JP2010278753A - 差動増幅器および光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】平均値検出方式を用いることによって外部リセット信号を不要なシステム構成とし、かつ、同符号連続やマーク率変動があっても差動入力信号のオフセットキャンセル量を一定に保つことが可能な差動増幅器および光受信器を得る。
【解決手段】差動形式の入力信号を増幅する差動増幅回路１７と、入力信号のオフセット補償を行うオフセット補償部１６と、を備えた差動増幅器において、差動増幅回路１７は、正相入力信号ＶＩＰと逆相入力信号ＶＩＮとからなる入力信号を増幅するトランジスタ対１、２と、１対の出力端にそれぞれ接続された負荷抵抗対３、４と、を有し、オフセット補償部１６は、正相入力信号ＶＩＰおよび逆相入力信号ＶＩＮの何れか一方の平均値と、他方の平均値を所定の基準電圧Ｖｒｅｆで反転して得られた平均値検出信号ＶａｖｅＮ２との差電圧に応じた電流を、負荷抵抗対３、４に流れる電流より引き抜く。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムの局側装置ＯＬＴ（Optical Line Terminal）に関するものであり、特に、宅側装置から受信した信号のオフセットを補償する差動増幅器および光受信器に関するものである。

現在、光ファイバを用いた高速通信を可能とする通信システムとしてＰＯＮ（Passive Optical Network）システムが広く用いられている。ＰＯＮシステムでは、局側装置である１台のＯＬＴと、複数の加入者端末装置であるＯＮＵ（Optical Network Unit）とが、光スターカプラを介して接続されている。局側装置と伝送路である光ファイバが共有できるため、運用コストの経済性が期待できる。伝送速度としては、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.）８０２．３−２００５で規格化されている1.25Gbpsが主流である。

一方、更なる大容量化の流れを受け、ＩＥＥＥ８０２．３ａｖでは、１０ＧＥ−ＰＯＮ（10 Giga bit−Ethernet（登録商標）Passive Optical Network）の国際標準化仕様の検討が行われている。ＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet（登録商標）−Passive Optical Network）と１０ＧＥ−ＰＯＮの仕様の違いとして伝送路符号の違いが挙げられる。ＧＥ−ＰＯＮでは８Ｂ１０Ｂ符号が適用され、１０ＧＥ−ＰＯＮでは６４Ｂ６６Ｂ符号が適用される。

また、光受信器のテストパターンとして、ＧＥ−ＰＯＮではＰＲＢＳ７が、１０ＧＥ−ＰＯＮではＰＲＢＳ３１が用いられる。ＰＲＢＳ３１の符号の特徴として、同符号連続が長くなることと、周期的にマーク率（データ列に含まれる「０」と「１」との割合）が変動することである。マーク率はある区間でみると約８０％もの「１」が発生する区間が存在するため、光受信器としても同符号連続やマーク率変動を考慮した設計が必要となる。

ＰＯＮシステムの局側装置に適用できるオフセット補償回路を持つ差動増幅回路として、例えば、下記特許文献１に記載されているものが知られている。下記特許文献１に記載された差動増幅回路は、差動増幅回路とオフセット補償回路とから構成されている。差動増幅回路は、正相入力信号と逆相入力信号を入力して増幅するＮＰＮトランジスタ対と負荷抵抗と電流源とから構成される。

また、オフセット補償回路は、正相入力信号および逆相入力信号の最大値検出用のレベル検出部と、レベル検出部で検出された正相と逆相の最大値の差分の電流を検出するＮＰＮトランジスタ対と、電流源とから構成される。オフセット補償回路で検出された電流は、差動増幅回路の負荷抵抗から引き抜かれ、これにより差動入力信号のオフセット電圧値に応じて差動増幅回路の出力信号の電圧信号レベルに補正がかかり、正相と逆相でオフセットのない出力信号が得られる。また、入力信号の最大値を検出するレベル検出部には、ホールド容量が用いられており、この容量で最大値を保持する構成となっている。

特開２００８−０７２４４０号公報

しかしながら、上記特許文献１が適用されるＰＯＮシステムの局側装置は、各ＯＮＵからの伝送距離が異なるため、受信レベルの異なる光信号を受信する必要がある。このようなバースト的に受信レベルの異なる信号の最大値を、ホールド容量を用いた検出方式で検出する場合、受信レベルの異なる信号毎にホールド容量の電荷を放電しなければならない。すなわち、上記特許文献１の技術を適用した局側装置は、電荷を放電させるためのリセット信号が外部より必要となるため、ＰＯＮシステムを複雑にするという問題点があった。

