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JP2004343441A - 受光回路および距離計測装置 - Google Patents

受光回路および距離計測装置 Download PDF

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JP2004343441A
JP2004343441A JP2003137749A JP2003137749A JP2004343441A JP 2004343441 A JP2004343441 A JP 2004343441A JP 2003137749 A JP2003137749 A JP 2003137749A JP 2003137749 A JP2003137749 A JP 2003137749A JP 2004343441 A JP2004343441 A JP 2004343441A
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JP2003137749A
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Ryoichi Sugawara
菅原  良一
Tadahiro Omi
忠弘 大見
Shigetoshi Sugawa
成利 須川
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Denso Corp
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Abstract

【課題】低雑音で広帯域な受光回路を提供する。
【解決手段】フォトダイオード2からの電流信号Ipdに、バイアス回路3が供給する一定のバイアス電流Ibを重畳し、その電流信号Ipd+Ibを、電流増幅型のカレントミラー回路40からなる電流増幅部4にてm倍に増幅する。その増幅された電流信号Iaを電圧変換回路5により電圧信号Voに変換する。バイアス電流Ibは、カレントミラー回路40が確実に動作し、しかも必要な応答周波数(帯域)を確保できる最小限の大きさに設定されている。このため、電流信号Ipdが微少な場合でも、カレントミラー回路40が動作不能となることがなく、また、ショット雑音の発生も必要最小限に抑えられるため、微弱光の検出と高速動作とを両立させることができる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換部が発生させる電流信号を増幅して出力する受光回路、及びこれを用いた距離計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、フォトダイオード等の光電変換素子を用い、照射光の強度に応じた信号を発生させる受光回路として、図10(a)(b)に示すものが知られている。
【0003】
図10(a)に示す受光回路101は、フォトダイオード102に直列接続された負荷抵抗103により、フォトダイオード102が発生させた電流信号Ipdを電圧信号Vpdに変換してから、増幅回路などを備えた信号処理回路104により、その電圧信号Vpdの増幅を行うように構成されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
また、図10(b)に示す受光回路111は、フォトダイオード112が発生させた電流信号Ipdをカレントミラー回路113で増幅してから、演算増幅器114a,帰還抵抗114bからなるトランスインピーダンス回路114にて、その増幅された電流信号Iaを電圧信号Voに変換するように構成されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平09−311181号公報(図1)
【特許文献2】
特開2002−344252号公報(図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このうち、電圧変換してから増幅を行う受光回路101では、受光感度を確保するためには、負荷抵抗103の抵抗値を大きくする必要がある。しかし、負荷抵抗103の抵抗値を大きくすると、負荷抵抗103で発生する熱雑音が増加するため、微弱光の検出が困難になる(即ち最小受光電流が低下する)と共に、フォトダイオード102の寄生容量の影響を受けて応答周波数(ゲインの帯域幅)が低下するため、受光回路101を高速動作させることができないという問題があった。
