JP6572176B2 - ドライバ回路 - Google Patents

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本発明は、ドライバ回路に関し、より詳細には、大振幅駆動が要求される光変調器に適用可能なドライバ回路に関する。
従来、高速の光ファイバ伝送において、多値位相変調方式が適用され、外部変調器として、マッハツェンダ干渉計(MZI)型光変調器が用いられている。また、電気光学効果を有するLN(LiNbO3)を用いた光変調器に代えて、大幅に小型化、低コスト化が見込まれるシリコン光変調器が注目されている。一方、MZI光変調器のアーム導波路の屈折率を制御するためのドライバ回路は、CMOSプロセスを用いて実装され、入力された変調信号を増幅して、アーム導波路に設置された電極を駆動する。
シリコン光変調器を駆動するためのドライバ回路は、4Vpp以上の大振幅の出力が要求されるが、最先端のCMOSプロセスでも回路の耐圧は1V前後であり、差動駆動を行っても2Vppdと十分な振幅を得ることができない。このような問題を解決するため、CMOSの耐圧の2倍の出力電圧を得ることができるドライバ回路が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
図1に、従来のドライバ回路の構成を示す。非特許文献1に記載されたドライバ回路は、Dual drive push pull回路と呼ばれ、差動入力信号INNとINPが入力され、それぞれ2つの異なるレベルに変換してOUTPH、OUTPL、OUTNH、OUTNLの4つの信号を出力する。ドライバ回路10は、2つのインバータ回路で構成されたプリアンプ11と、信号レベルシフトを行うための2つの容量12と、信号を保持するためのラッチ13と、出力バッファ14,15とを含む。
プリアンプ11は、差動入力信号INN、INPが入力され、容量12と出力バッファ14,15を駆動できるように、差動入力信号INN、INPを増幅した差動増幅信号をノードNL、PLに出力する。2つの容量12は、第1の容量の一端がノードNLに接続され、他端がノードNHに接続される。第2の容量の一端はノードPLに接続され、他端がノードPHに接続される。ラッチ13は、2つのインバータ回路で構成されており、ノードNH、PHの間に接続される。
図2に、従来のドライバ回路の出力バッファの構成を示す。出力バッファ14は、入力がノードPH、NLに接続され、OUTPHとOUTPLを出力する。出力バッファ15は、入力がノードNH、PLに接続され、OUTNHとOUTNLを出力する。
プリアンプ11は、CMOSの耐圧電圧である電源(VDD)とGND(VSS)との間で動作するのに対し、ラッチ13は、通常の電源の2倍の電圧(VDD2)とVDDとの間で動作し、出力バッファ14,15は、VDD2とVSSとの間で動作する。差動入力信号INP、INN、およびノードNL、PLは、VSS〜VDDの間のレベルとなるのに対し、ノードNHとPHは、VDD〜VDD2の間となり、OUTPHとOUTNHは、VDD〜VDD2の間、OUTPLとOUTNLは、VSS〜VDDの間となる。
図3に、従来のドライバ回路と光変調器との接続を示す。光変調器20は、MZI型光変調器であり、入力光導波路に接続された分波器21と、出力光導波路に接続された合波器22と、分波器および合波器の間を接続する2つのアーム導波路23,24とから構成されている。アーム導波路23,24には、それぞれドライバ回路10からの制御信号を印加するための電極25,26が設置されている。ドライバ回路10のOUTPHとOUTPLとは、一方のアーム導波路23の電極25a,25bにそれぞれ接続され、OUTNHとOUTNLとは、他方のアーム導波路24の電極26a,26bにそれぞれ接続されている。
OUTPHとOUTPLとの間、OUTNHとOUTNLとの間の位相は、それぞれ反転しているため、光変調器20には、VSS〜VDD2のバイアスを印加することができ、片側のアーム導波路には、CMOSの耐圧の2倍の電圧を印加することができる。このとき、ドライバ回路10内のトランジスタには、VDD以上のバイアスがかかっていないため、CMOSの耐圧電圧を超えることはない。
M. Cignoli, G. Minoia, M. Repossi, D. Baldi, A. Ghilioni, E. Temporiti, F. Svelto, "A 1310nm 3D-Integrated Silicon Photonics Mach-Zehnder-Based Transmitter with 275mW Multistage CMOS Driver Achieving 6dB Extinction Ratio at 25Gb/s," ISSCC 2015, pp. 146-417.
