JP4597589B2 - 光受信器 - Google Patents

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本発明は、光受信器に関するものであり、受信特性を向上させた光受信器に関するものである。
光受信器は、受光素子、前置増幅器、等化増幅器などから構成されている。前置増幅器は、受光素子によって光信号から変換された信号である電流信号を電圧信号に変換する。等化増幅器は、変換された電圧信号を一定振幅の電圧信号にしている。一方、光受信器は、受信する光強度が異なる様々な条件のシステムに適用されるので、光受信器のフロントエンドに備えられる前置増幅器には、広ダイナミックレンジ特性が要求される。
従来、この種の前置増幅器において、広ダイナミックレンジ特性を有する前置増幅器としての開示例がある(例えば、特許文献1、2)。
特開平10−135917号公報 特開2001−127560号公報
しかしながら、上記特許文献1、2に示される前置増幅器では、電源電圧変動や周囲温度変動があると電流制御回路の特性が変化し、前置増幅器の入力部から分流する電流が変化するという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源電圧変動や周囲温度の変化があっても、前置増幅器の入力部から分流する電流量が一定になるような光受信器を提供することを目的とするものである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光受信器は、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、前記平均値検出回路から出力される平均値電圧と、前記出力電流信号がゼロとなるときの前記平均値電圧に設定された参照電圧との差電圧に対応する電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、前記前置増幅器を複製した同一または同等な回路により構成され、前記電圧・電流変換回路から出力される電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器レプリカ回路と、前記前置増幅器の入力電圧が前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧よりも高いときに、前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧に対応する電流分を前記受光素子から出力される出力電流信号から分流させる電流制御回路と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前置増幅器と同一の回路で構成される前置増幅器レプリカ回路が光受信器内に備えられ、この前置増幅器レプリカ回路が、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるように作用する。
本発明にかかる光受信器によれば、光受信器内に備えられた前置増幅器レプリカ回路が、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるようにしているので、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器を実現できるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる光受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光受信器1の構成を示す図である。同図に示す光受信器1は、前置増幅器6と、平均値検出回路7と、電圧・電流変換回路8と、前置増幅器6と同一あるいは同等の回路で構成される前置増幅器レプリカ回路12と、電流制御回路13と、を備えている。光受信器1の入力端には受光素子2が接続され、入力端と出力端との間には前置増幅器6が接続される。また、出力端から入力端に向かって、平均値検出回路7、電圧・電流変換回路8、前置増幅器レプリカ回路12および電流制御回路13がこの順序で接続された直列回路が挿入され、前置増幅器6との間でフィードバックループを構成している。さらに、前置増幅器6は、帰還抵抗3と増幅器5を備えており、これらの構成部にて電流帰還回路を構成している。
つぎに、図1に示す光受信器1の動作について説明する。同図において、電源VPDに接続された受光素子2に光信号が入射すると、受光素子2で電流信号に変換された光電流IINが入力端子14に流れる。増幅器5は入力された光電流IINに基づいて、出力端子15に出力電圧VOUTを発生する。この際、帰還抵抗3を介した負帰還作用が働き、広帯域にわたって一定の増幅度が得られる。平均値検出回路7は出力電圧VOUTの平均電圧VOUT *(*は平均値を示す記号であり、以下、平均値を同一記号で表記)を発生して電圧・電流変換回路8に出力する。電圧・電流変換回路8は、平均電圧VOUT *と参照電圧Vrfの差に基づく電流ICONを発生し、出力端子17を通じて前置増幅器レプリカ回路12に出力する。前置増幅器6と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路12は、電流ICONに基づく出力電圧VCONを発生し、出力端子16を通じて電流制御回路13に出力する。電流制御回路13は、出力電圧VCONに基づいて入力端子14から光電流IINの平均値である平均電流IIN *を接地側に分流させ、増幅器5の回路飽和を防止する。
