JP2009088580A - 増幅回路及びこれを備える光ピックアップ - Google Patents

Abstract

【課題】ソースフォロア回路を出力段とする複数段構成のオペアンプを用いる帰還型の増幅回路において、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保する。
【解決手段】本発明による増幅回路は、入力信号Ｖｉｎが供給される差動増幅回路２０と、差動増幅回路２０の出力を受けるソースフォロア回路３０と、ソースフォロア回路３０の出力端と差動増幅回路２０の入力端とを接続する帰還回路と、を備え、ソースフォロア回路３０を構成するＭＯＳトランジスタ３１がデプレッション型である。これにより、ＭＯＳトランジスタ３１のゲート電圧をソースフォロア回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔ以下とすることができる。つまり、ＭＯＳトランジスタ３１のゲート電圧を低く抑えることができることから、入力電圧が比較的高い場合においても比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は増幅回路に関し、特に、フォトダイオードの出力信号の増幅に用いることが好適な増幅回路に関する。また、本発明はこのような増幅回路を備えた光ピックアップに関する。

ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等の光ディスクへのデータの記録及び再生を行う光記録再生装置は光ピックアップを備えている。光ピックアップには、光源であるレーザーダイオードや、光ディスクにて反射したレーザービームを受光するフォトダイオードなどが備えられている。フォトダイオードは、受光したレーザービームを電気信号に変換する素子であり、その出力信号を参照することにより光ディスクに記録されている情報を読み取ることが可能となる。

しかしながら、フォトダイオードの出力信号は極めて微弱であることから、これを外部に出力するためには、増幅回路が必要である。したがって、光ピックアップにはこのような増幅回路（受光アンプ）も搭載されることになる。

この種の増幅回路には、一般に、バイポーラトランジスタによって構成される半導体ＩＣ（バイポーラＩＣ）が用いられる（特許文献１〜５参照）。これは、バイポーラＩＣは広帯域化が容易という利点を有しているためである。しかしながら、バイポーラＩＣには、製造時に用いるフォトマスクの数が多く、低コスト化が難しいという問題がある。また、消費電力が比較的大きいという問題もある。したがって、製造コストを低減するとともに低消費電力化するためには、上記のような問題のないＭＯＳトランジスタからなる半導体ＩＣを用いることが好適であると考えられる。
特開２００４−２３５７６４号公報 特開２００５−９４１４９号公報 特開２００５−２１０１４７号公報 特開２００７−１５０６０８号公報 特開２００７−１２２８４１号公報

上述したＭＯＳトランジスタからなる半導体ＩＣの具体的な例として、初段が差動増幅回路、次段がソースフォロア回路である２段構成のオペアンプを備え、ソースフォロア回路の出力端と増幅部の入力端とが抵抗を介して接続された帰還型の増幅回路が挙げられる。このような増幅回路の電圧増幅度は抵抗値の調節によって適宜設定可能である。なお、フォトダイオードの出力電圧は、受光したレーザービームの強度に応じ、所定電圧（以下、バイアス電圧という。）を基準として上下に変動するので、上記増幅回路にもこのバイアス電圧と同値のバイアス電圧が印加される。

ところで、オペアンプの電源電圧は低消費電力化などのためにできるだけ低く設定されることが好ましいが、上記増幅回路には設定可能な電源電圧の下限がある。すなわち、電源電圧が低いほど上記増幅回路のダイナミックレンジ（入力信号の電圧値の線形増幅可能範囲）は小さくなるため、フォトダイオードの出力電圧がダイナミックレンジを超えない程度に、電源電圧を高く設定する必要がある。

以下、電源電圧とダイナミックレンジの関係について、一例を挙げて説明する。まず、フォトダイオードの出力電圧がＶｉｎであるとき、ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタのゲート電圧はＶｉｎ＋Ｖｔｈとなる。なお、Ｖｔｈはソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタのしきい値電圧であり、ここでは１．０５Ｖであるとする。

