応 用回路 例 極微弱光センサヘッド 極微弱光検出回路 オードからオペアンプの入力端子までの配線、および帰還抵抗 と帰還容量の入 力側配線は、ガードパターンを使 用するか、テ フロン 端 子を 使 用した 空中配 線を行い、基 板 表 面のリーク電 流対策を行います。 なお当社は、極微弱光 検 知用フォトダイオード用アンプとし てフォトセンサアンプ C6386-01、C9051、C9329を用意 しています。 極微弱光を検出する回路では、周囲からの電磁ノイズ、電源 からの交流ノイズ、オペアンプのもつノイズなどを低減するた めの対策が必要です。 周囲からの電磁ノイズに対しては、図4のような対 策を行い ます。 極微弱光センサヘッ ド 図4 極微弱光センサヘッド 図5 (a) シールドケーブルをフォトダイオードに接続した例 Rf1 Rf2 メタルパッケージ PD SW1 SW2 Cf IC1 + 1 BNC 同軸 ケーブル など 極微弱光センサヘッド 10 µ - IC2 - シールド ケーブル Isc (a) C6386-01 +5 V 0 -5 V + µ 10 + フォトセンサアンプ (b) C9051 Vo + 10ターン ポテンション 金属製シールドボックス (c) C9329 KSPDC0051JC (b) 回路全体を金属製シールドボックスに収納した例 Rf1 Rf2 ISC SW1 SW2 Cf PD IC1 10 µ - IC2 - + +5 V 0 -5 V + µ 10 + フォトダイオード、BNC-BNC プラグ付同軸ケーブルは別売 Vo + 10ターン ポテンション 金属製シールドボックス 光量−対数電圧変換回路 光量−対数電圧変換回路 KSPDC0052JB (c) 光ファイバを使用した例 Rf1 Rf2 光ファイバ ISC PD Cf - IC1 + SW1 SW2 10 µ - IC2 + Vo 10ターン ポテンション 金属製シールドボックス 太線の部分は、ガードパターン内またはテフロン端子上に配線 IC : FET入力オペアンプなど IC : OP07など Cf : 10 pF∼100 pFスチコン Rf : 10 GΩ max. SW : リーク電流の小さいリードリレースイッチ Vo = Isc × Rf [V] PD : S1226/S1336/S2386シリ−ズ, S2281など 太線の部分は、ガードパターン内またはテフロン端子上に配線 IC1 : FET入力オペアンプなど IC2 1 : OP07など Cf : 10 pF∼100 pFスチコン 2 Rf : 10 GΩ Max. SW: リーク電流の小さいリードリレー, スイッチ PD : S1226/S1336/S2386シリ−ズ, S2281など +5 V 0 -5 V + 10µ + 光 量−対 数電 圧 変 換回路 [図6]の出力電 圧は、検出光 量の 対数的変化に比例します。対数変換用のログダイオード Dは、 低暗電流で低直列抵抗のタイプを使用します。小信号トランジ KSPDC0051JCスタのB-E間や接合型FETのG-S間をログダイオードとして利 用することもできます。I B は、Dにバイアス電流を供給して回路 動作点を設 定するための電流源です。I B を供給しないと、フォ トダイオードの短絡電流 Iscがゼロになったとき回路がラッチ アップします。 KSPDC0053JB 図6 光量−対数電圧変換回路 D - R PD KSPDC0052JB Vo = Isc × Rf [V] フォトダイオードからの信号をカソード端子から取り出すこ とも有効な対策です。電源からの交流ノイズに対しては、電源 ラインにRCフィルタやLCフィルタを入れることで対策を行い ます。な お、電 源として 乾 電 池を 使 用することも 有 効 な 対 策 となります。オペアンプのもつノイズに対しては、1/fノイズが 小さく入 力換算雑音電流の低いオペアンプを選択することに よって対策を行います。さらに、信号の周波数帯域に合わせて KSPDC0053JB 回路 の周波 数 帯域を帰 還 容量 (C f )を用いて制 限することに よって、高周波ノイズを低減します。 