JP2004248286A - 帰還抵抗回路網を備えたトランスインピーダンス増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧増幅器と、該電圧増幅器の入力端子と出力端子とに結合される帰還回路とを持ったトランスインピーダンス増幅器を提供する。
【解決手段】帰還回路には、帰還抵抗回路網と並列なインピーダンス素子が含まれる。帰還抵抗回路網は、固定した実効抵抗値を持つ。帰還抵抗回路網は、電圧増幅器の入力端子とノードの間に置かれる第１抵抗素子と、電圧増幅器の出力端子とノードの間に置かれる第２抵抗素子と、ノードと接地電位の間に置かれる第３抵抗素子とを持つ。本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器を利用した、光通信システムを含む様々なシステムも提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスインピーダンス増幅器（transimpedance amplifier）に関し、特に、帰還抵抗回路網（feedback resistive network）を備えたトランスインピーダンス増幅器に関する。

トランスインピーダンス増幅器は、入力電流信号を出力電圧信号へと変換する。トランスインピーダンス増幅器は、光通信システムを含む様々なシステムと応用分野で利用することができる。トランスインピーダンス増幅器は、典型的には、電圧増幅器の入力端子と出力端子とを渡って結合される一つの帰還抵抗を含んでいる。電圧増幅器に与えられる電流信号は、電圧増幅器の入力インピーダンスが高いために、実質的に帰還抵抗を通過する。入力電流に比例する電圧信号は、こうして、電圧増幅器の出力において作られる。

トランスインピーダンス増幅器で、より大きな利得と感度とを得るためには、典型的には帰還抵抗の抵抗値を増やす。しかし、帰還抵抗の抵抗値を増やすことには、いくつかの欠点がある。第１に、帰還抵抗は、物理的な大きさが増すので、その場所に特典があるような環境で、さらなる空間を占める。第２に、半導体技術プロセスを使用して製造される抵抗は、それらに関する寄生容量を持つ。従って、より大きな抵抗は、トランスインピーダンス増幅器の帯域幅が減少することになる大きな寄生容量を持っている。

第３に、トランスインピーダンス増幅器の出力電位のドリフトは、いくつかのトランスインピーダンス増幅器において増える可能性がある。例えば、いくつかのトランスインピーダンス増幅器は、特定の耐性と温度依存性とを持ったバイポーラトランジスタを含んだ入力段を持っている。このような場合、帰還抵抗を通る電流は、トランジスタの出力電位のドリフトを起こし、これは、帰還抵抗値に比例する。この欠点は、特に、ガルヴァーニ接続アーキテクチャを備えた多段トランスインピーダンス増幅器によく見られる。

従って、上記の欠点を改善する際に、高い実効抵抗値を維持するために、固定した実効抵抗を備えた帰還抵抗値ネットワークを持ったトランスインピーダンス増幅器が要望されている。

本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器は、入力端子と出力端子とを持った電圧増幅器と、電圧増幅器の入力端子と出力端子とに結合される帰還回路とを含んでいる。帰還回路は、固定した実効抵抗値を持った帰還抵抗回路網と並列なインピーダンス素子を含んでいる。

本発明に沿った光通信システムは、光信号を検出して、その光信号を表す電流信号を作り出すように構成される光検出器と、電流信号を受信して、その電流信号を表す電圧信号を提供するように構成されるトランスインピーダンス増幅器とを含んでいる。トランスインピーダンス増幅器は、入力端子と出力端子とを持った電圧増幅器と、電圧増幅器の入力端子と出力端子に結合される帰還回路とを含んでいる。帰還回路は、帰還抵抗回路網と並列で固定した実効抵抗値を持ったインピーダンス要素を含んでいる。

本発明に沿った他のトランスインピーダンス増幅器は、入力端子と出力端子とを持った電圧増幅器と、固定した実効抵抗値を持った帰還抵抗回路網とを含んでいる。帰還抵抗回路網は、電圧増幅器の入力端子と出力端子の間に置かれる。固定した実効抵抗値は、Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）の式で与えられ、ここでＲeffは固定した実効抵抗値であり、Ｒ１は第１抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ２は第２抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ３は第３抵抗素子の抵抗値である。

