JP4077813B2

JP4077813B2 - バーストモード光受信器のピーク及びボトム検出器

Info

Publication number: JP4077813B2
Application number: JP2004174428A
Authority: JP
Inventors: 吉龍朴; 鉉哲奇; 潤濟呉; 泰誠朴; 信喜元; 聖夏金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-06-11
Also published as: KR100575981B1; JP2005006334A; KR20040106153A; US20040251403A1; US7109466B2

Description

本発明はバーストモード光受信器に関して、特にバーストモード光受信器のピーク及びボトム検出器に関するものである。

次世代通信は加入者に多くの情報をより速く伝送するために各家庭まで光線路を設ける光加入者網（Fiber To The Home：ＦＴＴＨ）を要求するようになった。しかし、光加入者網の一番大きな問題点は、従来の銅線による加入者網を代替するのに費用が多くかかるということである。それにより、低費用の光加入者網の構築に受動型光通信網（Passive Optical Network：ＰＯＮ）が考慮されている。

受動型光通信網は、中央集中局（central office）内のＯＬＴ（Optical Line Termination）、受動光分配器（optical splitter）、加入者（subscribers）に対応する一つ以上のＯＮＵ（Optical Network Unit）などで構成される。

一つのＯＬＴから多数のＯＮＵへの通信方式はデータを同時にダウンストリーム（downstream）伝送し、多数のＯＮＵから一つのＯＬＴへデータを送信するときには各ＯＮＵが送る信号の衝突を避けるためにＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）技法を利用する。そして、各ＯＮＵは一つのＯＬＴからの距離がそれぞれ異なるので、同一の光出力を有するＯＮＵからの光信号はＯＬＴの受信器にとってはそれぞれ光パワーが異なるようになる。ＯＬＴの受信器はこのような特性を満たすために多様な光パワーを有する信号処理のためにバーストモード光受信器が必要になる。

図１は、二重フィードバック構造を利用したバーストモード光受信器の構造である。図１を参照すれば、二重フィードバック構造のバーストモード光受信器６０は、光信号をこれに比例する電気的な電流信号に変換するフォトダイオード６２、フォトダイオード６２の電流信号を電圧信号に増幅する役割をするＧＣＡ（Gain Controllable Amplifier）６４、ＧＣＡ６４の差動出力から増幅器の利得をフィードバック構造で調節する自動利得制御ループ６６、そしてＧＣＡ６４の差動出力から２つの差動出力信号のＤＣオフセットを調節するＤＣオフセット制御ループ６８で構成されている。このようなフィードバック構造を採択したバーストモード光受信器６０は一般に非常に良好な特性が得られるが、通常のフィードバック構造はフィードバックが安定するまでに相当に長い時間がかかるので、速い動作を要求するバーストモード光受信器の動作ではこのような点が制限要素となる。そして、フィードバック構造は特性上高難易度の設計能力を要求する。

このようなフィードバック構造を採択したバーストモード光受信器の問題点を改善する目的で、フィード−フォワード（feed−forward）構造を採択したバーストモード光受信器の構造が提案された。このフィード−フォワード構造のバーストモード光受信器は非特許文献１を参照したものである。

"An Instantaneous Response CMOS optical receiver IC with wide dynamic range and extremely high sensitivity using feed−forward auto−bias adjustment, IEEE J.Solid state Circuit, VOL.30,NO.9, pp.991−997, Sep.1995"

図２は、フィード−フォワード構造を採択したバーストモード光受信器の回路ブロック図である。図２を参照すれば、フィードフォワード構造のバーストモード光受信器７０は、光信号をこれに比例する電気的な電流信号に変換するフォトダイオード７２、このフォトダイオード７２の電流信号を電圧信号に増幅する役割をするＧＣＡ７４を含む。ＧＣＡ７４の出力は、アナログ信号をデジタルレベルの信号に変換するために、バーストモード光受信器７０の後端で制限増幅器（limiting amplifier）７９と接続する。

