JP2002076793A - トランスインピーダンスアンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速伝送用トランスインピーダンスアンプに
おいて、後段回路と直流結合することができ、また、ト
ランスインピーダンスアンプの外部から、参照電圧を与
える必要がないトランスインピーダンスアンプを提供す
ることを目的とするものである。 【解決手段】 電流信号を入力し電圧信号に変換する第
１のインピーダンス変換増幅回路と、信号入力端子と参
照電位端子とを有する出力バッファ回路とによって構成
されているトランスインピーダンスアンプにおいて、第
１のインピーダンス変換増幅回路とは別に、第２のイン
ピーダンス変換増幅回路を設け、上記出力バッファ回路
に供給する基準電圧を、上記第２のインピーダンス変換
増幅回路で生成するトランスインピーダンスアンプであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光受信回路が光電
変換した電流信号を受信し、電圧信号に変換増幅するト
ランジスタインピーダンスアンプに関するものであり、
特に、差動出力信号の直流レベル差が小さいトランスイ
ンピーダンスアンプに関するものである。

【０００２】具体的には、高速データ伝送を可能とする
光伝送システム、光インターコネクション等の光伝送回
路において、光信号を電気信号に変換する光受信器とし
て適用されるものである。

【０００３】

【従来の技術】光受信器におけるトランスインピーダン
スアンプ（プリアンプ）は、受光素子が光信号を変換し
た電流信号を受信し、この受信した電流信号をインピー
ダンス変換して電圧信号を出力するものである。

【０００４】図６は、従来のトランスインピーダンスア
ンプＴＡ１１の基本構成とその動作原理とを示す図であ
る。

【０００５】従来のトランスインピーダンスアンプＴＡ
１１は、受光素子７と、帰還抵抗８（Ｒｆ）と、増幅回
路９とを有する。

【０００６】従来のトランスインピーダンスアンプＴＡ
１１は、受光素子７が光信号を変換した電流信号Ｉ_inを
受信し、この受信した電流信号Ｉ_inを、インピーダンス
変換利得Ｚ_t（〜Ｒ_f）によって、電圧信号Ｖ_outに変換
し、出力する。

【０００７】図７は、従来のトランスインピーダンスア
ンプＴＡ１２を示す構成図である。

【０００８】従来のトランスインピーダンスアンプＴＡ
１２は、基本的には、従来のトランスインピーダンスア
ンプＴＡ１１と同じであるが、出力バッファ回路２と、
参照電圧源１１とを有する点が、従来のトランスインピ
ーダンスアンプＴＡ１１とは異なる。

【０００９】つまり、トランスインピーダンスアンプを
使用して高速伝送する場合、高周波での信号を効率的に
伝達するために、５０Ω等のインピーダンス整合が行わ
れ、この整合用負荷抵抗を駆動し、信号伝達を行うため
の電圧振幅を得るためには、出力バッファ回路２を必要
とする。また、高周波で安定した動作を得るためには、
上記出力バッファ回路２として、差動構成が用いられ
る。この差動構成を実現するために、参照電圧源１１が
使用されている。

【００１０】つまり、従来のトランスインピーダンスア
ンプＴＡ１２には、バッファ回路２と、電流信号入力端
子５と、電圧信号出力端子６と、帰還抵抗８と、増幅回
路９とが設けられている。電流信号入力端子５には、受
光素子７の出力端子が接続されている。

【００１１】インピーダンス変換増幅回路９の出力信号
を、差動バッファ回路２の入力端子に入力する。一方、
出力バッファ回路２には、上記インピーダンス変換増幅
回路９の出力信号の他に、差動動作を得るための参照電
圧Ｖ_refを、トランスインピーダンスアンプＴＡ１２の
外部から、別途与える必要がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
トランスインピーダンスアンプＴＡ１２では、差動信号
を得るために差動回路２の２つの入力端子のうちの一方
の入力端子に信号を入力し、他方の入力端子に参照電圧
Ｖ_refを入力する必要があり、信号入力の直流レベル
と、参照電圧Ｖ_refとの間に差分があると、誤差電圧Δ
Ｖになり、バッファ回路２の線形動作範囲からはずれ、
波形歪を引き起こすという問題がある。

