JP2019036817A - Transimpedance amplifier circuit and variable gain amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランスインピーダンス増幅回路、及び利得可変増幅器に関する。 The present invention relates to a transimpedance amplifier circuit and a variable gain amplifier.
従来、受光素子で発生する光電流を電圧信号に変換するトランスインピーダンス増幅回路を含む光受信モジュールが知られている。PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation)伝送等では、光電流に対する電圧信号の線形性が求められる。このため、トランスインピーダンス増幅回路に含まれる増幅器が飽和しないように、信号の振幅がモニタされ、振幅に応じて利得可変増幅器の利得が制御される。 Conventionally, an optical receiver module including a transimpedance amplifier circuit that converts a photocurrent generated in a light receiving element into a voltage signal is known. In PAM4 (4-level Pulse Amplitude Modulation) transmission or the like, linearity of a voltage signal with respect to photocurrent is required. For this reason, the amplitude of the signal is monitored so that the amplifier included in the transimpedance amplifier circuit is not saturated, and the gain of the variable gain amplifier is controlled according to the amplitude.
特許文献1には、一対のトランジスタと、一対のトランジスタのエミッタ間に設けられ、直列に接続された抵抗器と電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)とを有する可変抵抗回路と、を備える可変利得型差動増幅器が記載されている。この可変利得型差動増幅器では、FETのゲートに制御電圧が印加され、制御電圧に応じてFETのソース−ドレイン間抵抗を変化させることによって、利得制御が行われる。
特許文献1に記載の可変利得型差動増幅器のように、FETのゲートに制御電圧が印加される構成では、FETの閾値電圧付近の制御電圧を印加することによって、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態と、の間の過渡状態を用いてソース−ドレイン間の抵抗値を変化させている。しかし、FETが過渡状態であると、ソース及びドレインの端子電圧の変動がソース−ドレイン間の抵抗値に影響を及ぼすおそれがある。これにより、入力信号に対する出力信号の線形性が劣化するおそれがある。
In the configuration in which the control voltage is applied to the gate of the FET as in the variable gain differential amplifier described in
本発明では、入力信号に対する出力信号の線形性を改善可能なトランスインピーダンス増幅回路、及び利得可変増幅器が提供される。 The present invention provides a transimpedance amplifier circuit and a variable gain amplifier that can improve the linearity of an output signal with respect to an input signal.
本発明の一側面に係るトランスインピーダンス増幅回路は、入力信号及び基準信号に応じて一対の相補信号を生成する利得可変増幅器と、利得可変増幅器の利得を制御するための利得調整信号を生成する利得制御回路と、利得可変増幅器の線形性を制御するための線形性調整信号を生成する線形性制御回路と、を備える。利得可変増幅器は、第1電流を供給する第1電流源と、第2電流を供給する第2電流源と、入力信号及び基準信号に応じて第1電流及び第2電流をそれぞれ2つに分配して、第1電流信号及び第2電流信号を生成する第1差動回路と、利得調整信号に応じて第1電流信号を第3電流信号及び第4電流信号に分配する第2差動回路と、利得調整信号に応じて第2電流信号を第5電流信号及び第6電流信号に分配する第3差動回路と、第4電流信号を一対の相補信号の一方に変換する第1負荷抵抗素子と、第6電流信号を一対の相補信号の他方に変換する第2負荷抵抗素子と、を備える。第1差動回路は、入力信号が入力される制御端子と、第1電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第2差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第1トランジスタと、基準信号が入力される制御端子と、第2電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第3差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第2トランジスタと、それぞれのゲートに線形性調整信号が入力され、それぞれのソースが第1トランジスタの第1電流端子に共通に接続されるとともにそれぞれのドレインが第2トランジスタの第1電流端子に共通に接続された複数の電界効果トランジスタを有する可変抵抗回路と、を備える。線形性制御回路は、入力信号の振幅又は一対の相補信号の振幅が大きいほど可変抵抗回路の第1トランジスタの第1電流端子と第2トランジスタの第1電流端子との間の抵抗値が大きくなるように、複数の電界効果トランジスタのそれぞれについて、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態と、を線形性調整信号によって切り替える。 A transimpedance amplifier circuit according to an aspect of the present invention includes a variable gain amplifier that generates a pair of complementary signals according to an input signal and a reference signal, and a gain that generates a gain adjustment signal for controlling the gain of the variable gain amplifier. A control circuit; and a linearity control circuit that generates a linearity adjustment signal for controlling the linearity of the variable gain amplifier. The variable gain amplifier distributes the first current and the second current in two according to the input signal and the reference signal, the first current source that supplies the first current, the second current source that supplies the second current, A first differential circuit that generates the first current signal and the second current signal, and a second differential circuit that distributes the first current signal to the third current signal and the fourth current signal according to the gain adjustment signal. A third differential circuit that distributes the second current signal to the fifth current signal and the sixth current signal according to the gain adjustment signal, and a first load resistor that converts the fourth current signal into one of a pair of complementary signals An element and a second load resistance element that converts the sixth current signal into the other of the pair of complementary signals. The first differential circuit includes a control terminal to which an input signal is input, a first current terminal electrically connected to the first current source, and a second current terminal electrically connected to the second differential circuit. A control terminal to which a reference signal is input, a first current terminal electrically connected to the second current source, and a second electrically connected to the third differential circuit. A linearity adjustment signal is input to each gate of a second transistor having a current terminal, each source is connected in common to the first current terminal of the first transistor, and each drain is connected to the second transistor. And a variable resistance circuit having a plurality of field effect transistors connected in common to the first current terminal. In the linearity control circuit, as the amplitude of the input signal or the pair of complementary signals increases, the resistance value between the first current terminal of the first transistor and the first current terminal of the second transistor of the variable resistance circuit increases. As described above, for each of the plurality of field effect transistors, the ON state where the drain and the source are conductive and the OFF state where the drain and the source are blocked are switched by the linearity adjustment signal.
本発明によれば、入力信号に対する出力信号の線形性を改善することができる。 According to the present invention, the linearity of an output signal with respect to an input signal can be improved.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
本発明の一側面に係るトランスインピーダンス増幅回路は、入力信号及び基準信号に応じて一対の相補信号を生成する利得可変増幅器と、利得可変増幅器の利得を制御するための利得調整信号を生成する利得制御回路と、利得可変増幅器の線形性を制御するための線形性調整信号を生成する線形性制御回路と、を備える。利得可変増幅器は、第1電流を供給する第1電流源と、第2電流を供給する第2電流源と、入力信号及び基準信号に応じて第1電流及び第2電流をそれぞれ2つに分配して、第1電流信号及び第2電流信号を生成する第1差動回路と、利得調整信号に応じて第1電流信号を第3電流信号及び第4電流信号に分配する第2差動回路と、利得調整信号に応じて第2電流信号を第5電流信号及び第6電流信号に分配する第3差動回路と、第4電流信号を一対の相補信号の一方に変換する第1負荷抵抗素子と、第6電流信号を一対の相補信号の他方に変換する第2負荷抵抗素子と、を備える。第1差動回路は、入力信号が入力される制御端子と、第1電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第2差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第1トランジスタと、基準信号が入力される制御端子と、第2電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第3差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第2トランジスタと、それぞれのゲートに線形性調整信号が入力され、それぞれのソースが第1トランジスタの第1電流端子に共通に接続されるとともにそれぞれのドレインが第2トランジスタの第1電流端子に共通に接続された複数の電界効果トランジスタを有する可変抵抗回路と、を備える。線形性制御回路は、入力信号の振幅又は一対の相補信号の振幅が大きいほど可変抵抗回路の第1トランジスタの第1電流端子と第2トランジスタの第1電流端子との間の抵抗値が大きくなるように、複数の電界効果トランジスタのそれぞれについて、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態と、を線形性調整信号によって切り替える。 A transimpedance amplifier circuit according to an aspect of the present invention includes a variable gain amplifier that generates a pair of complementary signals according to an input signal and a reference signal, and a gain that generates a gain adjustment signal for controlling the gain of the variable gain amplifier. A control circuit; and a linearity control circuit that generates a linearity adjustment signal for controlling the linearity of the variable gain amplifier. The variable gain amplifier distributes the first current and the second current in two according to the input signal and the reference signal, the first current source that supplies the first current, the second current source that supplies the second current, A first differential circuit that generates the first current signal and the second current signal, and a second differential circuit that distributes the first current signal to the third current signal and the fourth current signal according to the gain adjustment signal. A third differential circuit that distributes the second current signal to the fifth current signal and the sixth current signal according to the gain adjustment signal, and a first load resistor that converts the fourth current signal into one of a pair of complementary signals An element and a second load resistance element that converts the sixth current signal into the other of the pair of complementary signals. The first differential circuit includes a control terminal to which an input signal is input, a first current terminal electrically connected to the first current source, and a second current terminal electrically connected to the second differential circuit. A control terminal to which a reference signal is input, a first current terminal electrically connected to the second current source, and a second electrically connected to the third differential circuit. A linearity adjustment signal is input to each gate of a second transistor having a current terminal, each source is connected in common to the first current terminal of the first transistor, and each drain is connected to the second transistor. And a variable resistance circuit having a plurality of field effect transistors connected in common to the first current terminal. In the linearity control circuit, as the amplitude of the input signal or the pair of complementary signals increases, the resistance value between the first current terminal of the first transistor and the first current terminal of the second transistor of the variable resistance circuit increases. As described above, for each of the plurality of field effect transistors, the ON state where the drain and the source are conductive and the OFF state where the drain and the source are blocked are switched by the linearity adjustment signal.
