JP4169985B2 - 前置増幅器の利得切り替え回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムの光受信装置や、光信号の測定器、モニタなどの光受信部に用いられる前置増幅器の利得切り替え回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ここでは、理解を容易にするため、光通信システムの光受信装置に用いられる前置増幅器の利得切り替え回路を例に挙げて説明する。光通信システムとしては、例えばATM−PON(Asynchronous Transfer Mode-Passive Optical Network)が知られている。このATM−PONは、ITU−T勧告G.983として国際標準化された光通信システムであり、時分割多重方式によって一台の局側装置で複数の加入者装置と通信が行えるポンイト・マルチポイント伝送が実現できるので、伝送コストの大幅な低減が可能な方式として期待されている。
【0003】
この種の光通信システムにおける前置増幅器の利得切り替え回路としては、従来、例えば特開2000−315923号公報(バースト光受信回路)に開示されたものが知られている。以下に、図4〜図6を参照して概要を説明する。なお、図4は、従来の前置増幅器の利得切り替え回路の構成例を示す回路図である。図5は、動作を説明するタイムチャートである。図6は、図4に示す前置増幅器の利得切り替え回路の制御フローを示す図である。
【0004】
図4において、光信号を電気信号に変換する受光素子1の出力(電流信号)aを受ける前置増幅器2は、演算増幅器2aと帰還抵抗素子2bとで構成され、入力される電流信号を増幅し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプ(Trasnsimpedance Amplifier:以下「TIA」と称する)である。
【0005】
TIA2の帰還抵抗素子2bには、抵抗素子5とダイオード8による直列回路と、抵抗素子6とスイッチング素子であるMOSトランジスタ9による直列回路と、抵抗素子7とスイッチング素子であるMOSトランジスタ10による直列回路とがそれぞれ並列接続されている。
【0006】
利得切り替え回路31は、識別回路11,12と、フリップフロップ回路13,14とを備え、TIA2の出力(電圧信号)bを受けて、その出力レベルに応じてMOSトランジスタ9,10をON(閉路)・OFF(開路)操作してTIA2の帰還抵抗値を切り替えるように構成されている。
【0007】
すなわち、TIA2の出力(電圧信号)bは、識別回路11,12の正相入力端(+)に入力されている。識別回路11の逆相入力端(−)には、基準電圧V1が入力され、識別回路12の逆相入力端(−)には、基準電圧V2が入力されている。ここで、V1<V2である。
【0008】
識別回路11の出力端は、フリップフロップ回路13のクロック入力端Cに接続され、フリップフロップ回路13のデータ入力端Dは、電源VHに接続されている。フリップフロップ回路13のデータ出力端Qから出力される信号dは、MOSトランジスタ9のゲート電極に与えられ、MOSトランジスタ9をON動作させる。その結果、抵抗素子6が帰還抵抗素子2bに並列接続されることになる。
【0009】
また、識別回路12の出力端は、フリップフロップ回路14のクロック入力端Cに接続され、フリップフロップ回路14のデータ入力端Dは、電源VHに接続されている。フリップフロップ回路14のデータ出力端Qから出力される信号eは、MOSトランジスタ10のゲート電極に与えられ、MOSトランジスタ10をON動作させる。その結果、抵抗素子7が帰還抵抗素子2bに並列接続されることになる。
【0010】
そして、フリップフロップ回路13,14のリセット端Rには、外部からリセット信号(RESET)cがそれぞれ入力される。リセット信号(RESET)cは、光バースト信号の入力に先立って入力されるので、フリップフロップ回路13,14は、各バースト信号の先頭で初期化されるようになっている。したがって、MOSトランジスタ9,10は、各バースト信号の先頭では、OFF(開路)動作状態になっている。
【0011】
次に、図5を参照して図4に示した従来の前置増幅器の利得切り替え回路の動作について説明する。なお、説明の便宜から、ダイオード8は動作しない状況を前提としている。
【0012】
図5(a)は、受光素子1の出力電流波形、つまりTIA2の入力電流波形を示している。ここでは、受光素子1には、バースト#1,#2,#3の順序で光バースト信号が入力される場合が示されている。なお、バースト#1,#2,#3は、それぞれ“1010”のビットパターンを持つデータ信号であり、振幅がこの順に増加しているとしている。
【0013】
図5(b)は、TIA2の出力電圧(Vout)bの波形および基準電圧(V1,V2)との関係を示している。バースト#1に対するTIA2の出力電圧(Vout)bは、基準電圧V1以下のレベルである。バースト#2に対するTIA2の出力電圧(Vout)bは、基準電圧V1を超えるが基準電圧V2を越えないレベルである。バースト#3に対するTIA2の出力電圧(Vout)bは、基準電圧V2を超えるレベルである。
【0014】
図5(c)は、リセット信号(RESET)cの波形である。図5(c)に示すように、リセット信号(RESET)cは、バースト#1,#2,#3それぞれの先頭で入力される。これによって、フリップフロップ回路13,14は、各バースト信号の先頭では初期化された状態になる。MOSトランジスタ9,10は、各バースト信号の先頭では、OFF(開路)動作状態になっている。つまり、TIA2は、各バースト信号の先頭では、帰還抵抗素子2bで決まるTIA2本来の変換利得になっている。
【0015】
図5(d)(e)は、識別回路11,12およびフリップフロップ回路13,14の動作を説明する波形図である。図5(d)において、TIA2が出力するバースト#1の振幅は、基準電圧V1以下であるので、識別回路11は動作せず、TIA2は本来の変換利得でバースト#1を増幅する。
【0016】