本発明のさらなる側面によると、入力端子と出力端子とを持った電圧増幅器と、固定した実効抵抗値を持った電圧増幅器とを含んだトランスインピーダンス増幅器が与えられる。帰還抵抗回路網は、電圧増幅器の入力端子と出力端子の間に置かれる。帰還抵抗回路網は、電圧増幅器の入力端子とノードとの間に置かれる第１抵抗素子と、電圧増幅器の出力端子とノードとの間に置かれる第２抵抗素子と、ノードと接地電位端子との間に置かれる第３抵抗素子とを含んでいる。

トランスインピーダンス増幅器の帯域幅を増やす方法も与えられ、そこには、トランスインピーダンス増幅器の入力端子に電流信号を提供する段階と、トランスインピーダンス増幅器の入力端子と出力端子の間に置かれるインピーダンス素子を提供する段階と、関連する寄生容量を持った帰還抵抗回路網用の固定した実効値を設定する段階とが含まれ、前記帰還抵抗回路網は、トランスインピーダンス増幅器の入力端子と出力端子の間にインピーダンス素子と平行に置かれ、前記帯域幅は、帰還抵抗回路網の関連する寄生容量に基づいている。

本発明の長所は、その実施例の以下の詳細な説明から明らかであろうし、その記載は、添付の図面と共に考察されるべきである。

図１は、本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器１１０を含む光通信システム１００のブロック図である。光通信システム１００は、本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器１１０を利用することのできる様々なシステムあるいは応用物の一つである。他のシステムや応用物には、いくつかを挙げると、医療機器や科学機器や低雑音ＲＦ増幅器やＲＦ信号処理アプリケーションが含まれる。従って、本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器は、広範囲のシステムや応用物に組み入れることができるということを理解されたい。

光通信システム１００は、通常、送信器１０２と光情報チャネル１０４と受信器１０６とを含んでいる。当業者ならば、説明の簡略化のために、システム１００が、極端に簡略化された二地点間システム形態として描かれていることが分かるであろう。本発明に沿った受信器を、さらに、広範囲の光ネットワークの部品と構成に組み入れることができることを理解されよう。

送信器１０２において、光情報チャネル１０４を渡って送信するために、データは、光波長上で変調することができる。光情報チャネル１０４は、光ファイバー導波管と、光増幅器と、光フィルターと、分散補償モジュールと、他の能動的及び受動的部品とを含んでいよう。受信器１０６は、例えば、良く知られた動作では、受信した光信号を、光検出器１０８に入力される光信号を表す関連した電流信号に変換する光ダイオードのような光検出器１０８を含んでいる。一般的に、トランスインピーダンス増幅器１１０は、光検出器１０８から電流信号Ｉ＿ｉｎを受信して、それを電流信号を表す電圧信号Ｖ＿ｏｕｔに変換するように構成される。

電圧信号Ｖ＿ｏｕｔは、その後、閾値回路１１２に入力することができる。閾値回路は、受信した電圧信号を、関連する時刻における閾値電圧レベルと比較するように構成される。もし受信した信号が、関連する標本時刻における閾値レベルより大きければ、閾値回路１１２は、ディジタルで１を出力する。もし受信した信号が、関連する標本時刻において閾値レベルより小さければ、閾値回路は、ディジタルでゼロを出力する。そのように、ディジタル信号が閾値回路１１２から出力される。

図２を見ると、本発明に沿った一例のトランスインピーダンス増幅器２１０のブロック図が図示されている。一般的に、トランスインピーダンス増幅器２１０は、入力電流信号Ｉ＿ｉｎを受け取って、その信号を入力電流信号を表す出力電圧信号Ｖ＿ｏｕｔに変換する。トランスインピーダンス増幅器２１０は、通常、入力端子２４０と出力端子２４２とを持った電圧増幅器２０１を含んでいる。入力端子２４０と出力端子２４２に結合されるのは、帰還回路２０３である。

