(57)【要約】【課題】差動の光信号を入力して差動の電気信号を得る光電気変換回路において、オペアンプを不要とし、且つ差動の光信号に含まれる同相のバイアス成分を除去し、信号成分だけを増幅させることを目的とする。【解決手段】電流調整手段４により、第２のフォトダイオードＰＤ２からの光電流ｉ２の電流値とバイアス電流ｉ５を加算した第１の定電流源Ｑ１１の電流値が、光電流ｉ１の最大値を若干上回るようにＱ１１の制御電圧Ｖｂ１１を調整することで、光電流ｉ１から余分なバイアス電流を除去し信号成分を取り出すことができる。また、第１のフォトダイオードＰＤ１からの光電流ｉ１の電流値とバイアス電流ｉ５を加算した第２の定電流源Ｑ１２の電流値が、光電流ｉ２の最大値を若干上回るようにＱ１２の制御電圧Ｖｂ１２を調整することで、光電流ｉ２から余分なバイアス電流を除去し信号成分を取り出すことができる。【選択図】図１
2006333018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のフォトダイオードにより受光したそれぞれの光電流を電圧信号に変換する第１および第２の変換手段と、
該変換されたそれぞれの電圧信号を入力し、増幅されたぞれぞれの電圧信号を出力する第１および第２の折り返し形カスコード増幅器と、
前記第１の折り返し形カスコード増幅器内における第１の定電流源の電流値が、前記第２のフォトダイオードからの光電流の電流値と一定のバイアス電流を加算した値になるように、当該第１の定電流源の制御電圧を調整し、前記第２の折り返し形カスコード増幅器内における第２の定電流源の電流値が、前記第１のフォトダイオードからの光電流の電流値と前記一定のバイアス電流を加算した値になるように、当該第２の定電流源の制御電圧を調整する電流調整手段と、
を有することを特徴とする光電気変換回路。
【請求項２】
前記第１の折り返し形カスコード増幅器を構成するカスコード段における第１のＭＯＳトランジスタの制御電極が、前記第２の折り返し形カスコード増幅器を構成するカスコード段における第２のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタの制御電極が、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光電気変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度の強弱を電気信号に変換する光電気変換回路に関するものであり、特に差動の光信号を入力して、差動の電気信号を得る光電気変換回路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、差動の光入力信号を用いる例として、人体や誘電体などを伝送媒体としてウェアラブル機器間で通信を行う人体通信システムの受信回路が挙げられる。この受信回路では、人体を伝わる交流の電気信号に応じた電界を電気光学結晶に印加するとともに、この電気光学結晶に光ビームを照射し、電気光学結晶から出射する光ビームを偏光ビームでＰ偏光とＳ偏光に分離し、この各偏光を後述する差動光信号（Ｌ１とＬ２）に用いる。
【０００３】
従来、人体通信システムの受信回路において、受光素子であるフォトダイオードに負荷抵抗を接続して光の強度変化を電気信号に変換する光電気変換回路を構成し、必要な出力振幅まで次段の差動増幅器で増幅する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
図８は、入力が交差接続された２つの差動増幅器を用いることで、特に差動の出力を得られるようにした従来の光電気変換回路の構成を示す回路図である。同図に示す光電気変換回路は、フォトダイオードＰＤ１と、このフォトダイオードＰＤ１のカソードに一端が接続された負荷抵抗Ｒ６と、この負荷抵抗Ｒ６の他端に接続され、正の電源電圧ＶＤＤを供給する電圧源から構成される。フォトダイオードＰＤ２と負荷抵抗Ｒ７、そして電源電圧ＶＤＤを供給する電圧源から構成されるもう一方の組も同様である。
【０００５】
光信号Ｌ１とＬ２が、それぞれフォトダイオードＰＤ１とＰＤ２に入射すると、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２は、入射した光信号の光強度に応じた光電流を発生させる。この光電流は、負荷抵抗Ｒ６又はＲ７に電圧降下を発生させ、電圧信号として出力される。光信号Ｌ１とＬ２が強度において差動の関係にある場合は、Ｒ６とＲ７から出力される一対の電圧信号もまた差動の関係にある。Ｒ６とＲ７から出力される微小な信号電圧を、次段の差動増幅器で増幅することで、必要な出力振幅を得ることができる。