次に、出力誤差 (オペアンプの入力バイアス電流や入力オフ セット電圧、回路配線の引き回し、回路基板表面のリーク電流 などによる)の低減が必要です。入力バイアス電流が数百fA以 下で、FET入力型オペアンプか低1/fノイズでCMOS入力のオ ペアンプを選 択します。さらに、入 力オフセット電 圧が数mV 以下で、オフセット調整端子があるオペアンプが有効です。回 路基板は、高絶縁抵抗の材質のものを使用します。フォトダイ Io +15 V IB + Isc IC Vo -15 V D : 低暗電流で低直列抵抗のダイオード D : 低暗電流で低直列抵抗のダイオード I B : 回路動作点設定用電流源, I B << Isc I B : 回路動作点設定用電流源, IB<<Isc R : 1 GΩ∼10 GΩ R : 1 G∼10 GΩ -15 -12 -15 Io:10 Dの飽和電流, Io: Dの飽和電流, ∼10 -12 A 10 ∼10 A A : FET入力型オペアンプなど IC: FET入力型オペアンプなど . + IB Isc + IB Isc Vo = -0.06 log Vo ( =. -0.06+ log 1) ([V] IO Io + 1) [V] KPDC0021JA 光量積分回路 フォトダイオードとオペアンプの積分回路を用いた光量積分 回路です。波 高値・周期・パ ルス幅などが 不規 則な光 パ ルス列 の積算光量や平均光量の測定などに使用します。 図7の I C は 積 分 器で、パ ルス 光によって発 生 する短 絡 電 流 Iscを積 分コンデンサ Cに蓄えます。リセット直 前の出力電 圧 Voと積分時間 toおよび既知のCの値から、短絡電流の平均値 が求められます。リセット時の誤差をなくすため、Cは誘電吸収 KPDC0021JA が小さいコンデンサを使用します。なお、SWはCMOS型アナ ログスイッチです。 Siフォトダイオード 44 簡易照度計 (2) 光量積分回路 図7 +15 V 10 k C 2 SW Isc PD 13 14 7 1 1k 1k Isc +15 V 7 IC 6 + 4 3 -15 V 2 リセット入力 - VO t VO 照度計 t リセット 入力 to t リセッ ト入力: TTL lowレベルでリセッ ト リセッ ト入力: TTL lowレベルでリセッ ト IC IC : LF356など : LF356など SW SW : CMOS 4066 : CMOS 4066 : S1226/S1336/S2386シリーズなど PD PD : S1226/S1336/S2386シリーズなど C : ポリカーボネー トコンデンサなど C : ポリカーボネートコンデンサなど 視感度補正されたSiフォトダイオード S7686とオペアンプ の電流−電圧変換回路を用いた簡易照度計回路です。1 Vレン ジの電圧計に接続することによって、最大10000 lx の照度を 測定できます。 オペアンプは、入 力バイアス電 流 が小さい 単電 源の 低 消 費 電流タイプを使 用します。この校 正は100 Wの白色電 球を利 用した簡易的な方法で行うことが可能です。 初めに10 mV/lxレンジを選択し、メータ校正用ボリュームの しゅう動端子とオペアンプの出力端子を短絡します。次に白色 光源を点灯させ、電圧計の表示が0.45 Vとなるように白色光 源とS7686との距離を調整します (このときS7686の表面 の照度は約100 lx になります)。続いて電圧計の指示が1.0 V となるようにメータ校 正 用ボリュームを調整し、校 正を終了し ます。 図9 1 [V] Vo = Isc × to ×C 1 [V] C 簡易照度計 (2) Vo = Isc × to × KPDC0027JB 1M 10 mV/lx 100 k 1 mV/lx 10 k 簡易照度計 (1) 0.1 mV/lx 100 p 視感度補正された当社製Siフォトダイオード S9219とフォ VR 500 1 k 7 トセンサアンプ C9329を用いた簡易照度計回路です。図8の 2 6 ように、C9329の出力に抵抗を用いた分圧回路を外付けして IC 3 8 + PD lx 1 Vレンジの電圧計に接続することによって、最大1000 の 4 1k V 電圧計 Isc 006 p 照度を測定できます。 