JPH02121536A - 拡大されたダイナミックレンジを有する光受信機 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トランスインピーダンス増幅器と、供給電圧
源と前記トランスインピーダンス増幅器の入力の間の直
流回路内に含まれるフォトダイオードと、直流回路内の
直流電流を制限する素子と、ＡＣ電圧源として作動しフ
ォトダイオードの交流電圧をトランスインピーダンス増
幅器内に流れる交流電流に変換するインピーダンスを含
むフォトダイオードから供給される交流回路より成る光
受信機に関する。

［従来の技術］ そのような光受信機は、西ドイツ特許節ＤＥ−Ｏ３３６
３３９８４号明細書に開示されている。

［発明の解決すべき課題］ この従来技術の光受信機では、直流電流が大きく減少し
た場合に、フォトダイオードを跨がって発生した交流電
圧をトランスインピーダンス増幅器内に流れる交流電流
に変換するよう作動するＡＣ回路は、フォトダイオード
からフォトダイオードのＤＣ回路の部分を介して接地ま
で流れる。

本発明の目的は、この従来技術の光受信機に基礎を置い
た改良された光受信機を提供することである。

［課題解決のための手段］ この目的は、交流回路が、トランスインピーダンス増幅
器の入力に接続されないフォトダイオードの端子をトラ
ンスインピーダンス増幅器の出力に結合されている光受
信機によって達成される。

本発明の別の有利な態様は、請求項２以下に記載されて
いる。

［実施例］ 従来技術の光受信機と類似の第１図の光受信機は、本質
的にフォトダイオードＰＤとフォトダイオードＰＤ用の
供給電圧源Ｕ。とトランスインピーダンス増幅器ＴＩＶ
　　（破線で囲まれている）を含む。

フォトダイオードＰＤの陽極１は、トランスインピーダ
ンス増幅器ＴＩＶの入力に直接接続される。

トランスインピーダンス増幅器は任意の通常で構成され
ることができ、フィードバック抵抗Ｒ工によって分路を
作られている一Ｖｏの利得を有する増幅回路Ｖによって
特徴付けられる。それはフォトダイオードＰＤの光電流
を同じ参照符号によって示される出力に現れる出力電圧
Ｕ、に変換させる。

第１図の光受信機が上述された従来の技術の受信機と共
通する別の特徴は、フォトダイオードのＤＣ回路がフォ
トダイオードのカソード端子２と供給電圧源Ｕ。の間の
可変抵抗Ｒｖを含むことである。上記の明細書に詳細に
開示されているようなこの抵抗は、フォトダイオードに
入射する高レベルの光においてフォトダイオードのＤＣ
回路を制限するように作用し、したがってフォトダイオ
ードのＤＣ動作点を変える。

この説明は、第２図によって簡単に繰り返されるであろ
う。第２図は、受信される光信号の３つの異なったレベ
ル、ｐ＋　＜　　ｐ２　＜ｐ３　、のためのフォトダイ
オードの特性をそれぞれフォトダイオードの電流と電圧
を表す　Ｉ４とＵｄによって概略的に示す。１．は線形
的にＵ、に依存し、直線の傾斜はフォトダイオードのＤ
Ｃ回路の抵抗の値に依存する。この直線と特性の交点は
、フォトダイオードのＤＣ動作点である。

それらの急に傾斜する部分のフォトダイオードの特性と
交差するゆるやかに傾斜する直線、すなわち動作点ＡＰ
４とＡＰ５とＡＰ６を通過する直線は、たとえ高い光レ
ベルでさえトランスインピーダンス増幅器のための最大
許容電流１１１ａｆｆｉを越えられないことを保証する
。ところがＤＣ回路の抵抗が小さい値である場合の動作
点ＡＰＩとＡＰ２と＾Ｐ３を通過する　Ｉａ　／　Ｕｄ
関数においては、高い光レベルＰ３で許容されない動作
点ＡＰ３が得られることを、第２図において認めること
ができる。

最初に記述した明細書から既知のように、動作点ＡＰＩ
乃至＾Ｐ３から動作点ＡＰ４乃至ＡＰＧへの転換は、抵
抗を小さい値から大きい値に変えることによってもたら
される。高い抵抗すなわち動作点＾Ｐ４乃至ＡＰ６にお
いて、光レベルの変化の場合フォトダイオードを通る電
流における変化がほとんどなく電圧Ｕ、のみ変化する、
それ故このモードにおいてフォトダイオードはＡＣ電圧
源である。

