JP4883674B2 - 受光アンプ - Google Patents

Description

本発明は、パルス光を受光する受光素子の出力信号を増幅してアナログ・デジタル変換器等に与えるに好適な受光アンプに関する。

ＬＥＤ等の発光器から出力したパルス光を受光してその光路内への物体の進入を検出する光センサにおいては、通常、上記パルス光を受光する受光素子の出力電流（受光信号）を電圧変換する電流・電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）と、この電流・電圧変換器の出力電圧を増幅してアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）等に与える電圧増幅回路とを備えた受光アンプが用いられる。

ところでこの種の受光アンプにおいては受光素子における外乱光成分である直流成分を除去するべく、一般的には前記Ｉ／Ｖ変換器と前記電圧増幅回路との間に結合コンデンサが設けられる。しかし受光信号がパルス状なので、上記結合コンデンサに蓄えられた電荷に起因して前記電圧増幅回路の出力にオーバシュート／アンダーシュートによるリンギングが生じる虞がある。そこで前記受光素子からの受光信号が非出力状態となったとき、前記結合コンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチを設けることが提唱されている。またこの結合コンデンサの放電に連動して前記電圧増幅回路の帰還回路に入力電圧補正用のコンデンサを介挿し、その出力電圧のドリフトを抑制することも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特許第３１５７４６３号公報

ところで前述した電圧増幅回路は、専ら、基準電圧をその増幅出力の基準値として前記Ｉ／Ｖ変換器の出力電圧（受光信号）の交流成分だけを増幅する増幅回路として実現される。またこの電圧増幅回路の帰還回路には、その増幅動作の安定化を図ると共に、出力電圧に含まれる雑音成分を除去するためのコンデンサが設けられることが多い。そしてこの電圧増幅回路にて反転増幅した受光信号をＡ／Ｄ変換器に与えるような場合、このＡ／Ｄ変換器が有するダイナミックレンジを活かすには上記基準電圧を高くし、その出力電圧のダイナミックレンジを広くすることが望ましい。具体的には無信号時における電圧増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のフルスケールとなるように、上記基準電圧を、例えば電圧増幅回路に印加する駆動電圧にできる限り近づけることが望ましい。

しかしながらこのようにして電圧増幅回路に与える基準電圧を高くすると、受光素子に過大なパルス光が入力した際、上記電圧増幅回路が飽和してその出力電圧が電源電圧に張り付いた状態となることが否めない。特にこの飽和に伴って前述した帰還回路に設けたコンデンサに不本意な電荷が蓄積されるので、飽和状態からの復帰に多大な時間が掛かると言う問題がある。尚、前述した基準電圧を低くすれば飽和の問題を解消し得るが、逆にＡ／Ｄ変換器に対する出力電圧のダイナミックレンジが狭くなると言う相反する問題が生じる。これ故、周期の短いパルス光を受光する上での高速応答性を確保すると同時に、そのダイナミックレンジを広くすることが困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、パルス光を受光する受光素子の出力を増幅して出力する電圧増幅回路の高速応答性を確保すると共に、その出力電圧のダイナミックレンジを十分に広くすることのできる簡易な構成の受光アンプを提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る受光アンプは発光器と共に用いられるものであって、上記発光器から出力されたパルス光を受光し、受光したときに出力電流が流れる受光素子と、この受光素子の出力電流を電圧変換する電流・電圧変換器と、この電流・電圧変換器の出力電圧を増幅して出力する電圧増幅回路とを具備し、
特に前記電圧増幅回路は、単電源で動作する演算増幅器と、前記演算増幅器の負帰還回路に設けられ、前記演算増幅器の動作特性を補償するコンデンサと、前記コンデンサに並列に設けられて前記発光器の駆動に同期して駆動され、前記パルス光の発光後に前記コンデンサを短絡するスイッチとを含み、前記演算増幅器の非反転入力端子に無信号時の出力電圧を規定する基準電圧が入力され、前記演算増幅器の反転入力端子に前記電流・電圧変換器の出力電圧の交流成分が入力され、前記演算増幅器の出力電圧をアナログ・デジタル変換器に与えるものであって、前記基準電圧として前記アナログ・デジタル変換器の駆動電圧と同じ電圧を用いる、ことを特徴としている。

