JP2008236506A - Amplification apparatus and optical receiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信に用いて好適な増幅装置及び光受信装置に関する。 The present invention relates to an amplification device and an optical reception device suitable for use in optical communication.
近年、光通信を用いたFTTH(Fiber To The Home)などのネットワークサービスの普及により、G(ギガ)bps級で高速動作しバースト信号に対応するアナログICの必要性が益々高まっている。
また、光通信においては、送信側から出力された光のパワーは通信路の影響を受けるため、受信側で受信される光パワーは一定にならない。そのため、光受信装置には、受信光パワーに応じて利得を可変して出力を一定に維持する回路が必要となる。
特に、高速動作を可能しつつ受信光パワーのダイナミックレンジを拡大させるためには、受信光パワーの変動に対して高速応答可能な可変利得回路が重要である。
In recent years, with the widespread use of network services such as FTTH (Fiber To The Home) using optical communication, the need for analog ICs that operate at high speed in the G (giga) bps class and support burst signals is increasing.
In optical communication, the power of light output from the transmission side is affected by the communication path, so the optical power received at the reception side is not constant. For this reason, the optical receiving device requires a circuit that varies the gain according to the received optical power and maintains the output constant.
In particular, in order to expand the dynamic range of received light power while enabling high-speed operation, a variable gain circuit capable of high-speed response to fluctuations in received light power is important.
そこで、従来の光受信装置は、一般に、受信光の受光パワーに応じた電流を出力するフォトダイオード(PD:Photo Diode)などの受光素子と、受光素子の電流出力を電圧変換すると共に増幅して出力する前置増幅回路とを備え、この前置増幅回路に帰還型増幅器が採用されている。帰還型増幅器は、図6に示すように、位相特性を周波数で微分した群遅延特性が、一般的な増幅器よりも広い周波数帯域にわたり平坦になるため、この帰還型増幅器を前置増幅回路に採用することで、広い周波数帯域にわたり安定した増幅動作が可能になる。 Therefore, conventional optical receivers generally convert and amplify the current output of a light receiving element such as a photodiode (PD: Photo Diode) that outputs a current corresponding to the received light power of the received light and the current output of the light receiving element. A preamplifier circuit for output, and a feedback amplifier is employed for the preamplifier circuit. As shown in FIG. 6, the feedback amplifier has a group delay characteristic obtained by differentiating the phase characteristic with respect to frequency and becomes flat over a wider frequency band than a general amplifier. Therefore, this feedback amplifier is employed in the preamplifier circuit. By doing so, a stable amplification operation is possible over a wide frequency band.
この種の前置増幅回路においては、受光パワーが大きい場合でも前置増幅回路が出力する信号波形のデューティ比を略一定に維持するために、図7に示すように、前置増幅回路が備える帰還型増幅器1の帰還抵抗を可変型の帰還抵抗R1としたものもある。
近年では、図8に示すように、抵抗値固定の帰還抵抗R2に対して並列にMOSトランジスタM1を接続して実質的に可変型の帰還抵抗R2を構成し、さらに、このMOSトランジスタM1のゲート(バイポーラトランジスタの場合はベース)に、前置増幅回路の出力電圧を帰還するように構成した帰還型増幅器2を用いることで、受光素子が受光する受光パワーが大きくなった場合でも、前置増幅回路の出力信号波形のデューティ比を略一定に保つように、帰還型増幅器2の利得が調整されるようにした技術が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
In recent years, as shown in FIG. 8, a MOS transistor M1 is connected in parallel to a feedback resistor R2 having a fixed resistance value to form a substantially variable feedback resistor R2. Further, the gate of the MOS transistor M1 Even if the light receiving power received by the light receiving element is increased by using the
しかしながら、従来の帰還型増幅器1、2においては、帰還抵抗R1、R2を可変にしているため、帰還型増幅器1、2の増幅動作の安定性が損なわれる、という問題がある。
より具体的には、帰還抵抗R1、R2の抵抗値と、位相を安定させる理想的な抵抗値とのずれや、帰還抵抗R1、R2の周りに寄生する容量などにより、図9に示すように、帰還型増幅器1、2においては、一般的な帰還型増幅器に比べ、高周波領域で群遅延が大きくなり増幅動作が不安定になってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高速応答が可能であり、また、広い周波数帯域にわたって安定した利得調整を行うことが可能な増幅装置及び光受信装置を提供することを目的とする。
However, in the
More specifically, as shown in FIG. 9, due to the difference between the resistance values of the feedback resistors R1 and R2 and the ideal resistance value that stabilizes the phase, the parasitic capacitance around the feedback resistors R1 and R2, and the like. In the
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides an amplifying apparatus and an optical receiving apparatus capable of high-speed response and capable of performing stable gain adjustment over a wide frequency band. Objective.
