JP2794916B2 - 増幅回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クランプ機能を有するトランスインピーダ
ンス増幅回路に関するものである。

〔従来の技術〕

光通信は情報化社会の進展に伴って不可欠のものとな
りつつある。一般に光通信では送信側で電気信号を光信
号に置き換え、受信側で再び電気信号に変換するために
半導体素子を用いることが多い。受信側ではその用途に
応じて様々な増幅器の構成が考えられているが、調整が
容易で入力ダイナミックレンジの広いトランスインピー
ダンス型の増幅器と受光素子の組合せがよく用いられ
る。

このようなトランスインピーダンス増幅器と受光素子
を組み合わせた光受信機の従来例を第４図に示す。

この従来例の回路では、受光素子201に光信号が入射
されると光の強さに応じた電流が発生し、増幅器202に
与えられる。そして、増幅された出力信号の一部が帰還
抵抗203を介して増幅器202の入力に逆相の信号として与
えられる。

ところで、トランスインピーダンス回路のダイナミッ
クレンジは比較的大きいが、それでも非常に大きな光信
号が入力された場合には、発生した光電流によって増幅
器の入力端子に過大な入力信号電圧が発生し、出力が飽
和して正常に動作しないという問題があった。この問題
に対して第５図に示すように帰還抵抗251と並行にダイ
オード等の低い微分抵抗を持つクランプ素子252を接続
して、過大な光電流をバイパスさせる方法が考えられ
た。このような回路をGaAsMESFET（ショットキー型電界
効果トランジスタ）に用いた従来例を第６図に示す。

この従来例の回路は、受光素子301に大きな光信号入
力があった場合に、帰還抵抗302と並列に接続したクラ
ンプ素子303が導通状態となる。このために多くの光電
流はクランプ素子303を流れ、過大な入力信号電圧が駆
動用トランジスタ304のゲートに発生することがない。
したがって、高速動作が可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような解決方法でも高速の光通信に用
いるには必ずしも十分とはいえなかった。その理由は次
のとおりである。高速の光通信に用いる増幅回路はクラ
ンプ素子が絶縁状態から導通状態になるための電圧であ
るクランプ電圧を数十mV以下の小さな値に抑え、寄生容
量などによるフィードバック効果で受信の帯域が劣化し
ないようにする必要がある。ところが、第６図の実施例
の回路のクランプ電圧は約0.6Vと非常に高く、さらにこ
のクランプ電圧は並列ダイオードの順方向立ち上がり電
圧で決まってしまうため、電圧値を低く抑えることが難
しかったからである。

〔課題を解決するための手段〕

前記問題を解決するために、本発明に係る増幅回路の
インピーダンス変換回路はインピーダンス変換トランジ
スタと、レベルシフト回路と、クランプ電圧設定素子
と、第１電流源とが電源間において直列に接続され、こ
のクランプ電圧設定素子と第１電流源との接続点を出力
端子とする回路であり、クランプ回路はクランプ電圧設
定素子と第１電流源に対して並列に接続されたレベルシ
フト用素子と第２電流源との直列回路と、一端がこのレ
ベルシフト用素子の第２電流源側端子に接続され、他端
が帰還回路の駆動用トランジスタ側に接続されているク
ランプ素子とを有する。

〔作用〕

レベルシフト用素子間の電圧とクランプ電圧設定素子
間の電圧との差分の電圧が絶えずクランプ素子間に与え
られる。そのため、クランプ素子の持つしきい値電圧か
らレベルシフト用素子間の電圧とクランプ電圧設定素子
間の電圧との差分を引いた電圧が実質的なクランプ電圧
となる。このクランプ電圧はクランプ電圧設定素子を負
荷の異なるものに変更することによって調整できる。

〔実施例〕

以下、添付図面の第１図を参照して、本発明の一実施
例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例であるトランスインピー
ダンス増幅回路を用いたpinフォトダイオード受信器で
ある。本実施例で用いられているトランジスタはすべて
電界効果トランジスタである。本実施例の増幅回路は入
力信号源であるpinフォトダイオード101と、入力信号に
よって電流制御が行われる駆動回路102と、この駆動回
路102からの出力電圧が与えられるインピーダンス変換
回路であるソースフォロア回路103と、レベルシフトさ
れた出力信号の一部が帰還される帰還回路104と、この
帰還回路104に印加される電圧がある値を超えると導通
状態になるクランプ回路105とから構成されている。こ
こで、駆動回路102は駆動用トランジスタ106と負荷トラ
ンジスタ107から構成されている。また、ソースフォロ
ア回路103はソースフォロアトランジスタ108と複数のレ
ベルシフト素子からなるレベルシフト回路109とクラン
プ電圧設定素子110と電流源111とから構成されている。
クランプ電圧設定素子110はレベルシフト回路109によっ
てレベルシフトされた信号電圧をさらに電圧降下させ
る。この電圧降下された信号電圧が出力端子112より出
力される。電流源111はコントロール端子113からゲート
電圧が与えられることによって電流量を調整することが
できる。さらに、クランプ回路105は帰還回路104と並列
に接続されたクランプ素子114とレベルシフト用素子115
と定電流源116とから構成されている。