この交流電圧をトランスインピーダンス増幅器用の入力
電流として作用する交流電流に変換するために、従来の
技術は、フォトダイオードのＤＣ回路に部分的に含まれ
るＡＣ回路を使用し、それから接地される。この関係に
おいて、本発明は従来の技術とはかなり異なる。

本発明にしたがって、ＡＣ回路は、トランスインピーダ
ンス増幅器Ｔ　Ｉ　Ｖの入力に接続されないフォトダイ
オード端子すなわち端子２からトランスインピーダンス
増幅器の出力まで及ぶ。第１図に示すようにそれは、抵
抗Ｒ５およびこの抵抗に直列接続されるキャパシタＣ５
から成るインピーダンスを含み、そしてＡＣパスからＤ
Ｃパスを絶縁するように作用する。適当な電流および電
圧の状態下において、キャパシタＣ３は省くことができ
る。抵抗Ｒ５０代わりに、出力電圧Ｕ、の一定化が要求
される場合に、抵抗および並列なキャパシタを含むイン
ピーダンス、または複素能動または受動ＲＬＣ４端子ネ
ツトワークでも可能である。

どんな場合においても、端子２からトランスインピーダ
ンス増幅器ＴＩＶの出力までの接続は、トランスインピ
ーダンス増幅器ＴＩｖの接地端子からフォトダイオード
を通りインピーダンスＲｓ　。

Ｃ３および出力電圧Ｕ、を介して接地に戻るＡＣ回路を
完成する。

以下において、キャパシタＣｓが非常に高い容量を存す
るすなわち実質的に交流電流に対して短絡回路であると
仮定して、この実施例の回路のダイナミックレンジ用の
抵抗ＲｖおよびＲｓの重要性が説明される。

等価回路図によって、この実施例の回路に対して示すと
次の通りである。

Ｖ 但し、 ａ＝　　Ｒｖ　　／　　（Ｒｖ　　＋　　Ｒｓ　　）　
　　　　　　　　（２）１４−フォトダイオードを介し
て流れる電流の強さ Ｒ，−フォトダイオードの微分内部抵抗Ｒ７−フィード
バック抵抗Ｒ１の値 ｖ０−増幅回路■の利得 Ｒｖ＝低抗Ｒｖの値 Ｒ５−抵抗Ｒｓの値 ｕ、−トランスインピーダンス増幅器の出力Ｕ、の（接
地に対する）電圧 である。

前記Ｕ、の表示は、ＲＳ／ＲＴが約ゼロであるようにＲ
５がＲＴと比べて非常に小さいという仮定に基づいてい
る。しかしながらこれは、この実施例の光受信機の機能
のために予め要求されないが、しかし光受信機の説明を
容易にするだめの助けになる。

したがって出力電圧Ｕ、は、可変抵抗ＲｖおよびＲ４に
依存する。低い光レベル（例えばＰｉ、　Ｒ２）で、こ
の実施例の回路は従来の技術の回路のように、動作点Ａ
ＰＩ　、　ＡＰ２で有利に作用される。上記のこれらの
動作点は、非常に小さい値Ｒｖによって予め決定される
。一方、フォトダイオードの微分抵抗Ｒ４は、 Ｒｄ　−ｄＵ＊　／ｄｌ。

によって与えられ、フォトダイオードの特性が非常にゆ
るやかな傾斜を有するので、これらの動作点で非常に高
い。これらの状態（Ｒｖは非常に小さく、Ｒ６が非常に
大きい）において、式（１）は、Ｕ、夕ＲＴ　　　１．
　　　　　　　　　　　（３）となる。

これは、Ｒｖが全ての“普通の“　トランスインピーダ
ンス光受信機でされるように非常に小さくされる場合に
、この回路が従来の技術の光受信機のようにふるまうこ
とを示す。

しかしながら、高い光レベルでトランスインピーダンス
光受信機の過負荷を回避するために、Ｒｖが再び上記従
来技術の光受信機の原理にしたがって、ダイオード特性
の急に上昇する部分すなわち＾Ｐ４乃至＾Ｐ６の動作点
を得るように非常に大きく選択される場合において、状
態は以下の通りである。微分内部抵抗Ｒ，はこれらの動
作点で非常に低く、これらの状態（Ｒｖは非常に大きく
、Ｒ４が非常に小さい）で、（１）式は、αた１、　　
Ｒａ　／　Ｒｔ　＜　＜　１およびほとんどの場合にお
いて、 ｌ／　Ｖｏ　＜　＜　１であるので、 ＵｍｚＲａ　　　Ｉａ　　　　　　　　　　　（４）と
成る。