上記目的を達成するために、本発明は、受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備えることを特徴とする増幅装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention outputs a light reception signal having a current value corresponding to a light reception power, a light receiving element capable of controlling the current value, and a light receiving signal output from the light receiving element with a constant gain. An amplifier device comprising: an amplifier that amplifies and outputs the signal; and a control circuit that controls a current value output from the light receiving element based on a voltage of a signal output from the amplifier.
この構成によれば、受光素子が出力する電流値を一定の利得で増幅した信号の電圧に基づいて、受光素子が出力する電流値が制御回路により制御される。これにより、受光素子が出力する電流値がフィードバック制御されることとなり、受光パワーの大小によらず、電流値を一定に保ち、増幅器が出力する信号の電圧を所定の値に維持することが可能となる。
すなわち、従来のように、可変抵抗を帰還抵抗とした帰還型増幅器により利得を調整する必要が無いため、高周波領域で増幅器の動作が不安定になることがなく、高速に、かつ、広い周波数帯域にわたって利得調整が可能となる。
According to this configuration, the current value output from the light receiving element is controlled by the control circuit based on the voltage of the signal obtained by amplifying the current value output from the light receiving element with a constant gain. As a result, the current value output from the light receiving element is feedback-controlled, and the current value can be kept constant and the voltage of the signal output from the amplifier can be maintained at a predetermined value regardless of the magnitude of the received light power. It becomes.
In other words, since there is no need to adjust the gain with a feedback amplifier using a variable resistor as a feedback resistor as in the prior art, the operation of the amplifier does not become unstable in a high-frequency region, and it can be performed at high speed and in a wide frequency band. Gain adjustment over a wide range.
また本発明は、上記発明において、前記制御回路は、前記増幅器が出力する信号の電圧値を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路が検出した電圧値に応じて、前記受光素子に加える逆バイアス電圧を可変する逆バイアス電圧可変回路とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、受光素子に加える逆バイアス電圧が増幅器の出力電圧に応じて可変される。これにより、受光素子の変換効率が可変され、受光素子が出力する電流を簡単に制御することができる。
According to the present invention, in the above invention, the control circuit detects a voltage value of a signal output from the amplifier, and a reverse applied to the light receiving element according to the voltage value detected by the voltage detection circuit. And a reverse bias voltage variable circuit that varies the bias voltage.
According to this configuration, the reverse bias voltage applied to the light receiving element is varied according to the output voltage of the amplifier. Thereby, the conversion efficiency of the light receiving element is varied, and the current output from the light receiving element can be easily controlled.
また本発明は、上記発明において、前記増幅器は、抵抗値が固定の帰還抵抗を含む帰還型の増幅器であることを特徴とする。
この構成によれば、広い周波数帯域にわたって、安定した増幅動作が実現される。
In the invention described above, the amplifier is a feedback amplifier including a feedback resistor having a fixed resistance value.
According to this configuration, a stable amplification operation is realized over a wide frequency band.
