JP3283034B2 - 非線形増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、一般に、デジタル機能へのデータ転送のた
めの光通信用受信器に関するものである。

［従来技術とその問題点］ 情報の光伝送は、ファイバーオプティクス、発光ダイ
オード（LED）、及び、光検出器の出現と共に、しだい
に普及の度を増してきた。典型的な通信経路には、電気
信号が光信号に変換される起点（origin）と；光信号が
進む伝送経路と；光信号が変換されて了解し得る電気信
号に戻される到達点（destination）が含まれている。
伝送の起点において、情報は光に符号化（コード化）し
なければならない。これは、電流・光変換器（発光ダイ
オードが典型的な例）によって行なうことができる。到
達点においては、光を変換して電気信号に戻さなければ
ならない。デジタル伝送において重要なことは、光の存
在の検出である。一般に、光の不在は、正の論理でゼロ
を表わし、一方、光の存在は、正の論理で１を表わして
いる。到達点入力信号が所定のしきい値に達すると、該
増幅器は、信号の存在を検出できなければならない。し
きい値は、統計学的に有効な光の量がノイズレベルを超
えるように選択される。送信信号が光を発生する場合、
到達点に到達する光量は、その光を発生した電気信号の
強さ、変換器の効率、発生した場所から到達点まで光が
移動する距離、各種結合効率、及び伝送時の散乱効果の
量の関数である。その時発生する電気信号は、光検出器
（光・電流変換器）の効率の関数である。従って、正の
論理で１の到達点入力電気信号は、信号の起点、伝送の
距離、及び、関連する特定の発生器及び検出器に従っ
て、大幅に変動する可能性がある。増幅器は、広範囲に
わたるさまざまな到達点入力電気信号レベルについて、
正の論理１を検出することができねばならない。また、
デジタル伝送において、入力光レベル信号が弱い場合に
は、受信端における電気信号ノイズは、入力光によって
発生する信号より弱くなければならない。入力光信号が
強ければ、電気信号は光信号の停止（正の論理ゼロへの
遷移）に対し十分に迅速な応答ができねばならない。高
レベルの光信号があまりに強力で、光信号の低下後でさ
え、電気的応答が高レベルのままである場合には、信号
の帯域幅は、該応答が低下して正の論理でゼロの状態に
なるまでの時間により制限される。この結果、周波数、
従ってデジタル伝送の速度が制限され、減速する。

光信号の増幅は、光通信の現在の技術では多くの問題
をかかえている。信号（光）の強さは、光ファイバーを
通って移動する距離、光発生器の効率、結合効率、光受
信器の効率によって変動するので、同じ起点の入力電気
信号から広範囲にわたるさまざまな光信号応答が生じる
ことになり、該システムの受信増幅器はそのような応答
の増幅を行なうことができねばならない。大量生産の環
境で最新技術による増幅器を生産する場合、全ての場合
において、効率の低い発生器と効率の高い光・電流変換
器（フォトダイオード）を整合させたり、あるいは、効
率の高い発生器と効率の低い光・電流変換器を整合させ
ることは、必ずしも可能とは限らないので、生産される
増幅器は、全て、広範囲にわたる入力信号の変動に応答
できねばならない。増幅器は、効率の低い発生器及び変
換器の組合せにより、弱い入力信号が生じる環境及び効
率の高い発生器及び変換器の組合せにより、強い入力信
号が生じる環境で動作することができねばならない。ま
た、所定の組合せにおいてさえも、光発生器に対する生
（raw）入力信号は、増幅器に対して広範囲にわたる入
力信号を発生するような強さの変動を伴いうる。

