JP2004179998A

JP2004179998A - 前置増幅器

Info

Publication number: JP2004179998A
Application number: JP2002344177A
Authority: JP
Inventors: Masaki Noda; 雅樹野田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP4083551B2

Abstract

【課題】光通信システムにおいて使用する前置増幅器の高周波特性を改善すること。
【解決手段】受光素子７から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路２と、出力電流信号が無いときに前置増幅回路２が出力する電圧値である基準バイアス電圧を生成する基準バイアス電圧生成回路６と、前置増幅回路２の出力信号とこの基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号とする差動増幅回路３と、前置増幅回路２の入力端に接続された電流引き抜き回路５と、差動増幅回路３と電流引き抜き回路５との間に設けられ、差動増幅回路３が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて、電流引き抜き回路５が引き抜く電流を制御する引き抜き電流制御回路４とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムにおいて使用する前置増幅器に関するものであり、特に、高周波特性を改善した前置増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前置増幅器は、光受信器のフロントエンドに備えられ、光受信器の構成要素である受光素子で変換された電流信号を電圧信号に変換する役目を担う。一方、光受信器は、受信する光強度が異なる様々な条件のシステムに適用されるので、光受信器のフロントエンドに備えられる前置増幅器には、広ダイナミックレンジ特性が要求される。
【０００３】
従来、この種の、光受信器のフロントエンドに備えられた広ダイナミックレンジ特性を有する前置増幅器に関する発明として、特開平１０−１３５９１７号公報に開示例がある。この公報には、広ダイナミックレンジ特性を有する光受信器の実施例が示されている。
【０００４】
この光受信器は、受光素子および前置増幅器と、この受光素子のカソード側に設けられ光信号電流をモニタする光信号電流モニタ部と、光信号電流入力波形の中間レベルの直流電流を検出して電圧の形で保持する中間レベル検出・保持部と、この中間レベル検出・保持部で得られた直流電流を受光素子のアノード側と前置増幅器との接続点を介して引き抜く中間直流電流引き抜き部とで構成されている。
【０００５】
また、この光受信器では、前置増幅器への入力電流を、ほぼ正負対称な前置増幅器入力電流に変換するために、光信号電流の”０”レベルと”１”レベルとのほぼ中間レベルにある直流電流を光信号電流から引き抜くように動作させているので、光信号電流を制御しない場合の、約２倍のダイナミックレンジが得られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１３５９１７号公報（第３−５頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に示された光受信器では、受光素子のバイアス回路に引き抜き電流の制御回路が付加された構成となる。この制御回路は、定電圧源と受光素子との間に直列に接続される構成となるので、受光素子に印加されるバイアス電圧は、定電圧源が供給する電圧よりも必ず低くなる。
【０００８】
一般的に、受光素子の寄生容量は、この受光素子のカソード側に印加されるバイアス電圧に依存し、このバイアス電圧が低いほど寄生容量が大きくなる。この寄生容量の低下は、光受信器の遮断周波数の低下を招き、高周波特性の劣化を引き起こす。したがって、高速光信号に対しては、忠実な電圧信号への変換が困難となり、符号誤りを生じさせる確率が高くなるので、その結果、光信号から電気信号に忠実に変換できるビットレートが制限されるという課題があった。
