光放大電路和光電耦合器的製作方法
2023-10-09 08:01:34
專利名稱：光放大電路和光電耦合器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將由光電二極體產生的光電流轉換為電壓的光放大電路，並且具體地涉及一種用於防止由電源變化導致的故障的技術。
背景技術：
將開路集電極用作輸出的光電耦合器需要提供抗擾度，其中當電源電壓變化時， 輸出不會產生故障。日本未經審查的專利申請公開No. 2004-328061公開了處理上述問題的技術。在日本未經審查的專利申請公開No. 2004-328061中公開的光放大電路包括具有基極外延結構的光電二極體。然而，作為佔據較大面積的光電二極體，為了實現低成本，優選地使用具有適於較小尺寸的外延襯底結構的光電二極體。圖4示例了現有技術的光放大電路。圖5示出在圖4中所示的光放大電路中的光電二極體PD的兩端的電路結構。在圖4中所示的電路中使用的有源元件僅為NPN電晶體。 該電路是開路集電極輸出電路。通常，外部上拉電阻器插入在輸出端子OUT與電源線之間。 該電路包括I/V轉換電路401、電壓放大器402、基極電流校正Ref放大器403、PD陰極Ref 放大器404和輸出電晶體Q401。圖5的電阻器R503和R506分別對應於圖4的電阻器R401 和 R405。在圖4中，響應於光進入PD，光電流ipd從PD的陰極流向陽極，並且被輸入至I/ V轉換電路401。此時，由於電阻器R401將會是反饋電阻器，所以I/V轉換電路401輸出電壓Vo401，其是從ipd = 0的狀態減小了 ipdXR501的電壓。電壓Vo401被輸入至電壓放大器402。從ipd = 0的狀態通過反饋電阻器R402和 R403的影響產生電壓Vo402 = Vo401 XR503/R502。當電壓Vo402達到是Q401的閾值電壓的Vf或更高時，Q401導通並且OUT變為低電平。由於到I/V轉換電路401的輸入是公共發射極的NPNBip電晶體的基極，所以需要基極電流。由於在PD中產生的電流小到μ A電平，所以該基極電路需要被校正。基極電流校正Ref放大器403提供等同於基極電流的電流，從而校正導通和截止電平。電流源的量使得能夠調整導通和截止電平。接下來，解釋PD陰極Ref放大器404的操作。當電源電壓產生變化時，每個放大器的電勢也會變化。此時，在PD中存在Cpd作為寄生電容(PD的結電容)。因此，在PD的陽極與陰極之間的電勢變化由於電源電壓變化而偏離，並且產生對應於Cpd的充電和放電電流。當充電和放電電流被輸入至I/V轉換電路401時，執行與輸入ipd時相同的操作。換句話說，電路被導通或截止，不管是否存在到PD的光輸入，並且產生故障。因此，必須通過將具有與I/V轉換電路401相同的結構和相同的常數的PD陰極Ref連接至PD的陰極來防止由電源電壓變化導致的故障。參考圖5解釋I/V轉換電路401和PD陰極Ref放大器404。解釋I/V轉換電路 401的基本結構作為示例。I/V轉換電路401是放大器，其具有由NPN電晶體Q501和Q502 構成的接地發射極和發射極跟隨器的結構。作為反饋電阻器的R503連接至Q502的發射極和Q501的基極。Q501的發射極連接至接地端GND，並且集電極經由負載電阻器R501連接至電源端子Vcc。作為發射極跟隨器的Q502的基極連接至Q501的集電極與R501之間的結點。Q502的集電極連接至Vcc，並且發射極經由電阻器R502連接至GND。在上述結構中，由於具有相同結構和相同常數的電路連接至PD的陽極和陰極，所以當發生電源電壓變化時，陽極和陰極中的電勢變化將會相同。因此，在PD的寄生電容Cpd 中不會產生充電和放電電流，並且不會發生故障。順便說一下，近幾年對於光電耦合器的更低成本的需求增加。