JP2009094573A - 受光増幅装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光ディスクメディアの高密度化及び高倍速化により、複数のゲイン切り替えを持ち、かつ、良好な高周波特性を有する受光増幅装置が必要とされている。
【解決手段】受光素子１と、受光素子１からの電流を増幅する増幅回路２とを備えた受光増幅装置であって、増幅回路２は入力と出力との間に帰還抵抗回路を備え、前記帰還抵抗回路は、抵抗２２と可変抵抗とを備え、抵抗２２の一端は、受光素子１と増幅回路２の入力との接続点に接続され、抵抗２２の他端は、前記可変抵抗の一端に接続され、前記可変抵抗の他端は、増幅回路２の出力に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光増幅装置及びそれを備える光ピックアップ装置に関する。
電流−電圧変換増幅回路は、受光増幅装置の一構成回路として、光ディスク用ピックアップ装置、カメラ用オートフォーカス装置、光電スイッチ等の各種センサとして使用されるようになっている。
特に光ディスクメディアの更なる高密度化、高倍速化により、電流−電圧変換増幅回路は良好な高周波特性が求められている。
また、光ディスクメディアにもＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ±Ｒ、ＤＶＤ±ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭやＢｌｕ−Ｒａｙ、ＨＤＤＶＤディスクメディアなどの様々なメディアや、複数レイヤーを持つメディアまで様々登場してきており、複数のメディアに対応するべく複数のゲインにて電流−電圧変換できる受光増幅装置が必要とされている。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、それぞれ特許文献１及び特許文献２に記載された従来の受光増幅装置である。
図１０（ａ）における受光増幅装置は、受光素子１００と、増幅回路１０１とを備える。
増幅回路１０１は、オペアンプ１０１１と、抵抗１０１２と、抵抗１０１３と、バイアス抵抗１０１４と、バイアス抵抗１０１５と、スイッチ１０１６と、スイッチ１０１７とを備える。
スイッチ１０１６は、オン状態により抵抗１０１３を有効にする。また、スイッチ１０１７は、オン状態によりバイアス抵抗１０１５を有効にする。
必要なゲインに応じてスイッチ１０１６及びスイッチ１０１７を切り替えることにより、全体の帰還抵抗が抵抗１０１２もしくは抵抗１０１２と抵抗１０１３との並列抵抗に切り替わる。これにより、一つの増幅回路１０１で複数のゲインを持つ電流―電圧変換増幅回路を実現している。
また、図１０（ｂ）における受光増幅装置は、受光素子１０５と、増幅回路１０６とを備える。
増幅回路１０６は、オペアンプ１０６１と、抵抗１０６２と、抵抗１０６３と、容量１０６４と、容量１０６５と、スイッチ１０６６と、スイッチ１０６７とを備える。
必要なゲインに応じてスイッチ１０６６及びスイッチ１０６７を切り替えることにより、全体の帰還回路が、抵抗１０６２と容量１０６４との並列回路もしくは抵抗１０６３と容量１０６５との並列回路のいずれかに切り替わる。これにより、一つの増幅回路１０６で複数のゲインを持つ電流−電圧変換増幅回路を実現している。
特願２００５−１９０２９１号公報 特願２００１−３８２１０４号公報
しかしながら、図１０（ａ）に示される受光増幅装置の構成では、複数のゲインに対応するために設けられた複数の抵抗１０１２及び１０１３がオペアンプ１０１１の反転入力端子に並列接続されているため、それらの抵抗の寄生容量が増え高周波応答性能が低下する。
また、図１０（ｂ）に示される受光増幅装置の構成では、オペアンプ１０６１の反転入力端子には、抵抗の並列接続による寄生容量増大を避けるため、スイッチ１０６６が接続されている。
しかし、スイッチ１０６６としてバイポーラトランジスタが使用された場合、受光素子１０５に光が照射されていない時に抵抗１０６２もしくは抵抗１０６３にスイッチ１０６６のコレクタ電流が流れてしまう。よって、受光素子１０５に光が照射されていない時の電圧（以降、オフセット電圧と呼ぶ）は、スイッチ１０６６及びスイッチ１０６７がない単一帰還回路をもつ受光増幅回路に比べ、変動するという問題が発生する。
上記問題について図１１を参照して詳細に説明する。図１１は、増幅器の反転入力端子にバイポーラスイッチが用いられた場合の従来の回路構成図である。
同図に記載された受光増幅装置は、受光素子１１０と増幅回路１１１とを備える。
受光素子１１０はアノード側がＧＮＤに、カソード側が増幅回路１１１の入力側に接続されている。
増幅回路１１１は、オペアンプ１１１１と、第１の抵抗１１１２と、第２の抵抗１１１３と、第１のバイポーラトランジスタ１１１４と、第２のバイポーラトランジスタ１１１５とを備える。
オペアンプ１１１１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、第１の帰還回路及び第２の帰還回路が並列接続されている。
第１の帰還回路は、第１のバイポーラトランジスタ１１１４のコレクタ端子と第１の抵抗１１１２の一端とが直列接続され、第１のバイポーラトランジスタ１１１４のエミッタ端子がオペアンプ１１１１の反転入力端子に、また第１の抵抗１１１２の他端が出力Ｖｏｕｔに接続されている。
第２の帰還回路も、第１の帰還回路と同様に、第２のバイポーラトランジスタ１１１５のコレクタ端子と第２の抵抗１１１３の一端とが直列接続され、第２のバイポーラトランジスタ１１１５のエミッタ端子がオペアンプ１１１１の反転入力端子に、また第２の抵抗１１１３の他端が出力Ｖｏｕｔに接続されている。
第１及び第２のバイポーラトランジスタ１１１４及び１１１５のベース端子にはそれぞれ制御端子が接続され、制御電流ｉｐ１およびｉｐ２によってバイポーラトランジスタ１１１４及び１１１５のオンオフ制御がなされる。
オペアンプ１１１１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
例えば、第１のバイポーラトランジスタ１１１４のみがオンであり、受光素子に光が入っていない時、第１のバイポーラトランジスタ１１１４をオンさせるためにｉｐ１として２０μＡ程度の電流が必要であるが、受光素子１１０には電流が流れない為、ｉｐ１はオペアンプ１１１１の構成要素である初段のトランジスタのベースに数μＡ流れる程度で、大部分は第１のバイポーラトランジスタ１１１４のコレクタ側に流れこんでしまい、抵抗１１１２で電圧降下が発生し出力Ｖｏｕｔにオフセット電圧が発生する。
実際には、基板への漏れ電流の拡散や、実使用温度の変動も相まって、オフセット電圧が変動してしまうこともあり、電圧降下の値が一意に定まらない。
従って、オフセット電圧の変動を抑制しつつ高周波応答性能が良好に保たれるためには、上記第１のバイポーラトランジスタ１１１４および第２のバイポーラトランジスタ１１１５をバイポーラ型のスイッチではなく、ＦＥＴ、ＭＯＳもしくはメカニカルスイッチに限定して用いる必要が生じ、バイポーラプロセスが使用できないという不具合が発生するという課題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ゲイン切り替えスイッチの種類によらず、良好な周波数応答性能を有する受光増幅装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の受光増幅装置は、受光素子と、前記受光素子からの電流を増幅する増幅回路とを備えた受光増幅装置であって、前記増幅回路は、前記増幅回路の入力と出力との間に帰還抵抗回路を備え、前記帰還抵抗回路は、第１の抵抗素子と可変抵抗とを備え、前記第１の抵抗素子の一端は、前記受光素子と前記増幅回路の入力との接続点に接続され、前記第１の抵抗素子の他端は、前記可変抵抗の一端に接続され、前記可変抵抗の他端は、前記増幅回路の出力に接続されていることを特徴とする。
このような構成にすることにより、増幅回路と受光素子との接続点における寄生容量が極力抑制され、ゲイン切り替え段数が増加しても、良好な高周波応答性能が維持される。
ここで、前記可変抵抗は、抵抗素子とスイッチとを備え、前記抵抗素子の一端は、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、前記抵抗素子の他端は、前記増幅回路の出力に接続され、前記スイッチは、前記抵抗素子の両端に並列接続されていてもよい。
