JP2016052016A

JP2016052016A - 光受信回路および光結合装置

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Publication number: JP2016052016A
Application number: JP2014176591A
Authority: JP
Inventors: 雅之杉崎; Masayuki Sugizaki; 成之佐倉; Nariyuki Sakura; 豊明卯尾; Toyoaki Uo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11
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Abstract

【課題】広いダイナミックレンジで安定に動作する光受信回路および光結合装置を提供する。【解決手段】実施形態の光受信回路は、受光素子と、前記受光素子に第１のノードで接続された制御端子、基準電位に接続される第１の端子、および第２の端子を有する第１のトランジスタと、電源電位と前記第２の端子が接続された第２のノードとの間に接続され、前記電流信号に基づく電圧信号が現れる第３のノードに電圧を出力する第１の負荷回路と、前記第１のノードと前記第３のノードとの間に接続された第１の帰還抵抗と、前記第１の帰還抵抗の両端に接続されて、第１の帰還抵抗の両端の電圧の上昇を制限する第１のリミッタ回路と、前記第２のノードと前記基準電位との間に接続され、ダイオード接続された第２のトランジスタを含み、前記第１のリミッタ回路の動作に基づいて動作する第１の回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光受信回路および光結合装置に関する。

近年、光結合素子や光データリンクなど光を用いて信号を伝送する装置では、発光素子の発光効率等性能が改善され、光伝送路を形成するプラスチック光ファイバの伝送損失のレベルも向上している。そのため、これらのデバイスを用いることによって、低コストで大容量の光データ通信が可能となってきている。このような光データ通信環境においては、光受信回路のダイナミックレンジを拡大するとともに、広い動作範囲において安定した動作を維持することが求められる。

光伝送路の伝送距離の延長化にともなって、伝送される光信号の強度は、微弱レベルから非常に強いレベルまでのものが含まれるようになり、光受信回路のダイナミックレンジの拡大がより重大な問題となってきている。たとえば、受光素子と、ＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier、トランスインピーダンス増幅器）と、を入力段に含む光受信回路では、微弱レベルの光信号を受信する場合にＴＩＡのゲイン設定を行うと、信号強度が強い場合にはＴＩＡが飽和したり、発振動作を起こしてしまうため、ダイナミックレンジを拡大することが困難であった。

特開２００５−２１０５５８号公報

発明が解決しようとする課題は、広いダイナミックレンジで安定に動作する光受信回路および光結合装置を提供することである。

実施形態に係る光受信回路は、受光素子と、前記前記受光素子に第１のノードで接続された制御端子、基準電位に接続される第１の端子、および第２の端子を有する第１のトランジスタと、前記基準電位よりも高電位を有する電源電位と前記第２の端子が接続された第２のノードとの間に接続され、前記電流信号に基づく電圧信号が現れる第３のノードに電圧を出力する第１の負荷回路と、前記第１のノードと前記第３のノードとの間に接続された第１の帰還抵抗と、前記第１の帰還抵抗の両端に接続されて、第１の帰還抵抗の両端の電圧の上昇を制限する第１のリミッタ回路と、前記第２のノードと前記基準電位との間に接続され、ダイオード接続された第２のトランジスタを含み、前記第１のリミッタ回路の動作に基づいて動作する第１の回路と、を備える。

第１の実施形態に係る光受信回路を例示する回路図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は比較例の光受信回路をそれぞれ例示する回路図である。図３（ａ）は、図１の光受信回路のトランスインピーダンスの周波数特性をシミュレーションにより求めたグラフである。図３（ｂ）は、比較例に係る光受信回路のトランスインピーダンスの周波数特性をシミュレーションにより求めたグラフである。第１の実施形態の第１変形例に係る光受信回路を例示する回路図である。第１の実施形態の第２変形例に係る光受信回路を例示する回路図である。第２の実施形態に係る光受信回路を例示する回路図である。第３の実施形態に係る光受信回路を例示する回路図である。図８（ａ）は、第４の実施形態に係る光結合装置を例示するブロック図である。図８（ｂ）は、第４の実施形態に係る光結合装置の構造を例示する断面図である。第５の実施形態に係る光通信システムを例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光受信回路を例示する回路図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）は比較例の光受信回路をそれぞれ例示する回路図である。
図３（ａ）は、図１の光受信回路のトランスインピーダンスの周波数特性をシミュレーションにより求めたグラフである。
図３（ｂ）は、比較例に係る光受信回路のトランスインピーダンスの周波数特性をシミュレーションにより求めたグラフである。
図１に示すように、本実施形態の光受信回路１０は、受光素子１（ＰＤ）と、反転増幅トランジスタ２と、負荷回路３と、帰還抵抗４と、リミッタ回路５と、バイパス回路６と、バイパス制御回路７と、を備える。光受信回路１０は、基準電位２０と、電源電位２５と、の間に接続される。基準電位２０は、光受信回路１０が接続される電位のうちもっとも低い電位であり、典型的には接地電位であり、０Ｖである。電源電位２５は、光受信回路１０が接続される電位のうちもっとも高い電位であり、たとえば、３．３Ｖである。基準電位２０および電源電位２５は、上述の電位関係が維持されていればよく、基準電位２０および電源電位の両方または一方が負の電位を有していてもよい。

