JPH0739112U - 交流信号光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外付け素子を無くし、応答速度を高め、入力
インピーダンスを低くし、高い電流／電圧変換利得を得
る交流信号光増幅器を実現する。 【構成】 入力端子１と出力端子２との間に反転増幅器
と帰還抵抗Ｒ_f で構成したトランスインピーダンス回路
６を接続し、その出力端子２に現れる電圧をＧｍ増幅器
７から構成した等価抵抗とコンデンサＣ₂ とで積分し、
その積分した電圧を電圧増幅器８で増幅し、Ｇｍ増幅器
９で電流信号に変換してトランスインピーダンス回路６
に帰還させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、交流信号光を受光するフォトダイオード等の光学素子の出力電流を 電圧に変換・増幅する交流信号光増幅器に係り、特に半導体集積回路で構成する 際に外付け部品を不要とし、高速応答が可能で、外来ノイズにも影響を受け難い ようにした交流信号光増幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図２に従来の交流信号光増幅器のブロック図を示す。１は交流の電流信号が入 力する入力端子、２は電圧信号を出力する出力端子、３は演算増幅器、４はＧｍ 増幅器（Volage-Control-Current-Source ）である。ここでは、演算増幅器３の 非反転入力に入力端子１からの光信号電流を取り込み、反転入力と接地間にはコ ンデンサＣ₁ と抵抗Ｒ₁ からなるインピーダンス回路を外付けで接続し、更に直 流電流入力時にその反転入力の電位をＧｍ増幅器４により非反転入力に帰還させ ている。Ｒ₂ は帰還抵抗、Ｒ₃ は入力抵抗である。

【０００３】 ここで、図２に示す交流信号光増幅器の入出力特性について考えてみる。いま 、演算増幅器３の非反転入力の電圧をＶ₁ 、反転入力の電圧をＶ₂ 、入力端子１ から流入する電流をｉ₁ 、抵抗Ｒ₃ に分流する電流をｉ₂ 、Ｇｍ増幅器４に流入 する電流をｉ₃ 、出力端子２の電圧をＶｏ、Ｇｍ増幅器４の相互コンダクタンス をＧｍとすると、ｊω＝Ｓとして、

【０００４】 Ｖ₁ ＝Ｖ₂ ・・・（１） ｉ₁ ＝ｉ₂ ＋ｉ₃ ・・・（２） Ｖ₁ ＝ｉ₂ ・Ｒ₃ ・・・（３） Ｖ₂ ＝Ｖｏ・Ｚ／（Ｚ＋Ｒ₂ ） ・・・（４） ｉ₃ ＝−Ｇｍ・Ｖ₂ ・・・（５） Ｚ＝Ｒ₁ ＋１／ＳＣ₁ ・・・（６） である。

【０００５】 よって、出力電圧Ｖｏは、 Ｖｏ＝ｉ₁ ・［１＋Ｒ₂ ／Ｚ］／［（１／Ｒ₃ ）−Ｇｍ］ ・・・（７） となる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、この図２に示す回路では、次のような問題がある。その一つは、部 品を外付けにしなけれはならないことである。すなわち、回路の入出力特性によ り直流電流は入力端子１へ全帰還となって出力されず、交流信号のみが出力端子 ２から出力されるようになる。

【０００７】 よって、この回路の周波数特性は微分器の特性となり、そのカットオフ周波数 ｆ_c は式（７）式の入出力特性の零点で決定されてその値は、 ｆ_c ＝１／［２π（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）Ｃ₁ ］ ・・・（８） となる。

【０００８】 いま、仮にコンデンサＣ₁ を半導体集積回路内に作成するとしてその値を２０ ｐＦとし、カットオフ周波数ｆ_c ＝１ＫＨｚを実現する抵抗値（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）を 求めてみると、式（８）から、 （Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）＝１／［２π・ｆ_c ・Ｃ₁ ］ ＝７．９６ＭΩ となるが、このような高い値の抵抗を安価に半導体集積回路内に作り込むことは 不可能である。

【０００９】 次に、実使用上で問題がある。この回路は電流信号を出力するフォトダイオー ドとのインターフェースとして使用される。このフォトダイオードの等価モデル は図３に示すように、電流源５、半導体ＰＮ接合空乏層によりこの電流源５に並 列に寄生するジャンクション容量Ｃ_j 、暗電流が存在するために並列抵抗として 表現れる出力抵抗Ｒｏからなる。そして、この等価回路に、交流信号光増幅器の 電流／電圧変換抵抗（入力インピーダンス）Ｒ_i （＝Ｒ₃ ）が並列接続され、そ こで電流信号が電圧信号に変換される。

【００１０】 ここで、交流信号光増幅器の入力側にフォトダイオードを接続した場合の立上 り時間について考えてみる。図３の等価回路において、ジャンクション容量Ｃ_j ＝２０ｐＦ、出力抵抗Ｒｏ＝１ＧΩ、増幅器の入力インピーダンスＲ_i ＝１００ ＫΩとして、電流源５の電流はパルス波形とする。