【0007】
これに対して、電流増幅してから電圧変換を行う受光回路111では、電圧変換に用いる帰還抵抗114bの抵抗値を小さくでき、帰還抵抗114bで発生する熱雑音を小さくすることができる。
しかし、この受光回路111では、フォトダイオード112からの電流信号Ipdが、そのままカレントミラー回路113を構成するトランジスタ113a,113bのベース電流となっている。このため、電流信号Ipdが微少な領域では、フォトダイオード112やトランジスタ113a,113bの寄生容量の影響が大きくなってトランジスタ113a,113bの応答周波数が低下したり、オン電圧を維持できなくなってトランジスタ113a,113bの駆動が不能となったりする。従って、この場合も、微弱光の検出が困難である(即ち最小受光電流が低下する)という問題があった。
【0008】
なお、この種の受光回路を、例えば、障害物検知用の車載レーザレーダ装置などに適用した場合、最小受光電流は障害物の最大検知距離を、また、応答周波数は検出の応答性を決定する要因であり、装置の性能に大きな影響を与えるため、これらの特性を向上させることが望まれている。
【0009】
本発明は、上記問題点を解決するために、低雑音で広帯域な受光回路、及びこれを用いた距離計測装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた第一発明の受光回路では、光電変換部が、照射光の強度に応じた電流信号を発生させると、バイアス回路が、その電流信号にバイアス電流を重畳し、電流増幅型のカレントミラー回路からなる電流増幅部が、そのバイアス電流が重畳された電流信号を増幅して出力する。
【0011】
即ち、本発明の受光回路では、電流増幅部で増幅された電流信号を電圧信号に変換すればよいため、この変換を行う負荷抵抗、ひいては負荷抵抗にて重畳される熱雑音を小さくすることができる。
そして、バイアス電流を、電流増幅部を所望の応答周波数(帯域)が確保される大きさに設定すれば、電流信号がどれだけ小さくても、電流増幅部が動作不能となることはない。
【0012】
つまり、本発明の受光回路によれば、微弱光の検出と高速動作とを両立させることができる。
但し、電流信号に重畳するバイアス電流を大きくするほど、電流増幅部のカレントミラー回路を構成するトランジスタで発生するショット雑音が増大し、最小受光電流が劣化する(大きくなる)ため、バイアス電流は、必要な応答周波数(帯域)を確保できる最小限の大きさに設定することが望ましい。
【0013】
ところで、光電変換部として大きな受光面を必要とするが、その一部にしか検出すべき光(以下「検出光」と称する。)が照射されない場合、検出光の未照射部分では背景光を受光してしまうため、この背景光に基づく雑音電流が増大し、最小受光電流を劣化させてしまう。
【0014】
そこで、光電変換部を、予め設定された受光面を覆うように配列された複数の光電変換素子にて構成し、これら光電変換素子毎にバイアス回路及び電流増幅部を設けると共に、これら複数設けられた電流増幅部の一部を選択して、その選択した電流増幅部から出力を取り出す選択回路を設けるようにしてもよい。
【0015】
この場合、選択回路にて、検出光の照射部位に位置する光電変換素子に対応して設けられた電流増幅部を適宜選択すれば、背景光に基づく雑音電流の少ない出力を得ることができる。
また、この場合、個々の光電変換素子の受光面が小さくなり、光電変換素子の持つ寄生容量が低減されるため、光電変換素子、ひいては受光回路の応答周波数も向上させることができる。
【0016】
なお、電流増幅部のカレントミラー回路を構成するトランジスタとしては、バイポーラトランジスタを用いてもよいし、MOS電界効果トランジスタを用いてもよい。
特にMOS電界効果トランジスタを用いた場合、バイポーラトランジスタと比較して素子サイズを小型化でき、その分、寄生容量が抑えられるため、応答周波数をより向上させることができる。
【0017】
また、光電変換部、バイアス回路、電流増幅部は、単一の半導体基板上に形成されていること、すなわちモノリシック集積回路として構成されていることが望ましい。
次に、第二発明の距離計測装置では、レーザ照射手段が、レーザ光で空間を掃引照射し、そのレーザ光の照射エリアに存在する物体からの反射光を受光手段が受光する。そして、レーザ光が照射されてから、反射光が受光されるまでの往復時間を計測し、その計測時間に基づいて、レーザ光を反射した物体までの距離を求める。