受光素子１は、基準電位２０と、受光素子１の出力電流が入力される入力ノード２１（第１のノード）と、の間に接続される。受光素子１は、たとえばシリコンフォトダイオードである。受光素子１は、シリコンフォトダイオードのほか、光伝送距離や通信速度等に応じてシリコンＰＩＮフォトダイオード、あるいはアバランシェフォトダイオード等他の光電変換素子であってもよい。

反転増幅トランジスタ２は、入力ノード２１に接続されたゲート端子Ｇ１（制御端子）と、基準電位２０に接続されたソース端子Ｓ１（第１の端子）と、ゲート端子Ｇ１に入力された電圧を反転出力するドレイン端子Ｄ１（第２の端子）と、を有する。反転増幅トランジスタ２のドレイン端子Ｄ１は、内部出力ノード２２（第２のノード）に直接接続される。反転増幅トランジスタ２は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。

負荷回路３は、電流源（Ｉ１）１２と、負荷トランジスタ１１と、を含む。電流源１２は、電源電位２５と、内部出力ノード２２と、の間に接続される。負荷トランジスタ１１は、内部出力ノード２２に接続されたゲート端子Ｇ３と、光受信回路１０の出力ノード２３に接続されたソース端子Ｓ３と、電源電位２５に接続されたドレイン端子Ｄ３と、を有する。負荷トランジスタ１１は、たとえばＭＯＳＦＥＴである。負荷トランジスタ１１は、内部出力ノード２２からの出力を、電流源（Ｉ２）１３とともに電流増幅作用を有するバッファ回路を介して出力している。この電流源１３は、出力ノード２３（第３のノード）と、基準電位２０と、の間に接続される。負荷回路３は、反転増幅トランジスタ２の出力をソースフォロワ形式で受けており、低出力インピーダンスで次段の回路に出力することができる。

なお、以下では、電流源は、カレントミラー回路等の定電流回路であることが望ましいが、定電流回路に代えて、抵抗素子であってもかまわない。したがって、本明細書では、電流源という場合には、定電流回路と抵抗素子が含まれるものとする。

帰還抵抗４は、入力ノード２１と、出力ノード２３と、の間に接続される。したがって、光受信回路１０は、反転増幅トランジスタ２と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器と、帰還抵抗４と、を有するトランスインピーダンス増幅器を含んでいる。

リミッタ回路５は、帰還抵抗１４と、リミッタトランジスタ１５と、を含む。帰還抵抗１４は、一方の端子がリミッタトランジスタ１５のソース端子Ｓ２に接続され、他方の端子が入力ノード２１に接続される。リミッタトランジスタ１５は、出力ノード２３に接続されたゲート端子Ｇ２と、電源電位２５に接続されたドレイン端子Ｄ２と、を有する。帰還抵抗１４は、リミッタトランジスタ１５のゲートソース間電圧を介して出力ノード２３に接続されているので、帰還抵抗４と実質的に並列に接続されている。

受光素子１が受光して電流を出力すると、出力された電流は、帰還抵抗４に流れる。受光素子１の受光量が小さい場合には、帰還抵抗４に流れる電流が小さく、帰還抵抗４の両端の電圧は、リミッタトランジスタ１５のしきい値電圧よりも小さい。そのため、帰還抵抗４に流れる電流値に応じて、出力ノード２３の電位は上昇する。リミッタトランジスタ１５のしきい値電圧は、負荷トランジスタ１１の出力電圧が飽和しない範囲では、リミッタトランジスタ１５がオンしないように設定されている。受光素子１が出力する電流が大きくなり、帰還抵抗４の両端の電圧がリミッタトランジスタ１５のしきい値電圧を超えた場合には、リミッタトランジスタ１５はオンする。リミッタトランジスタがオンすると、帰還抵抗４の両端の電圧の上昇が制限される。このため、出力ノード２３の電位上昇が制限される。このようにして、リミッタ回路５は、大きな信号が入力された場合に、出力ノード２３から出力される出力信号が飽和しないように動作する。なお、後に詳述するように、リミッタ回路５は、帰還抵抗４と並列に接続されているので、リミッタ回路５が動作した状態では、リミッタ回路５を含めた等価的な帰還抵抗が形成される。この等価的な帰還抵抗の抵抗値は、帰還抵抗４の抵抗値よりも低い。

バイパス回路６は、抵抗１６と、ダイオード接続されたバイパストランジスタ１７と、を含む。バイパス回路６は、内部出力ノード２２と、バイパス制御回路７と、の間に接続されている。バイパストランジスタ１７は、内部出力ノード２２からバイパス制御回路７に向かって順方向の電流が流れる向きに接続される。抵抗１６は、バイパストランジスタ１７がオンしたときに流れる電流値を設定する。

バイパス制御回路７は、２つのダイオード接続されたバイパストランジスタ１８，１９と、を含む。バイパス制御回路７は、バイパス回路６と、基準電位２０と、の間でバイパス回路６と直列に接続されている。バイパストランジスタ１８，１９は、直列に接続され、バイパス回路６から基準電位２０に向かって順方向の電流が流れる向きに接続されている。したがって、３つのバイパストランジスタ１７〜１９は、内部出力ノード２２から基準電位２０に向かって順方向電流が流れる向きに直列に接続されている。