あるいは、前記可変抵抗は、複数の抵抗素子と、前記複数の抵抗素子を選択的に切り換える複数のスイッチとを備え、前記複数の抵抗素子は、抵抗素子列として直列接続され、前記抵抗素子列の一端は、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、前記抵抗素子列の他端は、前記増幅回路の出力に接続されており、前記第１の抵抗素子及び前記複数の抵抗素子の接続点のそれぞれには、前記複数のスイッチのうち何れか１つの一端が接続され、前記複数のスイッチの他端は、すべて、前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
あるいは、前記可変抵抗は、第２から第ｎ（ｎは３以上の整数）までの抵抗素子と、前記第２から第ｎまでの抵抗素子を選択的に切り換える第１から第（ｎ−１）までのスイッチとを備え、前記第２から第ｎまでの抵抗素子の一端は、すべて、前記第１の抵抗の他端に接続され、前記第２から第ｎまでの抵抗素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｎ−１）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
あるいは、前記可変抵抗は、第２から第ｎ（ｎは３以上の整数）までの抵抗素子と、前記第２から第ｎまでの抵抗素子を選択的に切り換える第１から第（ｎ−２）までのスイッチとを備え、前記第２から第ｎまでの抵抗素子の一端は、すべて、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、前記第２の抵抗素子の他端は、直接、前記増幅回路の出力に接続され、前記第３から第ｎまでの抵抗素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｎ−２）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
これらの構成により、ゲイン切り替え段数が増加しても、スイッチの種類によらず、良好な高周波応答性能が維持される。また、スイッチの他端は、常に増幅回路の出力に接続されているので、バイポーラトランジスタをスイッチとして使用しても、スイッチによるオフセット電圧の発生は生じない。
また、前記増幅回路は、入力端子として反転入力端子及び非反転入力端子を有する差動増幅回路であって、前記反転入力端子は、前記受光素子に接続され、前記増幅回路は、さらに、前記非反転入力端子と基準電圧源との間に、前記帰還抵抗回路と同じ構成からなる基準抵抗回路を備え、前記基準抵抗回路は、第１の基準抵抗素子と可変基準抵抗とを備え、前記第１の基準抵抗素子の一端は、前記非反転入力端子に接続され、前記第１の基準抵抗素子の他端は、前記可変基準抵抗の一端に接続され、前記可変基準抵抗の他端は、前記基準電圧源に接続されていてもよい。
これにより、増幅回路の非反転入力側の回路構成が、帰還抵抗回路における抵抗及びスイッチと同じ構成となり、帰還抵抗回路でオフセット電圧が発生しても、基準抵抗回路でオフセット電圧はキャンセルされる。従って、高周波応答性能を維持しつつオフセット電圧の発生が抑制される。
また、前記増幅回路は、さらに、前記増幅回路の入力と出力との間に帰還容量回路を備え、前記帰還容量回路は、第１の容量素子と可変容量とを備え、前記第１の容量素子の一端は、前記受光素子と前記増幅回路の入力との接続点に接続され、前記第１の容量素子の他端は、前記可変容量の一端に接続され、前記可変容量の他端は、前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
これにより、複数の容量を切り替える帰還容量回路が付加された場合においても、増幅回路と受光素子との接続点における容量は極力抑制され、ゲイン切り替え段数が増加しても、良好な高周波応答性能が維持される。
ここで、前記可変容量は、容量素子とスイッチとを備え、前記容量素子の一端は、前記第１の容量素子の他端に接続され、前記容量素子の他端は、前記増幅回路の出力に接続され、前記スイッチは、前記容量素子の両端に並列接続されていてもよい。
あるいは、前記可変容量は、複数の容量素子と、前記複数の容量素子を選択的に切り換える複数のスイッチとを備え、前記複数の容量素子は、容量素子列として直列接続され、前記容量素子列の一端は、前記第１の容量素子の他端に接続され、前記容量素子列の他端は、前記増幅回路の出力に接続されており、前記第１の容量素子及び前記複数の容量素子の接続点のそれぞれには、前記複数のスイッチのうち何れか１つの一端が接続され、前記複数のスイッチの他端は、すべて、前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
あるいは、前記可変容量は、第２から第ｍ（ｍは３以上の整数）までの容量素子と、前記第２から第ｍまでの容量素子を選択的に切り換える第１から第（ｍ−１）までのスイッチとを備え、前記第２から第ｍまでの容量素子の一端は、すべて、前記第１の容量の他端に接続され、前記第２から第ｍまでの容量素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｍ−１）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
あるいは、前記可変容量は、第２から第ｍ（ｍは３以上の整数）までの容量素子と、前記第２から第ｍまでの容量素子を選択的に切り換える第１から第（ｍ−２）までのスイッチとを備え、前記第２から第ｍまでの容量素子の一端は、すべて、前記第１の容量素子の他端に接続され、前記第２の容量素子の他端は、直接、前記増幅回路の出力に接続され、前記第３から第ｎまでの容量素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｍ−２）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されていてもよい。
これらの構成により、ゲイン切り替え段数が増加しても、スイッチの種類によらず、良好な高周波応答性能が実現される。
なお、本発明は、上記のような特徴を有する受光増幅装置として実現することができるだけでなく、このような受光増幅装置を備える光ピックアップ装置としても、上記と同様の構成と効果がある。
本発明の受光増幅回路によれば、オペアンプの反転入力端子に接続された回路素子は、受光素子を除いて、実動作に使用される回路素子のみとなるので、ゲイン切り替えスイッチの種類によらず、容量の増大が抑えられ、良好な周波数応答性能が実現できる。
（実施の形態１）
以下、本実施の形態１における受光増幅装置は、増幅回路の入力と出力との間にゲインを切り替えるための複数の抵抗と少なくとも１つのスイッチとを備え、受光素子と増幅回路との接続点には抵抗及びスイッチのうち、１つの抵抗の一端のみが接続されている。これにより、増幅回路と受光素子との接続点における寄生容量が極力抑制され、ゲイン切り替え段数が増加しても、良好な高周波応答性能が維持される。
以下、本実施の形態１について、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路２とを備える。
受光素子１はアノード側がＧＮＤに、また、カソード側が増幅回路２内のオペアンプ２１の反転入力端子に接続されている。
増幅回路２は、受光素子１で発生した光電流を電圧に変換する機能を有する。
増幅回路２は、オペアンプ２１と、抵抗２２と、抵抗２３と、バイポーラトランジスタ２４とを備える。
抵抗２２、抵抗２３、及びバイポーラトランジスタ２４は帰還抵抗回路を構成する。
オペアンプ２１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、直列に接続された抵抗２２および抵抗２３が接続されている。出力Ｖｏｕｔと接続された抵抗２３には、バイポーラトランジスタ２４が並列接続され、そのオン状態により抵抗２３をショートさせる。
具体的には、抵抗２２と抵抗２３との接点と、バイポーラトランジスタ２４のエミッタ端子とが接続され、抵抗２３と出力Ｖｏｕｔとの接点と、バイポーラトランジスタ２４のコレクタ端子とが接続されている。
バイポーラトランジスタ２４のベース端子は、制御信号ｃ１に接続され、そのオンオフは制御電流ｉｃ１により制御される。
抵抗２２は、反転入力端子に接続され、第１の抵抗素子を構成し、抵抗２３とバイポーラトランジスタ２４は、ゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
また、オペアンプの非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
