JPH04207511A

JPH04207511A - 緩衝回路

Info

Publication number: JPH04207511A
Application number: JP2334401A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Arimizu; 毅有水
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-29

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、電流人力／電流出力で入力インピーダンスが
小さく出力インピーダンスが大きい緩衝回路（バッファ
・アンプ）に関するもので、詳しくは従来よりもその構
成が簡単でかつ入出力の応答が高速な回路の実現方法に
関するものである。

〈従来の技術〉第６図は従来の緩衝回路の一例を示す構成図である１図
において、１は入力端子、２は出力端子、３はコモン端
子、４はＪｌｌＥ電源端子、５は負電源端子、６は緩衝
回路、７．８はカレントミラー回路、Ｊｌは入力電流源
、Ｒ１は負荷抵抗、Ｅｌは正電源、Ｒ２は負電源２．Ｒ
３，Ｒ４はバイアス用量　１源、Ｑ２．Ｑ４．Ｑ６はＮ
ＰＮトランジスタ、Ｑｌ、Ｑ３．Ｑ５はＰＮＰｈランジ
スタである。トランジスタＱｌ、Ｑ２のバイアス用電源
Ｅ３．Ｅ４はそれぞれ適当な値に調整しであるものとす
る。

この従来例の動作の主な特徴は以下のようなものである
。

（ａ）入力電流と出力電流が等しい。

（ｂン入カインピーダンスが非常に小さい、すなわち入
力信号源のの内部抵抗が小さくてもこの回路が駆動でき
る（Ｃ）出力インピーダンスが非常に大きい、すなわち出
力の負荷抵抗が大きくてもこの回路は次に接続される負
荷回路を駆動できる。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながらこのような従来例ではバイアス用電源Ｅ３
．Ｅ４の微妙な調整か必要なこと、部品点数が多い、等
の問題点がある。

く課題を解決するための手段〉前記した課題を解決する本発明は、（１）入力端子と、出力端子と、コモン端子と、一定の
電流を流し込むための正電源端子と、一定の電流を引き
出すための負電源端子と、ベースとコレクタが前記入力
端子に接続され、エミッタが前記正電源端子に接続され
た第１のＰＮＰトランジスタと、前記第１のＰＮＰトランジスタのエミッタと前記正電源
端子の共通接続点にエミッタが接続され、ベースが前記
コモン端子に接続され、コレクタが前記出力端子に接続
された、第２のＰ　Ｎ　Ｐ　ｌ−ランジスタと、前記第１のＰＮＰトランジスタのベースとコレクタと前
記入力端子の共通接続点にベースとコレクタが接続され
、エミッタが前記負電源端子に接続された第１のＮＰＮ
トランジスタと、前記第１のＮＰＮトランジスタのエミッタと前記負電源
端子の共通接続点にエミッタが接続され、前記コモン端
子と前記第２のＰＮＰトランジスタのベースの共通接続
点にベースが接続され、前記出力端子と前記第２のＰＮ
Ｐトランジスタのコレクタの共通接続点にコレクタが接
続された第２のＮＰＮトランジスタから構成された事を
特徴とするＭ１１回路である。

（２）入射されるパルス光をその光強度に応じた光電流
に変換するフォト・ダイオードなどの電流変化を検出す
るような回路において素子とその電流変化を検出するた
めの負荷抵抗の間に接続された、項目（１）の緩衝回路
である。

く作用〉本発明の装置では（ａ）入力電流と出力電流が等しい。

（ｂ）入力インピーダンスが非常に小さい。

（Ｃ）出力インピーダンスが非常に大きい。

という従来例の特徴を保ち、従来よりもその構成が簡単
でかつ入出力の応答を高速にできる。

〈実施例〉以下図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図である０図に
おいて、第６図と同等部分には同一符号を用いるＥｌは緩衝回路６に電源電流、Ｊｏを流し込むための電
源で、正端子が抵抗Ｒ２を経て緩衝回路６の正電源端子
４に接続され、負端子がコモン電位に接続されている。

Ｒ２はＭＷ１５１回路り電源電流Ｊ。を引き出すための
電源で、負端子が抵抗Ｒ３を経て緩衝回路６の負電源端
子５に接続され、正端子がコモン電位に接続されている
。

緩衝回路６は２個のＰＮＰトランジスタＱ１とＱ３と、
２個のＮＰＮトランジスタＱ２とＱ４で構成されており
、ＱｌとＱ３のエミッタは共に正電源端子４に、Ｑ２とＱ
４のエミッタは共に負電源端子５に、Ｑ】とＱ２のベー
スとコレクタは入力端子１に、Ｑ３とＱ４のベースはコ
モン端子３に、コレクタは出力端子２に接続されている
。なお、この緩衝回路６では、コモン端子３はコモン電
位に接続され、入力端子１とコモン端子３間には入力電
流源Ｊ１が、出力端子２とコモン端子３間には負荷抵抗
Ｒ１が接続されている。