【００１１】 出力電圧Ｖｏ（ｔ）の１０％〜９０％間の立上り時間をｔ_r とすると、出力抵 抗Ｒｏは無視して、 Ｖｏ（ｔ）＝ｉ・Ｒ_i ［１−ｅｘｐ（−ｔ₁ ／Ｃ_j ・Ｒ_i ）］／０．１ ・・・（９） Ｖｏ（ｔ）＝ｉ・Ｒ_i ［１−ｅｘｐ（−ｔ₂ ／Ｃ_j ・Ｒ_i ）］／０．９ ・・（１０） となる。

【００１２】 そこで、ｔ_r ＝ｔ₁ −ｔ₂ として、式（９）、（１０）を解くと、 ｔ_r ＝ｌｎ９・Ｃ_j Ｒ_i ・・（１１） となる。そして、ｆ_c ＝１／２πＣ_j ・Ｒ_i より、 ｔ_r ＝ｌｎ９／２πｆ_c ・・（１２） となり、立上り時間ｔ_r はカットオフ周波数ｆ_c と相反する関係となる。

【００１３】 ここで、上記式（１１）から立上り時間ｔ_r を計算すると、 ｔ_r ＝２．１９７・２π・２０×１０^{-1 2} ・１００×１０³ ＝４．４μｓ と極めて長くなる。

【００１４】 このように、立上り時間ｔ_r は入力インピーダンスＲ_i の値に依存し、その値 は小さいほど良い。また、この入力インピーダンスＲ_i の値は小さいほど容量結 合や誘導結合等が起こり難く外来ノイズによる誤動作を防ぐことができる。しか ながら、電流／電圧変換利得の面からは大きい方が良い。

【００１５】 以上のように、従来の交流信号光増幅器では、そこに必要となる抵抗の値が大 きくなり半導体集積回路内に作り込むことが困難であることから必然的に外付け となること、及び入力インピーダンスを変換利得と周波数応答や安定動作の両者 を満足させる値に設定することが困難である等の問題があった。

【００１６】 本考案の目的は、必要なコンデンサや抵抗を半導体集積回路内に作り込むこと が可能となり、更に必要な電流／電圧変換利得の獲得と低入力イピーダンスの実 現が可能となり外来ノイズの影響を受け難く且つ高速応答が可能となった交流信 号光増幅器を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】

本考案の目的は、帰還抵抗を接続した増幅器からなり入力端子と出力端子との 間に接続されるトランスインピーダンス回路と、非反転入力を上記出力端子に接 続し反転入力と出力を接続した第１のＧｍ増幅器と、該第１のＧｍ増幅器の出力 電流が充電されるコンデンサと、該コンデンサで得られる電圧を電流に変換して 上記入力端子に帰還する第２のＧｍ増幅器とからなることを特徴とする交流信号 光増幅器によって達成される。

【００１８】

【作用】

本考案では、トランスインピーダンス回路によって電流／電圧変換の必要な利 得の獲得と低入力インピーダンスを実現できる。また、第１のＧｍ増幅器によっ て大きな値の等価抵抗を得ることができ必要なカットオフ周波数を決めるコンデ ンサや他の抵抗を含め全て半導体集積回路内に作り込むことができる。

【００１９】

【実施例】 以下、本考案の実施例について説明する。図１はその一実施例の交流信号光増 幅器のブロック図である。図１において、６は反転増幅器に帰還抵抗Ｒ_f を接続 して構成したトランスインピーダンス回路（電流／電圧変換回路）であって、入 力端子１と出力端子２の間に接続される。７はトランスコンダクタンスがＧｍ₁ の（第１の）Ｇｍ増幅器であり、非反転入力が出力端子２に接続され、反転入力 と出力が共通接続されて等価抵抗として機能する。Ｃ₂ はそのＧｍ増幅器７の出 力電流ｉ₆ が充電されるコンデンサであり、そのＧｍ増幅器７との組合せで積分 回路を構成する。８はコンデンサＣ₂ に生じる電圧Ｖ₃ を増幅する利得Ｋの電圧 増幅器、９はその電圧増幅器８の出力電圧を電流信号ｉ₄ に変換してトランスイ ンピーダンス回路６に帰還させるトランスコンダクタンスがＧｍ₂ の（第２の） Ｇｍ増幅器である。

【００２０】 この実施例では、回路の入出力特性を求めると次のようになる。トランスイン ピーダンス回路６の反転増幅器の開ループ利得を無限大とすると、出力電圧Ｖｏ は、そのトランスインピーダンス回路６への入力電流をｉ₅ とすると、 Ｖｏ＝ｉ₅ ・Ｒ_f ・・（１３） となる。