【００１３】さらに、この参照電圧Ｖ_refの誤差電圧Δ
Ｖは、２つの差動出力の直流レベルの差分となって現れ
るので、トランスインピーダンスアンプＴＡ１２の後段
回路において直流結合で接続する場合、信号オフセット
電圧になり、後段増幅回路（ポストアンプ等）で波形歪
を引き起こす要因になるという問題がある。

【００１４】図８は、上記従来例において、差動出力バ
ッファ回路２における入出力信号と参照電圧誤差との関
係を示す図である。

【００１５】出力バッファ回路２に入力信号Ｖ₀が入力
されると、バッファ回路２から、正転出力信号Ｖ
_outpと、反転出力信号Ｖ_outnとが出力される。また、出
力バッファ回路２が入力する誤差電圧をΔＶとし、出力
バッファ回路２の電圧利得をＧとすると、出力バッファ
回路２が出力する誤差電圧は、ΔＶ×Ｇになる。

【００１６】ここで、出力バッファ回路２が、受信感度
近辺の微小信号を受信する場合、誤差電圧ΔＶも増幅さ
れるので、高精度な参照電圧Ｖ_refが与えられないと、
出力誤差電圧に対する出力電圧の比が大きくなる。

【００１７】さらに、出力バッファ回路２が差動出力で
あるので、正転出力信号Ｖ_outpと、反転出力信号Ｖ_outn
との直流レベル差は倍になり、ΔＶ×Ｇ×２まで誤差が
広がる。

【００１８】上記従来回路において、上記参照電圧Ｖ
_refを外部から与える場合には、電圧印加用の外付け回
路を必要とし、さらに微調整を必要とするという問題が
ある。特に、微小信号を受信する場合は、この調整電圧
について高精度な電圧調整が要求されるという問題があ
る。

【００１９】さらに、バッファ回路２は、出力負荷を駆
動するために、内部回路に比べて大きな電流Ｉを流す必
要がある。

【００２０】図９は、上記従来例における出力バッファ
回路２の詳細な回路構成を示す図である。

【００２１】出力バッファ回路２には、トランジスタの
寄生容量１５が存在し、出力負荷抵抗１６が接続されて
いる。出力負荷抵抗１６の値をＲ_L、差動増幅回路の内
部負荷抵抗の値をＲ_L0、トランジスタに流れる電流をＩ
とすると、出力電圧の振幅Ｖ _outは Ｖ_out＝[１／（１／Ｒ_L0＋１／Ｒ_L）]×Ｉ …… 式（１） である。

【００２２】したがって、出力電圧の振幅Ｖ_outを大き
くしようとすると、トランジスタＴｒに流す電流Ｉを大
きくする必要がある。トランジスタＴｒに流す電流を大
きくするためには、サイズの大きなトランジスタＴｒを
使う必要があるので、トランジスタＴｒの入力容量Ｃ_in
が大きくなる。

【００２３】このトランジスタＴｒの入力容量Ｃ_inと、
インピーダンス変換増幅回路の出力インピーダンス、出
力バッファ回路２の入力インピーダンスとによる時定数
とによって、帯域が制限されるという問題がある。

【００２４】つまり、上記従来例は、差動インタフェー
スにおける差動出力信号の直流レベル差が大きいので、
後段回路と直流結合することができないという問題があ
り、また、参照電圧を外部から与える必要があり、さら
に、高速伝送用トランスインピーダンスアンプにおい
て、帯域が制限されるので高速動作を得ることができな
いという問題がある。

【００２５】本発明は、高速伝送用トランスインピーダ
ンスアンプにおいて、後段回路と直流結合することがで
き、また、トランスインピーダンスアンプの外部から、
参照電圧を与える必要がないトランスインピーダンスア
ンプを提供することを目的とするものである。