このトランスインピーダンス増幅回路では、第1差動回路が備える第1トランジスタの制御端子に入力信号が入力され、第2トランジスタの制御端子に基準信号が供給される。このような非対称な構成では、特に、電界効果トランジスタが過渡状態であると、ソース及びドレインの端子電圧の変動がソース−ドレイン間の抵抗値に影響を及ぼし、入力信号に対する相補信号の線形性が劣化するおそれがある。これに対し、上記トランスインピーダンス増幅回路では、複数の電界効果トランジスタのそれぞれのゲートに線形性調整信号が供給されることによって、各電界効果トランジスタはオン状態及びオフ状態のいずれかに切り替えられる。これにより、可変抵抗回路の抵抗値が設定される。このため、電界効果トランジスタを過渡状態とすることなく、可変抵抗回路の抵抗値を段階的に変更することができるので、可変抵抗回路の抵抗値を安定化することが可能となる。その結果、入力信号に対する相補信号の線形性を改善することが可能となる。 In this transimpedance amplifier circuit, an input signal is input to the control terminal of the first transistor included in the first differential circuit, and a reference signal is supplied to the control terminal of the second transistor. In such an asymmetric configuration, particularly when the field effect transistor is in a transient state, fluctuations in the source and drain terminal voltages affect the resistance value between the source and the drain, and the linearity of the complementary signal with respect to the input signal is reduced. May deteriorate. On the other hand, in the transimpedance amplifier circuit, the linearity adjustment signal is supplied to the respective gates of the plurality of field effect transistors, whereby each field effect transistor is switched to either the on state or the off state. Thereby, the resistance value of the variable resistance circuit is set. For this reason, since the resistance value of the variable resistance circuit can be changed in a stepwise manner without causing the field effect transistor to be in a transient state, the resistance value of the variable resistance circuit can be stabilized. As a result, the linearity of the complementary signal with respect to the input signal can be improved.
利得制御回路は、一対の相補信号の振幅を検出する第1振幅検出回路と、振幅に基づいて利得調整信号を生成する第1生成回路と、を備えてもよい。この場合、一対の相補信号を用いて利得調整信号が生成される。これにより、例えば、利得可変増幅器による増幅の線形性を維持できるように利得が調整され得る。その結果、入力信号の電圧範囲を拡大することが可能となる。 The gain control circuit may include a first amplitude detection circuit that detects the amplitude of the pair of complementary signals, and a first generation circuit that generates a gain adjustment signal based on the amplitude. In this case, a gain adjustment signal is generated using a pair of complementary signals. Thereby, for example, the gain can be adjusted so that the linearity of amplification by the variable gain amplifier can be maintained. As a result, the voltage range of the input signal can be expanded.
線形性制御回路は、第1振幅検出回路によって検出された振幅に基づいて線形性調整信号を生成する第2生成回路を備えてもよい。この場合、一対の相補信号を用いて可変抵抗回路の制御が行われる。つまり、第1振幅検出回路によって検出された振幅で、利得可変増幅器の利得及び線形性の両方が制御されるので、利得可変増幅器の利得制御及び線形性制御で、振幅検出回路を共通化できる。これにより、回路規模を小さくすることができる。 The linearity control circuit may include a second generation circuit that generates a linearity adjustment signal based on the amplitude detected by the first amplitude detection circuit. In this case, the variable resistance circuit is controlled using a pair of complementary signals. That is, since both the gain and linearity of the variable gain amplifier are controlled by the amplitude detected by the first amplitude detection circuit, the amplitude detection circuit can be shared by gain control and linearity control of the variable gain amplifier. Thereby, the circuit scale can be reduced.
線形性制御回路は、入力信号の振幅を検出する第2振幅検出回路と、振幅に基づいて線形性調整信号を生成する第2生成回路と、を備えてもよい。この場合、入力信号を用いて可変抵抗回路の制御が行われる。つまり、利得可変増幅器によって増幅される前の信号を用いて、利得可変増幅器の線形性が制御されるので、利得可変増幅器による増幅のばらつきの影響を受けることなく利得可変増幅器の線形性を制御することができる。 The linearity control circuit may include a second amplitude detection circuit that detects the amplitude of the input signal, and a second generation circuit that generates the linearity adjustment signal based on the amplitude. In this case, the variable resistance circuit is controlled using the input signal. In other words, since the linearity of the variable gain amplifier is controlled using the signal before being amplified by the variable gain amplifier, the linearity of the variable gain amplifier is controlled without being affected by variations in amplification by the variable gain amplifier. be able to.
本発明の別の側面に係る利得可変増幅器は、入力信号及び基準信号に応じて一対の相補信号を生成する利得可変増幅器であって、第1電流を供給する第1電流源と、第2電流を供給する第2電流源と、入力信号及び基準信号に応じて第1電流及び第2電流をそれぞれ2つに分配して第1電流信号及び第2電流信号を生成する第1差動回路と、利得を制御するための利得調整信号に応じて第1電流信号を第3電流信号及び第4電流信号に分配する第2差動回路と、利得調整信号に応じて第2電流信号を第5電流信号及び第6電流信号に分配する第3差動回路と、第4電流信号を一対の相補信号の一方に変換する第1負荷抵抗素子と、第6電流信号を一対の相補信号の他方に変換する第2負荷抵抗素子と、を備える。第1差動回路は、入力信号が入力される制御端子と、第1電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第2差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第1トランジスタと、基準信号が入力される制御端子と、第2電流源に電気的に接続された第1電流端子と、第3差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第2トランジスタと、それぞれのソースが第1トランジスタの第1電流端子に共通に接続されるとともにそれぞれのドレインが第2トランジスタの第1電流端子に共通に接続された複数の電界効果トランジスタを有する可変抵抗回路と、を備える。複数の電界効果トランジスタのそれぞれのゲートには、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態と、を切り替えるための線形性調整信号が供給される。 A variable gain amplifier according to another aspect of the present invention is a variable gain amplifier that generates a pair of complementary signals according to an input signal and a reference signal, and includes a first current source that supplies a first current, and a second current. A first current circuit for generating a first current signal and a second current signal by distributing the first current and the second current into two according to an input signal and a reference signal, A second differential circuit for distributing the first current signal to the third current signal and the fourth current signal according to the gain adjustment signal for controlling the gain, and the second current signal according to the gain adjustment signal. A third differential circuit for distributing the current signal and the sixth current signal; a first load resistance element for converting the fourth current signal into one of a pair of complementary signals; and a sixth current signal as the other of the pair of complementary signals. A second load resistance element to be converted. The first differential circuit includes a control terminal to which an input signal is input, a first current terminal electrically connected to the first current source, and a second current terminal electrically connected to the second differential circuit. A control terminal to which a reference signal is input, a first current terminal electrically connected to the second current source, and a second electrically connected to the third differential circuit. A second transistor having a current terminal; and a plurality of sources each having a source commonly connected to the first current terminal of the first transistor and a drain commonly connected to the first current terminal of the second transistor. A variable resistance circuit having a field effect transistor. Each of the plurality of field effect transistors is supplied with a linearity adjustment signal for switching between an on state in which the drain and the source are conductive and an off state in which the drain and the source are cut off. The
この利得可変増幅器では、第1差動回路が備える第1トランジスタの制御端子に入力信号が入力され、第2トランジスタの制御端子に基準信号が供給される。このような非対称な構成では、特に、電界効果トランジスタが過渡状態であると、ソース及びドレインの端子電圧の変動がソース−ドレイン間の抵抗値に影響を及ぼし、入力信号に対する相補信号の線形性が劣化するおそれがある。これに対し、上記利得可変増幅器では、複数の電界効果トランジスタのそれぞれのゲートに線形性調整信号が供給されることによって、各電界効果トランジスタはオン状態及びオフ状態のいずれかに切り替えられる。これにより、可変抵抗回路の抵抗値が設定される。このため、電界効果トランジスタを過渡状態とすることなく、可変抵抗回路の抵抗値を段階的に変更することができるので、可変抵抗回路の抵抗値を安定化することが可能となる。その結果、入力信号に対する相補信号の線形性を改善することが可能となる。 In this variable gain amplifier, an input signal is input to the control terminal of the first transistor included in the first differential circuit, and a reference signal is supplied to the control terminal of the second transistor. In such an asymmetric configuration, particularly when the field effect transistor is in a transient state, fluctuations in the source and drain terminal voltages affect the resistance value between the source and the drain, and the linearity of the complementary signal with respect to the input signal is reduced. May deteriorate. On the other hand, in the variable gain amplifier, each field effect transistor is switched to either the on state or the off state by supplying a linearity adjustment signal to each gate of the plurality of field effect transistors. Thereby, the resistance value of the variable resistance circuit is set. For this reason, since the resistance value of the variable resistance circuit can be changed in a stepwise manner without causing the field effect transistor to be in a transient state, the resistance value of the variable resistance circuit can be stabilized. As a result, the linearity of the complementary signal with respect to the input signal can be improved.