【０００６】
ところで、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２からの光電流は、数ｍＡのバイアス電流と、数十μＡの信号電流からなる。よって、負荷抵抗Ｒ６およびＲ７から出力される信号電圧は、フォトダイオードの逆バイアス電圧（例えば、３Ｖ電源で２Ｖ程度）に比べて極めて小さい。この電圧の信号成分だけを１Ｖ以上の振幅まで増幅し、この電圧により光電気変換回路の次段に接続されるデジタル回路をドライブするには、光電気変換回路の差動増幅器に、同相のバイアス成分を除去することが可能なオペアンプを使用することが一般的である。
【特許文献１】特開２００３−１１０３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、オペアンプは高価であり、また高い電源電圧を必要とすることが多いために、人体通信システムの受信回路を構成する光電気変換回路に組み込むには、低価格化、動作電圧の低電圧化、低消費電力化という点で不向きである。
【０００８】
一方で、光電気変換回路の差動増幅器にオペアンプを使用しない場合には、増幅器の出力が入力信号に含まれる同相成分で飽和し、信号成分を増幅できなくなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、差動の光信号を入力して差動の電気信号を得る光電気変換回路において、オペアンプを不要とし、且つ差動の光信号に含まれる同相のバイアス成分を除去し、信号成分だけを増幅させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光電気変換回路は、第１および第２のフォトダイオードにより受光したそれぞれの光電流を電圧信号に変換する第１および第２の変換手段と、その変換されたそれぞれの電圧信号を入力し、増幅されたぞれぞれの電圧信号を出力する第１および第２の折り返し形カスコード増幅器と、第１の折り返し形カスコード増幅器内における第１の定電流源の電流値が、第２のフォトダイオードからの光電流の電流値と一定のバイアス電流を加算した値になるように、その第１の定電流源の制御電圧を調整し、第２の折り返し形カスコード増幅器内における第２の定電流源の電流値が、第１のフォトダイオードからの光電流の電流値と一定のバイアス電流を加算した値になるように、その第２の定電流源の制御電圧を調整する電流調整手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、第１および第２の定電流源の制御電圧を調整する電流調整手段により、第２のフォトダイオードからの光電流の電流値と一定のバイアス電流を加算した第１の定電流源の電流値が、第１のフォトダイオードからの光電流の最大値を若干上回るように第１の定電流源の制御電圧を調整することで、第２のフォトダイオードからの光電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００１２】
また、第１のフォトダイオードからの光電流の電流値と一定のバイアス電流を加算した第２の定電流源の電流値が、第２のフォトダイオードからの光電流の最大値を若干上回るように第２の定電流源の制御電圧を調整することで、第１のフォトダイオードからの光電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００１３】
上記第１の折り返し形カスコード増幅器を構成するカスコード段における第１のＭＯＳトランジスタの制御電極が、上記第２の折り返し形カスコード増幅器を構成するカスコード段における第２のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続され、第２のＭＯＳトランジスタの制御電極が、第１のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、第１のＭＯＳトランジスタの制御電極を第２のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続し、第２のＭＯＳトランジスタの制御電極を第１のＭＯＳトランジスタのドレイン電極に接続したことで、第１および第２のＭＯＳトランジスタのゲート・ソース間電圧を大きくすることが可能となり、第１および第２のＭＯＳトランジスタにおけるドレイン電流の振幅を増大することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光電気変換回路によれば、オペアンプを不要とし、且つ差動の光信号に含まれる同相のバイアス成分を除去し、差動の信号成分だけを増幅させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る光電気変換回路の構成を示す回路図である。