CN1777023A - 光接收放大电路 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的光接收放大电路，包括：光接收元件(101)；放大电路，其对由光接收元件产生的光电流进行放大，并从用于外部输出的放大级(117)和用于反馈的多个放大级(109和113)进行输出；工作电流源(111、115和118)，设置在每个放大级中，向相应放大级提供工作电流；增益选择开关(110和114)，设置在各个用于反馈的多个放大级中，其中断相应放大级和工作电流源之间的工作电流；以及增益电阻(119和120)，设置在各个用于反馈的多个放大级中，并连接在相应增益选择开关的工作电流源侧和放大电路的输入端之间。

Description

光接收放大电路

技术领域

本发明涉及一种主要用于光盘拾取的光接收放大电路。

背景技术

近年来，能够再现和记录信息的光盘器件已经得到了广泛应用。

在这种光盘器件中，进行记录时和进行再现时激光的光功率不同。因此，当将光信号转换为电信号并进一步放大该电信号时，在光盘的信号读出中使用的光接收放大电路必须切换运算放大器的增益电阻，并将输出电压保持在放大电路的输出动态范围内。

例如，日本专利No.3142214公开了具有增益切换功能的光接收放大电路的一个例子。这个光接收放大电路如图1所示。在这个例子中，运算放大器中的增益电阻由PNP晶体管807进行切换，该运算放大器将与共阳极相连的光接收元件801的输出进行放大。

光接收元件801的输出端与运算放大器电路的输入端相连，该运算放大器电路由NPN晶体管803和804，以及两个增益电阻805和806组成。增益电阻806与运算放大器的输出端直接相连，另一个增益电阻805与PNP晶体管807的集电极相连。PNP晶体管807的发射极与运算放大器电路的输出端相连。

PNP晶体管807的基极与恒流源810相连，PNP晶体管807的导通/关断由开关811控制。

在上述电路结构中，由于在激光的光功率低的再现期间控制PNP晶体管807使其关断，所以运算放大器电路的增益只由增益电阻806设定。

另一方面，在激光的光功率高的记录期间PNP晶体管807导通，运算放大器的增益由增益电阻805和增益电阻806的并联来设定。

这种方式中，在输入到运算放大器的光电流较低的再现期间，运算放大器以高增益值操作，而在输入到运算放大器的光电流较高的记录期间，运算放大器以低增益值操作。因此，有可能稳定地操作，其中即使激光功率剧烈变化运算放大器的输出也不会饱和。

但是，在上述常规结构中，在PNP晶体管807导通的情况下，会出现这样的情况，除了增益电阻805两端产生的电压之外，还有PNP晶体管的饱和集电极-发射极电压Vce(sat)进入运算放大器的输入端和输出端之间。因此，产生这样的问题，运算放大器的增益与设计值不同，并且不能获得期望的运行特性。

发明内容

因此，考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种光接收放大电路，该光接收放大电路具有增益切换功能，并且还可以容易地设计具有期望增益的电路。

为了解决上述问题，本发明的光接收放大电路包括：光接收元件；放大电路，其具有用于外部输出的放大级和用于反馈的多个放大级，并且对由所述光接收元件产生的光电流进行放大；多个增益选择开关，每个增益选择开关设置在各个用于反馈的多个放大级中，并且每个增益选择开关通过中断工作电流使相应的放大级不工作；以及多个增益电阻，每个增益电阻连接在各个用于反馈的多个放大级和所述放大电路的输入端之间。

另外，该光接收放大电路还可以包括多个工作电流源，每个工作电流源设置在用于外部输出的放大级和用于反馈的多个放大级的每一个放大级中，并且每个工作电流源向相应的放大级提供工作电流，其中，该多个增益选择开关中的每一个用于通过中断来自工作电流源的工作电流使相应的级不工作，并且该多个增益电阻中的每一个可以连接在相应增益选择开关的工作电流源侧和所述放大电路的输入端之间。

另外，每个增益选择开关可以包括：选择器开关元件，其连接在相应放大级和工作电流源之间；控制电流源，其通过提供恒定控制电流使选择器开关元件导通；以及控制开关，其通过中断所述控制电流使所述选择器开关元件断开。

