(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子を備え、前記入力端子から入力された電流信号を電圧信号に変換して前記出力端子から出力する光受信前置増幅器であって、
反転増幅器と、帰還抵抗と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第１の負荷部材と、第２の負荷部材と、第１のバイアス部材とを具備し、
前記反転増幅器の入力が前記入力端子に接続され、前記反転増幅器の出力が前記第１のトランジスタのゲートに接続され、前記第１のトランジスタのソースと前記第２のトランジスタのソースが前記第１のバイアス部材に接続され、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が前記第１の負荷部材に接続され、前記第２のトランジスタのドレインが、前記第２の負荷部材及び前記出力端子に接続され、前記入力端子と前記出力端子の間に前記帰還抵抗が接続された構成を有することを特徴とする光受信前置増幅器。
【請求項２】
第２のバイアス部材を具備し、この第２のバイアス部材が、前記第１の負荷部材に接続された構成を有することを特徴とする請求項１記載の光受信前置増幅器。
【請求項３】
前記負荷部材は、ドレインとゲートが接続されたトランジスタであることを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項４】
前記バイアス部材は、定電流源であることを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項５】
前記バイアス部材は、ドレインとゲートが接続されたトランジスタであることを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項６】
ゲートが反転増幅器の出力に接続され、ソースが入力端子に接続されたトランジスタを具備することを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項７】
ゲートが出力端子に接続され、ソースが入力端子に接続されたトランジスタを具備することを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項８】
反転増幅器の入出力間に並列に接続されたトランジスタと、ピーク検出回路とを具備し、前記ピーク検出回路の入力が出力端子に接続され、前記ピーク検出回路の出力が前記トランジスタのゲートに接続された構成を有することを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項９】
前記反転増幅器は、第１の極性の第３及び第４のトランジスタと、第２の極性の第５のトランジスタと、第３の負荷部材を具備し、
前記第３及び第５のトランジスタのゲートが前記入力端子に接続され、前記第３及び第５のトランジスタのドレインが、ゲートに所定の電圧が与えられた第４のトランジスタのソースに接続され、この第４のトランジスタのドレインが第３の負荷部材及び第１のトランジスタのゲートに接続された構成を有することを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項１０】
レベルシフト回路を具備し、このレベルシフト回路の入力が入力端子に接続され、前記レベルシフト回路の出力が第３のトランジスタのゲートに接続された構成を有することを特徴とする請求項９記載の光受信前置増幅器。
【請求項１１】
前記レベルシフト回路は、ソースフォロワであることを特徴とする請求項１０記載の光受信前置増幅器。
【請求項１２】
前記第３の負荷部材は、ゲートとドレインが接続されたトランジスタであることを特徴とする請求項９記載の光受信前置増幅器。
【請求項１３】
前記帰還抵抗は、トランジスタにより構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項１４】
出力端子にバッファ回路が接続されたことを特徴とする請求項１または２記載の光受信前置増幅器。
【請求項１５】
光通信を行うための光通信装置であって、光ファイバからの光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換し受信データを抽出する受信部を備え、この受信部は請求項１または２記載の光受信前置増幅器を有し、この光受信前置増幅器により電流信号を電圧信号に変換することを特徴とする光通信装置。
【請求項１６】
