JPS63100848A - 光受信回路 - 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】 口技術分野 この発明は、光データリンクに於て用いられる光受信回
路に関する。

光ファイバを用いた通信システムに於ては、送信側と受
信側にそれぞれ送信機、受信機が設けられる。

双方向通信の場合は、両方の局に送受信機が設けられる
。

光受信回路は、光信号を電気信号に変換する光電変換素
子と、これによって得られた光電流を増幅する回路と、
これをある閾値と比較して二値化する回路と、を備えて
いる。

げ）従来技術 光受信回路に於て、二値化回路は受信した信号を、Ｉ−
ルベルかＬレベルかに弁別するものである。

以前は、固定閾値と、受信信号を直流増幅したものとを
比較して二値化していた。

しかし、このような直流分を含む回路は、多くの問題が
あった。

まず、光ファイバの長さや、発光素子、受光素子の性能
によって、Ｈレベルの信号強度が異なる。

このため固定閾値の設定が難しい。

可能なＨレベルの最小値として固定閾値を設定すれば、
受信ミスを防ぐことができるが、そうすると、信号の振
幅の大小により、Ｈレベル信号の幅が変化してしまう、
という欠点がある。

この他、温度による暗電流の変化、オフセットの変化な
どという問題がある。

このため、直流増幅した信号と固定閾値を比較する、と
いう回路は適用範囲が狭いという難点がある。

そこで、微分信号を得て、これと閾値を比較する、とい
う回路を、本発明者等が発明した。閾値は上下に変化す
る可動閾値である。微分信号がプラスであれば、−Δの
閾値を、微分信号がマイナスであれば＋Δの閾値を採用
する。

こレバ、コンパレータが±Δのヒステリシスを持つとい
う事である。このような光受信回路は特開昭６Ｏ−２３
９１３８（５６０，１１，２８公開）特開昭６Ｏ−２４
０２３１（Ｓ６０．１１．２９公開）特開昭６Ｏ−２４
０２３２（Ｓ６０．１１．２９公開）特開昭６Ｏ−２４
２７４２（５６０，１２，２公開）特開昭６Ｏ−２４６
１３８（５６０，１２，５公開）特開昭６Ｏ−２４７９
６７（５６０，１２，７公開）特開昭６１−　５６５５
０（５６１，３，２２公開）特開昭６ｌ−１１１５７８
（５６１，５，２９公開）などに於て詳しく説明されて
いる。この回路は高速応答性に優れており、波形歪みが
小さい、という特長がある。

極めて洗練された回路であるが、複雑な回路構成である
から、ディスクリートな部品で製作すると部品点数が多
くて、高価になる。専用のＩＣを製作するとすれば、多
額の費用が必要となる。

高速性があまり要求されないかわりに、コストを低減す
る事が要求される事もある。この場合、市販のＳ　Ｓ　
Ｉ　（ｓｍａｌｌ　５ｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
　ｃｉｒｃｕｉｔ　）を使って構成できるものである事
が望ましい。

そこで、本発明者は、ＳＳ工を２個使用することにより
、市販の部品により構成することのできる光受信回路を
発明した。

特願昭６ｌ−１２９７１７（Ｓ６１．６．３出願）に説
明されている。

この光受信回路は、光信号を光電流に変換する部分のみ
にディスクリートな部品が使われている。

高速性が要求されるからである。インピーダンスが高く
、微小な信号であるから、トランジスタをダーリントン
接続し、ホトダイオードと直列に接続した抵抗に流れる
電流を、前述のトランジスタ２個で増幅している。

電圧信号を、ひきつづき増幅するのであるが、直流増幅
ではなく、交流増幅している。３段の交流増幅の後、シ
ュミットトリガ回路によって波形整形している。

交流増幅回路は新規なものである。動作については後に
説明する。インバータの出力と入力とを抵抗で接続した
ものである。

シュミットトリガ回路は、インバータ２つを直列に接続
し、２段目の出力と初段の入力を抵抗によって接続した
ものである。これはよく用いられるシュミットトリガ回
路である。

