JP4156573B2 - トランスインピーダンスアンプ - Google Patents

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本発明は、光受信回路において、受光素子が光電気変換した電流信号を受信し電圧信号に変換増幅するトランスインピーダンスアンプに係り、特に、ダイナミックレンジの大きな入力電流に対応できるトランスインピーダンスアンプに関するものである。
本トランスインピーダンスアンプは、高速データ伝送を可能とする光伝送システム、光インターコネクション、パッシブオプティカルネットワーク(以下、PONと称する)システム等の光伝送回路において、光信号を電気信号に変換する光受信回路に適用されるものである。
トランスインピーダンスアンプは、受信した光信号を受光素子により光電気変換した電流Iinを入力し、トランスインピーダンス利得(帰還抵抗の値に比例する)によって、電圧Voutに変換して出力するものである。しかしながら、入力電流Iinが大きくなると出力電圧Voutの振幅が飽和し波形歪が生じる。
従来のトランスインピーダンスアンプは、高感度と広ダイナミックレンジ特性を両立させるために、入力電流Iinが大きくなった場合に帰還抵抗の値を小さくしてトランスインピーダンス利得を下げることで、大電流入力時も歪の少ない出力電圧Voutを得るようにしている。
図7に、従来のトランスインピーダンスアンプ300の基本構成を示す(例えば、非特許文献1参照)。このトランスインピーダンスアンプ300は、利得切替回路312と増幅回路311を有し、受光素子100の出力電流Iinを入力して電圧変換し信号増幅を行う。利得切替回路312は、帰還抵抗RFとダイオードD1を並列に接続した構成である。
このトランスインピーダンスアンプ300は、入力した電流Iinが大きくなった場合、増幅回路311の入力端子と出力端子との電圧差が大きくなり、帰還抵抗RFと並列に挿入したダイオードD1がONし、等価的に帰還抵抗の値が下がることで、トランスインピーダンス利得を下げ、大電流時に出力電圧Voutが飽和しないようにしたものである。
図8に、利得切替回路として、ダイオードのON/OFFによるのではなく、複数の帰還抵抗を切り替えるよう構成した別の従来のトランスインピーダンスアンプ400の基本構成を示す(例えば、特許文献1参照)。このトランスインピーダンスアンプ400は、利得切替回路412と増幅回路411を有し、受光素子100の出力電流Iinを入力して電圧変換し信号増幅を行うトランスインピーダンスアンプコア回路410と、トランスインピーダンスアンプコア回路410の出力電圧Voutに応じて利得切替回路412の切り替えを制御する利得切替判断回路420を有する。
このトランスインピーダンスアンプ400は、利得切替回路412をスイッチが直列接続された複数の帰還抵抗で構成し、増幅回路411の出力電圧Voutの直流レベルを利得切替判断回路420によりモニタして得た切替信号によって、利得切替回路412のスイッチをON/OFFして帰還抵抗の値を切り替えるものである。
猿渡、菅原、井辺、著 「156Mbpsバースト信号対応光受信器」、電子情報通信学会総合大会、予稿集、1997年、B−10−128 特許第3259707号(特開2000−252774)公報
ところで、高速データ伝送を可能とする光伝送システム、特にPONシステムにおいては、高感度で広入力ダイナミックレンジ、かつバースト応答性が要求される。
図10(a)にPONシステムの構成を示す。PONシステムでは、1台の局側装置(OLT)501に複数台の宅側装置(ONU)5021〜502nが接続され、その接続は光カプラ503などのパッシブデバイスで接続される。504は光ファイバである。
このため、各宅側装置5021〜502nからの上り(ONUからOLT)のデータは、それぞれの経路の違いで、局側装置501への到達時の光パワーが異なってくる。このため、局側装置501の光受信回路には広いダイナミックレンジが要求される。
図10(a)のPONシステムでは、ある宅側装置がデータを送出している間(パケット期間)は、他の宅側装置はデータを送出できないので、伝送効率を高めるには、パケット間の時間を短くする必要がある。図10(b)に示すように、パケット510の先頭には、プリアンブル511と呼ばれる特定ビットが用意され、局側装置501でパケットの同期に使用される。信号振幅はパケット510毎に異なっている。
伝送効率を高めるためには、短いプリアンブルビットでパケットを同期させなければならず、そのためには、短いプリアンブルビットで、瞬時に利得を切り替えることができる光受信回路が必要である。このため、光受信回路には、瞬時応答が可能で、広ダイナミックレンジを有するトランスインピーダンスアンプが要求される。
この点につき、図7で説明した従来のトランスインピーダンスアンプ300は、帰還抵抗RFに並列にダイオードD1を挿入する構成であるため、入力電流Iinが大きくなった場合、出力電圧Voutの直流伝達特性に大きな歪が生じてしまい、出力電圧Voutの波形のデューティが悪化してしまう。デューティ特性が悪くなると符号誤りが生じ伝送特性の劣化を引き起こすという問題がある。