もう１つの考慮事項は、通信速度を増さねばならない
ということである。非反転フィードバックを伴う反転増
幅器は、直列に接続される反転増幅器が奇数個に制限さ
れる。反転増幅器の出力信号は、入力信号の逆である。
例えば、入力電流ｉが加えられると、出力電圧ｖは、ｉ
の関数ということになる。すなわち、ｖ＝ｆ（ｉ）。１
つの反転増幅器では、十分な利得が得られない場合がよ
くある。弱い信号なら、３つの反転増幅器で十分な利得
が得られるが、回数の遅延時間が長くなりすぎる可能性
がある。２つの増幅段によって、必要な利得が得られる
が、反転フィードバックが必要になる。直列に接続され
た２つの反転増幅器の場合には、非反転出力信号が得ら
れる。出力信号は、さらに負のフィードバックを生じる
ためのフィードバックによって反転され、入力信号に比
例した出力を生じることになる。先行テクノロジーで必
要な入力ダイナミックレンジを備えた増幅器を設計する
と、該システムに多大の遅延が加わりすぎることにな
る。弱い信号の場合、さらに増幅段を加えると、遅延が
大きすぎることになる。遅延が、単位ループ利得周波数
の周期の1/4を超えると、出力信号の振動が生じ、遅延
が該周期の1/4に近くなると、出力信号のリンギングの
ような悪い過渡応答が生じることになる。遅延が減少す
れば、単位ループ利得周波数の周期が短くなり、単位ル
ープ利得周波数を高めることになる。単位ループ利得周
波数が高まると、受信器の扱うことが可能な帯域幅が広
がることになる。ループの利得が増すと、単位ループ利
得周波数が高くなる。ループ利得は、順利得とフィード
バック利得の積である。先行技術の場合、入力に対する
反転出力を発生し、非反転フィードバック回路で負のフ
ィードバックが生じるようにするには、奇数の反転増幅
段での増幅が必要になる。偶数の反転増幅段で十分であ
っても、必要な負のフィードバックを得るには余分な反
転段が必要になる。余分な反転段によって、該システム
に遅延時間が加えられ、安定性が低下する。遅延によっ
て、位相が90度シフトすると、フィードバックは、負で
はなく、正になる。遅延の増大を処理するには、ループ
利得を減少させて、負のフィードバックを維持するよう
にしなければならない。これによって、帯域幅が狭くな
る。

現在の非線形反転フィードバックには、いくつかの問
題がある：パターンに依存するタイミングジッタの問題
がある。正の論理の１からゼロへの遷移は、低速で積分
減衰を生じることになり、入力光信号のレベルが高けれ
ば、安定化のため、より帯域幅の広い利得増幅回路が必
要になる。

一般に、線形増幅器か非反転フィードバックを伴う非
線形反転増幅器のいずれかが用いられている。増幅器の
飽和の問題のため、線形増幅器の入力はダイナミックレ
ンジが制限される。線形増幅器の出力信号は、入力信号
と線形比例している。例えば、入力信号がｉで、出力信
号がｖの場合、ｉ＝Gvであり、ここで、Ｇは伝達インピ
ーダンス定数である。線形増幅器が、最低レベルの入力
信号に合わせて設計されている場合、最高レベルの入力
信号によって、増幅器が飽和することになる。最高レベ
ルの入力信号と最低レベルの入力信号の差が大きいた
め、最高レベルの入力信号によって、増幅器が飽和する
ことになる。一般に、その比率は、50:1になる可能性が
ある。問題は、増幅器の帯域幅を維持し、または、拡大
すると同時に、異なるLEDによる広範囲の入力信号を処
理するということである。線形反転フィードバックで
は、必要なダイナミックレンジの増幅器が得られない。

線形増幅器をこの応用例において動作させるために
は、自動利得制御（AGC）または増幅可能な入力信号の
帯域幅に対する制限が必要になる。AGCは、増幅器から
出力信号を取り出し、それに処理を施して、増幅器のフ
ィードバック回路に対し信号を出力する。自動利得制御
装置は、スイッチまたはしきい値検出器に加え、第２の
フィードバックループと制御素子を備えた増幅器を必要
とする。このため、余分な回路要素、従って、余分な設
計努力、及び、より多くのスペースが必要になる。安定
性、工程での変動、信頼性、生産収率、及び、増幅器の
設計、製造、及び、利用の全てまたはいずれかにおける
エラーを増大させる潜在的可能性の増大について懸念を
生じることになる。AGCを用いた受信器の場合、受信器
の設計においてかなり余分な努力が必要になる。AGC
は、さまざまな制御レベルの電圧において安定するよう
に設計しなければならない。AGCには、サーボループが
含まれており、発振の可能性がある。AGCに組み込まれ
た第２のフィードバックループは、やはり安定するよう
に設計しなければならない。AGCには、受信できる信号
のタイプに制限があり、単位時間当りの最低データ転送
速度及び最小遷移を指定しなければならない。いったん
入力が所定の信号を受け取ると、AGCは、一定の出力信
号の応答を生じるが、一定の応答が不要か、または、AG
C回路が与える程の速度が不要となる用途では、余分な
回路要素の使用を正当化できない恐れがある。

［発明の目的］ 従って本発明の目的は予測される入力信号の範囲内に
おける増幅器の飽和を回避し、出力信号が、弁別器が正
論理で１と認識できる所定の入力信号によって所定の最
低レベルとなるようにすることにある。