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅回路、及び利得可変増幅器の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
Specific examples of the transimpedance amplifier circuit and the variable gain amplifier according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るトランスインピーダンス増幅回路を含む光受信装置の概略構成を示す図である。図2は、図1に示される利得可変増幅器の回路構成を示す図である。図3は、図1に示される利得制御回路の回路構成を示す図である。図4は、図1に示される線形性制御回路の回路構成を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an optical receiver including a transimpedance amplifier circuit according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the variable gain amplifier shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of the gain control circuit shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of the linearity control circuit shown in FIG.
図1に示される光受信装置1は、不図示の光送信装置から送信された光信号Pinを受信する。光受信装置1は、受光素子PDと、トランスインピーダンス増幅回路10と、を備える。受光素子PDは、光信号Pinを受信し、光信号Pinに応じた光電流を生成する。受光素子PDは、例えば、フォトダイオードである。受光素子PDの一方の端子は、所定のバイアス電圧に電気的に接続され、受光素子PDの他方の端子は、光電流を出力する。
An
トランスインピーダンス増幅回路10は、受光素子PDからの光電流を入力信号Dinとして受け、入力信号Dinに応じて電圧信号である出力信号DoutP,DoutNを出力する。出力信号DoutP,DoutNは、一対の相補信号である。トランスインピーダンス増幅回路10は、入力端子10aと、出力端子10bと、出力端子10cと、を備える。入力端子10aには入力信号Dinが入力される。出力端子10bから出力信号DoutPが出力され、出力端子10cから出力信号DoutNが出力される。出力信号DoutP,DoutNは、一つの差動信号(差動出力信号)を構成する。
The
トランスインピーダンス増幅回路10は、TIA(TransImpedance Amplifier)部11と、ダミーTIA部12と、利得可変増幅器13と、バッファ14と、出力バッファ15と、オフセット制御回路16と、バイパス回路17と、利得制御回路18と、線形性制御回路19と、を備える。
The
TIA部11は、入力信号Dinを電圧信号Vin(入力信号)に変換する回路である。具体的には、TIA部11は、アンプ11aと帰還抵抗素子11bとを備え、入力信号Dinからバイパス電流Ibを差し引いた電流信号Iinに応じた電圧信号Vinを生成する。TIA部11は、電圧信号Vinを利得可変増幅器13に出力する。TIA部11の利得(電流信号Iinの大きさに対する電圧信号Vinの大きさの比)は、帰還抵抗素子11bの抵抗値(トランスインピーダンス)によって決まる。
The
ダミーTIA部12は、電圧信号である基準信号Vrefを生成する回路である。ダミーTIA部12は、基準信号Vrefを利得可変増幅器13に出力する。基準信号Vrefは、利得可変増幅器13において単一の電圧信号Vinを差動信号に変換するために用いられ、所定の電圧値を有する。ダミーTIA部12は、TIA部11と同様に、アンプと帰還抵抗素子とを備えていてもよい。ダミーTIA部12がTIA部11と同様の構成を有することで、アンプの電源電圧及び温度の変化による電圧信号Vinの変化を補償(相殺)するように基準信号Vrefが生成されてもよい。
The
利得可変増幅器13は、電圧信号Vin及び基準信号Vrefに応じて、一対の相補信号である出力信号Vout1,Vout2を生成する回路である。図2に示されるように、利得可変増幅器13は、電流源21(第1電流源)と、電流源22(第2電流源)と、差動回路23(第1差動回路)と、差動増幅器24と、差動回路25(第2差動回路)と、差動回路26(第3差動回路)と、負荷抵抗素子27(第1負荷抵抗素子)と、負荷抵抗素子28(第2負荷抵抗素子)と、を備える。
The
電流源21は、電流I1(第1電流)を供給する回路である。電流源21は、電流I1を差動回路23に供給する。電流源22は、電流I2(第2電流)を供給する回路である。電流源22は、電流I2を差動回路23に供給する。電流I1と電流I2とは、同じ大きさに設定されてもよい。
The
差動回路23は、電圧信号Vinと基準信号Vrefとに応じて電流I1及び電流I2をそれぞれ2つに分配して、電流信号Ic1(第1電流信号)及び電流信号Ic2(第2電流信号)を生成する回路である。差動回路23は、トランジスタ31(第1トランジスタ)と、トランジスタ32(第2トランジスタ)と、可変抵抗回路33と、を備える。電流I1と電流I2との和は、電流信号Ic1と電流信号Ic2との和に略等しい。ここで、「略等しい」と記載したのは、後述するようにトランジスタ31,32がバイポーラトランジスタである場合、ベース電流がエミッタに流れ込むことでエミッタ電流(電流I1,I2)がコレクタ電流(電流信号Ic1,Ic2)よりも大きくなるためである。例えば、トランジスタ31,32がMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)構造を有する電界効果トランジスタである場合は、ゲート電流をゼロとみなしてもよいので、電流I1と電流I2との和は、電流信号Ic1と電流信号Ic2との和に等しくなる。差動回路23は、電圧信号Vinと基準信号Vrefとの差に応じて、電流I1と電流I2との和を2つに分配してそれぞれ電流信号Ic1と電流信号Ic2とを生成する。
The
トランジスタ31,32は、例えば、NPN型バイポーラトランジスタである。トランジスタ31のベース(制御端子)は、TIA部11の出力端子に電気的に接続されており、トランジスタ31のベースには、電圧信号Vinが入力される。トランジスタ31のエミッタ(第1電流端子)は、電流源21に電気的に接続されている。トランジスタ31のコレクタ(第2電流端子)は、差動回路25に電気的に接続されている。トランジスタ32のベース(制御端子)は、ダミーTIA部12の出力端子に電気的に接続されており、トランジスタ32のベースには、基準信号Vrefが入力される。トランジスタ32のエミッタ(第1電流端子)は、電流源22に電気的に接続されている。トランジスタ32のコレクタ(第2電流端子)は、差動回路26に電気的に接続されている。
The
可変抵抗回路33は、トランジスタ31のエミッタとトランジスタ32のエミッタとの間に設けられ、トランジスタ31のエミッタとトランジスタ32のエミッタとの間の抵抗値を設定するための回路である。可変抵抗回路33は、抵抗素子34と、複数(N個;Nは2以上の整数を表す)の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)35と、を備える。なお、N個のFET35を区別するために、FET35_k(kは1以上N以下の整数)と表す場合がある。抵抗素子34は、固定の抵抗値Reを有する。抵抗素子34の一端は、トランジスタ31のエミッタに電気的に接続され、抵抗素子34の他端は、トランジスタ32のエミッタに電気的に接続されている。
The variable resistance circuit 33 is provided between the emitter of the
FET35_1〜35_Nは、抵抗素子34と並列に接続され、かつ、互いに並列に接続されている。つまり、FET35_1〜35_Nのそれぞれのソースは、互いに電気的に接続され、トランジスタ31のエミッタに共通に電気的に接続されている。FET35_1〜35_Nのそれぞれのドレインは、互いに電気的に接続され、トランジスタ32のエミッタに共通に電気的に接続されている。FET35_1〜35_Nのそれぞれのゲートには、線形性調整信号Vctlが入力される。線形性調整信号Vctlは、利得可変増幅器13の線形性を制御するための制御信号である。線形性調整信号Vctlは、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nを含む。つまり、FET35_kのゲートには、線形性調整信号Vctl_kが入力される。
The