差動入力構造を有する制限増幅器７９が５０％負荷サイクル（duty cycle）を有する信号を再生するためにはＧＣＡ７４の出力とその基準電圧が必要になる。ＧＣＡ７４の出力からこの信号の中間電圧値の基準電圧を探して制限増幅器の基準電圧源とする役割を、判別しきい値制御部（Automatic Threshold Controller：以下、“ＡＴＣ”とする）が行っている。このＡＴＣ８０は、ＧＣＡ７４の信号からこの信号のピーク値とボトム値を探して平均である中間値を出力する役割をする。したがって、ＡＴＣ８０ではピーク検出器７６とボトム検出器７８が必要である。また、ＡＴＣ８０はピーク値及びボトム値検出器を経る信号の電圧分配を行う一対の抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む。抵抗Ｒ１及びＲ２はピーク値電圧とボトム値電圧の中間値電圧（Vref ＝（Vpeak＋Vbottom）／２）、すなわち基準電圧（Vref）を発生するように抵抗値を有する。

図３は従来のバーストモード光受信器で使用されたピーク検出器の回路ブロック図で、図４はボトム検出器の回路ブロック図である。

図３を参照すれば、ピーク検出器９０はピーク値のオフセットを減少するための増幅端９２、ダイオードの役割をするＮＰＮトランジスタ９４、及びピーク値を充電するピーク保持キャパシタ９６を含む。増幅端９２を通じて印加されるバースト信号がピーク値まで上昇するようになれば、ＮＰＮトランジスタ９４がオン状態となり、ピーク保持キャパシタ９６がピーク値まで充電される。

また図４を参照すれば、ボトム検出器１００はピーク検出器の構成と類似しており、ピーク値のオフセットを減少するための増幅端１０２、ダイオードの役割をするＰＮＰトランジスタ１０４、及びボトム値を充電するボトム保持キャパシタ１０６を含む。このボトム検出器１００は、ピーク検出器９０とはダイオードの役割をするトランジスタのタイプが異なり、それによりダイオードの方向が異なる。

このように構成されたボトム検出器１００の動作を説明すれば、増幅端１０２を通じて印加されるバースト信号がボトム値まで下降するようになれば、トランジスタ１０４がオフ状態となり、ボトム保持キャパシタ１０６はボトム値まで充電される。

このようなバーストモード光受信器のピーク検出器９０及びボトム検出器１００で、バースト信号のピーク値とボトム値を検出するときにピーク値またはボトム値まで上昇または下降するのにかかる充電時間は、バースト信号の検出において非常に重要な要素となる。

しかし、従来のピーク検出器及びボトム検出器では、小さな入力信号に対しては速い充電時間を示すが、大きな入力信号では充電時間が遅くなるという特性を持つ。また、小さな入力信号に対しては速い充電時間を示すが、過充電が発生し得るので、バラツキ（fluctuation）が発生するという問題点があった。したがって、入力信号の充電時間はピーク検出器及びボトム検出器の性能と直結しているので、この充電時間の調節が重要な問題となる。

従来技術の問題点を解決する本発明の目的は、ピーク及びボトム検出回路のピークレベル及びボトムレベルを維持するピーク及びボトム保持キャパシタに供給される電流量が、信号の大きさにより自動調節されるようにすることにより、非常に短い充電時間を有するピーク検出器及びボトム検出器の回路を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、バーストモード光受信器でバースト信号のピーク値を検出するピーク検出器において、出力フィードバックを利用して、受信されるバースト信号のピーク値のオフセットを減少させるように構成された増幅端と、この増幅端から正の信号が受信されると、ダイオードの役割をするトランジスタと、該トランジスタが正の信号を受信すれば、ピーク値を充電するピーク保持キャパシタと、受信されるバースト信号の大きさをモニタリングする信号大きさ検出器と、この信号大きさ検出器の出力に応答してトランジスタへの電流を駆動する電流源とを備えたことを特徴とする。

トランジスタはＨＢＴトランジスタとするのがよい。また、信号大きさ検出器は、受信されるバースト信号の大きさに相応する制御信号を発生させ、電流源は、信号大きさ検出器による制御信号に応答して駆動電流量を増減させる構成とする。トランジスタに負の信号が受信される場合は、ピーク保持キャパシタは放電される。このような信号大きさ検出器は差動増幅器を含むものとし、電流源はＭＯＳＦＥＴとすることができる。

本発明によれば、さらに、バーストモード光受信器でバースト信号のボトム値を検出するボトム検出器において、出力フィードバックを利用して、受信されるバースト信号のボトム値のオフセットを減少させるように構成された増幅端と、この増幅端から負の信号が受信されるとオン状態となるダイオードと、該ダイオード及び電圧源に接続されてダイオードがオン状態になれば、ボトム値を充電するボトム保持キャパシタと、受信されるバースト信号の大きさをモニタリングする信号大きさ検出器と、ボトム保持キャパシタと並列に接続され、信号大きさ検出器の出力に応答して電流を駆動する電流源とを備えたことを特徴とする。