［発明の概要］ 本発明は、入力信号を受信して、増幅し、前記入力信
号の振幅の関数である利得を有する出力信号を発生する
ため、所定の順方向非反転利得によって入力信号を増幅
する、所定の順方向非反転利得を生じる増幅手段と；増
幅手段の正の入力に結合された入力端子手段と；非反転
増幅出力電圧が生じる増幅手段に結合された出力端子手
段と；入力端子と出力端子の間に接続されて、入力信号
の逆関数として変動する反転フィードバック信号を発生
し、非線形非反転増幅器の利得に修正を加えて、増幅手
段の飽和を防ぎ、入力信号振幅のダイナミックレンジを
拡大し、入力信号の振幅がほぼゼロの状態になるたび
に、所定の振幅のフィードバック信号を発生して、非線
形非反転フィードバック手段をオンにするのに必要な入
力信号の振幅を大幅に減少させる非線形非反転フィード
バック手段を備えた、非線形非反転増幅器を提供するこ
とによって、先行技術の制限を克服するものである。

本発明は、非反転増幅器または直列に接続された偶数
個の反転増幅器を用いて、最小限の遅延にとどめ、自動
利得制御のための余分な回路要素を排除して、広いダイ
ナミックレンジにわたる入力信号の増幅が行なえるよう
にし、集積回路における最適な集積化を可能にするもの
である。

該増幅器は、正論理の１から正論理の０への遷移及び
正論理の０から正論理の１への遷移にすばやく応答す
る。パターンに依存したタイミングジッタの問題はな
い。フィードバックにバイアスを加えて、常にオン状態
にし、入力信号がゼロになっても、フィードバックの相
互コンダクタンスがゼロにらないようにするバイアス電
流が存在する。

さらに、入力レベルが高ければ、相互コンダクタンス
が増すにつれて、増幅器は、安定化のために利得の帯域
幅を広げる必要がなくなる。増幅手段の利得段は、非線
形になる。利得段を非線形にする特定の方法は、第２段
に非線形並列フィードバックを加えることである。

もう１つの結果は、必要な利得が減少し、増幅器の帯
域幅が、広がるということである。入力信号が増大する
につれ、フィードバックの相互コンダクタンスが上昇
し、フィードバックが増すが、増幅器の利得は低下す
る。この結果、フィードバックの増加が補償されて、ル
ープの利得がさらに安定する。利得が低下すると、帯域
幅を広げることが可能になる。

本発明によって、入力信号の範囲を広くすることが可
能になり、同時に、自動利得制御装置の必要性をなくす
ことが可能になる。フィードバック手段は、自動利得制
御装置による第１の処理を受けずに、直接、増幅手段の
出力によって動作する。また、本発明によって、帯域幅
のより広い利得が低い増幅器を利用することが可能にな
る。本発明の場合、入力信号の部分的デジタル化によっ
てこれを行なっている；入力信号が所定のレベルに達す
ると、出力信号の増大は、入力信号に比べてはるかに少
なくなる。弁別器と呼ばれる特殊なアナログ・デジタル
変換回路によって、デジタル化タスク（作業）が完遂さ
れる。本発明によって、自動利得制御（AGC）が不要に
なる。本発明で必要になるのは、非線形増幅器だけであ
る。

本発明は、LED/フォトダイオード入力の周波数及びノ
イズの限界によって制限される。LED/フォトダイオード
技術の進歩につれて、本発明は、高速デジタル通信また
は長距離通信に利用可能になることが予測される。この
現在の用途は、未知の電圧レベルを有するデジタル伝送
線路通信が既知の電圧レベル要件を有する計器のデジタ
ル通信入力から光学的に切り離すことである。

本発明は、それを１つのシリコンチップ上に形成した
り、あるいは、同じ集積回路上に他の回路要素と共に配
して、全体としての集積を可能にするものである。該増
幅器は、温度の揺動及びプロセスの変動に対し安定して
いる。

増幅回路の利得は、該増幅器が、必要な周波数範囲で
動作するように選択される。利得の選択に関連して、フ
ィードバック回路におけるトランジスタのサイズ及び相
対サイズは、適正な周波数範囲で動作し、入力信号の適
合するダイナミックレンジで動作するように、あらかじ
め決められる。さまざまなサイズ（電流通過能力）を有
し、さまざまなソースバイアスを生じるようにトランジ
スタの選択を行なうことによって、出力の関数として利
得圧縮を変動させることができる。出力電圧が増すにつ
れて、次にサイズ（幅対長さ比）の大きいものが、さら
にオンになり、入力電流が減少する。出力信号がゼロに
なるにつれ、相補形（PMOS/NMOSまたはPNP/NPN）トラン
ジスタの少なくとも一方によって、非線形反転フィード
バック手段に電流が供給される。