【００２６】また、本発明は、波形劣化が改善され、高
速動作を得ることができるトランスインピーダンスアン
プを提供することを目的とするものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電流信号を入
力し電圧信号に変換する第１のインピーダンス変換増幅
回路と、信号入力端子と参照電位端子とを有する出力バ
ッファ回路とによって構成されているトランスインピー
ダンスアンプにおいて、第１のインピーダンス変換増幅
回路とは別に、第２のインピーダンス変換増幅回路を設
け、上記出力バッファ回路に供給する基準電圧を、上記
第２のインピーダンス変換増幅回路で生成するトランス
インピーダンスアンプである。

【００２８】

【発明の実施の形態および実施例】図１は、本発明の一
実施例であるトランスインピーダンスアンプＴＡ１を示
す回路図である。

【００２９】トランスインピーダンスアンプＴＡ１は、
第１のインピーダンス変換増幅回路（プリアンプ）１
と、出力バッファ回路２と、第１のインピーダンス変換
増幅回路１と同一構成の第２のインピーダンス変換増幅
回路（レプリカプリアンプ）３とを有し、受光素子７に
接続されている。

【００３０】第１のインピーダンス変換増幅回路１の出
力端子が、出力バッファ回路２の信号入力端子に接続さ
れ、第２のインピーダンス変換増幅回路３の出力端子
が、出力バッファ回路２の参照電圧端子に接続されてい
る。

【００３１】次に、トランスインピーダンスアンプＴＡ
１の動作について説明する。

【００３２】図２は、トランスインピーダンスアンプＴ
Ａ１の動作説明図である。

【００３３】図２（１）には、出力バッファ回路２の入
力信号Ｖ₀と、参照電圧Ｖ_refとを示してある。図２
（２）には、出力バッファ回路２の正転出力信号Ｖ_outp
と、出力バッファ回路２の反転出力信号Ｖ_outnと、誤差
電圧ΔＶ×Ｇ×２とを示してある。なお、ΔＶは、出力
バッファ回路２が入力する誤差電圧であり、Ｇは、出力
バッファ回路２の電圧利得である。

【００３４】ここで、トランスインピーダンスアンプＴ
Ａ１において、第１のインピーダンス変換増幅回路１と
第２のインピーダンス変換増幅回路３とが、互いにほぼ
同一構成であるので、第１のインピーダンス変換増幅回
路１の出力信号Ｖ₀の「０」レベルと、第２のインピー
ダンス変換増幅回路３の出力電圧Ｖ_refとは、ほぼ一致
した電圧値である。したがって、誤差電圧ΔＶが極めて
小さく、出力バッファ回路２の正転信号出力Ｖ_outp、反
転信号出力Ｖ_outnのオフセット電圧は、バッファの利得
で増幅されても、その差分（ΔＶ×Ｇ×２）は小さな値
である。

【００３５】トランスインピーダンスアンプＴＡ１によ
れば、上記のように、オフセット電圧を小さくすること
ができるので、後段回路との間で、直流結合が可能にな
り、結合容量を必要としないので、トランスインピーダ
ンスアンプＴＡ１とその後段回路とを含めた回路が小型
である。また、第２のインピーダンス変換増幅回路３が
参照電圧Ｖ_refを発生するので、トランスインピーダン
スアンプＴＡ１の外部から、参照電圧Ｖ_refを与える必
要がない。

【００３６】図３は、本発明の他の実施例であるトラン
スインピーダンスアンプＴＡ２の構成を示す図である。

【００３７】トランスインピーダンスアンプＴＡ２は、
第１のインピーダンス変換増幅回路（プリアンプ）１
と、出力バッファ回路２と、インピーダンス変換増幅回
路１と同一構成のインピーダンス変換増幅回路（レプリ
カプリアンプ）３と、中間段バッファ回路４と、電流信
号入力端子５と、電圧信号出力端子６とを有する。

