JP2002530640A - 検出回路 - Google Patents
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Abstract
Description
度に応じて電圧信号を発生する回路に関する。
検出回路は、よく知られている。この回路はさらに、この電流を出力電圧に変換
するトランスインピーダンス増幅器回路を有する。例えば、米国特許第 5,030,9
25号はこの形式の検出回路を開示している。
度およびこの入力光信号の強度に比例するフォトダイオード電流が、非常に広い
ダイマミック・レンジにわたって変わることである。例えば、大きさが数桁にわ
たって変化する入力信号を取り扱うことが必要である。増幅器の入力におけるイ
ンピーダンスの設計値に特別の配慮をしなければ、増幅器に対する入力のダイマ
ミック・レンジが大きいことが原因となって、低い信号レベルにおいて有用であ
る程に十分に大きい出力信号を生ずるために種々の問題点が生じ、一方、回路が
飽和または制限を起こさないで取り扱うことができる大きな入力信号レベルに対
して出力信号を生ずるためになお種々の問題点が生ずる。
transimpedance amplifier)を開示している。この増幅器回路は、抵抗器の両端
に接続されたダイオードを備えたフィードバック抵抗器を有している。したがっ
て、高い信号レベルでは、ダイオードに入力電流が流れ、そして増幅器の出力段
階の飽和を引き起こすレベルより低いレベルに、出力電圧を制限する。それらの
入力/出力の両端にダイオードを用いているTIA増幅器は、それらの出力段階
において、過負荷電流を取り扱わなければならない。このことは、さらに大きな
容量を有する大型のトランジスタを必要とする。したがって、これらの設計はさ
らに複雑になり、そして集積回路の中に組込む時にはシリコンのさらに大きな面
積領域が必要になる。
ランスインピーダンス増幅器を有する検出回路を開示している。初期の検出段階
の間に過剰な入力電流を取り扱うことができるために、光ダイオードはまた別の
ダイオードを通してアースに接続され、またRC回路網を通して正電圧源に接続
される。
負荷電流を取り扱うことができる。さらに詳細に言えば、本発明は持続する大き
な過負荷電流を取り扱うことができる検出回路に関する。
トダイオードと直列に接続され、かつ低い交流インピーダンスによる電源電圧に
接続され、平坦周波数応答接続体のものである。この過負荷保護ダイオードと検
出用フォトダイオードとの間の接続点がトランスインピーダンス増幅器に接続さ
れ、そしてこのトランスインピーダンス増幅器の入力インピーダンスは、カット
オフ信号電流において、過負荷保護ダイオードのインピーダンスと整合するよう
に調整されることが好ましい。カットオフ電流よりも低い信号電流に対しては、
電流の大部分がトランスインピーダンス増幅器に送られ、一方、カットオフ電流
よりも高い信号電流に対しては、電流の大部分が過負荷保護ダイオードを通って
トランスインピーダンス増幅器をそれて流れる。
いる。
フォトダイオード4が配置される。この入射光信号は、例えば、光ファイバから
出力される光に含まれる信号であってもよい。典型的な場合には、光ファイバは
論理値「1」および「0」で構成されるディジタル信号を伝送することができる
。論理値「1」の光強度は、論理値「0」の光強度の10倍であってもよい。けれ
ども、光の強度レベルは非常に広い範囲にわたって変わり得る。検出回路は、広
い範囲で変化するパワーを有する送信器に接続された光ファイバからの信号を受
け取ることができる。さらに、検出回路は長い光ファイバと一緒に用いることが
でき、または短い光ファイバと一緒に用いることもできる。したがって、このこ
とは光信号の減衰の程度が変化することに対応する。よって、これらの2つの事
柄を考慮するならば、論理値「0」の光強度は数桁の範囲で変わり得る。
イアスの方向に直接に接続されているが、しかし原理的には、直流および交流で
低いインピーダンスを有し、かつ全体的に平坦な周波数特性を有する任意の接続
体によって電源に接続することができる。
ずることである。
接続される。トランスインピーダンス増幅器回路6は、トランスインピーダンス
増幅器8およびフィードバック抵抗器10を有する。トランスインピーダンス増