ここで、出力電圧Ｖｏｕｔは、バイポーラトランジスタ２４のオンオフ状態によりそれぞれ、式１及び式２のように表される。
（ｉ）バイポーラトランジスタ２４がオンの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ２２×Ｒ２２ (式１)
ここで、ｉ２２は抵抗２２を流れる電流、Ｒ２２は抵抗２２の抵抗値である。
（ｉｉ）バイポーラトランジスタ２４がオフの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ２２×（Ｒ２２＋Ｒ２３） (式２)
ここで、Ｒ２３は抵抗２３の抵抗値である。上記の式１及び式２より、必要に応じてＲ２２及びＲ２３の値を設定することで任意の２種類のゲインが得られることがわかる。
このとき、受光増幅回路のゲインを切り替えた場合にオペアンプ２１の反転入力端子からみた時の入力負荷は、受光素子１と抵抗２２のみである。この構成により、オペアンプ２１の反転入力端子に複数の抵抗が接続されているゲイン切り替え方式にくらべ、反転入力負荷が低減される。
通常オペアンプの反転入力端子に接続された受光素子の容量は数十〜数百[ｆＦ]のオーダーであるのに対し、オペアンプの反転入力端子に接続された抵抗の寄生容量は数十ｆＦのオーダーであり、また、容量のオーダーは数十〜数百[ｆＦ]である。なお、寄生容量値はプロセス、受光部形状、抵抗、ゲイン切り替え段数、レイアウトに依存し変化する。
図１の回路において、受光素子１、抵抗２２及び抵抗２３の寄生容量をそれぞれ、Ｃｐｄ、Ｃ２２及びＣ２３とすると、バイポーラトランジスタ２４をオンにした時の帰還ループでは、抵抗２２、抵抗２２の寄生容量、及び、受光素子１の寄生容量で構成されるＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）が構成され、このときのカットオフ周波数ｆｃ１は以下の式３で表される。
ｆｃ１＝１／（２π×Ｒ２２×（Ｃｐｄ＋Ｃ２２）） （式３）
仮に、Ｒ２２＝１００[ｋΩ]、Ｃｐｄ＝１００[ｆＦ]、Ｃ２２＝１５[ｆＦ]とすると、式３より、カットオフ周波数ｆｃは、ほぼ１３８[ＭＨｚ］となる。
本発明では、ゲイン段数が増えても、オペアンプの反転入力端子からみた抵抗の寄生容量は、実際に選択している抵抗のみである。
これに対して、ゲイン段数が増えるにつれ、オペアンプの反転入力端子からみた抵抗の寄生容量が増加する場合を、比較として説明する。図１２は、ゲイン段数４段をもつ従来の受光増幅装置の回路構成図である。
同図における従来の受光増幅装置は、受光素子１２０と、増幅回路１２１とを備える。
受光素子１２０はアノード側がＧＮＤに、カソード側が増幅回路１２１の入力側に接続されている。
増幅回路１２１は、オペアンプ１２１１と、抵抗１２１２と、抵抗１２１３と、抵抗１２１４と、抵抗１２１５と、バイポーラトランジスタ１２１６と、バイポーラトランジスタ１２１７と、バイポーラトランジスタ１２１８と、バイポーラトランジスタ１２１９とを備える。
オペアンプ１２１１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、４つの帰還回路が並列接続されている。
それぞれの帰還回路は、１つのバイポーラトランジスタと１つの抵抗で構成される。一例として、バイポーラトランジスタ１２１６のエミッタ端子と抵抗１２１２の一端が接続されている。また、オペアンプ１２１１の反転入力端子と抵抗１２１２の他端が接続され、バイポーラトランジスタ１２１６のコレクタ端子と出力Ｖｏｕｔが接続されている。
バイポーラトランジスタ１２１６のベース端子には制御信号ｐ１１が入力され、そのオンオフは制御電流ｉｐ１１によって制御される。
他の３つの帰還回路も同様の構成となっている。
オペアンプ１２１１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
ここで、バイポーラトランジスタ１２１６、バイポーラトランジスタ１２１７、バイポーラトランジスタ１２１８、及びバイポーラトランジスタ１２１９のオンオフは、制御電流ｉｐ１１、ｉｐ１２、ｉｐ１３、及びｉｐ１４によって制御される。
図１２の回路において、バイポーラトランジスタ１２１６のみをオンにして抵抗１２１２が選択された場合、オペアンプ１２１１の反転入力端子において、抵抗１２１２の抵抗成分と、受光素子１２０、抵抗１２１２、抵抗１２１３、抵抗１２１４、及び抵抗１２１５の寄生容量成分とで構成されるＬＰＦが構成される。
このとき、抵抗１２１２の抵抗値をＲA、受光素子１２０、抵抗１２１２、抵抗１２１３、抵抗１２１４、及び抵抗１２１５の寄生容量を、それぞれ、Ｃｐｄ、ＣRA、ＣRB、ＣRC、及びＣRDとおくと、カットオフ周波数ｆｃ２は以下の式４で表すことができる。
ｆｃ２＝１／（２π×ＲA×（Ｃｐｄ＋ＣRA＋ＣRB＋ＣRC＋ＣRD）） （式４）
ここで、ＲA＝１００[ｋΩ]、Ｃｐｄ＝１００[ｆＦ]、ＣRA＝１５[ｆＦ]、ＣRB＝１５[ｆＦ]、ＣRC＝２２．５[ｆＦ]、ＣRD＝７．５[ｆＦ]とすると、カットオフ周波数ｆｃ２は、ほぼ９９[ＭＨｚ］となる。
このように、オペアンプの反転入力に複数の抵抗が接続されている場合は、ゲイン段数が増えるに従い、実動作していない抵抗の寄生容量も付加された形でＬＰＦが構成される。よってＬＰＦのカットオフ周波数が低域にシフトし、結果として高周波特性が悪化してしまう。
これに対し、本発明の実施の形態１に係る受光増幅装置の回路構成では、反転入力負荷が軽減されることにより、上記寄生容量（数十［ｆＦ］）と抵抗（数十〜百数十［ｋΩ］）で構成されるＬＰＦのカットオフ周波数は低周波域にシフトしない。
よって、ゲインの切り替え段数が増加しても、実使用周波数帯域（数［ＭＨｚ］〜数百［ＭＨｚ］ただしメディア、使用倍速による）でのＬＰＦの影響を極力受けずに良好な高周波応答性能が実現される。
また、抵抗２３がショートされるモードの場合、バイポーラトランジスタ２４のベース電流がコレクタ端子側に流れても出力Ｖｏｕｔの電圧降下は発生しない。つまり、バイポーラトランジスタによるオフセット電圧の発生が抑制されるという効果を奏する。
なお、本実施の形態によれば、切り替えスイッチとしてバイポーラトランジスタが使用される代わりに、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタ、メカニカルスイッチが使用されても同様の高周波応答性能の改善効果が得られる。
図２は、本発明の実施の形態１の第１の変形例における受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路３とを備える。
受光素子１はアノード側がＧＮＤに、また、カソード側が増幅回路３内のオペアンプ３１の反転入力端子に接続されている。
増幅回路３は、受光素子１で発生した光電流を電圧に変換する機能を有する。
増幅回路３は、オペアンプ３１と、抵抗３２と、抵抗３３と、抵抗３４と、メカニカルスイッチ３５と、メカニカルスイッチ３６とを備える。
抵抗３２、抵抗３３、抵抗３４、メカニカルスイッチ３５、及びメカニカルスイッチ３６は帰還抵抗回路を構成する。
オペアンプ３１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、抵抗３２、抵抗３３、及び抵抗３４が直列接続されている。出力Ｖｏｕｔと接続された抵抗３４には、メカニカルスイッチ３６が並列接続され、そのオン状態により抵抗３４をショートさせる。また、抵抗３３と抵抗３４とが直列接続された合成抵抗には、メカニカルスイッチ３５が並列接続され、そのオン状態により抵抗３３及び抵抗３４をショートさせる。
抵抗３２は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗３３、抵抗３４、メカニカルスイッチ３５、及びメカニカルスイッチ３６はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
なお、メカニカルスイッチ３５とメカニカルスイッチ３６とは、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合は、２つのバイポーラトランジスタが、それぞれ、抵抗３４、及び抵抗３３と３４とが直列接続された合成抵抗に並列接続される。具体的には、出力Ｖｏｕｔ側に、２つのバイポーラトランジスタのコレクタ端子が、また、その反対端にエミッタ端子が接続される。そして、２つのバイポーラトランジスタのベース端子は、それぞれ、異なる制御電流により制御される。
オペアンプ３１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
