JP2003124753A - 光信号増幅回路 - Google Patents

光信号増幅回路

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JP2003124753A
JP2003124753A JP2001320326A JP2001320326A JP2003124753A JP 2003124753 A JP2003124753 A JP 2003124753A JP 2001320326 A JP2001320326 A JP 2001320326A JP 2001320326 A JP2001320326 A JP 2001320326A JP 2003124753 A JP2003124753 A JP 2003124753A
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resistor
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emitter
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Tadashi Saito
匡史 齊藤
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Olympus Optical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きく変化する光信号を、帯域及び雑音特性
を劣化させずに所望のゲインで増幅可能にした光信号増
幅回路を提供する。 【解決手段】 PDの光電流がベースへ供給され、コレ
クタに抵抗R1が接続され、エミッタが接地されたトラ
ンジスタQ1と、トランジスタQ1のコレクタがベース
に、エミッタに抵抗R2が、コレクタに電源が接続され
たトランジスタQ2と、該トランジスタQ2のエミッタ
と前記トランジスタQ1のベースの間に設けられ、光電
流を電圧に変換する帰還抵抗Rf1と、トランジスタQ
1のコレクタ出力がベースに入力され、エミッタに抵抗
R3が、コレクタに出力端子1が接続された出力段トラ
ンジスタQ3と、該トランジスタQ3のコレクタに接続
された抵抗R41及び該抵抗R41に並列に接続され
た、抵抗R42とスイッチSW1の直列接続回路とから
なる光電流量で抵抗値を変化させる抵抗部2とで、光信
号増幅回路を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、受光素子の光電
流を所望の電圧に変換する光信号増幅回路に関し、特に
光磁気ディスクや光ディスクに記録されたデータを読み
取るための光信号増幅回路に関する。
【0002】
【従来技術】従来、受光素子の光電流を所望の電圧に変
換する光信号増幅回路としては、図4に示す回路構成の
ものが一般に用いられている。この光信号増幅回路は、
図4に示すように、光磁気ディスク等からの反射光を電
気信号に変換するフォトダイオードPDのアノードがベ
ースに接続され、コレクタに負荷抵抗R1が接続され、
エミッタが接地されたトランジスタQ1と、トランジス
タQ1のコレクタ出力がベースに接続され、エミッタに
負荷抵抗R2が接続され、コレクタが電源VCCに接続
されたトランジスタQ2と、トランジスタQ1の入力と
トランジスタQ2の出力の間に設けられた帰還抵抗Rf
1と、帰還抵抗Rf1と並列に接続された、帰還抵抗R
f2とスイッチSW1との直列接続回路とで構成されて
いる。
【0003】次に、このように構成された光信号増幅回
路の動作について説明する。光情報記録媒体からデータ
を読み出す再生時には、読み出す部分や記録媒体の種類
で反射率が異なるため、フォトダイオードからの光電流
も反射率に応じて変化する。例えば、光磁気ディスクか
らデータを読み出す再生時において、ディスクによって
はデータ部での反射光に比べ、アドレス部での反射光が
数倍大きくなることがある。この場合、光信号増幅回路
に入力される電流も数倍変化することになる。そこで、
データ部からの反射光をフォトダイオードPDが受光
し、光電流Iin1が流れたとすると、スイッチSW1を
