JP2011166659A - 光信号断検出回路および光受信器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コンパレータ11で、結合コンデンサを介して入力されたトランスインピーダンスアンプTIAからの電気信号のうち、基準値以上の振幅を持つパルスを比較出力信号Coutとして出力し、アナログ保持回路12で、比較出力信号Coutに含まれる各パルスを保持コンデンサで充電するとともに、充電により得られた直流電圧を放電抵抗で放電することにより、光信号の入力有無に応じて変化する保持出力信号Houtを生成する。
【選択図】 図1
Description
トランスインピーダンスアンプTIAから入力される電気信号Toutの非反転信号Tout+および反転信号Tout−は、それぞれの結合コンデンサCを介してバイアス回路21AへAC結合されている。この結合コンデンサCは微分回路であるから、非反転信号Tout+および反転信号Tout−の微分波形が初段増幅回路21Bの差動トランジスタ対Q1,Q2に入力される。
したがって、充分な振幅の非反転信号Tout+および反転信号Tout−が入力されないと初段増幅回路21Bの出力振幅が足りず、差動信号を形成しないため、すなわちトランジスタQ1からの非反転出力とトランジスタQ2からの反転出力が交差しないため、初段エミッタフォロア回路21Cを介して接続されている次段増幅回路21Dから比較出力信号Coutは出力されず、Lowレベルのままである。
この比較出力信号CoutはSRラッチ22で保持されるため、例えば光信号Pinの受信とともに、比較出力信号CoutとしてHighレベルが出力され続ける。したがって、この回路の特徴は、ひとたび比較出力信号CoutとしてHighレベルが出力されればそのレベルが保持されるので、信号受信に即座に応答する高速な光信号断検出回路20を実現できることである。
すなわち、前述した従来の光信号断検出回路20では、コンパレータ21の比較出力信号CoutをSRラッチ22で保持する構成となっているため、光信号Pinの信号断状態から信号受信状態への変化については俊敏に検出して表示することができるものの、光信号の受信状態から信号断状態への変化を検出できない。また、外部からの制御信号としてSRラッチ22をリセットするリセット信号RESETが必須であることから、自律的な動作はできない。
また、SRラッチ22は、コンパレータ21が比較出力信号Coutとして1パルスでもHighレベルを出力すれば、信号断検出信号LOSとしてHighレベルを出力し続けてしまうため、光信号Pinの信号断時に大きなノイズ入力があると誤動作を起こす危険があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、外部からの制御信号を必要とすることなく自律的に動作して、光信号の入力有無を的確に検出することができる光信号検出技術を提供することを目的としている。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路の構成を示すブロック図である。
光受信器100には、主な回路構成として、フォトダイオードPD、トランスインピーダンスアンプTIA、リミッティングアンプLA、および光信号断検出回路10が設けられている。
光信号断検出回路10には、主な回路部として、コンパレータ11、アナログ保持回路12、および出力バッファ13が設けられている。
LAは、通常、多段の増幅回路で構成されており、レベル調整のため、エミッタフォロア回路を介して前段と後段の増幅回路が接続されることが多い。したがって、入力段は増幅回路であったり、エミッタフォロア回路であったりする。また、トランスインピーダンスアンプTIAの出力端子とリミッティングアンプLAの入力端子は、AC結合である場合もあればDC結合である場合もある。
結合コンデンサCの容量は、受信信号のビットレートに応じて最適化すればよい。例えばビットレートが10Gbpsであれば、概ね1pF以下が望ましい。
出力バッファ13は、アナログ保持回路12で生成されたアナログの直流電圧からなる保持出力信号Houtを、一般的な論理ゲートで用いられるデジタル論理信号へ整形することにより、光信号Pinの入力有無を示す信号断検出信号LOSを出力する機能を有している。
アナログ保持回路12の保持出力信号Houtは、原理的には、光信号Pinの受信時にトップホールドされるとともに、信号断時にはLowレベルとなるため、信号断検出信号LOSもこれに応じた論理となる。この際、例えば、信号断検出信号LOSにおいて信号断表示をHighレベルで表示する場合には、保持出力信号HoutがLowレベルであるとき、信号断検出信号LOSがHighレベルとなるような論理構成にすればよい。
これにより、コンパレータ11から出力された比較出力信号Coutに含まれる各パルスのうち、保持コンデンサChの直流電圧よりダイオード接合電圧分だけ高いパルスのみがダイオードDhで抽出されて、保持コンデンサChに充電される。
次に、図2を参照して、本実施の形態にかかる光信号断検出回路10で用いられるコンパレータ11の内部構成について詳細に説明する。図2は、第1の実施の形態にかかるコンパレータの構成例を示す回路図である。
このコンパレータ11には、バイアス回路11A、初段増幅回路(前側増幅回路)11B、初段エミッタフォロア回路11C、次段増幅回路(後側増幅回路)11D、および次段エミッタフォロア回路11Eが設けられており、これら回路部が半導体チップ上にそれぞれ集積化されている。ここでは、これら回路部をバイポーラトランジスタで構成した場合を例として説明するが、これらの一部あるいはすべてをMOSFETで構成してもよい。
次に、図3を参照して、本実施の形態にかかる光信号断検出回路10の動作について説明する。図3は、第1の実施の形態にかかる光信号断検出回路の動作を示す信号波形図である。
