专利名称：光放大电路和光电耦合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将由光电二极管产生的光电流转换为电压的光放大电路，并且具体地涉及一种用于防止由电源变化导致的故障的技术。
背景技术：
将开路集电极用作输出的光电耦合器需要提供抗扰度，其中当电源电压变化时， 输出不会产生故障。日本未经审查的专利申请公开No. 2004-328061公开了处理上述问题的技术。在日本未经审查的专利申请公开No. 2004-328061中公开的光放大电路包括具有基极外延结构的光电二极管。然而，作为占据较大面积的光电二极管，为了实现低成本，优选地使用具有适于较小尺寸的外延衬底结构的光电二极管。图4示例了现有技术的光放大电路。图5示出在图4中所示的光放大电路中的光电二极管PD的两端的电路结构。在图4中所示的电路中使用的有源元件仅为NPN晶体管。 该电路是开路集电极输出电路。通常，外部上拉电阻器插入在输出端子OUT与电源线之间。 该电路包括I/V转换电路401、电压放大器402、基极电流校正Ref放大器403、PD阴极Ref 放大器404和输出晶体管Q401。图5的电阻器R503和R506分别对应于图4的电阻器R401 和 R405。在图4中，响应于光进入PD，光电流ipd从PD的阴极流向阳极，并且被输入至I/ V转换电路401。此时，由于电阻器R401将会是反馈电阻器，所以I/V转换电路401输出电压Vo401，其是从ipd = 0的状态减小了 ipdXR501的电压。电压Vo401被输入至电压放大器402。从ipd = 0的状态通过反馈电阻器R402和 R403的影响产生电压Vo402 = Vo401 XR503/R502。当电压Vo402达到是Q401的阈值电压的Vf或更高时，Q401导通并且OUT变为低电平。由于到I/V转换电路401的输入是公共发射极的NPNBip晶体管的基极，所以需要基极电流。由于在PD中产生的电流小到μ A电平，所以该基极电路需要被校正。基极电流校正Ref放大器403提供等同于基极电流的电流，从而校正导通和截止电平。电流源的量使得能够调整导通和截止电平。接下来，解释PD阴极Ref放大器404的操作。当电源电压产生变化时，每个放大器的电势也会变化。此时，在PD中存在Cpd作为寄生电容(PD的结电容)。因此，在PD的阳极与阴极之间的电势变化由于电源电压变化而偏离，并且产生对应于Cpd的充电和放电电流。当充电和放电电流被输入至I/V转换电路401时，执行与输入ipd时相同的操作。换句话说，电路被导通或截止，不管是否存在到PD的光输入，并且产生故障。因此，必须通过将具有与I/V转换电路401相同的结构和相同的常数的PD阴极Ref连接至PD的阴极来防止由电源电压变化导致的故障。参考图5解释I/V转换电路401和PD阴极Ref放大器404。解释I/V转换电路 401的基本结构作为示例。I/V转换电路401是放大器，其具有由NPN晶体管Q501和Q502 构成的接地发射极和发射极跟随器的结构。作为反馈电阻器的R503连接至Q502的发射极和Q501的基极。Q501的发射极连接至接地端GND，并且集电极经由负载电阻器R501连接至电源端子Vcc。作为发射极跟随器的Q502的基极连接至Q501的集电极与R501之间的结点。Q502的集电极连接至Vcc，并且发射极经由电阻器R502连接至GND。在上述结构中，由于具有相同结构和相同常数的电路连接至PD的阳极和阴极，所以当发生电源电压变化时，阳极和阴极中的电势变化将会相同。因此，在PD的寄生电容Cpd 中不会产生充电和放电电流，并且不会发生故障。顺便说一下，近几年对于光电耦合器的更低成本的需求增加。为了满足这样的要求，有效的是，减小占据芯片面积中的较大比率的PD。