JP2005045485A

JP2005045485A - 光受信器

Info

Publication number: JP2005045485A
Application number: JP2003202394A
Authority: JP
Inventors: Nariyuki Sakura; 倉成之佐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】高域遮断周波数特性、低域遮断周波数特性及び耐ノイズ特性に優れた光受信器を提供する。
【解決手段】アノードが基準電位に接続された受光素子２と、前記受光素子２のカソードに一端が接続されたコンデンサＣｄと、前記コンデンサＣｄの他端に入力が接続された、入力段にバイアス手段を有する増幅器１と、前記増幅器の反転出力と前記カソード２2との間を接続する帰還抵抗ＲFとを備えたものとして光受信器を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を電気信号に変換する光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を電気信号に変換し、増幅する半導体装置の例として、特公平４−６７７８９号公報に記載されたものを図４に示す。
【０００３】
この半導体装置は、ｐ型エピタキシャル層４２（４２_１は高濃度領域、４２_２は低濃度領域）及びｐ^＋型アイソレーション拡散層４４と、ｎ型エピタキシャル層４３との間で形成されたフォトダイオード（ＰＤ）を有し、基板としてｐ型半導体基板４１を用いていることを特徴とする。つまり、フォトダイオードのアノード側が基板になることを特徴とする。この基板は、最低電位、通常は接地電位に接続されて動作する。図中、Ｗは、ｐ型エピタキシャル層４２及びｐ^＋型アイソレーション拡散層４４中に形成された空乏層領域を示す。
【０００４】
なお、ｎ^＋型エミッタ領域４８とｐ型ベース領域４７とｎ型エピタキシャル層４３とはＮＰＮトランジスタを形成し、このＮＰＮトランジスタは、フォトダイオードで生成された電気信号を増幅する。ｎ型エピタキシャル層４３表面にはシリコン酸化膜４９が形成され、このシリコン酸化膜４９上には、コンタクトホールを介して各種領域を接続するアルミニウム電極配線５０_１、５０_２、５０_３が形成されている。４６は、コレクタ抵抗を下げるためのｎ^＋型埋め込み領域、４５は、ｎ^＋型コンタクト領域である。
【０００５】
上述したようなアノード側が接地されたフォトダイオードを用いた光受信器の構成例を、図５〜図７に示す。
【０００６】
図５（ａ）は、従来における第１の光受信器の構成を示す回路ブロック図である。
【０００７】
フォトダイオード（ＰＤ）３１のアノード側が接地され、フォトダイオード３１のカソード側が、増幅器３０の入力端子３０_１に接続されている。増幅器３０はオープンループゲインＡで、その反転出力端子３０_２は、負帰還用の抵抗Ｒ_Ｆを介して入力端子３０_１に接続されている。
【０００８】
図５（ｂ）は、増幅器３０の構成を示す回路図である。
【０００９】
入力端子３０_１は入力トランジスタ（ＮＰＮ）Ｔｒ１１のベースに接続され、入力トランジスタＴｒ１１のエミッタは接地電位に、コレクタは抵抗Ｒ_Ｌ１を介して電源電位Ｖｃｃに、接続されている。また、抵抗Ｒ_Ｌ１の接地電位側は出力トランジスタ（ＮＰＮ）Ｔｒ１２のベースに接続され、出力トランジスタＴｒ１２のコレクタは上述の電源電位Ｖｃｃに、エミッタは抵抗Ｒ_Ｌ２を介して接地電位に接続されている。
【００１０】
この回路構造では、フォトダイオード３１（図５（ａ）参照）に、入力トランジスタＴｒ１１におけるベース−エミッタ間の電圧Ｖ_ＢＥ（シリコントランジスタの場合０．８Ｖ程度）しか逆バイアス電圧を印加できない。フォトダイオード３１に加わる逆バイアス電圧が小さいと、空乏層が拡がらず、接合容量が大きくなる。このため、十分な帯域、つまり、十分な高域周波数特性を確保することができない。
