JP6323921B2 - Optical receiver circuit - Google Patents

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Description

本開示は、光信号を受信して電圧信号として出力する光受信回路に関する。   The present disclosure relates to an optical receiving circuit that receives an optical signal and outputs it as a voltage signal.

半導体レーザなどの発光デバイスより出力された光信号は、特許文献1のような光受信装置で受信される。図1は、特許文献1に記載されるような光受信装置の主要部分を説明する図である。光受信装置は、光信号を電流信号(光電流)に変換するフォトダイオード(PD)51、フォトダイオード51が出力する電流信号を電圧信号に変換する光受信回路300、光受信回路300が出力する微細な電圧信号を増幅する電圧増幅回路15で構成される。   An optical signal output from a light emitting device such as a semiconductor laser is received by an optical receiver as disclosed in Patent Document 1. FIG. 1 is a diagram for explaining a main part of an optical receiver as described in Patent Document 1. The optical receiver includes a photodiode (PD) 51 that converts an optical signal into a current signal (photocurrent), an optical receiver circuit 300 that converts a current signal output from the photodiode 51 into a voltage signal, and an output from the optical receiver circuit 300. The voltage amplifying circuit 15 amplifies a minute voltage signal.

フォトダイオード51のアノードが接地電極GNDに接続され、カソードが光受信回路300に接続されている。   The anode of the photodiode 51 is connected to the ground electrode GND, and the cathode is connected to the light receiving circuit 300.

光受信回路300は、オペアンプ11および帰還抵抗12で構成される。オペアンプ11の非反転入力端子は、接地電極GNDに接続されている。オペアンプ11の反転入力端子は、フォトダイオード51のカソードに接続されている。帰還抵抗12は、一端がオペアンプ11の出力端子に接続され、他端がオペアンプ11の反転入力端子に接続されている。   The optical receiving circuit 300 includes an operational amplifier 11 and a feedback resistor 12. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 is connected to the ground electrode GND. The inverting input terminal of the operational amplifier 11 is connected to the cathode of the photodiode 51. The feedback resistor 12 has one end connected to the output terminal of the operational amplifier 11 and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11.

フォトダイオード51に光信号が入射されると、フォトダイオード51にはカソードからアノードに向けて光電流Iinが流れる。光受信回路300は、自身から出力される光電流Iinを出力電圧Voに変換して出力する。   When an optical signal is incident on the photodiode 51, a photocurrent Iin flows through the photodiode 51 from the cathode to the anode. The optical receiving circuit 300 converts the photocurrent Iin output from itself into an output voltage Vo and outputs it.

微弱な光信号を光受信装置で受信する際、フォトダイオードの暗電流が雑音源の1つとなる。暗電流は、フォトダイオードに光信号が入力されていないときにもフォトダイオードから出力される、光信号とは無関係な電流である。光受信装置の受信感度を向上させるためには、フォトダイオードの暗電流をできる限り低減することが望ましい。図2は、フォトダイオードに印加するバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)と暗電流との関係を示す図である。正のバイアス電圧を印加した状態を順バイアス、負のバイアス電圧を印加した状態を逆バイアスという。一般的にフォトダイオードは、バイアス電圧が0(ゼロ)のときに、暗電流が最も小さくなる。   When a weak optical signal is received by the optical receiver, the dark current of the photodiode becomes one of noise sources. The dark current is a current unrelated to the optical signal output from the photodiode even when no optical signal is input to the photodiode. In order to improve the reception sensitivity of the optical receiver, it is desirable to reduce the dark current of the photodiode as much as possible. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the bias voltage (anode-cathode voltage) applied to the photodiode and the dark current. A state in which a positive bias voltage is applied is referred to as a forward bias, and a state in which a negative bias voltage is applied is referred to as a reverse bias. In general, the photodiode has the smallest dark current when the bias voltage is 0 (zero).

図1の光受信回路300において、オペアンプ11の反転入力端子と非反転入力端子とは、イマジナリーショート(仮想短絡)と呼ばれる現象により、同じ電位となることが知られている。すなわち、オペアンプ11の反転入力端子の電位(=フォトダイオードのカソード電位)は、非反転入力端子の電位である接地電位となる。一方、フォトダイオード51のアノードは接地されているため、その電位は当然に接地電位となる。このように、図1のフォトダイオード51のバイアス電圧は0(ゼロ)となっており、フォトダイオード51は最小の暗電流となる条件に設定されている。   In the optical receiver circuit 300 of FIG. 1, it is known that the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 have the same potential due to a phenomenon called imaginary short (virtual short). In other words, the potential of the inverting input terminal of the operational amplifier 11 (= the cathode potential of the photodiode) is the ground potential that is the potential of the non-inverting input terminal. On the other hand, since the anode of the photodiode 51 is grounded, the potential is naturally the ground potential. As described above, the bias voltage of the photodiode 51 of FIG. 1 is 0 (zero), and the photodiode 51 is set to a condition that provides the minimum dark current.

特開2014−030084号公報JP 2014-030084 A

一般的な増幅回路では、出力電圧が電源電位付近で歪んでしまい、正しく出力することができない電圧領域が存在する。このような電圧領域は「出力ヘッドルーム」と呼ばれ、光受信回路にも生じる。   In a general amplifier circuit, there is a voltage region where the output voltage is distorted near the power supply potential and cannot be output correctly. Such a voltage region is called “output headroom” and also occurs in the optical receiver circuit.