然而，在现有技术的上述结构中，当减小具有基极外延结构的PD时，进入PD的光的量减少与LED的光相同的量。因此，需要增加 I/V放大器的反馈电阻，这产生了不能响应较高速度的问题。当相同量的光进入相同面积时，通过具有外延衬底结构的PD能够产生比基极外延结构更多的ipd。因此，能够减小芯片而没有牺牲较高速度。参考图6和7解释其原理。图6示出具有基极外延结构的PD。在该PD中，基极层P将会是阳极，并且外延层 N将会是阴极。入射光用于从基极层到外延层的ipd，并且进入衬底的光不用于此。图7示出具有外延衬底结构的PD。在该PD中，外延层N将会是阴极，并且衬底层P将会是阳极。 入射光用于从外延层到衬底层的ipd，并且大部分入射光用于此。因此，具有外延衬底结构的PD能够比具有基极外延结构的PD产生更多的ipd，并且获得相同ipd所需的面积相对较小。准确地说，如图8中所示，光的作用与光的波长和Si的深度方向有关。
发明内容
然而，由于在BipIC结构中衬底总是为最低电势(GND)，所以在具有上述外延衬底结构的PD中，阳极总是GND电势。图9示出在将具有外延衬底结构的PD应用于图4中所示的光放大电路时的电路结构的示例。在具有外延衬底结构的PD情况下，由于I/V转换电路901连接至具有外延衬底结构的PD的阴极，所以当光进入时产生的ipd的方向将与使用图4中所示的具有基极外延结构的PD的情况相反。因此，为了匹配输出的逻辑，插入反相器电路904以及由反馈电阻器R905和R907组成的反相放大器，并且取消PD阴极Ref放大器404。基极电流校正Ref放大器903以与基极电流校正Ref放大器403相同的方式运行。 其他操作与图4的情况相同。然而，在图9中所示的结构中，尽管PD的阴极连接至放大器，但是其阳极连接至 GND。因此，阴极电势由于电源变化而变化，但是GND电势不变化，并且产生由PD的寄生电容Cpd引起的充电和放电电流，这导致故障。图IOA至IOD示出在具有外延衬底结构的光电二极管中的正常和故障操作时的波形。在该实施例中，电源电压Vcc如所示地变化。图IOA示出在输出为低的状态下的正常波形。图IOB显示了在输出为高的状态下的正常波形。当发生故障时，应该为低电平的波形将会是高电平，如图IOC中所示，或者应该为高电平的波形将会是低电平，如图IOD中所不。本发明的第一示例性方面是一种光放大电路，其包括具有外延衬底结构的光电二极管，将从光电二极管输出的电流转换为电压的I/V转换电路，以及校正电路，该校正电路在光电二极管与I/V转换电路之间移除从光电二极管输出的电流中的充电和放电电流，所述充电和放电电流是由光电二极管的寄生电容引起的。本发明的第二示例性方面是一种包括光放大电路的光电耦合器。该光放大电路包括具有外延衬底结构的光电二极管，将从光电二极管输出的电流转换为电压的I/V转换电路，以及校正电路，该校正电路在光电二极管与I/V转换电路之间移除从光电二极管输出的电流中的充电和放电电流，该充电和放电电流是由光电二极管的寄生电容引起的。根据上述方面，由于具有外延衬底结构的光电二极管的寄生电容导致的充电和放电电流流到光电二极管的阴极，其是I/V转换电路的输入。因此，消除了由寄生电容引起的充电和放电电流。根据本发明，即使在使用具有外延衬底结构的光电二极管的情况下，也消除了由光电二极管的寄生电容引起的充电和放电电流的影响，从而防止由电源电压变化导致的故障。