OFFにすることで、この光電流Iin1は帰還抵抗Rf
1に供給される。このため光電流は帰還抵抗Rf1によ
り電圧に変換されて出力される。よって、出力電圧VOU
T は、トランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧をV
BEQ1、帰還抵抗Rf1の値をRf1、光電流Iin1の値を
Iin1とすると、次式(1)で表される。 VOUT =VBEQ1−Rf1・Iin1 ・・・・・・・・・・(1)
【0004】次に、アドレス部からの反射光をフォトダ
イオードPDが受光し、光電流Iin2が流れたとする
と、スイッチSW1をONにすることで、この光電流I
in2は帰還抵抗Rf1と帰還抵抗Rf2に供給される。
このため、光電流は帰還抵抗Rf1、Rf2により電圧
に変換されて出力される。よって、出力電圧VOUT は、
帰還抵抗Rf2の値をRf2、光電流Iin2の値をIin2
とすると、次式(2)で表される。 VOUT =VBEQ1−{Rf1・Rf2/(Rf1+Rf2)}・Iin2 ・・・(2)
【0005】ここで、光電流Iin1とIin2の関係が、
Iin2=Iin1・3となる場合は、帰還抵抗Rf2の値
Rf2を、Rf2=Rf1/2とすると、(2)式は次式
(3)で表される。 VOUT =VBEQ1−{Rf1・(Rf1/2)/(Rf1+Rf1/2)}・Iin1・3 =VBEQ1−Rf1・Iin1 ・・・・・・・・・・(3) これは、(1)式と同様であり、光電流が大きい部分で
も光電流が小さい部分での出力電圧と同等の電圧が出力
されることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ここで、図4に示す光
信号増幅回路の雑音は、入力換算雑音電流密度(単位:
A/√Hz)で表わされるが、この雑音は帰還抵抗Rf
1、Rf2できまる帰還抵抗による熱雑音と、トランジ
スタQ1のショット雑音で支配され、帰還抵抗による熱
雑音InRF2は、次式(4)、(5)で表される。 InRF2=4kTΔf/Rf1 (スイッチSW1:OFF ) ・・・・・・・(4) InRF2=4kTΔf/{Rf1・Rf2/(Rf1+Rf2)}(スイッチSW1 :ON) ・・・・・・・・(5) ここで、k:ボルツマン定数、T:絶対温度、Δf:雑
音帯域幅である。帰還抵抗の値を、Rf2=Rf1/2とす
ると、(5)式は次式(6)で表される。 InRF2=4kTΔf/Rf1・3 (スイッチSW1:ON) ・・・・・・(6)
【0007】また、この回路の−3dB帯域f-3dBは、
次式(7),(8)で表される。 f-3dB=A/(2π・Cin・Rf1) (スイッチSW1:OFF )・・・・(7) f-3dB=A/(2π・Cin・[Rf1・Rf2/(Rf1+Rf2)]) (スイッチSW1:ON) ・・・・・・・・・・(8) ここで、A:光信号増幅回路のオープンループ利得、C
in:フォトダイオードPDの接合容量等の寄生容量であ
る。更に、帰還抵抗の値を、Rf2=Rf1/2とすると、
(8)式は次式(9)で表される。 f-3dB=A・3/(2π・Cin・Rf1) (スイッチSW1:ON) ・・・・・・・・(9)
【0008】これらの式より、雑音特性を向上するには
帰還抵抗Rf1及びRf2の値を大きくし、帯域特性を
向上するにはRf1及びRf2の値を小さくするとよい
ことが分かる。しかしながら、データ部からの信号に合
わせて帰還抵抗Rf1及びRf2の値を大きく設定する
と、アドレス部からの信号に対する帯域特性が劣化して
しまう。また、アドレス部からの信号に合わせて帰還抵
抗Rf1及びRf2の値を小さく設定すると、データ部
からの信号に対する雑音が大きくなり、雑音特性が劣化
してしまう。
【0009】このように、図4に示す従来の光信号増幅
回路では、光情報記録媒体からデータを読み出す再生時
に、読み出す部分で反射率が異なり光電流が大きく変わ
る信号や、記録媒体の種類により反射率が異なり光電流
が変わる信号を、帯域特性及び雑音特性を劣化させるこ
となく所望のゲインで増幅するという観点については考
慮されていない。
【0010】本発明は、上記観点に着目してなされたも
ので、光情報記録媒体からデータを読み出す再生時に、