精成の補足説明をすると、Ｑ１〜Ｑ４のエミッタ・ベー
ス間接合はダイオード・ブリッジと同等の作用を、Ｑｌ
とＱ３と、Ｑ２とＱ４は各々差動増幅器と同等の作用を
示し、またＱ３とＱ４はコレクタが共通で、ベースがコ
モン電位に接続された相補型のベース接地回路である。

本発明の動作の詳細な説明を行う、ただし、ここでは説
明を簡略化するために、ＱｌとＱ３、Ｑ２とＱ４は各々
互いに特性のそろったトランジスタを使用するものとし
Ｑ１〜Ｑ４の電流利得帯域幅積ｆ’ｒは等しいものとす
る。

動作は以下のようなものである。

＜ａ）入力端子ｌに流れ込む入力電流Ｉ、と出力端子２
から流れ出る出力電流Ｉ２が等しい。

これはＱ１〜Ｑ４のエミッタ・ベース間接合はタイオー
ド・ブリッジと同等の作用を示すからである。

（ｂ）入力インピーダンスは周波数ｆＴ以下では非常に
小さい。

これは本実施例の緩衝回Ｆ＃１６の回路の入力インピー
ダンスはエミッタ抵抗のみとなるからである。

（’ｃ）出力インピーダンスが非常に大きい。

これは本実施例の緩衝回Ｆ！？１６の回路の出力部はベ
ース接地回路であり、この回路は出力インピーダンスが
非常に大きいのは周知の事実である。

（ｄ）従来例よりも大男力の応答が高速である。

これは従来例の回路では入力部のトランジスタのベース
接地の周波数特性とカレントミラ一部の周波数特性を掛
は合わせたものであったが、本実施例では、出力部のト
ランジスタのベース接地の周波数特性によるものだけと
なるからである。

（ａ）、（ｂ）、（ｄ）については、以下に動作の説明
をする。

入力端子１に流れ込む入力電流１１と出力端子２から流
れ出る出力電流Ｉ２が等しい（ａ）理由を説明する。入
力端子１とコモン端子３の間に入力電流源Ｊ１が接続さ
れ、その大きさをＪｌとし、１、＝Ｊ、とする。すなわ
ち入力電流源Ｊ１がらの電流ぽすべて入力端子１に流れ
込んでいるものとする。するとキルヒホッフの法則によ
り、次の４個の式を得る。

Ｔ　ａｌ　＋　Ｉ　ｅｓ＝　Ｊ　ｏ　　　３１．（１）
ｒ　、２＋　１．４＝　、ｙ　ｏ　　　−（２）Ｉ　、
２＝　Ｉ　ｅＩ＋Ｉ　＋　　　　、（３）■、、４＝■
。３−■２　　・・・（４）Ｔ　ｅｌ＋　　Ｉ　ａ２＋
　　Ｉ　ｃ３＋　　Ｉ　ａ４＋　Ｊ　Ｏは第１図に図示
されている。式（２）に式（３）、　（４）を代入する
と、■。＋＋　Ｉ　＋＋Ｉ　−ｓ　　Ｉ　２　＝ＪＯ・
・・（５）式（５）と式（１）の両辺で差をとると、Ｉ
ｒ　　Ｉｘ＝Ｏ・・・（６）を得る６式（６）により入力電流１１と出力電流Ｉ２が
等しいことがわかる。

入力インピーダンスが低い（ｂ）理由を第２図を用い説
明する１本実施例の緩衝回路６の回路の入力部のうち上
半分、即ちＱｌとＱ３の等価回路はダイオードのエミッ
タ抵抗ｒ、とエミッタ接合容量Ｃ１が並列につながって
いるものを２個直列に結合されたものである。（第２図
−１，２参照）従って周波数ｆＴ以下では入力インピー
ダンスはエミッタ抵抗ｒ、が２個直列に結合したものと
なるので式（７）で表されるに＝１．３８Ｘ１０−”　　［Ｊ／Ｋ］ｑ＝１．６ｘｌ
Ｏ−”　　［Ｃ］常温（Ｔ＝３００Ｋ＞でＶＴ　＝２６ｍＶ、Ｑ２とＱ４
の動作も同様であるので、＃Ｉ衝回路６の全入力インピ
ータンスＺｉは半分になり、式（８）で表される例えば常温（’ｒ’＝３００Ｋ＞においてＪ　ｏ　＝　
１　ｍＡを代入すると入力インピーダンスは５２Ωにな
る。

