JPH11122053A - 光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器 - Google Patents

光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器

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JPH11122053A
JPH11122053A JP9277255A JP27725597A JPH11122053A JP H11122053 A JPH11122053 A JP H11122053A JP 9277255 A JP9277255 A JP 9277255A JP 27725597 A JP27725597 A JP 27725597A JP H11122053 A JPH11122053 A JP H11122053A
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JP
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transistor
preamplifier
optical communication
coupling capacitor
fet
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JP9277255A
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Kazuhisa Fujimoto
和久 藤本
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • H03F3/082Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with FET's

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成を簡易にすると共に低消費電力化を実現
できるようにし、また、高集積化及び広帯域化を実現で
きるようにする。 【解決手段】 入力された光電流をゲートに受け、ドレ
インが第2の負荷抵抗21を介して電源端子Vddに接続
され、ソースが接地された第1のFET22と、ゲート
が第2の負荷抵抗21と第1のFET22との共通接続
部に第1の段間結合用コンデンサ23を介して接続さ
れ、ドレインが電源端子Vddに接続され、ソースが帰還
抵抗25及び帰還結合用コンデンサ24を介して第1の
FET22のゲートに接続され、負帰還ループを形成す
る第2のFET26とを備えている。また、ゲートが第
2のFET26のソースと第2の段間結合用コンデンサ
27を介して接続され、ドレインが電源端子Vddに接続
され、ソースが出力端子OUTに接続された第3のFE
T28を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光受信機に用いら
れる光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器に関
し、特に、増幅用トランジスタに化合物半導体からなる
電界効果トランジスタ(以下、FETと略称する。)を
用いた光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、情報通信の高度化に伴い、情報伝
達手段としての光通信に対する要望が高まっている。な
かでも、伝送速度は著しく向上し、現在一般的な直接変
調−直接検波(IM−DD)方式によるデジタル伝送に
おいては、2.4Gbps及び10Gbpsの伝送速度
が実用化されており、さらには、20Gbps〜40G
bpsの研究開発も盛んである。
【0003】また、周波数が多重化された信号等をアナ
ログ伝送するシステムに関しても研究開発が盛んであ
る。例えば、狭帯域伝送には、800MHz帯、1.5
GHz帯又は1.9GHz帯を用いた移動体通信の基地
局間光通信があり、広帯域伝送には、50MHz〜80
0MHzの帯域を用いる40チャネルのテレビ信号(変
調方式:VSB−AM)と、120チャネルのデジタル
映像信号(変調方式:64QAM)をアナログ伝送する
光CATV(映像信号伝送)等とがある。
【0004】このような光通信システムにおいては、電
気信号を光信号に変換する光送信機と共に、光信号を電