さらに、電源電圧を３．３Ｖとすると、前段に位置する差動増幅回路が出力可能な電圧の最大値は３．３Ｖとなる。この場合において、フォトダイオードのバイアス電圧が１．６５Ｖであるとすると、差動増幅回路が出力し得る信号の振幅の最大値は３．３Ｖ−（１．６５Ｖ＋１．０５Ｖ）＝０．６Ｖとなる。したがって、上記増幅回路のダイナミックレンジの上限値は、１．６５Ｖ＋０．６Ｖ＝２．２５Ｖとなる。電源電圧を例えば４．３５Ｖに上げれば、この値は１．６５Ｖ＋１．６５Ｖ=３．３Ｖに上昇する。

以上説明したような電源電圧の下限の存在は、低消費電力化の妨げとなるため、増幅回路設計において大きな問題となっている。なお、このような問題は、フォトダイオード用の増幅回路のみならず、ソースフォロア回路を出力段とする複数段構成のオペアンプを用いる帰還型の増幅回路において、その入力電圧が比較的高い場合に共通に生じる問題である。

したがって、本発明の目的は、ソースフォロア回路を出力段とする複数段構成のオペアンプを用いる帰還型の増幅回路において、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能な増幅回路を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、ＭＯＳトランジスタを用いたフォトダイオード用の改良された増幅回路を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、このような増幅回路を備える光ピックアップを提供することにある。

本発明による増幅回路は、入力信号が供給される増幅部と、増幅部の出力を受けるソースフォロア回路と、前記ソースフォロア回路の出力端と前記増幅部の入力端とを接続する帰還回路と、を備え、ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタがデプレッション型であることを特徴とする。

本発明によれば、ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタがデプレッション型であることから、そのしきい値電圧Ｖｔｈは比較的低い値（通常０以下）となる。したがって、該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を比較的低い値に抑えることができ、前段増幅部が出力し得る信号の振幅の最大値が比較的大きくなる。このため、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。

また、上記増幅回路において、前記増幅部が差動増幅回路を含むこととしてもよい。これによれば、差動増幅回路を含む増幅回路においても、十分なダイナミックレンジを確保できる。

また、上記増幅回路において、前記入力信号がフォトダイオードの出力信号であることとしてもよい。これによれば、フォトダイオードの出力信号を増幅するための増幅回路において、十分なダイナミックレンジを確保できる。

また、本発明による光ピックアップは、レーザービームを受光するフォトダイオードと、フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを備える光ピックアップであって、増幅回路は、フォトダイオードの出力信号が供給される差動増幅回路と、差動増幅回路の出力を受けるソースフォロア回路と、前記ソースフォロア回路の出力端と前記差動増幅回路の入力端とを接続する帰還回路と、を備え、前記ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタがデプレッション型であることを特徴とする。これによれば、光ピックアップ内の増幅回路において、十分なダイナミックレンジを確保できる。

このように、本発明によれば、ソースフォロア回路を出力段とする複数段構成のオペアンプを用いる帰還型の増幅回路において、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１にかかる増幅回路１及びフォトダイオード２の基本構成を示す回路図である。

図１に示すように、増幅回路１は、オペアンプ１０の反転入力端子（−）にフォトダイオード２が接続され、オペアンプ１０の非反転入力端子（＋）に基準電圧源１４が接続された構成を有している。また、増幅回路１は、オペアンプ１０の出力端と反転入力端子（−）とを接続する帰還回路を備えている。この帰還回路は抵抗１６を含んで構成される。これらの構成により、増幅回路１は所謂反転増幅回路を構成している。

一方、フォトダイオード２は、光ディスクにて反射したレーザービームを受光し、光電変換を行う素子である。一例では、フォトダイオード２はＰＮダイオード、逆バイアス電源、抵抗を含んで構成され、ＰＮダイオードにレーザービームが当たることによって抵抗の両端の電圧が変動する。この電圧は所定の電圧値（バイアス電圧）を基準として上下に変動し、フォトダイオード２の出力Ｖｉｎとなる。以下では、このバイアス電圧は１．６５Ｖであるとする。

増幅回路１は、フォトダイオード２の出力Ｖｉｎを増幅して出力する。その結果、増幅回路１の出力Ｖｏｕｔには、受光したレーザービームの強度に応じた出力が得られる。

図２は、本実施形態による増幅回路１をより詳細に示す回路図である。

図２に示すように、オペアンプ１０は差動増幅回路２０及びソースフォロア回路３０からなり、これらが従属接続された構成を有している。つまり、フォトダイオード２の出力Ｖｉｎはまず差動増幅回路２０に供給され、さらに差動増幅回路２０の出力がソースフォロア回路３０に供給される。