光を検出するための光検出装置であって、請求項１または２記載の光受信前置増幅器を有し、受光した光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換した後、前記光受信前置増幅器により電圧信号に変換することを特徴とする光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムにおいて、光信号受信回路のフロントエンドに用いられ、フォトダイオードからの電流信号を電圧信号に変換する光受信前置増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、光信号の受信部に用いられる光受信前置増幅器は、光ファイバーからの光信号に起因するフォトダイオードからの電流信号を、電圧信号に変換する機能を有する。このような光受信前置増幅器として、通常トランスインピーダンス増幅器が用いられる。
【０００３】
トランスインピーダンス増幅器は、図６に示すように、反転増幅器とその入出力間に並列に接続された帰還抵抗Rfにより構成される。トランスインピーダンス増幅器のトランスインピーダンス利得の3dB減衰帯域f-3dは、以下の式で表される。
f-3d= ( 1+A ) / 2 (Rf Cin )
ここで、Aは反転増幅器の開放利得、Rfは帰還抵抗の抵抗値、Cinは反転増幅器の入力端子に寄生する入力容量である。上式より、トランスインピーダンス増幅器の広帯域化を実現するためには、反転増幅器の開放利得Aを大きくしなければならないことがわかる。
【０００４】
しかしながら、開放利得Aを高く設定すると、反転増幅器自体の帯域が確保できなくなるため、１段の反転増幅器で広帯域のトランスインピーダンス増幅器を実現するのは極めて困難となる。
【０００５】
そこで、通常は、図７に示すように低利得、広帯域の反転増幅器を奇数段（通常は３段）縦属接続することにより高利得化を図り、トランスインピーダンス増幅器の広帯域化を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の多段構成の場合、大きな位相の回転が生じ、十分な位相余裕が得られないという欠点がある。
【０００７】
このため、安定した特性を得るには、何らかの位相補償手段が必要となる。その一例として、文献”1996年電子情報通信学会総合大会 C-591”が挙げられる。この例では、反転増幅器を３段縦属接続し、位相の回転を抑えるためにフィードフォワード補償を行っている。
【０００８】
このように多段構成の場合、通常３段以上の構成となるため、消費電力が増大するとともに、位相補償のために容量や抵抗などの受動素子が必要となり、チップ面積が増大するという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、特別な位相報償を必要とすることなく、安定かつ低消費電力の広帯域トランスインピーダンス増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の光受信前置増幅器は、反転増幅器の入力が入力端子に接続され、前記反転増幅器の出力が第１のトランジスタのゲートに接続され、前記第１のトランジスタのソースと第２のトランジスタのソースが第１のバイアス部材に接続され、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が第１の負荷部材に接続され、前記第２のトランジスタのドレインが、第２の負荷部材及び出力端子に接続され、前記入力端子と前記出力端子の間に前記帰還抵抗が接続される構成とするものである。
【００１１】
この構成によれば、特別な位相報償を必要とすることなく、安定かつ低消費電力の広帯域トランスインピーダンス増幅器を実現できる。
【００１２】
尚、第２のバイアス部材を具備し、この第２のバイアス部材が、前記第１の負荷部材に接続される構成とすることが好ましい。また、前記負荷部材を、ドレインとゲートが接続されたトランジスタとすることが好ましい。また、前記バイアス部材を定電流源とすることが好ましい。また、前記バイアス部材を、ドレインとゲートが接続されたトランジスタとすることが好ましい。
【００１３】
また、ゲートが前記反転増幅器の出力に接続され、ソースが入力端子に接続されたトランジスタを具備する構成とすることが好ましい。また、ゲートが出力端子に接続され、ソースが入力端子に接続されたトランジスタを具備する構成とすることが好ましい。
【００１４】
また、反転増幅器の入出力間に並列に接続されたトランジスタと、ピーク検出回路とを具備し、該ピーク検出回路の入力が出力端子に接続され、ピーク検出回路の出力が前記トランジスタのゲートに接続される構成とすることが好ましい。
【００１５】
また、前記反転増幅器は、第１の極性の第３及び第４のトランジスタと、第２の極性の第５のトランジスタと、第３の負荷部材を具備し、第３及び第５のトランジスタのゲートが前記入力端子に接続され、第３及び第５のトランジスタのドレインが、ゲートに所定の電圧が与えられた第４のトランジスタのソースに接続され、該第４のトランジスタのドレインが第３の負荷部材及び第１のトランジスタのゲートに接続される構成とすることが好ましい。
【００１６】