结合附图根据某些实施例的下面的描述，上述和其他示例性方面、优点和特征将更加明显，其中图1示出根据本发明的第一实施例的光放大电路的结构；图2是示出根据第一实施例的光放大电路中的I/V转换电路和基极电流补偿Ref 放大器的结构的图；图3示出根据本发明的第二实施例的光电耦合器的结构；图4示出根据现有技术的光放大电路的结构；图5示出图4中所示的光放大电路中的光电二极管的两端的电路结构；图6示出根据现有技术的具有基极外延结构的光电二极管；图7示出根据现有技术的具有外延衬底结构的光电二极管；图8示出根据现有技术的入射光用于基极外延结构和外延衬底结构的光电二极管中的ipd的区域；图9示出在将具有外延衬底结构的光电二极管应用于图4中所示的光放大电路时的结构；以及图IOA至IOD示出根据现有技术的具有外延衬底结构的光电二极管中的正常操作和故障时的波形。
具体实施例方式[第一实施方式]在下文中，参考附图描述本发明的实施例。图1示出根据本发明的实施例的光放大电路的结构。光放大电路包括Ι/ν转换电路101、反相器电路104、电压放大器102、基极电流校正Ref放大器103和输出晶体管QlOl。与图9中所示的光放大电路的不同之处在于，具有与光电二极管PD的寄生电容Cpd (PD的结电容)相同电容值的电容器ClOl也输入至基极电流校正Ref放大器103。由于PD的阴极连接至NPN晶体管Q201的基极(参见图 2)，并且阳极连接至GND，所以PD的反向偏压由Q201的基极与发射极之间的内建电压Vf确定，并且几乎是常数。因此，Cpd能够被认为等效于固定电容器。图2示出I/V转换电路101和基极电流校正Ref放大器103的结构。在I/V转换电路101中，NPN晶体管Q201的发射极连接至GND，并且集电极经由电阻器R201连接至电源端子Vcc。NPN晶体管Q202的基极连接至NPN晶体管Q201的集电极与电阻器R201之间的结点。NPN晶体管Q202的集电极连接至电源端子Vcc，并且发射极经由电阻器R202连接至GND。NPN晶体管Q202的发射极与电阻器R202之间的结点将作为I/V转换电路101的输出。该结点连接至后级，并且还经由反馈电阻器R203连接至NPN晶体管Q201的基极。PD 的阴极连接至NPN晶体管Q201的基极，并且PD的阳极连接至GND。由于基极电流校正Ref放大器103以与I/V转换电路101相同的方式构成，所以省略其解释。101与103之间的不同之处在于，电容器ClOl连接至NPN晶体管Q203的基极，并且电容器ClOl的另一端连接至GND。另一个不同之处在于，电阻器R108从NPN晶体管Q204的发射极与电阻器R204之间的结点连接至是I/V转换电路101的输入的NPN晶体管Q201的基极。图2的电阻器R203和R206分别对应于图1的电阻器RlOl和R106。参考图1解释根据本实施例的光放大电路的操作。当电源电压变化时，作为I/V 转换电路101的输入电势的PD的阴极电势变化，并且产生PD的寄生电容Cpd的充电和放电电流。该充电和放电电流导致故障。在根据本实施例的光接收放大器中，具有与PD的寄生电容Cpd相同值的电容器ClOl添加在基极电流校正Ref放大器103的输入与GND之间。 当ΙΛ转换电路101和基极电流校正Ref放大器103具有相同结构和相同常数时，在基极电流校正Ref放大器103的输入电势和电容器ClOl的电势中产生与PD的阴极电势相同的变化量。在电容器ClOl中产生与PD的寄生电容Cpd的充电和放电电流相同的充电和放电电流，补充到PD的寄生电容Cpd的充电和放电电流icpd，从而防止由电源电压的变化导致的故障。此外，参考图2解释根据本实施例的光放大电路的操作。由电源电压变化AVcc 导致的施加至PD的阴极的电压变化应该是AVbeQ201，并且响应于此在PD的寄生电容Cpd 中产生的充电和放电电流应该是icpd。此外，由类似的电源电压变化导致的施加至电容器 ClOl的电压变化应该是AVbeQ203，并且响应于此在电容器ClOl中产生的充电和放电电流应该是iCIOl。由于I/V转换电路101和基极电流校正Ref放大器103是相同的电路，并且PD的寄生电容Cpd和电容器ClOl具有相同的值，所以满足下列公式。AVbeQ201 = AVbeQ203icpd = iCIOl当由iCIOl在是基极电流校正Ref放大器103的输出的NPN晶体管Q204的发射极中产生的电压变化是Δν时，如下所示，在电阻器R206和R108中产生相同的电势差。Δ V-Δ VbeQ203 = AV-A VbeQ201当电阻器R206与R108具有相同值并且流至电阻器R108的电流是IR108时，满足下列公式。