尚、好ましくは電圧増幅回路の帰還回路に設けられるコンデンサは、前記電圧増幅回路の動作安定化および／または前記電流・電圧変換器の出力電圧に含まれる雑音成分を除去する機能を呈するものからなる。

上述した構成の受光アンプによれば、過大な受光信号を入力して電圧増幅回路の出力電圧がその電源電圧に張り付いた状態、つまり飽和状態になったとしても、パルス光の発光後に前記電圧増幅回路の帰還回路に設けられたコンデンサをスイッチを介して短絡するので、上記コンデンサに蓄えられた電荷を放電させて上記電圧増幅回路の飽和状態を速やかに解消することができる。従って電圧増幅回路のダイナミックレンジを犠牲にすることなく、その高速応答性を十分に確保することが可能となる。しかもコンデンサと並列にスイッチを設け、このスイッチを発光器の駆動に同期させて、特にパルス光の発光後に作動させると言う簡単な構成により、電圧増幅回路の飽和状態を効果的に解消することができる。

特に電圧増幅回路の出力電圧をアナログ・デジタル変換器に与えるに際して、このアナログ・デジタル変換器のダイナミックレンジに合わせて該電圧増幅回路のダイナミックレンジを広く設定するべくその基準電圧を高く設定しても、電圧増幅回路の高速応答性を確保することができる。従って、例えば結合コンデンサを介して電圧増幅回路の出力電圧のレベルをプルアップしてＡ／Ｄ変換器のフルスケールに合わせる等の対策を講じなくても、上記電圧増幅回路の出力電圧を直接アナログ・デジタル変換器に入力することができるので、全体的なその構成の簡素化を図ることができる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る受光アンプについて説明する。
図１は本発明に係る受光アンプを組み込んで構成される光センサの概略構成図で、１は発光ダイオード（ＬＥＤ）２とその駆動回路３を備えた発光器である。この発光器１は所定の周期でパルス光を発光出力するように構成される。また４は上記発光器１から出力されたパルス光を受光する受光素子５を備えた受光アンプである。この受光アンプ４は、基本的にはパルス光を受光した受光素子５が出力する微少な電流（受光信号）を電圧信号に変換する電流・電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）６と、このＩ／Ｖ変換器６の出力電圧（受光信号）の交流成分だけを所定の電圧信号レベルまで増幅する電圧増幅回路７と、電圧増幅された出力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）８とを備えて構成される。

尚、前記受光素子５は、例えばその受光量Ｐに応じて通電電流Ｉが変化するＰＩＮダイオードからなる。また前記電圧増幅回路７は、後述するように所定の基準電圧Ｖrefを入力し、この基準電圧Ｖrefを無信号時の出力電圧を規定する基準として前記Ｉ／Ｖ変換器６の出力電圧（受光信号）Ｖの交流成分を反転増幅する高利得の増幅回路からなる。またこの電圧増幅回路７の帰還回路には、その増幅利得を決定する抵抗Ｒ７や、その増幅特性を保証して所定のフィルタ特性を付与するためのコンデンサＣ７が設けられる。

さて基本的には上述したように構成される受光アンプ４において本発明が特徴とするところは、図２にその具体的な回路構成を示すように、電圧増幅回路７の帰還回路に設けられたコンデンサＣ７に並列接続したスイッチＳＷを備え、制御回路９による制御の下で前記発光器１の駆動に同期させて前記パルス光の発光後に前記スイッチＳＷを導通（オン）させ、これによって前記コンデンサＣ７に蓄積された電荷を放電させるように構成した点にある。

