JP2021129259A - 光受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温動作時でのフォトダイオードの光電変換効率の低下による電流信号の減少を補償する。
【解決手段】 一つの実施形態によれば、光受信回路は、電流補償回路、フォトダイオード、トランスインピーダンス回路を含む。電流補償回路は温度係数がプラスである第１電流を生成する。フォトダイオードは光信号を入力して温度係数がマイナスである光電変換電流を含む第１電流信号を生成し、第１の電流と第１電流信号を合算した第２電流信号を出力する。トランスインピーダンス回路は負帰還抵抗を有し、第２電流信号を入力して電流電圧変換した出力電圧を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、光受信回路に関する。

光伝送装置や光結合装置などには、光信号を入力して電気信号に変換する光受信回路が使用される。光受信回路は、光信号を光電変換して電流信号を生成するフォトダイオード、電流信号を電流電圧変換して出力電圧を生成するトランスインピ―ダンス回路を含む。

フォトダイオードは、温度係数がマイナスであり周囲温度が上昇すると光電変換効率が低下して電流信号が減少する。電流信号の減少により、トランスインピーダンス回路の出力電圧が減少する。このため、周囲温度の上昇による伝搬遅延時間や入力感度などの特性が低下するという問題点がある。

高温動作時で、フォトダイオードの電流信号が所定の閾値以下にならないように電流信号の減少を補償することが要望されている。

特開２０１０−２６７６８号公報

本発明は、高温動作時でのフォトダイオードの光電変換効率の低下による電流信号の減少を補償する電流補償回路を有する光受信回路を提供することにある。

一つの実施形態によれば、光受信回路は、電流補償回路、フォトダイオード、トランスインピーダンス回路を含む。電流補償回路は温度係数がプラスである第１電流を生成する。フォトダイオードは光信号を入力して温度係数がマイナスである光電変換電流を含む第１電流信号を生成し、第１の電流と第１電流信号を合算した第２電流信号を出力する。トランスインピーダンス回路は負帰還抵抗を有し、第２電流信号を入力して電流電圧変換した出力電圧を生成する。

第１の実施形態に係る光受信回路を示す回路図である。 第１の実施形態に係るトランスインピーダンス回路を示す回路図である。 比較例の光受信回路を示す回路図である。 比較例のフォトダイオードの動作を説明する図である。 比較例の逆方向印加電圧時でのフォトダイオードの動作波形を示す図である。 比較例の逆方向印加電圧時でのフォトダイオードの動作波形を示す図である。 第１の実施形態のフォトダイオードと比較例のフォトダイオードの高温時での動作波形を示す比較図である。 第２の実施形態に係る光受信回路を示す回路図である。 第１の変形例の電流源回路を示す回路図である。 第２の変形例の電流源回路を示す回路図である。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る光受信回路について、図面を参照して説明する。図１は光受信回路を示す回路図である。
第１の実施形態では、光受信回路に、高温動作時で発生するフォトダイオードの光電変換効率の低下による電流信号の減少を補償する電流補償回路を設けている。
図１に示すように、光受信回路１００は、電流補償回路１、トランスインピーダンス回路２、フォトダイオードＰＤ１を含む。光受信回路１００は光通信に適用されているが、医療診断、情報処理、カメラ露光制御、ＦＡＸ、レーザアライメント、バーコード等にも適用することができる。
電流補償回路１は、電圧源回路３と電流源回路４から構成されている。電流補償回路１は、高温動作時でのフォトダイオードの光電変換効率の低下による電流信号の減少を補償する。補償の詳細は後述する。

電圧源回路３は、ダイオードＤ１〜Ｄ３、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１〜ＰＭＴ３、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ１〜ＮＭＴ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ２を含む。電圧源回路３は、ＰＴＡＴ(Proportional To Absolute Temperature)電流である電流Ｉａを抵抗Ｒ２に流し、電圧Ｖｋを電流源回路４に出力する。電圧源回路３は、絶対温度に比例するＰＴＡＴ電源回路として機能する。電圧Ｖｋは、温度係数がプラスの電圧である（詳細は後述する）。

ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１は、Ｐｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタは、ＭＯＳ ＦＥＴ(Field Effect Transistor)とも呼称される。ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１は、ソースが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ドレインがノード１に接続される。電源（高電位側電源）ＶＣＣは、周囲温度の影響が少ない一定した電源電圧（図示しない）を生成する。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ１は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ１は、ドレインがノード１及びゲートに接続され、ソースがノードＮ２に接続される。
ＭＯＳトランジスタＰＭＴ２は、Ｐｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＰＭＴ２は、ソースが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＰＭＴ１のゲートに接続され、ドレインがゲート及びノード３に接続される。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ２は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ２は、ドレインがノードＮ３に接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＮＭＴ１のゲートに接続され、ソースがノードＮ４に接続される。
ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１〜ＰＭＴ２、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ１〜ＮＭＴ２は、ウィルソン(Wilson)型カレントミラー回路を構成する（改良型ウィルソン(Wilson)型カレントミラー回路とも呼称する）。ウィルソン(Wilson)型カレントミラー回路は、２つのＭＯＳトランジスタから構成される単純なカレントミラー回路よりも電源電圧変動やトランジスタ寸法バラツキ等の影響を受けずに安定した電流を生成することができる。

ダイオードＤ１は、アノードがノードＮ２に接続され、カソードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。
抵抗Ｒ１は、一端がノードＮ４に接続され、他端がノードＮ５に接続される。Ｎ個のダイオードＤ２は、ノードＮ５と接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓの間に並列配置され、アノードがノードＮ５に接続され、カソードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。

ＭＯＳトランジスタＰＭＴ３は、Ｐｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＰＭＴ３は、ソースが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ゲートがノードＮ３に接続され、ドレインがノードＮ６に接続される。抵抗Ｒ２は、一端がノードＮ６に接続され、他端がノードＮ７に接続される。ダイオードＤ３は、アノードがノードＮ７に接続され、カソードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。
ここで、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１に対するＭＯＳトランジスタＰＭＴ２及びＭＯＳトランジスタＰＭＴ３のミラー比は１に設定され、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ１に対するＭＯＳトランジスタＮＭＴ２のミラー比は１に設定されている。ミラー比１では、ＭＯＳトランジスタのゲート長（Ｌｇ）が同一で、ゲート幅（Ｗｇ）／ゲート長（Ｌｇ）が同一に設定されている。ダイオードＤ１、ダイオードＤ２、ダイオードＤ３は、同一サイズに設定されている。
このため、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ１からＭＯＳトランジスタＮＭＴ１及びダイオードＤ１を介して接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに流れる電流を電流Ｉａとすると、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ２からＭＯＳトランジスタＮＭＴ２、抵抗Ｒ１及びダイオードＤ２を介して接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに流れる電流が電流Ｉａとなり、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ３から抵抗Ｒ２及びダイオードＤ３を介して接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに流れる電流が電流Ｉａとなる。

抵抗Ｒ１の抵抗値ｒ１、抵抗Ｒ２の抵抗値ｒ２、ｋｂをボルツマン定数、電荷量をｑ、絶対温度をＴ、定数をｋとすると、電圧Ｖｋは、
Vk=(r2/r1)×{(kb・T)/q×ln(k)}・・・・・・・・・・・式（１）
と表され、温度係数がプラスの電圧となる。

電流源回路４は、電圧源回路３とフォトダイオードＰＤ１の間に設けられる。電流源回路４は、電圧Ｖｋに基づいて温度係数がプラスの補償電流である電流Ｉａｄｄ（第１電流）を生成する。電流源回路４は、電流Ｉａｄｄ（第１電流）をフォトダイオードＰＤ１に供給する。
電流源回路４は、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ４、ＭＯＳトランジスタＰＭＴ５、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４を含む。

ＭＯＳトランジスタＰＭＴ４は、Ｐｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＰＭＴ４は、ソースが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ドレインがノード８に接続される。
ＭＯＳトランジスタＰＭＴ５は、Ｐｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＰＭＴ５は、ソースが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＰＭＴ４のゲートに接続され、ドレインがゲート及びノード１０に接続される。

ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３は、ドレインがノードＮ８に接続され、ゲートがドレインに接続され、ソースがノードＮ９に接続されるダイオードである。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、ドレインがノードＮ９に接続され、ゲートに電圧Ｖｋが印加され、ソースが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、ゲートに電圧Ｖｋが印加されるとオンし、接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓ側にドレイン電流である電流Ｉａｄｄを流す。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、温度係数がプラスである電圧Ｖｋに基づいて動作する。電流源回路４は、温度係数がプラスである電流Ｉａｄｄを生成し、ＰＴＡＴ電流源として動作する。
電流源回路４は、カレントミラー回路（ＭＯＳトランジスタＰＭＴ４とＭＯＳトランジスタＰＭＴ５）で折り返した電流ＩａｄｄをＭＯＳトランジスタＰＭＴ５のドレイン側からノードＮ１０に出力する。

フォトダイオードＰＤ１は、カソードがノードＮ１０、電流源回路４及びトランスインピーダンス回路２の入力側に接続され、アノードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。フォトダイオードＰＤ１は、光信号を入力して光電変換した電流信号を生成する。光信号は、例えば送信側のＬＥＤ(Light Emitting Diode)から発生される信号である。フォトダイオードＰＤ１は、シリコンＰＩＮ(Positive-Intrinsic-Negative)ダイオードを用いているが、シリコンＡＰＤ(Avalanche Photo-Diode)、シリコンＰＮダイオード、ＩｎＧａＡｓ系ダイオード、ＧａＡｓ系ダイオードなどを用いてもよい。
フォトダイオードは、温度係数がマイナスである光電変換特性を有し、温度係数はフォトダイオードを構成する材料や構造などに依存し印加電圧や供給電流に依存しない。
本実施形態では、フォトダイオードＰＤ１は逆方向に電圧印加され、電流Ｉａｄｄ、暗電流（詳細は後述）及び光電変換電流が合算された電流信号Ｉｐを発生する。

トランスインピーダンス回路２は、入力側にフォトダイオードＰＤ１のカソード、ノードＮ１０及び電流源回路４が接続される。トランスインピーダンス回路２は、増幅回路ＡＭＰ１、負帰還抵抗である抵抗ＲＦから構成される。トランスインピーダンス回路２は、電流信号Ｉｐを入力して電流電圧変換した出力電圧Ｖｏｕｔを生成してノードＮ１２から出力する。
トランスインピーダンス回路２は、図２に示すように、抵抗ＲＣ、抵抗ＲＥ、抵抗ＲＦ、バイポーラトランジスタＱ１、バイポーラトランジスタＱ２から構成される。

抵抗ＲＣは、一端が電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、他端がノードＮ１１に接続される。バイポーラトランジスタＱ１は、ＮＰＮトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１は、コレクタがノードＮ１１に接続され、ベースに電流信号Ｉｐが入力され、エミッタが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。バイポーラトランジスタＱ１は、電流信号Ｉｐ×抵抗ＲＦの抵抗値にベース・エミッタ電圧Ｖｂｅが加算された出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。
バイポーラトランジスタＱ２は、エミッタフォロワのＮＰＮトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ２は、コレクタが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ベースがノードＮ１１に接続され、エミッタがノードＮ１２に接続される。抵抗ＲＥは一端がノードＮ１２に接続され、他端が接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。

