JP2525758B2

JP2525758B2 - 光受信回路

Info

Publication number: JP2525758B2
Application number: JP59178737A
Authority: JP
Inventors: 孝典沢井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-08-27
Filing date: 1984-08-27
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPS6156550A

Description

【発明の詳細な説明】（ア）技術分野本発明は、光受信回路に関する。

光通信システムに於て、光送信機と光受信機とが光フ
アイバよつて結合されている。光受信機には、光信号を
電気信号に変換する光受信回路がある。

送受信される信号がＨとＬの２値しかないデジタル信
号であるものの場合、光受信回路は、電気信号をＨとＬ
の２値に戻すための二値化回路を備えている。

光受信回路は、光を電気に変換する受光素子と、受光
素子の電流を増幅する増幅回路（又は電流電圧変換回
路）と、増幅された信号をある閾値と比較して二値下す
るための二値化回路とを少なくとも含む。

（イ）従来技術とその問題点従来は、電気信号を直流増幅して、これを一定の閾値
と比較して、ＨとＬとを弁別していた。

閾値をここでＺと書く。ＺはＨに対応する信号より低
く、Ｌに対応する信号より高くなければならない。

Ｌに対応する光信号は０なのであるから、これは明確
に決めやすい。しかし、Ｈに対応する信号の強さは予め
決定することができない。発光素子の特性、光フアイバ
の伝送損失、受光素子の性能、光フアイバと発光素子、
受光素子の光軸合わせなどにより、Ｈ信号の強度は多様
である。

そこで、閾値Ｚは、Ｈ信号とＬ信号の中間の高さでな
く、著しくＬ信号のレベルに近いところに設定される。

ところが、Ｌ信号は光が０であるといつても、受光素
子には、暗電流が流れる。温度によつて、暗電流の値は
大きく変動する。このため、閾値は暗電流の最大値より
高く設定しなければならない。

こうすると、反対に微弱なＨ信号を検出できなくな
る。

固定閾値方式の難点は、この他に、光の強度によつ
て、Ｈである時間Th、Ｌである時間Tlの比が変化してし
まう、ということがある。

増幅された電圧信号は、完全に矩形波パルスなどでは
ない。有限の立上り、立下り時間を伴う台形パルスであ
る。固定閾値と比較するものとすれば、光パワーが大き
いほど、Thが長く現われる。Th/Tlが大きくなる。逆に
光パワーが小さいほど、Thが短かくなり、Th/Tlが小さ
くなつてしまう。

送信側のパルス幅と、受信側で再生したパルス幅が同
一でないようになる。つまり、パルスが歪む、という事
になつてしまう。

そこで、本発明者は、固定閾値と、直流増幅した信号
とを比較するのではなく、入力信号をいちど微分して、
微分信号と、微分信号の平均値とを比較する方式を発明
した。

パルスの立上りで微分信号は正、パルスの立下りで微
分信号は否となる。そこで微分信号の平均値（これは実
質的に０である）と、微分信号とを比較すれば、パルス
の立上り、立下りを検出できる。

しかし、もともと、矩形波に近いパルスなのであるか
ら、微分信号はその平均値に近づいてゆく。微分信号と
平均値とが等しくなると、比較回路は誤動作する。微分
信号Ｄが、平均値Ａに上から近づいた場合、Ｄ→Ａにな
つてもなおＤ＞Ａという大小関係を保持するものとし
て、比較回路は出力を与えなければならない。

微分信号Ｄが、下から平均値Ａに近づいた場合、Ｄ→
ＡになつてもなおＤ＜Ａという大小関係を保持するもの
として、比較回路は出力を与えなければならない。

そこで、比較回路の入力に一定のヒステリシス電圧を
与えることにした。これは、微分信号Ｄに加えてもよい
し、平均値Ａに加えてもよい。

ヒステリシスをΔと書く。

（ｉ）微分信号Ｄに加える場合。Ｄ＞Ａであれば、Ｄを
（Ｄ＋Δ）とする。ＤがＡに近づいても、（Ｄ＋Δ）は
Ａより大きい。

Ｄ＜Ａであれば、Ｄを（Ｄ−Δ）で置き換える。Ｄが
Ａに等しくなつても、（Ｄ−Δ）はなおＡより小さい。

（ii）ヒステリシスを平均値Ａに加える場合。

Ｄ＞Ａであれば、Ａを（Ａ−Δ）とする。Ｄ＜Ａであ
ればＡを（Ａ＋Δ）とする。このように（ｉ），（ii）
いずれを採用してもよいが、Δが大きすぎると、微弱な
入力信号に対して感じなくなるので、小さい方がよい。
しかし、小さすぎると、比較回路が誤動作しやすくな
る。そこで、＋mV〜数＋mV程度のΔの値を採用する。

