JP5137141B2 - Transimpedance amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、トランスインピーダンスアンプに関する。 The present invention relates to a transimpedance amplifier.
光通信技術の進展とともに伝送されるデータ量が飛躍的に増大しており、伝送装置の大容量化が求められている。この大容量化を実現するために、光受信器の高速化が求められている。 With the progress of optical communication technology, the amount of data transmitted has increased dramatically, and there is a demand for an increase in capacity of the transmission apparatus. In order to realize this large capacity, it is required to increase the speed of the optical receiver.
図9は、一般的な光通信における光電変換を行う光受信器の構成を示した模式図である。
図9に示すように、一般的に光受信器は、トランスインピーダンスアンプ(TIA)100と、フォトディテクタ(PD)103と、入力寄生容量104とにより構成されている。そして、トランスインピーダンスアンプ100は、負帰還抵抗RF101と、第1の増幅回路102とにより構成されている。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical receiver that performs photoelectric conversion in general optical communication.
As shown in FIG. 9, an optical receiver generally includes a transimpedance amplifier (TIA) 100, a photodetector (PD) 103, and an input
この従来の光受信器は、光信号Linをフォトディテクタ103で受信し、光信号Linを電流信号Iinに変換し、さらにトランスインピーダンスアンプ101はこの電流信号Iinを受信及び増幅し、後段の回路が受信可能な振幅の電圧信号Voutに変換するものである。そして、トランスインピーダンスアンプ100において受信可能なデータの高速化を実現するためには、利得周波数特性の広帯域化が必須である。
The conventional optical receiver, the optical signal L in received by the
ところで、トランスインピーダンスアンプ100の帯域を制限する要因は、第1にフォトディテクタ103等の入力寄生容量104とトランスインピーダンスアンプ100の入力インピーダンスによる入力回路の周波数特性に起因するもの、第2にトランスインピーダンスアンプ100を構成する構成回路の周波数特性に起因するもの、その他に、トランスインピーダンスアンプ100の出力回路の周波数特性に起因するものとがある。
By the way, the factors that limit the band of the
はじめに、第1の要因である入力回路の周波数特性に起因する帯域制限について説明する。
トランスインピーダンスアンプ100のインピーダンス変換利得Ztは、下記式(1)のように与えられる。
The impedance conversion gain Z t of the
上記式(1)から、Ztが1/√2になる3dB帯域f3dBは、下記式(2)のように求められる。
次に、第2の要因であるトランスインピーダンスアンプ100を構成する構成回路の周波数特性に起因する帯域制限について説明する。
図10は、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図10に示すように、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ100は、負荷抵抗RL106とトランジスタM1107とソース抵抗RS110とからなるソース接地増幅回路(common‐source amp.)105と、負帰還抵抗RF101と、トランジスタM2108とトランジスタM3109とからなるソースフォロワ回路(Source follower)106とにより構成されている。なお、図10中において、Iinは電流信号、Voutは電圧信号、VDDはドレイン側電源、VSSはソース側電源、VCSはコンスタントソース電圧を示している。
Next, band limitation resulting from the frequency characteristics of the constituent circuits constituting the
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the transimpedance amplifier according to the first conventional example.
As shown in FIG. 10, the
このように、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ100は、主にソース接地増幅回路105と、ソースフォロワ回路106とにより構成されるが、入力寄生容量Cin104及び帰還抵抗RF101により帯域が制限される。そして、高速動作においては、この入力寄生容量Cin104による帯域制限を無視できなくなるため、周波数特性を改善することが困難であった。ここで、図10に示す第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ100における周波数特性の例を図11に示す。
As described above, the
そこで、従来、トランスインピーダンスアンプ100の帯域を改善する手段としてインダクタを挿入するインダクティブピーキングが用いられている。
図12は、第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図12に示すように、第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗RL106に直列にインダクタLL120を接続することにより構成されている。なお、第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは上述した構成以外は第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと同様の構成である。
Therefore, inductive peaking in which an inductor is inserted is conventionally used as means for improving the band of the
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a transimpedance amplifier using inductive peaking according to a second conventional example.
As shown in FIG. 12, the transimpedance amplifier using inductive peaking according to the second conventional example is configured by connecting an
また、図13は、第3の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図13に示すように、第3の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗RL106に直列に第1のインダクタLL120を接続し、さらにソース接地増幅回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子との間に第2のインダクタLS130を接続することにより構成されている。なお、第3の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは上述した構成以外は第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと同様の構成である。
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of a transimpedance amplifier using inductive peaking according to a third conventional example.