図1に示した従来のドライバ回路において、プリアンプ11は、ノードPL、NL、およびノードPH、NHを駆動する必要がある。一方、ラッチ回路13は、ノードPH、NHの電位を保持する。そのため、ノードPH、NHは、プリアンプ11とラッチ13の2つの回路が駆動している状態であるため、差動入力信号のデータ遷移の際に、データの衝突が生じる。具体的には、ノードPH、NHのデータ遷移が、ノードPL、NLのデータ遷移より遅れてしまい、プリアンプとラッチとによる電位の引っ張り合いが生じて、信号のジッタを発生する。
図4に、従来のドライバ回路のノードPHにおける電圧波形を示す。差動入力信号INN、INPとして、1Gbpsの擬似ランダムパターンを入力したときのノードPHにおける電圧波形を、シミュレーションにより求めた結果を示している。データが遷移する立ち上がり部分、立ち下がり部分において、ジッタが発生しているのが分かる。
本発明の目的は、信号レベルを変換する際に生じるジッタを抑制することができるドライバ回路を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様に係るドライバ回路は、差動入力信号INP、INNを増幅して差動増幅信号PL、NLを出力するプリアンプと、前記差動増幅信号PL、NLを差動レベルシフト信号PH、NHへと信号レベルシフトを行うための2つの容量および信号を保持するためのラッチと、前記差動増幅信号NLと前記差動レベルシフト信号PHとが入力され、出力信号OUTPH、OUTPLを出力する第1の出力バッファと、前記差動増幅信号PLと前記差動レベルシフト信号NHとが入力され、出力信号OUTNH、OUTNLを出力する第2の出力バッファとを含むドライバ回路において、前記プリアンプの出力と前記2つの容量とのそれぞれの間に挿入され、差動入力信号INP、INNによりそれぞれON、OFFが制御される2つのスイッチをさらに備えたことを特徴とする。
他の実施態様に係るドライバ回路は、上記ドライバ回路において、前記2つのスイッチは、前記差動入力信号INP、INNのうちの前記差動入力信号INPに一方のスイッチが接続され、且つ他方のスイッチが前記差動入力信号INNに接続され、前記差動入力信号INP、INNの論理値によってON状態、OFF状態が制御され、前記INPの論理値が「H→L」のときに前記差動増幅信号PLが「L→H」となり、前記一方のスイッチがOFF状態となると共に、前記他方のスイッチがON状態となり、前記ラッチは、前記2つの容量の間に、互いに逆方向に接続された2つのインバータ回路からなり、各々のインバータ回路は、論理値が反転する時の入力電圧が電源電圧の半分の値よりも高いことが好ましい。
本発明によれば、ラッチ回路の2つのスイッチを、差動入力信号のデータ遷移のタイミングに応じてオープンとなるように制御することにより、プリアンプとラッチとによる電位の引っ張り合いが解消されるため、信号のジッタを低減することが可能となる。
従来のドライバ回路の構成を示すブロック図である。 従来のドライバ回路の出力バッファの構成を示すブロック図である。 従来のドライバ回路と光変調器との接続を示す図である。 従来のドライバ回路のノードPHにおける電圧波形を示す図である。 本発明の第1の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す図である。 ラッチを構成するインバータ回路の構成を示す図である。 インバータ回路の入出力特性を比較した図である。 本実施形態のインバータの構成を示す図である。 第1の実施形態のドライバ回路のタイミングダイヤグラムを示す図である。 第1の実施形態のドライバ回路のノードPHにおける電圧波形を示す図である。 本発明の第2の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す図である。 本発明の第3の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図5に、本発明の第1の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す。ドライバ回路30は、差動入力信号INNとINPが入力され、それぞれ2つの異なるレベルに変換してOUTPH、OUTPL、OUTNH、OUTNLの4つの信号を出力する。ドライバ回路30は、2つのインバータ回路で構成されたプリアンプ31と、信号レベルシフトを行うための2つの容量32および信号を保持するためのラッチ33と、出力バッファ34,35とを含む。プリアンプ31の出力と2つの容量32との間には、スイッチ36,37が挿入されている。