このように、ヒステリシス±Δを、微分信号Ｄ、又は
平均値Ａに加えて両者を比較する回路を、本発明者は、
簡単に、ヒステリシス付きコンパレータと呼んでいる。
ここで重要なことが２つある。

（１）ひとつは、平均値Ａを厳密に得る、という事であ
る。微分信号Ｄの平均値を得るのであるから、抵抗とコ
ンデンサを直列に接続した平滑回路（遅延回路又は積分
回路ともいう）を通せば良い、と思われよう。

平滑回路が、厳密に微分信号Ｄの平均値を与えるため
には、抵抗Ｒとコンデンサの値Ｃの積CRが、微分信号の
繰返し周期より、ずつと大きい値であるのでなければな
らない。

光受信回路はデイスクリートな素子を組合わせて作る
のではなく、１つのモノリシツクICにしたい、という強
い要求がある。ICチツプの上に作成できる抵抗の値は上
限があつて、数十Ω程度までである。すると、CRを大き
くするため、コンデンサＣは0.1μＦ〜数μＦのものが
必要ということになる。

シリコンチツプの上に作ることのできるコンデンサ
は、数pF程度である。0.1μＦのコンデンサというと、
外付けコンデンサを使わざるを得ない。外付け部品は少
い方がよく、理想的には全くない方がよい。このように
大きい容量のコンデンサを使わずに、平均値Ａを求めた
い。

（２）いまひとつ重要なことは、ヒステリシスの正負の
絶対値が等しい、という事である。＋Δと−Δのヒステ
リシスが非対称であると、大きい方の値で、入力信号の
ダイナミツクレンジの下限が制限され、小さい方の値
で、誤動作のマージンが決定されるからである。

（ウ）目的（１）モノリシツク化できる光受信回路を与える事。受
光素子、増幅回路、ヒステリシス付きコンパレータな
ど、一切をひとつのシリコンチツプの上に製作できるよ
うにすることである。

つまり、微分信号の平均値を得るため、抵抗とコンデ
ンサよりなる平滑回路を用いない。

（２）ヒステリシス付きのコンパレータに於て、入力の
いずれかに与えられる正負のヒステリシスの絶対値が厳
密に等しくなるようにする。

（３）ダイナミツクレンジの広い光受信回路を与えるこ
と。微少振幅の光信号であつても、正しく二値化する、
ということである。

（エ）構成第１図によつて、本発明の光受信回路の全体の構成を
説明する。全体は、モノリシツクICとなつている。

受光素子１は、pin又はpn接合を逆バイアスしたホト
ダイオードである。光フアイバの中を伝送されたデジタ
ル光信号は、ホトダイオード１に入射し、光強度に比例
した光電流Ipを生ずる。

電流電圧変換回路は、光電流Ipを増幅して、電圧信号
Ｖとする。

これに続く遅延回路３と、第１差動増幅回路４は微分
信号dV/dtを発生するものである。微分信号Ｄと書く。

遅延回路は、信号Ｖ（ｔ）が入った時、これを遅延さ
せるもので、コンデンサと抵抗によつて構成することが
できる。遅延時間をτとする。遅延回路の出力には、形
式的に書けばＶ（ｔ−τ）で現わされる信号が得られ
る。

第１差動増幅回路４は、２つの入力、Ｖ（ｔ）と、Ｖ
（ｔ−τ）とを差動増幅する。出力は、この差に比例す
るものである。従つてこれはＶ（ｔ）の時間微分に比例
する。つまり、第１差動増幅回路４の出力は微分信号Ｄ
を与える。

第１差動増幅回路４と並行して、これと全く同じ回路
構成を有する第２差動増幅回路５が、電流電圧変換回路
２に続いて設けられる。ただし、２入力ともに電流電圧
変換回路の出力Ｖ（ｔ）につながつている。遅延回路３
を欠いている。

第２差動増幅回路５は微分信号Ｄの平均値Ａを与える
ものである。

こうして、微分信号Ｄと、その平均値Ａが得られる。
これを、ヒステリシス付コンパレータ６に入力して両者
を比較する。ヒステリシスΔを与える方法は既に説明し
たとおりである。Ｄ＞Ａなら、（Ｄ＋Δ）とするが、
（Ａ−Δ）とし、Ｄ＜Ａなら（Ｄ−Δ）とするか、（Ａ
＋Ｄ）とするものである。