この回路は、電流電圧変換部にダーリントン接続した２
個のトランジスタなどを用いるので、十分に単純化され
ているとは言えない。

用途により、より単純な回路構成の方が望ましい、とい
う事もある。

つ）構　成 第４図によって光送受信回路の概略を説明する。

光コネクタＧには、発光ダイオードＬＥＤと、ホトダイ
オードＰＤが並設されている。光コネクタＧには、２本
の光ファイバが着脱自在に取付けられる。

ＬＥＤは、送信信号ＳＤによって駆動されるＬＥＤドラ
イバＪによってドライブされる。これは、■ルベルとＬ
レベルの２値の光信号を生ずる。

ＰＤは光信号を受信する。これを微弱な電流とする。

電流電圧変換Ａは、微弱な電流に比例した電圧信号を生
ずる。

交流増幅Ｂは、この電圧信号を交流増幅するものである
。直流増幅しないのが、ひとつの特徴である。

これを波形整形Ｅによって、整った矩形パルスに変換す
る。

出力バッファＦは、電圧値、および出力インピーダンス
を適合した値にし、受信信号ＲＤとするものである。

一＋−ＳＶの電源が外部から供給される。これは送信部
電源ともなるし、電源フィルタＨを通して受信部電源と
もなる。

このような−膜構成は、前述の特願昭６１−１２９７１
７にも共通するものである。

第１図によって具体的な回路例を説明する。

この回路の主要部は、インバータを６個、直列に接続し
てなる。

インバータＷｘ〜Ｗ３は交流増幅回路を構成する。

インバータＷ４　、　Ｗｓは波形整形回路を構成する。

Ｗ６は出力バッファである。

電流電圧変換回路Ａは、ホトダイオードＰＤ。

抵抗Ｒ１、ダイオードＤｌとよりなる。

ホトダイオードＰＤのカソードは電源（５■）に接続し
である。アノードは抵抗Ｒ１に接続しである。この点を
３点とする。Ｒ１の他端は接地しである。３点とアース
の間に、バイパス用のダイオードＤ１が順方向に接続さ
れている。

ホトダイオードＰＤに光が入射すると、逆バイアスされ
ているので、ＰＤに光電流が流れる。これは抵抗に１に
も流れるから、ａ点の電圧Ｖａは、Ｖａ　＝　Ｉ　Ｒ１
（１） となる。これが電流電圧変換である。Ｒ１を大きくすれ
ば電圧信号が大きくなるが、そうすると、動作が遅れる
ので、速度の要求、入力インピーダンスの要求を満すよ
うに、適当な値とする。

ダイオードＤｉは、入力信号が大き過ぎる場合に、３点
の電圧を、ダイオードの頭方向電圧降下分以下に保つた
めのものである。

入力信号が大きい場合、（１）式に従わず、光信号が存
在する時でも、０．６Ｖ以上にならないようにしである
。

後段の増幅回路の増幅率は十分大きくて、微弱な光信号
であっても十分な大きさに増幅できるようにしである。

反対に、入力信号の振幅が大きすぎると、増幅回路が飽
和してしまう。このため、Ｈレベルの時間が、実際より
長くなってしまう。

つまり波形が歪む。このようなことを防ぎ、入力信号が
大き過ぎる時は、これを適当なレベルへ引きもどすため
に、ダイオードＤ１が入っているのである。

インバータＷ１は、点ａとカップリングコンデンサＣ１
を介してつながっている。

インバータＷ１の出力Ｃと入力すとは抵抗Ｒ２によって
接続される。

インバータＷ２の出力ｅと入力ｄとは抵抗Ｒ３によって
接続される。

インパークＷ３の出力ｇと入力Ｃとは抵抗Ｒ４によって
接続される。

インバータＷ１の出力Ｃと、インバータＷ２の入力ｄと
はカップリングコンデンサＣ２によって接続される。

インバータＷ２の出力Ｃと、Ｗｓの入力ｆとは、カップ
リングコンデンサＣ３によって接続される。

Ｗ１〜Ｗ３と、これに伴う抵抗Ｒ２〜Ｒ４は、交流増幅
回路を構成する。

インバータは論理回路に用いられるディジタル回路素子
である。これは入力がＬ又は［Ｉの２レベル、出力が［
Ｉ又はＬの２レベルを取るように利用される。これがふ
つうの使いかたである。

インバータはアナログ回路素子として設計されたもので
はないし、アナログ素子として使われる事もない。

インバータはしかしながら、最も簡単な論理回路である
。これを増幅回路として利用できれば、極めて安価で単
純な増幅回路となる。

本発明者達は、インバータの入出力を抵抗でつなぐ、と
いう極めて簡単な工夫によって交流増幅回路を構成でき
ることに、最初に想い到った。

これは、特願昭６Ｏ−２１８８４０（５６０゜１０．１
出願）に説明しである。

本発明の特徴は、インバータによる交流増幅回路にある
のではない。しかし、この交流増幅回路は、未だ公知で
ないから、ここで説明する。

インバータの入力と出力とを抵抗で接続する、という事
が、そもそも反常識的である。２段のインバータの入力
、出力を抵抗で接続するということ、すなわち、ここで
〜Ｖａ、’ｗＶｓをＲ６で接続するという事は、しばし
ば行われる。