出力電圧Ｖｏｕｔはメカニカルスイッチ３５及びメカニカルスイッチ３６の状態により、それぞれ、式５、式６、及び式７のように表される。
（ｉ）メカニカルスイッチ３５がオンの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ３２×Ｒ３２ (式５)
（ｉｉ）メカニカルスイッチ３５がオフで３６がオンの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ３２×（Ｒ３２＋Ｒ３３） (式６)
（ｉｉｉ）メカニカルスイッチ３５及び３６の両方がオフの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ３２×（Ｒ３２＋Ｒ３３＋Ｒ３４） (式７)
ここで、Ｒ３２、Ｒ３３、及び、Ｒ３４は、それぞれ、抵抗３２、抵抗３３、及び抵抗３４の抵抗値である。
上記回路構成では、必要に応じてＲ３２、Ｒ３３、及びＲ３４の値を設定することで任意の３種類のゲインが得られる。
このとき、受光増幅回路のゲインが切り替わる場合、オペアンプ３１の反転入力端子からみた時の入力負荷は、受光素子１と抵抗３２のみである。よって、オペアンプ３１の反転入力端子に複数の抵抗が並列接続されている従来のゲイン切り替え方式と比較すると、入力負荷が低く抑えられる。
よって、図１に記載された受光増幅装置の回路構成図と同様に、ゲインの切り替え段数が増加しても、実使用周波数帯域（数［ＭＨｚ］〜数百［ＭＨｚ］ただしメディア、使用倍速による）でのＬＰＦの影響を極力受けずに良好な高周波応答性能が実現される。
また、スイッチがバイポーラトランジスタの場合、いずれかのバイポーラトランジスタのベース電流がコレクタ端子側に流れても出力Ｖｏｕｔの電圧降下は発生しない。つまり、バイポーラトランジスタによるオフセット電圧の発生が抑制されるという効果を奏する。
なお、ここでは、直列に接続された抵抗３個、スイッチ２個の場合について例示したが、抵抗ｎ個、スイッチ（ｎ−１）個の場合についても同様の効果を奏する。
図３は、本発明の実施の形態１の第２の変形例における受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路４とを備える。
受光素子１はアノード側がＧＮＤに、また、カソード側が増幅回路４内のオペアンプ４１の反転入力端子に接続されている。
増幅回路４は、受光素子１で発生した光電流を電圧に変換する機能を有する。
増幅回路４は、オペアンプ４１と、抵抗４２と、抵抗４３と、抵抗４４と、メカニカルスイッチ４５と、メカニカルスイッチ４６とを備える。
抵抗４２、抵抗４３、抵抗４４、メカニカルスイッチ４５、及びメカニカルスイッチ４６は帰還抵抗回路を構成する。
オペアンプ４１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、反転入力端子側から順に、抵抗４２、抵抗４３、およびメカニカルスイッチ４５が直列接続されている。さらに、抵抗４３とメカニカルスイッチ４５との直列接続部に、抵抗４４とメカニカルスイッチ４６との直列接続部が並列接続されている。
抵抗４２は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗４３、抵抗４４、メカニカルスイッチ４５、及びメカニカルスイッチ４６はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
なお、メカニカルスイッチ４５及びメカニカルスイッチ４６は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合は、２つのバイポーラトランジスタが、それぞれ、抵抗４３、または抵抗４４と、出力Ｖｏｕｔとの間に直列接続される。具体的には、２つのバイポーラトランジスタのコレクタ端子が出力Ｖｏｕｔ側に、また、抵抗４３または抵抗４４側にエミッタ端子が接続される。そして、２つのバイポーラトランジスタのベース端子は、それぞれ、異なる制御電流により制御される。
オペアンプ４１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
出力電圧Ｖｏｕｔはメカニカルスイッチ４５及びメカニカルスイッチ４６の状態により、それぞれ、式８、式９、及び式１０のように表される。
（ｉ）メカニカルスイッチ４５及びメカニカルスイッチ４６の両方がオンの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ４２×（Ｒ４２＋（抵抗４３／／抵抗４４）） (式８)
ここで、Ａ／／Ｂとは、抵抗Ａと抵抗Ｂとの並列合成抵抗値を表す。
（ｉｉ）メカニカルスイッチ４５がオフ、メカニカルスイッチ４６がオンの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ４２×（Ｒ４２＋Ｒ４４） (式９)
（ｉｉｉ）メカニカルスイッチ４５がオン、メカニカルスイッチ４６がオフの場合
Ｖｏｕｔ＝ｉ４２×（Ｒ４２＋Ｒ４３） (式１０)
ここで、Ｒ４２、Ｒ４３、及び、Ｒ４４は、それぞれ、抵抗４２、４３、及び４４の抵抗値である。
上記回路構成では、必要に応じてＲ４２、Ｒ４３、及びＲ４４の値を設定することで任意の３種類のゲインが得られる。
このとき、受光増幅装置のゲインが切り替わる場合、オペアンプ４１の反転入力端子からみた時の入力負荷は、受光素子１と抵抗４２のみである。よって、オペアンプ４１の反転入力端子に複数の抵抗が並列接続されている従来のゲイン切り替え方式と比較すると、入力負荷が低く抑えられる。
よって、図１に記載された受光増幅装置の回路構成図と同様に、ゲインの切り替え段数が増加しても、実使用周波数帯域（数［ＭＨｚ］〜数百［ＭＨｚ］ただしメディア、使用倍速による）でのＬＰＦの影響を極力受けずに良好な高周波応答性能が実現される。
また、スイッチがバイポーラトランジスタの場合、いずれかのバイポーラトランジスタのベース電流がコレクタ端子側に流れても出力Ｖｏｕｔの電圧降下は発生しない。つまり、バイポーラトランジスタによるオフセット電圧の発生が抑制されるという効果を奏する。
なお、本実施例では、可変抵抗として、直列接続された抵抗とスイッチのペアが、２組並列接続された場合を説明したが、直列接続された抵抗とスイッチのペアが、ｎ組並列接続された場合についても同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態１の第２の変形例では、抵抗４３を有効にするメカニカルスイッチ４５を用いたが、常にメカニカルスイッチ４５がオンとなる状態、つまりメカニカルスイッチ４５がない状態であっても任意のゲインが得られるのであれば、メカニカルスイッチ４５は省略可能である。
なお、本実施の形態３では、抵抗４３と抵抗４３を有効にするメカニカルスイッチ４５を用いたが、抵抗４３の抵抗値が０［Ω］の場合、つまりメカニカルスイッチ４５のみの接続であっても任意のゲインが得られるのであれば、抵抗４３がなくとも構成上問題はない。
また、本実施の形態１およびその変形例に共通して、ゲイン切り替えが実行されても、帰還抵抗回路を構成する抵抗の一部が共有化されているので、増幅回路のレイアウト面積が削減されるとともに、コストメリットも期待できる。
（実施の形態２）
本実施の形態２における受光増幅装置は、差動増幅回路の非反転入力端子と基準電圧源との間に、複数の基準抵抗とスイッチとを備え、非反転入力端子には基準抵抗及びスイッチのうち、１つの基準抵抗の一端のみが接続されている。これにより、差動増幅回路の非反転入力側の回路構成が、帰還抵抗回路における抵抗及びスイッチと同じ構成となり、高周波応答性能を維持しつつオフセット電圧の発生が抑制される。
以下、本実施の形態２について、図面を参照して具体的に説明する。
図４は、本発明の実施の形態２における受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路５とを備える。
受光素子１はアノード側がＧＮＤに、また、カソード側が増幅回路５内のオペアンプ５１の反転入力端子に接続されている。
増幅回路５は、受光素子１で発生した光電流を電圧に変換する機能を有する。
増幅回路５は、オペアンプ５１と、抵抗５２と、抵抗５３と、基準抵抗５５と、基準抵抗５６と、メカニカルスイッチ５４と、メカニカルスイッチ５７とを備える。
オペアンプ５１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、反転入力端子側から順に、抵抗５２及び５３が直列接続されており、抵抗５３をショートさせるためのメカニカルスイッチ５４が抵抗５３に並列接続され、帰還抵抗回路を構成する。
