JP3123708B2 - 光受信フロントエンドアンプ - Google Patents

光受信フロントエンドアンプ

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JP3123708B2
JP3123708B2 JP09055457A JP5545797A JP3123708B2 JP 3123708 B2 JP3123708 B2 JP 3123708B2 JP 09055457 A JP09055457 A JP 09055457A JP 5545797 A JP5545797 A JP 5545797A JP 3123708 B2 JP3123708 B2 JP 3123708B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、PCM光通信用等
の光受信アンプに関し、特に、大入力光の受光時に飽和
することがない光電気変換回路における光受信フロント
エンドアンプに関する。
【0002】
【従来の技術】光通信の光受信部における増幅器として
は、小さい光信号に対して充分な利得を有するとともに
大きい光信号まで飽和することなく動作することが必要
であるが、この種の従来の増幅器として、例えば特開昭
64ー18304号公報記載の回路が知られている。
【0003】図3は、前記公報記載の増幅器である。同
図の増幅器の構成は、信号光を受けて電流信号に変換す
る受光素子12と、前記受光素子12の光電変換出力を
増幅するエミッタ接地型トランジスタ13と、出力電圧
を発生するコレクタ接地型トランジスタ14とを備え、
トランジスタ14の出力電圧が、非線形帰還回路を構成
する抵抗16及びダイオード17の並列回路によってト
ランジスタ13の入力部に帰還される構成を有する。
【0004】前記増幅器の回路は、高受光信号に対して
以下のような動作を行う。
【0005】受光レベルが増大するに伴い、受光素子1
2からトランジスタ13のベースに供給される電流は大
きくなる。電流が増大するとダイオード17が導通し電
流がダイオードに分流する。この状態では、帰還量を増
加させることと同一の効果をもつことになり、電流ー電
圧変換利得を減少させるので、信号電流が大きい状態、
即ち、受光レベルが大きいときでもトランジスタを飽和
させることなく、増幅動作は安定化される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の増幅器において
は、受光素子からの受光電流が増大した場合に増幅素子
の飽和を防止するために、帰還回路を抵抗とダイオード
の組合せで構成して受光電流の増大時に出力側からの帰
還量を増大させるように構成しているものである。
【0007】しかしながら、前記従来の増幅器の構成で
は、受光電流が増大する場合の対応としてダイオードを
導通させて帰還抵抗を低下させるだけで結果的に飽和を
防止するものであるから、高電流に対する初段トランジ
スタの飽和を充分に抑制することができず、高速且つ確
実に飽和を防止することが可能なものではなかった。
【0008】(発明の目的)本発明の目的は、大受光時
において高速、且つ確実に飽和を防止できる飽和防止機
能付の光受信フロントエンドアンプを提供することにあ
る。
【0009】本発明の他の目的は、回路構成が簡単で且
つ集積化に有利な飽和防止機能付の光受信フロントエン
ドアンプを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の光受信フロント
エンドアンプは、具体的には、受光素子と、前記受光素
子にエミッタ・ベース間が前記受光素子の電流の方向に
対して順方向に接続されたエミッタ接地型トランジスタ
と、前記エミッタ接地型トランジスタの出力を入力とす
るエミッタフォロワ型トランジスタと、前記エミッタフ
ォロワ型トランジスタのエミッタと前記エミッタ接地型
トランジスタのベースの間に接続した帰還抵抗とを備え
受光素子の電流を電圧信号に変換する増幅器と、前記帰
還抵抗にエミッタ・ベース間を前記受光素子の電流の方
向に対して順方向に並列接続しコレクタを基準電位点に
接続した飽和防止用のトランジスタを有する。
【0011】そして、前記エミッタ接地型トランジスタ
はNPN型トランジスタとし、前記飽和防止用トランジ
スタはPNPトランジスタとし、前記飽和防止用トラン
ジスタの閾値は前記エミッタ接地型トランジスタの閾値
より小さくすると好適である。
【0012】(作用)飽和防止用トランジスタは、大受
光信号を入力するとき帰還抵抗を下げるとともに受光電
流の余剰分を基準電位点側に放出して入力エミッタ接地