気信号に変換する光受信機が必要となる。
【0005】(第1の従来例)以下、第1の従来例とし
て、光受信機に用いられるデジタル伝送用トランスイン
ピーダンス型前置増幅器について図面を参照しながら説
明する。
【0006】図3は従来のデジタル伝送用のトランスイ
ンピーダンス型前置増幅器の回路構成を示している。図
3に示すように、トランスインピーダンス型前置増幅器
110は光受信部100と接続されている。
【0007】光受信部100は、陰極が、20V〜30
Vの高電圧に印加された高電圧電源端子HVに接続さ
れ、陽極が第1の負荷抵抗101の一端に接続され、入
力された光信号を光電流に変換するアバランシェフォト
ダイオード又はPINフォトダイオード等からなる受光
素子102を有しており、該受光素子102は、第1の
負荷抵抗101の他端が接地されることにより逆バイア
スとなるように接続されている。受光素子102の陽極
と第1の負荷抵抗101との共通接続部は、直流を遮断
するコンデンサ103を介してトランスインピーダンス
型前置増幅器110の入力端子INと高インピーダンス
で接続されている。
【0008】トランスインピーダンス型前置増幅器11
0の入力端子INには、光信号が受光素子102により
変換された光電流が入力される。入力された光電流をゲ
ートに受け、ドレインが第2の負荷抵抗111を介して
電圧が+9Vの正電源端子Vddに接続され、ソースが接
地された第1のFET112と、ゲートが第2の負荷抵
抗111と第1のFET112との共通接続部に接続さ
れ、ドレインが正電源端子Vddに接続された第2のFE
T113と、陽極が第2のFET113のソースと接続
され、陰極が帰還抵抗114を介して第1のFET11
2のゲートに接続され、帰還抵抗114と負帰還ループ
を形成する複数のレベルシフトダイオード115と、ゲ
ートが第2のFET113のソースとレベルシフトダイ
オード115の陽極との共通接続部に接続され、ドレイ
ンが正電源端子Vddに接続され、ソースが出力端子OU
Tに接続された第3のFET116と、ドレインがレベ
ルシフトダイオード115の陰極と接続され、ゲートと
ソースとが電圧が−3.5Vの負電源端子Vssに接続さ
れた第1の電流源用FET117と、ドレインが第3の
FET116のソースと接続され、ゲートとソースとが
負電源端子Vssに接続された第2の電流源用FET11
8とを有している。
【0009】また、出力端子OUTから出力される電圧
信号は、出力インピーダンスが50Ω〜70Ω程度に変
換されて後段の主増幅器に入力される。
【0010】このように、従来のトランスインピーダン
ス型前置増幅器110は、受光素子102によって変換
された光電流を複数段の第1のFETを用いた負帰還増
幅器によって所定電圧にまで増幅する。特に、GHz帯
を扱うものはGaAs等からなる一の半導体基板に形成
されたマイクロ波集積回路(MMIC:Monolithic Mic
rowave Integrated Circuit)として実用化されている。
【0011】(第2の従来例)また、従来の一般的なM
MICにおいては、前記のトランスインピーダンス型前
置増幅器に限らず、半導体基板上に形成されるコンデン
サには、気相成長(CVD;Chemical Vapor Depositio
n)法等を用いて形成されたシリコン酸化(SiO2 )膜
又はシリコン窒化(SiN)膜を誘電体に用いるMIM
(Metal Insulator Metal)構造を持つコンデンサが使
われている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
従来例に係るトランスインピーダンス型前置増幅器は、
前置増幅器を構成するFETがすべて直結されているた
め、各FETの直流バイアスを設定するための複数のレ
ベルシフトダイオードと、正電源Vdd及び負電源Vssの
2電源とが必要となる。なぜなら、直流的に結合されて
いる複数のFETにおいて1つのFETに必要な動作電
圧を確保するために、増幅器全体の電源の電位差を大き
くする必要があるからである。また、複数のレベルシフ
トダイオードに対して前置増幅器の各FETの直流バイ
アス値がそれぞれ最適化されるようにパラメータを設定
する必要があり、また、複数のレベルシフトダイオード
は、MMIC化するにあたり小型化の障害となるという
問題を有している。
【0013】また、2電源構成は、負電源Vssを生成す