読み出す部分で反射率が異なり光電流が大きく変わる信
号や記録媒体の種類により反射率が異なり光電流が変わ
る信号を、帯域特性及び雑音特性を劣化させることなく
所望のゲインで増幅できる光信号増幅回路を提供するこ
とを目的とする。
【0011】
【課題を解決する手段】上記課題を解決するため、請求
項1に係る発明は、受光素子からの光電流を電圧に変換
する光信号増幅回路において、前記受光素子からの光電
流がベースへ供給される第1のトランジスタと、前記第
1のトランジスタのコレクタ出力がベースに入力され、
エミッタに第1の負荷抵抗が接続された第2のトランジ
スタと、前記第2のトランジスタのエミッタと前記第1
のトランジスタのベースの間に設けられた光電流を電圧
に変換する帰還抵抗と、前記第1のトランジスタのコレ
クタ出力がベースに入力され、エミッタに第2の負荷抵
抗が接続され、コレクタが出力端子に接続された出力段
トランジスタと、前記出力段トランジスタのコレクタに
接続された、前記受光素子からの光電流量に応じて抵抗
値を変化させる抵抗部とで構成するものである。
【0012】このように構成された光信号増幅回路にお
いては、受光素子からの光電流は帰還抵抗よって電圧に
変換され、第2のトランジスタのエミッタに出力され
る。そして、この出力電圧と同等の電圧が出力段トラン
ジスタのエミッタ与えられ、エミッタに接続された第2
の負荷抵抗により電流に変換される。この電流が光電流
量に応じて抵抗値を変化させる抵抗部に与えられ、電圧
に変換されて出力される。したがって、光電流量に応じ
て抵抗値が切り替わる抵抗部によりゲインを変えること
ができるので、帰還抵抗、及び光電流量に応じて抵抗値
を変化させる抵抗部の抵抗値を最適化することにより、
光情報記録媒体からデータを読み出す再生時に、読み出
す部分で反射率が異なり光電流が大きく変わる信号や、
記録媒体の種類により反射率が異なり光電流が変わる信
号を、帯域特性及び雑音特性を劣化させることなく、所
望のゲインで増幅することが可能となる。
【0013】請求項2に係る発明は、請求項1に係る光
信号処理回路において、前記受光素子と前記第1のトラ
ンジスタとの間に、受光素子からの光電流がベースに供
給され、エミッタに第3の負荷抵抗と第1のトランジス
タのベースが接続され、コレクタが電源に接続された第
3トランジスタを備えていることを特徴とするものであ
る。
【0014】このように構成された光信号増幅回路にお
いては、請求項1に係る光信号増幅回路と同様の動作を
すると共に、第3のトランジスタのベース−エミッタ間
電圧分だけ入力電圧を上昇させる。したがって、光電流
量に応じて抵抗値が切り替わる抵抗部によりゲインを変
えることができるので、帰還抵抗、及び光電流量に応じ
て抵抗値が切り替わる抵抗部の抵抗値を最適化すること
により、光情報記録媒体からデータを読み出す再生時
に、読み出す部分で反射率が異なり光電流が大きく変わ
る信号や、記録媒体の種類により反射率が異なり光電流
が変わる信号を、帯域特性及び雑音特性を劣化させるこ
となく、所望のゲインで増幅することが可能となる。ま
た、第1のトランジスタの利得つまり光信号増幅回路の
オープンループ利得を変えることなく、出力ダイナミッ
クレンジの拡大を図ることができる。
【0015】請求項3に係る発明は、請求項1又は2に
係る光信号処理回路において、前記抵抗値を変化させる
抵抗部は、一端が前記出力段トランジスタのコレクタに
接続され他端が電源に接続された第1の抵抗と、該第1
の抵抗に並列に接続された、第2の抵抗とMOSトラン
ジスタの直列接続回路とで構成されていることを特徴と
するものである。
【0016】このように構成された光信号増幅回路にお
いては、請求項1に係る光信号増幅回路と同様の動作を
すると共に、MOSトランジスタをON/OFFするこ
とで、抵抗部の抵抗値を変化させることができる。これ
により、請求項1及び請求項2と同様の効果が得られ、
且つ抵抗部を容易に集積化することが可能になる。
【0017】
【発明の実施の形態】次に、実施の形態について説明す
る。図1は、本発明に係る光信号増幅回路の第1の実施
の形態を示す回路構成図である。この実施の形態に係る