式（４）において、Ｒ４は　１ｄの関数である。フォト
ダイオードの特性の式から、 Ｒｄ＝　（１／ｍ　）　　　（Ｕｔ　／　Ｉ−）　　　
（５）をｊ５る。

したがってＲ，１４の積は一定である、すなわち　ＩＴ
がフォトダイオードの熱電圧と呼ばれるとき　ＬＩＴ　
／自と等しい。１は、ショットキー単一ダイオード理論
（υ、Ｔ１ｅｔｚｅおよびＣｈ、５ｃｈｅｎｋ著、テキ
スト”　１ｌａｌｂｌｅｌｔｅｒ−８ｃｈａｌ　ｔｕｎ
ｇｓｔｃｃｈｎｌｋ”８訂Ｓｐｒｌｎｇｃｒ−Ｖｃｒｌ
ａｇ　、　　Ｂｃｒｌ　ｉｎ、　ｌｌｅｉｄｃｌｂｃｒ
ｇ。

Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　　ｌ、ｏｎｄｏｎ、　　Ｐａｒｉ
ｓ　、　Ｔｏｋｉｏ　、　　１９８６年、２４頁参照）
から偏差を与える修正因数である。

上述より、特性の急な上昇部分に動作点を置く抵抗Ｒｖ
の値のそのような変化を介して、トランスインピーダン
ス増幅器の出力電圧が一定の電圧に制限され得ることが
判り、それ故トランスインピーダンス増幅器ＴＩＶも、
次の回路も過負６：エされることはない。従来の技術の
回路によってそのような低い値への出力電圧の限界は、
それらから生じる不都合なしに達成できないことが示さ
れている。

さて、疑問は実際の回路において、抵抗Ｒνの値が上記
動作点の変化が高い先レベルで達成されるような方法に
おいて、いかに変化され得るかということである。

これは従来技術の回路におけると同様の方法すなわち適
当な抵抗を抵抗の大部分の供給から回路に選択的に接続
することによって、および高い光レベルが要求されるよ
うな場合に、ある抵抗から別の抵抗に変化することによ
って、成されることが可能である。必要な電流制限は、
また連続可変抵抗Ｒｖおよび上述されるような光レベル
にしたがってこの抵抗の抵抗値を制御する制御回路によ
って成し遂げられることが可能である。

しかしながら理想的解決手段は、光レベルが上昇する時
それ自身によってフォトダイオードのＤＣ回路における
直流電流を限定する素子であり、したがって上記動作点
の変化を自動的に引き起こすことである。本発明の本質
的な解釈にしたがって、これは、一定のベースＩＪ５Ｋ
ｔでバイポーラトランジスタの出、力持性に似ている電
流−電圧特性を有す・る回路で第１図の抵抗Ｒｖを置換
することによって成し遂げられる。

良く知られているように、一定のベース電流でのバイポ
ーラトランジスタの出力特性は、電流が電圧の増加と共
にまず初めに所定の値まで急激に上昇し、それからほぼ
一定に保たれることを示す。

一定電流のこの領域において、トランジスタ回路はほぼ
理想の電流源である。そのようなトランジスタ回路およ
びそれらの出力特性は、関連文献にすなわち上述の文献
の２８頁および２９頁に開示される。

第３図は、抵抗Ｒｖをトランジスタ回路よって置換した
第１図の回路とは異なる本発明にしたかった回路を示す
。後者は、バイポーラｐｎｐトランジスタＴから成る。

トランジスタＴのエミッタはエミッタ抵抗ＲＦｌを介し
て供給電圧源Ｕ。に接続され、コレクタはフォトダイオ
ードの端子２に結合される。図示されていない手段によ
って、ベス電流　Ｉ、は一定であることが確実とされる
。

電流と電圧の問題を考慮する簡ｑ１な考察は、このトラ
ンジスタ回路の動作の結果として、電流Ｉ４はまず初め
に、点ΔＰ１乃至＾Ｐ３を通る急峻な直線と同様にダイ
オード電圧Ｕ、を増大することによって負方向で急に増
大するが、しかしまもなく傾斜はゆるやかとなり徐々に
より単調となることを示す。そのような曲線は第２図に
示され、動作点ＡＰ７乃至＾Ｐ９を与える。

したがってトランジスタ回路は、Ｉｍｍｘを越える動作
点が形成されないような方法において、電流１６を制限
する。任意の制御またはスイッチング動作なしに、高い
光レベルで特性（八Ｐ８　、＾Ｐ９　）の急上昇部分に
動作点か確実に位置される。言い換えるとダイオード電
流１４は、動作点ＡＰＩ乃至＾Ｐ３を通る直線を有する
場合のように光レベルの増大によって増大されることは
なく、電流は許容できる値まで制限され、フォトダイオ
ードをまたがる電圧は負の領域から正の領域に反転され
る。