As shown in FIG. 13, the transimpedance amplifier using inductive peaking according to the third conventional example has a
図12,13に示すように、負荷抵抗RL106に直列にインダクタLL120を接続することにより、高周波での負荷インピーダンスを補うとともに、寄生容量による帯域劣化を補い、図10に示した第1の従来例に係る従来のトランスインピーダンスアンプ100に対して、2倍程度の帯域改善が可能である。
As shown in FIGS. 12 and 13, by connecting an
図14は、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプにおける周波数特性の例を示した図である。なお、図14中において、破線は第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプの周波数特性の例を示し、実線は第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの周波数特性の例を示す。 FIG. 14 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics in the transimpedance amplifier using the transimpedance amplifier according to the first conventional example and the inductive peaking according to the second conventional example. In FIG. 14, the broken line shows an example of the frequency characteristic of the transimpedance amplifier according to the first conventional example, and the solid line shows an example of the frequency characteristic of the transimpedance amplifier using inductive peaking according to the second conventional example. Show.
図14より、第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、インダクティブピーキングを用いることにより、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプに比べ、2倍程度の広帯域化が可能であることが分かる。 As shown in FIG. 14, the transimpedance amplifier using inductive peaking according to the second conventional example can achieve a bandwidth about twice that of the transimpedance amplifier according to the first conventional example by using inductive peaking. I understand that there is.
しかしながら、インダクティブピーキングに用いられるインダクタの大きさは、トランジスタの大きさに比べ面積が極めて大きく、一つのインダクタの面積がトランジスタの面積のおよそ50倍以上の面積を占めてしまうという問題がある。特に、インダクタを2個以上用いるようなインダクティブピーキングにおいて、この問題は顕著である。ここで、従来の2つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図を図15に示す。なお、図15においては、2つのスパイラル型インダクタ140がトランスインピーダンスアンプのコア141と接続されている。
However, the size of the inductor used for inductive peaking is extremely large compared to the size of the transistor, and there is a problem that the area of one inductor occupies about 50 times or more the area of the transistor. This problem is particularly noticeable in inductive peaking using two or more inductors. Here, FIG. 15 shows a schematic diagram showing a physical layout example of two conventional inductors. In FIG. 15, two
また、インダクタと比べてトランジスタや抵抗の大きさが極端に異なることから、トランジスタや抵抗で構成される回路部分とインダクタとをつなぐ配線が長くなり、配線に起因する寄生容量や寄生抵抗や寄生インダクタによる悪影響も問題となる。 In addition, since the size of transistors and resistors is extremely different compared to inductors, the length of wiring that connects the circuit portion composed of transistors and resistors and the inductor becomes longer, and parasitic capacitance, parasitic resistance, and parasitic inductors caused by the wiring become longer. The adverse effect of is also a problem.
すなわち、トランジスタや抵抗からなる第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプや、第2,3の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、更なる広帯域化が困難であるという問題があった。 That is, the transimpedance amplifier according to the first conventional example composed of transistors and resistors and the transimpedance amplifier using the inductive peaking according to the second and third conventional examples have a problem that it is difficult to further increase the bandwidth. It was.
さらに、インダクタの素子サイズはトランジスタや抵抗に比べ、極めて大きいため、特に、従来の複数のインダクタによるインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、インダクタの素子サイズが大きくなってしまいコスト高になるという問題があった。 Furthermore, since the element size of an inductor is extremely large compared to a transistor or a resistor, in particular, in a transimpedance amplifier using inductive peaking with a plurality of inductors, the element size of the inductor becomes large and the cost increases. was there.
上述したように、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプや第2,3の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、広帯域化が困難であるという問題があった。さらに、従来の複数のインダクタによるインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、チップサイズが大きくなってしまうという問題があった。 As described above, the transimpedance amplifier according to the first conventional example and the transimpedance amplifier using the inductive peaking according to the second and third conventional examples have a problem that it is difficult to increase the bandwidth. Furthermore, the conventional transimpedance amplifier using inductive peaking with a plurality of inductors has a problem of increasing the chip size.
以上のことから、本発明は、利得周波数特性が広帯域で高速動作が可能であり、チップサイズの小さなトランスインピーダンスアンプを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a transimpedance amplifier having a wide gain frequency characteristic and capable of high-speed operation and a small chip size.
