JP5752623B2 - 受光回路 - Google Patents

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Description

受光回路に関する。
従来、フォトダイオードと、CMOS回路からなる電流コンパレータとを有する受光回路がある。この従来の受光回路は、光入力パワーの大きさが変化すると、電流コンパレータの出力が切り替わるまでの時間が変化する。これにより、出力信号のパルス幅の歪み(PWD:pulse width distortion)が発生する。
特開2007−5901号公報
出力信号の歪みを低減することが可能な受光回路を提供する。
実施形態に従った受光回路は、一端が第1の電位線に接続され、他端が第1の内部端子に接続され、光信号を電気信号に光電変換するフォトダイオードを備える。受光回路は、前記第1の内部端子と第2の内部端子の間に接続された帰還抵抗と、ゲートが前記第1の内部端子に接続され、ドレインが前記第2の内部端子に接続された第1導電型の第1のMOSトランジスタと、前記第2の内部端子と第2の電位線との間に接続され、第1の定電流を出力する第1の定電流源と、を有するトランスインピーダンスアンプを備える。受光回路は、ドレインが出力端子に接続され、ソースが前記第1の電位線に接続され、ゲートが前記第2の内部端子に接続された第1導電型の第2のMOSトランジスタと、前記出力端子と前記第2の電位線との間に第2の定電流を出力する第2の定電流源と、を有する電流コンパレータを備える。受光回路は、前記第2の電位線と第1の接続点との間に流れる電流をカレントミラーしたミラー電流を、前記第2の電位線と前記出力端子に接続された第2の接続点との間に流すカレントミラー回路を備える。受光回路は、一端が前記第2の電位線に接続され、前記第1の接続点に他端が接続され、第3の定電流を出力する第3の定電流源と、ドレインが前記第1の接続点に接続され、ソースが前記第1の電位線に接続され、ゲートが前記第2の内部端子に接続された、第1導電型の第3のMOSトランジスタと、を有する自動閾値調整回路を備える。
図1は、第1の実施形態に係る受光回路100の構成の一例を示す回路図である。 図2は、入力電流ipに対する各電流の変化の一例を示す特性図である。 図3は、図1に示す電流コンパレータ102に流れる電流iaの波形と、電流コンパレータ102の閾値となる第2の定電流i2とミラー電流icとの和の波形の一例を示す波形図である。 図4は、入力電流ipが大入力および小入力の場合における、図1に示す電流コンパレータ102の出力信号の波形の一例を示す波形図である。 図5は、図1に示す電流コンパレータ102の出力信号のパルス幅歪みと入力電流ipとの関係の一例を示す特性図である。 図6は、第2の実施形態に係る受光回路200の構成の一例を示す回路図である。 図7は、第3の実施形態に係る受光回路300の構成の一例を示す回路図である。
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
第1の実施形態
図1は、第1の実施形態に係る受光回路100の構成の一例を示す回路図である。
図1に示すように、受光回路100は、フォトダイオードPDと、トランスインピーダンスアンプ101と、電流コンパレータ102と、自動閾値調整(ATC:automatic threshold control)回路103と、第2導電型の基準MOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M0と、基準定電流源IS0と、を備える。
フォトダイオードPDは、一端(アノード)が第1の電位線L1に接続され、他端(カソード)が第1の内部端子T1に接続されている。なお、第1の電位線L1は、接地電圧Vssが印加されている。
このフォトダイオードPDは、光信号を電気信号に光電変換するようになっている。すなわち、フォトダイオードPDは、光信号のパワーに応じた大きさの入力電流ipを流す。例えば、フォトダイオードPDは、光信号のパワーが大きくなると、入力電流ipを増加させ、一方、光信号のパワーが小さくなると、入力電流ipを減少させる。
また、図1に示すように、トランスインピーダンスアンプ101は、帰還抵抗Rfと、第1導電型の第1のMOSトランジスタ(nMOSトランジスタ)M1と、第1の定電流源IS1と、を有する。
帰還抵抗Rfは、第1の内部端子T1と第2の内部端子T2の間に接続されている。
第1のMOSトランジスタM1は、ゲートが第1の内部端子T1に接続され、ドレインが第2の内部端子T2に接続されている。
