KR19980035764A - Optical signal detector composition method and detector accordingly - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광신호 검출기에 관한 것으로 특히, 큰 게인과 넓은 대역폭을 가지면서도 동시에 낮은 출력 오프셋과 노이즈에 강한 특성을 가질 수 있도록 하기 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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal detector, and more particularly, to a method of configuring an optical signal detector and a detector according to the present invention, which have a large gain and a wide bandwidth, and at the same time have a strong characteristic against low output offset and noise. Wide bandwidth and high gain can be simultaneously achieved while reducing the output offset and noise of the photodetector circuit which converts the circuit to the PDP.
또한, 피드백 저항의 저항 크기를 줄일 수 있으므로 고속용으로 개발된 공정이 아니더라도 광 다이오드의 내부 캐페시던스 성분에 의한 대역폭 감소효과를 최소화할 수 있게 한다.In addition, since the resistance size of the feedback resistor can be reduced, the bandwidth reduction effect due to the internal capacitance component of the photodiode can be minimized even if the process is not developed for high speed.
Description
제 1 도는 종래 광신호 검출기의 구성 예시도1 is a diagram illustrating a configuration of a conventional optical signal detector
제 2 도는 광 다이오드의 등가회로2nd equivalent circuit of photodiode
제 3 도는 본 발명에 따른 광신호 검출기의 구성 예시도3 is a diagram illustrating the configuration of an optical signal detector according to the present invention.
제 4 도는 제 3 도의 구성중 제 1 증폭기의 동작 특성 예시도4 is a diagram illustrating an operating characteristic of the first amplifier in the configuration of FIG.
제 5 도는 제 3 도의 구성중 제 2 증폭기의 동작 특성 예시도5 is a diagram illustrating the operating characteristics of the second amplifier in the configuration of FIG.
제 6 도는 제 3 도의 구성중 제 2 증폭기로 사용될 수 있는 일반적인 정류 증폭기의 회로도6 is a circuit diagram of a general rectifier amplifier that can be used as the second amplifier in the configuration of FIG.
제 7 도는 본 발명에 따른 출력 파형의 예시도이다.7 is an exemplary view of an output waveform according to the present invention.
본 발명은 광신호 검출기에 관한 것으로 특히, 큰 게인과 넓은 대역폭을 가지면서도 동시에 낮은 출력 오프셋과 노이즈에 강한 특성을 가질 수 있도록 하기 위한 광신호 검출기기 구성 방법 및 그에 따른 검출기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal detector, and more particularly, to a method for constructing an optical signal detector and a detector according to the present invention, which have a large gain and a wide bandwidth, and at the same time have a strong characteristic against low output offset and noise.
일반적으로, 광신호 검출기는 주로 CD-롬 드라이버 또는 광섬유를 이용한 통신에 사용되는데, 그 구성은 첨부한 제 1 도에 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 제 1 저항(R1), 및 상기 증폭기(AMP)의 출력전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제 2 저항(R2)로 이루어져 있다.In general, an optical signal detector is mainly used for communication using a CD-ROM driver or an optical fiber. The configuration of the photodiode (PD) detects incoming light and converts it into a current as shown in FIG. ), An amplifier (AMP) that receives the current signal generated by the photodiode (PD) at a non-inverting data input terminal and outputs the voltage, and receives an arbitrary reference voltage to provide an inverting data input terminal of the amplifier (AMP). The first resistor R1 and the second resistor R2 are feedbacked to the non-inverting data input terminal by receiving the output voltage of the amplifier AMP.
이때, 상기 제 1 저항(R1)은 출력 오프셋을 없애기 위한 저항이며, 제 2 저항(R2)은 높은 출력전압을 얻기 위한 저항이다.In this case, the first resistor R1 is a resistor for canceling the output offset, and the second resistor R2 is a resistor for obtaining a high output voltage.