本実施形態に係る光受信回路１０の動作について以下に説明する。
無信号時には、受光素子１は電流を出力せず、帰還抵抗４には、電流が流れない。そのため、出力ノード２３の電位は、入力ノード２１の電位と等しい。内部出力ノード２２の電位は、反転増幅トランジスタ２のゲートソース間電圧と、負荷トランジスタ１１のゲートソース間電圧との和に等しい。

受光素子１が光を受けて電流を出力すると、その出力電流は、出力ノード２３から、帰還抵抗４を介して入力ノード２１に流れる。

受光量が増大し、帰還抵抗４の両端の電圧が大きくなると、上述したように、リミッタトランジスタ１５がオンして、帰還抵抗４の両端の電圧を制限して、出力ノード２３から出力される信号の飽和を防止する。

リミッタトランジスタ１５がオンし始める場合には、リミッタトランジスタ１５のしきい値電圧をＶｔ２とすると、内部出力ノード２２の電位Ｖｎ２は、次のようになる。
Ｖｎ２＝Ｖｇｓ１＋Ｖｔ２＋Ｖｇｓ３（１）
ここで、Ｖｇｓ１は、反転増幅トランジスタ２のゲートソース間電圧であり、Ｖｇｓ３は、負荷トランジスタ１１のゲートソース間電圧である。

すべてのトランジスタのしきい値電圧が等しいとすると、バイパストランジスタ１７〜１９には、リミッタトランジスタ１５のゲートソース間電圧がしきい値電圧Ｖｔ２を超えて、リミッタトランジスタ１５がオンするまで電流は流れない。

大きな光信号が入力され、リミッタトランジスタ１５が十分オンするような電流が帰還抵抗４に流れた場合に、内部出力ノード２２の電位Ｖｎ２が上昇し、バイパストランジスタ１７〜１９がオンする。バイパストランジスタ１７〜１９がオンすることによって内部出力ノード２２の電位Ｖｎ２の上昇を制限する。そして、本実施形態の光受信回路１０では、受光素子１の端子間容量と等価的な帰還抵抗とで形成される極が反転増幅トランジスタ２と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器の極の近傍に形成されるのを抑制する。したがって、本実施形態の光受信回路１０では、広い周波数範囲にわたって安定な動作が維持される。

なお、バイパストランジスタ１７〜１９をオンさせる条件としては、リミッタトランジスタ１５のオンと厳密に同時である必要はない。上述したように、系が不安定になる原因は、リミッタトランジスタ１５がオンしたときに、等価的な帰還抵抗が低下して、この等価的な帰還抵抗と受光素子１の端子間容量とで決定される極が、反転増幅トランジスタ２と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器の極と接近して形成されることにある。したがって、リミッタトランジスタ１５がオンする前の状態においても、バイパストランジスタ１７〜１９に電流を流しておくようにしてもよい。

図２（ａ）に示すように、比較例の光受信回路４０は、内部出力ノード２２に接続されたバイパス回路６およびバイパス制御回路７を含まない点で本実施形態の光受信回路１０と相違する。比較例の光受信回路４０のその他の回路要素および接続は、第１の実施形態の光受信回路１０と同じであり、同じ回路要素および接続には、第１の実施形態の光受信回路１０と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

比較例の光受信回路４０では、リミッタトランジスタ１５のオンと同時に発生する等価的な帰還抵抗の変化を抑制する手段がなく、等価的な帰還抵抗の抵抗値は急減し、ゲインが急増する。比較例の光受信回路４０では、等価的な帰還抵抗と受光素子１の端子間容量によって、反転増幅トランジスタ２と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器の極の近傍に極が形成されることによって、系の安定度は低下する。

系の安定度は、ほとんど入力段の特性により決定されるので、負荷回路の構成によらない。図２（ｂ）に示すように、負荷回路３ａが電源電位２５と出力ノード２３との間に接続された電流源１２からなり、ソースフォロワを構成する負荷トランジスタ１１および電流源１３が削除された光受信回路４０ａであっても、光受信回路４０の場合と同様である。すなわち、比較例の光受信回路４０ａでは、リミッタトランジスタ１５の動作開始と同時に、等価的な帰還抵抗が低下して、この等価的な帰還抵抗と受光素子１の端子間容量とで決定される極が、反転増幅トランジスタ２と負荷回路３ａとからなる反転増幅器の極と接近した位置に形成されるために、系の安定度は低下する。なお、図２（ｂ）の場合には、リミッタ回路５ａも帰還抵抗１４が省略され簡易化されているが、リミッタトランジスタ１５のゲートソース間電圧で帰還抵抗４両端の電圧をクランプしており、系の不安定の原因となるのは、上述と同様である。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の光受信回路１０では、無信号の場合には、リミッタ回路５は動作しないので、トランスインピーダンスの周波数特性は、フラットで安定な特性を示す。また、受光素子１に流れる電流を最大にして、リミッタ回路５を動作させても、トランスインピーダンスの周波数特性は、ほぼフラットであり、光受信回路１０は、安定動作が維持される。

