JP7694701B2

JP7694701B2 - 単相差動変換回路

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Publication number: JP7694701B2
Application number: JP2023564284A
Authority: JP
Inventors: 照男徐; 宗彦長谷; 勉竹谷; 宏行高橋; 斉脇田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2025-06-18
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: WO2023100225A1; JPWO2023100225A1

Description

本発明は、伝送線路が差動アンプに接続する単相差動変換回路に関する。

高速光通信システムにおいて、ベースバンド信号用の単相差動変換回路は、良好な差動特性を有すること、すなわち差動信号間の１８０°位相差と強度のミスマッチが小さいことが要求される。

単相のベースバンド信号を差動のベースバンド信号に変換する技術として、図１０に示すように、差動アンプ７１を用いる技術が開示されている（非特許文献１）。この技術では、差動アンプ７１の一方（正相回路側）の端子Ｉｎに信号を入力し、他方（逆相回路側）の端子をコモンバイアス（Ｖｂ）に固定することで、出力端子（ＯｕｔＰ、ＯｕｔＮ）で差動信号が得られる。以下、ＯｕｔＰ側（Ｉｎ側）を正相回路側、ＯｕｔＮ側（Ｖｂ側）を逆相回路側という。

Casas, Roberto, Oscar Casas, and Vittorio Ferrari, "Single-ended input to differential output circuits. A comparative analysis", 2006 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. IEEE, 2006.

しかしながら、従来の単相差動変換回路では、高周波で差動特性が劣化するという問題がある。図１１に、従来の単相差動変換回路（差動アンプ７１）の概要図を示す。図１１に示すように、信号が高周波になるに伴い、トランジスタの寄生容量７２のインピーダンスが低下する。その結果、寄生容量７２を経由して正相回路側の信号の位相が回転して、逆相回路側の信号に加わるので、従来の単相差動変換回路では、高周波で差動特性が劣化する。

詳細には、信号が低周波のときは、寄生容量７２のインピーダンスが高いので信号は遮断される。

一方、信号が高周波のときは、寄生容量７２のインピーダンスが低下して、信号が逆相回路側の信号に流れ込む（図中、矢印７３）。この信号は伝搬中に位相が回転し、逆相の信号に加わる。また、逆相回路側の信号強度も減少させる。

このように、信号が高周波のときは、寄生容量７２のインピーダンスが低下して、正相の信号が逆相の信号に影響を与える。

図１２Ａ、Ｂに、従来の単相差動変換回路の差動特性のシミュレーション結果を示す。図１２Ａに示すように、１８０°位相差のミスマッチは、１４０ＧＨｚで２２°である。また、図１２Ｂに示すように、強度のミスマッチは、１４０ＧＨｚで３．５ｄＢである。このように、従来の単相差動変換回路では、高周波において差動特性が劣化する。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る単相差動変換回路は、正相信号を処理する正相回路と、逆相信号を処理する逆相回路とからなる差動アンプと、前記正相回路の出力端に接続される第１の伝送線路と、前記逆相回路の出力端に接続される第２の伝送線路とを備え、前記第１の伝送線路が前記第２の伝送線路より長く、前記第１の伝送線路が、前記正相信号の位相を回転させ、前記正相信号の強度を減少させることを特徴とする。

また、本発明に係る単相差動変換回路は、正相信号を処理する正相回路と、逆相信号を処理する逆相回路とからなる差動アンプと、補償回路とを備え、前記補償回路が、前記正相回路の出力端に、直列に接続される抵抗とインダクタと、並列に接続されるキャパシタとを備える。

本発明によれば、良好な差動特性を有する単相差動変換回路を提供できる。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示す回路図である。図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る単相差動変換回路の効果を説明するための図である。図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る単相差動変換回路の効果を説明するための図である。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図４Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る単相差動変換回路の効果を説明するための図である。図４Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る単相差動変換回路の効果を説明するための図である。図５は、本発明の第３の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図６Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図６Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図７は、本発明の第５の実施の形態に係る単相差動変換回路における補償回路の構成を示す回路図である。図８は、本発明の第５の実施の形態に係る単相差動変換回路における補償回路の構成の一例を示す回路図である。図９は、本発明の第６の実施の形態に係る単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図１０は、従来の単相差動変換回路の構成を示すブロック図である。図１１は、従来の単相差動変換回路を説明するための概要図である。図１２Ａは、従来の単相差動変換回路の性能を説明するための図である。図１２Ｂは、従来の単相差動変換回路の性能を説明するための図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る単相差動変換回路ついて、図１Ａ～図２Ｂを参照して説明する。