為了滿足這樣的要求，有效的是，減小佔據晶片面積中的較大比率的PD。然而，在現有技術的上述結構中，當減小具有基極外延結構的PD時，進入PD的光的量減少與LED的光相同的量。因此，需要增加 I/V放大器的反饋電阻，這產生了不能響應較高速度的問題。當相同量的光進入相同面積時，通過具有外延襯底結構的PD能夠產生比基極外延結構更多的ipd。因此，能夠減小晶片而沒有犧牲較高速度。參考圖6和7解釋其原理。圖6示出具有基極外延結構的PD。在該PD中，基極層P將會是陽極，並且外延層 N將會是陰極。入射光用於從基極層到外延層的ipd，並且進入襯底的光不用於此。圖7示出具有外延襯底結構的PD。在該PD中，外延層N將會是陰極，並且襯底層P將會是陽極。 入射光用於從外延層到襯底層的ipd，並且大部分入射光用於此。因此，具有外延襯底結構的PD能夠比具有基極外延結構的PD產生更多的ipd，並且獲得相同ipd所需的面積相對較小。準確地說，如圖8中所示，光的作用與光的波長和Si的深度方向有關。
發明內容
然而，由於在BipIC結構中襯底總是為最低電勢(GND)，所以在具有上述外延襯底結構的PD中，陽極總是GND電勢。圖9示出在將具有外延襯底結構的PD應用於圖4中所示的光放大電路時的電路結構的示例。在具有外延襯底結構的PD情況下，由於I/V轉換電路901連接至具有外延襯底結構的PD的陰極，所以當光進入時產生的ipd的方向將與使用圖4中所示的具有基極外延結構的PD的情況相反。因此，為了匹配輸出的邏輯，插入反相器電路904以及由反饋電阻器R905和R907組成的反相放大器，並且取消PD陰極Ref放大器404。基極電流校正Ref放大器903以與基極電流校正Ref放大器403相同的方式運行。 其他操作與圖4的情況相同。然而，在圖9中所示的結構中，儘管PD的陰極連接至放大器，但是其陽極連接至 GND。因此，陰極電勢由於電源變化而變化，但是GND電勢不變化，並且產生由PD的寄生電容Cpd引起的充電和放電電流，這導致故障。圖IOA至IOD示出在具有外延襯底結構的光電二極體中的正常和故障操作時的波形。在該實施例中，電源電壓Vcc如所示地變化。圖IOA示出在輸出為低的狀態下的正常波形。圖IOB顯示了在輸出為高的狀態下的正常波形。當發生故障時，應該為低電平的波形將會是高電平，如圖IOC中所示，或者應該為高電平的波形將會是低電平，如圖IOD中所不。本發明的第一示例性方面是一種光放大電路，其包括具有外延襯底結構的光電二極體，將從光電二極體輸出的電流轉換為電壓的I/V轉換電路，以及校正電路，該校正電路在光電二極體與I/V轉換電路之間移除從光電二極體輸出的電流中的充電和放電電流，所述充電和放電電流是由光電二極體的寄生電容引起的。本發明的第二示例性方面是一種包括光放大電路的光電耦合器。該光放大電路包括具有外延襯底結構的光電二極體，將從光電二極體輸出的電流轉換為電壓的I/V轉換電路，以及校正電路，該校正電路在光電二極體與I/V轉換電路之間移除從光電二極體輸出的電流中的充電和放電電流，該充電和放電電流是由光電二極體的寄生電容引起的。根據上述方面，由於具有外延襯底結構的光電二極體的寄生電容導致的充電和放電電流流到光電二極體的陰極，其是I/V轉換電路的輸入。因此，消除了由寄生電容引起的充電和放電電流。根據本發明，即使在使用具有外延襯底結構的光電二極體的情況下，也消除了由光電二極體的寄生電容引起的充電和放電電流的影響，從而防止由電源電壓變化導致的故障。