ヒステリシス付コンパレータ６の後段には適当な電
圧、適当なインピーダンスに信号を整形するための回路
が設けられる。

遅延回路３、第１差動増幅回路４は、微分信号を得る
ためのものである。機能に着目し、この部分を微分回路
８と呼ぶこともある。

第２差動増幅回路５は、微分信号と比較されるべき基
準電位を発生するためのものである。そこで、この部分
を基準電位発生回路９と呼ぶことこともある。

（オ）実施例第２図は本発明の実施例に係る光受信回路の、受光素
子１、電流電圧変換回路２、微分回路８（遅延回路３と
第１差動増幅回路４）、基準電位発生回路９（第２差動
増幅回路５）までの回路図である。これは、微分回路８
が微分信号Ｄ（第２図ではｆ）を与え、基準電位発生回
路９がその平均値Ａを与えるところまでを示している。

第３図はコンパレータ、出力段の部分を示す。第２
図、第３図は一連の回路図であるが、紙面の置きさに限
りがあるので、２面に分けて示している。

トランジスタには、Q,Tの表示に数字を付して表わし
ている。抵抗はR,Pに数字を付して示す。

多くの部分でトランジスタはＱ、抵抗はＲで表わされ
ている。ただし、基準電位発生回路９では、トランジス
タはＴ、抵抗はＰで示される。基準電位発生回路９は、
遅延用のコンデンサC2を欠くとう事を除き、微分回路８
と同じ回路となつている。そこで、微分回路のトランジ
スタＱ、抵抗Ｒと対応するトランジスタ、抵抗をT,Pの
表示と、同じ対応数字を付して示すことにした。

以後、トランジスタＱ……、抵抗Ｒ……、と書くこと
もあるが、簡単のため、トランジスタ，抵抗の語を省略
して、Ｑ……、Ｒ……と書くこともある。

以下、回路の構成，動作をブロツクごとに説明する。

（１）受光素子１ホトダイオードPDが逆バイアスされている。アノード
が接地されている。光フアイバから光が入射すると、光
強度に比例した電流がカソードからアノードへ流れる。

（２）電流電圧変換回路２ホトダイオードの光電流の大きさに比例した電圧を生
ずるものである。トランジスタQ1〜Q4,Q32,33,Q47,Q48,
Q64など、抵抗R35〜R37,R16〜R18などがこれを構成す
る。

ホトダイオードPDのカソードは、トランジスタQ1のベ
ースにつながつている。同じカソードは、抵抗R1、コン
デンサC1、トランジスタQ65の並列体によつて、トラン
ジスタQ4のエミツタｂに接続してある。Q65のコレク
タ、ベースは接続されダイオードになつている。

Q2,Q3,Q64はコレクタ、ベースの接続されたトランジ
スタで、Q1とアースの間に直列接続されている。Q1のエ
ミツタに接続された３つのトランジスタは、ベース・エ
ミツタ降下分を得るためのものである。Q1のベースは、
Q1自身も含めて、４つ分のトランジスタのベース・エミ
ツタ降下電圧が生ずる。これがPDにかかる逆バイアスで
あり、約2.4V程度である。

Q1のコレクタは、定電流回路を介して電源Vccにつな
がつている。

定電流回路は、Q47,Q48,R35〜R37よりなるQ47はpnpト
ランジスタで、抵抗R36,R35を経て電源とアースにつな
がつている。コレクタ、ベースは接続してあり、ダイオ
ードと等価である。

Q48もpnpトランジスタで、Q47とベース同士でつなが
つている。Q48のエミツタはアーム37を介して電源につ
ながつている。コレクタは、Q1のコレクタ、Q2のベース
ａにつながつている。

Q47のコレクタ（ベース）電圧が、電源電圧を、R36、
ベース・エミツタ降下、R35で分圧した、R35に対応する
電圧であるから、一定値として定まる。このためQ48の
ベースが一定電圧になる。つまりQ48のエミツタも一定
の電圧になる。エミツタと電源の間はR37があり、これ
に加わる電圧が一定なのであるから、これに流れる電流
は一定である。

この回路では、同様な定電流回路が、多数用いられて
いる。以後は、定電流性についての説明を省略する。

定電流回路が接続されているため、Q4のベース、Q1の
コレクタ、Q48のコレクタの合流点ａの電圧は、それら
だけでは決まらない。

PDに光電流ｉが流れると、これとR1の積iR1だけのQ4
のエミツタｂが持ち上がる。Q4のベースａは、ｂよりベ
ース・エミツタ降下分だけ高い事になる。

つまり抵抗R1が、光電流ｉを電圧信号ｂに変換する。

Q1のコレクタ電流は一定であるから、ベース電流も一
定である。ベース電流は抵抗R1を介し、Q4のエミツタか
ら与えられる。PDの光電流が増加すると、抵抗R1を流れ
る電流がPDへ余分に流れ、Q1のベース電流が不足する。