プリアンプ31は、差動入力信号INN、INPが入力され、容量32と出力バッファ34,35を駆動できるように、差動入力信号INN、INPを増幅した差動増幅信号をノードNL、PLに出力する。2つの容量32は、第1の容量の一端がノードNLに接続され、他端がノードNHに接続される。第2の容量の一端はノードPLに接続され、他端がノードPHに接続される。
ラッチ33は、ノードNH、PHの間に、互いに逆方向に接続された2つのインバータ回路で構成される。図6に、ラッチを構成するインバータ回路の構成を示す。本実施形態のインバータは、通常のインバータと比べて出力が「Hに遷移しやすいことを特徴とする」。図7に、インバータ回路の入出力特性を示す。図7のa線に示すように、通常のインバータは、入力電圧が電源電圧VDDの半分の値に近いところで論理値が反転するように設計されている。本実施形態のインバータは、図7のb線に示すように、論理値が反転する時の入力電圧が電源電圧の半分の値よりも高くなっている。
通常のインバータは、図6に示したpMOSのゲート幅(Wp)とnMOSのゲート幅(Wn)との比が2:1〜3:1程度である。本実施形態のインバータは、Wp/Wnの比を4倍以上と大きくすることにより実現できる。また、図8に示すように、インバータを構成するpMOSとnMOSの基板バイアスであるVbpとVbnを制御することにより、pMOSとnMOSのしきい値電圧を調整して、論理値が反転する時の入力電圧を高くすることができる。
出力バッファ34,35は、図2に示した回路に同じである。
2つのスイッチ36,37は、一端がプリアンプ31の出力、他端が容量32に接続されている。スイッチ36は入力信号INPを制御信号とし、スイッチ37は入力信号INNを制御信号として、オープンかショートかを切り替えられる。
プリアンプ31は、CMOSの耐圧電圧である電源(VDD)とGND(VSS)との間で動作するのに対し、ラッチ33は、通常の電源の2倍の電圧(VDD2)とVDDとの間で動作し、出力バッファ34,35は、VDD2とVSSとの間で動作する。差動入力信号INP、INN、およびノードNL、PLは、VSS〜VDDの間のレベルとなるのに対し、ノードNHとPHは、VDD〜VDD2の間となり、OUTPHとOUTNHは、VDD〜VDD2の間、OUTPLとOUTNLは、VSS〜VDDの間となる。
OUTPHとOUTPLとの間、OUTNHとOUTNLとの間の位相は、それぞれ反転しているため、図3に示した光変調器20に接続する場合には、VSS〜VDD2のバイアスを印加することができ、片側のアーム導波路には、CMOSの耐圧の2倍の電圧を印加することができる。このとき、ドライバ回路30内のトランジスタには、VDD以上のバイアスがかかっていないため、CMOSの耐圧電圧を超えることはない。
図9に、第1の実施形態のドライバ回路のタイミングダイヤグラムを示す。スイッチ36は差動入力信号INPによって制御され、スイッチ37は差動入力信号INNによって制御されため、入力データが「H」の時にスイッチがショート(ON)となる。差動入力信号INPと差動入力信号INNとは差動信号の関係であるため、2つのスイッチ36,37は、「H」のデータが入力されている側が必ずショート(ON)となり、「L」のデータが入力されている側が必ずオープン(OFF)となる。
差動入力信号INPの入力データが「H→L」に遷移すると、プリアンプ31の出力、すなわちノードPLが「L→H」となるとき、スイッチ36はオープン、スイッチ37はショートとなり、ラッチ33のデータを反転させることになる。データが遷移する前は、容量32を介してラッチ33のノードNHは「H」のデータが保持されている。ラッチ33を構成するインバータ回路は、上述したように「Hに遷移しやすい」ので、ラッチ33の各インバータは「H」を出力しやすい設計となっている。このため、ノードNHが「H→L」へと遷移すると、ラッチ33を介してノードPHは「L→H」へと簡単にデータを反転させることができる。
一方、スイッチ36はオープンとなるため、ノードPLの側のプリアンプ31の出力は、ラッチ33のデータを反転させることはできない。