【００３８】中間段バッファ回路４は、出力バッファ回
路２の前段に設けられ、第２のインピーダンス変換増幅
回路３の構成は、第１のインピーダンス変換増幅回路１
と全く同一構成であり、バッファ回路２、４の参照電圧
Ｖ_refは、第２のインピーダンス変換増幅回路３によっ
て生成されている。

【００３９】次に、トランスインピーダンスアンプＴＡ
２の動作について説明する。

【００４０】まず、バッファ回路２、４の参照電圧Ｖ
_refは、第１のインピーダンス変換増幅回路１と全く同
一構成の第２のインピーダンス変換増幅回路３によって
生成されているので、バッファ回路２、４において、そ
の入力信号の直流レベルと参照電圧とを、極めて高い精
度で一致させることができる。したがって、集積回路
（ＬＳＩ）によって回路を構成する場合、２つのインピ
ーダンス変換増幅回路１、３を互いに直近に配置すれ
ば、ほぼ同一の特性を得ることができ、バッファ回路
２、４における入力信号の直流レベルと参照電圧との一
致精度がさらに高い。

【００４１】一方、中間段バッファ回路４が、出力バッ
ファ回路２の前に設けられているので、中間段バッファ
回路４は、出力負荷を駆動する必要がなく、出力バッフ
ァ回路２を構成するトランジスタのサイズよりも、中間
段バッファ回路４を構成するトランジスタのサイズを、
小さくすることができ、したがって、中間段バッファ回
路４と出力バッファ回路２との配線長を短くすることが
できるので、インピーダンス整合の必要がなく、高速に
信号伝達することができる。

【００４２】つまり、高速伝送においては、出力の配線
が長くなると、寄生インダクタンス等の影響によって特
性劣化が生じるので、インピーダンス整合を行う必要が
あり、この整合インピーダンスは、一般に５０Ω程度の
小さな値が用いられ、この負荷抵抗を駆動し信号振幅を
得るためには、出力バッファ回路に大電流を流す必要が
ある。しかし、トランスインピーダンスアンプＴＡ２に
おいては、中間段バッファ回路４と出力バッファ回路２
との配線長を短くすることができるので、インピーダン
ス整合を行う必要がなく、したがって、高速に信号伝達
することができる。

【００４３】また、中間段バッファ回路４のトランジス
タサイズを小さくすることができる分だけ、寄生容量が
減り、中間段バッファ回路４を設けずに出力バッファ回
路２に直接接続した場合（トランスインピーダンスアン
プＴＡ１）よりも、インピーダンス変換増幅回路１の出
力からみた中間段バッファ回路４の入力容量が、小さく
なる。

【００４４】つまり、トランスインピーダンスアンプＴ
Ａ２によれば、差動出力バッファ回路２の参照電圧を高
精度に生成することができる。さらに、インピーダンス
変換増幅回路１からみた出力バッファ回路２の入力容量
を低減することができるので、帯域劣化を改善できる。
したがって、従来問題となっていた波形歪をなくし、高
周波でも動作可能とすることができる。これによって、
高速動作可能な差動インタフェースを有するトランスイ
ンピーダンスアンプを提供することができる。

【００４５】図４は、トランスインピーダンスアンプＴ
Ａ２を具体的に示す回路図である。

【００４６】図４に示すトランスインピーダンスアンプ
ＴＡ２は、第１のインピーダンス変換増幅回路（プリア
ンプ）１と、出力バッファ回路２と、第１のインピーダ
ンス変換増幅回路１と同一構成のインピーダンス変換増
幅回路３と、中間段バッファ回路４とを有し、受光素子
７に接続されている。第１のインピーダンス変換増幅回
路１、３には、それぞれ、帰還抵抗Ｒｆが接続されてい
る。