るための専用回路を必要とすると共に、FETの動作に
必要な電圧は通常ドレイン・ソース間に印加される3V
〜4V程度で十分であるにも関わらず、正電源Vddと負
電源Vssとの電位差は12.5Vとなり、光受信機の低
消費電力化が図れないという問題を有している。
【0014】一方、第2の従来例に係るMMICにおい
て、MIM構造を有するシリコン酸化膜及びシリコン窒
化膜を容量絶縁膜に用いたコンデンサは、MMIC上で
占有できる面積を考慮すると、その容量として20pF
〜50pF程度が限界となり、この程度の容量しか持た
ないコンデンサを段間結合等に用いると、低周波側の帯
域が制限されてしまい、広帯域化が図れないという問題
を有している。
【0015】本発明は、前記従来の問題を解決し、構成
を簡易にすると共に低消費電力化を実現できるようにす
ることを第1の目的とし、高集積化及び広帯域化を実現
できるようにすることを第2の目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】前記の第1の目的を達成
するため、本発明に係る光通信用トランスインピーダン
ス型前置増幅器は、入力された光信号を電気信号に変換
する受光素子の出力側に接続される光通信用トランスイ
ンピーダンス型前置増幅器であって、入力信号を増幅
し、増幅した信号を出力する第1のトランジスタと、ゲ
ートが第1のトランジスタのドレインに接続された第2
のトランジスタと、第2のトランジスタのソースからの
出力信号の一部を第1のトランジスタのゲートに戻すた
めの帰還抵抗と、第1のトランジスタのドレインと第2
のトランジスタのゲートとの間に接続され、第1のトラ
ンジスタと第2のトランジスタとを直流的に分離する第
1の結合コンデンサと、第2のトランジスタのソースと
第1のトランジスタのゲートとの間に接続され、第1の
トランジスタと第2のトランジスタとを直流的に分離す
る第2の結合コンデンサとを備えている。
【0017】本発明の光通信用トランスインピーダンス
型前置増幅器によると、第1のトランジスタの出力側と
第2のトランジスタの入力側との間に接続され、第1の
トランジスタと第2のトランジスタとを直流的に分離す
る第1の結合コンデンサと、第2のトランジスタにおけ
る帰還ループの出力側と第1のトランジスタにおける帰
還ループの入力側との間に接続され、第1のトランジス
タと第2のトランジスタとを直流的に分離する第2の結
合コンデンサとを備えているため、各トランジスタが交
流結合となるので、各トランジスタを動作させるには、
トランジスタ単体が動作できる最小限度のバイアス電圧
でよくなる。従って、従来必要であった、複数のトラン
ジスタの直流バイアスを正負の2電源を用いて最適化す
るレベルシフトダイオードと、該レベルシフトダイオー
ドに印加する負電源とが不要となる。
【0018】前記の第2の目的を達成するため、本発明
の光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器におい
て、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、帰還抵
抗、第1の結合コンデンサ及び第2の結合コンデンサ
が、同一の半導体基板上に形成されており、第1及び第
2の結合コンデンサが高誘電体からなる容量絶縁膜を有
していることが好ましい。このようにすると、第1及び
第2の結合コンデンサが高誘電体からなる容量絶縁膜を
有しているため、シリコン酸化膜等を用いた従来の結合
コンデンサよりも比誘電率が大きいので、従来の結合コ
ンデンサと同一の専有面積であっても結合コンデンサの
容量が大きくなる。
【0019】本発明の光通信用トランスインピーダンス
型前置増幅器において、容量絶縁膜がタンタル(Ta)
又はチタン(Ti)の酸化物を含む高誘電体からなるこ
とが好ましい。
【0020】本発明の光通信用トランスインピーダンス
型前置増幅器において、Ta又はTiの酸化物が、酸化
タンタル(TaOx 、但し、xは正の整数である。)又
は酸化ストロンチウムチタン(SrTiOx 、但し、x
は正の整数である。)であることが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)本発明の第1の実施形態について図
面を参照しながら説明する。
【0022】図1は本発明の第1の実施形態に係る光通
信用トランスインピーダンス型前置増幅器の回路構成を
示している。図1に示すように、光通信用トランスイン
