JPH01286655A - 光受信回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 本発明は、光データリンクの受信部に用いる光受信回路
に関する。

光データリンクは、複数の局を、光ファイバで結合した
情報伝送系である。ひとつの局は、送信部と受信部とを
持つ。

光受信部は、光ファイバの中を伝送された光信号を電気
信号に変える受光素子と、受光素子電流を増幅し、波形
整形する電気回路を備える。

波形整形というのは、歪んだ波形を、正しい矩形波に変
えるものである。コンパレータを使った二値化回路であ
る。基準電圧ｖｒｅｆと入力電圧とを比較し、０又は１
の出力を与える。

結局、増幅率、基準電圧がパラメータとなる。

これをどうして決定するかによって、いくつかの回路が
ありうる。

（イ）従来技術 従来の光受信回路の構成例を３つ説明する。

（１）　　！Ｊニアアンプ＋コンパレータ（第２図）受
光素子１の光電流を、リニアアンプ１０で増幅し、電流
に比例した電圧Ｖ、を生ずる。

ｙｓ　＝　　ｚｐＲｔ　　　　　　　　　　　（１）で
ある。ｉｐは光電流、Ｒ１はアンプの帰還抵抗である。

これをコンパレータ１１により、基準電圧ｖ２゜、と比
較し、二値化する。もともとディジタル信号であるから
、二値化によって、もとのディジタル信号を得る事がで
きる。Ｖ２．、は一定値である。

この回路は最も単純であって、しかも基本的なものであ
る。

（１）ＡＴＣ付光受信回路（第３図） 光電流Ｎｐをリニアアンプ１０で増幅スる点は同じであ
る。これをコンパレータ１１に入れて二値化する。

ただし、コンパレータ１１の基準電圧Ｖ、。１が一定値
ではない。増幅された電圧ｖ１の平均値をＡＴＣ：１３
によって常時検出しこれをｖ２．、とする。

ｖｔｒｉ　　　　＝　　　　＜　　　ｖｌ　　　＞　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（２）である。〈−〉は平均操作を意味する。

（１）ＡＧＣ付光受信回路（第４図） 光電流ｉｐの大小に関係なく電圧出力を一定に保つよう
に利得を自動的に変化させるＡＧＣ回路を付加している
。

コンパレータ１１の基準電圧ｖｒ、１は一定である。

（ロ）従来技術の問題点 Ｉ〜■の光受信回路は、次のような問題点がある。

（Ｉ）　　これは増幅率、基準電圧ともに固定されてい
る。Ｒ，が増幅率（ゲイン）を与える。

増幅率を大きい値に選ぶと、最低受信感度は向上する。

しかし、反面、光電流が大きい時に、トランジスタが飽
和し、ダイナミックレンジを広くとる事ができない。

逆に、増幅率を小さい値）；選ぶと、ダイナミックレン
ジを広くすることができる。ところが感度が悪くなり、
最低受信感度が大きくなりすぎる。

また、コンパレータの基準電圧も一定であるので、パル
ス幅歪が、光電流の大小に位存する。

光電流が大きいと、パルス幅歪が大きくなる。

増幅後のＨレベル、Ｌレベルをｖｈｌｖｌとすると、光
電流が大きいと（ｖｈ＋　Ｖｉ　）　／　２　＞　ｖｔ
ｒｉとなる。

光電流が小さいと（Ｖｈ＋ｖｔ　）　／　２　＜　Ｖｒ
＊１となる。

（ｖｈ　＋　ｖｚ　）　／　２　＝　ｖｒｔｆとならな
いので、元の信号のＨレベルの長さと、復調された信号
のＨレベルの長さが異なる。これをパルス幅歪という。

（１）　　コンパレータの基準電位ｖ２．１を自動的に
コントロールできる。つまり、自動的に ｖｒ＋ｅｔ　＝　（ｖｈ　＋　ｖｉ　）／　２　とする
事カテ＆ル。

従って、パルス幅歪が小さくなり、パルス幅歪特性につ
いては改善される。

ところが、増幅率が固定されているので、最低受信感度
とダイナミックレンジの関係について、（１）と同じ難
点がある。

（１）　　光電流の大小に応じて増幅率を自動的にコン
トロールし出力電圧振幅ｖ０をほぼ一定に保つことがで
きる。基準電圧ｖｒ＊ｆは固定である。

出力電圧振幅ｖ０が一定であるため基準電圧が一定のコ
ンパレータによって二値化しても、パルス幅歪の小さい
信号を得る事ができる。

しかし、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ　Ｇａ１ｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｌｅｒ）回路といっても、出力電圧振幅ｖ０を常に一定
に保つ回路は容易に実現できない。

出力電圧振幅ｖ０がほぼ一定であるが、多少の入力依存
性を持つＡＧＣ回路が一般的である。

以上にて説明した■〜■の他に１光信号を電気信号に変
換しに後、微分してから、矩形波に変換するものもある
。これは、本発明者等の、特開昭６０−２３９１３８号
（Ｓ　６０．１１．２８公開）特開昭６０−２４０２３
１号（Ｓ　６０．１１．２９公開）特開昭６０−２４０
２３２号（Ｓ　６０．１１．２９公開）特開昭６０−２
４２７４２号（Ｓ　６０．１２．２公開）特開昭６０−
２４６１３８号（Ｓ　６０．１２．５公開）特開昭６０
−２４７９６７号（Ｓ　６０．１２．７公開）がある。