FET35_kの状態は、線形性調整信号Vctl_kによって、ドレインとソースとの間が例えば数十Ω以下の比較的小さい抵抗値(オン抵抗値)で導通するオン状態、又は、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態に切り替えられる。線形性調整信号Vctl_kの電圧レベルは、FET35_kの閾値電圧よりも十分に小さい0レベルと、FET35_kの閾値電圧よりも十分に大きい1レベルと、のいずれかに設定され、FET35_kの閾値電圧付近には設定されない。したがって、0レベルの線形性調整信号Vctl_kが入力された場合には、FET35_kの状態はオフ状態となり、1レベルの線形性調整信号Vctl_kが入力された場合には、FET35_kの状態はオン状態となる。したがって、個々のFET35_kは、それぞれの線形性調整信号Vctl_kによって制御される電気的なスイッチとして機能する。なお、本実施形態では、FET35_1〜35_Nのサイズ(チャンネル幅W及びチャンネル長L)は互いに等しく、FET35_1〜35_Nのオン抵抗値は互いに等しい。このように、FET35_1〜35_Nのそれぞれが、オン状態又はオフ状態に個別に設定されることにより、FET35_1〜35_Nは可変抵抗器として機能する。このように、ドレインとソースとの間に同じ抵抗値を有する複数のFET35_1〜35_Nについて、オン状態の数とオフ状態の数とを変えることで可変抵抗回路33の抵抗値を一定の間隔で均等に変化させることができる。また、個々のFET35_kの状態は、オン状態かオフ状態かのいずれかであるので、後述するような差動回路23内部の過渡的な電圧の影響を回避することができ、線形性の劣化を抑制することができる。
The state of the FET 35_k is determined by the linearity adjustment signal Vctl_k to be in an on state where the drain and the source are conductive with a relatively small resistance value (on resistance value) of, for example, several tens of Ω or less, or between the drain and the source. It is switched to the off state that is blocked. The voltage level of the linearity adjustment signal Vctl_k is set to one of a 0 level that is sufficiently smaller than the threshold voltage of the FET 35_k and a 1 level that is sufficiently larger than the threshold voltage of the FET 35_k. Not set. Therefore, when the 0-level linearity adjustment signal Vctl_k is input, the state of the FET 35_k is turned off, and when the 1-level linearity adjustment signal Vctl_k is input, the state of the FET 35_k is turned on. . Therefore, each FET 35_k functions as an electrical switch controlled by the respective linearity adjustment signal Vctl_k. In the present embodiment, the sizes (channel width W and channel length L) of the FETs 35_1 to 35_N are equal to each other, and the on-resistance values of the FETs 35_1 to 35_N are equal to each other. As described above, each of the FETs 35_1 to 35_N is individually set to the on state or the off state, so that the FETs 35_1 to 35_N function as variable resistors. In this way, with respect to the plurality of FETs 35_1 to 35_N having the same resistance value between the drain and the source, the resistance value of the variable resistance circuit 33 is made equal at regular intervals by changing the number of ON states and the number of OFF states. Can be changed. Further, since the state of each FET 35_k is either an on state or an off state, it is possible to avoid the influence of a transient voltage inside the
差動増幅器24は、利得調整信号Vgaを入力し、利得調整信号Vga+,Vga−を生成する回路である。利得調整信号Vgaは、利得可変増幅器13の利得を制御するための制御信号である。利得調整信号Vga+,Vga−は、それぞれ正相と逆相という互いの位相が180度異なる相補的に変化する一対の信号である。利得調整信号Vga+,Vga−の間の電位差により、利得可変増幅器13の電圧信号Vinに対する出力信号Vout1,Vout2の利得が制御される。差動増幅器24は、利得調整信号Vga+,Vga−を差動回路25及び差動回路26に出力する。
The
差動回路25は、利得調整信号Vgaに応じて電流信号Ic1を電流信号Ic3(第3電流信号)及び電流信号Ic4(第4電流信号)に分配する回路である。差動回路25は、トランジスタ51と、トランジスタ52と、を備える。
The
トランジスタ51,52は、例えば、NPN型バイポーラトランジスタである。トランジスタ51のベースは、差動増幅器24の反転出力端子に電気的に接続され、トランジスタ51のベースには、利得調整信号Vga−が入力される。トランジスタ52のベースは、差動増幅器24の非反転出力端子に電気的に接続され、トランジスタ52のベースには、利得調整信号Vga+が入力される。トランジスタ51のエミッタ及びトランジスタ52のエミッタは、互いに電気的に接続され、トランジスタ31のコレクタと電気的に接続されている。トランジスタ51のコレクタは電源電圧VCCに電気的に接続されている。トランジスタ52のコレクタは負荷抵抗素子27を介して電源電圧VCCに電気的に接続されている。
The
差動回路26は、利得調整信号Vgaに応じて電流信号Ic2を電流信号Ic5(第5電流信号)及び電流信号Ic6(第6電流信号)に分配する回路である。差動回路26は、トランジスタ61と、トランジスタ62と、を備える。
The
トランジスタ61,62は、例えば、NPN型バイポーラトランジスタである。トランジスタ61のベースは、差動増幅器24の反転出力端子に電気的に接続され、トランジスタ61のベースには、利得調整信号Vga−が入力される。トランジスタ62のベースは、差動増幅器24の非反転出力端子に電気的に接続され、トランジスタ62のベースには、利得調整信号Vga+が入力される。トランジスタ61のエミッタ及びトランジスタ62のエミッタは、互いに電気的に接続され、トランジスタ32のコレクタと電気的に接続されている。トランジスタ61のコレクタは電源電圧VCCに電気的に接続されている。トランジスタ62のコレクタは負荷抵抗素子28を介して電源電圧VCCに電気的に接続されている。
The
差動回路25は、電流信号Ic1を、利得調整信号Vga+,Vga−に応じてトランジスタ51のコレクタ電流である電流信号Ic3とトランジスタ52のコレクタ電流である電流信号Ic4とに分配する。差動回路26は、電流信号Ic2を、利得調整信号Vga+,Vga−に応じてトランジスタ61のコレクタ電流である電流信号Ic5とトランジスタ62のコレクタ電流である電流信号Ic6とに分配する。利得可変増幅器13において、電流信号Ic3に対する電流信号Ic4の比が、電流信号Ic5に対する電流信号Ic6の比と等しい状態を保つように差動回路25,26が構成されている。
The
負荷抵抗素子27は、電流信号Ic4を出力信号Vout1(一対の相補信号の一方)に変換する。具体的には、電流信号Ic4が負荷抵抗素子27に流れることによって生じるトランジスタ52のコレクタ電位が出力信号Vout1として出力される。負荷抵抗素子28は、電流信号Ic6を出力信号Vout2(一対の相補信号の他方)に変換する。具体的には、電流信号Ic6が負荷抵抗素子28に流れることによって生じるトランジスタ62のコレクタ電位が出力信号Vout2として出力される。出力信号Vout1,Vout2の基準電位は、負荷抵抗素子27,28が接続された電源電圧VCCに等しい。すなわち、電流信号Ic4がゼロのときには、出力信号Vout1の電位は電源電圧VCCに等しくなり、電流信号Ic4が負荷抵抗素子27を流れるときには、出力信号Vout1の電位は電源電圧VCCよりも負荷抵抗素子27の電圧降下(負荷抵抗素子27の抵抗値×電流信号Ic4の大きさ)だけ低い電位となる。同様に、電流信号Ic6がゼロのときには、出力信号Vout2の電位は電源電圧VCCに等しくなり、電流信号Ic6が負荷抵抗素子28を流れるときには、出力信号Vout2の電位は電源電圧VCCよりも負荷抵抗素子28の電圧降下(負荷抵抗素子28の抵抗値×電流信号Ic6の大きさ)だけ低い電位となる。負荷抵抗素子27,28のそれぞれの抵抗値は、通常同じ値に設定される場合が多い。その場合、出力信号Vout1と出力信号Vout2とは一つの差動信号を構成する。