信号大きさ検出器は、受信されるバースト信号の大きさに相応する制御信号を発生させ、電流源は、信号大きさ検出器による制御信号に応答して駆動電流量を増減させる構成とする。このような信号大きさ検出器は差動増幅器を含むものとし、電流源はＭＯＳＦＥＴとすることができる。

本発明は、ピーク及びボトム検出回路のピークレベル及びボトムレベルを維持するピーク及びボトム保持キャパシタに供給される電流量が、信号の大きさにより自動調節されるようにすることにより、非常に速い応答時間を有するバーストモード光受信器の具現が可能である効果を有する。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明において、関連した公知の機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

図５は、本発明によるバーストモード光受信器のピーク検出器の構成を示すものである。

同図を参照すれば、本発明のバーストモード光受信器のピーク検出器２００は、ピーク値のオフセットを減少するための増幅端２１０、ダイオードの役割をするトランジスタ２２０、ピーク値を充電するピーク保持キャパシタ２３０、信号の大きさをモニタリングしてこれに相応する制御電圧を発生させる信号大きさ検出器２４０、この信号大きさ検出器２４０の出力により動作電流を駆動する電流源２５０で構成されている。

増幅端２１０の正の入力端＋にはバースト信号が印加され、負の入力端−にはピーク出力がフィードバックされて入力される。この増幅端２１０の出力端はダイオードの役割をするトランジスタ２２０のベースに接続されている。また、増幅端２１０の正の入力端は信号大きさ検出器２４０の入力端に接続され、この信号大きさ検出器２４０の入力端にもバースト信号が印加される。信号大きさ検出器２４０の出力端は電流源２５０であるＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２５０のソース端子は電圧源ＶＣＣに接続され、ドレイン端子はトランジスタ２２０のコレクタ端子に接続されている。

以下、ピーク検出器２００の動作を説明する。増幅端２１０はピーク検出器２００でピーク値を検出する場合、ダイオードの順方向電圧により発生する電圧オフセットを減少させる。すなわち、増幅端２１０は最終検出されたピーク値をフィードバックすると、電圧オフセットを増幅端の利得だけ減少させる。このような増幅端２１０を通じて入力される信号が正の方向に増加するようになれば、ダイオードとして動作するトランジスタ２２０が導通してピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）２３０が充電される。このとき、信号大きさ検出器２４０はピーク検出器２００に印加される信号の大きさを検出し、この検出された信号の大きさにより電流源２５０の電流量を制御する。信号大きさ検出器２４０から出力される信号の大きさが小さい場合、電流源２５０の電流量が多くなり、ピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）２３０が過充電されることが防止され、信号大きさ検出器２４０から出力される信号の大きさが大きい場合には電流源２５０の電流量が少なくなり、ピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）２３０の充電時間が短縮することにより、バースト信号の強さが大きくなっても充電時間を非常に短くする。

一方、ピーク検出器２００に印加される信号が負の方向に減少するようになると、ダイオードとして動作するトランジスタ２２０は遮断され、ピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）２３０は充電中の電流を放電するようになる。ピーク検出器２００はこのような原理で信号のピーク値を維持する。

このように、本発明は信号大きさ検出器２４０で検出された信号の大きさにより電流源２５０の電流量を制御することにより、バースト信号の強さが大きくなってもピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）２３０の充電時間を短縮することにより、充電時間を一層短縮させる。すなわち、信号大きさ検出器２４０は入力信号が小さいと、電流源２５０の電流量を少なくしてピーク保持キャパシタ２３０がゆっくりと充電され、入力信号が大きいと電流源２５０の電流量を大きくしてピーク保持キャパシタ２３０が速く充電されるようにする。これはピーク保持キャパシタ２３０の時定数が一定すれば、この時定数に対する入力信号の強さが大きくなるにしたがって充電時間が短縮することを利用することである。