また、図8で説明した従来のトランスインピーダンスアンプ400は、直流伝達特性の歪の問題は解決できるが、利得切替判断回路420での利得切替の判断は、通常、トランスインピーダンスアンプ400の出力電圧Voutの高レベルと低レベルを、ハイレベルホールド回路、ローレベルホールド回路でそれぞれホールドし、その電位差が一定以上になったことをコンパレータ423等で識別することで切替判断を行うため、ホールドに時間がかかり、瞬時応答性に劣ってしまう。
すなわち、ハイレベルホールド回路は、オペアンプ421、コンデンサC1、ダイオードD2で構成され、またローレベルホールド回路は、オペアンプ422、コンデンサC2、ダイオードD3で構成され、ホールド性を確保するには、コンデンサC1,C2に大きな容量を持たせることが必要であるが、その場合、コンデンサC1,C2に充電するまでの時間がかかり、瞬時応答が難しくなる。また、LSI内にコンデンサC1,C2を構成した場合はレイアウト面積が大きくなってしまう。
さらに、高感度で広ダイナミックレンジを実現するために、利得切替回路412の帰還抵抗の本数が2本以上に増えた場合、利得切替判断アルゴリズムに、利得の状態を把握しておく必要があり、回路構成の複雑化とともに瞬時応答性を下げている。利得状態を把握する回路例としては、図9に示すようなSRラッチ回路431,432とアンド回路433を使用した論理回路によって状態を保持する保持回路430が知られている。
以上のように、従来の高感度で広入力ダイナミックレンジを実現するトランスインピーダンスアンプでは、バーストデータに対応した瞬時応答を実現することが困難という課題があった。
本発明の目的は、高感度および広入力ダイナミックレンジを実現でき、かつ、バーストデータに対応した瞬時応答を実現できるトランスインピーダンスアンプを提供することである。
請求項1にかかる発明は、入力端子が信号入力端子に接続された第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と、該第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と同じ構成で入力端子が開放された第2のトランスインピーダンスアンプコア回路と、前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の各出力端子が差動入力端子に接続された差動型の中間段バッファ回路と、該中間段バッファ回路の差動出力端子が差動入力端子に接続されたヒステリシスコンパレータを有し前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の利得を切り替える利得切替判断回路とを備え、前記信号入力端子に入力する電流を電圧信号に変換し増幅して前記中間段バッファ回路から出力するトランスインピーダンスアンプであって、前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、それぞれ帰還抵抗を具備し、前記利得切替判断回路の前記ヒステリシスコンパレータは、前記中間段バッファ回路の差動出力信号を入力とし、外部制御信号によりその出力を初期化する機能を有し、前記利得切替判断回路の前記ヒステリシスコンパレータは、前記中間段バッファ回路の差動出力信号に応じて前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の前記帰還抵抗の値を切り替えることを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記中間段バッファ回路の差動出力における正転出力電圧と反転出力電圧の差電位が前記ヒステリシスコンパレータの有するヒステリシス幅を超えたときに前記ヒステリシスコンパレータの出力が変化し、その後前記出力が保持され、前記外部制御信号により前記出力が初期化されることを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記帰還抵抗の値を切り替えるスイッチとしてMOSトランジスタを具備することを特徴とする。
請求項4にかかる発明は、請求項に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記MOSトランジスタは、その基板端子がソース電位より低い電位の接地に接続されたNMOSトランジスタからなることを特徴とする。
請求項5にかかる発明は、請求項1乃至のいずれか1つに記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記帰還抵抗の値の切り替えに連動して開ループ利得が切り替えられるようにしたことを特徴とする。
請求項1にかかる発明によれば、高感度および広ダイナミックレンジのトランスインピーダンスアンプにおいて、入力電流が大きく変化しても波形歪が生じないように利得切替を瞬時に行うことができる。すなわち、利得切替判断のための振幅レベル検出にヒステリシスコンパレータを使用するので、応答時間の遅いレベルホールド回路が必要無くなり、瞬時の利得切替判断が可能となり、バーストデータに対応した瞬時応答が可能となる。さらに、請求項2にかかる発明のようにMOSトランジスタをスイッチとして帰還抵抗の値を切り替え、請求項3にかかる発明のようにそのMOSトランジスタをNMOSトランジスタとしその寄生容量を減らすことにより、トランスインピーダンスの帯域を改善できるため高速動作が可能となる。さらに、請求項4にかかる発明によれば、ヒステリシスコンパレータは外部制御信号により初期化されるので、パケットデータではパケット間にその外部制御信号を与えることにより、信号振幅の異なるパケット毎に適正な利得制御が可能となる。さらに、請求項5にかかる発明によれば、開ループ利得の切り替えもできる。