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(IPHOTO)는 증폭기(AMP)의 비반전 데이터 입력단에 입력되고, 상기 증폭기(AMP)의 동작에 따라 출력된 후 제 2 저항(R2)를 통해 피드백되어 다시 상기 비반전 데이터 입력단에 입력된다.Referring to the operation example of the conventional optical signal detector configured as described above, when light is incident on the photodiode PD, a current flows in the photodiode PD subjected to reverse bias. At this time, the flowing photocurrent I PHOTO is input to the non-inverting data input terminal of the amplifier AMP, is outputted according to the operation of the amplifier AMP, and then fed back through the second resistor R2 and is again input to the non-inverting data input terminal. Is entered.
따라서, 상기 증폭기(AMP)의 출력 전압은 아래의 식(1)과 같이 표현될 수 있다.Therefore, the output voltage of the amplifier AMP can be expressed as in Equation (1) below.
출력전압(VO) = 광전류(IPHOTO) × 피드백저항(R2)……… 식(1)Output voltage (V O ) = photocurrent (I PHOTO ) x feedback resistor (R2). … … Formula (1)
상술한 바와 같은 출력전압을 갖는 종래 광신호 검출기에서 기본적으로 설계 당시 가장 고려하는 파라메타는 출력전압의 레벨과 밴드폭(Band Width) 및 노이즈 특성이다.In the conventional optical signal detector having the output voltage as described above, the parameters most considered at the time of design are the output voltage level, band width and noise characteristics.
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 제 2 저항(R2)의 저항치가 커야 한다.In this case, the level of the output voltage is in proportion to the amplification gain of the amplifier, while the bandwidth is inversely proportional to the amplification gain. That is, the output voltage increases when the amplification gain is large, but the amplifier with the large amplification gain has a narrow bandwidth. In addition, in order to obtain a high output voltage, the resistance of the second resistor R2, which is a feedback resistor, must be large.
이때, 상기 광 다이오드(PD)는 일반적으로 첨부한 제 2 도에 도시되어 있는 바와 같이 구성되어 있는데, 그 구성은 광전류(IPHOTO)를 발생시키는 광전류 발생원(IG)와, 상기 광전류 발생원(IG)에 병렬 연결되어 있는 캐페시더(C)로 구성되어 있다.In this case, the photodiode PD is generally configured as shown in the accompanying FIG. 2, which includes a photocurrent generator IG for generating a photocurrent I PHOTO and a photocurrent generator IG. It consists of a capacitor (C) connected in parallel.
그러므로, 피드백 저항인 제 2 저항(R2)가 큰 경우에는 첨부한 제 2 도에 도시되어 있는 캐페시더(C)와 상기 제 2 저항(R2)에 의한 RC 시정수가 커지게 되는데, 그에 따라 증폭기(AMP)의 증폭 게인 또한 상기 제 2 저항(R2)에 비례하여 커져야 한다.Therefore, when the second resistor R2, which is a feedback resistor, is large, the RC time constant by the capacitor C and the second resistor R2 shown in FIG. 2 is increased. The amplification gain of AMP must also be large in proportion to the second resistance R2.
상술한 바와 같이 제 2 저항(R2)가 커지면 증폭기의 증폭 게인이 같이 커져야 하는데 이에 반비례해서 밴드폭을 줄어들기 때문에 첨부한 제 1 도에 도시되어 있는 바와 같은 광검출기로서는 출력전압의 레벨과 밴드폭을 동시에 충족시키기 어렵다는 문제점이 발생되었다.As described above, when the second resistor R2 increases, the amplification gain of the amplifier must increase together, and the bandwidth is reduced in inverse proportion. As a photodetector as shown in FIG. 1, the level and bandwidth of the output voltage are shown. A problem arises that it is difficult to meet at the same time.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 근래 제안된 방식은 상기 제 1 도에 도시되어 있는 광 검출기의 출력단에 또 다른 하나의 증폭기를 부가하여 하나의 증폭기에서는 출력전압을 크게 얻고 나머지 다른 하나의 증폭기에서는 증폭도를 낮추어 밴드폭을 확보하는 형식이다.In order to solve the above problems, a recent proposed method adds another amplifier to the output terminal of the photo detector shown in FIG. 1 to obtain a large output voltage in one amplifier and an amplification degree in the other amplifier. It is a type to secure bandwidth by lowering.