同図の光電気変換回路１１は、第１のフォトダイオードＰＤ１により受光した光電流ｉ１を電圧信号に変換する第１の変換手段１ａと、第２のフォトダイオードＰＤ２により受光した光電流ｉ２を電圧信号に変換する第２の変換手段１ｂと、変換された電圧信号を入力し、増幅された電圧信号を出力する第１の折り返し形カスコード増幅器２ａと、変換された電圧信号を入力し、増幅された電圧信号を出力する第２の折り返し形カスコード増幅器２ｂと、第１の折り返し形カスコード増幅器２ａにおける第１の定電流源３ａの電流値と第２の折り返し形カスコード増幅器２ａにおける第２の定電流源３ｂの電流値とを調整する電流調整手段４とを有する。ここで例えば、定電流源３ａおよび３ｂには、それぞれｎチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ｎＭＯＳトランジスタと称する）Ｑ１１、Ｑ１２を使用する。
【００１８】
第１の変換手段１ａにおいては、フォトダイオードＰＤ１のアノード端子が接地され、ＰＤ１のカソード端子が光電流入力端子Ｔｉｎ１に接続される。入力端子Ｔｉｎ１が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたｐチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ｐＭＯＳトランジスタと称する）Ｑ１のドレイン端子に接続される。Ｑ１のソース端子は電源電圧ＶＤＤが供給される電圧電極端子に接続される。ここでＱ１は、ＰＤ１の能動負荷として動作し、ＰＤ１を流れる光電流ｉ１から一意にＱ１のドレイン電圧とゲート電圧が定まる。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１により受光した光電流ｉ１をＱ１のドレイン電圧に変換する。
【００１９】
第２の変換手段１ｂにおいては、フォトダイオードＰＤ２のアノード端子が接地され、ＰＤ２のカソード端子が光電流入力端子Ｔｉｎ２に接続される。入力端子Ｔｉｎ２が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたｐＭＯＳトランジスタであるＱ２のドレイン端子に接続される。Ｑ２のソース端子は電源電圧ＶＤＤが供給される電圧電極端子に接続される。ここでＱ２は、ＰＤ２の能動負荷として動作し、ＰＤ２を流れる光電流ｉ２から一意にＱ２のドレイン電圧とゲート電圧が定まる。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２により受光した光電流ｉ２をＱ２のドレイン電圧に変換する。
【００２０】
第１の折り返し形カスコード増幅器２ａにおいては、入力トランジスタＱ３（ｐＭＯＳトランジスタ）にカスコード接続されたＱ９（ｎＭＯＳトランジスタ）、増幅された信号電圧を得るための負荷として用いるＱ７（ｐＭＯＳトランジスタ）、定電流源Ｑ１１（ｎＭＯＳトランジスタ）で構成される。
【００２１】
具体的には、Ｑ３（ｐＭＯＳトランジスタ）のソース端子が電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続され、Ｑ３のドレイン端子がＱ１１（ｎＭＯＳトランジスタ）のドレイン端子に接続される。Ｑ１１のソース端子は接地される。定電流源３ａであるＱ１１のゲート端子には、電流調整手段４から電流値を調整するためのバイアス電圧Ｖｂ１１が供給される。また、Ｑ９（ｎＭＯＳトランジスタ）のソース端子がＱ１１のドレイン端子に接続され、Ｑ９のドレイン端子が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたＱ７（ｐＭＯＳトランジスタ）のドレイン端子に接続される。Ｑ７のソース端子は電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続される。ここで、Ｑ９のゲート端子には、Ｑ９を飽和領域で動作させるために必要なバイアス電圧Ｖｂ２が供給される。バイアス電圧Ｖｂ２の値は、抵抗分圧などで電源電圧ＶＤＤを分圧して適切なバイアス値に予め設定しておく。
【００２２】