図3は、出力ヘッドルームを考慮した光受信回路の出力特性(電流電圧変換特性)を模式的に示した図である。光受信回路は図1の構成とし、オペアンプの正側電源端子(不図示)に正の電位VCCを、負側電源端子(不図示)に接地電位GNDを印加した単一正電源で駆動されるものとする。光受信回路の出力電圧Voは、入力電流Iin(フォトダイオードが出力する光電流)に比例して増加するよう動作することが期待される。しかし実際は、出力ヘッドルームの存在により、図3に示したように、光受信回路は電源電位である0およびVCC近傍で電流電圧変換特性の線形性を保つことができない。出力ヘッドルームの電圧をVhrとすると、光受信回路は、出力電圧VoとしてVhrとVCC−Vhrの間の電圧しか出力することができない。   FIG. 3 is a diagram schematically showing output characteristics (current-voltage conversion characteristics) of the optical receiver circuit in consideration of output headroom. The optical receiver circuit is configured as shown in FIG. 1, and is driven by a single positive power supply in which a positive potential VCC is applied to the positive power supply terminal (not shown) of the operational amplifier and a ground potential GND is applied to the negative power supply terminal (not shown). Shall. The output voltage Vo of the optical receiver circuit is expected to operate so as to increase in proportion to the input current Iin (photocurrent output from the photodiode). However, in reality, due to the presence of the output headroom, as shown in FIG. 3, the optical receiving circuit cannot maintain the linearity of the current-voltage conversion characteristics in the vicinity of 0 which is the power supply potential and VCC. Assuming that the voltage of the output headroom is Vhr, the optical receiving circuit can output only the voltage between Vhr and VCC-Vhr as the output voltage Vo.

例えば光センサ用途など、微弱な光信号を検出ないし計測するための光受信装置では、フォトダイオードから出力される光電流も微小となるため、その後段にある光受信回路は微小な入力電流Iinを精度よく電圧変換できなければならない。しかし、前述のとおり、光受信回路には出力ヘッドルームが存在するため、光受信装置は微弱な光信号を精度よく受信することが困難という課題があった。   For example, in an optical receiver for detecting or measuring a weak optical signal, such as for an optical sensor, the photocurrent output from the photodiode is also very small. Therefore, the optical receiver circuit in the subsequent stage uses a small input current Iin. It must be able to convert voltage accurately. However, as described above, there is an output headroom in the optical receiver circuit, and thus there is a problem that it is difficult for the optical receiver to receive a weak optical signal with high accuracy.

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、出力ヘッドルームの存在に関わらず微弱な光信号を精度よく受信できる光受信回路を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical receiver circuit that can accurately receive a weak optical signal regardless of the presence of output headroom in order to solve the above-described problems.

上記目的を達成するために、本発明に係る光受信回路は、フォトダイオードのアノードとカソードの双方に所定の定電圧を印加した状態で、フォトダイオードをオペアンプに接続することとした。   In order to achieve the above object, the optical receiver circuit according to the present invention connects the photodiode to the operational amplifier in a state where a predetermined constant voltage is applied to both the anode and the cathode of the photodiode.

具体的には、本発明に係る光受信回路は、
フォトダイオードの一端が接続される非反転入力端子、前記フォトダイオードの他端が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
一端が前記オペアンプの前記出力端子に接続され、他端が前記オペアンプの前記反転入力端子に接続された帰還抵抗とを備え、
前記オペアンプの前記非反転入力端子に所定の定電圧が印加される
ことを特徴とする。
Specifically, the optical receiver circuit according to the present invention is:
A non-inverting input terminal to which one end of a photodiode is connected, an inverting input terminal to which the other end of the photodiode is connected, and an output that outputs a voltage based on the voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal An operational amplifier having a terminal;
A feedback resistor having one end connected to the output terminal of the operational amplifier and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.

つまり、本発明に係る光受信方法は、
フォトダイオードの一端が接続される非反転入力端子、前記フォトダイオードの他端が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
一端が前記オペアンプの前記出力端子に接続され、他端が前記オペアンプの前記反転入力端子に接続された帰還抵抗と、
を備える光受信回路で光信号を受信する光受信方法であって、
前記オペアンプの前記非反転入力端子に所定の定電圧を印加することを特徴とする。
That is, the optical receiving method according to the present invention is:
A non-inverting input terminal to which one end of a photodiode is connected, an inverting input terminal to which the other end of the photodiode is connected, and an output that outputs a voltage based on the voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal An operational amplifier having a terminal;
A feedback resistor having one end connected to the output terminal of the operational amplifier and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
An optical receiving method for receiving an optical signal with an optical receiving circuit comprising:
A predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.

特許文献1のように、オペアンプの非反転入力端子は通常接地しておくが、本光受信回路では所定の定電圧を与えておく。この定電圧を与えておくことで反転入力端子もイマジナリーショートにより同じ定電圧となる。そして、この定電圧を出力ヘッドルームを回避するように設定することで、フォトダイオードのバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)を0として暗電流を最小化しつつ、微弱な光信号を精度よく受信できるようになる。従って、本発明は、出力ヘッドルームの存在に関わらず微弱な光信号を精度よく受信できる光受信回路及び光受信方法を提供することができる。   As in Patent Document 1, the non-inverting input terminal of the operational amplifier is normally grounded, but a predetermined constant voltage is applied to the optical receiver circuit. By giving this constant voltage, the inverting input terminal becomes the same constant voltage due to an imaginary short. By setting the constant voltage so as to avoid the output headroom, the bias voltage (anode-cathode voltage) of the photodiode is set to 0, and the dark current is minimized, and a weak optical signal can be received with high accuracy. It becomes like this. Therefore, the present invention can provide an optical receiving circuit and an optical receiving method that can accurately receive a weak optical signal regardless of the presence of output headroom.