第1の定電流源IS1は、第2の内部端子T2と第2の電位線L2との間に接続され、第1の定電流i1を出力するようになっている。なお、第2の電位線L2は、電源電圧Vddが印加されている。
この第1の定電流源IS1は、例えば、第2導電型の第6のMOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M6である。この第6のMOSトランジスタM6は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ドレインが第2の内部端子T2に接続され、第1の定電流i1が流れるようにゲートに電圧V0が印加されている。
また、図1に示すように、電流コンパレータ102は、第1導電型の第2のMOSトランジスタM2と、第2の定電流源IS2と、を有する。
第1導電型の第2のMOSトランジスタM2は、ドレインが出力端子Toutに接続され、ソースが第1の電位線L1に接続され、ゲートが第2の内部端子T2に接続されている。なお、この第2のMOSトランジスタM2のサイズS2は、第1のMOSトランジスタM1のサイズS1よりも、小さい。
第2の定電流源IS2は、出力端子Toutと第2の電位線L2との間に接続され、第1の定電流i1と同じ第2の定電流i2を出力するようになっている。
この第2の定電流源IS2は、例えば、第2導電型の第7のMOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M7である。この第7のMOSトランジスタM7は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ドレインが出力端子Toutに接続され、ゲートが第6のMOSトランジスタM6のゲートに接続されている。
この第7のMOSトランジスタM7に第2の定電流i2が流れる。
このような構成を有する電流コンパレータ102は、フォトダイオードPDが光信号を光電変換した出力電流ipに応じた電流iaが閾値(第2の定電流源i2+ミラー電流ic)以上のとき“Low”レベルの信号を出力端子Toutから出力する。一方、電流コンパレータ102は、電流iaが閾値未満のとき“High”レベルの信号を出力端子Toutから出力する。
また、図1に示すように、自動閾値調整回路103は、カレントミラー回路MCと、第3の定電流源IS3と、第1導電型の第3のMOSトランジスタ(nMOSトランジスタ)M3と、を有する。
第3の定電流源IS3は、一端が第2の電位線L2に接続され、第1の接続点Taに他端が接続され、第3の定電流i3を出力しようとする。
この第3の定電流源IS3は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ドレインが第1の接続点Taに接続され、ゲートが第6のMOSトランジスタM6のゲートに接続された第2導電型の第8のMOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M8である。
第3のMOSトランジスタM3は、ドレインが第1の接続点Taに接続され、ソースが第1の電位線L1に接続され、ゲートが第2の内部端子T2(第2のMOSトランジスタM2のゲート)に接続されている。
なお、この第3のMOSトランジスタM3のサイズS3は、第2のMOSトランジスタM2のサイズS2と同じである。すなわち、第3のMOSトランジスタM3に流れる電流ibは、第2のMOSトランジスタM2に流れる電流iaと等しい。
また、カレントミラー回路MCは、第2の電位線L2と第1の接続点Taとの間に流れる電流をカレントミラーしたミラー電流icを、第2の電位線L2と出力端子Toutに接続された第2の接続点Tbとの間に流すようになっている。
このカレントミラー回路MCは、例えば、第2導電型の第4のMOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M4と、第2導電型の第5のMOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M5と、を有する。
第4のMOSトランジスタM4は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ドレインが第1の接続点Taに接続され、ダイオード接続されている。
第5のMOSトランジスタM5は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ドレインが第2の接続点Tbに接続され、ゲートが第4のMOSトランジスタM4のゲートに接続されている。