＜単相差動変換回路の構成＞
本実施の形態に係る単相差動変換回路１０は、図１Ａ、Ｂに示すように、差動アンプ１１と伝送線路１２とを備える。また、テール電流源１３を備えてもよい。

差動アンプ１１は、正相信号を処理する回路（以下、「正相回路」という。）１１１と、逆相信号を処理する回路（以下、「逆相回路」という。）１１２とから構成され、正相回路１１１の入力端１１１＿１と出力端１１１＿２と、逆相回路１１２の入力端１１２＿１と出力端１１２＿２とを備える。

また、単相差動変換回路１０は、正相回路１１１側の入力端子Ｉｎと出力端子ＯｕｔＰと、逆相回路１１２側のコモンモード電圧に接続される端子Ｖｂと出力端子ＯｕｔＮとを備える。

伝送線路１２は、差動アンプ１１の正相回路１１１の出力端１１１＿２と、正相回路１１１側の出力端子ＯｕｔＰとの間に接続される。

単相差動変換回路１０において、逆相回路１１２側の配線にも伝送線路が接続されるので（図示せず）、正相回路１１１側に接続される伝送線路１２が、逆相回路１１２側の伝送線路より長ければよい。

伝送線路１２により、逆相回路１１２側の出力信号に対して正相回路１１１側の出力信号の位相を余分に回転させることで１８０°位相差のミスマッチを補正できる。また、伝送線路１２で正相回路１１１側の信号強度を減少させるので、逆相回路１１２側に対して強度のミスマッチを補正できる。

＜単相差動変換回路の効果＞
図２Ａ、Ｂそれぞれに、本実施の形態に係る単相差動変換回路１０における差動特性のシミュレーション結果を示す（図中、実線）。参考のために、従来の単相差動変換回路における差動特性のシミュレーション結果も示す（図中、点線）。

計算は、「ＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ」（販売元：キーサイトテクノロジー株式会社）を用いて行った。計算では、周波数成分で規定される入力正弦波における位相、強度が設定し、伝送線路１２において回転させる位相量を設定した。ここで、伝送線路１２において回転させる位相量は１３度とした。

従来の単相差動変換回路では、周波数が０～１４０ＧＨｚで、１８０°位相差のミスマッチが２２°であり、強度差のミスマッチが３．５ｄＢである。

一方、本実施の形態に係る単相差動変換回路１０では、周波数が０～１４０ＧＨｚで、１８０°位相差のミスマッチが９°であり、強度差のミスマッチが１．８ｄＢである。このように、従来の単相差動変換回路に比べて、位相差のミスマッチと強度差のミスマッチがともに低減され、改善される。

ここで、理想的な位相差の特性は、位相差が１８０度で一定、すなわち１８０°位相差のミスマッチが０°であるが、１８０°位相差のミスマッチを所定の範囲で低減できればよい。例えば、１８０度の１０％程度以下に低減できればよい。

差動アンプ１１の１８０°位相差のミスマッチが最大となるのは、一般的には所望帯域の最高周波数の時である（例えば、図２では１４０ＧＨｚ）。この位相差のミスマッチ量と同等の位相回転量を有する伝送線路１２を用いることによって、位相差のミスマッチを最大限に改善できる。

本実施の形態に係るに単相差動変換回路によれば、位相差のミスマッチと強度差のミスマッチがともにされ、良好な差動特性が得られる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る単相差動変換回路について、図３～図４Ｂを参照して説明する。

＜単相差動変換回路の構成＞
本実施の形態に係る単相差動変換回路２０は、図３に示すように、２つの差動アンプ１１、２１と、２つの差動アンプ１１、２１のうち前段の差動アンプ１１の正相回路１１１の出力端１１１＿２と後段の差動アンプ２１の正相回路２１１の入力端２１１＿１との間に接続される伝送線路１２とを備える。

換言すれば、第１の実施の形態に係る単相差動変換回路１０の後段に、他の差動アンプ２１が接続される。

後段の差動アンプ２１は、コモンモードを除去できるので、単相差動変換回路２０の差動特性を改善する。

＜単相差動変換回路の効果＞
図４Ａ、Ｂそれぞれに、本実施の形態に係る単相差動変換回路２０における差動特性のシミュレーション結果を示す（図中、実線）。参考のために、従来の単相差動変換回路すなわち伝送線路を有さない２段の差動アンプ１１、２１からなる単相差動変換回路における差動特性のシミュレーション結果も示す（図中、点線）。