抵抗５２は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗５３及びメカニカルスイッチ５４はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
また、オペアンプ５１の非反転入力端子と基準電源Ｖｒｅｆとの間には、非反転入力端子側から順に、基準抵抗５５及び５６が直列接続されており、基準抵抗５６をショートさせるためのメカニカルスイッチ５７が基準抵抗５６に並列接続され、基準抵抗回路を構成している。
抵抗５５は、非反転入力端子に直接接続される第１の基準抵抗素子を構成し、抵抗５６及びメカニカルスイッチ５７は可変基準抵抗として機能する。
なお、メカニカルスイッチ５４及び５７は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合は、２つのバイポーラトランジスタは、それぞれ、抵抗５３、または基準抵抗５６に並列接続される。具体的には、に、２つのバイポーラトランジスタのコレクタ端子は、それぞれ、出力Ｖｏｕｔ側または基準電源Ｖｒｅｆ側に、また、エミッタ端子は、それぞれ、抵抗５２と抵抗５３との接点、または、基準抵抗５５と基準抵抗５６との接点に接続される。そして、２つのバイポーラトランジスタのベース端子は、それぞれ、同期された制御電流により制御される。
本実施の形態２では、高周波特性悪化の原因となるオペアンプの反転入力端子の負荷が低減されることにより、高周波特性の改善が実現される。
さらに、オペアンプ５１の非反転入力端子に接続された基準抵抗５５及び５６は、ゲイン切り替えの際に帰還抵抗と同じ合成抵抗となるようメカニカルスイッチ５４のオンオフと同期してメカニカルスイッチ５７のオンオフを切り替える。
この場合、ゲイン切り替えが実施されても、帰還抵抗回路と基準抵抗回路とが同一の構成をとっている為、温度ドリフトによる抵抗の変動が等しくなる。
その為、オペアンプ５１の反転入力端子に流れ込む電流ｉ５２と非反転入力へ流れ込む電流ｉ５５が等しくなり、温度変動によるオフセット電圧変動が抑制される。
なお、実施の形態１およびその変形例に記載された受光増幅回路においても、本実施の形態２のように、基準抵抗回路の構成を帰還抵抗回路の構成と等しくしてもよい。これにより、本実施の形態２のように、温度変動によるオフセット電圧変動が抑制される。
また、本回路構成をとることにより、反転入力端子に複数の抵抗が接続された従来の方式と比べ、帰還抵抗回路および基準抵抗回路を構成する抵抗の一部が共有化されることにより抵抗素子作製のための面積が削減されるので、コスト削減効果も期待される。
（実施の形態３）
本実施の形態３における受光増幅装置は、増幅回路の入力と出力との間に複数の抵抗とスイッチからなる帰還抵抗回路を備えると共に、増幅回路の入力と出力との間に複数の容量とスイッチからなる帰還容量回路を備え、前記受光素子と前記増幅回路の入力との接続点に、前記複数の容量及び前記スイッチのうち、第１の容量のみの一端が接続されている。
これにより、複数の容量を切り替える帰還容量回路が付加された場合においても、増幅回路と受光素子との接続点における容量は極力抑制され、ゲイン切り替え段数が増加しても、良好な高周波応答性能が維持される。
以下、本実施の形態３について、図面を参照して具体的に説明する。
図５は、本発明の実施の形態３における受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路６とを備える。
受光素子１はアノード側がＧＮＤに、また、カソード側が増幅回路６内のオペアンプ６１の反転入力端子に接続されている。
増幅回路６は、受光素子１で発生した光電流を電圧に変換する機能を有する。
増幅回路６は、オペアンプ６１と、抵抗６２と、抵抗６３と、メカニカルスイッチ６４と、メカニカルスイッチ６７と、容量６５と、容量６６とを備える。
抵抗６２、抵抗６３、及びメカニカルスイッチ６４は帰還抵抗回路を構成する。
容量６５、抵抗６６、及びメカニカルスイッチ６７は帰還容量回路を構成する。
オペアンプ６１の反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間には、帰還抵抗回路及び帰還容量回路がそれぞれ並列接続されている。
帰還抵抗回路は、反転入力端子側から順に、抵抗６２及び抵抗６３が直列接続されており、抵抗６３をショートさせるためのメカニカルスイッチ６４が抵抗６３に並列接続されている。
抵抗６２は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗６３及びメカニカルスイッチ６４はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
また、帰還容量回路は、反転入力端子側から順に、容量６５及び容量６６が直列接続されており、容量６６をショートさせるためのメカニカルスイッチ６７が容量６６に並列接続されている。
容量６５は、反転入力端子に直接接続される第１の容量素子を構成し、容量６６及びメカニカルスイッチ６７はゲインを切り換えるための可変容量として機能する。
オペアンプ６１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆが接続されている。
なお、メカニカルスイッチ６４及びメカニカルスイッチ６７は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合は、２つのバイポーラトランジスタは、それぞれ、抵抗６３、または容量６６に並列接続される。具体的には、２つのバイポーラトランジスタのコレクタ端子は、それぞれ、出力Ｖｏｕｔ側に、また、エミッタ端子は、それぞれ、抵抗６２と抵抗６３との接点、または、容量６５と容量６６との接点に接続される。そして、２つのバイポーラトランジスタのベース端子は、それぞれ、同期された制御電流により制御される。
本実施の形態３では、帰還抵抗回路の抵抗の切り替えと同期して帰還容量回路の容量が切り替わるようになっている。例えば、まず、メカニカルスイッチ６４及びメカニカルスイッチ６７がオンの場合、帰還抵抗としては抵抗６２のみが、また、帰還容量としては容量６５のみが選択された状態で所望の周波数特性を満たすよう各抵抗素子および容量素子が設定される。次に、メカニカルスイッチ６４及びメカニカルスイッチ６７がオフの場合、帰還抵抗としては抵抗６２と６３との直列抵抗が、また、帰還容量としては容量６５と６６との直列容量が選択された所望の周波数特性を満たすよう各抵抗素子および容量素子が設定される。
容量の値としては、例えば、拡散プロセス、受光素子の寄生容量、必要帯域、必要ゲインなどに依存し、１［ｆＦ］〜１［ｐＦ］程度のオーダーとなる。
この構成をとることにより、帰還抵抗回路だけでなく帰還容量回路においても、オペアンプの反転入力端子の負荷が低減され、高周波特性の改善を行うことができる。
なお、本実施の形態３では、メカニカルスイッチ６７の切り替え時に、各容量に蓄えられた電荷は基板等を通して自然放電され、実用上問題とならないと想定されるが、自然放電を補助する回路について、以下、説明する。
図６は、本発明の実施の形態３の第１の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。同図は、上述した自然放電を補助する機能が付加されている。同図における回路は、容量６５と６６との接点とＧＮＤとの間に、数十〜百［ＭΩ］程度の高抵抗６８を備える。その他の回路構成は、図５に記載された回路構成と同様である。
この高抵抗６８は、容量にチャージされた電荷をＧＮＤなどに逃がすことにより電荷の放電を促す機能を有する。
なお、本実施の形態３では、直列に接続された抵抗２個及びそれらを切り換えるスイッチ１個、直列に接続された容量２個及びそれらを切り換えるスイッチ１個の場合について説明したが、各素子はこの数量に限定されるものではない。
図７は、本発明の実施の形態３の第２の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路７とを備える。
同図における受光増幅装置は、図５に記載された回路構成と比べ、オペアンプの反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間に帰還抵抗回路および帰還容量回路がそれぞれ並列接続されている点は同じで、直列接続される抵抗の数量、直列接続される容量の数量、及びそれらをショートさせるメカニカルスイッチの数量のみが異なる。図５の回路構成と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを詳細に説明する。