つぎに、温度変化などにより、入力端子14の電位VINが上昇した場合を考える。もし、入力端子14の電位VINが上昇すると、出力端子15の電位VOUTも上昇するため、平均電圧VOUT *も上昇する。すると、参照電圧Vrfと平均電圧VOUT *の差が小さくなり、電流ICONは減少するため、出力端子15の電位VCONは上昇する。ここで、前置増幅器6と前置増幅器レプリカ回路12とは同一回路として構成しているため、温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化は同一となる。したがって、入力端子14と、前置増幅器レプリカ回路12の出力端子16との電位差VIN−VCONは一定になり、常に一定の電流IIN *を接地側に分流させることができる。
図2は、図1に示した光受信器1の一部の構成部をより具体化した回路構成例を示す図である。図2において、前置増幅器6は、負荷抵抗4から取り出した出力がトランジスタQ2のベースに接続され、トランジスタQ2の出力が帰還抵抗3を介してトランジスタQ1のベースに帰還するように動作させるエミッタ接地型電流帰還回路を構成している。前置増幅器レプリカ回路12も同一構成の回路であり、前置増幅器6と同様にエミッタ接地型電流帰還トランスインピーダンス回路を構成している。また、電流制御回路13は、ダイオード接続のトランジスタを備えるように構成している。
つぎに、図2に示す光受信器1の動作について説明する。受光素子2からの光電流IINが入力された前置増幅器6は、トランジスタQ1,Q2にて光電流IINを増幅し、出力電圧VOUTの電気信号として出力端子OUTから出力する。一方、平均値検出回路7は、出力電圧VOUTの平均値VOUT *を発生して電圧・電流変換回路8に出力する。電圧・電流変換回路8は、平均出力電圧VOUT *と参照電圧Vrfとの差電圧に基づいて決まる電流ICONを発生して前置増幅器6と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路12に出力する。前置増幅器レプリカ回路12は、入力された電流ICONに基づいた出力電圧VCONを出力する。なお、参照電圧Vrfを光電流IIN=0における平均出力電圧VOUT *(0)に等しくなるように設定しておけば、電流制御回路13に分流する電流である分流電流IIN *は、光電流IIN=0のときにIIN *=0となる。
図示のように、電流制御回路13をトランジスタQ5のダイオード接続で構成すれば、電流制御回路13に流れる分流電流IIN *はVCONに比例する。したがって、温度変化などにより入力端子の電位VINが変動しても、前置増幅器レプリカ回路12の出力電圧であるVCONが追従して変化するため、VIN−VCONは一定の値になり、図1に示した光受信器1の機能を実現することができる。
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるようにしているので、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器を実現できるという効果を奏する。
なお、この実施の形態の電流制御回路13では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、このダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、一般的なダイオードを使用してもよい。ダイオードを用いた場合には、ダイオード接続されたトランジスタに比べて導通時の電圧降下値が大きいという欠点が存在するが、使用する素子に併せて参照電圧Vrfを調整すれば、上述したような光受信器を実現することができる。
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2にかかる光受信器1の構成を示す図である。同図に示す光受信器1の前置増幅器6では、負荷抵抗4および帰還抵抗3のそれぞれに並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタQ6,Q7をさらに備えており、負荷抵抗4およびトランジスタQ6にて負荷抵抗部を構成し、帰還抵抗3およびトランジスタQ7にて帰還抵抗部を構成している。なお、その他の構成については、図2に示す実施の形態1の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。
ところで、図2の光受信器1のように、電流制御回路13の電流制御に基づく制御のみでは、制御が収束するまでに所定の時間が必要となる。したがって、受光電力が急に増大した場合の過渡状態において、過大な電流が流れ、前置増幅器6に回路飽和が生じる可能性がある。場合によっては、前置増幅器6を構成する各素子の耐圧を超えてしまい各素子が破壊するおそれがある。
そこで、この実施の形態の光受信器1では、前置増幅器6を構成する帰還抵抗3および負荷抵抗4のそれぞれに、ダイオード接続したトランジスタを並列に接続するようにしている。一般に、ダイオード接続されたトランジスタは、ベース端子−エミッタ端子間の電圧が約0.9V以上になると導通状態となり、コレクタ端子―エミッタ端子間の等価抵抗が小さくなることが知られている。したがって、受信した光信号の光強度によって帰還抵抗部の合成抵抗値が小さくなり、変換利得が小さくなるように作用する。同様に、負荷抵抗部の両端に印加される電圧も約0.9V以上になると、負荷抵抗部の合成抵抗値が小さくなり、開ループ利得が小さくなるように作用する。