また、レベルシフト回路を具備し、該レベルシフト回路の入力が入力端子に接続され、レベルシフト回路の出力が第３のトランジスタのゲートに接続される構成とすることが好ましい。
【００１７】
また、前記レベルシフト回路をソースフォロワとすることが好ましい。また、前記第３の負荷部材を、ゲートとドレインが接続されたトランジスタとすることが好ましい。
【００１８】
また、前記帰還抵抗をトランジスタにより構成することが好ましい。また、出力端子にバッファ回路が接続される構成とすることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の光通信装置は、光ファイバからの光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換し受信データ抽出する受信部を備え、該受信部は前記光受信前置増幅器を有し、該光受信前置増幅器により電流信号を電圧信号に変換する構成とするものである。
【００２０】
また、本発明の光検出装置は、前記光受信前置増幅器を有し、受光した光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換後、前記光受信前置増幅器により電圧信号に変換する構成を有するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１に、本発明（請求項１、３〜５）に係る光受信前置増幅器の実施の形態１を示す。
【００２３】
図中１は光受信前置増幅器の入力端子、２は光受信前置増幅器の出力端子、３は反転増幅器、４は帰還抵抗、５は第１のトランジスタ、６は第２のトランジスタ、７は第１の負荷部材、８は第２の負荷部材、９は第１のバイアス部材である。ここでは、第１及び第２のトランジスタとして、ＮＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２４】
第１のトランジスタ５のソースと第２のトランジスタ６のソースが接続され、定電流源である第１のバイアス部材９によりバイアスされている。第１のトランジスタ５のドレイン及び第２のトランジスタ６のドレインには、第１の負荷部材７及び第２の負荷部材８がそれぞれ接続されている。
【００２５】
第１及び第２の負荷部材７，８は、ドレインとゲートが接続されたＰＭＯＳトランジスタにより構成されている。第１のトランジスタ５のゲートが反転増幅器３の出力に接続され、第２のトランジスタ６のゲートが第１の負荷部材７に接続されている。そして、入力端子１と出力端子２の間に、帰還抵抗４が接続されている。
【００２６】
図１において、第１のトランジスタ５、第２のトランジスタ６、第１の負荷部材７、第２の負荷部材８、第１のバイアス部材９により、非反転増幅器が構成されている。
【００２７】
よって、この非反転増幅器と反転増幅器３との縦属接続により、２段構成の反転増幅器が構成されることになる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、反転増幅器の多段構成による最小段数の３段より１段少ない段数で高利得の反転増幅器を構成できるので、特別な位相補償を行うことなく安定した広帯域トランスインピーダンス増幅器を容易に構成することが可能となる。
【００２９】
また、増幅器の段数も１段少ない分、消費電力も小さくすることができる。また、本実施形態では、第２のトランジスタのゲートが第１のトランジスタ５のドレイン、すなわち第１の負荷部材７に接続されているので、第１のトランジスタ５のゲート及び第２のトランジスタ６のゲートに逆相の信号が入力されることになる。このため、通常の差動回路の動作に比べてより高い利得を容易に実現することが可能となる。
【００３０】
また、負荷部材としてドレインとゲートが接続されたトランジスタを用いているので、前記非反転増幅器の利得がトランジスタのgm比で決まるようになり、プロセス変動に対してより安定した動作を実現することができる。
【００３１】
また、第１のバイアス部材９として定電流源を用いているので、電源電圧変動に対してより安定した動作を実現することができる。
【００３２】
また、第１のバイアス部材９としてドレインとゲートが接続されたトランジスタを使用するので、バイアス電圧等を必要とすることなく極めて容易な構成で同等の効果を得ることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図２に、本発明（請求項１〜５）に係る光受信前置増幅器の実施の形態２を示す。図２において、図１と共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３４】
図２では、第２のバイアス部材１０が具備され、第１の負荷部材７に接続される構成となっている。すなわち、第１の負荷部材７が、第２のバイアス部材１０によりバイアスされている。
【００３５】
