CN105958951B

CN105958951B - 跨阻电路

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Publication number: CN105958951B
Application number: CN201510524953.2A
Authority: CN
Inventors: 常次幸男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: JP6461652B2; JP2016167703A; US20160268975A1; US9837969B2; CN105958951A

Abstract

根据一个实施方式，跨阻电路具备：跨阻放大器，将电流信号转换成电压信号；基准电压生成电路，生成基准电压信号；以及比较器，根据电压信号与基准电压信号的电压电平，生成与电流信号对应的脉冲信号。跨阻放大器具有：第一晶体管，将电流信号放大；电压转换器，对由第一晶体管放大后的电流信号进行电压转换；以及旁路电路，在第一晶体管的控制端子中流动的电流信号超过规定值时，使电流信号旁通。

Description

跨阻电路

相关申请的引用

本申请享受以日本专利申请2015-046300号(申请日：2015年03月09日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含其全部内容。

技术领域

在此说明的实施方式通常涉及将电流信号转换成电压信号的跨阻电路。

背景技术

光电二极管输出与接受到的光信号对应的电流信号。该电流信号在跨阻电路被转换成电压信号后，生成脉冲信号。光电二极管接收到的光信号的量越多则输出越大的电流信号。

可是，若从光电二极管输出的电流信号变大，则跨阻电路内设置的初级晶体管可能会出现饱和。若初级晶体管饱和，则电压信号产生失真，最终得到的脉冲信号也会失真。

发明内容

实施方式提供一种即使电流信号较大也能够抑制脉冲信号的失真的跨阻电路。

根据一实施方式，跨阻电路具备：跨阻放大器，将电流信号转换成电压信号；基准电压输出电路，生成基准电压信号；比较器，根据上述电压信号与上述基准电压信号的电压电平，生成与上述电流信号对应的脉冲信号，上述跨阻放大器具有：第一晶体管，将上述电流信号放大；电压转换器，对由上述第一晶体管放大后的电流信号进行电压转换；旁路电路，在上述第一晶体管的控制端子中流动的上述电流信号超过规定值时，使上述电流信号旁通。

根据上述构成的跨阻电路，能够提供能够抑制脉冲信号的失真的跨阻电路。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的跨阻电路1的框图。

图2是表示图1的跨阻放大器2的内部构成的一个例子的电路图。

图3是图1以及图2的跨阻电路1内的各部的电压波形图。

图4是没有设置图2的旁路电路13的一个比较例的跨阻电路1内的各部的电压波形图。

图5是表示发射极接地型的初级晶体管11的电路构成的一个例子的电路图。

图6是表示初级晶体管11为漏极接地型的一个例子的电路图。

图7是表示初级晶体管11为源极接地型的一个例子的电路图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在下面的实施方式中，以跨阻电路内的特征性构成以及动作为中心进行说明，但在跨阻电路中，存在在下面的说明中省略了的构成以及动作。但是，这些省略了的构成以及动作也包括在本实施方式的范围内。

图1是本发明的一实施方式的跨阻电路1的框图。图1的跨阻电路1具备跨阻放大器(TIA)2、基准电压生成电路(虚拟电路(dummy circuit))3、电流源4、峰值保持电路5、以及比较器6。

跨阻放大器2将电流信号Ipd转换成电压信号Vpd1。通常，跨阻放大器2将从光电二极管等受光元件输出的电流信号Ipd转换成电压信号Vpd1。受光元件具有被内置于跨阻放大器2的情况以及被外装的情况。受光元件生成并输出与接收到的光信号的光强度对应的大小的电流信号Ipd。

基准电压生成电路3成为与跨阻放大器2基本相同的电路构成，该基准电压生成电路3生成基准电压信号Vdm1。设置基准电压生成电路3是为了使得不易受到共模噪声等环境噪声、跨阻放大器2内的各电路元件的特性不均等的影响。更详细地，跨阻放大器2输出的电压信号Vpd1是数十mV左右，容易受到环境噪声、元件特性的不均等的影响。因此，通过将从跨阻放大器2输出的电压信号Vpd1和从与跨阻放大器2相同的电路构成的基准电压生成电路3输出的基准电压信号Vdm1进行比较，从而，将由两信号所包含的环境噪声等引起的变动量抵消。

电流源4生成以跨阻放大器2和基准电压生成电路3共用的基准电流。电流源4的具体的构成虽然不限，但是优选设为能够调整从电流源4供给的电流。

峰值保持电路5使用从跨阻放大器2输出的电压信号Vpd1和从基准电压生成电路3输出的基准电压信号Vdm1，生成中间电压电平信号。生成这样的中间电平信号是因为中间电压电平的信号失真最少。另外，峰值保持电路5内置偏置调整电路。偏置调整电路将在上述的新的中间电压电平信号中加上规定的偏置电压后的信号作为最终的基准电压信号Vatc进行输出，以便不会错误地判断成跨阻放大器2内的受光元件没有接收到光信号时的电压信号Vpd1比基准电压信号大。