しかし、インバータ１個の入出力を抵抗で接続するとい
う事はかつてなされた事がない。論理素子として使われ
るインバータであるから、入出力を接続するという事は
考えられない。

抵抗にでつながれたインバータの入力、出力は、電源電
圧Ｖｃｃの半分程度の電圧Ｖｏにとどまる。

発振するのではない。

■０は、入力のＬレベルでもなければ、Ｈレベルでもな
い。中間的な電圧であって、入力が禁止されている領域
の電圧である。通常の使い方では、遷移の瞬間に通過す
るだけの電圧である。

しかしながら、入力＝出力＝Ｖｏという状態は安定な状
態である。入力電圧がなければ、入力、出力はＶｏてあ
り続ける。

交流の入力信号が・インバータの入力に入るとする。

入力がＶＯから上るか、下るかする。出力は入力と反対
に動く。入力変化より、出力変化が大きいから、増幅作
用が生ずる。

ところが、負帰還を与える抵抗があるので、入力電圧は
出力に引寄せられる。このため抵抗が小さい時は、増幅
率も小さい。入力電圧は、出力に引寄せられて■０に戻
ろうとする。入力がｖＯに近づくと、出力も■０に近づ
くので、出力が入力を引寄せる力は弱くなる。緩和函数
に従って、入力、出力ともにＶｏへ戻ってゆく。

この緩和はｋの値にもよるが、かなり遅い。そこで、交
流入力信号が十分に速ければ、インバータはこの信号を
忠実に交流増幅する事ができる。

三段増幅Ｗ１％　Ｗ３であるから、全体のゲインは、そ
れらの積になる。増幅は四段であっても三段であっても
かまわない。三段以上であればよい。

−例を示す。

Ｒ２：５０ビｌ、Ｒａ＝１ＭΩ、Ｒ４＝　１００　ｋΩ
、Ｃ２＝０．０１　μＦ　、　Ｃ３＝２．２　ｐＦ　ト
ｔ６ｏ　増幅ｄにＩＣノ例で、１段目が１０ｄＢ、２段
目２０ｄＢ、３段目が３　ｄＢである。合計３３　ｄＢ
になる。

３段目の増幅率が小さいのは、カップリングコンデンサ
Ｃ３が小さいからである。

この他に、入力信号の大きさやインピーダンス、速度に
応じて、適当な定数を決定する。

こうして、ｇ点に交流増幅した信号が得られる。

０１〜Ｃ３を用いて直流分を落しているから、ホトダイ
オードＰＤの暗電流や、直流外乱光の影響、温度による
暗電流変化など、直流分が全て落ちている。

Ｗ４の出力ｉとＷ５の入力が接続され、Ｗ５の出力ｊが
、Ｗ４の入力りに抵抗Ｒ６で接続される。Ｒ６は正帰還
を与える抵抗である。これはシュミットトリガ回路とし
て、しばしば使われる。周知である。

入力りが、例えばＩ−Ｉレベルに変わったとする。

中間点ｉがＬレベルに変わる。するとｊ点がＨレベルに
変わる。■■レベルであるｊ点は、最初の入力りを強（
ＩＩレベルに引上げるから、ｈは急速にＩＩレベルにな
り、出力ｊも１ルベルとなる。このように、ヒステリシ
スをともなったシュミット回路となるのである。

Ｒ５とＣ４によって、交流増幅回路Ｂの出力ｇが、シュ
ミット回路の入力りに接続される。

Ｒ５は例えば６２　ｋΩ、Ｃ４は例えば、０．０１μＦ
である。

交流信号は、主にＣ４を通じて、シュミット回路に伝わ
り、ここで波形整形される。規則正しい矩形波になるわ
けである。

Ｒ５は、比較的遅い信号をも通すために設けである。ま
た信号に変化が少ない場合、シュミット回路のレベルが
狂う慣れがあるので、これを防ぐ作用がある。

インバータＷ６は出力バッファである。これは出力イン
ピーダンスを下げ、電圧をＳ　Ｓ　Ｉ　Ｌ／へ／ｌ／（
こする、ということもあるが、インバータの数を偶数に
して、３点とに点のレベル変化を同方向にするためにも
設けであるのである。