另外，光接收放大电路还可以包括补偿开关元件，其与选择器开关元件具有相同的大小和相同的特性，连接在用于外部输出的放大级和工作电流源之间，并且持续导通。

另外，所述放大电路可以输出电压，该电压是参考电压与基于光电流的差分电压之和，并且光接收放大电路还可以包括：补偿开关元件，其与选择器开关元件具有相同的大小和相同的特性，并且持续导通；以及电平移动电路，用于使参考电压以补偿开关元件中产生的电压量进行电平移动。

另外，增益电阻可以串联连接，形成串联电路，该串联电路的一端与所述放大电路的输入端相连，并且该增益电阻之间的连接点和该串联电路的另一端连接到一个所述增益选择开关。

另外，所述放大电路的输入放大级可以是差分放大电路，设置在该输入放大级一侧的放大元件与光接收元件相连，并且参考电压施加在设置在另一侧的放大元件上，并且所述光接收放大电路还可以包括：用于补偿量检测的放大元件，其与输入放大级的放大元件具有相同的大小和相同的特性，并且串联连接到与所述光接收元件相连的放大元件上；以及电流镜电路，用于将电流注入到与所述光接收元件相连的放大元件的输入端，该电流与用于补偿量检测的所述放大元件的输入电流相等。

另外，所述放大电路的输入放大级可以是差分放大电路，设置在该输入放大级一侧的放大元件与光接收元件相连，并且参考电压施加在设置在另一侧的放大元件上，并且所述光接收放大电路还可以包括：用于补偿量检测的放大元件，其与输入放大级的放大元件具有相同的大小和相同的特性，并且串联连接到被施加参考电压的放大元件上；以及电流镜电路，用于将电流注入到与所述光接收元件相连的放大元件的输入端，该电流与用于补偿量检测的所述放大元件的输入电流相等。

根据本发明，通过向运算放大器电路的放大级插入增益选择开关，运算放大电路的增益只由增益电阻值和流入增益电阻的电流决定，而不受增益选择开关中产生的电压的影响。因此，极大地改进了用于获得期望特性的电路设计的效率。另外，通过设置补偿开关，可以容易地减小输出中产生的偏移(offset)。作为关于本申请技术背景的另外的信息，2004年11月18日提交的日本专利申请No.2004-334146，包括说明书、附图和权利要求，在这里将其全部引入作为参考。

附图说明

根据下文中结合附图的描述，本发明的这些和其他目的、优点和特征将变得更加清楚，所述附图示出了本发明的具体实施例。其中：

图1是常规技术中使用PNP晶体管的光接收放大电路的电路图；

图2是本发明第一实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图3是本发明第二实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图4是本发明第三实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图5是本发明第四实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图6是本发明第五实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图7是本发明第六实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图；

图8是本发明第七实施例中的光接收放大电路的一个例子的电路图。

具体实施方式

下文中参考附图来描述本发明的实施例。

(第一实施例)

图2是本发明第一实施例中的光接收放大电路的电路图。

首先，如图2所示，在由NPN晶体管104和105、PNP晶体管102、103和107，以及恒流源106和108构成的差分放大电路中，光接收元件101的阴极连接到NPN晶体管104的基极，还连接到增益电阻119和120的一端。另外，参考电压Vref施加到NPN晶体管105的基极。

增益电阻119和120的另一端分别经由增益选择开关110和114连接到NPN晶体管109和113的发射极，并且NPN晶体管109和113各自的基极连接到PNP晶体管107的集电极。

NPN晶体管109和113各自的发射极分别经由开关110和114连接到恒流源111和115的一端，并且开关112和116分别连接到恒流源111和115的另一端。通过开关112和116接通/断开恒流源111和115。

