流値■０とＲ３（
＝Ｒ４）の掛算値が、電源電圧Ｖｃｃからトランジスタ
Ｑ２のベース・エミッタ電圧Ｖｂｅ　（Ｃ２）と、トラ
ンジスタＱ５が能動領域にあるときのコレクタ・エミッ
タ間最小電圧Ｖｃｅ（Ｃ５）とを引き算した値の範囲内
になるようＲ３とＲ４の抵抗値を設定する。またＲ５の
抵抗値は前記定電流源の電流値ＩＯにＲ４の値を掛けて
得られる電圧値と、トランジスタＱ６が能動領域にある
ときのコレクタ・エミッタ間の最小電圧値Ｖｃ４（Ｃ６
）とを加算して得られる電圧値を、電源電圧Ｖｃｃより
引き算し、その結果前られる電圧値の範囲内に前記ＩＯ
とＲ５を掛算して得られる電圧値が入るようにＲ５の抵
抗値を設定する。Ｃ２の値はパルス状の光信号の周波数
を考慮して十分バイパスできる値に設定する。

次にこの回路の動作を発明する。

まず、フォトダイオードＳＰＤに光入力がない場合につ
いては、前記定電流源の電流■０はトランジスクＱ５お
よびＱ６のヘ−スミ流となり、特にトランジスタＱ５で
電流増幅され、トランジスタＱｌ、Ｑ２のカレントミラ
ーを介してトランジスタＱ３とＱ４のカレントミラーに
増幅電流が供給される。するとトランジスタＱ４はその
コレクタ電圧が低くなり、トランジスタＱ５およびＱ６
のヘ−スミ流を抑制するように動作するため負帰還がか
かり、結果としてトランジスタＱ５とＱ６のコレクタ電
流は、はぼ前記定電流源の電流値と等しい■０なる値に
なり、安定する。そしてこの際Ｉ・ランジスタＱ５とＱ
６のエミッタにそれぞれ接続された抵抗Ｒ３とＲ４に電
圧が発生してトランジスタＱ５．Ｑ６の電流増幅率を低
下させる動作がなされている。

次にツメ１−ダイオードＳＰＤに前記定常光に相当する
光電流１ｐが図示矢印の方向に流れると、その光電流！
ｐはトランジスタＱ３のコレクタ電流が増加する方向に
流れると同時に、トランジスタＱ５とＱ６のベース電流
およびトランジスタＱ４のコレクタ電流への供給電流が
光電流分だけ減少されるように作用するので結果として
トランジスタＱ５とＱ６へのベース電流は２倍の光電流
分だけ減少する方向に作用する。即ちこの場合の回路各
部の電流は第５図ｆａ）に示ず住ようになる。しかしト
ランジスタＱ５とＱ６のエミッタには自己バイアス用の
負荷抵抗が作用しており、トランジスタＱ５とＱ６の電
流増幅率を低下させた状況下にあるため、出力電圧に大
きな変化は生じない。

次にフォトダイオードＳＰＤにパルス状の光信号に相当
する光電流ｔｐが流れると、その光電流ｔｐ　はトラン
ジスタＱ３のコレクタ電流が増加する方向に流れると同
時に、トランジスタＱ５とＱ６のベース電流およびトラ
ンジスタＱ４のコレツれ 少電流への供給電流が光電流分だけ減少さ廿るように作
用するので結果としてトランジスタＱ５とＱ６へのベー
ス電流は２倍の光電流分だけ減少する方向に作用する。

即ちこの場合の回路各部の交流分の電流は第５図（ｂｌ
に示すようになる。この時この光電流２ｉｐ　はパルス
として与えられるためトランジスタＱ６のベース電流と
してエミッタを介してバイパスコンデンサｃ２を通して
流れることができる。したがってトランジスタＱ６は電
流増幅率が高い状態で動作するため、トランジスタなお
ここで重要なことは、抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗値をできる
だり大きな値に設定して前記定電流源の電流１０によっ
て十分な電圧降下をさせ、トランジスタＱ５とＱ６の各
エミッタ部の自己ハ゛イアス電圧を与えるようにしてｌ
・ランジスタＱ５゜Ｑ６の自己バイアス負帰還を十分与
えておくとともに、パルス状の光信号がフォトダイオー
ドｓＰ［）に入力されたときにトランジスタＱ３．Ｑ４
のカレントミラーにより、フォトダイオードＳＰＤに流
れるパルス的光電流の２倍の変化として得られるパルス
釣元電流変化が、トランジスタＱ６のベース電流変化と
して十分流れるように、コンデンサＣ２の値を前記パル
ス釣元電流変化の周波数を考慮して設定することが必要
である。

このような本出願の第４の発明の光電変換増幅回路によ
れば、本出願の第１ないし第３の発明で得られたＳ／Ｎ
比の改善と、素子数の削減の２つの効果に加え、第１図
に示した従来のものと比較して検出すべきパルス状の光
電流を２倍の電流変化として直接取り出すこができるた
め、光電流分のロスを非常に少なくして後段の増幅回路
に送り込めるという効果が得られる。