그러나, 상술한 근래의 방식에서 각 증폭기를 선형적인 범용 증폭기로 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.However, in the case of using each amplifier as a linear general-purpose amplifier in the above-described method, a problem arises in that the offset and noise in the output signal of the amplifier located at the front end are amplified in the amplifier located at the rear side together with the optical signal. As a result, it is difficult to meet all of the main parameters such as the output voltage level, bandwidth, and noise characteristics.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 비선형적인 전달특성을 갖는 두개의 증폭기를 연결하여 노이즈 특성을 향상시키면서도 전단에 위치하는 광신호 검출기기 구성 방법 및 그에 따른 검출기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method of configuring an optical signal detector located at the front end while connecting two amplifiers having nonlinear transfer characteristics and improving noise characteristics, and a detector accordingly.
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 전압신호로 1차 증폭하는 제 1 과정과, 상기 제 1 과정을 통해 증폭되어진 전압신호를 낮은 증폭 게인으로 증폭하는 제 2 과정을 포함하는 것에 의하여 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭 게인을 얻는데 있다.A feature of the present invention for achieving the above object is, in the optical signal detector configuration method for converting the current signal according to the optical signal detected through the photodiode into a voltage signal, and outputting, based on the arbitrary voltage signal And a first step of amplifying the current signal output from the first signal into a voltage signal having a low amplification gain and a wide bandwidth, and a second step of amplifying the voltage signal amplified by the first step with a low amplification gain. This results in a large amplification gain with wide bandwidth through two successive amplifications.
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 제 1 출력단으로 포지티브 신호를 출력하고 제 2 출력단으로는 반대 극성의 네가티브 신호를 출력하는 제 1 증폭기와, 상기 제 1 증폭기의 제 2 출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제 1 저항과, 상기 제 1 증폭기의 제 1 출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 출력하는 제 2 저항과, 상기 기준전압을 비반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 제 2 저항에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받아 낮은 증폭 게인에 따라 전압으로 출력하는 제 2 증폭기, 및 상기 제 2 증폭기의 출력전압을 입력받아 상기 제 2 증폭기의 반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제 3 저항을 포함하는 것에 의하여 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭 게인을 얻는데 있다.Another feature of the present invention for achieving the above object is, in the optical signal detector for converting the current signal according to the optical signal detected through the photodiode into a voltage signal, and outputs any reference voltage to the inverted data input terminal The first amplifier receives the current signal generated by the photodiode to the non-inverting data input terminal and outputs the voltage according to the low amplification gain, but outputs a positive signal to the first output terminal and a negative signal of opposite polarity to the second output terminal. And a first resistor for receiving a voltage output from the second output terminal of the first amplifier and feedbacking the non-inverting data input terminal, and a second for receiving and outputting a voltage output from the first output terminal of the first amplifier. A resistor and a voltage signal inputted from a non-inverting data input terminal to the reference voltage and output from the second resistor; A second amplifier which is input to the inverting data input terminal and outputs a voltage according to a low amplification gain, and a third resistor that receives the output voltage of the second amplifier and feeds back to the inverting data input terminal of the second amplifier. It is to obtain large amplification gain with wide bandwidth through two consecutive amplifications.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