負帰還抵抗である抵抗ＲＦは、一端がノードＮ１０及びバイポーラトランジスタＱ１のベースに接続され、他端がノードＮ１２に接続される。

次に、比較例の光受信回路について図３乃至６を参照して説明する。図３は比較例の光受信回路を示す回路図である。図４は比較例のフォトダイオードの動作を説明する図である。図５は比較例の逆方向印加電圧時でのフォトダイオードの動作波形を示す図である。図６は、比較例の逆方向印加電圧時でのフォトダイオードの動作波形を示す図である。
図３に示すように、比較例の光受信回路１０１は、トランスインピーダンス回路２、フォトダイオードＰＤ１を含む。比較例の光受信回路１０１は、本実施形態の光受信回路１００の電流補償回路１が設けられていない。比較例の光受信回路１０１は、暗電流及び光電変換電流が合算された電流信号Ｉｐを発生する。
図４に示すように、比較例の光受信回路１０１のフォトダイオードＰＤ１は、暗時（光信号なし）に逆方向電圧が印加されると暗電流Ｉｒを流し、光照射時に光電変換された光電変換電流Ｉｐｄを生成する。暗電流Ｉｒは、フォトダイオードＰＤ１の逆方向飽和電流である。逆方向飽和電流の増加を抑制するために、逆方向印加電圧を小さな値になるように設定するのが好ましい。暗電流は、逆バイアスと温度上昇に比例して増加し、低照度の光信号におけるリニアリティが要求される場合、より小さな逆バイアスを印加するのが好ましい。なお、暗時（光信号なし）に順方向電圧が印加されると暗電流Ｉｆを流す。
図５に示すように、比較例の光受信回路１０１のフォトダイオードＰＤ１は、暗時にローレベルの電流信号Ｉｐ（Ｌ）（＝Ｉｒ）を流し、光照射時にハイレベルの電流信号Ｉｐ（Ｈ）（＝Ｉｐｄ＋Ｉｒ）を流す。

図６に示すように、比較例の光受信回路１０１のフォトダイオードＰＤ１では、低温時の暗電流をＩｒ（ＬＴ）、室温時の暗電流Ｉｒ（ＲＴ）、高温時の暗電流をＩｒ（ＨＴ）、低温時の光電変換電流をＩｐｄ（ＬＴ）、室温時の光電変換電流をＩｐｄ（ＲＴ）、高温時の光電変換電流をＩｐｄ（ＨＴ）、ハイレベルの低温時の電流信号をＩｐ（Ｈ、ＬＴ）、ハイレベルの室温時の電流信号をＩｐ（Ｈ、ＲＴ）、ハイレベルの高温時の電流信号をＩｐ（Ｈ、ＨＴ）とすると、
Ir(LT)<Ir(RT)<Ir(HT) ・・・・・・・・・・・・・・・式（２）
Ipd(LT)>Ipd(RT)>Ipd(HT)・・・・・・・・・・・・・・式（３）
Ipd(LT),Ipd(RT),Ipd(HT)> Ir(LT),Ir(RT),Ir(HT)・・・式（４）
と表されるので、
Ip(H,LT)>Ip(H,RT)>Ip(H,HT) ・・・・・・・・・・・・式（５）
となる。

このため、比較例の光受信回路１０１のフォトダイオードＰＤ１では、室温時と比較し、高温時のローレベル（暗時）の電流信号（Ｉｐ（Ｌ、ＨＴ））が増加し、高温時のハイレベルの電流信号（Ｉｐ（Ｈ、ＨＴ）が低下し、高温時での電流信号Ｉｐの信号振幅とハイレベルでの信号レベルとも減少する。

トランスインピーダンス回路２の入力信号である電流信号Ｉｐに対する出力電圧Ｖｏｕｔの伝達関数は、
Vout／Ip=Rf／{１＋(１／（Aol(jw)×β）)}・・・・・式（６）
と表される。なお、Aol(jw)はトランスインピーダンス回路の開ループゲインの周波数特性、βは帰還率、Ｒfは負帰還抵抗ＲＦの抵抗値である。
ここで、Aol(jw)×β>>１の場合、
Vout＝Ip×Rf・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（７）
となる。

したがって、高温時にフォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐのハイレベルでの信号レベルが減少すると伝達遅延時間や入力感度などの特性が低下する。また、高温時では、フォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐにおける光電変換電流Ｉｐｄが低下する。このため、出力電圧Ｖｏｕｔ中での光電変換成分以外の誤差電圧成分が増大し、室温時と比較して利得が低下する。
本実施形態では、電流補償回路１を用いて温度係数がプラスである電流ＩａｄｄをフォトダイオードＰＤ１に供給して、高温時に発生するフォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐのハイレベルでの信号レベルの低下を補償している。

