JP5325688B2 - 信号増幅回路、光受信回路、光モジュールおよびデータ交換システム - Google Patents
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Description
また、プロセスの微細化に伴う電源電圧の低下により、通信のための信号レベルが低下するという問題が発生している。そのため、従来は大きな問題となっていなかった電源雑音が信号に与える影響も無視できなくなり、近年は電源雑音による信号品質の劣化の抑制も要求されている。
図2(a)の並列帰還型CMOS光受信回路(増幅回路)は、NMOSトランジスタ101とPMOSトランジスタ102からなるCMOSインバータと帰還抵抗103とを有して構成される。ここで106は入力端子、107は出力端子である。
特許文献2に開示される受信装置の雑音除去方式は、信号の雑音除去を目的としているが、雑音の除去には雑音信号を検出するために受信回路を2つ必要であることに加え、さらに、位相反転回路、加算回路が必要となるため、回路面積が大幅に増加し、多チャンネル化が困難となるという課題を有する。
そこで、本発明では、上記従来技術による課題を解決し、低面積で電源雑音の信号への重畳を低減することが可能な光受信回路を提供する。
(1)PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとで構成されたCMOSインバータと、前記CMOSインバータに信号を入力する入力端子と、前記CMOSインバータからの信号を出力する出力端子と、前記CMOSインバータと接続された電源と、前記CMOSインバータと各々接続される第一の素子と第二の素子と、を備え、互いに逆位相となる2種類の電源経路を有する光増幅回路である。
(2)(1)記載の光増幅回路であって、前記第一の素子は、前記入力端子と前記電源との間に接続され、前記第二の素子は前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、前記電源から前記PMOSトランジスタを介して前記出力端子に伝達する第一の電源経路と、前記第一の抵抗器から前記NMOSトランジスタを介して前記出力端子に伝達する第二の電源経路と、を有することを特徴とする光増幅回路である。
ここで、本実施の形態1では逆位相の雑音を発生させるための素子として抵抗器104を設けたが、雑音経路1による雑音に対して逆位相となる雑音を発生させることのできる素子を設ければ、実施の形態1と同様の効果を得ることができ、抵抗器104に限られない。
よって、本発明に係る実施の形態1によって、電源雑音の信号への重畳を低減することが可能となる。
図4は、周波数[Hz]と電源雑音の除去量(ゲイン)[dB]との関係を回路シミュレータによって解析した結果を示す図であり、特許文献1(特開2001−326377)に開示された信号増幅回路と本発明に係る実施の形態1の信号増幅回路とを用いた場合の各周波数における電源雑音の除去量を示している。解析には回路シミュレータSpectreを用い、解析方法AC、プロセスCMOS90nm、電源電圧1.2[V]、抵抗器103が300[Ω]、抵抗器104が560[Ω]の解析条件のもとで行った。これにより、周波数が10GHz程度以下の場合には、本発明に係る実施の形態1による信号増幅回路による電源雑音は、特許文献1に開示された信号増幅回路による電源雑音と比較して、大幅に低減されていることが確認できる。
図5(a)は特許文献1に開示された信号増幅回路を用いた場合のアイパターンであり、図5(b)は本発明に係る実施の形態1の信号増幅回路を用いた場合のアイパターンである。
アイパターンとは、アイダイアグラムとも呼ばれ、信号波形の遷移を多数サンプリングし、重ね合わせてグラフィカルに表示したものである。ここで、波形が毎回同じ位置で複数重ね合わされている場合は品質の良い波形であり、逆に波形の位置がずれている場合は品質の悪い波形であることが分かる。
図5(a)は波形の位置がずれており品質が悪いのに対して、図5(b)は波形の位置が一致しており、本発明に係る実施の形態1における信号増幅回路は、電源雑音の重畳が低減でき波形品質が向上していることが確認できる。
実施の形態2では、実施の形態1に記載した信号増幅回路に対して、雑音除去用の抵抗124がグランドに接続されている点が異なる。雑音除去用の抵抗124を設けることによって、グランド雑音が出力端子107へ伝達される経路はトランジスタ102を介して伝達する雑音経路804と、抵抗器124を介してトランジスタ101へと伝わり出力端子へ伝達される雑音経路803の2経路が形成される。雑音経路804はNMOSトランジスタ102のソースへ雑音が入力され、ドレインへと出力されるゲート接地型であるためグランド雑音の位相と出力端子107に伝達される位相は同位相となる。一方、雑音経路803を伝わるグランド雑音はPMOSトランジスタのゲートへ雑音が入力され、ドレインへと出力されるソース接地型であるためグランド雑音の位相と出力端子107に出力される位相は逆位相の関係となる。出力端子107に現れるグランド雑音は、雑音経路803と雑音経路804の雑音が加算され、逆位相の関係にある雑音が加算されるため、グランドからの重畳雑音を低減することが可能となり、波形品質の向上を図ることが可能となる。また、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