【０００９】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高周波特性を犠牲にすることなく、広ダイナミックレンジ特性に優れた前置増幅器を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる前置増幅器にあっては、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路と、前記出力電流信号が無いときに前記前置増幅回路が出力する電圧値である基準バイアス電圧を生成する基準バイアス電圧生成回路と、前記前置増幅回路の出力信号と前記基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号とする差動増幅回路と、前記前置増幅回路の入力端に接続された電流引き抜き回路と、前記差動増幅回路と前記電流引き抜き回路との間に設けられ、この差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて、この電流引き抜き回路が引き抜く電流を制御する引き抜き電流制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前置増幅回路は、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換し、基準バイアス電圧生成回路は、出力電流信号が無いときに前置増幅回路が出力する電圧値である基準バイアス電圧を生成し、差動増幅回路は、前置増幅回路の出力信号と基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号として、前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧に比例した電圧を引き抜き電流制御回路に入力し、差動増幅回路と電流引き抜き回路との間に設けられた引き抜き電流制御回路は、差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて前置増幅回路の入力端に接続された電流引き抜き回路が引き抜く電流を制御する。
【００１２】
つぎの発明にかかる前置増幅器にあっては、前記基準バイアス電圧生成回路は、前記前置増幅回路と等しい回路により構成されることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前置増幅回路と等しい回路により構成された基準バイアス電圧生成回路は、温度変動時や電源電圧変動時でも前置増幅回路の出力バイアス電圧と等しいバイアス電圧を常に生成する。
【００１４】
つぎの発明にかかる前置増幅器にあっては、前記引き抜き電流制御回路は、電圧電流変換回路により構成したことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、電圧電流変換回路により構成された引き抜き電流制御回路は、前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧が基準バイアス電圧生成回路が出力する基準バイアス電圧に等しくさせる電圧制御を、電流引き抜き回路が前置増幅回路に流れ込む電流を引き抜くような電流制御に変換する。
【００１６】
つぎの発明にかかる前置増幅器にあっては、前記電流引き抜き回路は、トランジスタからなる定電流源回路で構成され、この定電流源回路と前記引き抜き電流制御回路の出力部の回路とカレントミラー回路を成すように構成されることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、引き抜き電流制御回路の出力部と定電流源回路で構成された自身の出力回路とがカレントミラー回路を成すように構成された電流引き抜き回路は、入力された光信号の光強度が増大した場合には、引き抜き電流を増やすように動作し、逆に、光強度が減少した場合には、引き抜き電流を減らすように動作する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる前置増幅器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる前置増幅器の実施の形態１の構成を示すブロック図である。同図に示す前置増幅器１は、前置増幅回路２、差動増幅回路３、引き抜き電流制御回路４、電流引き抜き回路５、基準バイアス電圧生成回路６を備えている。同図において、受光素子７のカソード側はバイアス電圧Ｖｐｄが印加され、アノード側は前置増幅回路２の入力端と電流引き抜き回路５とに接続されている。また、差動増幅回路３の二つの入力端には前置増幅回路２の出力と基準バイアス電圧生成回路６とがそれぞれ接続されている。さらに、差動増幅回路３の二つの出力端には、引き抜き電流制御回路４が接続され、引き抜き電流制御回路４の出力端は電流引き抜き回路５に接続されている。
【００２０】
つぎに、図１に示す差動増幅回路３の動作について説明する。図示しない光受信器で受信した光信号は、受光素子７で電流信号に変換され、前置増幅回路２によって電圧信号に変換される。この変換された単相の電圧信号は、後段の差動増幅回路３により増幅されるとともに、差動電圧信号に変換されて前置増幅器１から出力される。一方、基準バイアス電圧生成回路６は、無信号入力時に前置増幅回路２から出力されるバイアス電圧と等しいバイアス電圧を生成するようにして、無信号入力時の差動増幅回路３からの差動出力のバイアス電圧差が０となるような基準電圧を与えている。また、引き抜き電流制御回路４は、差動増幅回路３の差動出力のバイアス電圧差が０になるように、電流引き抜き回路５への印加電圧を制御するように動作する。