【００１１】
図６は、従来における第２の光受信器の構成を示す回路ブロック図である。
【００１２】
図６に示すように、フォトダイオード３１に逆バイアス電圧を印加するための電源Ｖｃｃが配置され、この電源Ｖｃｃから抵抗Ｒ_Ｂ１、抵抗Ｒ_Ｂ２を介して逆バイアス電圧が印加されるので、フォトダイオード３１に十分大きな逆バイアス電圧を加えることができる。
【００１３】
しかしながら、この回路構造では、電源Ｖｃｃからフォトダイオード３１に入るノイズを除去するため、図６に示すように、抵抗Ｒ_Ｂ１とＲ_Ｂ２との間にコンデンサＣ_Ｂを加えなければならない。また、コンデンサＣ_Ｂを加えた場合でも、コンデンサＣ_Ｂの周波数特性や回路の引き回し状況によっては、十分なノイズ除去性能を確保できないこともある。
【００１４】
さらに、フォトダイオード３１と増幅器３０との間に配置した、電源Ｖｃｃからの直流成分をカットする結合コンデンサＣｄの容量を大きくする必要がある。つまり、結合コンデンサＣｄから増幅器３０を見込んだときのインピーダンスＺｉがＲ_Ｆ／Ａ（Ａ＞＞１）と低くなるため、低域遮断周波数（＝１／（２πＣｄ・（Ｒ_Ｆ／Ａ）））を低く抑えるには、容量Ｃｄを大きくする必要がある。しかし、容量Ｃｄを大きくすると、ワンチップに集積化できなくなり、これは現実的でない。
【００１５】
図７（ａ）は、従来における第３の光受信器の構成を示す回路ブロック図である。図７（ｂ）は、第３の光受信器における差動増幅器３４の構成を示す回路図である。
【００１６】
図７（ａ）に示すように、この回路では、増幅器として差動増幅器３４を用いている。差動増幅器３４のプラス入力端子３４_１はフォトダイオード３１のカソードに接続され、一方、マイナス入力端子３４_２は、基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。
【００１７】
このような差動増幅器３４を用いた場合、フォトダイオード３１には、マイナス入力端子３４_２に加えられる基準電圧Ｖｒｅｆとほぼ等しい電圧を加えることができる。よって、フォトダイオード３１の接合容量は、図５（ａ）に比べて、小さくすることができる。
【００１８】
しかしながら、図７（ｂ）に示す差動増幅器３４の回路と、図５（ｂ）に示す増幅器３０の回路とを比較して分かるように、入力トランジスタＴｒ１３，１４（図７（ｂ）参照）と入力トランジスタＴｒ１１（図５（ｂ）参照）とに流す電流値を同一と仮定すると、図７（ｂ）の回路では、負荷抵抗Ｒ_Ｌ９の値を小さくしなければならなくなる。この結果、図７（ｂ）における回路のオープンループゲインＡは、図５（ｂ）の回路に比べて、Ｒ_Ｌ９／Ｒ_Ｌ１倍だけ小さくなり、その分、高域遮断周波数特性は不利になってしまう。
【００１９】
【特許文献１】
特公平４−６７７８９号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように、従来においては、高域遮断周波数特性、低域遮断周波数特性及び耐電源ノイズ特性に優れた光受信器は存在しなかった。
【００２１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高域遮断周波数特性、低域遮断周波数特性及び耐電源ノイズ特性に優れた光受信器を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光受信器は、アノードが基準電位に接続された受光素子と、前記受光素子のカソードに一端が接続されたコンデンサと、前記コンデンサの他端に入力が接続された、入力段にバイアス手段を有する増幅器と、前記増幅器の反転出力と前記カソードとの間を接続する帰還抵抗と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
