JP2007166096A - Bias control circuit - Google Patents

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Naoki Nishiyama
直樹 西山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bias control circuit which facilitates reduction in power consumption. <P>SOLUTION: The bias control circuit 10 has a voltage source 16 for generating a variable DC voltage Vh to be fed to an avalanche photo diode (APD) 12. A current detection means 18 includes a current mirror circuit which detects photo current Iapd generated by the APD 12, and generates monitor voltage Vm according to the photo current Iapd. A voltage control means 24 controls the voltage source 16 to adjust the DC voltage Vh according to the monitor voltage Vm. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、アバランシェフォトダイオード用のバイアス制御回路に関する。   The present invention relates to a bias control circuit for an avalanche photodiode.

光受信器内のアバランシェフォトダイオード(APD)にバイアス電圧を印加するバイアス制御回路が開示されている(例えば、特許文献1、2を参照)。これらのバイアス制御回路では、過大なバイアス電圧がフォトダイオードに印加されないように、バイアス電圧源とAPDの間に直列抵抗が接続されている。光入力に応じてAPDが生成する光電流は直列抵抗を流れ、電圧降下を生じさせる。バイアス電圧源の出力電圧はその電圧降下分だけ減少してからAPDに印加されるので、APDのバイアス電圧は光電流の増加に伴って減少する。この結果、大きな光入力に対してAPDの光電変換の増倍率を抑え、大電流によるAPDの破損を防止することができる。
特開平11−284445号公報 特開2004−71982号公報
A bias control circuit for applying a bias voltage to an avalanche photodiode (APD) in an optical receiver is disclosed (for example, see Patent Documents 1 and 2). In these bias control circuits, a series resistor is connected between the bias voltage source and the APD so that an excessive bias voltage is not applied to the photodiode. The photocurrent generated by the APD in response to the optical input flows through the series resistance, causing a voltage drop. Since the output voltage of the bias voltage source is reduced by the voltage drop and then applied to the APD, the APD bias voltage decreases as the photocurrent increases. As a result, the multiplication factor of the APD photoelectric conversion can be suppressed for a large light input, and the APD can be prevented from being damaged by a large current.
JP-A-11-284445 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-71982

しかしながら、直列抵抗による電圧降下を利用してバイアス電圧に光入力依存性を与える手法では、光電流の増加に応じて直列抵抗で消費される電力も増加するため、消費電力を削減することは容易ではない。そこで、本発明は、消費電力の削減が容易なバイアス制御回路を提供することを課題とする。   However, in the method of giving the optical input dependency to the bias voltage using the voltage drop due to the series resistance, the power consumed by the series resistance increases as the photocurrent increases, so it is easy to reduce the power consumption. is not. Therefore, an object of the present invention is to provide a bias control circuit that can easily reduce power consumption.

本発明は、アバランシェフォトダイオード用のバイアス制御回路に関する。このバイアス制御回路は、アバランシェフォトダイオードに印加する可変の直流電圧を生成する電圧源と、アバランシェフォトダイオードにより生成される光電流を検出するカレントミラー回路を含んでおり、該光電流に応じたモニタ信号を生成する電流検出手段と、モニタ信号に応じた分圧比で上記の直流電圧を分圧する分圧回路と、分圧回路の出力に応じて電圧源を制御する制御回路とを備えている。上記の分圧回路は、上記の直流電圧を分圧する互いに直列に接続された第1および第2の抵抗と、可変抵抗素子であって第1または第2の抵抗に接続され上記のモニタ信号に応じて変化する抵抗を有する素子とを含んでいる。   The present invention relates to a bias control circuit for an avalanche photodiode. This bias control circuit includes a voltage source that generates a variable DC voltage applied to the avalanche photodiode, and a current mirror circuit that detects a photocurrent generated by the avalanche photodiode, and a monitor corresponding to the photocurrent. Current detection means for generating a signal, a voltage dividing circuit for dividing the DC voltage with a voltage dividing ratio according to the monitor signal, and a control circuit for controlling the voltage source according to the output of the voltage dividing circuit. The voltage dividing circuit includes a first resistor and a second resistor connected in series with each other to divide the DC voltage, and a variable resistance element connected to the first resistor or the second resistor. And an element having a resistance that changes accordingly.

アバランシェフォトダイオードの光電変換の増倍率は、アバランシェフォトダイオードに印加されるバイアス電圧に応じて変化する。このバイアス電圧は、電圧源によって生成される直流電圧に依存する。光電流の増加が検出されたときに直流電圧を低減するように制御回路が電圧源を制御すれば、これに応じてアバランシェフォトダイオードの増倍率も低下する。この結果、アバランシェフォトダイオードへの光入力強度が高いときに増倍率が抑えられ、過大な光電流によるアバランシェフォトダイオードの自己破損が防止される。光電流に応じて直流電圧が調整されるので、消費電力を容易に削減することが可能となる。   The multiplication factor of photoelectric conversion of the avalanche photodiode changes according to the bias voltage applied to the avalanche photodiode. This bias voltage depends on the DC voltage generated by the voltage source. If the control circuit controls the voltage source so as to reduce the DC voltage when an increase in photocurrent is detected, the multiplication factor of the avalanche photodiode is also lowered accordingly. As a result, the multiplication factor is suppressed when the light input intensity to the avalanche photodiode is high, and self-damage of the avalanche photodiode due to an excessive photocurrent is prevented. Since the direct current voltage is adjusted according to the photocurrent, the power consumption can be easily reduced.

