JP3456574B2 - バーストモード光受信システム及び方法 - Google Patents

バーストモード光受信システム及び方法

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JP3456574B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はバーストモード光受信シ
ステムに関する。特に、本発明は、入力信号強度に応じ
て利得を可変することにより入力ダイナミックレンジの
拡大を可能にし、消光比の悪い信号にも対応可能なバー
ストモード光受信システム及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、PON(Passive Opt
ical Network)システムと呼ばれる方法が
考案されている。このPONシステムでは、光加入者伝
送システムの実現に向けた低コスト化の手段として、局
側から敷設された1本の光ファイバをカプラにより複数
の加入者に分岐して1対nのマルチ・ポイント接続を実
現する。
【0003】さらに、このPONシステムでは、加入者
から局への信号はTDMA(Time Divisio
n Multiple Access)と呼ばれる時分
割方式により多重される。このため、局側の受信機で
は、加入者毎に、信号強度が急変するバーストモード光
信号を受信しなければならない。すなわち、微弱な信号
から大信号にわたる幅広い信号強度に対し、受信可能で
なければならない。
【0004】ところで、局側の受信機の一般的な光受信
機の入力段には、特開平9−8563号公報に開示され
るトランスインピーダンス型のプリアンプ回路が設けら
れる。図9は本発明の前提となるバーストモード光受信
システムのトランスインピーダンス型のプリアンプ回路
を示す図である。なお、全図を通して同一の構成要素に
は同一の符号、番号を付して説明を行う。
【0005】本図に示すように、バーストモード光受信
システムのトランスインピーダンス型のプリアンプ回路
における入力端子2、出力端子15の間に増幅器3が設
けられる。入力端子2には受光素子1が接続され、受光
素子1は光・電気変換により光信号を電流信号に変換す
る。
【0006】トランスインピーダンス型のプリアンプ回
路は、受光素子1の電流信号を電圧信号に変換し増幅す
る。増幅器3に高利得用帰還抵抗4が並列に接続され、
高利得用帰還抵抗4は、微弱信号を高利得で増幅するた
めに用いられる。
【0007】さらに、増幅器3には大入力保護用ダイオ
ード47が並列に接続され、大入力保護用ダイオード4
7は大信号時にプリアンプの出力ダイナミックレンジを
越えて回路が飽和するのを防ぐために用いられる。受光
素子1により光−電流変換された信号はプリアンプの高
利得用帰還抵抗4により電圧信号へと変換されるととも
に、増幅される。
【0008】図10は図9のプリアンプの動作波形を示
す図である。本図に示すように、入力信号が小さい場合
には、高利得用帰還抵抗4による高いトランスインピー
ダンス利得により信号が線形に増幅され最小受光感度が
上げられる。入力信号が大きい場合には、大入力保護用
ダイオード47は導通し出力電圧をクランプするためプ
リアンプの飽和を防止し、最大受光レベルを拡大する。
【0009】
【発明が解決しょうとする課題】しかしながら、上記ト
ランスインピーダンス型プリアンプでは、大入力時には
大入力保護用ダイオード47により非線形な対数アンプ
特性となるため波形歪が大きくなり、信号のデューティ
(DUTY)比が劣化するという問題がある。
【0010】図11は大入力時に光信号にDC(直流)
バイアス光がある例を示す図である。本図に示すよう
に、大入力時に光信号にDC(直流成分)バイアス光が
ある場合、すなわち、消光比が悪い信号を受信すると、
信号の「0」レベルが下がり、事実上の信号振幅が小さ
くなっていく。消光比が悪くなるにつれて、「0」レベ
ルは「1」のレベルに近づいていき、ついには信号が消
滅する。
【0011】以上説明したように、従来の大入力保護回
路は、波形歪が大きく消光比に対する受信能力が低いと
いう問題がある。したがって、本発明は上記問題点に鑑
みて、入力信号強度に応じて利得を可変することにより
入力ダイナミックレンジの拡大が可能になり、ダイナミ
ックレンジ内で消光比の悪い信号にも対応が可能になる
トランスインピーダンス型プリアンプ回路を有するバー
ストモード光受信システム及び方法を提供することを目
的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、バーストモード光信号を受信し電気信号
に変換するバーストモード光受信システムにおいて、帰
還可変抵抗を有し、受光素子により光・電気変換された
