JP2014116851A - 増幅器および光受信器 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作点を変更することなく、かつ帯域を狭めることなく独立的に増幅器の利得を調整して安定動作(位相補償)を実現する。
【解決手段】差動トランスインピーダンスアンプ10は、コレクタが第1の負荷インピーダンス素子Z1を介して第1の電源V1に接続された第1トランジスタQ1、コレクタが第2の負荷インピーダンス素子Z2を介して第1の電源V1に接続された第2トランジスタQ2、第1トランジスタQ1のエミッタおよび第2トランジスタQ2のエミッタに接続される抵抗素子Re、第1トランジスタQ1のエミッタと第2の電源V2に接続された第1電流源Is1、および第2トランジスタQ2のエミッタと第2の電源V2に接続された第2電流源Is2を有する。第1トランジスタQ1と第2トランジスタQ2は、エミッタ接地トランジスタと等価、抵抗素子Reは利得調整用の抵抗素子、負荷インピーダンス素子Z1,Z2は抵抗素子である。
【選択図】図4

Description

本発明は、増幅器と光受信器に関し、特に差動トランスインピーダンスアンプとこれを用いた光受信器に関する。
大容量の情報通信を実現するために高速光通信システムの普及が進んでいる。光通信システムの受信側では、受信された光信号はフォトダイオードで光−電流変換される。フォトダイオードから出力される高速の電流信号は、トランスインピーダンスアンプ(TIA)で電圧信号に変換されると同時に、次段のアナログ−ディジタル変換に適した電圧振幅まで増幅される。
高速電流信号を電圧変換・増幅するために、ノイズ耐性の高い差動方式が採用されている。図1は従来の差動増幅回路の構成図である(たとえば、非特許文献1参照)。ソース(またはエミッタ)設置段112の出力はソースフォロワ(またはエミッタフォロワ)段111に入力され、帰還抵抗Rf1を介してソース(またはエミッタ)設置段112の入力に帰還する。同様に、ソース(またはエミッタ)設置段122の出力はソースフォロワ(またはエミッタフォロワ)段121に出力され、帰還抵抗Rf2を介してソース(またはエミッタ)設置段122の入力に帰還する。
この場合、差動段112、122とソース(エミッタ)フォロワ段111、121の極により、帰還ループFBLP1、FBLP2の安定性が問題となる。帰還ループFBLP1、FBLP2の発振を防止し動作を安定させるために、抵抗値や電流・電圧値を変更して極の配置と利得を調整する。しかし、これらのパラメータを変更すると、各ノードの動作点も変わってしまう。従来の構成では、動作点を変更せずに極の配置、利得を調整することはできない。
増幅器の利得は帰還回路の伝達関数から求められる。
Figure 2014116851
ここで、減数係数ζは、
Figure 2014116851
で表わされる。ただし、Gは増幅器の利得、
Figure 2014116851
であり、p1は差動段の極、p2はエミッタフォロワの極である。
利得調整のために抵抗値を大きくすると周波数帯域が狭くなる。また、位相補償(動作の安定化)のためにコンデンサの静電容量を大きくしたときも周波数帯域が狭くなる。
帰還回路の安定性はQ値により見積もることができる。Q値はQ=1/(2ζ)で表わされる。図2は、Q値に応じた規格化伝達関数の周波数特性を示すグラフである。Q値が大きくなるとピーキングを持つ。ピーキングが大きいということは帰還回路が不安定であることを意味する。ピーキングがなく、群遅延特性を平坦化するためにはQ値を0.6程度にするのが望ましい。
特開平10−117124号公報 特開2011−124711号公報
S. Mohan, et al., "Bandwidth Extension in CMOS with Optimized On-Chi- Inductors", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No. 3, pp. 346-355, March 2000
動作点を変更することなく、かつ帯域を狭めることなく利得を調整し、かつ安定動作(位相補償)を実現できる増幅器と、これを用いた光受信器の提供を課題とする。
第1の態様では、増幅器は、
コレクタ又はドレインが第1の負荷インピーダンス素子を介して第1の電源に接続された第1トランジスタと、
コレクタ又はドレインが第2の負荷インピーダンス素子を介して前記第1の電源に接続された第2トランジスタと、
前記第1トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2トランジスタのエミッタ又はソースに接続された利得調整素子と、
前記第1トランジスタのエミッタ又はソースと第2の電源に接続された第1電流源と、
前記第2トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2の電源に接続された第2電流源と、
コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続されベース又はゲートが前記第1の負荷インピーダンス素子に接続された第3トランジスタと、
コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続されベース又はゲートが前記第2の負荷インピーダンス素子に接続された第4トランジスタと、
前記第1トランジスタのベース又はゲートと前記第3トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第1の帰還抵抗素子と、
前記第2トランジスタのベース又はゲートと前記第4トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第2の帰還抵抗素子と、
を有する。
上記構成により、動作点を変更することなく、かつ帯域を狭めることなく独立的に増幅器の利得を調整して安定動作(位相補償)を実現することができる。
従来の差動アンプの回路図である。 Q値に応じた規格化伝達関数の周波数特性を示すグラフである。 従来構成で極、利得、動作点が独立でないことを説明する図である。 実施例1の差動トランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 実施例1の構成で極、利得、動作点が独立であることを説明する図である。 実施例1の差動トランスインピーダンスアンプの周波数特性を示す図である。 実施例1の差動トランスインピーダンスアンプが適用される光受信器の構成例を示す図である。 実施例1の差動トランスインピーダンスアンプが適用される光受信器の別の構成例を示す図である。 実施例2の差動トランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 実施例3の差動トランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 実施例4の差動トランスインピーダンスアンプの回路構成図である。
以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。まず、図3を参照して、従来の差動アンプにおいて極、利得、動作点が独立でないことを説明する。
図3(A)はバイポーラ差動アンプの半回路である。極、利得、動作点が独立でないことを説明するには、バイポーラ差動アンプの半回路を考えるだけで十分である。極の位置はコレクタ抵抗Rに依存する。
この回路の回路方程式は以下のようになる。
Figure 2014116851
ここで、VTは熱電圧である。式(4)〜(7)により、利得Gは式(7)で表わされる。
G=(VCC−VC)/VT (7)
式(4)、(7)より、利得Gはコレクタ抵抗R、出力ノードの電位V(動作点)に依存することがわかる。利得を変えるためにコレクタ抵抗RCを調整すれば、動作点と極の位置が変わってしまう。同様のことが電界効果トランジスタを用いた場合にも当てはまる。
図3(B)は、FET差動アンプの半回路である。極、利得、動作点が独立でないことを説明するには、FET差動アンプの半回路を考えるだけで十分である。極の位置はドレイン抵抗Rに依存する。
この回路の回路方程式は以下のようになる。
Figure 2014116851
ここで、Wはゲート幅、Lはゲート長である。式(8)〜(10)により、利得Gは式(11)で表わされる。
Figure 2014116851
式(8)、(11)より、利得Gはドレイン抵抗R、出力ノードの電位V(動作点)に依存することがわかる。利得を変えるためにドレイン抵抗Rを調整すれば、動作点と極の位置が変わってしまう。利得を大きくするためにゲート幅Wを大きくすると帯域が下がるため、Wの値を変更するのは困難である。ゲート長Lはほぼ定数である。k'は移動度であり、ゲート酸化膜の単位面積に依存する定数である。したがって、従来の構成では動作点を変えることなく極の配置、利得を調整することはできない。
このような問題点を解決するために、実施例では、エミッタ接地(又はソース接地)トランジスタのエミッタ(又はソース)側に抵抗を配置する。
図4は、実施例1の差動トンランスインピーダンスアンプ10の回路図である。図4の例ではバイポーラトランジスタを用いる。差動トランスインピーダンスアンプ10は、コレクタが第1の負荷インピーダンス素子Z1を介して第1の電源V1に接続された第1トランジスタQ1、コレクタが第2の負荷インピーダンス素子Z2を介して第1の電源V1に接続された第2トランジスタQ2、第1トランジスタQ1のエミッタおよび第2トランジスタQ2のエミッタに接続される抵抗素子Re、第1トランジスタQ1のエミッタと第2の電源V2に接続された第1電流源Is1、および第2トランジスタQ2のエミッタと第2の電源V2に接続された第2電流源Is2を有する。
第1トランジスタQ1と第2トランジスタQ2は、エミッタ接地トランジスタと等価である。抵抗素子Reは、後述するように利得調整用の抵抗素子である。負荷インピーダンス素子Z1,Z2はたとえば抵抗素子である。
差動トランスインピーダンスアンプ10はさらに、コレクタが第1の電源V1に接続されベースが第1の負荷インピーダンス素子Z1に接続された第3トランジスタQ7、コレクタが第1の電源V1に接続されベースが第2の負荷インピーダンス素子Z2に接続された第4トランジスタQ8、第1トランジスタQ1のベースと第3トランジスタQ7のエミッタに接続された帰還抵抗素子Rf1、第2トランジスタQ2のベースと第4トランジスタQ8のエミッタに接続された帰還抵抗素子Rf2を有する。