したがって、この実施の形態のような帰還抵抗3および負荷抵抗4と並列にダイオード接続したトランジスタQ7、Q6を利用した前置増幅器では、トランジスタQ6、Q7のベース端子―エミッタ端子間電圧が約0.9V以上になると、ビットごとに瞬時に動作するため、上述のような受光電力の急激な増大による過渡状態下においても、前置増幅器6の回路飽和や素子破壊を防止することができる。
また、実施の形態1と同様に、電流制御回路13をトランジスタQ5のダイオード接続で構成しているので、電流制御回路13に流れる電流IIN *が、VIN−VCONに依存することになり、温度変化などによる入力端子の電位VINが変動しても、VCONも追従して変化し、VIN−VCONが一定の値に維持されるので、温度変動や電源電圧変動の影響を受けない光受信器を実現している。
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、実施の形態1の構成から、さらに帰還抵抗および負荷抵抗のそれぞれにダイオード接続されたトランジスタを並列に接続するようにしているので、実施の形態1の効果に加え、過大電流に基づく前置増幅器の回路飽和や、素子破壊を確実に防止することができる。
なお、この実施の形態の電流制御回路13では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、ダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、実施の形態1の場合と同様に、一般的なダイオードを用いてもよい。
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態3にかかる光受信器1の構成を示す図である。同図に示す光受信器1の前置増幅器6では、負荷抵抗4に並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタQ6のベース端子に所定の基準電圧Vref0を供給するように構成している。なお、その他の構成については、図3に示す実施の形態2の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。
ここで、トランジスタQ1のコレクタ端子電圧を入力側端子電圧Vref1と定義するとき、無信号入力時のトランジスタQ1のコレクタ端子電圧を基準電圧Vref0とする。すなわち、基準電圧Vref0は、トランジスタQ1のベースに電流が流れないときのコレクタ端子電圧に設定する。
つぎに、図4に示した光受信器1の動作について説明する。受光素子2からの光電流IINが入力された前置増幅器6は、帰還抵抗3に電流I1が流れたものとすると、トランジスタQ1のコレクタ端子電圧Vref1は次式で表される。
ref1=Vref0−Rf×I1 ・・・・・(1)
式(1)の関係は、つぎのように考えることができる。すなわち、所定の光強度の光信号を受信した場合に流れる光電流I1が帰還抵抗3を通じて流れるとき、トランジスタQ2のエミッタ端子電圧は、光信号入力がないときのエミッタ端子電圧からRf×I1だけ降下する。また、トランジスタQ2では、ベース端子−エミッタ端子間で所定の電圧降下(約0.8V)が維持されるように動作するので、トランジスタQ2のベース端子電圧に等しいトランジスタQ6のコレクタ端子電圧もRf×I1だけ降下する。この電圧降下は、負荷抵抗4を流れる電流変化によって引き起こされるので、結果的に、無信号入力時の入力側端子電圧Vref0と、電流I1が帰還抵抗3を通じて流れるときの入力側端子電圧Vref1との差は、Rf×I1にほぼ等しくなる。
したがって、トランジスタQ6のベース電圧を、無信号入力時のトランジスタQ6のコレクタ端子電圧Vref0にすると、トランジスタQ6のベース端子−エミッタ端子間電圧はRf×I1となり、帰還抵抗3と並列接続したトランジスタQ7のベース端子−エミッタ端子間電圧と等しくなる。したがって、過度な電流が帰還抵抗3に流れ、トランジスタQ7が導通状態になると同時にトランジスタQ6も導通状態となるように動作する。
ここで、トランジスタQ7が導通状態で、トランジスタQ6が遮断状態となると、変換利得が高いのにもかかわらず開ループ利得が低いので、遮断周波数が低くなり、出力電圧波形が歪む可能性がある。一方、トランジスタQ7が遮断状態で、トランジスタQ6が導通状態となると、変換利得が低いのにもかかわらず閉ループ利得が高いので、位相余裕を確保できずに回路が発振するなど、回路動作が不安定になる可能性がある。
しかしながら、この実施の形態では、受信する光信号の光強度が大きい場合に、トランジスタQ7と、トランジスタQ6とがほぼ同時にオンするように動作するため、回路の安定性を損なうことなく、波形歪みを抑制することができる。
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、負荷抵抗部に並列に接続されたトランジスタのベース電圧を外部から付与するようにしているので、回路の安定性を損なうことなく、波形歪みを抑制することができる。
なお、この実施の形態の電流制御回路13では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、ダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、実施の形態1の場合と同様に、一般的なダイオードを用いてもよい。
実施の形態4.