図３（ｂ）に示すように、比較例の光受信回路４０では、無信号の場合には、リミッタ回路５が動作しないので、本実施形態の光受信回路１０と同様に、トランスインピーダンスの周波数特性は、フラットで安定な特性を示す。しかし、受光素子１の電流を最大値にしてリミッタ回路５を動作させると、トランスインピーダンスの周波数特性にピークが現れ、比較例の光受信回路４０は、高周波発振等の不安定状態を示す。

（第１の実施形態の第１変形例）
図４は、第１の実施形態の第１変形例に係る光受信回路を例示する回路図である。
この変形例の光受信回路５０は、反転増幅トランジスタ２のドレイン端子Ｄ１と、内部出力ノード２２と、の間に接続されたゲート接地増幅回路を含む点で第１の実施形態の光受信回路１０と相違する。以下では、第１の実施形態の光受信回路１０と同じ回路要素および接続については、同じ符号をつけて詳細な説明は省略する。

ゲート接地増幅回路５１は、バイアス電位２６と、カスコードトランジスタ５２と、を含む。バイアス電位２６は、基準電位２０に接続され、ゲート接地増幅回路５１に適切な直流バイアスを与える。カスコードトランジスタ５２は、反転増幅トランジスタ２のドレイン端子Ｄ１に接続されたソース端子Ｓ７と、内部出力ノード２２に接続されたドレイン端子Ｄ７と、を有する。ゲート接地増幅回路５１は、反転増幅トランジスタ２のドレイン端子Ｄ１側に低インピーダンスで接続し、内部出力ノード２２へ高出力インピーダンスで出力する。そのため、ゲート接地増幅回路５１は、反転増幅トランジスタ２のミラー容量を減少させることができるので、反転増幅トランジスタ２とゲート接地増幅回路５１と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器の周波数特性を向上させることができる。通信速度を向上させるためには、光受信回路の広帯域化が不可欠であり、このようなゲート接地増幅回路５１を用いることによって、光受信回路を広帯域化することができる。本変形例によれば、ゲート接地増幅回路５１を用いることによって光受信回路の広帯域化を可能にしつつ、リミッタ回路と同時にバイパス回路を動作させて、光受信回路の安定動作を可能にする。

（第１の実施形態の第２変形例）
図５は、第１の実施形態の第２変形例に係る光受信回路を例示する回路図である。
この変形例の光受信回路６０では、負荷回路３ａおよびバイパス制御回路６７の構成において第１の実施形態の光受信回路１０と相違する。以下では、第１の実施形態の光受信回路１０と同じ回路要素および接続については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

本変形例の光受信回路６０では、負荷回路３ａは、電流源１２を有しており、負荷トランジスタ１１を有しておらず、負荷トランジスタ１１とともに電流バッファを構成する電流源１３を有していない。また、バイパス制御回路６７は、ダイオード接続されたバイパストランジスタ６８を１つ有しており、他のバイパストランジスタを有していない。本変形例の光受信回路６０は、これら２点において、第１の実施形態の光受信回路１０と相違する。なお、本変形例については、比較例において説明した図２（ｂ）の光受信回路４０ａにおいて、出力ノード２３と基準電位２０との間にバイパス回路６とバイパス制御回路６７とを追加したものと考えることもできる。

本変形例の場合においても、すべてのトランジスタはＭＯＳＦＥＴであり、それぞれのしきい値電圧が等しいとすると、反転増幅トランジスタ２のゲートソース間電圧Ｖｇｓ１とリミッタトランジスタ１５のしきい値電圧Ｖｔ２との和が２つのバイパストランジスタ１７，６８のしきい値電圧の和に等しいときに、リミッタトランジスタ１５がオンする。したがって、第１の実施形態の光受信回路１０と同様に、リミッタトランジスタ１５がオンするときに内部出力ノード２２からバイパス回路６への経路ができる。そのため、等価的な帰還抵抗と受光素子１の端子間容量とにより形成される極が反転増幅トランジスタ２と負荷回路３ａとからなる反転増幅器の極の近傍に形成されることがないので、光受信回路６０は、安定に動作することができる。

本実施形態の光受信回路では、回路に含まれるトランジスタの個数に応じて、バイパス制御回路に含まれるトランジスタの数を調整することによって、バイパス回路６の動作開始電圧を設定することができる。上述では、ダイオード接続されたトランジスタが２個または３個であったが、負荷回路の構成に応じて、これより多いトランジスタを用いてももちろんよい。たとえば、負荷回路が複数のトランジスタで構成され、負荷回路の動作電圧がそれらトランジスタのゲートソース間電圧に応じて設定されるのであれば、負荷回路に含まれるトランジスタの個数だけバイパス制御回路のトランジスタを接続すればよい。負荷回路以外に含まれるトランジスタのゲートソース間電圧に応じて動作電圧が設定される場合についても同様に対応するトランジスタの個数だけバイパス制御回路のトランジスタ数を設定すればよい。

