KR100221655B1

KR100221655B1 - 광신호 검출 방법 및 검출기

Info

Publication number: KR100221655B1
Application number: KR1019960054208A
Authority: KR
Inventors: 이성수
Original assignee: 구본준; 엘지반도체주식회사
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1999-09-15
Also published as: KR19980035764A

Abstract

본 발명은 광신호 검출 방법 및 검출기에 관한 것으로 특히, 큰 게인과 넓은 대역폭을 가지면서도, 동시에 낮은 출력 오프셋과 노이즈에 강한 특성을 가질 수 있도록하기 위한 광신호 검출기기 구성 방법 및 그에 따른 검출기에 관한 것으로, 광전류를 전압으로 변환하는 광 검출회로의 출력 오프셋과 노이즈를 줄이면서 넓은 대역폭과 높은 게인을 동시에 가능하게 한다.

또한, 피드백 저항의 저항 크기를 줄일 수 있으므로 고속용으로 개발된 공정이 아니더라도 광 다이오드의 내부 캐페시던스 성분에 의한 대역폭 간소효과를 최소화 할 수 있게 한다.

Description

광신호 검출방법 및 검출기

제1도는 종래 광신호 검출기의 구성 예시도.

제2도는 광 다이오드의 등가회로.

제3도는 본 발명에 따른 광신호 검출기의 구성 예시도.

제4도는 제3도의 구성중 제1증폭기의 동작 특성 예시도.

제5도는 제3도의 구성중 제2증폭기의 동작 특성 예시도.

제6도는 제3도의 구성중 제2증폭기로 사용될 수 있는 일반적인 정류 증폭기의 회로도.

제7도는 본 발명에 따른 출력 파형의 예시도이다.

본 발명은 광신호 검출 방법 및 검출기에 관한 것으로 특히, 큰 게인과 넓은 대역폭을 가지면서도. 동시에 낮은 출력 오프셋과 노이즈에 강한 특성을 가질 수 있도록하기 위한 광신호 검출기기 구성 방법 및 그에 따른 검출기에 관한 것이다.

일반적으로, 광신호 검출기는 주로 CD-롬 드라이버 또는 광섬유를 이용한 통신에 사용되는데, 그 구성은 첨부한 제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 유입되는 광을 검출하여 전류로 바꾸어 주는 광 다이오드(PD)와, 상기 광 다이오드(PD)에서 생성된 전류 신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받아 전압으로 출력하는 증폭기(AMP)와, 임의의 기준전압을 입력받아 상기 증폭기(AMP)의 반전 데이터 입력단에 제공하는 제1저항(R1), 및 상기 증폭기(AMP)의 출력전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제2저항(R2)로 이루여져 있다.

이때, 상기 제1저항(R1)은 출력 오프셋을 없애기 위한 저항이며, 제2저항(R2)은 높은 출력전압을 얻기 위한 저항이다.

상기와 같이 구성되는 종래 광신호 검출기의 동작예를 살펴보면, 광 다이오드(PD)에 빛이 입사되면 역방향 바이어스가 걸린 상기 광 다이오드(PD)에는 전류가 흐르게 된다. 이때, 흐르는 광전류(I_PHOTO)는 증폭기(AMP)의 비반전 데이터 입력단에 입력되고, 상기 증폭기(AMP)의 동작에 따라 출력된 후 제2저항(R2)를 통해 피드백되어 다시 상기 비반전 데이터 입력단에 입력된다.

따라서, 상기 증폭기(AMP)의 출력 전압은 아래의 식(1)과 같이 표현될 수 있다.

출력전압(V₀) = 광전류(I_PHOTO) × 피드백저항(R2) ·······식(1)

상술한 바와 같은 출력전압을 갖는 종래 광신호 증폭기에서 기본적으로 설계 당시 가장 고려하는 파라메타는 출력전압의 레벨과 밴드폭(Band Width) 및 노이즈 특성이다.

이때, 출력전압의 레벨은 증폭기의 증폭 게인에 비례하는데 반하여 밴드폭은 상기 증폭 게인에 반비례하는 특성을 갖는다. 즉, 출력전압은 증폭 게인이 크면 증가하지만, 증폭 게인이 큰 증폭기는 좁은 밴드폭을 가진다. 또한, 높은 출력전압을 얻기 위해서는 피드백 저항인 제2저항(R2)의 저항치가 커야한다.

이때, 상기 광 다이오드(PD)는 일반적으로 첨부한 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 구성되어 있는데, 그 구성은 광전류(I_PHOTO)를 발생시키는 광전류 발생원(IG)와, 상기 광전류 발생원(IG)에 병렬 연결되어 있는 캐페시더(C)로 구성되어 있다.

그러므로, 피드백 저항인 제2저항(R2)가 큰 경우에는 첨부한 제2도에 도시되어 있는 캐페시더(C)와 상기 제2저항(R2)에 의한 RC 시정수가 커지게 되는데, 그에 따라 증폭기(AMP)의 증폭게인 또한 상기 제2저항(R2)에 비례하여 켜져야 한다.