将基准电压生成电路3和峰值保持电路5组合起来是基准电压输出电路7。另外，峰值保持电路5根据情况也可以省略，在这种情况下，基准电压输出电路7成为与基准电压生成电路3等效的电路。

比较器6生成脉冲信号Vout，该脉冲信号Vout是对从跨阻放大器2输出的电压信号Vpd1是否超过了峰值保持电路5保持的基准电压信号Vatc进行表示的2值信号。在此，比较器6可以对电压信号Vpd1和基准电压信号Vatc进行比较，还可以对使电压信号Vpd1与基准电压信号Vatc均相对地变化后的电压信号彼此进行比较。即，比较器6对与电压信号Vpd1有关的电压信号和与基准电压信号Vatc有关的电压信号进行比较，生成表示比较结果的脉冲信号Vout。

图2是表示图1的跨阻放大器2的内部构成的一个例子的电路图。在下面，对被内置或外装的光学元件为光电二极管10的例子进行说明。图2的跨阻放大器2具有：对来自光电二极管10的电流信号Ipd进行放大的初级晶体管(第一晶体管)11、对由初级晶体管11放大后的电流信号进行电压转换的电压转换器12、若初级晶体管11的基极(控制端子)中流动的电流超过规定值则使电流信号Ipd旁通的旁路电路13、以及对从电压转换器12输出的电压信号进行反转放大的反转放大器15。

图2的跨阻放大器2内的各晶体管是双极晶体管。例如，初级晶体管11具有被进行了达林顿连接的2个npn晶体管Q1、Q2。晶体管Q1的基极与光电二极管10的阳极连接。晶体管Q1的集电极经由电阻元件R1与电源电压节点Vcc连接。晶体管Q1的发射极经由电阻元件R2与接地节点Vss连接。另外，晶体管Q1的发射极与达林顿连接于晶体管Q1的晶体管Q2的基极连接。晶体管Q2的发射极接地。

旁路电路13连接于晶体管Q2的集电极与光电二极管10的阳极之间。旁路电路13具有被进行了二极管连接的npn晶体管(第二晶体管)Q3、以及与该晶体管Q3串联连接的电阻元件R3。电阻元件R3是电流限制用的电阻元件，如后述所示，在以MOS晶体管构成跨阻放大器2的情况下，能够省略该电阻元件R3。

晶体管Q3的基极以及集电极与光电二极管10的阳极连接，晶体管Q3的发射极与电阻元件R3的一端连接，电阻元件R3的另一端与晶体管Q2的集电极连接。

在将光电二极管10外装于跨阻放大器2的情况下，在基准电压生成电路3内，代替虚拟的光电二极管，与光电二极管10的电气特性相适应地串联连接有电阻元件和电容器。这种情况下的电阻元件的电阻值设定成光电二极管10的寄生电阻程度，电容器的电容设定成光电二极管10的结电容程度。

在晶体管Q2的集电极与图1所示的电流源4之间，连接有电平转换器14。该电平转换器14是串联连接了被进行了二极管连接的npn晶体管Q4和电阻元件R5的电路。在电阻元件R5的一端侧，连接有电流源4和npn晶体管Q5的基极。从晶体管Q5高速动作的角度来看，优选晶体管Q5的基极电压的振幅变化少。因此，将二极管连接的晶体管Q4连接于电阻元件R5的另一端与晶体管Q2的集电极之间。由此，晶体管Q5的基极电压被提升，晶体管Q5能够高速动作。另外，电平转换器14并非必要的，根据情况也能够省略。

在光电二极管10的阳极与晶体管Q5的发射极(节点z1)之间并联连接有电容器C2和电阻元件R6。从光电二极管10输出的电流信号Ipd的大部分在该电阻元件R6中流动。因此，电阻元件R6作为对从光电二极管10输出的电流信号Ipd进行电压转换的电压转换器12发挥作用，在节点z1，出现对电流信号进行电压转换而得的电压信号。与电阻元件R6并联连接的电容器C2是相位补偿电容，用于实现跨阻放大器2的振荡防止。

在电压转换器12的后级侧，设有反转放大器15和电流源16。反转放大器15具有npn晶体管Q6～Q8、决定反转放大器15的增益的电阻元件R7、R8、电阻元件R9～R15、二极管连接的晶体管Q9、以及电容器C3。反转放大器15通过R8/R7的增益，生成将节点z1的电压信号进行了反转放大的信号Vpd1。