別のレベル検出方式としては、平均値検出方式が挙げられる。平均値検出方式では、抵抗と容量を用いたローパスフィルタ構成のものが一般的に使用されており、検出レベルを保持するホールド容量を持たないため、リセット信号が不要である。また、差動入力信号のオフセット電圧を検出するという目的に対しては、入力信号の最大値を検出する方式も、平均値を検出する方式も検出される差電圧は同じである。

ただし、平均値検出方式を用いた場合において、平均値検出の時定数が短いときは、同符号連続部やマーク率の偏った所で、平均値検出レベルが「１」または「０」側に追従してしまう。このとき、正相と逆相の平均値検出レベルの差電圧が時間によって変化し、入力信号のオフセットキャンセル量も時間毎に変動してしまうという課題があった。逆に、平均値検出の時定数が長いときは、信号の平均値を検出するまでに時間が掛かってしまい、高速応答に対応できなくなるという問題が発生する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、平均値検出方式を用いることによって外部リセット信号を不要なシステム構成とし、かつ、同符号連続やマーク率変動があっても差動入力信号のオフセットキャンセル量を一定に保つことが可能な差動増幅器および光受信器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、差動形式の入力信号を増幅する差動増幅回路と、前記入力信号のオフセット補償を行うオフセット補償部と、を備えた差動増幅器において、前記差動増幅回路は、正相入力信号と逆相入力信号とからなる前記入力信号を増幅する第１のトランジスタ対と、１対の出力端にそれぞれ接続された負荷抵抗対と、を有し、前記オフセット補償部は、前記正相入力信号および前記逆相入力信号の何れか一方の平均値と、他方の平均値を所定の基準電圧で反転して得られた反転値との差電圧に応じた電流を、前記負荷抵抗対に流れる電流より引き抜くことを特徴とする。

この発明によれば、レベル検出に平均値検出方式を用いて、いずれかの平均値検出部から出力される平均値の反転値を入力信号とするようにしたので、外部リセット信号を不要なシステム構成とし、かつ、同符号連続やマーク率変動があっても差動入力信号のオフセットキャンセル量を一定に保つことができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる差動増幅器の構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる差動増幅器の各部の信号を示す図である。 図３は、平均値検出部の構成例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２にかかる差動増幅器の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態３にかかる光受信器の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる差動増幅器および光受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる差動増幅器の構成を示す図である。図１に示される差動増幅器は、主たる構成として、差動増幅回路１７とオフセット補償部１６とを有して構成されている。

差動増幅回路１７は、ベースに正相信号が入力されるＮＰＮトランジスタ（以下単に「トランジスタ」と称する）１と、ベースに逆相信号が入力されるトランジスタ２と、一端がトランジスタ１のコレクタ（出力端）に接続され他端が電源ＶＣＣに接続された負荷抵抗３と、一端がトランジスタ２のコレクタ（出力端）に接続され他端が電源ＶＣＣに接続された負荷抵抗４と、一端がトランジスタ１、２のエミッタに接続され他端が接地された定電流源５と、を有して構成されている。

オフセット補償部１６は、正相入力信号の平均値を検出する平均値検出部（第１の平均値検出部）９と、逆相入力信号の平均値を検出する平均値検出部１０（第２の平均値検出部）と、平均値検出部１０の出力を基準電圧Ｖｒｅｆで反転する反転増幅器１５と、平均値検出部９の出力がベースに接続されコレクタがトランジスタ２のコレクタ（出力端）に接続されたトランジスタ６と、反転増幅器１５の出力がベースに接続されコレクタがトランジスタ１のコレクタ（出力端）に接続されたトランジスタ７と、一端がトランジスタ６、７のエミッタに接続され他端が接地された定電流源８と、を有して構成されている。反転増幅器１５は、オペアンプ１１と抵抗１２、１３、１４とで構成されている。なお、トランジスタ１およびトランジスタ２は、第１のトランジスタ対と称し、トランジスタ１およびトランジスタ２は、第２のトランジスタ対と称する。

次に動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる差動増幅器の各部の信号を示す図である。図２（ａ）に示される信号は、正相入力信号ＶＩＰと、逆相入力信号ＶＩＮと、平均値検出部９から出力される平均値検出信号ＶａｖｅＰ（以下単に「平均値ＶａｖｅＰ」と称する）と、平均値検出部１０から出力される平均値検出信号ＶａｖｅＮ１（以下単に「平均値ＶａｖｅＮ１」と称する）である。