iCIOl = IR108 = icpd因此，可以补充到PD的寄生电容Cpd的充电和放电电流icpd，并且能够防止由于电源电压变化导致的故障。[第二实施例]图3示出根据本发明的第二实施例的光电耦合器的结构。该光电耦合器使用根据上述第一实施例的光放大电路，并且将LED放置在PD的相对位置作为PD的光输入。此外， 输出是开路集电极，并且作为上拉电阻器的R305连接在输出端子OUT与电源端子Vcc之间。每个放大器的操作与第一实施例中的操作相同。因此，可以补充到PD的寄生电容Cpd 的充电和放电电流icpd，并且能够防止由电源电压变化导致的故障。本领域技术人员可以根据需要组合第一和第二实施例。尽管已经根据实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将会意识到，本发明可以以权利要求的精神和范围内的各种修改来实施，并且本发明不限于上述的实施例。此外，权利要求的范围不受到上述实施例的限制。此外，应该注意到，申请人意图包含所有权利要求要素的等价物，即使在审查过程中进行修改亦是如此。
权利要求
1.一种光放大电路，其包括具有外延衬底结构的光电二极管；将从所述光电二极管输出的电流转换为电压的I/V转换电路；以及校正电路，所述校正电路在所述光电二极管与所述I/V转换电路之间移除从所述光电二极管输出的电流中的充电和放电电流，所述充电和放电电流是由所述光电二极管的寄生电容引起的。
2.根据权利要求1所述的光放大电路，其中所述校正电路包括电容器，所述电容器包括与所述寄生电容相对应的电容。
3.根据权利要求2所述的光放大电路，其中除了与所述I/V转换电路相同的元件结构以外，所述校正电路还包括电容器，所述电容器包括与所述寄生电容相同的值。
4.根据权利要求3所述的光放大电路，其中所述I/V转换电路包括第一 NPN晶体管，所述第一 NPN晶体管包括连接至所述光电二极管的阴极的基极、连接至GND的发射极和连接至电源的集电极，所述校正电路包括第二 NPN晶体管，所述第二 NPN晶体管包括经由所述电容器连接至 GND的基极、连接至GND的发射极和连接至电源的集电极，以及所述校正电路的输出与所述ΙΛ转换电路的输入经由电阻器连接，所述电阻器包括与所述校正电路内部的反馈电阻器相同的值。
5.一种包括光放大电路的光电耦合器，其中所述光放大电路包括具有外延衬底结构的光电二极管；将从所述光电二极管输出的电流转换为电压的ΙΛ转换电路；以及校正电路，所述校正电路在所述光电二极管与所述I/V转换电路之间移除从所述光电二极管输出的电流中的充电和放电电流，所述充电和放电电流是由所述光电二极管的寄生电容引起的。
全文摘要
本发明提供一种光放大电路和光电耦合器。其中光放大电路包括具有外延衬底结构的光电二极管PD，将从PD输出的电流转换为电压的I/V转换电路，以及校正电路，该校正电路在PD与I/V转换电路之间移除从PD输出的电流中的充电和放电电流，该充电和放电电流是由光电二极管的寄生电容引起的。
文档编号H03F3/08GK102195570SQ201110047190
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者奥节哉, 清水昌文 申请人:瑞萨电子株式会社