このため、第１のトランジスタ５のゲート電圧にかかわらず、常に第１の負荷部材７がバイアスされるので、第２のトランジスタ６のゲートに入力される信号振幅が抑制され、より安定した動作を実現することができる。
【００３６】
また、第２のバイアス部材１０として定電流源を用いているので、電源電圧変動に対してより安定した動作を実現することができる。
【００３７】
また、第２のバイアス部材１０としてドレインとゲートが接続されたトランジスタを使用するので、バイアス電圧等を必要とすることなく、極めて容易な構成で同等の効果を得ることができる。
【００３８】
（実施の形態３）
図３に、本発明（請求項６，７）に係る光受信前置増幅器の実施の形態３を示す。図３において、図２と共通の構成要素には図２と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３９】
トランスインピーダンス増幅器において、より微少な信号を検出しようとすると、帰還抵抗４の抵抗値を高くしなければならない。しかしながら、帰還抵抗４の抵抗値を高く設定すると、大電流入力時に出力電圧が飽和し、正常な電流電圧変換が行われなくなる問題がある。
【００４０】
このため、図３では、ゲートが反転増幅器３の出力に接続され、ソースが入力端子１に接続され、ドレインがグランドに接続された分流用ＰＭＯＳトランジスタ１１を備え、さらにゲートが出力端子２に接続され、ソースが入力端子１に接続され、ドレインがグランドに接続された分流用ＰＭＯＳトランジスタ１２が具備される構成となっている。
【００４１】
この構成によれば、入力電流信号が小さい場合は、分流用トランジスタ１１、１２はカットオフ状態となるが、入力信号が大きくなって反転増幅器の出力電圧又は出力端子２の出力電圧が分流用トランジスタのしきい値電圧を越えると、該トランジスタがオンし、入力電流の一部をグランドに分流し、帰還抵抗４に流れる電流を減少させるので、図８に示すように斜線部分がカットされ、出力電圧の飽和を大幅に抑制することが可能となる。
【００４２】
よって、より大きな入力信号まで正常に電流電圧変換することが出来るようになり、入力信号の広ダイナミックレンジ化が図られる。
【００４３】
図３においては、説明の都合上、請求項６及び７の発明を同時に実施しているが、かならずしもその必要はなく、分流用トランジスタ１１、１２の何れか一方だけでも同等な効果を得ることができる。
【００４４】
（実施の形態４）
図４に、本発明（請求項８）に係る光受信前置増幅器の実施の形態４を示す。図４において、図２と共通の構成要素には図２と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４５】
先に述べた図３の構成では、大電流入力時に出力電圧のボトム側をカットするため、消光比の小さい光信号受信時に問題となる。すなわち、高速の光通信を行う場合、送信側のレーザーを高速にオフからオンに切り替えるために、レーザーのオフ時に完全にレーザーをカットオフさせるのではなく、ある程度の電流でバイアスし、光らせておく手法がとられる。
【００４６】
この場合の出力電圧は、図９(a)のようにVoffだけオフセットをもった波形となり、このような波形に対してボトム側をカットすると、信号振幅成分が非常に小さくなり、後段でのデータ抽出が困難となる（図９(a)参照）。
【００４７】
そこで図４では、反転増幅器３の入出力間に並列に接続された分流用ＰＭＯＳトランジスタ１３とピーク検出回路１４が具備され、ピーク検出回路１４の入力が出力端子２に接続され、ピーク検出回路１４の出力が分流用ＰＭＯＳトランジスタ１３のゲートに接続された構成となっている。
【００４８】
この実施形態によれば、出力電圧のボトム側がカットされるのではなく、図９(b)に示すように、出力波形全体がある比率で圧縮されたような波形となるので、信号振幅成分の極端な減少をきたすことなく出力電圧の飽和を抑制することがでる。したがって、消光比の小さい光信号にも対応することができる。
【００４９】
（実施の形態５）
図５に、本発明（請求項９〜１４）に係る光受信前置増幅器の実施の形態５を示す。図５において、図２と共通の構成要素には図２と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
【００５０】
図５では、反転増幅器３において、第３及び第４のトランジスタであるＮＭＯＳトランジスタM3, M4と、第５のトランジスタであるＰＭＯＳトランジスタM5、第３の負荷部材１５及びレベルシフト回路１６を具備し、トランジスタM5のゲート及びレベルシフト回路１６の入力が入力端子に接続され、トランジスタM3のゲートがレベルシフト回路１６の出力に接続され、トランジスタM3, M5のドレインが、ゲートに所定の電圧が与えられたトランジスタM4のソースに接続され、該トランジスタM4のドレインが第３の負荷部材１５に接続される構成となっている。