本発明に係る光受信回路の一形態は、前記フォトダイオードの前記一端がアノード、前記他端がカソードであり、前記所定の定電圧は、前記オペアンプの負側出力ヘッドルーム電圧を超える電位とすることを特徴とする。   In one embodiment of the optical receiver circuit according to the present invention, the one end of the photodiode is an anode and the other end is a cathode, and the predetermined constant voltage is a potential exceeding a negative output headroom voltage of the operational amplifier. It is characterized by that.

この光受信方法は、前記一端をアノード、前記他端をカソードとして前記フォトダイオードを前記オペアンプに接続する場合、前記オペアンプの負側出力ヘッドルーム電圧を超える電位を前記所定の定電圧とすることを特徴とする。   In this optical receiving method, when the photodiode is connected to the operational amplifier with the one end serving as an anode and the other end serving as a cathode, the potential exceeding the negative output headroom voltage of the operational amplifier is set as the predetermined constant voltage. Features.

本発明に係る光受信回路の他の形態は、前記フォトダイオードの前記一端がカソード、前記他端がアノードであり、前記所定の定電圧は、前記オペアンプの正側電源電圧から正側出力ヘッドルーム電圧だけ降下した電圧よりも小さい電位とすることを特徴とする。   In another embodiment of the optical receiver circuit according to the present invention, the one end of the photodiode is a cathode and the other end is an anode, and the predetermined constant voltage is obtained from a positive-side power supply voltage of the operational amplifier from a positive-side output headroom. The potential is smaller than the voltage dropped by the voltage.

この光受信方法は、前記一端をカソード、前記他端をアノードとして前記フォトダイオードを前記オペアンプに接続する場合、前記オペアンプの正側電源電圧から正側出力ヘッドルーム電圧だけ降下した電圧よりも小さい電位を前記所定の定電圧とすることを特徴とする。   In this optical receiving method, when the photodiode is connected to the operational amplifier with the one end serving as a cathode and the other end serving as an anode, the potential is smaller than a voltage obtained by dropping a positive output headroom voltage from the positive power supply voltage of the operational amplifier. Is the predetermined constant voltage.

本発明に係る光受信回路は、前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧と、前記所定の定電圧とが入力され、前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧と前記所定の定電圧との電圧差を増幅して出力する電圧増幅回路をさらに備えることを特徴とする。   In the optical receiver circuit according to the present invention, the voltage output from the output terminal of the operational amplifier and the predetermined constant voltage are input, and the voltage output from the output terminal of the operational amplifier and the voltage of the predetermined constant voltage. It further comprises a voltage amplifier circuit that amplifies and outputs the difference.

この光受信方法は、前記オペアンプの前記出力端子の出力を他のオペアンプを有する電圧増幅回路で増幅する場合、前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧を前記他のオペアンプの反転入力端子に入力し、前記所定の定電圧を前記他のオペアンプの非反転入力端子に入力し、前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧と前記所定の定電圧との電圧差を増幅することを特徴とする。
電圧増幅回路に参照電圧として前記定電圧を与えることでオペアンプの出力電圧に重畳されているオフセットをキャンセルすることができる。
In this optical receiving method, when the output of the output terminal of the operational amplifier is amplified by a voltage amplification circuit having another operational amplifier, the voltage output from the output terminal of the operational amplifier is input to the inverting input terminal of the other operational amplifier. The predetermined constant voltage is input to a non-inverting input terminal of the other operational amplifier, and a voltage difference between the voltage output from the output terminal of the operational amplifier and the predetermined constant voltage is amplified.
By applying the constant voltage as a reference voltage to the voltage amplifier circuit, the offset superimposed on the output voltage of the operational amplifier can be canceled.

なお、前記光受信回路は、前記所定の電圧を出力する定電圧源を備えてもよい。   The optical receiver circuit may include a constant voltage source that outputs the predetermined voltage.

本発明は、出力ヘッドルームの存在に関わらず微弱な光信号を精度よく受信できる光受信回路を提供することができる。   The present invention can provide an optical receiver circuit that can accurately receive a weak optical signal regardless of the presence of output headroom.

本発明に関連する光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit relevant to this invention. フォトダイオードに印加するバイアス電圧と暗電流との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the bias voltage applied to a photodiode, and dark current. 本発明に関連する光受信回路の出力特性を説明する図である。It is a figure explaining the output characteristic of the optical receiver circuit relevant to this invention. 本発明の第1の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明に係る光受信回路のオペアンプの回路を説明する図である。It is a figure explaining the circuit of the operational amplifier of the optical receiver circuit concerning the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る光受信回路の出力特性を説明する図である。It is a figure explaining the output characteristic of the optical receiver circuit which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る光受信回路の出力特性を説明する図である。It is a figure explaining the output characteristic of the optical receiver circuit which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る光受信回路を説明する図である。It is a figure explaining the optical receiver circuit which concerns on the 6th Embodiment of this invention.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

[第1の実施形態]
図4は、本実施形態の光受信回路301の構成を説明する図である。
光受信回路301は、
フォトダイオード51の一端が接続される非反転入力端子、フォトダイオード51の他端が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプ11と、
一端がオペアンプ11の前記出力端子に接続され、他端がオペアンプ11の前記反転入力端子に接続された帰還抵抗12と、
オペアンプ11の前記非反転入力端子に所定の定電圧を印加する定電圧源14と、
を備える。
[First Embodiment]
FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the optical receiving circuit 301 of the present embodiment.
The optical receiver circuit 301
A non-inverting input terminal to which one end of the photodiode 51 is connected, an inverting input terminal to which the other end of the photodiode 51 is connected, and a voltage based on the voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal are output. An operational amplifier 11 having an output terminal;
A feedback resistor 12 having one end connected to the output terminal of the operational amplifier 11 and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11;
A constant voltage source 14 for applying a predetermined constant voltage to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11;
Is provided.

