ゲインが変化するフォト・ダイオード・アンプ

■問題

【 LT6220 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，フォト・ダイオードの光電流を電圧に変換しoutから出力する，ステップ増幅式フォト・ダイオード・アンプになります．このアンプは，フォト・ダイオードの光電流(I₁)の電流が低いとき，高いゲインで電圧に変換し，逆にI₁の電流が高いとき，低いゲインへ自動に変化します．図1において，ゲインが切り替わるI₁の電流は(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　ステップ増幅式フォト・ダイオード・アンプ⁽¹⁾
この回路は，LT6220データシート(P1)の標準的応用例.
ただし，U₂は，1.25Vのシャント電圧リファレンス．Q₁とQ₂は，同じ特性のペア・トランジスタ．LT6220は，入出力レール・ツー・レールOPアンプです．

(a) 5μA　(b) 12.5μA　(c) 25μA　(d) 32.4μA

■ヒント

　I₁が低いときは，R₁の100kΩで電圧に変換されます．I₁が高くなるとR₂側にも電流が流れ，outまでのゲインが自動に低くなります．この動作をヒントに，ゲインが変化する目安の電流を検討します．

■解答

(b) 12.5μA

　図1のゲインが変化するときの動作は次になります．

E1とout間はシャント電圧リファレンスで1.25Vで固定されている．I₁とR₁によりoutが負電圧方向へ推移すると，それに比例してE1の電圧も低下する
I₁の電流が徐々に高くなると，outの電圧が低下し，「E2の電圧= E1の電圧」に近づく．この付近では，I₁の電流はR₂からQ₂を通って負電源（V^-)へ分流する経路が生まれる
「E2の電圧= E1の電圧」付近になるI₁の電流は，およそ「I₁=1.25V/100kΩ=12.5μA」なので，この電流付近でゲインが変化する

　この動作より，(b)の12.5μAが正解になります．

■解説

●光電流が低いときは高いゲイン，光電流が高いときは低いゲイン
　光の明暗は，ダイナミックレンジが広いので，それをフォト・ダイオードで，光電流にすると，光電流のダイナミック・レンジも広くなります．このためフォト・ダイオード・アンプに求められる機能として，光電流が低いときは高いゲインで電圧に変換し，逆に光電流が高いときは，ゲインを低下させてアンプの飽和を防止するようにします．このような機能を有する回路として，ステップ増幅式フォト・ダイオード・アンプがあります．ステップ増幅式フォト・ダイオード・アンプは，光電流により自動でゲインを変化させます．このゲインの変化は，ある閾値を境に急に切り替わるものではなく，スムーズに変化するのが特徴になります．

●ゲインが固定のフォト・ダイオード・アンプの特性
　図2は，ゲインが固定のフォト・ダイオード・アンプの例で，図1から必要な回路を切り出しました．フォト・ダイオードの光電流は，I₁の電流源に置き換えています．

図2　ゲインが固定のフォト・ダイオード・アンプ
I₁の電流をR₁で電圧に変換している．

　図2は，電源電圧±2.5Vで，I₁の電流をR₁の抵抗で電圧に変換します．よって図2のフォト・ダイオード・アンプのゲインはR₁で決まり，入出力伝達関数は式1になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　ここでは，ゲインが固定のとき，I₁の電流が高くなるとアンプが飽和する様子をシミュレーションで確かめます．

●ゲインが固定のフォト・ダイオード・アンプの動作確認
　図3は，図2のI₁を0μA～50μAまで0.1μAでスイープしたときのoutの電圧変化をプロットしました．I₁の電流が0μA～25μA間のoutの電圧は，先ほどの式1の関係で負の電圧へ推移します．25μA以上になると，outの電圧は-2.5Vで飽和します．これは図2の負の電源電圧が-2.5Vであることから制限を受けています．このようにゲインを固定すると，I₁が高いとき，フォト・ダイオード・アンプの出力は反応しなくなりますので，図1のようなステップ増幅式フォト・ダイオード・アンプでゲインを変化させて飽和するのを防ぎます．

図3　図2のシミュレーション結果
I₁の電流が25μA以上になるとoutは飽和する．

●ゲインが変化するフォト・ダイオード・アンプの特性
　図4は，LT6220のデータシートにあるステップ増幅式・フォト・ダイオード・アンプの具体的な回路になります．データシート中のPNPトランジスタは，BCV62を使用していますので，それに合わせています．BCV62のトランジスタ・モデルは後で解説する方法でダウンロードします．
　最初に図4の主なデバイスの役割について解説します．図4のOPアンプとR₁の負帰還回路は，トランス・インピーダンス・アンプと呼ばれ，図2と同じです．OPアンプの出力はレール・ツー・レールなので電源電圧付近までスイングします．LT1634は1.25Vのシャント電圧リファレンスで，E1とout間を1.25Vに固定します．R₂とU₄のPNPトランジスタは，I₁の電流をR₂からQ₂を通って負電源（V^-)へ分流する経路になります．