【００４７】中間段バッファ回路４は、第１のインピー
ダンス変換増幅回路１、第２のインピーダンス変換増幅
回路３と、出力バッファ回路２との間に接続されてい
る。中間段バッファ回路４が設けられているので、第１
のインピーダンス変換回路１の出力負荷は、中間段バッ
ファ回路４の入力インピーダンスである。

【００４８】ところで、出力バッファ回路２の入力イン
ピーダンスの値が比較的大きく、出力バッファ回路２の
入力インピーダンスが、中間段バッファ回路４の負荷で
あるので、中間段バッファ回路４に大電流を流す必要が
なく、中間段バッファ回路４のトランジスタサイズを、
出力バッファ回路サイズ２とは別に設定することができ
る。

【００４９】図５は、トランスインピーダンスアンプＴ
Ａ２における中間段バッファ回路４、出力バッファ回路
２の具体例を示す回路図である。

【００５０】出力バッファ回路２には、出力負荷抵抗１
６が設けられている。

【００５１】トランスインピーダンスアンプＴＡ２の構
成によれば、中間段バッファ回路４のトランジスタサイ
ズを変更することができる。すなわち、図５に示すよう
に、中間段バッファ回路４の入力トランジスタＴｒ１に
流す電流Ｉ₁を、出力バッファ回路２の入力部のトラン
ジスタＴｒ２に流す電流Ｉ₂よりも低減することができ
る。

【００５２】つまり、高速伝送では負荷抵抗として、一
般的に比較的小さな抵抗値５０Ωが用いられるので、イ
ンピーダンス整合を行い、この負荷を駆動し、出力振幅
を得るためには、大電流が必要である。たとえば、負荷
抵抗５０Ωで、インピーダンス整合をとるために、バッ
ファ回路の出力インピーダンスを５０Ωとした場合に１
Ｖの信号振幅を得ようとすると、４０ｍＡ以上の駆動電
流が必要になる。このために、出力バッファ回路２を構
成するトランジスタサイズは、１ｍＡ程度を流している
プリアンプ回路のトランジスタよりも、全体的に大き
く、入力部のトランジスタの寄生容量が、そのサイズに
比例して大きな値になり、帯域劣化の原因になる。

【００５３】ところが、上記トランスインピーダンスア
ンプＴＡ２において、中間段バッファ回路４を設けるこ
とによって、中間段バッファ回路４のトランジスタサイ
ズを小さくすることができるので、中間段バッファ回路
４における寄生容量が減り、トランスインピーダンスア
ンプの帯域改善に有効である。

【００５４】上記実施例によれば、高速伝送用トランス
インピーダンスアンプにおいて、波形劣化を改善し、高
速動作を得ることができ、また、差動出力信号の直流レ
ベル差の小さな差動インタフェースを提供できるので、
後段回路と直流結合することができる。また、参照電圧
を外部から与える必要がなくなる。

【００５５】これによって、光伝送用トランスインピー
ダンスアンプにおいて、波形劣化を排除することがで
き、したがって、信号劣化を低減できる。特に、集積回
路の場合、外部電圧用部品を削減できるため、小型化、
経済化に有効である。さらに、後段回路との直流結合に
よって後段回路との結合容量が不要とすることに加え、
バースト信号のような低周波から帯域の必要な信号伝送
が可能となる。

【００５６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、差動イン
タフェースにおける差動出力信号の直流レベル差が小さ
いので、後段回路と直流結合することができ、また、参
照電圧を外部から与える必要がないという効果を奏す
る。

【００５７】請求項２記載の発明によれば、高速伝送用
トランスインピーダンスアンプにおいて、波形劣化が改
善され、高速動作を得ることができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるトランスインピーダン
スアンプＴＡ１を示す回路図である。