電流検出手段は、光電流に対応した検出電流を生成するカレントミラー回路と、検出電流を電圧信号に変換する電流電圧変換手段とを含んでいてもよい。   The current detection unit may include a current mirror circuit that generates a detection current corresponding to the photocurrent and a current-voltage conversion unit that converts the detection current into a voltage signal.

第1または第2の抵抗は、アバランシェフォトダイオードの温度特性を補償する温度特性を有していてもよい。この場合、第1および第2の抵抗による分圧比がフォトダイオードの温度を反映する。   The first or second resistor may have a temperature characteristic that compensates for the temperature characteristic of the avalanche photodiode. In this case, the voltage division ratio by the first and second resistors reflects the temperature of the photodiode.

本発明のバイアス制御回路は、アバランシェフォトダイオードに印加する電圧を光入力強度に応じて制御するので、過大な光電流によるアバランシェフォトダイオードの破損を防止するだけでなく、消費電力を削減することができる。   Since the bias control circuit of the present invention controls the voltage applied to the avalanche photodiode according to the light input intensity, it not only prevents damage to the avalanche photodiode due to excessive photocurrent but also reduces power consumption. it can.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

第1実施形態
図1は、本実施形態のバイアス制御回路の概略を示すブロック図であり、図2は、同じバイアス制御回路の回路図である。バイアス制御回路10は光受信器100内に設置されている。光受信器100は、バイアス制御回路10に加えて、アバランシェフォトダイオード(以下、「APD」と表記する)12と前置増幅器14を有する。バイアス制御回路10は、APD12に逆バイアス電圧Vapdを印加してAPD12を駆動する。APD12は、その駆動中、光入力信号を検出し、その光入力信号をある増倍率で光電流Iapdに変換する。APD12の増幅率は、バイアス電圧Vapdに依存する。光電流Iapdは、光入力信号に応じて変調されている。APD12のアノードには前置増幅器14が接続されている。前置増幅器14は、光電流Iapdを適当な増幅率で電気出力信号Voutに変換する。
First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a bias control circuit of the present embodiment, and FIG. 2 is a circuit diagram of the same bias control circuit. The bias control circuit 10 is installed in the optical receiver 100. In addition to the bias control circuit 10, the optical receiver 100 includes an avalanche photodiode (hereinafter referred to as “APD”) 12 and a preamplifier 14. The bias control circuit 10 drives the APD 12 by applying a reverse bias voltage Vapd to the APD 12. During the driving, the APD 12 detects an optical input signal and converts the optical input signal into a photocurrent Iapd with a certain multiplication factor. The amplification factor of the APD 12 depends on the bias voltage Vapd. The photocurrent Iapd is modulated according to the optical input signal. A preamplifier 14 is connected to the anode of the APD 12. The preamplifier 14 converts the photocurrent Iapd into an electrical output signal Vout with an appropriate amplification factor.

図2に示されるように、本実施形態では、前置増幅器14は、反転増幅器30および帰還抵抗器32を含むトランスインピーダンスアンプである。ただし、前置増幅器14は、トランスインピーダンスアンプに限られるものではなく、例えば、APD12のアノードに接続された負荷抵抗と、その負荷抵抗の両端の電圧を増幅する電圧増幅器から構成されていてもよい。   As shown in FIG. 2, in this embodiment, the preamplifier 14 is a transimpedance amplifier including an inverting amplifier 30 and a feedback resistor 32. However, the preamplifier 14 is not limited to a transimpedance amplifier, and may be composed of, for example, a load resistor connected to the anode of the APD 12 and a voltage amplifier that amplifies the voltage across the load resistor. .

バイアス制御回路10は、高電圧発生回路16、電流検出回路18、分圧回路20および制御回路22を含んでいる。以下では、これらの構成要素を順次に説明する。   The bias control circuit 10 includes a high voltage generation circuit 16, a current detection circuit 18, a voltage dividing circuit 20, and a control circuit 22. Hereinafter, these components will be described sequentially.

高電圧発生回路16は、直流の出力電圧Vhを生成し、それをAPD12に印加する電圧源である。高電圧発生回路16の一例は、DC−DCコンバータである。高電圧発生回路16の入力端子41は外部電源に接続されている。外部電源から入力端子41に直流電圧Vccが供給されると、高電圧発生回路16は電圧Vccを昇圧または降圧し、直流電圧Vhを出力端子42に生成する。   The high voltage generation circuit 16 is a voltage source that generates a DC output voltage Vh and applies it to the APD 12. An example of the high voltage generation circuit 16 is a DC-DC converter. The input terminal 41 of the high voltage generation circuit 16 is connected to an external power source. When the DC voltage Vcc is supplied from the external power source to the input terminal 41, the high voltage generation circuit 16 increases or decreases the voltage Vcc and generates the DC voltage Vh at the output terminal 42.

高電圧発生回路16の出力端子42は、バイアスライン15を介してAPD12のカソードに接続されている。バイアスライン15上には、APD12によって生成された光電流Iapdを検出するための電流検出回路18が設けられている。電流検出回路18は、光電流Iapdに応じた電圧信号Vmを生成する。以下では、この電圧信号を「モニタ信号」と呼ぶことにする。電流検出回路18は、モニタ電圧Vmを分圧回路20に供給する。分圧回路20の一端はバイアスライン15上のノード26に接続されている。   The output terminal 42 of the high voltage generation circuit 16 is connected to the cathode of the APD 12 via the bias line 15. A current detection circuit 18 for detecting the photocurrent Iapd generated by the APD 12 is provided on the bias line 15. The current detection circuit 18 generates a voltage signal Vm corresponding to the photocurrent Iapd. Hereinafter, this voltage signal is referred to as a “monitor signal”. The current detection circuit 18 supplies the monitor voltage Vm to the voltage dividing circuit 20. One end of the voltage dividing circuit 20 is connected to a node 26 on the bias line 15.