識別回路11では、バースト#2の第1ビットの振幅が基準電圧V1を超えたので、出力レベルを“0”レベルから“1”レベルに立ち上げ、リセット信号(RESET)cが入力されるまで保持する。フリップフロップ回路13のデータ出力端Qから“1”レベルの信号dが出力され、MOSトランジスタ9がON動作を行い、抵抗素子6が帰還抵抗素子2bに並列接続される。その結果、バースト#2では、TIA2の変換利得が本来の変換利得から帰還抵抗素子2bと抵抗素子6の並列接続による帰還抵抗値にて定まる小さい変換利得に切り替えられる。
【0017】
次いで識別回路11では、バースト#3の第1ビットの振幅が基準電圧V1を超えたので、出力レベルを“0”レベルから“1”レベルに立ち上げる。フリップフロップ回路13のデータ出力端Qから“1”レベルの信号dが出力され、MOSトランジスタ9がON動作を行い、抵抗素子7が帰還抵抗素子2bに並列接続される。
【0018】
同時に、図5(e)において、識別回路12では、バースト#3の第1ビットの振幅が基準電圧V2を超えたので、出力レベルを“0”レベルから“1”レベルに立ち上げる。フリップフロップ回路14のデータ出力端Qから“1”レベルの信号eが出力され、MOSトランジスタ10がON動作を行い、抵抗素子7が帰還抵抗素子2bに並列接続される。その結果、バースト#3では、TIA2の変換利得が本来の変換利得から帰還抵抗素子2bと抵抗素子6,7の並列接続による帰還抵抗値にて定まるさらに小さい変換利得に切り替えられる。
【0019】
図6に示すフロー図は、以上の動作をまとめて示したものである。図6において、ステップS81では、バースト信号の先頭でリセット信号(RESET)の受け付けが行われる。すなわち、リセット信号(RESET)が入力されると、フリップフロップ回路13,14がリセットされ、MOSトランジスタ9,10がOFF動作状態になり、TIA2が本来の変換利得に戻される。
【0020】
この状態で光バースト信号が受光素子1に入力されると、TIA2の出力レベルが識別回路11,12にてそれぞれの閾値(V1,V2)を越えるか否かが検出される(ステップS82)。
【0021】
TIA2の出力レベルが基準電圧V1以下であるときは(ステップS83;No)、利得切り替え回路31によるMOSトランジスタ9のON操作は行われない。TIA2の出力レベルが基準電圧V1以上であるときは(ステップS83;Yes)、利得切り替え回路31によるMOSトランジスタ9のON操作が行われ、そのON動作状態が保持される(ステップS84)。
【0022】
また、TIA2の出力レベルが基準電圧V2以下であるときは(ステップS85;No)、利得切り替え回路31によるMOSトランジスタ10のON操作は行われない。TIA2の出力レベルが基準電圧V2以上であるときは(ステップS85;Yes)、利得切り替え回路31によるMOSトランジスタ10のON操作が行われ、そのON動作状態が保持される(ステップS86)。
【0023】
このように、従来の前置増幅器の利得切り替え回路では、TIA2の出力レベルが基準電圧V1以下であるときは、TIA2本来の変換利得に設定し、基準電圧V1を越え基準電圧V2以下であるときは、MOSトランジスタ9のみをON操作して抵抗素子6を帰還抵抗素子2bに並列接続し、基準電圧V2を越えるときは、MOSトランジスタ9,10を共にON操作して抵抗素子6、7を帰還抵抗素子2bに並列接続し、TIA2の変換利得を切り替えるようにしている。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の前置増幅器の利得切り替え回路では、図6に示した制御フローから理解できるように、TIAの出力振幅が基準電圧を超えると必ずMOSトランジスタをON動作させる構成になっているので、バースト信号波形にリンギングや振幅の揺らぎ、信号サグなど各種の波形歪みがあると、必ずしもバースト信号の先頭で利得切り替えが行われず、バースト信号内の任意のビット位置で利得切り替えが行われる可能性があり、閾値の追従が困難である。また、波形歪み等によっては目的とは異なる変換利得に設定される可能性があるという問題がある。
【0025】
以下に、図4、図6〜図8を参照して具体的に説明する。なお、図7は、図4に示す前置増幅器の利得切り替え回路の誤動作を説明するタイムチャートである。図8は、図4に示す前置増幅器であるTIA2の入出力特性を示す図である。
【0026】
図7において、図7(a’)は、受光素子1の出力電流波形、つまりTIA2の入力電流波形を示している。ここでは、受光素子1には、第1バースト,第2バーストの光バースト信号がこの順に入力される場合が示されている。なお、第1バースト,第2バーストは、それぞれ“1010”のビットパターンを持つデータ信号であり、振幅がこの順に増加しているとしている。各バーストでは、各“1”ビットの立ち上がり部分に大きなリンギングなどの波形歪みが見られる。
【0027】
図7(b’)は、TIA2の出力電圧(Vout)の波形および基準電圧(V1,V2)との関係を示している。第1バーストに対するTIA2の出力波形では、点線61で示す波形が目的の信号波形であり、基準電圧V1とほぼ同等のレベルにある。一方、実線62で示す波形は、誤動作を引き起こす原因となる波形であり、リンギングや振幅の揺らぎなどでランダムに基準電圧V1を超える場合と超えない場合があることが示されている。
【0028】
また、第2バーストに対するTIA2の出力波形では、点線63で示す波形が目的の信号波形であり、基準電圧V1を超え基準電圧V2を超えないレベルにある。一方、実線64で示す波形は、誤動作を引き起こす原因となる波形であり、第1ビットに基準電圧V2を超える大きな信号サグTdがあり、その後の各ビットが基準電圧V1以下に大きく潰された状態が示されている。
【0029】
図7(c’)は、リセット信号(RESET)の波形である。図7(c’)に示すように、リセット信号(RESET)は、第1バースト,第2バーストそれぞれの先頭で入力される。これによって、フリップフロップ回路13,14は、各バースト信号の先頭では初期化された状態になる。MOSトランジスタ9,10は、各バースト信号の先頭では、OFF(開路)動作状態になっている。つまり、TIA2は、各バースト信号の先頭では、帰還抵抗素子2bで決まるTIA2本来の変換利得になっている。