差動増幅回路２０は、カレントミラー接続されたＰチャンネルＭＯＳトランジスタ２１，２２と、トランジスタ２１，２２にそれぞれ直列接続されたＮチャンネルＭＯＳトランジスタ２３，２４と、トランジスタ２３，２４のソースに接続された定電流源２５によって構成されている。トランジスタ２３のゲートはフォトダイオード２に接続され、トランジスタ２４のゲートは基準電圧源１４に接続されている。基準電圧源１４はフォトダイオード２のバイアス電圧と同値の電圧（ここでは１．６５Ｖ。）を発生する。差動増幅回路２０の出力は、トランジスタ２１とトランジスタ２３の接続点から取り出される。

ソースフォロア回路３０は、差動増幅回路２０の出力がゲートに供給されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタ３１と、トランジスタ３１のソースに接続された定電流源３２によって構成されている。ソースフォロア回路３０の出力は、トランジスタ３１のソースから取り出され、増幅回路１の出力Ｖｏｕｔとなる。トランジスタ３１は、いわゆるデプレッション型のＭＯＳトランジスタである。すなわち、トランジスタ３１のしきい値電圧Ｖｔｈはゼロ又はマイナス値である。

なお、トランジスタ２１，２２の各ソース，及びトランジスタ３１のドレインには電源電圧Ｖｄｄが供給されている。

ここで、増幅回路１の電圧増幅度は、抵抗１６の抵抗値とフォトダイオード２の内部抵抗値の調節により、適宜設定される。ただし、フォトダイオード２の出力電圧がバイアス電圧の電圧値１．６５Ｖである場合、電圧増幅度にかかわらず、ソースフォロア回路３０の出力電圧（トランジスタ３１のソース電圧）は約１．６５Ｖ程度となる。

トランジスタ３１のしきい値電圧をＶｔｈとすると、トランジスタ３１のゲート電圧は、Ｖｏｕｔ＋Ｖｔｈで与えられるが、本実施形態においてはトランジスタ３１がデプレッション型であるため、Ｖｔｈ≦０である。したがって、トランジスタ３１のゲート電圧は、ソース電圧とほぼ同じか、寧ろこれよりも低くなる。例えば、しきい値電圧Ｖｔｈがほぼ０Ｖであるとすると、トランジスタ３１のゲート電圧は出力Ｖｏｕｔの電圧とほぼ一致することになる。その結果、例えば出力Ｖｏｕｔの電圧が約１．６５Ｖであるとすれば、トランジスタ３１のゲート電圧も約１．６５Ｖとなる。

これにより、カレントミラー回路を構成するトランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧が従来に比べて拡大される。つまり、トランジスタ３１としてエンハンスメント型のトランジスタを用いると、トランジスタ３１のゲート電圧は出力Ｖｏｕｔの電圧よりもしきい値電圧分高くなり、その結果、トランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧が低下し、ダイナミックレンジが狭くなる。このため、ダイナミックレンジを十分に確保するためには、上述したように、電源電圧Ｖｄｄを高くする必要が生じる。

これに対し、本実施形態では、トランジスタ３１としてデプレッション型のトランジスタを用いていることから、電源電圧Ｖｄｄが比較的低くてもダイナミックレンジを十分に確保することが可能となる。例えば、電源電圧Ｖｄｄが３．３Ｖであるとすると、トランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧の振幅の最大値（差動増幅回路２０が出力し得る信号の振幅の最大値）は約１．６５Ｖ（＝３．３Ｖ−１．６５Ｖ（フォトダイオード２のバイアス電圧の電圧値））となり、十分な振幅が確保される。なお、この場合における増幅回路１のダイナミックレンジの上限値は３．３Ｖとなる。

以上説明したように、本実施形態にかかる増幅回路１によれば、トランジスタ３１のゲート電圧を比較的低い値に抑えることができ、前段の差動増幅回路２０が出力し得る信号の振幅の最大値が比較的大きくなる。このため、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。また、フォトダイオードの出力信号を増幅するための増幅回路において、十分なダイナミックレンジを確保できる。