また、バースト信号が終了して信号断状態となった場合には、その終了時点から最大同符号連続区間が経過した後、光信号Pinの信号断を示す信号断検出信号LOSを出力することができる。
このように、本実施の形態は、光信号断検出回路10において、コンパレータ11で、結合コンデンサを介して入力されたトランスインピーダンスアンプTIAからの電気信号のうち、基準値以上の振幅を持つパルスを比較出力信号Coutとして出力し、アナログ保持回路12で、比較出力信号Coutに含まれる各パルスを保持コンデンサで充電するとともに、充電により得られた直流電圧を放電抵抗で放電することにより、光信号の入力有無に応じて変化する保持出力信号Houtを生成するようにしたので、リセット信号などの外部からの制御信号を必要とすることなく自律的に動作して、光信号の入力有無を的確に検出することができる。
次に、図4を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかる光信号断検出回路10について説明する。図4は、第2の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路の構成を示すブロック図である。
このように、本実施の形態では、アナログ保持回路12を、比較出力信号に含まれる各パルスを整流する、ダイオード接続されたトランジスタと、整流されたこれらパルスを充電する保持コンデンサと、充電により得られた直流電圧を放電する放電抵抗とから構成したので、保持出力信号Houtとしてデジタル論理信号のHighレベルを出力することができ、出力バッファ13で保持出力信号Houtをデジタル論理信号からなる信号断検出信号LOSへ、容易にレベル変換することができる。また、トランジスタをダイオード接続によりダイオードとして使用することにより、ダイオードを別途作成するプロセスを省くことができる。
また、保持コンデンサChと放電抵抗Rhで決まる時定数については、電気信号Tout+,Tout−として入力されるバースト信号の先頭を検出するための応答速度と、バースト信号内に含まれる同符号連続区間を信号断と誤判定しない同符号連続耐性との兼ね合いで決定される。
次に、図5を参照して、本発明の第3の実施の形態にかかる光信号断検出回路10について説明する。図5は、第3の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路の構成を示すブロック図である。
本実施の形態において、コンパレータ11は、直列接続された複数の差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路のうち最後尾に位置する差動増幅回路で、反転信号および非反転信号のそれぞれに対応した2つの負荷抵抗のうちの少なくともいずれか一方の負荷抵抗を可変抵抗Rsとしている。また、コンパレータ11から出力された差動信号から比較出力信号Coutを生成してアナログ保持回路12へ出力する中間バッファ14をさらに備えている。
この可変抵抗Rsの抵抗値を変化させた場合、Q5の負荷抵抗値が変化する。このため、次段差動増幅回路11Dからの比較出力信号Coutのうち、反転信号Cout−の直流バイアスが変化して、非反転信号Cout+の直流バイアスとの間のオフセット電圧が変化する。
したがって、中間バッファ14において、これら反転信号Cout−と非反転信号Cout+に含まれるパルスのうち、オフセット電圧に満たない振幅のパルスについては、互いの信号が交差しなくなって、中間バッファ14から保持入力信号Hinとして出力されない。したがって、アナログ保持回路12の保持コンデンサChに充電される直流電圧の大きさが変化する。
このように、本実施の形態では、コンパレータ11に、直列接続された複数の差動増幅回路11B,11Dを含み、これら差動増幅回路のうち最後尾に位置する差動増幅回路11Dで、反転信号Fout−および非反転信号Fout+のそれぞれに対応した2つの負荷抵抗R9,R10のうちの少なくともいずれか一方の負荷抵抗R9を可変抵抗とし、中間バッファ14で、コンパレータ11から出力された比較出力信号Coutを差動増幅してアナログ保持回路12へ出力するようにしたので、可変抵抗の値を調整することにより、光信号Pinの入力有無を検出する検出感度を調整することができる。これにより、温度や電源電位の変動に応じて可変抵抗の抵抗値を変化させることで、温度や電源電位の変動が発生した場合でも、安定した光信号検出動作を実現できる。
次に、図8を参照して、本発明の第4の実施の形態にかかる光信号断検出回路10について説明する。図8は、第4の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路の構成を示すブロック図である。
アナログ保持回路12の保持出力信号Houtにおいて、その立ち上がりおよび立ち下りは緩やかで、バースト信号に含まれる同符合連続区間では、その電圧レベルも変動する。このような特性は、アナログ保持回路12のCR時定数に起因するものであるから、例えば同符合連続区間のレベル変動を抑制するために、保持コンデンサChの容量や、放電抵抗Rhの値を大きくすると、ますます立ち上がりや立ち下りが遅くなってしまう。
本実施の形態では、アナログ保持回路12として、シュミットトリガインバータなど、ヒステリシス特性を具備した論理回路を用いている。もちろん、信号断検出信号LOSのレベル調整やバッファリングのために、シュミットトリガインバータ出力に対して、さらにインバータや出力バッファを接続してもよい。また、シュミットトリガインバータの代わりに、ヒステリシスコンパレータを接続してもよい。
このように、本実施の形態は、アナログ保持回路12として、シュミットトリガインバータなど、ヒステリシス特性を具備した論理回路を用いたので、アナログ保持回路12のCR時定数を大きく設定した場合でも、信号断検出信号LOSのチャタリング発生を抑制することができる。