本実施形態では、フォトダイオード51の前記一端がアノード、前記他端がカソードであり、定電圧源14は、オペアンプ11の負側出力ヘッドルーム電圧を超える電位を前記所定の定電圧とする。   In the present embodiment, the one end of the photodiode 51 is an anode and the other end is a cathode, and the constant voltage source 14 sets a potential exceeding the negative output headroom voltage of the operational amplifier 11 as the predetermined constant voltage.

本実施形態に係る光受信回路301は、オペアンプ11、帰還抵抗(R)12、位相補償容量(C)13及び定電圧源14で構成される。オペアンプ11の非反転入力端子(+)は、フォトダイオード(PD)51のアノードおよび定電圧源14に接続される。オペアンプ11の反転入力端子(−)は、PD51のカソードに接続される。帰還抵抗12は、一端がオペアンプ11の出力端子に接続され、他端がオペアンプ11の反転入力端子に接続されている。位相補償容量13は、一端がオペアンプ11の出力端子に接続され、他端がオペアンプ11の反転入力端子に接続されている。位相補償容量13は、ノイズを低減し、負帰還を安定させるために接続されている。オペアンプ11の正側電源端子には正の電位VCCが印加され、負側電源端子には接地電位GNDが印加される。なお、光受信回路301は、PD51が出力する電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と同等の働きをするものである。   The optical receiving circuit 301 according to this embodiment includes an operational amplifier 11, a feedback resistor (R) 12, a phase compensation capacitor (C) 13, and a constant voltage source 14. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 11 is connected to the anode of the photodiode (PD) 51 and the constant voltage source 14. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier 11 is connected to the cathode of the PD 51. The feedback resistor 12 has one end connected to the output terminal of the operational amplifier 11 and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11. The phase compensation capacitor 13 has one end connected to the output terminal of the operational amplifier 11 and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11. The phase compensation capacitor 13 is connected to reduce noise and stabilize negative feedback. A positive potential VCC is applied to the positive power supply terminal of the operational amplifier 11, and a ground potential GND is applied to the negative power supply terminal. The optical receiver circuit 301 functions in the same manner as a current-voltage conversion circuit that converts a current signal output from the PD 51 into a voltage signal.

光受信回路301において、オペアンプ11の非反転入力端子の電位をV1、反転入力端子の電位をV2、出力端子の電位をVoと表すこととする。PD51のアノードとオペアンプ11の非反転入力端子には、定電圧源14からともに定電圧Vbが与えられている。また、オペアンプ11の反転入力端子と非反転入力端子とは、イマジナリーショート(仮想短絡)により同電位となる。すなわち、
V1=V2=Vb
の関係が成り立つ。オペアンプ11の反転入力端子とPD51のカソードとは直接接続されているので、両者は同電位となる。従って、PD51のアノードとカソードの電位はともにVbであるが、アノード−カソード間電圧(バイアス電圧と言う。)は0(ゼロ)となり、暗電流は最小化される。
In the optical receiving circuit 301, the potential of the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 is represented as V1, the potential of the inverting input terminal is represented as V2, and the potential of the output terminal is represented as Vo. A constant voltage Vb is supplied from the constant voltage source 14 to the anode of the PD 51 and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11. Further, the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 have the same potential due to an imaginary short (virtual short). That is,
V1 = V2 = Vb
The relationship holds. Since the inverting input terminal of the operational amplifier 11 and the cathode of the PD 51 are directly connected, both have the same potential. Accordingly, although the anode and cathode potentials of the PD 51 are both Vb, the anode-cathode voltage (referred to as bias voltage) is 0 (zero), and the dark current is minimized.

図5は、光受信回路301を構成するオペアンプ11の構成例を示す図である。図5に示すオペアンプ11は、入力段、増幅段、出力段で構成される。入力段の差動回路は、二つの入力端子IN+(非反転入力端子)、IN−(反転入力端子)の電位差を増幅する。次段の増幅段は、前段の差動回路だけでは足りない利得を増加させる。出力段は、出力端子OUTに接続される抵抗などの負荷の影響を受けないようバッファとして動作する。出力段のトランジスタQ2がオンになりソース電流Isourceが出力端子に流れこむことにより、出力電圧VoはHighになる。逆に、出力段のトランジスタQ3がオンになりシンク電流Isinkを出力端子から引き抜くことにより、出力電圧VoはLowになる。   FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the operational amplifier 11 that configures the optical reception circuit 301. The operational amplifier 11 shown in FIG. 5 includes an input stage, an amplification stage, and an output stage. The differential circuit in the input stage amplifies the potential difference between the two input terminals IN + (non-inverting input terminal) and IN− (inverting input terminal). The next amplification stage increases the gain that is not sufficient with the previous differential circuit alone. The output stage operates as a buffer so as not to be affected by a load such as a resistor connected to the output terminal OUT. When the output stage transistor Q2 is turned on and the source current Isource flows into the output terminal, the output voltage Vo becomes High. On the contrary, when the transistor Q3 in the output stage is turned on and the sink current I sink is extracted from the output terminal, the output voltage Vo becomes Low.