上述のように、第4のMOSトランジスタM4は、ダイオード接続されている。このため、第4のMOSトランジスタM4は、電流ibが第3の定電流i3よりも大きい場合、電流が流れ、一方、電流ibが第3の定電流i3よりも小さい場合、電流が流れない。
ここで、既述のように、第3のMOSトランジスタM3はM2と同一のサイズ(ゲート長およびチャネル幅)で設計され、電流iaと同一の大きさの電流ibを流そうとする。そして、第3のMOSトランジスタM3のドレインには、第3の定電流源IS3が接続されている。したがって、電流ibが第3の定電流i3を上回ったときに、その差分の電流(ib-i3)をカレントミラーした電流icが第2の接続点Tbに流れる。
また、図1に示すように、基準MOSトランジスタM0は、ソースが第2の電位線L2に接続され、ゲートが第6のMOSトランジスタM6のゲートに接続され、ダイオード接続されている。すなわち、基準MOSトランジスタM0、および、第6ないし第8のMOSトランジスタM6〜M8は、所謂、カレントミラー回路を構成する。
そして、基準定電流源IS0は、一端が基準MOSトランジスタM0のドレインに接続され、他端が第1の電位線L1に接続され、定電流I0を出力するようになっている。
したがって、第1ないし第3の定電流i1〜i3は、基準MOSトランジスタM0に流れる定電流I0をカレントミラーした電流を流そうとする。
以上のような構成を有する受光回路100は、フォトダイオードPDが光信号を光電変換した出力電流ipに応じた電流iaが閾値(第2の定電流源i2+ミラー電流ic)以上のとき“Low”レベルの信号を出力端子Toutから出力する。一方、受光回路100は、電流iaが閾値未満のとき“High”レベルの信号を出力端子Toutから出力する。
次に、以上のような構成を有する受光回路100の動作特性について説明する。ここで、図2は、入力電流ipに対する各電流の変化の一例を示す特性図である。また、図3は、図1に示す電流コンパレータ102に流れる電流iaの波形と、電流コンパレータ102の閾値となる第2の定電流i2とミラー電流icとの和の波形の一例を示す波形図である。また、図4は、入力電流ipが大入力および小入力の場合における、図1に示す電流コンパレータ102の出力信号の波形の一例を示す波形図である。また、図5は、図1に示す電流コンパレータ102の出力信号のパルス幅歪みと入力電流ipとの関係の一例を示す特性図である。
図2に示すように、電流コンパレータ102の第2のMOSトランジスタM2に流れる電流iaは、出力電流ipの増加に伴って増加する。入力電流ip小の時(光入力小の時)iaはしきい値i2より小さくなっており、ip増加の途中でしきい値i2を越えなければならない。先にM0、M6〜M8がカレントミラーを構成し、ここではM6とM7はサイズが同一(i1=i2)の場合で説明するが、iaがしきい値をまたぐためにはカレントミラーの電流誤差を見た上でi1<ia(ip小)となるように、M1とM2のサイズを決めなくてはならない。図2ではi1=i2で理想的な場合を示している。サイズ比をx(=S2/S1)とすると、経験的には0.5〜0.8の値を取ることになる。M6とM7のサイズが違う場合(i1≠i2)も上の式il<ia(ip小)が成り立てばよい。
ここで、第3の定電流源IS3の定電流i3は、(2-x)・i1で表される。なお、x=S2/S1=S3/S1である。
したがって、電流icは、出力電流ipが増加しても、電流ib(=電流ia)が第3の定電流i3と等しくなるまでは流れない。そして、電流icは、電流ib(=電流ia)が第3の定電流i3より大きくなると、電流iaと同じ割合で増加する。
これにより、第2の定電流i2と電流icの和(閾値)は、図2に示すように変化を示すことになる。そして、電流コンパレータ102は、電流iaが、この閾値(i2+ic)よりも大きい場合には、“Low”レベルの出力信号を出力端子Toutに出力し、一方、閾値(i2+ic)よりも小さい場合には、“Hihg”レベルの出力信号を出力端子Toutに出力する。
また、図3に示すように、出力電流ipの大、小に拘わらず、電流コンパレータ102に流れる電流(i2+ic)と電流iaとの差は変わらない。このため、電流(i2+ic)は、無信号時の閾値と同等の値となる。
これにより、図4に示すように、光信号が入力された場合における出力信号の切り替わり時間は、光信号の入力が途絶えた場合の切り替り時間と同等となる。
したがって、図5に示すように、光信号のパワーの大小にかかわらず、低PWD特性を実現することができる。
以上のように、本実施形態に係る受光回路によれば、出力信号の歪みを低減することができる。
第2の実施形態