図６は、本発明によるバーストモード光受信器のボトム検出器の構成を示すものである。

図６を参照すれば、本発明のバーストモード光受信器のボトム検出器３００は、ボトム値のオフセットを減少するための増幅端３１０、ダイオード３２０、ボトム値を充電するボトム保持キャパシタ３３０、信号の大きさをモニタリングしてこれに相応する制御電圧を発生させる信号大きさ検出器３４０、信号大きさ検出器３４０の出力により動作電流を駆動する電流源３５０で構成されている。増幅端３１０の正の入力端にはバースト信号が印加され、負の入力端にはボトム出力がフィードバックされて入力される。この増幅端３１０の出力端はダイオード３２０の負の端子に接続されている。増幅端３１０の正の入力端は、信号大きさ検出器３４０の入力端に接続され、この信号大きさ検出器３４０の入力端にもバースト信号が印加される。信号大きさ検出器３４０の出力端は電流源３５０であるＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ３５０のソース端子は電圧源ＶＣＣに接続され、ドレイン端子はダイオード３２０の正の端子に接続されている。ボトム保持キャパシタ（Ｃｐ）３３０はＭＯＳＦＥＴ３５０のソース端子とドレイン端子に並列に接続されている。

以下、ボトム検出器３００の動作について説明する。ボトム検出器３００はピーク値検出器２００とはダイオード３２０の極性が反対となっており、ボトム保持キャパシタ３３０が接地でなくＶＣＣに接続されていることが異なる。ボトム検出器３００は信号が負の方向に減少するようになれば、ダイオード３２０が順方向になってボトム保持キャパシタ（Ｃｐ）３３０を通じて充電され、信号が正の方向に増加するようになれば、ダイオード３２０が逆方向になってボトム保持キャパシタ３３０は充電中の電流を放電するようになる。このとき、信号大きさ検出器３４０で検出された信号の大きさが小さい場合には放電経路（電流源３５０）を開けてピーク保持キャパシタ（Ｃｐ）３３０が過充電されることを防ぎ、信号の大きさが大きい場合には放電経路を閉じて速い充電時間を持つように構成される。

図７は、本発明の実施形態による信号大きさ検出器の回路図を示すものである。

図７に示すように、本発明による信号大きさ検出器は、ベースにＧＣＡから入力が印加されるＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）トランジスタＱ１を含む。そして、ＨＢＴトランジスタＱ１のコレクタはＶＣＣ及びＲ１抵抗の一端と接続され、エミッタはキャパシタＣ１に接続される。このキャパシタＣ１の両端にはＭＯＳＦＥＴＭ１のドレインとソースが接続されてチャネルが並列接続され、また抵抗Ｒ３が並列に接続され、Ｃ１の一端が接地されている。このＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートにはバーストモード光受信器で発生されるリセット信号が印加される。

そして、ＨＢＴトランジスタＱ１のエミッタとキャパシタＣ１の接続点にＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートが接続され、ＭＯＳＦＥＴＭ２のドレインは抵抗Ｒ１の他端に接続されており、このＭＯＳＦＥＴＭ２のドレインと抵抗Ｒ１の他端の接続点が信号大きさ検出器の出力端となる。一方、ＭＯＳＦＥＴＭ２のドレイン及びソースに対しては、ＭＯＳＦＥＴＭ３のドレイン及びソースが並列に接続されている。このような構成のＭＯＳＦＥＴＭ２とＭＯＳＦＥＴＭ３は、当業者には公知のように、差動増幅器を形成する。そして、ＭＯＳＦＥＴＭ２のソースとＭＯＳＦＥＴＭ３のソースの接続点に抵抗Ｒ２の一端が接続され、該Ｒ２の他端は接地されている。ＭＯＳＦＥＴＭ３のゲートには基準電圧、例えば３Ｖが抵抗Ｒ４を通じて印加され、また抵抗Ｒ５を通じてＭＯＳＦＥＴＭ４のドレインが接続される。ＭＯＳＦＥＴＭ４のドレインとゲートは接続され、ソースは接地される。

このように構成された信号大きさ検出器の動作を説明すれば、次のようである。ＨＢＴトランジスタＱ１のベースにはＧＣＡからの入力信号が印加される。そして、ＭＯＳＦＥＴＭ３のゲートは基準電圧３Ｖに接続されているが、これは入力信号のボトムレベルに基準信号をとるためである。ＨＢＴトランジスタＱ１にＧＣＡから小さい入力信号が印加されると、この信号はＨＢＴトランジスタＱ１に接続されたキャパシタＣ１に充電される。このときの充電電圧は３Ｖにならない。したがって、差動増幅器の原理によりＭＯＳＦＥＴＭ３が導通し、ＭＯＳＦＥＴＭ２は導通しないので、ＭＯＳＦＥＴＭ２のドレインから電源電圧に近い電圧が出力される。この場合の出力信号は、下記の図１０に示すようである。