制御回路22は、電流検出回路18によって生成されたモニタ電圧Vmに応じて分圧比が調整された分圧回路の出力を受け、高電圧発生回路16を制御し、直流電圧Vhを調整する。   The control circuit 22 receives the output of the voltage dividing circuit whose voltage dividing ratio is adjusted in accordance with the monitor voltage Vm generated by the current detection circuit 18, and controls the high voltage generating circuit 16 to adjust the DC voltage Vh.

分圧回路20は、モニタ電圧Vmおよび直流電圧Vhに応じた検出電圧を出力する。分圧回路20は、互いに直列に接続された第1の抵抗51および第2の抵抗52、並びに電界効果トランジスタ72(以下、「FET」と表記する)を有する。第1の抵抗51の一端は、バイアスライン15上のノード26を介して高電圧発生回路16の出力端子42に接続されており、他端は第2の抵抗52の一端に接続されている。第2の抵抗52の他端は接地されている。なお、図1および図2では、抵抗51、52を流れる電流が、それぞれI1、I2で表されている。   The voltage dividing circuit 20 outputs a detection voltage corresponding to the monitor voltage Vm and the DC voltage Vh. The voltage dividing circuit 20 includes a first resistor 51 and a second resistor 52 connected in series to each other, and a field effect transistor 72 (hereinafter referred to as “FET”). One end of the first resistor 51 is connected to the output terminal 42 of the high voltage generation circuit 16 via the node 26 on the bias line 15, and the other end is connected to one end of the second resistor 52. The other end of the second resistor 52 is grounded. In FIGS. 1 and 2, the currents flowing through the resistors 51 and 52 are represented by I1 and I2, respectively.

FET72は、第2の抵抗52に並列に接続されている。FET72は、本実施形態では、p型MOSFETである。FET72のソースは、ノード28に接続されており、ドレインは接地されている。FET72のゲートは電流検出回路18の出力端子に接続されており、モニタ電圧Vmが供給される。   The FET 72 is connected in parallel to the second resistor 52. In the present embodiment, the FET 72 is a p-type MOSFET. The source of the FET 72 is connected to the node 28, and the drain is grounded. The gate of the FET 72 is connected to the output terminal of the current detection circuit 18 and supplied with the monitor voltage Vm.

分圧回路20は、ある分圧比Dで直流電圧Vhを分圧する。分圧比Dは、抵抗51、52だけでなく、FET72のソース−ドレイン間の抵抗にも依存する。抵抗51、52の値をそれぞれR1、R2と表し、FET72の抵抗の値をR3と表すと、分圧比Dは、
D=Rc/(R1+Rc) (1)
と表される。したがって、ノード28のノード電圧Vfbは、
Vfb=Vh・D=Vh・Rc/(R1+Rc) (2)
と表される。ここで、Rcは第2の抵抗52とFET72の抵抗との並列抵抗である。(1)式から明らかなように、ノード電圧Vfbは、FET72の抵抗と直流電圧Vhの双方に依存する。一定の直流電圧Vhの下では、並列抵抗Rcが大きいほど、ノード電圧Vfbが高くなる。
The voltage dividing circuit 20 divides the DC voltage Vh by a certain voltage dividing ratio D. The voltage division ratio D depends not only on the resistors 51 and 52 but also on the resistance between the source and drain of the FET 72. When the values of the resistors 51 and 52 are represented as R1 and R2, respectively, and the value of the resistor of the FET 72 is represented as R3,
D = Rc / (R1 + Rc) (1)
It is expressed. Therefore, the node voltage Vfb of node 28 is
Vfb = Vh · D = Vh · Rc / (R1 + Rc) (2)
It is expressed. Here, Rc is a parallel resistance of the second resistance 52 and the resistance of the FET 72. As apparent from the equation (1), the node voltage Vfb depends on both the resistance of the FET 72 and the DC voltage Vh. Under a constant DC voltage Vh, the larger the parallel resistance Rc, the higher the node voltage Vfb.

ノード電圧Vfbは制御回路22に入力される。制御回路22の出力端子44は高電圧発生回路16に接続されている。制御回路22は、ノード電圧Vfbを基準電圧と比較し、ノード電圧Vfbが基準電圧より低いときには直流電圧Vhを上昇させ、ノード電圧Vfbが基準電圧より高いときには直流電圧Vhを下降させる。ノード電圧VfbはFET72の抵抗R3を反映し、この抵抗R3はモニタ電圧Vmを反映する。モニタ電圧Vmは光電流Iapdに依存するから、制御回路22は光電流Iapdに応じて直流電圧Vhを調整することになる。   The node voltage Vfb is input to the control circuit 22. The output terminal 44 of the control circuit 22 is connected to the high voltage generation circuit 16. The control circuit 22 compares the node voltage Vfb with the reference voltage, increases the DC voltage Vh when the node voltage Vfb is lower than the reference voltage, and decreases the DC voltage Vh when the node voltage Vfb is higher than the reference voltage. The node voltage Vfb reflects the resistance R3 of the FET 72, and this resistance R3 reflects the monitor voltage Vm. Since the monitor voltage Vm depends on the photocurrent Iapd, the control circuit 22 adjusts the DC voltage Vh in accordance with the photocurrent Iapd.