【００２１】
ここで、この実施の形態による前置増幅器１の入出力特性について説明する。まず、図２は、この発明の特徴である前置増幅回路２の出力を制御する制御手段を有しない場合の入出力特性を示す図である。すなわち、図１において、差動増幅回路３、引き抜き電流制御回路４、電流引き抜き回路５および基準バイアス電圧生成回路６を備えない場合の前置増幅器１の入出力特性を示す図である。一方、図３は、この実施の形態による前置増幅器１の入出力特性を示す図である。
【００２２】
図１の前置増幅器１において、前置増幅回路２の出力を制御する制御手段を有しない場合では、図２に示すように、入力電流振幅の小さい波形ａではリニアに増幅されているが、入力電流振幅の大きい波形ｂでは、リニアに増幅されていない。すなわち、光信号電流入力波形の振幅が大きくなると、波形歪みを生ずることになり、十分なダイナミックレンジを確保することができない。
【００２３】
一方、この実施の形態による前置増幅器１においては、引き抜き電流制御回路４および電流引き抜き回路５によって、差動増幅回路３の差動出力のバイアス電圧差が０になるようにフィードバック制御される。このとき、差動増幅回路３の二つの入力端に印加される平均のバイアス電圧差も０となる。つまり、前置増幅回路２の出力波形の平均値は、光受信器に入力される光信号の光強度によらず、常に無信号入力時に前置増幅回路２から出力されるバイアス電圧に等しくなる。したがって、前置増幅回路２への電流入力波形は、受光素子７で光電変換された電流から電流引き抜き回路５によってその平均電流を差し引いた図３に示す波形となる。
【００２４】
例えば、図３の入力電流振幅の小さい波形ａでは、ほぼ半分の振幅だけ左側にシフトされて入力されている。この左側へのシフト量が、電流引き抜き回路５によって差し引かれた平均電流の大きさである。この電流の引き抜きは、入力電流振幅の大きい波形ｂでも行われている。このように、入力電流の大きさに応じてその平均電流を差し引くように制御することにより、ほぼ２倍のダイナミックレンジを得ることができる。
【００２５】
このように、電流引き抜き回路５で引き抜く電流を、差動増幅回路３の出力電圧信号差を利用して引き抜き電流制御回路４で制御することによって、ダイナミックレンジの広域化を実現することができる。また、受光素子７のカソード側には電圧降下の原因となる回路を付加する必要がないので、従来例の問題点である高周波特性の劣化を招くことはない。
【００２６】
以上説明したように、この実施の形態によれば、前置増幅回路は、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換し、基準バイアス電圧生成回路は出力電流信号が無いときに前置増幅回路が出力する基準バイアス電圧を生成し、差動増幅回路は前置増幅回路の出力信号と基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号として、前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧に比例した電圧を引き抜き電流制御回路に入力し、差動増幅回路と電流引き抜き回路との間に設けられた引き抜き電流制御回路は、差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて前置増幅回路の入力端に接続された電流引き抜き回路が引き抜く電流を制御するようにしているので、高周波特性を犠牲にすることなく、広ダイナミックレンジ特性に優れた前置増幅器を得ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図４は、この発明にかかる前置増幅器１の実施の形態２の具体的な構成を示す回路図である。同図において、図１と同一な部分については、同一の符号を用いて示している。この図４において、差動増幅回路３は、２段の差動増幅回路で構成されている。引き抜き電流制御回路４は、差動増幅回路３の出力電圧差を比較する比較回路や、トランジスタおよび抵抗を組み合わせた定電流源で構成されている。電流引き抜き回路５は、引き抜き電流制御回路４からの印加電圧によって、引き抜かれる電流値を決めるトランジスタおよび抵抗で構成される。基準バイアス電圧生成回路６は、無信号入力時の前置増幅回路２の出力バイアス電圧と等しい電圧を生成するために、前置増幅回路２と等しい回路によって構成される。
【００２８】