KPDC0027JB (9 V) この回路 の 校 正には標 準 光 源を 使 用しますが、標 準 光 源 が ない場合は100 Wの白色光源を利用して簡易的な校正を行う VR : メータ校正用可変抵抗 IC : ICL7611, TLC271など ことも可能です。 IC : TLC271など PD: S7686 (0.45 µA/100 lx) PD : S7686 (0.45 µA/100 lx) 校 正 方 法 を 以下 に 示しま す。初 めにC 9 3 2 9 の Lレンジ を * メータ校正用ボリューム KPDC0018JD 選 択し、 可 変 抵 抗 器 V Rを 時 計方 向 へ止まるまで回します。 簡易照度計 (1) この状 態でS9219を遮 光して、電 圧計が0 mVになるように 光量バランス検知回路 C9329のゼロ調整ボリュームを回して調整します。次に白色 図10は、逆 並列 接 続した2つのSiフォトダイオード PD 1・ 光量バランス検知回路 光源を点灯させ、電圧計の表示が0.225 Vとなるように白色 PD 2とオペアンプの電流−電圧 変換回路を用いた光量バラン 光源とS9219との距 離を調整します (このときS9219の表 ス検知回路です。受光感 度は帰還抵抗 Rfの値で決まります。 面の照 度は約100 lx になります)。続いて電圧計の表示が0.1 P D 1・P D 2 に入 射 する光 量 が 等しいとき、出 力 電 圧 Voはゼ VとなるようにVRを反時計方向に回して調整し、校正を終了し ロになります。2つのダイオード Dが逆接続されているため、 ます。 PD1・PD 2 の受 光量がアンバランスの状態ではVo=±0.5 V 校 正後は、C9329のLレンジ で1 mV/ lx 、Mレンジ で100 程 度の範囲に制 限され、バランス状 態 の 近傍だけを高感 度に mV/lx の出力となります。 検 知できます。またフィルタを用いて、特定 波 長 領域の光量バ KPDC0018JD ランス検知に利用することができます。 図8 簡易照度計 (1) 図10 PD フォトセンサ アンプ ISC 同軸ケーブル E2573 C9329 Rf D 1k VR 1k 500 ISC2 CW V PD2 ISC1 D 2 PD1 3 外付け分圧回路 PD: S9219 (4.5 µA/100 lx) PD: S9219 (4.5 µA/100 ) 光量バランス検知回路 KSPDC0054JB +15 V 7 IC 6 4 + - Vo -15 V PD: S1226/S1336/S2386シリーズなど PD: S1226/S1336/S2386シリーズなど IC : LF356など IC : LF356など D : ISS226など D : ISS270Aなど Vo = Rf × (Isc2 - Isc1) [V] Vo = Rf × (Isc2 - Isc1) [V] (ただしVo<±0.5 V) (ただしVo<±0.5 V) KPDC0017JB KSPDC0054JB 45 Siフォトダイオード KPDC0017JB 応用回路例 吸光度計 専用ICと2つのSiフォトダイオードを使 用した、2つの電 流 入力の対数比が得られる吸光度計です [図11]。光源の光の強 度と試料を通過した後の光の強 度を2つのSiフォトダイオード で測定して比較することで、試料の吸光度を測ることができます。 初めに2つのSiフォトダイオードの短絡電流が同じ値になる 吸光度計 ように絞りなどの光学系を調整して、出力電圧 Voが 0 Vとな るようにします。次に、試料を片側の光路に挿入します。このと きの出力電圧の値が、試料の吸光度となります。吸光度 Aと出 力電圧 Voの関係は、A=-Vo [V]で表されます。 必要に応じて、図11のように光源の前にフィルタを設置する ことで、特定波長領域や単色光での分光吸光度を測定すること ができます。 図11 また、オペアンプの入 力部分の基板パターンで生じる浮遊容 量やインダクタンス、フォトダイオードのリードインダクタンス の影 響を低 減するため、フォトダイオードのリード線は極 力短 高速／光検出回路 (1) くし、オペアンプとできる限り短く太いパターンで配線します。 