【0030】
図7(d’)(e’)は、識別回路11,12およびフリップフロップ回路13,14の動作を説明する波形図である。図7(d’)において、TIA2が出力する第1バーストに対する信号波形が、図7(b’)に点線61で示す目的の信号波形であれば、第1ビットの振幅が基準電圧V1を超えるので、識別回路11は第1ビット位置で正しく認識でき、点線65に示すように、第1ビットのタイミングからMOSトランジスタ9をON動作させることができる。
【0031】
しかし、TIA2が出力する第1バーストに対する信号波形が、図7(b’)に実線62で示す波形であれば、第1ビット位置だけではなく、その後の任意のビット位置で基準電圧V1を超える場合が生じ、バースト信号内の任意のビット位置でMOSトランジスタ9をON動作させることが起きる。例えば、実線66で示すように、第5ビット位置からMOSトランジスタ9をON動作させることが起こり、変換利得の切り替えがバースト信号の途中で行われることになる。
【0032】
また、図7(e’)において、TIA2が出力する第2バーストに対する信号波形が、図7(b’)に点線63で示す目的の信号波形であれば、第1ビットの振幅は基準電圧V1のみを超え、基準電圧V2を超えないので、識別回路11のみが動作し、識別回路12は動作しない。この場合には、点線67に示すように、第1ビットのタイミングからMOSトランジスタ10はOFF動作を維持し、図7(d’)に示すようにMOSトランジスタ9のみがON動作を行う。
【0033】
しかし、TIA2が出力する第1バーストに対する信号波形が、図7(b’)に実線64で示す大きな信号サグのある波形であれば、第1ビット位置で基準電圧V2を超えるので、識別回路12も認識し、実線68で示すように、第1ビットのタイミングからMOSトランジスタ10もON動作させることが起こる。つまり、この場合は、抵抗素子6のみを帰還抵抗素子2bに並列接続した変換利得が目的の利得であるが、さらに抵抗素子7も並列接続した目的とは異なる変換利得に設定されてしまうことが起こり、出力振幅が目的の振幅よりも小さくなる。
【0034】
次に、図8は、以上の動作をTIA2の入出力特性との関係で説明する図である。図8において、特性71,72,73は、図5に示した動作に対応している。すなわち、特性71は、バースト#1のようにTIA2が本来の変換利得で動作する場合の入出力特性である。次いで、バースト#2では、基準電圧V1を超えるタイミングである利得切替点Aにて、MOSトランジスタ9がON動作を行うので、利得の切り替えが行われ特性72の入出力特性となる。そして、バースト#3では、基準電圧V2を超えるタイミングである利得切替点Bにて、MOSトランジスタ9,10がON動作を行うので、利得の切り替えが行われ特性73の入出力特性となる。
【0035】
これに対し、図7に示した動作では、第1バーストは、基準電圧V1と同等のレベル、つまり利得切替点A近くのレベルである。そのため、波形のリンギングや振幅の揺らぎなどによって、第1ビット位置だけではなく、その後の任意のビット位置で基準電圧V1を超える場合が生じ、バースト信号内の任意のビット位置でMOSトランジスタ9をON動作させることが起きる。
【0036】
また、第2バーストでは、第1ビットが波形のリンギングなどにより誤って基準電圧V2を超えると、第1ビット位置でMOSトランジスタ9,10をON動作させることが起きる。したがって、利得切替点Bが小振幅側の利得切替点B’に移動し、特性73が小振幅側の利得切替点B’からスタートする特性74となることが起きるので、出力振幅が目的の振幅よりも非常に小さい振幅になってしまう。
【0037】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、バースト信号の特定のビット位置でのみ利得切り替えを実施し、各バースト信号のレベルに応じた適切な変換利得に切り替えることができる前置増幅器の利得切り替え回路を得ることを目的とする。
【0038】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる前置増幅器の利得切り替え回路は、バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器であって、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続される前置増幅器の変換利得を切り替える利得切り替え回路は、前記前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える場合において、前記特定のビット位置で第1ゲート信号を発生し、その後、前記他の特定のビット位置で第2ゲート信号を発生するゲート信号発生手段と、前記前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える場合において、前記第2基準電圧を超えるときのタイミングが前記第1ゲート信号の発生時間幅内であるとき前記第1スイッチング素子を閉路操作する第1操作手段と、前記前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える場合において、前記第3基準電圧を超えるときのタイミングが前記第2ゲート信号の発生時間幅内であり、かつ前記第1スイッチング素子が閉路操作されているときに前記第2スイッチング素子を閉路操作する第2操作手段とを備えたことを特徴とする。
【0043】