光信号増幅回路は、フォトダイオードPDからの光電流
がベースへ供給され、コレクタに一端が電源VCCに接
続された負荷抵抗R1が接続され、エミッタが接地され
たトランジスタQ1と、トランジスタQ1のコレクタ出
力がベースに入力され、エミッタに一端が接地された負
荷抵抗R2が接続され、コレクタが電源VCCに接続さ
れたトランジスタQ2と、前記トランジスタQ2のエミ
ッタと前記トランジスタQ1のベースの間に設けられ、
光電流を電圧に変換する帰還抵抗Rf1と、前記トラン
ジスタQ1のコレクタ出力がベースに入力され、エミッ
タに一端が接地された負荷抵抗R3が接続され、コレク
タが出力端子1に接続された出力段トランジスタQ3
と、該出力段トランジスタQ3のコレクタに接続され、
一端が電源VCCに接続された抵抗R41、及び前記抵
抗R41に並列に接続された、抵抗R42とスイッチS
W1の直列接続回路とで構成された光電流量に応じて抵
抗値を変化させる抵抗部2とで、構成されている。
【0018】次に、このように構成された第1の実施の
形態の動作について説明する。まず、再生時に光電流が
小さい部分(媒体)では、光電流量に応じて抵抗値を変
化させる抵抗部2のスイッチSW1をOFFとし、抵抗
R41のみ出力段トランジスタQ3のコレクタに接続す
る。フォトダイオードPDに光電流Iin1が流れたとす
ると、この光電流Iin1は帰還抵抗Rf1に供給され
る。このため、光電流は帰還抵抗Rf1により電圧に変
換される。よって、トランジスタQ2の出力電圧V1
は、トランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧をVBE
Q1、帰還抵抗Rf1の値をRf1、光電流Iin1の値をI
in1 とすると、次式(14)で表される。 V1=VBEQ1−Rf1・Iin1 ・・・・・・・・・・・(14)
【0019】出力段トランジスタQ3のエミッタに出力
される電圧V2は、第2のトランジスタQ2のベース−
エミッタ間電圧をVBEQ2、出力段トランジスタQ3のベ
ース−エミッタ間電圧をVBEQ3とすると、次式(14)で
表される。 V2=VBEQ1−Rf1・Iin1 +VBEQ2−VBEQ3 ・・・・・・・・・(14) ここで、トランジスタQ1、Q2,Q3のベース−エミ
ッタ間電圧がほぼ同じ(VBEQ1=VBEQ2=VBEQ3=VB
E)とすると、(14)式は次式(15)となる。 V2=VBE−Rf1・Iin1 ・・・・・・・・・・・・(15) この電圧V2が抵抗R3で電流に変換され、出力段トラ
ンジスタQ3のエミッタに流れる。出力段トランジスタ
Q3のエミッタに流れる電流IeQ3 は、抵抗R3の抵抗
値をR3 とすると、次式(16)で表される。 IeQ3 =(VBE−Rf1・Iin1 )/R3 ・・・・・・(16)
【0020】ここで、出力段トランジスタQ3のエミッ
タ電流とコレクタ電流がほぼ同じとすると、コレクタ電
流IcQ3 は、次式(17)で表される。 IcQ3 =IeQ3 =(VBE−Rf1・Iin1 )/R3 ・・・・・・・・(17) そして、この出力段トランジスタQ3のコレクタ電流が
抵抗R41に流れ、電圧に変換されて出力端子1より出力
される。よって、出力電圧VOUT は、電源VCCの電圧
をVcc,抵抗R41の抵抗値をR41とすると、次式(1
8)で表される。 VOUT =Vcc−(VBE−Rf1・Iin1 )・R41/R3 ・・・・・・(18) したがって、出力端子1には光電流と帰還抵抗及び抵抗
R3とR41の比で決まる電圧が出力される。
【0021】一方、再生時に光電流が大きい部分(媒
体)では、光電流量に応じて抵抗値を変化させる抵抗部
2のスイッチSW1をONとし、抵抗R41とR42を
並列に出力段トランジスタQ3のコレクタに接続する。
フォトダイオードPDに光電流Iin2が流れたとする
と、この光電流Iin2は帰還抵抗Rf1に供給される。
このため、光電流は帰還抵抗Rf1により電圧に変換さ
れる。よって、トランジスタQ2の出力電圧V1は、ト
ランジスタQ1のベース−エミッタ間電圧をVBEQ1,帰
還抵抗Rf1の値をRf1とし、光電流Iin2を前記光電
流が小さい場合での光電流の3倍で、その値をIin1 ×