また上記目的を達成するために、本発明は、受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備え、前記増幅器が出力する信号に基づいてデジタル信号を復調することを特徴とする光受信装置を提供する。
この構成によれば、受信光パワーの変動に対して高速に利得を可変し、かつ、広い周波数帯域にわたって安定して受信信号を復調して出力できる光受信装置が実現可能となる。
In order to achieve the above object, the present invention outputs a light reception signal having a current value corresponding to the light reception power, a light receiving element capable of controlling the current value, and a light receiving signal output from the light receiving element. An amplifier that amplifies and outputs with a gain; and a control circuit that controls a current value output from the light receiving element based on a voltage of a signal output from the amplifier, and outputs a digital signal based on the signal output from the amplifier. An optical receiver characterized by demodulating is provided.
According to this configuration, it is possible to realize an optical receiving apparatus that can change a gain at high speed with respect to fluctuations in received optical power and can stably demodulate and output a received signal over a wide frequency band.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る光受信装置10の構成を示す図である。
光受信装置10は、送信側である光送信装置から送信された光信号を受信し、デジタル信号に復調して出力するものである。
すなわち、光受信装置10は、受信光を受けて光−電気変換を行い、受光パワーに応じた受光信号Iinを出力するフォトダイオード11と、フォトダイオード11が出力する受光信号Iinを増幅して増幅信号Vaを出力する前置増幅回路12と、基準電圧Vrefを発生する基準電圧発生回路13と、前置増幅回路12で増幅した増幅信号Vaの電圧を基準電圧Vrefと比較し、増幅信号Vaの電圧が基準電圧Vref以上であるときはハイレベルの信号を出力し、増幅信号Vaの電圧が基準電圧Vref未満であるときはローレベルの信号を出力することでデジタル信号Dsを復調する比較器(コンパレータ)14とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an
The
That is, the
さらに詳述すると、前置増幅回路12は、帰還増幅器15と、逆バイアス電圧制御回路16とを有し、フォトダイオード11は、そのアノード端子110を逆バイアス電圧制御回路16の出力側に接続し、そのカソード端子111を前置増幅回路12の入力側に接続しており、光信号を受光したときは、その光信号を電気信号に光電変換し、受光パワーに応じた電流レベルの受光信号Iinを出力する。なお、フォトダイオード11に入射される光信号は、ハイレベルの状態とローレベルの状態とを平均的に同じ割合でとり得るように送信側で変調された信号である。
More specifically, the
帰還増幅器15は、図2に示すように、増幅器A15と、増幅器A15の出力の一部を入力(反転入力)に戻す帰還抵抗R15とを有した負帰還型の増幅器であり、受光信号Iinの電流レベルに応じた電圧の出力信号Voutを出力する電流−電圧変換回路として動作する。ここで、帰還増幅器15の帰還抵抗R15には、抵抗値が固定の抵抗素子が用いられている。したがって、帰還増幅器15のトランスインピーダンス利得は一定となり、出力信号Voutの電圧は受光信号Iinの電流レベルに対して比例することになる。
As shown in FIG. 2, the
また、前置増幅回路12には、帰還増幅器15の出力信号Voutをさらに増幅する図示しない増幅器が上記帰還増幅器15の後段に設けられており、前置増幅回路12において、所定の電圧レベルにまで増幅された(所定の利得で増幅された)増幅信号Vaが比較器14に入力される。
The
逆バイアス電圧制御回路16は、帰還増幅器15の出力信号Voutに基づいて、フォトダイオード11が出力する受光信号Iinの電流レベルを一定に維持するように、フォトダイオード11のアノード端子110の電位、すなわち、フォトダイオード11に印加する逆バイアス電圧をフィードバック制御する回路であり、ピークホールド回路160と、レベル変換器161とを備えている。
そして、この逆バイアス電圧制御回路16と、上記帰還増幅器15と、フォトダイオード11とを備えて、受光パワーの変動に応じて利得を高速に調整し出力信号Voutの電圧を略一定に保つ増幅装置100が構成されている。