この発明によれば、利得切り替え回路では、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続され、バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える場合において、まずゲート信号発生手段にて、特定のビット位置で第1ゲート信号が発生され、その後、前記他の特定のビット位置で第2ゲート信号が発生される。その結果、第1操作手段にて、前記前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える場合において、前記第2基準電圧を超えるときのタイミングが前記第1ゲート信号の発生時間幅内であるとき前記第1スイッチング素子が閉路操作される。また、第2操作手段にて、前記前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える場合において、前記第3基準電圧を超えるときのタイミングが前記第2ゲート信号の発生時間幅内であり、かつ前記第1スイッチング素子が閉路操作されているときに前記第2スイッチング素子が閉路操作される。
【0044】
つぎの発明にかかる前置増幅器の利得切り替え回路は、バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器であって、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続される前置増幅器の変換利得を切り替える利得切り替え回路は、前記前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第1レベル検出回路と、前記前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第2レベル検出回路と、前記前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第3レベル検出回路と、外部から入力されるリセット信号の立ち下がりから前記特定のビット位置に対応する前記第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第1ゲート信号、および前記第1ゲート信号の立ち下がりから前記他の特定のビット位置に対応する前記第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第2ゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成回路と、前記第2レベル検出回路の出力パルス信号が前記第1ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第1判定信号を出力する第1判定回路と、前記第1判定信号を前記リセット信号が入力するまでの期間内保持し、前記第1スイッチング素子を閉路動作させる第1保持回路と、前記第3レベル検出回路の出力パルス信号が前記第2ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第2判定信号を出力する第2判定回路と、前記第2判定信号を前記リセット信号が入力するまでの期間内保持する第2保持回路と、前記第1保持回路が前記第1判定信号を保持出力している場合に前記第2保持回路が前記第2判定信号を保持出力したとき、前記第2保持回路の出力に従って前記第2スイッチング素子を閉路動作させる第3判定回路とを備えたことを特徴とする。
【0045】
この発明によれば、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続され、バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器の出力は、第1〜第3のレベル検出回路にそれぞれ入力される。第1レベル検出回路で、前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える期間内パルス信号が出力されると、ゲート信号生成回路にて、外部から入力されるリセット信号の立ち下がりから特定のビット位置に対応する第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第1ゲート信号、および第1ゲート信号の立ち下がりから他の特定のビット位置に対応する第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第2ゲート信号がそれぞれ生成される。第2レベル検出回路にて、前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える期間内パルス信号が出力されると、第1判定回路にて、第2レベル検出回路の出力パルス信号が前記第1ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第1判定信号が出力される。その結果、第1保持回路にて、この第1判定信号が前記リセット信号の入力までの期間内保持され、第1スイッチング素子が閉路動作され、第1ゲート信号にて規定される特定のビット位置において前置増幅器の変換利得の切り替えが実施される。また、第3レベル検出回路にて、前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える期間内パルス信号が出力されると、第2判定回路にて、第3レベル検出回路の出力パルス信号が前記第2ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第2判定信号が出力され、第2保持回路にてこの第2判定信号が前記リセット信号の入力までの期間内保持される。そして、第3判定回路にて、前記第1保持回路が前記第1判定信号を保持出力している場合に前記第2保持回路が前記第2判定信号を保持出力したとき、前記第2保持回路の出力に従って第2スイッチング素子を閉路動作させる。その結果、第2ゲート信号にて規定される特定のビット位置において、第1スイッチング素子と第1スイッチング素子が共に閉路動作した新たな変換利得への切り替えが実施される。
【0054】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる前置増幅器の利得切り替え回路および方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【0055】