これにより、Ｑ３のゲート端子に印加された電圧信号は、Ｑ３で電流に変換され、Ｑ１１で折り返されてＱ９のソースに入力される。Ｑ１とＱ３のゲート・ソース間電圧が等しいので、ゲート長とチャネル幅に関してＱ１とＱ３のサイズが同一の場合、Ｑ１を流れる光電流ｉ１とＱ３のドレインを流れる電流は等しい（カレントミラー効果）。ここでＱ１１のドレイン電流は、Ｑ３のドレイン電流ｉ１とＱ９のドレイン電流との和であるので、定電流源Ｑ１１のドレイン電流がＱ３のドレイン電流ｉ１の最大値を若干上回るように、Ｑ１１のゲート端子に供給するバイアス電圧Ｖｂ１１を調整することで、Ｑ３のドレイン電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００２３】
また、第１の折り返し形カスコード増幅器２ａの後段には、Ｑ５（ｐＭＯＳトランジスタ）と外部負荷抵抗Ｒ１で構成される出力バッファが接続され、Ｑ５を流れる電流ｉ３は外部負荷抵抗Ｒ１により電圧に変換され、出力端子Ｔｏｕｔ１から出力される。具体的には、Ｑ５のソース端子が電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続され、ドレイン端子が、出力端子Ｔｏｕｔ１に接続される。出力端子Ｔｏｕｔ１は外部負荷抵抗Ｒ１の一方の端子に接続され、他方の端子は接地される。ここで、Ｑ５とＱ７のゲート・ソース間電圧が等しいので、ゲート長とチャネル幅に関してＱ５とＱ７のサイズが同一である場合、Ｑ７を流れる電流とＱ５を流れる電流ｉ３は、等しい（カレントミラー効果）。
【００２４】
このような構成とすることで、第１の折り返し形カスコード増幅器２ａは、変換された電圧信号を入力し、増幅された電圧信号を出力する。
【００２５】
第２の折り返し形カスコード増幅器２ｂにおいては、入力トランジスタＱ４（ｐＭＯＳトランジスタ）にカスコード接続されたＱ１０（ｎＭＯＳトランジスタ）、増幅された信号電圧を得るための負荷として用いるＱ８（ｐＭＯＳトランジスタ）、定電流源Ｑ１２（ｎＭＯＳトランジスタ）で構成される。
【００２６】
具体的には、Ｑ４（ｐＭＯＳトランジスタ）のソース端子が電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続され、Ｑ４のドレイン端子がＱ１２（ｎＭＯＳトランジスタ）のドレイン端子に接続される。Ｑ１２のソース端子は接地される。定電流源３ｂであるＱ１２のゲート端子には、電流調整手段４から電流値を調整するためのバイアス電圧Ｖｂ１２が供給される。また、Ｑ１０（ｎＭＯＳトランジスタ）のソース端子がＱ１２のドレイン端子に接続され、Ｑ１０のドレイン端子が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたＱ８（ｐＭＯＳトランジスタ）のドレイン端子に接続される。Ｑ８のソース端子は電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続される。ここで、Ｑ１０のゲート端子には、Ｑ１０を飽和領域で動作させるために、第１の折り返し形カスコード増幅器２ａにおいてＱ９のゲート端子に供給したバイアス電圧Ｖｂ２と共通な電圧が供給される。
【００２７】
これにより、Ｑ４のゲート端子に印加された電圧信号は、Ｑ４で電流に変換され、Ｑ１２で折り返されてＱ１０のソースに入力される。Ｑ２とＱ４のゲート・ソース間電圧が等しいので、ゲート長とチャネル幅に関してＱ２とＱ４のサイズが同一の場合、Ｑ２を流れる光電流ｉ２とＱ４のドレインを流れる電流は等しい（カレントミラー効果）。ここで、Ｑ１２のドレイン電流は、Ｑ４ドレイン電流ｉ２とＱ１０のドレイン電流との和であるので、定電流源Ｑ１２のドレイン電流がＱ４のドレイン電流ｉ２の最大値を若干上回るように、Ｑ１２のゲート端子に供給するバイアス電圧Ｖｂ１２を調整することで、Ｑ４のドレイン電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００２８】
また、第２の折り返し形カスコード増幅器２ｂの後段には、Ｑ６（ｐＭＯＳトランジスタ）と外部負荷抵抗Ｒ２で構成される出力バッファが接続され、Ｑ６を流れる電流ｉ４は外部負荷抵抗Ｒ２により電圧に変換され、出力端子Ｔｏｕｔ２から出力される。具体的には、Ｑ６のソース端子が電源電圧ＶＤＤを供給する電圧電極端子に接続され、ドレイン端子が出力端子Ｔｏｕｔ２に接続される。出力端子Ｔｏｕｔ２は外部負荷抵抗Ｒ２の一方の端子に接続され、他方の端子は接地される。ここで、Ｑ６とＱ８のゲート・ソース間電圧が等しいので、ゲート長とチャネル幅に関してＱ６とＱ８のサイズが同一である場合、Ｑ８を流れる電流とＱ６を流れる電流ｉ４は、等しい（カレントミラー効果）。
【００２９】
このような構成とすることで、第２の折り返し形カスコード増幅器２ｂは、変換された電圧信号を入力し、増幅された電圧信号を出力する。
【００３０】