Based on the output signal Vout of the
The amplifying apparatus includes the reverse bias
図3は逆バイアス電圧制御回路16の具体的な構成を示す回路図である。
ピークホールド回路160は、増幅器A160と、ダイオードD160と、ホールド容量C160と、N型のMOSトランジスタM160とを備えている。
より具体的には、増幅器A160はコンパレータとして動作し、その非反転入力に帰還増幅器15の出力信号Voutが入力され、また、反転入力に増幅器A160の出力信号Vpの一部が入力され、出力信号Vout及び出力信号Vpの差分に応じた電圧の出力信号Vpを出力する。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific configuration of the reverse bias
The
More specifically, the amplifier A160 operates as a comparator, and the output signal Vout of the
ダイオードD160は、半波整流回路として機能し、そのアノード端子が増幅器A160の出力に接続され、そのカソード端子が容量C160の一端に接続されており、増幅器A160の出力信号Vpの電位をホールド容量C160に与える。ホールド容量C160の他端は接地電位に保持されている。
これにより、ホール容量C160の両端電位差が増幅器A160の出力信号Voutの電位と等しくなるまで、すなわち、増幅器A160の出力端のノードN1における電位が出力信号Voutの電位と等しくなるまでホール容量C160に充電が行われる。
このノードN1はレベル変換器161の入力端に接続され、ノードN1の電位がレベル変換器161に入力される。
The diode D160 functions as a half-wave rectifier circuit, its anode terminal is connected to the output of the amplifier A160, its cathode terminal is connected to one end of the capacitor C160, and the potential of the output signal Vp of the amplifier A160 is held by the hold capacitor C160. To give. The other end of the hold capacitor C160 is held at the ground potential.
Thereby, the Hall capacitor C160 is charged until the potential difference between both ends of the Hall capacitor C160 becomes equal to the potential of the output signal Vout of the amplifier A160, that is, until the potential at the node N1 at the output end of the amplifier A160 becomes equal to the potential of the output signal Vout. Is done.
The node N1 is connected to the input terminal of the
MOSトランジスタM160は、増幅器A160の出力端のノードN1における電位を接地電位にリセットする回路であり、そのドレインがノードN1に接続され、ソースが接地され、また、ゲートがリセット端子T160に接続されている。このリセット端子T160には一定時間ごとに、図示しない制御回路からHレベルのリセット信号が入力されており、リセット信号が入力されるごとにノードN1がMOSトランジスタM160により接地され、その電位が接地電位にリセットされる。ノードN1の電位のリセットに伴ってホールド容量C160の電位差も接地電位にリセットされる。 The MOS transistor M160 is a circuit that resets the potential at the node N1 at the output end of the amplifier A160 to the ground potential, the drain is connected to the node N1, the source is grounded, and the gate is connected to the reset terminal T160. Yes. The reset terminal T160 receives an H level reset signal from a control circuit (not shown) at regular intervals, and the node N1 is grounded by the MOS transistor M160 each time the reset signal is input, and the potential is set to the ground potential. Reset to. As the potential of the node N1 is reset, the potential difference of the hold capacitor C160 is also reset to the ground potential.
