專利名稱：光放大電路和光電耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將由光電二極管產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓的光放大電路，并且具體地涉及一種用于防止由電源變化導(dǎo)致的故障的技術(shù)。
背景技術(shù)：
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(dāng)電源電壓變化時， 輸出不會產(chǎn)生故障。日本未經(jīng)審查的專利申請公開No. 2004-328061公開了處理上述問題的技術(shù)。在日本未經(jīng)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(jié)構(gòu)的光電二極管。然而，作為占據(jù)較大面積的光電二極管，為了實現(xiàn)低成本，優(yōu)選地使用具有適于較小尺寸的外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管。圖4示例了現(xiàn)有技術(shù)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管PD的兩端的電路結(jié)構(gòu)。在圖4中所示的電路中使用的有源元件僅為NPN晶體管。 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(zhuǎn)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和輸出晶體管Q401。圖5的電阻器R503和R506分別對應(yīng)于圖4的電阻器R401 和 R405。在圖4中，響應(yīng)于光進(jìn)入PD，光電流ipd從PD的陰極流向陽極，并且被輸入至I/ V轉(zhuǎn)換電路401。此時，由于電阻器R401將會是反饋電阻器，所以I/V轉(zhuǎn)換電路401輸出電壓Vo401，其是從ipd = 0的狀態(tài)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(tài)通過反饋電阻器R402和 R403的影響產(chǎn)生電壓Vo402 = Vo401 XR503/R502。當(dāng)電壓Vo402達(dá)到是Q401的閾值電壓的Vf或更高時，Q401導(dǎo)通并且OUT變?yōu)榈碗娖?。由于到I/V轉(zhuǎn)換電路401的輸入是公共發(fā)射極的NPNBip晶體管的基極，所以需要基極電流。由于在PD中產(chǎn)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提供等同于基極電流的電流，從而校正導(dǎo)通和截止電平。電流源的量使得能夠調(diào)整導(dǎo)通和截止電平。接下來，解釋PD陰極Ref放大器404的操作。當(dāng)電源電壓產(chǎn)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(jié)電容)。因此，在PD的陽極與陰極之間的電勢變化由于電源電壓變化而偏離，并且產(chǎn)生對應(yīng)于Cpd的充電和放電電流。當(dāng)充電和放電電流被輸入至I/V轉(zhuǎn)換電路401時，執(zhí)行與輸入ipd時相同的操作。換句話說，電路被導(dǎo)通或截止，不管是否存在到PD的光輸入，并且產(chǎn)生故障。因此，必須通過將具有與I/V轉(zhuǎn)換電路401相同的結(jié)構(gòu)和相同的常數(shù)的PD陰極Ref連接至PD的陰極來防止由電源電壓變化導(dǎo)致的故障。參考圖5解釋I/V轉(zhuǎn)換電路401和PD陰極Ref放大器404。解釋I/V轉(zhuǎn)換電路 401的基本結(jié)構(gòu)作為示例。I/V轉(zhuǎn)換電路401是放大器，其具有由NPN晶體管Q501和Q502 構(gòu)成的接地發(fā)射極和發(fā)射極跟隨器的結(jié)構(gòu)。作為反饋電阻器的R503連接至Q502的發(fā)射極和Q501的基極。Q501的發(fā)射極連接至接地端GND，并且集電極經(jīng)由負(fù)載電阻器R501連接至電源端子Vcc。作為發(fā)射極跟隨器的Q502的基極連接至Q501的集電極與R501之間的結(jié)點。Q502的集電極連接至Vcc，并且發(fā)射極經(jīng)由電阻器R502連接至GND。在上述結(jié)構(gòu)中，由于具有相同結(jié)構(gòu)和相同常數(shù)的電路連接至PD的陽極和陰極，所以當(dāng)發(fā)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(chǎn)生充電和放電電流，并且不會發(fā)生故障。順便說一下，近幾年對于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，減小占據(jù)芯片面積中的較大比率的PD。然而，在現(xiàn)有技術(shù)的上述結(jié)構(gòu)中，當(dāng)減小具有基極外延結(jié)構(gòu)的PD時，進(jìn)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(chǎn)生了不能響應(yīng)較高速度的問題。當(dāng)相同量的光進(jìn)入相同面積時，通過具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD能夠產(chǎn)生比基極外延結(jié)構(gòu)更多的ipd。因此，能夠減小芯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(jié)構(gòu)的PD。在該PD中，基極層P將會是陽極，并且外延層 N將會是陰極。入射光用于從基極層到外延層的ipd，并且進(jìn)入襯底的光不用于此。圖7示出具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD。在該PD中，外延層N將會是陰極，并且襯底層P將會是陽極。 入射光用于從外延層到襯底層的ipd，并且大部分入射光用于此。因此，具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD能夠比具有基極外延結(jié)構(gòu)的PD產(chǎn)生更多的ipd，并且獲得相同ipd所需的面積相對較小。準(zhǔn)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(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，由于在BipIC結(jié)構(gòu)中襯底總是為最低電勢(GND)，所以在具有上述外延襯底結(jié)構(gòu)的PD中，陽極總是GND電勢。圖9示出在將具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD應(yīng)用于圖4中所示的光放大電路時的電路結(jié)構(gòu)的示例。