［発明の実施の形態］ 第３図には、通信システムにおいて本発明を利用し得
る方法の一例が示されている。この例の場合、デジタル
光路は、LED14に起点入力電気信号12を入力する電気伝
送線路信号10によって励振される。LED14によって、光
が光路16に送り込まれ、この光は該光路によってフォト
ダイオード18に送られ、到達点入力電気信号20に変換さ
れる。該到達点入力電気信号は、非線形非反転増幅器22
に対する入力信号である。非線形非反転増幅器は、出力
として、到達点出力電気信号24を発生し、この信号が、
アナログ・デジタル変換器（A/D変換器）26に対する入
力として用いられる。A/D変換器26からのデジタル信号
はデジタル論理受信器28によって解釈され、情報は該論
理受信器28に送られる。この受信器28は、電子計器、コ
ンピュータ、ビデオまたはオーディオディスプレイ、及
び他のデジタル情報を受ける任意のものといった、デジ
タル論理情報を用いることが可能な任意のものとするこ
とができる。光路ライン信号16は、直接本発明に用いる
ことが可能であり、受信端のLEDに代わる可能性のある
ことが予測される。また、伝送信号の起点にLED14を配
置して、受信端のフォトダイオード18が直接受信を行な
える光路16を形成することも可能である。到達点入力電
気信号20の特性は、伝送線路信号10のパラメータと、LE
D14及びフォトダイオード18の組合せ特性との関数であ
る。非線形非反転増幅器22は、到達点入力電気信号20の
特性に対して最適化されており、該信号を到達点出力信
号24に変換するが、この信号は、A/D変換器26によっ
て、デジタル論理受信器28で利用し得るデジタル信号に
変換することができる。デジタル論理受信器28には、計
測、表示、計算、情報処理、通信、または、図形処理装
置が含まれているが、これらに制限されるものではな
い。非線形非反転増幅器の実際の実施例は、伝送信号の
特性、動作環境、及び、用いられる特定の通信システム
によって変わる可能性がある。

第２図には、非線形非反転増幅器（NNA）に対し、デ
ジタル論理伝送においてフォトダイオードから入力信号
20を受信し、デジタル信号27に変換可能な信号24を出力
するような設計を施し得るようにする方法が示されてい
る。到達点入力電気信号20は、非反転増幅回路30が受信
する。到達点出力電気信号24は、反転非線形フィードバ
ック32によって受信され、該フィードバックは、この信
号に処理を施し、フィードバック信号31を到達点入力電
気信号に入力し、その結果、信号24が修正されて、A/D
変換器26で用いられることになる。

第１図には、非反転増幅回路30と、トランジスタの端
子36、38、40で示したトランジスタ及び増幅回路の出力
24と入力20の間に接続された非線形反転フィードバック
手段に対する電流源34から構成される本発明の一実施例
22が示されている。トランジスタのゲート38は、出力信
号24に接続され、トランジスタのソースは、所定のバイ
アス１ 42に接続され、トランジスタのドレーン36は、
電流源34と入力信号20に接続されたフィードバック信号
31の両方に接続されている。図示のトランジスタは、そ
の陰極がその陽極から非反転増幅回路30へ送られる単一
及び複数のバイアス電源の電流に接続されるフォトダイ
オード18に対し、適正な選択であるｎチャネルのエンハ
ンスメンモード素子である。トランジスタのサイズは、
特定の入力信号レベルにおいてどれだけの利得が必要か
によって決まる。電界効果トランジスタ（FET）あるい
はバイポーラトランジスタ（BJT）といった任意のタイ
プのトランジスタを、nmos,cmos,pmos,バイポーラ、BI
−FET、個別、または、ハイブリッドといった：任意の
テクノロジーで用いることができる。電源34によって、
トランジスタ36、38、40にバイアスが加えられ、入力信
号20がゼロになっても、トランジスタの相互コンダクタ
ンスがゼロにならないようになっている。入力信号20を
発生するフォトダイオード18の陽極が、バイアス電源に
接続され、その陰極から電流を出力している場合、実施
例の１つでは、トランジスタとして、ゲート38の下の基
板がソース40と接続されている。ｐチャネルエンハンス
メントモードFETが選択される。