つぎに、図４に示す回路の動作について説明する。説明の前に、各部を流れる電流および各部の電圧を、以下のように定義する。すなわち、受光素子７で光電変換された平均電流をＩｐｈｏｔｏ、前置増幅回路２へ入力される入力平均電流をＩｐｒｅ、前置増幅回路２が出力する出力バイアス電圧をＶｔｉａ、基準バイアス電圧生成回路６が出力する基準バイアス電圧をＶｒｅｆ、引き抜き電流制御回路４の正相側に入力される入力バイアス電圧をＶｉｎ、引き抜き電流制御回路４が出力する出力バイアス電圧をＶｏｕｔと、それぞれ定義する。また、トランジスタＱ１のコレクタ電流をＩ１、トランジスタＱ２のコレクタ電流をＩ２、トランジスタＱ３のコレクタ電流をＩ３、トランジスタＱ４のコレクタ電流をＩ４と、それぞれ定義する。なお、トランジスタＱ３とトランジスタＱ４とは１：１の比の電流を流すカレントミラー構成としている。
【００２９】
いま、図示しない光受信器に入力される光信号の光強度が増大したと仮定する。このとき、Ｉｐｒｅが増加することになるが、前置増幅回路２は反転増幅回路であるためＶｔｉａは低下する。このとき、差動増幅回路３の正相出力Ｖｉｎも低下するので、トランジスタＱ１のベース電位は下降する。
【００３０】
トランジスタＱ１のベース電位が下降すると、トランジスタＱ１のベース−エミッタ間のバイアス電圧が順バイアス側に深くなるので、Ｉ１は増大する。ところが、Ｉ２が流れる部分の回路は定電流回路として構成されており、Ｉ２はほとんど変化しない。したがって、トランジスタＱ２に流れ込めない電流であるＩ３（＝Ｉ１−Ｉ２）がトランジスタＱ３に流れ込むことになる。
【００３１】
一方、上述したように、トランジスタＱ３とトランジスタＱ４とは、１：１のカレントミラーとして構成されているため、電流Ｉｐｒｅの増加に伴う電流の増加分Ｉ３（＝Ｉ２−Ｉ１）の電流が、トランジスタＱ３を流れる電流Ｉ３とトランジスタＱ４を流れる電流Ｉ４とに分配される。その結果、電流引き抜き回路５が、受光素子７を流れる電流Ｉｐｈｏｔｏから電流Ｉ４を引き抜くことになる。
【００３２】
このように、引き抜き電流制御回路４と電流引き抜き回路５とは、図示しない光受信器に入力された光信号の光強度が増大した場合には、それを打ち消すために引き抜き電流を増やすように動作し、光強度が減少した場合には、それを打ち消すために引き抜き電流を減らすように動作する。
【００３３】
また、このような電流引き抜き動作が行われると、入力される光信号の光強度によらず、常に前置増幅回路２の出力バイアス電圧Ｖｔｉａが、無信号入力時に前置増幅回路２から出力される基準バイアス電圧、すなわちＶｒｅｆに等しくなることがわかる。これは同時に、前置増幅器１から出力される電気信号の両相の出力バイアス電圧差が０であることも意味しており、受光感度劣化を抑制するのに効果的である。
【００３４】
さらに、この実施の形態のように構成された前置増幅器１においては、引き抜き電流制御回路４と電流引き抜き回路５とにより、引き抜き電流の制御と前置増幅器１の出力バイアス電圧の制御とを同時に実現しているため、最小限のフィードバックループ数で前置増幅器１を構成することができるので、高周波特性を犠牲にすることなく広ダイナミックレンジ特性に優れ、かつ、受光感度特性に優れ、安定動作が可能な前置増幅器を得ることができる。
【００３５】
また、基準バイアス電圧生成回路６を、前置増幅回路２と等しい回路によって構成しているため、温度変動時や電源電圧変動時においても前置増幅回路２の出力バイアス電圧と等しいバイアス電圧を常に生成できる。したがって、環境変化に対する耐性に優れた前置増幅器を得ることができる。
【００３６】
さらに、引き抜き電流制御回路４内の差動増幅回路の利得を高く設定すれば、制御誤差をより小さくすることができるので、広ダイナミックレンジ特性および受光感度特性に一層優れた前置増幅器を得ることができる。
【００３７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、前置増幅回路は、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換し、基準バイアス電圧生成回路は出力電流信号が無いときに前置増幅回路が出力する基準バイアス電圧を生成し、差動増幅回路は前置増幅回路の出力信号と基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号として、前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧に比例した電圧を引き抜き電流制御回路に入力し、差動増幅回路と電流引き抜き回路との間に設けられた引き抜き電流制御回路は、差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて前置増幅回路の入力端に接続された電流引き抜き回路が引き抜く電流を制御するようにしているので、高周波特性を犠牲にすることなく、広ダイナミックレンジ特性に優れた前置増幅器を得ることができる。