レベル変換器161は、ピークホールド回路160の出力信号Vpの電圧に応じた電圧の逆バイアス電圧信号Vbを出力し、フォトダイオード11のアノード端子110に与える回路である。さらに詳述すると、レベル変換器161は、電圧レベル変換器として動作する増幅器A161を備えている。増幅器A161は、ピークホールド回路160の出力信号Vpの電位が高くなるほど、電位を低くした逆バイアス電圧信号Vbを生成する。
The
図4は、フォトダイオード11の変換効率ηと逆バイアス電圧Vcとの関係を示す図である。
フォトダイオード11の変換効率η、すなわち、受光パワー(W)に対する出力電流(A)は、カソードの電位を基準としたアノードの電位である逆バイアス電圧Vcに依存し、逆バイアス電圧Vcに比例して変換効率ηは高くなり、逆バイアス電圧Vcが一定の電圧Vhをこえると変換効率ηが飽和する。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the conversion efficiency η of the
The conversion efficiency η of the
フォトダイオード11の変換効率ηが逆バイアス電圧Vcに比例する範囲においては、受光パワーをP、フォトダイオード11が出力する受光信号Iinの電流レベルをAin、比例係数をαとした場合、次式(1)の関係が成り立つ。
電流レベルAin=比例係数α×逆バイアス電圧Vc×受光パワーP (1)
ここで、帰還増幅器15の出力信号Voutの電圧レベルは、帰還増幅器15のトランスインピーダンス利得をAvとした場合、Av×Ainとなるため、上記式(1)は次式(2)のように表すことができる。
出力信号Voutの電圧
=利得Av×比例係数α×逆バイアス電圧Vc×受光パワーP (2)
In the range where the conversion efficiency η of the
Current level Ain = proportional coefficient α × reverse bias voltage Vc × light receiving power P (1)
Here, since the voltage level of the output signal Vout of the
Voltage of output signal Vout = gain Av × proportional coefficient α × reverse bias voltage Vc × light receiving power P (2)
したがって、帰還増幅器15の出力信号Voutの電圧が増加した場合には、逆バイアス電圧Vcを下げることで帰還増幅器15の出力信号Voutの電圧が下がり、また、出力信号Voutの電圧が低下した場合には、逆バイアス電圧Vcを上げることで帰還増幅器15の出力信号Voutの電圧が上がるため、逆バイアス電圧Vcを制御することで、受光パワーPの大小によらず、出力信号Voutを一定に保持することが可能となる。
Therefore, when the voltage of the output signal Vout of the
そこで、レベル変換器161は、ピークホールド回路160の出力信号Vpの電圧が変動した場合、すなわち、帰還増幅器15の出力信号Voutの電圧レベルが変動した場合には、上記(2)式に基づいて、帰還増幅器15の出力信号Vout(ピークホールド回路160の出力信号Vp)を所定の電圧値に維持する電圧の逆バイアス電圧信号Vbを生成し、フォトダイオード11のアノード端子110に加える。
Therefore, when the voltage of the output signal Vp of the
次に、このような構成からなる実施形態の動作について説明する。
いま、送信側で送信された信号光をフォトダイオード11が受けているものとすると、フォトダイオード11は、上記式(1)に基づく電流レベルAinの受光信号Iinを前置増幅回路12の帰還増幅器15に出力する。これにより、トランスインピーダンス利得Av×電流レベルAinにより示される電圧の出力信号Voutが帰還増幅器15から出力され、この出力信号Voutが後段の増幅器、及び、逆バイアス電圧制御回路16に入力される。
逆バイアス電圧制御回路16においては、帰還増幅器15の出力信号Voutのピーク電圧がピークホールド回路160により検出され、出力信号Vpとしてレベル変換器161に出力され、レベル変換器161が出力信号Vpに応じた逆バイアス電圧信号Vbを生成し、フォトダイオード11のアノード端子110に加える。
Next, the operation of the embodiment having such a configuration will be described.