型トランジスタの飽和を防止する。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0014】図1は、本発明の光受信フロントエンドア
ンプの原理を示す図である。
【0015】同図に示すように本発明の増幅器の基本構
成は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード1
と、入力段に少なくともエミッタ接地型トランジスタを
有する増幅器2と、増幅器2の入出力間に接続された帰
還抵抗3を有する光受信フロントエンドアンプにおい
て、前記帰還抵抗3にエミッタ・ベース間が並列に接続
され、コレクタが基準電位点に接続された飽和防止用ト
ランジスタ4とからなる。前記構成の増幅器は、伝達イ
ンピーダンスが帰還抵抗で表される帰還型トランスイン
ピーダンス回路を構成する。
【0016】前記構成の増幅器は、光信号が受光素子に
入力されるとその光の強度に比例した受光電流が増幅器
に流れ、この電流は帰還抵抗によって電圧信号に変換さ
れる。この時、光信号が小さいときは、帰還抵抗に並列
配置したPNPトランジスタは導通しないため帰還抵抗
がそのままトランスインピーダンス(伝達抵抗)として
電流電圧変換動作(電圧信号=受光電流×帰還抵抗)に
寄与する。
【0017】光入力が大きくなり、受光電流×帰還抵抗
>PNPトランジスタ4のVBE(V2)となるとき、P
NPトランジスタが導通するため、入力電圧信号は制限
されV1>V2の関係より、フロントエンドアンプの飽
和を抑制する。更に、余剰電流はPNPトランジスタの
エミッタ・コレクタ間を介し接地側に放出され飽和を防
止する。
【0018】以上の原理により、本発明の増幅器は、小
受光時には伝達抵抗を劣化させることなく高感度特性を
実現し、また、大受光時には、フロントエンドアンプの
トランジスタを飽和させることを防止し出力のデータエ
ラーを回避することを可能とする。
【0019】図2は、本発明の光受信フロントエンドア
ンプの実施の形態を示す図である。
【0020】本実施の形態は、光信号を電気信号に変換
するフォトダイオード6と、フォトダイオード6に接続
さたエミッタ接地型の初段トランジスタ7、初段トラン
ジスタ7のコレクタにベースが接続されたエミッタフォ
ロア型の次段トランジスタ8と、該次段トランジスタ8
の出力負荷抵抗11から初段トランジスタ7のベースに
接続された帰還抵抗10を有する光受信フロントエンド
アンプにおいて、前記帰還抵抗10にエミッタ・ベース
間が並列に接続され、コレクタが基準電位点に接続され
た飽和防止用トランジスタ9とからなるトランジスタ回
路を電源と基準電位点の間に備える構成を有する。前記
構成のアンプは、入力インピーダンスが低く、伝達イン
ピーダンスが帰還抵抗で決定される帰還型トランスイン
ピーダンスアンプを構成する。
【0021】また、前記構成のアンプにおいて、初段ト
ランジスタ7と飽和防止用トランジスタ9のベース・エ
ミッタ間電圧の関係は、それぞれのベース・エミッタ間
電圧をVBE1及びVBE2としたとき、好適にはVBE1>
BE2のように設定する。
【0022】本実施の形態の動作を説明すると、上述の
構成において、フォトダイオード6は、入力としての光
入力Prに対し電流源として光電気変換動作を行い、受
信光に応じて受光電流Irは、Ir=k×Pr(kは定
数)の関係により流れる。この電流はアンプの入力イン
ピーダンスにより電圧信号として2段のトランジスタに
より増幅され電圧Voとして出力される。
【0023】ここで、受光電流Irが充分に小さいとき
の出力電圧Voは、帰還抵抗をRFとすると、Vo=I
r×RFとして表すことができる。
【0024】一方、光信号入力が高入力状態となり受光
電流Irが増大して、帰還抵抗側の電圧降下がトランジ
スタ7のベース・エミッタ間の閾値電圧に近づくような
受光電流Irがフォトダイオード1から出力されると
き、即ち、Ir×(RF+Ro)≒Ir×RF>VBE
の状態に近づくと、前述の条件(VBE1>VBE2)によ
り、飽和防止用トランジスタ9のベース・エミッタ間閾
値電圧VBE2が初段トランジスタ7のベース・エミッタ
間閾値電圧VBE1より閾値が小さいので、飽和防止用ト
ランジスタ9が導通状態となり、さらに、受光電流Ir
の増加に応じて飽和領域に近づくことになる。
【0025】この状態においては、実質的に帰還抵抗が
低下し帰還量を増大することに加えて、受光電流Irの
増加による余剰電流は飽和防止用トランジスタ9のエミ
ッタ・コレクタ間を通じて接地側に放出することにな
り、飽和防止用トランジスタ9のエミッタ電位がトラン