これをすることができる任意の回路は、本発明を構成す
るために適当である。基本回路に過ぎない第３図のトラ
ンジスタ回路は、単なる例示である。

例えば、上述の文献の５９頁乃至６３頁に与えられ、３
５６頁乃至３５４頁に示される電流ミラーおよび電流源
を含む一定電流源の全ての変形は適当であり、低い光レ
ベルで付加的回路素子によってＡＣ回路の、すなイ〕ち
Ｒ１を並列に有する抵抗によって３５７頁の第１３．１
１図の回路の抵抗を減少することが可能である。

最後に、第２図によって示される動作点の変化はまた、
別のパラメータすなわちバイアス　Ｕｏを変化すること
によって成し遂げられ得ることを指摘しておく。後者は
、直線の傾斜と無関係に抵抗によって決定される傾斜を
有する直線が横座標と交差する点を決定する。交差のこ
の点は、第２図においてＵｏで示される。第２図より、
したがって動作点ＡＰＩ乃至ＡＰ３を通る直線の点Ｕ°
およびこの直線自身を光レベルが増大するに応じて右に
変化する制御によって、　１１．８を越えるＡＰ３のよ
うな動作点を回避することが可能であることは、容易に
明らかである。

したがって、非常に低い値の固定抵抗Ｒｖ＠１’Ｔする
ダイナミックレンジを抵抗の制御よりも構成することが
容易であるバイアスを変化することによって拡大するこ
ともまた可能である。一番簡単な場合において、抵抗Ｒ
ｖの値の上記の変化に類似して、電圧供給源からの適当
な電圧はバイアス電圧として作用する。

もちろん、抵抗の値の変化をバイアス変化に連続的にま
たは非連続的に結合し、または電流制限素子のような第
３図で使用されるトランジスタ回路のために供給される
バイアスＵ。を変化することもまた可能である。

原理的には、フォトダイオードのＤＣ回路内の電流制限
素子すなわち抵抗ＲＶまたはトランジスタ回路は、フォ
トダイオードＰＤの反対側に配置され得ることもまた可
能である。

第１図の配置においてインダクタは、全体の回路上のＲ
ｖの標遊容量の効果を減少するために、Ｒｖとフォトダ
イオードの端子２の間に配置されることができる。

Ｕｏ・・・供給電圧源、Ｒｖ・・・可変抵抗、ｃ５・・
・キャパシタ、Ｒｓ・・・抵抗、ＰＤ・・・フォトダイ
オード、ＴＩＶ・・・トランスインピーダンス増幅器、
Ｒ↑・・・フィードバック抵抗、■・・・増幅回路、Ｕ
、・・・出力電圧。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にしたがった光受信機の基本的回路図
である。 第２図は、本発明を説明するための典型的なフォトダイ
オードの特性を示す。 第３図は、本発明の実施例の第１図の可変抵抗Ｒｖの変
わりにトランジスタ回路を有する基本的回路図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）トランスインピーダンス増幅器と、供給電圧源と
   前記トランスインピーダンス増幅器の入力の間の直流回
   路内に含まれるフォトダイオードと、直流回路内の直流
   電流を制限する素子と、ＡＣ電圧源として作動しフォト
   ダイオードの交流電圧をトランスインピーダンス増幅器
   内に流れる交流電流に変換するインピーダンスを含むフ
   ォトダイオードから供給される交流回路とを具備してい
   る光受信機において、 交流回路が、トランスインピーダンス増幅器の入力に接
   続されないフォトダイオードの端子をトランスインピー
   ダンス増幅器の出力に結合されている光受信機。
2. （２）インピーダンスが抵抗である請求項１記載の光受
   信機。
3. （３）インピーダンスがキャパシタおよび抵抗の直列結
   合体である請求項１記載の光受信機。
4. （４）抵抗がキャパシタによって分路されている請求項
   ２または３記載の光受信機。
5. （５）直流回路の直流電流を制限する素子が、直流回路
   内に含まれ電流−電圧特性が一定ベース電流においてバ
   イポーラトランジスタの出力特性に似ている非線形回路
   である請求項１乃至４のいずれか１項記載の光受信機。
6. （６）直流回路の直流電流を制限する素子が、直流回路
   およびバイアス源の電圧を制御するための回路内の抵抗
   である請求項１乃至４のいずれか１項記載の光受信機。
7. （７）前記直流回路の直流電流を制限する素子が、直流
   回路内の切り替え可能なまたは制御可能な抵抗である請
   求項１乃至４のいずれか１項記載の光受信機。