The
バッファ14は、出力信号Vout1,Vout2を増幅し、出力信号Voutx1,Voutx2を出力する差動増幅器である。このとき、例えば、出力信号Voutx1と出力信号Voutx2との差(=Voutx1−Voutx2)は、出力信号Vout1と出力信号Vout2との差(=Vout1−Vout2)にバッファ14の利得(差動利得)を乗じた大きさに等しくなる。出力バッファ15は、バッファ14によって増幅された出力信号Voutx1,Voutx2をさらに増幅し、出力信号DoutP,DoutNを出力する差動増幅器である。このとき、例えば、出力信号DoutPと出力信号DoutNとの差(=DoutP−DoutN)は、出力信号Voutx1と出力信号Voutx2との差(=Voutx1−Voutx2)に出力バッファ15の利得(差動利得)を乗じた大きさに等しくなる。バッファ14及び出力バッファ15の利得は予め定められた固定値に設定されている。
The
オフセット制御回路16は、出力バッファ15から出力された出力信号DoutP,DoutNに応じて、電流信号Iinの時間平均が所定の値となるように制御する制御信号Voffsetを生成する回路である。オフセット制御回路16は、制御信号Voffsetをバイパス回路17に出力する。オフセット制御回路16は、例えば、出力信号DoutPと出力信号DoutNとの差(=DoutP−DoutN)が大きくなるに従いバイパス電流Ibが大きくなるようにバイパス回路17を制御することで、電流信号Iinの時間平均値が過剰に増加するのを抑制する。
The offset
バイパス回路17は、制御信号Voffsetに応じて入力信号Dinからバイパス電流Ibをバイパス(分流)する回路である。本実施形態では、バイパス回路17は、FETを含む。FETのゲートは、オフセット制御回路16の出力端子に接続されており、FETのゲートに制御信号Voffsetが供給される。FETのソースは接地電位に電気的に接続されている。FETのドレインは入力端子10aに電気的に接続されている。バイパス回路17は、制御信号Voffsetに応じてバイパス電流Ibの大きさを増減するが、図1に示される構成に限定されず、同じ機能を実現するために他の回路構成を有してもよい。
The
利得制御回路18は、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅に基づいて利得調整信号Vgaを生成する回路である。利得制御回路18は、利得調整信号Vgaを用いて電流信号Ic4及び電流信号Ic6を制御することによって、利得可変増幅器13の利得を調整する。利得制御回路18は、出力信号Vout1,Vout2の振幅が大きいほど、利得可変増幅器13の利得が小さくなるように、利得調整信号Vgaを生成する。この例では、利得制御回路18は、出力信号Vout1,Vout2の振幅が大きいほど、利得調整信号Vgaの電圧レベルが小さくなるように、利得調整信号Vgaを生成する。
The
図3に示されるように、利得制御回路18は、振幅検出回路81(第1振幅検出回路)と、生成回路82(第1生成回路)と、を備える。振幅検出回路81は、出力信号Vout1,Vout2の振幅を検出する回路である。具体的には、振幅検出回路81は、バッファ14によって増幅された出力信号Voutx1,Voutx2の振幅を検出する。振幅検出回路81は、ピーク検出回路83と、平均値検出回路84と、差動増幅器85と、を備える。
As shown in FIG. 3, the
ピーク検出回路83は、出力信号Voutx1,Voutx2のピーク値を検出する回路である。ピーク検出回路83は、検出したピーク値を差動増幅器85に出力する。平均値検出回路84は、出力信号Voutx1,Voutx2の時間平均値(平均電圧値)を検出する回路である。平均値検出回路84は、検出した平均値を差動増幅器85に出力する。差動増幅器85は、ピーク検出回路83によって検出されたピーク値と平均値検出回路84によって検出された平均値との差分値を生成し、差分値を基に出力信号Voutx1,Voutx2の振幅を検出する。差動増幅器85の非反転入力端子にはピーク値が入力され、差動増幅器85の反転入力端子には平均値が入力される。差動増幅器85は、ピーク値から平均値を減算した値(振幅の1/2に等しい)から振幅を検出する。差動増幅器85は、検出した振幅を生成回路82に出力する。
The
生成回路82は、出力信号Voutx1,Voutx2の振幅に基づいて利得調整信号Vgaを生成する回路である。この例では、生成回路82は、差動増幅器である。生成回路82の反転入力端子には、振幅検出回路81から出力された振幅が入力される。生成回路82の非反転入力端子には、基準信号Arefが入力されている。基準信号Arefは、予め定められた固定値であり、使用される光信号Pinの範囲で、バッファ14及び出力バッファ15の信号が歪まないような値に設定される。生成回路82は、基準信号Arefから振幅を減算した値を増幅することで利得調整信号Vgaを生成する。この構成によれば、出力信号Voutx1,Voutx2の振幅が大きいほど、利得調整信号Vgaの値は小さくなる。生成回路82は、利得調整信号Vgaを利得可変増幅器13に出力する。
The
線形性制御回路19は、電圧信号Vinの振幅に基づいて線形性調整信号Vctlを生成する回路である。具体的には、線形性制御回路19は、電圧信号Vinの振幅が大きいほど、可変抵抗回路33の抵抗値が大きくなるように、FET35_1〜35_Nのそれぞれについて、オン状態とオフ状態とを線形性調整信号Vctlによって切り替える。例えば、N個のFET35_1〜35_Nのうち、オフ状態のFETの数が多くなり、オン状態のFETの数が少なくなるほど、可変抵抗回路33の抵抗値は大きくなるので、オン状態のFETの数を減らし、オフ状態のFETの数を増やすように線形性調整信号Vctlを生成する。
The
図4に示されるように、線形性制御回路19は、振幅検出回路91(第2振幅検出回路)と、生成回路92(第2生成回路)と、を備える。振幅検出回路91は、電圧信号Vinの振幅を検出する回路である。振幅検出回路91は、ピーク検出回路93と、平均値検出回路94と、差動増幅器95と、を備える。
As shown in FIG. 4, the
ピーク検出回路93は、電圧信号Vinのピーク値を検出する回路である。ピーク検出回路93は、検出したピーク値を差動増幅器95に出力する。平均値検出回路94は、電圧信号Vinの時間平均値(平均電圧値)を検出する回路である。平均値検出回路94は、検出した平均値を差動増幅器95に出力する。差動増幅器95は、ピーク検出回路93によって検出されたピーク値と平均値検出回路94によって検出された平均値との差分値を生成し、差分値を基に電圧信号Vinの振幅を検出する。差動増幅器95の非反転入力端子にはピーク値が入力され、差動増幅器95の反転入力端子には平均値が入力される。差動増幅器95は、ピーク値から平均値を減算した値(振幅の1/2に等しい)から振幅を検出する。差動増幅器95は、検出した振幅を生成回路92に出力する。
The
生成回路92は、電圧信号Vinの振幅に基づいて線形性調整信号Vctlを生成する回路である。生成回路92は、A/D変換器96と、デジタル回路97と、を備える。A/D変換器96は、振幅検出回路91によって検出された電圧信号Vinの振幅をデジタル値に変換する回路である。A/D変換器96は、デジタル値をデジタル回路97に出力する。デジタル回路97は、デジタル値が大きいほど可変抵抗回路33の抵抗値が大きくなるように線形性調整信号Vctlを生成する。すなわち、線形性調整信号Vctlを調整することで、N個のFET35_1〜35_Nのうちオフ状態のFETの数を増やし、オン状態のFETの数を減らす。
The
例えば、デジタル回路97には、値が大きい順に、第1閾値、第2閾値、・・・及び第N閾値のN個の閾値が予め設定されている。すなわち、各閾値は、第1閾値>第2閾値>・・・>第N−1閾値>第N閾値となるように設定されている。デジタル回路97は、A/D変換器96から受け取ったデジタル値が第1閾値よりも大きい場合には、FET35_1〜35_Nのすべてをオフ状態とする線形性調整信号Vctlを生成する。具体的には、デジタル回路97は、0レベルの線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nを生成する。つまり、デジタル回路97は、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nをすべて0レベルに設定する。デジタル回路97は、デジタル値が第1閾値以下であり、かつ第2閾値よりも大きい場合には、FET35_1〜35_Nのうち1つをオン状態とし、残りのN−1個をオフ状態とする線形性調整信号Vctlを生成する。例えば、デジタル回路97は、1レベルの線形性調整信号Vctl_1と0レベルの線形性調整信号Vctl_2〜Vctl_Nとを生成する。
For example, in the