3とすると、次式(19)で表される。 V1=VBEQ1−Rf1・Iin1 ・3 ・・・・・・・・・(19)
【0022】出力段トランジスタQ3のエミッタに出力
される電圧V2は、トランジスタQ2のベース−エミッ
タ間電圧をVBEQ2,出力段トランジスタQ3のベース−
エミッタ間電圧をVBEQ3とすると、次式(20)で表され
る。 V2=VBEQ1−Rf1・Iin1 ・3+VBEQ2−VBEQ3 ・・・・・・・(20) ここで、トランジスタQ1、Q2,Q3のベース−エミ
ッタ間電圧がほぼ同じ(VBEQ1=VBEQ2=VBEQ3=VB
E)とすると、(20)式は次式(21)となる。 V2=VBE−Rf1・Iin1 ・3 ・・・・・・・・・・(21) この電圧V2が抵抗R3で電流に変換され、出力段トラ
ンジスタQ3のエミッタに流れる。出力段トランジスタ
Q3のエミッタに流れる電流IeQ3 は、抵抗R3の抵抗
値をR3 とすると、次式(22)で表される。 IeQ3 =(VBE−Rf1・Iin1 ・3)/R3 ・・・・・・・・・・(22)
【0023】ここで、出力段トランジスタQ3のエミッ
タ電流とコレクタ電流がほぼ同じとすると、コレクタ電
流IcQ3 は次式(23)で表される。 IcQ3 =IeQ3 =(VBE−Rf1・Iin1 ・3)/R3 ・・・・・・(23) そして、この出力段トランジスタQ3のコレクタ電流が
抵抗R41及びR42に流れ、電圧に変換されて出力端
子1より出力される。よって、出力電圧VOUT は、電源
VCCの電圧をVcc,抵抗R41の抵抗値をR41,抵抗
R42の抵抗値をR42とすると、次式(24)で表され
る。 VOUT =Vcc−(VBE−Rf1・Iin1 ・3)・R41・R42 /{R3 ・(R41+R42)} ・・・・・・・・・・・・・(24) ここで、抵抗R42の値をR42=R41/2とすると、
(24)式は次式(25)で表される。 VOUT =Vcc−(VBE/3−Rf1・Iin1 )・R41/R3 ・・・・(25) これは、(18)式と同様である。したがって、光電流が
大きい場合でも、光電流が小さい場合とほぼ同等のレベ
ルの電圧が出力される。
【0024】このように本実施の形態では、光電流を帰
還抵抗Rf1で電圧に変換した後に、この電圧を電流に
変換し、スイッチSW1を切り替えることで、この電流
を電圧に変換する抵抗を変化させることができる構成と
したので、帰還抵抗Rf1及び抵抗R3、R41,R4
2の抵抗値を最適化することにより、光情報記録媒体か
らデータを読み出す再生時に、読み出す部分で反射率が
異なり光電流が大きく変わる信号や、記録媒体の種類に
より反射率が異なり光電流が変わる信号を、帯域特性及
び雑音特性を劣化させることなく、所望のゲインで増幅
することが可能となる。
【0025】次に、第2の実施の形態について説明す
る。図2は本発明に係る光信号増幅回路の第2の実施の
形態を示す回路構成図である。この実施の形態は、図1
に示した第1の実施の形態において、トランジスタQ1
とフォトダイオードPDの間に、フォトダイオードPD
からの光電流がベースへ供給され、エミッタに一端が接
地された負荷抵抗R5とトランジスタQ1のベースが接
続され、コレクタが電源VCCに接続されたトランジス
タQ4を備えた構成とするものである。
【0026】これにより、第1の実施の形態の光信号増
幅回路と同様の動作をすると共に、トランジスタQ4の
ベース−エミッタ間電圧分だけ入力電圧を上昇させる。
このため、第1の実施の形態と同様の効果が得られると
共に、トランジスタQ1の利得つまり光信号増幅回路の
オープンループ利得を変えることなく、出力ダイナミッ
クレンジの拡大を図ることができる。
【0027】次に、第3の実施の形態について説明す
る。図3は、本発明に係る光信号増幅回路の第3の実施
の形態を示す回路構成図である。この実施の形態は、図
1に示した第1の実施の形態における抵抗部2のスイッ
チSW1を、ゲートにコントロール信号VCが接続され
たMOSトランジスタQ5で構成するものである。コン
トロール信号VCの電圧を切り替えることで、MOSト
ランジスタQ5をON/OFFすることができ、抵抗部
2の抵抗値を切り替えろことができる。このため、第1