第４図には、２つのトランジスタの間における接続が
示されているが、これは、電流源として相補形FETを用
いた単純な実施例に関する一般的な概略図である。出力
信号24がゼロ状態のレベルの場合には、トランジスタ端
子46、48、50で示されたトランジスタによって電流が導
通するようにバイアス２ 44を選択する。トランジスタ
の両方のドレーン50、36を通るこの電流によって、入力
信号20に対するフィードバック信号31における電圧信号
が発生する。低レベルの非ゼロ状態の入力信号20に備え
て、この電圧信号によって増幅回路にバイアスが加えら
れる。入力信号20を発生するフォトダイオードの陰極が
バイアス電源に接続され、陽極が電流を出力している場
合、ｎチャネルエンハンスメントモードFETのバイアス
１が接地され、もう１つのトランジスタは、ｐチャネル
エンハンスメントモードFETである。入力信号20を発生
するフォトダイオードの陽極が、バイアス電源に接続さ
れ、陰極が電流を出力している場合、ｐチャネルエンハ
ンスメントモードFETのバイアス２が接地され、もう１
つのトランジスタは、ｎチャネルエンハンスメントモー
ドFETである。

第５図には、さらに利得圧縮を実施することが可能な
実施例が示されている。入力信号20が必要とするタイプ
に一致する第３のFET端子68、70、72で示されたFET及び
バイアス４ 74が、他のトランジスタの両方に対し、ド
レーン対ドレーン68、58、60、ゲート対ゲート70、62、
56、及び異なるバイアス74にソース72といった形で接続
され、第１のFET端子60、62、64で示されたFETによる電
流の導通開始時に比べて大きい出力信号で、FET端子6
8、70、72で示されたFETによる電流の導通が開始するよ
うになっている。入力信号20が大きすぎて、第１のFET
端子60、62、64で示されたFETでは、増幅回路30の飽和
を防止できない場合に、第１のFET端子60、60、62で示
されたFETに続いて、第３のFET端子68、70、72で示され
たFETがオンになり、該増幅回路の飽和が防止されるこ
とになるように、バイアス４ 74が選択される。第３の
FET端子68、70、72で示されたFETは、より大きい入力信
号20によって発生するより多量の電流を導通させるた
め、ゲート幅対ゲート長の比（ベータ）がより大きくな
っている。第２のFET端子54、56、58で示されたFET及
び、アース52によって、入力信号20がゼロ状態の場合に
おける電流源が形成される。

第６図には、大入力信号20による増幅回路30の飽和を
防止するため、さらに多くのFETを付加する方法が示さ
れている。後続の各FET端子100、102、104で示されたFE
Tは、先行するFET端子92、94、96で示されたFETに比べ
て、より大きな電流、より大きなベータを扱い、より大
きな出力信号でオンになるように選択されている。後続
の各トランジスタ毎に、ドレーン100は、他のドレーン9
2、84、82に接続され、ゲート102は、他のゲート94、8
6、80に接続され、ソースはバイアス106に接続されて、
適正な電流を導通させ、より大きな入力信号20における
増幅回路30の飽和を防止するようになっている。トラン
ジスタのタイプは、入力信号20を発生するフォトダイオ
ードが、電流源となる陽極または陰極を備えているか否
かについて、適切に選択される。第６図には、その陽極
がバイアス電源に接続され、陰極が電流を出力している
フォトダイオードによって発生する入力信号20について
一般的な実施例が示されている。ｐチャネルのFET端子7
8、80、82で示されるFET及びアース76によって、ゼロ状
態の入力信号20に対する電流源が形成される。

本発明の実施例は、入力信号24のダイナミックレンジ
imin−imax、必要とされる最低出力電圧31Vmin、増幅回
路の飽和電流レベルisat、及び必要な動作周波数帯域幅
を知ることによって、設計が可能になる。