上記の課題を解決する第1の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、
光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する2つのインダクタとを備え、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、前記負帰還抵抗と直列に接続された第2のインダクタであることを特徴とする。
The transimpedance amplifier according to the first invention for solving the above-described problem is
In a transimpedance amplifier that receives a current signal converted from an optical signal and outputs a voltage signal,
A grounded source amplifier circuit, a source follower circuit, a negative feedback resistor, and two inductors having inductive coupling,
The inductor is a first inductor constituting a load impedance of the common source amplifier circuit and a second inductor connected in series with the negative feedback resistor.
上記の課題を解決する第2の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、
光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する2つのインダクタとを備え、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、前記ソース接地増幅回路の出力端子と前記ソースフォロワ回路の入力端子とを接続する第2のインダクタであることを特徴とする。
The transimpedance amplifier according to the second invention for solving the above-mentioned problems is
In a transimpedance amplifier that receives a current signal converted from an optical signal and outputs a voltage signal,
A grounded source amplifier circuit, a source follower circuit, a negative feedback resistor, and two inductors having inductive coupling,
The inductor is a first inductor that constitutes a load impedance of the common source amplifier circuit, and a second inductor that connects an output terminal of the common source amplifier circuit and an input terminal of the source follower circuit. And
上記の課題を解決する第3の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、第1の発明又は第2の発明に係るトランスインピーダンスアンプにおいて、
前記第1のインダクタと前記第2のインダクタをスパイラル型インダクタで構成し、該第1のインダクタと該第2のインダクタを重ね合わせることにより誘導結合させることを特徴とする。
A transimpedance amplifier according to a third invention for solving the above-described problems is the transimpedance amplifier according to the first invention or the second invention.
The first inductor and the second inductor are constituted by spiral inductors, and the first inductor and the second inductor are overlapped and inductively coupled.
本発明によれば、利得周波数特性が広帯域で高速動作が可能であり、チップサイズの小さなトランスインピーダンスアンプを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a transimpedance amplifier having a wide gain frequency characteristic and capable of high-speed operation and a small chip size.
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for implementing a transimpedance amplifier according to the present invention will be described with reference to the drawings.
はじめに、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの動作原理について説明する。
本発明に係るトランスインピーダンスアンプは、光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗からトランスインピーダンスアンプを構成し、誘導結合性を有する2つのインダクタ、又は2つ以上のインダクタを備えることにより、利得周波数特性の広帯域化を可能とした。
First, the operation principle of the transimpedance amplifier according to the present invention will be described.
The transimpedance amplifier according to the present invention is a transimpedance amplifier that receives a current signal converted from an optical signal and outputs a voltage signal. The transimpedance amplifier includes a source grounding circuit, a source follower circuit, and a negative feedback resistor. By providing two inductors having inductive coupling or two or more inductors, it is possible to widen the gain frequency characteristics.
また、上記トランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、負帰還抵抗と直列に接続された第2のインダクタを備え、第1のインダクタと第2のインダクタが誘導結合性を備える構成とした。 The transimpedance amplifier includes a first inductor that constitutes a load impedance of the source grounded circuit and a second inductor connected in series with a negative feedback resistor, and the first inductor and the second inductor are inductive. It was set as the structure provided with connectivity.
さらに、上記ソース接地回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、ソース接地回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子を接続する第2のインダクタを備え、第1のインダクタと第2のインダクタが誘導結合性を備える構成とした。 A first inductor that constitutes a load impedance of the source grounded circuit; a second inductor that connects an output terminal of the source grounded circuit and an input terminal of the source follower circuit; and the first inductor and the second inductor. Is configured to have inductive coupling.
したがって、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、上記誘導結合性を有する2つのインダクタにより、チップサイズの増加を最小限に抑え利得周波数特性を広帯域化することができる。 Therefore, according to the transimpedance amplifier according to the present invention, the gain frequency characteristic can be widened by minimizing the increase in chip size by the two inductors having the inductive coupling property.
上述したように、光受信器は、フォトディテクタに入力した光信号をフォトディテクタにおいて電流信号に変換したのち、トランスインピーダンスアンプは電圧信号に対してインピーダンス変換を行う。トランスインピーダンスアンプの帯域は上述したように、主に入力回路の周波数特性により制限され、下記式(3)のように表すことができる。
上記式(3)より、トランスインピーダンスアンプのオープンループ利得Aoを大きくすると、3dBダウンの周波数帯域f3dBも大きくすることができることが分かる。
As described above, the optical receiver converts the optical signal input to the photodetector into a current signal in the photodetector, and then the transimpedance amplifier performs impedance conversion on the voltage signal. As described above, the band of the transimpedance amplifier is mainly limited by the frequency characteristic of the input circuit, and can be expressed as the following formula (3).
