JP2006033573A - 増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 低消費電力でありながら、高利得な増幅回路を提供する。
【解決手段】 受光回路１０は、前置増幅回路２８，エミッタフォロア回路４０および高周波増幅回路４２という３つの増幅回路を備えている。これら３つの増幅回路２８，４０および４２は、多段接続されているので、受光回路１０全体として、極めて高い利得を得ることができる。しかも、各増幅回路２８，４０および４２は、電源経路的にも互いに直列に接続されているので、当該各増幅回路２８，４０および４２を駆動させるための電源電流Ｉｃは、当該各増幅回路２８，４０および４２を一貫して流れる。従って、例えば各増幅回路２８，４０および４２に対して並列に電源電流が供給される構成に比べて、当該各増幅回路２８，４０および４２による電力の消費を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、増幅回路に関し、特に例えばフォトダイオードによる光電変換処理後の信号を増幅するのに適した、増幅回路に関する。

フォトダイオードは、例えば空間光通信装置の受光回路に使用される。非特許文献１には、この受光回路（変調光検出回路）の一例が、開示されている。この回路例によれば、フォトダイオードは、逆バイアス態様で駆動される。即ち、当該フォトダイオードのカソード端子に、＋１２Ｖの直流電圧が印加される。そして、アノード端子は、抵抗器を介して接地電位（ＧＮＤ）に接続される。このようにフォトダイオードを逆バイアス態様で駆動させることによって、当該フォトダイオードの周波数応答性および直線性が改善される。そして、このフォトダイオードによる光電変換処理後の信号は、カップリング用コンデンサを介して、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）と言う。）を用いたソース接地型の交流増幅回路に入力される。このようにいわゆる前置増幅回路に高入力インピーダンス素子であるＦＥＴを用いることで、低出力インピーダンス素子であるフォトダイオードから得られる信号を、適切に増幅させることができる。
谷善平著、「新版オプト・デバイス応用ノウハウ」、初版、ＣＱ出版株式会社、２０００年１２月１５日、ｐ．１４７

ところで、上述の空間光通信装置として、例えば赤外線会議システムがある。この赤外線会議システムでは、会議室の天井や壁面等に複数台の送受光装置が適宜取り付けられると共に、同会議室の適宜箇所、例えば机の上に複数台の端末装置が配置される。そして、これら送受光装置と端末装置との間で、赤外線を媒体とする空間光通信が行われ、これを実現するために、当該送受光装置および端末装置のそれぞれは、上述のような受光回路を備えている。

ここで、送受光装置は、所定の通信（受光）可能領域を確保するべく、当該受光回路（フォトダイオード）を複数備えている。しかしながら、このように複数の受光回路を備えることで、当然に、送受光装置自体の消費電力が増大する。特に、送受光装置は、これとは別に設けられた主装置から供給される直流電力を電源として駆動するので、当該送受光装置の消費電力の増大は、主装置にとって大きな負担となる。そして、この負担は、送受光装置の台数が増えるほど、顕著になる。従って、個々の受光回路の低消費電力化が、望まれている。

端末装置もまた、同様に、所定の通信可能領域を確保するべく、複数の受光回路を備えている。そして、このように複数の受光回路を備えることで、端末装置自体の消費電力が増大する。特に、端末装置は、バッテリを駆動電源とするので、当該受光回路の低消費電力化が、より一層望まれている。

その一方で、送受光装置および端末装置間で送受光される赤外線は微弱であるので、受光回路の高感度化が、望まれている。これを実現するための一手段として、受光回路を構成する増幅回路の高利得化がある。つまり、低消費電力化および高利得化という相反する要求が、存在する。

そこで、この発明は、低消費電力でありながら高利得な増幅回路を提供することを、目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明の増幅回路は、一対の信号端子と、一対の電源端子と、を有する複数の増幅手段を具備する。そして、複数の増幅手段のそれぞれの一対の信号端子は、直列に接続される。当該複数の増幅手段のそれぞれの一対の電源端子もまた、直列に接続される。