差動トランスインピーダンスアンプ10はさらに、第3トランジスタQ7のエミッタと第2の電源V2に接続された抵抗素子R7と、第4トランジスタQ8のエミッタと第2の電源V2に接続された抵抗素子R8を有する。抵抗素子R7とR8は、定電流源に置き換えてもよい。
差動トランスインピーダンスアンプ10はさらに、コレクタが抵抗素子R3を介して第1の電源V1に接続された第5トランジスタQ5と、コレクタが抵抗素子R5を介して第1の電源V1に接続された第6トランジスタQ6を有する。第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6のベースには一定のバイアス電位がかけられており、第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6は、ベース接地トランジスタと等価である。
第5トランジスタQ5のエミッタと第2の電源V2の間に、抵抗素子R4が挿入され、第6トランジスタQ6のエミッタと第2の電源V2の間に、抵抗素子R6が挿入されている。
第5トランジスタQ5のコレクタは第1トランジスタQ1のベースに接続されている。第6トランジスタQ6のコレクタは第2トランジスタQ2のベースに接続されている。
この例では、第1トランジスタQ1のコレクタと負荷インピーダンス素子Z1の間に、カスコードトランジスタQ3が挿入され、カスコードトランジスタQ3のコレクタは、第3トランジスタQ7のベースに接続されている。カスコードトランジスタQ3には一定のバイアス電位が印加され、ベース接地トランジスタとして機能する。第1トランジスタQ1、カスコードトランジスタQ3、第3トランジスタQ7、および帰還抵抗Rf1で、帰還ループFBLP1を形成する。
同様に、第2トランジスタQ2のコレクタと負荷インピーダンス素子Z2の間に、カスコードトランジスタQ4が挿入され、カスコードトランジスタQ4のコレクタは、第4トランジスタQ8のベースに接続されている。カスコードトランジスタQ4には一定のバイアス電位が印加され、ベース接地トランジスタとして機能する。第2トランジスタQ2、カスコードトランジスタQ4、第4トランジスタQ8、および帰還抵抗Rf1で帰還ループFBLP2を形成する。
動作時には、第5トランジスタQ5と抵抗素子R4の間に、差動信号形式の正相の電流信号inpが入力される。第5トランジスタQ5のベースには、一定の入力電流と同じ電流を流すために必要なバイアス電圧(B1)が印加されており、正の入力信号inpの電流レベルがHighの場合、第5トランジスタQ5に電流が流れ、第1トランジスタQ1のベースに電流が印加される。
カスコードトランジスタQ3には、第1トランジスタQ1に流れる電流と同じ電流を流すために必要なバイアス電圧(B2)が印加されている。したがって第1トランジスタQ1がONになって電流が流れると、カスコードトランジスタQ3にも電流が流れる。このとき第1トランジスタQ1のコレクタ側に流れる電流は、抵抗素子Reに依存する。この電流信号はエミッタフォロワ段の第3トランジスタQ7をONにし、帰還抵抗Rf1に電流が流れて電圧が生成される。増幅された帰還電圧が第1トランジスタQ1のベースに印加される。帰還ループFBLP1で、第3トランジスタQ7のエミッタと帰還抵抗Rf1の間から負出力outnが出力される。この負出力は差動トランスインピーダンスアンプ10の一方の出力となる。
同様に、第6トランジスタQ6と抵抗素子R6の間に、差動信号形式の逆相の電流信号innが入力され、第2トランジスタQ1のベースに電流信号が印加される。カスコードトランジスタQ4からエミッタフォロワ段の第4トランジスタQ8のベースに電流が印加され、第4トランジスタQ8がONになる。帰還抵抗Rf2に電流が流れて電圧が生成され、増幅された帰還電圧が、第2トランジスタQ2のベースに印加される。帰還ループFBLP2で信号の論理が反転し、第4トランジスタQ8のエミッタと帰還抵抗Rf2の間から正出力outpが出力される。この正出力は差動トランスインピーダンスアンプ10の他方の出力となる。
カスコードトランジスタQ3、Q4を用いることにより、チャネル長の短いトランジスタを用いる場合でもアンプの増幅率を高くし、動作を安定させることができる。カスコードトランジスタQ3と負荷インピーダンス素子Z1との間に、インダクタを挿入してもよい。同様に、カスコードトランジスタQ4と負荷インピーダンス素子Z2の間に、インダクタを挿入してもよい。抵抗素子R4,R6は定電流源であってもよい。
上記の構成により、極と利得を独立にすることができる。これについて、図5を参照して説明する。
図5は、実施例1のバイポーラ差動アンプの差動段(第1トランジスタQ1のエミッタと第2トランジスタQ2のエミッタの間に抵抗素子Reを挿入した構成)と等価の構成を示す回路図である。極と利得が独立であることを説明するには、図5の半回路を考えるだけで十分である。図5の回路は、エミッタ接地回路である。極の位置はコレクタ抵抗Rに依存する。
この回路の回路方程式は以下のようになる。