Q1のコレクタａが上昇し、Q4のエミツタ電圧ｂを引上
げる。このためR1を流れる電流が、光電流の増加分だけ
増える。Q1のベース電流はもとの値に戻る。

こういうサイクルの動作が瞬時になされる。このた
め、ｂ点の電圧はiR1と定数の和となる。

ｂ点の電圧をｂと簡単に記す。以下同様に、アルフア
ベツトの小文字は、回路の結合点、またはその電圧を指
すものとして使う。

ｂ＝iR1＋（定数）（１） C1は発振を防止するための数pFのコンデンサである。
Q65は、光強度が大きい時に、ｂ点とPDのカソードを接
続し、ｂ点に対数特性を与えるものである。光強度が大
きい時、Q65がないと、出力ｂが飽和するので、パルス
が歪んだり、応答速度が低下したりするので、これを防
ぐためのものである。（１）式は微弱信号から中程度の
信号の時に成立し、大信号の時はQ65のために（１）式
のようにはならない。

（３）微分回路８微分回路は、通常のように、接地した抵抗にコンデン
サを接続したものを用いるのではなく、逆に信号の一部
を遅延（ｄ）させ、原信号（ｃ）との差動増幅を行い、
微分信号を得ている。

電圧信号ｂは、同一の抵抗R2,R3を経て、差動増幅回
路４を構成するトランジスタQ5,Q6のベースに入る。

差動増幅回路を構成するQ5,Q6,Q7は、Q5,Q7、及びQ6,
Q8がダーリントン接続され電流増幅率を高めている。つ
まり、Q7,Q8のベースとQ5,Q6のエミツタが接続されてい
る。

Q7,Q8のエミツタは共通で、トランジスタQ36のコレク
タ・エミツタ、抵抗R22を経て接地される。

Q5,Q6のエミツタは、同様にQ43,Q42のコレクタ・エミ
ツタ、抵抗R30,R29を経て接地される。

Q36,Q42,Q43はQ63とともに定電流回路を構成する。Q6
3はR55,R56により電源、アースにつながつており、コレ
クタ・ベースが互に接続されている。Q63によつて、Q3
6,Q42,Q43は、定電流回路となる。

Q36は、トランジスタQ7,Q8に電流が流れるが、この和
を一定に保持する。

Q5,Q6にはｂ点の信号が与えられるが、Q5のベースｃ
にはそのまま入り、Q6のベースｄには、コンデンサC2に
よつて遅延された信号として入る。R3,C2が遅延回路３
を構成している。C2は、Q6とアースの間に設けられる。
このためｄ点の信号は、ｃ点の信号より、C2を充放電す
る時間τだけ遅れる。

Q5,Q6,Q7,Q8よりなる差動増幅回路は、原信号ｃと、
遅延信号ｄの差を増幅するのであるから微分回路となる
のである。

出力は、Q8のコレクタに抵抗R4を接続し、コレクタｅ
の電圧からとつている。

ｂ点の電圧の変化分が１であつたとする。ｃ点の変化
分はそのまま１である。しかし、ｄ点の変化分は（１−ｅ_-t／τ）（２）という変化をする。遅延回路の時定数τは、R3とC2の積
で与えられる。

ｃとｄを差動増幅した出力ｅは、ｅ∝ｅ_-t／τ （３）となる。これは微分である。ｂの変化が増加の時は、正
のパルス、減少の時は負のパルスが生ずる。

ｂが一定値で、無変化の時は、出力ｅはある一定値を
とる。

これを例えば中間値と呼ぶ。

ｂの変化が、増加方向であつても、減少方向であつて
も、増幅率が殆ど変わらない。ｄ点で、Q6,Q8のベース
へ流れる電流があるが、これは２段接続したトランジス
タであり、極めて微少な電流である。

従つて、増幅率が上下で等しい。

微分値（（３）式で示されるような微分）を時間平均
すれば、これは消えてしまう。つまり、ｅ点の電圧の平
均値は、微分値の平均値が消えてしまうことから、結
局、微分値が０である時の値に等しい。これは、先に定
義した中間値である。

中間値を与えるにはｂ点の変化がない、という事によ
つてきまる。ｂ点の電圧変化があるということは、c,d
の電圧変化がある、という事である。ｃ＝ｄであれば、
ｂ点が変化していないという事である。

だとすれば、常にｃ＝ｄとなるような、微分回路と同
じ回路があれば、ｅ点の電圧の中間値を得ることができ
る。このような考察に基づいて、本発明では基準電位発
生回路を設けている。

ｅ点以後の回路は、インピーダンス変換、電圧移行の
ためのものである。

Q37,R22,Q24,Q41,R28は定電流回路である。Q9のベー
スにｅ点につながれ、Q9のコレクタは電源につながれて
いる。エミツタはQ41のコレクタに接続される。