前記受光素子は、例えば、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合からなる。
【００２４】
前記増幅器の出力段に、出力レベルを上昇させるレベルシフト回路が接続されてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態として光受信器の構成を示す回路ブロック図である。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合からなる受光素子（フォトダイオード）２のアノード２_１が接地され、カソード２_２がコンデンサＣｄの一端に接続されている。
【００２７】
コンデンサＣｄの他端は、オープンループゲインＡを有する増幅器１の入力端子１_１に接続されている。
【００２８】
増幅器１の反転出力端子１_２は、帰還抵抗Ｒｆを介してカソード２_２に接続されている。
【００２９】
図１（ｂ）は、増幅器１の構成を詳細に示す回路図である。
【００３０】
入力端子１_１は入力トランジスタ（ＮＰＮ）Ｔｒ１のベースに接続され、入力トランジスタＴｒ１のエミッタは接地電位に、コレクタは抵抗Ｒ_Ｌ１を介して電源電位Ｖｃｃに、接続されている。
【００３１】
抵抗Ｒ_Ｌ１のコレクタ側は出力トランジスタ（ＮＰＮ）Ｔｒ２のベースに接続され、出力トランジスタＴｒ２のコレクタは上述の電源電位Ｖｃｃに接続されている。
【００３２】
出力トランジスタＴｒ２のエミッタは抵抗Ｒ_Ｌ２を介して接地電位に接続されている。
【００３３】
増幅器１の入力段には、抵抗Ｒ_Ｌ３及び抵抗Ｒ_Ｌ４からなるバイアス電圧印加手段が接続されている。このバイアス電圧印加手段は、電源電位Ｖｃｃを、抵抗Ｒ_Ｌ３と抵抗Ｒ_Ｌ４とで分圧して、入力トランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間にバイアス電圧を供給する。このバイアス電圧は、入力信号を損なうことなく適正に増幅させるためのものである。ここでは、バイアス印加手段として、バイアス電圧を印加するようにしているが、バイアス電流を印加するようにしてもよい。
【００３４】
以上の構成において、図１（ａ）に示すように、受光素子２に光信号が入力すると、受光素子２はこの光信号を電気信号に変換する。この際、受光素子２には、増幅器１の出力電圧Ｖ_０が、帰還抵抗Ｒｆを介して印加される。図１（ａ）からも分かるように、受光素子２へのバイアス電圧は、ベース−エミッタ間電圧（図１（ｂ）参照）に制限されない。よって、受光素子２に大きなＤＣバイアス電圧を印加できる。増幅器１の出力段に、図３に示すように、レベルシフト回路４を追加して、出力電圧を上昇させてもよい。これにより、さらに大きなＤＣバイアス電圧を受光素子２に印加して高域遮断周波数特性を高めることができる。この場合、本来の出力は、レベルシフト回路４の手前から取るようにすれば問題ない。その他、増幅器１の出力電圧を上昇させるには、抵抗Ｒ_Ｌ１の値を小さくすることなどが考えられる。
【００３５】
以上のようにして受光素子２から出力された電気信号は、コンデンサＣｄによってバイアス電圧（あるいはバイアス電流）を基準とした電気信号に変換されて、入力端子１_１に入力する。そして、入力電気信号は、帰還抵抗Ｒｆ倍されて、反転出力端子１_２から、出力電圧Ｖ_０として出力される。
【００３６】
次に、図１（ａ）の光受信器の特性について詳しく説明する。
【００３７】
図２は、図１（ａ）における光受信器の等価回路を示す図である。
【００３８】
図２に示すように、受光素子２（図１（ａ）参照）は、コンデンサＣｊと電流源Ｉ（矢印の方向に電流Ｉが流れるものとする）との並列接合で表される。
【００３９】
ここで、増幅器１の入力電圧Ｖ_２と出力電圧Ｖ_０との関係から以下の（式１）が導かれる。
【数１】