本実施形態における光受信回路のフォトダイオードの動作波形について図７を参照して説明する。図７は本実施形態のフォトダイオードと比較例のフォトダイオードの高温時での動作波形を示す比較図である。低温時の電流IaddをIadd(LT)、室温時の電流IaddをIadd（RT）、高温時の電流IaddをIadd（HT）とする。

図７に示すように、光受信回路１００と周辺回路が高温時になると、高温時のローレベルの電流信号Ｉｐ（Ｌ，ＨＴ）がＩｒ（ＨＴ）＋Ｉａｄｄ（ＨＴ）となり、高温時のハイレベルの電流信号Ｉｐ（Ｈ，ＨＴ）がＩｐｄ（ＨＴ）＋Ｉｒ（ＨＴ）＋Ｉａｄｄ（ＨＴ）となる。
ここで、
Iadd(LT)<Iadd(RT)<Iadd（HT）・・・・・・・・・・・式（８）
と表される。
Iadd(HT)> Ir(HT) ・・・・・・・・・・・・・・・・・式（９）
と設定することにより、
Ipd(HT)+Ir(HT)+Iadd(HT)≧Ipd(RT)+Ir(RT)・・・・・・式（１０）
とすることができる。したがって、高温時に発生するフォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐのハイレベルでの信号レベルの低下を補償することができる。

本実施形態では、電流源回路４にカレントミラー回路を用いているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図９に示す第１の変形例の電流源回路４ａ、図１０に示す第２の変形例の電流源回路４ｂを代わりに用いてもよい。
図９に示すように、第１の変形例の電流源回路４ａは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１〜ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４を含む。電流源回路４ａは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１〜ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４から構成されるカスコード型カレントミラー回路を用いている。

ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１は、ドレインが電源（高電位側電源）ＶＣＣ及びゲートに接続され、ソースがノードＮ３１に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３は、ドレインがノード３１及びゲートに接続され、ソースがノードＮ３２に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、ドレインがノード３２に接続され、ゲートの電圧Ｖｋが印加され、ソースが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。

ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３２は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３２は、ドレインが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１のゲートに接続され、ソースがノードＮ３３に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４は、ドレインがノード３３に接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３のゲートに接続され、ソースがノードＮ１０に接続される。
電流源回路４ａは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４に流れる温度係数がプラスである電流Ｉａｄｄを折り返してノードＮ１０側から電流Ｉａｄｄを流す。

図１０に示すように、第２の変形例の電流源回路４ｂは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１〜ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４を含む。電流源回路４ｂは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１〜ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４から構成されるウィルソン形カレントミラー回路を用いている。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１は、ドレインが電源（高電位側電源）ＶＣＣ及びゲートに接続され、ソースがノードＮ３１に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３は、ドレインがノード３１に接続され、ソースがノードＮ３２に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４は、ドレインがノード３２に接続され、ゲートの電圧Ｖｋが印加され、ソースが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。

ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３２は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３２は、ドレインが電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１のゲートに接続され、ソースがノードＮ３３に接続される。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４は、Ｎｃｈ ＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４は、ドレインがノード３３及びゲートに接続され、ゲートがＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３のゲートに接続され、ソースがノードＮ１０に接続される。
ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３１に対してＭＯＳトランジスタＮＭＴ３２はミラー比１で構成され、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ３３に対してＭＯＳトランジスタＮＭＴ３４はミラー比１で構成される。電流源回路４ｂは、ＭＯＳトランジスタＮＭＴ４に流れる温度係数がプラスである電流Ｉａｄｄを折り返してノードＮ１０側から電流Ｉａｄｄを流す。