図２（ｂ）に示される信号は、平均値ＶａｖｅＰと反転増幅器１５で反転された平均値検出信号ＶａｖｅＮ２（反転値）である。図２（ｃ）に示される信号は、差動増幅回路１７の正相出力信号ＶＯＰと逆相出力信号ＶＯＮである。

正相入力信号ＶＩＰと逆相入力信号ＶＩＮは、それぞれ差動増幅回路１７のトランジスタ１、２にそれぞれ入力される。差動増幅回路１７は、正相入力信号ＶＩＰと逆相入力信号ＶＩＮの差電圧を増幅しその出力を正相出力信号ＶＯＰと逆相出力信号ＶＯＮに出力する。

オフセット補償部１６は、平均値ＶａｖｅＰを平均値検出部９で生成し、平均値ＶａｖｅＮ１を平均値検出部１０で生成する。

図３は、平均値検出部９および１０の構成例を示す図である。平均値検出部９および１０は、平均値検出回路として入力に対して直列に接続された抵抗１８と、抵抗１８の後段に接地された容量１９とから構成される。平均値検出部９および１０は、抵抗１８と容量１９によってローパスフィルタを構成し、入力信号のＤＣ成分を出力する。

また、平均値検出回路の時定数は、抵抗１８と容量１９の積によって決定される。平均値検出回路の時定数が短い場合、平均値ＶａｖｅＰと平均値ＶａｖｅＮ１は、図２（ａ）に示されるように、入力信号の同符号連続部やマーク率の偏った所で、「１」または「０」側に追従して、平均値検出レベルの変動が起きる。

オフセット補償部１６は、平均値検出された電圧信号がトランジスタ６と７のベースに入力され、その差電圧に応じた電流を、負荷抵抗３、４（負荷抵抗対）より引き抜く。平均値ＶａｖｅＰが入力されるトランジスタ６のコレクタは、逆相入力信号ＶＩＮが入力されるトランジスタ２のコレクタに接続されている。

また、平均値検出信号ＶａｖｅＮ２（以下単に「平均値ＶａｖｅＮ２」と称する）が入力されるトランジスタ７のコレクタは、正相入力信号ＶＩＰの入力されるトランジスタ１のコレクタに接続されている。例えば、正相入力信号ＶＩＰの電圧レベルの方が高い場合、トランジスタ６のベース電位がトランジスタ７のベース電位よりも高くなるためトランジスタ６のコレクタ電流が増加する。従って、トランジスタ６のコレクタが接続された負荷抵抗４の電流が増加するためトランジスタ２のコレクタ電位が低下しオフセット分がキャンセルされる。

図２（ａ)に示される平均値ＶａｖｅＰと平均値ＶａｖｅＮ1とがそれぞれトランジスタ６、７に入力された場合、平均値ＶａｖｅＰと平均値ＶａｖｅＮ1の差電圧は、時間と共に変動し一定電圧とはならない。このとき、トランジスタ６、７に流れる電流も時間と共に変動するため、負荷抵抗３、４に流れる電流も時間と共に変動しオフセットキャンセル量が一定とならない。これによって出力される正相出力信号ＶＯＰと逆相出力信号ＶＯＮは、時間と共にオフセットが変動する波形となる。

本実施の形態にかかる差動増幅器は、平均値検出部１０の出力を反転増幅器１５で反転させることによって平均値ＶａｖｅＮ２を得る。すなわち、図２（ｂ）に示すように平均値ＶａｖｅＰと、反転された平均値ＶａｖｅＮ２とは、一定の差電圧ΔＶとなっており、トランジスタ６、７で検出される差電圧が一定のためオフセットキャンセル量は時間で変化せず一定となり、図２（ｃ）に示すように入力信号のオフセット分がキャンセルされた信号が出力される。ここで反転増幅器１５の基準電圧Ｖｒｅｆは、逆相入力信号の平均値電圧を与える。

このように、本実施の形態にかかる差動増幅器は、逆相入力信号ＶＩＮの平均値ＶａｖｅＮ１を反転させることによって、正相入力信号ＶＩＰの平均値ＶａｖｅＰとの差電圧が一定となり、オフセット分のみキャンセルされた正相出力信号ＶＯＰと逆相出力信号ＶＯＮとが得られる。