電流信号を入力し線形に増幅する増幅器と、前記増幅器
に非線形の増幅を行わせるための非線形素子と、前記増
幅器に非線形の増幅を行わせて前記増幅器の出力信号の
レベルを基に入力信号強度を監視し、監視された入力信
号強度に対応して前記帰還可変抵抗を制御して前記増幅
器に線形の増幅を行わせる帰還抵抗制御部とを備えるこ
とを特徴とするバーストモード光受信システムを提供す
る。この手段により、入力信号強度に応じて利得を可変
することにより入力ダイナミックレンジの拡大が可能に
なり、ダイナミックレンジ内で線形増幅することにより
消光比の悪い信号にも対応が可能になるトランスインピ
ーダンス型プリアンプ回路を形成することが可能にな
る。
【0013】好ましくは、前記帰還抵抗制御部は、前記
増幅器の出力信号のレベルを基に入力信号強度を監視す
る場合には前記帰還可変抵抗を大きくして小信号レベル
範囲では線形に動作し、小信号レベルを超える範囲では
前記非線形素子により非線形の増幅を行い、信号のダイ
ナミックレンジを圧縮する。この手段により、増幅器の
出力信号のレベルを基に入力信号強度の監視時には小信
号レベルの信号の線形増幅を同時に可能にする。
【0014】好ましくは、前記帰還抵抗制御部は、前記
出力信号に関する先頭ビット「1」のレベルの大きさに
より前記出力信号のレベルを基に入力信号強度を監視す
る。この手段により、信号の先頭ビット「1」の期間で
は非線形増幅動作モードで動作し、入力信号強度を検出
すると同時に適切な帰還抵抗値を選択し、プリアンプ回
路のトランスインピーダンス利得を切換え、加入者毎に
信号強度が急変するバースト信号の受信に高速な対応が
可能になる。
【0015】好ましくは、前記帰還抵抗制御部は、前記
増幅器の直流伝達特性により、前記増幅器の出力信号の
レベルを基に入力信号強度に対応して前記増幅器から非
線形素子を切り離し前記帰還可変抵抗の大きさを決定し
て線形増幅動作を確保する。この手段により、非線形増
幅動作モードから線形増幅動作モードへの切換が容易に
なる。
【0016】好ましくは、前記帰還抵抗制御部は、前記
増幅器に非線形素子を並列接続したままで、前記増幅器
の直流伝達特性により、前記増幅器の出力信号のレベル
を基に入力信号強度に対応して前記帰還可変抵抗の大き
さを決定して線形増幅動作を確保する。この手段によ
り、非線形増幅動作モードから線形増幅動作モードへの
切換時間の非線形素子の切り離しが不要になる。
【0017】好ましくは、前記帰還可変抵抗は、前記増
幅器が有する高利得用帰還抵抗と、前記増幅器に接続可
能な中利得用帰還抵抗と、前記増幅器に接続可能な低利
得用帰還抵抗とからなり、前記帰還抵抗制御部は、前記
増幅器の出力信号の先頭ビット「1」で小、中、大信号
レベルをそれぞれ識別し、識別時に立ち上がり信号を出
力し、次ビット「0」で立ち下がり信号を出力する2つ
のコンパレータと、前記コンパレータの立ち上がり信号
をそれぞれ保持する第1の2つのD−フリップフロップ
と、前記コンパレータの立ち下がり信号をそれぞれ保持
する第2の2つのD−フリップフロップと、前記第2の
D−フリップフロップにそれぞれ接続され、前記コンパ
レータの少なくとも1つの立ち下がりで、利得切換えタ
イミングを形成し、前記非線形素子を前記増幅器から切
り離すOR回路と、前記第1のD−フリップフロップに
それぞれ接続され、前記OR回路の利得切換えタイミン
グで前記増幅器に前記中利得用帰還抵抗、前記低利得用
帰還抵抗を接続するように、前記第1のD−フリップフ
ロップの出力を保持する第3の2つのD−フリップフロ
ップとからなる。
【0018】この手段により、具体的に増幅器の出力信
号の小、中、大レベルを基に入力信号強度に応じてそれ
ぞれ、高利得、中利得、低利得で線形の増幅が可能にな
る。好ましくは、前記帰還可変抵抗は、前記増幅器が有
する高利得用帰還抵抗と、前記増幅器に接続可能な複数
の利得用帰還抵抗と、前記帰還抵抗制御部は、前記増幅
器の出力信号の先頭ビット「1」で小から大の複数の信
号レベルをそれぞれ識別し、識別時に立ち上がり信号を
出力し、次ビット「0」で立ち下がり信号を出力する複
数のコンパレータと、前記コンパレータの立ち上がり信
号をそれぞれ保持する第1の複数のD−フリップフロッ
プと、前記コンパレータの立ち下がり信号をそれぞれ保
持する第2の複数のD−フリップフロップと、前記第2
のD−フリップフロップにそれぞれ接続され、前記コン
パレータの少なくとも1つの立ち下がりで、利得切換え
タイミングを形成し、前記非線形素子を前記増幅器から
切り離すOR回路と、前記第1のD−フリップフロップ
にそれぞれ接続され、前記OR回路の利得切換えタイミ
ングで前記増幅器に前記複数の利得用帰還抵抗を接続す
るように、前記第1のD−フリップフロップの出力を保