幅器回路6を構成する回路の形式それ自体は、よく知られている。増幅器8は利
得A1を有し、そして抵抗器10は抵抗値Rt を有する。トランスインピーダン
ス増幅器回路6の出力は、出力端子12において検出回路出力を形成する。
一方において前記で説明したように、信号電流Is は極めて広い範囲で変わり得
る。例えば、信号電流は数ナノアンペアという低い値から数ミリアンペアという
高い値まで変化できる。したがって、増幅器が受け入れ可能な広いダイナミック
・レンジを有するべきであるならば、検出回路2は高い入力信号レベルにおいて
過負荷電流を処理できることが必要である。
明のこの例示された実施例では、過負荷保護ダイオードはNPNトランジスタ1
4の形式を有する。NPNトランジスタ14のコレクタ端子とベース端子とは共
通に接続され、そしてフォトダイオード4の陽極に接続される。NPNトランジ
スタ14のエミッタ端子はアースに接続される。
電流Ic の逆関数である。したがって、電流が低い場合にはトランジスタ14は
高い抵抗値を有するが、しかし電流が高い場合には抵抗値は小さい。さらに詳細
に言えば、抵抗値は下記の式により与えられる。
有する。入力インピーダンスRa は一般的には一定であり、そして増幅器8の利
得A1と抵抗器10の抵抗値Rtとによって主として決定される。第1近似では
、この入力インピーダンス下記の式により与えられる。
して残りの部分Ic は過負荷保護ダイオード14の中に流れる。これらの電流の
大きさの比は、トランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスRa と
過負荷保護ダイオードの動的抵抗値Re との相対的な大きさに応じて定まる。
ンサを挿入すると有利である。これによって、回路の作成と利用できる電源とを
適合させるために、増幅器を分離してバイアスすることができる。
を越えた過負荷電流が過負荷保護ダイオードを優先して流れるように、トランス
インピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスを調整することができる。例え
ば、その時にカットオフ電流として作用する特定の電流において、入力インピー
ダンスがダイオードの抵抗値に等しくなるように設計することができる。電流が
低い場合には、信号電流の大部分は増幅器に流れる。電流が高い場合には、信号
電流の大部分は過負荷保護ダイオードを通ってアースに流れる。
インピーダンス 200Ωを与える。Ic = 125μAの時Re = 200Ωである。
、フォトダイオードの電流の大部分は増幅器を流れる。この場合、「1」および
「0」を表す光信号の間のフォトダイオード電流の変化から生ずる差動出力電圧
Vout は、増幅器の入力電流とフィードバック抵抗器10の抵抗値Rtとに応じ
て定まる。「1」を表す光信号に対するフォトダイオード電流をIs1で表し、そ
して「0」を表す光信号に対するフォトダイオード電流をIs0で表すことにする
。フォトダイオード電流の全部が増幅器の入力に流れる極端な場合には、差動出
力電圧は下記の式により与えられる。
あり、そして「0」を表す光信号に対するフォトダイオード電流は1μAである
。ここで、Rt =6kΩ、Vout =54mVである。
は、過負荷保護ダイオードの抵抗値がトランスインピーダンス増幅器の入力イン
ピーダンスよりも低いので、フォトダイオード電流の大部分は過負荷保護ダイオ
ードを流れる。例えば、「1」を表す光信号に対するフォトダイオード電流は5
mAであり、そして「0」を表す光信号に対するフォトダイオード電流は 500μ
Aにできる。(過負荷保護ダイオードの電流が5mAである場合、その抵抗値は
5Ωである。この値は、前記で説明した例の増幅器のインピーダンス 200Ωと比
較される。)その場合には、「1」を表す光信号と「0」を表す光信号との間の
フォトダイオード電流の変化から生ずる差動出力電圧Vout は、トランジスタの
ベース・エミッタを流れる電流が増大することにより生ずるこのトランジスタの
ベース・エミッタ電圧の増大に応じて変化する。この時、この増大したベース・
エミッタ電圧が増幅器によって増幅される。
、そして「0」を表す光信号に対するフォトダイオード電流をIs0で表し、そし
てフォトダイオード電流の全部が過負荷保護ダイオードを流れる極端な場合を考
