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

本発明は、電源雑音の影響を低減可能な信号増幅回路、信号増幅回路を用いた光受信回路、信号増幅回路を用いた光モジュール、信号増幅回路を用いたデータ交換システムに関する。
近年、インターネットの普及に伴いネットワークに要求されるトラヒック容量が加速度的に増大している。サーバ、ルータ等に代表される電算機や通信機器等の大容量データ伝送装置筐体内のバックプレーン伝送の分野では、これらの大容量データ伝送装置筐体内の信号伝送に10Gbpsを超える通信速度が必要とされるようになり、従来の電気信号を用いた通信から、高速通信が可能な光通信へと移行することが予想される。光通信による光配線の実用化には論理LSIに集積化可能なCMOSプロセスの送受信回路が必要であり、多チャンネル化の必要性から低面積で高速動作可能な回路方式の実現が要求されている。
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。
特許文献1(特開2001−326377)には、「光−電流変換機能を持つフォトダイオードと電流−電圧変換機能を持つトランスインピーダンス型のアンプ回路とをハイブリッドに結合して構成した光受信回路において、前記フォトダイオードが、ウェーハボンディングを用いたハイブリッド集積法によって前記アンプ回路基板上に直接貼り合わされ、かつ、前記フォトダイオードと前記アンプ回路とを電気的に結合するために、前記アンプ回路基板上に専用の電極パッドを設けた光受信回路であって、前記トランスインピーダンス型のアンプ回路が、シリコンCMOSのインバータ回路をN段(Nは奇数)直列に接続した回路の入出力間に並列帰還インピーダンスを接続した回路であることを特徴とする光受信回路。」が開示されている。
また、特許文献2(特開昭59−115628)には、「雑音信号が幅広く存在する周波数帯域の目的の信号周波数を受信する受信装置において、該目的の信号周波数に同調させる信号受信系統と、目的とする信号周波数より任意に外した周波数に同調させて、雑音信号だけを受信する信号受信系統を設け、それぞれの受信系統で復調した出力に含まれる雑音信号の出力レベルを等しくかつ互いに逆位相となるように設定し、逆位相にした雑音出力信号を相互に打消させ、目的とする信号を抽出するようにしたことを特徴とする受信装置の雑音除去方式。」が開示されている。
特開2001−326377 特開昭59−115628
上記、特許文献1に開示される光受信回路の回路方式は低面積で高速動作可能な信号増幅回路を実現することを目的としているが、電源雑音の信号への重畳を抑えることが困難であるという課題を有する。図2および式1を用いて、特許文献1に開示される光受信回路が当該課題を有する理由を説明する。
図2は特許文献1(特開2001−326377)に開示される信号増幅回路の一部を示したものであり、図2(a)は並列帰還型CMOS光受信回路(信号増幅回路)の回路図であり、図2(b)は図2(a)に示す並列帰還型CMOS光受信回路の電源から出力端子までの信号経路を小信号等価回路で表現した説明図である。
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。
図2(b)は図2(a)の増幅回路の電源から出力端子までの信号経路を小信号等価回路で表現したものであり、電流源201はNMOSトランジスタ101の等価電流源で、電流源203はNMOSトランジスタ102の等価電流源で、抵抗器202と204はトランジスタの出力インピーダンスroである。このとき、帰還抵抗103をR、電源雑音をVnoiseとして出力端子107に現れる電源雑音成分をVoutnすると、NMOSトランジスタ101のトランスコンダクタンスをgm1としたときの等価電流源201はgm1・(Voutn―Vnoise)で表わされ、PMOSトランジスタ102のトランスコンダクタンスをgm2としたときの等価電流源203はgm1・Voutnでそれぞれ表わされる。よって、電源端子205から出力端子206への伝達関数は(数1)で表わされる。
Figure 0005325688
(数1)において電源ノイズの重畳を低減するためには、gm2およびroを小さくすればよい。しかしながら、gm2およびroはプロセスによって決定される定数であるためこれらを小さくすることが困難であり、雑音の低減が困難であるという課題を有する。
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。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
(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。
本発明によると、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を提供することができる。
本発明に係る実施の形態4における信号増幅回路の回路構成図の一例を示す図である。 特許文献1に開示される並列帰還型CMOS光受信回路(増幅回路)の回路図である。 図2(a)に示す、特許文献1に開示される並列帰還型CMOS光受信回路の電源から出力端子までの信号経路を小信号等価回路で表現した説明図である。 本発明に係る実施の形態1における信号増幅回路の回路構成図の一例を示す図である。 図3(a)に示す信号増幅回路の電源から出力端子までの信号経路を小信号等価回路で表現した説明図である。 本発明に係る実施の形態1の信号増幅回路による効果と、特許文献1に開示される信号増幅回路による効果とを比較した説明図である。 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る。 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。 本発明に係る実施の形態2における信号増幅回路の回路構成図の一例の説明図である。 本発明に係る実施の形態3における信号増幅回路の一例の説明図である。 本発明に係る実施の形態3における信号増幅回路の変形例の説明図である。 本発明に係る実施の形態5における光受信回路の一例を示す回路構成図の説明図である。 本発明に係る実施の形態6における光受信回路の一例を示す回路構成図の説明図である。 実施の形態4、5および6記載の光受信回路を用いた光モジュールの一例を示す構成図である。 実施の形態7記載の光モジュールを用いたデータ交換システムの一例を示す構成図である。 実施の形態7記載の光モジュールを製品に適用した一例を示す構成図である。 実施の形態9記載の光モジュールを用いたバックプレーン伝送内の光伝送の一例を示す構成図である。