従来、プリアンプは差動でラッチのデータを反転させていた。これに対して、本実施形態では、プリアンプ31の出力が「H→L」に遷移する側の出力のみスイッチをONにし、他方の出力をOFFにすることにより、ラッチ33のデータを容易に反転させることできる。これにより、プリアンプとラッチとによる電位の引っ張り合いが解消されるため、信号のジッタを低減することができ、信号品質の劣化を防ぐことができる。
図10に、第1の実施形態のドライバ回路のノードPHにおける電圧波形を示す。差動入力信号INN、INPとして、1Gbpsの擬似ランダムパターンを入力したときのノードPHにおける電圧波形を、シミュレーションにより求めた結果を示している。データが遷移する部分のジッタは、図4に示した従来のドライバ回路と比較すると、大幅に抑制されていることがわかる。
(第2の実施形態)
図11に、本発明の第2の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す。ドライバ回路40は、2つのインバータ回路で構成されたプリアンプ41と、信号レベルシフトを行うための2つの容量42および信号を保持するためのラッチ43と、出力バッファ44,45とを含む。プリアンプ41の出力と2つの容量42との間には、スイッチ46,47が挿入されている。
プリアンプ41は、差動入力信号INN、INPが入力され、容量42と出力バッファ44,45を駆動できるように、差動入力信号INN、INPを増幅した差動増幅信号をノードNL、PLに出力する。2つの容量42は、第1の容量の一端がノードNLに接続され、他端がノードNHに接続される。第2の容量の一端はノードPLに接続され、他端がノードPHに接続される。ラッチ43は、ノードNH、PHの間に、互いに逆方向に接続された2つのインバータ回路で構成される。ラッチ43の詳細な構成は、第1の実施形態に同じである。
2つのスイッチ46,47は、一端がプリアンプ41の出力、他端が容量42に接続されている。スイッチ46は差動入力信号INPを制御信号とし、スイッチ47は差動入力信号INNを制御信号として、オープンかショートかを切り替えられる。差動入力信号INP,INNの端子からプリアンプ41までの間に遅延回路48,49が挿入されている。これにより、スイッチ46,47を切り替えてから、所定の遅延時間を経てプリアンプ41の出力データが遷移することになる。従って、スイッチ46,47を確実に切り替えてからプリアンプ41を遷移させることができ、さらなるジッタの低減が可能となる。
(第3の実施形態)
図12に、本発明の第3の実施形態にかかるドライバ回路の構成を示す。ドライバ回路50は、2つのインバータ回路で構成されたプリアンプ51と、信号レベルシフトを行うための2つの容量52および信号を保持するためのラッチ53と、出力バッファ54,55とを含む。プリアンプ51の出力と2つの容量52との間には、スイッチ56,57が挿入されている。
プリアンプ51は、差動入力信号INN、INPが入力され、容量52と出力バッファ54,55を駆動できるように、差動入力信号INN、INPを増幅した差動増幅信号をノードNL、PLに出力する。2つの容量52は、第1の容量の一端がノードNLに接続され、他端がノードNHに接続される。第2の容量の一端はノードPLに接続され、他端がノードPHに接続される。
ラッチ53は、ノードNH、PHの間に、出力に固有のスイッチ59a,59bが直列に接続されたインバータ回路58a,58bが組で挿入され、それぞれの組が逆方向に接続されている。インバータ回路58a,58bの詳細な構成は、第1の実施形態に同じである。また、2つのスイッチ56,57は、一端がプリアンプ51の出力、他端が容量52に接続されている。スイッチ56およびスイッチ59aは差動入力信号INPを制御信号とし、スイッチ57およびスイッチ59bは差動入力信号INNを制御信号として、オープンかショートかを切り替えられる。
入力データが「H→L」に遷移する側(例えばINP)、すなわちプリアンプ51の出力(例えばPL)が「L→H」となるとき、スイッチ(例えば56)はショートとなり、ラッチ53のデータを反転させることになる。このとき、ラッチ53のスイッチ(例えば59a)はオープンとなる。従って、データが遷移するときは、ノードPH、NHにおいてプリアンプ51とラッチ53とによる引っ張り合いが解消されるため、信号のジッタが低減でき、信号品質の劣化を防ぐことができる。
(第4の実施形態)