本発明では、利得切替判断回路にヒステリシス特性をもったコンパレータを用いることにより、トランスインピーダンスアンプの出力振幅を、長い応答時間を要するホールド回路ではなく、コンパレータのヒステリシス幅で検出して、瞬時に利得切替判断を行わせ、一旦入力振幅がこの設定されたヒステリシス幅を超えるとコンパレータの出力レベルを保持させる。このように、ヒステリシスコンパレータを用いた利得切替判断回路により、利得切替判断を行う出力電圧の識別を瞬時に行うとともに現在の利得の状態を保持する。また、利得切替回路の帰還抵抗の値を切り替えるスイッチをNMOSトランジスタで構成し、そのNMOSトランジスタの基板電位をソース電位より低い接地(GND)として、スイッチの寄生容量を削減し、トランスインピーダンスアンプの帯域と感度を改善する。さらに、PONシステムでは、各パケットごとに信号振幅が異なるため、各々のパケットの振幅に対応して利得を切り替える必要があるので、利得切替判断回路のヒステリシスコンパレータは各パケット毎に初期化する必要があるが、ヒステリシスコンパレータの入力電圧は反転しないため、ヒステリシスコンパレータに外部リセット信号で初期状態に戻す機能を付加することで初期化を行う。
図1は、本発明の1つの実施例のトランスインピーダンスアンプ200の回路図である。トランスインピーダンスアンプ200は、入力端子が受光素子100に接続された第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210と、このトランスインピーダンスアンプコア回路210と同一構成で入力端子が開放された第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220と、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の出力電圧V1,V2を差動入力端子に入力する中間段バッファ回路230と、中間段バッファ回路230の差動出力電圧V3,V4を入力して差動出力電圧Voutp,Voutnを出力する出力バッファ回路240と、中間段バッファ回路230の差動出力電圧V3,V4を入力して第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得切替回路211,221に切替信号を出力する利得切替判断回路250とを有している。
次に、図1に示したトランスインピーダンスアンプ200の動作について説明する。トランスインピーダンスアンプ200の利得切替判断回路250の詳細を図2に示し、動作概要を図3に示す。利得切替判断回路250はヒステリシスコンパレータ251により構成されている。
中間段バッファ回路230には、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の出力電圧V1と、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の出力電圧V2が入力されるので、その中間段バッファ回路230からは、図3(a)に示すように、受光素子100から第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210に入力する電流Iinが大きくなると、正転電圧V3と反転電圧V4との間の電位差(V4−V3)が大きくなるような差動電圧出力が得られる。
中間段バッファ回路230の差動出力電圧を、利得切替判断回路250のヒステリシスコンパレータ251に入力し、その差動出力電圧の電位差(V4−V3)が予め設定したヒステリシス幅を超えた時に、ヒステリシスコンパレータ251が利得切替判断を行い、切替信号を変化させる(図3(b)、(c))。
トランスインピーダンスアンプ200において、中間段バッファ回路230の差動出力は反転することがないため、図3(c)に示すように、一旦ヒステリシス幅を超えると、信号反転が起こらない限りその出力レベルを保持するというヒステリシスコンパレータ251の特徴を利用すると、中間段バッファ回路230の出力を保持できるため、別途回路を用意する必要がない。なお、ヒステリシスコンパレータ251を初期化するには、後記するリセット機能付とすれば良い。
図4(a)は本発明に係わるトランスインピーダンスアンプ200の別の例の利得切替判断回路250Aの回路図であり、特に利得切替が複数段ある場合である。
利得切替判断回路250Aは、第1の利得切替判断を行う第1のヒステリシスコンパレータ252と、第2の利得切替判断を行う第2のヒステリシスコンパレータ253と、スイッチ254とで構成され、第1のヒステリシスコンパレータ252の入力端子は、中間段バッファ回路230の差動出力端子に直接接続され、第2のヒステリシスコンパレータ253の入力端子はスイッチ254を介して中間段バッファ回路230の差動出力端子に接続されている。このスイッチ254は第1のヒステリシスコンパレータ252の出力である第1切替信号でON/OFFする。