尚、本明細書では、フォトダイオードが生成し、出力する信号のことを主に電流信号と称し、他の回路、電流補償回路、電圧源回路、電流源回路などで生成し、出力する信号のことを主に電流と称している。ただし、定義が明確である場合、暗電流、光電変換電流などの一部では説明の簡略化のために省略する。また、これらの信号を定義するために他の用語（例えば第１電流、第２電流、第３電流等、と統一する）を用いて定義してもかまなわない。
上述したように、本実施形態の光受信回路では、電流補償回路１、トランスインピーダンス回路２、フォトダイオードＰＤ１が設けられる。電流補償回路１は、電圧源回路３と電流源４を含む。フォトダイオードＰＤ１は、カソードがノードＮ１０、電流源回路４及びトランスインピーダンス回路２の入力側に接続され、アノードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。フォトダイオードＰＤ１は、温度係数がマイナスである光電変換電流Ｉｐｄを発生する。電流補償回路１は、温度係数がプラスである電流ＩａｄｄをフォトダイオードＰＤ１に供給する。高温時、フォトダイオードＰＤ１はハイレベルの電流信号Ｉｐ（Ｈ，ＨＴ）としてＩｐｄ（ＨＴ）＋Ｉｒ（ＨＴ）＋Ｉａｄｄ（ＨＴ）を発生してトランスインピーダンス回路２に出力する。
このため、高温時に発生するフォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐのハイレベルでの信号レベルの低下を補償することができ、光受信回路１００を低温領域から高温領域まで安定した光受信動作を行うことができる。
なお、第１の実施形態では、カレントミラー回路を構成するＭＯＳトランジスタＰＭＴ４とＭＯＳトランジスタＰＭＴ５の代わりにＮｃｈ ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る光受信回路について、図面を参照して説明する。図８は、光受信回路を示す回路図である。
第２の実施形態では、光受信回路に、高温動作時で発生するフォトダイオードの光電変換効率の低下による電流信号の減少を補償する電流補償回路を設けている。
以下、第１の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図８に示すように、光受信回路２００は、電流補償回路１ａ、トランスインピーダンス回路２、フォトダイオードＰＤ１を含む。光受信回路２００は光通信に適用されているが、医療診断、情報処理、カメラ露光制御、ＦＡＸ、レーザアライメント、バーコード等にも適用することができる。
電流補償回路１ａは、電流制限回路１０、カレントミラー回路１１、電流源１２から構成される。電流補償回路１ａは、フォトダイオードＰＤ１の高温動作時での光電変換電流の低下による電流信号Ｉｐの減少を補償する電流を生成し、フォトダイオードＰＤ１に供給する。

電流制限回路１０は、バイポーラトランジスタＱ１３、バイポーラトランジスタＱ１４、抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２を含む。
抵抗Ｒ１１は、一端が電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、他端がノードＮ２１に接続される。バイポーラトランジスタＱ１４は、ＮＰＮトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１４は、コレクタ（第１端子）がノードＮ２１に接続され、ベース（制御端子）がノードＮ２３に接続され、エミッタ（第２端子）が接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。バイポーラトランジスタＱ１３は、ＮＰＮトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１３は、コレクタ（第１端子）がノードＮ２２（カレントミラー回路１１）に接続され、ベース（制御端子）がノードＮ２１に接続され、エミッタ（第２端子）がノードＮ２３に接続される。抵抗Ｒ１２は、一端がノードＮ２３に接続され、他端が接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。
電流制限回路１０では、バイポーラトランジスタＱ１３のエミッタ側に流れる電流が抵抗Ｒ１２で電圧降下が発生して、バイポーラトランジスタＱ１４のベースに加わる。バイポーラトランジスタＱ１４のベース・エミッタ間がオンすると、バイポーラトランジスタＱ１３のベース・エミッタ間もオンし、バイポーラトランジスタＱ１３のベースに本来流すべき電流をバイポーラトランジスタＱ１４が横取りする。このため、バイポーラトランジスタＱ１３に流れる電流Ｉｍは、０．６Ｖ／抵抗Ｒ１２の抵抗値を超えることができない。