第７図には、各種増幅器設計に対する入力信号108の
関数として、出力信号110が示されている。飽和レベル1
11が示されている。出力信号が飽和に達すると、増幅器
は電荷を蓄積し、入力信号の減少に応答する増幅器の遅
延時間が増し、結果として増幅器の帯域幅が狭まること
になる。しきい値112が、示されている。しきい値112
は、入力信号が増幅器によって受信中であることを表わ
すように設計された所定の出力信号値である。理想曲線
122が示されている。理想増幅器は、瞬間的に、所定の
入力信号のしきい値を超える出力信号を発生するが、決
して飽和111に達することはない。線形１ 114によっ
て、小さい信号が増幅されて、変換器による入力信号の
検出が可能になるが、大きい信号は増幅器を飽和させる
ので、増幅器のダイナミックレンジが制限され、すなわ
ち、増幅器の帯域幅が狭められて、増幅器を飽和させた
大信号の１の状態の入力に続くゼロの状態の入力に対す
る応答時間が、増幅器に対して与えられることになる。
線形２ 121によって、大きい信号による増幅器の飽和
が防止されるが、小さい信号は、正の論理で１のレベル
に達しないので、論理信号として認識することができな
い。単一トランジスタ・フィードバック116は、線形２
121に比べて低い入力信号についてしきい値出力信号
に達し、一方線形１ 114に比べて大きい入力信号につ
いて飽和に達することになるので、この方が優れている
が、用いられるほとんどのダイナミックレンジの入力に
おける大きい信号と小さい信号の両方について依然とし
て十分ではない。本発明118は、電流源のない単一トラ
ンジスタのフィードバックの場合116と同程度に低い入
力信号に対してしきい値に達することがなく、同時に、
電流源のない単一トランジスタ・フィードバック116ほ
ど急速に飽和に達することはないので、この結果、増幅
器の帯域幅に正味の拡大が生じることになる。本発明11
8は、第１図及び第４図の設計から得られる曲線の一例
である。特定の実施例120は、本発明118とほぼ同じ入力
信号でしきい値に達するが、電流源のない単一トランジ
スタ・フィードバック116または本発明118に比べてかな
り入力が大きくなるまで飽和に達しない。特定の実施例
120は、第８図及び第９図に示す設計から得られる曲線
の一例である。

第８図には、２つの反転増幅回路27a及び29aを利用し
た、非反転増幅回路30の特定の実施例が示されている。
非反転増幅回路には、非線形利得段23が含まれている。
非線形利得段23を実現する方法の１つは、反転増幅器29
aの両端における非線形並列フィードバック25の利用で
ある。

第９図には、第５図及び第８図に概略を示した装置の
特定の実施例が示されている。増幅回路30は、コンポー
ネント124〜178から構成されている。入力信号20は、フ
ィードバック信号31に接続される。この２つの組合せ
が、第１の反転増幅器145のゲート146に接続される。第
１のトランジスタ142の出力が、第２の反転増幅器175の
ゲート174に接続される。フィードバックトランジスタ1
55のドレーン152を第２の増幅トランジスタ175のゲート
174に接続し、フィードバックトランジスタ155のソース
156を第２の増幅トランジスタ175のドレーン172に接続
することによって、第２の増幅トランジスタ175に対す
る非線形非反転フィードバックが形成されている。バイ
アス151は、フィードバックトランジスタのゲート154に
接続されている。FET128及び130は、電流源として機能
し、第１の増幅トランジスタ145に対する適正なバイア
ス動作範囲を設定する。FET158及び160は、電流源とし
て機能し、第２の増幅トランジスタ175に対する適正な
バイアス動作範囲を設定する。増幅回路30の出力信号24
が、第２の増幅トランジスタ175のドレーン172から取り
出され、全てのフィードバックトランジスタ53、63、73
のゲート56、62、70に接続される。トランジスタ53、6
3、73は、全て、第５図に示すように接続される。フィ
ードバック信号31によって、ドレーン58、60、68が入力
信号20に接続される。各トランジスタの近くに２つの数
字で示された幅対長さ比は、該トランジスタの相対ベー
タ値を表わしている。第８図は、次の値によって設計さ
れたものである：ダイナミックレンジ＝２〜50マイクロ
アンペア；出力電圧範囲＝1.44〜0.9ボルト；帯域幅＝2
0MH₂;バイアス124＝1.97V;バイアス126＝1.60V;バイア
ス151＝2.46V;バイアス66＝1.98V;バイアス74＝2.72V;V
DD＝5V。