更に、本実施形態では、APD12の温度特性を補償するため、第2の抵抗52に、APD12の温度に対する依存性を持たせている。つまり、第2の抵抗52は、APD12の温度に応じて変化する可変抵抗とすることができる。なお、第2の抵抗52の代わりに、第1の抵抗51に温度依存性を持たせてもよい。制御回路22はノード電圧Vfbを一定にするように直流電圧Vhを調整するので、APD12の温度が変化すれば、それに応じて直流電圧Vhも変化することになる。   Furthermore, in the present embodiment, the second resistor 52 is made dependent on the temperature of the APD 12 in order to compensate for the temperature characteristics of the APD 12. That is, the second resistor 52 can be a variable resistor that changes according to the temperature of the APD 12. Instead of the second resistor 52, the first resistor 51 may have temperature dependency. Since the control circuit 22 adjusts the DC voltage Vh so as to keep the node voltage Vfb constant, if the temperature of the APD 12 changes, the DC voltage Vh also changes accordingly.

抵抗の温度依存性は、様々な公知の手法を用いて実現することができる。例えば、光受信器100内にサーミスタなどの温度センサが設置されていて、温度センサによって測定された温度に応じて第2の抵抗52の値が変更されてもよい(ディジタル抵抗)。あるいは、温度係数をAPD12のそれに対応させた感温抵抗でもよい。   The temperature dependence of the resistance can be realized using various known methods. For example, a temperature sensor such as a thermistor may be installed in the optical receiver 100, and the value of the second resistor 52 may be changed according to the temperature measured by the temperature sensor (digital resistor). Alternatively, a temperature sensitive resistance corresponding to that of the APD 12 may be used.

図2に示されるように、本実施形態では、電流検出回路18は、pnpトランジスタ33、34および抵抗35、36からなるカレントミラー回路と電流電圧変換用抵抗70とを有する。   As shown in FIG. 2, in this embodiment, the current detection circuit 18 includes a current mirror circuit including pnp transistors 33 and 34 and resistors 35 and 36 and a current-voltage conversion resistor 70.

このカレントミラー回路において、抵抗36およびトランジスタ34を光電流Iapdが流れると、光電流Iapdに応じたミラー電流が抵抗35およびトランジスタ33を流れる。このミラー電流が上述した検出電流Idである。検出電流Idは光電流Iapdに比例する。Iapdに対するIdの比はミラー電流比と呼ばれ、抵抗35、36の値、および用いているトランジスタ33、34のサイズ(コレクタサイズ)に応じて決まる。トランジスタ33、34を同種のものであるとすると、抵抗35、36の値をそれぞれRe1、Re2と表すと、ミラー電流比mはRe2/Re1と表される。したがって、
Id=m・Iapd=(Re2/Re1)・Iapd (3)
である。
In this current mirror circuit, when the photocurrent Iapd flows through the resistor 36 and the transistor 34, a mirror current corresponding to the photocurrent Iapd flows through the resistor 35 and the transistor 33. This mirror current is the detection current Id described above. The detection current Id is proportional to the photocurrent Iapd. The ratio of Id to Iapd is called a mirror current ratio and is determined according to the values of the resistors 35 and 36 and the size (collector size) of the transistors 33 and 34 used. Assuming that the transistors 33 and 34 are of the same type, if the values of the resistors 35 and 36 are represented as Re1 and Re2, respectively, the mirror current ratio m is represented as Re2 / Re1. Therefore,
Id = m · Iapd = (Re2 / Re1) · Iapd (3)
It is.

検出電流Idは抵抗70を流れ、電圧降下を生じさせる。これにより、検出電流Idがモニタ電圧Vmに変換される。抵抗70の値をRmとすると、モニタ電圧Vmは、
Vm=Rm・Id=Rm・(Re2/Re1)・Iapd (4)
である。
The detection current Id flows through the resistor 70 and causes a voltage drop. Thereby, the detection current Id is converted into the monitor voltage Vm. When the value of the resistor 70 is Rm, the monitor voltage Vm is
Vm = Rm.Id = Rm. (Re2 / Re1) .Iapd (4)
It is.

抵抗51を流れる電流I1は、ノード28で電流I2とIqに分岐する。電流I2は抵抗52を流れ、電流IqはFET72のソース−ドレイン間を流れる。電流Iqの大きさは、FET72のゲート電圧に依存する。   The current I1 flowing through the resistor 51 branches to currents I2 and Iq at the node 28. The current I2 flows through the resistor 52, and the current Iq flows between the source and drain of the FET 72. The magnitude of the current Iq depends on the gate voltage of the FET 72.

本実施形態では、室温(25℃)においてR1=520kΩ、R2=10kΩ、および制御回路22の基準電圧は1.0Vである。APD12が光信号を受信していないとき、光電流Iapdおよび検出電流Idは0mAであるので、モニタ電圧Vmは0Vとなる。このとき、FET72には電流Iqが約13μA程度流れる。FET72の等価抵抗は1V/0.013mAから77Ωと計算される。高電圧発生回路16によって生成される直流電圧Vhは、(1V/(R1=10kΩ)+0.013mA)×(R1=520kΩ)+1から59.7Vとなる。電流検出回路18中のトランジスタ34で約0.5V程度の電圧低下があるため、APD12が光信号を受信していないときは、APD12に59.2V程度の逆バイアス電圧Vapdが印加される。このときのAPD12の増倍率は約9.5であり、したがって、光信号が光受信器100に入力されても良好な受信感度を得ることができる。   In the present embodiment, R1 = 520 kΩ, R2 = 10 kΩ, and the reference voltage of the control circuit 22 are 1.0 V at room temperature (25 ° C.). When the APD 12 is not receiving an optical signal, the photocurrent Iapd and the detection current Id are 0 mA, so the monitor voltage Vm is 0V. At this time, a current Iq of about 13 μA flows through the FET 72. The equivalent resistance of the FET 72 is calculated as 1Ω / 0.013 mA to 77Ω. The DC voltage Vh generated by the high voltage generation circuit 16 is (1V / (R1 = 10 kΩ) +0.013 mA) × (R1 = 520 kΩ) +1 to 59.7V. Since there is a voltage drop of about 0.5 V at the transistor 34 in the current detection circuit 18, when the APD 12 is not receiving an optical signal, a reverse bias voltage Vapd of about 59.2 V is applied to the APD 12. At this time, the multiplication factor of the APD 12 is about 9.5. Therefore, even when an optical signal is input to the optical receiver 100, good reception sensitivity can be obtained.

