JP2010050619A

JP2010050619A - 光受信増幅器

Info

Publication number: JP2010050619A
Application number: JP2008211765A
Authority: JP
Inventors: Atsunobu Ota; 篤伸太田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US20100045387A1

Abstract

【課題】大容量の直流成分排除用コンデンサを不要にして受信器全体の小型化を図り、トランスインピーダンスアンプとリミッタアンプを１チップ集積化にすることを可能にするとともに、差動リミッタアンプの出力波形を高精度に対称にできる光受信増幅器を提供することを目的とする。
【解決手段】フォトダイオードと、このフォトダイオードの出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプと、このトランスインピーダンスアンプと並列に接続され、トランスインピーダンスアンプの出力電流の直流電流成分を補償する直流電流補償回路、とを含むことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、光受信増幅器に関し、詳しくは、特性改善と小型化に関するものである。

図６は、従来のトランスインピーダンスアンプを用いた光受信増幅器の一例を示すブロック図である。この光受信増幅器は、光信号が入力される１個のフォトダイオード１と、このフォトダイオード１で受光され変換された電気信号を線形に増幅するトランスインピーダンスアンプ２と、トランスインピーダンスアンプ２の出力信号を次段に交流結合するコンデンサ３と、２個のバイアス発生回路４ａ，４ｂから適切な動作をするように所定の直流バイアス電圧が与えられ、トランスインピーダンスアンプ２で増幅されコンデンサ３を介して入力される小信号出力を一定の出力振幅に制限されるまで増幅する差動のリミッタアンプ５で構成されている。

図７は、フォトダイオード１の出力信号波形例図であって、光入力信号が電気信号に変換されたものであり、この波形には交流電流成分Iin(pp)と直流電流成分Iin_dcが含まれている。

図８は、図６のトランスインピーダンスアンプ２の出力波形例図である。光入力レベルつまり電流値が増加すると、出力波形信号のレベルが基準電圧を中心とせずに非対称で増加することが確認できる。

図９は、図６のリミッタアンプ５のシミュレーション出力波形例図である。入力電圧に対するリミッタアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ、ＶｏｕｔＢの波形が、非対称になっていることが確認できる。

特許文献１は、光受信増幅器において、オフセット補償や位相補償を行う場合に、回路の実装面積の縮小および実装の簡略化を図る構成に関するものである。

特開平５−２１８７７２号公報

しかし、図６のような従来の光受信増幅器では、トランスインピーダンスアンプ２の出力信号を差動のリミッタアンプ５に入力するのにあたり、前述のように光入力レベルが変化するとトランスインピーダンスアンプ２の出力信号電圧レベルも大きく変化することから、大容量のコンデンサ３を用いてトランスインピーダンスアンプ２の出力信号を次段に交流結合してトランスインピーダンスアンプ２の出力信号に含まれる直流成分を排除した後、リミッタ回路などの差動入力回路へ入力しなければならず、光受信増幅器の小型化が図れないという問題がある。

また、コンデンサ３を用いてトランスインピーダンスアンプ２の出力信号を次段に交流結合してトランスインピーダンスアンプ２の出力信号に含まれる直流成分を排除しても、バイアス発生回路７４を高精度に最適化または調整しないとリミッタアンプ５の出力波形に非対称性が発生してしまうという問題もある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、大容量の交流結合用コンデンサを不要にして受信器全体の小型化を図り、トランスインピーダンスアンプとリミッタアンプを１チップ集積化にすることを可能にするとともに、差動リミッタアンプの出力波形を高精度に対称にできる光受信増幅器を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１は、
フォトダイオードと、
このフォトダイオードの出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプと、
このトランスインピーダンスアンプと並列に接続され、トランスインピーダンスアンプの出力電流の直流電流成分を補償する直流電流補償回路、
とを含むことを特徴とする光受信増幅器である。

請求項２は、請求項１記載の光受信増幅器において、
前記直流電流補償回路は、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号が一方の入力端子に入力される差動アンプと、
この差動アンプの他方の入力端子に設定された電圧を入力するバイアス発生回路と、
前記差動アンプの出力端子とグラウンド間に接続されたコンデンサと、
前記差動アンプの出力信号が入力され、前記フォトダイオードに流れる直流電流を補償する電流源
とで構成されることを特徴とする。

請求項３は、請求項１または２記載の光受信増幅器において、
前記トランスインピーダンスアンプの出力端子に接続され、電位差調整を行うことにより前記トランスインピーダンスアンプの出力信号のＤｕｔｙ比を調整する出力クロスポイント補償回路を有する差動リミッタアンプ部を設けたことを特徴とする。