有利なことに、帰還回路２０３には、例えば一実施形態におけるコンデンサ２３１のようなインピーダンス素子と並列であり、ここでより詳細に説明される帰還抵抗回路網２４６が含まれる。インピーダンス素子は、トランスインピーダンス増幅器２１０のために、高周波において周波数補償を提供する。そのように、インピーダンス素子には、周波数に依存する伝導性と位相シフトがある。

帰還抵抗回路網２４６は、さらに、第１抵抗素子Ｒ１と第２抵抗素子Ｒ２と第３抵抗素子Ｒ３のような複数の抵抗素子を含んでいよう。この抵抗素子は、例えば既存の半導体技術プロセスによって製造される抵抗のような、ある抵抗値を持った当業界で良く知られた様々な素子であって良い。そのような抵抗素子は、受動素子でも良い。

第１抵抗素子Ｒ１は、電圧増幅器２０１の入力端子２４０とノード２５０の間に置くことができる。第２抵抗素子Ｒ２は、電圧増幅器２０１の出力端子２４２とノード２５０の間に置くことができる。最後に、第３抵抗素子Ｒ３は、ノード２５０と接地電位の間に置くことができる。第１抵抗素子Ｒ１と第２抵抗素子Ｒ２とは、互いに直列にすることができる。帰還抵抗回路網２４６の実効抵抗Ｒeffは、式（１）で与えられる。
式（１）
Ｒeff＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３））／（１＋（１＋Ｒ２／Ｒ３）／Ｋ）

増幅器の開ループ電圧利得の法（modulus）であるＫは、典型的には４０より大きいので、式（１）は、式（２）に簡略化することができる。
式（２）
Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）

そのように、Ｒ３に十分に小さなものを選ぶと、実効抵抗を大きくすることができる。多くの例の一つにおいて、Ｒ１とＲ２は９０.５Ωであり、Ｒ３は１０Ωであり、結果として、Ｒeffを１ｋΩに等しくすることができる。有利なことに、Ｒ１とＲ２によって与えられる寄生容量は、Ｒeffに等しい抵抗値を持つ一つの大きな抵抗が与える寄生容量よりも小さい。例えば、Ｒ１とＲ２とＲ３が与える寄生容量は、もしＲ１＝Ｒ２＝９０.５ΩでＲ３＝１０Ωならば、１ｋΩの抵抗が与える寄生容量よりも小さい。

そのように、トランスインピーダンス増幅器の帯域幅は、効果的に増加する。帰還回路２０３は、帰還抵抗回路網２４６が与える寄生容量の減少に比例して、トランスインピーダンス増幅器の帯域幅を有効に増加させる大きな実効抵抗を有利に提供する。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を適切に選択することで、希望する帯域幅を得ることができる。

図３を見ると、本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器３１０の一実施形態に対する回路図の一例が示されている。トランスインピーダンス増幅器３１０への入力電流源は、光検出器３０８のような様々な供給源によって与えることができる。光検出器３０８は、図３に示されるように、電流源３２１とコンデンサ３２２としてモデル化される光ダイオードであって良い。トランスインピーダンス増幅器３１０には、既述したように、例えばコンデンサ２３１のようなインピーダンス素子と並列の帰還抵抗回路網２４６を含む帰還回路２０３が含まれる。帰還回路は、電圧増幅器３０１の入力端子３４０と出力端子３４２に結合される。

トランスインピーダンス増幅器３１０の電圧増幅器３０１は、トランジスタ３１１，３１２，３１３と抵抗３１４，３１５，３１６を含んでいる。入力電流信号Ｉ＿ｉｎは、トランジスタ３１１の制御電極に結合される。一実施形態において、トランジスタ３１１，３１２，３１３は、バイポーラ型ＮＰＮトランジスタであって良い。そのように、一実施形態におけるバイポーラ型トランジスタ３１３の出力端子、あるいはＮＰＮ型トランジスタのエミッタ端子は、出力電圧信号Ｖ＿ｏｕｔを提供するトランスインピーダンス増幅器の出力端子３４２に結合することができる。