エミツタｆから出力を取つている。ｅ点より、ベース
・エミツタだけ電圧が低く、エミツタフオロワーである
から、インピーダンスが低くなつている。

（４）基準電位発生回路コンデンサC2を欠く他は、全て微分回路８と同一であ
る。

T5,T6のベースに抵抗P2,P3が経て、電圧信号ｂが入力
される。コンデンサがいずれのベースにもついていない
から、ベースy,zの電圧は等しい。常に等しい。これが
重要な点である。

T5,T7及びT6,78がダーリントン接続されているのも同
じである。

T5のエミツタ、T6のエミツタはT43,T42,P30,P29によ
つて定電源が流れるようになつている。

定電流性を与えるのは、P55,P56,T63などにより、ベ
ース電圧が決まることによる。

第２差動増幅回路５は、T5,T6,T7,T8,T36,T22などよ
りなる。T36,P22も定電流回路を作つている。この定電
流をI_sとする。

常にｙ＝ｚであるから、T8のコレクタ電流はI_sの半分
である。コレクタｗには抵抗P4が接続してあるが、ｗ点
の電位は Vcc−ｗ＝P₄I_s/2 （４）である。

微分回路の定数は、基準電位発生回路の定数に等しく
してある。Q36の定電流はI_sであり、R4＝P4である。

従つて、ｃ＝ｄの時のｅ点の値、つまり中間値は、基
準電位発生回路の定電位ｗに等しい、ということにな
る。

ｅ点の平均値を求めたいのである。微分回路（（３）
式の意味で）の場合、どのように出力変動があつても変
動分の時間平均は０である。これは微分の特殊性であ
る。

したがつて、平均値は、ｃ＝ｄとして定義した中間値
に等しい。

（微分の平均値）＝（中間値）（５）である。ｅの中間値はｗの値に等しい。従つて、ｗの電
圧は、微分回路のｅ点の平均値を与える。

ｅの電圧を、積分回路（平滑回路）を通すことでな
く、平均化できる。本発明のひとつの特徴である。微分
回路であるから、可能なのである。

T9の役割はQ9と同じである。ｗをベース・エミツタ降
下分だけ降圧し、インピーダンスを下げている。こうし
て、一定基準となる出力ｘを得る。微分信号Ｄがｆに現
われ、その平均値Ａがｘに現われる。

第４図に第２図、第３図の各接続点の電圧波形を、直
流分や振幅の差異を無視して示す。

（５）ヒステリシス付のコンパレータ第３図に於て、Q13,Q14がコンパレータである。ヒス
テリシスは、もうひとつの差動増幅回路Q15,Q16によつ
て与えられる。

この回路には、微分信号ｆと、平均値ｘが入力され
る。ヒステリシスはx,kの間の抵抗R8を正負方向に電流
を流すことによつて与える。

そこで、まず、j,kを比較するコンパレータについて
説明する。

Q13,Q14のエミツタは、共通で、Q45のコレクタに接続
してある。Q45,Q33は定電流回路I_tを作つている。

Q45の定電流性は、Q44,R32,R31などによつて与えられ
る。

Q13,Q14のコレクタは、それぞれ別異の定電流回路に
接続してある。Q52,Q53,Q62が定電流性を与える。３つ
ともpnpトランジスタである。R54,R31,R32と、これらの
間に、コレクタ、ベースが接続されたトランジスタQ62,
Q44が直列に接続してある。

Q62のコレクタと、Q52,Q53のベースが接続してあり、
Q52,Q53のエミツタにR42,R43がつないであるから、Q52,
Q53のコレクタ電流が一定になり、定電流回路になる。

Q52,Q53の定電流と、Q45の定電流の比は、（R43＝R4
2）によつて与えられる。これを１とするには、例えば、 R33＝R43＝R42 R32＝R54 とすれば良い。

Q13,Q14のコレクタ電流の和が、Q45の定電流I_tに等し
い。

Q13,Q14のコレクタは、抵抗が負荷なのではなく定電
流回路が負荷なのであるから、それだけでは電圧が定ま
らない。Q13,Q14のコレクタl,mは、実は、抵抗R10,R11
とトランジスタ列Q17〜Q20,Q22〜Q25によつて決定され
る。

差動増幅基準Q13,Q14に於て、ｉ＞ｋであれば、Q13が
オンになる。Q14はオフである。Q13にI_tが流れる。Q5
2、Q53の定電流もI_tにほぼ等してしておく。すると、Q5
2の定電流はトランジスタQ22……の方へ流れる。Q53の
定電流は、Q13へ全て流れ、Q17……の方へは流れない、
とうことになる。