From the formula (3), increasing the open loop gain A o of the transimpedance amplifier, it can be seen that it is possible to increase also the frequency band f 3dB of 3dB down.
また、オープンループ利得Aoは、トランジスタのトランスコンダクタンスgmと、負荷インピーダンスZLにより簡易的に、下記式(4)のように表すことができる。
ここで、負荷を抵抗RLとインダクタLLとにより構成するインダクティブピーキングの場合、下記式(5)のように表すことができる。
さらに、複数のインダクタを用いたインダクティブピーキングにおいて、各々のインダクタを誘導結合することにより、誘導電流が流れそれぞれのインダクタの動作電流を補助する役割を果たし、それぞれのインダクタが独立している従来のインダクティブピーキングよりも高い帯域改善の効果を得ることができる。 Furthermore, inductive peaking using a plurality of inductors, the inductive coupling of each inductor plays a role in assisting the operating current of each inductor, and each inductor is independent. A higher band improvement effect than peaking can be obtained.
次に、誘導結合性を有するインダクタを用いたトランスインピーダンスアンプにおける広帯域化について説明する。
インダクタは巻線から形成され、巻線に流れる電流が変化すると、巻線を貫く磁束が変化し、その磁束によって磁束の変化を打ち消す方向に誘導起電力が発生する。Lを自己インダクタンス、Iをインダクタに流れる電流とすると、誘導起電力eの大きさは、下記式(6)のようになる。
The inductor is formed of a winding, and when the current flowing through the winding changes, the magnetic flux passing through the winding changes, and an induced electromotive force is generated in a direction that cancels the change of the magnetic flux by the magnetic flux. When L is a self-inductance and I is a current flowing through the inductor, the magnitude of the induced electromotive force e is expressed by the following formula (6).
ここで、相互インダクタンスMは、下記式(8)で表される。
第1に、トランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路の負荷に誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すように開ループ利得Aoを高周波で改善することができる。 First, in the transimpedance amplifier, by using an inductor having inductive coupling for the load of the source grounded circuit, the open loop gain Ao can be improved at a high frequency as shown below.
誘導結合性を有するインダクタがない従来のトランスインピーダンスアンプでは、開ループ利得Aoは上述したように、下記式(9)のように与えられる。
一方、相互インダクタンスMを用いた本発明に係るトランスインピーダンスアンプでは、開ループ利得Aoは、下記式(10)のようになる。
第2に、負帰還抵抗RFに誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すようにトランスインピーダンスアンプの広帯域化が可能である。
インダクタを負帰還ループに接続したトランスインピーダンスアンプのインピーダンス変換利得Ztは、下記式(11)のように表される。
The impedance conversion gain Z t of the transimpedance amplifier in which the inductor is connected to the negative feedback loop is expressed by the following formula (11).
第3に、ソース接地回路とソースフォロワ回路を接続する第3のインダクタに誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すようにトランスインピーダンスの広帯域化が可能である。 Third, by using an inductor having inductive coupling property as the third inductor connecting the source grounded circuit and the source follower circuit, it is possible to widen the transimpedance band as shown below.
大入力信号を受信するトランスインピーダンスアンプでは、大きな信号電流を流すためにソースフォロワ回路においてサイズの大きなトランジスタを用いるが、サイズが大きいと寄生容量による帯域劣化の影響を受ける。ソース接地回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子間にスプリット・インダクタを接続することにより、寄生容量による帯域劣化を改善することができる。 In a transimpedance amplifier that receives a large input signal, a transistor having a large size is used in a source follower circuit in order to flow a large signal current. However, if the size is large, it is affected by band deterioration due to parasitic capacitance. By connecting a split inductor between the output terminal of the source ground circuit and the input terminal of the source follower circuit, it is possible to improve the band degradation due to the parasitic capacitance.