えるならば、差動出力電圧は下記の式により与えられる。
、「0」を表す光信号に対するフォトダイオード電流の一般的に10倍であるから
、前記のようにA1=30である場合には、室温においてVout =1800mVである
。
ているけれども、前記で説明した2つの場合の間で、出力信号のレベルは(1800
mV/54mV)=33の因子だけ増大する。
信号電流のさらに多くの部分がトランスインピーダンス増幅器回路を流れるより
もむしろダイオードを流れる。信号電流が変化する時、この調整が自動的に行わ
れる。このように過負荷保護が得られ、検出回路のダイナミック・レンジが増大
する。その上、電源に対する接続体は交流と直流との両方において低いインピー
ダンスを有するために、検出回路は高い周波数の一時的な過大負荷と、持続する
過大負荷、すなわち低い周波数の過大負荷、との両方を取り扱うことができる。
、検出用フォトダイオード24が、正電圧源Vccとアースとの間に逆バイアスに
接続され、そして再び、入射光の強度に応ずる信号電流Is が流れる。
れる。さらに詳細に言えば、第1トランスインピーダンス増幅器回路26がフォ
トダイオード24の陰極に接続され、かつ第2トランスインピーダンス増幅器回
路28がフォトダイオード24の陽極に接続される。第1トランスインピーダン
ス増幅器回路26は増幅器30と抵抗器32とを有し、そして第2トランスイン
ピーダンス増幅器回路28は増幅器34と抵抗器36とを有する。これら2つの
トランスインピーダンス増幅器は整合していて、同じ配線および整合したレイア
ウトを有する。第1トランスインピーダンス増幅器回路からの出力と第2トラン
スインピーダンス増幅器回路からの出力とが差動回路利得ブロック38に送られ
る。差動回路利得ブロック38は差動出力信号を生ずる。
42で再び形成されるそれぞれの過負荷保護ダイオードは、フォトダイオード2
4のそれぞれ陰極および陽極に接続される。ダイオード40は正電圧源Vccに直
接に接続され、一方、ダイオード42はアースに直接に接続される。
いから、フォトダイオードからのそれぞれの入力信号は、増幅器回路の入力にお
いてそれぞれのコンデンサ44、46を通して交流的に結合される。
きる。また、それとは異なって、過負荷保護ダイオードは検出回路のその他の部
分を含むチップに対して外部にあるダイオードであり得る。
オード40、42の抵抗値が低下し、そして信号電流Is のさらに多くの部分が
トランスインピーダンス増幅器回路26、28を流れるよりもむしろ過負荷保護
ダイオードを流れる。
えば、1個または複数個の過負荷保護ダイオードを、それを流れる電流と共にイ
ンピーダンスが変化する任意の回路ブロックまたは任意の回路部品で置き換える
ことができる。
おいて、同じ参照番号は同じ部品であることを示している)である。図3では、
過負荷保護ダイオード14が保護回路60によって置き換えられている。
6の入力との間にコンデンサを挿入すると有利である。この場合には、増幅器を
分離してバイアスすることができ、それにより回路の作成と利用できる電源とを
適合させることができる。
の図において、同じ参照番号は同じ部品であることを示している)である。図4
では、過負荷保護ダイオード40、42が保護回路62、64によって置き換え
られている。
であるヘッドルームを増加すると有利である。この場合には図5に示されている
ように、保護回路62、64は直列に接続されたダイオード66、68およに7
0、72のそれぞれの対の形式を取ることができる。
なる形式を有している。図6および図7の両方の場合、これらの回路は図3の回
路に基づいている。これらの図において、図3の部品と同じである部品は同じ参
照番号で示されており、そしてこれ以上に詳しく説明することはしない。
Nトランジスタ80は、フォトダイオード4の陽極に接続されたコレクタ端子と
、アースに接続されたエミッタ端子とを有する。また別のNPNトランジスタ8
2は、トランジスタ80のコレクタに接続されたベース端子と、トランジスタ8
0のベースに接続されたエミッタ端子とを有する。トランジスタ82のエミッタ
端子はまた、電流源84を通してアースに接続される。この回路により、フォト
ダイオード電流が高い場合に、電流の大部分をアースに流すようにバイアスのレ
ベルを設定することができる。