持する第3の複数のD−フリップフロップとからなる。
【0019】この手段により、複数段の構成にすること
により、さらに、出力信号のダイナミックレンジが圧縮
され、次段以降の回路ブロックの必要なダイナミックレ
ンジを小さく抑えることができる。このため、次段以降
の回路設計を容易にすることができる。この回路構成を
用いれば、利得切換えの段数を増やしても、切換えに要
する時間は3段の時と同様に、先頭ビットのみで利得切
換えが可能である。
【0020】好ましくは、前記非線形素子はMOSトラ
ンジスタの自乗特性を利用する素子であり、さらに、好
ましくは、前記MOSトランジスタのゲートにバイアス
電圧を与え、自乗特性を形成する。この手段により、非
線形増幅動作モード時における増幅器の出力信号の監視
が可能になる。
【0021】好ましくは、前記非線形素子はバイポーラ
トランジスタの対数特性を利用する素子であり、さら
に、好ましくは、前記非線形素子はダイオードの非直線
性を利用する素子である。この手段により、MOSトラ
ンジスタは前記非線形素子の一例であり、これに限定さ
れず、非線形素子の適用範囲が広がる。
【0022】さらに、本発明は、バーストモード光信号
を受信し電気信号に変換するバーストモード光受信方法
において、帰還可変抵抗を介して、受光素子により光・
電気変換された電流信号を入力し線形に増幅する工程
と、非線形の増幅を行わせる工程と、非線形に増幅され
る出力信号のレベルを基に入力信号強度を監視し、監視
された入力信号強度に対応して前記帰還可変抵抗の大き
さを制御して線形の増幅を行う工程とを備えることを特
徴とするバーストモード光受信方法を提供する。
【0023】この手段により、上記発明と同様に、入力
信号強度に応じて利得を可変することにより入力ダイナ
ミックレンジの拡大が可能になり、ダイナミックレンジ
内で線形増幅することにより消光比の悪い信号にも対応
が可能になるトランスインピーダンス型プリアンプ回路
を形成することが可能になる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1は本発明に係るバース
トモード光受信システムの概略構成を示すブロック図で
ある。
【0025】本図に示すように、バーストモード光受信
システムのトランスインピーダンス型のプリアンプ回路
では、図9と比較して、高利得用帰還抵抗4に線形動作
モード時利得可変用抵抗101が並列に接続され、大入
力保護用ダイオード47に代わり、非線形動作モード時
非線形素子102が設けられ、さらに、帰還抵抗選択回
路14が設けられる。
【0026】帰還抵抗選択回路14は線形動作モード時
利得可変用抵抗101、非線形動作モード時非線形素子
102の動作を制御する。本発明のトランスインピーダ
ンスプリアンプ回路により、バースト信号に対応するた
めに、入力信号強度に応じて帰還抵抗を切換え、利得を
可変させることにより、幅広い入力ダイナミックレンジ
が実現される。
【0027】さらに、その入力ダイナミックレンジ内で
線形増幅を行うことにより、波形歪が少なく消光比の悪
い入力信号にも対応したプリアンプ回路をが実現され
る。線形動作モード時利得可変用抵抗101には、直列
に接続される帰還抵抗選択スイッチ7と中利得用帰還抵
抗5、直列に接続される帰還抵抗選択スイッチ8と低利
得用帰還抵抗6が設けられ、スイッチ7と中利得用帰還
抵抗5、スイッチ8と低利得用帰還抵抗6は、高利得用
帰還抵抗4に並列にそれぞれ接続される。
【0028】この線形動作モード時利得可変用抵抗10
1により、プリアンプ回路のトランスインピーダンス利
得が可変になる。さらに、非線形動作モード時非線形素
子102には、直列に接続されるスイッチ10と非線形
素子9が設けられ、非線形素子選択スイッチ10と非線
形素子9は高利得用帰還抵抗4に並列に接続される。
【0029】非線形動作モード時非線形素子102によ
り、信号を非線形に増幅し、信号ダイナミックレンジの
圧縮が可能になる。帰還抵抗選択回路14は、増幅器3
の出力を入力し、この出力を監視して、線路11、1
2、13を介してスイッチ7、8、10の開閉をそれぞ
れ制御する。
【0030】帰還抵抗選択回路14により入力信号強度
に応じて適切な帰還抵抗を選択することが可能になる。
また、プリアンプ回路の動作としては、入力信号強度の
検出を行う非線形増幅動作モードと、通常の信号増幅を
行う線形増幅動作モードの2つの動作状態が存在する。
【0031】信号の先頭ビット「1」の期間では非線形
増幅動作モードで動作し、入力信号強度を検出すると同
時に適切な帰還抵抗値を選択し、プリアンプ回路のトラ
ンスインピーダンス利得を切換える。加入者毎に信号強
度が急変するバースト信号の受信に対応が可能になる。
利得切換えが終了した時点で、非線形増幅動作モードか