第10図には、本発明の利点が示されている。フィード
バック200は、本発明の非線形フィードバックと先行技
術による非線形フィードバックとを対比したものであ
る。増幅器の利得を減少させることによって、入力信号
214の増大が補償されるため、入力信号214の増大につれ
て、本発明のループ利得204は、先行技術に比べてより
不変の度合を高めることになる。本発明のループ利得20
4は、先行技術に比べてより不変の度合が高いので、本
発明の遅延206は、入力信号が増大するにつれて減少す
る。帯域幅212は、入力の増大につれて広がるので、出
力が発振を始め、最終的には役に立たなくなるため、該
増幅器には、利得は１未満にすることによって、発振し
ないようにしなければならない。初期利得（利得素子利
得）202をかなり低くおさえておき、また、帯域幅212を
低くしておくことによって、この利得を１未満にするこ
とが可能であり、増幅器の飽和によって、高入力信号レ
ベルにおける利得が除去される。本発明の特定の実施例
の１つによれば、第２増幅段における非線形並列フィー
ドバックによって、利得202が制御される。利得マージ
ン210が0dBになる入力信号では、位相マージン208がゼ
ロになると発振が起こる。本発明は、利得マージン210
が浅いので、位相マージン208が拡大され、帯域幅212に
おける発振点が、先行技術よりも高い入力信号214で生
じる。

既述の実施例では、FETを利用しているが、パイポー
ラ接合トランジスタを利用した、これに対応する設計も
存在する。入力信号20の特定の特性、出力信号24の所望
の制約、及び必要な周波数応答が得られる場合には、従
来の回路解析技法を利用して、本発明を任意のトランジ
スタ技術で設計し得ることが容易にわかる。並列・並列
増幅器だけでなく、等価な設計を直列・直列増幅器、並
列・直列増幅器、及び直列・並列増幅器の形で行なうこ
とも可能である。

本発明に関する以上の説明は、例示、及び解説のため
に提示したものである。網羅してしまうことを意図した
り、あるいは開示の形態そっくりそのままに制限するこ
とを意図したものではなく、以上の教示にかんがみて、
修正及び変更を加えることが可能である。実施例は、本
発明の原理及びその実際の応用について最も分りやすく
説明し、それによって、当該技術における他の熟練者
が、企図した特定の用途に適合する各種実施例及び各種
修正において本発明を最も有効に利用できるようになる
ことを目的として、選択され、説明されている。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の実施によって少なくと
も下記の効果が得られるから、本発明は実用に供して有
益である。

（イ）増幅段の個数が少なく、自動利得制御のための複
雑な回路要素を使用しなくとも、広い入力レンジで飽和
のない増幅ができる。

（ロ）集積化が容易である。

（ハ）信号パターンに依存したタイミングジックの問題
が生じない。従って特にデジタル通信に用いて好適であ
る。

（ニ）入力信号がゼロでもフィードバックの相互コンダ
クタンスがゼロとならず適正なフィードバックがなされ
る。

（ホ）非線形フィードバックにより、増幅器の帯域幅が
広くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフィードバック回路に単一FETと電流源34とを
使用した本発明の一実施例の回路図である。 第２図は非線形非反転増幅器の主要２機能部分である非
反転増幅器回路と反転非線形フィードバック回路との関
係を通信回路内での位置も含めて説明するためのブロッ
ク図である。 第３図は通信回路に接続される特定の伝送線路におい
て、本発明の一実施例がどのように使用されるかを説明
するためのブロック図である。 第４図は２つのFETを用いる本発明の一実施例を説明す
るための図である。 第５図は本発明の他の実施例を説明するための図であ
る。 第６図は広い応用範囲を有する漸増利得圧縮が得られる
一般解を示す他の実施例を説明するための図である。 第７図は種々の増幅器の出力信号を説明するためのグラ
フである。 第８図は、非線形利得段23を用いる本発明の一実施例を
説明するための図である。 第９図は、第８図の非線形利得段を備えた第５図の装置
の詳細回路図である。 第10図は代表的な増幅器における本発明の効果を示すた
めのグラフである。 10:伝送線路信号 14:LED（発光ダイオード） 18:フォトダイオード 22:非線形非反転増幅器 26:A/D変換器 28:デジタル論理受信器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−144410（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−67925（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−168714（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03G 11/08