図4　ステップ増幅式・フォト・ダイオード・アンプ
PNPトランジスタはBCV62を使用．

　次に，図4を使ってステップ増幅式・フォト・ダイオード・アンプの動作について解説し，答え合わせをします．図4のI₁が電流を流し始めると次の動作になります．

I₁から電流が流れるとoutの電圧は図3のように0V以下の負電圧方向へ推移する．E1とout間はシャント電圧リファレンスで1.25Vで固定されているので，outが負電圧方向へ推移すると，それに比例してE1の電圧も低下する
I₁が流れ始めて低い電流のとき，outの電圧変化は低く，E2は0Vから僅かに低い電圧になる．一方，E1は1.2Vになり「E2の電圧＜ E1の電圧」になる．この条件ではU₄のPNPトランジスタが動作しない．このためR₂に電流が流れず，全てR₁に流れる．I₁からoutまでのゲインはR₁の100kΩになる
I₁の電流が徐々に高くなると，outの電圧が低下し，「E2の電圧= E1の電圧」に近づく．この付近からU₄のPNPトランジスタが動作し，I₁の電流はR₂からQ₂を通って負電源（V^-)へ分流する．R₂へ分流した分だけR₁の電流が減少するので，ゲインがスムーズに低下する
「E2の電圧= E1の電圧」付近になるI₁の電流は式2なので，この電流付近において自動でスムーズにゲインが変化する

更にI₁が高くなると，ゲインは「100kΩ||3.24kΩ」の並列抵抗へ漸近していく

　　この動作より，解答の(b) 12.5μAが正解になります．

●トランジスタ・モデルを作る
　図4で，使用しているPNPトランジスタは特性の揃った2つのPNPトランジスタになります．シミュレーションで使用するには，nexperiaのWebページからトランジスタのモデルをコピーして，モデルファイルを作ります．具体的には以下の手順になります．

nexperiaのWebページからBCV62(https://www.nexperia.com/product/BCV62)の製品ページ⁽²⁾をWebブラウザで開く
横並びになっている[Product details　Documentation　Support　Ordering]のメニューから[Documentation]をクリックして進む
進んだ先のページの下の方に「BCV62」の「SPICE model」があるので，クリックして進む
BCV62のモデルが表示されるので，全てコピーして，テキスト・エディタに貼り付け，ファイル名は「BCV62.txt」の名にする
本文の最後にある「■データ・ファイル」から回路図フォルダ(LTspice11_002)を，ローカルPCの任意のフォルダへダウンロードする．そのフォルダに，先ほどのモデル・ファイル(BCV62.txt)を保存．回路図ファイルとモデル・ファイルを同じフォルダに入れる作業が終われば，シミュレーションが実行できる

●ゲインが変化するフォト・ダイオード・アンプの動作確認
　図5は，図4のシミュレーション結果になります．X軸は，I₁の電流で，図5の上段はE1とE2の電圧の推移をプロット，図5の中段はoutの電圧の推移をプロット，図5の下段はI₁からoutまでのゲインをプロットしました．
　図5の上段でI₁の電流が0μA～10μAのE1とE2の電圧を見ると「E2の電圧＜E1の電圧」です．この範囲は図5の中段のようにR₁の抵抗でoutの電圧が低下します．図5の下段で，0μA～10μAのゲインを見るとR₁と同じ100kΩになることが分かります．
　図5の上段のI₁の電流が10μA～12.5μAでは，E1とE2の電圧が近づき，図5の中段のようにoutの電圧がスムーズに変化します．そのときのゲインを図5の下段でみると，100kΩから自動でスムーズに変化します．
　さらにI₁の電流が高くなると，図5の中段のようにoutの電圧は負の電源電圧(-2.5V)より高いので飽和しません．このときのゲインは図5の下段より「100kΩ||3.24kΩ」へ近づいていくのが分かります．

図5　ステップ増幅式・フォト・ダイオード・アンプのシミュレーション結果
上段はE1とE2の電圧の推移をプロット．
中段はoutの電圧の推移をプロット．
下段はI₁からoutまでのゲインをプロット．

　以上，フォト・ダイオード・アンプのゲインが自動でスムーズに切り替わるステップ増幅式・フォト・ダイオード・アンプの動作を解説しました．今回の電源電圧は±2.5Vですが，更に電源電圧が低いアプリケーションもあると思います．このようなときにも使える回路になります．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：LT6220/LT6221/LT6222のデータシート
(2)Nexperia：BCV62の製品ページ

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_002.zip

●データ・ファイル内容
Basic PhotoDx Amplifier.asc：図2の回路
Basic PhotoDx Amplifier.plt：図2のプロットを指定するファイル
Stepped-Gain Photodiode Amplifier.asc：図4の回路
Stepped-Gain Photodiode Amplifier.plt：図4のプロットを指定するファイル
BCV62.asy：BCV62のシンボル
※BCV62のモデル(BCV62.txt)は「トランジスタ・モデルを作る」の手順で作成し，上記の同じフォルダ(LTspice11_002)に保存してください．