另外，PNP晶体管107的集电极连接到NPN晶体管117的基极，并且NPN晶体管117的发射极连接到恒流源118。

在这个电路中，运算放大器电路由差分放大电路、NPN晶体管109、113和117、开关110、112、114和116，以及恒流源111、115和118构成。这个运算放大器电路是权利要求中所述的放大电路的一个例子。NPN晶体管117是这个运算放大器中的外部输出中所使用的放大级，并且NPN晶体管109和113是这个运算放大器中的反馈中所使用的放大级。另外，恒流源111、115和118是工作电流源的例子，并且开关110和114是增益选择开关的例子。

在这个电路中，NPN晶体管117的发射极的电位是这个运算放大器电路的输出Vout。

本电路的操作如下所述。

在开关110和112接通而开关114和116断开的情况下，反馈中所使用的包括NPN晶体管109的级进行操作，并且增益电阻119被选择作为运算放大器电路的增益电阻。在开关110和112断开而开关114和116接通的情况下，反馈中所使用的包括NPN晶体管113的级进行操作，并且增益电阻120被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

当增益电阻119或120被选择时，由光接收元件101产生的光电流流过所选择的增益电阻，并且在每个增益电阻的两端产生的电压施加到运算放大器电路的输入端，并且反映在运算放大器的输出端。

根据第一实施例，与常规技术不同，没有紧跟着增益电阻串联设置切换晶体管。而是，利用在运算放大器电路的反馈中所使用的放大级中设置的开关来执行增益切换。因此，由于用于开关选择的晶体管的饱和电压Vce(sat)未加到运算放大器电路的输入中，所以开关等对运算放大器特性的影响能够极大地降低，并且可以容易地进行增益电阻的设计。

另外，当通过切换增益电阻来调整光接收信号的动态范围时，可以抑制从该范围的设置值偏离，从而可以设计出具有良好特性的光接收放大电路。

(第二实施例)

图3是本发明第二实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图3所示，本实施例具有这样的结构：使用NPN晶体管210和214代替第一实施例中的开关110和114，并且恒流源221和223以及开关222和224分别连接到NPN晶体管210和214相应的基极。

这里，NPN晶体管210和214是权利要求中所述的选择器开关元件的例子；恒流源221和223是控制电流源的例子；并且开关222和224是控制开关的例子。

在开关112和222接通而开关116和224断开的情况下，NPN晶体管210导通，并且增益电阻119被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

在开关112和222断开而开关116和224接通的情况下，NPN晶体管214接通，并且增益电阻120被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

当增益电阻119或120被选定时，由光接收元件101产生的光电流流经所选择的增益电阻，并且在每个增益电阻的两端产生的电压施加到运算放大器电路的输入端，并且反映在运算放大器的输出中。

根据第二实施例，与第一实施例相同，没有紧跟着增益电阻串联地设置切换晶体管。而是，利用在运算放大器电路的反馈中所使用的放大级中设置的开关来执行增益切换。因此，由于用于开关选择的晶体管的饱和电压Vce(sat)未加到运算放大器电路的输入中，所以开关等对运算放大器特性的影响能够极大地降低，并且可以容易地进行增益电阻的设计。

特别是在本发明中，使用NPN晶体管作为增益切换开关，设置在反馈中所使用的放大级中，并且由于恒定电流施加到该NPN晶体管的基极，下面几点将非常有利。

即，因为基极电流是恒定的，所以NPN晶体管工作时产生的Vce(sat)也稳定，结果是，反馈中使用的放大级的晶体管109和113的发射极的电位也稳定。因此，由用于增益选择的NPN晶体管产生的对于运算放大器操作的影响可以减小。另外，通过使用NPN晶体管，可以提高作为开关的响应速度，从而可以实现高速的电路操作。另外，因为能够得到比使用同样大小的PNP晶体管大得多的工作电流，所以开关可以做得更小，并且电路面积可以随之减小。

另外，与第一实施例中相同，另外，当通过切换增益电阻来调整光接收信号的动态范围时，可以抑制从该范围的设置值偏离，从而可以设计出具有良好特性的光接收放大电路。

(第三实施例)

图4是本发明第三实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图4所示，本实施例与第二实施例在结构上的不同之处在于：在运算放大器电路的输出端和与该输出端串联的NPN晶体管117之间设置NPN晶体管326，该NPN晶体管326与用在增益选择中的NPN晶体管210和214具有相同的大小和特性；并且恒流源325与NPN晶体管326的基极相连。