ピーダンス型前置増幅器20は、外部から入力される光
信号を受信して光電流に変換する光受信部10と接続さ
れている。
【0023】光受信部10は、陰極が、20V〜30V
の高電圧に印加された高電圧電源端子HVに接続され、
陽極が第1の負荷抵抗11の一端に接続され、入力され
た光信号を光電流に変換するアバランシェフォトダイオ
ード又はPINフォトダイオード等からなる受光素子1
2を有しており、該受光素子12は、第1の負荷抵抗1
1の他端が接地されることにより逆バイアスとなるよう
に接続されている。受光素子12の陽極と第1の負荷抵
抗11との共通接続部は、直流を遮断するコンデンサ1
3を介して光通信用トランスインピーダンス型前置増幅
器20の入力端子INと高インピーダンスで接続されて
いる。
【0024】光通信用トランスインピーダンス型前置増
幅器20の入力端子INには、外部から入力された光信
号が受光素子12によって変換された光電流が入力され
る。入力された光電流をゲートに受け、ドレインが第2
の負荷抵抗21を介して電圧が+3Vの電源端子Vddに
接続され、ソースが接地された第1のFET22と、ゲ
ートが第2の負荷抵抗21と第1のFET22との共通
接続部に第1の結合コンデンサとしての第1の段間結合
用コンデンサ23を介して接続され、ドレインが電源端
子Vddに接続され、ソースが帰還抵抗25及び第2の結
合コンデンサとしての帰還結合用コンデンサ24を介し
て第1のFET22のゲートに接続され、負帰還ループ
を形成する第2のFET26と、ゲートが第2のFET
26のソースと第2の段間結合用コンデンサ27を介し
て接続され、ドレインが電源端子Vddに接続され、ソー
スが出力端子OUTに接続された第3のFET28とを
備えている。また、出力端子OUTから出力される電圧
信号は、出力インピーダンスが50Ω〜70Ω程度に変
換されて後段の主増幅器(図示せず)に入力される。
【0025】第1のFET22のゲートは第1のゲート
バイアス抵抗29を介して第1のゲートバイアス端子V
g1と接続され、第2のFET26のゲートは第2のゲー
トバイアス抵抗30を介して第2のゲートバイアス端子
Vg2と接続され、第3のFET28のゲートは第3のゲ
ートバイアス抵抗31を介して第3のゲートバイアス端
子Vg3と接続されており、第2のFET26のソースは
第1の抵抗32を介して接地され、第3のFET28の
ソースは第2の抵抗33を介して接地されている。ここ
で、各ゲートバイアス端子Vg1〜Vg3に印加される電圧
は、GaAsからなるFETの場合は、FETのサイズ
やしきい値電圧にもよるが−1V程度である。
【0026】本前置増幅器を、例えば、0.5GHz〜
6GHz程度の帯域を扱うアナログ伝送に応用する場合
には、第1の段間結合用コンデンサ23は約30pF、
帰還結合用コンデンサ24及び第2の段間結合用コンデ
ンサ27は約150pF程度で十分である。
【0027】このように、本実施形態によると、前置増
幅器を構成する複数のFETに対して、各FET間及び
帰還ループ内に交流結合し直流的に完全に分離させる結
合コンデンサが挿入されているため、従来のように、電
源の電位差を10V以上確保すると共に各FETの直流
バイアスを設定するための、負電源Vss及びレベルシフ
トダイオードが不要となる。すなわち、各増幅段のFE
Tに対して動作に必要な最小限の電源電圧、例えば、3
V程度を与えるだけで済むため、前置増幅器が低電圧で
駆動できるようになる。従って、電源電圧の低下分だけ
前置増幅器の消費電力を減らすことができるので、実用
上、極めて有効である。
【0028】なお、本実施形態において、前置増幅器を
0.5GHz〜6GHzの帯域を扱えるアナログ伝送用
トランスインピーダンス前置増幅器としたが、これに限
定されるものではない。
【0029】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0030】図2は本発明の第2の実施形態に係るMM
IC化された光通信用トランスインピーダンス型前置増
幅器の部分的な断面構成を示している。図2に示すよう
に、GaAsからなる半絶縁性基板40の上には、例え
ば、FET41と該FET41と異なる他のFET(図
示せず)との間を直流的に分離する段間結合用コンデン
サ42とが形成されている。
【0031】FET41は、半絶縁性基板40の上のリ
セス領域に形成されたショットキ型のゲート電極51