接着，对图2的跨阻放大器2的电路动作进行说明。若光电二极管10接受光信号，则从光电二极管10输出与光信号对应的电流信号Ipd。与该电流信号Ipd相应地，在晶体管Q1中流动发射极电流，晶体管Q2的基极电压变高，晶体管Q2的集电极电压降低。在晶体管Q2的集电极中流动有来自电流源4的恒定电流，所以，若晶体管Q2的集电极电压降低，则晶体管Q5的基极电压也降低，与其相应地晶体管Q5的发射极(节点z1)的电压也降低。因此，来自光电二极管10的电流信号Ipd的大部分在电阻元件R6中流动，并且进行晶体管Q1的基极电压的上升被抑制的负反馈控制。若电流信号Ipd的电流值变大到超过负反馈控制的程度，晶体管Q2的集电极电压(节点x1的电压)降低到规定电压电平，则来自光电二极管10的电流信号Ipd变成向旁路电路13中流动，晶体管Q1的基极电流减少。因此，防止作为初级晶体管11的晶体管Q1、Q2变成饱和状态，电压信号Vpd1以及脉冲信号不会产生失真。

如上所示，旁路电路13内的二极管连接的晶体管Q3监视晶体管Q2的集电极电压，若晶体管Q2的集电极电压下降到规定电压电平，则使来自光电二极管10的电流信号Ipd向旁路电路13侧旁通。

在晶体管Q2的集电极与电流源4之间，串联连接有构成电平转换器14的被进行了二极管连接的晶体管Q4和电阻元件R5。由此，晶体管Q2的集电极电压与晶体管Q5的基极电压相比，降低R5×I4+VBE。在此，R5是电阻元件R5的电阻值，I4是晶体管Q4的集电极－发射极间电流，VBE是晶体管Q4的基极－发射极间电压。另外，在下面，跨阻放大器2内的所有的晶体管的基极－发射极间电压相同，设为电压VBE。在这种情况下，晶体管Q2的集电极电压(节点x1的电压)从2VBE－R5×I4至VBE进行变化，节点x1的振幅是VBE－R5×I4。另一方面，若没有电平转换器14，则节点x1的振幅是从3VBE至VBE的2VBE，设置了电平转换器14的情况下更能够抑制节点x1的电压振幅。因此，通过设置电平转换器14，能够缩短晶体管Q5的恢复时间。

在跨阻放大器2内的后级侧配置的反转放大器15对由电压转换器12转换后的电压信号，通过将电阻元件R8的电阻值除以电阻元件R7的电阻值而得的增益，进行反转放大。电压转换器12由于对电流信号进行反转而转换成电压信号，因此，通过在反转放大器15进一步进行反转，由此，生成与光电二极管10的电流信号Ipd相同逻辑的电压信号Vpd1。

基准电压生成电路3虽然以与跨阻放大器2相同的电路来构成，但是，基准电压生成电路3内的光电二极管不接受光信号。因此，基准电压生成电路3生成与低电平对应的基准电压信号Vdm1。在基准电压信号Vdm1中包含有共模噪声等环境噪声、因基准电压生成电路3内的各电路元件的特性不均等引起的噪声。

图3是图1以及图2的跨阻电路1内的各部的电压波形图，图4是没有设置图2的旁路电路13的一个比较例的跨阻电路1内的各部的电压波形图。

图3以及图4的波形w1是图2的跨阻放大器2内的晶体管Q2的集电极电压波形，波形w2是从光电二极管10输出的电流信号Ipd的波形，波形w3是从跨阻电路1输出的脉冲信号Vout的波形。

若在跨阻放大器2内没有设置旁路电路13，则图2的晶体管Q2会饱和，即使不从光电二极管10输出电流信号Ipd，晶体管Q2的集电极电压也变成低的电压电平的状态(图4的波形w1)。与此相对，在设置有本实施方式的旁路电路13时，若晶体管Q2的集电极电压变低，则使来自光电二极管10的电流信号Ipd向旁路电路13流动，因此，晶体管Q2变得不饱和。因此，如图3的波形w1所示，与来自光电二极管10的电流信号Ipd同步地，晶体管Q3的集电极电压也发生变化，对电流信号Ipd的追随性变好。另外，从跨阻电路1输出的脉冲信号的波形w3在本实施方式中变陡。波形w3变陡是因为设置有旁路电路13和电平转换器14。在一个比较例中，脉冲信号Vout的波形w3的上升边缘以及下降边缘变得不陡，而且脉冲信号Vout的逻辑也变得不正常。