の実施の形態と同様の効果が得られ、且つ抵抗部2を容
易に集積化することが可能になる。
【0028】なお、第3の実施の形態は、第2の実施の
形態にも適用可能であり、同様の効果が得られる。ま
た、MOSトランジスタをpnpトランジスタにするこ
とも可能である。
【0029】更に、第1の実施の形態から第3の実施の
形態において、抵抗部を構成するスイッチSW1と抵抗
R42の直列接続回路、又はMOSトランジスタQ5と
抵抗R42の直列接続回路を、それぞれ複数組設けて、
抵抗値を3以上の複数の値に設定することも可能であ
る。
【0030】
【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、光情報記録媒体からデータを読み
出す再生時に、読み出す部分で反射率が異なり光電流が
大きく変わる信号や、記録媒体の種類により反射率が異
なり光電流が変わる信号を、帯域特性及び雑音特性を劣
化させることなく、所望のゲインで増幅することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光信号増幅回路の第1の実施の形
態を示す回路構成図である。
【図2】本発明に係る光信号増幅回路の第2の実施の形
態を示す回路構成図である。
【図3】本発明に係る光信号増幅回路の第3の実施の形
態を示す回路構成図である。
【図4】従来の光信号増幅回路の構成例を示す回路構成
図である。
【符号の説明】 1 出力端子 2 抵抗部 PD フォトダイオード Q1,Q2,Q3,Q4 トランジスタ Q5 MOSトランジスタ Rf1 帰還抵抗 R1,R2,R3 負荷抵抗 R41,R42 抵抗
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Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受光素子からの光電流を電圧に変換する
    光信号増幅回路において、前記受光素子からの光電流が
    ベースへ供給される第1のトランジスタと、前記第1の
    トランジスタのコレクタ出力がベースに入力され、エミ
    ッタに第1の負荷抵抗が接続された第2のトランジスタ
    と、前記第2のトランジスタのエミッタと前記第1のト
    ランジスタのベースの間に設けられた光電流を電圧に変
    換する帰還抵抗と、前記第1のトランジスタのコレクタ
    出力がベースに入力され、エミッタに第2の負荷抵抗が
    接続され、コレクタが出力端子に接続された出力段トラ
    ンジスタと、前記出力段トランジスタのコレクタに接続
    された、前記受光素子からの光電流量に応じて抵抗値を
    変化させる抵抗部とを具備していることを特徴とする光
    信号増幅回路。
  2. 【請求項2】 前記受光素子と前記第1のトランジスタ
    との間に、受光素子からの光電流がベースに供給され、
    エミッタに第3の負荷抵抗と第1のトランジスタのベー
    スが接続され、コレクタが電源に接続された第3トラン
    ジスタを備えていることを特徴とする請求項1に係る光
    信号増幅回路。
  3. 【請求項3】 前記抵抗値を変化させる抵抗部は、一端
    が前記出力段トランジスタのコレクタに接続され他端が
    電源に接続された第1の抵抗と、該第1の抵抗に並列に
    接続された、第2の抵抗とMOSトランジスタの直列接
    続回路とで構成されていることを特徴とする請求項1又
    は2に係る光信号増幅回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006074086A (ja) * 2004-08-31 2006-03-16 Nec Compound Semiconductor Devices Ltd 光電流・電圧変換回路
JP2011223268A (ja) * 2010-04-08 2011-11-04 Tdk Corp 並列−直列形電流帰還増幅器、光学機器、及び光学ドライブ装置

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