次に、光電気変換回路１１の動作について説明する。図２は、光電気変換回路１１の動作波形である。同図の（ａ）に示すように、光信号を受光したＰＤ１から出力される光電流ｉ１は、数ｍＡのバイアス電流（ＤＣ電流）に数十μＡの信号電流（ＡＣ電流）が重ね合わされたものである。ｉ１は、Ｑ１とＱ３からなるカレントミラー回路により、電流が複写され同じ値の電流がＱ１１のドレイン端子に流れ込む。
【００３１】
また、Ｌ１と差動の関係にある光信号Ｌ２をＰＤ２が受光したＰＤ２から出力される光電流ｉ２は、やはり数ｍＡのバイアス電流（ＤＣ電流）に数十μＡの信号電流（ＡＣ電流）が重ね合わされたものである。ｉ２は、Ｑ２とＱ４からなるカレントミラー回路により、電流が複写され同じ値の電流がＱ１２のドレイン端子に流れ込む。
【００３２】
図２の（ｂ）は、図１の節点Ｎ１およびＮ２の電圧波形である。また図２（ｃ）は図１の節点Ｎ３およびＮ４の電圧波形である。ここで、第１の折り返し形カスコード増幅器２ａにおいて、定電流源Ｑ１１により、Ｑ３からの信号電流を折り返す際にＱ３のドレイン電流に含まれる余分なバイアス成分を除去する。すなわち、定電流源Ｑ１１のドレイン電流の電流値がＱ３から流れ込む電流の最大値を若干上回るように、Ｑ１１のゲート電圧に供給するバイアス電圧Ｖｂ１１を調整する。これにより、Ｑ３のソースからＱ９のソースに流れ込む電流のバイアス成分を減らすことができる。
【００３３】
第２の折り返しカスコード増幅器２ｂにおいても同様に、定電流源Ｑ１２のドレイン電流の電流値がＱ４から流れ込む電流の最大値を若干上回るように、Ｑ１２のゲート電圧に供給するバイアス電圧Ｖｂ１２を調整する。これにより、Ｑ４のソースからＱ１０のソースに流れ込む電流のバイアス成分を減らすことができる。尚、バイアス電圧Ｖｂ１１およびＶｂ１２の調整方法については、後述する。
【００３４】
図２の（ｄ）は、図１の節点Ｎ５およびＮ６の電圧波形である。Ｎ５およびＮ６の電圧は、負荷用Ｑ７とＱ８に流れるドレイン電流に応じてＱ７とＱ８のソース・ドレイン間に発生する電圧である。
【００３５】
図２の（ｅ）は、Ｑ５のドレイン電流ｉ３およびＱ６のドレイン電流ｉ４である。負荷Ｑ７に流れるドレイン電流は、Ｑ７とＱ５で構成されるカレントミラー回路により複写され、複写された電流ｉ３は、外部負荷抵抗Ｒ１に流れ込み電圧信号に変換される。ここでＱ８とＱ６で構成されるカレントミラー回路においても、複写された電流ｉ４は外部負荷抵抗Ｒ２に流れ込み電圧信号に変換される。これにより、出力端子Ｔｏｕｔ１およびＴｏｕｔ２には、フォトダイオードに入力される光の強度変化を電圧の高低に変換した差動の電気信号が得られる。
【００３６】
尚、節点Ｎ１〜Ｎ６の電圧の最大値ＶＨ、最小値ＶＬは、以下の関係式（１）を満たす。ここでＶｔｈｎは、ｎＭＯＳトランジスタの閾値電圧、Ｖｔｈｐは、ｐＭＯＳトランジスタの閾値電圧である。
【００３７】
Ｖｔｈｎ  ＜  ＶＬ  ＜  ＶＨ  ＜  ＶＤＤ  −  ｜Ｖｔｈｐ｜      ・・・・・・（１）
次に、定電流源３ａおよび３ｂの制御電圧Ｖｂ１１およびＶｂ１２を出力する電流調整手段４について説明する。
【００３８】
まず、電流調整手段４が定電流源３ｂであるＱ１２の制御電圧Ｖｂ１２を出力する動作について説明する。Ｑ１およびＱ１５（ｐＭＯＳトランジスタ）、Ｑ１２およびＱ１７（ｎＭＯＳトランジスタ）、Ｑ１３（ｐＭＯＳトランジスタ）およびＱ１９（ｐＭＯＳトランジスタ）はそれぞれカレントミラー回路を構成している。ここで、Ｒ３はバイアス電流設定用の抵抗であり、抵抗値を変えることでバイアス電流値を変えることができる。
【００３９】
具体的には、Ｑ１５のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続され、ドレイン端子がＱ１２のゲート電極に接続される。Ｑ１５のドレイン端子が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたＱ１７のドレイン端子に接続される。Ｑ１７のソース端子が接地される。
【００４０】
Ｑ１７のドレイン端子が、Ｑ１３のドレイン端子に接続され、Ｑ１３のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続される。Ｑ１３のゲート端子が、ゲート端子とドレイン端子に接続されたＱ１９のゲート端子に接続される。Ｑ１９のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続され、ドレイン端子がバイアス電流設定用の抵抗Ｒ３の一端に接続される。負荷抵抗の他端は接地される。
【００４１】