この第2の実施形態では、既述の第1の実施形態と比較して、電流コンパレータの動作をより安定させるための構成の一例について説明する。
図6は、第2の実施形態に係る受光回路200の構成の一例を示す回路図である。なお、図6において、図1の符号と同じ符号は、第1の実施形態と同様の構成を示す。
図6に示すように、この受光回路200は、フォトダイオードPDと、トランスインピーダンスアンプ101と、電流コンパレータ102と、自動閾値調整回路103aと、第2導電型の基準MOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M0と、基準定電流源IS0と、を備える。
ここで、自動閾値調整回路103aは、第1の実施形態の自動閾値調整回路103と比較して、遅延回路DCをさらに有する。この遅延回路DCは、カレントミラー回路MCが第1の接続点Taに出力する電流を遅延させるようになっている。遅延回路DCは、例えば、第1の接続点Taと第1の電位線L1との間に接続されたコンデンサCである。
この遅延回路DCにより、カレントミラー回路MCが第1の接続点Taに出力する電流が遅延するため、結果として、カレントミラー回路MCが第2の接続点Tbに出力するミラー電流icも遅延することになる。
これにより、自動閾値調整回路103aは、光入力がオフした時において、電流iaが減少した時に、電流icを短時間保持することができるようになる。すなわち、電流コンパレータ102は、より安定したコンパレータ動作が可能となる。
受光回路200のその他の構成・機能は、第1の実施形態の受光回路100と同様である。
すなわち、本実施形態に係る受光回路によれば、電流コンパレータの動作をより安定させつつ、出力信号の歪みを低減することができる。
第3の実施形態
この第3の実施形態では、既述の第1の実施形態と比較して、より消費電流を低減することが可能な構成の一例について説明する
図7は、第3の実施形態に係る受光回路300の構成の一例を示す回路図である。なお、図7において、図1の符号と同じ符号は、第1の実施形態と同様の構成を示す。
図7に示すように、この受光回路300は、フォトダイオードPDと、トランスインピーダンスアンプ101と、電流コンパレータ102bと、自動閾値調整回路103bと、第2導電型の基準MOSトランジスタ(pMOSトランジスタ)M0と、基準定電流源IS0と、を備える。
電流コンパレータ102bは、第1の実施形態の電流コンパレータ102と比較して、第2のMOSトランジスタM2のソースと第1の電位線L1との間に接続された第1の抵抗R1をさらに有する。
また、自動閾値調整回路103bは、第1の実施形態の自動閾値調整回路103と比較して、第3のMOSトランジスタM3のソースと第1の電位線L1との間に接続された第2の抵抗R2をさらに有する。
ここで、MOSトランジスタは、ゲート−ソース間の入力電圧の増加分に対して、その2乗に比例して電流が増える。このため、既述の第1の実施形態に係る受光回路100では、入力光が強くなると、おおむねその増加分の2乗に比例して消費電流が増加する。
しかし、本実施形態に係る受光回路300のように、第2、第3のMOSトランジスタM2、M3のソース−接地間に第1、第2の抵抗R1、R2を挿入することにより、第2、第3のMOSトランジスタM2、M3に流れる電流は、リニアな特性に近づくこととなる。結果として、受光回路300の消費電流増加が緩和される。
この受光回路300のその他の構成・機能は、第1の実施形態の受光回路1と同様である。
すなわち、本実施形態に係る受光回路によれば、消費電流の増加を緩和しつつ、出力信号の歪みを低減することができる。
なお、既述の実施形態では、第1の電位線は、接地電圧が印加され、第2の電位線は、電源電圧が印加され、第1導電型のMOSトランジスタがnMOSトランジスタであり、第2導電型のMOSトランジスタがpMOSトランジスタであり、フォトダイオードは、アノードが第1の電位線に接続され、カソードが第1の内部端子に接続されている場合について説明した。
しかし、受光回路の極性を逆にしても同様の作用効果を奏することなできる。すなわち、第1の電位線は、電源電圧が印加され、第2の電位線は、接地電圧が印加され、第1導電型のMOSトランジスタがpMOSトランジスタであり、第2導電型のMOSトランジスタがnMOSトランジスタあり、フォトダイオードは、カソードが第1の電位線に接続され、アノードが第1の内部端子に接続されてもよい。
なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。
100、200、300 受光回路
101 トランスインピーダンスアンプ