図1は、この発明の一実施の形態である前置増幅器の利得切り替え回路の構成を示す回路図である。図1において、光信号を電気信号に変換する受光素子1の出力(電流信号)Aを受ける前置増幅器2は、演算増幅器2aと帰還抵抗素子2bとで構成され、入力される電流信号を増幅し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプ(TIA)である。TIA2の帰還抵抗素子2bには、抵抗素子5とダイオード8による直列回路と、抵抗素子6とスイッチング素子であるMOSトランジスタ9(以下「SW9」と称する)による直列回路と、抵抗素子7とスイッチング素子であるMOSトランジスタ10(以下「SW10」と称する)による直列回路とがそれぞれ並列接続されている。以上は、図4に示した構成と同様である。
【0056】
なお、抵抗素子5とダイオード8による直列回路は設けられない場合もある。抵抗素子5とダイオード8による直列回路を考慮すると、SW9,10がOFF動作状態にあるときのTIA2の変換利得は、帰還抵抗素子2bの値で決まる利得、または、帰還抵抗素子2bと抵抗素子5の並列抵抗値で決まる利得のいずれかとなる。ここでは、説明を容易にするため、抵抗素子5とダイオード8による直列回路は無視し、帰還抵抗素子2bの値で決まる利得がTIA2本来の変換利得であるとする。
【0057】
この実施の形態による利得切り替え回路3は、レベル検出回路15,16,17と、ゲート生成回路18と、判定回路19,20,21と、レベル保持回路22,23とを備え、バースト信号の特定のビット位置で利得切り替えを実施し、その後に、異なる利得切り替え原因が発生した場合には、単独の切り替え動作を行うのではなく、必ず一つ前の利得切り替え動作が行われたことを条件に他の特定のビット位置で利得切り替えを実施することとし、各バースト信号のレベルに応じた適切な変換利得に切り替え得るようになっている。
【0058】
ここでは、その一例として、各バースト信号のビットパターンが“1010”である場合に、第1ビット位置で利得切り替えを実施し、その後に、第3ビット位置で利得切り替え原因が発生した場合には、単独の切り替え動作を行うのではなく、必ず第1ビット位置で利得切り替え動作が行われたことを条件に第3ビット位置での利得切り替えを実施する場合の構成例が示されている。
【0059】
すなわち、TIA2の出力(電圧信号)Bは、レベル検出回路15,16,17の一方の入力端に入力されている。レベル検出回路15の他方の入力端には、第1基準電圧である基準電圧V0が入力されている。レベル検出回路16の他方の入力端には、第2基準電圧である基準電圧V1が入力されている。レベル検出回路17の他方の入力端には、第3基準電圧である基準電圧V2が入力されている。ここで、V0<V1<V2である。
【0060】
レベル検出回路15の出力Dは、ゲート生成回路18に入力され、ゲート生成回路18の出力E(第1ゲート信号),H(第2ゲート信号)は、判定回路19,20の一方の入力端にそれぞれ入力されている。レベル検出回路16の出力Fは、判定回路19の他方の入力端に入力され、レベル検出回路17の出力Iは、判定回路20の他方の入力端に入力されている。
【0061】
判定回路19の出力は、レベル保持回路22に入力され、レベル保持回路22の出力Gは、SW9の制御信号となるとともに、判定回路21の一方の入力端に入力されている。判定回路20の出力は、レベル保持回路23に入力され、レベル保持回路23の出力は、判定回路21の他方の入力端に入力されている。判定回路21の出力Jは、SW10の制御信号となっている。
【0062】
そして、ゲート生成回路18とレベル保持回路22,23には、外部からリセット信号(RESET)Cがそれぞれ入力される。リセット信号(RESET)Cは、光バースト信号の入力に先立って入力されるので、ゲート生成回路18とレベル保持回路22,23は、各バースト信号の先頭で初期化されるようになっている。したがって、SW9,10は、各バースト信号の先頭では、OFF(開路)動作状態になっている。
【0063】
次に、図1〜図3を参照して、この実施の形態による前置増幅器の利得切り替え回路の動作を説明する。なお、図2は、図1に示す前置増幅器の利得切り替え回路の動作例を説明するタイムチャートである。図3は、図1に示す前置増幅器の利得切り替え回路の制御フローを示す図である。
【0064】
まず、図1、図2を参照して、利得切り替え動作の一例を説明する。図2では、理解を容易にするため、図5で示したのと同様形式のバースト信号についての動作例が示されている。
【0065】
すなわち、図2(A)は、受光素子1の出力電流波形、つまりTIA2の入力電流波形を示し、受光素子1には、バースト#1,#2,#3の順序で光バースト信号が入力される場合が示されている。なお、バースト#1,#2,#3は、それぞれ、“1010”のビットパターンを持つデータ信号であり、振幅がこの順に増加しているとしている。
【0066】
図2(B)は、TIA2の出力電圧(Vout)Bの波形および基準電圧(V0,V1,V2)との関係を示している。バースト#1に対するTIA2の出力電圧(Vout)Bは、基準電圧V0以下のレベルである。バースト#2に対するTIA2の出力電圧(Vout)Bは、基準電圧V1を超えるが基準電圧V2を超えないレベルである。バースト#3に対するTIA2の出力電圧(Vout)Bは、基準電圧V2を超えるレベルである。
【0067】
図2(C)は、リセット信号(RESET)Cの波形である。図2(C)に示すように、リセット信号(RESET)Cは、バースト#1,#2,#3それぞれの先頭で入力される。これによって、ゲート生成回路18とレベル保持回路22,23は、各バースト信号の先頭では初期化された状態になる。また、SW9,10は、各バースト信号の先頭では、OFF(開路)動作状態になっている。つまり、TIA2は、各バースト信号の先頭では、帰還抵抗素子2bで決まるTIA2本来の変換利得になっている。
【0068】
図2(D)は、レベル検出回路15の動作を示す波形図である。バースト#1は、基準電圧V0以下であるので、レベル検出回路15の出力Dは、“0”レベルである。バースト#2,#3は、基準電圧V0を超えるので、レベル検出回路15の出力Dは、バースト信号の各ビットに対応して“1”レベルと“0”レベルを交互に繰り返す波形となる。