性能向上のためには、基板銅箔面全面を接地電位として使用す るグランドプレーン構造が効果的です。 な お 、オペアン プの 電 源ラインに 接 続 するコンデ ン サ 0.1 µFにはセラミックコンデンサを使 用し、直 近の 接 地電位に最 短距離で接続します。 当社は、周波数帯域100 MHzのPINフォトダイオード用フォ トセンサアンプ C8366を用意しています。 図13 吸光度計 (試料) 10 k +15 V 10 µ PD + Rf ISC 0.1µ 7 2- +15 V Isc1 PD 3 - +15 V 51 Ω Vo 0.1 µ IC + 14 6 0.1µ -15 V Vo A + フィルタ 高速／光検出回路 (1) PD: 高速PINフォ トダイオード (S5971, S5972, S5973など) PD: 高速PINフォ トダイオード (S5971, S5972, S5973など) Rf : 並列容量を避けるため複数個直列 Rf : 並列容量を避けるため複数個直列 IC : AD745,ICLT1360, : AD745,HA2525など LT1360, HA2525など Isc2 100 p Vo = -Isc × Rf [V] -15 V Vo = -Isc × Rf [V] A : Logアンプ A : Logアンプ PD: S5870など PD: S5870など 図14 Vo = log (ISC1 / ISC2) [V] Vo = log (Isc1 / Isc2) [V] KPDC0020JD フォトセンサアンプ C8366 KPDC0025JC LED全放射光量測定 LEDの全放射光量の測定 LEDの発光波長幅は数十nm程度と狭いため、LEDのピーク 発 光波 長におけるSiフォトダイオードの受 光 感 度 からLEDの 放 射光量を知ることができます。図12においてLED側面から の 光放 射成分は、表面を鏡面加工した 反 射ブロック Bで正面 側に反射され、全放射光量がSiフォトダイオードで検知されま す。 図12 LEDの全放射光量の測定 高速／光検出回路 (2) 高速／光検出回路 (2) Isc KPDC0025JC IF Po LED PD KPDC0020JD A B 逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオードの短 絡電流を負荷抵抗 R Lで電圧変換し、高速オペアンプで電圧増 幅する高速／光検出回路です [図15]。この回路ではオペアン プの位相ズレに基づくゲインピーキングの恐れがありません。 オペアンプの選択によって周波数帯域が100 MHz以上の回路 が 可能です。使 用部 品・パターン・構 造についての 注 意 点は前 述の「高速／光検出回路 (1)」と同様です。 A : PD: B : S : 電流計, 1 mA∼10 mA S2387-1010R アルミニウムブロック、内側金メッキ Siフォトダイオードの受光感度 カタログの特性表参照 . . S2387-1010R: 930 nmではS=0.58 A/W Po : 全放射光量 図15 高速／光検出回路 (2) PD . Po =. Isc [W] S 10 k . .µ 0.1 µ + 10 0.1µ 3 +7 6 51 Ω A IC 2 4 0.1 µ Isc RL KPDC0026JA R 高速／光検出回路 (1) 逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオードと、 高速オペアンプの電流−電 圧 変 換回路を使 用した高速 ／光 検 出回路です [図13]。この回路 の周波 数帯域は、オペアンプの 特性で制約され、100 MHz程度以下になります。 周波 数帯域が1 MHzを超える回路では、各 部品のリードイ ンダクタンスや帰還抵抗 Rfの浮遊容量が応答速度に大きな影 響を与えます。そのため、チップ 部 品を使 用して部 品のリード KPDC0026JA インダクタンスを低減したり、複数の抵抗を直列接続して抵抗 の浮遊容量を低減して、その影響を抑えます。 +5 V Vo Rf -5 V PD : 高速PINフォトダイオード PD : 高速PINフォトダイオード (S5971, S5972, S5973, S9055, S9055-01など) (S5971, S5972, S5973, S9055, S9055-01など) R L , R, Rf: R オペアンプの推奨条件に合わせて調整 L, R, Rf: オペアンプの推奨条件に合わせて調整 IC : IC AD8001など : AD8001など Vo = Isc × R L × (1 + Rf ) [V] Vo = Isc × RRL × (1 + Rf ) [V] R KPDC0015JE Siフォトダイオード 46 交流光検出回路 (1) 逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオードの光 電流を負荷抵抗 R Lで電圧変換し、高速オペアンプで電圧増幅 交流光検出回路 (1) する交 流 光 検出回路です [図16]。この回路では、オペアンプ の位相ズレに基づくゲインピーキングの恐れがありません。オ ペアンプの選択によって、周波数帯域が100 MHz以上の回路 が可能です。 使用部品・パターン・構造についての注意点は、前述の「高速 ／光検出回路 (1)」と同様です。 図16 交流光検出回路 (1) PD 0.1 µ + 10 µ Isc 10 k C r RL +5 V 0.1µ 3 +7 6 51 Ω A IC 2 - 4 0.1µ R Vo Rf -5 V PD : 高速PINフォトダイオード PD : 高速PINフォトダイオード (S5971, S5972, S9055,S9055, S9055-01など) (S5971, S5973, S5972, S5973, S9055-01など) R L , R, Rf, r:Rオペアンプの推奨条件に合わせて調整 L, R, Rf, r: オペアンプの推奨条件に合わせて調整 IC : AD8001など IC : AD8001など Vo = Isc × R L × (1 + Rf ) [V] Vo = Isc × R R L × (1 + Rf ) [V] R KPDC0034JA 交流光検出回路 (2) 逆 電 圧 を 印 加して低 容 量 化した P I Nフォトダイオードと、 F E T に よる電 圧 増 幅 回 路 を 用 い た 交 流 光 検 出 回 路 で す [ 図 17]。低ノイズFETを使用することによって、安価で小型な低ノ イズ回路が実現でき、空間光伝送や光リモコンなどの受光部に 使用します。図17ではFETのドレインから信号出力を取ってい ますが、入 力抵抗の小さい次段回路 へのインターフェースには ソース側から信号出力を取り出すか、ボルテージ・フォロアを追 加します。 交流光検出回路 (2) KPDC0034JA 図17 交流光検出回路 (2) +15 V 10 µ 10 k + + 10 1k PD 0.1 µ 1000 p ISC RL 0.1 µ Vo FET 1M RS 0.1µ PD : 高速PINフォトダイオード (S2506-02, S5971, S5972, S5973など) PD R : 高速PINフォトダイオード (S2506-02, S5971, S5972, S5973など) L : 感度とPDのCtとの時定数で決定 : S感度とPDのCtとの時定数で決定 RL R : FETの動作点で決定 R S FET: : FETの動作点で決定 2SK362など FET: 2SK362など KPDC0034JA KPDC0014JE 47 Siフォトダイオード PD : 高速PINフォトダイオード (S5052, S8314, S5971, S5972, S5973など) R L, R, Rf : オペアンプの推奨条件に合わせて調整 A : OPA648, OPA658, AD8001など VO = Isc × R L × (1 +Rf ) [V] R
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