即ち、受光素子５であるＰＩＮダイオードには、抵抗Ｒ１,Ｒ２を直列に介して所定の電源電圧Ｖregが印加されており、パルス光を受光したとき、その受光量に応じた電流を流すものとなっている。このＰＩＮダイオードに流れる微少な電流（受光電流）を検出して電圧変換するＩ／Ｖ変換器６は、その反転端子（−）に結合コンデンサＣ２を介して上記電流を入力すると共に、非反転端子（＋）に前記電源電圧Ｖregから生成された比較基準電圧を入力する差動増幅器６ａと、この差動増幅器６ａの入出力端子間に設けられた帰還抵抗Ｒ５および動作保補償用の帰還コンデンサＣ５とを備えて構成された反転増幅回路からなる。

尚、コンデンサＣ１はＰＩＮダイオードに印加する電圧を安定化する役割を担う。またコンデンサＣ４は、直列接続した抵抗Ｒ３,Ｒ４により前記電源電圧Ｖregを分圧して生成されて、前記差動増幅器６ａの非反転端子（＋）に印加される比較基準電圧を安定化する役割を担う。これらのコンデンサＣ１,Ｃ４は、いわゆる電源のパスコンである。これに対して前述したコンデンサＣ５は、前記差動増幅器６ａの動作特性を補償し、その高速動作の安定化を図る機能を担う。

一方、上述したＩ／Ｖ変換器６の電圧出力（受光信号）を入力して所定の信号レベルに電圧増幅する電圧増幅回路７は、高利得の差動増幅器７ａを用いて構成される。この電圧増幅回路７は、差動増幅器７ａの反転入力端子（−）とその出力端子との間に、抵抗Ｒ７および動作保補償用のコンデンサＣ７とからなるその帰還回路７ｂを備える。そして結合コンデンサＣ６と入力抵抗Ｒ６とからなる直列回路を介して前記Ｉ／Ｖ変換器６の電圧出力（受光信号）をその反転入力端子（−）に入力し、またその非反転入力端子（＋）には予め設定された基準電圧Ｖrefを入力し、この基準電圧Ｖrefを無信号時の出力電圧を規定する基準として前記Ｉ／Ｖ変換器６の電圧出力（受光信号）の交流成分だけを反転増幅するように構成される。従って電圧増幅回路７は、Ｉ／Ｖ変換器６の電圧出力（受光信号）に応じて前記基準電圧Ｖrefを基準として出力電圧が低下する向きにその電圧出力を生成することになる。

ちなみに結合コンデンサＣ６と入力抵抗Ｒ６とからなる直列回路、および帰還回路を構成する抵抗Ｒ７およびコンデンサＣ７は、それぞれフィルタとしての機能を呈して所要帯域のバンドパスフィルタを構成している。特に上述した如く帰還回路７ｂに設けられたコンデンサＣ７によって前記電圧増幅回路７の増幅動作の安定化が図られると共に、その出力電圧に含まれる雑音成分の除去が行われるようになっている。そしてこのような電圧増幅回路７にて電圧増幅された出力信号（受光信号）は、Ａ／Ｄ変換器８に直接与えられ、デジタル変換されて出力されるものとなっている。

尚、前記差動増幅器６ａ,７ａは、その負側電源端子を接地し、正側電源端子に前記電源電圧Ｖregがそれぞれ印加されて動作する、いわゆる片電源タイプのものである。また前記Ａ／Ｄ変換器８は、上記電源電圧Ｖregよりも若干低く設定された基準電圧Ｖrefを電源とし、この基準電圧Ｖrefをフルスケールとして動作するように設定されている。そして前記差動増幅器７ａの非反転入力端子（＋）に与える基準電圧Ｖrefとしては、上記Ａ／Ｄ変換器８の電源電圧がそのまま用いられている。この場合、電圧増幅回路７の増幅出力として受光信号を反転増幅したものが求められるので、Ａ／Ｄ変換器８の出力をそのフルスケール値から減算したものが、前記パルス光の受光レベルとして検出されることになる。