这里，NPN晶体管326是权利要求中所述的补偿开关元件的例子，并且由于来自恒流源325的基极电流，NPN晶体管326总是导通的。

在第二实施例中揭示的结构中，当用于增益选择的NPN晶体管210或214导通时产生Vce(sat)电压，运算放大器电路的输出增大，结果是，输出中出现偏移。根据电路的说明，这个偏移电流可以是操作问题，但是根据本实施例中揭示的结构，保持NPN晶体管326持续导通，使得用于增益选择的NPN晶体管210或214中产生的Vce(sat)可以抵消，这样就可以减小运算放大器电路的输出偏移电压。通过这种方式，可以进一步改进光接收放大电路的特性。

另外，不言而喻，本实施例与第一和第二实施例具有相同的效果。

(第四实施例)

图5是本发明第四实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图5所示，本实施例与第二实施例结构的不同之处在于：设置了与NPN晶体管210和214具有相同的大小和特性的NPN晶体管429，并设置了以NPN晶体管429中产生的Vce(sat)电压量对参考电压Vref进行电平移动的电路。

NPN晶体管429的发射极与作为运算放大器电路的一个输入端的NPN晶体管的基极相连。另外，恒流源427与NPN晶体管429的基极相连并且持续导通。

另外，NPN晶体管428的发射极与NPN晶体管429的集电极相连，NPN晶体管428的基极与NPN晶体管432的基极相连，并且NPN晶体管428的集电极与源电压Vcc相连。参考电压Vref施加到NPN晶体管432的发射极，并且恒流源431与NPN晶体管432的与基极直接相连的集电极连接。

由这些NPN晶体管428和432以及恒流源431构成的电路是电平移动电路的例子，并且NPN晶体管429是补偿开关元件的例子。

这里，说明了本实施例中NPN晶体管429的发射极电位和参考电压Vref之间的关系。

参考电压Vref施加到NPN晶体管432的发射极。NPN晶体管432的基极和NPN晶体管428的基极直接相连，并且由于从恒流源431向这两个基极施加恒定电流，所以NPN晶体管428的发射极电位和NPN晶体管432的发射极电位是相同的电位。

因此，NPN晶体管429的发射极电位是电位Vref，比Vref低NPN晶体管429的饱和集电极-发射极电压Vce(sat)的电压量。

因此，根据本实施例，施加到运算放大器电路的有效参考电压是电位Vref，其比参考电压Vref的电位低NPN晶体管429的Vce(sat)电压量。因此，通过使参考电位下降Vce(sat)，可以消除用于增益选择的NPN晶体管210或214导通时产生的Vce(sat)电压所引起的输出电位的提高和偏移的产生，并且可以降低运算放大器电路的输出偏移电压。

另外，在将相应的运算放大器电路设置在多个光接收元件中的情况下，通过设置从参考电压本身消除Vce(sat)电压的电路，一个消除电路可以同时响应所有运算放大器电路。因此，晶体管元件的总数可以减少，从而可以实现电路的小型化。

注意，不言而喻，本实施例也可获得第一和第二实施例中的结构所达到的相同效果。

(第五实施例)

图6是本发明第五实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图6所示，本实施例与第二实施例结构的不同之处在于：增益电阻534与增益电阻120串联；并且用于增益选择的NPN晶体管538以与增益电阻119和120相同的方式与增益电阻534串联。

在本实施例中，增益电阻是通过下面的操作选择的。

在开关112和222接通而开关116、224、537和540断开的情况下，NPN晶体管210导通并且增益电阻119被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

在开关116和224接通而开关112、222、537和540断开的情况下，NPN晶体管214导通并且增益电阻120被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

在开关537和540接通而开关112、222、116和224断开的情况下，NPN晶体管538导通并且增益电阻120和增益电阻534之和被选择作为运算放大器电路的增益电阻。