抵抗Ｒ１２の抵抗値ｒ１２、抵抗Ｒ１２に流れる電流Ｉｍ、熱電圧をＶＴ、飽和電流をＩｓ、エミッタ電流をＩｅ、コレクタ電流をＩｃ、ボルツマン定数をｋｂ、絶対温度をＴ、ベース・エミッタ間電圧をＶｂｅ、電荷量をｑとすると、
Vbe=VT×ln(Ie/Is)・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１１）
VT=(kb×T)／q・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１２）

と表され、バイポーラトランジスタＱ１３のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは温度係数がプラスであり、抵抗Ｒ１２に流れる電流Ｉｍは温度係数がプラスとなる。
電流源１２は、ノードＮ２２（カレントミラー回路１１）と接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓの間に設けられ、一定な電流Ｉｎを接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに流す。このため、ノードＮ２２では、電流Ｉｎと温度係数がプラスである電流Ｉｍの合算電流である電流Ｉｍ＋ｎが流れる。

カレントミラー回路１１は、バイポーラトランジスタＱ１１とバイポーラトランジスタＱ１２から構成され、電流Ｉｍ＋ｎを折り返してノードＮ１０を介してフォトダイオードＰＤ１に出力する。
バイポーラトランジスタＱ１１は、ＰＮＰトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１１は、エミッタ（第１端子）が電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ベース（制御端子）がコレクタ（第２端子）及びノードＮ２２に接続される。バイポーラトランジスタＱ１２は、ＰＮＰトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１２は、エミッタ（第１端子）が電源（高電位側電源）ＶＣＣに接続され、ベース（制御端子）がバイポーラトランジスタＱ１１のベースに接続され、コレクタがノードＮ１０に接続され、コレクタ側から電流Ｉｍ＋ｎを出力する。
ここでは、カレントミラー回路１１をバイポーラトランジスタで構成しているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、２つのＭＯＳトランジスタ構成されるカレントミラー回路、ウィルソン型ＭＯＳトランジスタ構成のカレントミラー回路、カスコード型ＭＯＳトランジスタ構成のカレントミラー回路などを代わりに用いてもよい。

フォトダイオードＰＤ１は、カソードが電流補償回路１ａの出力側（ノードＮ１０）及びトランスインピーダンス回路２の入力側に接続され、アノードが接地電位（低電位側電源）Ｖｓｓに接続される。フォトダイオードＰＤ１は、逆方向に電圧印加され、電流Ｉｎと温度係数がプラスである電流Ｉｍの合算電流である電流Ｉｍ＋ｎ、暗電流、及び光電変換電流が合算された電流信号Ｉｐを発生する。
本実施形態では、温度係数がプラスである電流Ｉｍを用いて、高温動作時に発生するフォトダイオードＰＤ１の電流信号Ｉｐのハイレベルでの信号レベルの低下を補償する。なお、第１の実施形態と同様なので、補償の詳細は説明を省略する。
上述したように、本実施形態の光受信回路では、電流補償回路１ａ、トランスインピーダンス回路２、フォトダイオードＰＤ１を含む。電流補償回路１ａは、電流制限回路１０、カレントミラー回路１１、電流源１２を含む。電流制限回路１０は、バイポーラトランジスタＱ１３、バイポーラトランジスタＱ１４、抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２を含み、電流Ｉｎと温度係数がプラスである電流Ｉｍの合算電流である電流Ｉｍ＋ｎをフォトダイオードＰＤ１に供給する。フォトダイオードＰＤ１は、逆方向に電圧印加され、電流Ｉｍ＋ｎ、暗電流、及び光電変換電流が合算された電流信号Ｉｐを発生して、トランスインピーダンス回路２に出力する。

このため、フォトダイオードＰＤ１の高温時でのハイレベルでの信号レベルを補償することができ、光受信回路２００を低温領域から高温領域まで安定した光受信動作を行うことができる。
第１の実施形態、第１乃至第２の変形例では、電流補償回路にＭＯＳトランジスタを使用しているが必ずしもこれに限定されるものではない。電流補償回路をバイポーラトランジスタから構成してもよいし、ＢｉＣＭＯＳ回路から構成してもよい。
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とその均等の範囲に含まれる。