【図２】トランスインピーダンスアンプＴＡ１の動作説
明図である。

【図３】本発明の他の実施例であるトランスインピーダ
ンスアンプＴＡ２の構成を示す図である。

【図４】トランスインピーダンスアンプＴＡ２を具体的
に示す回路図である。

【図５】トランスインピーダンスアンプＴＡ２における
中間段バッファ回路４、出力バッファ回路２の具体例を
示す回路図である。

【図６】従来のトランスインピーダンスアンプＴＡ１１
の基本構成とその動作原理とを示す図である。

【図７】従来のトランスインピーダンスアンプＴＡ１２
を示す構成図である。

【図８】上記従来例において、差動出力バッファ回路２
における入出力信号と参照電圧誤差との関係を示す図で
ある。

【図９】上記従来例における出力バッファ回路２の詳細
な回路構成を示す図である。

【符号の説明】

ＴＡ１、ＴＡ２…トランスインピーダンスアンプ、 １…第１のインピーダンス変換増幅回路、 ２…出力バッファ回路、 ３…インピーダンス変換増幅回路１と同一構成を有する
第２のインピーダンス変換増幅回路、 ４…中間段バッファ回路、 ５…電流信号入力端子、 ６…電圧信号出力端子、 ７…受光素子、 ８…帰還抵抗、 ９…増幅回路、 １５…トランジスタの寄生容量、 １６…出力負荷抵抗、 Ｖ₀…出力バッファ回路２の入力信号、 Ｖ_ref…参照電圧、 Ｖ_outp…出力バッファ回路２の正転出力信号、 Ｖ_outn…出力バッファ回路２の反転出力信号。

フロントページの続き (72)発明者 石原 昇 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 廣瀬 正樹 東京都渋谷区道玄坂一丁目12番１号 エヌ ティティエレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 野口 健吾 東京都渋谷区道玄坂一丁目12番１号 エヌ ティティエレクトロニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 5J066 AA01 AA12 AA45 AA56 CA21 CA62 CA65 FA20 HA02 HA25 HA29 HA44 KA03 KA05 KA11 MA11 ND01 ND11 ND22 ND23 PD02 SA13 TA01 TA02 TA06 5J090 AA01 AA12 AA45 AA56 CA21 CA62 CA65 FA20 GN01 HA02 HA25 HA29 HA44 KA03 KA05 KA11 MA11 SA13 5J091 AA01 AA12 AA45 AA56 CA21 CA62 CA65 FA20 HA02 HA25 HA29 HA44 KA03 KA05 KA11 MA11 SA13 5J092 AA01 AA12 AA45 AA56 CA21 CA62 CA65 FA20 HA02 HA25 HA29 HA44 KA03 KA05 KA11 MA11 SA13 UL01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電流信号を入力し電圧信号に変換する第
   １のインピーダンス変換増幅回路と；上記第１のインピ
   ーダンス変換増幅回路の信号出力端子に、入力端子が接
   続されている出力バッファ回路と；上記第１のインピー
   ダンス変換増幅回路と同一構成を具備し、上記出力バッ
   ファ回路の参照電位端子に、出力端子が接続されている
   第２のインピーダンス変換増幅回路と；を有することを
   特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
2. 【請求項２】 電流信号を入力し電圧信号に変換する第
   １のインピーダンス変換増幅回路と；上記第１のインピ
   ーダンス変換増幅回路の信号出力端子に、入力端子が接
   続されている中間段バッファ回路と；上記第１のインピ
   ーダンス変換増幅回路と同一構成を具備し、上記中間段
   バッファ回路の参照電位端子に、出力端子が接続されて
   いる第２のインピーダンス変換増幅回路と；上記中間段
   バッファ回路の出力端子に、入力端子が接続され、、上
   記第２のインピーダンス変換増幅回路の出力端子に、参
   照電位端子が接続されている出力バッファ回路と；を有
   することを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
3. 【請求項３】 請求項２において、 上記中間段バッファ回路を構成するトランジスタの物理
   的な大きさが、上記出力バッファ回路を構成するトラン
   ジスタの物理的な大きさよりも小さいことを特徴とする
   トランスインピーダンスアンプ。