このような構成により、負荷抵抗Ｒ３で設定されたバイアス電流ｉ５は、Ｑ１３とＱ１９で構成されるカレントミラー回路で複写され、Ｑ１３のドレイン電流として出力される。一方で、フォトダイオードＰＤ１からの光電流ｉ１は、Ｑ１とＱ１５で構成されるカレントミラー回路により複写され、Ｑ１５のドレイン電流ｉ１´として出力される。ｉ１´とｉ５は、電流加算用負荷として設けられたｎＭＯＳトランジスタであるＱ１７に流れ込み、Ｑ１７のドレイン電流となる。さらにＱ１７のドレイン電流は、Ｑ１７とＱ１２で構成されるカレントミラー回路により複写され、定電流源３ｂのＱ１２のドレイン電流として出力される。
【００４２】
ここで、フォトダイオードＰＤ１からの光電流ｉ１と一定のバイアス電流ｉ５を加算した定電流源３ｂであるＱ１２のドレイン電流は、Ｑ４ドレイン電流ｉ２とＱ１０のドレイン電流との和である。よって、定電流源Ｑ１２のドレイン電流がＱ４のドレイン電流ｉ２の最大値を若干上回るように、Ｑ１２のゲート端子に供給するバイアス電圧Ｖｂ１２を調整することで、Ｑ４のドレイン電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００４３】
次に、電流調整手段４が定電流源３ａであるＱ１１の制御電圧Ｖｂ１１を出力する動作について説明する。Ｑ２およびＱ１６（ｐＭＯＳトランジスタ）、Ｑ１１およびＱ１８（ｎＭＯＳトランジスタ）、Ｑ１４（ｐＭＯＳトランジスタ）およびＱ１９（ｐＭＯＳトランジスタ）はそれぞれカレントミラー回路を構成している。ここで、Ｒ３はバイアス電流設定用の負荷抵抗であり、抵抗値を変えることでバイアス電流値を変えることができる。
【００４４】
具体的には、Ｑ１６のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続され、ドレイン端子がＱ１１のゲート電極に接続される。Ｑ１６のドレイン端子が、ドレイン端子とゲート端子が接続されたＱ１８のドレイン端子に接続される。Ｑ１８のソース端子が接地される。
【００４５】
Ｑ１８のドレイン端子が、Ｑ１４のドレイン端子に接続され、Ｑ１４のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続される。Ｑ１４のゲート端子が、ゲート端子とドレイン端子に接続されたＱ１９のゲート端子に接続される。Ｑ１９のソース端子が電源電圧ＶＤＤの電極端子に接続され、ドレイン端子がバイアス電流設定用の負荷抵抗Ｒ３の一端に接続される。負荷抵抗の他端は接地される。
【００４６】
このような構成により、負荷抵抗Ｒ３で設定されたバイアス電流ｉ５は、Ｑ１４とＱ１９で構成されるカレントミラー回路で複写され、Ｑ１４のドレイン電流として出力される。一方で、フォトダイオードＰＤ２からの光電流ｉ２は、Ｑ２とＱ１６で構成されるカレントミラー回路により複写され、Ｑ１６のドレイン電流ｉ２´として出力される。ｉ２´とｉ５は、電流加算用負荷として設けられたｎＭＯＳトランジスタであるＱ１８に流れ込み、Ｑ１８のドレイン電流となる。さらにＱ１８のドレイン電流は、Ｑ１８とＱ１１で構成されるカレントミラー回路により複写され、定電流源３ａのＱ１１のドレイン電流として出力される。
【００４７】
ここで、フォトダイオードＰＤ２からの光電流ｉ２と一定のバイアス電流ｉ５を加算した定電流源３ａであるＱ１１のドレイン電流は、Ｑ３のドレイン電流ｉ１とＱ９のドレイン電流との和である。よって、定電流源Ｑ１１のドレイン電流がＱ３のドレイン電流ｉ１の最大値を若干上回るように、Ｑ１１のゲート端子に供給するバイアス電圧Ｖｂ１１を調整することで、Ｑ３のドレイン電流に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００４８】
図３（ａ）は、電流調整手段４により出力されたＶｂ１１およびＶｂ１２の波形を示しており、図３（ｂ）は、同図で示した各ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を示したものである。図３（ａ）のＶｂ１２は、図３（ｂ）のＱ１７のドレイン電流によりドレイン・ソース間に発生する逆起電力である。また、Ｑ１７のドレイン電流と等価であるＱ１２のドレイン電流は、Ｑ３に流れるドレイン電流ｉ１と、ドレイン電流ｉ１を若干上回るように調整したバイアス電流ｉ５を加算したものである。これにより、Ｑ１２のドレイン電流とＱ４のドレイン電流との差分により、信号成分が増幅されＱ８のドレイン電流ｉ４となる。ドレイン電流ｉ４はカレントミラー回路により複写され、外部負荷抵抗Ｒ２に流れ込むことで、出力端子Ｔｏｕｔ２には、バイアス成分が除去され、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２に入力される差動の光の強度変化を電圧の高低に変換した電気信号が得られる。