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図3に、本発明に係る実施の形態1における信号増幅回路の一例を示す。図3(a)は、本発明に係る実施の形態1における信号増幅回路の回路構成図であり、図3(b)は、図3(a)に示す信号増幅回路の電源から出力端子までの信号経路を小信号等価回路で表現したものである。
図3(a)の信号増幅回路は、PMOSトランジスタ101とNMOSトランジスタ102で構成されたCMOSインバータと、抵抗器103、104と、入力端子106、出力端子107、電源108とを有して構成されている。ここで抵抗器103は、PMOSトランジスタ101とNMOSトランジスタ102で構成されたCMOSインバータにおいてその出力端子107から入力端子106に至る帰還経路上に設けられており並列帰還型の信号増幅器を構成し、抵抗器104は、入力端子106と電源108の間に配置された構成となっている。抵抗器104を配置することによって、電源雑音が出力端子107へ伝達される経路として、トランジスタ101を介して伝達する雑音経路802と、抵抗器104を介してトランジスタ102へと伝わり出力端子へ伝達される雑音経路801、との2経路が形成される。雑音経路802はPMOSトランジスタ101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電源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801を伝わる電源雑音はNMOS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、電源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に現れる電源雑音は、雑音経路801と雑音経路802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、互いに打ち消しあうことによって電源雑音を低減できる。
また、上記の雑音を低減する原理について、回路解析手法の一つである小信号等価回路を用いて述べる。図3(b)の信号増幅回路の電源から出力端子までの信号経路の小信号等価回路は、PMOSトランジスタ101の等価電流源201、NMOSトランジスタ102の等価電流源203、トランジスタの出力インピーダンスroである202、204、帰還抵抗Rである103、抵抗器RLである104、電圧Vaである109、電源端子205、出力端子206とを有して構成されている。ここで、電源雑音をVnoise、出力端子の電源雑音をVoutnとすると、NMOSトランジスタ101のトランスコンダクタンスをgm1としたときの等価電流源201はgm1・(Voutn-Va)で表わされ、PMOSトランジスタ102のトランスコンダクタンスをgm2としたときの等価電流源203はgm1・Vaで表わされ、電源端子205から出力端子206への伝達関数は(数2)により表わされる。
Figure 0005325688
ここで、(数2)においてgm1・R=gm2・RLとなるようにRまたはRLを調整すると、出力端子206に現れる電源雑音(Voutn)成分を低減することができる。つまり、抵抗器104がない場合には、電源108から出力端子107へ伝搬される雑音(雑音経路802による雑音)が発生していたが、図3(a)のように抵抗器104を設けることで、電源108から出力端子107へ伝搬される雑音(雑音経路802による雑音)に対して逆位相となる雑音(雑音経路801による雑音)を発生させる信号経路が形成されることになる。よって、逆位相となる雑音経路801による雑音と雑音経路802による雑音とが互いに打ち消しあい、見かけ上、電源から信号への雑音を低減させることができる。
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、本発明に係る実施の形態1の信号増幅回路による効果を示す説明図である。
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は、本発明に係る実施の形態1の信号増幅回路による効果を示す説明図である。
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。
図6は、本発明に係る実施の形態2における信号増幅回路の回路構成図の一例である。
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に、本発明に係る実施の形態3における信号増幅回路の一例を示す。図7(a)および図7(b)はそれぞれ、本発明に係る実施の形態3における信号増幅回路の変形例を示したものである。
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。
図1は、本発明に係る実施の形態4における信号増幅回路の回路構成図の一例である。実施の形態4では、図3(a)記載の信号増幅回路の入力端子106に、光電気変換素子105を接続した構成となっている点が異なる。
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。
図8は本発明に係る実施の形態5における光受信回路の一例を示す回路構成図である。図8は、図3(a)の信号増幅回路に、光電気変換素子105と電流バッファ320が付加された構成となっている点が異なる。