【0069】
図2(E)は、ゲート生成回路18が第1ゲート信号Eを発生する動作を示す波形図である。バースト#1では、バースト#1に先立つリセット信号(RESET)Cの立ち上がりに応答して初期化され、そのリセット信号(RESET)Cの立ち下がりに応答して出力を“1”レベルにする。レベル検出回路15の出力Dが“0”レベルであるので、ゲート生成回路18は、その“1”レベルの出力を次のバースト#2に先立つリセット信号(RESET)Cが入力されるまで維持し、入力されると初期化され、出力を“0”レベルにする。
【0070】
そして、バースト#2に先立つリセット信号(RESET)Cの立ち下がりに応答して出力Eを“1”レベルにする。今度は、レベル検出回路15の出力が“1”レベルと“0”レベルを交互に繰り返す波形であるので、レベル検出回路15の出力が最初に“1”レベルとなり“0”レベルに立ち下がるまでの期間内、ゲート生成回路18は、出力Eを“1”レベルに維持する。バースト#3においても同様の動作が行われる。
【0071】
ここで、レベル検出回路15の出力が最初に“1”レベルとなる位置は、第1ビット位置である。つまり、ゲート生成回路18は、レベル検出回路15が基準電圧V0を超えるバースト信号を検出している状況下においては、このようにリセット信号(RESET)Cの立ち下がりから第1ビットの終端までをパルス幅とする第1ゲート信号Eを発生する。この第1ゲート信号Eが判定回路19に与えられる。
【0072】
図2(H)は、ゲート生成回路18が第1ゲート信号E生成後に第2ゲート信号Hを発生する動作を示す波形図である。図2(H)に示すように、ゲート生成回路18では、第1ゲート信号Eの立ち下がりから、レベル検出回路15の出力が2度目に“1”レベルとなり“0”レベルに立ち下がるまでの期間内、出力Hを“1”レベルに維持する。レベル検出回路15の出力が2度目に“1”レベルとなる位置は、第3ビット位置である。つまり、ゲート生成回路18は、第1ゲート信号Eの立ち下がりから第3ビットの終端までをパルス幅とする第2ゲート信号Hを発生する。この第2ゲート信号Hが判定回路20に与えられる。
【0073】
図2(F)は、レベル検出回路16の動作を示す波形図である。バースト#1は、基準電圧V0以下であるので、レベル検出回路16の出力は、“0”レベルである。バースト#2では、第1ビットが基準電圧V1を超えているので、その第1ビットのタイミングで基準電圧V1を超えている時間幅をパルス幅とする検出パルス信号Fが判定回路19に出力される。
【0074】
また、バースト#3では、第1ビットと第3ビットが基準電圧V1を超えているので、その第1ビットと第3ビットのタイミングで基準電圧V1を超えている時間幅をパルス幅とする検出パルス信号Fが判定回路19に出力される。
【0075】
図2(G)は、判定回路19とレベル保持回路22の動作を示す波形図である。バースト#1は、基準電圧V1以下であるので、判定回路19は入力がない。バースト#1に対しては、TIA2は、本来の変換利得で増幅動作を行っている。
【0076】
これに対し、バースト#2では、判定回路19には第1ゲート信号Eと検出パルス信号Fが入力される。判定回路19では、検出パルス信号Fが第1ゲート信号Eの時間幅内に入力された場合にのみ、SW制御信号をレベル保持回路22に出力する。レベル保持回路22は、入力されたSW制御信号をSW操作信号GとしてSW9のゲート電極に与えるとともに、判定回路21にも出力し、リセット信号(RESET)Cが入力されるまで保持し、SW9をON動作させ続ける。TIA2では、バースト#2に対しては、第1ビットにおいて、本来の変換利得から、帰還抵抗素子2bと抵抗素子6の並列抵抗値できまる小さい変換利得への切り替えが行われる。
【0077】
バースト#3でも同様に、判定回路19とレベル保持回路22は動作し、SW9をON動作させ続けるが、バースト#3の第3ビットが基準電圧V2を超えるので、並行して図2(I)(J)に示す動作が行われる。
【0078】
図2(I)は、レベル検出回路17の動作を示す波形図である。バースト#1とバースト#2は、基準電圧V2以下であるので、レベル検出回路17の出力は、“0”レベルである。
【0079】
これに対し、バースト#3では、第1ビットと第3ビットが基準電圧V2を超えているので、その第1ビットと第3ビットのタイミングで基準電圧V2を超えている時間幅をパルス幅とする検出パルス信号Iが判定回路20の出力される。
【0080】
図2(J)は、判定回路20,レベル保持回路23および判定回路21の動作を示す波形図である。判定回路20では、検出パルス信号Iが第2ゲート信号Hの時間幅内に入力された場合にのみ、SW制御信号をレベル保持回路23に出力する。つまり、第1ビット位置にて発生している検出パルス信号Iは第2ゲート信号Hの時間幅内にないので無効とされ、第3ビット位置にて発生している検出パルス信号Iが第2ゲート信号Hの時間幅内に在るので有効とされる。
【0081】
レベル保持回路23は、入力されたSW制御信号を判定回路21に出力し、リセット信号(RESET)Cが入力されるまで保持する。判定回路21は、レベル保持回路23からSW制御信号が入力されると、SW操作信号Gが“1”レベルに保持されている場合に、レベル保持回路23から入力されたSW制御信号をSW操作信号JとしてSW10のゲート電極に与える。
【0082】
その結果、TIA2では、バースト#3に対しては、第1ビット位置において、本来の変換利得から、帰還抵抗素子2bと抵抗素子6の並列抵抗値できまる小さい変換利得への切り替えが行われるが、その後、第3ビット位置で、さらに抵抗素子7をも並列接続したさらに小さい変換利得への切り替えが行われる。
【0083】
ここで、以上の動作説明を踏まえて、図7に示したような第1バーストや第2バーストに対するこの実施の形態による動作を考える。第1バーストに対しては、第1ビットにおいて基準電圧V1を超えることがあれば、第1ゲート信号Eによって確実に捕捉できるので、第1ビット位置からTIA2の利得切り替えが行える。一方、第1ビット以降で基準電圧V1を超えることがあっても、第1ゲート信号Eは発生しないので、第1バーストの途中からTIA2の利得切り替えが行われることはない。