제 3 도는 본 발명에 따른 광신호 검출기의 구성 예시도로서, 유입되는 광을 검출하여 전류로 바꾸어 주는 광 다이오드(PD)와, 임의의 기준전압을 입력받아 출력하는 제 1 저항(RA)와, 상기 제 1 저항(RA)에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 광 다이오드(PD)에서 생성된 전류 신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받아 전압으로 출력하되 제 1 출력단으로 포지티브 신호(Vout1)를 출력하고 제 2 출력단으로는 반대 극성의 네가티브 신호를 출력하는 제 1 증폭기(AMPa)와, 상기 제 1 증폭기(AMPa)의 제 2 출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 비반전 데이터 입력단에 궤한 입력하는 제 2 저항(RB)와, 상기 임의의 기준전압을 입력받아 출력하는 제 3 저항(RC)과, 상기 제 1 증폭기(AMPa)의 제 1 출력단에서 출력되는 전압을 입력받아 출력하는 제 4 저항(RD)과, 상기 제 3 저항(RC)에서 출력되는 전압신호를 비반전 데이터 입력단에 입력받고 상기 제 4 저항(RD)에서 출력되는 전압신호를 반전 데이터 입력단에 입력받아 전압으로 출력하는 제 2 증폭기(AMPb), 및 상기 제 2 증폭기(AMPb)의 출력전압(Vout2)를 입력받아 상기 제 2 증폭기(AMPb)의 반전 데이터 입력단에 궤환 입력하는 제 5 저항(RE)으로 구성되어 있다.3 is a diagram illustrating a configuration of an optical signal detector according to the present invention, a photodiode (PD) for detecting incoming light and converting it into a current, a first resistor (RA) for receiving and outputting an arbitrary reference voltage; The voltage signal output from the first resistor RA is input to the inverting data input terminal and the current signal generated from the photodiode PD is input to the non-inverting data input terminal and output as a voltage, but the positive signal Vout1 is output to the first output terminal. ) And a voltage output from the second output terminal of the first amplifier AMPa to output a negative signal of opposite polarity to the second output terminal. A second resistor RB to input, a third resistor RC to receive and output the arbitrary reference voltage, and a voltage to receive and output a voltage output from the first output terminal of the first amplifier AMPa. The fourth resistor RD and the voltage signal output from the third resistor RC are input to the non-inverting data input terminal, and the voltage signal output from the fourth resistor RD is input to the inverting data input terminal and output as a voltage. The second amplifier AMPb and the output voltage Vout2 of the second amplifier AMPb are input, and the fifth resistor RE is fed back to the inverting data input terminal of the second amplifier AMPb.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 광신호 검출기의 바람직한 동작예를 첨부한 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the optical signal detector according to the present invention configured as described above are as follows.
상기 구성중 제 1 증폭기(AMPa)의 동작 특성은 첨부한 제 4 도에 도시되어 있는 바와 같이, 빛이 없는 상태에서의 출력은 기준전압보다 VOS1만큼 높은 전압상태를 갖는다. 이때, 상기 VOS1은 노이즈 전압보다 크고, 동시에 공정에 무관하게 제어할 수 있을 정도로 큰 값을 취한다.The operating characteristics of the first amplifier (AMPa) of the above structure has a high voltage state, as the output from the non-light state V OS1 than the reference voltage as shown in FIG. 4 attached. At this time, the V OS1 is larger than the noise voltage and at the same time takes a value large enough to be controlled regardless of the process.
또한, 상기 제 2 증폭기(AMPb)의 동작 특성은 제 5 도에 도시되어 있는 바와 같다. 즉, 상기 제 2 증폭기(AMPb)는 정류기의 특성을 가진 비선형 증폭기이다.In addition, the operating characteristics of the second amplifier AMPb are as shown in FIG. That is, the second amplifier AMPb is a nonlinear amplifier having the characteristics of a rectifier.
즉, 기준전압보다 높은 전압에 대해서는 정류작용을 나타낸고 반면에 기준전압보다 낮은 전압에 대해서는 아래 식(2)에 따른 증폭이득을 갖는다.In other words, the rectification effect is shown for the voltage higher than the reference voltage, while the amplification gain is obtained according to the following equation (2) for the voltage lower than the reference voltage.