ランジスタ90は、フォトダイオード4の陽極に接続されたコレクタ端子と、ア
ースに接続されたエミッタ端子とを有する。低インピーダンスの基準電圧源92
が、トランジスタ90のベース端子とコレクタ端子との間に接続される。このこ
とにより、フォトダイオード4の陽極の電圧を要求されたレベルに設定すること
ができる。その上さらに、回路に要求された温度係数を与えるように基準電圧源
92を設計することができる。
図1のデバイスと全体的には同様(この図において、同じ参照番号は同じ部品で
あることを示している)である。この場合には回路は、フォトダイオード4の陽
極と増幅器6の入力との間に接続された交流結合コンデンサ70を有している。
この交流結合コンデンサは前記で説明されたが、しかし図には示されなかった。
ダイオード4の陽極との間に接続される。バイアス電流Ib は、フォトダイオー
ド電流には関係なく、過負荷保護ダイオード14の中の電流を増加させる。この
ことは、入力「1」と入力「0」を比較するならば、過負荷保護ダイオード(差
動出力電圧)の中の電流の比が過負荷の場合に小さくなることを意味する。
いて、電流源をフォトダイオード24と並列に接続することができる。またはそ
れとは異なって、第1電流源を正電圧源とフォトダイオード24の陽極との間に
接続することができ、一方、第2電流源をアース電源とフォトダイオード24の
陰極との間に接続することができる。
用いるとして説明してきた。BiCMOSまたはCMOSを用いても同様に可能
であることが理解されるであろう。
高い入力信号レベルにまで動的に反応して過負荷電流を増幅器からそらして流す
回路が説明された。
Claims (16)
- 【請求項1】 入射する光信号の強度に応じて電流を生ずるフォトダイオー
ドを有し、 前記フォトダイオードと直列に接続され、かつ1つの接続点において前記フォ
トダイオードに接続された可変インピーダンス回路を有し、該可変インピーダン
ス回路のインピーダンスはそれを流れる電流に依存し、 トランスインピーダンス増幅器とフィードバック回路とを有し、かつ入力と出
力のあるトランスインピーダンス増幅器回路を有し、該トランスインピーダンス
増幅器回路の前記入力は前記接続点に接続され、かつ前記トランスインピーダン
ス増幅器回路の前記出力は検出回路の出力を形成し、 前記可変インピーダンス回路と前記フォトダイオードとの直列接続体が交流お
よび直流において低いインピーダンスを有する接続体によって1対の電圧供給レ
ールの間に接続され、ここで 前記トランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスがカット・オフ
電流において前記可変インピーダンス回路のインピーダンスに整合し、かつ前記
トランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスが過負荷電流において
前記可変インピーダンス回路のインピーダンスに比べて高い、検出回路。 - 【請求項2】 請求項1記載の検出回路において、前記トランスインピーダ
ンス増幅器回路のフォードバック回路が抵抗器を有する検出回路。 - 【請求項3】 請求項1記載の検出回路において、前記トランスインピーダ
ンス増幅器回路の入力と前記接続点との間に接続されたコンデンサをさらに有す
る検出回路。 - 【請求項4】 請求項1記載の検出回路において、前記可変インピーダンス
回路が過負荷保護ダイオードを有する検出回路。 - 【請求項5】 請求項4記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイオー
ドがベースとコレクタとが共通接続されたバイポーラ・トランジスタを有する検
出回路。 - 【請求項6】 請求項4記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイオー
ドが1つの電圧供給レールに直接に接続される検出回路。 - 【請求項7】 入射する光信号の強度に応じて電流を生ずるフォトダイオー
ドを有し、該フォトダイオードは第1接続点と第2接続点との間に接続され、 交流および直流において低いインピーダンスを有する接続体によって前記第1
接続点と第1電圧供給レールとの間に接続された第1可変インピーダンス回路と