Figure 2014116851
ここでicは、入力信号vinにより直流電流Iが変化する
式(12)〜(14)により、利得Gは式(15)で表わされる。
G=R/R (15)
すなわち、利得Gは、入力信号vinに依存せず、コレクタ抵抗RまたはQ1、Q2のエミッタ間の抵抗REによって決まる。コレクタ抵抗Rを変えると極の位置もずれてしまうので、コレクタ抵抗Rは変化させず、代わりにエミッタ間の抵抗Rを調節する。これにより、極の位置、動作点に変更を生じさせずに、利得Gを調整することが可能になる。このことは電界効果トランジスタの場合でも同様である。また、コレクタ抵抗がインピーダンス素子の場合でも同様である。電界効果トランジスタを用いる場合は、図4の第1トランジスタQ1と第2トランジスタQ2はソース接地トランジスタとなる。
図6は、実施例1の差動トランスインピーダンスアンプの周波数特性を示す図である。比較例として、図1の従来構成を用いた場合の周波数特性と、位相補償(安定化)を適用していない回路の周波数特性も示す。
従来方式の回路では、帯域が狭くなってしまっている。位相補償(安定化)を行わない回路では、ピーキングが発生する。これに対して、実施例1の回路構成では帯域を確保しつつ、ピーキングを小さくできるという効果を奏する。
最適なQ値に基づいて利得Gを調整する場合、差動トランスインピーダンスアンプ10a〜10bのエミッタ接地トランジスタ(Q1、Q2)のエミッタ側に接続された抵抗Reを調整するだけでよい。動作点や極の位置に変更はないので、利得の調整が簡便である。
図4の増幅回路10は、図7及び図8に示すように光受信1A、1Bに適用することができる。光受信器1A、1Bは一例としてDP−QPSK方式の光受信器であるが、これに限定されず、光信号から検出された電流を電圧に変換する任意の光受信器に適用することができる。
図9は、実施例2の差動トランスインピーダンスアンプ20の構成例を示す。実施例2の回路では、差動段のエミッタ接地トランジスタ(第1トランジスタQ1および第2トランジスタQ2)と第2の電源V2の間に、1つの電流源Isを用いる。
第1のトランジスタQ1のエミッタは第1の利得調整用の抵抗素子Re1に接続される。第2のトランジスタQ2のエミッタは第2の利得調整用の抵抗素子Re2に接続される。第1の利得調整用の抵抗素子Re1と第2の利得調整用の抵抗素子Re2は、電流源Isを介して第2の電源V2に接続されている。その他の構成は、実施例の構成と同様である。
実施例2では、各差動段で電流源Isに対応する電圧と、利得調整用の抵抗Reに対応する電圧の和に相当する電圧が必要になるので、実施例1よりも必要とされる電圧が若干大きくなる。しかし、差動段の回路は図5の半回路と等価であり、抵抗素子Re1、Re2を調整するだけで、利得Gを調整することができる。
図10は、実施例3の差動トランスインピーダンスアンプ30の構成例を示す。実施例3では、実施例1の構成からカスコードトランジスタQ3,Q4を省略している。カスコードトランジスタQ3,Q4を省略した場合でも、利得調整用の抵抗素子Re1、Re2を適切に調整することで、動作点や極を変更させることなく利得を調整することができる。
図11は、実施例4の差動トランスインピーダンスアンプ40の構成例を示す。実施例4では、実施例2の構成からカスコードトランジスタQ3、Q4を省略している。この構成でも、図5の半回路と等価なので、利得調整用の抵抗素子Re1、Re2を調整するだけで、動作点、極を変更することなく利得Gを調整することができる。
いずれの実施形態でも、バイポーラトランジスタに替えて電界効果トランジスタを用いることができる。いずれの実施形態の差動トランスインピーダンスアンプも光受信器に好適に適用することができる。
1A、1B 光受信器
10、20、30,40 差動トランスインピーダンスアンプ(増幅器)
Q1、Q2 差動段のトランジスタ(第1トランジスタ、第2トランジスタ))
Q3、Q4 カスコードトランジスタ(第7トランジスタ、第8トランジスタ)
Q5、Q6 ベース接地(又はゲート接地)トランジスタ(第5トランジスタ、第6トランジスタ)
Q7、Q8 エミッタフォロワ(又はソースフォロワ)のトランジスタ(第3トランジスタ、第4トランジスタ)
FBLP1、FBLP2 帰還ループ
Z1 第1の負荷インピーダンス素子
Z2 第2の負荷インピーダンス素子
Re 利得調整用の抵抗素子
Re1 第1の利得調整抵抗素子
Re2 第2の利得調整抵抗素子
R3 第1抵抗素子
R5 第2抵抗素子
R7 第3抵抗素子
R8 第4抵抗素子
R4 第5抵抗素子
R6 第6抵抗素子

Claims (8)

  1. コレクタ又はドレインが第1の負荷インピーダンス素子を介して第1の電源に接続された第1トランジスタと、
    コレクタ又はドレインが第2の負荷インピーダンス素子を介して前記第1の電源に接続された第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2トランジスタのエミッタ又はソースに接続された利得調整用抵抗素子と、
    前記第1トランジスタのエミッタ又はソースと第2の電源に接続された第1電流源と、