請求項４では、請求項１〜３いずれかに記載の光受信増幅器において、
１チップ集積回路として構成されることを特徴とする。

請求項５では、請求項４に記載の光受信増幅器において、
前記集積回路は、電流制御型バイポーラトランジスタで構成されていることを特徴とする。

このように構成することにより、交流結合用大容量コンデンサを不要としたため、小型でトランスインピーダンスアンプとリミッタアンプとを１チップ集積化にすることを可能にし、高速で特性の優れた光受信増幅器が実現できる。

以下、図面を用いて、本発明の光受信増幅器を説明する。図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。光受信増幅器は、受光素子であるフォトダイオード１と、トランスインピーダンスアンプ２と、このトランスインピーダンスアンプ２と並列に接続され、トランスインピーダンスアンプ２の出力電流の直流電流成分を補償する直流電流補償回路６と、トランスインピーダンスアンプ２の出力端子に接続された差動リミッタアンプ部７とから構成されている。

直流電流補償回路６は、差動アンプ６１と、この差動アンプ６１に所定のバイアス電圧を供給するバイアス発生回路６２と、差動アンプ６１の出力端子とグラウンド間に接続されて差動アンプ６１の出力信号から交流電流成分をグラウンドに流して平均値電圧値を抽出する積分器として働くコンデンサ６３と、差動アンプ６１の出力直流電圧成分を入力とする電流源６４とから構成されている。

差動リミッタアンプ部７は、リミッタアンプ７１と、リミッタアンプ７１のリミット動作範囲を制御するスレッシュホールド制御器７２と、電位差調整を行うことにより出力信号のＤｕｔｙ比を制御する出力クロスポイント補償回路７３と、リミッタアンプ７１の差動ペア入力の一方に所定のバイアス電圧を供給するバイアス発生回路７４とから構成されている。なお、スレッシュホールド制御器７２には制御信号Ｓｃが入力され、外付けコンデンサＣ２が接続されている。

図１の動作について説明する。
フォトダイオード１のカソードには電源電圧が印加され、アノードにはトランスインピーダンスアンプ２の入力端子が接続されている。トランスインピーダンスアンプ２の入力端子および出力端子間にトランスインピーダンスアンプ２からの出力電流をフィードバック制御するための直流電流補償回路６が接続されている。この直流電流補償回路６によりフィードバック制御された直流電流は、フォトダイオード１に入力される。

フォトダイオード１は電流源として機能し、直流および交流の電流を出力する。この直流電流は直流電流補償回路６に入力され、交流電流はトランスインピーダンスアンプ２に入力される。トランスインピーダンスアンプ２に交流電流が入力されることにより、フォトダイオード１で受光する光の大きさの変化に拘らず、トランスインピーダンスアンプ２から一定の出力電圧レベルを得ることができる。そして、トランスインピーダンスアンプ２の出力信号が差動リミッタアンプ部７に入力することが可能になる。

フォトダイオード１は、受光した光入力データＤｉｎを電気信号（電流）に変換し、トランスインピーダンスアンプ２の入力端子に入力する。トランスインピーダンスアンプ２は変換出力された電気信号を線形に増幅し、直流電流補償回路６の差動アンプ６１の一方の入力端子に入力する。この差動アンプ６１の他方の入力端子にはバイアス発生回路６２から所定値のバイアス電圧が供給され、差動アンプ６１の出力端子から交流電圧および直流電圧が出力される。

コンデンサ６３は、差動アンプ６１の出力端子とグラウンド間に接続されていて、差動アンプ６１の出力信号の交流電流成分をグラウンドに流して排除することにより平均値電圧値を抽出し、差動アンプ６１の出力を安定化させる。差動アンプ６１の出力信号の直流電圧は電圧制御型電流源(ＦＥＴ)６４に入力される。また、電流源６４は、フォトダイオード１に流れる直流電流だけを供給し、フォトダイオードの直流電流のみを補償している。フォトダイオード１は、入力される光信号を電気信号に変換して出力する電流源でもあるため、電源電圧が印加されて光信号が入力されると、交流電流および直流電流を出力し始める。この出力のうち、交流電流のみがトランスインピーダンスアンプ２に入力されて線形に増幅され、差動リミッタアンプ部７に入力される。差動リミッタアンプ部７は、スレッシュホールド制御器７２とフィードバックアンプ７３によってリミッタアンプ７１からの出力電圧ＯｕｔおよびＯｕｔＢのＤｕｔｙが５０％へ制御される。また、リミッタアンプ７１からの出力電圧ＯｕｔおよびＯｕｔＢの出力振幅は、一定の振幅になるようリミット動作する。