【００４９】
図３（ａ）のＶｂ１１は、図３（ｂ）のＱ１８のドレイン電流によりドレイン・ソース間に発生する逆起電力である。また、Ｑ１８のドレイン電流と等価であるＱ１１のドレイン電流は、Ｑ４に流れるドレイン電流ｉ２と、ドレイン電流ｉ２を若干上回るように調整したバイアス電流ｉ５を加算したものである。これにより、Ｑ１１のドレイン電流とＱ３のドレイン電流との差分により、信号成分が増幅されＱ７のドレイン電流ｉ３となる。ドレイン電流ｉ３はカレントミラー回路により複写され、外部負荷抵抗Ｒ１に流れ込むことで、出力端子Ｔｏｕｔ１には、バイアス成分が除去され、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２に入力される差動の光の強度変化を電圧の高低に変換した電気信号が得られる。
【００５０】
尚、バイアス電圧Ｖｂ１１およびＶｂ１２は、以下の関係式（２）、（３）を満たす。ここでＶｔｈｎは、ｎＭＯＳトランジスタの閾値電圧、Ｖｔｈｐは、ｐＭＯＳトランジスタの閾値電圧である。
【００５１】
Ｖｔｈｎ  ＜  Ｖｂ１１  ＜  ＶＬ  ＜  ＶＨ  ＜  ＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜   ・・・・・・（２）
Ｖｔｈｎ  ＜  Ｖｂ１２  ＜  ＶＬ  ＜  ＶＨ  ＜  ＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜   ・・・・・・（３）
したがって、第１の実施の形態においては、電流調整手段４により、第２のフォトダイオードＰＤ２からの光電流ｉ２の電流値と一定のバイアス電流ｉ５を加算した第１の定電流源３ａの電流値が、光電流ｉ１の最大値を若干上回るように第１の定電流源３ａの制御電圧Ｖｂ１１を調整することで、第１のフォトダイオードＰＤ１からの光電流ｉ１に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００５２】
また、第１のフォトダイオードＰＤ１からの光電流ｉ１の電流値と一定のバイアス電流ｉ５を加算した第２の定電流源３ｂの電流値が、光電流ｉ２の最大値を若干上回るように第２の定電流源３ｂの制御電圧Ｖｂ１２を調整することで、第２のフォトダイオードＰＤ２からの光電流ｉ２に含まれる余分なバイアス電流を除去し、信号成分を取り出すことができる。
【００５３】
これにより、オペアンプを不要とし、且つ差動の光信号に含まれる同相のバイアス成分を除去し、差動の信号成分だけを増幅させることが可能となる。
【００５４】
また、第１の実施の形態において使用したＭＯＳトランジスタの双対なＭＯＳトランジスタを使用して光電気変換回路を構成してもよい。図４は、第１の実施の形態に係る光電気変換回路を双対なＭＯＳトランジスタで構成した回路図である。
【００５５】
同図の光電気変換回路１２において、図１の光電気変換回路１１と異なる点は、光電気変換回路１２のｎＭＯＳトランジスタとｐＭＯＳトランジスタを入れ替え、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の極性を逆にし、電圧源から供給する電圧を負の電源電圧ＶＳＳとした点である。ここで、光電気変換回路１２の動作および作用効果については光電気変換回路１１のものと同一なので説明を省略する。
【００５６】
［第２の実施の形態］
以下、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る光電気変換回路は、図１を用いて説明した第１の実施の形態と基本的な構成は同様である。
【００５７】
図５は、第２の実施の形態に係る光電気変換回路の構成を示す回路図である。第１の実施の形態に係る光電気変換回路１１においては、Ｑ９およびＱ１０のゲート端子がバイアス電圧Ｖｂ２の入力端子に接続されていたのに対し、同図の光電気変換回路１３においては、Ｑ９の制御電極がＱ１０のドレイン電極（節点Ｎ６）に接続され、Ｑ１０の制御電極がＱ９のドレイン電極（節点Ｎ５）に接続されている点である。これ以外の構成は、光電気変換回路１１と光電気変換回路１３とは同様な構成である。
【００５８】
第１の折り返し形カスコード増幅器２ａを構成するＱ９のゲート・ソース間に閾値電圧以上のより大きな信号電圧を印加することで、Ｑ９およびＱ１０による正帰還作用により節点Ｎ５の電圧振幅を大きくすることができる。図６は光電気変換回路１３の動作波形を表している。同図に示すように、Ｎ３の電圧が低くなる期間ではＮ６の電圧が高くなり、この電圧がＱ９のゲート・ソース間に印加される。これにより、ドレイン電流ｉ３の振幅を増大させることができ、その結果、出力端子Ｔｏｕｔ１の出力電圧の振幅を増大させることができる。