具体的には、例えば前記電源電圧Ｖregは４.５Ｖに設定され、また前記基準電圧Ｖrefは上記電源電圧Ｖregよりも０.５Ｖ低い電圧、つまり４.０Ｖとして設定される。このような電圧設定によりＡ／Ｄ変換器８のダイナミックレンジを十分に広くし、またこのＡ／Ｄ変換器８のダイナミックレンジに合わせて前記電圧増幅回路７の出力電圧（受光信号）のダイナミックレンジも十分に広く設定されている。

そして前記スイッチＳＷは、前述したＬＥＤ２の発光駆動に同期して、パルス光の発光完了から若干の遅れたタイミングで導通（オン）駆動され、次の発光タイミングに先立って遮断（オフ）駆動されるようになっている。換言すれば前記スイッチＳＷは、パルス光の発光期間、ひいては上記パルス光の受光期間にだけオフ駆動される。そしてこのスイッチＳＷのオフ期間にだけ前記コンデンサＣ７が差動増幅器７ａの帰還回路７ｂに介挿されるようになっている。また逆にスイッチＳＷのオン期間には、コンデンサＣ７の両端間が短絡され、差動増幅器７ａの機能、ひいては電圧増幅回路７の機能自体もバイパスされるようになっている。

かくしてこのように構成された受光アンプ４によれば、受光素子（ＰＩＮダイオード）５が過大なパルス光を受光し、この結果、前記電圧増幅回路７が飽和状態に至ってその出力電圧（受光信号）が電源電圧Ｖregに張り付いたとしても、パルス光の発光完了後における前記スイッチＳＷの導通（オン）によってコンデンサＣ７に蓄積された電荷が速やかに放電されるので、上述した出力電圧（受光信号）の電源電圧Ｖregへの張り付きを解消することができる。つまり電圧増幅回路７の飽和状態を速やかに解消することができる。そして次のタイミングでＬＥＤ２が発光駆動されるに先立って上記スイッチＳＷによるコンデンサＣ７の短絡が解除され、該コンデンサＣ７が差動増幅器７ａの帰還回路７ｂに介挿されるので、次の発光タイミングにおいてそのパルス光を受光したときには、本来の機能を呈してその受光信号を正常に電圧増幅することができる。故に、受光アンプ４としての本来の機能を損なうことがない。

具体的には図３(ａ)に示すように過大なレベルのパルス光を受光したとき、電圧増幅回路７が飽和状態となってその出力電圧Ｖoutは、一般的には図３(ｂ)に示すように電源電圧Ｖregに張り付き、例えばその飽和状態が解消されるまでに３０μ秒もの時間が掛かる。この点、前述したようにパルス光の受光（発光）に同期させて、図３(ｂ)に示すようにその発光完了後にスイッチＳＷを導通（オン）させ、これによって電圧増幅回路７の帰還回路７ｂに設けられたコンデンサＣ７を短絡することにより、図３(ｃ)に示すように該電圧増幅回路７の飽和状態を速やかに解消することができる。

特に図４にパルス光の発光周期が短い場合の例をその時間軸を拡大して示すように、過大なレベルのパルス光の受光によって電圧増幅回路７が飽和した状態において次のパルス光を受光したとき、図４(ａ)(ｂ)に示すように電圧増幅回路７の応答に、例えば０.５μ秒程度の遅れが生じることが否めない。しかし前述したようにパルス光の発光完了後にスイッチＳＷを導通（オン）させてコンデンサＣ７を短絡し、電圧増幅回路７の飽和状態を解消しておけば、図４(ｃ)に示すように電圧増幅回路７はパルス光の受光に追従して動作してその出力電圧Ｖoutを変化させるので、その応答性を十分に確保することが可能となる。