【００４０】
また、図中、点Ｐ１において、キルヒホッフの法則を適用すると、以下の（式２）が導かれる。
【数２】

【００４１】
また、入力端子１_１において、キルヒホッフの法則を適用すると、以下の（式３）が導かれる。
【数３】

【００４２】
但し、Ｚｉは、バイアス電圧印加手段のインピーダンスと、増幅器２からバイアス印加手段を除いた状態における増幅器２の入力インピーダンスとの合成インピーダンス（並列インピーダンス）を表す。
【００４３】
これら３つの（式１）〜（式３）からＶ_１とＶ_２とを消去してＶ_０について解き、さらに、ｊω＝ｓとすると、以下の（式４）が得られる。
【数４】

【００４４】
この（式４）は、以下の（式５）に示す、一般的な帯域通過関数（帯域通過フィルタ）の形を有している。
【数５】

【００４５】
（式４）と（式５）とを対応させると、以下の（式６）〜（式８）が成り立つ。
【数６】

【００４６】
一般的に、Ａ＞＞１であることから、（式７）及び（式８）の分母からＡを含む項以外の項を消去すると、以下の近似式（式９）及び（式１０）が得られる。
【数７】

【００４７】
（式９）に示すように、通常は、Ｃｊ＜Ｃｄに設定でき、また、Ｒ_ＦとＺｉは１桁も変わらない程度の差しかない。よって、Ｑは１よりも極めて小さな値に設計できる。すなわち、図１（ａ）の回路は、周波数に対して急峻な特性にならず、広い周波数範囲にわたって好適なブロードな特性（ゲイン）を有する。
【００４８】
ここで、（式９）及び（式１０）の近似式を用いて、（式４）の出力Ｖ_０／Ｉ（振幅）が１／√２（−３ｄＢ）になる周波数（高域遮断周波数ｆｃ）を求めると、
【数８】

となる。
【００４９】
従来の図５における回路の高域遮断周波数も（式１１）と同じ式になるが、本実施の形態では、上述したように、受光素子２に加えるＤＣバイアス電圧を大きくできる分、Ｃｊの値は小さくできる。従って、本実施の形態では、高い高域遮断周波数特性を得ることができる。
【００５０】
一方、低域遮断周波数ｆｄについても同様にして求めると、
【数９】

となる。
【００５１】
従来技術のところで述べたように、図６の回路の低域遮断周波数は、１／（２πＣｄ・（Ｒ_Ｆ／Ａ）であり、これと比べて分かるように、（式１１）では、分母に１／Ａを含まない（Ａ＞＞１）。従って、低域遮断周波数も、十分に低くできる。
【００５２】
ここで、本実施の形態による効果を従来の場合と比較して表１に示す。
【表１】

【００５３】
表１からも、本実施の形態が、最も欠点がなく、優れていることが分かる。つまり、高域遮断周波数特性及び低域遮断周波数特性に優れていることは上述した通りであり、耐電源ノイズ特性に優れていることも、受光素子２へのＤＣバイアス電圧印可に、図６のように電源を用いないことから、明らかである。
【００５４】
以上のように、本実施の形態によれば、フォトダイオードのカソードと増幅器との間にコンデンサを配置し、増幅器の出力を帰還抵抗を介してカソードに接続するようにしたので、増幅器２の出力電圧を用いて、受光素子２に大きなバイアス電圧を印加できる。これにより、図４（ａ）に示す回路に比べ、低域遮断周波数特定及び耐ノイズ特性を悪化させることなく、高い高域遮断周波数特性を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、受光素子のカソードと増幅器との間にコンデンサを配置し、増幅器の出力を帰還抵抗を介してカソードに接続するようにしたので、増幅器の出力を用いて、受光素子に高いバイアス電圧を印加することができる。これにより、高い遮断周波数特性を得ることができると共に、高い低域遮断周波数特性及び高い耐ノイズ特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態として光受信器の構成、及びこの光受光器における増幅器の回路を示す回路ブロック図である。
【図２】図１における光受信器の等価回路を示す図である。
【図３】レベルシフト回路を含む増幅器の構成例を示す図である。
【図４】従来における、フォトダイオードを含む半導体装置の例を示す図である。
【図５】従来における第１の光受信器の構成を示す回路ブロック図である。
【図６】従来における第２の光受信器の構成を示す回路ブロック図である。
【図７】従来における第３の光受信器の構成、及びこの第３の光受信器における差動増幅器３４の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１増幅器
１_１入力端子
１_２出力端子
２受光素子（フォトダイオード）
２_１アノード
２_２カソード
４レベルシフト回路
Ｃｄ結合コンデンサ
Ｒ_Ｆ帰還抵抗
Ｔｒ１入力トランジスタ
Ｔｒ２出力トランジスタ
Ｒ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２、Ｒ_Ｌ３、Ｒ_Ｌ４抵抗
Ｖｃｃ所定電圧
Ｖ_ＢＥベース−エミッタ間電圧
Ｃｊ接合コンデンサ
Ｉ電流源

Claims

アノードが基準電位に接続された受光素子と、
前記受光素子のカソードに一端が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの他端に入力が接続された、入力段にバイアス手段を有する増幅器と、
前記増幅器の反転出力と前記カソードとの間を接続する帰還抵抗と、
を備えた光受信器。
前記受光素子は、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合からなることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
前記増幅器の出力段に、出力レベルを上昇させるレベルシフト回路が接続されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信器。