【0018】
そして、受光手段は、請求項3に記載の受光回路と、反射光が受光面の一部に照射されるように反射光を集光する集光レンズとを備え、選択制御手段が、レーザ照射手段によるレーザ光の照射方向に応じて、集光レンズにより集光された反射光が照射されるべき一部の光電変換素子に対応する電流増幅部を、選択回路に選択させるように構成されている。
【0019】
つまり、本発明の距離計測装置では、請求項3に記載の受光回路を用いて構成されていることにより、受光回路から背景雑音の少ない出力が得られるため、受光回路の最小受光電流が小さくなると共に、個々の光電変換素子が小さいため、その寄生容量を小さくすることができ、その結果、物体の検知能力(最大検知距離)や検出の応答性を向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態の受光回路1の構成を示す回路図である。
【0021】
本実施形態の受光回路1は、図1に示すように、照射光に応じた電流信号Ipdを発生させる光電変換素子としてのフォトダイオード2と、フォトダイオード2からの電流信号Ipdに、一定のバイアス電流Ibを重畳するバイアス回路3と、一対のNMOS電界効果トランジスタ(単に「トランジスタ」と称する。以下同様。)41,42で構成された電流増幅型のカレントミラー回路40からなり、バイアス電流が重畳された電流信号Ipd+Ibを、m(>1;本実施形態ではm=10)倍に増幅する電流増幅部4と、ダイオード接続されたPMOS電界効果トランジスタ51からなり、電流増幅部4の出力電流を電圧信号に変換する電圧変換回路5とを備えており、これらは、全てが単一の半導体基板上に形成されている。なお、図中、点線で示す容量Cpdは、フォトダイオード2の寄生容量を等価的に記したものである。
【0022】
そして、電流増幅部4と電圧変換回路5との接続端(トランジスタ42のドレイン端子)を出力端子として、照射光の光強度に応じて信号レベルが変化する電圧信号Voを出力するように構成されている。
また、バイアス回路3は、ソース接地回路を構成するNMOS電界効果トランジスタ33と、電源電圧Vccを分圧してトランジスタ33に印加するゲート電圧を発生させる分圧抵抗34,35と、一対のPMOS電界効果トランジスタ31,32からなり、トランジスタ33のドレイン電流を入力電流とし、これと同じ大きさの出力電流をバイアス電流Ibとして供給するカレントミラー回路30とからなる。
【0023】
但し、カレントミラー回路40,30は、いずれも、入力側トランジスタ41,31のドレイン,ゲート間を短絡した、いわゆるワイドラー型のカレントミラー回路として構成されている。
このように構成された本実施形態の受光回路1では、フォトダイオード2に光が照射されると、フォトダイオード2が、その照射光の強度に応じた電流信号Ipdを発生させ、この電流信号Ipdに、バイアス回路3がバイアス電流Ibを重畳する。すると、電流増幅部4のカレントミラー回路40が、バイアス電流が加算された電流信号Ipd+Ibをm倍に増幅し、その増幅された電流信号Ia(=m×(Ipd+Ib))が電圧変換回路5により電圧信号Voに変換され、出力端子から出力される。
【0024】
ここで、図2(a)は、受光回路1のゲインG(=Vo/Ipd)の周波数特性をシミュレーションにより求め、その求めた結果に基づき、バイアス電流Ibと帯域幅との関係を示したグラフである。
また、図2(b)は、受光回路1を構成する各トランジスタ31〜33,41,42,51にて発生するショット雑音及び熱雑音に基づき電圧信号Voに重畳される雑音電圧Vnをシミュレーションにより求め、その求めた結果に基づき、バイアス電流Ibと入力換算雑音N(=Vn/G)との関係を示したグラフである。
【0025】
但し、フォトダイオード2の寄生容量をCpd=0.2pF、フォトダイオード2が発生させる電流信号をIpd=10nAと仮定した。また、入力換算雑音Nは、周波数特性を有しているため、ここでは、1kHzの場合と10MHzの場合を示した。
【0026】
つまり、受光回路1は、図2(a)に示すグラフに基づいて、必要な帯域(応答周波数)Bを確保できるようにバイアス電流Ibが設定されている。但し、グラフが不連続に変化する点は、トランジスタ41,42が動作不能となる点であり、バイアス電流Ibは、少なくともこの点より大きな値に設定する必要がある。また、バイアス電流Ibを大きくするほど、トランジスタ41のショット雑音も増大するため、バイアス電流Ibは、必要最小限の大きさに設定される。