ら線形増幅動作モードに切換え、通常の信号増幅が行わ
れる。
【0032】入力信号強度の検出は、非線型素子9の自
乗特性又は対数特性を利用した非線形増幅を行うことに
より、信号のダイナミックレンジの圧縮を図り検出可能
範囲を拡大することを可能にする。このように非線形増
幅を行うことにより先頭1ビットのみを利用して小信号
から大信号までの入力信号強度を検出することができる
ため、高速な利得切換えが可能となる。
【0033】なお、図1において、帰還抵抗選択スイッ
チ7、帰還抵抗選択スイッチ8、非線形素子選択スイッ
チ10が開である場合、プリアンプ回路のトランスイン
ピーダンス利得は、 −A・R4/A+1 で定義される。ここに、−Aは増幅器3の増幅度であ
り、R4は高利得用帰還抵抗4の抵抗値である。また、
A>>1という条件下では上記のトランスインピーダン
ス利得は、 −R4 で近似できる。
【0034】図2は図1の構成の詳細例を説明する図で
ある。本図に示すように、線形動作時利得可変用抵抗1
01における帰還抵抗選択スイッチ7、帰還抵抗選択ス
イッチ8はMOS(Metal Oxide Semi
conductor)スイッチ16、17で構成され
る。非線形動作モード時非線形素子102の非線型素子
9、非線形素子選択スイッチ10はMOSトランジスタ
18で構成される。
【0035】さらに、非線形動作モード時非線形素子1
02には、MOSトランジスタ18のゲート端子39に
ドレインが接続され、ソースが接地(GND)されるM
OSスイッチ36と、MOSトランジスタ18のゲート
端子39にソースが接続され、ドレインがバイアス電圧
38に接続されるMOSスイッチ37とが設けられ、M
OSスイッチ36のゲートが線路13に接続され、か
つ、MOSスイッチ37のゲートが反転器60を介して
線路13に接続される。
【0036】MOSスイッチ37はMOSトランジスタ
18のゲート39に適切なバイアス電圧18を与え、M
OSトランジスタ18の自乗特性を利用してプリアンプ
回路に後述する非線形なDC(直流)伝達特性を持たせ
る。MOSスイッチ36はMOSトランジスタ18をO
FFするためにゲート端子39をGNDレベルに落と
す。
【0037】帰還抵抗選択回路14には、コンパレータ
19、20が設けられ、コンパレータ19、20は、増
幅器3の出力と中出力検出リファレンス電圧21、大信
号検出リファレンス電圧22をそれぞれ比較する。コン
パレータ19、20の出力にはD(遅延)−フリップフ
ロップ(FF)25、26がそれぞれ接続され、D−フ
リップフロップ25、26はコンパレータ19、20の
出力の立ち上がりをそれぞれ保持する。
【0038】さらに、コンパレータ19、20にはD−
フリップフロップ29、30がそれぞれ接続され、D−
フリップフロップ29、30はコンパレータ19、20
の出力の立ち下がりをそれぞれ保持する。D−フリップ
フロップ29、30の出力にOR回路33が接続され、
OR回路33は利得切換えタイミングを生成し、線路1
3を経由して、MOSスイッチ36のゲート、反転器6
0を介したMOSスイッチ37のゲートに出力する。
【0039】D−フリップフロップ25、26の出力に
はD−フリップフロップ34、35がそれぞれ接続さ
れ、さらに、D−フリップフロップ34、35の出力に
は線形動作モード時利得可変用抵抗101のMOSスイ
ッチ16、17のゲートがそれぞれ接続される。D−フ
リップフロップ34、35はOR回路33の利得切換え
タイミングで帰還抵抗制御信号を生成し線路11、12
にそれぞれ出力する。
【0040】このような構成により、本発明のプリアン
プ回路には、入力出力強度の検出を行う非線形増幅動作
モード、利得切換えが完了した後に通常の信号増幅を行
う線形増幅動作モードの2つのモードが形成される。図
3は図2のプリアンプ回路のDC伝達特性を示す図であ
る。プリアンプ回路の入力と出力との間のDC直流伝達
特性は、本図に示すように、特性曲線40、41、4
2、43のような特性になる。
【0041】特性曲線40により入力信号を非線形に増
幅し入力ダイナミックレンジが実現される。特性曲線4
1、42、43により入力信号強度に応じて高利得、中
利得、低利得で線形に信号が増幅される。次に、非線形
増幅動作モードを得るための帰還抵抗選択回路14の動
作を説明する。
【0042】非線形増幅動作モードでは、プリアンプ回
路は、図3の特性曲線40に示すようなDC伝達特性を
有するように、小信号レベルに対しては高利得用帰還抵
抗4による線形増幅が行われ、中信号レベル、大信号レ
ベルに対しては、MOSトランジスタ18の自乗特性、
つまり、非線形特性を利用した非線形増幅が行われる。
ここで、帰還抵抗選択回路14はプリアンプ回路の増幅
器3の出力電圧を受け取り、増幅器3の出力の信号強度