なお、上記実施形態１では、初段が差動増幅回路、次段がソースフォロア回路である２段構成のオペアンプを用いる増幅回路の例を取り上げて説明したが、本発明は、差動増幅回路以外の増幅部を初段に備える増幅回路にも適用可能である。

［実施形態２］
実施形態１において説明した増幅回路１は、フォトダイオード２と同一チップ上に集積することができ、このようなチップは、通常、フォトダイオードＩＣ（ＰＤＩＣ）と呼ばれる。本実施形態では、このＰＤＩＣを用いる光記録再生装置の回路構成の具体例を挙げ、さらに、この光記録再生装置内において用いられる光ピックアップの構成について説明する。

まず、図３は、光ディスクの記録再生を行う光記録再生装置において用いられるＰＤＩＣ１００の外観例を示す図である。同図に示すＰＤＩＣ１００は、光記録再生装置の中でも特にＣＤ(Compact Disc)／ＤＶＤ／ＢＤ(Blu-ray Disc(登録商標))コンパチブルレコーダーに用いられるものであり、２０個のフォトダイオード（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ１，ｅ２，ｆ１，ｆ２）を備えている。各フォトダイオードは、それぞれ受光部Ｒ−１〜６のいずれかに配置されている。

受光部Ｒ−１〜３はＢＤ／ＤＶＤ記録再生用に用いられるものである。受光部Ｒ−１は４つのフォトダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにより構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したメインビームＭＢを受光する。また、受光部Ｒ−２は４つのフォトダイオードＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４により構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したサブビームＳＢ１を受光する。また、受光部Ｒ−３は４つのフォトダイオードＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４により構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したサブビームＳＢ２を受光する。

受光部Ｒ−４〜６はＣＤ記録再生用に用いられるものである。受光部Ｒ−４は４つのフォトダイオードａ，ｂ，ｃ，ｄにより構成され、ＣＤで反射したメインビームＭＢを受光する。また、受光部Ｒ−５は２つのフォトダイオードｅ１，ｅ２により構成され、ＣＤで反射したサブビームＳＢ１を受光する。また、受光部Ｒ−６は２つのフォトダイオードｆ１，ｆ２により構成され、ＣＤで反射したサブビームＳＢ２を受光する。

図４及び図５は、上記ＰＤＩＣ１００の内部回路構成を示す図である。なお、図４及び図５は、２つの図で１つのＰＤＯＣ１００の内部回路構成を示しており、実際には図４の下部と図５の上部とがつながっている。各フォトダイオードにかかる回路構成には互いに類似している部分が多いので、以下では、フォトダイオードＡ及びフォトダイオードａに着目して説明を行うこととする。

図４に示す回路４０は、フォトダイオードＡ及びフォトダイオードａの他、オペアンプ１０、抵抗１６、スイッチ４１、リミッタ回路４２、スイッチ４３、抵抗４４を含んで構成される。オペアンプ１０及び抵抗１６は実施形態１で説明したものであり、実施形態１にかかる増幅回路１を構成している。

オペアンプ１０の反転入力端子（−）には、外部からの制御に応じたスイッチ４１の動作により、記録再生対象メディアがＢＤ又はＤＶＤである場合にフォトダイオードＡが接続され、記録再生対象メディアがＣＤである場合にフォトダイオードａが接続される。一方、オペアンプ１０の非反転入力端子（＋）には、所定電圧の電源Ｖｓが接続される。オペアンプ１０及び抵抗１６により構成される増幅回路１は、フォトダイオードの出力信号に増幅処理を施す。

ゲイン制御部５０は、外部からの指示に従ってスイッチ４３を制御する。これにより抵抗４４の帰還回路への組み入れと、それによる増幅回路１のゲイン制御が可能になっている。

リミッタ回路４２は、オペアンプ１０から出力された信号の振幅が所定の最大値を超えている場合、超えた分の振幅をクリップして、後段に出力する。

リミッタ回路４２の出力信号は、端子ＶＡ／Ｖａから出力されるとともに、合成回路６０にも入力される。端子ＶＡ／Ｖａからの出力信号は、図示しない制御回路において、光スポットのデフォーカスやトラックからのずれを検出するためのサーボ信号として用いられる。