【００３８】
また、この実施の形態によれば、基準バイアス電圧生成回路は、前置増幅回路と等しい回路で構成しているので、温度変動時や電源電圧変動時でも前置増幅回路の出力バイアス電圧と等しいバイアス電圧を常に生成するようにしているので、環境変化に対する耐性に優れた前置増幅器を得ることができる。
【００３９】
また、この実施の形態によれば、引き抜き電流制御回路が電圧電流変換回路により構成されているので、前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧が基準バイアス電圧生成回路が出力する基準バイアス電圧に等しくさせる電圧制御を、電流引き抜き回路が前置増幅回路に流れ込む電流を引き抜くような電流制御に変換するようにしているので、受光感度劣化を抑制することができる。
【００４０】
また、この実施の形態によれば、電流引き抜き回路は、トランジスタからなる定電流源回路で構成され、この定電流源回路と前記引き抜き電流制御回路の出力部の回路とがカレントミラー回路を成すように構成しているので、入力された光信号の光強度が増大した場合には、引き抜き電流を増やすことができ、逆に、光強度が減少した場合には、引き抜き電流を減らすようにしているので、高周波特性を犠牲にすることなく広ダイナミックレンジ特性に優れ、かつ、受光感度特性に優れ、安定動作が可能な前置増幅器を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換し、出力電流信号が無いときに前置増幅回路が出力する電圧値である基準バイアス電圧を生成し、前置増幅回路の出力信号と基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号とした差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて、前置増幅回路に入力される電流を引き抜くようにしているので、高周波特性を犠牲にすることなく、広ダイナミックレンジ特性に優れた前置増幅器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】この発明にかかる前置増幅器の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の特徴である前置増幅回路の出力を制御する制御手段を有しない場合の入出力特性を示す図である。
【図３】この実施の形態による前置増幅器の入出力特性を示す図である。
【図４】この発明にかかる前置増幅器の実施の形態２の具体的な構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１前置増幅器、２前置増幅回路、３差動増幅回路、４引き抜き電流制御回路、５電流引き抜き回路、６基準バイアス電圧生成回路、７受光素子、Ｉｐｈｏｔｏ受光素子で光電変換された平均電流、Ｉｐｒｅ前置増幅回路へ入力される入力平均電流、Ｖｔｉａ前置増幅回路が出力する出力バイアス電圧、Ｖｒｅｆ基準バイアス電圧生成回路が出力する基準バイアス電圧、Ｖｉｎ引き抜き電流制御回路の正相側に入力される入力バイアス電圧、Ｖｏｕｔ引き抜き電流制御回路が出力する出力バイアス電圧、Ｉ１トランジスタＱ１のコレクタ電流、Ｉ２トランジスタＱ２のコレクタ電流、Ｉ３トランジスタＱ３のコレクタ電流、Ｉ４トランジスタＱ４のコレクタ電流。

Claims

受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路と、
前記出力電流信号が無いときに前記前置増幅回路が出力する電圧値である基準バイアス電圧を生成する基準バイアス電圧生成回路と、
前記前置増幅回路の出力信号と前記基準バイアス電圧とをそれぞれ入力信号とする差動増幅回路と、
前記前置増幅回路の入力端に接続された電流引き抜き回路と、
前記差動増幅回路と前記電流引き抜き回路との間に設けられ、この差動増幅回路が出力する二つの出力電圧信号差に基づいて、この電流引き抜き回路が引き抜く電流を制御する引き抜き電流制御回路と、
を備えたことを特徴とする前置増幅器。
前記基準バイアス電圧生成回路は、前記前置増幅回路と等しい回路により構成されることを特徴とする請求項１に記載の前置増幅器。
前記引き抜き電流制御回路は、電圧電流変換回路により構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の前置増幅器。
前記電流引き抜き回路は、トランジスタからなる定電流源回路で構成され、この定電流源回路と前記引き抜き電流制御回路の出力部の回路とが、カレントミラー回路を成すように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の前置増幅器。