出力電圧がHighの時、その電位は、正の電源電位VCCからトランジスタQ1のコレクタ−エミッタ間電圧Vce1、トランジスタQ2のベース−エミッタ間電圧Vbe2、および抵抗R1による電圧降下R1×Isourceだけ降下した電位となる。すなわち、出力電圧Voの最大出力電圧はVCC−Vce1−Vbe2−(R1×Isource)となる。   When the output voltage is high, the potential is a potential dropped from the positive power supply potential VCC by a collector-emitter voltage Vce1 of the transistor Q1, a base-emitter voltage Vbe2 of the transistor Q2, and a voltage drop R1 × Isource due to the resistor R1. It becomes. That is, the maximum output voltage of the output voltage Vo is VCC-Vce1-Vbe2- (R1 × Isource).

出力電圧がLowの時、その電位は、負の電源電位GNDからトランジスタQ4のコレクタ−エミッタ間電圧Vce4、トランジスタQ3のベース−エミッタ間電圧Vbe3、および抵抗R2による電圧降下R2×Isinkだけ上昇した電位となる。すなわち、出力電圧Voの最少出力電圧はGND+Vce4+Vbe3+(R2×Isink)となる。   When the output voltage is low, the potential increases from the negative power supply potential GND by the collector-emitter voltage Vce4 of the transistor Q4, the base-emitter voltage Vbe3 of the transistor Q3, and a voltage drop R2 × Isink due to the resistor R2. It becomes. That is, the minimum output voltage of the output voltage Vo is GND + Vce4 + Vbe3 + (R2 × Isink).

図5に示すように、オペアンプ11は、High側でVce1+Vbe2+(R1×Isource)、Low側でVce4+Vbe3+(R2×Isink)だけ出力できない領域が生じる。これが、出力ヘッドルームの生じる要因である。以下、High側の出力ヘッドルーム電圧をVhrh、Low側の出力ヘッドルーム電圧をVhrlと表記する。   As shown in FIG. 5, in the operational amplifier 11, there is a region where only Vce1 + Vbe2 + (R1 × Isource) is output on the High side and Vce4 + Vbe3 + (R2 × Isink) is not output on the Low side. This is the cause of output headroom. Hereinafter, the output headroom voltage on the High side is expressed as Vhrh, and the output headroom voltage on the Low side is expressed as Vhrl.

図6は、光受信回路301の出力特性(電流電圧変換特性)を模式的に示した図である。前述のとおり、オペアンプ11の非反転入力端子と反転入力端子の電位は、ともに定電圧源14が出力する電圧Vbとなる。PD51の暗電流を無視すると、光電流Iin=0のとき、光受信回路301は出力電圧Vo=Vbを出力する。光電流Iinが増加するに従って、出力電圧Voはほぼ線形的に増加する。   FIG. 6 is a diagram schematically showing output characteristics (current-voltage conversion characteristics) of the optical receiver circuit 301. As described above, the potentials of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 11 are both the voltage Vb output from the constant voltage source 14. If the dark current of the PD 51 is ignored, the optical receiver circuit 301 outputs the output voltage Vo = Vb when the photocurrent Iin = 0. As the photocurrent Iin increases, the output voltage Vo increases almost linearly.

ここで、定電圧源14の出力電圧VbをLow側出力ヘッドルーム電圧Vhrlを超える程度に設定することで、光受信回路301は、図6に示すように、微小な入力電流Iinであっても線形性を保ったまま精度よく電圧変換できるようになる。   Here, by setting the output voltage Vb of the constant voltage source 14 so as to exceed the low-side output headroom voltage Vhrl, the optical reception circuit 301 can have a small input current Iin as shown in FIG. Voltage conversion can be performed with high accuracy while maintaining linearity.

以上で述べてきたとおり、光受信回路301は、PD51のバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)が0となるため暗電流は最小化され、かつ、出力ヘッドルームを回避できるようになる。従って、微弱な光信号を精度よく受信できるようになる。   As described above, in the optical receiving circuit 301, since the bias voltage (anode-cathode voltage) of the PD 51 becomes 0, the dark current is minimized and the output headroom can be avoided. Therefore, a weak optical signal can be received with high accuracy.

[第2の実施形態]
第1の実施形態では、光受信回路が定電圧源を備える形態を説明したが、光受信回路の外部からオペアンプの非反転入力端子に所定の定電圧を印加する形態でもよい。図10は、外部から所定の定電圧が印加される形態の光受信回路301aを説明する図である。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the configuration in which the optical receiving circuit includes the constant voltage source has been described. However, a configuration in which a predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier from the outside of the optical receiving circuit may be used. FIG. 10 is a diagram for explaining an optical receiver circuit 301a in which a predetermined constant voltage is applied from the outside.

光受信回路301aは、
PD51の一端(アノード)が接続される非反転入力端子、PD51の他端(カソード)が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプ11と、
一端がオペアンプ11の前記出力端子に接続され、他端がオペアンプ11の前記反転入力端子に接続された帰還抵抗12と、
を備える。
光受信回路301aは、位相補償容量13を備えていてもよい。
光受信回路301aは、外部の定電圧源から前記オペアンプの前記非反転入力端子に所定の定電圧を印加されることを特徴とする。
The optical receiving circuit 301a
A non-inverting input terminal to which one end (anode) of PD 51 is connected, an inverting input terminal to which the other end (cathode) of PD 51 is connected, and a voltage based on a voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal. An operational amplifier 11 having an output terminal for output;
A feedback resistor 12 having one end connected to the output terminal of the operational amplifier 11 and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11;
Is provided.
The optical receiving circuit 301 a may include the phase compensation capacitor 13.
The optical receiving circuit 301a is characterized in that a predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier from an external constant voltage source.