APD12が光信号を受信すると光電流Iapdが生成され、それに応じて電流検出回路18が検出電流Idを生成する。検出電流Idは抵抗70によってモニタ電圧Vmに変換される。こうして正のモニタ電圧VmがFET72のゲートに印加され、ゲート−ソース間電圧(負電圧)を定める。光入力強度が高いほど、モニタ電圧Vmが高くなり、したがって、FET27のドレイン−ソース間に流れる電流が減少しFET72の等価抵抗が大きくなる。その結果、FET72の抵抗と抵抗52との並列抵抗Rcが増加する。(1)式および(2)式によれば、並列抵抗Rcが増加すると分圧回路20の分圧比Dが上昇し、それに応じてノード28の電圧Vfbが上昇する。逆に、光入力強度が低下すると、モニタ電圧Vmが減少し、FET72の抵抗および並列抵抗Rcが減少する。その結果、分圧比Dが減少し、ノード電圧Vfbが減少する。このように、ノード電圧Vfbは光入力強度に応じて変動する。   When the APD 12 receives the optical signal, a photocurrent Iapd is generated, and the current detection circuit 18 generates a detection current Id accordingly. The detection current Id is converted into the monitor voltage Vm by the resistor 70. In this way, a positive monitor voltage Vm is applied to the gate of the FET 72 to determine a gate-source voltage (negative voltage). The higher the optical input intensity, the higher the monitor voltage Vm. Therefore, the current flowing between the drain and source of the FET 27 decreases and the equivalent resistance of the FET 72 increases. As a result, the parallel resistance Rc of the resistance of the FET 72 and the resistance 52 increases. According to the equations (1) and (2), when the parallel resistance Rc increases, the voltage dividing ratio D of the voltage dividing circuit 20 increases, and the voltage Vfb of the node 28 increases accordingly. Conversely, when the optical input intensity decreases, the monitor voltage Vm decreases, and the resistance of the FET 72 and the parallel resistance Rc decrease. As a result, the voltage division ratio D decreases and the node voltage Vfb decreases. Thus, the node voltage Vfb varies according to the light input intensity.

本実施形態では、電流検出回路18のミラー電流比mが約1となるように、Re1=Re2=1kΩとされている。また、Rm=5kΩである。したがって、(4)式に示されるように、光電流Iapdが300μAのとき、モニタ電圧Vmは約1.5Vとなる。モニタ電圧Vmが0Vから1.5Vに上昇すると、FET72は次第に遮断され電流Iqは約2μAに減少する。制御回路22は、Vfbを1.0Vに保つように直流電圧Vhを制御するので、この直流電圧Vhは、Vh=((Vfb=1V)/(R2=10kΩ)+0.002)×(R1=520kΩ)+1Vから52Vとなり、直流電圧Vhを低下させる。その結果、直流電圧Vhは52Vに制御される。光入力がない場合と比べて、直流電圧Vhが7.7V低下する。   In the present embodiment, Re1 = Re2 = 1 kΩ so that the mirror current ratio m of the current detection circuit 18 is about 1. Rm = 5 kΩ. Therefore, as shown in the equation (4), when the photocurrent Iapd is 300 μA, the monitor voltage Vm is about 1.5V. When the monitor voltage Vm increases from 0V to 1.5V, the FET 72 is gradually cut off, and the current Iq is reduced to about 2 μA. Since the control circuit 22 controls the DC voltage Vh so as to keep Vfb at 1.0 V, the DC voltage Vh is Vh = ((Vfb = 1V) / (R2 = 10 kΩ) +0.002) × (R1 = From 520 kΩ) + 1V to 52V, the DC voltage Vh is reduced. As a result, the DC voltage Vh is controlled to 52V. Compared to the case where there is no optical input, the DC voltage Vh is reduced by 7.7V.

図3は、本実施形態の高電圧発生回路16の出力電圧Vh特性を示すグラフである。光電流Iapdが250μA以下で、光電流Iapdに依存して出力電圧Vhが変化している。光電流Iapdが250μA以上では出力電圧Vhが変化していないが、これは、FET72が完全にオフ状態になるためである。   FIG. 3 is a graph showing the output voltage Vh characteristics of the high voltage generation circuit 16 of the present embodiment. The photocurrent Iapd is 250 μA or less, and the output voltage Vh changes depending on the photocurrent Iapd. When the photocurrent Iapd is 250 μA or more, the output voltage Vh does not change. This is because the FET 72 is completely turned off.