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を受信して該入力信号の振幅の関
   数である利得により増幅して出力信号を供給する非線形
   増幅器であって、 （イ）所定の非反転利得で入力信号を増幅するための所
   定の順方向利得を有する増幅手段； （ロ）前記増幅手段の正入力に結合され前記入力信号を
   受信する入力端子手段； （ハ）非反転増幅された出力電圧が表れる前記増幅手段
   に結合した出力端子手段； （ニ）前記入力端子手段と前記出力端子手段の間に接続
   され、前記非線形増幅器の飽和を防止し前記入力信号ダ
   イナミックレンジを確保するため、前記入力信号の関数
   として変化する反転フィードバック信号を前記入力端子
   手段に供給し、前記非線形増幅器の前記利得を修正する
   ため、少なくとも一つのトランジスタを含む非線形反転
   フィードバック手段； 及び （ホ）前記入力信号が実質的にゼロ状態の振幅にあると
   き、前記非線形反転フィードバック手段をターンオンす
   るに必要な前記入力信号の振幅を実質的に減少せしめる
   ため、前記少なくとも一つのトランジスタをバイアスし
   て所定振幅の前記反転フィードバック信号を発生させる
   バイアス手段、 を備えた非線型増幅器。
2. 【請求項２】前記増幅手段が、入力と出力とを有する第
   １の反転増幅器と、入力と出力とを有する第２の反転増
   幅器を備え、前記第１の反転増幅器の前記出力が前記第
   ２の反転増幅器の入力に結合され、前記第１の反転増幅
   器の入力が前記入力端子手段であり、前記第２の反転増
   幅器の前記出力が前記出力端子手段であることを特徴と
   する請求項１に記載の非線形増幅器。
3. 【請求項３】出力電圧を安定化するために、前記第２の
   反転増幅器がその入力と出力の間にフィードバック手段
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の非線形増幅
   器。
4. 【請求項４】前記増幅手段が非線形利得段を含むことを
   特徴とする請求項１に記載の非線形増幅器。
5. 【請求項５】前記非線形利得段が非線形反転フィードバ
   ックを備えた反転増幅器を含むことを特徴とする請求項
   ４に記載の非線形増幅器。
6. 【請求項６】前記非線形反転フィードバック手段が複数
   のトランジスタを備え、各トランジスタはそれぞれゲー
   トとソースとドレーンとを有し、該ゲートの全てが前記
   増幅手段の前記出力に結合され、該ドレーンの全てが前
   記増幅手段の前記入力に結合され、、各トランジスタの
   ソースが複数のバイアスの一つに結合され、さらに、前
   記入力信号が実質的にゼロ状態の振幅にあるとき前記ト
   ランジスタにバイアス電流を供給するため、前記増幅手
   段の前記入力に結合された電流源を備えることを特徴と
   する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の非線形増
   幅器。
7. 【請求項７】前記電流源が前記複数のトランジスタにた
   いして相補形となるトランジスタで、そのドレーンが前
   記増幅手段の前記入力に結合され、そのゲートが前記複
   数のトランジスタの前記ゲートに結合され、そのソース
   が前記バイアスに結合されることを特徴とする請求項６
   に記載の非線形増幅器。
8. 【請求項８】前記非線形反転フィードバック手段が、 第１のバイアスに接続されたソースと、ゲートとドレー
   ンとを有する第１のトランジスタFET1と、 第２のバイアスに接続されたソースと、ゲートとドレー
   ンとを有する第２のトランジスタFET2と、 第３のバイアスに接続されたソースと、ゲートとドレー
   ンとを有する相補形の第３のトランジスタFET3と、 前記FET1,FET2,FET3のドレーンが接続された前記入力端
   子手段と、 前記FET1,FET2,FET3のゲートが接続された前記出力端子
   手段と、 を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいず
   れかに記載の非線形増幅器。
9. 【請求項９】第１のバイアスが第２のバイアスと異なる
   電圧を有し、前記第２のトランジスタが前記第１のトラ
   ンジスタに比べ大きな電流通過能力を有することを特徴
   とする請求項８に記載の非線形増幅器。
10. 【請求項１０】前記非線形反転フィードバック手段が、
    フォトダイオード電流に応じた形のトランジスタを備
    え、そのソースが電流源に結合され、そのドレーンが前
    記入力端子手段に結合され、そのゲートが前記出力端子
    手段に結合されることを特徴とする請求項１乃至請求項
    ５のいずれかに記載の非線形増幅器。
11. 【請求項１１】前記電流源が前記トランジスタに応じた
    第２のトランジスタで、そのゲートは前記出力端子手段
    に結合され、そのドレーンは前記トランジスタのドレー
    ンに結合され、そのソースは第２の所定のバイアスに結
    合されていることを特徴とする請求項10に記載の非線形
    増幅器。
12. 【請求項１２】前記電流源が前記複数のトランジスタに
    たいして相補形となるトランジスタで、そのドレーンが
    前記増幅手段の前記入力に結合され、そのゲートが前記
    複数のトランジスタの前記ゲートに結合され、そのソー
    スが接地されることを特徴とする請求項６に記載の非線
    形増幅器。