図4(b)に、利得切替判断回路250Aの動作概要を示す。第1のヒステリシスコンパレータ252により利得切替判断を行い第1の利得切替を行う。第1の利得切替信号によリスイッチ252がONした後、入力電流Iinがさらに大きくなりトランスインピーダンスアンプコア回路210の出力電圧V1の振幅がさらに大きくなると、第2のヒステリシスコンパレータ253により第2の利得切替判断を行う。
中間段バッファ回路230の差動出力電圧が反転することはないため、ヒステリシスコンパレータ252の出力、又はヒステリシスコンパレータ252と253の出力が一旦切り替わった後はその出力レベルは保持される。このため、複数段の利得切替を行う場合でも、本構成を用いることで、利得切替判断と状態保持の両方の機能を実現することができる。なお、ヒステリシスコンパレータ251〜253を初期化するには、後記するリセット機能付とすれば良い。
本発明に係わるトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得切替回路ならびに開ループ利得切替回路の具体例を以下に示す。
図5(a)はトランスインピーダンスアンプコア回路210,220における利得切替回路211,221の部分の回路図である。利得切替回路211,221には、トランスインピーダンス利得を決める帰還抵抗RF1,RF2,RF3、開ループ利得を決める負荷抵抗RL1,RL2,RL3があり、それら帰還抵抗および負荷抵抗をNMOSトランジスタMN1〜MN4をスイッチとして所望の抵抗値に切り替える。なお、帰還抵抗および負荷抵抗を切り替えるスイッチとしてNMOSトランジスタMN1〜MN4は切替信号の論理を反転すればPMOSトランジスタでも実現可能である。
図5(b)は利得切替回路211,221の部分の別の例の回路図である。NMOSトランジスタMN4のソースを、NMOSトランジスタMN3のソースではなくドレインヘ接続したものである。このようにすることで、最大負荷抵抗時のNMOSトランジスタMN4の寄生容量の影響を低減することが可能である。
図5(c)に切替信号とNMOSトランジスタMN1〜MN4のゲート電圧(Hi,Lo)の関係を示す。図4(a)に示した利得切替判断回路250Aで生成された第1および第2切替信号は、利得切替回路211,221に送られ、NMOSトランジスタによるスイッチで抵抗の切替が行われ、利得が3種類(大、中、小)に切り替えられる。
さらに、図5(a)、(b)では、帰還抵抗を切り替えるスイッチに使用するNMOSトランジスタMN1、MN2の基板端子を、ソースではなく接地(GND)へ接続し、基板電位をソース電位より低電位としている。このようにすることで、空乏層が広がり、NMOSトランジスタのドレイン・ソース間の寄生容量を減らし、高速動作を得ることができる。
図6に、前記した利得判断回路250のヒステリシスコンパレータ251〜253として使用可能なリセット機能付ヒステリシスコンパレータの回路を示す。R1〜R6は抵抗、Q3〜Q8はNPNトランジスタ、MP1,MP2はPMOSトランジスタ、Ia,Ibは電流源である。このリセット機能付ヒステリシスコンパレータでは、外部から与えられるリセット信号RESETによってヒステリシスコンパレータ出力を初期値に戻すために、ヒステリシスコンパレータの電位を強制的に初期値に戻す回路(PMOSトランジスタMP1,MP2)を付加している。なお、PMOSトランジスタMP1,MP2はリセット信号の論理を反転すればNMOSトランジスタでも実現可能である。
本リセット機能付ヒステリシスコンパレータの動作は、反転入力端子INの電圧V4が、正転入力端子IPの電圧V3に対してある電位差を超えると、正転出力端子OPが反転出力端子ONに対して高い電圧を出力する。逆に、正転入力端子IPの電圧V3が反転入力端子INの電圧V4に対してある電位差を超えると、反転出力端子ONが正転出力端子OPに対して高い電圧を出力する。
しかし、中間バッファ回路230の差動出力は反転しないため、反転出力端子ONの電圧が正転出力端子OPの電圧に対して高い電圧(初期状態)に自動的に復帰することは無い。
そこで、リセット端子にリセット信号RESETを与えることで、強制的に反転出力端子ONが正転出力端子OPに対して高い電圧になるように内部電圧を与える回路(PMOSトランジスタMP1,MP2)を追加した。これにより両出力端子OP,ONの電圧を前記した初期値に戻すことが可能である。
PONシステムでは、各パケットごとに信号振幅が異なるため各々のパケットの振幅に対応してトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を頻繁に切り替える必要がある。このため、利得切替判断回路250のヒステリシスコンパレータ251、又は252,253は各パケット毎に初期化する必要があるが、ヒステリシスコンパレータの入力電圧は反転しないので初期化できない。そこで、それらのヒステリシスコンパレータを上記のようにリセット機能付とすれば、外部リセット信号でそのヒステリシスコンパレータを強制的に初期状態に戻し初期化を行うことができる。