상술한 바와 같이 제2저항(R2)가 커지면 증폭기의 증폭게인이 같이 커져야 하는데 이에 반비례해서 밴드 폭을 줄어들기 때문에 첨부한 제1도에 도시되어 있는 바와 같은 광검출기로서는 출력전압의 레벨과 밴드폭을 동시에 충족시키기 어렵다는 문제점이 발생되었다.

상기와 같이 문제점을 해소하기 위해 근래 제안된 방식은 상기 제1도에 도시되어 있는 광 검출기의 출력단에 또 다른 하나의 증폭기를 부가하여 하나의 증폭기에서는 출력전압을 크게얻고 나머지 다른 하나의 증폭기에서는 증폭도를 낮추어 밴드폭을 확보하는 형식이다.

그러나, 상술한 근래의 방식에서 각 증폭기를 선형적인 범용 증폭기를 사용하는 경우에는 전단에 위치하는 증폭기의 출력신호에서의 오프셋과 노이즈가 광신호와 함께 후단에 위치하는 증폭기에서 증폭되는 문제점이 발생됨에 따라 출력전압의 레벨과 밴드폭 및 노이즈 특성이라는 주요 파라메타를 모두 충족하기가 어렵다는 문제점이 발생되었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 비선형적인 전달특성을 갖는 두 개의 증폭기를 연결하여 노이즈 특성을 향상시키면서도 전단에 위치하는 광신호 검출기기 구성 방법 및 그에 따른 검출기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 광 다이오드를 통해 검출된 광신호에 따른 전류신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 광신호 검출기 구성 방법에 있어서, 임의의 전압신호를 기준으로 상기 광 다이오드에서 출력되는 전류신호를 낮은 증폭 게인과 넓은 밴드폭을 갖는 전압신호를 1차 증폭하는 제1과정과, 상기 제1과정을 통해 증폭되어진 전압신호를 낮은 증폭 게인으로 증폭하는 제2과정을 포함하는 것에 의하여 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭게인을 얻는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 광 다이오드를 통해 검출된 광신호에 따른 전류신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 광신호 검출기에 있어서, 임의의 기준전압을 반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 광 다이오드에서 생성된 전류 신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받아 낮은 증폭 게인에 따라 전압으로 출력하되 제1출력단으로 포지티브 신호를 출력하고 제2출력단으로는 반대 극성의 네가티브 신호를 출력하는 제1증폭기와, 상기 제1증폭기의 제2출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제1저항과, 상기 제1증폭기의 제1출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 출력하는 제2저항과, 상기 기준전압을 비반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 제2저항에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받아 낮은 증폭 게인에 따라 전압으로 출력하는 제2증폭기, 및 상기 제2증폭기의 출력전압을 입력받아 상기 제2증폭기의 반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제3저항을 포함하는 것에 의하여 연속 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭게인을 얻는 데 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

제3도는 본 발며에 따른 광신호 검출기의 구성 예시도로서, 유입되는 광을 검출하여 전류로 바꾸어 주는 광 다이오드(PD)와, 임의의 기준전압을 입력받아 출력하는 제1저항(RA)와, 상기 제1저항(RA)에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 광 다이오드(PD)에서 생성된 전류 신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받아 전압으로 출력하되 제1출력단으로 포지티브 신호(Vout1)를 출력하고 제2출력단으로는 반대 극성의 네가티브 신호를 출력하는 제1증폭기(AMPa)와, 상기 제1증폭기(AMPa)의 제2출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제2저항(RB)와, 상기 임의의 기준전압을 입력받아 출력하는 제3저항(RC)과, 상기 제1증폭기(AMPa)의 제1출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 출력하는 제4저항(RD)과, 상기 제3저항(RC)에서 출력되는 전압신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 제4저항(RD)에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받아 전압으로 출력하는 제2증폭기(AMPb), 및 상기 제2증폭기(AMPb)의 출력전압(Vout 2)를 입력받아 상기 제2증폭기(AMPb)의 반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제5저항(RE)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 광신호 검출기의 바람직한 동작예를 첨부한 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

상기 구성중 제1증폭기(AMPa)의 동작 특성은 첨부한 제4도에 도시되어 있는 바와 같이, 빛이 없는 상태에서의 출력은 기준전압보다 V_OS1만큼 높은 전압상태를 갖는다. 이때 상기 V_OS1은 노이즈 전압보다 크고, 동시에 공정에 무관하게 제어할 수 있을 정도로 큰 값을 취한다.

또한, 상기 제2증폭기(AMPb)의 동작 특성을 제5도에 도시되어 있는 바와 같다. 즉, 상기 제2증폭기(AMPb)는 정류기의 특성을 가진 비선형 증폭기이다.

즉, 기준전압보다 높은 전압에 대해서는 정류작용을 나타내고 반면에 기준전압보다 낮은 전압에 대해서는 아래 식(2)에 따른 증폭이득을 갖는다.

그러므로, 제1증폭기(AMPa)와 제2증폭기(AMPb)는 모드 낮은 증폭게인과 넓은 밴드폭을 갖는 특성을 갖지만, 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭게인을 얻는다.