当增益电阻119、增益电阻120，或由增益电阻120与增益电阻534之和决定的增益电阻被选定时，由光接收元件101产生的光电流流经所选择的增益电阻，每个增益电阻的两端所产生的电压施加到运算放大器电路的输入端，并且反映在运算放大器的输出中。

根据本实施例，增益电阻被配置成串联结构，并且以该结构执行增益切换，当该结构被设置成将每个增益电阻值加在一起并且总数是最大增益电阻值时，可以将每个增益电阻值都设计的很小，从而减小整个电阻区域。

注意，不言而喻，本实施例也可获得第一和第二实施例中的结构所达到的相同效果。

(第六实施例)

图7是本发明第六实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图7所示，本实施例与第三实施例结构的不同之处在于：与NPN晶体管104具有相同的特性和大小的NPN晶体管641连接在PNP晶体管102和NPN晶体管104之间；以及由PNP晶体管642和643构成的电流镜电路连接在NPN晶体管641的基极和光接收元件101的阴极之间。

这里，NPN晶体管641是权利要求中所述的补偿量检测放大元件的例子。

差分放大电路的NPN晶体管104和105在初始状态下(没有输入信号的状态)处于平衡状态，并且每个基极电流相等。NPN晶体管104的集电极电流是NPN晶体管641的发射极电流，并且NPN晶体管641的基极电流与NPN晶体管104的基极电流基本上相等。电流镜电路的PNP晶体管642向NPN晶体管104的基极注入与NPN晶体管641的基极电流相等的电流。

在没有NPN晶体管641并且没有电流镜电路的情况下，初始状态下NPN晶体管104的基极电流流过增益电阻119或120，并且由此产生电压降，并产生偏移电压。

另一方面，根据本实施例，与NPN晶体管104的基极电流相等的电流从NPN晶体管641流向NPN晶体管104的基极。因此，上述增益电阻中的电压降被抵消，从而可以减小运算放大器电路中的偏移电压。

注意，不言而喻，本实施例也可获得第一到第三实施例中的结构所达到的相同效果。

(第七实施例)

图8是本发明第七实施例中的光接收放大电路的电路图。

如图8所示，本实施例与第三实施例结构的不同之处在于：与NPN晶体管105具有相同的特性和大小的NPN晶体管744连接在PNP晶体管103和NPN晶体管105之间；并且由PNP晶体管742和743构成的电流镜电路连接在NPN晶体管744的基极和光接收元件101的阴极之间。

这里，NPN晶体管744是权利要求中所述的补偿量检测中使用的放大元件的例子。

差分放大电路的NPN晶体管104和105在初始状态下(没有输入信号的状态)处于平衡状态，并且每个基极电流相等。NPN晶体管105的集电极电流是NPN晶体管744的发射极电流，并且NPN晶体管744的基极电流与NPN晶体管104的基极电流基本上相等。电流镜电路的PNP晶体管742向NPN晶体管104的基极注入与NPN晶体管744的基极电流相等的电流。

在没有NPN晶体管744并且没有电流镜电路的情况下，初始状态下NPN晶体管104的基极电流流过增益电阻119或120，由此产生电压降，并产生偏移电压。

但是，根据本实施例，与NPN晶体管104的基极电流相等的电流从NPN晶体管744流向NPN晶体管104的基极。因此，上述增益电阻中的电压降被抵消，从而可以减小运算放大器电路中的偏移电压。

另外，根据本实施例，与差分放大电路的参考侧的NPN晶体管105的基极电流相等的电流注入输入侧的NPN晶体管104的基极。因此，施加了负反馈，并且可以防止差分放大电路的饱和，从而可以设计出具有更加优良特性的光接收放大电路。

注意，不言而喻，本实施例也可获得第一、第二和第三实施例中的结构所达到的相同效果。

(结束语)

如以上实施例所述，根据本发明的光接收放大电路，通过使用具有用于外部输出的放大级和用于反馈的多个放大级的运算放大器电路，以及通过插入使该用于反馈的放大级不工作的增益选择开关，运算放大器电路的增益由增益电阻值和流过该增益电阻的电流决定，而不受增益选择开关中产生的电压的影响。因此，极大地改进了用于获得期望特性的电路设计的效率。另外，可以通过设置补偿开关可以容易地降低输出中产生的偏移。