ジスタ7の閾値電圧VBE1を超えるような高い電位に上
昇することを確実に防止する。したがって、初段トラン
ジスタ7は、そのベース・エミッタ間電圧Viが、Vi
≒VBE2程度にクリップされ、帰還型トランスインピー
ダンス回路を構成する帰還増幅器の飽和による出力Vo
のデータエラー等の発生が防止される。
【0026】以上の実施の形態の説明においては、初段
トランジスタ7はNPNトランジスタ、飽和防止トラン
ジスタ9はPNPトランジスタとしており、一般的にN
PNトランジスタの閾値VBEはPNPトランジスタの閾
値よりも大きいため、前述の条件VBE1>VBE2は同一
ウエハ上に形成されるトランジスタにより満足される。
【0027】また、両トランジスタは、閾値に関してほ
ぼ同一の特性を有しているとしても、飽和防止用トラン
ジスタの飽和前において受光電流Irの余剰電流をトラ
ンジスタ9のコレクタから接地への放出動作が開始され
ることから実質上は初段トランジスタ7の飽和動作は充
分有効に機能することは明らかである。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、高感度を実現するため
にもっとも有効な帰還型トランスインピーダンス回路構
成を採用しながら飽和防止用トランジスタを接続するだ
けで、大受光信号を入力したときに帰還量を増大させる
とともに余剰の受光電流を接地側に放出することがで
き、飽和防止を高速且つ確実に行うことができるため
に、高感度且つ大受光信号も受信可能であり、広いダイ
ナミックレンジが確保できる。
【0029】本発明を実現するための好適な手段とし
て、同一ウエハ内に回路を構成することでトランジスタ
の閾値の前記条件が容易に満たされるから、集積化に極
めて有利である。
【0030】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光受信フロントエンドアンプの原理を
示す図である。
【図2】本発明の光受信フロントエンドアンプの実施の
形態を示す図である。
【図3】従来例の光受信増幅器を示す図である。
【符号の説明】
1、6、12 フォトダイオード 2 増幅器 3、10、16 帰還抵抗 4、9 飽和防止用トランジスタ 5 帰還形トランスインピーダンス回路 7、13 初段トランジスタ 8、14 次段トランジスタ 11、15 負荷抵抗 17 ダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H04B 10/26 10/28

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受光素子の電流を入力とし、少なくとも
    エミッタ・ベース間が前記受光素子の電流の方向に対し
    て順方向に接続された入力段のエミッタ接地型トランジ
    スタと入出力間の帰還抵抗とを備え受光素子の電流を電
    圧信号に変換する増幅器からなる帰還型トランスインピ
    ーダンス回路を有する光受信フロントエンドアンプにお
    いて、前記帰還抵抗にエミッタ・ベース間を前記受光素
    子の電流の方向に対して順方向に並列接続しコレクタを
    基準電位点に接続した飽和防止用のトランジスタを有す
    ることを特徴とする光受信フロントエンドアンプ。
  2. 【請求項2】 受光素子と、前記受光素子にエミッタ・
    ベース間が前記受光素子の電流の方向に対して順方向に
    接続されたエミッタ接地型トランジスタと、前記エミッ
    タ接地型トランジスタの出力を入力とするエミッタフォ
    ロワ型トランジスタと、前記エミッタフォロワ型トラン
    ジスタのエミッタと前記エミッタ接地型トランジスタの
    ベースの間に接続した帰還抵抗とを備え受光素子の電流
    を電圧信号に変換する増幅器と、前記帰還抵抗にエミッ
    タ・ベース間を前記受光素子の電流の方向に対して順方
    向に並列接続しコレクタを基準電位点に接続した飽和防
    止用のトランジスタを有することを特徴とする光受信フ
    ロントエンドアンプ。
  3. 【請求項3】 前記エミッタ接地型トランジスタはNP
    N型トランジスタであり、前記飽和防止用トランジスタ
    はPNPトランジスタであり、前記飽和防止用トランジ
    スタの閾値は前記エミッタ接地型トランジスタの閾値よ
    り小さいことを特徴とする請求項2記載の光受信フロン
    トエンドアンプ。
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