상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 광신호 검출기에서 제2증폭기(AMPb)를 그대로 사용하는 경우 오프셋 현상이 발생될 수 있는데, 그 이유는 광전류가 없을 때 제1증폭기(AMPa)의 포지티브 출력(Vout1)이 기준전압보다 V_OS1만큼 크기 때문에 노이즈 전압보다 큰 레벨의 오프을 나타내기 때문이다.

따라서, 이러한 현상을 방지하기 위하여 첨부한 제6도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제2증폭기(AMP2)의 출력단에 캐소드가 연결되고 애노드는 상기 제2증폭기(AMP2)의 반전 데이터 입력단에 연결되는 제1다이오드(D1)와, 상기 제2증폭기(AMP2)의 출력단에 에노드가 연결되고, 상기 제2증폭기(AMP2)의 피드백 저항인 제5저항(RE)에 캐소드가 연결되어 상기 제2증폭기(AMP2)의 출력전압을 상기 제5저항(RE)에 걸어주기는 제2다이오드(D2)를 구비시킨다. 그에 따라, 첨부한 제7도는 본 발명에 따른 출력 파형을 얻을 수 있다.

상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 광신호 검출기를 제공하면 광전류를 전압으로 변환하는 광 검출회로의 출력 오프셋과 노이즈를 줄이면서 넓은 대역폭과 높은 게인을 동시에 가능하게 한다.

또한, 피드백 저항의 저항 크기를 줄일 수 있으므로 고속용으로 개발된 공정이 아니더라도 광 다이오드의 내부 캐페시던스 성분에 의한 대역폭 감소효과를 최소화 할 수 있게 한다.

Claims

광센서를 통해 검출된 광신호에 따른 전류신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 광신호 검출기 구성 방법에 있어서, 광신호가 없을 경우에 기준전압에서 노이즈 전압 이상 더 높은 출력 전압을 출력하고, 광신호가 있을 경우에는 기준 전압보다 낮은 출력전압을 얻기 위하여 광센서에서 출력되는 전류신호를 낮은 증폭 게인과 넓은 밴드폭을 갖는 전압신호로 1차 증폭하는 과정과 상기 1차 증폭되어진 전압신호를 낮은 증폭 게인으로 증폭하되, 기준전압 이상되는 전압신호에 대하여는 거의 증폭되지 아니하도록 정류특성을 가진 증폭기로 증폭하는 과정을 포함하여 이루어져서, 광센서의 출력 전류 신호를 두 번 증폭함에 의하여 노이즈 전압을 억제하면서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭 게인을 얻는 것을 특징으로 하는 광신호 검출 방법.
광 다이오드를 통해 검출된 광신호에 따른 전류신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 광신호 검출기에 있어서, 임의의 기준전압을 반전 데이터 입력 단에 입력받고 상기 광 다이오드에서 생성된 전류 신호를 비반전 데이터 입력 단에 입력받아 낮은 증폭 게인에 따라 전압으로 출력하되, 제1출력 단으로 포지티브 신호를 출력하고 제2출력 단으로는 반대 극성의 네거티브 신호를 출력하는 제1증폭기와 상기 제1증폭기의 제2출력 단에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력 단에 궤환 입력하는 제1저항과 상기 제1증폭기의 제1출력 단에서 출력되는 전압을 입력받아 출력하는 제2저항과; 상기 기준전압을 비반전 데이터 입력 단에 입력받고 상기 제2저항에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력 단에 입력받아 낮은 증폭 게인에 따라 전압으로 출력하는 제2증폭기 및 상기 제2증폭기의 출력전압을 입력받아 상기 제2증폭기의 반전 데이터 입력 단에 궤환 입력하는 제3저항을 포함하는 것에 의하여 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭게인을 얻는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제2항에 있어서, 상기 기준전압을 입력받아 상기 제1증폭기의 반전 데이터 입력단에 제공하는 제4저항과 상기 제2증폭기의 비반전 데이터 입력단에 제공하는 제5저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제3항에 있어서, 상기 제4저항과 제5저항은 출력 오프셋을 억제하기 위한 저항성분을 제공하는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제2항에 있어서, 상기 제1증폭기의 출력신호는 빛이 없는 상태에서의 상기 기준전압보다 소정 정압치만큼 높은 전압상태를 갖는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제5항에 있어서, 상기 제1증폭기의 출력신호와 상기 기준전압의 차에 해당하는 전압의 특성은 임의의 노이즈 전압보다 크고, 동시에 공정에 무관하게 제어할 수 있을 정도로 큰 값을 취하는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제2항에 있어서, 상기 제2증폭기는 정류기의 특성을 가진 비선형 증폭기를 사용하는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제2항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2증폭기는 기준전압보다 높은 전압의 유입에 대해서는 정류작용을 나타내는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.
제2항에 있어서, 상기 제2증폭기의 출력단에 캐소드가 연결되고 애노드는 상기 제2증폭기의 반전 데이터 입력단에 연결되는 제1다이오드와; 상기 제2증폭기의 출력단에 애노드가 연결되고 상기 제2증폭기의 피드백 저항인 제3저항에 캐소드가 연결되어 상기 제2증폭기의 출력전압을 상기 제3저항에 걸어주기는 제2다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광신호 검출기.