【００５９】
このことは、第２の折り返し形カスコード増幅器２ｂを構成するＱ１０においても、ゲート・ソース間の電圧の位相関係が１８０度異なるという点以外は、同様な作用効果を有するので、ドレイン電流ｉ４の振幅を増大させることができ、その結果、出力端子Ｔｏｕｔ２の出力電圧の振幅を増大させることができる。
【００６０】
尚、節点Ｎ１〜Ｎ６の電圧の最大値ＶＨ、最小値ＶＬは、以下の関係式（４）を満たす。ここでＶｔｈｎは、ｎＭＯＳトランジスタの閾値電圧、Ｖｔｈｐは、ｐＭＯＳトランジスタの閾値電圧である。
【００６１】
Ｖｔｈｎ  ＜  ＶＬ  ＜  ＶＨ  ＜  ＶＤＤ  −  ｜Ｖｔｈｐ｜      ・・・・・・（４）
したがって、第２の実施の形態によれば、Ｑ９の制御電極をＱ１０のドレイン電極に接続しＱ１０の制御電極をＱ９のドレイン電極に接続したことで、Ｑ９およびＱ１０のゲート・ソース間電圧の変化量を大きくすることが可能となり、Ｑ９のドレイン電流ｉ３、Ｑ１０のドレイン電流ｉ４の振幅を増大させることができる。これにより、出力端子Ｔｏｕｔ１およびＴｏｕｔ２の出力電圧の振幅を増大させることができる。
【００６２】
また、第２の実施の形態において使用したＭＯＳトランジスタの双対なＭＯＳトランジスタを使用して光電気変換回路を構成してもよい。図７は、第２の実施の形態に係る光電気変換回路を双対なＭＯＳトランジスタで構成した回路図である。
【００６３】
同図の光電気変換回路１４において、図５の光電気変換回路１３と異なる点は、光電気変換回路１３のｎＭＯＳトランジスタとｐＭＯＳトランジスタを入れ替え、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の極性を逆にし、電圧源から供給する電圧を負の電源電圧ＶＳＳとした点である。ここで、光電気変換回路１４の動作および作用効果については光電気変換回路１３のものと同一なので説明を省略する。
【００６４】
また、上述の各実施の形態において、定電流源は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ又はｐチャネルＭＯＳトランジスタを1つ用いて、飽和領域で動作させることで一定の電流を得る構成としたが、これに限られるものではなく、少なくとも1つのＭＯＳトランジスタを有し、そのＭＯＳトランジスタの制御電極に供給する電圧によって、定電流源に流れる電流値を制御するような構成の定電流源であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の実施の形態に係る光電気変換回路の構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光電気変換回路を説明する波形図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光電気変換回路の電流調整手段を説明する波形図である。
【図４】第１の実施の形態に係る光電気変換回路を双対なＭＯＳトランジスタで構成した回路図である。
【図５】第２の実施の形態に係る光電気変換回路の構成を示す回路図である。
【図６】第２の実施の形態に係る光電気変換回路の動作を説明する波形図である。
【図７】第２の実施の形態に係る光電気変換回路を双対なＭＯＳトランジスタで構成した回路図である。
【図８】従来の光電気変換回路の概略的な構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ａ…第１の変換手段
１ｂ…第２の変換手段
２ａ…第１の折り返し形カスコード増幅器
２ｂ…第２の折り返し形カスコード増幅器
３ａ…第１の定電流源
３ｂ…第２の定電流源
４…電流調整手段
１１…第１の実施の形態に係る光電気変換回路
１２…双対なＭＯＳトランジスタで構成した第１の実施の形態に係る光電気変換回路
１３…第２の実施の形態に係る光電気変換回路
１４…双対なＭＯＳトランジスタで構成した第１の実施の形態に係る光電気変換回路
ＰＤ１，ＰＤ２…フォトダイオード
Ｑ１〜Ｑ１９…ＭＯＳトランジスタ
Ｒ１，Ｒ２…外部負荷抵抗
Ｒ３，Ｒ６，Ｒ７…固定負荷抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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