抵抗Ｒ1、抵抗Ｒ2、抵抗Ｒ3、・・・抵抗Ｒn、メカニカルスイッチＳＲ1、メカニカルスイッチＳＲ2、・・・メカニカルスイッチＳＲn-1は帰還抵抗回路を構成する。
容量Ｃ1、容量Ｃ2、容量Ｃ3、・・・容量Ｃm、メカニカルスイッチＳＣ1、メカニカルスイッチＳＣ2、・・・メカニカルスイッチＳＣm-1は帰還容量回路を構成する。
帰還抵抗回路は、反転入力端子側から順に、ｎ個の抵抗Ｒ1と、抵抗Ｒ2と、抵抗Ｒ3と、・・・抵抗Ｒnとが、直列接続されている。また、抵抗Ｒ1と抵抗Ｒ2との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲ1が並列接続され、抵抗Ｒ2と抵抗Ｒ3との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲ2が並列接続され、以下同様にして、抵抗Ｒn-1と抵抗Ｒnとの接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲn-1が並列接続されている。
抵抗Ｒ1は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗Ｒ2、抵抗Ｒ3、・・・抵抗Ｒn、メカニカルスイッチＳＲ1、メカニカルスイッチＳＲ2、・・・メカニカルスイッチＳＲn-1はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
また、帰還容量回路は、反転入力端子側から順に、ｍ個の容量Ｃ1と、容量Ｃ2と、容量Ｃ3と、・・・容量Ｃmとが、直列接続されている。また、容量Ｃ1と容量Ｃ2との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＣ1が並列接続され、容量Ｃ2と容量Ｃ3との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＣ2が並列接続され、以下同様にして容量Ｃm-1と容量Ｃmとの接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＣm-1が並列接続されている。
容量Ｃ1は、反転入力端子に直接接続される第１の容量素子を構成し、容量Ｃ2、容量Ｃ3、・・・容量Ｃm、メカニカルスイッチＳＣ1、メカニカルスイッチＳＣ2、・・・メカニカルスイッチＳＣm-1はゲインを切り換えるための可変容量として機能する。
この構成をとることにより、帰還抵抗回路だけでなく帰還容量回路においても、オペアンプの反転入力端子の負荷が低減され、多様なゲイン変更に対応しつつ高周波特性の改善がなされる。
なお、メカニカルスイッチＳＲ1乃至ＳＲn-1、及びＳＣ1乃至ＳＣm-1は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。このとき、例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合は、各バイポーラトランジスタの接続は、実施の形態３におけるバイポーラトランジスタの接続と同様である。
また、本発明の実施の形態３の第２の変形例に示された回路構成において、実施の形態３の第１の変形例で記載された回路構成のように、自然放電を補助する機能が付加されていてもよい。具体的には、直列接続された各帰還容量の接続点とＧＮＤとの間に、数十〜百［ＭΩ］程度の高抵抗が設けられる。
図８は、本発明の実施の形態３の第３の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。
同図における受光増幅装置は、受光素子１と、増幅回路８とを備える。
同図における受光増幅装置は、図５に記載された回路構成と比べ、オペアンプの反転入力端子と出力Ｖｏｕｔとの間に帰還抵抗回路および帰還容量回路がそれぞれ並列接続されている点は同じであるが、帰還抵抗回路の構成及び帰還容量回路の構成が異なる。図５の回路構成と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを詳細に説明する。
抵抗Ｒ1、抵抗Ｒ2、抵抗Ｒ3、・・・抵抗Ｒn、メカニカルスイッチＳＲ1、メカニカルスイッチＳＲ2、・・・メカニカルスイッチＳＲn-1は帰還抵抗回路を構成する。
また、容量Ｃ1、容量ＣＰ1、容量ＣＰ2、・・・容量ＣＰm、メカニカルスイッチＳＰＣ0、メカニカルスイッチＳＰＣ1、メカニカルスイッチＳＰＣ2、・・・メカニカルスイッチＳＰＣm-1は帰還容量回路を構成する。
帰還抵抗回路は、反転入力端子側から順に、ｎ個の抵抗Ｒ1と、抵抗Ｒ2と、抵抗Ｒ3と、・・・抵抗Ｒnとが、直列接続されている。また、抵抗Ｒ1と抵抗Ｒ2との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲ1が並列接続され、抵抗Ｒ2と抵抗Ｒ3との接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲ2が並列接続され、以下、同様にして抵抗Ｒn-1と抵抗Ｒnとの接続点と、出力Ｖｏｕｔとの間にメカニカルスイッチＳＲn-1が並列接続されている。
抵抗Ｒ1は、反転入力端子に直接接続される第１の抵抗素子を構成し、抵抗Ｒ2、抵抗Ｒ3、・・・抵抗Ｒn、メカニカルスイッチＳＲ1、メカニカルスイッチＳＲ2、・・・メカニカルスイッチＳＲn-1はゲインを切り換えるための可変抵抗として機能する。
また、帰還容量回路は、反転入力端子側に容量Ｃ1の一端が接続され、第１の容量素子を構成する。容量Ｃ1の他端と出力Ｖｏｕｔとの間には、容量ＣＰ1、容量ＣＰ2、・・・容量ＣＰm、メカニカルスイッチＳＰＣ0、メカニカルスイッチＳＰＣ1、メカニカルスイッチＳＰＣ2、・・・メカニカルスイッチＳＰＣm-1が、可変容量を構成している。可変容量は、（ｍ−１）個の容量スイッチ合成回路と１個のメカニカルスイッチＳＰＣ0が、容量Ｃ1の他端と出力Ｖｏｕｔとの間に並列接続されている。それぞれの容量スイッチ合成回路は、１つのメカニカルスイッチＳＰＣk（ｋ＝１〜ｍ−１）と１つの容量ＣＰk（ｋ＝１〜ｍ−１）との直列接続で構成されている。
この構成をとることにより、帰還抵抗だけでなく帰還容量においても、オペアンプの反転入力端子の負荷が低減され、多様なゲイン変更に対応しつつ高周波特性の改善がなされる。
なお、メカニカルスイッチＳＲ1乃至ＳＲn-1、及びＳＰＣ0乃至ＳＰＣm-1は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＭＯＳ型トランジスタであってもよい。
例えば、メカニカルスイッチの代わりにバイポーラトランジスタが使用された場合の回路構成について説明する。帰還抵抗回路においては、図５及び図７に記載された回路構成にバイポーラトランジスタが接続された場合と同様の接続となる。また、帰還容量回路については、バイポーラトランジスタは上述した容量スイッチ合成回路を構成する。それぞれのエミッタ端子は容量Ｃ1の他端に接続される。メカニカルスイッチＳＰＣ0に代わるバイポーラトランジスタのコレクタ端子は、出力Ｖｏｕｔに接続され、メカニカルスイッチＳＰＣk（ｋ＝１〜ｍ−１）に代わるバイポーラトランジスタのコレクタ端子はそれぞれ、容量ＣＰk（ｋ＝１〜ｍ−１）に直列接続されている。そして、それぞれのバイポーラトランジスタのベース端子は、異なる制御電流により制御される。
なお、必要であれば、一つのゲインモードに対し、並列に接続された容量スイッチ合成回路のうち、複数個を使用して帰還容量の調整を行った場合においても同等の効果が得られる。
また、本実施の形態３およびその変形例に共通して、ゲイン切り替えが実行されても、帰還抵抗および帰還容量の一部が共有化されているので、増幅回路のレイアウト面積が削減されるとともに、コストメリットも期待できる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、上述した受光増幅装置を、光ピックアップ装置に適用した実施例について説明する。
図９は、本発明の実施の形態４に係る光ピックアップ装置の機能構成図である。図９に記載された光ピックアップ装置９０１は、ＤＶＤ及びＣＤの両方に対応した光ピックアップ装置であり、光ディスク媒体９０２からの情報の読み出し、及び光ディスク媒体への情報の書込みを行う。
同図における光ピックアップ装置９０１は、赤外レーザ９０３と、赤色レーザ９０４と、３ビームグレーティング９０５と、ビームスプリッタ９０６ａ及び９０６ｂと、コリメータレンズ９０７と、ミラー９０８と、対物レンズ９０９ａ及び９０９ｂと、受光用ＩＣ９１０とを備える。