を3段階で検出して帰還抵抗制御信号を生成し線路1
1、12に出力する。
【0043】入力出力強度を3段階で検出するために、
コンパレータ19、20では、増幅器3の出力電圧と、
中出力検出リファレンス電圧21、大信号検出リファレ
ンス電圧22とがそれぞれ比較され、信号強度の検出が
行われる。増幅器3の出力電圧が中出力検出リファレン
ス電圧21まで達しない信号に対しては、小信号レベル
と判断し、コンパレータ19、20は線路27、28に
Low、Low信号をそれぞれ出力する。
【0044】増幅器3の出力電圧が中出力検出リファレ
ンス電圧21を超え、かつ大信号検出リファレンス電圧
22を超えないような信号に対しては、中信号レベルと
判断し、コンパレータ19、20は線路27、28にH
igh、Low信号をそれぞれ出力する。さらに、増幅
器3の出力電圧が大信号検出リファレンス電圧22を超
えるような信号に対しては、大信号レベルと判断し、コ
ンパレータ19、20は線路27、28にHigh、H
igh信号をそれぞれ出力する。
【0045】コンパレータ19、20の立ち上がり信号
はそれぞれD−フリップフロップ25、26によって保
持される。また、同時にコンパレータ19、20の立ち
下りはコンパレータ19、20の反転出力端子を利用し
てD−フリップフロップ29、30によって保持され
る。
【0046】これらの立ち下り信号は、OR回路33で
OR論理処理され、この処理信号が線路13に出力さ
れ、この処理信号が利用されてMOSスイッチ16、1
7を制御して中利得用帰還抵抗5、低利得用帰還抵抗6
を切換えるタイミングを与えると共に、非線形増幅動作
モードから線形増幅動作モードへ切換えるように処理さ
れる。
【0047】D−フリップフロップ34、35では、O
R回路33から線路13への出力信号の立ち上がりを利
用してD−フリップフロップ25、26のQ端子から線
路27、28への信号がラッチされ、帰還抵抗制御信号
が線路11、12に出力される。上記の帰還抵抗選択回
路14の動作を踏まえて本プリアンプ回路全体の動作に
ついて、タイムチャートを用いて、以下に説明を行う。
【0048】ただし、各D−フリップフロップ25、2
6、29、30、34、35のRST(リセット)端子
にはRST信号を与えてQ端子がLow状態になるよう
に初期化を行っておく。このとき、帰還抵抗切換え用の
MOSスイッチ16、17はOFFとなり、MOSトラ
ンジスタ18のゲート端子39にはある適切なバイアス
電圧Vbias38が与えられるためMOSトランジス
タ18は非線形素子として動作する。
【0049】このため、プリアンプ回路は、初期状態と
して、入力信号強度を検出する非線形増幅動作で待機す
ることになる。図4は小信号レベルの信号が入力した場
合のプリアンプ回路の動作を説明するタイムチャートで
ある。本図に示すように小信号レベルの信号が入力する
場合には、帰還抵抗選択回路14は動作せず、非線形増
幅動作モードのまま信号増幅を行う。
【0050】この場合、入力信号のレベルが小さいた
め、図3の特性曲線40に示すDC伝達特性の線形増幅
範囲内で増幅が行われる。図5は中信号レベルの信号が
入力した場合のプリアンプ回路の動作を説明するタイム
チャートである。本図に示すように、中信号レベルの信
号が入力する場合には、信号の先頭ビットの「1」にお
いて、増幅器3(プリアンプ回路)の出力電圧が中出力
検出リファレンス電圧21を超えるので、コンパレータ
19の出力がHigh信号となり、D−フリップフロッ
プ25のQ端子から線路27への出力がHigh信号と
なる。
【0051】また、増幅器3の出力電圧が大信号検出リ
ファレンス電圧22を超えないので、D−フリップフロ
ップ26、D−フリップフロップ30、D−フリップフ
ロップ35のQ端子からの信号はLow状態のままとな
る。入力信号強度の検出結果を示すD−フリップフロッ
プ25、26はそれらの出力状態がHigh、Low状
態となり、入力出力強度が中信号レベルであることを保
持する。
【0052】次に、2ビット目の「0」が来ると、再び
コンパレータ19の出力がLow状態に戻り、D−フリ
ップフロップ29のQ端子の信号を立ち上げるように処
理され、OR回路33の出力が立ち上がる。この信号の
タイミングでD−フリップフロップ34、35は、線路
27、28に出力されるデータ信号をラッチし、MOS
スイッチ16のみをONにする。
【0053】また、同時にOR回路33から線路13へ
の出力信号によりMOSトランジスタ18のゲート端子
39の電位をGNDレベルに落としMOSトランジスタ
18をOFFにして非線形増幅動作モードから線形増幅
動作モードへ切換える。これにより、線形動作モード時
利得可変用抵抗101は高利得用帰還抵抗4と中利得用