次に、本実施例の動作について説明する。

pinフォトダイオード101によって光が電流信号に変換
され、この電流信号がトランジスタ106のゲートに与え
られる。トランジスタ106ではこの入力信号に従ってド
レイン電流が変化し、このドレイン電流が負荷トランジ
スタ107を流れることにより、トランジスタ106のドレイ
ンに入力信号が増幅された電圧が発生する。この信号電
圧がソースフォロアトランジスタ108のゲートに与えら
れ、ソースフォロアトランジスタ108、レベルシフト回
路109およびクランプ電圧設定素子110によってレベルシ
フトされた信号電圧が出力端子112に現れる。この信号
電圧の一部が帰還抵抗104を介してトランジスタ106のゲ
ートに逆相の信号として与えられる。帰還抵抗104にか
かる電圧がある値より低い間は、pinフォトダイオード1
01で発生した電流信号は帰還抵抗104を流れる。しかし
帰還抵抗104にかかる電圧がある値を超えるとクランプ
素子114が導通状態となり、この電流信号はクランプ素
子114を流れる。つまり、ある電圧値を境に、帰還抵抗1
04とクランプ素子114とで電流信号の経路が切り替わる
ようになっているのである。したがって帰還抵抗104に
は、過大な電流信号が与えられることはない。

本実施例の動作で特徴的なのは、クランプ電圧が低く
抑えられるように構成されていることである。つまり、
クランプ素子114の低電位側には、出力端子112に印加さ
れる信号電圧に比べてレベルシフト素子115とクランプ
電圧設定素子110の差分だけ低い電圧が与えられる。こ
の電圧によってクランプ素子114の端子間に一定の電圧
が絶えずかかり、相対的にクランプ電圧が低く抑えられ
るのである。また、このクランプ素子114間の電圧は、
コントロール端子113に印加される電圧値を調整するこ
とによって制御できる。つまり、コントロール端子113
に印加される電圧が電流源111に与えられるので、クラ
ンプ電圧設定素子110を流れる電流量が調整され、この
電流量の変化によってクランプ電圧設定素子110間の電
圧が調整される。クランプ電圧設定素子110の高電位側
にはレベルシフト素子115を介してクランプ素子114の低
電位側が、クランプ電圧設定素子110の低電位側には帰
還抵抗104を介してクランプ素子114の高電位側がそれぞ
れ接続されている。そこで、クランプ電圧設定素子110
間の電圧を調整することによって、クランプ素子114間
の電圧を制御できるのである。この制御によって、クラ
ンプ電圧を数十mVの小さな値にすることができる。

なお、クランプ電圧設定素子110は第２図（ａ）、
（ｂ）に示すような構成になっている。クランプ電圧設
定素子110の微分抵抗は帰還抵抗104に比べて低い値に設
定されている。これは、この素子の挿入によって高域で
のフィードバックの遅れが生じ、動作が不安定になるこ
とを避けるためである。またクランプ素子114は第３図
（ａ）〜（ｄ）に示すようなレベルシフト用素子をその
一部に含み、他の回路素子との直列あるいは並列回路が
用いられている。これはハードリミット動作でなくソフ
トなリミット動作をさせるためである。

さらに、本発明はカスコード接続によって帯域の改善
を図った回路や、パイボーラトランジスタを用いた増幅
器などにも適用できる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り、本発明の増幅回路によれ
ば、クランプ素子が絶縁状態から導通状態になるための
電圧値を数十mVの小さな値になるように制御できる。こ
のために、この回路のダイナミックレンジが拡大し、高
速光通信への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る増幅回路の回路図、第
２図はクランプ電圧設定素子の構成例を示す図、第３図
はクランプ素子の構成例を示す図、第４図、第５図は従
来例を示すブロック図、第６図は従来例を示す回路図で
ある。 101……pinフォトダイオード、102……駆動回路、103…
…ソースフォロア回路、 104……帰還抵抗、105……クランプ回路、 106……駆動用トランジスタ、107……負荷トランジス
タ、108……ソースフォロアトランジスタ、109……レベ
ルシフト回路、110……クランプ電圧設定素子、111……
電流源、112……出力端子、113……コントロール端子、
114……クランプ素子、115……レベルシフト用素子、11
6……定電流源。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号によって電流制御が行われる駆動
   用トランジスタと、この駆動用トランジスタに直列に接
   続されこの出力電流を電圧として取り出すための負荷ト
   ランジスタと、高入力低出力インピーダンス特性を持ち
   前記負荷トランジスタによって得られた電圧を入力信号
   とするインピーダンス変換回路と、このインピーダンス
   変換回路の出力端子と前記駆動用トランジスタの入力端
   子との間に接続された帰還回路と、この帰還回路にある
   値を超える電圧が印加されると導通状態になるクランプ
   回路とを備えたトランスインピーダンス増幅回路におい
   て、 前記インピーダンス変換回路はインピーダンス変換トラ
   ンジスタと、レベルシフト回路と、クランプ電圧設定素
   子と、第１電流源とが電源間において直列に接続され、
   このクランプ電圧設定素子と第１電流源との接続点を出
   力端子とする回路であり、 前記クランプ回路は前記クランプ電圧設定素子と第１電
   流源に対して並列に接続されたレベルシフト用素子と第
   ２電流源との直列回路と、一端がこのレベルシフト用素
   子の第２電流源側端子に接続され、他端が前記帰還回路
   の前記駆動用トランジスタ側に接続されているクランプ
   素子とを有することを特徴とする増幅回路。
2. 【請求項２】前記クランプ素子はレベルシフト用素子を
   その一部に含み、他の回路素子との直列あるいは並列回
   路で構成されていることを特徴とする請求項１記載の増
   幅回路。
3. 【請求項３】前記第１電流源の電流量は可変に制御でき
   ることを特徴とする請求項１記載の増幅回路。