Assuming that the
In the reverse bias
このとき、図5に示すように、タイミングt1において、受光パワーPが大きくなると、これに伴いピークホールド回路160の出力信号Vpの電圧が大きくなる。この場合、レベル変換器161は、出力信号Vpを所定の電圧値まで下げるように上記(2)式に基づいて電圧を下げた逆バイアス電圧信号Vbを生成し、フォトダイオード11のアノード端子110に加えることとなり、結果として、フォトダイオード11の変換効率ηとのトレードオフにより、このフォトダイオード11から出力される受光信号Iinの電流レベルAinが一定に保たれ、また、帰還増幅器15から出力される出力信号Voutの電圧も一定に保たれる。
At this time, as shown in FIG. 5, when the received light power P increases at the timing t1, the voltage of the output signal Vp of the
このように、本実施形態によれば、逆バイアス電圧制御回路16がフォトダイオード11に加える逆バイアス電圧Vcを制御し、受光パワーPの大小によらず、フォトダイオード11が出力する受光信号Iinの電流レベルAinを一定に保つため、可変抵抗を帰還抵抗とした帰還型増幅器により利得を調整せずとも、帰還増幅器15が出力する出力信号Voutの電圧を一定に維持することができる。
これにより、高周波領域で増幅器の動作が不安定になることがなく、高速に、かつ、広い周波数帯域にわたって利得調整が可能となる。この結果、受光パワーの広ダイナミックレンジにおいて、高速なデジタル信号Dsを良好に受信することができる。
As described above, according to the present embodiment, the reverse bias
As a result, the operation of the amplifier does not become unstable in the high frequency region, and gain adjustment can be performed at high speed over a wide frequency band. As a result, it is possible to satisfactorily receive a high-speed digital signal Ds in a wide dynamic range of received light power.
また本実施形態によれば、フォトダイオード11の逆バイアス電圧Vcの制御により利得を調整するため、簡単な回路構成で利得調整が実現される。
特に、従来の帰還型増幅器においては、高周波領域における位相補償のために、アナログ回路設計を行う必要が生じるが、本実施形態によれば、このような設計を行う必要がなく、設計のリワーク低減にもつながる。
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能であることは勿論である。
Further, according to the present embodiment, the gain is adjusted by controlling the reverse bias voltage Vc of the
In particular, in a conventional feedback amplifier, it is necessary to design an analog circuit for phase compensation in a high frequency region. However, according to the present embodiment, such a design is not necessary, and design rework is reduced. It also leads to.
It should be noted that the above-described embodiment is merely an aspect of the present invention, and can be arbitrarily modified and applied within the scope of the present invention.
10…光受信装置、11…フォトダイオード(受光素子)、12…前置増幅回路、15…帰還増幅器(増幅器)、16…逆バイアス電圧制御回路(制御回路)、100…増幅装置、160…ピークホールド回路(電圧検出回路)、161…レベル変換器(逆バイアス電圧可変回路)、Iin…受光信号、P…受光パワー、Vc…逆バイアス信号。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、
前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路と
を備えることを特徴とする増幅装置。 A light receiving element that outputs a light receiving signal having a current value corresponding to the light receiving power, and that can control the current value;
An amplifier that amplifies and outputs a light reception signal output by the light receiving element with a constant gain;
And a control circuit that controls a current value output from the light receiving element based on a voltage of a signal output from the amplifier.
前記制御回路は、
前記増幅器が出力する信号の電圧値を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路が検出した電圧値に応じて、前記受光素子に加える逆バイアス電圧を可変する逆バイアス電圧可変回路と
を備えることを特徴とする増幅装置。 The amplification device according to claim 1,
The control circuit includes:
A voltage detection circuit for detecting a voltage value of a signal output from the amplifier;
An amplifying apparatus comprising: a reverse bias voltage variable circuit that varies a reverse bias voltage applied to the light receiving element in accordance with a voltage value detected by the voltage detection circuit.
前記増幅器は、抵抗値が固定の帰還抵抗を含む帰還型の増幅器であることを特徴とする増幅装置。 In the amplification device according to claim 1 or 2,
The amplifier is a feedback type amplifier including a feedback resistor having a fixed resistance value.
前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、
前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備え、
前記増幅器が出力する信号に基づいてデジタル信号を復調する
ことを特徴とする光受信装置。 A light receiving element that outputs a light receiving signal having a current value corresponding to the light receiving power, and that can control the current value;
An amplifier that amplifies and outputs a light reception signal output by the light receiving element with a constant gain;
A control circuit for controlling a current value output from the light receiving element based on a voltage of a signal output from the amplifier;
A digital signal is demodulated based on a signal output from the amplifier.
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