このように、高電圧発生回路16の出力電圧Vhは光入力強度の増加に伴って低下し、それに応じてAPD12に印加される逆バイアス電圧Vapdも減少する。APD12の光電変換の増倍率は、逆バイアス電圧Vapdの減少に応じて低下する。したがって、光入力強度の増加に伴ってAPD12の増倍率が低減されることになる。この結果、光入力強度が小さい場合から大きい場合全体にわたって、この光受信回路全体での消費電力を低下させると同時に、APD12を流れる光電流Iapdの大きさを適切に抑えて、APD12の破損を防止することができる。   Thus, the output voltage Vh of the high voltage generation circuit 16 decreases as the optical input intensity increases, and the reverse bias voltage Vapd applied to the APD 12 also decreases accordingly. The multiplication factor of photoelectric conversion of the APD 12 is lowered in accordance with the decrease of the reverse bias voltage Vapd. Therefore, the multiplication factor of the APD 12 is reduced as the optical input intensity increases. As a result, the power consumption of the entire optical receiving circuit is reduced from the case where the optical input intensity is small to the large case, and at the same time, the magnitude of the photocurrent Iapd flowing through the APD 12 is appropriately suppressed to prevent the APD 12 from being damaged. can do.

APDのバイアスレベルの調整は、特開平11−284445号公報や特開2004−71982号公報に開示されるように、バイアスライン中に直列抵抗を配置し、光電流に応じた電圧降下を高電圧発生回路の出力電圧に与えることによって実現することもできる。また、この電圧降下をモニタして高電圧をオフしてAPDを保護することもできる。しかし、この手法では、光電流に応じた高電圧発生回路の出力電圧の調整は行わないので、消費電力の削減は難しい。これに対して、本実施形態では、光電流Iapdの増加に応じて高電圧発生回路16の出力電圧Vhが低減されるので、バイアス制御回路10の消費電力を容易に削減できるという利点が得られる。   The adjustment of the bias level of the APD is performed by arranging a series resistor in the bias line as disclosed in JP-A-11-284445 and JP-A-2004-71982 to reduce the voltage drop according to the photocurrent to a high voltage. It can also be realized by giving the output voltage of the generating circuit. It is also possible to monitor the voltage drop and turn off the high voltage to protect the APD. However, this method does not adjust the output voltage of the high voltage generation circuit in accordance with the photocurrent, so it is difficult to reduce power consumption. On the other hand, in the present embodiment, the output voltage Vh of the high voltage generation circuit 16 is reduced in accordance with the increase in the photocurrent Iapd, so that it is possible to easily reduce the power consumption of the bias control circuit 10. .

図4は、本実施形態および従来例(特開2004−71982号)のバイアス制御回路の双方について室温での消費電力を示すグラフである。光電流Iapdが増大するにつれて消費電力が大きくなる傾向が双方のバイアス制御回路において見られるものの、本実施形態のバイアス制御回路の方が消費電力が抑えられている。図5は、従来例に対する本実施形態の消費電力の削減率を示すグラフである。本実施形態のバイアス制御回路10では、光電流Iapdが約400μAのときに消費電力が20mW削減され、削減率にして13%もの消費電力削減が達成される。なお、図3〜図5に示されるデータは、室温で光信号を受信しないときのバイアス電圧の最適値が60VのAPDを用いて測定されたものである。   FIG. 4 is a graph showing power consumption at room temperature for both the present embodiment and the bias control circuit of the conventional example (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-71982). Although both bias control circuits tend to increase power consumption as the photocurrent Iapd increases, the bias control circuit of this embodiment has lower power consumption. FIG. 5 is a graph showing the power consumption reduction rate of this embodiment with respect to the conventional example. In the bias control circuit 10 of the present embodiment, when the photocurrent Iapd is about 400 μA, the power consumption is reduced by 20 mW, and a reduction in power consumption of 13% is achieved as a reduction rate. The data shown in FIGS. 3 to 5 are measured using an APD whose optimum bias voltage is 60 V when no optical signal is received at room temperature.

第2実施形態
以下では、本発明の第2の実施形態を説明する。図6は、本実施形態の光受信器200およびバイアス制御回路10aを示す回路図である。バイアス制御回路10aは、第1実施形態のバイアス制御回路10において分圧回路20を分圧回路20aで置き換えた構成を有する。
Second Embodiment Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a circuit diagram showing the optical receiver 200 and the bias control circuit 10a of this embodiment. The bias control circuit 10a has a configuration in which the voltage dividing circuit 20 is replaced with a voltage dividing circuit 20a in the bias control circuit 10 of the first embodiment.

分圧回路20aは、FET72に代えFET73を備えている点で分圧回路20と異なる。FET73はn型FETである。FET73は第1の抵抗51に並列に接続されている。FET73のゲートは電流検出回路18の出力端子に接続されており、モニタ電圧Vmが供給される。   The voltage dividing circuit 20 a is different from the voltage dividing circuit 20 in that an FET 73 is provided instead of the FET 72. The FET 73 is an n-type FET. The FET 73 is connected in parallel with the first resistor 51. The gate of the FET 73 is connected to the output terminal of the current detection circuit 18 and supplied with the monitor voltage Vm.

分圧回路20aは、ある分圧比Dで直流電圧Vhを分圧し、ノード28にノード電圧Vfbを出力する。分圧比Dは、抵抗51、52だけでなく、FET73のドレイン−ソース間の抵抗にも依存する。抵抗51、52の値をそれぞれR1、R2と表し、FET73の抵抗の値をR3と表すと、本実施形態では、分圧比Dは、第1実施形態の(1)式に代わり、
D=R2/(R2+Rc) (5)
と表される。したがって、本実施形態では、ノード電圧Vfbは、第1実施形態の(2)式に代わり、
Vfb=Vh・D=Vh・R2/(R2+Rc) (6)
と表される。ここで、Rcは第1の抵抗51とFET73との並列抵抗である。
The voltage dividing circuit 20 a divides the DC voltage Vh by a certain voltage dividing ratio D and outputs the node voltage Vfb to the node 28. The voltage division ratio D depends not only on the resistances 51 and 52 but also on the resistance between the drain and source of the FET 73. When the values of the resistors 51 and 52 are expressed as R1 and R2, respectively, and the value of the resistance of the FET 73 is expressed as R3, in this embodiment, the voltage dividing ratio D is changed to the expression (1) of the first embodiment,
D = R2 / (R2 + Rc) (5)
It is expressed. Therefore, in this embodiment, the node voltage Vfb is replaced with the expression (2) in the first embodiment,
Vfb = Vh · D = Vh · R2 / (R2 + Rc) (6)
It is expressed. Here, Rc is a parallel resistance of the first resistor 51 and the FET 73.