合成回路６０には、上記リミッタ回路４２の出力信号の他、フォトダイオードＢ，Ｃ，Ｄ又はフォトダイオードｂ，ｃ，ｄからも同様にリミッタ回路の出力信号が入力される。これらの各出力信号は合成され、端子ＶＲＦＰ及び端子ＶＲＦＮから出力される。なお、端子ＶＲＦＰ及び端子ＶＲＦＮの出力信号は互いに逆相となる。こうして出力される信号は、図示しない制御回路において、記録されているデータを示すデータ信号として用いられる。

次に、図６は、上記ＰＤＩＣ１００を備える光ピックアップ１０１の構成を示す模式図である。

図６に示すように、光ピックアップ１０１は、レーザ光源１０２と、レーザ光源１０２からのレーザービームを複数に分割する回折格子１０３と、回折格子１０３から出射されたレーザービームを平行光にするコリメートレンズ１０４と、平行光とされたレーザービームを光ディスク２００側へ導くミラー１０５と、ミラー１０５で反射されたレーザービームを円偏光に変換して対物レンズ１０６に入射する１／４波長板１１０と、１／４波長板１１０から入射されたレーザービームをディスク面に収束させる対物レンズ１０６と、光ディスク２００により反射されミラー１０５でさらに反射された光をＰＤＩＣ１００側へ導くビームスプリッタ１０７と、ビームスプリッタ１０７からの反射光を収束させるアナモフィックレンズ１０８と、アナモフィックレンズ１０８によって収束された反射光を受光するＰＤＩＣ１００とを備えている。ＰＤＩＣ１００は、上述したように２０個のフォトダイオードを備え、各フォトダイオードは、上記反射光を受光して光電変換し、反射光の強度に応じた電圧信号を出力する。

なお、光ディスク２００に対する対物レンズ１０６の位置は、対物レンズ駆動装置１０９によって高精度に制御される。詳細には、対物レンズ１０６をフォーカス方向へ駆動することにより、光ディスク２００の記録面にビームスポットの焦点を合わせるフォーカス補正が行われ、トラッキング方向へ駆動することにより、光ディスク２００のトラックにビームスポットを追従させるトラッキング補正が行われる。また、タンジェンシャル方向を回転軸にして対物レンズ１０６をトラッキング方向に回転させることにより、ディスクの反りに対応するチルト角の補正が行われる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、本発明による増幅回路をＰＤＩＣに適用した場合を例に説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

また、差動増幅回路の構成についても図２に示した構成に限定されず、これとは異なる回路構成を有していても構わない。

本発明の実施形態１にかかる増幅回路の基本構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１にかかる増幅回路をより詳細に示す回路図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの外観例を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの内部回路構成を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの内部回路構成を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣを備える光ピックアップの構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 増幅回路
２，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，ｅ１，ｅ２，ｆ１，ｆ２ フォトダイオード
１０ オペアンプ
１４ 基準電圧源
１６，４４ 抵抗
２０ 差動増幅回路
２１，２２ ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ
２３，２４ ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
３１ デプレッション型トランジスタ
２５，３２ 定電流源
３０ ソースフォロア回路
４０ 回路
４１，４３ スイッチ
４２ リミッタ回路
５０ ゲイン制御部
６０ 合成回路
１００ ＰＤＩＣ
１０１ 光ピックアップ
１０２ レーザ光源
１０３ 回折格子
１０４ コリメートレンズ
１０５ ミラー
１０６ 対物レンズ
１０７ ビームスプリッタ
１０８ アナモフィックレンズ
１０９ 対物レンズ駆動装置
１１０ １／４波長板
２００ 光ディスク

Claims (4)

1. 入力信号が供給される増幅部と、前記増幅部の出力を受けるソースフォロア回路と、前記ソースフォロア回路の出力端と前記増幅部の入力端とを接続する帰還回路と、を備え、
   前記ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタがデプレッション型であることを特徴とする増幅回路。
2. 前記増幅部が差動増幅回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
3. 前記入力信号がフォトダイオードの出力信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の増幅回路。
4. レーザービームを受光するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを備える光ピックアップであって、
   前記増幅回路は、前記フォトダイオードの出力信号が供給される差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力を受けるソースフォロア回路と、前記ソースフォロア回路の出力端と前記差動増幅回路の入力端とを接続する帰還回路と、を備え、
   前記ソースフォロア回路を構成するＭＯＳトランジスタがデプレッション型であることを特徴とする光ピックアップ。

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