図8は、MOSFETのゲート端子にインダクタを接続した回路を示した模式図である。なお、図8(a)はトランジスタのゲート−ソース間の寄生容量Cgsとゲート−ドレイン間の寄生容量Cgdを示した図、図8(b)はトランジスタの等価入力抵抗Rin、上記寄生容量からなる等価入力容量Cinとし、トランジスタのゲート端子にインダクタLSが接続された等価回路を示した図である。 FIG. 8 is a schematic diagram showing a circuit in which an inductor is connected to the gate terminal of the MOSFET. 8A is a diagram showing the parasitic capacitance C gs between the gate and the source of the transistor and the parasitic capacitance C gd between the gate and the drain. FIG. 8B is an equivalent input resistance R in of the transistor and the parasitic capacitance C gd . an equivalent input capacitance C in consisting of capacity is a diagram showing an equivalent circuit in which the inductor L S is connected to the gate terminal of the transistor.
ソースフォロワ回路の入力インピーダンスZinは簡易的に、下記式(13)のように表される。
一方、上記式(13)において、入力にインダクタを直列接続することにより、下記式(14)のように表すことができる。
さらに、誘導結合性を有するインダクタは従来のインダクタ1個分の面積内に複数のインダクタを構成することができるため、面積も従来のトランスインピーダンスアンプの半分以下にすることができる。 Furthermore, since an inductor having inductive coupling can form a plurality of inductors within the area of one conventional inductor, the area can also be reduced to less than half that of a conventional transimpedance amplifier.
したがって、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、従来のトランスインピーダンスアンプではトランジスタの性能により制限され改善することができなかった利得周波数特性を大きく改善することができる。 Therefore, according to the transimpedance amplifier according to the present invention, the gain frequency characteristic which is limited by the performance of the transistor and cannot be improved by the conventional transimpedance amplifier can be greatly improved.
さらに、複数のインダクタを用いた場合であってもチップ面積をほぼ同等とすることができる。これにより、低コストで高速動作可能なトランスインピーダンスアンプを提供することができる。 Furthermore, even when a plurality of inductors are used, the chip area can be made substantially equal. Thereby, a transimpedance amplifier capable of high-speed operation at low cost can be provided.
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第1の実施例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。なお、図1(a)は本発明の第1の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの回路構成図、図1(b)は本発明の第1の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおけるインピーダンス素子の構成例を示した図、図1(c)は本発明の第1の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおける複数のインダクタが誘導結合した構成例を示した図である。
The first embodiment of the transimpedance amplifier according to the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a transimpedance amplifier according to a first embodiment of the present invention. 1A is a circuit configuration diagram of the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a configuration of the impedance element in the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1C is a diagram showing an example, and FIG. 1C is a diagram showing a configuration example in which a plurality of inductors in the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention are inductively coupled.
図1(a)に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷となる第1のインピーダンスZL10と第1のトランジスタM113とソース抵抗RS16とからなるソース接地増幅回路1と、第2のトランジスタM214と第3のトランジスタM315とからなるソースフォロワ回路2と、ソース接地増幅回路1の入力端子とソースフォロワ回路2の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還の第2のインピーダンスZF11と、ソース接地増幅回路の出力端子とソースフォロワ回路2の入力端子とを接続する第3のインピーダンスZS12とにより構成されている。なお、図1(a)中において、Iinは電流信号、Voutは電圧信号、VDDはドレイン側電源、VSSはソース側電源、VCSはコンスタントソース電圧を示している。
As shown in FIG. 1 (a), a transimpedance amplifier according to the present embodiment, the source-grounded amplifier comprising a
また、図1(b)に示すように、第1のインピーダンスZL10、第2のインピーダンスZF11及び第3のインピーダンスZS12はそれぞれ抵抗R17とインダクタL18とにより構成されている。
As shown in FIG. 1B, the
さらに、これら第1のインピーダンスZL10、第2のインピーダンスZF11及び第3のインピーダンスZS12を構成するインダクタLのうち、少なくとも2つ以上のインダクタLが誘導結合されている。なお、図1(c)においては、2つのインダクタLを誘導結合した場合の構成例を示している。
Furthermore, at least two inductors L among the inductors L constituting the
図2は、2つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図である。なお、図2(a)は従来の誘導結合のない2つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した図、図2(b)は本発明に係る誘導結合のある2つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した図である。また、図2(b)中においては判別がしやすいように、第1のインダクタを実線で、第2のインダクタを破線で示している。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a physical layout example of two inductors. 2A is a diagram showing a physical layout example of two conventional inductors without inductive coupling, and FIG. 2B is a physical layout of two inductors with inductive coupling according to the present invention. It is the figure which showed the example. In FIG. 2B, the first inductor is indicated by a solid line and the second inductor is indicated by a broken line so that the determination can be easily performed.