従来の単相差動変換回路では、周波数が０～１４０ＧＨｚで、１８０°位相差のミスマッチが９°であり、強度差のミスマッチが１ｄＢである。

一方、本実施の形態に係る単相差動変換回路２０では、周波数が０～１４０ＧＨｚで、１８０°位相差のミスマッチが１°であり、強度差のミスマッチが０．３ｄＢである。このように、従来の単相差動変換回路に比べて、位相差のミスマッチと強度差のミスマッチがともに低減され、改善される。

本実施の形態では、２段の差動アンプを用いる例を示したが、これに限らない。３段以上の差動アンプを用いてもよく、さらに差動特性を改善できる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態に係る単相差動変換回路について、図５を参照して説明する。

本実施の形態に係る単相差動変換回路３０は、図５に示すように、２つの差動アンプ１１、２１と、２つの伝送線路１２、２２を備える。

２つの伝送線路１２、２２はそれぞれ、前段の差動アンプ１１の正相回路１１１の出力端１１１＿２と後段の差動アンプ２１の正相回路２１１の入力端２１１＿１との間と、後段の差動アンプ２１の正相回路２１１の出力端２１１＿２と単相差動変換回路３０の正相回路側の出力端子ＯｕｔＰとの間に接続される。

これにより、単相差動変換回路の設計パラメータの自由度が増え、さらに差動特性を改善できる。

本実施の形態に係る単相差動変換回路によれば、位相差のミスマッチと強度差のミスマッチがともにされ、設計パラメータの自由度が増え、さらに良好な差動特性が得られる。

＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態に係る単相差動変換回路について、図６Ａ、Ｂを参照して説明する。

本実施の形態に係る単相差動変換回路４０は、図６Ａに示すように、２つの差動アンプ１１、２１と、２つの伝送線路３１＿１、３２＿１を備える。

２つの伝送線路３１＿１、３２＿１はそれぞれ、前段の差動アンプ１１の正相回路１１１の出力端１１１＿２と後段の差動アンプ２１の正相回路２１１の入力端２１１＿１との間と、後段の差動アンプ２１の逆相回路２１２の出力端２１２＿２と単相差動変換回路４０の逆相回路側の出力端子ＯｕｔＮとの間に接続される。

または、図６Ｂに示すように、２つの伝送線路３１＿２、３２＿２はそれぞれ、差動アンプ１１の逆相回路１１２の出力端１１２＿２と後段の差動アンプ２１の逆相回路２１２の入力端２１２＿１との間と、後段の差動アンプ２１の正相回路２１１の出力端２１１＿２と単相差動変換回路４０＿２の正相回路側の出力端子ＯｕｔＰとの間に接続されてもよい。

本実施の形態に係る単相差動変換回路によれば、単相差動変換回路の周波数特性にピーキングやリップル等が生じる場合に、このピーキングやリップル等を抑止し、さらに差動特性を改善できる。

また、単相差動変換回路４０、４０＿２において、差動アンプ間の位相差の変化は、差動アンプ１１の出力端に接続される伝送線路３１＿１、３２＿２に対するよりも、後段の差動アンプ２１の出力端に接続される伝送線路３１＿２、３２＿１に対する感度が高い。

そこで、前段の差動アンプの出力端に接続される伝送線路３１＿１、３２＿２の長さを、後段の差動アンプの出力端に接続される伝送線路３１＿２、３２＿１よりも長くすることにより、単相差動変換回路４０における感度を低下させ、製造ばらつきによる影響を低減できる。

＜変形例１＞
本変形例に係る単相差動変換回路は、第１～第４の実施に係る単相差動変換回路における差動アンプの代わりに、分布定数設計された分布アンプを備える。これにより、単相差動変換回路の特性を広帯域化できる。

ここで、単相差動変換回路における伝送線路の特性インピーダンスを、分布アンプの入出力インピーダンス（通常、５０Ω）とマッチングさせることにより、周波数リップルを低減できる。

＜第５の実施の形態＞
本発明の第５の実施の形態に係る単相差動変換回路は、第１～第４の実施に係る単相差動変換回路における伝送線路の代わりに、補償回路５１を備える。

補償回路５１は、集中定数素子で構成され、例えば、図７に示すように、抵抗５２とインダクタ５３とキャパシタ５４で構成される。例えば、補償回路５１は、単相差動変換回路の差動アンプの正相回路の出力端に、抵抗５２とインダクタ５３とが直列に接続され、キャパシタ５４が並列に接続される。