同様に、デジタル回路97は、デジタル値が第k閾値以下であり、かつ第k+1閾値よりも大きい場合には、FET35_1〜35_Nのうちk個をオン状態とし、(N−k)個をオフ状態とする線形性調整信号Vctlを生成する。例えば、デジタル回路97は、1レベルの線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_kと0レベルの線形性調整信号Vctl_k+1〜Vctl_Nとを生成する。デジタル回路97は、デジタル値が第N閾値以下である場合には、FET35_1〜35_Nのすべてをオン状態とする線形性調整信号Vctlを生成する。具体的には、デジタル回路97は、1レベルの線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nを生成する。つまり、デジタル回路97は、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nをすべて1レベルに設定する。
Similarly, when the digital value is less than or equal to the kth threshold and greater than the k + 1th threshold, the
つまり、線形性制御回路19は、電圧信号Vinの振幅が大きいほど、線形性調整信号VctlによってFET35_1〜35_Nのうちオフ状態のFETの数を増やすとともに、オン状態のFETの数を減らす。また、線形性制御回路19は、電圧信号Vinの振幅が小さいほど、線形性調整信号VctlによってFET35_1〜35_Nのうちオフ状態のFETの数を減らすとともに、オン状態のFETの数を増やす。これにより、トランジスタ31のエミッタとトランジスタ32のエミッタとの間の抵抗値が可変制御される。
That is, as the amplitude of the voltage signal Vin is larger, the
トランスインピーダンス増幅回路10では、入力信号Dinの周波数が高くなるほど、TIA部11だけで十分な利得を得ることが難しくなり、トランスインピーダンス増幅回路10の入力換算雑音を抑制するために、利得可変増幅器13の雑音を低減することが必要となる。このため、可変抵抗回路33の抵抗値を小さくすることで利得可変増幅器13の利得を大きくすることによって、利得可変増幅器13の内部のショット雑音及び負荷抵抗素子27,28の熱雑音等がトランスインピーダンス増幅回路10の入力換算雑音に与える影響の度合いが低減される。すなわち、利得可変増幅器13の内部の上記雑音要素がトランスインピーダンス増幅回路10の入力換算雑音に与える影響の度合いは、それらの雑音源による雑音をトランスインピーダンス増幅回路10の入力から利得可変増幅器13の出力までの利得で割った値となる。このため、利得可変増幅器13の利得を大きくすることで雑音(入力換算雑音)が低減される。
In the
このため、利得可変増幅器13は、電圧信号Vinの振幅が小さい時には、可変抵抗回路33の抵抗値を小さくして雑音を低減し、電圧信号Vinの振幅が大きい時には可変抵抗回路33の抵抗値を大きくして線形入力範囲を拡大するように制御される。
Therefore, the
次に、図5〜図7を参照して、比較例のトランスインピーダンス増幅回路と比較しながら、トランスインピーダンス増幅回路10及び利得可変増幅器13の作用効果を説明する。図5は、比較例のトランスインピーダンス増幅回路に用いられる利得可変増幅器の回路構成を示す図である。
Next, the effects of the
図5に示されるように、比較例の利得可変増幅器113は、差動回路23に代えて差動回路123を備える点において利得可変増幅器13と主に相違する。差動回路123は、可変抵抗回路33に代えて可変抵抗回路133を備える点において差動回路23と主に相違する。可変抵抗回路133は、FET35_1〜35_Nに代えて1つのFET35を備える点において可変抵抗回路33と主に相違する。
As shown in FIG. 5, the
この利得可変増幅器113が用いられるトランスインピーダンス増幅回路では、線形性制御回路は、アナログ値の線形性調整信号VctlをFET35に出力する。つまり、線形性制御回路は、電圧信号Vinの振幅が小さいほど、線形性調整信号Vctlの電圧レベルを大きくして可変抵抗回路133(FET35)の抵抗値を小さくし、電圧信号Vinの振幅が大きいほど、線形性調整信号Vctlの電圧レベルを小さくして可変抵抗回路133(FET35)の抵抗値を大きくする。
In the transimpedance amplifier circuit using the
図6は、図5に示される利得可変増幅器のDC特性を示す図である。図7の(a)は、図1に示されるトランスインピーダンス増幅回路の入力光パワーに対する出力波形の歪みのシミュレーション結果を示す図、図7の(b)は、比較例のトランスインピーダンス増幅回路の入力光パワーに対する出力波形の歪みのシミュレーション結果を示す図である。図6の横軸は電圧信号Vinと基準信号Vrefとの差である差動入力電圧(=Vin−Vref)[V]を示し、図6の縦軸は利得可変増幅器13の微分利得[a.u.]を示す。なお、「a.u.」は、任意単位(arbitrary unit)を意味する。図7の(a)、(b)の横軸は光信号Pinの光変調振幅(Optical Modulation Amplitude;OMA)[dBm]を示し、図7の(a)、(b)の縦軸は出力波形の歪み率(Total Harmonic Distortion;THD)[%]を示す。ここでは、電圧信号Vinとして1GHzの周波数を有する正弦波を用いた場合の利得可変増幅器13,113から出力される出力信号Vout1,Vout2の歪み率を示す。なお、電圧信号Vinとして1GHzの周波数を有する正弦波を用いた場合、利得可変増幅器13,113から出力される出力信号Vout1,Vout2の周波数スペクトルは、歪みが無い理想的な状態では、1GHzの周波数成分のみを有する。歪みが大きくなると、1GHzの整数倍の周波数成分(高調波)が増加する。
FIG. 6 is a diagram showing the DC characteristics of the variable gain amplifier shown in FIG. 7A is a diagram showing a simulation result of distortion of the output waveform with respect to the input optical power of the transimpedance amplifier circuit shown in FIG. 1, and FIG. 7B is an input of the transimpedance amplifier circuit of the comparative example. It is a figure which shows the simulation result of distortion of the output waveform with respect to optical power. 6 indicates the differential input voltage (= Vin−Vref) [V], which is the difference between the voltage signal Vin and the reference signal Vref, and the vertical axis in FIG. 6 indicates the differential gain [a. u. ] Is shown. “Au” means an arbitrary unit. 7A and 7B indicate the optical modulation amplitude (OMA) [dBm] of the optical signal Pin, and the vertical axes of FIGS. 7A and 7B indicate the output waveforms. The distortion rate (Total Harmonic Distortion; THD) [%]. Here, the distortion rate of the output signals Vout1 and Vout2 output from the
図6に示されるグラフG1〜G4は、FET35のゲート電圧の異なるバイアス条件での利得可変増幅器113のDC特性を示す。図7の(b)に示される特性値D1〜D4は、グラフG1〜G4のバイアス条件での特性値である。グラフG1〜G4の順に、線形性調整信号Vctlの電圧レベルが大きくなり、利得(の絶対値)が大きくなる。具体的には、グラフG1のバイアス条件では、線形性調整信号Vctlの電圧レベルはFET35の閾値電圧よりも十分に小さく、可変抵抗回路133のFET35はオフ状態である。グラフG2,G3のバイアス条件では、線形性調整信号Vctlの電圧レベルはFET35の閾値電圧付近である。このとき、FET35の抵抗値が下がり、利得可変増幅器113の利得は大きくなるが、差動入力電圧が0でのグラフG2,G3の傾きが大きい。つまり、グラフG2,G3では、利得が差動入力電圧の正負で非対称となっている。このため、出力信号Vout1,Vout2のそれぞれにおいて、正側の振幅と負側の振幅とが異なる。これにより、図7の(b)に示されるように、比較例のトランスインピーダンス増幅回路では、光信号PinのOMAが0〜+1dBmである場合に、線形性が劣化している。
Graphs G <b> 1 to G <b> 4 shown in FIG. 6 show the DC characteristics of the