図2(b)に示すように、2つのスパイラル型インダクタを巻き込みレイアウトすることにより、一方のインダクタに流れる電流が変化することにより磁束が変化し、もう一方のインダクタに誘導起電力が生じる。この誘導起電力による相互インダクタンスMにより、トランスインピーダンスアンプの高周波特性を改善することができる。 As shown in FIG. 2B, when two spiral inductors are wound and laid out, the current flowing through one inductor changes, so that the magnetic flux changes, and an induced electromotive force is generated in the other inductor. The high frequency characteristics of the transimpedance amplifier can be improved by the mutual inductance M caused by the induced electromotive force.
また、トランスインピーダンスアンプに用いられているトランジスタのサイズは数ミクロン四方程度であるのに対し、インダクタは数百ミクロン四方程度と大きいため、2つのスパイラル型インダクタを結合させる本発明によれば、従来の2つのインダクタを用いる構成に対しほぼ面積を半分にすることができる。 Further, the size of the transistor used in the transimpedance amplifier is about several microns square, whereas the inductor is as large as several hundred microns square. Therefore, according to the present invention in which two spiral inductors are coupled, The area can be almost halved with respect to the configuration using the two inductors.
なお、上述したスパイラル型インダクタは伝送線路を折り曲げたメアンダ型インダクタであってもよく、この場合はメアンダ型インダクタを近接することにより同様に誘導結合性を有するインダクタを得ることができる。 The spiral inductor described above may be a meander inductor in which a transmission line is bent. In this case, an inductor having inductive coupling characteristics can be obtained by bringing the meander inductor close to each other.
また、上述のトランスインピーダンスアンプを構成するトランジスタとして、電界効果トランジスタ(FET)を用いた例を示したが、バイポーラトランジスタを用いても同じ効果を得ることができる。 Moreover, although the example which used the field effect transistor (FET) was shown as a transistor which comprises the above-mentioned transimpedance amplifier, the same effect can be acquired even if it uses a bipolar transistor.
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第2の実施例について説明する。
図3は、本発明の第2の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
Hereinafter, a second embodiment of the transimpedance amplifier according to the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a transimpedance amplifier according to the second embodiment of the present invention.
図3に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗RL21と第1のトランジスタM113とソース抵抗RS16とからなるソース接地増幅回路1と、第2のトランジスタM214と第3のトランジスタM315とからなるソースフォロワ回路2からなるトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地増幅回路1の負荷抵抗RL21と直列に第1のインダクタLL20が接続され、ソース接地増幅回路1の入力端子とソースフォロワ回路2の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還抵抗RF23と直列に第2のインダクタLF22が接続され、さらに、第1のインダクタLL20と第2のインダクタLF22が相互インダクタンスMにより誘導結合されることにより構成されている。なお、図3中において、Iinは電流信号、Voutは電圧信号、VDDはドレイン側電源、VSSはソース側電源、VCSはコンスタントソース電圧を示している。
As shown in FIG. 3, the transimpedance amplifier according to this embodiment includes a common source amplifier circuit 1 including a
ここで、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの動作例について説明する。
図4は、本発明の第2の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおけるインピーダンス変換利得の周波数特性を示した図である。なお、図4中において、実線は本実施例に係るトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示し、破線は図10に示す第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示し、一点鎖線は図12に示す第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示す。また、解析データは、Synopsys社の回路シミュレータ“HSPICE”によるシミュレーションにより取得したものである。
Here, an operation example of the transimpedance amplifier according to the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of impedance conversion gain in the transimpedance amplifier according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the solid line indicates the simulation result of the transimpedance amplifier according to the present embodiment, the broken line indicates the simulation result of the transimpedance amplifier according to the first conventional example shown in FIG. 10, and the alternate long and short dash line in FIG. The simulation result of the transimpedance amplifier using the inductive peaking according to the second conventional example shown in FIG. The analysis data is obtained by simulation using a circuit simulator “HSPICE” of Synopsys.
図4より、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプによれば、第1の従来例に係るトランスインピーダンスアンプに比べおよそ2倍、第2の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプに比べおよそ1.5倍の広帯域な特性が得られていることが分かる。 From FIG. 4, according to the transimpedance amplifier according to the present embodiment, the transimpedance amplifier according to the first conventional example is approximately twice as large as the transimpedance amplifier using the inductive peaking according to the second conventional example. It can be seen that a 1.5 times wider bandwidth characteristic is obtained.