即ち、この発明では、各増幅手段は、言わば信号経路的に互いに直列に接続されており、つまり多段接続されている。従って、増幅対象となる信号は、各増幅手段によって順番に増幅される。また、各増幅手段は、言わば電源経路的にも互いに直列に接続されている。従って、各増幅手段を駆動させるための電源電流は、当該各増幅手段を順番に通って、言わば一貫して流れる。

なお、初段の増幅手段は、ＦＥＴを備え、当該ＦＥＴのゲート端子に、当該初段の増幅手段の入力側の信号端子が接続される、つまり増幅対象となる信号が入力されるようにしてもよい。このように、初段の増幅手段として高入力インピーダンス素子であるＦＥＴを採用することで、増幅回路全体として高入力インピーダンス回路とすることができる。かかる高入力インピーダンス回路は、電流が微小な信号を増幅するのに、都合が良い。

さらに、この発明では、フォトダイオードによる光電変換処理後の信号を増幅対象とすることができる。

この場合、フォトダイオードは、逆バイアス態様で駆動されるのが、望ましい。即ち、上述したように、フォトダイオードを逆バイアス態様で駆動させることによって、当該フォトダイオードの周波数応答性および直線性が改善される。また、逆バイアス電圧が高いほど、フォトダイオードの入射照度限界が高くなるので、一般には、当該逆バイアス電圧は、比較的に高めに設定される。一方、この発明では、上述の如く電源電流が各増幅手段を順番に流れることで、当該各増幅回路のそれぞれにおいて電圧降下が発生するので、当該電源電流の供給源として比較的に電圧の高い電圧源が必要とされる。従って、フォトダイオードを逆バイアス態様で駆動させるべく、かかる電圧の高い電圧源が用意されている状況下では、この電圧源を利用して各増幅手段の電源電流を生成することができ、この発明を実現するのに好都合である。

この発明によれば、増幅対象となる信号は、多段接続された複数の増幅手段によって順番に増幅されるので、増幅回路全体として高い利得（増幅度）を得ることができる。また、各増幅手段を駆動させるための電源電流は、当該各増幅手段を一貫して流れる。従って、例えば各増幅手段に対して電源電流が並列に供給される構成に比べて、当該各増幅手段による電力の消費を抑制することができ、ひいては増幅回路全体の消費電力を低減することができる。つまり、低消費電力でありながら高利得な増幅回路を、実現することができる。

この発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。

同図は、上述した赤外線会議システムの送受光装置および端末装置に適用される受光回路１０を示し、受光手段としてのフォトダイオード１２を有している。このフォトダイオード１２のカソード端子には、フィルタ回路１４を介して、例えば＋１５［Ｖ］の直流電源電圧Ｖｃｃが印加されており、当該フォトダイオード１２のアノード端子は、コイル１６を介して、接地電位に接続されている。つまり、フォトダイオード１２は、逆バイアス態様で駆動される。なお、フィルタ回路１４は、フォトダイオード１２に印加される逆バイアス電圧にノイズが乗るのを防止するためのものであり、当該フォトダイオード１２のカソード端子と直流電源電圧Ｖｃｃの電源ラインとの間に直列に接続されたコイル１８と、このコイル１８の両端と接地電位との間に接続された２つのコンデンサ２０および２２と、から成る。

この構成によれば、フォトダイオード１２に赤外線が入射されると、入射された赤外線の強度に応じて、フォトダイオード１２のアノード端子の電圧が変化する。ここで、フォトダイオード１２は、接合容量を含む容量成分を有しているので、この容量成分とコイル１６のインダクタンスとによって、並列共振回路、つまり同調回路２４が形成される。この同調回路２４の同調周波数（共振周波数）は、当該容量成分の大きさと、コイル１６のインダクタンス値とによって、決まる。このうち、容量成分の大きさは、フォトダイオード１２の特性によって決まるので、当該同調周波数は、コイル１６のインダクタンス値によって決定される。具体的には、この受光回路１０によって受信しようとする信号（例えばＦＭ（Frequency Modulation）信号）の中心周波数に当該同調周波数が略一致するように、コイル１６のインダクタンス値が決定される。