帰還抵抗5の合成抵抗となってトランスインピーダンス
利得が下記のように、 −A・{R4・R5/(R4+R5)}/(A+1) 1段階下がり、増幅器3の入力信号が線形増幅される。
ここに、R5は中利得用帰還抵抗5の抵抗値である。ま
た、A>>1という条件下では上記のトランスインピー
ダンス利得は、 −{R4・R5/(R4+R5)} で近似できる。
【0054】図6は大信号レベルの信号が入力した場合
のプリアンプ回路の動作を説明するタイムチャートであ
る。本図に示すように、大信号レベルの信号が入力する
場合には、信号の先頭ビットの「1」において、増幅器
3(トランスインピーダンスプリアンプ回路)の出力電
圧が中出力検出リファレンス電圧21、大信号検出リフ
ァレンス電圧22を超える。
【0055】このため、コンパレータ19、20の出力
がそれぞれHigh信号、High信号となり、D−フ
リップフロップ25、26のQ端子から線路27への出
力がそれぞれHigh信号、High信号となり、入力
出力強度が大信号レベルであることを保持する 次に、2ビット目の「0」が来ると、再びコンパレータ
20の出力がLow状態となり、D−フリップフロップ
30のQ端子を立ち上げる。
【0056】D−フリップフロップ29、30の立ち上
がり信号のOR論理処理を取ったタイミングで、D−フ
リップフロップ25、26は線路27、28に出力され
るデータ信号をラッチし、MOSスイッチ16、17を
それぞれONにする。また、同時にOR回路33から線
路13への出力信号によりMOSトランジスタ18のゲ
ート端子39の電位をGNDレベルに落としMOSトラ
ンジスタ18をOFFにして非線形増幅動作モードから
線形増幅動作モードへ切換える。
【0057】これにより、線形動作モード時利得可変用
抵抗101は高利得用帰還抵抗4と中利得用帰還抵抗5
と低利得用帰還抵抗6の3つの抵抗に関する合成抵抗と
なってトランスインピーダンス利得が下記のように、 −A・{R4・R5・R6/(R4・R5+R5・R6
+R6・R4)}/(A+1) 2段階下がり、増幅器3の入力信号が線形増幅される。
ここに、R6は低利得用帰還抵抗6の抵抗値である。ま
た、A>>1という条件下では上記のトランスインピー
ダンス利得は、 −{R4・R5・R6/(R4・R5+R5・R6+R
6・R4)} で近似できる。このように、本プリアンプ回路は利得を
切換える際に、MOSトランジスタの自乗特性を利用し
た非線形増幅を行うことにより、先頭の1ビットのみの
情報を利用して小信号から大信号までの入力信号強度を
検索することができるため、高速な利得切換えが実現可
能となっている。
【0058】以上の説明では、非線型素子9としてMO
Sトランジスタ18を用いたが、バイポーラトランジス
タによる対数特性を利用しても実現可能である。また、
ダイオードの非直線性を利用してもよい。図7は図3の
DC伝達特性の変形例を示す図である。本図に示すよう
に、図3と比較して、各入力信号レベルに応じたプリア
ンプ回路の出力電圧が、特性曲線44、45、46のよ
うに、それぞれ線形増幅の範囲内に収まるように、中出
力検出リファレンス電圧21の電圧値、大信号検出リフ
ァレンス電圧22の電圧値、中利得用帰還抵抗5の抵抗
値、低利得用帰還抵抗6の抵抗値が選ばれる。
【0059】このため、非線形増幅動作モード、線形増
幅動作モードを切換えるために、図1の非線形素子選択
スイッチ10が必要なくなる。したがって、図2におけ
るMOSスイッチ36、37は必要無くなる。このた
め、MOSトランジスタ18のゲート電圧には適切なバ
イアス電圧Vbiasが与えられるだけでよい。
【0060】図8は図2の変形例を示す図である。本図
に示すように、図2と比較して、非線形動作時切替え用
素子102、帰還抵抗選択回路14は利得を3段の切換
えからN段の切換えの構成とした。具体的には、線形動
作モード時利得可変用抵抗101に、抵抗50−1〜5
0−N、MOSスイッチ51−1〜51−Nが設けら
れ、帰還抵抗選択回路14には、N段のコンパレータ5
2−1〜52−N、N段のD−フリップフロップ53−
1〜53−N、54−1〜54−N、55−1〜55−
Nが設けられる。
【0061】このように、N段の構成にすることによ
り、さらに、出力信号のダイナミックレンジが圧縮さ
れ、次段以降の回路ブロックの必要なダイナミックレン
ジを小さく抑えることができる。このため、次段以降の
回路設計を容易にすることができる。この回路構成を用
いれば、利得切換えの段数を増やしても、切換えに要す
る時間は3段の時と同様に、先頭ビットのみで利得切換
えが可能である。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入力信号強度に応じてトランスインピーダンス利得を切