【0027】
例えば、帯域B=10MHz以上とする必要があれば、バイアス電流Ibは、0.6μA以上に設定すればよい。
そして、バイアス電流Ibが決まれば、図2(a)に示すグラフから帯域B、図2(b)に示すグラフから入力換算雑音Nがわかるため、N×√Bから、最小受光電流(検出限界)を推定することができる。
【0028】
なお、受光回路1では、バイアス電流Ibは、分圧抵抗34,35の抵抗値R1,R2によって決まるため、設計の際には、図2(a)(b)のグラフを、バイアス電流Ibの代わりに、抵抗値R1又はR2、或いは抵抗比R1/R2が横軸となるように変換したグラフを用いると便利である。
【0029】
例えば、抵抗値R1=10kΩとした場合、抵抗値R2とバイアス電流との間には、図2(c)に示す関係があるため、これに基づいて、図2(a)(b)に示すグラフを、バイアス電流Ibの代わりに抵抗値R2を横軸としたものに変換すれば、図3(a)(b)に示すグラフが得られる。なお、図3(c)は抵抗値R2とゲインGとの関係、(d)は抵抗値R2と最小受光電流との関係を示すグラフである。
【0030】
つまり、図3(a)〜(c)に示すグラフを用いれば、抵抗値R2を調整するだけで、所望の特性を有した受光回路1を簡単に設計することができる。
以上説明したように、本実施形態の受光回路1では、フォトダイオード2からの電流信号Ipdを、電流増幅部4のカレントミラー回路40にて増幅後、電圧変換回路5により電圧信号Voに変換している。このため、電圧変換回路5として抵抗値の低いものを用いることができ、電圧変換回路5にて電圧信号Voに重畳される熱雑音を低減することができる。
【0031】
また、電流増幅部4のカレントミラー回路40に供給する電流信号Ipdには、バイアス電流Ibが重畳され、しかも、そのバイアス電流Ibが、必要な応答周波数(帯域B)を確保できる最小限の大きさに設定されている。従って、電流信号Ipdが微少な場合でも、カレントミラー回路40を確実に動作させることができると共に、ショット雑音の発生を必要最小限に抑えることができ、微弱光の検出と高速動作とを両立させることができる。
【0032】
なお、本実施形態では、受光回路1を構成する各トランジスタをMOS電界効果トランジスタを用いて構成したが、例えば、図4に示す受光回路1aのように、バイアス回路3及び電流増幅部4を構成するMOS電界効果トランジスタ41、42,31〜33に代えて、バイポーラトランジスタ41a,41bを用いると共に、電圧変換回路5を構成するトランジスタ51に代えて抵抗52を用いて構成してもよい。但し、図4では、バイアス回路3の詳細を省略して定電流源として記載している(以下、図5〜7も同様)。
【0033】
また、本実施形態では、電流増幅部4のカレントミラー回路40として、入力側トランジスタ41のゲート,ドレイン間を短絡したワイドラー型のものを用いているが、バイポーラトランジスタを用いる場合、図5に示す受光回路1bのように、トランジスタ41a,42aへのベース電流の供給を行うトランジスタ43aを追加したベース電流補償型のカレントミラー回路を用いてもよい。なお、トランジスタ41a,42aのベース,エミッタ間に挿入された抵抗44は、トランジスタ41a,42aのベース電位を安定させるためのものである。また、図6に示す受光回路1cのように、図6に示す受光回路1bを構成するトランジスタ41a〜43aを、バイポーラトランジスタからMOS電界効果トランジスタ41〜43に置き換えた構成を有するものを用いてもよい。その他、ウイルソン・カレントミラー回路等を用いてもよい。
【0034】
また、電圧変換回路5としては、ダイオード接続されたMOS電界効果トランジスタや抵抗の代わりに、演算増幅器と帰還抵抗とからなるトランスインピーダンス回路を用いてもよい。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。
【0035】
図7は、本実施形態の受光回路60の構成を示す回路図である。
図7に示すように、本実施形態の受光回路60は、マトリクス状に配列されたp×q個(p,q≧1)の受光ブロックBKij(i=1〜p,j=1〜q)と、1乃至複数の受光ブロックBKijから、その出力を選択的に取り出すための選択回路と、ダイオード接続されたPMOS電界効果トランジスタからなり、選択回路にて取り出された出力(電流信号)を電圧信号に変換する電圧変換回路65とを備えている。
【0036】