【0084】
また、第2バーストに対しては、実線64で示す波形の信号である場合に、第1ビットの位置で、基準電圧V1と基準電圧V2とを超えるので、検出パルス信号Fと検出パルス信号Iとが発生するが、第1ゲート信号Eのみが発生し、第2ゲート信号Hは発生しないので、第1ビット位置からSW9のみによるTIA2の利得切り替えが行われ、誤ってSW10もON動作するようなことはない。
【0085】
この実施の形態では、バースト信号波形が、図7に示したように、リンギングや振幅の揺らぎ、信号サグなど各種の歪みを有する点を考慮して、基準電圧V0と基準電圧V1の間隔は、比較的大きくしてある。これによって、信号波形に歪みがある場合でも、ある程度のレベルまではSW9による利得切り替えを実施しないようにする、つまり、不要な利得切り替えが頻発しないようにすることができる。
【0086】
次に、図3に沿って図1を参照しつつ一般的な動作について説明する。なお、図3において、SW1は、SW9を意味し、SW2は、SW10を意味している。S1では、バースト信号の先頭でリセット信号(RESET)の受け付けが行われる。すなわち、リセット信号(RESET)が入力されると、ゲート生成回路18とレベル保持回路22,23がリセットされ、SW1,SW2がOFF状態になり、TIA2が本来の変換利得に戻される。
【0087】
この状態で光バースト信号が受光素子1に入力されると、TIA2の出力レベルがレベル検出回路15,16,17にてそれぞれの閾値(V0,V1,V2)を越えるか否かが検出される(ステップS2)。基準電圧V0を超えない場合(ステップS3:No)や基準電圧V1を超えない場合(ステップS4:No)、基準電圧V2を越えない場合(ステップS5:No)には、SW1,SW2に対する制御は行われない。
【0088】
基準電圧V0を超える場合には(ステップS3:Yes)、リセット信号(RESET)の立ち下がりから第1ビット位置の終端までをパルス幅とする第1ゲート信号が生成され(ステップS31)、さらに第1ゲート信号の立ち下がりから第3ビット位置の終端までをパルス幅とする第2ゲート信号が生成される(ステップS32)。
【0089】
基準電圧V1を超える場合には(ステップS4:Yes)、その超えたタイミングが、ステップS31にて生成された第1ゲート信号のタイミングと一致するか否かが判断される(ステップS41)。一致する場合には(ステップS41;Yes)、SW1をON動作させ、その状態を保持する(ステップS42)。一方、一致しない場合には(ステップS41;No)、SW1をON操作することなく、制御動作を終了する。これによって、特定のビット位置(第1ビット位置)でのみ利得の切り替えが行われ、バースト信号内の任意のビット位置で利得の切り替えが行われるのが防止される。
【0090】
基準電圧V2を超える場合には(ステップS5:Yes)、その超えたタイミングが、ステップS32にて生成された第2ゲート信号のタイミングと一致するか否かが判断される(ステップS51)。一致しない場合は(ステップS51:No)は、SW2をON操作することなく、制御動作を終了するが、一致する場合には(ステップS51;Yes)、ステップS42にてSW1がON動作状態になっているか否かが判断され(ステップS52)、SW1がON動作状態になっている場合に(ステップS52;Yes)他の特定のビット位置(第3ビット位置)でSW2をON動作させ、その状態を保持する(ステップS53)。一方、SW1がON動作状態になっていない場合には(ステップS52;No)、SW2をON操作することなく、制御動作を終了する。
【0091】
これによって、先行するSW1を操作すべき特定のビット位置(第1ビット位置)でSW1の操作が行われたが、本来はSW2も操作すべきである場合に他の特定のビット位置(第3ビット位置)で確実にSW1とSW2の双方を操作して適切な変換利得に設定できる。また、先行するSW1を操作すべき特定のビット位置(第1ビット位置)でSW1の操作が行われていない場合には、SW2を操作すべき要因が発生してもSW2の操作は行われないので、誤った変換利得に設定するのが防止される。
【0092】
そして、TIAでは、帰還抵抗素子に並列に設けたSW1とSW2によって受信バースト毎に帰還抵抗値を切り替えた場合、切り替えによって帰還抵抗値を減少させると、高域遮断周波数が大きくなるため位相余裕が小さくなり、回路が発振し易くなるという問題がある。これは、SW1とSW2の操作と並行してTIAのオープン利得を減少させる方法で回避できることが知られている。以上説明したSW1とSW2を操作する制御信号は、同時にTIAのオープン利得を減少させる制御信号にもなることは言うまでもない。
【0093】
なお、抵抗素子5とダイオード8による直列回路が設けられている場合でも、以上説明した動作は支障無く行えることは言うまでもない。また、バースト信号のビットパターンは、“1010”の形式で説明したが、“1”の後に“0”が来るパターンであれば、この発明は、適用できる。例えば、“110110”や“11001100”、“11101110”などのビットパターンが該当する。また、入力される各バースト信号の振幅は、説明の便宜から順々に増大する場合を示したが、順不動であっても同様に動作することは言うまでもない。
【0094】
さらに、この実施の形態では、特定のビット位置として、第1ビット位置と第3ビット位置を例に挙げたが、採用される上記のビットパターンやバースト信号の特性などに応じて定めることができる。加えて、光通信システムの光受信装置に用いられる前置増幅器への適用を念頭に説明したが、光信号の測定器、モニタなどの光受信部に用いられる前置増幅器にも同様に適用できることは勿論である。
【0095】
そして、この実施の形態では、二つのスイッチング素子がある場合を説明したが、この発明は、これに限定されるものではなく、スイッチング素子と抵抗素子による直列回路は、一つの場合でもよく、さらに3以上の任意数設けることができる。すなわち、3以上の任意数設ける場合の利得切り替え回路3は、3番目以降の直列回路におけるスイッチング素子に対して、i番目(3≦i≦N)の直列回路のスイッチング素子を閉路操作すべき状況が発生したときは、前記i番目の直列回路以前の全ての直列回路のスイッチング素子が閉路していることを条件に該当する特定のビット位置で前記i番目の直列回路のスイッチング素子を閉路操作するように構成すればよい。