グラフG4のバイアス条件では、線形性調整信号Vctlの電圧レベルはFET35の閾値電圧よりも十分に大きいので、FET35の端子電圧(ソース電圧及びドレイン電圧)がFET35の抵抗値に与える影響が小さく、非対称性が改善されている。
Under the bias condition of the graph G4, the voltage level of the linearity adjustment signal Vctl is sufficiently larger than the threshold voltage of the
一方、トランスインピーダンス増幅回路10では、可変抵抗回路33の抵抗値を切り替えるために、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nの電圧レベルとして、FET35_1〜35_Nの閾値電圧付近の電圧が使用されない。このため、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nの電圧レベルが0レベルである場合には、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nの電圧レベルは、電圧信号Vinの振幅によらずに、トランジスタ31のエミッタ電圧及びトランジスタ32のエミッタ電圧よりも常に小さい。一方、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nの電圧レベルが1レベルである場合には、線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nの電圧レベルは、電圧信号Vinの振幅によらずに、トランジスタ31のエミッタ電圧及びトランジスタ32のエミッタ電圧よりも常に大きい。これにより、FET35_1〜35_Nの端子電圧(ソース電圧及びドレイン電圧)がFET35_1〜35_Nの抵抗値に与える影響は小さくなる。その結果、図7の(a)に示されるように、歪み率のピークは、7%程度から3%程度に低減されており、線形性の劣化が抑制されている。
On the other hand, in the
以上説明したようにトランスインピーダンス増幅回路10及び利得可変増幅器13では、差動回路23が備えるトランジスタ31のベースに電圧信号Vinが入力され、トランジスタ32のベースに基準信号Vrefが供給される。このような非対称な構成では、比較例のトランスインピーダンス増幅回路のように、特に、FET35が過渡状態であると、ソース及びドレインの端子電圧の変動がソース−ドレイン間の抵抗値に影響を及ぼし、電圧信号Vinに対する出力信号Vout1,Vout2の線形性が劣化するおそれがある。これに対し、トランスインピーダンス増幅回路10及び利得可変増幅器13では、FET35_1〜35_Nのそれぞれのゲートに線形性調整信号Vctl_1〜Vctl_Nが供給されることによって、FET35_1〜35_Nのそれぞれはオン状態及びオフ状態のいずれかに切り替えられる。これにより、可変抵抗回路33の抵抗値が設定される。このため、FET35_1〜35_Nのそれぞれを過渡状態とすることなく、可変抵抗回路33の抵抗値を段階的に変更することができるので、可変抵抗回路33の抵抗値を安定化することが可能となる。その結果、電圧信号Vinに対する出力信号Vout1,Vout2の線形性を改善することが可能となる。
As described above, in the
利得制御回路18は、出力信号Voutx1,Voutx2の振幅に基づいて利得調整信号Vgaを生成する。このため、出力信号Voutx1,Voutx2を用いて利得調整信号Vgaが生成される。これにより、例えば、利得可変増幅器13による増幅の線形性を維持できるように利得可変増幅器13の利得が調整され得る。その結果、電圧信号Vinの電圧範囲を拡大することが可能となる。
The
線形性制御回路19は、電圧信号Vinの振幅に基づいて線形性調整信号Vctlを生成する。このため、電圧信号Vinを用いて可変抵抗回路33の制御が行われる。つまり、利得可変増幅器13によって増幅される前の電圧信号Vinを用いて、利得可変増幅器13の線形性が制御されるので、利得可変増幅器13による増幅のばらつきの影響を受けることなく利得可変増幅器13の線形性を制御することができる。
The
(第2実施形態)
次に、図8及び図9を参照して、第2実施形態に係るトランスインピーダンス増幅回路を説明する。図8は、第2実施形態に係るトランスインピーダンス増幅回路を含む光受信装置の概略構成を示す図である。図9は、図8に示される制御回路の回路構成を示す図である。図8に示されるように、光受信装置1Aは、トランスインピーダンス増幅回路10に代えてトランスインピーダンス増幅回路10Aを備える点において光受信装置1と主に相違する。トランスインピーダンス増幅回路10Aは、利得制御回路18及び線形性制御回路19に代えて制御回路20を備える点においてトランスインピーダンス増幅回路10と主に相違する。
(Second Embodiment)
Next, a transimpedance amplifier circuit according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of an optical receiver including a transimpedance amplifier circuit according to the second embodiment. FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of the control circuit shown in FIG. As shown in FIG. 8, the
制御回路20は、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅に基づいて、利得調整信号Vga及び線形性調整信号Vctlを生成する回路である。制御回路20は、利得制御回路18と、線形性制御回路19Aと、を備える。線形性制御回路19Aは、振幅検出回路91を備えない点、及び生成回路92に代えて生成回路92A(第2生成回路)を備える点において線形性制御回路19と主に相違する。
The
生成回路92Aは、振幅検出回路81によって検出された振幅に基づいて線形性調整信号Vctlを生成する回路である。生成回路92Aは、A/D変換器96Aと、デジタル回路97Aと、を備える。A/D変換器96Aは、振幅検出回路81によって検出された出力信号Voutx1,Voutx2の振幅をデジタル値に変換する回路である。A/D変換器96Aは、デジタル値をデジタル回路97Aに出力する。デジタル回路97Aは、A/D変換器96Aによって変換されたデジタル値が大きいほど可変抵抗回路33の抵抗値が大きくなるように線形性調整信号Vctlを生成する。デジタル回路97Aは、設定されている第1閾値、第2閾値、・・・及び第N閾値の値において、デジタル回路97と相違する。出力信号Voutx1,Voutx2の振幅に応じて、各閾値の値は設定されている。
The
つまり、線形性制御回路19Aは、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅が大きいほど、可変抵抗回路33の抵抗値が大きくなるように、FET35_1〜35_Nのそれぞれについて、オン状態とオフ状態とを線形性調整信号Vctlによって切り替える。具体的には、線形性制御回路19Aは、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅が大きいほど、線形性調整信号VctlによってFET35_1〜35_Nのうちオフ状態のFETの数を増やすとともに、オン状態のFETの数を減らす。また、線形性制御回路19Aは、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅が小さいほど、線形性調整信号VctlによってFET35_1〜35_Nのうちオフ状態のFETの数を減らすとともに、オン状態のFETの数を増やす。これにより、トランジスタ31のエミッタとトランジスタ32のエミッタとの間の抵抗値が可変制御される。
That is, the
以上説明したトランスインピーダンス増幅回路10Aにおいても、トランスインピーダンス増幅回路10と同様の効果が奏される。
Also in the
トランスインピーダンス増幅回路10Aでは、線形性制御回路19Aは、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅に基づいて線形性調整信号Vctlを生成する。このため、出力信号Vout1,Vout2(出力信号Voutx1,Voutx2)の振幅を用いて可変抵抗回路33の制御が行われる。つまり、振幅検出回路81によって検出された振幅で、利得可変増幅器13の利得及び線形性の両方が制御されるので、利得可変増幅器13の利得制御及び線形性制御で、振幅検出回路81を共通化できる。これにより、トランスインピーダンス増幅回路10Aの回路規模を小さくすることができる。
In the
なお、本発明に係るトランスインピーダンス増幅回路及び利得可変増幅器は上記実施形態に限定されない。 The transimpedance amplifier circuit and the variable gain amplifier according to the present invention are not limited to the above embodiment.