この同調回路２４によって抽出された信号は、カップリング・コンデンサ２６を介して、前置増幅回路２８に入力され、詳しくは当該前置増幅回路２８を構成するＮチャネル型のＦＥＴ３０のゲート端子に入力される。前置増幅回路２８は、当該ＦＥＴ３０を用いたソース接地型の自己バイアス回路であり、具体的には、ＦＥＴ３０のゲート端子および接地電位間に接続されたバイアス用の抵抗器３２と、ＦＥＴ２２のドレイン端子に一端が接続された電源供給用の抵抗器３４と、ＦＥＴ２２のソース端子および接地電位間に接続されたソース接地用の抵抗器３６と、この抵抗器３６に対して並列に接続されたバイパス用のコンデンサ３８と、を有している。また、後述するように、この前置増幅回路２８（ＦＥＴ３０）を駆動させるための電源電流Ｉｃは、次段のエミッタフォロア回路４０および最終段の高周波増幅回路４２を介して、電源ラインＶｃｃから供給される。このため、当該電源電流Ｉｃの供給口となる抵抗器３４の他端は、抵抗器４４を介して、エミッタフォロア回路４０を構成するＮＰＮ型トランジスタ４６のエミッタ端子に接続されている。なお、この抵抗器３４の他端は、その近傍において、バイパス用のコンデンサ４８を介して、接地電位にも接続されている。

前置増幅回路２８によって増幅された信号は、直流カット用のコンデンサ５０を介して、エミッタフォロア回路４０に入力され、詳しくは上述したトランジスタ４６のベース端子に入力される。このトランジスタ４６のエミッタ端子は、上述したように抵抗器４４を介して、前置増幅回路２８を構成する抵抗器３４に接続されているが、これと同時に、コンデンサ４８を介して接地電位にも接続されており、つまり交流的に当該接地電位に接続されている。

かかるエミッタフォロア回路４０は、前置増幅回路２８からコンデンサ５０を介して入力される信号を、高インピーダンスで受ける。つまり、インピーダンス変換処理を行う。そして、このインピーダンス変換処理を施された後の信号は、直流カット用のコンデンサ５２およびバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５４を介して、最終段の高周波増幅回路４２に入力され、詳しくは当該高周波増幅回路４２を構成するＮＰＮ型トランジスタ５６のベース端子に入力される。

なお、バンドパスフィルタ５４は、この受光回路１０によって受信しようとする信号の周波数帯域に透過帯域を有するものであり、換言すれば当該受光回路１０とは別に設けられた図示しない送光回路によって送信しようとする信号を遮断するためのものである。かかるバンドパスフィルタ５４を設けることで、受信しようとする信号と送信しようとする信号とが明確に分離され、受信感度が向上する。

また、エミッタフォロア回路４０の信号入力端子であるトランジスタ４６のベース端子には、直流のバイアス電圧が印加される。具体的には、トランジスタ４６のベース端子は、抵抗器５８および６０を介して電源ラインＶｃｃに接続されると共に、別の抵抗器６２を介して接地電位に接続されている。そして、これらの抵抗器５８，６０および６２（抵抗器５８および６０の合成抵抗と抵抗器６２と）によって分圧された電圧が、当該ベース端子に印加される。

さらに、後述するように、エミッタフォロア回路４０（トランジスタ４６）を駆動させるための電源電流Ｉｃは、高周波増幅回路４２を介して、電源ラインＶｃｃから供給される。このため、トランジスタ４６のコレクタ端子は、当該高周波増幅回路４２を構成する上述のトランジスタ５６のエミッタ端子に接続されている。また、トランジスタ４６のコレクタ端子は、その近傍において、バイパス用のコンデンサ６４を介して接地電位にも接続されている。