なお、外付けコンデンサＣ１は、集積回路の外から接続される。これは、光信号のように広帯域な周波数成分、たとえば１０ｋＨｚ〜４０ＧＨｚ程度を有する信号から直流成分（平均電圧値）だけを抽出しようとした場合、０．１μＦ程度の大きな容量値のコンデンサが積分器として必要であり、集積回路上に作ることができないためである。

ここで、直流電流補償回路６内の差動アンプ６１の最適値を求める。
フォトダイオード１を流れる直流電流を△ｌｉｎ_ｄｃ、トランスインピーダンスアンプ２からの出力電圧をＶｏｕｔ、アンプのトランスインピーダンスをＺｔ、トランスインピーダンスアンプ２の出力基準電圧をＶ０とする場合、以下の式が成り立つ。
Ｖｏｕｔ＝△ｌｉｎ_ｄｃ×Ｚｔ＋Ｖ０

次に、直流電流補償回路６内の差動アンプ６１の増幅率をＡ２、この差動アンプ６１の差動入力の電圧差を△Ｖｉｎ、差動アンプ６１からの出力電圧を△Ｖｃ、差動アンプ６１の入力電圧をトランスインピーダンスアンプ２からの出力電圧Ｖｏｕｔとバイアス発生回路からの出力電圧Ｖｒｅｆとする場合、以下の式が成り立つ。
△Ｖｃ＝Ａ２×△Ｖｉｎ＝Ａ２×｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜
ここで、Ｖｒｅｆ＝Ｖ０とバイアス発生回路へ設定した場合、
△Ｖｃ＝Ａ２×△ｌｉｎ_ｄｃ×Ｚｔ・・・（１）

次に、電流源６４に流れる直流電流を△ｌｄｃとする場合、以下の式が成り立つ。
△ｌｄｃ＝△Ｖｃ×ｇｍ・・・（２）
ここで、ｇｍは、電流源６４のトランスコンダクタンスを示す。
（２）式に（１）式を代入すると、
△ｌｄｃ＝Ａ２×△ｌｉｎ_ｄｃ×Ｚｔ×ｇｍ・・・（３）
となり、また、△ｌｄｃ＝△ｌｉｎ_ｄｃとなる。
さらに、たとえばＺｔを５００Ω、ｇｍを１ｍｓというパラメータを（３）式に代入すると、
Ａ２＝２・・・（４）
（４）式より、差動アンプ６１の増幅率の最適値は２、つまり、直流利得が２倍になることが確認できる。

このように、本発明のトランスインピーダンスアンプ２には、フォトダイオード１からの入力信号とは別に、フィードバック制御された直流電流信号を生成するために、直流電流補償回路６を設けている。この直流電流補償回路６を設けることにより、トランスインピーダンスアンプ２の出力信号の電圧レベルを一定に保ちながら、増幅させることができる。

これにより、従来の光受信増幅器ではトランスインピーダンスアンプ２の出力端子に直流成分を排除する交流結合用のコンデンサ３を接続していたのに対して、このコンデンサ３が不要になり、小型化および集積化が図れ、かつ高速化できる。

すなわち、従来使用していた交流結合用のコンデンサ３の容量は０．１μＦ程度の大容量であったため、受信器全体を小型化にすることは困難であり、１チップに集積化できなかった。それに対して、本発明ではせいぜい１０ｐＦ程度の容量が小さいコンデンサ６３を使用するにとどまっているため小型化に適し、集積化も可能で、集積回路内に搭載した容量値が小さいため高速化および、外付けコンデンサと組み合わせることで広帯域な周波数成分を有する光伝送信号にも対応できる。

また、直流電流補償回路６を設けることにより、この直流電流補償回路６に主信号の直流成分を供給して、トランスインピーダンスアンプ２の入力端子に接続されたフォトダイオードへフィードバック制御された直流電流を供給することができ、フォトダイオード１で受光する光の大きさの変化に拘らず、トランスインピーダンスアンプ２から一定の出力電圧レベルを得ることができる。

図２は、電流源６４として用いるＦＥＴの静特性の一例を示す図である。これは、ゲート制御電圧Ｖｇを変えた場合のソース・ドレイン間電圧Ｖｄｓに対するソース・ドレイン間電流Ｉｄｓの静特性をグラフにしたものである。グラフの平坦部分は飽和領域であり、ΔＶｄｓ／ΔＩｄｓが大きくてソース・ドレイン間の動作抵抗が非常に高いことから、定電流源として直流電流補償回路６で使用される。