１、Ｉａ 電流補償回路
２ トランスインピーダンス回路
３ 電圧源回路
４ 電流源回路
１０ 電流制限回路
１１ 電流源
１２ カレントミラー回路
１００、１０１、２００ 光受信回路
ＡＭＰ１ 増幅回路
Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード
Ｉａ、Ｉａｄｄ、Ｉｍ、Ｉｎ、Ｉｍ＋ｎ 電流
Ｉｆ、Ｉｒ 暗電流
Ｉｐ 電流信号
Ｉｐｄ 光電変換電流
Ｎ１〜Ｎ１２、Ｎ２１〜Ｎ２３、Ｎ３１〜３３ ノード
ＮＭＴ１〜４、ＮＭＴ３１〜３４ ＭＯＳトランジスタ
ＰＤ１ フォトダイオード
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１、Ｒ１２、ＲＣ、ＲＥ、ＲＦ 抵抗
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ１１〜Ｑ１４ バイポーラトランジスタ
ＶＣＣ 電源（高電位側電源）
Ｖｋ 電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｖｓｓ 接地電位（低電位側電源）

Claims (8)

1. 温度係数がプラスである第１電流を生成する電流補償回路と、
   光信号を入力して温度係数がマイナスである光電変換電流を含む第１電流信号を生成し、前記第１の電流と前記第１電流信号を合算した第２電流信号を出力するフォトダイオードと、
   負帰還抵抗を有し、前記第２電流信号を入力して電流電圧変換した出力電圧を生成するトランスインピーダンス回路と、
   を具備することを特徴とする光受信回路。
2. 前記電流補償回路は、
   温度係数がプラスである基準電圧を生成する電圧源回路と、
   前記基準電圧を制御端子に入力して前記基準電圧に基づいて前記第１電流を発生する第１トランジスタと、前記第１電流を折り返して前記フォトダイオードに出力するカレントミラー回路とを有する電流源回路と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光受信回路。
3. 前記電流補償回路は、
   電源に接続される第１カレントミラー回路と、
   前記第１カレントミラー回路に接続される第２カレントミラー回路と、
   一端が前記第２カレントミラー回路に接続され、他端が接地電位に接続されるダイオードと、
   前記第１及び第２カレントミラー回路に制御端子が接続され、一端が前記電源に接続され、他端が第３抵抗に接続される第３トランジスタと、
   前記第３トランジスタの他端に生成される電圧を基準電圧とし、温度係数がプラスである前記基準電圧を生成する電圧源回路を
   具備することを特徴とする請求項２に記載の光受信回路。
4. 前記電流補償回路は、
   温度係数がプラスである第２電流を生成する電流制限回路と、
   第３電流を生成する電流源と、
   前記第２電流と前記第３電流を合算した前記第１電流を折り返して前記フォトダイオードに出力するカレントミラー回路と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光受信回路。
5. 前記電流制限回路は、
   一端が電源に接続される第１抵抗と、
   制御端子が前記第１抵抗の他端に接続され、第１端子が前記カレントミラー回路に接続される第１トランジスタと、
   第１端子が前記第１トランジスタの制御端子に接続され、制御端子が前記第１トランジスタの第２端子に接続され、第２端子が接地電位に接続される第２トランジスタと、
   一端が前記第１トランジスタの第２端子に接続され、他端が前記接地電位に接続され、前記第２電流を前記接地電位側に流す第２抵抗と、
   から構成されることを特徴とする請求項４に記載の光受信回路。
6. 前記カレントミラー回路は、２つのトランジスタから構成されるカレントミラー回路、ウィルソン型カレントミラー回路、カスコード型カレントミラー回路のいずれかである
   ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の光受信回路。
7. 前記カレントミラー回路は、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、或いはＢｉＣＭＯＳ回路から構成される
   ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光受信回路。
8. 前記フォトダイオードは、カソードが前記トランスインピーダンス回路の入力側に接続され、アノードが接地電位に接続され、カソード側に前記第１電流を入力する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光受信回路。

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