【0096】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、利得切り替え回路では、バースト信号の特定のビット位置で確実に変換利得の切り替えが実施でき、バースト信号内の任意のビット位置での変換利得の切り替えが起こるのを確実に防止することができる。また、第2スイッチング素子を閉路操作すべき状況が発生したときは、先行して操作される第1スイッチング素子が操作されたことを条件に、第2ゲート信号にて規定される特定のビット位置において第2スイッチング素子を閉路操作するので、適切な変換利得の設定が行えるだけでなく、誤った変換利得の設定が行われるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施の形態である前置増幅器の利得切り替え回路の構成を示す回路図である。
【図2】 図1に示す前置増幅器の利得切り替え回路の動作例を説明するタイムチャートである。
【図3】 図1に示す前置増幅器の利得切り替え回路の制御フローを示す図である。
【図4】 従来の前置増幅器の利得切り替え回路の構成例を示す回路図である。
【図5】 図4に示す前置増幅器の利得切り替え回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図6】 図4に示す前置増幅器の利得切り替え回路の制御フローを示す図である。
【図7】 図4に示す前置増幅器の利得切り替え回路の誤動作を説明するタイムチャートである。
【図8】 図4に示す前置増幅器の入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
1 受光素子、2 前置増幅器(TIA)、2a 演算増幅器、2b 帰還抵抗素子、3 利得切り替え回路、5,6,7 抵抗素子、8 ダイオード、9,10 MOSトランジスタ(SW)、15,16,17 レベル検出回路、18ゲート生成回路、19,20,21 判定回路、22,23 レベル保持回路。
Claims (2)
- バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器であって、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続される前置増幅器の変換利得を切り替える利得切り替え回路は、
前記前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える場合において、前記特定のビット位置で第1ゲート信号を発生し、その後、前記他の特定のビット位置で第2ゲート信号を発生するゲート信号発生手段と、
前記前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える場合において、前記第2基準電圧を超えるときのタイミングが前記第1ゲート信号の発生時間幅内であるとき前記第1スイッチング素子を閉路操作する第1操作手段と、
前記前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える場合において、前記第3基準電圧を超えるときのタイミングが前記第2ゲート信号の発生時間幅内であり、かつ前記第1スイッチング素子が閉路操作されているときに前記第2スイッチング素子を閉路操作する第2操作手段と、
を備えたことを特徴とする増幅器の利得切り替え回路。 - バースト状の光信号を電気信号に変換する受光素子の出力電流を増幅し電圧信号を出力する前置増幅器であって、帰還抵抗素子と並列に、第1抵抗素子と第1スイッチング素子による直列回路、および第2抵抗素子と第2スイッチング素子による直列回路がそれぞれ接続される前置増幅器の変換利得を切り替える利得切り替え回路は、
前記前置増幅器の出力レベルが第1基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第1レベル検出回路と、
前記前置増幅器の出力レベルが前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第2レベル検出回路と、
前記前置増幅器の出力レベルが前記第2基準電圧よりも大きい第3基準電圧を超える期間内パルス信号を出力する第3レベル検出回路と、
外部から入力されるリセット信号の立ち下がりから前記特定のビット位置に対応する前記第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第1ゲート信号、および前記第1ゲート信号の立ち下がりから前記他の特定のビット位置に対応する前記第1レベル検出回路の出力パルス信号の立ち下がりまでの期間をパルス幅とする第2ゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成回路と、
前記第2レベル検出回路の出力パルス信号が前記第1ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第1判定信号を出力する第1判定回路と、
前記第1判定信号を前記リセット信号が入力するまでの期間内保持し、前記第1スイッチング素子を閉路動作させる第1保持回路と、
前記第3レベル検出回路の出力パルス信号が前記第2ゲート信号のパルス幅内で入力するとき第2判定信号を出力する第2判定回路と、
前記第2判定信号を前記リセット信号が入力するまでの期間内保持する第2保持回路と、
前記第1保持回路が前記第1判定信号を保持出力している場合に前記第2保持回路が前記第2判定信号を保持出力したとき、前記第2保持回路の出力に従って前記第2スイッチング素子を閉路動作させる第3判定回路と、
を備えたことを特徴とする前置増幅器の利得切り替え回路。
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