尽管上面只详细描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员可以理解，在本质不上脱离本发明的新颖性和优点的情况下可以对这些示例性实施例进行许多修改。因此，意味着所有这样的修改都包含在本发明的范围内。

工业可应用性

根据本发明的光接收放大电路尤其适用于光拾取器件中，其特点是根据输入信号的电平来切换增益的功能。

Claims (8)

1、一种光接收放大电路，包括：

光接收元件；

放大电路，具有用于外部输出的放大级和用于反馈的多个放大级，该放大电路用于放大由所述光接收元件产生的光电流；

多个增益选择开关，每个所述增益选择开关设置在各个所述用于反馈的多个放大级中，并且每个所述增益选择开关用于通过中断工作电流使相应的放大级不工作；以及

多个增益电阻，每个所述增益电阻连接在各个所述用于反馈的多个放大级和所述放大电路的输入端之间。

2、根据权利要求1所述的光接收放大电路，还包括：

多个工作电流源，每个所述工作电流源设置在所述用于外部输出的放大级和所述用于反馈的多个放大级的每一个放大级中，并且每个所述工作电流源用于向相应的放大级提供工作电流，

其中，所述多个增益选择开关中的每一个增益选择开关用于通过中断来自所述工作电流源的所述工作电流使相应级不工作，以及

所述多个增益电阻中的每一个增益电阻连接在相应的增益选择开关的工作电流源侧和所述放大电路的输入端之间。

3、根据权利要求2所述的光接收放大电路，

其中每个所述增益选择开关包括：

选择器开关元件，连接在所述相应的放大级和所述工作电流源之间；

控制电流源，用于通过提供恒定控制电流使所述选择器开关元件导通，以及

控制开关，用于通过中断所述控制电流使所述选择器开关元件断开。

4、根据权利要求3所述的光接收放大电路，还包括：

补偿开关元件，其与所述选择器开关元件具有相同的大小和相同的特性，该补偿开关元件连接在所述用于外部输出的放大级和工作电流源之间，并且持续导通。

5、根据权利要求3所述的光接收放大电路，

其中，所述放大电路用于输出一个电压，该电压是参考电压与基于所述光电流的差分电压之间的和，以及

所述光接收放大电路还包括：

补偿开关元件，其与所述选择器开关元件具有相同的大小和相同的特性，并且持续导通；以及

电平移动电路，用于使所述参考电压以在所述补偿开关元件中产生的电压量进行电平移动。

6、根据权利要求1所述的光接收放大电路，

其中，所述增益电阻串联连接，形成串联电路，该串联电路的一端与所述放大电路的输入端相连，并且，(a)所述增益电阻之间的连接点和(b)该串联电路的另一端都与一个所述增益选择开关相连。

7、根据权利要求1所述的光接收放大电路，

其中，所述放大电路的输入放大级是差分放大电路，并且所述光接收元件与设置在所述输入放大级一侧的放大元件相连，并且参考电压施加到设置在另一侧的放大元件上，以及

所述光接收放大电路还包括：

用于补偿量检测的放大元件，其与所述输入放大级的放大元件具有相同的大小和相同的特性，并且串联连接到与所述光接收元件相连的放大元件上；以及

电流镜电路，用于将电流注入到与所述光接收元件相连的放大元件的输入端，该电流与所述用于补偿量检测的放大元件的输入电流相等。

8、根据权利要求1所述的光接收放大电路，

其中，所述放大电路的输入放大级是差分放大电路，并且所述光接收元件与设置在所述输入放大级一侧的放大元件相连，并且参考电压施加到设置在另一侧的放大元件上，以及

所述光接收放大电路还包括：

用于补偿量检测的放大元件，其与所述输入放大级的放大元件具有相同的大小和相同的特性，并且与被施加所述参考电压的放大元件串联连接；以及

电流镜电路，用于将电流注入到与所述光接收元件相连的放大元件的输入端，该电流与所述用于补偿量检测的放大元件的输入电流相等。

Images