次に、図9を参照して、本発明の第5の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路について説明する。図9は、第5の実施の形態にかかる光受信器および光信号断検出回路の構成を示すブロック図である。
リミッティングアンプLAの初段増幅回路PAは、出力インピーダンスの低い、エミッタフォロア回路または差動増幅回路からなり、入力されたトランスインピーダンスアンプTIAからの電気信号Toutを、リミッティングアンプLA内に設けられている後段の増幅回路へ出力する機能を有している。
このように、本実施の形態は、トランスインピーダンスアンプTIAからの電気信号Toutに代えて、リミッティングアンプLAに設けられた初段増幅回路PAから低インピーダンスで出力された電気信号Poutを分岐して、光信号断検出回路10へ入力するようにしたので、電気信号Toutの分岐に伴うトランスインピーダンスアンプTIAの負荷インピーダンスの低下を初段増幅回路PAでカバーすることができる。このため、トランスインピーダンスアンプTIAの駆動負荷を軽減できる。また、初段増幅回路PAによるインピーダンス変換により、トランスインピーダンスアンプTIAの出力とリミッティングアンプLAの入力とのインピーダンス整合がとりやすくなる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
Claims (8)
- パルス列からなる光信号を光電変換して得られた電気信号に基づいて、前記光信号の入力有無を検出する光信号断検出回路であって、
結合コンデンサを介して入力された前記電気信号のうち、基準値以上の振幅を持つパルスを比較出力信号として出力するコンパレータと、
前記比較出力信号に含まれる各パルスを保持コンデンサで充電するとともに、充電により得られた直流電圧を放電抵抗で放電することにより、前記光信号の入力有無に応じて変化する保持出力信号を生成するアナログ保持回路と
を備えることを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記アナログ保持回路は、前記比較出力信号に含まれる各パルスを整流するダイオードと、整流されたこれらパルスを充電する保持コンデンサと、充電により得られた直流電圧を放電する放電抵抗とを含むことを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記アナログ保持回路は、前記比較出力信号に含まれる各パルスを整流する、ダイオード接続されたトランジスタと、このトランジスタからの出力信号を充電する保持コンデンサと、充電により得られた直流電圧を放電する放電抵抗とを含むことを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記電気信号は、反転信号と非反転信号とからなる差動信号からなり、
前記コンパレータは、直列接続された複数の差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路のうち最後尾に位置する差動増幅回路で、前記反転信号および前記非反転信号のそれぞれに対応した2つの負荷抵抗のうちの少なくともいずれか一方の負荷抵抗を可変抵抗とし、
前記コンパレータから出力された差動信号から前記比較出力信号を生成して前記アナログ保持回路へ出力する中間バッファをさらに備える
ことを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記電気信号は、反転信号と非反転信号とからなる差動信号からなり、
前記コンパレータは、直列接続された複数の差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路のうち最後尾より前側に位置するいずれか1つの差動増幅回路で、前記反転信号および前記非反転信号のそれぞれに対応した2つの負荷抵抗のうちの少なくともいずれか一方の負荷抵抗を可変抵抗とすることを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記アナログ保持回路で得られた前記保持出力信号を、ヒステリシス特性に基づいて整形出力するバッファをさらに備えることを特徴とする光信号断検出回路。 - 請求項1に記載の光信号断検出回路において、
前記電気信号は、反転信号と非反転信号とからなる差動信号からなり、
前記コンパレータは、直列接続された2つの差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路のうち前側に位置する前側差動増幅回路で、前記反転信号および前記非反転信号のそれぞれに対応した2つの負荷抵抗であって、かつ前記基準値に応じた互いに異なる抵抗値を有する負荷抵抗を用いて、これら反転信号および前記非反転信号を差動増幅することにより、当該反転信号の直流バイアスと当該非反転信号の直流バイアスとの間に前記基準値に応じたオフセット電圧を印加して出力し、前記前側差動増幅回路より後側に位置する後側差動増幅回路で、前記前側差動増幅回路から出力された前記反転信号と前記非反転信号とを差動増幅する
ことを特徴とする光信号断検出回路。 - パルス列からなる光信号を光電流信号に光電変換して出力する光電変換素子と、
前記光電流信号を増幅して反転信号と非反転信号とからなる電気信号を出力するトランスインピーダンスアンプと、
前記電気信号に含まれる前記パルス列の各パルスを一定振幅に増幅して出力するリミッティングアンプと、
前記電気信号に基づいて前記光信号の入力有無を検出する請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載した光信号断検出回路と
を備えることを特徴とする光受信器。
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