つまり、光が存在する時に点はＨレベルとなり、光が無
い時、ｋ点はＬレベルとなる。

しかし、このような事が要求されない事もある。

その場合は、Ｗ６を省いてもよいし、反対にひとつ加え
て、Ｗ６．　Ｗ７としてもよい。

に））作　用 光信号に応じて、ホトダイオードに光電流が流れる。こ
れが、ｋｌによって電圧となる。この電圧信号は微弱で
ある。３段の交流増幅回路Ｗ１〜Ｗ３によって、適当な
振幅の交流信号になる。これが、Ｗ４　、　Ｗｓのシュ
ミット回路を通る事により、矩形波になる。さらに反転
して、光の存在、非存在に対応した出力Ｖｏｕｔとなる
。

オ）回路例Ｉ 第２図に第２の回路例を示す。

これは、電流電圧変換部の接続が異なっている。

ホトダイオードのアノードを接地している。カソードは
、抵抗Ｒ１と接続しである。抵抗Ｒ１の他端は電源に接
続しである。Ｒ１と並列に、ダイオードＤｌが順方向に
接続しである。

３点の電圧Ｖａは、前例とは反対になって、Ｖａ　＝　
Ｖｃｃ　−Ｉ　Ｒ１（２） となる。

これに応じて、インバータの数を５個にし、Ｗ６を除い
ている。光の存在を、ＶｏｕｔのＨレベルに対応させる
ためである。

ｆｈｌ　回路例■ 第３図に第３の回路例を示す。

これは、光電変換素子としてホトダイオードＰＤのかわ
りに、ホトトランジスタＰ　Ｔｒを用いている。

ホトトランジスタのコレクタが電源に接続されている。

エミッタが抵抗Ｒｚに接続される。Ｒｔの他端は接地さ
れている。

Ｒ１と並列に、ダイオードＤ１が順方向に接続されてい
る。

ホトトランジスタであるから、自らの中に増幅作用を持
っている。従って、微弱な入力信号に対しても好適に機
能する。

しかし、ホトトランジスタは動作が遅いので、入力信号
の変化の遅いものに対してのみ、使用する事ができる。

（＋）効　果 （１）入力信号を光電変換し、電圧信号に変換する部分
の構成が極めて単純である。

（２）交流増幅するから、受光素子の暗電流や、直流外
乱光の影響を除くことができる。温度変化による暗電流
変化の影響も除くことができる。

（３）　　ダイオードＤ１によって、過大な信号をカッ
トするから、ダイナミックレンジが広くなる。光ファイ
バの長短により、信号光の強さはさまざまであるが、ど
のような光信号であっても増幅、二値化する事ができる
。

（４）　　インバータを用いる事により増幅、二値化を
行なっている。直流増幅器やコンパレータ、定電流回路
などを不要とする。

極めて、簡単な回路構成であるから、ＳＳＩを用いて容
易にしかも安価に製作する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信回路の第１の例を示す回路図。 第２図は本発明の光受信回路の第２の例を示す回路図。 第３図は本発明の光受信回路の第３の例を示す回路図。 第４図は光受信回路の構成図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２値のデジタル信号を伝送する光データリンクの受信回
   路において、光電変換素子、電流電圧変換回路、交流増
   幅回路、波形整形回路及び出力バッファよりなる光受信
   回路であつて、電流電圧変換回路は、光電変換素子とこ
   れに直列に接続された抵抗Ｒ＿１と、抵抗Ｒ＿１に対し
   て並列で順方向に接続されたダイオードＤ＿１となり、
   交流増幅回路は、インバータの入出力を抵抗によつて接
   続し、相互にコンデンサによつて接続された３段あるい
   はそれ以上の段数のインバータによつて構成されており
   、波形整形回路は直列につながれた２つのインバータＷ
   ＿４、Ｗ＿５と、インバータＷ＿５の出力をＷ＿４の入
   力に帰還する抵抗Ｒ＿６と、交流増幅回路の増幅出力を
   インバータＷ＿４に入力するための抵抗Ｒ＿５とこれに
   並列に接続されるコンデンサＣ＿４とよりなり、出力バ
   ッファは出力入力信号を合致させるためのインバータよ
   りなる事を特徴とする光受信回路。