【００５１】
本構成によれば、第３のトランジスタM3と第５のトランジスタM5のコンプリメンタリ動作により、入力段のgmを高くすることができるので、反転増幅器の利得を容易に高めることができる。
【００５２】
多段構成の増幅器の入力換算雑音は、初段の増幅器の利得を高くすることによって、２段目以降の雑音の影響を低減することができ、低雑音化が図れる。
【００５３】
よって、本実施形態によれば、１段目の反転増幅器３の利得を容易に高く設定できるので、優れた雑音特性を得ることができる。
【００５４】
また、本構成では、トランジスタM3に流れる電流の大部分をトランジスタM5から供給することにより、第３の負荷部材１５に流れる電流を低減しているので、トランジスタM3,M5に大きな電流を流し、高利得化、低雑音化を図りながらも、反転増幅器３の出力の飽和が回避されることになる。
【００５５】
また、トランジスタM3のゲート電圧は入力端子の電圧よりレベルシフトされているので、トランジスタM3がリニア領域に入り込むのを阻止することができ、より安定した高周波特性を得ることができる。
【００５６】
また、このレベルシフト回路１６のレベルシフト量により、トランジスタM3,M5に流れるバイアス電流量を容易に制御することができる。
【００５７】
また、レベルシフト回路１６をソースフォロワで構成しているので、より容易な構成でレベルシフトを行うことができる。
【００５８】
また、第３の負荷部材１５をドレインとゲートが接続されたトランジスタで構成しているので、反転増幅器の利得がトランジスタのgm比で決まるようになり、プロセス変動に対して、より安定した動作を実現することができる。
【００５９】
また、帰還抵抗をトランジスタで構成しているので、より小さい面積で大きな抵抗値を実現することができる。
【００６０】
また、出力端子にバッファ回路としてのソースフォロワが設けられているので、より大きな負荷を駆動することが可能となる。
【００６１】
（光通信装置、光検出装置の実施形態）
次に、前記光受信前置増幅器を用いた光通信装置と光検出装置の構成について説明する。この場合の基本構成としては、以下のようにすればよい。すなわち、光ファイバからの光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換し受信データを抽出する受信部を設け、この受信部は前記光受信前置増幅器を有し、この光受信前置増幅器により電流信号を電圧信号に変換する構成を有するものとすればよい。
【００６２】
また、光検出装置は、前記光受信前置増幅器を有し、受光した光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換後、前記光受信前置増幅器により電圧信号に変換する構成を有するものとすればよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、反転増幅器の多段構成より少ない段数で高利得の反転増幅器を構成でき、特別な位相補償を行うことなく安定した広帯域トランスインピーダンス増幅器を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１を示す回路図
【図２】本発明に係る実施の形態２を示す回路図
【図３】本発明に係る実施の形態３を示す回路図
【図４】本発明に係る実施の形態４を示す回路図
【図５】本発明に係る実施の形態５を示す回路図
【図６】従来のトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す回路図
【図７】従来の広帯域トランスインピーダンス増幅器の構成例を示す回路図
【図８】本発明による出力振幅制限効果を示す図
【図９】（ａ），（ｂ）本発明による出力振幅制限効果を示す図
【符号の説明】
１    入力端子
２    出力端子
３    反転増幅器
４    帰還抵抗
５    第１のトランジスタ
６    第２のトランジスタ
７    第１の負荷部材
８    第２の負荷部材
９    第１のバイアス部材
１０  第２のバイアス部材
１１、１２、１３  分流用トランジスタ
１４  ピーク検出回路
１５  第３の負荷部材
１６  レベルシフト回路
１７  バッファ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003541750.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003541750.tif 000007
【図７】
0003541750.tif 000008
【図８】
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【図９】
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