本発明の一実施例であるトランスインピーダンスアンプの回路図である。 図1のトランスインピーダンスアンプにおける利得切替判断回路の回路図である。 図1のトランスインピーダンスアンプの動作説明図である。 (a)は図1のトランスインピーダンスアンプにおいて、帰還抵抗の値を複数に亘って切り替えるときの利得切替判断回路の回路図、(b)はその動作説明図である。 (a)、(b)はトランスインピーダンスアンプコア回路における利得切替回路の部分の具体例の回路図、(c)は動作説明図である。 利得切替判断回路に使用するリセット機能付ヒステリシスコンパレータの具体例の回路図である。 従来のトランスインピーダンスアンプの回路図である。 従来別の例のトランスインピーダンスアンプの回路図である。 従来のトランスインピーダンスアンプにおいて、現在の利得状態を把握する保持回路の具体例の回路図である。 (a)はPONシステムの構成を示す図、(b)はパケットデータの説明図である。
符号の説明
100:受光素子
200:本実施例のトランスインピーダンスアンプ、210:第1のトランスインピーダンスアンプコア回路、211:増幅回路、212:利得切替回路、220:第2のトランスインピーダンスアンプコア回路、221:増幅回路、222:利得切替回路、230:中間段バッファ回路、240:出力バッファ回路、250,250A:利得切替判断回路、251〜253:ヒステリシスコンパレータ
300:従来のトランスインピーダンスアンプ、311:増幅回路、312:利得切替回路
400:別の従来のトランスインピーダンスアンプ、410:トランスインピーダンスアンプコア回路、411:増幅回路、412:利得切替回路、420:利得切替判断回路、421,422:オペアンプ、423:コンパレータ、430:保持回路、431,432:FF回路、433:アンド回路
501:局側装置、5021〜502n:宅側装置、503:光カプラ、504:光ファイバ、510:パケット、511:プリアンブル

Claims (5)

  1. 入力端子が信号入力端子に接続された第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と、該第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と同じ構成で入力端子が開放された第2のトランスインピーダンスアンプコア回路と、前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の各出力端子が差動入力端子に接続された差動型の中間段バッファ回路と、該中間段バッファ回路の差動出力端子が差動入力端子に接続されたヒステリシスコンパレータを有し前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の利得を切り替える利得切替判断回路とを備え、前記信号入力端子に入力する電流を電圧信号に変換し増幅して前記中間段バッファ回路から出力するトランスインピーダンスアンプであって、
    前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、それぞれ帰還抵抗を具備し、
    前記利得切替判断回路の前記ヒステリシスコンパレータは、前記中間段バッファ回路の差動出力信号を入力とし、外部制御信号によりその出力を初期化する機能を有し、
    前記利得切替判断回路の前記ヒステリシスコンパレータは、前記中間段バッファ回路の差動出力信号に応じて前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の前記帰還抵抗の値を切り替えることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
  2. 請求項1に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、
    前記中間段バッファ回路の差動出力における正転出力電圧と反転出力電圧の差電位が前記ヒステリシスコンパレータの有するヒステリシス幅を超えたときに前記ヒステリシスコンパレータの出力が変化し、その後前記出力が保持され、前記外部制御信号により前記出力が初期化されることを特徴とするトランジスタインピーダンスアンプ。
  3. 請求項1又は2に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、
    前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記帰還抵抗の値を切り替えるスイッチとしてMOSトランジスタを具備することを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
  4. 請求項に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、
    前記MOSトランジスタは、その基板端子がソース電位より低い電位の接地に接続されたNMOSトランジスタからなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
  5. 請求項1乃至のいずれか1つに記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、
    前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記帰還抵抗の値の切り替えに連動して開ループ利得が切り替えられるようにしたことを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
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