ｊ＜ｋであれば、Q13がオフ、Q14がオンとう事にな
る。Q14にI_tだけ流れ、Q13は流れないから、ｌ点から電
流は、Q17の方へ流れる。Q45,Q52,Q53の定電流を等しく
しておけば、ｊとｋの大小により、いずれかのトランジ
スタQ13,Q14の択一的にオン、オフ変化する。

ヒステリシス付与回路は、差動増幅回路Q15,Q16と、x
k間に接続された抵抗R8とよりなる。

コンパレータの出力は、コレクタl,mから取り出して
いる。これを４つのトランジスタQ17〜Q20でベース・エ
ミツタ分だけ降圧する。これは４つあつて、コレクタ、
ベースがつながれているから約2.4Vだけ電圧が低下す
る。l,mからこれだけ降圧したn,oをQ15,Q16のベースに
入れる。トランジスタ列Q17〜Q20,Q22〜Q25は同じトラ
ンジスタであり、バランスするようになつている。これ
らは、抵抗R10,R11によつて接地される。

抵抗R10,R11には、定電流回路Q53,Q52の電流が流れ
る。I_tの電流が流れると、n,oの電圧は、R10（＝R11）
だけ持ち上る。

もしも、Q52,Q53,Q45の定電流を等しくI_tとすると、R
10,R11のいずれか一方はI_tの電流が流れ、他方は電流が
流れないことになる。

｛n,o｝＝｛0,R10I_t｝（６）となる。括弧は、左辺のいずれかが、右辺のいずれかに
択一的に等しい、という意味である。

Q15のコレクタは電源に直結してある。Q16のコレクタ
は、Q14のベースｋ、Q51のコレクタに接続してある。

Q51は定電流回路I₀を構成する。Q51のエミツタはR41
により電源につながれ、ベースは、Q60によつて一定電
圧が与えられる。I₀が常に流れるQ51は、抵抗R8、Q16の
コレクタ、Q14のベースにｋ点でつながつている。ｋ点
で、I₀が択一的に流れるようにし、これにより、正負の
ヒステリシスをｋ点に発生させるのである。

Q14のベースに流れる電流が微少であるから、I₀は、R
8を流れる（Ih）か、Q16にコレクタ、エミツタへ流れる
かである。Q16,Q15は定電流回路I₁につながつており、
これらは排他的にオン・オフ動作する。そこで、I₁が２
倍であるように決めておく、 I₁＝２I₀ （７）である。

この条件の下で、Q15がオン、Q16がオフの時、I₀は抵
抗R8を通じてｋからｘの方向へ流れるｘ点を基準とし
て、ｋ点の電圧は、R8と電流I_hの積だけ高くなる。

ｋ−ｘ＝R₈Ih （８）である。Ihはｋからｎへ流れる方向を正にしている。

前述の条件で、 Ih＝I₀ （９）となる。（８）式から、これはｘに対し、ｋを持上げる
正のヒステリシスを与えることが分る。

Q15がオフ、Q16がオンの時は、Q16にI₁だけの電流が
流れなければならないが、I₀から流れるだけでは不足で
あつて、抵抗R8からQ16へ流れる分が必要である。この
時、R8の電流Ihは、 Ih＝（I₀−I₁）（10）である。これは負であつて、（８）式に代入すると負の
ヒステリシスを与えることが分かる。正負のヒステリシ
スが等しいためには、この時 Ih＝−I₀ （11）でなければならない。こうなるためには、（７）式のよ
うにI₀，I₁を決める必要がある。

I₀，I₁の定電流性を規定するのは、直列につないだR5
1,Q60,R52、Q61,R53である。Q60はpnpトランジスタ、Q6
1はnpnトランジスタで、コレクタ、ベースがそれぞれ接
続されている。

（７）式のようにするには、のように抵抗の比を決定すればよい。

ヒステリシス付きコンパレータの動作を説明する。入
力は、微分信号ｆと、平均値ｘとであり、出力は０であ
る。

（ｉ）ｆ＞ｘであるとする。

パルス立上りに対応し、ｆが正のパルスとして現われ
たとする。この差がヒステリシスΔ（R₈とI₀の積）より
大きいとする。

するとｊ＞ｋとなる。Q13に電流I_tが流れる。Q53の電
流が全て、Q13からQ45に流れ、ｌ点は下り、ｌ点からQ1
7へ電流は流れない。

Q14はオフであるから、Q52の電流はｍ点からQ22〜Q25
を経てR11に流れる。ｏ点の電圧がR11I_tになる。ｎ点の
電圧は０である。つまり、ｏ点はＨレベルになる。