図5は、本発明の実施の形態4にかかる光受信器1の構成を示す図である。同図に示す光受信器1は、図3などに示した前置増幅器6と同一な構成である基準バイアス生成回路23を備え、基準バイアス生成回路23のトランジスタQ9のコレクタ端子が、負荷抵抗4に並列に接続されたトランジスタQ6のベース端子に接続されるように構成している。なお、その他の構成については、図4に示す実施の形態3の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。
つぎに、図5に示した光受信器1の動作について説明する。同図に示す基準バイアス生成回路23は、無信号入力時の前置増幅器6と同じバイアス条件になる。したがって、トランジスタQ9のコレクタ端子電位は、無信号入力時のトランジスタQ1のコレクタ端子電位Vref0となる。一方、電源電圧変動や、環境温度変動により、無信号入力時のトランジスタQ1のコレクタ端子電位Vref0は変動するが、図4に示した回路では、このVref0の変動がトランジスタQ6とQ7とを導通状態にするタイミングの差として表れ、回路の不安定、出力電圧波形の歪みの原因になる。
しかしながら、基準バイアス生成回路23は、前置増幅器6と同一な構成であるため、電源電圧変動や周囲温度変動によるVref0の変化が相殺され、トランジスタQ6のベース端子−エミッタ端子間電圧が一定になるように動作するので、電源電圧変動や周囲温度変動にかかわらずトランジスタQ6とトランジスタQ7を同時に導通状態にすることができる。
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、負荷抵抗部に並列に接続されたトランジスタのベース電圧を前置増幅器と同一な回路により構成された基準バイアス生成回路によって付与するようにしているので、電源電圧変動や周囲温度変動があっても、回路の安定性を高め、波形歪みを抑制することができる。
なお、この実施の形態の電流制御回路13では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、ダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、実施の形態1の場合と同様に、一般的なダイオードを用いてもよい。
実施の形態5.
図6は、本発明の実施の形態5にかかる光受信器1の構成を示す図である。同図に示す光受信器1は、基準バイアス生成回路23の出力端と負荷抵抗4に並列に接続したトランジスタQ6のベース端子とを電圧フォロワ回路24を介して接続するように構成している。なお、その他の構成については、図5に示す実施の形態4の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。
つぎに、図6に示した光受信器1の動作について説明する。同図において、オペアンプを備えた電圧フォロワ回路24は、高入力インピーダンスであり、低出力インピーダンスであるという特性を有するとともに、入力電位と出力電位とが等しくなるという特性を有している。したがって、基準バイアス生成回路23からみた電圧フォロワ回路24のインピーダンスは極めて大きいため、トランジスタQ10のコレクタ端子に接続しても、基準バイアス生成回路23の動作バイアスに影響を与えることはない。一方、トランジスタQ7のベース端子から電圧フォロワ回路24をみると、内部抵抗の極めて小さい電圧源が接続されているのと同等である。このため、トランジスタQ6のベース端子にバイアス電圧を供給するための基準バイアス生成回路23を接続しても、バイアス条件を変えることなく、理想的な形で前置増幅器6を動作させることができる。
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、基準バイアス生成回路と、負荷抵抗と並列に接続されたトランジスタのベース端子と、の間に電圧フォロワ回路を挿入するようにしているので、バイアス条件を変えることなく、所定のバイアス電圧を印加することができる。
なお、この実施の形態の電流制御回路13では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、ダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、実施の形態1の場合と同様に、一般的なダイオードを用いてもよい。
以上のように、本発明にかかる光受信器は、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器として有用であり、特に、電源電圧変動や周囲温度変動などの影響を局限できる光受信器として好適である。
本発明の実施の形態1にかかる光受信器1の構成を示す図である。 図1に示した光受信器1の一部の構成部をより具体化した回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態2にかかる光受信器1の構成を示す図である。 本発明の実施の形態3にかかる光受信器1の構成を示す図である。 本発明の実施の形態4にかかる光受信器1の構成を示す図である。 本発明の実施の形態5にかかる光受信器1の構成を示す図である。
符号の説明
1 光受信器
2 受光素子
3 帰還抵抗
4 負荷抵抗
5 増幅器
6 前置増幅器
7 平均値検出回路
8 電圧・電流変換回路
12 前置増幅器レプリカ回路
13 電流制御回路
14 入力端子
15 出力端子
16 出力端子
17 出力端子
23 基準バイアス生成回路
24 電圧フォロワ回路
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5、Q6,Q7,Q8,Q9,Q10 トランジスタ。

Claims (5)