그러므로, 제 1 증폭기(AMPa)와 제 2 증폭기(AMPb)는 모드 낮은 증폭 게인과 넓은 밴드폭을 갖는 특성을 갖지만, 연속된 두 번의 증폭을 거쳐서 넓은 대역폭과 함께 큰 증폭 게인을 얻는다.Therefore, the first amplifier AMPa and the second amplifier AMPb have a characteristic of having a mode low amplification gain and a wide bandwidth, but a large amplification gain with a wide bandwidth is obtained through two consecutive amplifications.
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 광신호 검출기에서 제 2 증폭기(AMPb)를 그대로 사용하는 경우 오프셋 현상이 발생될 수 있는데, 그 이유는 광전류가 없을 때 제 1 증폭기(AMPa)의 포지티브 출력(Vout1)이 기준전압보다 VOS1만큼 크기 때문에 노이즈 전압보다 큰 레벨의 오프셋을 나타내기 때문이다.When the second amplifier AMPb is used as it is in the optical signal detector according to the present invention operating as described above, an offset phenomenon may occur, because of the positive output Vout1 of the first amplifier AMPa when there is no photocurrent. () Is larger than the reference voltage because V OS1 is larger than the noise voltage.
따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 첨부한 제 6 도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제 2 증폭기(AMP2)의 출력단에 캐소드가 연결되고 애노드는 상기 제 2 증폭기(AMP2)의 반전 데이터 입력단에 연결되는 제 1 다이오드(D1)와, 상기 제 2 증폭기(AMP2)의 출력단에 애노드가 연결되고 상기 제 2 증폭기(AMP2)의 피드백 저항인 제 5 저항(RE)에 캐소드가 연결되어 상기 제 2 증폭기(AMP2)의 출력전압을 상기 제 5 저항(RE)에 걸어주기는 제 2 다이오드(D2)를 구비시킨다. 그에 따라, 첨부한 제 7 도는 본 발명에 따른 출력 파형을 얻을 수 있다.Therefore, in order to prevent this phenomenon, as shown in FIG. 6, a cathode is connected to the output terminal of the second amplifier AMP2 and an anode is connected to the inverting data input terminal of the second amplifier AMP2. An anode is connected to a first diode D1 and an output terminal of the second amplifier AMP2, and a cathode is connected to a fifth resistor RE, which is a feedback resistor of the second amplifier AMP2, so that the second amplifier AMP2 is connected. The second diode D2 is provided to apply the output voltage of the second resistor RE to the fifth resistor RE. Accordingly, the attached FIG. 7 can obtain the output waveform according to the present invention.
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 광신호 검출기를 제공하면 광전류를 전압으로 변화하는 광 검출회로의 출력 오프셋과 노이즈를 줄이면서 넓은 대역폭과 높은 게인을 동시에 가능하게 한다.Providing the optical signal detector according to the present invention operating as described above enables a wide bandwidth and high gain at the same time while reducing the output offset and noise of the optical detection circuit that changes the photocurrent to voltage.
또한, 피드백 저항의 저항 크기를 줄일 수 있으므로 고속용으로 개발된 공정이 아니더라도 광 다이오드의 내부 캐페시던스 성분에 의한 대역폭 감소효과를 최소화할 수 있게 한다.In addition, since the resistance size of the feedback resistor can be reduced, the bandwidth reduction effect due to the internal capacitance component of the photodiode can be minimized even if the process is not developed for high speed.
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| KR1019960054208A KR100221655B1 (en) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | Optical signal detecting method and detector |
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| KR1019960054208A KR100221655B1 (en) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | Optical signal detecting method and detector |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20150050413A (en) * | 2013-10-29 | 2015-05-08 | 서울대학교산학협력단 | Sensing System Using Positive Feedback |
-
1996
- 1996-11-15 KR KR1019960054208A patent/KR100221655B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| KR20150050413A (en) * | 2013-10-29 | 2015-05-08 | 서울대학교산학협력단 | Sensing System Using Positive Feedback |
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| KR100221655B1 (en) | 1999-09-15 |
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