と、該ゲート電極51のゲート長方向側に形成されたソ
ース電極52及びドレイン電極53とから構成されてい
る。ゲート電極51、ソース電極52及びドレイン電極
53は、シリコン酸化膜等からなる第1の層間絶縁膜5
4及び第2の層間絶縁膜55によって覆われることによ
り互いに絶縁されると共に、ソース電極52及びドレイ
ン電極53の各上面には、アルミニウム等からなり、第
2の層間絶縁膜55に設けられたコンタクトホールに充
填され、ソース電極52及びドレイン電極53とそれぞ
れ電気的に接続される金属配線56が形成されている。
【0032】段間結合用コンデンサ42は、半絶縁性基
板40における第1の層間絶縁膜54の上に順次形成さ
れ、TiPtからなる下部電極57と、高誘電体のSr
TiO3 からなる容量絶縁膜58と、WSiN/TiA
uからなる上部電極59とから構成されている。ここ
で、容量絶縁膜58は、例えば、低温スパッタ法等を用
いて堆積されている。さらに、下部電極57の上面にお
ける容量絶縁膜58及び上部電極59を含む全面に第2
の層間絶縁膜55が堆積されている。下部電極57の上
面における容量絶縁膜58の外側には、第2の層間絶縁
膜55に設けられたコンタクトホールに充填され、下部
電極57と電気的に接続される金属配線56が形成され
ると共に、上部電極59の上面には、第2の層間絶縁膜
55に設けられたコンタクトホールに充填され、上部電
極59と電気的に接続される金属配線56が形成されて
いる。
【0033】このように、本実施形態によると、MMI
C化するにあたり、FET41と該FET41と異なる
他のFETとの間を直流的に分離する段間結合用コンデ
ンサ42を設けており、該段間結合用コンデンサ42の
容量絶縁膜にはSrTiO3からなる高誘電体膜を用い
ている。
【0034】高誘電体であるSrTiO3 は、高い比誘
電率を有するため、DRAMのキャパシタ等に応用する
研究開発が盛んである。SrTiO3 の比誘電率は、そ
の生成条件にも依存するが約150〜200程度であ
り、従来の半導体プロセスで通常用いられる、比誘電率
が4.2のシリコン酸化膜及び比誘電率が7のシリコン
窒化膜に比べて約20〜50倍である。
【0035】すなわち、SrTiO3 をコンデンサの容
量絶縁膜として用いることにより、シリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜を用いた従来のコンデンサに比べて占有面
積を約20分の1から50分の1にすることができるた
め、高集積化及び基板の小型化が容易となる。
【0036】また、コンデンサの占有面積を従来と同様
とすると、コンデンサの容量を20〜50倍程度大きく
できるので、従来では不可能であった広帯域の周波数特
性を持つ低消費電力のMMICを実現できる。
【0037】なお、本実施形態においては、高誘電体に
SrTiO3 を用いたが、これに限らず、TaOx であ
ってもよい。
【0038】また、伝送する信号の種類又は周波数帯域
によって、各FET間及び帰還ループ内に挿入される結
合コンデンサの容量を、MMICに集積化できる範囲で
選択しなければならないことは言うまでもない。
【0039】また、MMICとして光通信用トランスイ
ンピーダンス型前置増幅器を例に挙げたが、これに限ら
ず、MMIC上に形成される各種のコンデンサに高誘電
体を用いれば、回路の高集積化及び基板の小型化が容易
となる。
【0040】
【発明の効果】本発明に係る光通信用トランスインピー
ダンス型前置増幅器によると、第1のトランジスタと第
2のトランジスタにおける帰還ループを含めて出力側と
入力側とを直流的に分離する結合コンデンサを備えてい
るため、各トランジスタが交流結合となり、各トランジ
スタを動作させるには、トランジスタ単体が動作できる
最小限度のバイアス電圧でよくなる。これにより、従来
必要であった、レベルシフトダイオードと、該レベルシ
フトダイオードに印加する負電源とが不要となり、構成
を簡易化でき小型化が図れると共に、低電圧駆動が可能
となるので消費電力を低減することができる。
【0041】本発明の光通信用トランスインピーダンス
型前置増幅器において、第1のトランジスタ、第2のト
ランジスタ、帰還抵抗、第1の結合コンデンサ及び第2
の結合コンデンサが同一の半導体基板上に形成されてお
り、第1及び第2の結合コンデンサが高誘電体からなる
容量絶縁膜を有していると、第1及び第2の結合コンデ
ンサは、シリコン酸化膜等を用いた従来の結合コンデン