これらは、信号波形をそのまま基準電圧と比較して二値
化するのではない。いったん微分し、ヒステリンス付コ
ンパレータによって二値化する。

本発明とは動作原理が異なる。

００　　目　　　　　　　的 ダイナミックレンジが広く、高感度であって、パルス幅
歪が小さく、ノイズマージンの大きい光受信回路を提供
する事が本発明の目的である。

（３）構　成 本発明の光受信回路の構成を第１図によって説明する。

本発明の光受信回路は、受光素子１、電流電圧変換部２
、平均値ホールド部３、ピーク値ホールド部４、差動増
幅部５、コンパレータ６よりなる。

（１）受光素子１は、光信号を電気信号に変換し、光電
流ｉｐを生ずる。これは、ホトダイオード（ＰＤ　）　
、アバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）など任意の受
光素子を用いる事ができる。

（２）電流電圧変換部２は、受光素子１で得られる光電
流ｉｐを電圧に変換し増幅するものである。

ｉｐをそのまま一定増幅率で増幅すると、ダイナミック
レンジを広くとる事ができない。

ダイナミックレンジを広くするため、ダイオードリミッ
タ−を付加する。このようにすると、ダイオードの電流
・電圧特性に応じて対数増幅ができる。対数増幅である
から、小信号時に増幅率が高く、大信号時に増幅率が低
くなる。このため、ダイナミックレンジを広くする事が
できる。

これは、増幅率を決定する帰還抵抗と並列に、ダイオー
ドをつなぐ事によってなされる。

これは公知の手法であって、例えば、本発明者になる、
特開昭６０−２６３５４６号（Ｓ　６０．１２．２７　
）の電流電圧変換部にも使われている。

第１図の一部に図示した構成である。

電流電圧変換部２の出力をυとする。

（３）平均値ホールド部３は、電流電圧変換部２の出力
の平均値＜Ｕ＞を検出し保持するものである。つまり、
平均値Ｑ Ｑ＝＜Ｕ＞　　　　　　　　　　　（３）を保持する。

実際には、ディジタル信号なのであるから、Ｈレベルと
Ｌレベルの中間値を求めているのである。

電流電圧変換部２の出力Ｕ自体は光入力の大小によって
その振幅は変動する。しかし、平均値ホールド部３は、
光入力の大小に関係なく常に平均値（振幅の半分）を検
出し保持する。

（４）　　ピーク値ホールド部４は、電流電圧変換部２
の出力υのピーク値（上限値又は下限値）を検出しこれ
を保持する。

信号Ｕの大きさは、光信号の大小によって変動する。光
信号の大小は、ピーク値Ｐを求める事によって分る。ピ
ーク値Ｐというのは光信号の大小を表わすものである。

増幅された信号Ｕは、本質的には、矩形波であって、Ｈ
レベルとＬレベルの電圧信号よりなる。これをＵｈｌＵ
ｌと書く。実際には波形がなまるので、矩形波より正弦
波に近いものとなっているが、本質的には二値レベルよ
りなる。

正パルス、負パルスを扱う場合によって異なるが、Ｕｈ
＞Ｕｌとすると、振幅は（ＵｈＵ、）である。

ピーク値ＰはＵｈである。

平均値Ｑは（Ｕｈ＋Ｕｊ）／２である。

（５）差動増幅部５は、電流電圧変換部２の信号Ｕと、
平均値Ｑの差を増幅する。ＵはＵｈとＵ、の集合であり
、ＱはＵｈとＵ、の平均であるから、これらを差動増幅
すると、馬とＵ、を的確に分ける事ができる。

つまり、ＩＪ　＝　ｔｙｈであれば、 υ−Ｑ　＝　（Ｕｈ　　Ｕｊ）／２　　　　（４）とな
り、Ｕ＝Ｕ、であれば Ｕ−Ｑ　＝　−（Ｕｈ　−Ｕｌ）／２　　　　（５）と
なる。ところが、振幅（０１，ＵＪ）は光信号の大小）
；よって変化するので、（４）、　（５）式の結果は一
定値でない。