（第２の実施形態）
上述の実施形態では、各トランジスタのしきい値電圧をほぼ等しいとすることによって、リミッタトランジスタの動作開始時にバイパストランジスタをオンさせて、ゲインを低減させて光受信回路の安定動作を実現する。実際には、トランジスタのしきい値電圧を同じにしても、反転増幅トランジスタ２、負荷トランジスタ１１、およびリミッタトランジスタ１５は、それぞれ動作状態が異なっている。すなわち、反転増幅トランジスタ２や負荷トランジスタ１１は、無負荷からリミッタトランジスタ１５が動作するまでの間でも動作をしており、流れている電流に応じたゲートソース間電圧が発生している。このようなゲートソース間電圧の特性は、トランジスタのサイズによっても影響を受ける。そこで、リミッタトランジスタの動作開始と同時にバイパス回路をオンして内部出力ノード２２のバイパス経路の形成をより正確に行うためには、反転増幅トランジスタ２および負荷トランジスタ１１に流れる電流によって決定されるこれらのゲートソース間電圧にそれぞれほぼ等しくなるように、バイパス制御回路７のバイパストランジスタ１８，１９にあらかじめ電流を流すようにすればよい。なお、本明細書では、トランジスタサイズとは、トランジスタがＭＯＳＦＥＴの場合には、ゲート幅Ｗ／ゲート長Ｌをいうものとする。

図６に示すように、第２の実施形態に係る光受信回路７０では、高周波対応のために、ゲート接地増幅回路５１を用いている。この光受信回路７０では、第１の実施形態の第１変形例に係る光受信回路５０に比べて、第３の電流源７１と、第４の電流源７２と、をさらに備えている点で相違する。以下では、第１の実施形態と同じ回路要素および接続については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

電流源（Ｉ３）７１は、電源電位２５と、バイパストランジスタ１８のゲート端子Ｇ５およびドレイン端子Ｄ５と、の間に、すなわちダイオードのアノード側に接続されている。電流源７１の電流値は、バイパストランジスタ１８のゲートソース間電圧が負荷トランジスタ１１のゲートソース間電圧とほぼ等しくなるように設定される。電流源（Ｉ４）７２は、電源電位２５と、バイパストランジスタ１９のゲート端子Ｇ４およびドレイン端子Ｄ４と、の間に、すなわちダイオードのアノード側に接続される。電流源７２の電流は、電流源７１の電流と加算されてバイパストランジスタ１９に流れる。電流源７１および電流源７２の電流値の合計は、バイパストランジスタ１９のゲートソース間電圧が、反転増幅トランジスタ２のゲートソース間電圧にほぼ等しくなるように設定される。

上述のようにバイパストランジスタ１８，１９に流す電流を設定することによって、無信号時の内部出力ノード２２の電圧値を、バイパス制御回路７７の両端の電圧値とほぼ等しくすることができる。リミッタトランジスタ１５およびバイパストランジスタ１７のしきい値電圧が等しいので、リミッタトランジスタ１５がオンすると同時にバイパストランジスタ１７がオンすることができる。

より一般的には、ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間電圧を一定にすれば、そのときのドレイン電流は、トランジスタサイズに比例するので、以下のように算出することができる。

Ｗ１／Ｌ１：Ｗ４／Ｌ４＝Ｉ１：Ｉ３＋Ｉ４（２）
Ｗ３／Ｌ３：Ｗ５／Ｌ５＝Ｉ２：Ｉ３（３）
ここで、Ｗ１／Ｌ１は、反転増幅トランジスタ２のトランジスタサイズであり、Ｗ３／Ｌ３は、負荷トランジスタ１１のトランジスタサイズである。Ｗ４／Ｌ４およびＷ５／Ｌ５は、それぞれバイパストランジスタ１８，１９のトランジスタサイズである。

なお、本実施形態の光受信回路では、バイパストランジスタのゲートソース間電圧と、反転増幅トランジスタ２および負荷トランジスタ１１のゲートソース間電圧のうち少なくとも一方のゲートソース間電圧とが一致するようにしてもよい。したがって、本実施形態の光受信回路８０では、２つの電流源Ｉ３，Ｉ４のうち、いずれか一方を接続するようにしてもよい。

バイパス制御回路７７と並列にＣＲ回路７３を接続することによって、バイパス回路６およびバイパス制御回路７７が動作したときの負荷抵抗値を抵抗１６とともに任意に設定することができるので、光受信回路７０は、より安定に動作することができる。ここで、Ｃｇ，Ｒｇは、抵抗１６とともに、ゼロ点を形成し、安定動作に寄与する。このＣＲ回路７３は、上述の第１の実施形態の光受信回路１０やその変形例において抵抗１６とともに用いることができる。

なお、図６に示す光受信回路７０では、より高周波化に対応するために、反転増幅トランジスタ２にゲート接地増幅回路５１をカスコード接続したカスコード増幅回路としたが、反転増幅トランジスタ２からなるソース接地増幅回路でももちろんよい。また、負荷回路の構成を変更して、負荷回路の構成に応じてバイパス制御回路のトランジスタの個数を調整してもよい。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る光受信回路を例示する回路図である。
上述の実施形態では、リミッタトランジスタ１５がオンする電圧を、回路に用いられる他のトランジスタのゲートソース間電圧やしきい値電圧を用いて検出したが、他の手段によってバイパス回路を動作させるようにしてもよい。