サよりも比誘電率が大きいので、従来の結合コンデンサ
と同一の専有面積であっても結合コンデンサの容量が大
きくなる。従って、段間に結合コンデンサを用いたとし
ても、広帯域なMMICを実現できる。また、結合コン
デンサの容量を従来の結合コンデンサと同程度とする
と、該結合コンデンサの専有面積を縮小できるので、さ
らに小型化を達成できる。
【0042】本発明の光通信用トランスインピーダンス
型前置増幅器において、容量絶縁膜がTa又はTiの酸
化物を含む高誘電体からなると、該高誘電体は半導体製
造プロセスになじみやすい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る光通信用トラン
スインピーダンス型前置増幅器を示す回路図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係るMMIC化され
た光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器を示す
部分構成断面図である。
【図3】従来のトランスインピーダンス型前置増幅器を
示す回路図である。
【符号の説明】
10 光受信部 11 第1の負荷抵抗 12 受光素子 13 コンデンサ 20 光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器 21 第2の負荷抵抗 22 第1のFET 23 第1の段間結合用コンデンサ(第1の結合コン
デンサ) 24 帰還結合用コンデンサ(第2の結合コンデン
サ) 25 帰還抵抗 26 第2のFET 27 第2の段間結合用コンデンサ 28 第3のFET 29 第1のゲートバイアス抵抗 30 第2のゲートバイアス抵抗 31 第3のゲートバイアス抵抗 32 第1の抵抗 33 第2の抵抗 IN 入力端子 OUT 出力端子 HV 高電圧電源端子 Vdd 電源端子 Vg1 第1のゲートバイアス端子 Vg2 第2のゲートバイアス端子 Vg3 第3のゲートバイアス 40 半絶縁性基板 41 FET 42 段間結合用コンデンサ 51 ゲート電極 52 ソース電極 53 ドレイン電極 54 第1の層間絶縁膜 55 第2の層間絶縁膜 56 金属配線 57 下部電極 58 容量絶縁膜 59 上部電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力された光信号を電気信号に変換する
    受光素子の出力側に接続される光通信用トランスインピ
    ーダンス型前置増幅器であって、 入力信号を増幅し、増幅した信号を出力する第1のトラ
    ンジスタと、 ゲートが前記第1のトランジスタのドレインに接続され
    た第2のトランジスタと、 前記第2のトランジスタのソースからの出力信号の一部
    を前記第1のトランジスタのゲートに戻すための帰還抵
    抗と、 前記第1のトランジスタのドレインと前記第2のトラン
    ジスタのゲートとの間に接続され、前記第1のトランジ
    スタと前記第2のトランジスタとを直流的に分離する第
    1の結合コンデンサと、 前記第2のトランジスタのソースと前記第1のトランジ
    スタのゲートとの間に接続され、前記第1のトランジス
    タと前記第2のトランジスタとを直流的に分離する第2
    の結合コンデンサとを備えていることを特徴とする光通
    信用トランスインピーダンス型前置増幅器。
  2. 【請求項2】 前記第1のトランジスタ、第2のトラン
    ジスタ、帰還抵抗、第1の結合コンデンサ及び第2の結
    合コンデンサは、同一の半導体基板上に形成されてお
    り、 前記第1及び第2の結合コンデンサは高誘電体からなる
    容量絶縁膜を有していることを特徴とする光通信用トラ
    ンスインピーダンス型前置増幅器。
  3. 【請求項3】 前記容量絶縁膜はTa又はTiの酸化物
    を含む高誘電体からなることを特徴とする請求項2に記
    載の光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器。
  4. 【請求項4】 前記Ta又はTiの酸化物は、TaOx
    又はSrTiOx であることを特徴とする請求項3に記
    載の光通信用トランスインピーダンス型前置増幅器。
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