図7(a)は、図3(a)の抵抗器104を可変抵抗器134に変換し、信号増幅回路を構成した点が異なる。図7(b)は図6の抵抗124を可変抵抗144に変換し、信号増幅回路を構成した点が異なる。実施の形態3では、抵抗を可変抵抗とすることにより、当該可変抵抗134および144を、雑音を除去するために使用し、雑音の重畳を可変させ、信号増幅回路内の素子にばらつきが発生した場合にも調整可能となる効果を有する。また、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
光電気変換素子105を接続することにより、光受信回路における電源雑音の低減が可能となり、波形品質の向上を図ることが可能となる。また、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
実施の形態5によれば、実施の形態1が開示された図3における信号増幅回路と同様の電源雑音低減効果が見込めるが、さらに電流バッファ320を挿入していることで、フォトダイオードの寄生容量と本発明回路の入力インピーダンスによる帯域劣化の影響が低減できるため、高速動作が可能となる効果を有する。
ここで、レベル変換回路323は、NMOSトランジスタ322と電流源321とを有して構成され、電流バッファ320は、実施の形態5記載の光受信回路と同様に、NMOSトランジスタ318、反転アンプ319、電流源317、電流源316とを有して構成されている。
レベル変換回路323を備えたことによって本発明回路の直流レベルが調整可能となる。また、電流バッファ320を挿入していることで、フォトダイオードの寄生容量と本発明回路の入力インピーダンスによる帯域劣化の影響が低減できるため、高速動作が可能となる効果を有する。
ここで、光受信回路501は、光モジュール500に入力された光信号を電気信号に変換して信号処理回路502に送信する回路であり、光送信回路503は、信号処理回路502から受信された電気信号を光信号に変換して送信する回路であり、信号処理回路502は、光受信回路501からの入力信号を信号処理して出力し、また、入力された信号を信号処理して光送信回路503に送信する。
データ交換システムは、複数の通信機600‐1、・・・600‐n、メインボード601、伝送媒体602、インターフェース部603、メモリ604、演算部605、光モジュール606とを有して構成される。
ここで、複数の通信機600‐1、・・・600‐nの各通信機は、それぞれ外部ネットワークに接続されると共に、メインボード601に備えられた光配線を用いた伝送媒体602を介して互いにデータ信号を送受信可能な構成となっている。通信機600‐nの内部は光モジュールを用いたインターフェイス部603、メモリ604、演算部605で構成される。
Claims (5)
- 電源線に繋がった第1のノードと、
ゲート端子が第2のノードに接続され、ソースおよびドレインの一方の端子が第1のノードに接続され、ソースおよびドレインの他方の端子が第3のノードに接続されたNMOSトランジスタと、
ゲート端子が第2のノードに接続され、ソースおよびドレインの一方の端子が第3のノードに接続され、ソースおよびドレインの他方の端子がGNDに接続されたPMOSトランジスタと、
第2のノードと第3のノード間に設けられた第1の抵抗と、
第1のノードと第2のノード間に設けられた第2の抵抗と、を有し、
第2のノードが入力端子に接続され、第3のノードが出力端子に接続され、
前記NMOSトランジスタのコンダクタンスgm1と、前記PMOSトランジスタのコンダクタンスgm2と、前記第1の抵抗の抵抗値Rと、前記第2の抵抗の抵抗値RLとが、
gm1・R=gm2・RL
の関係を満たすことを特徴とする光増幅回路。 - 請求項1に記載の光増幅回路の前記入力端子に光電気変換素子を接続したことを特徴とする光受信回路。
- 請求項2に記載の光受信回路の前記入力端子に、さらに電流バッファを接続したことを特徴とする光受信回路。
- 請求項3に記載の光受信回路の前記入力端子に、さらにレベル変換回路を接続したことを特徴とする光受信回路。
- 請求項4に記載の光受信回路と、
前記光受信回路から入力された信号を信号処理する信号処理回路と、
前記信号処理回路から受信した信号を変換して送信する光送信回路と、を有することを特徴とする光モジュール。
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