102 電流コンパレータ
103 自動閾値調整回路
M0 基準MOSトランジスタ
IS0 基準定電流源
PD フォトダイオード

Claims (7)

  1. 一端が第1の電位線に接続され、他端が第1の内部端子に接続され、光信号を電気信号に光電変換するフォトダイオードと、
    前記第1の内部端子に一端が接続された帰還抵抗と、ゲートが前記第1の内部端子に接続され、ドレインが第2の内部端子に接続された第1導電型の第1のMOSトランジスタと、前記第2の内部端子と第2の電位線との間に接続され、第1の定電流を出力する第1の定電流源と、を有するトランスインピーダンスアンプと、
    ドレインが出力端子に接続され、ソースが前記第1の電位線に接続され、ゲートが前記第2の内部端子に接続された第1導電型の第2のMOSトランジスタと、前記出力端子と前記第2の電位線との間に接続され、第2の定電流を出力する第2の定電流源と、を有する電流コンパレータと、
    ソースが前記第2の電位線に接続され、ドレインが第1の接続点に接続され、ダイオード接続された第2導電型の第4のMOSトランジスタと、ソースが前記第2の電位線に接続され、ドレインが前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第4のMOSトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第5のMOSトランジスタと、を有するカレントミラー回路と、
    一端が前記第2の電位線に接続され、前記第1の接続点に他端が接続され、第3の定電流を出力する第3の定電流源と、
    ドレインが前記第1の接続点に接続され、ソースが前記第1の電位線に接続され、ゲートが前記第2の内部端子に接続された第1導電型の第3のMOSトランジスタと、
    を備えたことを特徴とする受光回路。
  2. 前記受光回路は、
    前記フォトダイオードが光信号を光電変換した出力電流に応じた電流が、前記第2の定電流と、前記第2の電位線と前記第1の接続点との間に流れる電流をカレントミラーしたミラー電流との和で規定される閾値以上のとき、第1レベルの信号を前記出力端子から出力し、
    一方、前記出力電流に応じた前記電流が、前記閾値未満のとき、第2レベルの信号を前記出力端子から出力することを特徴とする請求項1に記載の受光回路。
  3. 前記受光回路は、
    前記カレントミラー回路が前記第1の接続点に出力する電流を遅延させる遅延回路をさらに有することを特徴とする請求項1または2に記載の受光回路。
  4. 前記遅延回路は、前記第1の接続点と前記第1の電位線との間に接続されたコンデンサであることを特徴とする請求項3に記載の受光回路。
  5. 前記受光回路は、
    前記第2のMOSトランジスタのソースと前記第1の電位線との間に接続された第1の抵抗と、
    前記第3のMOSトランジスタのソースと前記第1の電位線との間に接続された第2の抵抗と、
    をさらに有することを特徴とする請求項1または2に記載の受光回路。
  6. 前記第1の定電流源は、ソースが前記第2の電位線に接続され、ドレインが前記第2の内部端子に接続され、前記第1の定電流が流れるようにゲートに電圧が印加された第2導電型の第6のMOSトランジスタであり、
    前記第2の定電流源は、ソースが前記第2の電位線に接続され、ドレインが前記出力端子に接続され、ゲートが前記第6のMOSトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第7のMOSトランジスタであり、
    前記第3の定電流源は、ソースが前記第2の電位線に接続され、ドレインが前記第1の接続点に接続され、ゲートが前記第6のMOSトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第8のMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の受光回路。
  7. ソースが前記第2の電位線に接続され、ゲートが前記第6のMOSトランジスタのゲートに接続され、ダイオード接続された第2導電型の基準MOSトランジスタと、
    一端が前記基準MOSトランジスタのドレインに接続され、他端が前記第1の電位線に接続され、定電流を出力する基準定電流源と、をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の受光回路。
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