  1. 受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、
    前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、
    前記平均値検出回路から出力される平均値電圧と、前記出力電流信号がゼロとなるときの前記平均値電圧に設定された参照電圧との差電圧に対応する電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、
    前記前置増幅器を複製した同一の回路により構成され、前記電圧・電流変換回路から出力される電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器レプリカ回路と、
    前記前置増幅器の入力電圧が前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧よりも高いときに、前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧に対応する電流分を前記受光素子から出力される出力電流信号から分流させる電流制御回路と、
    を備えたことを特徴とする光受信器。
  2. 受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、
    前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、
    前記平均値検出回路から出力される平均値電圧と、前記出力電流信号がゼロとなるときの前記平均値電圧に設定された参照電圧との差電圧に対応する電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、
    前記電圧・電流変換回路から出力される電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器レプリカ回路と、
    前記前置増幅器の入力電圧が前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧よりも高いときに、前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧に対応する電流分を前記受光素子から出力される出力電流信号から分流させる電流制御回路と、
    を備え、
    前記前置増幅器の負帰還増幅回路は、
    固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続されるダイオード接続された第1のトランジスタと、を有する負荷抵抗部と、
    固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続されるダイオード接続された第2のトランジスタと、を有する帰還抵抗部と、
    を備え
    前記前置増幅器レプリカ回路は、固定抵抗素子を有する負荷抵抗部と、固定抵抗素子を有する帰還抵抗部と、を備えると共に、これら負荷抵抗部および帰還抵抗部以外の回路構成は前記前置増幅器と同一であることを特徴とする光受信器。
  3. 受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、
    前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、
    前記平均値検出回路から出力される平均値電圧と、前記出力電流信号がゼロとなるときの前記平均値電圧に設定された参照電圧との差電圧に対応する電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、
    前記電圧・電流変換回路から出力される電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器レプリカ回路と、
    前記前置増幅器の入力電圧が前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧よりも高いときに、前記前置増幅器レプリカ回路の出力電圧に対応する電流分を前記受光素子から出力される出力電流信号から分流させる電流制御回路と、
    を備え、
    前記前置増幅器の負帰還増幅回路は、
    固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続され、外部からベース電位が付与される第1のトランジスタと、を有する負荷抵抗部と、
    固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続されるダイオード接続された第2のトランジスタと、を有する帰還抵抗部と、
    を備え
    前記前置増幅器レプリカ回路は、固定抵抗素子を有する負荷抵抗部と、固定抵抗素子を有する帰還抵抗部と、を備えると共に、これら負荷抵抗部および帰還抵抗部以外の回路構成は前記前置増幅器と同一であることを特徴とする光受信器。
  4. 固定抵抗素子を有する負荷抵抗部と、固定抵抗素子を有する帰還抵抗部と、を備えると共に、これら負荷抵抗部および帰還抵抗部以外は前記前置増幅器と同一な回路構成である基準バイアス生成回路をさらに備え、
    前記基準バイアス生成回路の前記負荷抵抗における電源には接続されない側の端子電位を前記第1のトランジスタのベース電位として付与することを特徴とする請求項に記載の光受信器。
  5. 前記基準バイアス生成回路は、前記第1のトランジスタに付与するベース電位を、電圧フォロワ回路を通じて付与することを特徴とする請求項4に記載の光受信器。
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