なお以上は本出願の第４の発明について説明したが、第
５図に本出願の第５の発明（請求範囲第の抵抗Ｒ５の代
わりに第２の定電流源ＩＩを用いたものであり、この第
５の発明の従来に対する効果は第４の発明の場合とほと
んど同様である。

以上のようにこの発明によれば、２つのカレントミラー
と１つの定電流源と１つのトランジスタとを用いて光電
変換増幅回路を構成したので、バむためにＳ／Ｎ比を改
善てき、さらに演算増幅器を使用していないため素子数
が少な（て済み、さらに第５図あるいは第６図に示すよ
うに、トランジスタＱ５．Ｑ６に自己バイアス負荷用の
抵抗Ｒ３、Ｒ４を接続し、さらにＣ６にコンデンサを接
続することにより、検出すべきパルス状の光電流を２倍
の電流変化として直接取り出すことができ、パルス状の
光電流分が抵抗に流れることによるロスを少なくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第２図（ａ）は定常光受光時の回路各部の定常電流の分
布を示す図、第２図ｆｂｌはパルス状光受光時の回路各
部のパルス状電流の分布を示す図、第３図は本出願の第
２の発明の一実施例の回路図、第４図ば本出願の第３の
発明の一実施例の回路図、第５図は本出願の第４の発明
の一実施例の回路図、第６図は本出願の第５の発明の一
実施例の回路図である。 ＳＰＤはフォ１〜ダイオード、ＱｌとＣ２はカレントミ
ラーを構成する第１．第２のＰＮＰ　）ランジスタ、Ｃ
３とＣ４はカレントミラーを構成する第３．第４のＮＰ
Ｎ　）ランジスタ、■０は定電流源、Ｃ５は第５のＮＰ
Ｎ　）ランジスタ、Ｃ６は第６のＮＰＮ　トランジスタ
、Ｒ３とＲ４は第１．第２の抵抗、Ｃ２はバイパスコン
デンザ、Ｒ５は第３の抵抗、ｒｌは第２の定電流源であ
る。 代理人　大岩増雄 第１図 第２図 第３図 第４１ｇ 第５図 （Ｑ） （ｂ） 第６図 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示　　　特願昭５８−８４３２９号；３．
補正をする者 代表者片１１１仁八部 ５、補正命令の日付 昭和５８年８月１０日 ６、補正の対象　　　− 明細書の図面の簡単な説明の欄 ７、補正の内容 （１）明細書第１９頁第１０〜１４行の「第２図・・・
・・・・・・分布を示す図、」を「第２図は本出願の第
１の発明の一実施例の回路図、」に訂正する。 以　　　　−ヒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１，１第１と第２のトランジスタでカレントミラーが
   構成され、前記第２のトランジスタはベースとコレクタ
   が接続され、前記第１．第２のトランジスタと導電形を
   異にする第３と第４のトランジスタでカレントミラーが
   構成され、前記第３のトランジスタばベースとコレクタ
   が接続され、前記第１のトランジスタのコレクタば第３
   のトランジスタのコレクタに接続され、さらにその接続
   点にフォー・ダイオードのアノードが接続され、前記第
   ４のトランジスタのコレクタに定電流源と前記フォトダ
   イオードのカソードおよびＲｊｉ記第１のトラと ンジスタと導電形を異にする第５のトランジスタのベー
   スが接続され、前記定電流源の他端は前記第１と第２の
   トランジスタの各エミッタと相互接続され、この接続点
   は電力１端子に接続され、ざらに前記第５のトランジス
   タのコレクタば前記第２のトランジスタのコレクタに接
   続され、前記第３゜第４．第５のトランジスタのエミッ
   タは共通接続されて接地端子に接続されている＃＃を牽
   参たことを特徴とする光電変換増幅回路。 （２）第１と第２のトランジスタでカレントミラーが構
   成され、前記第２のトランジスタはベースとコレクタが
   接続され、前記第１．第２のトランジスタと導電形を異
   にする第３と第４のトランジスタでカレントミラーが構
   成され、前記第３のトランジスタはベースとコレクタが
   接続され、前記第１のトランジスタのコレクタは第３の
   トランジスタのコレクタに接続され、さらにその接続点
   にフメＩ−ダイオードのアノードが接続され、前記第４
   の１−ランジスタのコレクタに定電流源と前記フォトダ
   イオードのカソードおよび前記第１のトランジスタと導
   電形を異にする第５のトランジスタのベースが接続され
   、前記定電流源の他端は前記第１と第２のトランジスタ
   の各エミッタと相互接続され、この接続点は電源端子に
   接続され、さらに前記第５のトランジスタのコレクタは
   前記第２の）・ランジスクのコレクタに接続され、前記
   第３゜第４．第５のトランジスタのエミッタは共通接続
   されて接地端子に接続され、前記第５のトランジスタと
   導電形を同じにする第６のトランジスタの・＼−スが０
   １１記第５のｌ−ランジスタのベースに接続され、前記
   第６のトランジスタのエミッタは接地端子に接続され、
   前記第６のトランジスタのコレクタは第３の抵抗に接続
   され、その接続点が出力端子に接続され、前記第３の抵
   抗の他端が前記電源端子に接続されていることを特徴と