このうち受光ブロックBKijは、第1実施形態の受光回路1と比較すると、カレントミラー回路40を構成するトランジスタ41,42のゲートソース間にスイッチング用のNMOS電界効果トランジスタ45が追加され、電圧変換回路5が削除されている以外は、受光回路1と全く同様に構成されている。
【0037】
そして、選択回路は、行方向に配列された各受光ブロックのトランジスタのゲートが共通に接続された行選択ラインLRiと、列方向に配列された各受光ブロックのカレントミラー回路40(トランジスタ41,42)の出力端子が共通に接続された列選択ラインLCjと、列選択ラインLCjがそれぞれトランジスタTRjを介して共通に接続されると共に、電圧変換回路65が接続された出力ラインLOとを備えている。
【0038】
但し、各受光ブロックBKijを構成するフォトダイオード2は、予め設定された受光面を覆うように配置されている。つまり、各受光ブロックBKijは、受光面をマトリクス状に分割してなる分割受光面のそれぞれに1個ずつ割り当てられている。
【0039】
このように構成された受光回路60では、行選択ラインLRxに接続された受光ブロックBKxjは、その行選択ラインLRxがハイレベルに設定されると、トランジスタ45がオンすることで、カレントミラー回路40の動作が禁止され、逆に、行選択ラインLRxがロウレベルに設定されると、トランジスタ45がオフすることで、カレントミラー回路40の動作が許可される。
【0040】
また、列選択ラインLCyに接続されたトランジスタTRyがオンに設定されると、ロウレベルに設定された行選択ラインLRxに接続された受光ブロックBKxyの出力電流が、列選択ラインLCyに流れる。つまり、ロウレベルに設定された行選択ラインLRxとトランジスタTRyがオンに設定された列選択ラインLCyとで特定される全ての受光ブロックBKxyからの出力電流の合計が出力ラインLOを介して電圧変換回路65を流れることにより、出力ラインLOから、これら合計された出力電流の大きさに応じた電圧信号Voが得られる。
【0041】
ここで、図8は、本実施形態の受光回路60を用いて構成した車載用レーザレーダ装置の概略構成図である。
図8(a)に示すように、車載用レーザレーダ装置は、半導体レーザを発光させて、パルス状のレーザ光(本実施形態ではパルス幅50ns)を出力する発光回路71と、レンズやミラーで構成されたスキャナを用い、発光回路71から出力されたレーザ光で空間を掃引照射するスキャン機構部72とを備えている。また、車載用レーザレーダ装置は、レーザ光の照射エリアに存在する物体からの反射光を集光する集光レンズ73と、集光レンズ73が集光した反射光を受光する本実施形態の受光回路60と、受光回路60の選択回路を制御して受光に使用する画素(受光ブロックBKij)を選択する画素選択回路74と、受光回路60の出力Voを増幅する増幅器75、及び増幅器75の出力に基づいて、レーザ光を反射した物体との間を往復したレーザ光の往復時間を計測する時間計測回路76からなる計測部77と、発光回路71,画素選択回路74の制御を行うと共に、計測部77にて計測されたレーザ光の往復時間から、レーザ光を反射した物体との距離を算出する処理などを実行する演算処理部78とを備えている。
【0042】
なお、発光回路71及びスキャン機構部72がレーザ光照射手段、集光レンズ73,受光回路60,画素選択回路74が受光手段に相当し、特に画素選択回路74は選択制御手段に相当する。
また、受光回路60を構成する各受光ブロックBKijのフォトダイオード2、即ち受光面を形成する各画素は、図8(b)に示すように、集光レンズ73により集光された反射光のスポット径と、同程度の大きさとなるように設定されており、本実施形態では、約200μm×200μmの大きさ(寄生容量0.2pF)に形成されている。
【0043】
そして、画素選択回路74は、スキャン機構部72がレーザ光を放射する方向に従って、集光レンズ73により集光された反射光が照射される1乃至複数の受光ブロックBKijのみを選択するように構成されている。即ち、背景光のみを受光する部分に位置する受光ブロックBKijは動作しないようにされている。
【0044】
このように本実施形態の受光回路60を車載用レーザレーダ装置に用いた場合には、受光面が単一のフォトダイオードにて構成された受光回路を用いる場合と比較して、背景光に基づく雑音を大幅に低減することができ、その結果、最小受光電流が小さくなるため、障害物の検知能力(最大検知距離)を大幅に向上させることができる。
【0045】