高周波増幅回路４２は、トランジスタ５６を用いたエミッタ接地型の固定バイアス回路である。具体的には、トランジスタ５６のコレクタ端子は、電源供給用の抵抗器６６を介して、電源ラインＶｃｃに接続されている。なお、抵抗器６６の近傍において、電源ラインＶｃｃは、バイパス用のコンデンサ６８を介して、接地電位に接続されている。そして、トランジスタ５６のエミッタ端子は、上述したようにエミッタフォロア回路４０を構成するトランジスタ４６のコレクタ端子に接続されており、これと同時に、コンデンサ６４を介して接地電位にも接続され、つまり、交流的に当該接地電位に接続されている。さらに、トランジスタ５６のベース端子は、上述した抵抗器６０を介して電源ラインＶｃｃに接続されている。つまり、当該抵抗器６０は、トランジスタ５６のベース端子にベース電流を流すためのバイアス用抵抗器としても機能する。

かかる高周波増幅回路４２は、エミッタフォロア回路４０からコンデンサ５２およびバンドパスフィルタ５４を介して入力された信号に増幅処理を施す。そして、この増幅処理を施された後の信号は、受光回路１０全体の出力信号として、直流カット用のコンデンサ７０を介して、図示しない後段の回路に入力される。

このように構成された受光回路１０によれば、フォトダイオード１２によって光電変換された信号は、前置増幅回路２８，エミッタフォロア回路４０および高周波増幅回路４２という多段接続された３つの増幅回路によって順番に増幅される。従って、受光回路１０全体として、極めて高い利得を得ることができる。しかも、各増幅回路２８，４０および４２は、言わば電源経路的（直流的）にも互いに直列に接続されているので、当該各増幅回路２８，４０および４２を駆動させるための電源電流Ｉｃは、同図に点線の矢印１００で示すように、当該各増幅回路２８，４０および４２を一貫して流れる。従って、例えば各増幅回路２８，４０および４２に対して電源電流が並列に供給される構成に比べて、当該各増幅回路２８，４０および４２による電力の消費を抑制することができ、ひいては受光回路１０全体の消費電力を低減することができる。つまり、低消費電力でありながら、高い利得を得ることができる、という効果がある。なお、赤外線会議システムを構成する送受光装置および端末装置においては、かかる受光回路１０が複数設けられるので、当該効果は極めて有益である。

また、前置増幅回路２８として、高入力インピーダンス素子であるＦＥＴ３０を用いたソース接地型回路が採用されているので、受光回路１０全体としても高入力インピーダンス回路となる。このような高入力インピーダンス回路は、低出力インピーダンス素子であるフォトダイオード１２から得られる微小電流信号を増幅するのに、好適である。

なお、電源電流Ｉｃが各増幅回路２８，４０および４２を順番に流れることで、当該各増幅回路２８，４０および４２において電圧降下が発生する。従って、電源電流Ｉｃの供給源である直流電源電圧Ｖｃｃとしては、比較的に高い電圧が必要とされる。しかしながら、この受光回路１０では、当該直流電源電圧Ｖｃｃとして、フォトダイオード１２を良好に駆動させるべく＋１５［Ｖ］という比較的に高い電圧が用意されている。よって、電源電流Ｉｃの供給源として当該直流電源電圧（電源ライン）Ｖｃｃとは別の電圧源を用意する必要はなく、その分、受光回路１０全体の構成が簡素化される。

ところで、電源電流Ｉｃの電流値は、極力小さい値とするのが望ましいが、少なくとも各増幅回路２８，４０および４２（ＦＥＴ３０，トランジスタ４６および５６）を確実に動作させ得る程度の値とする必要がある。このため、この実施形態では、当該電源電流Ｉｃを、例えば０．１［Ａ］としている。