また上述した構成によれば、電圧増幅回路７の応答性を高くして短い周期のパルス光にも対処し得るようにしているので、前述した如く電圧増幅回路７に与える基準電圧Ｖrefをその電源電圧Ｖreg程度に高くしてそのダイナミックレンジを十分に広く設定することができる。従って電圧増幅回路７の出力電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器８のダイナミックレンジがその電源電圧によって規定されるような場合であっても、該Ａ／Ｄ変換器８の駆動電圧に合わせて電圧増幅回路７のダイナミックレンジを広くしておくことが容易である。具体的には電圧増幅回路７に与える基準電圧ＶrefとＡ／Ｄ変換器８の駆動電圧とを等しくし、これによってＡ／Ｄ変換器８が有するダイナミックレンジを最大限に活用し得るように電圧増幅回路７のダイナミックレンジを容易に設定することが可能となる。この結果、電圧増幅回路７とＡ／Ｄ変換器８との間に結合コンデンサを設けることなく、その直流電圧レベルを合わせたダイレクト接続が可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではＩ／Ｖ変換器６と電圧増幅回路７とを備えた２段構成の受光アンプ４を例に説明したが、受光信号の更なる電圧増幅が必要な場合には、上記電圧増幅回路７を多段に構成することも勿論可能である。この場合にはおいても多段に設けられた電圧増幅回路７のそれぞれの帰還回路７ｂに組み込まれるコンデンサに対してそれぞれ並列にスイッチＳＷを設け、これらのスイッチＳＷを前述したタイミングで一括してオン・オフ制御すれば良い。また図２に破線で示すようにＩ／Ｖ変換器６の帰還回路に設けられたコンデンサが、その動作応答性を妨げるような場合には、このコンデンサに対してもスイッチＳＷを並列に設け、このスイッチＳＷを前述したタイミングでオン・オフ制御するようにすれば良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る受光アンプの概略構成図。 本発明の一実施形態に係る受光アンプの具体的な構成例を示す図。 図２に示す受光アンプのパルス光の受光時における応答性を、従来の受光アンプの応答性と対比して示す図。 パルス光の発光周期が短い場合における図２に示す受光アンプの応答性を、従来の受光アンプの応答性と対比して示す図。

符号の説明

１ 発光器
２ ＬＥＤ
４ 受光アンプ
５ 受光素子（ＰＩＮダイオード）
６ 電流・電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）
７ 電圧増幅回路
７ａ 差動増幅器
７ｂ 帰還回路
８ アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）
９ 制御回路
Ｃ７ コンデンサ
ＳＷ スイッチ
Ｖreg 電源電圧
Ｖref 基準電圧

Claims (2)

1. 発光器と共に用いられる受光アンプであって、
   上記発光器から出力されたパルス光を受光し、受光したときに出力電流が流れる受光素子と、この受光素子の出力電流を電圧変換する電流・電圧変換器と、この電流・電圧変換器の出力電圧を増幅して出力する電圧増幅回路とを具備し、
   前記電圧増幅回路は、単電源で動作する演算増幅器と、前記演算増幅器の負帰還回路に設けられ、前記演算増幅器の動作特性を補償するコンデンサと、前記コンデンサに並列に設けられて前記発光器の駆動に同期して駆動され、前記パルス光の発光後に前記コンデンサを短絡するスイッチとを含み、前記演算増幅器の非反転入力端子に無信号時の出力電圧を規定する基準電圧が入力され、前記演算増幅器の反転入力端子に前記電流・電圧変換器の出力電圧の交流成分が入力され、前記演算増幅器の出力電圧をアナログ・デジタル変換器に与えるものであって、前記基準電圧として前記アナログ・デジタル変換器の駆動電圧と同じ電圧を用いる、ことを特徴とする受光アンプ。
2. 前記コンデンサは、前記電圧増幅回路の動作安定化および／または前記電流・電圧変換器の出力電圧に含まれる雑音成分を除去する機能を呈するものである請求項１に記載の受光アンプ。

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