另外，图3以及图4的波形w4是跨阻放大器2的输出电压Vpd1的波形，波形w5是基准电压生成电路3的输出电压Vdm1的波形，波形w6是在峰值保持电路5生成的中间电压Vdiv的波形，波形w7是被峰值保持电路5保持的电压Varc的波形。本实施方式的波形w4～w7全部是与从光电二极管10输出的电流信号Ipd的电流值的变化同步而电压电平发生变化，波形失真小。另一方面，一个比较例的波形w4～w7没有正确地与电流信号Ipd的电流值的变化同步，波形失真也大。

在图2的跨阻放大器2中，将初级晶体管11设为集电极接地型，但还可以设为发射极接地型。图5是表示发射极接地型的初级晶体管11的电路构成的一个例子的电路图。图5的初级晶体管11是npn晶体管Q1之一。晶体管Q1的发射极接地，集电极经由被进行了二极管连接的npn晶体管Q4而与电流源4连接。

图5的旁路电路13具有正向电压Vf小于0.6V(例如0.3V左右)的二极管20。图5的二极管20是利用了通过金属与半导体的接合而产生的肖特基势垒的肖特基势垒二极管20。肖特基势垒二极管20具有正向电压降小且切换速度快的特征。在图5的旁路电路13中，能够省略在图2中必要的电阻元件R3。

图5的二极管20的阳极与晶体管的栅极以及光电二极管10的阳极连接，二极管20的阴极与晶体管Q1的集电极连接。

在上述的图2、图5中，示出了作为跨阻放大器2内的晶体管使用双极晶体管的例子，但还可以使用MOS晶体管。

图6以及图7是表示作为初级晶体管11使用MOS晶体管的例子的电路图，图6是表示漏极接地型的一个例子的电路图，图7是表示源极接地型的一个例子的电路图。

在图6以及图7中，使用NMOS晶体管作为跨阻放大器2内的各晶体管。在下面，将各NMOS晶体管单纯地称为晶体管。图6的初级晶体管11具有被进行了达林顿连接的晶体管Q21、Q22。晶体管Q21与图2的晶体管Q1对应，晶体管Q22与图2的晶体管Q2对应。

图6以及图7的旁路电路13仅由被进行了二极管连接的晶体管Q23构成，省略了图2中的电流限制用的电阻元件R3。这是因为，在MOS晶体管中流动的电流能够通过栅极宽W与栅极长L的比来任意地调整，因此，即使没有设置电阻元件，也能够进行电流限制。

另外，旁路电路13内的晶体管Q23与初级晶体管11相比，将阈值电压设得更低。由此，通过旁路电路13，变得容易流动更多电流。

如上所示，在本实施方式中，由于设置有使向跨阻放大器2内的初级晶体管11的基极、栅极流动的来自受光元件的电流信号Ipd旁通的旁路电路13，因此，初级晶体管11变得不会饱和，能够抑制从跨阻电路1输出的脉冲信号的失真。

另外，除旁路电路13以外，在初级晶体管11的输出侧还设置电平转换器14，从而，能够缩短初级晶体管11截止时的恢复时间，能够使后级侧的反转放大器15的动作高速化，能够使脉冲信号更陡。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，并且也包括在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims

1.一种跨阻电路，其中，具备：

跨阻放大器，将电流信号转换成电压信号；

基准电压输出电路，生成基准电压信号；

比较器，根据上述电压信号与上述基准电压信号的电压电平，生成与上述电流信号对应的脉冲信号，

上述跨阻放大器具有：

第一晶体管，将上述电流信号放大；

电压转换器，对由上述第一晶体管放大后的电流信号进行电压转换；

旁路电路，在上述第一晶体管的控制端子中流动的上述电流信号超过规定值时，使上述电流信号旁通。

2.根据权利要求1记载的跨阻电路，其中，

上述旁路电路具有被进行了二极管连接的第二晶体管。

3.根据权利要求2记载的跨阻电路，其中，

上述旁路电路具有与上述被进行了二极管连接的第二晶体管串联连接的电阻元件。

4.根据权利要求3记载的跨阻电路，其中，

上述第一晶体管及上述被进行了二极管连接的晶体管是双极晶体管。

5.根据权利要求2或3记载的跨阻电路，其中，

上述第一晶体管及上述被进行了二极管连接的晶体管是MOS晶体管，

上述被进行了二极管连接的晶体管的阈值电压比上述第一晶体管的阈值电压低。

6.根据权利要求1记载的跨阻电路，其中，

上述旁路电路具有正向电压小于0.6V的二极管。

7.根据权利要求1～4、6中任意一项记载的跨阻电路，其中，

具备输出与接受到的光信号对应的电流信号的受光元件，

上述旁路电路连接于上述受光元件的阳极与上述第一晶体管的控制端子之间。