第３の実施形態に係る光受信回路８０は、高周波対応のためにゲート接地増幅回路５１を用いた入力段としているが、ゲート接地増幅回路５１を省いてももちろんよい。

図７に示すように、第３の実施形態に係る光受信回路８０は、バイパス制御回路８７を備える。光受信回路８０は、第１の実施形態の第１変形例のバイパス制御回路７に代えて、バイパス制御回路８７を備える点で相違する。以下では、第１の実施形態の第１変形例の光受信回路５０と同じ回路要素および接続については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

バイパス制御回路８７は、光受信回路の出力に直接的に関係しないダミー回路である。バイパス制御回路８７は、反転増幅トランジスタ（ダミー）８２と、負荷回路（ダミー）８３と、帰還抵抗（ダミー）８４と、を含む。

反転増幅トランジスタ（ダミー）８２は、反転増幅トランジスタ２と同様に、内部出力ノード２２に相当するノード２４と、基準電位２０と、の間に接続される。

負荷回路（ダミー）８３は、負荷トランジスタ（ダミー）９１と、電流源（ダミー）９２と、を含む。負荷トランジスタ（ダミー）９１は、負荷トランジスタ１１と同様に、電源電位２５と、出力ノード２３に相当するノード２７と、の間に接続される。電流源（ダミー）９２は、電流源１２と同様に、電源電位２５と、ノード２７と、の間に接続される。電流源（ダミー）９３は、電流源１３と同様に、ノード２７と、基準電位２０と、の間に接続される。

帰還抵抗（ダミー）８４は、帰還抵抗４と同様に、入力ノード２１に相当するノード２８と、ノード２７と、の間に接続される。

本実施形態の光受信回路８０では、リミッタ回路（ダミー）８５を用いてもよい。リミッタ回路（ダミー）８５は、帰還抵抗（ダミー）８４と、リミッタトランジスタ（ダミー）９５と、を含む。帰還抵抗（ダミー）８４は、帰還抵抗１４と同様に、リミッタトランジスタ（ダミー）９５のソース端子と、ノード２８と、の間に接続される。

バイパス制御回路８７の各トランジスタのゲートソース間電圧を、対応するトランジスタのゲートソース間電圧とほぼ等しくなるように、それぞれ電流源（ダミー）９２，９３の電流値によって設定する。このように設定することによって、リミッタ回路５が動作する前の状態では、ノード２４の電圧値は、内部出力ノード２２の電圧値に等しいので、バイパス回路６は、動作しない。

バイパストランジスタ１７のソース端子の電圧値は、反転増幅トランジスタ（ダミー）８２および負荷トランジスタ（ダミー）９１のそれぞれのゲートソース間電圧の和によって決定されるので、リミッタトランジスタ１５およびバイパストランジスタ１７は、同時にオンする。そのため、内部出力ノード２２の電流は、バイパス回路６に流れるようになる。このようにして、本実施形態の光受信回路８０では、内部出力ノード２２のインピーダンスを下げてゲインを低減し、安定な動作が実現される。なお、ノード２４についても、内部出力ノード２２と同様の動作をするので、ダミー回路側が不安定の要因になることもない。本実施形態の光受信回路８０では、バイパス制御回路８７を備えることによって、より正確にバイパストランジスタ１７のバイアス設定を行うことができるため、より安定して動作させることができる。

第３の実施形態と同様に、バイパストランジスタ１７と基準電位２０との間にＣＲ回路７３を接続するようにしてもよい。ＣＲ回路７３を接続することによって抵抗１６を任意に設定することができるので、光受信回路８０は、より安定な動作をすることができる。

（第４の実施形態）
図８（ａ）は、第４の実施形態に係る光結合装置を例示するブロック図である。図８（ｂ）は、第４の実施形態に係る光結合装置の構造を例示する断面図である。
上述した各実施形態に係る光受信回路は、光信号を送信する光送信回路とともに用いられて、光結合装置１１０とすることができる。光結合装置１１０は、入出力間で電圧レベルが異なること等により電気回路を直接接続して信号の伝送を行うことが困難な環境等で用いられる。光結合装置１１０は、たとえばフォトカプラである。

図８（ａ）に示すように、本実施形態に係る光結合装置１１０は、発光素子１１１と、受信回路１１２と、を備える。

発光素子１１１は、たとえばＡｌＧａＡｓ等を含む赤外発光ダイオードである。発光素子１１１は、駆動回路１１４により駆動される。駆動回路１１４は、たとえばＶｄｄ１−Ｖｓｓ１の電圧を出力する外部電源に接続されて、信号入力端子ＩＮから信号が入力される。発光素子１１１は、入力信号にしたがって発光し、光信号を光受信回路１０に伝達する。Ｖｄｄ１は、たとえば＋５Ｖであり、Ｖｓｓ１は、たとえば−５Ｖである。