なお、実施の形態１では、逆相入力信号ＶＩＮの平均値ＶａｖｅＮ１を反転させた場合について説明したが、正相入力信号ＶＩＰの平均値ＶａｖｅＰを反転させた場合にも同様の効果を得ることができる。すなわち、反転増幅器１５は、平均値検出部９の出力を基準電圧Ｖｒｅｆで反転し、トランジスタ６は、反転増幅器１５で反転された信号を入力とし、トランジスタ７は、平均値ＶａｖｅＮ1を入力として動作する。

以上説明したように、本実施の形態にかかる差動増幅器は、レベル検出に平均値検出方式を用いるようにしたので、外部からのリセット信号が不要なシステム構成とすることができる。また、平均値検出部９および平均値検出部１０の何れか一方から出力される平均値を反転するようにしたので、同符号連続やマーク率変動によって平均値が変動した場合であっても、オフセットキャンセル量を一定に保つことが可能である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる差動増幅器の構成を示す図である。実施の形態２にかかる差動増幅器は、実施の形態１と同様に、差動増幅回路２２とオフセット補償部２１から構成される。実施の形態１との相違点は、差動増幅回路２２とオフセット補償部２１とに用いられている定電流源が共通化されており、１つの定電流源２０で２つの差動トランジスタ対を駆動する点である。以下、第１の実施の形態と同様の部分については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ述べる。

電流源を別々に構成した場合、パターンを形成する際に生じるＩＣのプロセスばらつきによって、２つの電流源の電流値の関係がばらつくことが考えられる。電流源の電流値がばらつくと、差動トランジスタ対から構成される差動増幅回路の利得が変化することになり、差動増幅回路２２の利得とオフセット補償部２１のトランジスタ対からなる差動増幅回路の利得の関係が崩れ、オフセットを完全にキャンセルすることができなくなる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる差動増幅器は、差動増幅回路２２の電流源とオフセット補償部２１の電流源とを共通化するようにしたので、実施の形態１にかかる差動増幅器に比して、オフセット補償精度を一層向上させることが可能である。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３にかかる光受信器の構成を示す図である。図５に示される光受信器は、主たる構成として、光信号を受光し電流信号に変換する受光素子２３と、電流信号を電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプ（以下単に「ＴＩＡ」と称する）であるＴＩＡ２４と、単相の電圧信号を差動電圧信号に変換する単相−差動変換部２６と、差動変換された差動電圧信号を増幅して出力する差動増幅回路２９と、差動電圧信号のオフセットを検出しオフセット補償を行うオフセット補償部２７と、を有して構成されている。

また光受信器は、光入力信号がないときのＴＩＡ２４の出力電圧と等しい電圧を発生する第２のＴＩＡであるダミーＴＩＡ２５と、ダミーＴＩＡ２５の出力電圧からオフセット補償部２７の反転増幅器１５の基準電圧Ｖｒｅｆを生成する基準電圧生成回路２８と、を有している。なお、差動増幅回路２９およびオフセット補償部２７の内部構成は、実施の形態１、２と同様であり、以下説明を省略する。

次に動作の説明を行う。受光素子２３では、光信号を受光し電流信号に変換する。電流に変換された信号は、ＴＩＡ２４において電圧信号に変換される。変換された電圧信号は、単相信号として出力される。

単相−差動変換部２６は、ダミーＴＩＡ２５の出力電圧を基準電圧として、ＴＩＡ２４から出力された電圧信号を差動電圧信号に変換する。差動電圧信号は、差動増幅回路２９に入力され、オフセットがキャンセルされた正相出力信号ＶＯＰ、逆相出力信号ＶＯＮとなって出力される。

ここで、基準電圧Ｖｒｅｆは、ダミーＴＩＡ２５の出力に基づき、基準電圧生成回路２８によって生成される。ダミーＴＩＡ２５の出力は、光入力のないときのＴＩＡ２４の出力電圧と等しく、時間軸に対して一定のＤＣ電圧を出力する。このＤＣ電圧を基準電圧生成回路２８でレベルシフトを行い、入力信号の平均値と同じ電圧に変換することで基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。

以上説明したように、本実施の形態にかかる光受信器は、単相−差動変換部２６は、ダミーＴＩＡ２５からの出力によって単相信号を差動信号に変換し、基準電圧生成回路２８は、ダミーＴＩＡ２５の出力によってオフセット補償部２７の基準電圧Ｖｒｅｆを生成するようにしたので、ダミーＴＩＡ２５が２つの役割を担うため回路規模の増大を引き起こさないという利点がある。