結合附圖根據某些實施例的下面的描述，上述和其他示例性方面、優點和特徵將更加明顯，其中圖1示出根據本發明的第一實施例的光放大電路的結構；圖2是示出根據第一實施例的光放大電路中的I/V轉換電路和基極電流補償Ref 放大器的結構的圖；圖3示出根據本發明的第二實施例的光電耦合器的結構；圖4示出根據現有技術的光放大電路的結構；圖5示出圖4中所示的光放大電路中的光電二極體的兩端的電路結構；圖6示出根據現有技術的具有基極外延結構的光電二極體；圖7示出根據現有技術的具有外延襯底結構的光電二極體；圖8示出根據現有技術的入射光用於基極外延結構和外延襯底結構的光電二極體中的ipd的區域；圖9示出在將具有外延襯底結構的光電二極體應用於圖4中所示的光放大電路時的結構；以及圖IOA至IOD示出根據現有技術的具有外延襯底結構的光電二極體中的正常操作和故障時的波形。
具體實施例方式[第一實施方式]在下文中，參考附圖描述本發明的實施例。圖1示出根據本發明的實施例的光放大電路的結構。光放大電路包括Ι/ν轉換電路101、反相器電路104、電壓放大器102、基極電流校正Ref放大器103和輸出電晶體QlOl。與圖9中所示的光放大電路的不同之處在於，具有與光電二極體PD的寄生電容Cpd (PD的結電容)相同電容值的電容器ClOl也輸入至基極電流校正Ref放大器103。由於PD的陰極連接至NPN電晶體Q201的基極(參見圖 2)，並且陽極連接至GND，所以PD的反向偏壓由Q201的基極與發射極之間的內建電壓Vf確定，並且幾乎是常數。因此，Cpd能夠被認為等效於固定電容器。圖2示出I/V轉換電路101和基極電流校正Ref放大器103的結構。在I/V轉換電路101中，NPN電晶體Q201的發射極連接至GND，並且集電極經由電阻器R201連接至電源端子Vcc。NPN電晶體Q202的基極連接至NPN電晶體Q201的集電極與電阻器R201之間的結點。NPN電晶體Q202的集電極連接至電源端子Vcc，並且發射極經由電阻器R202連接至GND。NPN電晶體Q202的發射極與電阻器R202之間的結點將作為I/V轉換電路101的輸出。該結點連接至後級，並且還經由反饋電阻器R203連接至NPN電晶體Q201的基極。PD 的陰極連接至NPN電晶體Q201的基極，並且PD的陽極連接至GND。由於基極電流校正Ref放大器103以與I/V轉換電路101相同的方式構成，所以省略其解釋。101與103之間的不同之處在於，電容器ClOl連接至NPN電晶體Q203的基極，並且電容器ClOl的另一端連接至GND。另一個不同之處在於，電阻器R108從NPN電晶體Q204的發射極與電阻器R204之間的結點連接至是I/V轉換電路101的輸入的NPN電晶體Q201的基極。圖2的電阻器R203和R206分別對應於圖1的電阻器RlOl和R106。參考圖1解釋根據本實施例的光放大電路的操作。當電源電壓變化時，作為I/V 轉換電路101的輸入電勢的PD的陰極電勢變化，並且產生PD的寄生電容Cpd的充電和放電電流。該充電和放電電流導致故障。在根據本實施例的光接收放大器中，具有與PD的寄生電容Cpd相同值的電容器ClOl添加在基極電流校正Ref放大器103的輸入與GND之間。 當ΙΛ轉換電路101和基極電流校正Ref放大器103具有相同結構和相同常數時，在基極電流校正Ref放大器103的輸入電勢和電容器ClOl的電勢中產生與PD的陰極電勢相同的變化量。在電容器ClOl中產生與PD的寄生電容Cpd的充電和放電電流相同的充電和放電電流，補充到PD的寄生電容Cpd的充電和放電電流icpd，從而防止由電源電壓的變化導致的故障。此外，參考圖2解釋根據本實施例的光放大電路的操作。由電源電壓變化AVcc 導致的施加至PD的陰極的電壓變化應該是AVbeQ201，並且響應於此在PD的寄生電容Cpd 中產生的充電和放電電流應該是icpd。此外，由類似的電源電壓變化導致的施加至電容器 ClOl的電壓變化應該是AVbeQ203，並且響應於此在電容器ClOl中產生的充電和放電電流應該是iCIOl。