ヒステリシスは次のようになる。ｏ点が高く、ｎ点が
低いので、Q15はオフ、Q16がオンになる。

抵抗R8には（−I₀）の電流が流れる。つまり、ｘから
ｋへI₀の電流が流れ、Q51のI₀と合流し、Q16から、Q46
（I₁）へと流れるのである。

ヒステリシスは負であつて、ｋ点の電位はｋ＝ｘ−Δ （13） Δ＝I₀R8 （14）である。ｆの値が減少し、Ｘに等しくなつても、ヒステ
リシスがあるから、ｊ＞ｋのままである。この状態は、
ｆがｘよりもΔ以上小さくなるまで保たれる。

（ii）ｆ＜ｘであるとする。

パルス立下りに対応し、ｆが負のパルスとして（Δよ
り大きい絶対値を有する）現われたとする。

ｊ＜ｋとなる。

Q14に電流I_tが流れる。Q52の全電流がQ14に流れるの
で、R1に電流は流れない。ｏ点の電圧は０である。つま
り、ｏ点はＬレベルである。

ヒステリシスは次のようになる。Q13がオフであるか
ら、ｌ点からQ53の電流I_tは全て、Q17〜Q20,R10へ流れ
る。ｎ点はR₁₀I_tになり、Q15がオンになる。Q16はオフ
である。Q15にI₁が流れる。Q51の電流I₀は、全て抵抗R8
へ流れる。Ih＝I₀となる。ｋ点がｘ点より高い。つまり
正のヒステリシスを得る。

ｋ＝ｘ＋Δ （15）である。

ｆが増加し、ｘに等しくなつても、ヒステリシスがあ
るから、ｊ＜ｋのままである。出力ｏはＬレベルのまま
である。

（６）出力段後段の素子の論理レベルに合致させるためのもので、
ここではTTLに適合させるようにしている。

ｏ点のＨレベルは、（R11I_t）で、Ｌレベルは０であ
つた。ただし、これは、Q52,Q53,Q45の定電流を等しい
とした場合の値である。Q52,Q53とQ45の定電流の値が異
なつていても、前記のヒステリシス付きコンパレータは
動作する。上記の説明は、理想的な場合を単純化して述
べている。Ｌレベルは、完全に０である必要はないが、
ベース・エミツタ降下分より低くあることが要求され
る。これは、降下用トランジスタ列Q17……,Q22……の
数を増減すれば常に実現できる条件である。

ｏ点は、Q27のベースにつながれる。Q27のエミツタは
R12を介して接地される。Q27のコレクタは、定電流回路
用pnpトランジスタQ50に接続してある。

R38,R39,コレクタ、ベースのつながれたQ41は、Q50の
ベース電圧を決定する。R40が、Q50とともに定電流を与
える。

Q27のコレクタｑは、Q28のベースに接続してある。Q2
8のエミツタｒは、R14を介してアースにつながつてい
る。コレクタｓはR13を介し電源につながつている。

３段目の３つのトランジスタQ29,Q30,Q31はエミツ
タ、コレクタが直列に接続されている。

Q29のコレクタはR15を経て電源につながり、ベースは
Q28のコレクタｓに接続してある。

Q31のエミツタは接地してあり、ベースは、Q28のエミ
ツタｒに接続してある。

Q29のエミツタにはQ30のコレクタ、Q31のコレクタに
はQ30のエミツタがつないである。

Q30のコレクタ、ベースは接続されており、ダイオー
ドとして機能する。

Q30のエミツタ、Q31のコレクタの接続点ｖが出力Vout
である。

Q30は、VoutにVcc以上の電圧が加わつたときに、Q29
を保護する。またQ30は、Q28が飽和し、s,r間の飽和電
圧が有限であるとしても、ベース・エミツタ降下分だ
け、Q29のエミツタを押上げ、Q29がオンになることを阻
止している。

出力段の動作は次のようである。

（ｉ）ｏ点がＨレベルであるとする。Q27はオン、Q28
はオフになり、Q29はオン、Q31はオフになる。つまりVo
utは“H"になる。

（ii）ｏ点がＬレベルであるとする。Q27はオフであ
る。Q28はオン。Q29はオフ、Q31はオンになる。Voutは
“L"になる。

このように、l,n,q,r,uは直流レベルを除けば、ほぼ
同じ動作をする。

同様にm,o,s,vも直流レベル、振幅を除けば、同じ動
作をする。

それぞれ、第４図（４），（５）にまとめて波形図を
示した。（６）はヒステリシス（ｋ−ｘ）を示してい
る。

（カ）効果（１）モノリシツクに光受信回路を一体のものとして、
製作することができる。コンデンサは、小容量のものし
かないので、半導体チツプ上に製作できる。外付けコン
デンサがない。微分回路の出力Ｄの平均値Ａを求めるた
めに、平滑回路を用いるのではなく、微分回路からコン
デンサC2を除いて他は全く等しい基準電位発生回路を用
いているからである。