換え全入力レベルに対して線形な増幅を行うため、波形
歪がなくデューティ比の良好な出力が得られる。全入力
レベルにおいて線形な増幅を行うため、大信号かつ消光
比の悪い信号が入力されても受信が可能である。
【0063】非線形増幅による入力信号強度検出を行う
ことにより、先頭の1ビットの期間で入力信号強度の検
出が可能となり高速な利得切換え動作が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバーストモード光受信システムの
概略構成を示すブロック図である。
【図2】図1の構成の詳細例を説明する図である。
【図3】図2のプリアンプ回路のDC伝達特性を示す図
である。
【図4】小信号レベルの信号が入力した場合のプリアン
プ回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図5】中信号レベルの信号が入力した場合のプリアン
プ回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図6】大信号レベルの信号が入力した場合のプリアン
プ回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図7】図3のDC伝達特性の変形例を示す図である。
【図8】図2の変形例を示す図である。
【図9】本発明の前提となるバーストモード光受信シス
テムのトランスインピーダンス型のプリアンプ回路を示
す図である。
【図10】図9のプリアンプの動作波形を示す図であ
る。
【図11】大入力時に光信号にDC(直流)バイアス光
がある例を示す図である。
【符号の説明】
1…受光素子 2…入力端 3…増幅器 4…高利得用帰還抵抗 5…中利得用帰還抵抗 6…低利得用帰還抵抗 7…帰還抵抗選択スイッチ 8…帰還抵抗選択スイッチ 9…非線型素子 10…非線形素子選択スイッチ 11、12、13、23、24、27、28…線路 14…帰還抵抗選択回路 15…出力端子 16、17、36、37、51−1〜51−N…MOS
スイッチ 18…MOSトランジスタ 19、20、52−1〜52−N…コンパレータ 21…中出力検出リファレンス電圧 22…大信号検出リファレンス電圧 25、26、29、30、34、35、53−1〜53
−N、54−1〜54−N、55−1〜55−N…D−
フリップフロップ 50−1〜50−N…抵抗33…OR回路 38…Vbias 39…MOSトランジスタ18のゲート端子 41、42、43、45、46、47…特性曲線 60…反転器 101…線形動作モード時利得可変用抵抗 102…非線形動モード作時非線形素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H03G 5/16 H03G 5/16 D H04B 10/00 H04B 9/00 B 10/04 Y 10/06 10/14 10/26 10/28 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03F 1/00 - 3/72 H03G 3/20 H03G 3/30 H03G 5/16 H04B 10/00 - 10/28

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バーストモード光信号を受信し電気信号
    に変換するバーストモード光受信システムにおいて、 帰還可変抵抗を有し、受光素子により光・電気変換され
    た電流信号を入力し線形に増幅する増幅器と、 前記増幅器に非線形の増幅を行わせるための非線形素子
    と、 前記増幅器に非線形の増幅を行わせて前記増幅器の出力
    信号のレベルを監視し、監視された出力信号のレベルに
    対応して前記帰還可変抵抗を制御して前記増幅器に線形
    の増幅を行わせる帰還抵抗制御部とを備えることを特徴
    とするバーストモード光受信システム。
  2. 【請求項2】 前記帰還抵抗制御部は、前記増幅器の出
    力信号のレベルを基に入力信号強度を監視する場合に
    は、前記帰還可変抵抗を大きくして小信号レベル範囲で
    は線形に動作し、小信号レベルを超える範囲では前記非
    線形素子により非線形の増幅を行い、信号のダイナミッ
    クレンジを圧縮することを特徴とする、請求項1に記載
    のバーストモード光受信システム。
  3. 【請求項3】 前記帰還抵抗制御部は、前記出力信号に
    関する先頭ビット「1」のレベルの大きさにより前記出
    力信号のレベルを基に入力信号強度を監視することを特
    徴とする、請求項1に記載のバーストモード光受信シス
    テム。
  4. 【請求項4】 前記帰還抵抗制御部は、前記増幅器の直