電圧増幅器３０１が、バイポーラ型トランジスタを含むとき、出力電位Ｖ＿ｏｕｔは、希望する値からシフトする。この出力電位のシフトは、一つの大きな帰還抵抗によって増加する。この欠点は、ガルヴァーニ接続アーキテクチャによる多段トランスインピーダンス増幅器によく見られる。有利なことに、本発明に沿った帰還回路２０３によると、出力電位のドリフトは、単一の大きな帰還抵抗を使用する場合に比して減少させることができる。例えば、図３の実施形態において、バイポーラトランジスタ３１１，３１２，３１３のトランジスタのパラメータβ（ベータ）が、例えば５０と２００の間で変化するとき、様々な条件下で、出力電位Ｖ＿ｏｕｔは、公称出力電圧の約１.０３倍から約０.９８２倍まで変化するだけである。

一方、ここに記載した実施形態は、本発明を使用したいくつかの内のわずかなものに過ぎず、それらの実施形態は、ここに例示のために示されたもので、限定をするものではない。当業者には容易に明らかであろう、他の多くの実施形態は、添付の特許請求の範囲に定義した本発明の趣旨と範囲から実質的に逸脱することなく作ることができる。

本発明に沿ったトランスインピーダンス増幅器を含む光通信システムのブロック図である。 本発明に沿った帰還回路を持った図１のトランスインピーダンス増幅器のより詳細なブロック図である。 図２のトランスインピーダンス増幅器の一例の回路図である。

符号の説明

１０２…送信器
１０４…光情報チャネル
１０８，３０８…光検出器
１１０，２１０，３１０…トランスインピーダンス増幅器
１１２…閾値回路
２０１，３０１…電圧増幅器
２０３…帰還回路
２４０，３４０…入力端子
２４２，３４２…出力端子
２５０…ノード
３１１，３１２，３１３…トランジスタ
３１４，３１５，３１６…抵抗
３２１…電流源
３２２…コンデンサ

Claims (22)