また、前置増幅回路２８を構成するＦＥＴ３０の動作を安定させるために、当該ＦＥＴ３０のドレイン−ソース端子間電圧Ｖｄｓは、比較的に高めに設定されており、例えば４．３Ｖとされている。さらに、当該前置増幅回路２８において極力高い利得を得るために、抵抗器３４の抵抗値は、比較的に大きく設定されており、例えば５．６［ｋΩ］とされている。

そして、この前置増幅回路２８による利得を確保するために、次段に高入力インピーダンス回路であるエミッタフォロア回路４０が設けられている。さらに、このエミッタフォロア回路４０の出力側に設けられているバンドパスフィルタ５４の入力インピーダンスが比較的に小さいため、当該エミッタフォロア回路４０を構成するエミッタ接地用の抵抗器４４としては、比較的に抵抗値の小さい、例えば３３０［Ω］程度のものが採用されている。

これらＦＥＴ３０および抵抗器３４，４４は、いずれも電源電流Ｉｃの流通経路（電源経路）上に存在しており、当該電源電流Ｉｃが流れることによって電圧降下を生じる。従って、これらＦＥＴ３０のレイン−ソース端子間電圧Ｖｄｓおよび各抵抗器３４，４４の抵抗値が上述の如く決められることで、電源電流Ｉｃの流通経路上にある他の構成要素の定数、つまり抵抗器３６および６６の抵抗値と、トランジスタ４６および５６のコレクタ−エミッタ端子間電圧とが、適当に決定される。また、これに合わせて、バイアス用の３つの抵抗器５８，６０および６２の抵抗値も、適当に決められる。

この実施形態では、上述の如く各定数が決められることで、受光回路１０全体として、約５０［ｄＢ］という高い利得が得られる。そして、出力信号（高周波増幅回路５６からコンデンサ７０を介して出力される信号）としては、ピーク・トゥー・ピーク値で１．０［Ｖ］以上（最大３［Ｖ］）の信号が得られる。

なお、上述した定数は、飽くまで一例であって、これに限定されるものではない。また、直流電源電圧Ｖｃｃの電圧値も、＋１５［Ｖ］に限定されるものではない。

そして、この実施形態においては、赤外線会議システム（送受光装置および端末装置）用の受光回路１０を例に挙げて説明したが、これに限らない。即ち、赤外線会議システム以外の装置、さらには受光回路１０以外の用途にも、この発明を適用できることは、言うまでもない。

そしてさらに、前置増幅回路２８にＦＥＴ３０を用いたが、これに代えてトランジスタ（バイポーラトランジスタ）を用いてもよい。そして、エミッタフォロア回路４０に代えてＦＥＴによるソースフォロア回路を用いてもよいし、高周波増幅回路４２にＦＥＴを採用してもよい。

また、この実施形態では、前置増幅回路２８，エミッタフォロア回路４０および高周波増幅回路４２という３つの増幅回路を用いたが、これ以外の数の増幅回路を用いてもよい。そして、これらの増幅回路の態様（型式）は、この実施形態で説明したものに限定されない。

この発明の一実施形態の概略構成を示す回路図である。

符号の説明

１０ 受光回路
１２ フォトダイオード
２８ 前置増幅回路
３０ ＦＥＴ
４０ エミッタフォロア回路
４２ 高周波増幅回路
４６、５６ トランジスタ

Claims (4)

1. 一対の信号端子と一対の電源端子とを有する複数の増幅手段を具備し、
   上記複数の増幅手段のそれぞれの上記一対の信号端子が直列に接続され、上記複数の増幅手段のそれぞれの上記一対の電源端子が直列に接続された、
   増幅回路。
2. 初段の上記増幅手段は電界効果トランジスタを備え、
   上記電界効果トランジスタのゲート端子に上記初段の増幅手段の入力側の上記信号端子が接続された、請求項１に記載の増幅回路。
3. フォトダイオードによる光電変換処理後の信号を増幅対象とする、請求項１または２に記載の増幅回路。
4. 上記フォトダイオードは逆バイアス態様で駆動される、請求項３に記載の増幅回路。

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