光受信回路301aは、内部に定電圧源を持たずに、外部の定電圧源から所定の定電圧が印可されるだけであり、動作は図4の光受信回路301と同じである。すなわち、光受信回路301aは、PD51のバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)が0となるため暗電流は最小化され、かつ、出力ヘッドルームを回避できるようになる。従って、微弱な光信号を精度よく受信できるようになる。   The optical receiving circuit 301a does not have a constant voltage source inside, but only a predetermined constant voltage is applied from an external constant voltage source, and the operation is the same as that of the optical receiving circuit 301 in FIG. That is, in the optical receiving circuit 301a, since the bias voltage (anode-cathode voltage) of the PD 51 becomes 0, the dark current is minimized and the output headroom can be avoided. Therefore, a weak optical signal can be received with high accuracy.

[第3の実施形態]
図7は、本実施形態の光受信回路302を説明する図である。光受信回路302は、図4の光受信回路301に対してオペアンプ11の後段に電圧増幅回路15をさらに接続する構成である。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a diagram illustrating the optical receiving circuit 302 of the present embodiment. The optical receiver circuit 302 has a configuration in which the voltage amplifier circuit 15 is further connected to the subsequent stage of the operational amplifier 11 with respect to the optical receiver circuit 301 of FIG.

電圧増幅回路15は、オペアンプ16を有し、オペアンプ11の前記出力端子が出力する電圧がオペアンプ16の非反転入力端子に入力され、定電圧源14が出力する前記所定の定電圧がオペアンプ16の反転入力端子に入力され、オペアンプ11の前記出力端子が出力する電圧と定電圧源14が出力する前記所定の定電圧との電圧差を増幅して出力する。電圧増幅回路15は、さらに、少なくとも2つの抵抗(Ra、Rb)を有する。   The voltage amplifier circuit 15 includes an operational amplifier 16. A voltage output from the output terminal of the operational amplifier 11 is input to a non-inverting input terminal of the operational amplifier 16, and the predetermined constant voltage output from the constant voltage source 14 is the output of the operational amplifier 16. The voltage difference between the voltage input to the inverting input terminal and output from the output terminal of the operational amplifier 11 and the predetermined constant voltage output from the constant voltage source 14 is amplified and output. The voltage amplifier circuit 15 further includes at least two resistors (Ra, Rb).

オペアンプ16の非反転入力端子(+)は、オペアンプ11の出力端子に接続される。抵抗Raの一端はオペアンプ16の反転入力端子(−)に接続され、他端は定電圧源14に接続される。抵抗Rbの一端はオペアンプ16の出力端子に接続され、他端はオペアンプ16の反転入力端子に接続される。   The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 16 is connected to the output terminal of the operational amplifier 11. One end of the resistor Ra is connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 16, and the other end is connected to the constant voltage source 14. One end of the resistor Rb is connected to the output terminal of the operational amplifier 16, and the other end is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 16.

このような構成により、電圧増幅回路15は、電流電圧変換回路の出力電圧Voと、参照電圧となるVbとの差(Vo−Vb)を、増幅率Rb/Raで増幅するように動作する。オペアンプ11の出力電圧Voには、図6からも明白なように、定電圧源14が出力する電圧Vbがオフセットとして重畳されている。そこで、電圧増幅回路15に参照電圧としてVbを与えることにより、オペアンプ11の出力電圧Voに重畳されたオフセットをキャンセルすることができる。   With such a configuration, the voltage amplifier circuit 15 operates so as to amplify the difference (Vo−Vb) between the output voltage Vo of the current-voltage converter circuit and the reference voltage Vb by the amplification factor Rb / Ra. As apparent from FIG. 6, the voltage Vb output from the constant voltage source 14 is superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 as an offset. Therefore, the offset superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 can be canceled by applying Vb as a reference voltage to the voltage amplifier circuit 15.

なお、図11の光受信回路302aのように、電圧増幅回路15を図10の光受信回路301aのオペアンプ11の後段に接続しても、同様にオペアンプ11の出力電圧Voに重畳されたオフセットをキャンセルすることができる。   Even if the voltage amplification circuit 15 is connected to the subsequent stage of the operational amplifier 11 of the optical reception circuit 301a of FIG. 10 as in the optical reception circuit 302a of FIG. 11, the offset superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 is similarly reduced. Can be canceled.

[第4の実施形態]
図4で説明した光受信回路301は、オペアンプ11の非反転入力端子にPD51のアノードを接続し、オペアンプ11の反転入力端子にPD51のカソードを接続する構成とした。一方、PD51の極性を逆にしてオペアンプ11に接続しても、光受信回路301と同様の効果を奏することができる。
[Fourth Embodiment]
The optical receiver circuit 301 described with reference to FIG. 4 has a configuration in which the anode of the PD 51 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 and the cathode of the PD 51 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11. On the other hand, even if the polarity of the PD 51 is reversed and connected to the operational amplifier 11, the same effect as the optical receiving circuit 301 can be obtained.

図8は、本実施形態の光受信回路303を説明する図である。光受信回路303は、PD51の極性を図4の光受信回路301とは逆にしてオペアンプ11に接続している。 本実施形態では、PD51の前記一端がカソード、前記他端がアノードであり、定電圧源14は、オペアンプ11の正側電源電圧から正側出力ヘッドルーム電圧だけ降下した電圧よりも小さい電位を前記所定の定電圧とする。   FIG. 8 is a diagram illustrating the optical receiving circuit 303 of the present embodiment. The optical receiving circuit 303 is connected to the operational amplifier 11 with the polarity of the PD 51 opposite to that of the optical receiving circuit 301 of FIG. In the present embodiment, the one end of the PD 51 is a cathode and the other end is an anode, and the constant voltage source 14 has a potential smaller than a voltage that is dropped from the positive power supply voltage of the operational amplifier 11 by the positive output headroom voltage. Set to a predetermined constant voltage.