    流伝達特性により、前記増幅器の出力信号のレベルを基
    に入力信号強度に対応して前記増幅器から非線形素子を
    切り離し前記帰還可変抵抗の大きさを決定して線形増幅
    動作を確保することを特徴とする、請求項1に記載のバ
    ーストモード光受信システム。
  5. 【請求項5】 前記帰還抵抗制御部は、前記増幅器に非
    線形素子を並列接続したままで、前記増幅器の直流伝達
    特性により、前記増幅器の出力信号のレベルを基に入力
    信号強度に対応して前記帰還可変抵抗の大きさを決定し
    て線形増幅動作を確保することを特徴とする、請求項1
    に記載のバーストモード光受信システム。
  6. 【請求項6】 前記帰還可変抵抗は、 前記増幅器が有する高利得用帰還抵抗と、 前記増幅器に接続可能な中利得用帰還抵抗と、 前記増幅器に接続可能な低利得用帰還抵抗とからなり、 前記帰還抵抗制御部は、 前記増幅器の出力信号の先頭ビット「1」で小、中、大
    信号レベルをそれぞれ識別し、識別時に立ち上がり信号
    を出力し、次ビット「0」で立ち下がり信号を出力する
    2つのコンパレータと、 前記コンパレータの立ち上がり信号をそれぞれ保持する
    第1の2つのD−フリップフロップと、 前記コンパレータの立ち下がり信号をそれぞれ保持する
    第2の2つのD−フリップフロップと、 前記第2のD−フリップフロップにそれぞれ接続され、
    前記コンパレータの少なくとも1つの立ち下がりで、利
    得切換えタイミングを形成し、前記非線形素子を前記増
    幅器から切り離すOR回路と、 前記第1のD−フリップフロップにそれぞれ接続され、
    前記OR回路の利得切換えタイミングで前記増幅器に前
    記中利得用帰還抵抗、前記低利得用帰還抵抗を接続する
    ように、前記第1のD−フリップフロップの出力を保持
    する第3の2つのD−フリップフロップとからなること
    を特徴とする、請求項1に記載のバーストモード光受信
    システム。
  7. 【請求項7】 前記帰還可変抵抗は、 前記増幅器が有する高利得用帰還抵抗と、 前記増幅器に接続可能な複数の利得用帰還抵抗と、 前記帰還抵抗制御部は、 前記増幅器の出力信号の先頭ビット「1」で小から大の
    複数の信号レベルをそれぞれ識別し、識別時に立ち上が
    り信号を出力し、次ビット「0」で立ち下がり信号を出
    力する複数のコンパレータと、 前記コンパレータの立ち上がり信号をそれぞれ保持する
    第1の複数のD−フリップフロップと、 前記コンパレータの立ち下がり信号をそれぞれ保持する
    第2の複数のD−フリップフロップと、 前記第2のD−フリップフロップにそれぞれ接続され、
    前記コンパレータの少なくとも1つの立ち下がりで、利
    得切換えタイミングを形成し、前記非線形素子を前記増
    幅器から切り離すOR回路と、 前記第1のD−フリップフロップにそれぞれ接続され、
    前記OR回路の利得切換えタイミングで前記増幅器に前
    記複数の利得用帰還抵抗を接続するように、前記第1の
    D−フリップフロップの出力を保持する第3の複数のD
    −フリップフロップとからなることを特徴とする、請求
    項1に記載のバーストモード光受信システム。
  8. 【請求項8】 前記非線形素子はMOSトランジスタの
    自乗特性を利用する素子であることを特徴とする、請求
    項1に記載のバーストモード光受信システム。
  9. 【請求項9】 前記MOSトランジスタのゲートにバイ
    アス電圧を与え、自乗特性を形成することを特徴とす
    る、請求項8に記載のバーストモード光受信システム。
  10. 【請求項10】 前記非線形素子はバイポーラトランジ
    スタの対数特性を利用する素子であることを特徴とす
    る、請求項1に記載のバーストモード光受信システム。
  11. 【請求項11】 前記非線形素子はダイオードの非直線
    性を利用する素子であることを特徴とする、請求項1に
    記載のバーストモード光受信システム。
  12. 【請求項12】 バーストモード光信号を受信し電気信
    号に変換するバーストモード光受信方法において、 帰還可変抵抗を介して、受光素子により光・電気変換さ
    れた電流信号を線形に増幅する工程と、 非線形の増幅を行わせる工程と、 非線形に増幅される出力信号のレベルを基に入力信号強
    度を監視し、監視された入力信号強度に対応して前記帰
    還可変抵抗の大きさを制御して線形の増幅を行う工程と
    を備えることを特徴とするバーストモード光受信方法。
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