従来例よりも入出力の応答が高速である（ｄ）理由を第
３図および第４図を用い説明する。第３図−１は従来例
の回路の下半分、第３図−２はその等価的な回路でＴ’
　ｒ　６は理想トランジスタ（ｆＴは無限大）である。

第３図−２は２個の周波数帯域低下の要因を持っており
、第１の周波数帯域の低下は入力電流１１がＱｌのベー
ス接地回路を介してｉｃｌとしてＱ】のコレクタから出
力されたときにＱｌの利得帯域幅積（ｆＴ　）となって
いることである。

次に第２の低下要因であるカレント・ミラー回路での周
波数帯域の低下を考える。）・ランジスタの利得帯域幅
積（ｆＴ　）は式（９）で表される。

ここで第３図−３，４に示すようにカレント・ミラー回
路に流れ込む＠流をｊ、仮想の理想トランジスタのコレ
クタ電流をｉｃとする。

入力電流ｉとＶＢｇ（ベース・エミッタ間電圧）の関係
は式（１０）で表される。

１／−５Ｅ＝ｉ’ｈ’　　　、　　　　　　　＝゛（＋
ｏ）１＋ｊω２　Ｃ−ｒ　ｅこの式（１０）に式（９）を代入すると、■、を理想ト
ランジスタに加えるのでコレクタ電流ｉＣはと表される。従って第３図−３に示すカレントミラー回
路の伝達利得帯域幅は（ｆｌ／２）で−３ｄＢとなるこ
とがわかる。

上記の説明より、（ａ）入力部ベース接地回路による低下ｆＴ、（ｂ）カ
レントミラー回路による低下（ｆＴ／２＞という２個の
帯域の低下要因が従来例の回路にあることが理解される
。これらは第３図−２に示すように縦列接続している。

帯域幅ｆＴのものと帯域幅に−ｆＴの縦列接続これに　
　ｋ＝０．５を代入するとｆｃ　＝０．４２ｆＴ・・・（１４）従来例のｆｃが求められたので本実施例のｆｃを導く、
第４図−１は本実施例の回路の下半分、第４図−２はそ
の等価的な回路である。入力電流１１はＱ２を通り、同
じ値を以てＱ４のエミッタ電流となる。従って周波数帯
域の低下はＱ４によるものだけになる。この場合ｆｃ　＝ｆＴ　　　　　・・・（１５）となるので、１
１０．４２＝２．４で従来例に比べ本実施例は２．４倍
の周波数帯域がのびたといえる。

なお、本発明の請求項（２）の実施例を詳細に説明する
。

第５図は、本発明の請求項（２）の一実施例を示す構成
図である。

図において、１０は入射されるパルス光をその光強度に
応じた光電流に変換するフォト・ダイオードである。（
このフォト・ダイオードには必ず内部接合容量Ｃが存在
する。よってフォト・ダイオードに直接負荷抵抗を接続
する。従来の構成のものでは、入射光りがフォト・タイ
オードに入射されると、直ちに光電流工が流れるが内部
容量Ｃの充電電流となってしまい、充電が完了してはじ
めて負荷抵抗に光電流Ｉが流れることになる。その結果
、入射光りが変化してから一定の遅れを伴ってはじめて
光・電変換出力電圧Ｖｏが表れていた。

＞　　２０は低圧側が接地された、フォト・ダイオード
のバイアス用の直流電源であり、フォト・ダイオード１
０の一端に直流電圧Ｅ５を印加している。フォト・ダイ
オード１０の他端は緩衝回ＦＩ？ｔ６の入力端子１に接
続されている。なお、直流電源２０は必すしも必要とす
るものではない、直流電源２０を用いない場合は、フォ
ト・ダイオードに入射光が当ると内部の半導体接合部の
電位差により光電流が流れ、直流電源２０を印加してい
る場合と同様に光電流が流れる。

このような構成においては、フォト・ダイオード１０に
入射された光りは、その強さに応じて変化する光電流■
に変換される。この光電流Ｉは、電流出力端子２より流
出し、負荷抵抗Ｒ１に流れる。その結果として出力端子
２には光電流Ｉと負荷抵抗Ｒ】の抵抗値ｒ１の積で表さ
れる電圧■。