光受信回路303の構成は、図4の光受信回路301と同じ構成であり、詳細な説明は省略する。オペアンプ11の非反転入力端子(+)は、PD51のカソードおよび定電圧源14に接続される。オペアンプ11の反転入力端子(−)は、PD51のアノードに接続される。   The configuration of the optical receiving circuit 303 is the same as that of the optical receiving circuit 301 in FIG. 4, and a detailed description thereof is omitted. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 11 is connected to the cathode of the PD 51 and the constant voltage source 14. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier 11 is connected to the anode of the PD 51.

図9は、光受信回路303の出力特性(電流電圧変換特性)を模式的に示した図である。オペアンプ11の非反転入力端子と反転入力端子の電位は、図4の光受信回路301と同様に、ともに定電圧源14が出力する電圧Vbとなる。PD51の暗電流を無視すると、光電流Iin=0のとき、光受信回路303は出力電圧Vo=Vbを出力する。光電流Iinが増加するに従って、出力電圧Voはほぼ線形的に減少する。光電流Iinはカソードからアノードに向けて流れるため、オペアンプ11には光電流Iinが流れ込むが、光受信回路303は反転増幅器であるため、出力電圧Voは光電流Iinの増加に伴って減少する。   FIG. 9 is a diagram schematically showing output characteristics (current-voltage conversion characteristics) of the optical receiver circuit 303. The potentials at the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 11 are both the voltage Vb output from the constant voltage source 14 as in the optical receiver circuit 301 of FIG. If the dark current of the PD 51 is ignored, the optical receiving circuit 303 outputs the output voltage Vo = Vb when the photocurrent Iin = 0. As the photocurrent Iin increases, the output voltage Vo decreases almost linearly. Since the photocurrent Iin flows from the cathode toward the anode, the photocurrent Iin flows into the operational amplifier 11. However, since the optical receiving circuit 303 is an inverting amplifier, the output voltage Vo decreases as the photocurrent Iin increases.

ここで、定電圧源14の出力電圧Vbを、正の電源電位VCCからHigh側出力ヘッドルーム電圧Vhrhだけ降下した電位(VCC−Vhrh)を下回る程度に設定することで、光受信回路303は、図9に示すように、微小な入力電流Iinであっても線形性を保ったまま精度よく電圧変換できるようになる。   Here, by setting the output voltage Vb of the constant voltage source 14 to a level lower than the potential (VCC−Vhrh) that is lowered from the positive power supply potential VCC by the High-side output headroom voltage Vhrh, As shown in FIG. 9, even with a very small input current Iin, voltage conversion can be performed with high accuracy while maintaining linearity.

以上で述べてきたとおり、光受信回路303は、PD51のバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)が0となるため暗電流は最小化され、かつ、出力ヘッドルームを回避できるようになる。従って、微弱な光信号を精度よく受信できるようになる。   As described above, in the optical receiving circuit 303, since the bias voltage (anode-cathode voltage) of the PD 51 is 0, the dark current is minimized and the output headroom can be avoided. Therefore, a weak optical signal can be received with high accuracy.

[第5の実施形態]
第4の実施形態では、光受信回路が定電圧源を備える形態を説明したが、光受信回路の外部からオペアンプの非反転入力端子に所定の定電圧を印加する形態でもよい。図12は、外部から所定の定電圧が印加される形態の光受信回路303aを説明する図である。
[Fifth Embodiment]
In the fourth embodiment, the configuration in which the optical receiver circuit includes the constant voltage source has been described. However, a predetermined constant voltage may be applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier from the outside of the optical receiver circuit. FIG. 12 is a diagram illustrating an optical receiver circuit 303a in which a predetermined constant voltage is applied from the outside.

光受信回路303aは、内部に定電圧源を持たずに、外部の定電圧源から所定の定電圧が印可されるだけであり、動作は図8の光受信回路303と同じである。すなわち、光受信回路303aは、PD51のバイアス電圧(アノード−カソード間電圧)が0となるため暗電流は最小化され、かつ、出力ヘッドルームを回避できるようになる。従って、微弱な光信号を精度よく受信できるようになる。   The optical receiving circuit 303a does not have a constant voltage source inside, but only a predetermined constant voltage is applied from an external constant voltage source, and the operation is the same as that of the optical receiving circuit 303 in FIG. That is, in the optical receiving circuit 303a, the bias voltage (anode-cathode voltage) of the PD 51 becomes 0, so that the dark current is minimized and the output headroom can be avoided. Therefore, a weak optical signal can be received with high accuracy.

[第6の実施形態]
図13は、本実施形態の光受信回路304を説明する図である。光受信回路304は、図8の光受信回路303に対してオペアンプ11の後段に電圧増幅回路15をさらに接続する構成である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 13 is a diagram for explaining the optical receiving circuit 304 of the present embodiment. The optical receiver circuit 304 has a configuration in which a voltage amplifier circuit 15 is further connected downstream of the operational amplifier 11 with respect to the optical receiver circuit 303 of FIG.

オペアンプ16の非反転入力端子(+)は、オペアンプ11の出力端子に接続される。抵抗Raの一端はオペアンプ16の反転入力端子(−)に接続され、他端は定電圧源14に接続される。抵抗Rbの一端はオペアンプ16の出力端子に接続され、他端はオペアンプ16の反転入力端子に接続される。   The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 16 is connected to the output terminal of the operational amplifier 11. One end of the resistor Ra is connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 16, and the other end is connected to the constant voltage source 14. One end of the resistor Rb is connected to the output terminal of the operational amplifier 16, and the other end is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 16.