第3の実施形態において、差動入力信号INP,INNの端子からプリアンプ51までの間に遅延回路を挿入する。第2の実施形態と同様に、データ遷移の正確なタイミングに合わせてスイッチを制御することが可能となり、よりジッタを低減することが可能となる。
(第5の実施形態)
第1〜第4の実施形態においては、ラッチを構成する各インバータが「Hに遷移しやすい」構成とした。これとは反対に、ラッチを構成する各インバータが「Lに遷移しやすい」構成とすることもできる。例えば、第1の実施形態において、ラッチ33を構成する各インバータを「Lに遷移しやすい」構成とした場合には、スイッチ36およびスイッチ37は、入力データが「H」の時にスイッチがオープン(OFF)となり、入力データが「L」の時にショート(ON)となるように制御すればよい。第2〜第4の実施形態においても同様であり、これにより、各々の実施形態において説明した作用効果を奏することができる。
10,30,40,50 ドライバ回路
11,31,41,51 プリアンプ
12,32,42,52 容量
13,33,43,53 ラッチ
14,15,34,35,44,45,54,55 出力バッファ
20 光変調器
21 分波器
22 合波器
23,24 アーム導波路
25,26 電極
58,59 インバータ
36,37,46,47,56,57 スイッチ
48,49 遅延回路

Claims (5)

  1. 差動入力信号INP、INNを増幅して差動増幅信号PL、NLを出力するプリアンプと、前記差動増幅信号PL、NLを差動レベルシフト信号PH、NHへと信号レベルシフトを行うための2つの容量および信号を保持するためのラッチと、前記差動増幅信号NLと前記差動レベルシフト信号PHとが入力され、出力信号OUTPH、OUTPLを出力する第1の出力バッファと、前記差動増幅信号PLと前記差動レベルシフト信号NHとが入力され、出力信号OUTNH、OUTNLを出力する第2の出力バッファとを含むドライバ回路において、
    前記プリアンプの出力と前記2つの容量とのそれぞれの間に挿入され、差動入力信号INP、INNによりそれぞれON、OFFが制御される2つのスイッチをさらに備えたことを特徴とするドライバ回路。
  2. 前記2つのスイッチは、前記差動入力信号INP、INNのうちの前記差動入力信号INPに一方のスイッチが接続され、且つ他方のスイッチが前記差動入力信号INNに接続され、前記差動入力信号INP、INNの論理値によってON状態、OFF状態が制御され、前記INPの論理値が「H→L」のときに前記差動増幅信号PLが「L→H」となり、前記一方のスイッチがOFF状態となると共に、前記他方のスイッチがON状態となり、
    前記ラッチは、前記2つの容量の間に、互いに逆方向に接続された2つのインバータ回路からなり、各々のインバータ回路は、論理値が反転する時の入力電圧が電源電圧の半分の値よりも高いことを特徴とする請求項1に記載のドライバ回路。
  3. 前記2つのスイッチは、前記差動入力信号INP、INNのうちの前記差動入力信号INPに一方のスイッチが接続され、且つ他方のスイッチが前記差動入力信号INNに接続され、前記差動入力信号INP、INNの論理値によってON状態、OFF状態が制御され、前記INPの論理値が「L→H」のときに前記差動増幅信号PLが「H→L」となり、前記一方のスイッチがOFF状態となると共に、前記他方のスイッチがON状態となり、
    前記ラッチは、前記2つの容量の間に、互いに逆方向に接続された2つのインバータ回路からなり、各々のインバータ回路は、論理値が反転する時の入力電圧が電源電圧の半分の値よりも低いことを特徴とする請求項1に記載のドライバ回路。
  4. 前記ラッチは、前記2つの容量の間に、出力が固有のスイッチが直列に接続されたインバータ回路が2組挿入され、それぞれの組が逆方向に接続され、前記差動入力信号INP、INNのデータ遷移に応じて前記固有のスイッチが制御されることを特徴とする請求項1、2または3に記載のドライバ回路。
  5. 前記差動入力信号INP、INNが入力される入力端子と前記プリアンプとの間にそれぞれ遅延回路が挿入されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のドライバ回路。
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