例えば、上記実施形態では、トランジスタ31,32,51,52,61,62として、バイポーラトランジスタを用いて説明を行ったが、トランジスタ31,32,51,52,61,62は、FETであってもよい。トランジスタ31,32,51,52,61,62がFETである場合には、バイポーラトランジスタのベース、エミッタ、及びコレクタは、ゲート、ソース、及びドレインにそれぞれ読み替えられる。
For example, in the above embodiment, the bipolar transistors are used as the
また、FET35_1〜35_Nのサイズ(チャンネル幅W及びチャンネル長L)は同じでなくてもよい。この場合、FET35_1〜35_Nの抵抗値は、互いに異なる。FET35_1〜35_Nの抵抗値は、チャンネル幅Wをチャンネル長Lで除算した値W/Lが小さいほど大きくなる。A/D変換器96から出力されるデジタル値に応じて、FET35_1〜35_Nのうちオン状態とするFETとオフ状態とするFETとの組み合わせが予め定められている。デジタル回路97は、FET35_1〜35_Nのうちの上記組み合わせに応じてFETをオン状態又はオフ状態とする線形性調整信号Vctlを生成する。FET35_1〜35_Nのサイズを適切に設定することによって、FET35の数を減らすことができる。これにより、利得可変増幅器13の回路規模を小さくすることが可能となる。
Further, the sizes (channel width W and channel length L) of the FETs 35_1 to 35_N may not be the same. In this case, the resistance values of the FETs 35_1 to 35_N are different from each other. The resistance values of the FETs 35_1 to 35_N increase as the value W / L obtained by dividing the channel width W by the channel length L decreases. In accordance with the digital value output from the A /
例えば、図2の利得可変増幅器13において、N=11であり、FET35_1〜35_11のすべてをオン状態とするパターン、1つのFET35だけをオン状態とするパターン、3つのFET35をオン状態とするパターン、及びFET35_1〜35_11のすべてをオフ状態とするパターンの4つのパターンが必要であるとする。これに対し、サイズの比が1:2:8となる3つのFET35を用いることで、上記4つのパターンを実現することが可能となる。
For example, in the
1,1A…光受信装置、10,10A…トランスインピーダンス増幅回路、11…TIA部、12…ダミーTIA部、13…利得可変増幅器、18…利得制御回路、19,19A…線形性制御回路、20…制御回路、21…電流源(第1電流源)、22…電流源(第2電流源)、23…差動回路(第1差動回路)、25…差動回路(第2差動回路)、26…差動回路(第3差動回路)、27…負荷抵抗素子(第1負荷抵抗素子)、28…負荷抵抗素子(第2負荷抵抗素子)、31…トランジスタ(第1トランジスタ)、32…トランジスタ(第2トランジスタ)、33…可変抵抗回路、34…抵抗素子、35_1〜35_N…FET、81…振幅検出回路(第1振幅検出回路)、82…生成回路(第1生成回路)、91…振幅検出回路(第2振幅検出回路)、92,92A…生成回路(第2生成回路)、I1…電流(第1電流)、I2…電流(第2電流)、Ic1…電流信号(第1電流信号)、Ic2…電流信号(第2電流信号)、Ic3…電流信号(第3電流信号)、Ic4…電流信号(第4電流信号)、Ic5…電流信号(第5電流信号)、Ic6…電流信号(第6電流信号)、Pin…光信号、Vctl_1〜Vctl_N…線形性調整信号、Vga…利得調整信号、Vin…電圧信号、Vout1…出力信号(一対の相補信号の一方)、Vout2…出力信号(一対の相補信号の他方)、Vref…基準信号。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記利得可変増幅器の利得を制御するための利得調整信号を生成する利得制御回路と、
前記利得可変増幅器の線形性を制御するための線形性調整信号を生成する線形性制御回路と、
を備え、
前記利得可変増幅器は、
第1電流を供給する第1電流源と、
第2電流を供給する第2電流源と、
前記入力信号及び前記基準信号に応じて前記第1電流及び前記第2電流をそれぞれ2つに分配して、第1電流信号及び第2電流信号を生成する第1差動回路と、
前記利得調整信号に応じて前記第1電流信号を第3電流信号及び第4電流信号に分配する第2差動回路と、
前記利得調整信号に応じて前記第2電流信号を第5電流信号及び第6電流信号に分配する第3差動回路と、
前記第4電流信号を前記一対の相補信号の一方に変換する第1負荷抵抗素子と、
前記第6電流信号を前記一対の相補信号の他方に変換する第2負荷抵抗素子と、
を備え、
前記第1差動回路は、
前記入力信号が入力される制御端子と、前記第1電流源に電気的に接続された第1電流端子と、前記第2差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第1トランジスタと、
前記基準信号が入力される制御端子と、前記第2電流源に電気的に接続された第1電流端子と、前記第3差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第2トランジスタと、
それぞれのゲートに前記線形性調整信号が入力され、それぞれのソースが前記第1トランジスタの第1電流端子に共通に接続されるとともにそれぞれのドレインが前記第2トランジスタの第1電流端子に共通に接続された複数の電界効果トランジスタを有する可変抵抗回路と、
を備え、
前記線形性制御回路は、前記入力信号の振幅又は前記一対の相補信号の振幅が大きいほど前記可変抵抗回路の前記第1トランジスタの第1電流端子と前記第2トランジスタの第1電流端子との間の抵抗値が大きくなるように、前記複数の電界効果トランジスタのそれぞれについて、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、前記ドレインと前記ソースとの間が遮断されるオフ状態と、を前記線形性調整信号によって切り替える、トランスインピーダンス増幅回路。 A variable gain amplifier that generates a pair of complementary signals according to an input signal and a reference signal;
A gain control circuit for generating a gain adjustment signal for controlling the gain of the variable gain amplifier;
A linearity control circuit for generating a linearity adjustment signal for controlling the linearity of the variable gain amplifier;
With
The variable gain amplifier is:
A first current source for supplying a first current;
A second current source for supplying a second current;
A first differential circuit that distributes the first current and the second current into two in accordance with the input signal and the reference signal, respectively, and generates a first current signal and a second current signal;
A second differential circuit for distributing the first current signal to a third current signal and a fourth current signal in response to the gain adjustment signal;
A third differential circuit for distributing the second current signal to a fifth current signal and a sixth current signal in response to the gain adjustment signal;
A first load resistance element that converts the fourth current signal into one of the pair of complementary signals;
A second load resistance element for converting the sixth current signal into the other of the pair of complementary signals;
With
The first differential circuit includes:
A control terminal to which the input signal is input; a first current terminal electrically connected to the first current source; and a second current terminal electrically connected to the second differential circuit. A first transistor;
A control terminal to which the reference signal is input; a first current terminal electrically connected to the second current source; and a second current terminal electrically connected to the third differential circuit. A second transistor;
The linearity adjustment signal is input to each gate, each source is commonly connected to the first current terminal of the first transistor, and each drain is commonly connected to the first current terminal of the second transistor. A variable resistance circuit having a plurality of field effect transistors,
With
In the linearity control circuit, the larger the amplitude of the input signal or the pair of complementary signals, the greater the gap between the first current terminal of the first transistor and the first current terminal of the second transistor of the variable resistance circuit. For each of the plurality of field effect transistors, an ON state in which the drain and the source are electrically connected and an OFF state in which the drain and the source are interrupted are provided for each of the plurality of field effect transistors. Transimpedance amplifier circuit that is switched by linearity adjustment signal.
第1電流を供給する第1電流源と、
第2電流を供給する第2電流源と、
前記入力信号及び前記基準信号に応じて前記第1電流及び前記第2電流をそれぞれ2つに分配して第1電流信号及び第2電流信号を生成する第1差動回路と、
利得を制御するための利得調整信号に応じて前記第1電流信号を第3電流信号及び第4電流信号に分配する第2差動回路と、
前記利得調整信号に応じて前記第2電流信号を第5電流信号及び第6電流信号に分配する第3差動回路と、
前記第4電流信号を前記一対の相補信号の一方に変換する第1負荷抵抗素子と、
前記第6電流信号を前記一対の相補信号の他方に変換する第2負荷抵抗素子と、
を備え、
前記第1差動回路は、
前記入力信号が入力される制御端子と、前記第1電流源に電気的に接続された第1電流端子と、前記第2差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第1トランジスタと、
前記基準信号が入力される制御端子と、前記第2電流源に電気的に接続された第1電流端子と、前記第3差動回路に電気的に接続された第2電流端子と、を有する第2トランジスタと、
それぞれのソースが前記第1トランジスタの第1電流端子に共通に接続されるとともにそれぞれのドレインが前記第2トランジスタの第1電流端子に共通に接続された複数の電界効果トランジスタを有する可変抵抗回路と、
を備え、
前記複数の電界効果トランジスタのそれぞれのゲートには、ドレインとソースとの間が導通するオン状態と、ドレインとソースとの間が遮断されるオフ状態と、を切り替えるための線形性調整信号が供給される、利得可変増幅器。 A variable gain amplifier that generates a pair of complementary signals according to an input signal and a reference signal,
A first current source for supplying a first current;
A second current source for supplying a second current;
A first differential circuit that generates a first current signal and a second current signal by distributing the first current and the second current into two according to the input signal and the reference signal,
A second differential circuit for distributing the first current signal to a third current signal and a fourth current signal in response to a gain adjustment signal for controlling the gain;
A third differential circuit for distributing the second current signal to a fifth current signal and a sixth current signal in response to the gain adjustment signal;
A first load resistance element that converts the fourth current signal into one of the pair of complementary signals;
A second load resistance element for converting the sixth current signal into the other of the pair of complementary signals;
With
The first differential circuit includes:
A control terminal to which the input signal is input; a first current terminal electrically connected to the first current source; and a second current terminal electrically connected to the second differential circuit. A first transistor;
A control terminal to which the reference signal is input; a first current terminal electrically connected to the second current source; and a second current terminal electrically connected to the third differential circuit. A second transistor;
A variable resistance circuit having a plurality of field-effect transistors each having a source commonly connected to a first current terminal of the first transistor and each drain commonly connected to a first current terminal of the second transistor; ,
With
Each gate of the plurality of field effect transistors is supplied with a linearity adjustment signal for switching between an on state in which the drain and the source are conductive and an off state in which the drain and the source are blocked. A variable gain amplifier.
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