上述したように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおいては、トランスインピーダンスアンプ初段の負荷に負荷抵抗RL21と第1のインダクタLL20を直列に接続し、負帰還ループに負帰還抵抗RF23と直列に第2のインダクタLF22を接続し、この第1のインダクタLL20と第2のインダクタLF22を誘導結合している。
As described above, in the transimpedance amplifier according to the present embodiment, the
本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成により、トランスインピーダンスアンプに信号電流が入力されると、第2のインダクタLF22に電流が流れることにより、これに応じて誘導結合した第1のインダクタLL20に誘導起電力が発生し高周波で等価的に高インピーダンスとなる。
With the configuration of the transimpedance amplifier according to the present embodiment, when a signal current is input to the transimpedance amplifier, a current flows through the
一方、第1のインダクタLL20に電流が流れることにより、これに応じて誘導結導した第2のインダクタLF22に誘導起電力が発生し高周波で等価的に負帰還抵抗RF23が大きくなる。したがって、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成によれば、これらの相乗効果で周波数特性を改善することができる。
On the other hand, when a current flows through the
特に、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成においては、トランスインピーダンスアンプにおいて特有の利得帯域特性を決める要因である負荷インピーダンス部と負帰還インピーダンス部それぞれにインダクタを用い、これら2つのインダクタに誘導結合性を持たせたことを特徴としており、トランスインピーダンスアンプにおいて初めて有効な構成である。 In particular, in the configuration of the transimpedance amplifier according to the present embodiment, an inductor is used for each of the load impedance portion and the negative feedback impedance portion, which are factors that determine the characteristic gain band characteristics in the transimpedance amplifier, and inductive coupling is performed between these two inductors. This is the first effective configuration for a transimpedance amplifier.
なお、図3に示した本実施例における負荷抵抗RL21と第1のインダクタLL20のドレイン側電源VDDと第1のトランジスタM113のドレイン端子との間においての接続順は、図5に示すように逆でもかまわないし、負帰還抵抗RF23と第2のインダクタLF22の接続順も逆であってもかまわない。
Note that the connection order between the
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第3の実施例について説明する。
図6は、本発明の第3の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
The third embodiment of the transimpedance amplifier according to the present invention will be described below.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a transimpedance amplifier according to the third embodiment of the present invention.
図6に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗RL21と第1のトランジスタM113とソース抵抗RS16とからなるソース接地増幅回路1と、第2のトランジスタM214と第3のトランジスタM315とからなるソースフォロワ回路2からなるトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地増幅回路1の負荷抵抗RL21に直列に第1インダクタLL20が接続され、ソース接地増幅回路1の入力端子とソースフォロワ回路2の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還抵抗RF23が接続され、ソース接地増幅回路1の出力端子とソースフォロワ回路2の入力端子間に第3のインダクタLS30が接続され、さらに、第1インダクタLL20と第3のインダクタLS30が誘導結合されることにより構成されている。なお、図6中において、VDDはドレイン側電源、VSSはソース側電源、VCSはコンスタントソース電圧を示している。
As shown in FIG. 6, the transimpedance amplifier according to this embodiment includes a common source amplifier circuit 1 including a
上述したように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおいては、トランスインピーダンスアンプ初段のソース接地増幅回路1の負荷インピーダンスに負荷抵抗RL21と第1インダクタLL20を直列に接続し、ソース接地増幅回路1の出力端子と後段のソースフォロワ回路2の入力端子を接続する第3のインダクタLS30を誘導結合している。
As described above, in the transimpedance amplifier according to this embodiment, the
本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成により、トランスインピーダンスアンプ回路に信号電流が入力されると、第3のインダクタLS30に電流が流れ、これに応じて誘導結合した第1インダクタLL20に誘導起電力が発生し高周波で等価的に高インピーダンスとなる。
With the configuration of the transimpedance amplifier according to the present embodiment, when a signal current is input to the transimpedance amplifier circuit, a current flows through the
一方、第1インダクタLL20に電流が流れることにより、これに応じて誘導結導した第3のインダクタLS30に誘導起電力が発生し誘導結合インダクタにより高周波でトランジスタの寄生容量による帯域劣化を補償することができる。したがって、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成によれば、これらの相乗効果で周波数特性を改善することができる。
On the other hand, when a current flows through the
なお、図6に示した本実施例における負荷抵抗RL21と第1インダクタLL20のドレイン側電源VDDと第1のトランジスタM113のドレイン端子との間においての接続順は、図7に示すように逆でもかまわない。
The connection order between the
以上説明したように、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、光信号を光電変換により変換して光電電流を得て、この光電電流を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おいて、利得周波数特性の広帯域化が可能となる。すなわち、高速動作可能なトランスインピーダンスを提供することができる。 As described above, according to the transimpedance amplifier according to the present invention, in the transimpedance amplifier that converts an optical signal by photoelectric conversion to obtain a photoelectric current, and converts and amplifies the photoelectric current into a voltage signal, gain frequency characteristics are obtained. Can be widened. That is, a transimpedance capable of high-speed operation can be provided.