   する光電変換増幅回路。 （３）第１と第２のトランジスタでカレントミラーが構
   成され、前記第２のトランジスタはベースとコレクタが
   接続され、前記第１．第２のトランジスタと導電形を異
   にする第３と第４のトランジスタでカレン１−ミラーが
   構成され、前記第３のトランジスタはベースとコレクタ
   が接続され、前記第１のトランジスタのコレクタは第３
   のトランジスタのコレクタに接続され、さらにその接続
   点にフォトダイオードのアノードが接続され、前記第４
   のトランジスタのコレクタに定電流源と前記フォトダイ
   オードのカソードおよび前記第１のトランジスタと導電
   形を異にする第５のトランジスタのベースが接続され、
   前記定電流源の他端は前記第１と第２のトランジスタの
   各エミッタと相互接続され、この接続点は電源端子に接
   続され、さらに前記第５のトランジスタのコレクタは前
   記第２のトランジスタのコレクタに接続され、前記第３
   ゜第４．第５のトランジスタのエミッタは共通接続され
   て接地端子に接続され、前記第５のトランジスタと導電
   形を同じにする第６のトランジスタのベースが前記第５
   のトランジスタのベースに接続され、前記第６のトラン
   ジスタのエミッタは接地端子に接続され、前記第６のト
   ランジスタのコレクタは第２の定電流源に接続され、そ
   の接続点が出力端子に接続され、前記第２の定電流源の
   他端が前記電源端子に接続されていることを特徴とする
   光電変換増幅回路。 （４）第１と第２のトランジスタでカレントミラーが構
   成され、前記第２のトランジスタはベースとコレクタが
   接続され、前記第１．第２のトランジスタと導電形を異
   にする第３と第４のトランジスタでカレントミラーが構
   成され、前記第３のトランジスタはベースとコレクタが
   接続され、前記第１のトランジスタのコレクタは第３の
   トランジスタのコレクタに接続され、さらにその接続点
   にフォトダイオードのアノードが接続され、前記第４の
   トランジスタのコレクタに定電流源と前記フォトダイオ
   ードのカソードおよび前記第１のトランジスタと導電形
   を異にする第５のトランジスタのベースが接続され、前
   記定電流源の他端は前記第１と第２のトランジスタの各
   エミッタと相互接続され、この接続点は電＃端子に接続
   され、さらに前記第５のトランジスタのコレクタは前記
   第２のトランジスタのコレクタに接続され、前記第３゜
   第４のトランジスタのエミッタは共通接続されて接地端
   子に接続され、前記第５のトランジスタのエミッタに第
   １の抵抗が接続され、該第１の抵抗の他端は接地端子に
   接続され、前記第５のトランジスタと導電形を同しにす
   る第６のトランジスタのベースが前記第５のトランジス
   タのベースに接続され、前記第６のトランジスタのエミ
   ッタは第２の抵抗と第１のコンデンサに接続され、前記
   第２の抵抗と前記第１のコンデンサのそれぞれの他端は
   前記接地端子に接続され、前記第６のトランジスタのコ
   レクタは第３の抵抗に接続され、その接続点が出力端子
   に接続され、前記第３の抵抗の他端は前記電源端子に接
   続されていることを特徴とする光電変換増幅回路。 （５）　　第１と第２のトランジスタでカレントミラー
   が構成され、前記第２のトランジスタはベースとコレク
   タが接続され、前記第１．第２のトランジスタと導電形
   を異にする第３と第４のトランジスタでカレントミラー
   が構成され、前記第３のトランジスタはベースとコレク
   タが接続され、前記第１のトランジスタのコレクタは第
   ３のトランジスタのコレクタに接続され、さらにその接
   続点にフォトダイオードのアノードが接続され、前記第
   ４のトランジスタのコレクタに定電流源と前記フォトダ
   イオードのカソードおよび前記第１のトランジスタと導
   電形を異にする第５のトランジスタのベースが接続され
   、前記定電流源の他端は前記第１と第２のトランジスタ
   の各エミッタと相互接続され、この接続点は電源端子に
   接続され、さらに前記第５の１−ランジスタのコレクタ
   は前記第２のトランジスタのコレクタに接続され、前記
   第３゜第４のトランジスタのエミッタは共通接続されて
   接地端子に接続され、前記第５のトランジスタのエミッ
   タに第１の抵抗が接続され、該第１の抵抗の他端は接地
   端子に接続され、前記第５のトランジスタと導電形を同
   じにする第６のトランジスタのベースが前記第５のトラ
   ンジスタＩのベースに接続され、前記第６のトランジス
   タのエミ・ツタは第２の抵抗と第１のコンデンサに接続
   され、前記第２の抵抗と前記第１のコンデンサのそれぞ
   れの他端は前記接地端子に接続され、前記第６のトラン
   ジスタのコレクタは第２の定電流源に接続され、その接
   続点が出力端子に接続され、前記第２の定電流源の他端
   が前記電源端子に接続されていることを特徴とする光電
   変換増幅回路。