由於I/V轉換電路101和基極電流校正Ref放大器103是相同的電路，並且PD的寄生電容Cpd和電容器ClOl具有相同的值，所以滿足下列公式。AVbeQ201 = AVbeQ203icpd = iCIOl當由iCIOl在是基極電流校正Ref放大器103的輸出的NPN電晶體Q204的發射極中產生的電壓變化是Δν時，如下所示，在電阻器R206和R108中產生相同的電勢差。Δ V-Δ VbeQ203 = AV-A VbeQ201當電阻器R206與R108具有相同值並且流至電阻器R108的電流是IR108時，滿足下列公式。
iCIOl = IR108 = icpd因此，可以補充到PD的寄生電容Cpd的充電和放電電流icpd，並且能夠防止由於電源電壓變化導致的故障。[第二實施例]圖3示出根據本發明的第二實施例的光電耦合器的結構。該光電耦合器使用根據上述第一實施例的光放大電路，並且將LED放置在PD的相對位置作為PD的光輸入。此外， 輸出是開路集電極，並且作為上拉電阻器的R305連接在輸出端子OUT與電源端子Vcc之間。每個放大器的操作與第一實施例中的操作相同。因此，可以補充到PD的寄生電容Cpd 的充電和放電電流icpd，並且能夠防止由電源電壓變化導致的故障。本領域技術人員可以根據需要組合第一和第二實施例。儘管已經根據實施方式描述了本發明，但是本領域技術人員將會意識到，本發明可以以權利要求的精神和範圍內的各種修改來實施，並且本發明不限於上述的實施例。此外，權利要求的範圍不受到上述實施例的限制。此外，應該注意到，申請人意圖包含所有權利要求要素的等價物，即使在審查過程中進行修改亦是如此。
權利要求
1.一種光放大電路，其包括具有外延襯底結構的光電二極體；將從所述光電二極體輸出的電流轉換為電壓的I/V轉換電路；以及校正電路，所述校正電路在所述光電二極體與所述I/V轉換電路之間移除從所述光電二極體輸出的電流中的充電和放電電流，所述充電和放電電流是由所述光電二極體的寄生電容引起的。
2.根據權利要求1所述的光放大電路，其中所述校正電路包括電容器，所述電容器包括與所述寄生電容相對應的電容。
3.根據權利要求2所述的光放大電路，其中除了與所述I/V轉換電路相同的元件結構以外，所述校正電路還包括電容器，所述電容器包括與所述寄生電容相同的值。
4.根據權利要求3所述的光放大電路，其中所述I/V轉換電路包括第一 NPN電晶體，所述第一 NPN電晶體包括連接至所述光電二極體的陰極的基極、連接至GND的發射極和連接至電源的集電極，所述校正電路包括第二 NPN電晶體，所述第二 NPN電晶體包括經由所述電容器連接至 GND的基極、連接至GND的發射極和連接至電源的集電極，以及所述校正電路的輸出與所述ΙΛ轉換電路的輸入經由電阻器連接，所述電阻器包括與所述校正電路內部的反饋電阻器相同的值。
5.一種包括光放大電路的光電耦合器，其中所述光放大電路包括具有外延襯底結構的光電二極體；將從所述光電二極體輸出的電流轉換為電壓的ΙΛ轉換電路；以及校正電路，所述校正電路在所述光電二極體與所述I/V轉換電路之間移除從所述光電二極體輸出的電流中的充電和放電電流，所述充電和放電電流是由所述光電二極體的寄生電容引起的。
全文摘要
本發明提供一種光放大電路和光電耦合器。其中光放大電路包括具有外延襯底結構的光電二極體PD，將從PD輸出的電流轉換為電壓的I/V轉換電路，以及校正電路，該校正電路在PD與I/V轉換電路之間移除從PD輸出的電流中的充電和放電電流，該充電和放電電流是由光電二極體的寄生電容引起的。
文檔編號H03F3/08GK102195570SQ201110047190
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者奧節哉, 清水昌文 申請人:瑞薩電子株式會社