このような構成により、電圧増幅回路15は、電流電圧変換回路の出力電圧Voと、参照電圧となるVbとの差(Vo−Vb)を、増幅率Rb/Raで増幅するように動作する。オペアンプ11の出力電圧Voには、図9からも明白なように、定電圧源14が出力する電圧Vbがオフセットとして重畳されている。そこで、電圧増幅回路15に参照電圧としてVbを与えることにより、オペアンプ11の出力電圧Voに重畳されたオフセットをキャンセルすることができる。   With such a configuration, the voltage amplifier circuit 15 operates so as to amplify the difference (Vo−Vb) between the output voltage Vo of the current-voltage converter circuit and the reference voltage Vb by the amplification factor Rb / Ra. As apparent from FIG. 9, the voltage Vb output from the constant voltage source 14 is superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 as an offset. Therefore, the offset superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 can be canceled by applying Vb as a reference voltage to the voltage amplifier circuit 15.

なお、図14の光受信回路304aのように、電圧増幅回路15を図12の光受信回路303aのオペアンプ11の後段に接続しても、同様にオペアンプ11の出力電圧Voに重畳されたオフセットをキャンセルすることができる。   Even if the voltage amplification circuit 15 is connected to the subsequent stage of the operational amplifier 11 of the optical reception circuit 303a of FIG. 12 as in the optical reception circuit 304a of FIG. 14, the offset superimposed on the output voltage Vo of the operational amplifier 11 is similarly reduced. Can be canceled.

[発明の効果]
本発明に係る光受信回路は、PD51のアノードとカソードの双方に所定の定電圧を印加した状態で、PD51を電流電圧変換回路に接続するようにしたことにより、微弱な光信号を精度よく受信することができるようになる。
[Effect of the invention]
The optical receiving circuit according to the present invention receives a weak optical signal with high accuracy by connecting the PD 51 to the current-voltage conversion circuit in a state where a predetermined constant voltage is applied to both the anode and the cathode of the PD 51. Will be able to.

11:オペアンプ
12:帰還抵抗
13:位相補償容量
14:定電圧源
15:電圧増幅回路
16:オペアンプ
51:フォトダイオード
300、301、301a、302、302a、303、303a、304、304a:光受信回路
11: operational amplifier 12: feedback resistor 13: phase compensation capacitor 14: constant voltage source 15: voltage amplifier circuit 16: operational amplifier 51: photodiode 300, 301, 301a, 302, 302a, 303, 303a, 304, 304a: optical receiver circuit

Claims (4)

フォトダイオードの一端が接続される非反転入力端子、前記フォトダイオードの他端が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
一端が前記オペアンプの前記出力端子に接続され、他端が前記オペアンプの前記反転入力端子に接続された帰還抵抗とを備え、
前記オペアンプの前記非反転入力端子に所定の定電圧が印加される
ことを特徴とする光受信回路であって、
前記フォトダイオードの前記一端がアノード、前記他端がカソードであり、
前記所定の定電圧は、前記オペアンプの負側出力ヘッドルーム電圧を超える電位とすることを特徴とする光受信回路
A non-inverting input terminal to which one end of a photodiode is connected, an inverting input terminal to which the other end of the photodiode is connected, and an output that outputs a voltage based on the voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal An operational amplifier having a terminal;
A feedback resistor having one end connected to the output terminal of the operational amplifier and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier .
The one end of the photodiode is an anode and the other end is a cathode;
The optical receiver circuit according to claim 1, wherein the predetermined constant voltage is a potential that exceeds a negative output headroom voltage of the operational amplifier .
フォトダイオードの一端が接続される非反転入力端子、前記フォトダイオードの他端が接続される反転入力端子、及び前記非反転入力端子と前記反転入力端子に入力された電圧に基づく電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
一端が前記オペアンプの前記出力端子に接続され、他端が前記オペアンプの前記反転入力端子に接続された帰還抵抗とを備え、
前記オペアンプの前記非反転入力端子に所定の定電圧が印加される
ことを特徴とする光受信回路であって、
前記フォトダイオードの前記一端がカソード、前記他端がアノードであり、
前記所定の定電圧は、前記オペアンプの正側電源電圧から正側出力ヘッドルーム電圧だけ降下した電圧よりも小さい電位とする
ことを特徴とする光受信回路
A non-inverting input terminal to which one end of a photodiode is connected, an inverting input terminal to which the other end of the photodiode is connected, and an output that outputs a voltage based on the voltage input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal An operational amplifier having a terminal;
A feedback resistor having one end connected to the output terminal of the operational amplifier and the other end connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A predetermined constant voltage is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier .
The one end of the photodiode is a cathode and the other end is an anode;
The predetermined constant voltage is set to a potential smaller than a voltage obtained by dropping a positive output headroom voltage from a positive power supply voltage of the operational amplifier.
An optical receiver circuit .
前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧と、前記所定の定電圧とが入力され、前記オペアンプの前記出力端子が出力する電圧と前記所定の定電圧との電圧差を増幅して出力する電圧増幅回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光受信回路。
Voltage amplification that outputs a voltage output from the output terminal of the operational amplifier and the predetermined constant voltage, and amplifies a voltage difference between the voltage output from the output terminal of the operational amplifier and the predetermined constant voltage. optical receiving circuit according to claim 1 or 2, further comprising a circuit.
前記光受信回路は、前記所定の電圧を出力する定電圧源を備える
ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の光受信回路。
The optical receiver circuit according to any one of claims 1 to 3 , wherein the optical receiver circuit includes a constant voltage source that outputs the predetermined voltage.
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