、 交流および直流において低いインピーダンスを有する接続体によって前記第2
接続点と第2電圧供給レールとの間に接続された第2可変インピーダンス回路を
有し、 各々が入力と出力のある第1トランスインピーダンス増幅器回路および第2ト
ランスインピーダンス増幅器回路を設けた差動トランスインピーダンス増幅器回
路を有し、前記第1トランスインピーダンス増幅器回路の入力が第1コンデンサ
を通して前記第1接続点に接続され、かつ前記第2トランスインピーダンス増幅
器回路の入力が第2コンデンサを通して前記第2接続点に接続され、かつ前記第
1および第2トランスインピーダンス増幅器回路の出力が差動増幅器に対する入
力を形成することによって検出回路の出力を設け、 前記トランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスが過負荷電流に
おいて前記可変インピーダンス回路のインピーダンスに比べて高い、検出回路。 - 【請求項8】 請求項7記載の検出回路において、前記トランスインピーダ
ンス増幅器回路の各々が抵抗器を備えたフィードバック回路を有する検出回路。 - 【請求項9】 請求項7記載の検出回路において、前記可変インピーダンス
回路の各々が過負荷保護ダイオードを有する検出回路。 - 【請求項10】 請求項9記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイオ
ードの各々がそれぞれのベースとコレクタとで共通接続されたバイポーラ・トラ
ンジスタを有する検出回路。 - 【請求項11】 請求項9記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイオ
ードの各々がそれぞれの電圧供給レールに直接に接続された検出回路。 - 【請求項12】 入射する光信号の強度に応じて電流を生じ、かつ第1接続
点と第2接続点との間に接続されたフォトダイオードを有し、 交流および直流において低いインピーダンスを有する接続体によって前記第1
接続点と第1電圧供給レールとの間に接続された第1可変インピーダンス回路を
有し、該第1可変インピーダンス回路のインピーダンスはそれを流れる電流に依
存し、 交流および直流において低いインピーダンスを有する接続体によって前記第2
接続点と第2電圧供給レールとの間に接続された第2可変インピーダンス回路を
有し、該第2可変インピーダンス回路のインピーダンスはそれを流れる電流に依
存し、 各々が入力と出力のある第1トランスインピーダンス増幅器回路および第2ト
ランスインピーダンス増幅器回路を設けた差動トランスインピーダンス増幅器回
路を有し、前記第1トランスインピーダンス増幅器回路の入力が第1コンデンサ
を通して前記第1接続点に接続され、かつ前記第2トランスインピーダンス増幅
器回路の入力が第2コンデンサを通して前記第2接続点に接続され、かつ前記第
1および第2トランスインピーダンス増幅器回路の出力が差動増幅器に対する入
力を形成することによって検出回路の出力を設け、 前記トランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスがカットオフ電
流において前記可変インピーダンス回路のインピーダンスに整合し、かつ前記ト
ランスインピーダンス増幅器回路の入力インピーダンスが過負荷電流において前
記可変インピーダンス回路のインピーダンスに比べて高い、検出回路。 - 【請求項13】 請求項12記載の検出回路において、前記トランスインピ
ーダンス増幅器回路の各々が抵抗器を備えたフィードバック回路を有する検出回
路。 - 【請求項14】 請求項12記載の検出回路において、前記可変インピーダ
ンス回路の各々が過負荷保護ダイオードを有する検出回路。 - 【請求項15】 請求項14記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイ
オードの各々がそれぞれのベースとコレクタとで共通接続されたバイポーラ・ト
ランジスタを有する検出回路。 - 【請求項16】 請求項14記載の検出回路において、前記過負荷保護ダイ
オードの各々がそれぞれの電圧供給レールに直接に接続された検出回路。
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