在具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD情況下，由于I/V轉(zhuǎn)換電路901連接至具有外延襯底結(jié)構(gòu)的PD的陰極，所以當(dāng)光進(jìn)入時產(chǎn)生的ipd的方向?qū)⑴c使用圖4中所示的具有基極外延結(jié)構(gòu)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，并且取消PD陰極Ref放大器404?；鶚O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(jié)構(gòu)中，盡管PD的陰極連接至放大器，但是其陽極連接至 GND。因此，陰極電勢由于電源變化而變化，但是GND電勢不變化，并且產(chǎn)生由PD的寄生電容Cpd引起的充電和放電電流，這導(dǎo)致故障。圖IOA至IOD示出在具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管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(tài)下的正常波形。圖IOB顯示了在輸出為高的狀態(tài)下的正常波形。當(dāng)發(fā)生故障時，應(yīng)該為低電平的波形將會是高電平，如圖IOC中所示，或者應(yīng)該為高電平的波形將會是低電平，如圖IOD中所不。本發(fā)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(jié)構(gòu)的光電二極管，將從光電二極管輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓的I/V轉(zhuǎn)換電路，以及校正電路，該校正電路在光電二極管與I/V轉(zhuǎn)換電路之間移除從光電二極管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管的寄生電容引起的。本發(fā)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(jié)構(gòu)的光電二極管，將從光電二極管輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓的I/V轉(zhuǎn)換電路，以及校正電路，該校正電路在光電二極管與I/V轉(zhuǎn)換電路之間移除從光電二極管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管的寄生電容引起的。根據(jù)上述方面，由于具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管的寄生電容導(dǎo)致的充電和放電電流流到光電二極管的陰極，其是I/V轉(zhuǎn)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(jù)本發(fā)明，即使在使用具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管的情況下，也消除了由光電二極管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(dǎo)致的故障。


結(jié)合附圖根據(jù)某些實施例的下面的描述，上述和其他示例性方面、優(yōu)點和特征將更加明顯，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光放大電路的結(jié)構(gòu)；圖2是示出根據(jù)第一實施例的光放大電路中的I/V轉(zhuǎn)換電路和基極電流補償Ref 放大器的結(jié)構(gòu)的圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光電耦合器的結(jié)構(gòu)；圖4示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光放大電路的結(jié)構(gòu)；圖5示出圖4中所示的光放大電路中的光電二極管的兩端的電路結(jié)構(gòu)；圖6示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有基極外延結(jié)構(gòu)的光電二極管；圖7示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管；圖8示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的入射光用于基極外延結(jié)構(gòu)和外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管中的ipd的區(qū)域；圖9示出在將具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管應(yīng)用于圖4中所示的光放大電路時的結(jié)構(gòu)；以及圖IOA至IOD示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管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(fā)明的實施例。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的光放大電路的結(jié)構(gòu)。光放大電路包括Ι/ν轉(zhuǎn)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和輸出晶體管QlOl。與圖9中所示的光放大電路的不同之處在于，具有與光電二極管PD的寄生電容Cpd (PD的結(jié)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。由于PD的陰極連接至NPN晶體管Q201的基極(參見圖 2)，并且陽極連接至GND，所以PD的反向偏壓由Q201的基極與發(fā)射極之間的內(nèi)建電壓Vf確定，并且?guī)缀跏浅?shù)。因此，Cpd能夠被認(rèn)為等效于固定電容器。圖2示出I/V轉(zhuǎn)換電路101和基極電流校正Ref放大器103的結(jié)構(gòu)。在I/V轉(zhuǎn)換電路101中，NPN晶體管Q201的發(fā)射極連接至GND，并且集電極經(jīng)由電阻器R201連接至電源端子Vcc。NPN晶體管Q202的基極連接至NPN晶體管Q201的集電極與電阻器R201之間的結(jié)點。NPN晶體管Q202的集電極連接至電源端子Vcc，并且發(fā)射極經(jīng)由電阻器R202連接至GND。NPN晶體管Q202的發(fā)射極與電阻器R202之間的結(jié)點將作為I/V轉(zhuǎn)換電路101的輸出。該結(jié)點連接至后級，并且還經(jīng)由反饋電阻器R203連接至NPN晶體管Q201的基極。PD 的陰極連接至NPN晶體管Q201的基極，并且PD的陽極連接至GND。