【００２１】 また、入力インピーダンスＺ_i はトランスインピーダンス回路６の開ループ利 得をＡとすると、 Ｚ_i ＝Ｒ_f ／Ａ ・・（１４） となる。

【００２２】 Ｇｍ増幅器７では、 ｉ₆ ＝Ｇｍ₁ ・（Ｖｏ−Ｖ₃ ） ・・（１５） の関係式が成立するので、そこの等価抵抗Ｒ_e は、 Ｒ_e ＝（Ｖｏ−Ｖ₃ ）／ｉ₆ ＝１／Ｇｍ₁ ・・（１６） となり、Ｇｍ₁ が小さいほど大きくなる。

【００２３】 入力端子１に流入する電流ｉ₁ 、Ｇｍ増幅器９に流入する電流ｉ₄ 、トランス インピーダンス回路６に流れる電流ｉ₅ の間では、 ｉ₁ ＝ｉ₄ ＋ｉ₅ ・・（１７） の関係がある。

【００２４】 また、コンデンサＣ₃ に発生する電圧Ｖ₃ は、 Ｖ₃ ＝Ｖｏ／（１＋ＳＣ₃ Ｒ_e ） ・・（１８） である。

【００２５】 Ｇｍ増幅器９の出力電流ｉ₄ は、 ｉ₄ ＝Ｋ・Ｇｍ₂ ・Ｖ₃ ・・（１９） となる。

【００２６】 よって、以上の条件式より、入力電流ｉ₁ と出力電圧Ｖｏの関係は、 Ｖｏ＝−ｉ₁ ・Ｒ_f ／［１＋Ｋ・Ｇｍ₂ ・Ｒ_f ／（１＋ＳＣ₂ ／Ｇｍ₁ ）］ ・・（２０） となる。この式（２０）は１次微分器の式であり、カットオフ周波数を決める零 点はｆ_c ＝Ｇｍ₁ ／２πＣ₂ となる。

【００２７】 そして、カットオフ周波数より充分高い周波数（ｊω＝無限大）では、式（２ ０）から、 Ｖｏ＝−ｉ₁ ・Ｒ_f ・・（２１） で入力信号は増幅される。

【００２８】 一方、充分低い周波数（ｊω＝０）では、同式（２０）から、 Ｖｏ＝−ｉ₁ ・Ｒ_f ／［１＋Ｋ・Ｇｍ₂ ・Ｒ_f ］ ・・（２２） となる。そして、「１＜＜Ｋ・Ｇｍ₂ ・Ｒ_f 」のとき、１／Ｋ・Ｇｍ₂ で減衰す る。

【００２９】 また、回路の最大立上り時間は、図３の等価モデルを使用して、この増幅器の 帰還抵抗Ｒ_f ＝１００ＫΩとし、トランスインピーダンス回路６の反転増幅器の 開ループ利得Ａ＝８０ｄＢ（＝１０，０００）とすると、 ｔ_r ＝ｌｎ９・Ｃ_j Ｚ_i ＝ｌｎ９・Ｃ_j Ｒ_f ／Ａ ＝ｌｎ９・２０×１０^{-1 2} ・１００×１０³ ／１００００ ＝０．０００４４μｓ となり、前記した従来例よりも大幅に改善される。

【００３０】

【考案の効果】

以上のように本考案の交流信号光増幅器によれば、第１のＧｍ増幅器により等 価抵抗を作成しているので、そのＧｍ増幅器のトランスコンダクタンスを小さく することにより半導体集積回路内部に容易に高抵抗を実現することができる。従 って、その半導体集積回路内に作成した小容量のコンデンサとの組合せであって も、カットオフ周波数を必要十分な値に下げることができ、低周波域まで広い範 囲の交流信号光を扱うことができる。

【００３１】 また、トランスインピーダンス回路の帰還抵抗により電流／電圧変換を行なう ので、必要な変換利得を確保しながら小さい入力インピーダンスを実現できる。 このため、外来ノイズによる誤動作を防止し、また立上り時間が速い交流信号光 に充分対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の一実施例の交流信号光増幅器のブロ
ック図である。

【図２】 従来の交流信号光増幅器のブロック図であ
る。

【図３】 交流信号光増幅器の入力端子に接続するフォ
トダイオードの等価回路を示す図である。

【符号の説明】

１：入力端子、２：出力端子、３：演算増幅器、４：Ｇ
ｍ増幅器、５：電流源、６：トランスインピーダンス回
路、７：（第１の）Ｇｍ増幅器、８：電圧増幅器、９：
（第２の）Ｇｍ増幅器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 帰還抵抗を接続した増幅器からなり入力
   端子と出力端子との間に接続されるトランスインピーダ
   ンス回路と、非反転入力を上記出力端子に接続し反転入
   力と出力を接続した第１のＧｍ増幅器と、該第１のＧｍ
   増幅器の出力電流が充電されるコンデンサと、該コンデ
   ンサで得られる電圧を電流に変換して上記入力端子に帰
   還する第２のＧｍ増幅器とからなることを特徴とする交
   流信号光増幅器。