受光用ＩＣ９１０は、光ディスク媒体９０２で反射されたレーザ光を受光する。受光用ＩＣ９１０は、例えば、図１に記載された実施の形態１に係る受光素子１と受光素子１で生じた光電流を電圧変換する増幅回路２とを備える受光増幅装置を含む。
まず、ＣＤ対応時の動作について説明する。
赤外レーザ９０３は、赤外レーザ光を出射する。赤外レーザ９０３が出射した赤外レーザ光は、３ビームグレーティング９０５により、３ビームに分割される。
分割された赤外レーザは、ビームスプリッタ９０６ａ、コリメータレンズ９０７、及びビームスプリッタ９０６ｂを順次通って、ミラー９０８で反射され、対物レンズ９０９ａに入射する。
対物レンズ９０９ａで集光された光が、光ディスク媒体９０２（ＣＤ）に入射される。
光ディスク媒体９０２に入射した赤外レーザは、光ディスク媒体９０２で反射され、対物レンズ９０９ａ、ミラー９０８、ビームスプリッタ９０６ｂを順次介す。
ここで、ビームスプリッタ９０６ｂによって、反射光は方向を曲げられ、対物レンズ９０９ｂを通って受光用ＩＣ９１０の受光面上に照射される。
光ディスク媒体９０２からの反射戻り光には、ディスク面上のピット情報等が含まれている。
受光用ＩＣ９１０は、反射戻り光を受光し、受光素子で発生した光電流を演算処理することにより、光ディスク媒体９０２の情報信号、フォーカスエラー信号、及びトラッキングエラー信号等を得る。具体的には、光ディスク媒体９０２からの反射戻り光は、受光用ＩＣ９１０のＣＤ用の複数の受光素子１で光電流に変換され、それぞれの増幅回路２で電圧に変換され出力される。変換された電圧は、例えば、フォーカスエラー信号として出力される。
また、複数の増幅回路２で電圧に変換された信号は、受光用ＩＣ９１０が備える演算回路等で演算され出力される。受光用ＩＣ９１０が出力する信号は、情報の読み取り、及び光ピックアップ装置の位置制御等に用いられる。
次に、ＤＶＤ対応時の動作について説明する。
赤色レーザ９０４から出射された赤色レーザ光は、ビームスプリッタ９０６ａ、コリメータレンズ９０７、及びビームスプリッタ９０６ｂを順次通って、ミラー９０８で反射され、対物レンズ９０９ａに入射する。
対物レンズ９０９ａで集光された光が、光ディスク媒体９０２（ＤＶＤ）に入射された後、反射され、対物レンズ９０９ａ、ミラー９０８、及びビームスプリッタ９０６ｂを順次介す。
ここで、ビームスプリッタ９０６ｂによって、反射光は方向を曲げられ、対物レンズ９０９ｂを通って受光用ＩＣ９１０の受光面上に照射される。
光ディスク媒体９０２からの反射戻り光は、受光用ＩＣ９１０のＤＶＤ用の複数の受光素子１で光電流に変換され、それぞれの増幅回路２で電圧に変換され出力される。
変換された電圧は、例えば、フォーカスエラー信号として、出力される。
また、複数の増幅回路２で電圧に変換された信号は、受光用ＩＣ９１０が備える演算回路等で演算され出力される。
受光用ＩＣ９１０が出力する信号は、情報の読み取り、及び光ピックアップ装置の位置制御等に用いられる。
ここで、ＣＤ対応時には、レーザ光が３ビームに分割されているのに対して、ＤＶＤ対応時には１ビームである。よって、戻り光はＣＤ対応時とＤＶＤ対応時とで受光部上の異なった位置に照射される。
また、赤外レーザ９０３から出射されたレーザ光及び赤色レーザ９０４から出射されたレーザ光はそれぞれ、ビームスプリッタ９０６ａから光ディスク媒体９０２に至る光路、及び光ディスク媒体９０２から受光用ＩＣ９１０に至る光路において、光軸がほぼ同じになるように調整されている。これにより、同じ光学素子、及び同じ受光系を使用することができるので、光ピックアップ装置の小型化及び組立て時の調整等が容易となる。
以上より、本発明の実施の形態６に係る光ピックアップ装置９０１は、受光素子１と受光素子１で生じた光電流を電圧変換する増幅回路２とを有する受光増幅装置を受光用ＩＣ９１０に備えることにより、高周波特性悪化の原因となるオペアンプ２１の反転入力の負荷を極力抑えることで、高周波帯域が用いられるＤＶＤ等の反射光の光電変換及び変換した電気信号の増幅の高周波特性の改善を行うことができる。
なお、受光用ＩＣ９１０に含まれる本発明の受光増幅装置は、実施の形態１に記載された受光増幅回路に限定されるものではない。実施の形態１のほか、実施の形態２及び３に記載された本発明に係る受光増幅回路においても同様の効果が奏される。
なお、本発明は、レーザ、受光用ＩＣ等の構造及び各部品の配置関係は、上述した構成に限定されるものでなく、適宜、設計に応じて変更が可能である。例えば、受光素子と増幅・演算回路とがそれぞれ別のＩＣチップに形成されていてもよい。
以上のように、本発明の受光増幅装置によれば、増幅回路の入力と出力との間に、ゲインを切り替えるための複数の抵抗とそれらを切り換えるスイッチとからなる帰還抵抗回路や、複数の容量とそれらを切り換えるスイッチとからなる帰還容量回路を備え、受光素子と増幅回路との接続点には複数の抵抗及びそれらを切り換えるスイッチのうち、１つの抵抗の一端のみが、及び、容量及びそれらを切り換えるスイッチのうち、１つの容量の一端のみが接続されていることにより、増幅回路と受光素子との接続点における寄生容量が極力抑制され、ゲイン切り替え段数が増加しても、良好な高周波応答性能が維持される。
さらに、差動増幅回路の非反転入力側の回路構成が、帰還抵抗回路における抵抗及びそれらを切り換えるスイッチと同じ構成をとることにより、高周波応答性能を維持しつつオフセット電圧の発生が抑制される。
以上、本発明の受光増幅装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
なお、本実施の形態における初段の抵抗素子及び容量素子、つまり、反転入力端子又は非反転入力端子に直接接続された抵抗素子及び容量素子は、実際のレイアウトにおいては、その制約上、複数の抵抗素子または複数の容量素子を複数並列接続した形態や複数直列接続した形態で１つの抵抗素子または容量素子として機能している場合がある。このような場合においても、上記複数の抵抗素子または容量素子を１素子と見なして、本発明の構成を適用することにより、同様の効果を奏する。
例えば、図１において、初段の抵抗２２の値をＲ２２としたが、実レイアウト上においては、抵抗値がＲ２２である１つの抵抗素子で構成される場合の他に、Ｒ２２／２の抵抗値もつ抵抗を２素子直列に接続したり、またはＲ２２／４の抵抗値をもつ抵抗を４素子直列に接続したような回路構成や、２×Ｒ２２の抵抗値をもつ抵抗を２素子並列に接続したり、４×Ｒ２２の抵抗値をもつ抵抗を４素子並列に接続したような回路構成にて抵抗２２が構成されることがある。
この場合においても、二直列、四直列もしくは二並列、四並列といった合成抵抗を１つの抵抗素子とみなして本発明が実施されることにより、反転入力の負荷は相対的に軽減されるので、高周波特性の改善が実現される。
本発明は、特に受光増幅装置を内蔵する光ピックアップ装置や各種光センサなどに有用であり、多段ゲインの切り替え及び高い高周波応答性能が必要な光ディスク用ピックアップ装置に用いるのに最適である。
本発明の実施の形態１における受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の第１の変形例における受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の第２の変形例における受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態２における受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態３における受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態３の第１の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態３の第２の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態３の第３の変形例を示す受光増幅装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態４に係る光ピックアップ装置の機能構成図である。 （ａ）は特許文献１に記載された従来の受光増幅装置の回路構成図である。（ｂ）は特許文献２に記載された従来の受光増幅装置の回路構成図である。 増幅器の反転入力端子にバイポーラスイッチが用いられた場合の従来の回路構成図である。 ゲイン段数４段をもつ従来の受光増幅装置の回路構成図である。
符号の説明
１、１００、１０５、１１０、１２０ 受光素子
２、３、４、５、６、７、８、１０１、１０６、１１１、１２１ 増幅回路