（２）ダイナミツクレンジの広い光受信回路を提供す
る。いつたん微分してからヒステリシス付きコンパレー
タによつて二値化しているからである。ヒステリシスは
10mV程度でよいが、ヒステリシス以上の微分高さがあれ
ば全て検出できる。

（３）正負のヒステリシスを等しくすることが容易であ
る。定電流回路のI₀，I₁の定電流性は、直列体のR51,Q6
0,R52,Q61,R53によつて与えられるが、直列体にしてい
るから精度よく、２I₀という関係を与えることができ
る。

正負のヒステリシスが等しいので、ダイナミツクレン
ジの下限を可能な限り下へ拡げることができる。

（４）パルス歪を小さくできる。

微分回路を通すことにより、入力パルスの変化点の中
心を正しく検出でき、立上り立下りに関して対称である
からである。

（５）受光素子の暗電流の影響をキヤンセルできる。

微分回路を通すので、直流成分をカツトできるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のモノリシツク光受信回路のブロツク
図。第２図は本発明の実施例にかかる光受信回路の電流電圧
変換回路、微分回路、基準電位発生回路の回路図。第３図は同じもののヒステリシス付きコンパレータ、及
び出力段の回路図。第４図は回路中の各部の波形図。１……受光素子２……電流電圧変換回路３……遅延回路４……第１差動増幅回路５……第２差動増幅回路６……ヒステリシス付きコンパレータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トランジスタQ1のエミッタに２個以上のコ
レクタ・ベース間を接続したトランジスタQ2、Q3、……
又はダイオード列を順方向に接続し、Q1のベースには、
ホトダイオードPDを逆バイアス接続し、トランジスタQ4
のエミッタとホトダイオードPDとを抵抗R1とコレクタ・
ベースの接続されたトランジスタQ65又はダイオードで
接続し、Q4のエミッタは定電流回路を介して接地してあ
り、ホトダイオードの光電流に対応する電圧信号をQ4の
エミッタ電圧ｂに変換する電流電圧変換回路２と、この
回路の信号電圧ｂを抵抗R3とコンデンサC2を通して遅延
する遅延回路３と、信号電圧ｂを抵抗R2を通して導いた
原信号に比例する信号ｃと、遅延信号ｄとを差動増幅す
る第１差動増幅回路４とよりなる微分回路８と、微分回
路８からコンデンサC2を取り除いた他は全く同一の回路
構成からなり、信号電圧ｂを２入力に入力する第２差動
増幅回路５を有する基準電位発生回路９と、エミッタが
共通で定電流回路I_tに接続されコレクタにはそれぞれ定
電流回路が接続されたトランジスタQ13、Q14よりなり、
Q13のベースｊは微分回路８の出力ｆに抵抗R9を介して
つながり、Q14のベースｋは基準電位発生回路９の出力
ｘに抵抗R8を介してつながるコンパレータと、エミッタ
が共通で定電流回路I₁を介して接地され、ベースｎ、ｏ
は抵抗R10、R11を介して接地されるとともに適数個のコ
レクタ・ベース間を接続したトランジスタ列Q17、……Q
22、……又はダイオード列を介してトランジスタQ13、Q
14のコレクタｌ、ｍに接続されているトランジスタQ15,
Q16よりなり、Q15のコレクタは電源に、Q16のコレクタ
は電源につながる定電流回路I₀と、Q14のベースｋにつ
ながっており、かつ２I₀＝I₁となるよう定電流回路I₀、
I₁が定められているヒステリシス付与回路と、コンパレ
ータの出力ｌ又はｍを増幅しＨ又はＬの一定レベルの電
圧として出力する出力段とよりなる事を特徴とする光受
信回路。
【請求項２】抵抗R54、コレクタ・ベースの接続されたp
npトランジスタQ62、抵抗R31、コレクタ・ベースの接続
されたnpnトランジスタQ44、抵抗R32の直列体を電源、
アース間に設け、R43及びQ53よりなる定電流回路のQ53
のベース電圧と、R42及びQ52よりなる定電流回路のQ52
のベース電圧とをQ62のコレクタ・ベースによって与
え、Q45と抵抗R33よりなる定電流回路I_tのQ45のベース
電圧をQ44のコレクタ・ベースによって与えることと
し、抵抗R51、コレクタ・ベースの接続されたpnpトラン
ジスタQ60、抵抗R52、コレクタ・ベースの接続されたnp
nトランジスタQ61、抵抗R53の直列体を電源、アース間
に設け、R41、Q51よりなる定電流回路I₀のQ51のベース
電圧をQ60のコレクタ・ベースによって与え、R34、Q46
よりなる定電流回路I₁のQ46のベース電圧をQ61のコレク
タ・ベースによって与えることとした特許請求の範囲第
（１）項記載の光受信回路。