以上のように、本発明にかかる差動増幅器および光受信器は、宅側装置から受信した信号のオフセットを補償する差動増幅器および光受信器に適用可能であり、特に、同符号連続やマーク率変動があっても差動入力信号のオフセットキャンセル量を一定に保つ発明として有用である。

１，２ ＮＰＮトランジスタ（第１のトランジスタ対）
６，７ ＮＰＮトランジスタ（第２のトランジスタ対）
３，４ 負荷抵抗（負荷抵抗対）
５，８，２０ 定電流源
９ 平均値検出部（第１の平均値検出部）
１０ 平均値検出部（第２の平均値検出部）
１１ オペアンプ
１２，１３，１４，１８ 抵抗
１５ 反転増幅器
１６，２１，２７ オフセット補償部
１７，２２，２９ 差動増幅回路
１９ 容量
２３ 受光素子
２４ トランスインピーダンスアンプ（第１のＴＩＡ）
２５ ダミーＴＩＡ（第２のＴＩＡ）
２６ 単相−差動変換部（変換部）
２８ 基準電圧生成回路
ＶａｖｅＮ１，ＶａｖｅＮ２，ＶａｖｅＰ 平均値検出信号
ＶＣＣ 電源
ＶＩＰ 正相入力信号
ＶＩＮ 逆相入力信号
ＶＯＰ 正相出力信号
ＶＯＮ 逆相出力信号
Ｖｒｅｆ 基準電圧

Claims (5)

1. 差動形式の入力信号を増幅する差動増幅回路と、前記入力信号のオフセット補償を行うオフセット補償部と、を備えた差動増幅器において、
   前記差動増幅回路は、
   正相入力信号と逆相入力信号とからなる前記入力信号を増幅する第１のトランジスタ対と、１対の出力端にそれぞれ接続された負荷抵抗対と、を有し、
   前記オフセット補償部は、
   前記正相入力信号および前記逆相入力信号の何れか一方の平均値と、他方の平均値を所定の基準電圧で反転して得られた反転値との差電圧に応じた電流を、前記負荷抵抗対に流れる電流より引き抜くこと、
   を特徴とする差動増幅器。
2. 前記オフセット補償部は、
   前記正相入力信号の平均値を検出する第１の平均値検出部と、
   前記逆相入力信号の平均値を検出する第２の平均値検出部と、
   前記第２の平均値検出部の出力を前記基準電圧で反転し、前記反転値として出力する反転増幅器と、
   コレクタが前記出力端に接続され、エミッタが接地側に接続され、前記正相入力信号の平均値と前記反転値との差電圧に応じた電流を、前記負荷抵抗対に流れる電流より引き抜く第２のトランジスタ対と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の差動増幅器。
3. 前記オフセット補償部は、
   前記正相入力信号の平均値を検出する第１の平均値検出部と、
   前記逆相入力信号の平均値を検出する第２の平均値検出部と、
   前記第１の平均値検出部の出力を前記基準電圧で反転し、前記反転値として出力する反転増幅器と、
   コレクタが前記出力端に接続され、エミッタが接地側に接続され、前記逆相入力信号の平均値と前記反転値との差電圧に応じた電流を、前記負荷抵抗対に流れる電流より引き抜く第２のトランジスタ対と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の差動増幅器。
4. 一端が前記第１のトランジスタ対の各エミッタと前記第２のトランジスタ対の各エミッタとの接続端に接続され、他端が接地された定電流源を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の差動増幅器。
5. 光伝送路を介して加入者側装置から伝送された信号を受信する光受信器において、
   受信した光信号を電流信号に変換する受光素子と、
   前記電流信号を電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプ（以下「ＴＩＡ」と称する）と、
   前記光信号が入力されていないときに前記第１のＴＩＡから出力される電圧と略等しい電圧を出力する第２のＴＩＡと、
   前記第２のＴＩＡから出力された電圧を入力として所定の基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、
   前記第２のＴＩＡから出力された電圧を基準として、前記第１のＴＩＡから出力された前記電圧信号を差動電圧信号に変換する変換部と、
   正相入力信号と逆相入力信号とからなる前記差動電圧信号を増幅する第１のトランジスタ対と、１対の出力端にそれぞれ接続された負荷抵抗対と、を有する差動増幅回路と、
   前記正相入力信号および前記逆相入力信号の何れか一方の平均値と、他方の平均値を前記基準電圧で反転して得られた反転値との差電圧に応じた電流を、前記負荷抵抗対に流れる電流より引き抜くオフセット補償部と、
   を備えたことを特徴とする光受信器。

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