APD12が光信号を受信していないときは、光電流Iapdおよび検出電流Idは0mAであるので、モニタ電圧Vmは0Vとなる。このとき、FET73のゲート−ソース間電圧はしきい値より小さいので、FET73はオフ状態となり、分圧比DはR2/(R2+R1)となる。   When the APD 12 is not receiving an optical signal, the monitor current Vm is 0 V because the photocurrent Iapd and the detection current Id are 0 mA. At this time, since the gate-source voltage of the FET 73 is smaller than the threshold value, the FET 73 is turned off, and the voltage division ratio D is R2 / (R2 + R1).

APD12が光信号を受信すると光電流Iapdが生成され、それに応じてモニタ電圧Vmが生成される。こうして正のモニタ電圧VmがFET73のゲートに印加され、ゲート−ソース間電圧(正電圧)を定める。光入力強度が高いほど、モニタ電圧Vmが高くなり、FET73が導通し、並列抵抗Rcが減少する。   When the APD 12 receives an optical signal, a photocurrent Iapd is generated, and a monitor voltage Vm is generated accordingly. In this way, a positive monitor voltage Vm is applied to the gate of the FET 73 to determine a gate-source voltage (positive voltage). The higher the optical input intensity, the higher the monitor voltage Vm, the FET 73 becomes conductive, and the parallel resistance Rc decreases.

制御回路22は、ノード電圧Vfbを一定にする様に直流出力電圧Vhを変更するので、出力電圧Vhは、光入力強度の上昇に伴い低下し、逆に、光入力強度の低下に伴い上昇する。   Since the control circuit 22 changes the DC output voltage Vh so as to keep the node voltage Vfb constant, the output voltage Vh decreases as the optical input intensity increases, and conversely increases as the optical input intensity decreases. .

第3実施形態
以下では、本発明の第3の実施形態を説明する。図7は、本実施形態の光受信器300およびバイアス制御回路10bを示す回路図である。バイアス制御回路10bは、第2実施形態のバイアス制御回路10aにおいて分圧回路20aを分圧回路20bで置き換えた構成を有する。
Third Embodiment Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a circuit diagram showing the optical receiver 300 and the bias control circuit 10b of this embodiment. The bias control circuit 10b has a configuration in which the voltage dividing circuit 20a is replaced with a voltage dividing circuit 20b in the bias control circuit 10a of the second embodiment.

分圧回路20bは、FET73のドレインが一定の基準電圧74に接続されている点で分圧回路20aと異なる。FET73のドレイン−ソース間には電流Iqが流れ、第1の抵抗51には電流I1が流れる。電流IqはFET73に印加されるゲートバイアスに依存する。電流IqとI1はノード28で合流し、電流I2となる。電流I2は第2の抵抗52を流れる。   The voltage dividing circuit 20b differs from the voltage dividing circuit 20a in that the drain of the FET 73 is connected to a constant reference voltage 74. A current Iq flows between the drain and source of the FET 73, and a current I1 flows through the first resistor 51. The current Iq depends on the gate bias applied to the FET 73. The currents Iq and I1 merge at the node 28 and become the current I2. The current I2 flows through the second resistor 52.

本実施形態では、光入力強度が上昇して光電流Iapdが増加すると、モニタ電圧Vmが高くなり、その結果FET73に流れる電流Iqが増加する。電流I2が増加するとノード電圧Vfbが上昇する方向に作用し、逆に、光入力強度が低下すると、モニタ電圧Vmが減少し、電流Iqが減少し、ノード電圧Vfbが減少する方向に作用する。   In this embodiment, when the optical input intensity increases and the photocurrent Iapd increases, the monitor voltage Vm increases, and as a result, the current Iq that flows through the FET 73 increases. When the current I2 increases, the node voltage Vfb increases. When the light input intensity decreases, the monitor voltage Vm decreases, the current Iq decreases, and the node voltage Vfb decreases.

制御回路22は、ノード電圧Vfbの増減分を打ち消すように高電圧発生回路16の直流出力電圧Vhを変更する。したがって、第1実施形態と同様に、出力電圧Vhは、光入力強度の上昇とそれに伴うノード電圧Vfbの増加に応じて低下し、逆に、光入力強度の低下とそれに伴うノード電圧Vfbの減少に応じて上昇する。この結果、本実施形態でも第1実施形態と同じ利点を得ることができる。   The control circuit 22 changes the DC output voltage Vh of the high voltage generation circuit 16 so as to cancel the increase / decrease in the node voltage Vfb. Therefore, as in the first embodiment, the output voltage Vh decreases as the optical input intensity increases and the accompanying node voltage Vfb increases. Conversely, the optical input intensity decreases and the associated node voltage Vfb decreases. Rise according to. As a result, this embodiment can also obtain the same advantages as those of the first embodiment.