    前記第2トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2の電源に接続された第2電流源と、
    コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続され、ベース又はゲートが前記第1の負荷インピーダンス素子に接続された第3トランジスタと、
    コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続され、ベース又はゲートが前記第2の負荷インピーダンス素子に接続された第4トランジスタと、
    前記第1トランジスタのベース又はゲートと前記第3トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第1の帰還抵抗素子と、
    前記第2トランジスタのベース又はゲートと前記第4トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第2の帰還抵抗素子と、
    を有することを特徴とする増幅回路。
  2. コレクタ又はドレインが第1の負荷インピーダンス素子を介して第1の電源に接続された第1トランジスタと、
    コレクタ又はドレインが第2の負荷インピーダンス素子を介して前記第1の電源に接続された第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第1の利得調整抵抗素子と、
    前記第2トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第2の利得調整抵抗素子と、
    前記第1の利得調整抵抗素子および前記第2の利得調整抵抗素子と、第2の電源の間に接続された第3の電流源(Is)と、
    コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続され、ベース又はゲートが前記第1トランジスタQ1のコレクタ又はドレインに接続された第3トランジスタと、
    コレクタ又はドレインが前記第1の電源に接続され、ベース又はゲートが前記第2トランジスタのコレクタ又はドレインに接続された第4トランジスタと、
    前記第1トランジスタのベース又はゲートと前記第3トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第1の帰還抵抗素子と、
    前記第2トランジスタのベース又はゲートと前記第4トランジスタのエミッタ又はソースに接続された第2の帰還抵抗素子と、
    を有することを特徴とする増幅回路。
  3. 前記第1の負荷インピーダンス素子、および、第2の負荷インピーダンス素子が抵抗素子であることを特徴とする請求項1または2に記載の増幅回路
  4. コレクタ又はドレインが第1抵抗素子を介して前記第1の電源に接続された第5トランジスタと、
    コレクタ又はドレインが第2の抵抗素子を介して前記第1の電源に接続された第6トランジスタと
    をさらに有し、前記第5トランジスタのコレクタ又はドレインと、前記第1トランジスタのベース又はゲートが接続され、前記第6トランジスタのコレクタ又はドレインと、前記第2トランジスタのベース又はゲートが接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の増幅回路。
  5. 前記第1トランジスタのコレクタ又はドレインに直列に接続された第7トランジスタと、
    前記第2トランジスタのコレクタ又はドレインに直列に接続された第8トランジスタと
    をさらに含み、前記第7トランジスタのコレクタ又はドレインは、前記第3トランジスタのベース又はゲートに接続され、前記第8トランジスタのコレクタ又はドレインは、前記第4トランジスタのベース又はゲートに接続されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の増幅器。
  6. 前記第3トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2の電源の間に接続される第3の抵抗素子又は第4の電流源と
    前記第4トランジスタのエミッタ又はソースと前記第2の電源の間に接続される第4の抵抗素子又は第5の電流源と
    をさらに有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の増幅回路。
  7. 前記第5トランジスタと前記第2の電源の間に接続される第5の抵抗素子又は第6の電流源と、
    前記第6トランジスタと前記第2の電源の間に接続される第6の抵抗素子又は第7の電流源、
    をさらに有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の増幅器。
  8. 受信した信号光を電流に変換する光検出器と、
    前記光検出器で生成された電流を電圧に変換するとともに増幅する請求項1〜7のいずれかに記載の増幅器と、
    を有する光受信器。
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