２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、１０１１、１０６１、１１１１、１２１１ オペアンプ
２２、２３、３２、３３、３４、４２、４３、４４、５２、５３、６２、６３、１０１２、１０１３、１０６２、１０６３、１１１２、１１１３、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒn 抵抗
２４、１１１４、１１１５、１２１６、１２１７、１２１８、１２１９ バイポーラトランジスタ
３５、３６、４５、４６、５４、５７、６４、６７、ＳＲ1、ＳＲ2、ＳＲn-1、ＳＣ1、ＳＣ2、ＳＣm-1、ＳＰＣ0、ＳＰＣ1、ＳＰＣ2、ＳＰＣm-1、ＳＰＣk メカニカルスイッチ
５５、５６ 基準抵抗
６５、６６、１０６４、１０６５、Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、Ｃm、ＣＰ1、ＣＰ2、ＣＰm、ＣＰk 容量
６８ 高抵抗
９００ ＤＶＤ―Ｒドライブ装置
９０１ 光ピックアップ装置
９０２ 光ディスク媒体
９０３ 赤外レーザ
９０４ 赤色レーザ
９０５ ３ビームグレーティング
９０６ａ、９０６ｂ ビームスプリッタ
９０７ コリメータレンズ
９０８ ミラー
９０９ａ、９０９ｂ 対物レンズ
９１０ 受光用ＩＣ
１０１４、１０１５ バイアス抵抗
１０１６、１０１７、１０６６、１０６７ スイッチ

Claims (12)

  1. 受光素子と、前記受光素子からの電流を増幅する増幅回路とを備えた受光増幅装置であって、
    前記増幅回路は、前記増幅回路の入力と出力との間に帰還抵抗回路を備え、
    前記帰還抵抗回路は、第１の抵抗素子と可変抵抗とを備え、
    前記第１の抵抗素子の一端は、前記受光素子と前記増幅回路の入力との接続点に接続され、
    前記第１の抵抗素子の他端は、前記可変抵抗の一端に接続され、
    前記可変抵抗の他端は、前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする受光増幅装置。
  2. 前記可変抵抗は、
    抵抗素子とスイッチとを備え、
    前記抵抗素子の一端は、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、
    前記抵抗素子の他端は、前記増幅回路の出力に接続され、
    前記スイッチは、前記抵抗素子の両端に並列接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の受光増幅装置。
  3. 前記可変抵抗は、
    複数の抵抗素子と、前記複数の抵抗素子を選択的に切り換える複数のスイッチとを備え、
    前記複数の抵抗素子は、抵抗素子列として直列接続され、
    前記抵抗素子列の一端は、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、
    前記抵抗素子列の他端は、前記増幅回路の出力に接続されており、
    前記第１の抵抗素子及び前記複数の抵抗素子の接続点のそれぞれには、前記複数のスイッチのうち何れか１つの一端が接続され、
    前記複数のスイッチの他端は、すべて、前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の受光増幅装置。
  4. 前記可変抵抗は、
    第２から第ｎ（ｎは３以上の整数）までの抵抗素子と、
    前記第２から第ｎまでの抵抗素子を選択的に切り換える第１から第（ｎ−１）までのスイッチとを備え、
    前記第２から第ｎまでの抵抗素子の一端は、すべて、前記第１の抵抗の他端に接続され、
    前記第２から第ｎまでの抵抗素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｎ−１）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の受光増幅装置。
  5. 前記可変抵抗は、
    第２から第ｎ（ｎは３以上の整数）までの抵抗素子と、
    前記第２から第ｎまでの抵抗素子を選択的に切り換える第１から第（ｎ−２）までのスイッチとを備え、
    前記第２から第ｎまでの抵抗素子の一端は、すべて、前記第１の抵抗素子の他端に接続され、
    前記第２の抵抗素子の他端は、直接、前記増幅回路の出力に接続され、
    前記第３から第ｎまでの抵抗素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｎ−２）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の受光増幅装置。
  6. 前記増幅回路は、入力端子として反転入力端子及び非反転入力端子を有する差動増幅回路であって、
    前記反転入力端子は、前記受光素子に接続され、
    前記増幅回路は、さらに、前記非反転入力端子と基準電圧源との間に、前記帰還抵抗回路と同じ構成からなる基準抵抗回路を備え、
    前記基準抵抗回路は、第１の基準抵抗素子と可変基準抵抗とを備え、
    前記第１の基準抵抗素子の一端は、前記非反転入力端子に接続され、
    前記第１の基準抵抗素子の他端は、前記可変基準抵抗の一端に接続され、
    前記可変基準抵抗の他端は、前記基準電圧源に接続されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光増幅装置。
  7. 前記増幅回路は、さらに、前記増幅回路の入力と出力との間に帰還容量回路を備え、
    前記帰還容量回路は、第１の容量素子と可変容量とを備え、
    前記第１の容量素子の一端は、前記受光素子と前記増幅回路の入力との接続点に接続され、
    前記第１の容量素子の他端は、前記可変容量の一端に接続され、
    前記可変容量の他端は、前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光増幅装置。
  8. 前記可変容量は、
    容量素子とスイッチとを備え、
    前記容量素子の一端は、前記第１の容量素子の他端に接続され、
    前記容量素子の他端は、前記増幅回路の出力に接続され、
    前記スイッチは、前記容量素子の両端に並列接続されている
    ことを特徴とする請求項７記載の受光増幅装置。
  9. 前記可変容量は、
    複数の容量素子と、前記複数の容量素子を選択的に切り換える複数のスイッチとを備え、
    前記複数の容量素子は、容量素子列として直列接続され、
    前記容量素子列の一端は、前記第１の容量素子の他端に接続され、
    前記容量素子列の他端は、前記増幅回路の出力に接続されており、
    前記第１の容量素子及び前記複数の容量素子の接続点のそれぞれには、前記複数のスイッチのうち何れか１つの一端が接続され、
    前記複数のスイッチの他端は、すべて、前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項７記載の受光増幅装置。
  10. 前記可変容量は、
    第２から第ｍ（ｍは３以上の整数）までの容量素子と、
    前記第２から第ｍまでの容量素子を選択的に切り換える第１から第（ｍ−１）までのスイッチとを備え、
    前記第２から第ｍまでの容量素子の一端は、すべて、前記第１の容量の他端に接続され、
    前記第２から第ｍまでの容量素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｍ−１）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項７記載の受光増幅装置。
  11. 前記可変容量は、
    第２から第ｍ（ｍは３以上の整数）までの容量素子と、
    前記第２から第ｍまでの容量素子を選択的に切り換える第１から第（ｍ−２）までのスイッチとを備え、
    前記第２から第ｍまでの容量素子の一端は、すべて、前記第１の容量素子の他端に接続され、
    前記第２の容量素子の他端は、直接、前記増幅回路の出力に接続され、
    前記第３から第ｎまでの容量素子の他端は、それぞれ、前記第１から第（ｍ−２）までのスイッチを介して前記増幅回路の出力に接続されている
    ことを特徴とする請求項７記載の受光増幅装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の受光増幅装置を備えた光ピックアップ装置。
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