由于基極電流校正Ref放大器103以與I/V轉(zhuǎn)換電路101相同的方式構(gòu)成，所以省略其解釋。101與103之間的不同之處在于，電容器ClOl連接至NPN晶體管Q203的基極，并且電容器ClOl的另一端連接至GND。另一個不同之處在于，電阻器R108從NPN晶體管Q204的發(fā)射極與電阻器R204之間的結(jié)點連接至是I/V轉(zhuǎn)換電路101的輸入的NPN晶體管Q201的基極。圖2的電阻器R203和R206分別對應(yīng)于圖1的電阻器RlOl和R106。參考圖1解釋根據(jù)本實施例的光放大電路的操作。當(dāng)電源電壓變化時，作為I/V 轉(zhuǎn)換電路101的輸入電勢的PD的陰極電勢變化，并且產(chǎn)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(dǎo)致故障。在根據(jù)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(dāng)ΙΛ轉(zhuǎn)換電路101和基極電流校正Ref放大器103具有相同結(jié)構(gòu)和相同常數(shù)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(chǎn)生與PD的陰極電勢相同的變化量。在電容器ClOl中產(chǎn)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(dǎo)致的故障。此外，參考圖2解釋根據(jù)本實施例的光放大電路的操作。由電源電壓變化AVcc 導(dǎo)致的施加至PD的陰極的電壓變化應(yīng)該是AVbeQ201，并且響應(yīng)于此在PD的寄生電容Cpd 中產(chǎn)生的充電和放電電流應(yīng)該是icpd。此外，由類似的電源電壓變化導(dǎo)致的施加至電容器 ClOl的電壓變化應(yīng)該是AVbeQ203，并且響應(yīng)于此在電容器ClOl中產(chǎn)生的充電和放電電流應(yīng)該是iCIOl。由于I/V轉(zhuǎn)換電路101和基極電流校正Ref放大器103是相同的電路，并且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(dāng)由iCIOl在是基極電流校正Ref放大器103的輸出的NPN晶體管Q204的發(fā)射極中產(chǎn)生的電壓變化是Δν時，如下所示，在電阻器R206和R108中產(chǎn)生相同的電勢差。Δ V-Δ VbeQ203 = AV-A VbeQ201當(dāng)電阻器R206與R108具有相同值并且流至電阻器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，并且能夠防止由于電源電壓變化導(dǎo)致的故障。[第二實施例]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光電耦合器的結(jié)構(gòu)。該光電耦合器使用根據(jù)上述第一實施例的光放大電路，并且將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，并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，并且能夠防止由電源電壓變化導(dǎo)致的故障。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要組合第一和第二實施例。盡管已經(jīng)根據(jù)實施方式描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，本發(fā)明可以以權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改來實施，并且本發(fā)明不限于上述的實施例。此外，權(quán)利要求的范圍不受到上述實施例的限制。此外，應(yīng)該注意到，申請人意圖包含所有權(quán)利要求要素的等價物，即使在審查過程中進(jìn)行修改亦是如此。
權(quán)利要求
1.一種光放大電路，其包括具有外延襯底結(jié)構(gòu)的光電二極管；將從所述光電二極管輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓的I/V轉(zhuǎn)換電路；以及校正電路，所述校正電路在所述光電二極管與所述I/V轉(zhuǎn)換電路之間移除從所述光電二極管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管的寄生電容引起的。
2.根據(jù)權(quán)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(yīng)的電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大電路，其中除了與所述I/V轉(zhuǎn)換電路相同的元件結(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求3所述的光放大電路，其中所述I/V轉(zhuǎn)換電路包括第一 NPN晶體管，所述第一 NPN晶體管包括連接至所述光電二極管的陰極的基極、連接至GND的發(fā)射極和連接至電源的集電極，所述校正電路包括第二 NPN晶體管，所述第二 NPN晶體管包括經(jīng)由所述電容器連接至 GND的基極、連接至GND的發(fā)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(zhuǎn)換電路的輸入經(jīng)由電阻器連接，所述電阻器包括與所述校正電路內(nèi)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(jié)構(gòu)的光電二極管；將從所述光電二極管輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓的ΙΛ轉(zhuǎn)換電路；以及校正電路，所述校正電路在所述光電二極管與所述I/V轉(zhuǎn)換電路之間移除從所述光電二極管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管的寄生電容引起的。
全文摘要
本發(fā)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(jié)構(gòu)的光電二極管PD，將從PD輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓的I/V轉(zhuǎn)換電路，以及校正電路，該校正電路在PD與I/V轉(zhuǎn)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管的寄生電容引起的。
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(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者奧節(jié)哉, 清水昌文 申請人:瑞薩電子株式會社