なお、本実施形態では、n型MOSFETであるFET73の代わりにp型MOSFETであるFET72を用いてもよい。このとき、基準電圧74はノード電位Vfbより低い。そのため、第1の抵抗51に流れる電流I1はノード28で電流I2とIqに分岐する。電流I2は第2の抵抗52を流れ、電流IqはFET72のソース−ドレイン間を流れる。   In the present embodiment, an FET 72 that is a p-type MOSFET may be used instead of the FET 73 that is an n-type MOSFET. At this time, the reference voltage 74 is lower than the node potential Vfb. Therefore, the current I1 flowing through the first resistor 51 branches into currents I2 and Iq at the node 28. The current I2 flows through the second resistor 52, and the current Iq flows between the source and drain of the FET 72.

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

例えば、上記実施形態ではモニタ電圧Vmに応じて電界効果トランジスタのドレイン−ソース間の抵抗を制御したが、電界効果トランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いることも可能である。その場合、電流検出回路18は抵抗70を有する必要はなく、検出電流Idをバイポーラトランジスタのベースに供給する。バイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間の抵抗はベースに供給される電流に応じて変化する。したがって、このようなバイポーラトランジスタを抵抗51または52に接続することにより、分圧回路20の分圧比を検出電流Idに応じて変更することができる。これにより、上記の実施形態と同様の利点を有するバイアス制御回路が得られる。   For example, in the above embodiment, the drain-source resistance of the field effect transistor is controlled according to the monitor voltage Vm. However, a bipolar transistor can be used instead of the field effect transistor. In that case, the current detection circuit 18 does not need to have the resistor 70, and supplies the detection current Id to the base of the bipolar transistor. The resistance between the collector and the emitter of the bipolar transistor changes according to the current supplied to the base. Therefore, by connecting such a bipolar transistor to the resistor 51 or 52, the voltage dividing ratio of the voltage dividing circuit 20 can be changed according to the detection current Id. As a result, a bias control circuit having advantages similar to those of the above embodiment can be obtained.

第1実施形態のバイアス制御回路を示す概略図である。It is the schematic which shows the bias control circuit of 1st Embodiment. 第1実施形態のバイアス制御回路を示す回路図である。It is a circuit diagram showing a bias control circuit of the first embodiment. 第1実施形態の高電圧発生回路の出力電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the output voltage of the high voltage generation circuit of 1st Embodiment. 本実施形態および従来例の消費電力を示すグラフである。It is a graph which shows the power consumption of this embodiment and a prior art example. 従来例に対する本実施形態の消費電力の削減率を示すグラフである。It is a graph which shows the reduction rate of the power consumption of this embodiment with respect to a prior art example. 第2実施形態のバイアス制御回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the bias control circuit of 2nd Embodiment. 第3実施形態のバイアス制御回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the bias control circuit of 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…バイアス制御回路、12…アバランシェフォトダイオード(APD)、14…前置増幅器、15…バイアスライン、16…高電圧発生回路、18…電流検出回路、20…分圧回路、22…制御回路、26、28…ノード、51、52…抵抗、72…トランジスタ(FET)、100…光受信器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Bias control circuit, 12 ... Avalanche photodiode (APD), 14 ... Preamplifier, 15 ... Bias line, 16 ... High voltage generation circuit, 18 ... Current detection circuit, 20 ... Voltage division circuit, 22 ... Control circuit, 26, 28 ... node, 51, 52 ... resistor, 72 ... transistor (FET), 100 ... optical receiver.

Claims (3)

アバランシェフォトダイオード用のバイアス制御回路であって、
前記アバランシェフォトダイオードに印加する可変の直流電圧を生成する電圧源と、
前記アバランシェフォトダイオードにより生成される光電流を検出するカレントミラー回路を含んでおり、該光電流に応じたモニタ信号を生成する電流検出手段と、
前記モニタ信号に応じた分圧比で前記直流電圧を分圧する分圧回路と、
前記分圧回路の出力に応じて前記電圧源を制御する制御回路と、
を備え、
前記分圧回路は、
前記直流電圧を分圧する互いに直列に接続された第1および第2の抵抗と、
前記第1または第2の抵抗に接続され、前記モニタ信号に応じて変化する抵抗を有する可変抵抗素子と、
を含んでいる、バイアス制御回路。
A bias control circuit for an avalanche photodiode,
A voltage source for generating a variable DC voltage applied to the avalanche photodiode;
A current mirror circuit that detects a photocurrent generated by the avalanche photodiode, and a current detection unit that generates a monitor signal according to the photocurrent;
A voltage dividing circuit for dividing the DC voltage at a voltage dividing ratio according to the monitor signal;
A control circuit for controlling the voltage source according to the output of the voltage dividing circuit;
With
The voltage dividing circuit includes:
First and second resistors connected in series with each other to divide the DC voltage;
A variable resistance element connected to the first or second resistor and having a resistance that changes in accordance with the monitor signal;
Including a bias control circuit.
前記可変抵抗素子は、前記モニタ信号が入力されるトランジスタである、
請求項1に記載のバイアス制御回路。
The variable resistance element is a transistor to which the monitor signal is input.
The bias control circuit according to claim 1.
前記第1または第2の抵抗は、前記アバランシェフォトダイオードの温度特性を補償する温度特性を有している、請求項1または2に記載のバイアス制御回路。   The bias control circuit according to claim 1, wherein the first or second resistor has a temperature characteristic that compensates for a temperature characteristic of the avalanche photodiode.
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CN107024288A (en) * 2016-01-29 2017-08-08 苏州超锐微电子有限公司 A kind of being quenched and current-limiting circuit applied to single-photon detector

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