特に、相互インダクタンスMの効果により、それぞれのインダクタの値を大きくしなくても同等の効果が得られるため、チップサイズを大きくすることなく帯域を改善することができるという効果をえることができる。さらに、本発明によれば、複数のチップインダクタを用いる従来の広帯域化技術を使った場合、チップサイズが大きくなるのに対しチップサイズをほぼ同じとできるため、コストを抑え高速動作化に有効である。 In particular, due to the effect of the mutual inductance M, the same effect can be obtained without increasing the value of each inductor, so that the band can be improved without increasing the chip size. Furthermore, according to the present invention, when the conventional wideband technology using a plurality of chip inductors is used, the chip size can be made almost the same while the chip size is increased, which is effective in reducing the cost and increasing the operation speed. is there.
本発明は、例えば、光伝送方式の光電変換を行う光受信回路において、信号等化を行うトランスインピーダンスアンプに利用することができ、特に、高速動作可能な広帯域な利得周波数特性をもつトランスインピーダンスアンプに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used, for example, in a transimpedance amplifier that performs signal equalization in an optical receiver circuit that performs photoelectric conversion of an optical transmission system, and in particular, a transimpedance amplifier having a wide-band gain frequency characteristic that can be operated at high speed. Can be used.
具体的には、光基幹伝送システム、光アクセスシステム、光インターコネクション等の各種光伝送システムに用いられる光受信用IC、及びこれを用いた高速光受信モジュール、光送受信トランシーバなどに光受信回路等に利用することができる。 Specifically, optical receiver ICs used in various optical transmission systems such as optical backbone transmission systems, optical access systems, and optical interconnections, high-speed optical receiver modules using the same, optical receiver transceivers, etc. Can be used.
1 ソース接地増幅回路
2 ソースフォロワ回路
10 第1のインピーダンスZL
11 第2のインピーダンスZF
12 第3のインピーダンスZS
13 第1のトランジスタM1
14 第2のトランジスタM2
15 第3のトランジスタM3
16 ソース抵抗RS
17 抵抗R
18 インダクタL
20 第1のインダクタLL
21 負荷抵抗RL
22 第2のインダクタLF
23 負帰還抵抗RF
30 第3のインダクタLS
1 Source-grounded
11 Second impedance Z F
12 Third impedance Z S
13 First transistor M 1
14 Second transistor M 2
15 Third transistor M 3
16 Source resistance R S
17 Resistance R
18 Inductor L
20 First inductor L L
21 Load resistance R L
22 Second inductor L F
23 Negative feedback resistance R F
30 Third inductor L S
Claims (3)
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する2つのインダクタとを備え、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、前記負帰還抵抗と直列に接続された第2のインダクタである
ことを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 In a transimpedance amplifier that receives a current signal converted from an optical signal and outputs a voltage signal,
A grounded source amplifier circuit, a source follower circuit, a negative feedback resistor, and two inductors having inductive coupling,
The transimpedance amplifier, wherein the inductor is a first inductor constituting a load impedance of the common source amplifier circuit and a second inductor connected in series with the negative feedback resistor.
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する2つのインダクタとを備え、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第1のインダクタと、前記ソース接地増幅回路の出力端子と前記ソースフォロワ回路の入力端子とを接続する第2のインダクタである
ことを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 In a transimpedance amplifier that receives a current signal converted from an optical signal and outputs a voltage signal,
A grounded source amplifier circuit, a source follower circuit, a negative feedback resistor, and two inductors having inductive coupling,
The inductor is a first inductor that constitutes a load impedance of the common source amplifier circuit, and a second inductor that connects an output terminal of the common source amplifier circuit and an input terminal of the source follower circuit. Transimpedance amplifier.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のトランスインピーダンスアンプ。 The second inductor and the first inductor constituted by spiral inductors, claim, characterized in that to inductive coupling by overlapping the first inductor and the second inductor 1 or claim 2 Transimpedance amplifier described in 1.
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