差動増幅部５の出力レベルが、光信号の大小によらない
ようｔ；するため、増幅率Ａを、ピーク値Ｐの値によっ
て変える。ピーク値Ｐは光信号の大きさを表わしている
。

光信号の大小の影響を除くｋめ、Ｐが大きい時に、増幅
率Ａを小さくする。

Ｐが小さい時には、Ａを大きくする。

このようにすると、差動増幅器５の出力は、光信号の大
小（て拘わらずほぼ一定とする事ができる。

つまり、差動増幅部５は、自動利得制御回路と同様の働
きをしているのである。

こうするためには、差動増幅部５のバイアス電流をピー
ク値Ｐによって制御するようにする。

さきほどの単純化した例でＵｌ＝Ｏとして説明する。こ
れはＬレベルで光が存在しないという仮定である。

増幅率Ａを、ピーク値Ｐに反比例させて、Ａ　＝：　−
（６） とすると、差動増幅部の出力Ｗは Ｗ　＝　Ａ（Ｕ−Ｑ）　　　　　　　　（７１であるが
、Ｐ＝υｈであるので、 Ｕ　＝：　Ｕｈのとき　　Ｗ　＝　Ｋ／２　　　（８）
１３　＝　Ｕ、のとき　　Ｗ　＝　−に／２　　（９）
となる。つまり、光信号の大小によらず、差動増幅器の
出力の振幅はＫであり、中間値はＷ＝０である。

実際には、（６）式のように、正確にＰに反比例する増
幅率でなくてもよい。

差動増幅部５は一段であるとは限らない。ピーり値Ｐに
よって増幅率が制御される複数段の差動増幅回路を直列
に接続してもよい。

このようにすると、ピーク値Ｐの函数としての増幅率Ａ
の設定がより容易になり、より複雑な函数関係を与える
事もできる。

（６）　　コンパレータ６は、固定基準電圧ＳとＷとを
比較して、Ｗ＞Ｓであれば１をＷ＜Ｓであれば０を出力
する。これがＶ。ｕｔであって、二値化された矩形波と
なる。

固定基準電圧Ｓは（８）、（９）から３＝０であるべき
であるが、無信号時にＰ−＋Ｑ、Ａ−＋■となりノイズ
が増幅される事によりＷ）Ｑとなるので、一定のバイア
スΔを加えて、Ｓ＝０とする。ノイズが増幅されても、
これがΔを越えないようにΔを設定する。

ノイズを除くための直流バイアスは、コンパレータの基
準電圧に加えるとは限らない。そうではなくて、差動増
幅器の出力に直流バイアスを加え、Ｗ／＝Ｗ−Δという
ようにしてもよい。

ノイズの上限がΔより小さい限り、無信号時のノイズ）
；ついて必ずＷ′〈Ｏとなる。Ｗ′＜Ｓ−〇となるので
、ノイズがカットされる。

（２）作　用 本発明の光受信回路）；於ては、差動増幅部５の増幅率
がピーク値ホールド部のピーク値Ｐによって変わる。こ
のなめ、光信号の大小に拘わらず、差動増幅部の出力の
大きさは一定である。

そして、固定の基準電圧Ｓによって、信号出力Ｗを二値
化する。Ｓは、信号のＨレベルとＬレベルのほぼ中間で
ある。したがって、パルス幅歪みが少ない。

電流電圧変換部２が対数増幅機能を持つようにすれば、
ダイナミックレンジが広く、高感度であるようにできる
。

（→効　果 本発明の光受信回路は、 （１）　　ダイナミックレンジが広い。

（２）高感度である。

（３）パルス幅歪が小さい。

（４）　　ノイズマージンが大きい。

などの効果を収めることができる。

ＦＡ用光ＬＡＮ１車載用光通信機などに利用すると効果
的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信回路の構成図。 第２図はリニアアンプとコンパレータヲ使った従来例に
かかる光受信回路の構成図。 第３図は従来例にかかるＡＴＣ付光受信回路の構成図。 第４図は従来例にかかるＡＧＣ付光受信回路の構成図。 １・・・・・・受光素子 ２・・・・・・電流電圧変換部 ３・・・・・・平均値ホールド部 ４・・・・・・ピーク値ホールド部 ５・・・・・・差動増幅部 ６・・・・・・コンパレータ １０・・・・・・アンプ １１・・・・・・コンバレータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光素子１から得られる光電流ｉ＿ｐを増幅した
   後、波形整形しディジタル信号として取り出す光受信回
   路であつて、光電流ｉ＿ｐを電圧に変換し増幅する電流
   電圧変換部２と、電流電圧変換部２の出力Ｕの平均値Ｑ
   を検出し保持する平均値ホールド部３と、電流電圧変換
   部の出力Ｕのピーク値Ｐを検出し保持するピーク値ホー
   ルド部４と、電流電圧変換部出力Ｕと平均値ホールド部
   出力Ｑの差を差動増幅し増幅率がピーク値ホールド部出
   力Ｐによつて制御される１段又は複数段の差動増幅部５
   と、差動増幅部５の出力Ｗを一定の基準電圧Ｓと比較し
   て二値化するコンパレータ６とから構成され、差動増幅
   部５の増幅率ムはピーク値Ｐが大きくなるに従つて小さ
   くなるようにし、差動増幅部５の出力Ｗが、光信号の大
   きさによらずほぼ一定であるようにした事を特徴とする
   光受信回路。
2. （２）電流電圧変換部２がダイオード・リミッタを付加
   した対数増幅器である事を特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の光受信回路。
3. （３）コンパレータ６の前段に接続される差動増幅器の
   出力にバイアス差Δを付けた事を特徴とする特許請求の
   範囲第（２）項記載の光受信回路。