なお、図9は、フォトダイオード2の寄生容量と、受光ブロックBKijの帯域(応答周波数)との関係を示すグラフであり、フォトダイオード2の寄生容量が0.2pF程度となるように構成された本実施形態の受光回路60は、10MHz以上の帯域を得ることができる。
【0046】
具体的に、従来の受光回路101を用いた場合(フォトダイオードサイズ:約10mm×3mm,寄生容量:約80pF)と比較すると、背景光の影響がない状態であっても、入力換算雑音Nを約1/7に低減することができる。つまり、背景光の影響を考慮すれば、従来装置との能力差は更に大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の受光回路の構成を示す回路図である。
【図2】受光回路の特性を示すグラフである。
【図3】バイアス電流の代わりに抵抗値R2を用いて受光回路の特性を示したグラフである。
【図4】受光回路の他の構成例を示す回路図である。
【図5】受光回路の他の構成例を示す回路図である。
【図6】受光回路の他の構成例を示す回路図である。
【図7】第2実施形態の受光回路の構成を示す回路図である。
【図8】第2実施形態の受光回路を用いて構成した車載用レーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図9】フォトダイオードの寄生容量と帯域(応答周波数)との関係を示すグラフである。
【図10】従来装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1,1a〜1c,60…受光回路、2…フォトダイオード、3…バイアス回路、4…電流増幅部、5,65…電圧変換回路、30,40…カレントミラー回路、31〜33,41〜43,45,51,TRj…トランジスタ、34,35…分圧抵抗、44,52…抵抗、71…発光回路、72…スキャン機構部、73…集光レンズ、74…画素選択回路、75…増幅器、76…時間計測回路、77…計測部、78…演算処理部、BKij…受光ブロック、LRi…行選択ライン、LCj…列選択ライン、LO…出力ライン。

Claims (6)

  1. 照射光の強度に応じた電流信号を発生させる光電変換部と、
    該光電変換部が発生させた電流信号にバイアス電流を重畳するバイアス回路と、
    該バイアス回路によりバイアス電流が重畳された前記電流信号を増幅する電流増幅型のカレントミラー回路からなる電流増幅部と、
    を備えることを特徴とする受光回路。
  2. 前記バイアス電流は、前記電流増幅部を所望の応答周波数にて動作させる必要最小限の大きさに設定されていることを特徴とする請求項1記載の受光回路。
  3. 前記光電変換部は、予め設定された受光面を覆うように配列された複数の光電変換素子からなり、
    該光電変換素子毎に、前記バイアス回路及び電流増幅部を設けると共に、
    前記電流増幅部の一部を選択し、選択された電流増幅部から出力を取り出す選択回路を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の受光回路。
  4. 前記電流増幅部のカレントミラー回路を構成するトランジスタは、バイポーラトランジスタ又はMOS電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の受光回路。
  5. 前記光電変換部、バイアス回路、電流増幅部は、単一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の受光回路。
  6. レーザ光で空間を掃引照射するレーザ照射手段と、
    該レーザ光照射手段が照射したレーザ光の照射エリアに存在する物体からの反射光を受光する受光手段と、
    を備え、レーザ光が照射されてから、その反射光が受光されるまでの往復時間を計測し、該計測時間に基づいて、レーザ光を反射した物体までの距離を求める距離計測装置において、
    前記受光手段は、
    請求項3に記載の受光回路と、
    前記反射光が前記受光面の一部に照射されるように該反射光を集光する集光レンズと、
    前記レーザ照射手段によるレーザ光の照射方向に応じて、前記集光レンズにより集光された反射光が照射されるべき一部の光電変換素子に対応する電流増幅部を、前記選択回路に選択させる選択制御手段と、
    を備えることを特徴とする距離計測装置。
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