その逆に、ＨＢＴトランジスタＱ１にＧＣＡから大きな入力信号が印加されると、この信号はＨＢＴトランジスタＱ１に接続されたキャパシタＣ１に充電される。このときの充電電圧は実質的に３Ｖ以上となる。それによりＭＯＳＦＥＴＭ２が導通してドレインから電流が流れるようになり、Ｒ１で電圧降下した電圧が出力される。この場合の出力信号は、以下に説明する図１１に示すようである。

図８及び図９は、バーストモード光受信器でＧＣＡを通じて信号大きさ検出器に入力される信号を示すものである。図８及び図９に示すように、信号大きさ検出器には４０ｍＶのピーク値を有する信号も、１Ｖのピーク値を有する信号も入力され得る。

図１０及び図１１は、バーストモード光受信器で信号大きさ検出器が入力信号に対して検出した信号を示すものである。図１０及び図１１に示すように、バースト信号の大きさが小さいと、信号大きさ検出器から出力される信号が大きく、バースト信号の大きさが大きいと、信号大きさ検出器から出力される信号が小さい。信号大きさ検出器２４０から出力される信号が小さいと電流源２５０の電流量が多くなり、信号大きさ検出器２４０から出力される信号が大きいと電流源２５０の電流量が少なくなる。

図１２は本発明によるピーク検出器とボトム検出器の出力を示すもので、図１３及び図１４は大きな入力信号及び小さな入力信号に対するピーク検出器とボトム検出器の出力をそれぞれ示すものである。図１２〜図１４を参照すれば、バースト信号に対してピーク検出器とボトム検出器がピーク値とボトム値をそれぞれ検出することがわかる。この場合、本発明によるピーク検出器とボトム検出器をバーストモード光受信器に採用すれば、ピーク値とボトム値を迅速に検出可能になる。

二重フィードバック構造を利用したバーストモード光受信器の構造を示す図。フィード−フォワード構造を採択したバーストモード光受信器の回路ブロック図。従来のバーストモード光受信器で使用されたピーク検出器の回路ブロック図。従来のバーストモード光受信器で使用されたボトム検出器の回路ブロック図。本発明によるバーストモード光受信器のピーク検出器の構成を示す図。本発明によるバーストモード光受信器のボトム検出器の構成を示す図。本発明の実施形態による信号大きさ検出器の回路図。バーストモード光受信器でＧＣＡを通じて信号大きさ検出器に入力される信号を示す図。バーストモード光受信器でＧＣＡを通じて信号大きさ検出器に入力される信号を示す図。バーストモード光受信器で信号大きさ検出器が入力信号に対して検出した信号を示す図。バーストモード光受信器で信号大きさ検出器が入力信号に対して検出した信号を示す図。本発明によるピーク検出器とボトム検出器の出力を示す図。大きな入力信号に対するピーク検出器とボトム検出器の出力をそれぞれ示す図。小さな入力信号に対するピーク検出器とボトム検出器の出力をそれぞれ示す図。

符号の説明

２００ピーク検出器
２１０増幅端
２２０トランジスタ
２３０ピーク保持キャパシタ
２４０信号大きさ検出器
２５０電流源
３００ボトム検出器
３１０増幅端
３２０ダイオード
３３０ボトム保持キャパシタ
３４０信号大きさ検出器
３５０電流源

Claims

バーストモード光受信器でバースト信号のボトム値を検出するボトム検出器において、
出力フィードバックを利用して、受信されるバースト信号のボトム値のオフセットを減少させるように構成された増幅端と、
前記増幅端から負の信号が受信されるとオン状態となるダイオードと、
前記ダイオード及び電圧源に接続されて前記ダイオードがオン状態になれば、ボトム値を充電するボトム保持キャパシタと、
前記受信されるバースト信号の大きさをモニタリングする信号大きさ検出器と、
前記ボトム保持キャパシタと並列に接続され、前記信号大きさ検出器の出力に応答して動作電流を駆動する電流源とを備えたことを特徴とするボトム検出器。
前記信号大きさ検出器は、前記受信されるバースト信号の大きさに相応する制御信号を発生させる請求項１記載のボトム検出器。
前記電流源は、前記信号大きさ検出器による制御信号に応答して駆動電流量を増減させ
る請求項１記載のボトム検出器。
前記信号大きさ検出器は差動増幅器を含む請求項１記載のボトム検出器。
前記電流源はＭＯＳＦＥＴである請求項１記載のボトム検出器。