または、図８に示すように、伝送線路５５と抵抗５２とインダクタ５３とが直列に接続され、キャパシタ５４が並列に接続されてもよい。ここで、伝送線路５５は、第１～第４の実施の形態で用いられる伝送線路よりも短くてもよい。

これにより、差動特性の改善とともに、単相差動変換回路の面積を削減でき、設計の自由度を向上できる。

＜第６の実施の形態＞
本発明の第６の実施の形態に係る単相差動変換回路について、図９を参照して説明する。

本実施の形態に係る単相差動変換回路６０は、図９に示すように、差動アンプ６１と、補償回路６２と、検出回路６３と、制御回路６４とを備える。

補償回路６２は、差動アンプ６１の正相回路の出力端に接続され、可変抵抗６２１とインダクタ６２２が直列に接続され、可変容量６２３が並列に接続される。

検出回路６３は、単相差動変換回路の出力端子ＯｕｔＰ、ＯｕｔＮに接続され、正相信号と逆相信号との差動信号間の強度差と位相差を検出する。

制御回路６４は、出力が補償回路６２の可変抵抗６２１と可変容量６２３に接続され、検出回路６３から入力される差動信号間の強度差が低減されるように、可変抵抗６２１の制御電圧を生成する。

また、制御回路６４は、検出回路６３から入力される差動信号間の位相差が所定の値以下になるように、可変容量６２３の制御電圧を生成する。ここで、所定の値は、例えば、１８０度の１０％程度であればよい。

制御回路６４は、これらの制御電圧を可変抵抗６２１と可変容量６２３に印加する。

本実施の形態に係る単相差動変換回路によれば、差動アンプに生じる差動信号間の強度差および位相差を検出してフィードバック制御することにより、差動特性を自動制御できる。その結果、位相差のミスマッチと強度差のミスマッチを低減でき、差動特性を改善できる。

第５および第６の実施の形態に係る単相差動変換回路における差動アンプの代わりに、分布定数設計された分布アンプを備えてもよい。

本発明の実施の形態では、単相差動変換回路の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。単相差動変換回路の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、単相差動変換回路に関するものであり、高速光通信システムに適用することができる。

１０単相差動変換回路
１１差動アンプ
１１１正相回路
１１１＿１正相回路の入力端
１１１＿２正相回路の出力端
１１２逆相回路
１２伝送線路

Claims

正相信号を処理する正相回路と、逆相信号を処理する逆相回路とからなる差動アンプと、
前記正相回路の出力端に接続される第１の伝送線路と、
前記逆相回路の出力端に接続される第２の伝送線路と
を備え、
前記第１の伝送線路が前記第２の伝送線路より長く、
前記第１の伝送線路が、前記正相信号の位相を回転させ、前記正相信号の強度を減少させる
ことを特徴とする単相差動変換回路。
前記差動アンプの後段に、他の差動アンプが接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の単相差動変換回路。
前記他の差動アンプにおける前記正相回路と前記逆相回路とのいずれか一方の出力端に、他の伝送線路が接続される
ことを特徴とする請求項２に記載の単相差動変換回路。
前記差動アンプの前段に、他の差動アンプが接続され、
前記他の差動アンプにおける逆相回路の出力端に、他の伝送線路が接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の単相差動変換回路。
正相信号を処理する正相回路と、逆相信号を処理する逆相回路とからなる差動アンプと、
補償回路と
を備え、
前記補償回路が、前記正相回路の出力端に、直列に接続される抵抗とインダクタと、並列に接続されるキャパシタとを備える
ことを特徴とする単相差動変換回路。
前記補償回路が、さらに直列に接続される伝送線路を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の単相差動変換回路。
請求項５又は請求項６に記載の単相差動変換回路と、
前記単相差動変換回路における前記正相回路側の端子と前記逆相回路側の端子とに接続される検出回路と、
前記検出回路の出力に接続され、前記抵抗と前記キャパシタとに接続される制御回路と
を備え、
前記抵抗が可変抵抗であり、
前記キャパシタが可変容量であり、
前記検出回路が、前記正相信号と前記逆相信号との差動信号を検出し、前記差動信号間の強度差と位相差とを検出し、
前記制御回路が、前記強度差が低減されるように、前記抵抗に電圧を印加し、前記位相差が所定の値以下になるように、前記キャパシタに電圧を印加する
ことを特徴とする単相差動変換回路。
前記差動アンプが、分布アンプである
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の単相差動変換回路。
前記差動アンプが、テール電流源を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の単相差動変換回路。