が現れる。

本発明による動作を以下に述べる。

このような構成において、フォト・ダイオード１に入射
されたパルス光りは、その光の強さに応じて変化する光
電流Ｉに変換される。この光電流Ｉは、入力電流と出力
電流が等しく入力抵抗が低く出力インピータンスが高い
という特徴を持つ緩衝回路６の入力端子１に入力される
。従って入力端子１に入力された電流は、その大きさを
変えずにそのまま出力端子２から出力されるので、負荷
抵抗Ｒ１に流れる出力電流１゜は、入力される光電流■
に等しい。この事から入力光Ｉ−の強度の変化は、負荷
抵抗Ｒ１に流れる出力電流および両端に表れる電圧Ｖｏ
の変化で表されるといえる。ここで本発明の動作として
特徴となるものはフォト・タイオード１０のアノード側
の電位の一定性であり、以下その動作と意味合いを述べ
る。　第５図に示すように、フォト・ダイオードのアノ
ードに入力電流と出力電流が等しく入力インピーダンス
が低く出力インピーダンスが高いという特徴を持つＭ街
回路６が接続されているため、フォト・ダイオード１０
のアノードからコモンに対する電圧降下は非常に少なく
あたかもフォト・タイオード１０のアノード側はコモン
電位で一定になっているように考えて良い。

その結果としてフォト・タイオード１０のアノード・カ
ソード端子間に印加される電圧は、入力される光の強さ
いかんに拘らず常に一定［Ｒ５となり、高速で変化する
パルス光がフォト・タイオードに入射されてもフォト・
ダイオード内部の静電容量の充放電が起こらず、出力電
圧■。は入射光の高速な変化に忠実に応答することがで
きる。

〈発明の効果〉以上詳細に説明したように、本発明によれは、従来例の
特徴をおとすことなく簡単な構成で、高速な緩衝回路を
実現することができる。これは内部コンダクタンスの大
きい（内部抵抗の低い）電流源から、外部コンタクタン
スの小さい（外部負荷抵抗の大きい）回路へ結合する際
に高速動作を要求されるときに有効である。

また、フォト・ダイオードの内部接合容量の充放電の影
響を受けることなく、極めて高速な光を電気信号に変換
する回路を緩衝回路を用いて実現することができる。

特に、微弱であるが高速で変化する光の検出、例えば光
デイクスの情報読み出しなどに有効であり、種々の光通
信技術、光学等のあらゆる光学産業に応用して好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る緩衝回路の一実施例を示す構成図
、第２図〜第４図は動作の説明図、第５図は本発明に係
る光・電変換回路に応用した緩衝回路の一実施例を示す
構成図、第６図は従来の緩衝回路を示す構成図である。１・・・入力端子、２・・・出力端子、３・・・コモン端子、４・・・正電源端子、５・・・負電源端子、６・・・緩衝回路７．８・・・カレント・ミラー回路１０・・フォト・ダイオード、２０・・・バイアス用直流電源、Ｊｌ・・・入力電流源。Ｅｌ、Ｒ２・・・電源、Ｒ１・・・負荷抵抗、Ｒ２，Ｒ３・・・抵抗、Ｑｌ、Ｑ３．Ｑ５・・・ＰＮＰトランジスタＱ２．Ｑ４
．Ｑ６・・・ＮＰＮトランジスタ第　１　図一−Ｅ　ｆＣＯ０３ＰＮＰトう；ジヌタ、　　０２　０４　　ＮＰ
Ｎトう刀′ヌタ第２図暑　　　第７図−２Ｙ　３　図−１嘉　３　図−２第　３　図−３第３　Ｍ−４第　４　図−１第　４　図−２＠　５　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）入力端子と、出力端子と、コモン端子と、一定の
電流を流し込むための正電源端子と、一定の電流を引き
出すための負電源端子と、ベースとコレクタが前記入力
端子に接続され、エミッタが前記正電源端子に接続され
た第１のＰＮＰトランジスタと、前記第１のＰＮＰトランジスタのエミッタと前記正電源
端子の共通接続点にエミッタが接続され、ベースが前記
コモン端子に接続され、コレクタが前記出力端子に接続
された、第２のＰＮＰトランジスタと、前記第１のＰＮＰトランジスタのベースとコレクタと前
記入力端子の共通接続点にベースとコレクタが接続され
、エミッタが前記負電源端子に接続された第１のＮＰＮ
トランジスタと、前記第１のＮＰＮトランジスタのエミッタと前記負電源
端子の共通接続点にエミッタが接続され、前記コモン端
子と前記第２のＰＮＰトランジスタのベースの共通接続
点にベースが接続され、前記出力端子と前記第２のＰＮ
Ｐトランジスタのコレクタの共通接続点にコレクタが接
続された第２のＮＰＮトランジスタから構成された事を
特徴とする緩衝回路。
（２）入力端子に、パルス光をその光強度に応じた光電
流に変換するフォト・ダイオードからの電流信号変化が
印加され、出力端子とコモン端子に負荷抵抗を接続し、
光を電気信号に変換する回路に利用することを特徴とす
る、請求項（１）記載の緩衝回路。