1. トランスインピーダンス増幅器において、該トランスインピーダンス増幅器は、
   入力端子と出力端子を持った電圧増幅器と、
   前記電圧増幅器の前記入力端子と前記出力端子とに結合される帰還回路と
   を持ち、
   前記帰還回路は、固定した実効抵抗値を持つ帰還抵抗回路網と並列なインピーダンス素子を備えることを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
2. 前記帰還抵抗回路網は、受動的抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１記載のトランスインピーダンス増幅器。
3. 前記帰還抵抗回路網は、直列に結合される第１抵抗素子と第２抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項１記載のトランスインピーダンス増幅器。
4. 前記帰還抵抗回路網は、
   前記電圧増幅器の前記入力端子とノードとの間に置かれる第１抵抗素子と、
   前記電圧増幅器の前記出力端子と前記ノードとの間に置かれる第２抵抗素子と、
   前記ノードと接地電位端子との間に置かれる第３抵抗素子と
   を備えることを特徴とする請求項１記載のトランスインピーダンス増幅器。
5. 前記固定した実効抵抗値は、
   Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）
   の式によって与えられ、
   ここで、Ｒ１は、前記第１抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ２は、前記第２抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ３は、前記第３抵抗素子の抵抗値であることを特徴とする請求項４記載のトランスインピーダンス増幅器。
6. 前記電圧増幅器は、少なくとも一つのバイポーラトランジスタを備えることを特徴とする請求項１記載のトランスインピーダンス増幅器。
7. 前記少なくとも一つのバイポーラトランジスタは、前記電圧増幅器の前記出力端子に結合される一つの端子を持つことを特徴とする請求項６記載のトランスインピーダンス増幅器。
8. 前記インピーダンス素子は、コンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載のトランスインピーダンス増幅器。
9. 光通信システムにおいて、該システムは、
   光信号を検出し、前記光信号を表す電流信号を作り出すように構成される光検出器と、
   前記電流信号を受け取り、前記電流信号を表す電圧信号を供給するように構成されるトランスインピーダンス増幅器と
   を備え、
   前記トランスインピーダンス増幅器は、
   入力端子と出力端子とを持つ電圧増幅器と、
   前記電圧増幅器の前記入力端子と前記出力端子とに結合する帰還回路とを持ち、
   前記帰還回路は、固定した実効抵抗値を持つ帰還抵抗回路網と並列なインピーダンス素子を備えることを特徴とするシステム。
10. 前記帰還抵抗回路網は、受動的抵抗素子を備えることを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 前記帰還抵抗回路網は、直列に結合される第１抵抗素子と第２抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項９記載のシステム。
12. 前記帰還抵抗回路網は、
    前記電圧増幅器の前記入力端子とノードとの間に置かれる第１抵抗素子と、
    前記電圧増幅器の前記出力端子と前記ノードとの間に置かれる第２抵抗素子と、
    前記ノードと接地電位端子との間に置かれる第３抵抗素子と
    を備えることを特徴とする請求項９記載のシステム。
13. 前記固定した実効抵抗値は、
    Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）
    の式によって与えられ、
    ここで、Ｒ１は、前記第１抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ２は、前記第２抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ３は、前記第３抵抗素子の抵抗値であることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
14. 前記電圧増幅器は、少なくとも一つのバイポーラトランジスタを備えることを特徴とする請求項９記載のシステム。
15. 前記少なくとも一つのバイポーラトランジスタは、前記電圧増幅器の前記出力端子に結合される一つの端子を持つことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
16. 前記インピーダンス素子は、コンデンサを備えることを特徴とする請求項９記載のシステム。
17. トランスインピーダンス増幅器において、該トランスインピーダンス増幅器は、
    入力端子と出力端子とを持つ電圧増幅器と、
    固定した実効抵抗値を持つ帰還抵抗回路網と
    を備え、
    前記帰還抵抗回路網は、前記電圧増幅器の前記入力端子と前記出力端子との間に置かれ、
    前記固定した実効抵抗値は、
    Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）
    の式によって与えられ、
    ここで、Ｒeffは、前記実効抵抗値であり、Ｒ１は、前記第１抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ２は、前記第２抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ３は、前記第３抵抗素子の抵抗値であることを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
18. トランスインピーダンス増幅器において、該トランスインピーダンス増幅器は、
    入力端子と出力端子とを持つ電圧増幅器と、
    固定した実効抵抗値を持つ帰還抵抗回路網と
    を備え、
    前記帰還抵抗回路網は、前記電圧増幅器の前記入力端子と前記出力端子との間に置かれ、
    前記帰還抵抗回路網は、
    前記電圧増幅器の前記入力端子とノードとの間に置かれる第１抵抗素子と、
    前記電圧増幅器の前記出力端子と前記ノードとの間に置かれる第２抵抗素子と、
    前記ノードと接地電位端子との間に置かれる第３抵抗素子と
    を備えることを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
19. トランスインピーダンス増幅器の帯域幅を広げる方法において、該方法は、
    電流信号を前記トランスインピーダンス増幅器の入力端子に供給する段階と、
    前記トランスインピーダンス増幅器の前記入力端子と前記出力端子との間に置かれるインピーダンス素子を提供する段階と、
    関連する寄生容量を持った帰還抵抗回路網に、固定した実効値を設定する段階と
    を備え、
    前記帰還抵抗回路網は、前記インピーダンス素子と並列な前記トランスインピーダンス増幅器の前記入力端子と前記出力端子との間に置かれ、
    前記帯域幅は、前記帰還抵抗回路網の前記関連する寄生容量に基づくことを特徴とする方法。
20. 前記帰還抵抗回路網は、直列に結合される第１抵抗素子と第２抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記帰還抵抗回路網は
    前記電圧増幅器の前記入力端子とノードとの間に置かれる第１抵抗素子と、
    前記電圧増幅器の前記出力端子と前記ノードとの間に置かれる第２抵抗素子と、
    前記ノードと接地電位端子との間に置かれる第３抵抗素子と
    を備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. 前記固定した実効抵抗値は、
    Ｒeff＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ１（Ｒ２／Ｒ３）
    の式によって与えられ、
    ここで、Ｒ１は、前記第１抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ２は、前記第２抵抗素子の抵抗値であり、Ｒ３は、前記第３抵抗素子の抵抗値であることを特徴とする請求項２１記載の方法。
    
    

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