図３は、トランスインピーダンスアンプ２の出力に対するシミュレーション結果の一例を示す図である。基準電圧−２．４Ｖを中心にして、−２．４Ｖよりもプラスマイナス方向に同程度増幅し、出力波形の中心である直流レベルが、一定の出力電圧レベルを維持した状態にて増幅動作していることが確認できる。図３（ａ）、（ｂ）より、光入力電力Ｐｉｎを電気変換した電流が４倍になると電圧の振幅が約４倍に、図３（ｂ）、（ｃ）より、電流が３倍になると電圧の振幅が約３倍になることが確認できる。つまり、電流量が増大した倍率分、電圧が同倍率で増幅されていることが確認できる。

また、図４は、フォトダイオード１が受光した光入力電力Ｐｉｎに対するフィードバック制御の電流補償シミュレーション結果の一例を示す図である。図３と同様に、一定の光入力電力Ｐｉｎ(＝０ｄＢｍ、−５ｄＢｍ及び−１１ｄＢｍ）に対し、直流電流補償回路６にて補償する直流電流値(Ｉｉｎ)を示している。つまり、各光入力電力Ｐｉｎ(＝０ｄＢｍ、−５ｄＢｍ及び−１１ｄＢｍ）に対応したフォトダイオード直流電流を補償していることが分かる。

差動リミッタアンプ部７は、電位差調整を行うことにより、出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を５０％にすることができる。

また、差動リミッタアンプ部７のリミッタアンプ７１の差動増幅部に、出力クロスポイント補償回路７３、つまり帰還制御手段を追加することにより、リミッタアンプ７１の差動増幅部の差動間出力を高精度に自動調整できる。

図５は、出力クロスポイントに対するフィードバック制御を用いたシミュレーション出力波形例図である。従来と比べて、本発明は、フィードバック制御を用いることにより、差動のリミッタアンプ７１の差動出力をシミュレーション波形で表示すると、高精度に対称に表示されていることが確認できる。

なお、本発明は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ)に限らず、バイポーラ（Bipolar，接合型）トランジスタを用いた集積回路にも適用できる。

以上説明したように、本発明によれば、従来の大容量の交流結合用コンデンサを不要にして受信器全体の小型化を図ることができ、トランスインピーダンスアンプとリミッタアンプを１チップ集積化にすることを可能にするとともに、差動リミッタアンプの出力波形を高精度に対称にできる特性の優れた光受信増幅器を実現できる。

本発明の光受信増幅器の一実施例を示すブロック図である。本発明の電流源６４の静特性の一例を示す図である。本発明のトランスインピーダンスアンプ２の出力に対するシミュレーション結果の一例を示す図である。本発明のフォトダイオード１が受光した量に対するフィードバック制御の電流補償シミュレーション結果の一例を示す図である。本発明の出力クロスポイントに対するフィードバック制御を用いたシミュレーション出力波形例図である。従来のトランスインピーダンスアンプを用いた光受信増幅器の一例を示すブロック図である。フォトダイオード１の出力信号波形例図である。図６のトランスインピーダンスアンプ２の出力波形例図である。従来のリミッタアンプ回路のシミュレーション出力波形例図である。

符号の説明

１フォトダイオード
２トランスインピーダンスアンプ
６直流電流補償回路
６１差動アンプ
６２バイアス発生回路
６３コンデンサ
６４電流源
７差動リミッタアンプ部
７１リミッタアンプ
７２スレッシュホールド制御器
７３出力クロスポイント補償回路
７４バイアス発生回路

Claims

フォトダイオードと、
このフォトダイオードの出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプと、
このトランスインピーダンスアンプと並列に接続され、トランスインピーダンスアンプの出力電流の直流電流成分を補償する直流電流補償回路、
とを含むことを特徴とする光受信増幅器。
前記直流電流補償回路は、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号が一方の入力端子に入力される差動アンプと、
この差動アンプの他方の入力端子に設定された電圧を入力するバイアス発生回路と、
前記差動アンプの出力端子とグラウンド間に接続されたコンデンサと、
前記差動アンプの出力信号が入力され、前記フォトダイオードに流れる直流電流を補償する電流源
とで構成されることを特徴とする請求項１記載の光受信増幅器。
前記トランスインピーダンスアンプの出力端子に接続され、電位差調整を行うことにより前記トランスインピーダンスアンプの出力信号のＤｕｔｙ比を調整する出力クロスポイント補償回路を有する差動リミッタアンプ部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光受信増幅器。
１チップ集積回路として構成されることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光受信増幅器。
前記集積回路は、電流制御型バイポーラトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光受信増幅器。