受信回路１１２は、上述した第１の実施形態の光受信回路１０を含む。伝送帯域等に応じて他の実施形態の光受信回路が用いられてももちろんよい。光受信回路１０は、受光した光信号を受光素子１で電流に変換して、反転増幅トランジスタ２と負荷回路３と電流源１３とからなる反転増幅器と、帰還抵抗４と、を有するトランスインピーダンス増幅器によって電圧に変換して出力する。受信回路１１２は、波形整形回路１１３をさらに含んでもよい。波形整形回路１１３は、光受信回路１０の出力に接続される。波形整形回路１１３は、たとえば所定のしきい値電圧を有するコンパレータを含む。波形整形回路１１３は、光受信回路１０から出力されたアナログの電圧信号を、しきい値電圧と比較することによってデジタル信号に変換して出力端子ＯＵＴから出力する。光受信回路１０および波形整形回路１１３は、共通の電源で動作するのが好ましく、動作電圧はＶｄｄ２−Ｖｓｓ２である。Ｖｄｄ２は、たとえば３．３Ｖであり、Ｖｓｓ２は、たとえば０Ｖである。

図８（ｂ）に示すように、光結合装置１１０は、発光素子１１１が半導体基板上に形成された発光素子チップ１１１ａがマウントされ、ボンディングワイヤ（図示せず）で接続されたリードフレーム１２１と、受信回路１１２が半導体基板上に形成された受信回路チップ１１２ａがマウントされ、ボンディングワイヤ（図示せず）で接続されたリードフレーム１２２と、を有する。リードフレーム１２１，１２２は、発光素子チップ１１１ａおよび受信回路チップ１１２ａがマウントされた面を向かい合わせるように配置される。向かい合うように配置された発光素子チップ１１１ａおよび受信回路チップ１１２ａの部分は、光伝送損失を考慮した透明樹脂によって覆われる。さらにその外周部分は、たとえばトランスファモールド技術を用いて、エポキシ系の遮光性樹脂１２４で封止される。光結合装置１１０は、発光素子チップ１１１ａがマウントされたリードフレーム１２１のリードを用いて、駆動回路１１４と電気的に接続され、受信回路チップ１１２ａがマウントされたリードフレーム１２２のリードから出力信号を得る。

光結合装置１１０は、広帯域で安定して動作することができる光受信回路１０を備えているので、微弱な信号から大振幅信号まで広いダイナミックレンジにおいて、信号の伝送を、電気的に絶縁された環境の下で行うことができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態に係る光通信システムを例示するブロック図である。
上述した実施形態に係る光受信回路１０は、光信号を送信する送信回路とともに用いられて、光通信システム１３０とすることができる。光通信システム１３０は、光ファイバを介して伝送された光信号を受信して電気信号に変換して出力する。

本実施形態に係る光通信システム１３０は、送信装置１３１と、光ファイバ１３５と、受信装置１４０と、を備える。送信装置１３１は、駆動回路１３２と、駆動回路１３２で駆動される発光素子１３３と、を有する。送信装置１３１の発光素子１３３は、光ファイバ１３５の端部で光学的に結合されて、光信号を伝送する。受信装置１４０は、光受信回路１０と、光受信回路１０から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する波形整形回路１４２と、を有する。光ファイバ１３５の他方の端部は、受信装置１４０の光受信回路１０の受光素子１と光学的に結合されて、光ファイバ１３５を介して伝送されてきた光信号を受信する。光受信回路１０では、光信号をアナログの電気信号に変換して波形整形回路１４２に出力する。

本実施形態に係る光通信システム１３０は、広いダイナミックレンジにおいて広帯域で安定して動作する光受信回路１０を備えているので、通信距離を長くすることができ、伝送路の伝送損失が大きい場合であっても高ゲインで光信号を受信し、安定して動作させることができる。

上述のすべての実施形態においては、トランジスタには、ＭＯＳＦＥＴを用いることとしたが、一部または全部をバイポーラトランジスタに置き換えることもできる。バイポーラトランジスタのベース端子（制御端子）は、ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に対応する。バイポーラトランジスタのエミッタ端子（第１の端子）は、ＭＯＳＦＥＴのソース端子に対応する。バイポーラトランジスタのコレクタ端子（第２の端子）は、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に対応する。バイポーラトランジスタのベースエミッタ間のしきい値電圧は、トランジスタの設計によらず本質的に同じであり、エミッタ面積で表されるトランジスタサイズおよび電流密度を適切に設定することによって、上述の実施形態と同様の結果を得ることができる。

また、図示されたトランジスタは、すべてＮチャネル（ＮＰＮ）であるが、逆極性、すなわちＰチャネル（ＰＮＰ）トランジスタを用いて、同様に構成することができる。逆極性のトランジスタを用いる場合には、電流源の構成等も逆極性のものを用いればよい。