電流バッファ320は、PMOSトランジスタ101、NMOSトランジスタ102、抵抗器103、抵抗器104、出力端子107および入力端子とを有して構成される信号増幅回路の入力端子間に接続されており、光電子変換素子105は、電流バッファ320に接続されている。ここで、実施の形態5における電流バッファ320は、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。
図9は本発明に係る実施の形態6における光受信回路の一例を示す回路構成図である。図9は、図1記載の信号増幅回路のゲート端子102aに対して、レベル変換回路323と電流バッファ320とが接続されている点が異なる光受信回路である。
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。
図10は、実施の形態4、5および6に記載した光受信回路を用いた光モジュールの一例として実施の形態7を示す構成図である。光モジュール500は、光受信回路501と光送信回路503と信号処理回路502とを有して構成される。
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。
実施の形態4乃至6記載の光受信回路を光モジュールに適用することで、受信信号への電源雑音の重畳を低減することが可能となる。また、電流バッファ320を挿入した光受信回路を用いた場合には、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。また、レベル変換回路323を備えた光受信回路を用いた場合には、直流レベルが調整可能となる。さらに、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
図11は、実施の形態7記載の光モジュールを用いたデータ交換システム(ルータ)の一例として実施の形態8を示す構成図である。
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。
この構成によれば、伝送媒体を伝送する信号の品質を向上できる。その結果、各通信機の間の伝送距離を長くとれるため、より大規模でネットワーク接続数の増加に対応可能なデータ交換システムを構築することができる。
図12は、実施の形態7の光モジュールを製品に適用した一例として実施の形態9を示す図である。基板906上に配置された光信号路905がフォトダイオード907、レーザダイオード908を介して、光送受信LSI900に接続された構成である。光信号路905を通して入力された光信号は、フォトダイオード907で電気信号に変換され光送受信LSI900に伝達される。光信号LSI900は受信部901、信号処理部902、送信部903で構成され、受信部901に入力された電気信号を信号処理部902で処理し、送信部903でレーザダイオードを駆動して再び光信号へと変換する。
実施の形態4乃至6のいずれかに記載の光受信回路を光モジュールに適用することで、受信信号への電源雑音の重畳を低減することが可能となる。また、電流バッファを挿入した光受信回路を用いた場合には、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。また、レベル変換回路を備えた光受信回路を用いた場合には、直流レベルが調整可能となる。さらに、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
図13は、実施の形態9記載の光モジュールを用いたバックプレーン伝送内の光伝送の構成図の一例として実施の形態10を示す図である。サーバやルータ装置内のバックプレーン910に接続されたドータボード911はバックプレーン910上に実装された光信号路912で接続される。光信号路912はコネクタ914を介してドータボード上の光モジュール913に接続される。
実施の形態9記載の光モジュールをバックプレーン伝送に適用することで、電源雑音の重畳を低減することが可能となる。また、電流バッファを挿入した光受信回路を用いた場合には、フォトダイオードの寄生容量と本実施の形態に記載の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。また、レベル変換回路を備えた光受信回路を用いた場合には、直流レベルが調整可能となる。さらに、上記効果を低面積の信号増幅回路で実現できる。
102 PMOSトランジスタ、101・318・322 NMOSトランジスタ、102a ゲート端子、103・104・124 抵抗器、105 光電気変換素子、106 入力端子、107 出力端子、108 電源、109 電圧Va、134・144 可変抵抗器、201・203 等価電流源、202・204 等価インピーダンス、205 電源端子、320 レギュレーティッド・カスコード回路、316・317・321 電流源、319 増幅回路、321 電流源、323 レベルシフト回路、500・603・606 光モジュール、501 光受信回路、502 信号処理回路、503 光送信回路、603・606 光モジュールを用いたインターフェイス部、601 メインボード、602 光配線、604 メモリ、605 演算部、601‐1・601‐n 通信機、801・802・803・804 雑音経路、900 光送受信LSI、901 受信部、902 信号処理部、903 送信部、905 光信号経路、906 基板、907 フォトダイオード、908 レーザダイオード、910 バックプレーン、911 ドータボード、912 光信号経路、913 モジュール、914 コネクタ

Claims (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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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