以上説明した実施形態によれば、広いダイナミックレンジで安定に動作する光受信回路および光結合装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１受光素子、２反転増幅トランジスタ、３，３ａ負荷回路、４帰還抵抗、５リミッタ回路、６バイパス回路、７バイパス制御回路、１０，４０，４０ａ，５０，６０，７０，８０光受信回路、１１負荷トランジスタ、１２，１３電流源、１４帰還抵抗、１５リミッタトランジスタ、１６抵抗、１７〜１９バイパストランジスタ、２０基準電位、２１入力ノード、２２内部出力ノード、２３出力ノード、２４，２７，２８ノード、２５電源電位、２６バイアス電位、５１ゲート接地増幅回路、５２カスコードトランジスタ、６７バイパス制御回路、７１，７２電流源、７３ＣＲ回路、８２反転増幅トランジスタ（ダミー）、８３負荷回路（ダミー）、８４帰還抵抗（ダミー）、８５リミッタ回路（ダミー）、９１負荷トランジスタ（ダミー）、９２，９３電流源（ダミー）、９４帰還抵抗（ダミー）、９５リミッタトランジスタ（ダミー）、１０１ゲート接地増幅回路（ダミー）、１０２カスコードトランジスタ（ダミー）、１１０光結合装置、１１１発光素子、１１１ａ発光素子チップ、１１２受信回路、１１２ａ受信回路チップ、１１３波形整形回路、１１４駆動回路、１２１，１２２リードフレーム、１２３透明樹脂、１２４遮光性樹脂、１３０光通信システム、１３１送信装置、１３２送信回路、１３３発光素子、１３５光ファイバ、１４０受信装置、１４２波形整形回路

Claims

受光素子と、
前記前記受光素子に第１のノードで接続された制御端子、基準電位に接続される第１の端子、および第２の端子を有する第１のトランジスタと、
前記基準電位よりも高電位を有する電源電位と前記第２の端子が接続された第２のノードとの間に接続され、前記電流信号に基づく電圧信号が現れる第３のノードに電圧を出力する第１の負荷回路と、
前記第１のノードと前記第３のノードとの間に接続された第１の帰還抵抗と、
前記第１の帰還抵抗の両端に接続されて、第１の帰還抵抗の両端の電圧の上昇を制限する第１のリミッタ回路と、
前記第２のノードと前記基準電位との間に接続され、ダイオード接続された第２のトランジスタを含み、前記第１のリミッタ回路の動作に基づいて動作する第１の回路と、
を備えた光受信回路。
前記第１のリミッタ回路は、前記第３のノードに接続された制御端子と、前記第１のノードに接続された第１の端子と、を有する第３のトランジスタを含む請求項１記載の光受信回路。
前記第１の回路と前記基準電位との間に接続された第２の回路をさらに備え、
前記第２の回路は、１つのまたは直列接続された複数のダイオード接続されたトランジスタを含む請求項２記載の光受信回路。
前記第１の負荷回路は、電流源を含み、
前記第２の回路は、ダイオード接続されたトランジスタを含む請求項３記載の光受信回路。
前記第１の負荷回路は、前記第２のノードに接続された制御端子と、前記第３のノードに接続された第１の端子と、を有する第３のトランジスタをさらに含み、
前記第２の回路は、ダイオード接続されたトランジスタを２つ含む請求項４記載の光受信回路。
前記第２の回路のダイオード接続されたトランジスタのうちの少なくとも１つに電流を供給する第２の電流源を含む請求項５記載の光受信回路。
前記第１の回路と前記基準電位との間に接続された第２の回路をさらに備え、
前記第２の回路は、
前記基準電位に接続された第１の端子を有する第４のトランジスタと、
前記電源電位と前記第４のトランジスタの第２の端子が接続された第４のノードとの間に接続され、前記第４のノードにおける信号を出力する第５のノードを有する第２の負荷回路と、
前記第４のトランジスタの制御端子と前記第５のノードとの間に接続された第２の帰還抵抗と、
を有し、前記第４のノードは、前記第２のトランジスタの第１の端子側に接続された請求項１記載の光受信回路。
前記第２のノードと前記第１のトランジスタの第２の端子との間に接続された低入力インピーダンス高出力インピーダンス増幅回路をさらに備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載の光受信回路。
前記第１の回路は、前記第２のトランジスタに流れる電流を設定する抵抗を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の光受信回路。
前記第２の回路に並列に接続されたコンデンサおよび抵抗を含む直列回路をさらに備えた請求項１〜９のいずれか１項に記載の光受信回路。
前記第１〜４のトランジスタおよび前記ダイオード接続されたトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光受信回路。
発光素子と、
前記発光素子から放出された光を受光する受光素子と、前記受光素子に第１のノードで接続された制御端子、基準電位に接続される第１の端子、および第２の端子を有する第１のトランジスタと、前記基準電位よりも高電位を有する電源電位と前記第２の端子が接続された第２のノードとの間に接続され、前記電流信号に基づく電圧信号が現れる第３のノードに電圧を出力する第１の負荷回路と、前記第１のノードと前記第３のノードとの間に接続された第１の帰還抵抗と、前記第１の帰還抵抗の両端に接続されて、第１の帰還抵抗の両端の電圧の上昇を制限する第１のリミッタ回路と、前記第２のノードと前記基準電位との間に接続され、ダイオード接続された第２のトランジスタを含み、前記第１のリミッタ回路の動作に基づいて動作する第１の回路と、を有する光受信回路と、
を備えた光結合装置。